Номер 2, страница 190 - гдз по физике 11 класс учебник Касьянов

Вопросы. § 52. Электрический разряд в газах. Глава 6. Квантовая теория электромагнитного излучения и вещества - номер 2, страница 190.

2. Сформулируйте условия пробоя газа высокого давления и разреженного газа.

Электрический пробой газа — это явление резкого увеличения электропроводности газа под действием сильного электрического поля, в результате чего газ превращается в плазму и начинает проводить электрический ток. Условия пробоя существенно различаются для газов высокого и низкого давления.

Условия пробоя газа высокого давления

Пробой газа при высоком давлении (например, при атмосферном давлении) связан с механизмом ударной ионизации и развитием электронных лавин.

1. Сильное электрическое поле. При высоком давлении плотность газа велика, а значит, средняя длина свободного пробега электронов $\lambda$ мала. Чтобы электрон успел набрать энергию, достаточную для ионизации атома или молекулы при столкновении (энергию ионизации $W_i$), необходимо очень сильное электрическое поле с напряженностью $E$.

2. Ударная ионизация. Основное условие для начала пробоя — энергия, которую электрон получает от поля на длине свободного пробега, должна быть не меньше энергии ионизации:

$e \cdot E \cdot \lambda \ge W_i$

где $e$ — элементарный заряд. Когда это условие выполняется, свободный электрон, ускоренный полем, сталкивается с нейтральной частицей и выбивает из нее еще один электрон. В результате вместо одного электрона появляются два, а также положительный ион.

3. Развитие электронной лавины. Оба электрона (первичный и вторичный) снова ускоряются полем и ионизируют другие атомы. Процесс приобретает лавинообразный характер. Возникает электронная лавина, которая движется к аноду. Когда концентрация заряженных частиц в лавине достигает критического значения, она превращается в стример (канал ионизированного газа), который замыкает межэлектродный промежуток, вызывая пробой. Визуально это проявляется как искра.

Ответ: Пробой газа высокого давления происходит при наличии очень сильного электрического поля, напряженность которого достаточна для того, чтобы свободные электроны на малой длине своего свободного пробега приобретали кинетическую энергию, равную или превышающую энергию ионизации атомов (молекул) газа, что приводит к развитию электронной лавины и возникновению искрового разряда.

Условия пробоя разреженного газа

В разреженном газе (при низком давлении) плотность частиц мала, и средняя длина свободного пробега электронов $\lambda$ велика. Механизм пробоя здесь иной и ключевую роль играют процессы на катоде.

1. Длинный свободный пробег. Электроны легко набирают энергию, достаточную для ионизации, даже в относительно слабом поле. Однако из-за низкой плотности газа вероятность столкновения электрона с молекулой мала. Поэтому одного лишь условия $e \cdot E \cdot \lambda \ge W_i$ недостаточно.

2. Вторичная электронная эмиссия. Ключевым для пробоя разреженного газа является процесс самоподдержания разряда. Электрон, вылетевший из катода, создает электронную лавину, движущуюся к аноду. Положительные ионы, образовавшиеся в этой лавине, движутся к катоду. Ударяясь о поверхность катода, они могут выбить из него новые (вторичные) электроны. Этот процесс называется вторичной электронной эмиссией.

3. Условие самоподдержания разряда. Пробой происходит тогда, когда разряд становится самоподдерживающимся. Это означает, что каждая первичная электронная лавина должна порождать в среднем хотя бы один новый электрон, выбитый из катода положительными ионами (или фотонами, испущенными возбужденными атомами). Если $\gamma$ — среднее число вторичных электронов, выбиваемых одним ионом, а $N_i$ — число ионов, созданных в одной лавине, то условие пробоя имеет вид:

$\gamma \cdot N_i \ge 1$

При выполнении этого условия число носителей заряда в разрядном промежутке начинает лавинообразно нарастать, и возникает самостоятельный разряд, обычно в форме тлеющего разряда.

Зависимость напряжения пробоя $U_{пробоя}$ от произведения давления $p$ на расстояние между электродами $d$ описывается законом Пашена. Существует минимальное напряжение пробоя при определенном значении $pd$. При очень низких давлениях (малых $pd$) пробой затруднен, так как электроны могут пролететь от катода к аноду, не совершив ни одного ионизирующего столкновения.

Ответ: Пробой разреженного газа происходит при условии, что разряд становится самоподдерживающимся. Это достигается, когда каждая электронная лавина, инициированная одним электроном, порождает такое количество положительных ионов, которое, достигнув катода, выбивает из него в среднем не менее одного нового вторичного электрона, способного начать следующую лавину.