Электрический ток в газах — Основы электроники

  

Газы (в том числе и воздух) при обычных условиях не проводят электрический ток. Только под действием высокой температуры, большой разности потенциалов, рентгеновских лучей, ультрафиолетовых лучей, космических лучей, радиоактивного излучения и некоторых других причин газы ионизируются и становятся проводниками. Если прекращается действие причины, вызывающей ионизацию газа, то он перестает проводить электрический ток (в отличие от электролитов, которые всегда являются проводниками электрического тока).

Ионизация газа отличается от ионизации жидкого проводника. В жидкости молекула распадается на две заряженные части, а в газе происходит отделение электронов от молекул (рис. 1) (при этом молекулы превращаются в положительно заряженные ионы).

Рисунок 1. Процесс ионизации газа — распад нейтральных частиц на электроны и положительные ионы

 

Одним из видов прохождения электрического тока через газ является

электрический разряд. Примеров электрических разрядов можно привести очень много: искра, образующаяся при разрыве электрической цепи, молния, пробой газового разрядника и т. д. Все эти разряды кратковременны.

Существует и другой вид разряда в газах — это так называемый дуговой разряд.

Рисунок 1. Дуговой разряд

 

Явление дугового разряда было открыто выдающимся русским ученым-электротехником В. В. Петровым. Суть этого явления заключается в том, что между двумя угольными стержнями, соединенными с источником электрической энергии, возникает непрерывный электрический разряд, сопровождаемый ярким светом и большим выделением тепла. Свойство дуг создавать яркий свет раньше использовался в прожекторах, киноаппаратуре и т. д. Благодаря большому выделению тепла электрическая дуга применяется в электрометаллургии.

Следует отметить, что электрическая дуга является простейшим генератором низкотемпературной плазмы. Плазма не обязательно связана с огромными температурами и сложнейшими установками. Электрическая дуга, молния, свечение неоновых реклам и даже пламя обычной свечи — все это различные виды низкотемпературной плазмы. Генераторы низкотемпературной плазмы называются

плазматронами. Плазматрон позволяет практически любой газ нагреть до температуры 7000—10 000° С при помощи электрической дуги постоянного или переменного тока. Плазматроны находят все более широкое применение в химической и горнорудной промышленности, металлургии и в других отраслях народного хозяйства.

На явлении проводимости газов при ионизации основано устройство многих радио- и электротехнических приборов: ртутных ламп, газотронов, тиратронов, газовых разрядников, газовых стабилизаторов напряжения, газосветных трубок и др.  

ПОНРАВИЛАСЬ СТАТЬЯ? ПОДЕЛИСЬ С ДРУЗЬЯМИ В СОЦИАЛЬНЫХ СЕТЯХ!

Похожие материалы:

Добавить комментарий

Электрический ток в газах | Физика

Процесс протекания электрического тока через газ называется газовым разрядом.

При комнатных температурах газы практически не проводят электрический ток, так как со­стоят из нейтральных атомов, т. е. являются диэлектриками.

При нагреве или облучении ультрафиолетовым светом, рентгеновскими лучами либо другим видом излучения атомы газа получают дополнительную энергию, которая может привести к иони­зации. Так, например, при нагреве за счет увеличения скорости молекул часть из них при столк­новениях друг с другом распадается на положительно заряженные ионы и электроны.

Проводимость газов обеспечивается как электронами, так и положительно заряженными ионами.

Рекомбинация — процесс воссоединения электрона с положительным ионом — наблюдается, если прекратить действие ионизатора. Если внешнее поле отсутствует, то при действии ионизато­ра устанавливается динамическое равновесие между количеством исчезающих и вновь образую­щихся пар заряженных частиц.

Несамостоятельный разряд в газе, ионизованном каким-либо ионизатором, возникает в посто­янном поле и существует до тех пор, пока существует ионизирующий агент. ВАХ несамостоятель­ного разряда представляет собой кривую, выходящую на насыщение.

Самостоятельный разряд. При некотором напряжении, зависящем от рода газа, давления и рас­стояния между электродами, происходит пробой и зажигаетсясамостоятельный разряд, который не нуждается больше во внешнем ионизаторе. Ток через трубку при этом резко возрастает.

Причиной возникновения самостоятельного разряда является ионизация электронным уда­ром. При соударении атома с электроном, который разгоняется электрическим полем Е до энер­гии, достаточной для ионизации атома, образуются два электрона, которые при своем движении к аноду также разгоняются и, сталкиваясь на своем пути с другими атомами, ионизуют их, в ре­зультате возникает электронная лавина.

Для обеспечения длительного самостоятельного разряда, кроме ионизации электронным уда­ром, необходима еще эмиссия (испускание) электронов с катода. Такая эмиссия может быть обеспечена либо за счет термоэлектронной эмиссии из катода (испускания электронов из металла при нагреве), либо за счет выбивания электронов из катода положительными ионами с большой кинетической энергией.

 

 

Кто открыл электрический ток в газах. Введение

Проведем следующий опыт.

картинка

Присоединим электрометр к дискам плоского конденсатора. После этого зарядим конденсатор. При обычной температуре и сухом воздухе конденсатор будет разряжаться очень медленно. Из этого можно сделать вывод, что ток в воздухе между дисками очень мал.

Следовательно, в обычных условиях газ является диэлектриком. Если теперь нагреть воздух между пластин конденсатора, то стрелка электрометра быстро приблизится к нулю, и, следовательно, конденсатор разрядится. Значит, в нагретом газе устанавливается электрический ток, и такой газ будет являться проводником.

Электрический ток в газах

Газовый разряд – процесс прохождения тока через газ. Из опыта видно, что с увеличением температуры проводимость воздуха увеличивается. Помимо нагревания, проводимость газа можно увеличить и другими способами, например, действием излучений.

В обычных условиях газы в основном состоят из нейтральных атомов и молекул, и поэтому являются диэлектриками. Когда мы воздействуем на газ излучением или нагреваем его, часть атомов начинают распадаться на положительные ионы и электроны – ионизироваться. Ионизация газа происходит вследствие того, что при нагревании скорость молекул и атомов увеличивается очень сильно, и при столкновениях друг с другом они распадаются на ионы.

Проводимость газа

Проводимость в газах осуществляется в основном электронами. В газах сочетаются два вида проводимости: электронная и ионная. В отличии от растворов электролитов, в газах образование ионов происходит либо при нагревании, либо за счет действия внешних ионизаторов – излучений, в то время, как в растворах электролитов образование ионов вызвано ослаблением межмолекулярных связей.

Если в какой-то момент ионизатор прекратит свое действие на газ, то ток тоже прекратится. При этом положительно заряженные ионы и электроны могут опять объединиться – рекомбинировать. Если отсутствует внешнее поле, то заряженные частицы будут исчезать только вследствие рекомбинации.

Если действие ионизатора не будет прерываться, то установится динамическое равновесие. В состоянии динамического равновесия, число вновь образующихся пар частиц (ионов и электронов) будет равняться числу исчезающих пар — вследствие рекомбинации.

Электрический ток в газах в нормальных условиях невозможен. То есть при атмосферной влажности давлении и температуре в газе отсутствуют носители зарядов. Это свойство газа, в частности воздуха, используется в воздушных линиях передач выключателях реле для обеспечения электрической изоляции.

Но при определенных условиях в газах может наблюдутся ток. Проведем опыт. Для него нам понадобится воздушный конденсатор электрометр и соединительные провода. Для начала соединим электрометр с конденсатором. Потом сообщим заряд пластинам конденсатора. Электрометр при этом покажет наличие этого самого заряда. Воздушный конденсатор некоторое время будет хранить заряд. То есть тока между его пластинами не будет. Это говорит о том что воздух между обкладками конденсатора обладает диэлектрическими свойствами.

Рисунок 1 — Заряженный конденсатор подключенный к электрометру

Далее внесем в промежуток между пластинами пламя свечи. При этом увидим, что электрометр покажет уменьшение заряда на пластинах конденсатора. То есть в зазоре между пластинами протекает ток. Почему же это происходит.

Рисунок 2 — Внесение свечи в зазор между обкладками заряженного конденсатора

В нормальных условиях молекулы газа электрически нейтральны. И не способны обеспечивать ток. Но при повышении температуры наступает так называемая ионизация газа, и он становится проводником. В газе появляются положительные и отрицательные ионы.

Чтобы от атома газа оторвался электрон необходимо совершить работу против Кулоновских сил. Для этого необходима энергия. Эту энергию атом получает с увеличением температуры. Так как кинетическая энергия теплового движения прямо пропорционально температуре газа. То с ее увеличение молекулы и атомы получают достаточно энергии, чтобы при соударении от атомов отрывались электроны. Такой атом становится положительным ионом. Оторванный электрон может прицепиться к другому атому тогда он станет отрицательным ионом.

В итоге в зазоре между пластинами появляются положительные и отрицательные ионы, а также электроны. Все они начинают двигаться под действием поля созданного зарядами на обкладках конденсатора. Положительные ионы движутся к катоду. Отрицательные ионы и электроны стремятся к аноду. Таким образом, в воздушном зазоре обеспечивается ток.

Зависимость тока от напряжения не на всех участках подчиняется закону Ома. На первом участке это так с увеличением напряжения увеличивается количество ионов а, следовательно, и ток. Далее на втором участке наступает насыщение, то есть с увеличением напряжения ток не увеличивается. Потому что концентрация ионов максимальна и новым появляется просто неоткуда.

Рисунок3 — вольтамперная характеристика воздушного зазора

На третьем участке вновь наблюдается рост тока с увеличением напряжения. Этот участок называется самостоятельным разрядом. То есть для поддержания тока в газе уже не нужны сторонние ионизаторы. Происходит это из за того что, электроны при высоком напряжении, получают достаточную энергию для того чтобы выбивать другие электроны из атомов самостоятельно. Эти электроны в свою очередь выбивают другие и так далее. Процесс идет лавинообразно. И основную проводимость в газе обеспечивают уже электроны.

В природе не существует абсолютных диэлектриков. Упорядоченное движение частиц — носителей электрического заряда, — то есть ток, можно вызвать в любой среде, однако для этого необходимы особые условия. Мы рассмотрим здесь, как протекают электрические явления в газах и как газ можно из очень хорошего диэлектрика превратить в очень хороший проводник. Нас будет интересовать, при каких условиях возникает, а также какими особенностями характеризуется электрический ток в газах.

Электрические свойства газов

Диэлектрик — это вещество (среда), в котором концентрация частиц — свободных носителей электрического заряда — не достигает сколько-нибудь значимой величины, вследствие чего проводимость пренебрежимо мала. Все газы — хорошие диэлектрики. Их изолирующие свойства используются повсеместно. Например, в любом выключателе размыкание цепи происходит, когда контакты приводятся в такое положение, чтобы между ними образовался воздушный зазор. Провода в линиях электропередач также изолируются друг от друга воздушным слоем.

Структурной единицей любого газа является молекула. Она состоит из атомных ядер и электронных облаков, то есть представляет собой совокупность электрических зарядов, некоторым образом распределенных в пространстве. Молекула газа может быть вследствие особенностей своего строения либо поляризоваться под действием внешнего электрического поля. Подавляющее большинство молекул, составляющих газ, в обычных условиях электрически нейтральны, поскольку заряды в них компенсируют друг друга.

Если приложить к газу электрическое поле, молекулы примут дипольную ориентацию, занимая пространственное положение, компенсирующее воздействие поля. Присутствующие в газе заряженные частицы под действием кулоновских сил начнут движение: положительные ионы — в направлении катода, отрицательные ионы и электроны — к аноду. Однако если поле имеет недостаточный потенциал, единый направленный поток зарядов не возникает, и можно говорить скорее об отдельных токах, настолько слабых, что ими следует пренебречь. Газ ведет себя как диэлектрик.

Таким образом, для возникновения электрического тока в газах необходима большая концентрация свободных носителей заряда и присутствие поля.

Ионизация

Процесс лавинообразного увеличения числа свободных зарядов в газе называют ионизацией. Соответственно, газ, в котором присутствует значительное количество заряженных частиц, называется ионизированным. Именно в таких газах создается электрический ток.

Процесс ионизации связан с нарушением нейтральности молекул. Вследствие отрыва электрона возникают положительные ионы, присоединение электрона к молекуле приводит к образованию отрицательного иона. Кроме того, в ионизированном газе много свободных электронов. Положительные ионы и особенно электроны — главные носители заряда при электрическом токе в газах.

Ионизация происходит, когда частице сообщается некоторое количество энергии. Так, внешний электрон в составе молекулы, получив эту энергию, может покинуть молекулу. Взаимные столкновения заряженных частиц с нейтральными приводят к выбиванию новых электронов, и процесс принимает лавинообразный характер. Кинетическая энергия частиц также возрастает, что значительно способствует ионизации.

Откуда берется энергия, затрачиваемая на возбуждение в газах электрического тока? Ионизация газов имеет несколько источников энергии, соответственно которым принято именовать и ее типы.

1. Ионизация электрическим полем. В этом случае потенциальная энергия поля преобразуется в кинетическую энергию частиц.
2. Термоионизация. Повышение температуры также ведет к образованию большого количества свободных зарядов.
3. Фотоионизация. Суть данного процесса в том, что энергию электронам сообщают кванты электромагнитного излучения — фотоны, если они имеют достаточно высокую частоту (ультрафиолетовые, рентгеновские, гамма-кванты).
4. Ударная ионизация является результатом преобразования кинетической энергии сталкивающихся частиц в энергию отрыва электрона. Наряду с термоионизацией, она служит основным фактором возбуждения в газах электрического тока.

Каждый газ характеризуется определенной пороговой величиной — энергией ионизации, необходимой для того, чтобы электрон мог оторваться от молекулы, преодолев потенциальный барьер. Эта величина для первого электрона составляет от нескольких вольт до двух десятков вольт; для отрыва следующего электрона от молекулы нужно больше энергии и так далее.

Следует учитывать, что одновременно с ионизацией в газе протекает обратный процесс — рекомбинация, то есть восстановление нейтральных молекул под действием кулоновских сил притяжения.

Газовый разряд и его типы

Итак, электрический ток в газах обусловлен упорядоченным движением заряженных частиц под действием приложенного к ним электрического поля. Наличие таких зарядов, в свою очередь, возможно благодаря различным факторам ионизации.

Так, термоионизация требует значительных температур, но открытое пламя в связи с некоторыми химическими процессами способствует ионизации. Даже при сравнительно невысокой температуре в присутствии пламени фиксируется появление в газах электрического тока, и опыт с проводимостью газа позволяет легко в этом убедиться. Надо поместить пламя горелки или свечи между обкладками заряженного конденсатора. Цепь, разомкнутая прежде из-за воздушного зазора в конденсаторе, замкнется. Включенный в цепь гальванометр покажет наличие тока.

Электрический ток в газах называется газовым разрядом. Нужно иметь в виду, что для поддержания стабильности разряда действие ионизатора должно быть постоянным, так как из-за постоянной рекомбинации газ теряет электропроводящие свойства. Одни носители электрического тока в газах — ионы — нейтрализуются на электродах, другие — электроны, — попадая на анод, направляются к «плюсу» источника поля. Если ионизирующий фактор перестанет действовать, газ немедленно снова станет диэлектриком, и ток прекратится. Такой ток, зависимый от действия внешнего ионизатора, называется несамостоятельным разрядом.

Особенности прохождения электрического тока через газы описываются особой зависимостью силы тока от напряжения — вольт-амперной характеристикой.

Рассмотрим развитие газового разряда на графике вольт-амперной зависимости. При повышении напряжения до некоторого значения U 1 ток нарастает пропорционально ему, то есть выполняется закон Ома. Возрастает кинетическая энергия, а следовательно, и скорость зарядов в газе, и этот процесс опережает рекомбинацию. При значениях напряжения от U 1 до U 2 такое соотношение нарушается; при достижении U 2 все носители зарядов достигают электродов, не успевая рекомбинировать. Все свободные заряды задействованы, и дальнейшее повышение напряжения не приводит к увеличению силы тока. Такой характер движения зарядов называется током насыщения. Таким образом, можно сказать, что электрический ток в газах обусловлен также особенностями поведения ионизированного газа в электрических полях различной напряженности.

Когда разность потенциалов на электродах достигает определенного значения U 3 , напряжение становится достаточным, чтобы электрическое поле вызвало лавинообразную ионизацию газа. Кинетической энергии свободных электронов уже хватает для ударной ионизации молекул. Скорость их при этом в большинстве газов составляет около 2000 км/с и выше (она рассчитывается по приближенной формуле v=600 U i , где U i — ионизационный потенциал). В этот момент происходит пробой газа и существенное возрастание тока за счет внутреннего источника ионизации. Поэтому такой разряд называется самостоятельным.

Наличие внешнего ионизатора в данном случае уже не играет роли для поддержания в газах электрического тока. Самостоятельный разряд в разных условиях и при различных характеристиках источника электрического поля может иметь те или иные особенности. Выделяют такие типы самостоятельного разряда, как тлеющий, искровой, дуговой и коронный. Мы рассмотрим, как ведет себя электрический ток в газах, кратко для каждого из этих типов.

В достаточно разности потенциалов от 100 (и даже меньше) до 1000 вольт для возбуждения самостоятельного разряда. Поэтому тлеющий разряд, характеризующийся малым значением силы тока (от 10 -5 А до 1 А), возникает при давлениях не более нескольких миллиметров ртутного столба.

В трубке с разреженным газом и холодными электродами формирующийся тлеющий разряд выглядит как тонкий светящийся шнур между электродами. Если продолжить откачку газа из трубки, будет наблюдаться размывание шнура, а при давлениях в десятые доли миллиметров ртутного столба свечение заполняет трубку практически полностью. Свечение отсутствует вблизи катода — в так называемом темном катодном пространстве. Остальная часть называется положительным столбом. При этом главные процессы, обеспечивающие существование разряда, локализуются именно в темном катодном пространстве и в прилегающей к нему области. Здесь происходит ускорение заряженных частиц газа, выбивающих из катода электроны.

При тлеющем разряде причиной ионизации является электронная эмиссия с катода. Испущенные катодом электроны производят ударную ионизацию молекул газа, возникающие положительные ионы вызывают вторичную эмиссию с катода и так далее. Свечение положительного столба связано в основном с отдачей фотонов возбужденными молекулами газа, и для различных газов характерно свечение определенного цвета. Положительный столб принимает участие в формировании тлеющего разряда только в качестве участка электрической цепи. Если сближать электроды, можно добиться исчезновения положительного столба, но при этом разряд не прекратится. Однако с дальнейшим сокращением расстояния между электродами тлеющий разряд не сможет существовать.

Необходимо отметить, что для данного типа электрического тока в газах физика некоторых процессов еще не прояснена полностью. Например, пока остается неясной природа сил, вызывающих при увеличении тока расширение на поверхности катода области, которая принимает участие в разряде.

Искровой разряд

Искровой пробой имеет импульсный характер. Он возникает при давлениях, близких к нормальному атмосферному, в случаях, когда мощности источника электрического поля недостаточно для поддержания стационарного разряда. Напряженность поля при этом велика и может достигать 3 МВ/м. Явление характеризуется резким возрастанием разрядного электрического тока в газе, одновременно напряжение чрезвычайно быстро падает, и разряд прекращается. Далее снова возрастает разность потенциалов, и весь процесс повторяется.

При этом типе разряда формируются кратковременные искровые каналы, рост которых может начинаться с любой точки между электродами. Это связано с тем, что ударная ионизация происходит случайным образом в местах, где в данный момент концентрируется наибольшее количество ионов. Вблизи искрового канала газ быстро нагревается и испытывает тепловое расширение, вызывающее акустические волны. Поэтому искровой разряд сопровождается треском, а также выделением теплоты и ярким свечением. Процессы лавинной ионизации порождают в искровом канале высокие давления и температуры до 10 тысяч градусов и выше.

Ярчайшим примером природного искрового разряда служит молния. Диаметр главного искрового канала молнии может составлять от нескольких сантиметров до 4 м, а длина канала достигать 10 км. Величина силы тока доходит до 500 тыс. ампер, а разность потенциалов между грозовым облаком и поверхностью Земли достигает миллиарда вольт.

Наиболее длинная молния протяженностью 321 км наблюдалась в 2007 году в Оклахоме, США. Рекордсменом по продолжительности стала молния, зафиксированная в 2012 году во Французских Альпах — она длилась свыше 7,7 секунды. При ударе молнии воздух может разогреться до 30 тысяч градусов, что в 6 раз превышает температуру видимой поверхности Солнца.

В тех случаях, когда мощность источника электрического поля достаточно велика, искровой разряд развивается в дуговой.

Этот вид самостоятельного разряда характеризуется большой плотностью тока и малым (меньше, чем при тлеющем разряде) напряжением. Дистанция пробоя невелика благодаря близкому расположению электродов. Разряд инициируется испусканием электрона с поверхности катода (для атомов металлов потенциал ионизации невелик по сравнению с молекулами газов). Во время пробоя между электродами создаются условия, при которых газ проводит электрический ток, и возникает искровой разряд, замыкающий цепь. Если мощность источника напряжения достаточно велика, искровые разряды переходят в устойчивую электрическую дугу.

Ионизация при дуговом разряде достигает почти 100%, сила тока очень велика и может составлять от 10 до 100 ампер. При атмосферном давлении дуга способна нагреваться до 5-6 тысяч градусов, а катод — до 3 тысяч градусов, что приводит к интенсивной термоэлектронной эмиссии с его поверхности. Бомбардировка анода электронами приводит к частичному разрушению: на нем образуется углубление — кратер с температурой около 4000 °C. Увеличение давления влечет за собой еще больший рост температур.

При разведении электродов дуговой разряд остается устойчивым до некоторого расстояния, что позволяет бороться с ним на тех участках электрооборудования, где он вреден из-за вызываемой им коррозии и выгорания контактов. Это такие устройства, как высоковольтные и автоматические выключатели, контакторы и прочие. Одним из методов борьбы с дугой, возникающей при размыкании контактов, является использование дугогасительных камер, основанных на принципе удлинения дуги. Применяются и многие другие методы: шунтирование контактов, использование материалов с высоким потенциалом ионизации и так далее.

Развитие коронного разряда происходит при нормальном атмосферном давлении в резко неоднородных полях у электродов, обладающих большой кривизной поверхности. Это могут быть шпили, мачты, провода, различные элементы электрооборудования, имеющие сложную форму, и даже волосы человека. Такой электрод называется коронирующим. Ионизационные процессы и, соответственно, свечение газа имеют место только вблизи него.

Корона может формироваться как на катоде (отрицательная корона) при бомбардировке его ионами, так и на аноде (положительная) в результате фотоионизации. Отрицательная корона, в которой ионизационный процесс как следствие термоэмиссии направлен от электрода, характеризуется ровным свечением. В положительной короне могут наблюдаться стримеры — светящиеся линии ломаной конфигурации, могущие превратиться в искровые каналы.

Примером коронного разряда в природных условиях являются возникающие на остриях высоких мачт, верхушках деревьев и так далее. Образуются они при большой напряженности электрического поля в атмосфере, часто перед грозой или во время метели. Кроме того, их фиксировали на обшивке самолетов, попавших в облако вулканического пепла.

Коронный разряд на проводах ЛЭП ведет к значительным потерям электроэнергии. При большом напряжении коронный разряд может переходить в дуговой. Борьбу с ним ведут различными способами, например, путем увеличения радиуса кривизны проводников.

Электрический ток в газах и плазма

Полностью или частично ионизированный газ называется плазмой и считается четвертым агрегатным состоянием вещества. В целом плазма электрически нейтральна, так как суммарный заряд составляющих ее частиц равен нулю. Это отличает ее от других систем заряженных частиц, таких как, например, электронные пучки.

В природных условиях плазма образуется, как правило, при высоких температурах вследствие столкновения атомов газа на больших скоростях. Подавляющая часть барионной материи во Вселенной пребывает в состоянии плазмы. Это звезды, часть межзвездного вещества, межгалактический газ. Земная ионосфера также представляет собой разреженную слабо ионизированную плазму.

Степень ионизации является важной характеристикой плазмы — от нее зависят проводящие свойства. Степень ионизации определяется как отношение количества ионизированных атомов к общему количеству атомов в единице объема. Чем сильнее ионизирована плазма, тем выше ее электропроводность. Кроме того, ей присуща высокая подвижность.

Мы видим, таким образом, что газы, проводящие электрический ток, в пределах канала разряда являют собой не что иное, как плазму. Так, тлеющий и коронный разряды — это примеры холодной плазмы; искровой канал молнии или электрическая дуга — примеры горячей, практически полностью ионизованной плазмы.

Электрический ток в металлах, жидкостях и газах — различия и сходство

Рассмотрим особенности, которыми характеризуется газовый разряд в сравнении со свойствами тока в других средах.

В металлах ток — это направленное движение свободных электронов, не влекущее за собой химических изменений. Проводники такого типа называют проводниками первого рода; к ним относятся, кроме металлов и сплавов, уголь, некоторые соли и оксиды. Их отличает электронная проводимость.

Проводники второго рода — это электролиты, то есть жидкие водные растворы щелочей, кислот и солей. Прохождение тока сопряжено с химическим изменением электролита — электролизом. Ионы вещества, растворенного в воде, под действием разности потенциалов перемещаются в противоположные стороны: положительные катионы — к катоду, отрицательные анионы — к аноду. Процесс сопровождается выделением газа либо отложением слоя металла на катоде. Проводникам второго рода присуща ионная проводимость.

Что касается проводимости газов, то она, во-первых, временная, во-вторых, имеет признаки сходства и различия с каждым из них. Так, электрический ток и в электролитах, и в газах — это направленный к противоположным электродам дрейф разноименно заряженных частиц. Однако в то время как электролиты характеризуются чисто ионной проводимостью, в газовом разряде при сочетании электронного и ионного типов проводимости ведущая роль принадлежит электронам. Еще одно различие электрического тока в жидкостях и в газах состоит в природе ионизации. В электролите молекулы растворенного соединения диссоциируют в воде, в газе же молекулы не разрушаются, а только теряют электроны. Поэтому газовый разряд, как и ток в металлах, не связан с химическими изменениями.

Неодинакова также и тока в жидкостях и газах. Проводимость электролитов в целом подчиняется закону Ома, а при газовом разряде он не соблюдается. Вольт-амперная характеристика газов имеет гораздо более сложный характер, связанный со свойствами плазмы.

Следует упомянуть и об общих и отличительных чертах электрического тока в газах и в вакууме. Вакуум — это почти идеальный диэлектрик. «Почти» — потому что в вакууме, несмотря на отсутствие (точнее, чрезвычайно малую концентрацию) свободных носителей заряда, тоже возможен ток. Но в газе потенциальные носители уже присутствуют, их только необходимо ионизировать. В вакуум носители заряда вносятся из вещества. Как правило, это происходит в процессе электронной эмиссии, например при нагревании катода (термоэлектронная эмиссия). Но и в различных типах газовых разрядов эмиссия, как мы видели, играет важную роль.

Применение газовых разрядов в технике

О вредном воздействии тех или иных разрядов вкратце речь уже шла выше. Теперь обратим внимание на пользу, которую они приносят в промышленности и в быту.

Тлеющий разряд применяют в электротехнике (стабилизаторы напряжения), в технологии нанесения покрытий (метод катодного распыления, основанный на явлении коррозии катода). В электронике его используют для получения ионных и электронных пучков. Широко известной областью применения тлеющего разряда являются люминесцентные и так называемые экономичные лампы и декоративные неоновые и аргоновые газоразрядные трубки. Кроме того, тлеющий разряд применяют в и в спектроскопии.

Искровой разряд находит применение в предохранителях, в электроэрозионных методах точной обработки металлов (искровая резка, сверление и так далее). Но наиболее известен он благодаря использованию в свечах зажигания двигателей внутреннего сгорания и в бытовой технике (газовые плиты).

Дуговой разряд, будучи впервые использован в осветительной технике еще в 1876 году (свеча Яблочкова — «русский свет»), до сих пор служит в качестве источника света — например, в проекционных аппаратах и мощных прожекторах. В электротехнике дуга используется в ртутных выпрямителях. Кроме того, она применяется в электросварке, в резке металла, в промышленных электропечах для выплавки стали и сплавов.

Коронный разряд находит применение в электрофильтрах для ионной очистки газов, в счетчиках элементарных частиц, в молниеотводах, в системах кондиционирования воздуха. Также коронный разряд работает в копировальных аппаратах и лазерных принтерах, где посредством его производится заряд и разрядка светочувствительного барабана и перенос порошка с барабана на бумагу.

Таким образом, газовые разряды всех типов находят самое широкое применение. Электрический ток в газах успешно и эффективно используется во многих областях техники.

Электрическим током называют поток, который обусловлен упорядоченным движением электрически заряженных частиц. Движение зарядов принято за направление электрического тока. Электрический ток может быть кратковременным и долговременным.

Понятие электрического тока

При грозовом разряде может возникнуть электрический ток, который называют кратковременным. А для поддержания тока в течение длительного времени необходимо наличие электрического поля и свободных носителей электрического заряда.

Электрическое поле создают тела, заряженные разноименно. Силой тока называют отношение заряда, переносимое через поперечное сечение проводника за интервал времени, к этому интервалу времени. Измеряется она в Амперах.

Рис. 1. Формула силы тока

Электрический ток в газах

Молекулы газа в обычных условиях не проводят электрический ток. Они являются изоляторами (диэлектриками). Однако, если изменить условия окружающей среды, то газы могут стать проводниками электричества. В результате ионизации (при нагреве или под действием радиоактивного излучения) возникает электрический ток в газах, который часто заменяют термином «электрический разряд».

Самостоятельные и несамостоятельные газовые разряды

Разряды в газе могут быть самостоятельными и несамостоятельными. Ток начинает существовать, когда появляются свободные заряды. Несамостоятельные разряды существуют пока на него действует сила извне, то есть внешний ионизатор. То есть, если внешний ионизатор перестал действовать, то и ток прекращается.

Самостоятельный разряд электрического тока в газах существует даже после прекращения действия внешнего ионизатора. Самостоятельные разряды в физике подразделяются на тихий, тлеющий, дуговой, искровой, коронный.

• Тихий – самый слабый из самостоятельных разрядов. Сила тока в нем очень мала (не более 1 мА). Он не сопровождается звуковыми или световыми явлениями.
• Тлеющий – если увеличить напряжение в тихом разряде, он переходит на следующий уровень – в тлеющий разряд. В этом случае появляется свечение, которое сопровождается рекомбинацией. Рекомбинация – обратный процесс ионизации, встреча электрона и положительного иона. Применяется в бактерицидных и осветительных лампах.

Рис. 2. Тлеющий разряд

• Дуговой – сила тока колеблется от 10 А до 100 А. Ионизация при этом равна почти 100%. Этот тип разряда возникает, например, при работе сварочного аппарата.

Рис. 3. Дуговой разряд

• Искровой – можно считать одним из видов дугового разряда. Во время такого разряда за очень короткое время протекает определенное количество электричества.
• Коронный разряд – ионизация молекул происходит вблизи электродов с малыми радиусами кривизны. Этот вид заряда происходит тогда, когда напряженность электрического поля резко изменяется.

Что мы узнали?

Сами по себе атомы и молекулы газа нейтральны. Они заряжаются при воздействии извне. Если говорить кратко об электрическом токе в газах, то он представляет собой направленное движение частиц (положительных ионов к катоду и отрицательных ионов к аноду). Также важным является, что при ионизации газа, его проводящие свойства улучшаются.

Рекомендуем также

Реферат по физике на тему: «Электрический ток в газах». Электрический ток в газах. 1. Электрический разряд в газах. Все газы в естественном состоянии не проводят электрического тока. В чем можно убедиться из следующего опыта: Возьмем электрометр с присоединенными к нему дисками плоского конденсатора и зарядим его. При комнатной температуре, если воздух достаточно сухой, конденсатор заметно не разряжается – положение стрелки электрометра не изменяется. Чтобы заметить уменьшение угла отклонения стрелки электрометра, требуется длительное время. Это показывает, что электрический ток в воздухе между дисками очень мал. Данный опыт показывает, что воздух является плохим проводником электрического тока. Видоизменим опыт: нагреем воздух между дисками пламенем спиртовки. Тогда угол отклонения стрелки электрометра быстро уменьшается, т.е. уменьшается разность потенциалов между дисками конденсатора – конденсатор разряжается. Следовательно, нагретый воздух между дисками стал проводником, и в нем устанавливается электрический ток. Изолирующие свойства газов объясняются тем, что в них нет свободных электрических зарядов: атомы и молекулы газов в естественном состоянии являются нейтральными. 2. Ионизация газов. Вышеописанный опыт показывает, что в газах под влиянием высокой температуры появляются заряженные частицы. Они возникают вследствие отщепления от атомов газа одного или нескольких электронов, в результате чего вместо нейтрального атома возникают положительный ион и электроны. Часть образовавшихся электронов может быть при этом захвачена другими нейтральными атомами, и тогда появятся еще отрицательные ионы. Распад молекул газа на электроны и положительные ионы называется ионизацией газов. Нагревание газа до высокой температуры не является единственным способом ионизации молекул или атомов газа. Ионизация газа может происходить под влиянием различных внешних взаимодействий: сильного нагрева газа, рентгеновских лучей, a-, b- и g-лучей, возникающих при радиоактивном распаде, космических лучей, бомбардировки молекул газа быстро движущимися электронами или ионами. Факторы, вызывающие ионизацию газа называются ионизаторами. Количественной характеристикой процесса ионизации служит интенсивность ионизации, измеряемая числом пар противоположных по знаку заряженных частиц, возникающих в единице объема газа за единицу времени. Ионизация атома требует затраты определенной энергии – энергии ионизации. Для ионизации атома (или молекулы) необходимо совершить работу против сил взаимодействия между вырываемым электроном и остальными частицами атома (или молекулы). Эта работа называется работой ионизации A i . Величина работы ионизации зависит от химической природы газа и энергетического состояния вырываемого электрона в атоме или молекуле. После прекращения действия ионизатора количество ионов в газе с течением времени уменьшается и в конце концов ионы исчезают вовсе. Исчезновение ионов объясняется тем, что ионы и электроны участвуют в тепловом движении и поэтому соударяются друг с другом. При столкновении положительного иона и электрона они могут воссоединиться в нейтральный атом. Точно также при столкновении положительного и отрицательного ионов отрицательный ион может отдать свой избыточный электрон положительному иону и оба иона превратятся в нейтральные атомы. Этот процесс взаимной нейтрализации ионов называется рекомбинацией ионов. При рекомбинации положительного иона и электрона или двух ионов освобождается определенная энергия, равная энергии, затраченной на ионизацию. Частично она излучается в виде света, и поэтому рекомбинация ионов сопровождается свечением (свечение рекомбинации). В явлениях электрического разряда в газах большую роль играет ионизация атомов электронными ударами. Этот процесс заключается в том, что движущийся электрон, обладающий достаточной кинетической энергией, при соударении с нейтральным атомом выбивает из него один или несколько атомных электронов, в результате чего нейтральный атом превращается в положительный ион, а в газе появляются новые электроны (об этом будет рассмотрено позднее). В таблице ниже даны значения энергии ионизации некоторых атомов. 3. Механизм электропроводности газов. Механизм проводимости газов похож на механизм проводимости растворов и расплавов электролитов. При отсутствии внешнего поля заряженные частицы, как и нейтральные молекулы движутся хаотически. Если ионы и свободные электроны оказываются во внешнем электрическом поле, то они приходят в направленное движение и создают электрический ток в газах. Таким образом, электрический ток в газе представляет собой направленное движение положительных ионов к катоду, а отрицательных ионов и электронов к аноду . Полный ток в газе складывается из двух потоков заряженных частиц: потока, идущего к аноду, и потока, направленного к катоду. На электродах происходит нейтрализация заряженных частиц, как и при прохождении электрического тока через растворы и расплавы электролитов. Однако в газах отсутствует выделение веществ на электродах, как это имеет место в растворах электролитов. Газовые ионы, подойдя к электродам, отдают им свои заряды, превращаются в нейтральные молекулы и диффундируют обратно в газ. Еще одно различие в электропроводности ионизованных газов и растворов (расплавов) электролитов состоит в том, что отрицательный заряд при прохождении тока через газы переносится в основном не отрицательными ионами, а электронами, хотя проводимость за счет отрицательных ионов также может играть определенную роль. Таким образом в газах сочетается электронная проводимость, подобная проводимости металлов, с ионной проводимостью, подобной проводимости водных растворов и расплавов электролитов. 4. Несамостоятельный газовый разряд. Процесс прохождения электрического тока через газ называется газовым разрядом. Если электропроводность газа создается внешними ионизаторами, то электрический ток, возникающий в нем, называется несамостоятельным газовым разрядом. С прекращением действия внешних ионизаторов несамостоятельный разряд прекращается. Несамостоятельный газовый разряд не сопровождается свечением газа. Ниже изображен график зависимости силы тока от напряжения при несамостоятельном разряде в газе. Для построения графика использовалась стеклянная трубка с двумя впаянными в стекло металлическими электродами. Цепь собрана как показано на рисунке ниже. При некотором определенном напряжении наступает такой момент, при котором все заряженные частицы, образующиеся в газе ионизатором за секунду, достигают за это же время электродов. Дальнейшее увеличение напряжения уже не может привести к увеличению числа переносимых ионов. Ток достигает насыщения (горизонтальный участок графика 1). 5. Самостоятельный газовый разряд. Электрический разряд в газе, сохраняющийся после прекращения действия внешнего ионизатора, называется самостоятельным газовым разрядом . Для его осуществления необходимо, чтобы в результате самого разряда в газе непрерывно образовывались свободные заряды. Основным источником их возникновения является ударная ионизация молекул газа. Если после достижения насыщения продолжать увеличивать разность потенциалов между электродами, то сила тока при достаточно большом напряжении станет резко возрастать (график 2). Это означает, что в газе появляются дополнительные ионы, которые образуются за счет действия ионизатора. Сила тока может возрасти в сотни и тысячи раз, а число заряженных частиц, возникающих в процессе разряда, может стать таким большим, что внешний ионизатор будет уже не нужен для поддержания разряда. Поэтому ионизатор теперь можно убрать. Каковы же причины резкого увеличения силы тока при больших напряжениях? Рассмотрим какую либо пару заряженных частиц (положительный ион и электрон), образовавшуюся благодаря действию внешнего ионизатора. Появившийся таким образом свободный электрон начинает двигаться к положительному электроду – аноду, а положительный ион – к катоду. На своем пути электрон встречает ионы и нейтральные атомы. В промежутках между двумя последовательными столкновениями энергия электрона увеличивается за счет работы сил электрического поля. Чем больше разность потенциалов между электродами, тем больше напряженность электрического поля. Кинетическая энергия электрона перед очередным столкновением пропорциональна напряженности поля и длине свободного пробега электрона: MV 2 /2=eEl. Если кинетическая энергия электрона превосходит работу A i , которую нужно совершить, чтобы ионизировать нейтральный атом (или молекулу), т.е. MV 2 >A i , то при столкновении электрона с атомом (или молекулой) происходит его ионизация. В результате вместо одного электрона возникают два (налетающий на атом и вырванный из атома). Они, в свою очередь, получают энергию в поле и ионизуют встречные атомы и т. д.. Вследствие этого число заряженных частиц быстро нарастает, возникает электронная лавина. Описанный процесс называют ионизацией электронным ударом. Но одна ионизация электронным ударом не может обеспечить поддержания самостоятельного заряда. Действительно, ведь все возникающие таким образом электроны движутся по направлению к аноду и по достижении анода «выбывают из игры». Для поддержания разряда необходима эмиссия электронов с катода («эмиссия» означает «испускание»). Эмиссия электрона может быть обусловлена несколькими причинами. Положительные ионы, образовавшиеся при столкновении электронов с нейтральными атомами, при своем движении к катоду приобретают под действием поля большую кинетическую энергию. При ударах таких быстрых ионов о катод с поверхности катода выбиваются электроны. Кроме того, катод может испускать электроны при нагревании до большой температуры. Этот процесс называется термоэлектронной эмиссией. Его можно рассматривать как испарение электронов из металла. Во многих твердых веществах термоэлектронная эмиссия происходит при температурах, при которых испарение самого вещества еще мало. Такие вещества и используются для изготовления катодов. При самостоятельном разряде нагрев катода может происходить за счет бомбардировки его положительными ионами. Если энергия ионов не слишком велика, то выбивания электронов с катода не происходит и электроны испускаются вследствие термоэлектронной эмиссии. 6. Различные типы самостоятельного разряда и их техническое применение. В зависимости от свойств и состояния газа, характера и расположения электродов, а также от приложенного к электродам напряжения возникают различные виды самостоятельного разряда. Рассмотрим несколько из них. A. Тлеющий разряд. Тлеющий разряд наблюдается в газах при низких давлениях порядка нескольких десятков миллиметров ртутного столба и меньше. Если рассмотреть трубку с тлеющим разрядом, то можно увидеть, что основными частями тлеющего разряда являются катодное темное пространство, резко отдаленное от него отрицательное, или тлеющее свечение, которое постепенно переходит в область фарадеева темного пространства. Эти три области образуют катодную часть разряда, за которой следует основная светящаяся часть разряда, определяющая его оптические свойства и называемая положительным столбом. Основную роль в поддержании тлеющего разряда играют первые две области его катодной части. Характерной особенностью этого типа разряда является резкое падение потенциала вблизи катода, которое связано с большой концентрацией положительных ионов на границе I и II областей, обусловленной сравнительно малой скоростью движения ионов у катоду. В катодном темном пространстве происходит сильное ускорение электронов и положительных ионов, выбивающих электроны из катода. В области тлеющего свечения электроны производят интенсивную ударную ионизацию молекул газа и теряют свою энергию. Здесь образуются положительные ионы, необходимые для поддержания разряда. Напряженность электрического поля в этой области мала. Тлеющее свечение в основном вызывается рекомбинацией ионов и электронов. Протяженность катодного темного пространства определяется свойствами газа и материала катода. В области положительного столба концентрация электронов и ионов приблизительно одинакова и очень велика, что обуславливает большую электропроводность положительного столба и незначительное падение в нем потенциала. Свечение положительного столба определяется свечением возбужденных молекул газа. Вблизи анода вновь наблюдается сравнительно резкое изменение потенциала, связанное с процессом генерации положительных ионов. В ряде случаев положительный столб распадается на отдельные светящиеся участки – страты, разделенные темными промежутками. Положительный столб не играет существенной роли в поддержании тлеющего разряда, поэтому при уменьшении расстояния между электродами трубки длина положительного столба сокращается и он может исчезнуть совсем. Иначе обстоит дело с длиной катодного темного пространства, которая при сближении электродов не изменяется. Если электроды сблизились настолько, что расстояние между ними станет меньше длины катодного темного пространства, то тлеющий разряд в газе прекратится. Опыты показывают, что при прочих равных условиях длина d катодного темного пространства обратно пропорциональна давлению газа. Следовательно, при достаточно низких давлениях электроны, выбиваемые из катода положительными ионами, проходят через газ почти без столкновений с его молекулами, образуя электронные , или катодные лучи . Тлеющий разряд используется в газосветных трубках, лампах дневного света, стабилизаторах напряжения, для получения электронных и ионных пучков. Если в катоде сделать щель, то сквозь нее в пространство за катодом проходят узкие ионные пучки, часто называемые каналовыми лучами. Широко используется явление катодного распыления , т.е. разрушение поверхности катода под действием ударяющихся о него положительных ионов. Ультрамикроскопические осколки материала катода летят во все стороны по прямым линиям и покрывают тонким слоем поверхность тел (особенно диэлектриков), помещенных в трубку. Таким способом изготовляют зеркала для ряда приборов, наносят тонкий слой металла на селеновые фотоэлементы. B. Коронный разряд. Коронный разряд возникает при нормальном давлении в газе, находящемся в сильно неоднородном электрическом поле (например, около остриев или проводов линий высокого напряжения). При коронном разряде ионизация газа и его свечение происходят лишь вблизи коронирующих электродов. В случае коронирования катода (отрицательная корона) электроны, вызывающие ударную ионизацию молекул газа, выбиваются из катода при бомбардировке его положительными ионами. Если коронируют анод (положительная корона), то рождение электронов происходит вследствие фотоионизации газа вблизи анода. Корона – вредное явление, сопровождающееся утечкой тока и потерей электрической энергии. Для уменьшения коронирования увеличивают радиус кривизны проводников, а их поверхность делают возможно более гладкой. При достаточно высоком напряжении между электродами коронный разряд переходит в искровой. При повышенном напряжении коронный разряд на острие приобретает вид исходящих из острия и перемежающихся во времени светлых линий. Эти линии, имеющие ряд изломов и изгибов, образуют подобие кисти, вследствие чего такой разряд называют кистевым . Заряженное грозовое облако индуцирует на поверхности Земли под собой электрические заряды противоположного знака. Особенно большой заряд скапливается на остриях. Поэтому перед грозой или во время грозы нередко на остриях и острых углах высоко поднятых предметов вспыхивают похожие на кисточки конусы света. С давних времен это свечение называют огнями святого Эльма. Особенно часто свидетелями этого явления становятся альпинисты. Иногда лаже не только металлические предметы, но и кончики волос на голове украшаются маленькими светящимися кисточками. С коронным разрядом приходится считаться, имея дело с высоким напряжением. При наличии выступающих частей или очень тонких проводов может начаться коронный разряд. Это приводит к утечке электроэнергии. Чем выше напряжение высоковольтной линии, тем толще должны быть провода. C. Искровой разряд. Искровой разряд имеет вид ярких зигзагообразных разветвляющихся нитей-каналов, которые пронизывают разрядный промежуток и исчезают, сменяясь новыми. Исследования показали, что каналы искрового разряда начинают расти иногда от положительного электрода, иногда от отрицательного, а иногда и от какой-нибудь точки между электродами. Это объясняется тем, что ионизация ударом в случае искрового разряда происходит не по всему объему газа, а по отдельным каналам, проходящим в тех местах, в которых концентрация ионов случайно оказалась наибольшей. Искровой разряд сопровождается выделением большого количества теплоты, ярким свечением газа, треском или громом. Все эти явления вызываются электронными и ионными лавинами, которые возникают в искровых каналах и приводят к огромному увеличению давления, достигающему 10 7 ¸10 8 Па, и повышению температуры до 10000 °С. Характерным примером искрового разряда является молния. Главный канал молнии имеет диаметр от 10 до 25 см., а длина молнии может достигать нескольких километров. Максимальная сила тока импульса молнии достигает десятков и сотен тысяч ампер. При малой длине разрядного промежутка искровой разряд вызывает специфическое разрушение анода, называемое эрозией . Это явление было использовано в электроискровом методе резки, сверления и других видах точной обработки металла. Искровой промежуток применяется в качестве предохранителя от перенапряжения в электрических линиях передач (например, в телефонных линиях). Если вблизи линии проходит сильный кратковременный ток, то в проводах этой линии индуцируются напряжении и токи, которые могут разрушить электрическую установку и опасны для жизни людей. Во избежание этого используются специальные предохранители, состоящие из двух изогнутых электродов, один из которых присоединен к линии, а другой заземлен. Если потенциал линии относительно земли сильно возрастает, то между электродами возникает искровой разряд, который вместе с нагретым им воздухом поднимается вверх, удлиняется и обрывается. Наконец, электрическая искра применяется для измерения больших разностей потенциалов с помощью шарового разрядника , электродами которого служат два металлических шара с полированной поверхностью. Шары раздвигают, и на них подается измеряемая разность потенциалов. Затем шары сближают до тех пор, пока между ними не проскочит искра. Зная диаметр шаров, расстояние между ними, давление, температуру и влажность воздуха, находят разность потенциалов между шарами по специальным таблицам. Этим методом можно измерять с точностью до нескольких процентов разности потенциалов порядка десятков тысяч вольт. D. Дуговой разряд. Дуговой разряд был открыт В. В. Петровым в 1802 году. Этот разряд представляет собой одну из форм газового разряда, осуществляющуюся при большой плотности тока и сравнительно небольшом напряжении между электродами (порядка нескольких десятков вольт). Основной причиной дугового разряда является интенсивное испускание термоэлектронов раскаленным катодом. Эти электроны ускоряются электрическим полем и производят ударную ионизацию молекул газа, благодаря чему электрическое сопротивление газового промежутка между электродами сравнительно мало. Если уменьшить сопротивление внешней цепи, увеличить силу тока дугового разряда, то проводимость газового промежутка столь сильно возрастет, что напряжение между электродами уменьшается. Поэтому говорят, что дуговой разряд имеет падающую вольт-амперную характеристику. При атмосферном давлении температура катода достигает 3000 °C. Электроны, бомбардируя анод, создают в нем углубление (кратер) и нагревают его. Температура кратера около 4000 °С, а при больших давлениях воздуха достигает 6000-7000 °С. Температура газа в канале дугового разряда достигает 5000-6000 °С, поэтому в нем происходит интенсивная термоионизация. В ряде случаев дуговой разряд наблюдается и при сравнительно низкой температуре катода (например, в ртутной дуговой лампе). В 1876 году П. Н. Яблочков впервые использовал электрическую дугу как источник света. В «свече Яблочкова» угли были расположены параллельно и разделены изогнутой прослойкой, а их концы соединены проводящим «запальным мостиком». Когда ток включался, запальный мостик сгорал и между углями образовывалась электрическая дуга. По мере сгорания углей изолирующая прослойка испарялась. Дуговой разряд применяется как источник света и в наши дни, например в прожекторах и проекционных аппаратах. Высокая температура дугового разряда позволяет использовать его для устройства дуговой печи. В настоящее время дуговые печи, питаемые током очень большой силы, применяются в ряде областей промышленности: для выплавки стали, чугуна, ферросплавов, бронзы, получения карбида кальция, окиси азота и т.д. В 1882 году Н. Н. Бенардосом дуговой разряд впервые был использован для резки и сварки металла. Разряд между неподвижным угольным электродом и металлом нагревает место соединения двух металлических листов (или пластин) и сваривает их. Этот же метод Бенардос применил для резания металлических пластин и получения в них отверстий. В 1888 году Н. Г. Славянов усовершенствовал этот метод сварки, заменив угольный электрод металлическим. Дуговой разряд нашел применение в ртутном выпрямителе, преобразующем переменный электрический ток в ток постоянного направления. E. Плазма. Плазма – это частично или полностью ионизованный газ, в котором плотности положительных и отрицательных зарядов практически одинаковы. Таким образом, плазма в целом является электрически нейтральной системой. Количественной характеристикой плазмы является степень ионизации. Степенью ионизации плазмы a называют отношение объемной концентрации заряженных частиц к общей объемной концентрации частиц. В зависимости от степени ионизации плазма подразделяется на слабо ионизованную (a составляет доли процентов), частично ионизованную (a порядка нескольких процентов) и полностью ионизованную (a близка к 100%). Слабо ионизованной плазмой в природных условиях являются верхние слои атмосферы – ионосфера. Солнце, горячие звезды и некоторые межзвездные облака – это полностью ионизованная плазма, которая образуется при высокой температуре. Средние энергии различных типов частиц, составляющих плазму, могут значительно отличаться одна от другой. Поэтому плазму нельзя охарактеризовать одним значением температуры Т; различают электронную температуру Т е, ионную температуру Т i (или ионные температуры, если в плазме имеются ионы нескольких сортов) и температуру нейтральных атомов Т a (нейтральной компоненты). Подобная плазма называется неизотермической, в отличие от изотермической плазмы, в которой температуры всех компонентов одинаковы. Плазма также разделяется на высокотемпературную (Т i »10 6 -10 8 К и более) и низкотемпературную!!! (Т i Плазма обладает рядом специфических свойств, что позволяет рассматривать ее как особое четвертое состояние вещества. Из-за большой подвижности заряженный частицы плазмы легко перемещаются под действием электрических и магнитных полей. Поэтому любое нарушение электрической нейтральности отдельных областей плазмы, вызванное скоплением частиц одного знака заряда, быстро ликвидируется. Возникающие электрические поля перемещают заряженные частицы до тех пор, пока электрическая нейтральность не восстановится и электрическое поле не станет равным нулю. В отличие от нейтрального газа, между молекулами которого существуют короткодействующие силы, между заряженными частицами плазмы действуют кулоновские силы, сравнительно медленные убывающие с расстоянием. Каждая частица взаимодействует сразу с большим количеством окружающих частиц. Благодаря этому наряду с хаотическим тепловым движением частицы плазмы могут участвовать в разнообразных упорядоченных движениях. В плазме легко возбуждаются разного рода колебания и волны. Проводимость плазмы увеличивается по мере роста степени ионизации. При высокой температуре полностью ионизованная плазма по своей проводимости приближается к сверхпроводникам. Низкотемпературная плазма применяется в газоразрядных источниках света – в светящихся трубках рекламных надписей, в лампах дневного света. Газоразрядную лампу используют во многих приборах, например, в газовых лазерах – квантовых источниках света. Высокотемпературная плазма применяется в магнитогидродинамических генераторах. Недавно был создан новый прибор – плазмотрон. В плазмотроне создаются мощные струи плотной низкотемпературной плазмы, широко применяемые в различных областях техники: для резки и сварки металлов, бурения скважин в твердых породах и т.д. Список использованной литературы: 1) Физика: Электродинамика. 10-11 кл.: учеб. для углубленного изучения физики/Г. Я. Мякишев, А. З. Синяков, Б. А. Слободсков. – 2-е издание – М.: Дрофа, 1998. – 480 с. 2) Курс физики (в трех томах). Т. II. Электричество и магнетизм. Учеб. пособие для втузов./Детлаф А.А., Яворский Б. М., Милковская Л. Б. Изд. 4-е, перераб. – М.: Высшая школа, 1977. – 375 с. 3) Электричество./Э. Г. Калашников. Изд. «Наука», Москва, 1977. 4) Физика./Б. Б. Буховцев, Ю. Л. Климонтович, Г. Я. Мякишев. Издание 3-е, перераб. – М.: Просвещение, 1986.

Электрический ток в газах – кратко о самостоятельном разряде в физике > 6 пчел

Электрическим током называют поток, который обусловлен упорядоченным движением электрически заряженных частиц. Движение зарядов принято за направление электрического тока. Электрический ток может быть кратковременным и долговременным.

Понятие электрического тока

При грозовом разряде может возникнуть электрический ток, который называют кратковременным. А для поддержания тока в течение длительного времени необходимо наличие электрического поля и свободных носителей электрического заряда.

Электрическое поле создают тела, заряженные разноименно. Силой тока называют отношение заряда, переносимое через поперечное сечение проводника за интервал времени, к этому интервалу времени. Измеряется она в Амперах.

Рис. 1. Формула силы тока

Электрический ток в газах

Молекулы газа в обычных условиях не проводят электрический ток. Они являются изоляторами (диэлектриками). Однако, если изменить условия окружающей среды, то газы могут стать проводниками электричества. В результате ионизации (при нагреве или под действием радиоактивного излучения) возникает электрический ток в газах, который часто заменяют термином «электрический разряд».

Самостоятельные и несамостоятельные газовые разряды

Разряды в газе могут быть самостоятельными и несамостоятельными. Ток начинает существовать, когда появляются свободные заряды. Несамостоятельные разряды существуют пока на него действует сила извне, то есть внешний ионизатор. То есть, если внешний ионизатор перестал действовать, то и ток прекращается.

Самостоятельный разряд электрического тока в газах существует даже после прекращения действия внешнего ионизатора. Самостоятельные разряды в физике подразделяются на тихий, тлеющий, дуговой, искровой, коронный.

• Тихий – самый слабый из самостоятельных разрядов. Сила тока в нем очень мала (не более 1 мА). Он не сопровождается звуковыми или световыми явлениями.
• Тлеющий – если увеличить напряжение в тихом разряде, он переходит на следующий уровень – в тлеющий разряд. В этом случае появляется свечение, которое сопровождается рекомбинацией. Рекомбинация – обратный процесс ионизации, встреча электрона и положительного иона. Применяется в бактерицидных и осветительных лампах.

Рис. 2. Тлеющий разряд

• Дуговой – сила тока колeблется от 10 А до 100 А. Ионизация при этом равна почти 100%. Этот тип разряда возникает, например, при работе сварочного аппарата.

Рис. 3. Дуговой разряд

• Искровой – можно считать одним из видов дугового разряда. Во время такого разряда за очень короткое время протекает определенное количество электричества.
• Коронный разряд – ионизация молекул происходит вблизи электродов с малыми радиусами кривизны. Этот вид заряда происходит тогда, когда напряженность электрического поля резко изменяется.

Что мы узнали?

Сами по себе атомы и молекулы газа нейтральны. Они заряжаются при воздействии извне. Если говорить кратко об электрическом токе в газах, то он представляет собой направленное движение частиц (положительных ионов к катоду и отрицательных ионов к аноду). Также важным является, что при ионизации газа, его проводящие свойства улучшаются.

Электрический ток в жидкостях: применение

Что такое газ?

Поток электричества, то есть электрический ток, может существовать не только в металлах, электролитах и расплавах, он может быть также и в газах. Что из себя представляет газ? Это одно из фазовых состояний вещества, когда молекулы газа свободны и хаотичны в своём движении, когда объем вещества можно сжать, когда вещество подвижно и т.д. Газ состоит из молекул, а молекулы в свою очередь обычно состоят из атомов. В итоге каждая такая молекула газа представляет из себя электрический диполь.

Вот такое собрание электрических диполей в виде молекул газа не обязано в своём составе иметь ни свободные электроны, ни свободные ионы, однако всё-таки некоторое их незначительное количество имеется. Газ является в своём обычном состоянии диэлектриком, то есть он представляет из себя изолятор, изолирует лучше чем проводит ток.

Мы с вами дышим атмосферным воздухом, который представляет из себя смесь газов, большая часть которого молекулы азота N₂ (78,09 % объёма). Водяной пар, как впрочем и любой другой также являются газами. Газы нас окружают повсюду. Каждое вещество при определённом давлении и температуре находится в устойчивой газовой фазе.

В технических устройствах и приборах специально создаются условия отличные от нормальных, для существования вещества в газовой фазе. Нормальные условия — это обычное атмосферное давление и температура от 0° до 20°C, в зависимости от технической сферы применения. В люминесцентных лампах находится газ, но его условия отличаются от нормальных, там разряженный газ, так как давление ниже атмосферного. Баллон с пропаном или кислородом содержит в себе «газ», но он сжиженный, в сжатом виде, давление там выше одной атмосферы, оно может быть 16-200 атмосфер. Всё, что выше одной атмосферы — это сжиженный газ, а всё что ниже — разряженный газ. Это искусственно создаваемые условия техническими средствами.

В зависимости от температуры, давления в объёме газа и от свойств вещества газа — он будет иметь различные свойства по проводимости электричества, а также по условиям ионизации.

Ионная проводимость

Электролитическая диссоциация — это процесс распадения молекул электролитов на ионы под действием электрического поля полярных молекул воды. Степенью диссоциации называется доля молекул распавшихся на ионы в растворенном веществе.

Степень диссоциации будет зависеть от различных факторов: температура, концентрация раствора, свойства растворителя. При увеличении температуры, степень диссоциации тоже будет увеличиваться.

После того как молекулы разделились на ионы, они движутся хаотично. При этом два иона разных знаков могут рекомбинироваться, то есть снова объединиться в нейтральные молекулы. При отсутствии внешних изменений в растворе должно установиться динамическое равновесие. При нем число молекул которое распалось на ионы за единицу времени, будет равняться числу молекул, которые снова объединятся.

Носителями зарядов в водных растворах и расплавах электролитов будут являться ионы. Если сосуд с раствором или расплавом включить в цепь, то положительно заряженные ионы начнут двигаться к катоду, а отрицательные – к аноду. В результате этого движения возникнет электрический ток. Данный вид проводимости называют ионной проводимостью.

Помимо ионной проводимости в жидкостях может обладать и электронной проводимостью. Такой тип проводимости свойственен, например, жидким металлам.  Как отмечалось выше, при ионной проводимости прохождение тока связано с переносом вещества.

Электрический ток в металлах, жидкостях и газах – различия и сходство

Рассмотрим особенности, которыми характеризуется газовый разряд в сравнении со свойствами тока в других средах.

В металлах ток – это направленное движение свободных электронов, не влекущее за собой химических изменений. Проводники такого типа называют проводниками первого рода; к ним относятся, кроме металлов и сплавов, уголь, некоторые соли и оксиды. Их отличает электронная проводимость.

Проводники второго рода – это электролиты, то есть жидкие водные растворы щелочей, кислот и солей. Прохождение тока сопряжено с химическим изменением электролита – электролизом. Ионы вещества, растворенного в воде, под действием разности потенциалов перемещаются в противоположные стороны: положительные катионы – к катоду, отрицательные анионы – к аноду. Процесс сопровождается выделением газа либо отложением слоя металла на катоде. Проводникам второго рода присуща ионная проводимость.

Что касается проводимости газов, то она, во-первых, временная, во-вторых, имеет признаки сходства и различия с каждым из них. Так, электрический ток и в электролитах, и в газах – это направленный к противоположным электродам дрейф разноименно заряженных частиц. Однако в то время как электролиты характеризуются чисто ионной проводимостью, в газовом разряде при сочетании электронного и ионного типов проводимости ведущая роль принадлежит электронам. Еще одно различие электрического тока в жидкостях и в газах состоит в природе ионизации. В электролите молекулы растворенного соединения диссоциируют в воде, в газе же молекулы не разрушаются, а только теряют электроны. Поэтому газовый разряд, как и ток в металлах, не связан с химическими изменениями.

Неодинакова также и физика электрического тока в жидкостях и газах. Проводимость электролитов в целом подчиняется закону Ома, а при газовом разряде он не соблюдается. Вольт-амперная характеристика газов имеет гораздо более сложный характер, связанный со свойствами плазмы.

Следует упомянуть и об общих и отличительных чертах электрического тока в газах и в вакууме. Вакуум – это почти идеальный диэлектрик. «Почти» – потому что в вакууме, несмотря на отсутствие (точнее, чрезвычайно малую концентрацию) свободных носителей заряда, тоже возможен ток. Но в газе потенциальные носители уже присутствуют, их только необходимо ионизировать. В вакуум носители заряда вносятся из вещества. Как правило, это происходит в процессе электронной эмиссии, например при нагревании катода (термоэлектронная эмиссия). Но и в различных типах газовых разрядов эмиссия, как мы видели, играет важную роль.

Применение газовых разрядов

Искровой разряд используется в технике в системе зажигания двигателей внутреннего сгорания. Катушка зажигания дает напряжение 12-15 тысяч вольт. Это достаточно, чтобы между электродами свечи возникла искра для зажигания горючей смеси.

Разновидностью искрового разряда является молния.

Дуговой разряд применяется в качестве мощных источников света (прожекторов), в электроплавильных печах, для электросварки, для ультрафиолетовых излучателей.

Тлеющий разряд используется в рекламных газоразрядных трубках, в лампах дневного света, цифровых индикаторах.

В природе свечение разряженных газов наблюдается в виде полярного сияния.

Коронный разряд используется в электрофильтрах для очистки газов от примесей твердых частиц, в работе молниеотвода. В ЛЭП приводит к утечке электроэнергии.

В природе «корона» возникает иногда под действием атмосферного электричества на ветках деревьев, верхушках молниеотводов, мачт кораблей (огни святого Эльма).

Несамостоятельный и самостоятельный ток

Описанный кратко механизм возникновения тока в газах под воздействием внешнего поля представляет собой несамостоятельный разряд. После снятия внешнего воздействия электроток в газообразном веществе исчезает. Чтобы исследовать зависимости силы тока от напряжения, предстоит использовать стеклянную трубку, в которую впаяны электроды.

Если начать воздействовать на это устройство с помощью ионизатора, например, рентгеновского излучения, то в газе каждую секунду будет появляться некоторое количество пар свободных частиц с определенным зарядом. При отсутствии на клеммах электродов напряжения сила тока окажется равной нулю. Создав небольшую разницу потенциалов, можно заставить заряженные частицы упорядочено перемещаться, что приведет к появлению газового разряда.

Коэффициент вязкости – формулы, виды и размерность величины

Но из-за рекомбинации не все образованные в результате процесса ионизации ионы смогут дойти до электродов. Часть этих частиц приобретет нейтральный заряд. При увеличении разности потенциалов число заряженных ионов и электронов будет возрастать. При достижении определенного напряжения все заряженные частицы доберутся до электродов. Это позволяет говорить о том, что электроток достиг насыщения.

В результате вольт-амперная характеристика при появлении несамостоятельного тока становится нелинейной. Говоря проще, закон Ома в газах работает лишь при небольшой разнице потенциалов.

Если после достижения насыщения тока продолжить увеличивать напряжение на электродах, то при большой разнице потенциалов его сила начнет стремительно возрастать. Это связано с тем, что в газообразном веществе образуются дополнительные заряженные частицы сверх тех, что появляются под воздействием ионизатора. В определенный момент необходимость использования внешнего поля для поддержания разряда отпадет.

В ситуации, когда кинетическая энергия электронов превышает показатель энергии Wi, наблюдается ионизация молекул. При этом основную работу в образовании самостоятельного разряда выполняют электроны. В физике принято выделять 4 вида самостоятельного тока:

Тлеющий. Создается в газообразных веществах при низком давлении (около 1,33 Па). Тлеющий разряд может быть получен при сравнительно небольшом напряжении. Используется он в газовых лампах, например, в неоновых. Применение различных инертных газов позволяет добиться свечения определенного цвета.
Искровой. Появляется при постепенном повышении напряжения. В природе искровой разряд наблюдается в виде молнии.
Дуговой. Если после возникновения искрового разряда продолжить снижать сопротивление электроцепи, то сила тока в искре начнет быстро увеличиваться. В результате возникнет дуговой разряд.
Коронный. Наблюдается при высоком давлении под воздействием неоднородного электрополя.

Газовый разряд и его типы

Итак, электрический ток в газах обусловлен упорядоченным движением заряженных частиц под действием приложенного к ним электрического поля. Наличие таких зарядов, в свою очередь, возможно благодаря различным факторам ионизации.

Так, термоионизация требует значительных температур, но открытое пламя в связи с некоторыми химическими процессами способствует ионизации. Даже при сравнительно невысокой температуре в присутствии пламени фиксируется появление в газах электрического тока, и опыт с проводимостью газа позволяет легко в этом убедиться. Надо поместить пламя горелки или свечи между обкладками заряженного конденсатора. Цепь, разомкнутая прежде из-за воздушного зазора в конденсаторе, замкнется. Включенный в цепь гальванометр покажет наличие тока.

Электрический ток в газах называется газовым разрядом. Нужно иметь в виду, что для поддержания стабильности разряда действие ионизатора должно быть постоянным, так как из-за постоянной рекомбинации газ теряет электропроводящие свойства. Одни носители электрического тока в газах – ионы – нейтрализуются на электродах, другие – электроны, — попадая на анод, направляются к «плюсу» источника поля. Если ионизирующий фактор перестанет действовать, газ немедленно снова станет диэлектриком, и ток прекратится. Такой ток, зависимый от действия внешнего ионизатора, называется несамостоятельным разрядом.

Особенности прохождения электрического тока через газы описываются особой зависимостью силы тока от напряжения – вольт-амперной характеристикой.

Рассмотрим развитие газового разряда на графике вольт-амперной зависимости. При повышении напряжения до некоторого значения U₁ ток нарастает пропорционально ему, то есть выполняется закон Ома. Возрастает кинетическая энергия, а следовательно, и скорость зарядов в газе, и этот процесс опережает рекомбинацию. При значениях напряжения от U₁ до U₂ такое соотношение нарушается; при достижении U₂ все носители зарядов достигают электродов, не успевая рекомбинировать. Все свободные заряды задействованы, и дальнейшее повышение напряжения не приводит к увеличению силы тока. Такой характер движения зарядов называется током насыщения. Таким образом, можно сказать, что электрический ток в газах обусловлен также особенностями поведения ионизированного газа в электрических полях различной напряженности.

Когда разность потенциалов на электродах достигает определенного значения U₃, напряжение становится достаточным, чтобы электрическое поле вызвало лавинообразную ионизацию газа. Кинетической энергии свободных электронов уже хватает для ударной ионизации молекул. Скорость их при этом в большинстве газов составляет около 2000 км/с и выше (она рассчитывается по приближенной формуле v=600 U_i, где U_i – ионизационный потенциал). В этот момент происходит пробой газа и существенное возрастание тока за счет внутреннего источника ионизации. Поэтому такой разряд называется самостоятельным.

Наличие внешнего ионизатора в данном случае уже не играет роли для поддержания в газах электрического тока. Самостоятельный разряд в разных условиях и при различных характеристиках источника электрического поля может иметь те или иные особенности. Выделяют такие типы самостоятельного разряда, как тлеющий, искровой, дуговой и коронный. Мы рассмотрим, как ведет себя электрический ток в газах, кратко для каждого из этих типов.

Квантовая ионизация

Основная статья: Фотоэффект

В 1887 году Генрих Герц установил, что под действием света из тела могут вырываться электроны — было открыто явление фотоэффекта. Это не согласовывалось с волновой теорией света — она не смогла объяснить законы фотоэффекта и наблюдаемое разделение энергии в спектре электромагнитного излучения. В 1900 году Макс Планк установил, что тело может поглощать или испускать электромагнитную энергию только специальными порциями, квантами. Это дало теоретическую основу для объяснения явлений фотоэффекта.
Чтобы объяснить явления фотоэффекта, в 1905 году Альберт Эйнштейн выдвинул гипотезу про существование фотонов как частиц света, что позволяет объяснить квантовую теорию — фотоны, которые способны поглощаться или излучаться как целое одним электроном, придают ему достаточную кинетическую энергию для преодоления силы тяготения электрона к ядру — возникает квантовая ионизация.

Ионизация газов

Прежде всего нас интересует ионизация газов под действием электрического поля, но при этом не стоит забывать о том, что в газах возможна термическая ионизация под действием высокой температуры (теплового излучения).

Немного о процессе ионизации сказано выше. Каждый газ имеет своё пороговое значение напряжённости электрического поля, при котором происходит ионизация. Дело в том, что для того, чтобы разорвать диполь, необходимо вырвать электрическим полем хотя бы один электрон. Тогда диполь становится неустойчивым и распадается на атомы, а так как им недостаёт электронов, то соответственно получаются катионы (+q).

Положительные ионы начинают двигаться под действием кулоновских сил в сторону катода, а освободившиеся электроны в сторону анода. Образуется электрический поток, то есть ток. Так как энергия катионов в газе и вырванных уже свободных электронов высокая, происходят взаимные столкновения вновь образованных свободных носителей зарядов (катионы и электроны) со связанными в диполи атомами молекул газа. Это в свою очередь вызывает дальнейшую ещё большую ионизацию, новая партия опять атакует оставшиеся диполи, что приводит к появлению ещё большей партии свободных зарядов обоих типов.

Этот процесс растёт в геометрически и называется геометрической прогрессией, также именуют его лавинообразным и цепной реакцией. Имеется ли предел такой лавине? Прежде всего он ограничен количеством участвующего газа, который может находится в некотором закрытом объёме пространства (запаянная колба). Следующее препятствие — это мощность источника электрического поля. Кроме мощности лавинообразная ионизация может быть ограничена разностью потенциалов источника тока.

Если обычный газ, не подвергнутый ионизации, имеет лишь незначительное количество свободных носителей зарядов, а источник электрического тока имеет недостаточный потенциал для лавинообразной ионизации, тогда газ ведёт себя как обычный диэлектрик и проявляет изолирующие свойства больше, чем проводящие. Электрический ток в газе в этом случае имеется, но он незначительный.

Когда обычный газ подвергается ионизации любым из способов, то его проводящие свойства значительно улучшаются. В газе происходит разряд. Вполне возможно создать такие условия, что этот разряд будет существовать стабильно, а значит мы получим некоторый устойчивый ток в газе.

Газовые разряды

В зависимости от условий, в которых находится газ, а также от характеристик источника тока, в газу могут происходит разряды разных типов, каждый из которых имеет свои особенности.

Дуговой разряд: представляет собой электрический пробой газа, которой в дальнейшем становится постоянным плазменным разрядом — дугой, образуется электрическая дуга. Дуговой разряд характеризуется более низким напряжением, чем тлеющий разряд. Поддерживается в основном за счёт термоэлектронной эмиссии, когда из электродов высвобождаются электроны. Старое название такой дуги «вольтова дуга». Отличительной особенностью такой дуги является высокая плотность тока и низкое напряжение, которое ограничено источником тока. Для того, чтобы создать такую дугу, электроды сближаются, происходит пробой, а затем они раздвигаются. Дуговой разряд используется в сварке, в плазменной резке, в электроэрозионной обработке.

Тлеющий разряд: представляет собой ток в ионизированном газе, а точнее сказать в низкотемпературной плазме. Тлеющий разряд образуется при прохождении тока через разряженный газ. Как только напряжение превосходит определённое значение, газ в колбе ионизирует и происходит свечение. Это уже по сути электрический ток не столько в газе, сколько в плазме. Цвет свечения газа (плазмы) зависит от вещества газа. Каждый газ излучает свой спектр видимого света. На этом основано использование яркой неоновой рекламы. Достаточно несколько сотен вольт напряжения источника, чтобы ионизировать газ и вызвать в нем тлеющий разряд. В аналитической химии, свойство газа излучать свой определённый спектр света используется для определения неизвестного состава газа. Это метод спектроскопии.

Искровой разряд: происходит при обычных условиях, при обычном атмосферном давлении, точно также как и тлеющий разряд происходит в следствие ионизации газа, но при высоком напряжении, в отличии от дугового разряда, где в первую очередь важна высокая плотность тока. Искровой разряд сопровождается характерным треском. Поджиг искрового разряда происходит как результат пробоя диэлектрика — газа. Например, такой разряд используется в свечах зажигания двигателей внутреннего сгорания. Для электрического пробоя в сухом воздухе необходима разность потенциалов из расчёта 3 кВ (3000 Вольт) на 1 мм воздушного зазора, соответственно для пробоя промежутка в 50 мм потребуется напряжение источника в 150 кВ.

Коронный разряд: происходит в сильном электрическом поле с высокой напряжённостью, достаточной, чтобы вызвать ионизацию газа (или жидкости). Электрическое поле при этом бывает не однородным, где-то напряжённость значительно больше. Образуется градиент (различие) потенциалов поля и там где потенциал больше, ионизация газа идёт сильнее, интенсивнее, затем поток ионов доходит до другой части поля, тем самым образуя поток электричества. В результате образуется коронный газовый разряд причудливых форм, в зависимости от геометрии проводников — источников напряжённости поля. Коронный разряд можно увидеть вблизи изоляторов высоковольтных линий, также он применяется в быту и промышленности, например в ксерокопировании, воздушные ионизаторы, в системах кондиционирования воздуха, производство озона.

Электрический ток в газах используется в настоящее время очень широко. Практически в каждом доме есть люминесцентные лампы, в которых происходит тлеющий разряд, на производствах, в гаражах, используется электрическая сварка с помощью дугового разряда, двигатели автомобилей работают благодаря искровому разряду, некоторые применяют ионизаторы и имеют лазерные принтеры, где используется коронный разряд.

Дата: 16.05.2015

Энергия для процесса

Вода не является хорошим проводником, хотя она, безусловно, позволит протекать через нее электрическому току, поэтому опасно эксплуатировать электроприбор вблизи воды.

Соль при расплавлении становится хорошим проводником, но этого можно добиться и растворением ее в воде.

На примере поваренной соли видно что такое ионизация. Однако это один из видов ионизации, который может быть определен как процесс, в котором один или несколько электронов удаляются из атома или молекулы, чтобы создать ион, или процесс, в котором ионное твердое вещество, такое как соль, диссоциирует на его компонентные ионы при растворении в растворе.

Когда атом находится на своем нормальном энергетическом уровне, говорят, что он находится в основном состоянии. В этот момент электроны занимают свои нормальные орбитальные структуры. Между электроном и положительно заряженным ядром, в котором находятся протоны, всегда существует высокая степень притяжения. Энергия, необходимая для перехода электрона на более высокую орбиталь увеличивает общую энергию атома, который находится в возбужденном состоянии.

Возбужденное состояние атома – это просто шаг на пути к его ионизации путем удаления электрона. “Шаг” является подходящей метафорой, потому что электроны не просто дрейфуют вдоль континуума от одного энергетического уровня к другому, как человек поднимается по лестнице. Они делают дискретные шаги, как человек взбирается по лестнице или трапу. Это один из ключевых принципов квантовой механики, передовой области физики, которая также имеет многочисленные приложения к химии. Подобно тому, как говорится о внезапном изменении как о “квантовом скачке”, электроны совершают квантовые скачки с одного энергетического уровня на другой.

Из-за высокого притяжения между электроном и ядром первый удаляемый электрон находится на самой внешней орбите. Это количество энергии называется первой энергией ионизации. Удалить второй электрон будет значительно сложнее, так как теперь атом является катионом, а положительный заряд протонов в ядре больше отрицательного заряда электронов. Следовательно, энергия, необходимая для удаления второго электрона намного выше, чем первая.

Теория плазмы

В школьном курсе химии очень много времени уделяют растворам и частицам, которые в них находятся. Эти заряженные частицы имеют уникальные свойства и обуславливают многие физические и химические характеристики тех или иных систем «растворённое вещество — растворитель». Однако ионы (заряженные частицы в растворе) существуют не только в водной среде.

Как выяснилось, и газ может ионизироваться и образовывать атомы с положительным или отрицательным зарядом. Произойти это может в процессе выбивания электрона из атома сторонними силами. Вылетевший электрон может также врезаться в какой-либо другой атом и «выбить» другой электрон. Но может происходить и обратная ситуация: электрон может влететь в ион и снова образовать нейтральный атом. И все эти процессы постоянно происходят в плазме. Она достаточно нестабильна в отсутствии сторонних сил, поддерживающих её.

Получают плазму в основном очень простым способом, доступным каждому из нас дома: пропусканием газа через электрическую дугу высокого напряжения. Чем больше температура дуги, тем более нагретую плазму мы получаем на выходе. Чем выше напряжение на её контактах, тем более ионизированный газ получается после.

Плазму также можно разделить на несколько видов. О том, какой бывает плазма (ионизированный газ), вы узнаете из следующего раздела.

Оцените статью:

определение, особенности и различные факты

В природе не существует абсолютных диэлектриков. Упорядоченное движение частиц – носителей электрического заряда, — то есть ток, можно вызвать в любой среде, однако для этого необходимы особые условия. Мы рассмотрим здесь, как протекают электрические явления в газах и как газ можно из очень хорошего диэлектрика превратить в очень хороший проводник. Нас будет интересовать, при каких условиях возникает, а также какими особенностями характеризуется электрический ток в газах.

Электрические свойства газов

Диэлектрик – это вещество (среда), в котором концентрация частиц – свободных носителей электрического заряда – не достигает сколько-нибудь значимой величины, вследствие чего проводимость пренебрежимо мала. Все газы – хорошие диэлектрики. Их изолирующие свойства используются повсеместно. Например, в любом выключателе размыкание цепи происходит, когда контакты приводятся в такое положение, чтобы между ними образовался воздушный зазор. Провода в линиях электропередач также изолируются друг от друга воздушным слоем.

Структурной единицей любого газа является молекула. Она состоит из атомных ядер и электронных облаков, то есть представляет собой совокупность электрических зарядов, некоторым образом распределенных в пространстве. Молекула газа может быть электрическим диполем вследствие особенностей своего строения либо поляризоваться под действием внешнего электрического поля. Подавляющее большинство молекул, составляющих газ, в обычных условиях электрически нейтральны, поскольку заряды в них компенсируют друг друга.

Если приложить к газу электрическое поле, молекулы примут дипольную ориентацию, занимая пространственное положение, компенсирующее воздействие поля. Присутствующие в газе заряженные частицы под действием кулоновских сил начнут движение: положительные ионы — в направлении катода, отрицательные ионы и электроны – к аноду. Однако если поле имеет недостаточный потенциал, единый направленный поток зарядов не возникает, и можно говорить скорее об отдельных токах, настолько слабых, что ими следует пренебречь. Газ ведет себя как диэлектрик.

Таким образом, для возникновения электрического тока в газах необходима большая концентрация свободных носителей заряда и присутствие поля.

Ионизация

Процесс лавинообразного увеличения числа свободных зарядов в газе называют ионизацией. Соответственно, газ, в котором присутствует значительное количество заряженных частиц, называется ионизированным. Именно в таких газах создается электрический ток.

Процесс ионизации связан с нарушением нейтральности молекул. Вследствие отрыва электрона возникают положительные ионы, присоединение электрона к молекуле приводит к образованию отрицательного иона. Кроме того, в ионизированном газе много свободных электронов. Положительные ионы и особенно электроны – главные носители заряда при электрическом токе в газах.

Ионизация происходит, когда частице сообщается некоторое количество энергии. Так, внешний электрон в составе молекулы, получив эту энергию, может покинуть молекулу. Взаимные столкновения заряженных частиц с нейтральными приводят к выбиванию новых электронов, и процесс принимает лавинообразный характер. Кинетическая энергия частиц также возрастает, что значительно способствует ионизации.

Откуда берется энергия, затрачиваемая на возбуждение в газах электрического тока? Ионизация газов имеет несколько источников энергии, соответственно которым принято именовать и ее типы.

1. Ионизация электрическим полем. В этом случае потенциальная энергия поля преобразуется в кинетическую энергию частиц.
2. Термоионизация. Повышение температуры также ведет к образованию большого количества свободных зарядов.
3. Фотоионизация. Суть данного процесса в том, что энергию электронам сообщают кванты электромагнитного излучения – фотоны, если они имеют достаточно высокую частоту (ультрафиолетовые, рентгеновские, гамма-кванты).
4. Ударная ионизация является результатом преобразования кинетической энергии сталкивающихся частиц в энергию отрыва электрона. Наряду с термоионизацией, она служит основным фактором возбуждения в газах электрического тока.

Каждый газ характеризуется определенной пороговой величиной – энергией ионизации, необходимой для того, чтобы электрон мог оторваться от молекулы, преодолев потенциальный барьер. Эта величина для первого электрона составляет от нескольких вольт до двух десятков вольт; для отрыва следующего электрона от молекулы нужно больше энергии и так далее.

Следует учитывать, что одновременно с ионизацией в газе протекает обратный процесс – рекомбинация, то есть восстановление нейтральных молекул под действием кулоновских сил притяжения.

Газовый разряд и его типы

Итак, электрический ток в газах обусловлен упорядоченным движением заряженных частиц под действием приложенного к ним электрического поля. Наличие таких зарядов, в свою очередь, возможно благодаря различным факторам ионизации.

Так, термоионизация требует значительных температур, но открытое пламя в связи с некоторыми химическими процессами способствует ионизации. Даже при сравнительно невысокой температуре в присутствии пламени фиксируется появление в газах электрического тока, и опыт с проводимостью газа позволяет легко в этом убедиться. Надо поместить пламя горелки или свечи между обкладками заряженного конденсатора. Цепь, разомкнутая прежде из-за воздушного зазора в конденсаторе, замкнется. Включенный в цепь гальванометр покажет наличие тока.

Электрический ток в газах называется газовым разрядом. Нужно иметь в виду, что для поддержания стабильности разряда действие ионизатора должно быть постоянным, так как из-за постоянной рекомбинации газ теряет электропроводящие свойства. Одни носители электрического тока в газах – ионы – нейтрализуются на электродах, другие – электроны, — попадая на анод, направляются к «плюсу» источника поля. Если ионизирующий фактор перестанет действовать, газ немедленно снова станет диэлектриком, и ток прекратится. Такой ток, зависимый от действия внешнего ионизатора, называется несамостоятельным разрядом.

Особенности прохождения электрического тока через газы описываются особой зависимостью силы тока от напряжения – вольт-амперной характеристикой.

Рассмотрим развитие газового разряда на графике вольт-амперной зависимости. При повышении напряжения до некоторого значения U₁ ток нарастает пропорционально ему, то есть выполняется закон Ома. Возрастает кинетическая энергия, а следовательно, и скорость зарядов в газе, и этот процесс опережает рекомбинацию. При значениях напряжения от U₁ до U₂ такое соотношение нарушается; при достижении U₂ все носители зарядов достигают электродов, не успевая рекомбинировать. Все свободные заряды задействованы, и дальнейшее повышение напряжения не приводит к увеличению силы тока. Такой характер движения зарядов называется током насыщения. Таким образом, можно сказать, что электрический ток в газах обусловлен также особенностями поведения ионизированного газа в электрических полях различной напряженности.

Когда разность потенциалов на электродах достигает определенного значения U₃, напряжение становится достаточным, чтобы электрическое поле вызвало лавинообразную ионизацию газа. Кинетической энергии свободных электронов уже хватает для ударной ионизации молекул. Скорость их при этом в большинстве газов составляет около 2000 км/с и выше (она рассчитывается по приближенной формуле v=600 U_i, где U_i – ионизационный потенциал). В этот момент происходит пробой газа и существенное возрастание тока за счет внутреннего источника ионизации. Поэтому такой разряд называется самостоятельным.

Наличие внешнего ионизатора в данном случае уже не играет роли для поддержания в газах электрического тока. Самостоятельный разряд в разных условиях и при различных характеристиках источника электрического поля может иметь те или иные особенности. Выделяют такие типы самостоятельного разряда, как тлеющий, искровой, дуговой и коронный. Мы рассмотрим, как ведет себя электрический ток в газах, кратко для каждого из этих типов.

Тлеющий разряд

В разреженном газе достаточно разности потенциалов от 100 (и даже меньше) до 1000 вольт для возбуждения самостоятельного разряда. Поэтому тлеющий разряд, характеризующийся малым значением силы тока (от 10^-5 А до 1 А), возникает при давлениях не более нескольких миллиметров ртутного столба.

В трубке с разреженным газом и холодными электродами формирующийся тлеющий разряд выглядит как тонкий светящийся шнур между электродами. Если продолжить откачку газа из трубки, будет наблюдаться размывание шнура, а при давлениях в десятые доли миллиметров ртутного столба свечение заполняет трубку практически полностью. Свечение отсутствует вблизи катода – в так называемом темном катодном пространстве. Остальная часть называется положительным столбом. При этом главные процессы, обеспечивающие существование разряда, локализуются именно в темном катодном пространстве и в прилегающей к нему области. Здесь происходит ускорение заряженных частиц газа, выбивающих из катода электроны.

При тлеющем разряде причиной ионизации является электронная эмиссия с катода. Испущенные катодом электроны производят ударную ионизацию молекул газа, возникающие положительные ионы вызывают вторичную эмиссию с катода и так далее. Свечение положительного столба связано в основном с отдачей фотонов возбужденными молекулами газа, и для различных газов характерно свечение определенного цвета. Положительный столб принимает участие в формировании тлеющего разряда только в качестве участка электрической цепи. Если сближать электроды, можно добиться исчезновения положительного столба, но при этом разряд не прекратится. Однако с дальнейшим сокращением расстояния между электродами тлеющий разряд не сможет существовать.

Необходимо отметить, что для данного типа электрического тока в газах физика некоторых процессов еще не прояснена полностью. Например, пока остается неясной природа сил, вызывающих при увеличении тока расширение на поверхности катода области, которая принимает участие в разряде.

Искровой разряд

Искровой пробой имеет импульсный характер. Он возникает при давлениях, близких к нормальному атмосферному, в случаях, когда мощности источника электрического поля недостаточно для поддержания стационарного разряда. Напряженность поля при этом велика и может достигать 3 МВ/м. Явление характеризуется резким возрастанием разрядного электрического тока в газе, одновременно напряжение чрезвычайно быстро падает, и разряд прекращается. Далее снова возрастает разность потенциалов, и весь процесс повторяется.

При этом типе разряда формируются кратковременные искровые каналы, рост которых может начинаться с любой точки между электродами. Это связано с тем, что ударная ионизация происходит случайным образом в местах, где в данный момент концентрируется наибольшее количество ионов. Вблизи искрового канала газ быстро нагревается и испытывает тепловое расширение, вызывающее акустические волны. Поэтому искровой разряд сопровождается треском, а также выделением теплоты и ярким свечением. Процессы лавинной ионизации порождают в искровом канале высокие давления и температуры до 10 тысяч градусов и выше.

Ярчайшим примером природного искрового разряда служит молния. Диаметр главного искрового канала молнии может составлять от нескольких сантиметров до 4 м, а длина канала достигать 10 км. Величина силы тока доходит до 500 тыс. ампер, а разность потенциалов между грозовым облаком и поверхностью Земли достигает миллиарда вольт.

Наиболее длинная молния протяженностью 321 км наблюдалась в 2007 году в Оклахоме, США. Рекордсменом по продолжительности стала молния, зафиксированная в 2012 году во Французских Альпах – она длилась свыше 7,7 секунды. При ударе молнии воздух может разогреться до 30 тысяч градусов, что в 6 раз превышает температуру видимой поверхности Солнца.

В тех случаях, когда мощность источника электрического поля достаточно велика, искровой разряд развивается в дуговой.

Дуговой разряд

Этот вид самостоятельного разряда характеризуется большой плотностью тока и малым (меньше, чем при тлеющем разряде) напряжением. Дистанция пробоя невелика благодаря близкому расположению электродов. Разряд инициируется испусканием электрона с поверхности катода (для атомов металлов потенциал ионизации невелик по сравнению с молекулами газов). Во время пробоя между электродами создаются условия, при которых газ проводит электрический ток, и возникает искровой разряд, замыкающий цепь. Если мощность источника напряжения достаточно велика, искровые разряды переходят в устойчивую электрическую дугу.

Ионизация при дуговом разряде достигает почти 100%, сила тока очень велика и может составлять от 10 до 100 ампер. При атмосферном давлении дуга способна нагреваться до 5–6 тысяч градусов, а катод – до 3 тысяч градусов, что приводит к интенсивной термоэлектронной эмиссии с его поверхности. Бомбардировка анода электронами приводит к частичному разрушению: на нем образуется углубление – кратер с температурой около 4000 °C. Увеличение давления влечет за собой еще больший рост температур.

При разведении электродов дуговой разряд остается устойчивым до некоторого расстояния, что позволяет бороться с ним на тех участках электрооборудования, где он вреден из-за вызываемой им коррозии и выгорания контактов. Это такие устройства, как высоковольтные и автоматические выключатели, контакторы и прочие. Одним из методов борьбы с дугой, возникающей при размыкании контактов, является использование дугогасительных камер, основанных на принципе удлинения дуги. Применяются и многие другие методы: шунтирование контактов, использование материалов с высоким потенциалом ионизации и так далее.

Коронный разряд

Развитие коронного разряда происходит при нормальном атмосферном давлении в резко неоднородных полях у электродов, обладающих большой кривизной поверхности. Это могут быть шпили, мачты, провода, различные элементы электрооборудования, имеющие сложную форму, и даже волосы человека. Такой электрод называется коронирующим. Ионизационные процессы и, соответственно, свечение газа имеют место только вблизи него.

Корона может формироваться как на катоде (отрицательная корона) при бомбардировке его ионами, так и на аноде (положительная) в результате фотоионизации. Отрицательная корона, в которой ионизационный процесс как следствие термоэмиссии направлен от электрода, характеризуется ровным свечением. В положительной короне могут наблюдаться стримеры – светящиеся линии ломаной конфигурации, могущие превратиться в искровые каналы.

Примером коронного разряда в природных условиях являются огни святого Эльма, возникающие на остриях высоких мачт, верхушках деревьев и так далее. Образуются они при большой напряженности электрического поля в атмосфере, часто перед грозой или во время метели. Кроме того, их фиксировали на обшивке самолетов, попавших в облако вулканического пепла.

Коронный разряд на проводах ЛЭП ведет к значительным потерям электроэнергии. При большом напряжении коронный разряд может переходить в дуговой. Борьбу с ним ведут различными способами, например, путем увеличения радиуса кривизны проводников.

Электрический ток в газах и плазма

Полностью или частично ионизированный газ называется плазмой и считается четвертым агрегатным состоянием вещества. В целом плазма электрически нейтральна, так как суммарный заряд составляющих ее частиц равен нулю. Это отличает ее от других систем заряженных частиц, таких как, например, электронные пучки.

В природных условиях плазма образуется, как правило, при высоких температурах вследствие столкновения атомов газа на больших скоростях. Подавляющая часть барионной материи во Вселенной пребывает в состоянии плазмы. Это звезды, часть межзвездного вещества, межгалактический газ. Земная ионосфера также представляет собой разреженную слабо ионизированную плазму.

Степень ионизации является важной характеристикой плазмы – от нее зависят проводящие свойства. Степень ионизации определяется как отношение количества ионизированных атомов к общему количеству атомов в единице объема. Чем сильнее ионизирована плазма, тем выше ее электропроводность. Кроме того, ей присуща высокая подвижность.

Мы видим, таким образом, что газы, проводящие электрический ток, в пределах канала разряда являют собой не что иное, как плазму. Так, тлеющий и коронный разряды – это примеры холодной плазмы; искровой канал молнии или электрическая дуга – примеры горячей, практически полностью ионизованной плазмы.

Электрический ток в металлах, жидкостях и газах – различия и сходство

Рассмотрим особенности, которыми характеризуется газовый разряд в сравнении со свойствами тока в других средах.

В металлах ток – это направленное движение свободных электронов, не влекущее за собой химических изменений. Проводники такого типа называют проводниками первого рода; к ним относятся, кроме металлов и сплавов, уголь, некоторые соли и оксиды. Их отличает электронная проводимость.

Проводники второго рода – это электролиты, то есть жидкие водные растворы щелочей, кислот и солей. Прохождение тока сопряжено с химическим изменением электролита – электролизом. Ионы вещества, растворенного в воде, под действием разности потенциалов перемещаются в противоположные стороны: положительные катионы – к катоду, отрицательные анионы – к аноду. Процесс сопровождается выделением газа либо отложением слоя металла на катоде. Проводникам второго рода присуща ионная проводимость.

Что касается проводимости газов, то она, во-первых, временная, во-вторых, имеет признаки сходства и различия с каждым из них. Так, электрический ток и в электролитах, и в газах – это направленный к противоположным электродам дрейф разноименно заряженных частиц. Однако в то время как электролиты характеризуются чисто ионной проводимостью, в газовом разряде при сочетании электронного и ионного типов проводимости ведущая роль принадлежит электронам. Еще одно различие электрического тока в жидкостях и в газах состоит в природе ионизации. В электролите молекулы растворенного соединения диссоциируют в воде, в газе же молекулы не разрушаются, а только теряют электроны. Поэтому газовый разряд, как и ток в металлах, не связан с химическими изменениями.

Неодинакова также и физика электрического тока в жидкостях и газах. Проводимость электролитов в целом подчиняется закону Ома, а при газовом разряде он не соблюдается. Вольт-амперная характеристика газов имеет гораздо более сложный характер, связанный со свойствами плазмы.

Следует упомянуть и об общих и отличительных чертах электрического тока в газах и в вакууме. Вакуум – это почти идеальный диэлектрик. «Почти» – потому что в вакууме, несмотря на отсутствие (точнее, чрезвычайно малую концентрацию) свободных носителей заряда, тоже возможен ток. Но в газе потенциальные носители уже присутствуют, их только необходимо ионизировать. В вакуум носители заряда вносятся из вещества. Как правило, это происходит в процессе электронной эмиссии, например при нагревании катода (термоэлектронная эмиссия). Но и в различных типах газовых разрядов эмиссия, как мы видели, играет важную роль.

Применение газовых разрядов в технике

О вредном воздействии тех или иных разрядов вкратце речь уже шла выше. Теперь обратим внимание на пользу, которую они приносят в промышленности и в быту.

Тлеющий разряд применяют в электротехнике (стабилизаторы напряжения), в технологии нанесения покрытий (метод катодного распыления, основанный на явлении коррозии катода). В электронике его используют для получения ионных и электронных пучков. Широко известной областью применения тлеющего разряда являются люминесцентные и так называемые экономичные лампы и декоративные неоновые и аргоновые газоразрядные трубки. Кроме того, тлеющий разряд применяют в газовых лазерах и в спектроскопии.

Искровой разряд находит применение в предохранителях, в электроэрозионных методах точной обработки металлов (искровая резка, сверление и так далее). Но наиболее известен он благодаря использованию в свечах зажигания двигателей внутреннего сгорания и в бытовой технике (газовые плиты).

Дуговой разряд, будучи впервые использован в осветительной технике еще в 1876 году (свеча Яблочкова – «русский свет»), до сих пор служит в качестве источника света – например, в проекционных аппаратах и мощных прожекторах. В электротехнике дуга используется в ртутных выпрямителях. Кроме того, она применяется в электросварке, в резке металла, в промышленных электропечах для выплавки стали и сплавов.

Коронный разряд находит применение в электрофильтрах для ионной очистки газов, в счетчиках элементарных частиц, в молниеотводах, в системах кондиционирования воздуха. Также коронный разряд работает в копировальных аппаратах и лазерных принтерах, где посредством его производится заряд и разрядка светочувствительного барабана и перенос порошка с барабана на бумагу.

Таким образом, газовые разряды всех типов находят самое широкое применение. Электрический ток в газах успешно и эффективно используется во многих областях техники.

Задачи

Задачи к уроку 50/14

1.      Космическая ракета при старте с Земли движется вертикально вверх с ускорением a = 25 м/с². Определите вес космонавта массой m = 100 кг. Ускорение свободного падения считать равным 10 м/с².

2.      Парашютист, достигнув в затяжном прыжке скорости υ₁ = 60 м/с, раскрыл парашют, после чего его скорость за t = 2 с уменьшилась до υ₂ = 10 м/с. Чему равен вес парашютиста массой m = 70 кг во время торможения? Ускорение свободного падения считать равным 10 м/с².

3.      Самолет, двигаясь с постоянной скоростью 720 км/ч, совершает фигуру высшего пилотажа – «мертвую петлю» – радиусом 1000 м. Чему равна перегрузка летчика в верхней точке петли? (g = 10 м/с²).

 

Задачи д/з к уроку 48/12

1.         Во сколько раз изменится сила Всемирного тяготения, если массу одного тела увеличить в 3 раза, а другого уменьшить в 9 раз?

2.         Во сколько раз изменится сила Всемирного тяготения, если расстояние между телами уменьшить в 5 раз?

3.         С каким ускорением всплывает тело массой 25 кг, если на него действует сила Архимеда 300 Н?

Задачи д/з к уроку 60  

1. Почему невозможно, из положения сидя прямо на стуле, встать на ноги, не наклонившись предварительно вперед?

2. Почему однородный прямоугольный кирпич можно положить на край стола, только если с края стола свисает не более половины длины кирпича?

3. Почему вы вынуждены отклоняться назад, когда несете в руках тяжелый груз?

Задачи д/з к уроку 58/7 

1. Какова средняя сила давления F на плечо при стрельбе из автомата, если масса пули m = 10 г, а скорость пули при вылете из канала ствола v = 300 м/с? Автомат делает 300 выстрелов в минуту.

2. Для проведения огневых испытаний жидкостный ракетный двигатель закрепили на стенде. С какой силой он действует на стенд, если скорость истечения продуктов сгорания из сопла 150 м/с, а расход топлива за 5 секунд составил 30 кг?

3. Ракета массой 1000 кг неподвижно зависла над поверхностью земли. Сколько топлива в единицу времени сжигает ракета, если скорость истечения продуктов сгорания из ракеты равна 2 км/с?

Электрическая дуга — Электропроводимость в газах — Ток, заряды, вызываемые и производимые

Газы состоят из нейтральных молекул и поэтому являются хорошими изоляторами. Однако при определенных условиях происходит нарушение изоляционных свойств, и ток может проходить через газ. С электрическим разрядом в газах связано несколько явлений; Среди них искровой, темный (таунсендский) разряд, свечение, корона и дуга.

Для того, чтобы провести электричество , необходимы два условия.Во-первых, обычно нейтральный газ должен создавать заряды или принимать их из внешних источников, или и то, и другое. Во-вторых, должно существовать электрическое поле, чтобы вызвать направленное движение зарядов. Заряженный атом или молекула , или ион, может быть положительным или отрицательным ; электроны — отрицательные заряды. В электрических устройствах электрическое поле создается между двумя электродами, называемыми анодом , и катодом, сделанным из проводящих материалов. Процесс превращения нейтрального атома или молекулы в ион называется ионизацией.Ионизированный газ называется плазмой . Проводимость газов отличается от проводимости твердых тел и жидкостей тем, что газы играют активную роль в этом процессе. Однако газ не только позволяет проходить бесплатную зарядку, но и сам по себе может производить заряды. Кумулятивная ионизация происходит, когда исходный электрон и его потомок набирают достаточно энергии , чтобы каждый мог произвести еще один электрон. Когда процесс повторяется снова и снова, возникающий в результате процесс называется лавиной.

Для любого газа при заданном давлении и температуре существует определенное значение напряжения, называемое потенциалом пробоя , которое вызовет ионизацию. Приложение напряжения выше критического значения сначала вызовет увеличение тока из-за кумулятивной ионизации, а затем напряжение снизится. Если давление не слишком низкое, проводимость концентрируется в узком освещенном «искровом» канале. Получая энергию от тока, канал нагревается и может образовывать ударные волны.Природные явления — это молния и связанный с ней гром, которые состоят из высоких напряжений и токов, которые не могут быть достигнуты искусственно.

После искры может возникнуть дуга под высоким давлением. Это происходит, когда достигаются установившиеся условия и напряжение низкое, но достаточное для поддержания требуемого тока. При низких давлениях переходная стадия искры приводит к тлеющему разряду, и дуга может позже образоваться при дальнейшем увеличении тока.В дуге термоэлектронный эффект отвечает за образование свободных электронов, которые испускаются горячим катодом. Сильное электрическое поле на металлической поверхности снижает барьер для эмиссии электронов и обеспечивает полевую эмиссию . Однако из-за высокой температуры и большого тока некоторые механизмы возникновения дуги не могут быть легко изучены.

5.5: Спектры атомной эмиссии — Chemistry LibreTexts

1. Последнее обновление

2. Сохранить как PDF

1. Спектры атомной эмиссии
2. Резюме
3. Авторы и авторство

Стрельба из лука как вид спорта или средство защиты существовала веками.В состоянии покоя тетива и стрела не натянуты. Когда струна и стрела вытягиваются назад, мы получаем ситуацию, когда кинетическая энергия (натяжение струны) преобразована в потенциальную энергию (натяжение струны). Лучник выпускает стрелу, и потенциальная энергия переводится в кинетическую энергию при движении стрелы. Оказывается, электроны ведут себя одинаково, когда энергия вводится в систему или высвобождается из системы.

Спектры атомной эмиссии

Электроны в атоме имеют тенденцию располагаться таким образом, чтобы энергия атома была как можно более низкой.Основное состояние атома является самым низким энергетическим состоянием атома. Когда этим атомам дается энергия, электроны поглощают ее и переходят на более высокий энергетический уровень. Эти энергетические уровни электронов в атомах квантуются, что снова означает, что электрон должен переходить с одного энергетического уровня на другой дискретными шагами, а не непрерывно. возбужденное состояние атома — это состояние, в котором его потенциальная энергия выше основного состояния. Атом в возбужденном состоянии нестабилен.Когда он возвращается в основное состояние, он высвобождает ранее полученную энергию в виде электромагнитного излучения.

Итак, как атомы вообще получают энергию? Один из способов — пропустить электрический ток через замкнутый образец газа под низким давлением. Поскольку уровни энергии электронов уникальны для каждого элемента, каждая газоразрядная трубка будет светиться отличительным цветом в зависимости от типа газа (см. Ниже).

Рисунок \ (\ PageIndex {1} \): Газоразрядные трубки представляют собой закрытые стеклянные трубки, заполненные газом под низким давлением, через которые проходит электрический ток.Электроны в газовых атомах сначала возбуждаются, а затем возвращаются на более низкие энергетические уровни, излучая при этом свет отличительного цвета. Показаны газоразрядные трубки из гелия, неона, аргона, криптона и ксенона.

«Неоновые» вывески — знакомые образцы газоразрядных трубок. Однако только те знаки, которые светятся красно-оранжевым цветом на рисунке, на самом деле залиты неоном. Знаки других цветов содержат разные газы или смеси газов.

Ученые изучили характерный розовый цвет газового разряда, создаваемого водородом.Когда узкий луч этого света просматривался через призму, свет разделялся на четыре линии очень определенных длин волн (и частот, поскольку \ (\ lambda \) и \ (\ nu \) обратно связаны). Спектр излучения атомов представляет собой образец линий, образующихся, когда свет проходит через призму, чтобы разделить его на различные частоты света, которые он содержит. На рисунке ниже показан спектр атомной эмиссии водорода.

Рисунок \ (\ PageIndex {2} \): Когда свет от газоразрядной трубки с водородом проходит через призму, свет разделяется на четыре видимые линии.Каждая из этих спектральных линий соответствует разному переходу электрона из состояния с более высокой энергией в состояние с более низкой энергией. Каждый элемент имеет уникальный атомный спектр излучения, как показано на примерах гелия \ (\ left (\ ce {He} \ right) \) и железа \ (\ left (\ ce {Fe} \ right) \).

Классическая теория не могла объяснить существование атомных эмиссионных спектров, также известных как линейно-эмиссионные спектры. Согласно классической физике, атом в основном состоянии мог бы поглощать любое количество энергии, а не только дискретные количества.Точно так же, когда атомы возвращаются в более низкое энергетическое состояние, может быть высвобождено любое количество энергии. Это привело бы к так называемому непрерывному спектру , где представлены все длины волн и частоты. Белый свет, видимый через призму и радугу, — это примеры непрерывных спектров. Спектры излучения атомов были еще одним доказательством квантованной природы света и привели к новой модели атома, основанной на квантовой теории.

Сводка

• Спектры эмиссии атомов возникают, когда возбужденные электроны возвращаются в основное состояние.
• Излучаемый свет электронов соответствует энергиям конкретных электронов.

Авторы и авторство

• Фонд CK-12 Шэрон Бьюик, Ричард Парсонс, Тереза ​​Форсайт, Шонна Робинсон и Жан Дюпон.

Наука об электричестве — Управление энергетической информации США (EIA)

Все состоит из атомов

Для понимания электричества полезны некоторые основные сведения об атомах.Атомы — это строительные блоки вселенной. Все во Вселенной состоит из атомов — каждая звезда, каждое дерево и каждое животное. Человеческое тело состоит из атомов. Воздух и вода тоже состоят из атомов. Атомы настолько малы, что миллионы их поместятся на булавочной головке.

Атомы состоят из еще более мелких частиц

Центр атома называется ядром . Ядро состоит из частиц, называемых протонами и нейтронами . Электроны вращаются вокруг ядра в оболочках . Если бы ядро ​​было размером с теннисный мяч, атом был бы размером со сферу диаметром около 1450 футов или размером с один из крупнейших спортивных стадионов в мире. Атомы — это в основном пустое пространство.

Если бы невооруженный глаз мог видеть атом, он был бы немного похож на крошечное скопление шаров, окруженное гигантскими невидимыми пузырями (или оболочек ). Электроны будут на поверхности пузырьков, постоянно вращаясь и перемещаясь, чтобы держаться как можно дальше друг от друга.Электроны удерживаются в своих оболочках за счет электрической силы.

Протоны и электроны атома притягиваются друг к другу. Оба они несут электрический заряд . Протоны имеют положительный заряд (+), а электроны — отрицательный заряд (-). Положительный заряд протонов равен отрицательному заряду электронов. Противоположные заряды притягивают друг друга. Атом находится в равновесии, когда в нем равное количество протонов и электронов.Нейтроны не несут заряда, и их количество может варьироваться.

Число протонов в атоме определяет вид атома, или элемент , это. Элемент — это вещество, состоящее из одного типа атомов. Периодическая таблица элементов показывает элементы с их атомными номерами — количеством протонов, которые они имеют. Например, каждый атом водорода (H) имеет один протон, а каждый атом углерода (C) имеет шесть протонов.

Электричество — это движение электронов между атомами

Электроны обычно остаются на постоянном расстоянии от ядра атома в точных оболочках.Ближайшая к ядру оболочка может содержать два электрона. Следующий снаряд может вместить до восьми штук. Внешние оболочки могут вместить даже больше. Некоторые атомы с большим количеством протонов могут иметь до семи оболочек с электронами в них.

Электроны в ближайших к ядру оболочках обладают сильной силой притяжения к протонам. Иногда электроны в самых внешних оболочках атома не обладают сильной силой притяжения к протонам. Эти электроны можно вытолкнуть со своих орбит.Применение силы может заставить их переходить от одного атома к другому. Эти перемещающиеся электроны представляют собой электричество.

В природе существует статическое электричество

Молния — это форма электричества. Молния — это электроны, перемещающиеся из одного облака в другое, или электроны, прыгающие из облака на землю. Вы когда-нибудь испытывали шок, когда дотрагивались до предмета после прогулки по ковру? От этого объекта к вам прыгнул поток электронов. Это называется статическим электричеством .

Вы когда-нибудь заставляли волосы встать дыбом, натирая их воздушным шариком? Если да, то вы стерли с воздушного шара несколько электронов. Электроны переместились в ваши волосы из воздушного шара. Электроны пытались уйти подальше друг от друга, двигаясь к кончикам ваших волос. Они толкались или отталкивались друг от друга, заставляя ваши волосы шевелиться. Подобно тому, как противоположные заряды притягиваются друг к другу, как заряды отталкиваются.

Последнее обновление: 8 января 2020 г.

НАГРЕВАТЕЛЬНЫЙ ЭФФЕКТ ЭЛЕКТРИЧЕСКОГО ТОКА

Введение

Когда ток течет по проводнику, в проводнике генерируется тепловая энергия.Нагревательный эффект электрического тока зависит от трех факторов:

• Сопротивление R проводника. Чем выше сопротивление, тем больше тепла.
• Время t, в течение которого течет ток. Чем больше время, тем больше выделяется тепла.
• Величина тока I. Чем выше сила тока, тем больше выделяется тепла.

Следовательно, эффект нагрева, создаваемый электрическим током I через проводник сопротивления R на время, t определяется как H = I ² Rt.Это уравнение называется уравнением Джоуля электрического нагрева.

Электроэнергия и мощность

Работа, выполняемая при проталкивании заряда по электрической цепи, определяется выражением w.d = VIt

.

Таким образом, мощность, P = w.d / t = VI

Электрическая мощность, потребляемая электроприбором, определяется как P = VI = I ² R = V ² / R

Пример

1. Электрическая лампочка имеет маркировку 100 Вт, 240 В.Вычислить:

а) Ток через нить накала при нормальной работе лампы
б) Сопротивление нити накала лампы.

Решение

1. I = P / V = ​​100/240 = 0,4167A
2. R = P / I ² = 100 / 0,4167 ² = 576,04 Ом или R = V ² / P = 240 ² /100 = 576 Ом

1. Найдите энергию, рассеиваемую за 5 минут электрической лампочкой с нитью накала 500 Ом, подключенной к источнику питания 240 В.{ анс. 34,560J }

Решение

E = Pt = V2 / R * t = (240 ² * 5 * 60) / 500 = 34,560 Дж

1. Для нагрева воды используется погружной нагреватель мощностью 2,5 кВт. Вычислить:

1. Рабочее напряжение нагревателя при сопротивлении 24 Ом
2. Электрическая энергия, преобразованная в тепловую за 2 часа.

{ ANS. 244,9488 В, 1,8 * 10 ⁷ Дж }

Решение

1. P = VI = I ² R

I = (2500/24) ^1/2 = 10.2062A

В = ИК = 10,2062 * 24 = 244,9488 В

1. E = VIt = Pt = 2500 * 2 * 60 * 60 = 1,8 * 10 ⁷ Дж

ИЛИ E = VIt = 244,9488 * 10,2062 * 2 * 60 * 60 = 1,8 * 10 ⁷ Дж

Электрическая лампочка имеет маркировку 100W, 240V. Вычислить:
Ток через нить накала
Сопротивление нити накала лампы.

Решение

P = VI I = P / V = ​​100/240 = 0,4167A
Согласно закону Ома, V = IR R = V / I = 240 / 0,4167 = 575,95 Ом

Применение нагревающего эффекта электрического тока

Большинство бытовых электроприборов таким образом преобразуют электрическую энергию в тепло.К ним относятся лампы накаливания, электрический нагреватель, электрический утюг, электрический чайник и т. Д.

В осветительных приборах

1. Лампы накаливания — изготовлены из вольфрамовой проволоки, заключенной в стеклянную колбу, из которой удален воздух. Это потому, что воздух окисляет нить. Нить нагревается до высокой температуры и становится раскаленной добела. Вольфрам используется из-за его высокой температуры плавления; 3400 ⁰ Колба заполнена неактивным газом, например. аргон или азот при низком давлении, что снижает испарение вольфрамовой проволоки.Однако одним из недостатков инертного газа является то, что он вызывает конвекционные токи, которые охлаждают нить накала. Эта проблема сводится к минимуму за счет наматывания проволоки таким образом, чтобы она занимала меньшую площадь, что снижает потери тепла за счет конвекции.
2. Люминесцентные лампы — эти лампы более эффективны по сравнению с лампами накаливания и служат намного дольше. У них есть пары ртути в стеклянной трубке, которая при включении испускает ультрафиолетовое излучение. Это излучение заставляет порошок в трубке светиться (флуоресцировать) i.е. излучает видимый свет. Из разных порошков получаются разные цвета. Обратите внимание, что люминесцентные лампы дороги в установке, но их эксплуатационные расходы намного меньше.

В электрическом обогреве

1. Электрические плиты — электрические плиты раскалены докрасна, и произведенная тепловая энергия поглощается кастрюлей посредством теплопроводности.
2. Электрические обогреватели — лучистые обогреватели становятся красными при температуре около 900 ⁰ C, а испускаемое излучение направляется в комнату с помощью полированных отражателей.
3. Электрические чайники — нагревательный элемент размещается внизу чайника так, чтобы нагреваемая жидкость покрывала его. Затем тепло поглощается водой и распределяется по всей жидкости за счет конвекции.
4. Электрические утюги — когда через нагревательный элемент протекает ток, выделяемая тепловая энергия передается на основание из тяжелого металла, повышая его температуру. Затем эта энергия используется для прессования одежды. Температуру утюга можно контролировать с помощью термостата (биметаллической планки).

Различные методы производства электроэнергии

Для чего мы используем энергию?

Различные методы производства электроэнергии

Существуют различные методы производства электроэнергии в зависимости от видов энергии.
Среди источников энергии уголь и природный газ используются для производства электроэнергии путем сжигания (тепловая энергия), уран путем ядерного деления (ядерная энергия), чтобы использовать их тепло для кипячения воды и вращающейся паровой турбины.
Среди возобновляемых источников энергии солнечный свет напрямую преобразуется в электричество (фотоэлектрическая энергия), энергия вращения ветра преобразуется в электричество (энергия ветра), вращение водяного колеса проточной водой для производства (гидро). Магматическое тепло закипает подземную воду, чтобы вращать паровую турбину для генерации (геотермальной энергии).
Непрерывное развитие технологий для них продолжается для преобразования энергии ресурсов или возобновляемых источников энергии в электричество с меньшими потерями. Для эксплуатации электростанции также важно проводить техническое обслуживание или обучение операторов.

---

Тепловая мощность

Производство энергии на пылеугольном топливе в настоящее время является основным методом производства электроэнергии на угле. Уголь измельчается до мелкого порошка и сжигается в котле. Нагрев в бойлере превращает воду в пар. Давление пара вращает паровую турбину, а генератор вырабатывает электричество.

---

Электростанция с комбинированным циклом сначала вырабатывает газ за счет сжигания топлива в сжатом воздухе.
Давление газа вращает газовую турбину, а генератор вырабатывает электричество.
Кроме того, тепло выхлопных газов газовой турбины используется для кипячения воды для выработки пара, который вращает турбину для генерации.

---

Комбинированный цикл комплексной газификации угля (IGCC) газифицирует топливный уголь в газификаторе. Газифицированное топливо сжигается в сжатом воздухе с образованием газа. Давление газа вращает газовую турбину для выработки электроэнергии. Кроме того, тепло выхлопных газов газовой турбины используется для превращения воды в пар для выработки электроэнергии.

Международное сравнение энергоэффективности производства тепловой энергии

Международное сравнение эффективности производства тепловой энергии (ископаемое топливо). Установки для разжигания угля в Японии достигают наивысшего КПД, вырабатывая много электроэнергии с меньшим количеством топлива. Несмотря на то, что эффективность генерации может быть увеличена за счет использования мощностей (или технологий) по производству электроэнергии с новейшими и наивысшими показателями эффективности, важно проводить техническое обслуживание объекта или также поддерживать или повышать качество работы.

---

Атомная энергетика

Легкая вода означает обычную воду в отличие от тяжелой воды. В активной зоне реактора в результате ядерного деления вырабатывается тепло, которое затем вызывает кипение воды с образованием пара. Пар используется для вращения турбины для выработки электроэнергии, затем охлаждается в конденсаторе морской водой и снова превращается в жидкую воду. Затем эта вода возвращается в активную зону реактора.

---

Легкая вода означает обычную воду в отличие от тяжелой воды.В активной зоне реактора при ядерном делении выделяется тепло, но нагретая вода подавляется перед кипением за счет приложения высокого давления. Эта вода с высокой температурой и давлением направляется в парогенератор, превращает воду в пар, а затем вращает турбину для выработки электроэнергии в генераторе, после чего она охлаждается в конденсаторе морской водой и снова превращается в жидкую воду. Затем эта вода возвращается в паровую турбину.

Глоссарий

Конвекционные токи и как они работают

Конвекционные токи — это текущая жидкость, которая движется из-за разницы температур или плотности внутри материала.

Поскольку частицы в твердом теле фиксируются на месте, конвекционные токи наблюдаются только в газах и жидкостях. Разница температур приводит к передаче энергии из области с более высокой энергией в область с более низкой энергией.

Конвекция — это процесс теплопередачи. Когда возникают токи, материя перемещается из одного места в другое. Так что это тоже процесс массообмена.

Естественная конвекция называется естественной конвекцией или свободной конвекцией .Если жидкость циркулирует с помощью вентилятора или насоса, это называется принудительной конвекцией . Ячейка, образованная конвекционными потоками, называется конвекционной ячейкой или ячейкой Бенара .

Почему они формируются

Разница температур заставляет частицы двигаться, создавая ток. В газах и плазме разница температур также приводит к участкам с более высокой и более низкой плотностью, где атомы и молекулы движутся, заполняя области с низким давлением.

Короче говоря, горячие жидкости поднимаются, а холодные — опускаются.Если не присутствует источник энергии (например, солнечный свет, тепло), конвекционные токи продолжаются только до тех пор, пока не будет достигнута однородная температура.

Ученые анализируют силы, действующие на жидкость, чтобы классифицировать и понять конвекцию. Эти силы могут включать:

• Гравитация
• Поверхностное натяжение
• Разница концентраций
• Электромагнитные поля
• Вибрация
• Образование связи между молекулами

Конвективные токи можно моделировать и описывать с помощью уравнений конвекции-диффузии, которые представляют собой скалярные уравнения переноса.

Примеры конвективных токов и шкалы энергии

• Вы можете наблюдать конвекционные токи в кипящей воде в кастрюле. Просто добавьте несколько горошин или кусочков бумаги, чтобы отследить текущий поток. Источник тепла на дне кастрюли нагревает воду, давая ей больше энергии и заставляя молекулы двигаться быстрее. Изменение температуры также влияет на плотность воды. Когда вода поднимается к поверхности, часть ее имеет достаточно энергии, чтобы уйти в виде пара. Испарение охлаждает поверхность настолько, что некоторые молекулы снова опускаются на дно кастрюли.
• Простой пример конвекционных потоков — теплый воздух, поднимающийся к потолку или чердаку дома. Теплый воздух менее плотный, чем холодный, поэтому он поднимается вверх.
• Ветер — это пример конвекционного течения. Солнечный свет или отраженный свет излучает тепло, создавая разницу температур, которая заставляет воздух двигаться. Тенистые или влажные участки более прохладны или способны поглощать тепло, усиливая эффект. Конвекционные токи являются частью того, что движет глобальной циркуляцией атмосферы Земли.
• При сгорании возникают конвекционные токи.Исключением является то, что горению в условиях невесомости не хватает плавучести, поэтому горячие газы не поднимаются естественным образом, позволяя свежему кислороду подпитывать пламя. Минимальная конвекция при невесомости приводит к тому, что многие пламя заглушаются собственными продуктами сгорания.
• Атмосферная и океаническая циркуляция — это крупномасштабные движения воздуха и воды (гидросфера) соответственно. Эти два процесса работают вместе друг с другом. Конвекционные течения в воздухе и на море приводят к погоде.
• Магма в мантии Земли движется конвекционными токами. Горячее ядро ​​нагревает материал над ним, заставляя его подниматься к корке, где он охлаждается. Тепло исходит от сильного давления на скалу в сочетании с энергией, выделяющейся при естественном радиоактивном распаде элементов. Магма не может продолжать подниматься, поэтому она движется горизонтально и снова опускается вниз.
• Эффект дымовой трубы или дымохода описывает конвекционные потоки, перемещающие газы через дымоходы или дымоходы. Плавучесть воздуха внутри и снаружи здания всегда разная из-за разницы температуры и влажности.Увеличение высоты здания или стека увеличивает силу эффекта. Это принцип, на котором основаны градирни.
• На солнце видны конвекционные токи. Гранулы, видимые в фотосфере Солнца, являются вершинами конвективных ячеек. В случае Солнца и других звезд жидкость — это плазма, а не жидкость или газ.

Электропроводность | Encyclopedia.com

История

Материалы

Металлы

Полупроводники

Неомические проводники

Ресурсы

Проводимость — это способность материальной среды пропускать заряженные частицы или тепловую энергию.Теплопроводность — это способность материала передавать тепловую энергию, а электрическая проводимость — это его способность передавать ток (движение заряженных частиц, чаще всего электронов). Вместе это наиболее важные примеры более широкой классификации явлений, известных как процессы переноса. В металлах электропроводность и теплопроводность взаимосвязаны, поскольку оба связаны с движением электрона.

Первые исследования электропроводности металлов проводились в восемнадцатом и начале девятнадцатого веков.Бенджамин Франклин (1706–1790) в своих экспериментах с молнией (которые привели к его изобретению громоотвода) рассуждал, что заряд будет перемещаться по металлическому стержню. Алессандро Вольта (1745–1827) вывел концепцию электрического потенциала из своих исследований статического электричества, а затем открыл принцип работы батареи в своих экспериментах с разнородными металлами, находящимися в обычном контакте с влагой. Когда батареи стали доступны для контакта с металлами, были произведены и изучены электрические токи.Георг Симон Ом (1787–1854) обнаружил прямую зависимость между током и разностью потенциалов, которая стала мерой способности различных металлов проводить электричество. Обширные теоретические исследования токов были выполнены Андре Мари Ампер (1775–1836).

В честь этих ученых единицы международной системы (СИ) используют их имена. Единицей измерения разности потенциалов является вольт, а разность потенциалов чаще называют напряжением. Единицей измерения электрического сопротивления является ом, а единицей силы тока — ампер.Связь между этими функциями известна как закон Ома.

Франклина помнят за неудачную ошибку. Он предположил, что в явлениях, известных в его время, есть только один тип электричества, а не два, как думали другие. Он произвольно назвал одну форму статического электрического заряда положительной, а противоположный заряд объяснил отсутствием положительного. Все последующие исследования продолжали установленную им условность. В конце девятнадцатого века, когда достижения как в электрических, так и в вакуумных технологиях привели к открытию катодных лучей, потоков частиц, исходящих из отрицательного электрода в откачанной трубке, сэр Джозеф Джон Томсон (1856–1940) определил эти частицы как общие для все металлы используются в качестве катодов и заряжены отрицательно.Историческая концепция положительного тока, исходящего от анода, математически непротиворечива и не приводит к аналитическим ошибкам, поэтому условность сохраняется, но понимается как удобство.

Электропроводность может иметь место в различных веществах. Наиболее известные проводящие вещества — это металлы, во многих из которых внешние электроны атомов могут легко перемещаться в межатомных пространствах. К другим проводящим материалам относятся полупроводники, электролиты и ионизированные газы, которые обсуждаются далее в этой статье.

Металлы — это в первую очередь элементы, характеризующиеся атомами, у которых на внешней орбитальной оболочке мало электронов. Самая высокая проводимость наблюдается в металлах, где только один электрон занимает состояние на внешней оболочке. Серебро, медь и золото являются примерами металлов с высокой проводимостью. Металлы находятся в основном в левой части периодической таблицы элементов и в переходных столбцах. Электроны, вносящие вклад в их проводимость, также являются электронами, которые определяют их химическую валентность при образовании соединений.Некоторые металлические проводники представляют собой сплавы двух или более металлических элементов, таких как сталь, латунь, бронза и олово.

Кусок металла — это блок металлических атомов. В отдельных атомах валентные электроны слабо связаны со своими ядрами. В блоке при комнатной температуре эти электроны обладают достаточной кинетической энергией, чтобы позволить им уйти от своего первоначального местоположения. Однако этой энергии недостаточно, чтобы полностью удалить их из блока из-за потенциальной энергии поверхности, самого внешнего слоя атомов.Таким образом, в своих узлах атомы ионизируются, то есть остаются с чистым положительным зарядом, и их называют ионными остовами. В целом металл электрически нейтрален, поскольку заряды электронов и ионных ядер равны и противоположны. Электроны проводимости связаны с блоком в целом, а не с ядрами.

Эти электроны движутся облаком через пространства, разделяющие ионные ядра. Их движение носит случайный характер и имеет некоторое сходство с молекулами газа, особенно с рассеянием, но природа рассеяния иная.Электроны не подчиняются классическим законам газа; их движение необходимо детально проанализировать квантово-механически. Однако большую часть информации о проводимости можно понять классически.

Конкретный образец металла может иметь удобную правильную форму, такую ​​как цилиндр (проволока) или призма (стержень). Когда батарея подключается к концам провода, электрохимическая энергия батареи передает разность потенциалов или напряжение между концами. Эта разность электрических потенциалов аналогична холму в гравитационной системе.Заряженные частицы будут двигаться в направлении, аналогичном спуску. В металле доступные электроны будут двигаться к положительному выводу или аноду батареи. Когда они достигают анода, батарея впрыскивает электроны в провод в равном количестве, тем самым сохраняя его электрически нейтральным. Эта циркуляция заряженных частиц называется током, а замкнутый путь называется цепью. Батарея действует как электрический аналог насоса. Исходя из аналогии с гравитацией, в которой объекты могут падать и приземляться, транспортировка заряженных частиц требует замкнутой цепи.

Ток определяется в терминах переноса заряда:

I = q / t

, где I — ток, q — заряд, а t — время. Таким образом, q / t — это скорость переноса заряда по проводу. В металле, пока его температура остается постоянной, ток прямо пропорционален напряжению. Эта прямая пропорция в математических терминах называется линейной, потому что ее можно описать простым линейным алгебраическим уравнением:

I = GV

В этом уравнении V — это напряжение, а G — константа пропорциональности, известная как проводимость, которая не зависит от V и остается постоянным при постоянной температуре.Это уравнение является одной из форм закона Ома, принципа, применимого только к материалам с линейной электропроводностью. В свою очередь, такие материалы называют омиками.

Более знакомая форма закона Ома:

I = V / R

, где R равно 1 / G и называется сопротивлением.

Концептуально идея сопротивления прохождению тока предшествовала идее переноса заряда в историческом развитии.

Сравнение разности электрических потенциалов с холмом в гравитационных системах приводит к идее градиента или наклона.Скорость изменения напряжения по длине провода, измеренная относительно любого конца, называется электрическим полем:

E = — (V / L)

Поле E прямо пропорционально V и обратно пропорционально L в линейном или омическом проводнике. Это поле совпадает с электростатическим полем, определенным в статье об электростатике. Знак минус связан с необходимостью отрицательного градиента для обозначения «спуска». Электрическое поле в этом описании концептуально аналогично гравитационному полю у поверхности Земли.

Экспериментальные измерения тока и напряжения в металлических проводах разных размеров при постоянной температуре показывают, что сопротивление увеличивается прямо пропорционально длине и обратно пропорционально площади поперечного сечения. Эти вариации позволяют рассматривать сам металл отдельно от размеров образца. Использование константы пропорциональности для свойства материала дает соотношение:

R = ρ (L / A)

, где ρ называется удельным сопротивлением металла. При обращении этого уравнения на первое место ставится проводимость, а не сопротивление:

G = ζ (A / L)

, где ζ — проводимость, обратная (1 / ρ) удельному сопротивлению.

Этот анализ может быть расширен заменой эквивалентных выражений:

G = I / V

ζ (A / L) = I / EL

ζ = I / AE

Введение в понятие плотности тока или тока на единицу площади поперечного сечения:

J = I / A

дает выражение, свободное от всех внешних измерений, необходимых для его фактического расчета:

ζ = J / E

Это уравнение называется полевой формой Ома. закон, и является первым из двух физических определений проводимости, а не математическим.

Природу проводимости металлов можно изучить более глубоко, рассматривая электроны в массивном металле. Этот подход называется микроскопическим, в отличие от макроскопических свойств металлического образца. Под действием внутреннего электрического поля в материале электронное облако будет дрейфовать к аноду батареи. Этот дрейф очень медленный по сравнению со случайными тепловыми движениями отдельных электронов. Облако можно охарактеризовать концентрацией электронов, определяемой как общее количество в единице объема:

n = N / U

, где n — концентрация, N — общее количество, а U — объем металла (здесь используется U для объема вместо V, которое как алгебраический символ зарезервировано для напряжения).Таким образом, общий дрейфующий заряд равен:

q = Ne = nUe

, где e — заряд каждого электрона.

N слишком велико для перечисления; однако, если в первом приближении считается, что каждый атом вносит в облако один валентный электрон, количество атомов можно оценить по объему образца, плотности металла и атомной массе. Рассчитанное таким образом значение n не совсем точно даже для одновалентного металла, но согласуется по порядку величины. (Поправки имеют квантово-механическую природу; металлы с более высокой валентностью и сплавы требуют более сложных квантовых поправок.) Средняя скорость дрейфа облака — это отношение длины проволоки к среднему времени, необходимому электрону для прохождения этой длины. Алгебраические замены, аналогичные показанным ранее, покажут, что плотность тока пропорциональна скорости дрейфа:

J = nev _d

Скорость дрейфа накладывается на тепловое движение электронов. Эта комбинация движений, при которой электроны отскакивают от металла, приводит к микроскопическому описанию электрического сопротивления, которое включает в себя идею ограничения движения вперед.Предел выражается термином подвижность:

, так что подвижность, отношение скорости дрейфа к электрическому полю, является конечным и характерным для конкретного металла.

Объединение этих двух последних уравнений дает второе физическое определение проводимости:

ζ = J / E = nev _d / E = neu

Движение электронов между колеблющимися ионными ядрами можно проанализировать с помощью второго закона Ньютона. , который утверждает, что результирующая сила, действующая на массу, вызывает ускорение:

F = ma

Ускорение, в свою очередь, приводит к увеличению скорости.Если бы не было сопротивления движению электрона в пространстве между ионными сердечниками, подключение батареи через концы провода привело бы к увеличению тока со временем пропорционально такой увеличивающейся скорости. Эксперимент показывает, что ток постоянный, так что нет чистого ускорения.

Тем не менее, батарея создает электрическое поле в проводе, которое, в свою очередь, создает электрическую силу на каждый электрон:

F = eE

Таким образом, должна быть равная и противоположная сила, связанная с поведением ионных ядер.Аналогия здесь — действие молекул воздуха на объект, падающий в атмосферу, например каплю дождя. Это жидкостное трение создает силу, пропорциональную скорости, которая достигает предельного значения, когда сила трения становится равной весу. Это установившееся состояние, при котором результирующая сила равна нулю, соответствует дрейфовой скорости электронов в проводнике. Подобно тому, как капля дождя быстро достигает постоянной скорости падения, электроны в металле гораздо быстрее достигают постоянной скорости дрейфа, проявляющейся в постоянном токе.

До сих пор это обсуждение требовало, чтобы температура поддерживалась постоянной. Для металлов экспериментальные измерения показывают, что проводимость уменьшается с увеличением температуры. Исследование показывает, что для металла с фиксированными n и e именно уменьшение подвижности объясняет это снижение проводимости. При умеренном повышении температуры экспериментальная вариация соответствует линейной зависимости:

ρ = ρ ₀ [1 + α (T — T ₀ )]

Здесь нижний индекс «0» относится к начальным значениям. а называется температурным коэффициентом удельного сопротивления.Установлено, что этот коэффициент изменяется при больших изменениях температуры.

Для изучения взаимосвязи между температурой и подвижностью электронов в металле необходимо учитывать поведение ионных остовов. Ионные остовы организованы в трехмерную кристаллическую решетку. В большинстве обычных металлов структура кубическая, и транспортные функции не сильно зависят от направления. Затем металл можно рассматривать как изотропный, то есть не зависящий от направления, и все вышеприведенные уравнения применимы так, как написано.Для анизотропных материалов ориентационная зависимость переноса в кристаллах приводит к семействам уравнений с наборами коэффициентов направленности, заменяющими используемые здесь простые константы.

Температура связана с колебательной кинетической энергией ионных остовов, движущихся относительно их положений равновесия. Их можно сравнить с массами, соединенными между собой пружинами в трех измерениях, причем их связи действуют как пружины. Электроны, пытающиеся перемещаться между ними, будут случайным образом отклоняться или рассеиваться этими колебаниями решетки, которые квантуются.Колебательные кванты называются фононами по аналогии с фотонами. Расширенная теория проводимости основана на анализе рассеяния электронов на фононах.

С увеличением энергии колебаний при повышении температуры увеличивается рассеяние, так что дрейфовое движение подвергается большему срыву. Таким образом, поддержание заданного тока потребует более сильного поля при более высокой температуре.

Если бы ионные остова определенного металла были идентичны и неподвижны в точках своего точного равновесия в узлах решетки, электронное облако могло бы дрейфовать между ними без сопротивления, то есть без сопротивления.Таким образом, можно выделить три фактора сопротивления: (а) колебания решетки, (б) смещение ионного остова из узлов решетки и (в) химические примеси, которые являются неправильными ионными остовами. Коэффициенты (a) и (b) зависят от температуры, и посторонние атомы вносят свой вклад в их тепловые движения, а также в их неправильность. Кроме того, места, где отсутствуют ионы, или вакансии также являются неправильными и вносят свой вклад в рассеяние. Смещения, вакансии и примеси классифицируются как дефекты решетки.

Прямое распространение теплового поведения вниз к абсолютному нулю температуры предполагает, что сопротивление должно монотонно падать до нуля.Этого не происходит, потому что дефекты решетки остаются неправильными и колебательная энергия не падает до нулевой квантовой механики, которая составляет остаточную нулевую энергию. Однако во многих металлах и многих других веществах при температурах, приближающихся к нулю, наблюдается совершенно новое явление — внезапное падение сопротивления до нуля. Это называется сверхпроводимостью.

Полупроводники — это материалы, в которых проводимость намного ниже, чем у металлов, и в широких пределах варьируется за счет управления их составом.Эти вещества теперь известны как плохие изоляторы, а не плохие проводники, с точки зрения их атомной структуры. Хотя некоторые полупроводниковые вещества были идентифицированы и изучены ко второй половине девятнадцатого века, их свойства нельзя было объяснить на основе классической физики. Только в середине двадцатого века, когда современные принципы квантовой механики были применены к анализу как металлов, так и полупроводников, теоретические расчеты значений проводимости согласились с результатами экспериментальных измерений.

В хорошем изоляторе электроны не могут двигаться, потому что почти все разрешенные орбитальные состояния заняты. Затем должна быть подана энергия, чтобы вывести электрон из крайнего связанного положения в более высокое разрешенное состояние. Это оставляет вакансию, в которую другой связанный электрон может запрыгнуть под действием электрического поля. Таким образом, как возбужденный электрон, так и его вакансия становятся подвижными. Вакансия действует как положительный заряд, называемый дыркой, и дрейфует в направлении, противоположном электронам.Электроны и дырки обычно называют носителями заряда.

В хороших изоляторах энергия активации носителей заряда высока, и для их доступности требуется соответственно высокая температура. В плохих изоляторах, то есть в полупроводниках, активация происходит при температурах умеренно выше 80,6 ° F (27 ° C). Каждое вещество имеет характерное значение.

Составов гораздо больше, чем элементов, которые можно отнести к полупроводникам. Некоторые элементы из столбца IV периодической таблицы имеют ковалентные связи: углерод (C), германий (Ge) и кремний (Si).Для углерода только графитовая форма является полупроводниковой; алмаз — отличный изолятор. Следующий элемент в этой колонке, олово (Sn), претерпевает переход из полупроводника в металл при 59 ° F (15 ° C), ниже комнатной температуры, что указывает на неприемлемо низкую энергию активации. Другие элементы, которые демонстрируют полупроводниковые свойства, находятся в нижней части столбца VI, в частности селен (Se) и теллур (Te).

Существует две основные группы соединений с полупроводниковыми свойствами, названные в честь столбцов периодической таблицы, составляющих их компоненты: III-V, включая, среди прочего, арсенид галлия (GaAs) и антимонид индия (InSb); и II-VI, включая сульфид цинка (ZnS), селениды, теллуриды и некоторые оксиды.Во многих отношениях эти соединения имитируют поведение элементов IV столбца. Их химические связи бывают смешанными ковалентными и ионными. Также существуют органические полупроводниковые соединения, но их анализ выходит за рамки данной статьи.

Полупроводник называется внутренним, если его проводимость является результатом равного вклада его собственных электронов и дырок. Затем уравнение необходимо расширить:

σ = n _e e μ _e + n _h e μ _h

В собственном полупроводнике n _e = n _h , а e имеет одинаковое числовое значение для электрона (-) и оставшейся дырки (+).Подвижности обычно разные. Эти термины складываются, потому что противоположные заряды движутся в противоположных направлениях, что приводит к появлению пары одинаковых знаков в каждом продукте.

Для применения в устройствах полупроводники редко используются в чистом или собственном составе. В тщательно контролируемых условиях вводятся примеси, которые вносят либо избыток, либо недостаток электронов. Избыточные электроны нейтрализуют дырки, так что для проводимости доступны только электроны. Полученный материал называется n-типом, n — отрицательный носитель.Примером материала n-типа является Si с Sb, элементом IV столбца с примесью столбца V, известной как донор. В материале n-типа донорные атомы остаются фиксированными и положительно ионизированными. Когда примесь столбца III вводится в элемент столбца IV, электроны связываются и становятся доступными дырки. Этот материал называется p-типом, p для положительного носителя. Примеси колонки III известны как акцепторы; в материале акцепторные атомы остаются фиксированными и отрицательно ионизированными. Примером материала p-типа является Si с Ga.Полупроводники n-типа и p-типа называются внешними.

Тепловая кинетическая энергия — не единственный механизм высвобождения носителей заряда в полупроводниках. Фотоны с энергией, равной энергии активации, могут быть поглощены связанным электроном, который в собственном полупроводнике добавляет себя и дырку в качестве мобильных носителей. Эти фотоны могут находиться в видимом диапазоне или в ближнем инфракрасном диапазоне, в зависимости от E _G . В обычных полупроводниках фотоны с гораздо более низкими энергиями могут вносить вклад в пул преобладающего типа носителей, при условии, что материал охлаждается до криогенных температур, чтобы уменьшить популяцию термически активированных носителей.Такое поведение известно как фотопроводимость.

Каждый отдельный вид полупроводника является омическим, с постоянной проводимостью при постоянной температуре. Однако с повышением температуры проводимость увеличивается очень быстро. Концентрация доступных носителей изменяется в соответствии с экспоненциальной функцией:

n α exp [- (E _G / kT)]

где E _G — щель или энергия активации, k — постоянная Больцмана (1,38 ← × 10 ²³ джоулей / кельвин), T — абсолютная (кельвинская) температура, а произведение kT — тепловая энергия, соответствующая температуре T.Увеличение доступных носителей заряда перекрывает любое снижение подвижности, и это приводит к отрицательному значению a. Действительно, уменьшение сопротивления с повышением температуры является надежным признаком того, что вещество является полупроводником, а не металлом. Графит является примером проводника, который во многих отношениях кажется металлическим, за исключением отрицательного α. Обратное, положительное значение α, не является отличным признаком металлической проводимости.

Уровень Ферми E _F может отображаться по-разному для собственных полупроводников, полупроводников n-типа и p-типа.Однако для физически связанных материалов E _F должен быть таким же для теплового равновесия. Это следствие законов термодинамики и сохранения энергии. Таким образом, поведение различных переходов, в которых внутренние энергетические уровни сдвигаются, чтобы приспособиться к выравниванию уровня Ферми, чрезвычайно важно для полупроводниковых устройств.

Неомическая проводимость отмечается нелинейными графиками зависимости тока от напряжения. Это происходит в полупроводниковых переходах, растворах электролитов, некоторых ионных твердых веществах, не находящихся в растворе, ионизированных газах и электронных лампах.Соответствующие примеры включают полупроводниковые p-n-диоды, растворы аккумуляторной кислоты или щелочи, кристаллы галогенидов щелочных металлов, ионизированные пары ртути в люминесцентной лампе и электронно-лучевые трубки.

Ионная проводимость намного ниже электронной, потому что масса и диаметр ионов делают их гораздо менее подвижными. Хотя ионы могут медленно дрейфовать в газе или жидкости, их движение через промежутки твердой решетки гораздо более ограничено. Тем не менее, с их тепловой кинетической энергией ионы будут диффундировать через решетку и в присутствии электрического поля будут блуждать по направлению к соответствующему электроду.В большинстве случаев будет иметь место как ионная, так и электронная проводимость, в зависимости от примесей. Таким образом, для исследования ионной проводимости материал должен быть очень чистым твердым телом.

В газах атомы газа должны ионизироваться электрическим полем, достаточным для обеспечения энергии ионизации газа в трубке. Для стабильных токов отношение поля к давлению газа, E / P, является основным параметром. Электроны, возвращающиеся в связанные состояния, создают характерный спектр газа, качественно связанный с цветом, т.е.g., красный для неона, желто-оранжевый для паров натрия или сине-белый для паров ртути.

Основное определение плазмы в физике включает все материальные проводники, омические и неомические. Плазма — это среда, в которой присутствует примерно равное количество противоположных зарядов, так что среда является нейтральной или почти нейтральной. В металле отрицательные электроны отделены от равного количества ядер положительных ионов. В полупроводнике могут быть дырки и электроны (собственные), дырки и ионизированные акцепторы (p-тип) или электроны и ионизированные доноры (n-тип).В растворе электролита и в ионном твердом теле есть положительные и отрицательные ионы. Ионизированный газ содержит электроны и положительные ионы. Небольшое различие между ними может быть сделано относительно того, имеет ли среда одну или две мобильных несущих.

В современном использовании термин плазма обычно относится к чрезвычайно горячим газам, таким как те, которые используются в Токамаке для экспериментов по ядерному синтезу. Плазма высоких энергий обсуждается в статье о термоядерном синтезе как средстве выработки электроэнергии.

КЛЮЧЕВЫЕ ТЕРМИНЫ

Решетка — Структура атомов в твердом теле.В проводящем материале ионные остовы составляют решетку.

Разность потенциалов — В проводнике, по которому проходит электрический ток, это разность потенциальной энергии на единицу заряда.

Остающаяся категория неомической проводимости — это вакуумная трубка, в которой пучок электронов испускается либо из нагретого катода (термоэлектронный), либо из подходящего освещенного катода (фотоэлектрический) и движется через вакуумированное пространство к аноду. Луч на своем пути подвергается контролю в электростатических или магнитных полях.Вакуумированное пространство нельзя классифицировать ни как материал с определяемой проводимостью, ни как плазму, поскольку в нем присутствуют только электроны. Однако необходимо проанализировать отношения тока и напряжения. Эти графики обычно нелинейны или линейны в ограниченном диапазоне. Но вакуумные лампы не называют омическими даже в их линейных диапазонах, потому что нет материала, подверженного поведению решетки, ранее описанному как основание для омического сопротивления.