Електричний струм у газах. Види самостійних газових розрядів

Фізика 9 клас · §4–5 · Бар'яхтар, 2026

Чи може газ проводити струм?

За звичайних умов гази — діелектрики: вільних носіїв заряду немає.

Але блискавка, неонова реклама, зварювальна дуга — переконливий доказ того, що газ може проводити струм!

Іонізація газу. Носії заряду

Іонізація

Процес утворення позитивних іонів та вільних електронів під дією зовнішнього чинника

Іонізатори

УФ та рентгенівське випромінювання, нагрівання, радіоактивне випромінювання, сильне електричне поле

Рекомбінація

Зворотний процес: іон + електрон → нейтральний атом

Носії заряду

Електрони та іони (позитивні й негативні)

Несамостійний газовий розряд

Характеристика

  • Несамостійний розряд — струм у газі існує лише за наявності зовнішнього іонізатора
  • Прибрали іонізатор → струм припиняється

ВАХ несамостійного розряду

  • При малих U — зростання I пропорційно напрузі
  • При великих U — струм насичення: всі іони вже зібрані електродами

Від несамостійного до самостійного розряду

Напруга пробою залежить від роду газу, тиску та відстані між електродами.

Розділ 2

Самостійні газові розряди

Тліючий · Іскровий · Дуговий · Коронний

Тліючий розряд

Умови

  • Знижений тиск: 1–100 Па
  • Напруга: сотні вольт

Особливості

  • Характерне рівномірне світіння газу
  • Колір залежить від роду газу: неон — червоний, аргон — синьо-фіолетовий

Застосування

  • Неонові лампи та газорозрядні індикатори
  • Лампи денного світла

Іскровий розряд

Умови

Атмосферний тиск, висока напруга — тисячі до мільйонів вольт

Характер

Короткочасний, переривчастий — яскравий спалах і різкий звук (тріск)

Блискавка

Природний іскровий розряд: напруга до 10⁹ В, струм до 10⁵ А

Застосування

Свічки запалювання в двигунах, лазерні установки

Дуговий розряд

Умови

  • Атмосферний тиск
  • Великий струм: десятки–тисячі ампер
  • Мала напруга між електродами

Особливості

  • Яскраве стале світіння
  • Температура дуги — до 6000 °С
  • Головний механізм: термоелектронна емісія з катода

Застосування

  • ⚡ Електрозварювання та різання металів
  • Прожектори та дугові печі для виплавки металів

Коронний розряд

Умови

  • Атмосферний тиск
  • Неоднорідне електричне поле (гострі кінці, дроти)

Особливості

  • Розряд лише поблизу електрода з великою кривизною — «корона» світіння
  • Вогні святого Ельма — коронний розряд на щоглах кораблів під час грози

Застосування

  • 🌬️ Електрофільтри для очищення повітря
  • Копіювальні апарати (лазерні принтери)

Порівняння видів самостійних розрядів

Застосування газових розрядів у техніці та побуті

🔆 Освітлення

Люмінесцентні лампи, LED-підсвітка на основі газорозрядних технологій

⚡ Зварювання

Електрична дуга для зварювання та різання металів у промисловості

🌬️ Очищення повітря

Електрофільтри на теплоелектростанціях та промислових підприємствах

🚗 Двигуни

Іскровий розряд у свічках запалювання двигунів внутрішнього згоряння

⚕️ Медицина

Плазмова стерилізація, газорозрядні лазери у хірургії

Розділ 3

Розв'язування задач

Застосовуємо формули: I = n·e та q = I·t

Задача 1. Струм насичення

Умова

У трубці з іонізованим газом за 1 с утворюється 5·10¹² пар іонів. Знайти струм насичення.

Дано

n = 5·10¹² с⁻¹

e = 1,6·10⁻¹⁹ Кл

Розв'язання

Струм насичення — це кількість заряду, що переноситься всіма іонами за 1 секунду:

I = n · e

I = 5·10¹² · 1,6·10⁻¹⁹

I = 8·10⁻⁷ А = 0,8 мкА

Відповідь

Струм насичення дорівнює 0,8 мкА.

Задача 2. Заряд блискавки

Умова

Під час удару блискавки протягом 0,001 с тече струм 20 000 А. Який заряд перенесено?

Дано

  • I = 2·10⁴ А
  • t = 10⁻³ с

Розв'язання

q = I · t

q = 2·10⁴ · 10⁻³

q = 20 Кл

Відповідь

Під час удару блискавки переноситься заряд 20 Кл — величезна енергія за тисячну частку секунди!

Задача 3. Кількість іонів

Умова

Через газорозрядну трубку тече струм 2 мА. Скільки іонів проходить через поперечний переріз трубки за 5 с?

Дано

  • I = 2·10⁻³ А
  • t = 5 с
  • e = 1,6·10⁻¹⁹ Кл

Розв'язання

Крок 1. Знаходимо переданий заряд:

q = I · t = 2·10⁻³ · 5 = 10⁻² Кл

Крок 2. Знаходимо кількість іонів:

N = q / e = 10⁻² / 1,6·10⁻¹⁹ ≈ 6,25·10¹⁶

Відповідь

Через трубку пройде ≈ 6,25·10¹⁶ іонів.


Підсумок уроку. Що запам'ятати

1

Іонізація — ключ до провідності

Гази проводять струм лише після іонізації — утворення вільних електронів та іонів

2

Два типи розряду

Несамостійний — потребує іонізатора; самостійний — підтримується сам після пробою

3

Чотири види самостійних розрядів

Тліючий, іскровий, дуговий, коронний — кожен має свої умови та застосування

4

📌 Домашнє завдання

§4–5, задачі зі збірника до §5. Формули: I = n·e та q = I·t