Физика. 10кл. (баз. и проф. ур.) Тихомирова С.А. 2012

энергии, выделяющейся при прохождении тока. В расплаве молекулы оксида
алюминия диссоциируют на ионы, а в результате электролиза чистый алюминий
в жидком состоянии выделяете.я на дне печи. Электролитическим способом
получают также натрий, магний, бериллий и другие металлы.
Проверьте себя
1.
В чём состоит .явление электролитической диссоциации? Как оно объ­
ясняете.я?
2.
3.
4.
Какие вещества .являются электролитами? Почему электролит в целом
электронейтрален?
Какой процесс называют рекомбинацией?
В каком соотношении находятся процессы диссоциации и рекомбинации
в электролите при неизменных внешних условиях?
5.
6.
Какие носители заряда обусловливают проводимость электролитов?
Какое условие необходимо для возникновения упорядоченного движения
ионов в электролите?
7.
8.
В чём отличие проводимости электролитов от проводимости металлов?
Где применяют электролиз?
УПРАЖНЕНИЕ
49
1. При электролизе раствора азотнокислого серебра выделилось серебро
массой 9,4 г. Определите электрический заряд, прошедший через раствор.
Электрохимический эквивалент серебра равен
1,12 · 10-5
кг/Кл.
2. При силе тока 5 А за 10 мин в электролитической ванне выделился цинк
массой 1,017 г. Определите электрохимический эквивалент цинка.
3. При электролизе раствора медного купороса за 1 ч выделилась медь
массой 0,5 кг. Определите силу тока в цепи. Электрохимический эквивалент
меди равен 3,29 · 10- 1 кг/Кл.
§ 77. Эяектроnроводносrь rазов
Газы в отличие от металлов и электролитов состоят из нейтральных моле­
кул. В них нет свободных носителей заряда, которые могли бы упорядоченно
двигаться под действием внешнего электрического поля и создавать элек­
трический ток. Поэтому газы в обычных условиях неэлектропроводны. Так,
заряженные изолированные проводники в сухом воздухе длительное время
сохраняют свой электрический заряд; между обкладками заряженного плоского
конденсатора, находящегося в воздухе, ток не проходит; отсутствие проводи ­
мости воздуха позволяет создавать высоковольтные линии электропередачи.
Газ становится проводником электрического тока, если часть его молекул или
атомов ионизуете.я, т. е . по различным причинам расщепляете.я на электроны и
положительные ионы (рис. 12.12). В газе могут возникнуть и отрицательные
ионы, если нейтральные атомы (или молекулы) присоединят к себе один или
несколько ранее освободившихся электронов.
251
Ионизация газа может происхо­
дить под влиянием различных внеш­
них воздействий, называемых внеш­
ними ионизаторами (сильное нагре­
вание
газа,
рентгеновское
или
ра­
диоактивное излучение , космическое
излучение, бомбардировка быстРис.
Рис.
12. 12
12.1 З
ро движущимися электронами или ио­
нами) .
В объёме частично ионизованного газа всегда происходит процесс, обратный
ионизации: положительные ионы присоединяют к себе электроны и образуют
нейтральные атомы или молекулы (рис.
12.13).
Этот процесс называется ре­
комбинацией.
Процесс прохождения электрического тока через газ называют газовым
разрядом. Если электропроводность газа создаётся внешними ионизаторами,
то газовый разряд называют несамостоятельным. В этом случае после того,
как действие внешних ионизаторов кончается, газовый разряд прекращается.
Для наступления самостоятельного газового разряда необходимо, чтобы
свободные носители заряда (ионы и электроны) образовывались непрерывно в
результате самого разряда. Выясним, когда это возможно.
Для исследования разряда в газе воспользуемся стеклянной трубкой с двумя
металлическими электродами, включённой в цепь по схеме, изображённой на
рис.
12.14.
Пусть сначала на газ в трубке воздействует какой-либо ионизатор. Если к
электродам приложить небольшое напряжение, то в цепи появится ток. Этот
ток обусловлен движением положительно заряженных ионов к отрицательному
электроду (катоду) и электронов к положительному электроду (аноду). Если
убрать внешний ионизатор, то разряд прекратится.
Картина будет иной, если напряжение между электродами сделать доста­
точно большим. Сила тока при этом резко возрастёт. Если убрать внешний
ионизатор,
то
разряд
уже
не
пре­
кращается. Это означает, что ионы и
электроны, необходимые для поддержа­
ния
электрического
тока,
создаются
самим разрядом.
Какие же процессы приводят к
1-----------1 v
появлению большого числа свобод­
ных зарядов в газах при высоком на­
R
пряжении? Электроны, возникающие
в газе под действием внешнего иониза­
тора, так сильно ускоряются электриче­
ским полем, что, сталкиваясь с молеку­
Рис .
252
12.14
лами газа, ионизуют их. При этом
образуются вторичные ионы и электроны. При очень большом напряжении
между электродами вторичные электроны и ионы тоже ускоряются электриче­
ским полем и, в свою очередь, ионизуют новые молекулы газа. В этом случае
во всём объёме газоразрядной трубки образуется двусторонняя лавина ионов
и электронов, обеспечивающая электрический ток в газе. Такова упрощённая
картина возникновения и протекания газового разряда.
Следовательно, при достаточно большом напряжении между электродами
газоразрядной трубки несамостоятельный газовый разряд может перейти
в самостоятельный.
Для возникновения самостоятельного разряда необходимо, чтобы в газе
имелось небольшое число свободных зарядов, способных сыграть роль «запа­
ла•. Однако для этого не требуется внешний ионизатор, так как в естественных
условиях газ всегда подвергается воздействию космического излучения и радио­
активного излучения Земли, ионизующих небольшую часть его молекул.
Проверьте себя
1.
Приведите примеры, иллюстрирующие отсутствие проводимости газа в
обычных условиях.
2.
3.
4.
5.
6.
7.
Какова природа носителей электрического заряда в газах?
Какой разряд в газах называют несамостоятельным?
В чём сходство и различие проводимости газов и электролитов?
Какими процессами обусловлено возрастание проводимости газа при
большом напряжении?
Какой разряд в газах называют самостоятельным?
В чём отличие проводимости газов при самостоятельном и несамостоя­
тельном разрядах?
8.
Какие условия должны быть выполнены, чтобы несамостоятельный раз­
ряд стал самостоятельным?
§ 78.
Виды самосто•теnьноrо разр•да в rазах
Но странно! Копий. острия
Покрьtлись белыми оzнями.
И. Гёте
В зависимости от внешних условий, при которых происходит самостоятель­
ный разряд в газах, он может иметь различный вид .
При низком давлении (порядка нескольких паскалей) возникает разряд,
называемый тлеющим. Его можно продемонстрировать на опыте. Трубку с
двумя электродами, газ из которой откачивают
с помощью насоса, подключим к источнику тока
(рис .
12. 15).
При пониженном давлении в труб-
1J.±
h
~
~
ке почти во всём объёме заметно яркое свечение.
Цвет свечения зависит от природы газа. Неоновые
Рис . 12. 15
253
трубки дают красное свечение, аргоновые
-
синевато-зелёное. Свечение газа
при тлеющем разряде широко применяют в технике, рекламе.
В начале ХХ в . , когда использование газосветных трубок было ещё в диковинку, поэт В . Брюсов писал:
Мы
электрические светы
-
Над шумной уличной толпой;
Ей
-
И ей
наши рдяные приветы
-
наш отсвет голубой!
Тлеющий разряд в парах ртути используют в лампах дневного света. При
разряде возникает ультрафиолетовое излучение, которое, попадая на специ­
альное вещество, нанесённое на стенки лампы, вызывает его свечение. Лам­
пы дневного света позволяют получить свет, близкий по составу к дневному,
и потребляют гораздо меньше энергии, чем лампы накаливания .
При атмосферном давлении в газах, находящихся в сильно неоднородном
электрическом поле (вблизи острия, около проводов линий электропередачи
высокого напряжения и т. д.), наблюдается коронный р азряд.
Во времена Средневековья коронный разряд, возникающий на верхушках
корабельных мачт, копий, алебард, называли огнями святого Злъма.
Ионизация газа электронным ударом и его свечение, напоминающее корону,
происходят в небольшой области, прилегающей к электроду.
Коронный разряд находит применение в установках для электрогазоочистки.
В линиях электропередачи высокого напряжения коронный разряд приво­
дит к утечке тока. Для борьбы с этим явлением увеличивают диаметр проводов
высоковольтных линий.
При атмосферном давлении и большой напряжённости поля между элек­
тродами наблюдается 11 ск р о во й р азр яд. Он имеет вид прерывистых ярких
зигзагообразных линий, которые представляют собой каналы ионизованного
газа. Линии пронизывают пространство между электродами и исчезают, сменяясь
новыми. При этом наблюдается яркое свечение газа и выделяется большое коли­
чество теплоты. При большой напряжённости поля достаточно даже небольшого
числа электронов, имеющихся в воздухе, чтобы
вследствие ударной ионизации образовалась двусто­
ронняя лавина электронов и положительных ионов.
Примером искрового разряда является молния
(рис.
от
10
12. 16). Главный её канал имеет диаметр
25 см, а его длина может достигать не­
до
скольких километров, причём сила тока в молнии
доходит до нескольких сотен тысяч ампер.
Молния преимущественно ударяет в места,
обладающие хорошей проводимостью. Так, река,
сырая глина, болотистые места поражаются молни­
Рис .
254
12. 16
ей чаще, чем сухой песок или каменистая почва.
Поэтому во время грозы опасно находиться в воде
или на берегу .
Кроме того , молния часто поражает одиноко
стоящий возвышающийся предмет. Поэтому в
грозу
нельзя
подходить к
высоким предметам
(деревьям, столбам) и молнвеотводам, и тем более
Рис .
прислоняться к ним.
12.17
Нельзя оставаться на возвышенных местах (холмах, горах), находиться
на берегах водоёмов, купаться в НllX во время грозы.
Дуговой разряд был открыт в
1802 г.
русским физиком В. В. Петровым. Раз­
двинув два соприкасающихся угольных стержня, подключённых к источнику
тока, он обнаружил, что между концами углей вспыхивает ослепительно яркое
свечение, а угли сильно раскаляются (рис.
12.17).
Дуговой разряд происходит
при сравнительно небольшом напряжении между электродами
-
порядка
нескольких десятков вольт, но сила тока в дуге может достигать нескольких
сотен и даже тысяч ампер. Основная причина дугового разряда
-
интенсивная
термоэлектронная эмиссия из раскалённого током катода, температура которо­
го достигает
3000 °С.
Число электронов, испускаемых таким катодом, велико,
поэтому проводимость газа значительна даже при нормальном атмосферном
давлении; в результате
при раздвигании электродов между ними возникает
столб ярко светящегося газа
-
электрическая дуга. В
1876 г.
русский инженер
П. Н. Яблочков впервые применил электрическую дугу для освещения. Высо­
кая температура дуги позволяет применять её для сварки и резки металлов.
В металлургии применяют электропечи, где дуга плавит сталь.
Плазма. При самостоятельном электрическом разряде в газах часть ней­
тральных молекул превращается в ионы и электроны.
Частично ил.и полностью ионизованный газ, в котором концентрация
пол.ожител.ьных и отрицательных зарядов одинакова, называется плазмой 1 •
В состоянии плазмы находится подавляющая часть вещества Вселенной
-
звёзды, звёздная атмосфера, галактические туманности и межзвёздная среда.
Плазма окружает нашу Землю. Верхний слой атмосферы на высоте
представляет собой ионизованный газ
-
100-300 км
ионосферу. С процессами, происходя­
щими в околоземной плазме, связаны такие явления, как полярные сияния
и магнитные бури . Отражением радиоволн от ионосферы обеспечивается воз­
можность дальней радиосвязи на Земле.
Плазма обладает своеобразными свойствами, позволяющими считать её
особым, четвёртым состоянием вещества .
Для плазмы характерно сильное взаимодействие с внешними электриче­
скими и магн итными полями, обусловленное её высокой проводимостью.
Между частицами плазмы существует особое коллективное взаимодейст­
вие, т . е. одновременно друг с другом взаимодействует большое число частиц.
1
От греч. plasma -
вылепленное, оформленное.
255
Благодаря этим взаимодействиям плазма ведёт себя как своеобразная упругая
среда, в которой легко возбуждаются и распространяются различные колеба­
ни я и волны .
Низкотемпературную плазму (Т
< 105 К) широко используют для сварки,
резки, плавки и других видов обработки металлов, в различных источниках
света, в газовых лазерах.
Высокотемпературная плазма (Т
;;. 106
К) существует в недрах звёзд.
В лабораторных условиях высокотемпературная плазма используется в исследо­
ваниях по управляемому термоядерному синтезу. Решение этой сложнейшей
задачи позволило бы человечеству получить практически неисчерпаемый ис­
точник энергии.
Проверьте себя
1.
2.
Какие виды самостоятельных электрических разрядов в газах вы знаете?
Каков физический смысл пословиц: •В грозу зонтик не защита•, •Мол­
ния ударяет в высокое дерево-;;, сОт грозы в воде не спрячешься-;;, ~гроза
- садись на землю•?
О каких физических явлениях идёт речь в загадке: сСверкнёт, мигнёт,
кого-то позовёт•?
Какое состояние газа называют плазмой?
Каковы свойства плазмы?
Где используют плазму?
застала в поле
3.
4.
5.
6.
§ 79. Поnуnроводн11к11. Со&авенна• nроводимосrь
nоnуnроводников
Можно предвидеть, что с помощью полупроводников
будут разрешены такие фундаментальные задачи,
как прямое превращение тепла и солнечной энергии
в электрическую, а также электр ической
в механическую и обратно без помощи машин ...
А . Ф. Иоффе
К полупроводникам относят вещества, удельное сопротивление которых
при комнатной температуре много больше, чем у металлов (10-8 - 10- 7 Ом · м),
но меньше, чем у диэлектриков (10 10- 1017 Ом ·м) .
В природе полупроводники широко распространены: оксиды и сульфиды
металлов, некоторые органические вещества и др. В Периодической системе
элементов Д. И. Менделеева полупроводники образуют компактную группу
(рис.
12.18).
Типичные представители полупроводников, имеющие большое применение
в науке и технике,
-
германий и кремний. Германий в природе встречается
редко. Кремний распространён больше, он составляет 28 % земной коры. В тех­
нике полупроводники применяют обычно в виде монокристаллов. Выращивание
256