Skip to content

Фізика 9 НУШ. Урок №9. Електричний струм у газах

Урок про електричний струм у газах, йонізацію, рекомбінацію та типи газових розрядів: несамостійний і самостійний.

Key Takeaways

  • Електричний струм у газах виникає за наявності вільних заряджених частинок, утворених процесом йонізації.
  • За звичайних умов гази є діелектриками, але нагрівання чи зовнішні йонізатори можуть зробити їх провідниками.
  • Несамостійний газовий розряд існує лише під дією зовнішнього йонізатора, самостійний – підтримується внутрішніми процесами.
  • Рекомбінація зменшує кількість заряджених частинок, тому для підтримки струму потрібен постійний процес йонізації.
  • Самостійний розряд підтримується ударною йонізацією, коли електрони, прискорені в електричному полі, іонізують нейтральні частинки.

What the video covers

  • Вивчення природи електричного струму в газах через процеси йонізації та рекомбінації.
  • Пояснення умов виникнення електричного струму в газах і характеристика основних типів газових розрядів.
  • Демонстрація досліду з повітряним проміжком між металевими пластинами та впливом полум'я на провідність газу.
  • Розгляд поведінки нейтральних атомів і молекул газу за відсутності електричного поля і нагрівання.
  • Опис процесів йонізації газу під дією тепла, рентгенівського, ультрафіолетового та радіоактивного випромінювання.
  • Визначення рекомбінації як зворотного процесу до йонізації, що підтримує динамічну рівновагу в газі.
  • Пояснення, що йонізований газ (плазма) проводить електричний струм у електричному полі, що називають газовим розрядом.
  • Опис двох видів газового розряду: несамостійного (потрібен зовнішній йонізатор) та самостійного (без зовнішнього йонізатора).
  • Механізм підтримки самостійного газового розряду через ударну йонізацію електронами, що прискорюються в полі.
  • Вплив тиску газу та сили електричного поля на можливість йонізації та підтримання струму в газах.

Answers

Questions about this video

Що таке йонізація газу і які фактори її викликають?

Йонізація газу – це процес утворення вільних електронів і йонів з нейтральних атомів або молекул. Вона може відбуватися під дією нагрівання, рентгенівського, ультрафіолетового, радіоактивного випромінювання або інших зовнішніх йонізаторів.

Чим відрізняється несамостійний газовий розряд від самостійного?

Несамостійний газовий розряд існує лише за наявності зовнішнього йонізатора і припиняється при його відключенні. Самостійний розряд триває без зовнішнього йонізатора завдяки внутрішнім процесам, таким як ударна йонізація.

Чому гази за звичайних умов не проводять електричний струм?

За нормальних умов гази складаються переважно з нейтральних атомів і молекул і містять дуже мало вільних електронів та йонів, тому вони поводяться як діелектрики і не проводять струм.

Full Transcript — Download SRT & Markdown

00:00
Speaker A
Вітаю. Тема уроку: електричний струм у газах. Сьогодні на занятті ми будемо формувати розуміння природи електричного струму в газах через вивчення процесів йонізації та рекомбінації. Розкриємо умови виникнення такого електричного струму та охарактеризуємо основні типи газових розрядів: несамостійний і самостійний. Їх особливості та приклади. Водночас я поясню фізичну суть газових розрядів і встановлю зв'язок між процесами, що відбуваються в газовому середовищі, та явищами, які спостерігаються під час його провідності. Буде доволі цікаво.
00:27
Speaker A
Розпочинаємо. І не забуваємо підписатися та поставити вподобайку. На попередніх уроках ми вчили, що електричний струм — це напрямлений рух у вільних заряджених частинах. Ми вже знаємо, що в металах струм зумовлений рухом вільних електронів, а в розчинах і розплавах
00:45
Speaker A
електролітів — напрямленим рухом позитивних і негативних йонів. А які частинки можуть рухатися в газах і за яких умов гази проводять електричний струм? Для відповіді розглянемо досвід.
01:04
Speaker A
Візьмемо дві металеві пластини, між якими є повітряний проміжок, і під'єднаємо його до джерела високої напруги. У коло також ввімкнемо чутливий гальванометр, здатний реєструвати навіть малесенькі струми. І ось пластина, з'єднана з позитивним полюсом джерела, набуватиме позитивного заряду, а пластина, під'єднана до негативного
01:20
Speaker A
полюса, — негативного. І між ними виникатиме електричне поле, яке могло б змусити заряджені частинки рухатись.
01:43
Speaker A
Проти стрілка гальванометра залишається на нулі. Якщо ми замкнемо ключ, це [прочищення горла] означає, що струму тут поки немає. Причина в тому, що газ за нормальних умов складається переважно з нейтральних атомів і молекул і містить дуже мало вільних електронів та йонів.
01:52
Speaker A
Тому повітря за таких умов поводиться як добрий ізолятор. Отже, за звичайних умов повітря не проводить електричний струм і є діелектриком. Але ситуація різко змінюється, якщо в повітряний проміжок внести полум'я спертівки. У цьому разі стрілка гальванометра відхиляється. У колі з'являється струм. Це означає, що
02:11
Speaker A
під дією полум'я в повітрі утворюються вільні заряджені частинки, які починають рухатися в електричному полі від однієї пластини до іншої. Таким чином, нагріте полум'я повітря вже поводиться як провідник. Отже, робимо другий висновок уроку, що при внесенні в повітряний проміжок полум'я спертівки
02:36
Speaker A
повітря проводить електричний струм і є вже провідником. А якими є частинки газу та як вони поводяться, коли немає електричного поля і газ не нагрітий? Коли немає електричного поля, за звичайних умов, якщо газ не будемо нагрівати, його частинки, як ми вже сказали, переважно є
02:59
Speaker A
нейтральними атомами і молекулами, а вільних електронів і йонів у ньому дуже мало. Усі частинки тут здійснюють хаотичний тепловий рух у різних напрямках. І тут немає впорядкованого направленого руху. Тому за таких умов газ дійсно не проводить електричний струм і поводиться як діелектрик,
03:20
Speaker A
ізолятор. А що ж тоді відбувається в нагрітому газі, коли електричне поле буде відсутнє? Якщо газ нагріти або на нього буде діяти певний зовнішній йонізатор, у ньому з'являтимуться вільні електрони та йони.
03:41
Speaker A
Розглянемо, наприклад, що відбувається з цими частинками за відсутності електричного поля. Під дією полум'я спертівки енергія теплового руху частинок повітря зростає настільки, що під час зіткнень від молекул або атомів можуть відриватися електрони. У результаті утворюються так звані вільні електрони та позитивні йони, частинки, що втратили
03:58
Speaker A
електрон. І такий вільний електрон, хаотично рухаючись, може при зіткненні приєднатися до нейтральної частинки, утворивши і негативний йон. Цей процес називається йонізацією. Тобто, згідно з визначенням, йонізація — це процес утворення з нейтральних молекул чи атомів позитивних і негативних йонів, а
04:24
Speaker A
також вільних електронів. Йонізація газу може відбуватися під дією різних зовнішніх чинників, тобто не лише під час сильного нагрівання, але й під час, наприклад, рентгенівського чи радіоактивного випромінювання або ультрафіолетового випромінювання. І на цьому список не завершується. І такі впливи називають зовнішніми
04:48
Speaker A
йонізаторами. Але є й зворотній процес, так звана рекомбінація — процес, у якому протилежно заряджені частинки знову об'єднуються в нейтральні молекули чи атоми. Тобто за відсутності електричного поля електрони і йони, як ми вже сказали, рухаються хаотично і здійснюють тепловий рух. Тому в газі одночасно відбувається
05:11
Speaker A
і йонізація, і рекомбінація. І між цими процесами встановлюється динамічна рівновага. У кожний момент утворюється приблизно стільки ж заряджених частинок, скільки знову нейтралізується. А йонізований газ, у якому є дуже багато вільних електронів і йонів, називають плазмою. І що станеться, якщо
05:36
Speaker A
йонізований газ, тобто плазму, помістити в електричне поле? Мабуть, вже усі здогадалися, що якщо газ уже йонізований, тобто містить багато вільних електронів і йонів, і його помістити в електричне поле, заряджені частинки почнуть напевнено рухатись.
05:59
Speaker A
Тобто позитивні йони у напрямку силових ліній поля до катода, а електрони та негативні йони у протилежний бік до анода. Тобто ми будемо спостерігати електричний струм у йонізованих газах, у плазмі. І за означенням це є напрямлений рух вільних електронів, позитивних і
06:18
Speaker A
негативних йонів. Водночас електричний струм у плазмі називають дуже часто газовим розрядом. Давайте з'ясуємо, за яких умов газ починає проводити струм сам, а коли потребує зовнішнього джерела. Існує два основні види газового розряду: несамостійний і самостійний.
06:41
Speaker A
Про несамостійний розряд говорять тоді, коли газ проводить струм лише доти, доки діє зовнішній йонізатор. Наприклад, рентгенівське випромінювання, ультрафіолет чи полум'я. Щойно йонізатор вимикають, то розряд зникає. Тобто, якщо пригадати перший дослід, то гальванометр показував струм лише тоді, поки горів
07:03
Speaker A
пальник. Як тільки полум'я зникало, несамостійний газовий розряд зникав, струм не протікав. Тобто ми можемо сформулювати означення, що таке несамостійний газовий розряд. Згідно з означенням, це газовий розряд, який відбувається тільки за наявності зовнішнього йонізатора. А чому несамостійний газовий розряд припиняється після зникнення йонізатора?
07:26
Speaker A
Відповідь на це доволі проста. Частина йонів і електронів зазнає рекомбінації. Протилежно заряджені частинки знову об'єднуються в нейтральні атоми або молекули. І друге. Решта заряджених частинок зникає на електродах. Електрони рухаються до анода і поглинаються ним.
07:54
Speaker A
Те ж саме відбувається з негативними йонами, які теж прямують до анода, віддають йому зайві електрони і стають нейтральними. А позитивні йони [прочищення горла] рухаються вже до катода, забирають у нього електрони і також перетворюються на нейтральні частинки. Отже, поки йонізатор працює, у
08:13
Speaker A
газі постійно утворюються нові йони і струм може протікати. Коли дія йонізатора припиняється, утворення нових заряджених частинок майже припиняється, а наявні швидко зникають унаслідок рекомбінації та поглинання електродами.
08:31
Speaker A
Газ знову стає діелектриком. Але за певних умов газ може продовжувати проводити електричний струм навіть тоді, коли зовнішній йонізатор уже не діє. У цьому разі говорять про самостійний газовий розряд. І згідно з означенням, це газовий розряд, який відбувається без дії зовнішнього йонізатора. І,
08:49
Speaker A
наприклад, початкові електрони можуть з'явитися завдяки випадковій йонізації, наприклад, від космічних променів, природного радіаційного фону тощо. Але далі процес живе вже сам. І тут, звісно, виникає питання, як же газу вдається підтримувати струм самостійно? Зараз розповім. У електричному полі вільний
09:12
Speaker A
електрон набирає швидкість. Звісно, він не розганяється безкінечно. Час від часу електрон зіштовхується з атомами або молекулами газу. Якщо між двома зіткненнями електрон устиг набрати достатньо велику швидкість, а отже енергію, під час удару об нейтральну частинку, він може вибити з неї
09:36
Speaker A
електрон, тобто йонізувати її. У результаті утворюється позитивний йон і ще один вільний електрон. Нові електрони теж прискорюються в полі, зіштовхуються з іншими нейтральними частинками і знову їх йонізують. Так запускається електронна лавина.
09:58
Speaker A
електрон, тобто йонізувати її. У результаті утворюється позитивний йон і ще один вільний електрон. Нові електрони теж прискорюються в полі, зіштовхуються з іншими нейтральними частинками і знову їх йонізують. Так запускається електронна лавина. З одного електрона виникає два, з двох -чотири, з чотирьох
10:21
Speaker A
вісім і так далі, доки ці електрони не досягнуть анода. Такий процес множинної йонізації називають ударною йонізацією.
10:30
Speaker A
або йонізацію електронним ударом. Приклад ударної йонізації ви зараз бачите на екрані. І ось електрони, що утворилися внаслідок ударної йонізації, рухаються до анода і зрештою поглинається ни здавалося, після цього розряд мав би припинятися, але цього не відбувається, якщо в газі постійно
10:53
Speaker A
з'являються нові електрони. Одним із головних джерел таких нових електронів стає катод. Позитивні йони, що рухаються до катода, бомбардують його поверхню і вибивають із неї ще нові електрони. Цей процес називають емісією електронів із катода. Таким чином, катод постачає в
11:14
Speaker A
газ нові вільні електрони, які знову розганяються в електричному полі і продовжують ударну юнізацію. Отже, самостійний газовий розряд підтримується двома основними процесами: ударною йонізацією або йонізацією електронним ударом, а також емісією електронів із поверхні катода під дією позитивних йонів. А за яких же умов можлива
11:38
Speaker A
йонізація електронним ударом? Зрозуміло, що під час зіткнення електронти електрон із нейтрального атома чи молекули. Він має мати, як ми вже сказали, достатню кінетичну енергію. І це можливо у двох випадках. Або електрон довго розганяється, має великий шлях між зіткненнями, або він розганяється дуже
12:03
Speaker A
швидко у сильному електричному полі. І за нормального тиску, приблизно атмосферного, електрони в газі дуже часто стикаються з атомами і молекулами.
12:14
Speaker A
Тому шлях між зіткненнями тут малий. щоб електрон встиг набрати енергію, потрібно для йонізації. Електричне поле має бути досить сильним. Водночас, якщо тиск газу буде малий, тобто газ буде розріджений, час і відстань між зіткненнями збільшується. [прочищення горла] У такому разі електрон може набрати
12:35
Speaker A
потрібно для йонізації енергії вже в набагато слабшому електричному полі. Саме тому багато видів самостійного газового розряду спостерігається саме у розряджені газах. На наступному уроці ми про це ще будемо говорити, розглядаючи різні самостійні газові розряди, але це буде потім. А поки порозв'язуємо задачі
12:58
Speaker A
за вивченим щойно матеріалом. Завдання перше. Заряджений електроскоп у сухому повітрі може довго зберігати свій заряд.
13:08
Speaker A
Проте, якщо до нього піднести запалену свічку або сірник, він швидко розраджається. Поясніть, чому наявність полум'я робить повітря провідником та як називають процес утворення заряджених частинок під дією високої температури.
13:24
Speaker A
Полум'я сильно нагріває повітря навколо електроскопа. За високих температур частинки газу, атоми і молекули отримують достатньо енергії, щоб від них могли відірватися електрони. Тобто у повітрі будуть з'являтися вільні електрони та йони і виникатиме йонізований газ. А наявність великої кількості заряджених частинок робить
13:48
Speaker A
повітря електропровідним. Заряд з електроскопа може стікати через іонізоване повітря і тому електроскоп швидко розряджається. Процес утворення заряджених частина йонів та електронів під дією високої температури називається термічною йонізацією. Завдання два. Газ між електродами почали опромінювати ультрафіолетовою лампою. І поки вона
14:14
Speaker A
працювала, у колі йшов електричний струм. Проте одразу після вимкнення лампи струм миттєво зник. Визначте, до якого виду розряду належить це явище і поясніть фізичну причину припинення струму після зникнення випромінювання.
14:32
Speaker A
Йонізація випромінювання, як ми вже вивчили - це процес, за якого енергію, необхідну для виривання електронів з атомів або молекул, постачає електромагнітне випромінювання достатньо великої частоти: ультрафіолетове, рентгенівське чи навіть гамовипромінювання. У даному досліді спостерігається саме несамостійний газовий розряд, його ще називають
14:57
Speaker A
фотонним. І поки працювала ультрафіолетова лампа, її випромінювання йонізувало газ між електродами. З атомів вибивалися електрони, утворювалися позитивні йони, тобто виникали вільні заряджені частинки, які забезпечували проходження електричного струму в колі.
15:16
Speaker A
Коли лампу вимикають, звісно, зовнішнє джерело йонізації зникає. Нові заряджені частинки практично не утворюються, а наявні електрони та йони швидко рекомбінують. З'єднуються знову в нейтральні атоми. В результаті кількість вільних носіїв заряду різко зменшується, і тому струм у колі миттєво
15:37
Speaker A
припиняється. Газ без зовнішнього опромінення не може сам підтримувати розряд, отжей розряд є несамостійним. Завдання три. У проміжку між двома електродами є розряджений газ із невеликою кількістю вільне заряджених частинок. За напруги 400 В сила струму становить 1 мА, а після збільшення
15:59
Speaker A
напруги до 600 В 5 мА. Поясніть, чому сила струму зростає так різко і непропорційно напрузі, та назвіть процес у газі, який при цьому починає домінувати.
16:14
Speaker A
Питання доволі складне. Струм зріс непропорційно, тому що при напрузі 600 В електрони, які рухаються в електричному полі, набувають значно більшої кінетичної енергії. Під час зіткнень з атомами газу вони вже можуть не лише втрачати енергію, а йонізувати їх, вибиваючи нові електрони. У результаті
16:37
Speaker A
запускається ударна лавинна йонізація. Кожен швидкий електрон створює ще кілька нових електронів. Ті знову прискорюються полем і знову йонізують атоми. Кількість вільних носіїв заряду, електронів і йонів зростає лавиноподібно, тому сила струму збільшується значно вище, ніж у півтора раза, аж до п'яти разів. Отже,
17:02
Speaker A
причина стрімкого і непропорційного зростання струму- те, що при такій високій напрузі в газі починає домінувати процес ударної лавинної йонізації. Завдання чотири. Внаслідок йонізації в 1му самкубічному повітря утворилося 2х10 в степені пари йонів.
17:22
Speaker A
Обчисліть, скільки всього вільних заряджених частинок міститься в цьому об'ємі. Пам'ятаючи про структуру пари йонів.
17:31
Speaker A
Тут все дуже просто. Кожна йонна пара складається з двох заряджених частин: одного позитивного йона та однієї негативно зарядженої частинки. Це може бути електрон або негативний йон. Отже, одна йонна пара - це дві заряджені частинки. Якщо за умови в нас 2х 10^6
17:52
Speaker A
степені пар, тоді загальна кількість вільних заряджених частинок буде становити 2 * 2 10/6 степені. Тобто їх буде в два рази більше. 4 * 10 вш степені, тобто 4 млн заряджених частинок йонів та електронів. Завдання п'ять. У газі, що перебуває в електричному полі,
18:16
Speaker A
рухаються електрони та йони, стикаючись із нейтральними молекулами, атомами. Хто є ефективнішим у створенні нових йонів під час ударної йонізації? Електрони чи йони? Поясніть відповідь, враховуючи масу частинок і те, як швидко вони можуть набувати великої швидкості до зіткнення. [прочищення горла]
18:39
Speaker A
Найефективнішими у створюванні нових йонів під час ударної йонізації є електрони. Електрони мають дуже малу масу, тому в електричному полі вони набагато швидше розганяються, легше набувають велику швидкість і відповідно кінетичну енергію до моменту зіткнення з нейтральними молекулами чи атомами.
19:00
Speaker A
Завдяки цьому електрон під час удару може передати молекулі чи атому достатню енергію, щоб вибити з неї новий електрон, тобто йонізувати його.
19:11
Speaker A
Натомість важкі йони через велику масу розганяються повільніше і, як правило, не встигають набрати таку ж велику швидкість і енергію, тому їх внесок в ударну іонізацію значно менший. Завдання шість. Тиск газу суттєво впливає на проходження електричного струму. Як змінюється ймовірність зіткнення
19:32
Speaker A
електронів із частинками газу, атомами або молекулами у двох випадках, коли газ сильно розріджений, тобто маємо вакуум, та коли він перебуває під дуже високим тиском. Поясніть, чому в обох цих випадках електричний струм через газ практично не проходить.
19:52
Speaker A
У сильно розрядженому газі, майже вакуумі частинок газу атомів або молекул дуже мало. Тому ймовірність зіткнення електрона з будь-якою частинкою дуже мала. Електрон може пролітати велику відстань без зіткнень. Отже, ударна йонізація майже не відбувається. Нові заряджені частинки не утворюються і
20:13
Speaker A
струм через газ практично не проходить. А у газі під дуже високим тиском частинок навпаки дуже багато. Тому електрон стикається з ними надто часто.
20:24
Speaker A
Через часті зіткнення він не встигає розігнатися в електричному полі до достатньої енергії, щоб під час удару йонізувати частинку газу. Тобто електрон втратить енергію на численні, не іонізуючи зіткнення. І ударна іонізація, знову ж таки, майже не відбуватиметься.
20:44
Speaker A
Отже, і при майже вакуумі, і при надто високому тиску умови для ударної йонізації несприятливі, тому електричний струм через газ практично не буде проходити. Завдання сім. У рекламних вивісках та лампах денного світла ми бачимо, що розріджений газ під дією
21:03
Speaker A
струму починає яскраво світитися різними кольорами. Поясніть, як зіткнення швидких електронів із частинками газу призводить до випромінювання світла і чому колір цього світіння залежить від того, який газ закачано в трубку.
21:21
Speaker A
На наступному уроці ми про це ще докладніше поговоримо, але і сьогодні трошки відкриємо, як працюють рекламні вивіски та лампи денного світлу. І так, електрони в електричному полі розганяються і набувають великої швидкості. Ми вже це вивчили, тобто досить великої кінетичної енергії. І
21:41
Speaker A
коли такий швидкий електрон газу, частина його енергії руху передається атому. Атом не може утримувати цю зайву енергію удару і миттєво скидає її назовні у вигляді спалоху світла. Колір світіння залежить від природи газу, тому що атоми різних речовин мають різну внутрішню структуру.
22:04
Speaker A
Це можна порівняти з музичними інструментами. Якщо вдарити паличкою по барабану та рілці чи кселофону, звук буде різним. Так само і різні атоми газів, неону, аргону, гелію після удару електроном випромінюють світло свого унікального кольору. Згодом на уроках фізики ми докладно будемо цей процес
22:29
Speaker A
розглядати. На цьому все. Лишилося узагальнити та підсумувати, дати відповіді на контрольні запитання, щоб виконати саперевірку і врешті опрацювати параграф четвертий та виконати вправи чотири, першу, третю та п'яту. Це і буде ваше домашнє завдання. На цьому все. Чекаю на
22:52
Speaker A
наступних заняттях. Yeah.
Topics:електричний струмгазові розрядийонізаціярекомбінаціяплазманесамостійний розрядсамостійний розряделектричне полефізика газівтермічна йонізація

Get More with the SozAI App

Transcribe recordings, audio files, and YouTube videos — with AI summaries, speaker detection, and unlimited transcriptions.

Or transcribe another YouTube video here →