Номер 5, страница 319 - гдз по физике 10 класс учебник Кабардин, Орлов

5. Чем отличается самостоятельный электрический разряд в газе от несамостоятельного разряда?

5. Электрический разряд в газе — это протекание тока через ионизированный газ. Основное различие между самостоятельным и несамостоятельным разрядами заключается в способе поддержания необходимой для этого ионизации.

Несамостоятельный разряд может существовать только под действием внешнего ионизатора. Таким ионизатором может быть, например, ультрафиолетовое излучение, рентгеновские лучи, пламя или высокая температура, которые создают в газе носители заряда — электроны и ионы. Электрическое поле в этом случае лишь заставляет эти частицы упорядоченно двигаться, создавая ток. Если убрать внешний ионизатор, то носители заряда быстро рекомбинируют (соединяются в нейтральные атомы), и ток прекращается.

Самостоятельный разряд, напротив, способен поддерживать себя сам, без помощи внешнего ионизатора. Он возникает, когда приложенное электрическое поле настолько сильное, что электроны, ускоряясь в нем, приобретают энергию, достаточную для ионизации нейтральных атомов и молекул газа при столкновении. Этот процесс называется ударной ионизацией. Каждый акт ионизации создает как минимум один новый электрон, который, в свою очередь, ускоряется полем и может ионизировать другие атомы. Это приводит к лавинообразному нарастанию числа носителей заряда. Разряд поддерживается до тех пор, пока приложено достаточно высокое напряжение.

Ответ: Самостоятельный электрический разряд отличается от несамостоятельного тем, что он продолжается после прекращения действия внешнего ионизатора и поддерживается за счет внутренних процессов (в основном, ударной ионизации) в самом газе под действием сильного электрического поля. Несамостоятельный разряд существует только при наличии внешнего ионизатора, создающего носители заряда.

6. Самостоятельный электрический разряд возникает тогда, когда в газе создаются условия для самоподдержания ионизации без помощи внешних ионизаторов. Для этого необходимо одновременное выполнение нескольких условий.

Основное условие — наличие достаточно сильного электрического поля. Напряженность поля должна быть такой, чтобы свободные электроны на длине своего свободного пробега (расстоянии между двумя последовательными столкновениями) успевали набрать кинетическую энергию $W_k$, превышающую или равную энергии ионизации $W_i$ атомов или молекул газа ($W_k \ge W_i$). Только в этом случае столкновение электрона с нейтральной частицей приведет к ее ионизации, то есть к рождению новой пары носителей заряда — электрона и положительного иона. Напряжение, при котором это становится возможным, называется напряжением зажигания.

Далее, необходим механизм лавинообразного размножения носителей заряда. Процесс начинается с нескольких случайных (затравочных) электронов, всегда присутствующих в газе. Ускорившись в поле, такой электрон ионизирует атом. Образовавшиеся два электрона снова ускоряются и ионизируют уже два атома, создавая четыре электрона, и так далее. Этот процесс называется электронной лавиной. Однако для поддержания разряда одних лавин недостаточно, так как электроны уходят на анод, а ионы — на катод.

Поэтому критически важным является третье условие — эффективность вторичных процессов, которые генерируют новые электроны для запуска последующих лавин. Главными из них являются: вторичная электронная эмиссия (выбивание электронов с поверхности катода ударяющимися о него положительными ионами) и фотоионизация (ионизация атомов газа фотонами, которые испускаются другими атомами в процессе разряда). Когда каждый уходящий из разряда электрон в среднем приводит к появлению как минимум одного нового электрона через эти механизмы, разряд становится самоподдерживающимся.

Ответ: Самостоятельный электрический разряд возникает при наличии достаточно сильного электрического поля, способного разогнать электроны до энергии ионизации, и при таких условиях (давление газа, материал электродов), которые обеспечивают лавинообразное размножение носителей заряда за счет ударной ионизации и последующую их регенерацию за счет вторичных процессов.