Електричний струм у газах і вакуумі

У звичайних умовах повітря та інші гази є діелектриками — вони майже не містять вільних заряджених частинок, тому не проводять електричного струму. Щоб газ став провідником, його атоми або молекули треба іонізувати — «відірвати» від них один або кілька електронів. Цей процес називають іонізацією. Відтак у газі з'являються вільні електрони та позитивні йони — саме вони стають носіями заряду.

Як газ стає провідником

Атом або молекула в нормальному стані електрично нейтральні. Під дією зовнішнього чинника — іонізатора — атом може втратити електрон і перетворитися на позитивний йон. Втрачений електрон стає вільним. Іноді вільний електрон приєднується до нейтрального атома, утворюючи негативний йон, але основними носіями струму в іонізованому газі залишаються електрони й позитивні йони.

Іонізатори

Іонізатором називають чинник, що спричиняє іонізацію газу. Найпоширеніші іонізатори:

• ультрафіолетове випромінювання;

• рентгенівське випромінювання;

• радіоактивне випромінювання (α-, β-, γ-промені);

• висока температура (полум'я, нагрівання газу);

• сильне електричне поле (прискорені електрони самі стають іонізаторами — про це далі).

Несамостійний розряд: означення

Несамостійний газовий розряд — це електричний струм у газі, який існує лише за дії зовнішнього іонізатора. Щойно іонізатор припиняє діяти, розряд зникає, бо нові носії заряду не утворюються, а наявні швидко рекомбінують (електрон з'єднується з позитивним йоном, і пара нейтралізується).

Вольт-амперна характеристика (ВАХ) несамостійного розряду

Якщо поступово збільшувати напругу між електродами в газі, який опромінюють іонізатором, струм спершу зростає пропорційно до напруги. Це тому, що більша напруга швидше «збирає» утворені носії, не даючи їм рекомбінувати. Коли напруга стає достатньою, щоб усі створені іонізатором пари електрон–йон досягали електродів, струм перестає зростати — настає насичення. Подальше збільшення напруги не змінює струму, доки не почнеться ударна іонізація (тоді розряд переходить у самостійний).

Самостійний газовий розряд — це розряд, який триває без зовнішнього іонізатора. Якщо напруга між електродами достатньо велика, електрони, прискорені електричним полем, набувають енергії, здатної іонізувати нейтральні атоми під час зіткнення. Це явище називають ударною іонізацією. Кожен новий електрон, вибитий ударом, теж прискорюється й іонізує наступні атоми — виникає електронна лавина. Водночас позитивні йони, які утворилися, рухаються до катода й вибивають із нього додаткові електрони. Так розряд підтримує себе сам.

Види самостійного розряду

Залежно від тиску газу, напруги, струму й форми електродів розрізняють чотири основні види самостійного розряду.

Дуговий розряд уперше отримав і дослідив 1802 року фізик Василь Петров (навчався в Харківському колегіумі, працював у Санкт-Петербурзі). Він використав вугільні електроди й потужну гальванічну батарею, відкривши явище електричної дуги.

Блискавка — самостійний іскровий розряд

Блискавка є класичним прикладом самостійного іскрового розряду. Вона виникає між хмарою й землею (або між хмарами), коли напруженість електричного поля в повітрі сягає пробійного значення. Блискавка не потребує окремого зовнішнього іонізатора — ударна іонізація запускається самим полем. Тому блискавка — самостійний, а не несамостійний розряд.

Плазма

Плазма — це частково або повністю іонізований газ, у якому кількість додатних і від'ємних зарядів приблизно однакова (квазінейтральність). Плазму називають четвертим агрегатним станом речовини. Вона виникає за високих температур або в сильному електричному полі.

Приклади плазми:

• Сонце й інші зорі;

• полярне сяйво;

• полум'я свічки чи газового пальника;

• газ у лампах денного світла (тліючий розряд);

• іонізований газ під час дугового зварювання.

У вакуумі немає вільних заряджених частинок, тому електричний струм у ньому може існувати лише тоді, коли носії заряду створюють штучно. Основним способом отримання вільних електронів у вакуумі є термоелектронна емісія.

Термоелектронна емісія

Термоелектронна емісія — це явище випускання електронів розжареним металом. Коли металевий катод нагрівають до високої температури, вільні електрони в металі набувають достатньої кінетичної енергії, щоб подолати потенціальний бар'єр на поверхні й вилетіти назовні. Чим вища температура катода, тим більше електронів випромінюється.

Вакуумний діод

Вакуумний діод — це електровакуумний прилад із двома електродами: катодом (розжарюваний) і анодом. Будова проста: у скляному або металевому балоні, з якого відкачано повітря, розміщено катод (тонка металева нитка, яку розжарюють струмом) і анод (металева пластина або циліндр).

Коли анод сполучено з додатним полюсом джерела напруги, електрони, випромінені катодом, притягуються до анода — у колі тече струм. Якщо ж анод сполучено з від'ємним полюсом, електричне поле відштовхує електрони назад до катода, і струм у колі відсутній. Таким чином, вакуумний діод має односторонню провідність: пропускає струм лише тоді, коли анод має вищий потенціал, ніж катод. Цю властивість використовують для випрямлення змінного струму — перетворення його на постійний.

Електронно-променева трубка (ЕПТ)

Електронно-променева трубка — це вакуумний прилад, який формує вузький пучок електронів і керує його положенням на люмінесцентному екрані. Основні елементи ЕПТ:

• Електронна гармата — нагрітий катод і прискорювальний анод, які створюють і прискорюють пучок електронів.

• Відхильна система — дві пари пластин (або котушок), які відхиляють пучок по горизонталі та вертикалі за допомогою електричного (або магнітного) поля.

• Екран, вкритий люмінофором — речовиною, що світиться під дією електронів.

Електронно-променеві трубки застосовували в осцилографах (для спостереження електричних сигналів), старих телевізорах і моніторах (кінескопах).

Швидкість електронів у вакуумі

Електрони у вакуумі рухаються в електричному полі з прискоренням. Їхня кінетична енергія після проходження прискорювальної напруги U визначається співвідношенням:

$$eU=\frac{m{v}^2}{2}$$

де e — заряд електрона, m — його маса, v — швидкість. Ця формула показує, що швидкість електрона залежить від прискорювальної напруги: $v=\sqrt{2eU/m}$.

Електричний струм у різних середовищах забезпечують різні носії заряду. Узагальнимо знання з попередніх тем і доповнимо їх новими відомостями про гази та вакуум.

Як видно з таблиці, у металах, електролітах і однорідних напівпровідниках (за сталої температури) закон Ома виконується. Для газового розряду й вакуумного діода вольт-амперна характеристика суттєво нелінійна: струм не пропорційний напрузі. У газах струм виникає лише за наявності іонізації, а у вакуумі — лише за умови термоелектронної емісії.

Залежність опору від температури теж різна: у металів опір зростає (через посилення коливань кристалічної ґратки), в електролітів і напівпровідників — зменшується (зростає концентрація носіїв). Опір газу залежить від ступеня іонізації: у звичайних умовах він дуже великий, а під час іонізації різко зменшується; ВАХ газового розряду нелінійна.

Напівпровідники (електрони й дірки) детально розглядатимуться в наступних юнітах.

Розгляньмо типові завдання, які можуть трапитися на НМТ з цієї теми.

Приклад 1. Носії заряду в іонізованому газі

Завдання (вибір однієї відповіді). Які частинки є носіями електричного струму в іонізованому газі?

• А) лише електрони

• Б) лише позитивні йони

• В) електрони й позитивні йони

• Г) лише негативні йони

Розв'язання. Під час іонізації газу від атомів відриваються електрони, тому утворюються вільні електрони та позитивні йони. Іноді електрони приєднуються до нейтральних атомів, утворюючи негативні йони, але основними носіями є саме електрони й позитивні йони. Правильна відповідь — В.

Чому інші варіанти неправильні: А — лише електрони (ігнорує позитивні йони); Б — лише позитивні йони (ігнорує електрони); Г — негативні йони в газі іноді утворюються (коли електрон приєднується до нейтрального атома), але вони не єдині й не основні носії.

Приклад 2. Відповідність: явище — вид розряду

Завдання (логічні пари). Установіть відповідність між явищем (1–3) і видом самостійного газового розряду (А–Д).

Явища:

• 1. Блискавка

• 2. Світіння лампи денного світла

• 3. Електрозварювання

Види розряду:

• А) тліючий

• Б) іскровий

• В) дуговий

• Г) коронний

• Д) несамостійний

Розв'язання. Блискавка — це короткочасний потужний розряд між хмарами або хмарою й землею, тобто іскровий розряд (1 — Б). Лампа денного світла працює за низького тиску газу, у ній відбувається тліючий розряд (2 — А). Електрозварювання використовує електричну дугу — дуговий розряд (3 — В). Відповідь: 1–Б, 2–А, 3–В.

Чому інші варіанти зайві: коронний розряд (Г) виникає навколо гострих провідників у сильному полі (високовольтні лінії); несамостійний (Д) потребує зовнішнього іонізатора, а всі три явища — самостійні.

Приклад 3. Несамостійний розряд та іонізатор

Завдання (вибір однієї відповіді). У посудину з газом помістили електроди й увімкнули рентгенівське випромінювання. У колі виник струм. Який розряд спостерігається, і що станеться зі струмом після вимкнення рентгенівського випромінювання?

• А) самостійний; струм зникне

• Б) самостійний; струм не зникне

• В) несамостійний; струм зникне

• Г) несамостійний; струм не зникне

Розв'язання. Рентгенівське випромінювання — зовнішній іонізатор. Струм існує лише за його дії, отже, це несамостійний розряд. Після вимкнення іонізатора нові носії не утворюються, а наявні рекомбінують, тому струм зникне. Правильна відповідь — В.

Чому інші варіанти неправильні: А і Б — помилка в тому, що розряд названо самостійним, хоча він залежить від зовнішнього іонізатора; Г — суперечить означенню несамостійного розряду.

Приклад 4. Вакуумний діод: зворотна полярність

Завдання (вибір однієї відповіді). У вакуумному діоді катод розжарено, а анод підключено до від'ємного полюса джерела напруги. Яким буде струм у колі?

• А) струм буде максимальним

• Б) струм буде, але менший, ніж за прямої полярності

• В) струму не буде

• Г) струм змінить напрямок

Розв'язання. Вакуумний діод пропускає струм лише в одному напрямку: коли анод має вищий потенціал, ніж катод (анод — «+», катод — «−»). Якщо анод підключено до «−», електричне поле відштовхує електрони назад до катода, і струм у колі відсутній. Правильна відповідь — В.

Чому інші варіанти неправильні: А — струму взагалі не буде; Б — діод не пропускає струм у зворотному напрямку; Г — напрямок струму не змінюється, його просто немає.

Розгляньмо найпоширеніші помилки, яких припускаються учні під час вивчення цієї теми.

• Вважати, що блискавка — несамостійний розряд. Насправді блискавка виникає без зовнішнього іонізатора: сильне електричне поле саме спричиняє ударну іонізацію. Тому це самостійний іскровий розряд.

• Казати, що у вакуумі струм існує сам по собі, без емісії електронів. У вакуумі немає вільних носіїв заряду. Струм можливий лише завдяки термоелектронній емісії — випусканню електронів розжареним катодом.

• Плутати іскровий і дуговий розряди. Іскровий розряд — короткочасний (іскра триває частки секунди), а дуговий — тривалий, із великим струмом і високою температурою. Приклад: блискавка (іскра) проти електрозварювання (дуга).

• Вважати газ добрим провідником у нормальних умовах. У звичайному стані газ — діелектрик, бо майже не має вільних заряджених частинок. Він стає провідником лише після іонізації.

• Плутати плазму з рідким станом. Плазма — це іонізований газ (четвертий агрегатний стан), а не рідина. Вона зберігає властивості газу, але містить вільні електрони та йони.

Програма НМТ з фізики (тема 3.3) вимагає розрізняти несамостійний і самостійний газові розряди, знати їхні види, а також узагальнювати, які носії заряду є в різних середовищах. Довідкові матеріали, які надають на НМТ, не містять формул чи означень із цієї теми, тому всі поняття треба знати напам'ять.

У демоваріанті НМТ 2026 року тему 3.3 представлено завданням № 16 у форматі «логічні пари» (0–3 бали) про напівпровідникові прилади. Питання про газові розряди та струм у вакуумі можливі у формі «логічних пар» або завдань з вибором однієї правильної відповіді.

Стратегія виконання

Найважливіше — визначити, чи потрібен для розряду зовнішній іонізатор. Якщо так — це несамостійний розряд. Якщо ні — самостійний. Лише після цього варто зіставляти явище з конкретним видом самостійного розряду (тліючий, іскровий, дуговий, коронний). Для завдань про вакуумний діод слід пам'ятати, що струм у ньому можливий лише за наявності термоелектронної емісії та правильної полярності.

• Несамостійний розряд потребує зовнішнього іонізатора; самостійний — ні.

• Види самостійного розряду: тліючий (лампи денного світла), іскровий (блискавка), дуговий (електрозварювання), коронний (високовольтні лінії).

• Плазма — частково або повністю іонізований газ (четвертий агрегатний стан).

• У вакуумі носії заряду з'являються завдяки термоелектронній емісії — випусканню електронів розжареним катодом.

• Вакуумний діод має односторонню провідність: струм тече лише коли анод має вищий потенціал, ніж катод.

• Електронно-променева трубка формує пучок електронів і відхиляє його електричним або магнітним полем для створення зображення на люмінесцентному екрані.

• Носії заряду: метали — електрони; електроліти — йони; гази — електрони й позитивні йони; вакуум — електрони (емісія); напівпровідники — електрони й дірки.