Номер 6, страница 319 - гдз по физике 10 класс учебник Кабардин, Орлов

6. При каких условиях возникает самостоятельный электрический разряд в газе?

6. При каких условиях возникает самостоятельный электрический разряд в газе?

Самостоятельный электрический разряд в газе — это разряд, который продолжается после прекращения действия внешнего ионизатора и поддерживается за счет процессов, происходящих в самом газе. Он возникает при выполнении следующих условий:

1. Наличие сильного электрического поля. Напряжение между электродами должно достичь или превысить определенное критическое значение, называемое напряжением пробоя ($U_{пр}$). Величина напряжения пробоя зависит от рода и давления газа, а также от расстояния между электродами и их формы. Эта зависимость описывается законом Пашена.

2. Ударная ионизация. Электрическое поле должно быть достаточно сильным, чтобы свободные электроны (всегда в небольшом количестве присутствующие в газе из-за естественной ионизации) на длине своего свободного пробега могли накопить кинетическую энергию ($E_k$), достаточную для ионизации нейтральных атомов или молекул газа при столкновении. Энергия электрона должна быть не меньше энергии ионизации атома ($W_i$): $E_k \ge W_i$. В результате ударной ионизации образуется новая пара заряженных частиц: положительный ион и электрон.

3. Вторичные процессы для поддержания разряда. Для того чтобы разряд стал самостоятельным, необходимо, чтобы в самом разрядном промежутке рождались новые электроны, которые могли бы инициировать новые электронные лавины. Этот процесс обеспечивается за счет вторичной электронной эмиссии и фотоионизации:

а) Вторичная эмиссия с катода: Положительные ионы, образовавшиеся в результате ударной ионизации, движутся к катоду. При ударе о поверхность катода они выбивают из него вторичные электроны.

б) Фотоионизация и фотоэмиссия: В процессе столкновений электронов с атомами, последние могут не только ионизироваться, но и переходить в возбужденное состояние. Возвращаясь в основное состояние, возбужденные атомы испускают фотоны. Эти фотоны могут ионизировать другие атомы газа (фотоионизация) или, попадая на катод, выбивать из него электроны (фотоэлектрическая эмиссия).

Таким образом, самостоятельный разряд возникает, когда каждый уходящий на анод электрон приводит к появлению в среднем хотя бы одного нового свободного электрона за счет ударной ионизации и вторичных процессов.

Ответ: Самостоятельный электрический разряд в газе возникает при наличии достаточно сильного электрического поля (напряжение не ниже напряжения пробоя), которое способно вызывать ударную ионизацию молекул газа электронами, и при условии, что вторичные процессы (эмиссия электронов с катода под действием ионов и фотонов, фотоионизация) обеспечивают возобновление числа свободных электронов для поддержания разряда без внешнего ионизатора.

7. Каков механизм развития самостоятельного электрического разряда?

Механизм развития самостоятельного электрического разряда основан на процессе образования электронно-ионной лавины и последующих вторичных процессах, которые делают разряд самоподдерживающимся. Процесс можно описать по следующим этапам:

1. Зарождение лавины. В газе между электродами, к которым приложено высокое напряжение, всегда есть некоторое количество свободных электронов и ионов, возникших под действием внешних факторов (например, космического излучения). Один такой случайный свободный электрон начинает двигаться к положительному электроду (аноду), ускоряясь в электрическом поле.

2. Ударная ионизация. На пути к аноду электрон сталкивается с нейтральными атомами (или молекулами) газа. Если напряженность электрического поля достаточно велика, то на длине свободного пробега электрон успевает набрать энергию, достаточную для ионизации атома при столкновении. В результате столкновения из нейтрального атома выбивается электрон, и образуется положительный ион. Таким образом, вместо одного электрона появляются два: первичный и вторичный.

3. Развитие электронной лавины. Оба электрона (первичный и вновь образовавшийся) снова ускоряются полем, и каждый из них может, в свою очередь, ионизировать другие атомы. Этот процесс повторяется многократно, и число свободных электронов нарастает экспоненциально. В результате к аноду движется целый "поток" или "лавина" электронов. Одновременно в объеме газа образуется большое количество медленно движущихся к катоду положительных ионов.

4. Роль вторичных процессов. Сама по себе электронная лавина является несамостоятельным процессом. Чтобы разряд стал самостоятельным, необходимо непрерывное возобновление начальных электронов. Это достигается за счет вторичных процессов:

- Положительные ионы, движущиеся к катоду, достигают его и, ударяясь о поверхность, выбивают из него новые (вторичные) электроны. Эти новые электроны сразу же вовлекаются в процесс и могут начать новые лавины.

- При столкновениях в лавине атомы не только ионизируются, но и возбуждаются, испуская при возвращении в основное состояние фотоны. Эти фотоны, попадая на катод, могут выбивать электроны (фотоэффект) или ионизировать атомы газа в другой части разрядного промежутка.

5. Условие самоподдержания. Разряд становится самостоятельным, когда интенсивность вторичных процессов становится достаточной для того, чтобы каждая ушедшая на анод электронная лавина в среднем порождала хотя бы один новый свободный электрон у катода, способный вызвать следующую лавину. При выполнении этого условия ток через газ может существовать неограниченно долго даже после прекращения действия первоначального ионизатора. Это явление называется электрическим пробоем газа.

Ответ: Механизм развития самостоятельного разряда заключается в лавинообразном размножении носителей заряда. Случайный электрон, ускоренный сильным полем, вызывает ударную ионизацию атомов газа, создавая электронно-ионную лавину. Положительные ионы и фотоны, рожденные в лавине, достигают катода и выбивают из него новые электроны (вторичная эмиссия), которые, в свою очередь, порождают новые лавины, делая процесс самоподдерживающимся.