Experienta curentului electric in gaze. Curentul electric în gaze: definiție, caracteristici și fapte interesante. Curentul electric în gaze și plasmă
În condiții normale, gazele sunt dielectrice, deoarece. constau din atomi si molecule neutre si nu au un numar suficient de sarcini libere Gazele devin conductori numai atunci cand sunt cumva ionizate. Procesul de ionizare a gazelor constă în faptul că, sub influența oricăror motive, unul sau mai mulți electroni sunt desprinși din atom. Ca rezultat, în loc de un atom neutru, ion pozitivȘi electron.
Se numește descompunerea moleculelor în ioni și electroni ionizarea gazelor.
O parte din electronii formați pot fi captate de alți atomi neutri și apoi să apară ioni încărcați negativ.
Astfel, există trei tipuri de purtători de sarcină într-un gaz ionizat: electroni, ioni pozitivi și cei negativi.
Separarea unui electron de un atom necesită cheltuirea unei anumite energie - energie de ionizare W eu . Energia de ionizare depinde de natura chimică a gazului și de starea energetică a electronului din atom. Deci, pentru detașarea primului electron de atomul de azot, se consumă o energie de 14,5 eV, iar pentru detașarea celui de-al doilea electron - 29,5 eV, pentru detașarea celui de-al treilea - 47,4 eV.
Factorii care provoacă ionizarea gazelor se numesc ionizatoare.
Există trei tipuri de ionizare: ionizare termică, fotoionizare și ionizare de impact.
Ionizare termică apare ca urmare a unei ciocniri a atomilor sau moleculelor unui gaz la temperatură ridicată, dacă energia cinetică a mișcării relative a particulelor care se ciocnesc depășește energia de legare a unui electron dintr-un atom.
Fotoionizare apare sub influența radiațiilor electromagnetice (radiații ultraviolete, cu raze X sau γ), atunci când energia necesară pentru a detașa un electron dintr-un atom este transferată acestuia printr-un cuantum de radiație.
Ionizare prin impact electronic(sau ionizare de impact) este formarea de ioni încărcați pozitiv ca urmare a ciocnirilor atomilor sau moleculelor cu electroni rapizi cu energie cinetică mare.
Procesul de ionizare a gazului este întotdeauna însoțit de procesul opus de recuperare a moleculelor neutre din ionii încărcați opus datorită atracției lor electrice. Acest fenomen se numește recombinare. Recombinarea eliberează energie egal cu energia cheltuită pentru ionizare. Acest lucru poate provoca, de exemplu, strălucirea gazului.
Dacă acțiunea ionizatorului este neschimbată, atunci se stabilește echilibrul dinamic în gazul ionizat, în care se restabilesc atâtea molecule pe unitatea de timp cât se descompun în ioni. În acest caz, concentrația particulelor încărcate în gazul ionizat rămâne neschimbată. Dacă, totuși, acțiunea ionizatorului este oprită, atunci recombinarea va începe să prevaleze asupra ionizării, iar numărul de ioni va scădea rapid până la aproape zero. În consecință, prezența particulelor încărcate într-un gaz este un fenomen temporar (atâta timp cât ionizatorul este în funcțiune).
Cu absenta câmp extern particulele încărcate se mișcă aleatoriu.
evacuarea gazelor
Când un gaz ionizat este plasat într-un câmp electric, forțele electrice încep să acționeze asupra sarcinilor libere și se deplasează paralel cu liniile de tensiune: electroni și ioni negativi - la anod, ioni pozitivi - la catod (Fig. 1) . La electrozi, ionii se transformă în atomi neutri donând sau acceptând electroni, completând astfel circuitul. Apare în gaz electricitate.
Curentul electric în gaze este mișcarea direcționată a ionilor și electronilor.
Curentul electric din gaze se numește evacuarea gazelor.
Curentul total din gaz este compus din două fluxuri de particule încărcate: fluxul care merge către catod și fluxul direcționat către anod.
În gaze, conductivitatea electronică, similară conductivității metalelor, este combinată cu conductivitatea ionică, similară conductivității soluțiilor apoase sau topiturii de electroliți.
Astfel, conductivitatea gazelor are caracter ion-electronic.
Un curent electric este un flux care este cauzat de mișcarea ordonată a particulelor încărcate electric. Mișcarea sarcinilor este luată ca direcție a curentului electric. Curentul electric poate fi pe termen scurt și pe termen lung.
Conceptul de curent electric
În timpul descărcării unui fulger, poate apărea un curent electric, care se numește pe termen scurt. Și pentru a menține curentul pentru o lungă perioadă de timp, este necesar să aveți un câmp electric și purtători de încărcare electrică liberi.
Un câmp electric este creat de corpuri încărcate diferit. Puterea curentului este raportul dintre sarcina transferată prin secțiunea transversală a conductorului într-un interval de timp și acest interval de timp. Se măsoară în amperi.
Orez. 1. Formula curentă
Curentul electric în gaze
Moleculele de gaz nu conduc electricitatea în condiții normale. Sunt izolatori (dielectrici). Totuși, dacă modificați condițiile mediu inconjurator, atunci gazele pot deveni conductoare de electricitate. Ca urmare a ionizării (în timpul încălzirii sau sub acțiunea radiațiilor radioactive), în gaze ia naștere un curent electric, care este adesea înlocuit cu termenul „descărcare electrică”.
Descărcări de gaze auto-susținute și neauto-susținute
Descărcările într-un gaz pot fi auto-susținute și non-auto-susținute. Curentul începe să existe când apar taxe gratuite. Descărcările care nu se autosusțin există atâta timp cât o forță externă acționează asupra ei, adică un ionizator extern. Adică, dacă ionizatorul extern încetează să funcționeze, atunci curentul se oprește.
O descărcare independentă a curentului electric în gaze există chiar și după terminarea ionizatorului extern. Descărcările independente în fizică sunt împărțite în liniște, mocnit, arc, scânteie, coroană.
- Liniște - cea mai slabă dintre evacuările independente. Curentul din el este foarte mic (nu mai mult de 1 mA). Nu este însoțită de fenomene sonore sau luminoase.
- Mocnit - dacă creșteți tensiunea într-o descărcare liniștită, aceasta trece la următorul nivel - la o descărcare strălucitoare. În acest caz, apare o strălucire, care este însoțită de recombinare. Recombinare - procesul de ionizare inversă, întâlnirea unui electron cu un ion pozitiv. Este folosit în lămpi bactericide și de iluminat.
Orez. 2. Descărcare strălucitoare
- Arc - puterea curentului variază de la 10 A la 100 A. În acest caz, ionizarea este de aproape 100%. Acest tip de descărcare are loc, de exemplu, în timpul funcționării unui aparat de sudură.
Orez. 3. Descărcarea arcului
- sclipitoare - poate fi considerat unul dintre tipurile de descărcare cu arc. În timpul unei astfel de descărcare pentru foarte un timp scurt o anumită cantitate de curent electric.
- descărcare corona – ionizarea moleculelor are loc în apropierea electrozilor cu raze mici de curbură. Acest tip de sarcină apare atunci când intensitatea câmpului electric se modifică dramatic.
Ce am învățat?
Prin ei înșiși, atomii și moleculele unui gaz sunt neutre. Se încarcă atunci când sunt expuse la exterior. Vorbind pe scurt despre curentul electric din gaze, este o mișcare direcționată a particulelor (ioni pozitivi către catod și ionii negativi către anod). De asemenea, este important ca atunci când gazul este ionizat, proprietățile sale conductoare să se îmbunătățească.
Acesta este un scurt rezumat.
Lucrările la versiunea completă continuă
Lectura2 1
Curent în gaze
1. Dispoziții generale
Definiție: Fenomenul trecerii curentului electric în gaze se numește evacuarea gazelor.
Comportarea gazelor este foarte dependentă de parametrii săi, cum ar fi temperatura și presiunea, iar acești parametri se modifică destul de ușor. Prin urmare, fluxul de curent electric în gaze este mai complex decât în metale sau în vid.
Gazele nu respectă legea lui Ohm.
2. Ionizare și recombinare
Un gaz în condiții normale este format din molecule practic neutre, prin urmare, este un conductor extrem de slab al curentului electric. Cu toate acestea, sub influențe externe, un electron poate ieși din atom și apare un ion încărcat pozitiv. În plus, un electron se poate alătura unui atom neutru și poate forma un ion încărcat negativ. Astfel, este posibil să se obțină un gaz ionizat, adică plasmă.
Influențele externe includ încălzirea, iradierea cu fotoni energetici, bombardarea cu alte particule și câmpuri puternice, de exemplu. aceleași condiții care sunt necesare pentru emisia elementară.
Un electron dintr-un atom se află într-un puț de potențial și, pentru a scăpa de acolo, este necesar să se imparte energie suplimentară atomului, care se numește energie de ionizare.
|
Substanţă |
Energia de ionizare, eV |
|
atom de hidrogen |
13,59 |
|
Molecula de hidrogen |
15,43 |
|
Heliu |
24,58 |
|
atom de oxigen |
13,614 |
|
molecula de oxigen |
12,06 |
Alături de fenomenul de ionizare se observă și fenomenul de recombinare, adică. unirea unui electron și a unui ion pozitiv pentru a forma un atom neutru. Acest proces are loc cu eliberarea de energie egală cu energia de ionizare. Această energie poate fi folosită pentru radiații sau încălzire. Încălzirea locală a gazului duce la schimbare locală presiune. Care la rândul său duce la unde sonore. Astfel, descărcarea de gaz este însoțită de efecte de lumină, termice și de zgomot.
3. CVC al unei descărcări de gaz.
Pe etapele inițiale este necesară acţiunea unui ionizator extern.
În secțiunea BAW, curentul există sub acțiunea unui ionizator extern și ajunge rapid la saturație atunci când toate particulele ionizate participă la generarea curentă. Dacă scoateți ionizatorul extern, curentul se oprește.
Acest tip de descărcare se numește descărcare de gaz neauto-susținută. Când încercați să creșteți tensiunea în gaz, apare o avalanșă de electroni, iar curentul crește la o tensiune practic constantă, care se numește tensiune de aprindere (BC).
Din acest moment, descărcarea devine independentă și nu este nevoie de un ionizator extern. Numărul de ioni poate deveni atât de mare încât rezistența spațiului interelectrod scade și, în consecință, tensiunea (SD) scade.
Apoi, în intervalul interelectrod, regiunea de trecere a curentului începe să se îngusteze, iar rezistența crește și, în consecință, tensiunea (DE) crește.
Când încercați să creșteți tensiunea, gazul devine complet ionizat. Rezistența și tensiunea scade la zero, iar curentul crește de multe ori. Se dovedește o descărcare de arc (EF).
CVC arată că gazul nu respectă deloc legea lui Ohm.
4. Procese în gaz
procese care pot duce la formarea de avalanşe de electroni pe imagine.
Acestea sunt elemente ale teoriei calitative a lui Townsend.
5. Descărcare strălucitoare.
La presiuni joaseși tensiuni mici, se poate observa această descărcare.
K - 1 (spațiu Aston întunecat).
1 - 2 (film catod luminos).
2 – 3 (spațiu Crookes întunecat).
3 - 4 (prima strălucire catodică).
4 – 5 (spațiu Faraday întunecat)
5 - 6 (coloană anod pozitiv).
6 – 7 (spațiu întunecat anodic).
7 - A (luminozitate anodică).
Dacă anodul este mobil, atunci lungimea coloanei pozitive poate fi ajustată, practic fără a modifica dimensiunea regiunii K-5.
În regiunile întunecate, particulele sunt accelerate și se acumulează energie; în regiunile luminoase au loc procese de ionizare și recombinare.
Rezumat de fizică
pe tema:
„Curentul electric în gaze”.
Curentul electric în gaze.
1. Descărcări electrice în gaze.
Toate gazele în starea lor naturală nu conduc electricitatea. Acest lucru se poate observa din următoarea experiență:
Să luăm un electrometru cu discuri ale unui condensator plat atașat la el și să-l încărcăm. La temperatura camerei dacă aerul este suficient de uscat, condensatorul nu se descarcă vizibil - poziția acului electrometrului nu se schimbă. Pentru a observa o scădere a unghiului de abatere al acului electrometrului, este necesar perioadă lungă de timp. Aceasta arată că curentul electric din aer între discuri este foarte mic. Această experiență arată că aerul este un slab conductor al curentului electric.
Să modificăm experimentul: să încălzim aerul dintre discuri cu flacăra unei lămpi cu alcool. Apoi unghiul de deviere al indicatorului electrometrului scade rapid, adică diferența de potențial dintre discurile condensatorului scade - condensatorul este descărcat. În consecință, aerul încălzit dintre discuri a devenit conductor și în el se stabilește un curent electric.
Proprietățile izolatoare ale gazelor se explică prin faptul că în ele nu există sarcini electrice libere: atomii și moleculele gazelor în starea lor naturală sunt neutre.
2. Ionizarea gazelor.
Experiența de mai sus arată că particulele încărcate apar în gaze sub influența temperaturii ridicate. Ele apar ca urmare a divizării unuia sau mai multor electroni din atomii de gaz, în urma căreia apar un ion pozitiv și electroni în locul unui atom neutru. O parte din electronii formați pot fi captate de alți atomi neutri și apoi vor apărea mai mulți ioni negativi. Se numește descompunerea moleculelor de gaz în electroni și ioni pozitivi ionizarea gazelor.
Încălzirea unui gaz la o temperatură ridicată nu este singura cale ionizarea moleculelor sau atomilor unui gaz. Ionizarea gazului poate avea loc sub influența diferitelor interacțiuni externe: încălzirea puternică a gazului, razele X, razele a-, b- și g provenite din dezintegrarea radioactivă, razele cosmice, bombardarea moleculelor de gaz de către electroni sau ioni în mișcare rapidă. Factorii care provoacă ionizarea gazelor se numesc ionizatoare. Caracteristica cantitativă a procesului de ionizare este intensitatea ionizării, măsurată prin numărul de perechi de particule încărcate opuse în semn care apar într-o unitate de volum de gaz pe unitatea de timp.
Ionizarea unui atom necesită cheltuirea unei anumite energie - energia de ionizare. Pentru a ioniza un atom (sau moleculă), este necesar să se lucreze împotriva forțelor de interacțiune dintre electronul ejectat și restul particulelor atomului (sau moleculei). Aceasta lucrare se numeste munca de ionizare A i . Valoarea muncii de ionizare depinde de natura chimica starea gazoasă și energetică a unui electron ejectat într-un atom sau moleculă.
După terminarea ionizatorului, numărul de ioni din gaz scade în timp și în cele din urmă ionii dispar cu totul. Dispariția ionilor se explică prin faptul că ionii și electronii sunt implicați în mișcarea termicăși prin urmare se ciocnesc unul de altul. Când un ion pozitiv și un electron se ciocnesc, se pot reuni într-un atom neutru. În același mod, atunci când un ion pozitiv și negativ se ciocnește, ionul negativ poate ceda electronul în exces la ionul pozitiv, iar ambii ioni se vor transforma în atomi neutri. Acest proces de neutralizare reciprocă a ionilor se numește recombinarea ionilor. Când un ion pozitiv și un electron sau doi ioni se recombină, se eliberează o anumită energie, egală cu energia cheltuită pentru ionizare. Parțial, este emis sub formă de lumină și, prin urmare, recombinarea ionilor este însoțită de luminescență (luminescența recombinării).
În fenomenele de descărcare electrică în gaze mare rol joacă ionizarea atomilor prin impactul electronilor. Acest proces constă în faptul că un electron în mișcare cu energie cinetică suficientă scoate unul sau mai mulți electroni atomici din el atunci când se ciocnește cu un atom neutru, în urma căruia atomul neutru se transformă într-un ion pozitiv și apar noi electroni în gazul (asta va fi discutată mai târziu).
Tabelul de mai jos prezintă energiile de ionizare ale unor atomi.
3. Mecanismul conductivității electrice a gazelor.
Mecanismul de conductivitate a gazului este similar cu mecanismul de conductivitate a soluțiilor de electroliți și a topiturii. În absența unui câmp extern, particulele încărcate, precum moleculele neutre, se mișcă aleatoriu. Dacă ionii și electronii liberi se află în exterior câmp electric, apoi intră în mișcare direcționată și creează un curent electric în gaze.
Astfel, curentul electric dintr-un gaz este o mișcare direcționată a ionilor pozitivi către catod și a ionilor negativi și a electronilor către anod. Curentul total din gaz este compus din două fluxuri de particule încărcate: fluxul care merge la anod și fluxul direcționat către catod.
Neutralizarea particulelor încărcate are loc pe electrozi, ca în cazul trecerii curentului electric prin soluții și topituri de electroliți. Cu toate acestea, în gaze nu există eliberare de substanțe pe electrozi, așa cum este cazul soluțiilor de electroliți. Ionii de gaz, care se apropie de electrozi, le dau sarcinile lor, se transformă în molecule neutre și difuzează înapoi în gaz.
O altă diferență în conductivitatea electrică a gazelor ionizate și a soluțiilor (topituri) de electroliți este că sarcina negativă, atunci când curentul trece prin gaze, este transferată în principal nu de ionii negativi, ci de electroni, deși conductivitatea datorată ionilor negativi poate juca și un rol important. anumit rol.
Astfel, gazele combină conductivitatea electronică, similară conductivității metalelor, cu conductivitatea ionică, similară conductivității soluțiilor apoase și topiturii electroliților.
4. Descărcare de gaz neautosusținută.
Procesul de trecere a curentului electric printr-un gaz se numește descărcare gazoasă. Dacă conductivitatea electrică a gazului este creată de ionizatori externi, atunci curentul electric care apare în el se numește descărcare de gaze neauto-susținută. Odată cu încetarea acțiunii ionizatorilor externi, descărcarea ne-susținută încetează. O descărcare de gaz care nu se autosusține nu este însoțită de strălucire de gaz.
Mai jos este un grafic al dependenței puterii curentului de tensiune pentru o descărcare neauto-susținută într-un gaz. Un tub de sticlă cu doi electrozi metalici lipiți în sticlă a fost folosit pentru a reprezenta graficul. Lanțul este asamblat așa cum se arată în figura de mai jos.
La o anumită tensiune, vine un moment în care toate particulele încărcate formate în gaz de ionizator într-o secundă ajung la electrozi în același timp. O creștere suplimentară a tensiunii nu mai poate duce la o creștere a numărului de ioni transportați. Curentul ajunge la saturație (secțiunea orizontală a graficului 1).
5. Descărcare independentă de gaz.
Se numește o descărcare electrică într-un gaz care persistă după încetarea acțiunii unui ionizator extern descărcare independentă de gaz. Pentru implementarea sa, este necesar ca, ca urmare a descărcării în sine, să se formeze continuu încărcături gratuite în gaz. Principala sursă a apariției lor este ionizarea prin impact a moleculelor de gaz.
Dacă, după atingerea saturației, continuăm să creștem diferența de potențial dintre electrozi, atunci puterea curentului la o tensiune suficient de mare va crește brusc (graficul 2).
Aceasta înseamnă că în gaz apar ioni suplimentari, care se formează datorită acțiunii ionizatorului. Puterea curentului poate crește de sute și mii de ori, iar numărul de particule încărcate care apar în timpul procesului de descărcare poate deveni atât de mare încât nu mai este necesar un ionizator extern pentru a menține descărcarea. Prin urmare, ionizatorul poate fi acum îndepărtat.
Care sunt motivele creșterii puternice a intensității curentului la tensiuni înalte? Să luăm în considerare orice pereche de particule încărcate (un ion pozitiv și un electron) formată datorită acțiunii unui ionizator extern. Electronul liber care apare în acest fel începe să se deplaseze spre electrodul pozitiv - anod, iar ionul pozitiv - spre catod. Pe drum, electronul întâlnește ioni și atomi neutri. În intervalele dintre două ciocniri succesive, energia electronului crește datorită muncii forțelor câmpului electric.
 |
Cu cât diferența de potențial dintre electrozi este mai mare, cu atât intensitatea câmpului electric este mai mare. Energia cinetică a unui electron înainte de următoarea ciocnire este proporțională cu intensitatea câmpului și cu calea liberă a electronului: MV 2 /2=eEl. Dacă energia cinetică a unui electron depășește munca A i care trebuie făcută pentru a ioniza un atom (sau moleculă) neutru, i.e. MV 2 >A i , atunci când un electron se ciocnește cu un atom (sau moleculă), acesta este ionizat. Ca urmare, în loc de un electron, apar doi electroni (atacând atomul și smulși din atom). Ei, la rândul lor, primesc energie în câmp și ionizează atomii care se apropie etc. Ca urmare, numărul de particule încărcate crește rapid și apare o avalanșă de electroni. Procesul descris este numit ionizare prin impact de electroni.
Dar ionizarea numai prin impactul electronilor nu poate asigura menținerea unei sarcini independente. Într-adevăr, până la urmă, toți electronii care iau naștere în acest fel se deplasează spre anod și, la atingerea anodului, „iasă din joc”. Pentru a menține descărcarea este nevoie de emisia de electroni din catod („emisia” înseamnă „emisie”). Emisia de electroni se poate datora mai multor motive.
Ionii pozitivi formați în timpul ciocnirii electronilor cu atomii neutri, la deplasarea spre catod, capătă o energie cinetică mare sub acțiunea câmpului. Când astfel de ioni rapizi lovesc catodul, electronii sunt scoși de pe suprafața catodului.
În plus, catodul poate emite electroni atunci când este încălzit la o temperatură ridicată. Acest proces se numește emisie termoionică. Poate fi considerată ca evaporarea electronilor din metal. În multe substanțe solide, emisia termoionică are loc la temperaturi la care evaporarea substanței în sine este încă mică. Astfel de substanțe sunt utilizate pentru fabricarea catozilor.
În timpul autodescărcării, catodul poate fi încălzit prin bombardarea acestuia cu ioni pozitivi. Dacă energia ionilor nu este prea mare, atunci nu există nicio eliminare a electronilor din catod și electronii sunt emiși datorită emisiei termoionice.
6. Diferite tipuri de autodescărcare și aplicarea lor tehnică.
În funcție de proprietățile și starea gazului, de natura și locația electrozilor, precum și de tensiunea aplicată electrozilor, tipuri diferite rang independent. Să luăm în considerare câteva dintre ele.
A. Descărcări mocnite.
Se observă o descărcare strălucitoare în gaze la presiuni scăzute de ordinul a câteva zeci de milimetri de mercur și mai puțin. Dacă luăm în considerare un tub cu o descărcare luminoasă, putem vedea că părțile principale ale unei descărcări luminoase sunt catod Space Dark, departe de el negativ sau strălucire mocnitoare, care trece treptat în regiune Faraday spațiu întunecat. Aceste trei regiuni formează partea catodică a descărcării, urmată de partea luminoasă principală a descărcării, care determină proprietățile sale optice și se numește coloană pozitivă.
Rolul principal în menținerea descărcării strălucitoare este jucat de primele două regiuni ale părții sale catodice. trăsătură caracteristică Acest tip de descărcare este o scădere bruscă a potențialului în apropierea catodului, care este asociată cu o concentrație mare de ioni pozitivi la limita regiunilor I și II, datorită vitezei relativ scăzute a ionilor la catod. În spațiul întunecat al catodului, există o accelerare puternică a electronilor și ionilor pozitivi, eliminând electronii din catod. În regiunea strălucirii strălucitoare, electronii produc ionizare intensă de impact a moleculelor de gaz și își pierd energia. Aici se formează ioni pozitivi, care sunt necesari pentru a menține descărcarea. Intensitatea câmpului electric în această regiune este scăzută. Strălucirea mocnită este cauzată în principal de recombinarea ionilor și electronilor. Lungimea spațiului întunecat catodic este determinată de proprietățile gazului și ale materialului catodic.
În regiunea coloanei pozitive, concentrația de electroni și ioni este aproximativ aceeași și foarte mare, ceea ce duce la o conductivitate electrică ridicată a coloanei pozitive și la o scădere ușoară a potențialului în ea. Stralucirea coloanei pozitive este determinată de strălucirea moleculelor de gaz excitat. În apropierea anodului, se observă din nou o schimbare relativ bruscă a potențialului, care este asociată cu procesul de generare a ionilor pozitivi. În unele cazuri, coloana pozitivă se împarte în zone luminoase separate - strate, separate prin spații întunecate.
Coloana pozitivă nu joacă un rol semnificativ în menținerea descărcării strălucitoare; prin urmare, pe măsură ce distanța dintre electrozii tubului scade, lungimea coloanei pozitive scade și poate dispărea cu totul. Situația este diferită cu lungimea spațiului întunecat al catodului, care nu se schimbă atunci când electrozii se apropie unul de celălalt. Dacă electrozii sunt atât de apropiați încât distanța dintre ei devine mai mică decât lungimea spațiului întunecat al catodului, atunci descărcarea strălucitoare în gaz se va opri. Experimentele arată că, în condițiile egale, lungimea d a spațiului întunecat catodic este invers proporțională cu presiunea gazului. În consecință, la presiuni suficient de scăzute, electronii scoși din catod de ionii pozitivi trec prin gaz aproape fără ciocniri cu moleculele sale, formând electronic, sau raze catodice .
Descărcarea strălucitoare este utilizată în tuburi de lumină cu gaz, lămpi fluorescente, stabilizatori de tensiune, pentru a obține fascicule de electroni și ioni. Dacă se face o fantă în catod, atunci fascicule de ioni înguste trec prin el în spațiul din spatele catodului, adesea numit razele canalului. fenomen larg utilizat pulverizare catodică, adică distrugerea suprafeței catodului sub acțiunea ionilor pozitivi care îl lovesc. Fragmente ultramicroscopice ale materialului catodic zboară în toate direcțiile de-a lungul liniilor drepte și acoperă suprafața corpurilor (în special dielectricii) plasate într-un tub cu un strat subțire. În acest fel, oglinzile sunt realizate pentru o serie de dispozitive, se aplică un strat subțire de metal pe fotocelulele cu seleniu.
b. Descărcarea corona.
O descărcare corona are loc atunci când presiune normalăîntr-un gaz într-un câmp electric foarte neomogen (de exemplu, lângă vârfuri sau fire ale liniilor de înaltă tensiune). Într-o descărcare corona, ionizarea gazului și strălucirea sa apar numai în apropierea electrozilor corona. În cazul coroanei catodului (corona negativă), electronii care provoacă ionizarea prin impact a moleculelor de gaz sunt scoși din catod atunci când acesta este bombardat cu ioni pozitivi. Dacă anodul este corona (corona pozitivă), atunci nașterea electronilor are loc datorită fotoionizării gazului în apropierea anodului. Corona este un fenomen dăunător, însoțit de scurgeri și pierderi de curent energie electrica. Pentru a reduce corona, se mărește raza de curbură a conductorilor, iar suprafața acestora este făcută cât mai netedă. La o tensiune suficient de mare între electrozi, descărcarea corona se transformă într-o scânteie.
La o tensiune crescută, descărcarea corona de pe vârf ia forma unor linii luminoase care emană din vârf și alternează în timp. Aceste linii, având o serie de îndoituri și îndoituri, formează un fel de perie, ca urmare a căreia o astfel de descărcare se numește carpian .
Un nor de tunet încărcat induce pe suprafața Pământului de sub el sarcini electrice semnul opus. O sarcină deosebit de mare se acumulează pe vârfuri. Prin urmare, înainte de o furtună sau în timpul unei furtuni, conurile de lumină ca niște perii se aprind adesea pe punctele și colțurile ascuțite ale obiectelor foarte ridicate. Din cele mai vechi timpuri, această strălucire a fost numită focul Sfântului Elm.
Mai ales de multe ori alpiniștii devin martori ai acestui fenomen. Uneori chiar nu numai obiecte metalice, dar capetele părului de pe cap sunt decorate cu mici ciucuri luminoși.
Descărcarea corona trebuie luată în considerare atunci când aveți de-a face cu tensiune înaltă. Dacă există părți proeminente sau foarte fire subțiri descărcarea corona poate începe. Acest lucru duce la scurgeri de energie. Cu cât tensiunea liniei de înaltă tensiune este mai mare, cu atât firele ar trebui să fie mai groase.
C. Descărcare prin scânteie.
Descărcarea scânteii are aspectul unor filamente-canale ramificate în zig-zag strălucitoare care pătrund în golul de descărcare și dispar, fiind înlocuite cu altele noi. Studiile au arătat că canalele de descărcare de scânteie încep să crească uneori de la electrodul pozitiv, alteori de la negativ și uneori de la un punct între electrozi. Acest lucru se explică prin faptul că ionizarea prin impact în cazul unei descărcări de scânteie are loc nu pe întregul volum de gaz, ci prin canale individuale care trec în acele locuri în care concentrația de ioni s-a dovedit accidental a fi cea mai mare. O descărcare de scânteie este însoțită de eliberarea unei cantități mari de căldură, o strălucire strălucitoare de gaz, trosnet sau tunet. Toate aceste fenomene sunt cauzate de avalanșe de electroni și ioni care apar în canalele de scântei și duc la o creștere uriașă a presiunii, ajungând la 10 7 ¸10 8 Pa, și o creștere a temperaturii până la 10.000 °C.
Un exemplu tipic de descărcare de scânteie este fulgerul. Canalul principal de fulger are un diametru de 10 până la 25 cm, iar lungimea fulgerului poate ajunge la câțiva kilometri. Curentul maxim al unui impuls de fulger ajunge la zeci și sute de mii de amperi.
Cu o lungime mică a golului de descărcare, descărcarea scânteii provoacă o distrugere specifică a anodului, numită eroziune. Acest fenomen a fost folosit în metoda electrospark de tăiere, găurire și alte tipuri de prelucrare de precizie a metalelor.
Eclatorul este utilizat ca protector la supratensiune în liniile de transmisie electrică (de exemplu, liniile telefonice). Dacă în apropierea liniei trece un curent puternic de scurtă durată, atunci în firele acestei linii sunt induse tensiuni și curenți, ceea ce poate distruge instalatie electricași periculos pentru viața umană. Pentru a evita acest lucru, se folosesc siguranțe speciale, formate din doi electrozi curbați, dintre care unul este conectat la linie, iar celălalt este împământat. Dacă potențialul liniei în raport cu pământul crește foarte mult, atunci între electrozi are loc o descărcare de scânteie, care, împreună cu aerul încălzit de aceasta, se ridică, se prelungește și se rupe.
În cele din urmă, o scânteie electrică este utilizată pentru a măsura diferențe mari de potențial folosind golul mingii, ai căror electrozi sunt două bile metalice cu suprafață lustruită. Bilele sunt depărtate și li se aplică o diferență de potențial măsurată. Apoi bilele sunt aduse împreună până când o scânteie sare între ele. Cunoscând diametrul bilelor, distanța dintre ele, presiunea, temperatura și umiditatea aerului, găsesc diferența de potențial dintre bile conform tabelelor speciale. Această metodă poate fi utilizată pentru a măsura, cu câteva procente, diferențe de potențial de ordinul a zeci de mii de volți.
D. Descărcarea arcului.
Descărcarea arcului a fost descoperită de V. V. Petrov în 1802. Această descărcare este una dintre formele de descărcare gazoasă, care are loc la o densitate mare de curent și o tensiune relativ scăzută între electrozi (de ordinul câtorva zeci de volți). Cauza principală a descărcării arcului este emisia intensă de termoelectroni de către un catod fierbinte. Acești electroni accelerează câmp electricși produc ionizare prin impact a moleculelor de gaz, datorită căreia rezistența electrică a spațiului de gaz dintre electrozi este relativ mică. Dacă reducem rezistența circuitului extern, creștem curentul de descărcare a arcului, atunci conductivitatea spațiului de gaz va crește atât de mult încât tensiunea dintre electrozi scade. Prin urmare, se spune că descărcarea arcului are o scădere caracteristica volt-amper. La presiune atmosferică temperatura catodului ajunge la 3000 °C. Electronii, bombardând anodul, creează o adâncitură (crater) în el și îl încălzesc. Temperatura craterului este de aproximativ 4000 °C, iar la presiuni mari ale aerului ajunge la 6000-7000 °C. Temperatura gazului din canalul de descărcare a arcului ajunge la 5000-6000 °C, astfel încât are loc o ionizare termică intensă.
Într-un număr de cazuri, o descărcare cu arc este de asemenea observată la o temperatură relativ scăzută a catodului (de exemplu, într-o lampă cu arc cu mercur).
În 1876, P. N. Yablochkov a folosit pentru prima dată un arc electric ca sursă de lumină. În „lumânarea Yablochkov”, cărbunii erau aranjați în paralel și separați printr-un strat curbat, iar capetele lor erau conectate printr-un „punte de aprindere” conductiv. Când curentul a fost pornit, puntea de aprindere a ars și s-a format un arc electric între cărbuni. Pe măsură ce cărbunii ardeau, stratul izolator s-a evaporat.
Descărcarea cu arc este folosită ca sursă de lumină și astăzi, de exemplu, în proiectoare și proiectoare.
Căldură descărcarea arcului vă permite să-l utilizați pentru cuptorul cu arc al dispozitivului. În prezent, cuptoarele cu arc electric sunt foarte mare putere, sunt utilizate într-o serie de industrii: pentru topirea oțelului, fontei, feroaliajelor, bronzului, producerea de carbură de calciu, oxid de azot etc.
În 1882, N. N. Benardos a folosit pentru prima dată o descărcare cu arc pentru tăierea și sudarea metalului. Descărcarea dintre un electrod de carbon fix și metal încălzește joncțiunea a două foi de metal (sau plăci) și le sudează. Benardos a folosit aceeași metodă pentru a tăia plăci metalice și a face găuri în ele. În 1888, N. G. Slavyanov a îmbunătățit această metodă de sudare prin înlocuirea electrodului de carbon cu unul metalic.
Descărcarea arcului și-a găsit aplicație într-un redresor cu mercur, care transformă un curent electric alternativ într-un curent continuu.
E. Plasma.
Plasma este un gaz parțial sau complet ionizat în care densitățile sarcinilor pozitive și negative sunt aproape aceleași. Astfel, plasma în ansamblu este un sistem neutru din punct de vedere electric.
Caracteristica cantitativă a plasmei este gradul de ionizare. Gradul de ionizare a plasmei a este raportul dintre concentrația în volum a particulelor încărcate și concentrația în volum totală a particulelor. În funcție de gradul de ionizare, plasma se împarte în slab ionizat(a este fracțiuni de procent), parțial ionizat (a de ordinul câtorva procente) și complet ionizat (a este aproape de 100%). Plasmă slab ionizată conditii naturale sunt straturile superioare ale atmosferei – ionosfera. Soarele, stelele fierbinți și unii nori interstelari sunt plasmă complet ionizată care se formează la temperaturi ridicate.
Energii medii tipuri variate particulele care alcătuiesc plasma pot diferi semnificativ unele de altele. Prin urmare, plasma nu poate fi caracterizată printr-o singură valoare a temperaturii T; Se face distincția între temperatura electronilor T e, temperatura ionilor Ti (sau temperaturile ionilor, dacă în plasmă există mai multe tipuri de ioni) și temperatura atomilor neutri T a (componenta neutră). O astfel de plasmă se numește non-izotermă, spre deosebire de plasma izotermă, în care temperaturile tuturor componentelor sunt aceleași.
Plasma se împarte în temperatură înaltă (T i »10 6 -10 8 K și mai mult) și temperatură joasă!!! (T i<=10 5 К). Это условное разделение связано с особой влажностью высокотемпературной плазмы в связи с проблемой осуществления управляемого термоядерного синтеза.
Plasma are o serie de proprietăți specifice, ceea ce ne permite să o considerăm ca o a patra stare specială a materiei.
Datorită mobilității mari a particulelor de plasmă încărcate, acestea se mișcă cu ușurință sub influența câmpurilor electrice și magnetice. Prin urmare, orice încălcare a neutralității electrice a regiunilor individuale ale plasmei, cauzată de acumularea de particule cu același semn de sarcină, este rapid eliminată. Câmpurile electrice rezultate mișcă particulele încărcate până când neutralitatea electrică este restabilită și câmpul electric devine zero. Spre deosebire de un gaz neutru, între ale cărui molecule există forțe cu rază scurtă de acțiune, între particulele de plasmă încărcate există forțe Coulomb care scad relativ lent cu distanța. Fiecare particulă interacționează imediat cu un număr mare de particule din jur. Datorită acestui fapt, împreună cu mișcarea termică haotică, particulele de plasmă pot participa la diferite mișcări ordonate. Diferite tipuri de oscilații și unde sunt ușor de excitat într-o plasmă.
Conductivitatea plasmei crește pe măsură ce crește gradul de ionizare. La temperaturi ridicate, o plasmă complet ionizată se apropie de supraconductori în ceea ce privește conductivitatea sa.
Plasma la temperatură joasă este utilizată în sursele de lumină cu descărcare în gaz - în tuburi luminoase pentru inscripții publicitare, în lămpi fluorescente. O lampă cu descărcare în gaz este utilizată în multe dispozitive, de exemplu, în laserele cu gaz - surse de lumină cuantică.
Plasma de înaltă temperatură este utilizată în generatoarele magnetohidrodinamice.
Un nou dispozitiv, lanterna cu plasmă, a fost creat recent. Plasmatronul creează jeturi puternice de plasmă densă la temperatură joasă, care sunt utilizate pe scară largă în diferite domenii ale tehnologiei: pentru tăierea și sudarea metalelor, forarea puțurilor în roci dure etc.
Lista literaturii folosite:
1) Fizica: Electrodinamica. 10-11 celule: manual. pentru studiul aprofundat al fizicii / G. Ya. Myakishev, A. Z. Sinyakov, B. A. Slobodskov. - Ediția a II-a - M.: Drofa, 1998. - 480 p.
2) Curs de fizică (în trei volume). T. II. electricitate și magnetism. Proc. manual pentru colegii tehnice. / Detlaf A.A., Yavorsky B. M., Milkovskaya L. B. Izd. a 4-a, revizuită. - M.: Şcoala superioară, 1977. - 375 p.
3) Electricitate./E. G. Kalașnikov. Ed. „Știință”, Moscova, 1977.
4) Fizica./B. B. Buhovtsev, Yu. L. Klimontovich, G. Ya. Myakishev. Ediția a III-a, revizuită. – M.: Iluminismul, 1986.
Se formează prin mișcarea direcționată a electronilor liberi și că în acest caz nu se produc modificări ale substanței din care este făcut conductorul.
Astfel de conductoare, în care trecerea unui curent electric nu este însoțită de modificări chimice ale substanței lor, se numesc conductoare de primul fel. Acestea includ toate metalele, cărbunele și o serie de alte substanțe.
Dar există și astfel de conductori de curent electric în natură, în care fenomene chimice apar în timpul trecerii curentului. Acești conductori se numesc conductoare de al doilea fel. Acestea includ în principal diverse soluții în apă de acizi, săruri și alcalii.
Dacă turnați apă într-un vas de sticlă și adăugați câteva picături de acid sulfuric (sau alt acid sau alcalin), apoi luați două plăci metalice și atașați conductorii de ele coborând aceste plăci în vas și conectați un curent sursă la celelalte capete ale conductorilor printr-un comutator și un ampermetru, apoi gazul va fi eliberat din soluție și va continua continuu până când circuitul este închis. apa acidificată este într-adevăr un conductor. În plus, plăcile vor începe să fie acoperite cu bule de gaz. Apoi aceste bule se vor desprinde din farfurii și vor ieși.
Când un curent electric trece prin soluție, apar modificări chimice, în urma cărora se eliberează gaz.
Conductorii de al doilea fel se numesc electroliți, iar fenomenul care are loc în electrolit atunci când un curent electric trece prin el este.
Plăcile metalice scufundate în electrolit se numesc electrozi; unul dintre ele, conectat la polul pozitiv al sursei de curent, se numește anod, iar celălalt, conectat la polul negativ, se numește catod.
Ce cauzează trecerea curentului electric într-un conductor lichid? Se pare că în astfel de soluții (electroliți), moleculele acide (alcali, săruri) sub acțiunea unui solvent (în acest caz, apă) se descompun în două componente și o particulă a moleculei are o sarcină electrică pozitivă, iar cealaltă negativă.
Particulele unei molecule care au o sarcină electrică se numesc ioni. Când un acid, sare sau alcali este dizolvat în apă, în soluție apar un număr mare de ioni pozitivi și negativi.
Acum ar trebui să devină clar de ce un curent electric a trecut prin soluție, deoarece între electrozii conectați la sursa de curent a fost creat, cu alte cuvinte, unul dintre ei s-a dovedit a fi încărcat pozitiv, iar celălalt negativ. Sub influența acestei diferențe de potențial, ionii pozitivi au început să se miște spre electrodul negativ - catod, iar ionii negativi - spre anod.
Astfel, mișcarea haotică a ionilor a devenit o contra-mișcare ordonată a ionilor negativi într-o direcție și a celor pozitivi în cealaltă. Acest proces de transfer de sarcină constituie fluxul de curent electric prin electrolit și are loc atâta timp cât există o diferență de potențial între electrozi. Odată cu dispariția diferenței de potențial, curentul prin electrolit se oprește, mișcarea ordonată a ionilor este perturbată și mișcarea haotică se instalează din nou.
Ca exemplu, luați în considerare fenomenul de electroliză atunci când un curent electric este trecut printr-o soluție de sulfat de cupru CuSO4 cu electrozi de cupru coborâți în ea.
Fenomenul de electroliză atunci când curentul trece printr-o soluție de sulfat de cupru: C - vas cu electrolit, B - sursă de curent, C - comutator
Va exista, de asemenea, o contra mișcare a ionilor către electrozi. Ionul pozitiv va fi ionul de cupru (Cu), iar ionul negativ va fi ionul rezidual acid (SO4). Ionii de cupru, la contactul cu catodul, vor fi descărcați (atașând electronii lipsă la ei înșiși), adică se vor transforma în molecule neutre de cupru pur și se vor depune pe catod sub forma celui mai subțire strat (molecular).
Ionii negativi, ajungând la anod, sunt și ei descărcați (dau electroni în exces). Dar, în același timp, ele intră într-o reacție chimică cu cuprul anodului, în urma căreia o moleculă de cupru Cu este atașată la reziduul acid SO4 și se formează o moleculă de sulfat de cupru CuS O4, care este returnată. înapoi la electrolit.
Deoarece acest proces chimic durează mult timp, cuprul este depus pe catod, care este eliberat din electrolit. În acest caz, în locul moleculelor de cupru care au ajuns la catod, electrolitul primește noi molecule de cupru datorită dizolvării celui de-al doilea electrod - anodul.
Același proces are loc dacă se iau electrozi de zinc în loc de cei de cupru, iar electrolitul este o soluție de sulfat de zinc ZnSO4. Zincul va fi, de asemenea, transferat de la anod la catod.
Prin urmare, diferența dintre curentul electric din metale și conductorii de lichid constă în faptul că în metale doar electronii liberi, adică sarcinile negative, sunt purtători de sarcină, în timp ce în electroliți sunt transportați de particule de materie încărcate opus - ioni care se mișcă în direcții opuse. Prin urmare ei spun că electroliții au conductivitate ionică.
Fenomenul electrolizei a fost descoperit în 1837 de B. S. Jacobi, care a efectuat numeroase experimente privind studiul și îmbunătățirea surselor de curent chimic. Jacobi a descoperit că unul dintre electrozii plasați într-o soluție de sulfat de cupru, când trece un curent electric prin el, este acoperit cu cupru.
Acest fenomen se numește galvanizare, găsește acum o aplicație practică extrem de largă. Un exemplu în acest sens este acoperirea obiectelor metalice cu un strat subțire de alte metale, adică placarea cu nichel, aurirea, placarea cu argint etc.
Gazele (inclusiv aerul) nu conduc electricitatea în condiții normale. De exemplu, goale, fiind suspendate paralel unele cu altele, sunt izolate una de alta printr-un strat de aer.
Cu toate acestea, sub influența temperaturii ridicate, a unei diferențe mari de potențial și a altor motive, gazele, cum ar fi conductorii de lichid, ionizează, adică particulele de molecule de gaz apar în ele în număr mare, care, fiind purtători de electricitate, contribuie la trecerea. de curent electric prin gaz.
Dar, în același timp, ionizarea unui gaz diferă de ionizarea unui conductor lichid. Dacă o moleculă se rupe în două părți încărcate într-un lichid, atunci în gaze, sub acțiunea ionizării, electronii sunt întotdeauna separați de fiecare moleculă și un ion rămâne sub forma unei părți încărcate pozitiv a moleculei.
Trebuie doar să oprești ionizarea gazului, deoarece acesta încetează să mai fie conductor, în timp ce lichidul rămâne întotdeauna un conductor de curent electric. În consecință, conductivitatea unui gaz este un fenomen temporar, în funcție de acțiunea unor cauze externe.
Cu toate acestea, mai există unul numit descărcare cu arc sau doar un arc electric. Fenomenul arcului electric a fost descoperit la începutul secolului al XIX-lea de către primul inginer electric rus V. V. Petrov.
V. V. Petrov, făcând numeroase experimente, a descoperit că între doi cărbuni conectați la o sursă de curent, se produce o descărcare electrică continuă prin aer, însoțită de o lumină puternică. În scrierile sale, V. V. Petrov a scris că, în acest caz, „pacea întunecată poate fi destul de puternic luminată”. Așadar, pentru prima dată s-a obținut lumină electrică, care a fost aplicată practic de un alt electronist rus Pavel Nikolaevich Yablochkov.
„Lumânarea lui Yablochkov”, a cărei lucrare se bazează pe utilizarea unui arc electric, a făcut o adevărată revoluție în inginerie electrică în acele vremuri.
Descărcarea cu arc este folosită ca sursă de lumină și astăzi, de exemplu, în proiectoare și proiectoare. Temperatura ridicată a descărcării arcului permite utilizarea acestuia pentru . În prezent, cuptoarele cu arc alimentate cu un curent foarte mare sunt utilizate într-o serie de industrii: pentru topirea oțelului, fontei, feroaliajelor, bronzului etc. Și în 1882, N. N. Benardos a folosit pentru prima dată o descărcare cu arc pentru tăierea și sudarea metalului.
În tuburi de lumină cu gaz, lămpi fluorescente, stabilizatoare de tensiune, pentru a obține fascicule de electroni și ioni, așa-numitele descărcare de gaz strălucitor.
O descărcare de scânteie este utilizată pentru a măsura diferențe mari de potențial folosind un spațiu între bile, ai cărui electrozi sunt două bile metalice cu o suprafață lustruită. Bilele sunt depărtate și li se aplică o diferență de potențial măsurată. Apoi bilele sunt aduse împreună până când o scânteie sare între ele. Cunoscând diametrul bilelor, distanța dintre ele, presiunea, temperatura și umiditatea aerului, găsesc diferența de potențial dintre bile conform tabelelor speciale. Cu această metodă, se poate măsura, cu o precizie de câteva procente, o diferență de potențial de ordinul a zeci de mii de volți.
