Вправа № 4
1. В електричному полі, створеному двома різнойменно зарядженими пластинами (рис. 1), міститься йонізований газ. Перенесіть рисунок до зошита. Зобразіть силові лінії електричного поля між пластинами. Покажіть напрямок руху електронів і йонів. Яким буде рух нейтральних частинок?
Силові лінії однорідного електричного поля спрямовані від позитивно зарядженої пластини (анода, ліворуч) до негативно зарядженої (катода, праворуч). Під дією сили поля $\vec{F} = q\vec{E}$:
- Вільні електрони та негативні йони рухаються ліворуч — до позитивної пластини;
- Позитивні йони рухаються праворуч — до негативної пластини;
- Нейтральні частинки не відчувають дії електричного поля і продовжують хаотичний тепловий рух.
2. Чому, на вашу думку, швидке збільшення кількості вільних електронів під час самостійного газового розряду назвали лавиною (див. заставку до § 4)?
Цей процес названо лавиною за аналогією зі сніговою лавиною в горах: один первинний електрон породжує декілька нових, кожен із яких, у свою чергу, вибиває ще по кілька електронів. Кількість зарядів зростає у геометричній прогресії, охоплюючи весь газовий проміжок за мікросекунди.
3. Чому в разі охолодження газів їхня провідність падає?
Зі зниженням температури падає середня кінетична енергія теплового руху молекул, через що припиняється термічна йонізація. Домінуючим процесом стає рекомбінація — нейтралізація різнойменних зарядів під час зіткнень, що веде до швидкого зникнення вільних носіїв струму.
4. Чим йонізація газів відрізняється від електролітичної дисоціації?
- Йонізація газів вимагає значних енергетичних витрат зовнішнього йонізатора (випромінювання, нагрівання або електронний удар) і призводить до появи трьох типів носіїв: вільних електронів, позитивних і негативних йонів.
- Електролітична дисоціація відбувається спонтанно у розчинах або розплавах під дією сил кулонівської взаємодії з полярними молекулами розчинника (без утворення вільних електронів) — носіями є виключно гідратовані/сольватовані позитивні та негативні йони.
5. Що спільного і в чому різниця між електричним струмом у газах, рідинах і металах?
Спільним є те, що електричний струм у всіх середовищах є впорядкованим рухом вільних заряджених частинок під впливом електричного поля.
| Середовище | Носії електричного заряду | Особливості проходження струму |
|---|---|---|
| Метали | Вільні електрони | Струм не супроводжується хімічними перетвореннями чи перенесенням речовини. |
| Рідини (електроліти) | Позитивні та негативні йони | Супроводжується електролізом (перенесенням речовини та виділенням її на електродах). |
| Гази | Вільні електрони, позитивні й негативні йони | У звичайному стані діелектрики; струм супроводжується світінням і потребує іонізації (несамостійний/самостійний розряд). |
6. Цікавим прикладом несамостійного газового розряду є газовий розряд у плазмовій кулі (рис. 2). Розріджений газ у кулі йонізується електричним струмом дуже високої частоти. Якщо кулі торкнутися рукою, то промені притягуються до руки. Дізнайтеся, чому це відбувається, що є спільним між цим явищем і роботою сенсорного екрана, хто був винахідником плазмової кулі та ін.
- Фізика явища: Людське тіло є провідником із відносно великою ємністю. Дотик до скла створює додатковий шлях витоку струму високої частоти на землю з меншим ємнісним опором ($X_C = \dfrac{1}{\omega C}$), внаслідок чого напруженість поля в точці дотику зростає, і струменеві розряди спрямовуються до пальця.
- Зв’язок із сенсорними екранами: Ємнісні сенсорні екрани працюють за тим самим принципом: дотик провідного пальця змінює локальну електричну ємність системи, що фіксується мікроконтролером для визначення координат натискання.
- Історія винаходу: Базовий принцип газорозрядної трубки високої частоти винайшов Нікола Тесла (1894 рік). Сучасний художній дизайн плазмової кулі розробив американський фізик і винахідник Джеймс Білл Паркер у 1971 році.