Електричний струм у газах
👩🏫Методичні акценти для вчителя • План проведення уроку на 45 хвНУШ▼
🎯 Очікувані результати навчання (НУШ):
Формування предметних компетентностей за темою «Електричний струм у газах», розвиток критичного мислення, вміння аналізувати причинно-наслідкові зв'язки та застосовувати набуті знання на практиці.
💬 Провокативне питання для старту:
Використайте блок «Гачок (Hook)» нижче для 2-хвилинної розминки з класом перед поясненням нового матеріалу.
⏱️ Рекомендований таймінг 45-хвилинного уроку:
Тема: Розділ 1. Електричний струм у різних середовищах • с. 35. Електричний струм у газах. Д/з: опрацювати матеріал уроку та завдання «У зошит» на платформі EZZ-SCHOOL BOOKS.
⚡ Фронтальне бліц-опитування класу на початку уроку (2 хв):
- Що є ключовим поняттям теми «Електричний струм у газах» і чому воно важливе?
- Де у повсякденному житті, науці чи IT ми стикаємося з цим явищем/алгоритмом?
- Яка найпоширеніша помилка виникає під час першого знайомства з матеріалом?
🏠 Диференційоване домашнє завдання:
- Базовий рівень (обов'язковий): опрацювати конспект і блок «У зошит».
- Достатній рівень: скласти власну шпаргалку та пройти MiniCheck.
- Високий / STEM: виконати симуляцію у лабораторії та скласти BossQuiz на 100 XP.
📊 Критерії формувального оцінювання:
Твоя місія на цей урок
Натискай на цілі у міру їх опанування:
- 1З’ясувати, чому гази за звичайних умов є діелектриками.Опанувати ➔
- 2Зрозуміти фізичний механізм іонізації та рекомбінації в газах під дією іонізаторів.Опанувати ➔
- 3Визначити природу носіїв струму в газах: електрони, позитивні та негативні йони.Опанувати ➔
- 4Розрізнити несамостійний і самостійний газовий розряд та явище ударної іонізації.Опанувати ➔
⚡ Чому повітря є чудовим ізолятором, але під час грози крізь нього б’є блискавка на 100 000 ампер?
Звичайне повітря складається з електрично нейтральних молекул кисню та азоту, тому розетки не б’ють струмом через повітря. Проте варто піднести полум’я пальника до зарядженого електрометра, і він миттєво розряджається! Як і чому гази стають провідниками?
1. Чому гази — ізолятори, і як виникає йонізація
За звичайних умов будь-який газ (зокрема повітря) є прекрасним діелектриком (ізолятором). Якби повітря проводило струм, контакти домашніх розеток миттєво закоротилися б, а високовольтні лінії електропередач розряджалися б у простір! Причина ізоляційних властивостей проста: молекули й атоми газу електрично нейтральні, вільних носіїв заряду практично немає.
Проте якщо внести в повітряний проміжок між зарядженими електродами полум'я газового пальника або опромінити його ультрафіолетовим чи рентгенівським випромінюванням, повітря миттєво стає провідником — електрометр швидко розряджається!
Фактор, що викликає появу вільних зарядів у газі, називають йонізатором. Під дією теплової енергії полум'я чи енергії квантів світла валентні електрони відриваються від атомів. Утворюються позитивні йони та вільні електрони. Частина електронів може приєднатися до нейтральних молекул газу, утворюючи негативні йони.
Носії струму в газах:
Вільні електрони, позитивні йони (катіони) та негативні йони (аніони).
Одночасно з йонізацією відбувається зворотний процес — рекомбінація: позитивні йони та вільні електрони стикаються й знову возз'єднуються у нейтральні молекули. За відсутності йонізатора рекомбінація за долі секунди знищує всі вільні заряди, і газ знову стає ідеальним ізолятором.
2. Несамостійний розряд та його вольт-амперна характеристика (ВАХ)
Проходження електричного струму крізь газ називають газовим розрядом. Якщо розряд існує лише за наявності зовнішнього йонізатора й припиняється після його видалення, такий розряд називають несамостійним газовим розрядом.
Вольт-амперна характеристика (ВАХ) несамостійного розряду містить три характерні ділянки:
1. Ділянка закону Ома
При малих напругах швидкість дрейфу йонів невелика, більшість встигає рекомбінувати. Сила струму прямо пропорційна напрузі: I ~ U.
2. Струм насичення (Iнас)
При підвищенні напруги електричне поле стає настільки сильним, що всі утворені йонізатором за секунду заряди долітають до електродів без рекомбінації. Зростання напруги не збільшує струм! I = I_нас = const.
3. Ударна йонізація (пробій)
При критичній напрузі запалювання поле розганяє електрони на довжині вільного пробігу до енергії, достатньої для іонізації нейтральних атомів ударом: W_k = (m v^2 / 2) ≥ W_йон.
Чому при збільшенні напруги на ділянці струму насичення сила струму в газі не зростає?
3. Електронна лавина Таунсенда та перехід у самостійний розряд
Коли кінетична енергія вільного електрона перевищує енергію йонізації атома газу (W_k ≥ W_йон), при зіткненні електрон вибиває з атома новий електрон. Тепер уже два електрони летять до анода і при наступних зіткненнях вибивають ще два — утворюється 4, потім 8, 16, 32 і мільйони електронів! Цей процес називають електронною лавиною Таунсенда.
Одночасно важкі позитивні йони летять до негативного катода і з величезною силою бомбардують його поверхню, вибиваючи електрони з самого металу — це явище називають вторинною електронною емісією.
Умова виникнення самостійного газового розряду:
Ударна йонізація молекул газу електронами + вторинна електронна емісія з катода.
Розряд продовжує горіти навіть після повного вимкнення зовнішнього йонізатора — він підтримує сам себе!
4. Практикум: розрахунок струму насичення в іонізаційній камері
Умова: Зовнішній йонізатор щосекунди утворює в об'ємі повітря між плоскими електродами N_0 = 5 · 10^9 пар одновалентних йонів. Визначте силу струму насичення I_нас у цьому газовому проміжку. Елементарний заряд e = 1,6 · 10⁻¹⁹ Кл.
1. Записуємо формулу сили струму через перенесений заряд:
I_нас = (q / t)
2. Усі утворені за час t заряди досягають електродів:
q = N_0 · e · t
3. Обчислюємо силу струму насичення:
I_нас = (N_0 · e · t / t) = N_0 · e = 5 · 10^9 с⁻¹ · 1,6 · 10⁻¹⁹ Кл = 8 · 10⁻¹⁰ А = 0,8 нА.
Висновок: Несамостійний струм насичення в газах без ударної йонізації надзвичайно малий (частки наноампера) і може бути виміряний лише високочутливими електрометрами.
Шпаргалка до § 4: Електричний струм у газах
Усе найважливіше для повторення перед уроком або самостійною роботою
💨 Газ у нормі
Ідеальний діелектрик (складається з нейтральних молекул).
⚡ Іонізація
Розщеплення молекули на електрон і позитивний йон під дією тепла чи випромінювання.
🛑 Несамостійний розряд
Струм існує лише тоді, коли діє зовнішній іонізатор.
🌊 Ударна іонізація
Електрон розганяється полем і вибиває лавину нових електронів — самостійний розряд.
Самоперевірка (картки знань)
Натискай для перевороту (або Пробіл / ◀ ▶ на клавіатурі)
У зошит (за підручником)
Вправи з підручника «Фізика 9 клас (Бар'яхтар, Довгий та ін., Ранок 2026)», § 4, с. 35. Виконуй у робочий зошит або за комп'ютером за вказівкою вчителя:
Аналіз руху зарядів у плоскому конденсаторі з іонізованим газом
💡 Підказка від нас: Позитивні йони рухаються за напрямком силових ліній електричного поля (до мінуса), а електрони й негативні йони — назустріч силовим лініям (до плюса).
Пояснення розряджання електроскопа полум’ям свічки
💡 Підказка від нас: Гаряче полум’я свічки є потужним термічним іонізатором повітря. Утворені йони компенсують заряд на пелюстках електроскопа.
Розрахунок енергії іонізації атома
💡 Підказка від нас: Енергія, яку повинен набути електрон в електричному полі перед зіткненням: E_k = e · U ≥ W_іонізації.
Бос-тест до § 4: Електричний струм у газах
Питання 1 з 3 • Завдай удару по босу теми