Landsberg-1985-T2

Г л а в а VIII. ПРОХОЖДЕНИЕ ЭЛЕКТРИЧЕскоrо ТОКА

ЧЕРЕЗ rАЗЫ

§ 91. Самостоятельная и несамостоятельная проводимость

газов. В естественном состоянии газы не проводят электри­ ческого тока, т. е. являются диэлектриками. В этом легко

убедиться с помощью простого опыта, изображенного на рис. 147, который показывает, что даже чувствительный

гальванометр не обнаруживает тока, если цепь прервана воздушным промежутком. МЫ пользуемся этим всякий раз,

Рис. 147. Газы в естественном состоянии не являются проводниками: 1 - газовый IIромежуток, 2 - аккумуляторная батарея, 3 - галь­

ванометр

когда желаем прервать идущий ток: выключая рубильник

или поворачивая выключатель, мы тем самым создаем воз­

душный промежуток между двумя точками цепи. Изоли­ рующие свойства газа объясняются тем, что атомы и моле­

кулы газов в естественном состоянии являются нейтраль­

ными, незаряженными, частицами. Поэтому в обычных

условиях в газе почти нет свободных носителей заряда, дви­

жение которых могло бы создать электрический ток.

Отсюда ясно, что, для того чтобы сделать газ проводя­

щим, нужно тем или иным способом внести в него или со­

здать в нем свободные носители заряда - заряженные час-

204

тицы. При этом возможны два случая: либо эти заряженные частицы создаются действием какого-нибудь внешнего фак­

тора или вводятся в газ извне, либо они создаются в газе

действием самого электрического поля, существующего между электродами. В первом случае проводимость газа

называется неса.и-осmояmеЛbfЮй, во втором - са.мосmoяmель­ ной.

§ 92. Несамостоятельная ПРОВQДИМОСТЬ газа. Простейший

опыт, иллюстрирующий возникновение несамостоятелыюй проводимости газов, может быть осуществлен с помощью ус­

тановки, изображенной на рис. 147, которая показывает,

что в обычных условиях газы не проводят тока: несмотря на

приложенное напряжение, гальванометр в цепи показы­

вает отсутствие тока.

Нагреем теперь газ в промежутке 1 до очень высокой температуры, внеся в него зажженную горелку (рис. 148, а).

Гальванометр тотчас же укажет появление тока. Следова­

тельно, при высокой температуре молекулы газа уже не

являются незаряженными, а по крайней мере некоторая

их доля распадается на положительные и отрицательные час­

ти, т. е. в газе появляются ионы. Процесс образования ионов

в каком-либо газе называют ионизацией этого газа. В опи­

санном опыте ионизация является следствием нагрева­

ния газа.

Если направить в газовый промежуток струю воздуха

от маленькой воздуходувки и на пути струи, вне промежут­

ка, поместить ионизующее пламя (рис. 148, б), то гальвано­ метр показывает некоторый ток. Это значит, что ионы, воз­

никшие в пламени, не исчезают мгновенно, а перемещаются

вместе с газом. Однако при увеличении расстояния между пламенем и газовым промежутком ток постепенно ослабе­

вает и при расположении пламени в нескольких сантимет­

рах практически исчезает вовсе. Это показывает, что после

устранения причины, вызывающей ионизацию, число ионов в газе быстро уменьшается и через короткое время газ опять

превращается в диэлектрик.

YIсчезновение ионов в газе объясняется тем, что разно­

именно заряженные ионы стремятся сблизиться под влия­

нием силы электрического притяжения и при встрече

вновь воссоединяются в нейтральную молекулу. Такой про­ цесс носит название рекомбинации ионов. Вследствие ре­

комбинации однажды созданная проводимость газа не со­

храняется, а для получения длительного тока необходимо,

чтобы в газе непрерывно происходила ионизация.

205

Нагревание газа до высокой температуры не является

единственным способом ионизации молекул или атомов газа.

Нейтральные атОМЫ IIЛИ молекулы газа могут ионизовать­

ся, т. е. приобретать электрический заряд, также и под

1

а)

Рис. 148. а) Газ, ионизованпый пламенем, проводит электричество.

6) Если воздух, ИОНlIзованный nла~:е}:ем, проходит до пластИН не­

большое расстояние, гальва;:ометр показывает наЮIЧllе тока, 1 - га30IJЫЙ промежуток, 2 - аккумуляторная бата~ея, 3 - гальванометр

Боздействием ряда других фактОров, важнейшим из ко­

торых ЯЕляется рентгеновское излучение.

Обычно процесс ионизации состоит в отрыве от моле­

кулы электрона, блarодаря чему она становится положи­ тельным ионом. ОсвоБОДИБШИЙСЯ электрон сам становится свободным носителем отрицательного заряда. Однако во

многих случаях электрон «прилипает» К какой-нибудь нейт­

ра.rrьноЙ молекуле, которая, таким образом, становится ОТ­ рицательно заряженным ионом. Нередко и положительные

иотрицательные ионы представляют собой не единичные

ионизованные молекулы, а группы молекул, ПрШ1Ипших j{ отрицательному или положительному иону. Благодаря

206

этому, хотя заряд каждого ИОна решен одному, двум, редко

больше:vrу числу элементарных зарядов, массы их МОГУТ

значительно отличаться от масс отдельных атомов или мо­ лекул; этим газовые ионы существенно отличаются от ионов

электролитов, представляющих всегда, как мы видели, ато­

мы или определенные группы атомов. В силу этого разли­ чия при ионной проводимости газов не имеют местазаКОНbI

Фарадея, столь характерные для проводимости электроли­

тов.

Второе, также очень важное, отличие ионной проводи­

мост!! газов от ионной ПРОВОДI!~ЮСТИ электролитов состоит

Б ТОМ, что для газов не соблюдается закон Ома. Измеряя

силу тока 1, протекающего через газоI3ЫЙ промежуток, и на­

пряжение и на его границах (электродах), мы найдем, что

заSIIСНМОСТЬ 1 от и (так назьшаемая вольтампернзя ха­

рактеристика) имеет довольно сложный характер. В то вре­ l\IЯ как для ПрОI30ДНИКОI3, поДчиняющихся закону Ома

(п том числе и для электролитов), I30льтамперная характе­

РИСТlIка имеет вид наклонной прююй, показывающеfI про­

I10РЩJOнальность :vrежду ве.'шчина'v!И 1 и и, для газов, в за­

внсl!.\'ОСТП от характера разряда, она и:v!еет разнообразную

фОР:'IУ.

В частности, в случае неса:lIOстоятелыюй проводи'l!ОС­ TII, изображеННО:l! на рис. 1-1:8, получается график, пока­

занный на рвс. 1-1:9. Только при небольших значеНIIЯХ U график имеет вид пр,щой, т. е. закон Ома прибmJ­ женно сохраняет силу; с ростом U кривая загибается и, !IJчиная снекоторого напряжеНIlЯ - обычно нескольких

ПОJ1ученных реЗУJIьтатоI3. Вна-

ЧJле с ростом напряжения УI3еJIичивается число ИОНОВ, про­

ХО;J,ЯЩИХ за единицу пречени через сечение разряда, т. е.

увеличивается ток 1, ибо ионы в более сильно:vr поле ДВИ­ жутся с большей скоростью. Однако, как бы быстро НИ дви­

га,1НСЬ ионы, число ИХ, проходящее через это сечение за

201

единицу времени, не может быть больше, чем общее число

ионов, создаваемых в разряде в единицу времени внешним

ионизующим фактором. Если, например, горелка создает за

1 с миллион пар ионов, каждый из которых имеет заряд 1,60·10-19 Кл, то максимальный заряд, проходящий через

газ за 1 с, т. е. максимальный ток, равен 106.1,60 ·10-19= =1,60·10-13 Кл/с=1,60·1O-13 А. Это и есть значение тока насыщения в данном случае. Если бы ионизующий фактор был сильнее, т. е. создавал бы в 1 с больше ионов, то и зна­

чение тока насыщения было бы больше. Однако и в этом слv­

чае предельная сила тока определялась бы действием ИОНI1-

зующего фактора, а не напряжением, т. е. имело бы место

насыщение. Только в том случае, когда ионизующий фактор

настолько силен, что даже при больших напряжениях элект­

рическое поле не успевает уводить все образующпеся ионы, 1 мы не будем иметь насыще­

ния. Это и имеет место в элект­

ко, что если после достижения тока насыщения в газе продолжать значительно повышать

напряжение, то ход вольтамперной характеристики, пред­

ставленной на рис. 149, внезапно нарушается. При до­ статочно большом напряжении ток резко возрастает

(рис. 150).

Скачок тока показывает, что число ионов сразу резко

возросло. Причиной этого является само электрическое по­

ле: оно сообщает некоторым ионам столь большие скорости, т. е. столь большую энергию, что при соударениях таких ионов с нейтральными молекулами последние разбиваются

на ионы. Общее число ионов теперь определяется не иони­

зующим фактором, а действием самого поля, которое может само поддерживать необходимую ионизацию: проводимость из несамостоятельной становится самостоятельной. Опи-

*) При оч~нь больших напряжениях в электролитах удалось на­ vлюдать небольшие отступления от закона Ома.

708

санное явление внезапного возникновения самостоятельной проводимости, имеющее характер пробоя газового проме­ жутка, - не единственная, хотя и весьма важная, форма

возникновения самостоятельной проводимости. К описа­

нию различных случаев самостоятельной проводимости га­ зов мы сейчас и перейдем.

§ 93. Искровой разряд. ПрисоеДИIIИМ шаровые электроды к батарее конденсаторов (рис. 151) и начнем зарядку конден­ саторов при помощи электрической машины. По мере заряд­ ки конденсаторов будет увеличиваться разность по­

тенциалов между электродами, а следовательно, будет

Рис. ]51. Если напряжснность поля в воздухе достигает прпблизп­

теЛЬНО 3 МВ/М, то наступает элсктрический пробой газа и возникает

электрическая и~кра

увеличиваться и напряженность поля в газе. Пока напря­

женность поля невелика, в газе нельзя заметить никаких

I!ЗменениЙ. Однако при достаточно большой напряженности поля (около 3 МВ/м) между электродами появляется элек­

трическая искра, имеющая вид ярко светящегося извилис­

того канала, соединяющего оба Э.'Iектрода. Газ вблизи аскры нагревается до высокой температуры и внезапно рас­

ширяется, отчего возюшают звуковые волны, и мы с.'1ыIимM

характерный треск. Конденсаторы в этой установке су­

ществуют д.'IЯ того, чтобы сдмать искру более мощной.

Описанная форма газового разряда носат название искрового разряда или искрового пробоя газа. При наступ­

лении искрового разряда газ внезапно, скачко:vr, утрачива-

209

ет СВОИ диэлектрические свойства и становится хорошим

проводником. Напряженность поля, при I(QТОРОЙ наступает

искровой пробой газа, имеет различное значение у разных

газов 11 зависит от их состояния (давления, температуры). При заданном напряжении между электродами напря­

женность [юля тем меньше, чем дальше находятся электро­

ды друг от друга. Поэтому, чем больше расстояние между

элеI{тродами, тем большее напряжение между ними необхо­

ДИl\Ю для наступления искрового пробоя газа. Это напря­

жение называется напряжением пробоя.

Зная, как зависнт напряжение пробоя от расстояния между элек­

тродами какой-либо определенной формы, можно измерить неизвест­ ное напряжение по максима,1ЬНОЙ

напряжение, при котором происходит пробой, составляют специальные табmщы, при помощи которых затем определяют напряжение по длине

Возникновение пробоя объясняется следующим обра­ зом. В газе всегда есть некоторое число ионов и электро­ нов, возникающих от случайных причин. Обычно, однаIШ,

число их настолько мало, что газ практически не проводит

электрнчестnа. При сравнительно небольuшх значениях

напряженности поля, с какими мы встречаемся при из­

учении несамостоятельной проводимости газов, соударения

ИОНОIJ, движущихся в электрическом поле, с нейтральны­

М]] молеКУJlами газа происходят так же, как соударения уп­

ругих шаров. При каждом соударении движущаяся части­ ца передает покоящеikя часть своей кинетической энер­

гии, и обе частицы после соударения разлетаются, но ника­

!шх внутренних изменений в них не происходит. Однако

при достаточной напряженности ПОЛЯ кинетическая энер­

ГИЯ, накопленная ионом в промежутке между двумя соуда­

рениями, может сдеJIаться достаточной, чтобы ионизоватЬ

нейтраJIЬНУЮ молекулу при соударении. В реЗУJIьтате 06-

210

разуется новый отрицательный электрон и ПОЛОЖlпеJ1.ЬНО

заряженный остаток - ион. Такой процесс ИОНllзации назы­

вают ударной ионизацией, а ту работу, которую нужно за­

тратить, чтобы произвести отрывание электрона от атома,-

Рис. 153. Свободный электрон

1 при соударении с нейтраль­ ной молекулой расщепляет ее

на электрон 2 и свободный поло­

жительный ион. Электроны 1 и 2 при дальнейшем соударении с нейтральными молекулами снова расщепляют их на электроны 3 и 4 и свободные положительные

ионы, и т. Д.

работой ионизации. Работа ионизации зависит от строения

атома и поэтому различна для разных газов.

Образовавшиеся под влиянием ударной ионизацип

электроны и ионы увеличивают число зарядов !З газе, при­

чем в свою очередь они приходят в движение под действием

электрического поля и могут произвести ударную 110низа-

цию новых атомов. Таким образом, этот процесс «усили­ вает сам себн», и ионизация в газе быстро достигает очень большой величины. Все явление вполне аналогично снеж­

ной лавине в горах, для зарождения которой бывает до­

статочно ничтожного комка снега. Поэтому и описанный

процесс был назван ионной лавиной (рис. 153 и 154). Обра­

зование ионной лавины и есть процесс искрового пробоя,

ато минимальное напряжение, при котором возникает

ионная лавина, есть напряжение пробоя. МЫ ВИДИМ, что

при искровом пробое причина ионизации газа заключается в

211

раЗР!Jшенuи аmО.АЮ8 и ..A-LOлекул при соударенuях с ионами

(ударная ионuзация) *).

?93.1. Известно, что чем меньше давление газа (при неизменной

•температуре), тем меньшее ЧИСЛО атомов содержится в единице

объема газа и тем больший путь свободно пролетают атомы между двумя последовательными соударениями. Учитывая это, сообра­

зите, как будет изменяться (увеличиваться или уменьшаться)

напряжение пробоя газового промежутка при уменьшении давле­

НIIЯ газа.

§ 94. Молния. Красивое и небезопасное явление природы - МОЛНlIЯ представляет собой искровой разряд в атмосфере.

Уже в середине XVIII века обратили внимание на внешнее сходство молнии с электрической искрой. Высказывалось предположение, что

грозовые облака несут в себе большие электрические заряды и что мол­

ния есть гигантская искра, ничем, кроме размеров, не отличающаяся

от искры между шарами электрической машины. На это указывал, на­ пример, русский физик и хш!Ик Михаил Васильевич Ломоносов (17111765), наряду с другими научными вопросами заннмавшийся атмосфер­

ным электричеством.

Это было доказано на опыте (в 1752-1753 rг.) М. В. Ломоносовым

и американским исследователем Франклином (1706-1790), работавши­

ми одновременно и независимо друг от друга.

Ломоносов построил «громовую машину» - конденсатор, нахо­ дившиikя в его лаборатории и заряжавшийся атмосферным электриче­ ством посредством провода, конеЦ которого был выведен из помещения

и поднят на высоком шесте. Во время грозы из конденсатора можно было

рукой извлекать искры.

Франклин во время грозы пустил на бечевке змея, который был снаб­ жен железным острием; к нижнему концу бечевки был привязан двер­ ной ЮIЮЧ. Когда бечевка HaMOКJIa и сделалась проводником электриче­ ского тока, Франклин смог извлечь из ключа электрические искры, за­

рядить лейденские банки и проделать другие опыты, производимые с

электрической машиной **).

Таким образом, было показано, что грозовые облака действительно

сильно заряжены электричеством.

Разные части грозового облака несут заряды различных знаков.

Чаще всего нижняя часть облака (обращенная к Земле) бывает заря­ жена отрицательно, а верхняя - положительно. Поэтому, если два

облака сближаются разноименно заряженными частями, то между ними

проскакивает молния. Однако грозовой разряд может произойти и иначе.

Проходя над Землей, грозовое облако создает на ее поверхности боль­

шие индуцированные заряды, и поэтому облако и поверхность Земли

*) Процесс возникновения искрового разряда связан с образованием

так называемых cmpU.Atep08 и более сложен, чем описано здесь, однако

изложение деталей явления пробоя выходит за рамки этой книги. (При­

Аlеч. ред.)

**) Следует отметить, что такие опыты чрезвычайно опасны, так

как молния может ударить в змей, и при этом большие заряды пройдут через тело экспериментатора в Землю. В истории физики были такие пе­ чальные случаи. Так погиб, например, в 1753 г. в Петербурге Г. В. Рих. ман, ра60тавш~й вместе сМ. В. Ломоносовым.

212

образуют две обкладки большого конденсатора. Разность потенциалов

между облаком и Землей достигает огромных значений, измеряемых сот­

нями миллионов вольт, и в воздухе возникает сильное электрическое

поле. Если напряженность этого поля делается достаточно большой, то может произойти пробой, т. е. МОЛНIIЯ, ударяющая в Землю. При этом

молния иногда поражает людей и вызывает пожары.

Согласно многочисленным исследованиям, произведенным над мол­ нией, искровой разряд в молнии характеризуется следующими пример­

ными числами:

Гром, возникающий после молнии, имеет такое же происхождение, как и треск при проскакивании лабораторной искры. Именно, воздух

внутри канала молнии сильно разогревается и расширяется, отчего

и возникают звуковые волны. ЭТИ волны, отражаясь от облаков, гор

и т. П., часто создают Д.1Jительное эхо - громовые раскаты.

§ 95. Коронный разряд. Возникновение ионной лавины не

всегда приводит к искре, а может вызвать и разряд другого

типа - коронный разряд.

Натянем на двух высоких изолирующих подставках ме­ таллическую проволоку аЬ, имеющую диаметр несколько

аЬ

к элеЮ!7J]UЧВСf(ОЦ

машине

1, .)

Рис. 155. Получение коронного разряда

десятых миллиметра, и соединим ее с отрицательным по­

люсом генератора, дающего напряжение несколько тысяч

вольт, например хорошей электрической машины (рис. 155).

Второй полюс генератора отведем к Земле. Получится свое­

образный конденсатор, обкладками которого являются

проволока и стены комнаты, которые, конечно, сообщаются

сЗемлей.

Поле в этом конденсаторе весьма неоднородно, и напря­

женность его вблизи тонкой проволоки очень велика (§ 30).

Повышая постепенно напряжение и наблюдая за проволокой

втемноте, можно заметить, что при известном напряже-

213