Когда в газе появляется электрической ток: Электрический ток в газах – кратко о самостоятельном разряде в физике

Содержание

определение, особенности и интересные факты

Образуется направленным движением свободных электронов и что при этом никаких изменений вещества, из которого проводник сделан, не происходит.

Такие проводники, в которых прохождение электрического тока не сопровождается химическими изменениями их вещества, называются проводниками первого рода . К ним относятся все металлы, уголь и ряд других веществ.

Но есть в природе и такие проводники электрического тока, в которых во время прохождения тока происходят химические явления. Эти проводники называются проводниками второго рода . К ним относятся главным образом различные растворы в воде кислот, солей и щелочей.

Если в стеклянный сосуд налить воды и прибавить в нее несколько капель серной кислоты (или какой-либо другой кислоты или щелочи), а затем взять две металлические пластины и присоединить к ним проводники опустив эти пластины в сосуд, а к другим концам проводников подключить источник тока через выключатель и амперметр, то произойдет выделение газа из раствора, причем оно будет продолжаться непрерывно, пока замкнута цепь т.

к. подкисленная вода действительно является проводником. Кроме того, пластины начнут покрываться пузырьками газа. Затем эти пузырьки будут отрываться от пластин и выходить наружу.

При прохождении по раствору электрического тока происходят химические изменения, в результате которых выделяется газ.

Проводники второго рода называются электролитами , а явление, происходящее в электролите при прохождении через него электрического тока, — .

Металлические пластины, опущенные в электролит, называются электродами; одна из них, соединенная с положительным полюсом источника тока, называется анодом , а другая, соединенная с отрицательным полюсом,- катодом .

Чем же обусловливается прохождение электрического тока в жидком проводнике? Оказывается, в таких растворах (электролитах) молекулы кислоты (щелочи, соли) под действием растворителя (в данном случае воды) распадаются на две составные части, причем одна частица молекулы имеет положительный электрический заряд, а другая отрицательный.

Частицы молекулы, обладающие электрическим зарядом, называются ионами . При растворении в воде кислоты, соли или щелочи в растворе возникает большое количество как положительных, так и отрицательных ионов.

Теперь должно стать понятным, почему через раствор прошел электрический ток, ведь между электродами, соединенными с источником тока, создана , иначе говоря, один из них оказался заряженным положительно, а другой отрицательно. Под действием этой разности потенциалов положительные ионы начали перемешаться по направлению к отрицательному электроду — катоду, а отрицательные ионы — к аноду.

Таким образом, хаотическое движение ионов стало упорядоченным встречным движением отрицательных ионов в одну сторону и положительных в другую. Этот процесс переноса зарядов и составляет течение электрического тока через электролит и происходит до тех пор, пока имеется разность потенциалов на электродах. С исчезновением разности потенциалов прекращается ток через электролит, нарушается упорядоченное движение ионов, и вновь наступает хаотическое движение.

В качестве примера рассмотрим явление электролиза при пропускании электрического тока через раствор медного купороса CuSO4 с опущенными в него медными электродами.

Явление электролиза при прохождении тока через раствор медного купороса: С — сосуд с электролитом, Б — источник тока, В — выключатель

Здесь также будет встречное движение ионов к электродам. Положительным ионом будет ион меди (Си), а отрицательным — ион кислотного остатка (SO4). Ионы меди при соприкосновении с катодом будут разряжаться (присоединяя к себе недостающие электроны), т. е. превращаться в нейтральные молекулы чистой меди, и в виде тончайшего (молекулярного) слоя отлагаться на катоде.

Отрицательные ионы, достигнув анода, также разряжаются (отдают излишние электроны). Но при этом они вступают в химическую реакцию с медью анода, в результате чего к кислотному остатку SO4 присоединяется молекула меди Сu и образуется молекула медного купороса СuS О4 , возвращаемая обратно электролиту.

Так как этот химический процесс протекает длительное время, то на катоде отлагается медь, выделяющаяся из электролита.

При этом электролит вместо ушедших на катод молекул меди получает новые молекулы меди за счет растворения второго электрода — анода.

Тот же самый процесс происходит, если вместо медных взяты цинковые электроды, а электролитом служит раствор цинкового купороса Zn SO4. Цинк также будет переноситься с анода на катод.

Таким образом, разница между электрическим током в металлах и жидких проводниках заключается в том, что в металлах переносчиками зарядов являются только свободные электроны, т. е. отрицательные заряды, тогда как в электролитах переносится разноименно заряженными частицами вещества — ионами, двигающимися в противоположных направлениях. Поэтому говорят, что электролиты обладают ионном проводимостью.

Явление электролиза было открыто в 1837 г. Б. С. Якоби, который производил многочисленные опыты по исследованию и усовершенствованию химических источников тока. Якоби установил, что один из электродов, помещенных в раствор медного купороса, при прохождении через него электрического тока покрывается медью.

Это явление, названное гальванопластикой , находит сейчас чрезвычайно большое практическое применение. Одним из примеров тому может служить покрытие металлических предметов тонким слоем других металлов, т. е. никелирование, золочение, серебрение и т. д.

Газы (в том числе и воздух) в обычных условиях не проводят электрический ток. Например, голые , будучи подвешены параллельно друг другу, оказываются изолированными один от другого слоем воздуха.

Однако под воздействием высокой температуры, большой разности потенциалов и других причин газы, подобно жидким проводникам, ионизируются , т. е. в них появляются в большом количестве частицы молекул газа, которые, являясь переносчиками электричества, способствуют прохождению через газ электрического тока.

Но вместе с тем ионизация газа отличается от ионизации жидкого проводника. Если в жидкости происходит распад молекулы на две заряженные части, то в газах под действием ионизации от каждой молекулы всегда отделяются электроны и остается ион в виде положительно заряженной части молекулы.

Стоит только прекратить ионизацию газа, как он перестанет быть проводящим, тогда как жидкость всегда остается проводником электрического тока. Следовательно, проводимость газа — явление временное, зависящее от действия внешних причин.

Однако есть и другой , называемый дуговым разрядом или просто электрической дугой. Явление электрической дуги было открыто в начале 19-го столетия первым русским электротехником В. В. Петровым.

В. В. Петров, проделывая многочисленные опыты, обнаружил, что между двумя древесными углями, соединенными с источником тока, возникает непрерывный электрический разряд через воздух, сопровождаемый ярким светом. В своих трудах В. В. Петров писал, что при этом «темный покой достаточно ярко освещен быть может». Так впервые был получен электрический свет, практически применил который еще один русский ученый-электротехник Павел Николаевич Яблочков.

«Свеча Яблочкова», работа которой основана на использовании электрической дуги, совершила в те времена настоящий переворот в электротехнике.

Дуговой разряд применяется как источник света и в наши дни, например в прожекторах и проекционных аппаратах. Высокая температура дугового разряда позволяет использовать его для . В настоящее время дуговые печи, питаемые током очень большой силы, применяются в ряде областей промышленности: для выплавки стали, чугуна, ферросплавов, бронзы и т.д. А в 1882 году Н. Н. Бенардосом дуговой разряд впервые был использован для резки и сварки металла.

В газосветных трубках, лампах дневного света, стабилизаторах напряжения, для получения электронных и ионных пучков используется так называемый тлеющий газовый разряд .

Искровой разряд 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.

1. Ионизация, ее сущность и виды.

Первым условием существования электрического тока является наличие свободных носителей заряда. В газах они возникают в результате ионизации. Под действием факторов ионизации от нейтральной частицы отделяется электрон. Атом становится положительным ионом. Таким образом, возникает 2 типа носителей заряда: положительный ион и свободный электрон. Если электрон присоединится к нейтральному атому, то возникает отрицательный ион, т.е. третий тип носителей заряда. Ионизированный газ называют проводником третьего рода. Здесь возможно 2 типа проводимости: электронная и ионная. Одновременно с процессами ионизации идет обратный процесс- рекомбинация. Для отделения электрона от атома надо затратить энергию. Если энергия поводится извне, то факторы способствующие ионизации, называются внешними (высокая температура, ионизирующее излучение, у/ф излучение, сильные магнитные поля).

В зависимости от факторов ионизации, ее называют термоионизацией, фотоионизацией. Также ионизация может быть вызвана механическим ударом. Факторы ионизации делятся на естественные и искусственные. Естественная вызвана излучением Солнца, радиоактивным фоном Земли. Кроме внешней ионизацией есть внутренняя. Ее делят на ударную и ступенчатую.

Ударная ионизация.

При достаточно высоком напряжении, электроны разогнанные полем до больших скоростей, сами становятся источником ионизации. При ударе такого электрона о нейтральный атом происходит выбивание электрона из атома. Это происходит, когда энергия электрона, вызывающего ионизацию, превышает энергию ионизации атома. Напряжение между электродами должно быть достаточным для приобретения электроном нужной энергии. Это напряжение называется ионизационным. Для каждого имеет свое значение.

Если энергия движущегося электрона меньше, чем это необходимо, то при ударе происходит лишь возбуждение нейтрального атома. Если движущийся электрон сталкивается с предварительно возбужденным атомом, то происходит ступенчатая ионизация.

2. Несамостоятельный газовый разряд и его вольт-амперная характеристика.

Ионизация приводит к выполнению первого условия существования тока, т.е. к появлению свободных зарядов. Для возникновения тока необходимо наличие внешней силы, которая заставит заряды двигаться направленно, т.е. необходимо электрическое поле. Электрический ток в газах сопровождаются рядом явлений: световых, звуковых, образование озона, окислов азота. Совокупность явлений сопровождающих прохождением тока через газ- газовый разряд . Часто газовым разрядом называют сам процесс прохождения тока.

Разряд называется несамостоятельным, если он существует только во время действия внешнего ионизатора. В этом случае после прекращения действия внешнего ионизатора не образуются новые носители заряда, и ток прекращается. При несамостоятельном разряде токи имеют по величине небольшое значение, а свечение газа отсутствует.

Самостоятельный газовый разряд, его виды и характеристика.

Самостоятельный газовый разряд — это разряд, который может существовать после прекращения действия внешнего ионизатора, т. е. за счет ударной ионизации. В этом случае наблюдается световые и звуковые явления, сила тока может значительно увеличиваться.

Виды самостоятельного разряда:

1. тихий разряд -следует непосредственно за несамостоятельным, сила тока не превышает 1 мА, звуковых и световых явлений нет. Применяется в физиотерапии, счетчиках Гейгера — Мюллера.

2. тлеющий разряд . При увеличении напряжения тихий переходит в тлеющий. Он возникает при определенном напряжении — напряжении зажигания. Оно зависит от вида газа. У неона 60-80 В. Также зависит от давления газа. Тлеющий разряд сопровождается свечением, оно связано с рекомбинацией, идущей с выделением энергии. Цвет также зависит от вида газа. Применяется в индикаторных лампах (неоновых, у/ф бактерицидных, осветительных, люминесцентных).

3. дуговой разряд. Сила тока 10 — 100 А. Сопровождается интенсивным свечением, температура в газоразрядном промежутке достигает нескольких тысяч градусов. Ионизация достигает почти 100%. 100% ионизированный газ — холодная газовая плазма. У нее хорошая проводимость. Применяется в ртутных лампах высокого и сверхвысокого давления.

4. Искровой разряд — это разновидность дугового. Это разряд импульсно — колебательного характера. В медицине применяется воздействие высокочастотных колебаний.При большой плотности тока наблюдаются интенсивные звуковые явления.

5. коронный разряд . Это разновидность тлеющего разряда Он наблюдается в местах где происходит резкое изменение напряженности электрического поля. Здесь возникает лавина зарядов и свечение газов — корона.

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.

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 газе. Введение

Это краткий пересказ.

Работа над полной версией продолжается


Лекция 2 1

Ток в газах

1. Общие положения

Определение: Явление прохождения электрического тока в газах называется газовым разрядом .

Поведение газов сильно зависит от его параметров, таких как температура и давление, причем эти параметры достаточно легко меняются. Поэтому, протекание электрического тока в газах является более сложным, чем в металлах или в вакууме.

Газы не подчиняются закону Ома.

2. Ионизация и рекомбинация

Газ, находящийся при нормальных условиях, состоит практически из нейтральных молекул, поэтому, крайне плохо проводит электрический ток. Однако при внешних воздействиях от атома может оторваться электрон и появляется положительно заряженный ион. Кроме того, электрон может присоединиться к нейтральному атому и образовать отрицательно заряженный ион. Таким образом, можно получить ионизованный газ, т.е. плазму.

К внешним воздействиям относятся нагрев, облучение энергичным фотонам, бомбардировка другими частицами и сильные поля, т.е. те же условия, которые необходимы для элементарной эмиссии.

Электрон в атоме находится в потенциальной яме, и чтобы вырваться оттуда, необходимо атому сообщить дополнительную энергию, которая называется энергией ионизации.

Вещество

Энергия ионизации, эВ

Атом водорода

13,59

Молекула водорода

15,43

Гелий

24,58

Атом кислорода

13,614

Молекула кислорода

12,06

Наряду с явлением ионизации наблюдается и явление рекомбинации, т.е. объединение электрона и положительного иона в нейтральный атом. Данный процесс происходит с выделением энергии, равной энергии ио низации. Эта энергия может пойти на излучение или на нагрев. Локальный нагрев газа приводит к локальному изменению давления. Что в свою очередь приводит к появлению звуковых волн. Таким образом, газовый разряд сопровождается световыми, тепловыми и шумовыми эффектами.

3. ВАХ газового разряда.

На начальных стадиях необходимо действие внешнего ионизатора.

На участке ОАВ ток существует под действием внешнего ионизатора и быстро выходит на насыщение, когда все ионизованные частицы участвуют в образовании тока. Если убрать внешний ионизатор, то ток прекращается.

Данный вид разряда называется несамостоятельным газовым разрядом. При попытке увеличить напряжение в газе появляются лавины электронов, и ток растет практически при постоянном напряжении, которое называется напряжением зажигания (ВС ).

С этого момента разряд становится самостоятельным и отпадает необходимость внешнего ионизатора. Число ионов может стать столь большим, что сопротивление межэлектродного промежутка уменьшится и соответственно упадет напряжение (СД).

Затем в межэлектродном промежутке область прохождения тока начинает сужаться, и сопротивление растет, а следовательно, растет напряжение (ДЕ).

При попытке увеличить напряжение газ становится полностью ионизованным. Сопротивление и напряжение падает до нуля, и ток вырастает во много раз. Получается дуговой разряд (Е F ).

ВАХ показывает, что газ совершенно не подчиняется закону Ома.

4. Процессы в газе

Процессы, которые могут привести к образованию лавин электронов показаны на рисунке.

Это элементы качественной теории Таунсенда .

5. Тлеющий разряд.

При низких давлениях и небольших напряжениях можно наблюдать этот разряд.

К – 1 (темное астоново пространство).

1 – 2 (светящаяся катодная пленка).

2 – 3 (темное круксово пространство).

3 – 4 (первое катодное свечение).

4 – 5 (темное фарадеево пространство)

5 – 6 (положительный анодный столб).

6 – 7 (анодное темное пространство).

7 – А (анодное свечение).

Если сделать анод подвижным, то длину положительного столба можно регулировать, практически не меняя размеры области К – 5.

В темных областях происходит разгон частиц и набор энергии, в светлых происходят процессы ионизации и рекомбинации.

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.

В газах существуют несамостоятельные и самостояг тельные электрические разряды.

Явление протекания электрического тока через газ, наблюдаемое только при условии какого-либо внешнего воздействия на газ, называется несамостоятельным электрическим разрядом. Процесс отрыва электрона от атома называется ионизацией атома. Минимальная энергия, которую необходимо затратить для отрыва электрона от атома, называется энергией ионизации. Частично или полностью ионизированный газ, в котором плотности положительных и отрицательных зарядов одинаковы, называется плазмой .

Носителями электрического тока при несамостоятельном разряде являются положительные ионы и отрицательные электроны. Вольт-амперная характеристика представлена на рис. 54. В области ОАВ — несамостоятельный разряд. В области ВС разряд становится самостоятельным.

При самостоятельном разряде одним из способов ионизации атомов является ионизация электронным ударом. Ионизация электронным ударом становится возможна тогда, когда электрон на длине свободного пробега А приобретает кинетическую энергию W k , достаточную для совершения работы по отрыву электрона от атома. Виды самостоятельных разрядов в газах — искровой, коронный, дуговой и тлеющий разряды.

Искровой разряд возникает между двумя электродами заряженными разными зарядами и имеющие большую разность потенциалов. Напряжение между разноименно заряженными телами достигает до 40 000 В. Искровой разряд кратковременный, его механизм — электронный удар. Молния — вид искрового разряда.

В сильно неоднородных электрических полях, образующихся, например, между острием и плоскостью или между проводом линии электропередачи и поверхностью Земли, возникает особая форма самостоятельного разряда в газах, называемая коронным разрядом .

Электрический дуговой разряд был открыт русским ученым В. В. Петровым в 1802 г. При соприкосновении двух электродов из углей при напряжении 40-50 В в некоторых местах возникают участки малого сечения с большим электрическим сопротивлением. Эти участки сильно разогреваются, испускают электроны, которые ионизируют атомы и молекулы между электродами. Носителями электрического тока в дуге являются положительно заряженные ионы и электроны.

Разряд, возникающий при пониженном давлении, называется тлеющим разрядом . При понижении давления увеличивается длина свободного пробега электрона, и за время между столкновениями он успевает приобрести достаточную для ионизации энергию в электрическом поле с меньшей напряженностью. Разряд осуществляется электронно-ионной лавиной.

Темы кодификатора ЕГЭ : носители свободных электрических зарядов в газах.

При обычных условиях газы состоят из электрически нейтральных атомов или молекул; свободных зарядов в газах почти нет. Поэтому газы являются диэлектриками — электрический ток через них не проходит.

Мы сказали «почти нет», потому что на самом деле газах и, в частности, в воздухе всегда присутствует некоторое количество свободных заряженных частиц. Они появляются в результате ионизирующего воздействия излучений радиоактивных веществ, входящих в состав земной коры, ультрафиолетового и рентгеновского излучений Солнца, а также космических лучей — потоков частиц высокой энергии, проникающих в атмосферу Земли из космического пространства. Впоследствии мы вернёмся к этому факту и обсудим его важность, а сейчас заметим лишь, что в обычных условиях проводимость газов, вызванная «естественным» количеством свободных зарядов, пренебрежимо мала, и её можно не принимать во внимание.

На изолирующих свойствах воздушного промежутка основано действие переключателей в электрических цепях (рис. 1 ). Например, небольшого воздушного зазора в выключателе света оказывается достаточно, чтобы разомкнуть электрическую цепь в вашей комнате.

Рис. 1. Ключ

Можно, однако, создать такие условия, при которых электрический ток в газовом промежутке появится. Давайте рассмотрим следующий опыт.

Зарядим пластины воздушного конденсатора и подсоединим их к чувствительному гальванометру (рис. 2 , слева). При комнатной температуре и не слишком влажном воздухе гальванометр не покажет заметного тока: наш воздушный промежуток, как мы и говорили, не является проводником электричества.

Рис. 2. Возникновение тока в воздухе

Теперь внесём в зазор между пластинами конденсатора пламя горелки или свечи (рис. 2 , справа). Ток появляется! Почему?

Свободные заряды в газе

Возникновение электрического тока между пластинами кондесатора означает, что в воздухе под воздействием пламени появились свободные заряды . Какие именно?

Опыт показывает, что электрический ток в газах является упорядоченным движением заряженных частиц трёх видов . Это электроны , положительные ионы и отрицательные ионы .

Давайте разберёмся, каким образом эти заряды могут появляться в газе.

При увеличении температуры газа тепловые колебания его частиц — молекул или атомов — становятся всё интенсивнее. Удары частиц друг о друга достигают такой силы, что начинается ионизация — распад нейтральных частиц на электроны и положительные ионы (рис. 3 ).

Рис. 3. Ионизация

Степенью ионизации называется отношение числа распавшихся частиц газа к общему исходному числу частиц. Например, если степень ионизации равна , то это означает, что исходных частиц газа распалось на положительные ионы и электроны.

Степень ионизации газа зависит от температуры и резко возрастает с её увеличением. У водорода, например, при температуре ниже степень ионизации не превосходит , а при температуре выше степень ионизации близка к (то есть водород почти полностью ионизирован (частично или полностью ионизированный газ называется плазмой )).

Помимо высокой температуры имеются и другие факторы, вызывающие ионизацию газа.

Мы их уже вскользь упоминали: это радиоактивные излучения, ультрафиолетовые, рентгеновские и гамма-лучи, космические частицы. Всякий такой фактор, являющийся причиной ионизации газа, называется ионизатором .

Таким образом, ионизация происходит не сама по себе, а под воздействием ионизатора.

Одновременно идёт и обратный процесс — рекомбинация , то есть воссоединение электрона и положительного иона в нейтральную частицу (рис. 4 ).

Рис. 4. Рекомбинация

Причина рекомбинации проста: это кулоновское притяжение противоположно заряженных электронов и ионов. Устремляясь навстречу друг другу под действием электрических сил, они встречаются и получают возможность образовать нейтральный атом (или молекулу — в зависимости от сорта газа).

При неизменной интенсивности действия ионизатора устанавливается динамическое равновесие: среднее количество частиц, распадающихся в единицу времени, равно среднему количеству рекомбинирующих частиц (иными словами, скорость ионизации равна скорости рекомбинации).Если действие ионизатора усилить (например, повысить температуру), то динамическое равновесие сместится в сторону ионизации, и концентрация заряженных частиц в газе возрастёт. Наоборот, если выключить ионизатор, то рекомбинация начнёт преобладать, и свободные заряды постепенно исчезнут полностью.

Итак, положительные ионы и электроны появляются в газе в результате ионизации. Откуда же берётся третий сорт зарядов — отрицательные ионы? Очень просто: электрон может налететь на нейтральный атом и присоединиться к нему! Этот процесс показан на рис. 5 .

Рис. 5. Появление отрицательного иона

Образованные таким образом отрицательные ионы будут участвовать в создании тока наряду с положительными ионами и электронами.

Несамостоятельный разряд

Если внешнего электрического поля нет, то свободные заряды совершают хаотическое тепловое движение наряду с нейтральными частицами газа. Но при наложении электрического поля начинается упорядоченное движение заряженных частиц — электрический ток в газе .

Рис. 6. Несамостоятельный разряд

На рис. 6 мы видим три сорта заряженных частиц, возникающих в газовом промежутке под действием ионизатора: положительные ионы, отрицательные ионы и электроны. Электрический ток в газе образуется в результате встречного движения заряженных частиц: положительных ионов — к отрицательному электроду (катоду), электронов и отрицательных ионов — к положительному электроду (аноду) .

Электроны, попадая на положительный анод, направляются по цепи к «плюсу» источника тока. Отрицательные ионы отдают аноду лишний электрон и, став нейтральными частицами, возвращаются в обратно газ; отданный же аноду электрон также устремляется к «плюсу» источника. Положительные ионы, приходя на катод, забирают оттуда электроны; возникший дефицит электронов на катоде немедленно компенсируется их доставкой туда с «минуса» источника. В результате этих процессов возникает упорядоченное движение электронов во внешней цепи. Это и есть электрический ток, регистрируемый гальванометром.

Описанный процесс, изображённый на рис. 6 , называется несамостоятельным разрядом в газе. Почему несамостоятельным? Потому для его поддержания необходимо постоянное действие ионизатора. Уберём ионизатор — и ток прекратится, поскольку исчезнет механизм, обеспечивающий появление свободных зарядов в газовом промежутке. Пространство между анодом и катодом снова станет изолятором.

Вольт-амперная характеристика газового разряда

Зависимость силы тока через газовый промежуток от напряжения между анодом и катодом (так называемая вольт-амперная характеристика газового разряда ) показана на рис. 7 .

Рис. 7. Вольт-амперная характеристика газового разряда

При нулевом напряжении сила тока, естественно, равна нулю: заряженные частицы совершают лишь тепловое движение, упорядоченного их движения между электродами нет.

При небольшом напряжении сила тока также мала. Дело в том, что не всем заряженным частицам суждено добраться до электродов: часть положительных ионов и электронов в процессе своего движения находят друг друга и рекомбинируют.

С повышением напряжения свободные заряды развивают всё большую скорость, и тем меньше шансов у положительного иона и электрона встретиться и рекомбинировать. Поэтому всё большая часть заряженных частиц достигает электродов, и сила тока возрастает (участок ).

При определённой величине напряжения (точка ) скорость движения зарядов становится настолько большой, что рекомбинация вообще не успевает происходить. С этого момента все заряженные частицы, образованные под действием ионизатора, достигают электродов, и ток достигает насыщения — а именно, сила тока перестаёт меняться с увеличением напряжения. Так будет происходить вплоть до некоторой точки .

Самостоятельный разряд

После прохождения точки сила тока при увеличении напряжения резко возрастает — начинается самостоятельный разряд . Сейчас мы разберёмся, что это такое.

Заряженные частицы газа движутся от столкновения к столкновению; в промежутках между столкновениями они разгоняются электрическим полем, увеличивая свою кинетическую энергию. И вот, когда напряжение становится достаточно большим (та самая точка ), электроны за время свободного пробега достигают таких энергий, что при соударении с нейтральными атомами ионизируют их! (С помощью законов сохранения импульса и энергии можно показать, что именно электроны (а не ионы), ускоряемые электрическим полем, обладают максимальной способностью ионизировать атомы.)

Начинается так называемая ионизация электронным ударом . Электроны, выбитые из ионизированных атомов, также разгоняются электрическим полем и налетают на новые атомы, ионизируя теперь уже их и порождая новые электроны. В результате возникающей электронной лавины число ионизированных атомов стремительно возрастает, вследствие чего быстро возрастает и сила тока.

Количество свободных зарядов становится таким большим, что необходимость во внешнем ионизаторе отпадает. Его можно попросту убрать. Свободные заряженные частицы теперь порождаются в результате внутренних процессов, происходящих в газе — вот почему разряд называется самостоятельным.

Если газовый промежуток находится под высоким напряжением, то для самостоятельного разряда не нужен никакой ионизатор. Достаточно в газе оказаться лишь одному свободному электрону, и начнётся описанная выше электронная лавина. А хотя бы один свободный электрон всегда найдётся!

Вспомним ещё раз, что в газе даже при обычных условиях имеется некоторое «естественное» количество свободных зарядов, обусловленное ионизирующим радиоактивным излучением земной коры, высокочастотным излучением Солнца, космическими лучами. Мы видели, что при малых напряжениях проводимость газа, вызванная этими свободными зарядами, ничтожно мала, но теперь — при высоком напряжении — они-то и породят лавину новых частиц, дав начало самостоятельному разряду. Произойдёт, как говорят, пробой газового промежутка.

Напряжённость поля, необходимая для пробоя сухого воздуха, равна примерно кВ/см. Иными словами, чтобы между электродами, разделёнными сантиметром воздуха, проскочила искра, на них нужно подать напряжение киловольт. Вообразите же, какое напряжение необходимо для пробоя нескольких километров воздуха! А ведь именно такие пробои происходят во время грозы — это прекрасно известные вам молнии.

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.

Рекомендуем также

Что такое электрический ток в газах. Введение

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.

В обычных условиях газы являются диэлектриками, т.к. состоят из нейтральных атомов и молекул, и в них нет достаточного количества свободных зарядов.Газы становятся проводниками лишь тогда, когда они каким-то образом ионизированы. Процесс ионизации газов заключается в том, что под действием каких-либо причин от атома отрывается один или несколько электронов. В результате этого вместо нейтрального атома возникают положительный ион и электрон .

    Распад молекул на ионы и электроны называется ионизацией газа .

Часть образовавшихся электронов может быть при этом захвачена другими нейтральными атомами, и тогда появляются отрицательно заряженные ионы .

Таким образом, в ионизованном газе имеются носители зарядов трех сортов: электроны, положительные ионы и отрицательные.

Отрыв электрона от атома требует затрат определенной энергии — энергии ионизации W i . Энергия ионизации зависит от химической природы газа и энергетического состояния электрона в атоме. Так, для отрыва первого электрона от атома азота затрачивается энергия 14,5 эВ, а для отрыва второго электрона — 29,5 эВ, для отрыва третьего — 47,4 эВ.

Факторы, вызывающие ионизацию газа называются ионизаторами .

Различают три вида ионизации: термоионизацию, фотоионизацию и ударную ионизацию.

    Термоионизация происходит в результате столкновения атомов или молекул газа при высокой температуре, если кинетическая энергия относительного движения сталкивающихся частиц превышает энергию связи электрона в атоме.

    Фотоионизация происходит под действием электромагнитного излучения (ультрафиолетового, рентгеновского или γ-излучения), когда энергия, необходимая для отрыва электрона от атома, передается ему квантом излучения.

    Ионизация электронным ударом (или ударная ионизация ) — это образование положительно заряженных ионов в результате столкновений атомов или молекул с быстрыми, обладающими большой кинетической энергией, электронами.

Процесс ионизации газа всегда сопровождается противоположным процессом восстановления нейтральных молекул из разноименно заряженных ионов вследствие их электрического притяжения. Это явление называется рекомбинацией . При рекомбинации выделяется энергия, равная энергии, затраченной на ионизацию. Это может вызвать, например, свечение газа.

Если действие ионизатора неизменно, то в ионизованном газе устанавливается динамическое равновесие, при котором в единицу времени восстанавливается столько же молекул, сколько их распадается на ионы. При этом концентрация заряженных частиц в ионизованном газе остается неизменной. Если же прекратить действие ионизатора, то рекомбинация начнет преобладать над ионизацией и число ионов быстро уменьшится почти до нуля. Следовательно, наличие заряженных частиц в газе — явление временное (пока действует ионизатор).

При отсутствии внешнего поля заряженные частицы движутся хаотически.

Газовый разряд

При помещении ионизированного газа в электрическое поле на свободные заряды начинают действовать электрические силы, и они дрейфуют параллельно линиям напряженности: электроны и отрицательные ионы — к аноду, положительные ионы — к катоду (рис. 1). На электродах ионы превращаются в нейтральные атомы, отдавая или принимая электроны, тем самым замыкая цепь. В газе возникает электрический ток.

    Электрический ток в газах — это направленное движение ионов и электронов.

Электрический ток в газах называется газовым разрядом .

Полный ток в газе складывается из двух потоков заряженных частиц: потока, идущего к катоду, и потока, направленного к аноду.

В газах сочетается электронная проводимость, подобная проводимости металлов, с ионной проводимостью, подобной проводимости водных растворов или расплавов электролитов.

Таким образом, проводимость газов имеет ионно-электронный характер .

Образуется направленным движением свободных электронов и что при этом никаких изменений вещества, из которого проводник сделан, не происходит.

Такие проводники, в которых прохождение электрического тока не сопровождается химическими изменениями их вещества, называются проводниками первого рода . К ним относятся все металлы, уголь и ряд других веществ.

Но есть в природе и такие проводники электрического тока, в которых во время прохождения тока происходят химические явления. Эти проводники называются проводниками второго рода . К ним относятся главным образом различные растворы в воде кислот, солей и щелочей.

Если в стеклянный сосуд налить воды и прибавить в нее несколько капель серной кислоты (или какой-либо другой кислоты или щелочи), а затем взять две металлические пластины и присоединить к ним проводники опустив эти пластины в сосуд, а к другим концам проводников подключить источник тока через выключатель и амперметр, то произойдет выделение газа из раствора, причем оно будет продолжаться непрерывно, пока замкнута цепь т.к. подкисленная вода действительно является проводником. Кроме того, пластины начнут покрываться пузырьками газа. Затем эти пузырьки будут отрываться от пластин и выходить наружу.

При прохождении по раствору электрического тока происходят химические изменения, в результате которых выделяется газ.

Проводники второго рода называются электролитами , а явление, происходящее в электролите при прохождении через него электрического тока, — .

Металлические пластины, опущенные в электролит, называются электродами; одна из них, соединенная с положительным полюсом источника тока, называется анодом , а другая, соединенная с отрицательным полюсом,- катодом .

Чем же обусловливается прохождение электрического тока в жидком проводнике? Оказывается, в таких растворах (электролитах) молекулы кислоты (щелочи, соли) под действием растворителя (в данном случае воды) распадаются на две составные части, причем одна частица молекулы имеет положительный электрический заряд, а другая отрицательный.

Частицы молекулы, обладающие электрическим зарядом, называются ионами . При растворении в воде кислоты, соли или щелочи в растворе возникает большое количество как положительных, так и отрицательных ионов.

Теперь должно стать понятным, почему через раствор прошел электрический ток, ведь между электродами, соединенными с источником тока, создана , иначе говоря, один из них оказался заряженным положительно, а другой отрицательно. Под действием этой разности потенциалов положительные ионы начали перемешаться по направлению к отрицательному электроду — катоду, а отрицательные ионы — к аноду.

Таким образом, хаотическое движение ионов стало упорядоченным встречным движением отрицательных ионов в одну сторону и положительных в другую. Этот процесс переноса зарядов и составляет течение электрического тока через электролит и происходит до тех пор, пока имеется разность потенциалов на электродах. С исчезновением разности потенциалов прекращается ток через электролит, нарушается упорядоченное движение ионов, и вновь наступает хаотическое движение.

В качестве примера рассмотрим явление электролиза при пропускании электрического тока через раствор медного купороса CuSO4 с опущенными в него медными электродами.

Явление электролиза при прохождении тока через раствор медного купороса: С — сосуд с электролитом, Б — источник тока, В — выключатель

Здесь также будет встречное движение ионов к электродам. Положительным ионом будет ион меди (Си), а отрицательным — ион кислотного остатка (SO4). Ионы меди при соприкосновении с катодом будут разряжаться (присоединяя к себе недостающие электроны), т. е. превращаться в нейтральные молекулы чистой меди, и в виде тончайшего (молекулярного) слоя отлагаться на катоде.

Отрицательные ионы, достигнув анода, также разряжаются (отдают излишние электроны). Но при этом они вступают в химическую реакцию с медью анода, в результате чего к кислотному остатку SO4 присоединяется молекула меди Сu и образуется молекула медного купороса СuS О4 , возвращаемая обратно электролиту.

Так как этот химический процесс протекает длительное время, то на катоде отлагается медь, выделяющаяся из электролита. При этом электролит вместо ушедших на катод молекул меди получает новые молекулы меди за счет растворения второго электрода — анода.

Тот же самый процесс происходит, если вместо медных взяты цинковые электроды, а электролитом служит раствор цинкового купороса Zn SO4. Цинк также будет переноситься с анода на катод.

Таким образом, разница между электрическим током в металлах и жидких проводниках заключается в том, что в металлах переносчиками зарядов являются только свободные электроны, т. е. отрицательные заряды, тогда как в электролитах переносится разноименно заряженными частицами вещества — ионами, двигающимися в противоположных направлениях. Поэтому говорят, что электролиты обладают ионном проводимостью.

Явление электролиза было открыто в 1837 г. Б. С. Якоби, который производил многочисленные опыты по исследованию и усовершенствованию химических источников тока. Якоби установил, что один из электродов, помещенных в раствор медного купороса, при прохождении через него электрического тока покрывается медью.

Это явление, названное гальванопластикой , находит сейчас чрезвычайно большое практическое применение. Одним из примеров тому может служить покрытие металлических предметов тонким слоем других металлов, т. е. никелирование, золочение, серебрение и т. д.

Газы (в том числе и воздух) в обычных условиях не проводят электрический ток. Например, голые , будучи подвешены параллельно друг другу, оказываются изолированными один от другого слоем воздуха.

Однако под воздействием высокой температуры, большой разности потенциалов и других причин газы, подобно жидким проводникам, ионизируются , т. е. в них появляются в большом количестве частицы молекул газа, которые, являясь переносчиками электричества, способствуют прохождению через газ электрического тока.

Но вместе с тем ионизация газа отличается от ионизации жидкого проводника. Если в жидкости происходит распад молекулы на две заряженные части, то в газах под действием ионизации от каждой молекулы всегда отделяются электроны и остается ион в виде положительно заряженной части молекулы.

Стоит только прекратить ионизацию газа, как он перестанет быть проводящим, тогда как жидкость всегда остается проводником электрического тока. Следовательно, проводимость газа — явление временное, зависящее от действия внешних причин.

Однако есть и другой , называемый дуговым разрядом или просто электрической дугой. Явление электрической дуги было открыто в начале 19-го столетия первым русским электротехником В. В. Петровым.

В. В. Петров, проделывая многочисленные опыты, обнаружил, что между двумя древесными углями, соединенными с источником тока, возникает непрерывный электрический разряд через воздух, сопровождаемый ярким светом. В своих трудах В. В. Петров писал, что при этом «темный покой достаточно ярко освещен быть может». Так впервые был получен электрический свет, практически применил который еще один русский ученый-электротехник Павел Николаевич Яблочков.

«Свеча Яблочкова», работа которой основана на использовании электрической дуги, совершила в те времена настоящий переворот в электротехнике.

Дуговой разряд применяется как источник света и в наши дни, например в прожекторах и проекционных аппаратах. Высокая температура дугового разряда позволяет использовать его для . В настоящее время дуговые печи, питаемые током очень большой силы, применяются в ряде областей промышленности: для выплавки стали, чугуна, ферросплавов, бронзы и т.д. А в 1882 году Н. Н. Бенардосом дуговой разряд впервые был использован для резки и сварки металла.

В газосветных трубках, лампах дневного света, стабилизаторах напряжения, для получения электронных и ионных пучков используется так называемый тлеющий газовый разряд .

Искровой разряд 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.

Это краткий пересказ.

Работа над полной версией продолжается


Лекция 2 1

Ток в газах

1. Общие положения

Определение: Явление прохождения электрического тока в газах называется газовым разрядом .

Поведение газов сильно зависит от его параметров, таких как температура и давление, причем эти параметры достаточно легко меняются. Поэтому, протекание электрического тока в газах является более сложным, чем в металлах или в вакууме.

Газы не подчиняются закону Ома.

2. Ионизация и рекомбинация

Газ, находящийся при нормальных условиях, состоит практически из нейтральных молекул, поэтому, крайне плохо проводит электрический ток. Однако при внешних воздействиях от атома может оторваться электрон и появляется положительно заряженный ион. Кроме того, электрон может присоединиться к нейтральному атому и образовать отрицательно заряженный ион. Таким образом, можно получить ионизованный газ, т.е. плазму.

К внешним воздействиям относятся нагрев, облучение энергичным фотонам, бомбардировка другими частицами и сильные поля, т.е. те же условия, которые необходимы для элементарной эмиссии.

Электрон в атоме находится в потенциальной яме, и чтобы вырваться оттуда, необходимо атому сообщить дополнительную энергию, которая называется энергией ионизации.

Вещество

Энергия ионизации, эВ

Атом водорода

13,59

Молекула водорода

15,43

Гелий

24,58

Атом кислорода

13,614

Молекула кислорода

12,06

Наряду с явлением ионизации наблюдается и явление рекомбинации, т.е. объединение электрона и положительного иона в нейтральный атом. Данный процесс происходит с выделением энергии, равной энергии ио низации. Эта энергия может пойти на излучение или на нагрев. Локальный нагрев газа приводит к локальному изменению давления. Что в свою очередь приводит к появлению звуковых волн. Таким образом, газовый разряд сопровождается световыми, тепловыми и шумовыми эффектами.

3. ВАХ газового разряда.

На начальных стадиях необходимо действие внешнего ионизатора.

На участке ОАВ ток существует под действием внешнего ионизатора и быстро выходит на насыщение, когда все ионизованные частицы участвуют в образовании тока. Если убрать внешний ионизатор, то ток прекращается.

Данный вид разряда называется несамостоятельным газовым разрядом. При попытке увеличить напряжение в газе появляются лавины электронов, и ток растет практически при постоянном напряжении, которое называется напряжением зажигания (ВС ).

С этого момента разряд становится самостоятельным и отпадает необходимость внешнего ионизатора. Число ионов может стать столь большим, что сопротивление межэлектродного промежутка уменьшится и соответственно упадет напряжение (СД).

Затем в межэлектродном промежутке область прохождения тока начинает сужаться, и сопротивление растет, а следовательно, растет напряжение (ДЕ).

При попытке увеличить напряжение газ становится полностью ионизованным. Сопротивление и напряжение падает до нуля, и ток вырастает во много раз. Получается дуговой разряд (Е F ).

ВАХ показывает, что газ совершенно не подчиняется закону Ома.

4. Процессы в газе

Процессы, которые могут привести к образованию лавин электронов показаны на рисунке.

Это элементы качественной теории Таунсенда .

5. Тлеющий разряд.

При низких давлениях и небольших напряжениях можно наблюдать этот разряд.

К – 1 (темное астоново пространство).

1 – 2 (светящаяся катодная пленка).

2 – 3 (темное круксово пространство).

3 – 4 (первое катодное свечение).

4 – 5 (темное фарадеево пространство)

5 – 6 (положительный анодный столб).

6 – 7 (анодное темное пространство).

7 – А (анодное свечение).

Если сделать анод подвижным, то длину положительного столба можно регулировать, практически не меняя размеры области К – 5.

В темных областях происходит разгон частиц и набор энергии, в светлых происходят процессы ионизации и рекомбинации.

В газах существуют несамостоятельные и самостояг тельные электрические разряды.

Явление протекания электрического тока через газ, наблюдаемое только при условии какого-либо внешнего воздействия на газ, называется несамостоятельным электрическим разрядом. Процесс отрыва электрона от атома называется ионизацией атома. Минимальная энергия, которую необходимо затратить для отрыва электрона от атома, называется энергией ионизации. Частично или полностью ионизированный газ, в котором плотности положительных и отрицательных зарядов одинаковы, называется плазмой .

Носителями электрического тока при несамостоятельном разряде являются положительные ионы и отрицательные электроны. Вольт-амперная характеристика представлена на рис. 54. В области ОАВ — несамостоятельный разряд. В области ВС разряд становится самостоятельным.

При самостоятельном разряде одним из способов ионизации атомов является ионизация электронным ударом. Ионизация электронным ударом становится возможна тогда, когда электрон на длине свободного пробега А приобретает кинетическую энергию W k , достаточную для совершения работы по отрыву электрона от атома. Виды самостоятельных разрядов в газах — искровой, коронный, дуговой и тлеющий разряды.

Искровой разряд возникает между двумя электродами заряженными разными зарядами и имеющие большую разность потенциалов. Напряжение между разноименно заряженными телами достигает до 40 000 В. Искровой разряд кратковременный, его механизм — электронный удар. Молния — вид искрового разряда.

В сильно неоднородных электрических полях, образующихся, например, между острием и плоскостью или между проводом линии электропередачи и поверхностью Земли, возникает особая форма самостоятельного разряда в газах, называемая коронным разрядом .

Электрический дуговой разряд был открыт русским ученым В. В. Петровым в 1802 г. При соприкосновении двух электродов из углей при напряжении 40-50 В в некоторых местах возникают участки малого сечения с большим электрическим сопротивлением. Эти участки сильно разогреваются, испускают электроны, которые ионизируют атомы и молекулы между электродами. Носителями электрического тока в дуге являются положительно заряженные ионы и электроны.

Разряд, возникающий при пониженном давлении, называется тлеющим разрядом . При понижении давления увеличивается длина свободного пробега электрона, и за время между столкновениями он успевает приобрести достаточную для ионизации энергию в электрическом поле с меньшей напряженностью. Разряд осуществляется электронно-ионной лавиной.

Урок » Електричний струм у газах. Самостійний та несамостійний розряд.»

Тема урока: Электрический ток в газах. Самостоятельный и несамостоятельный  разряд.

Цель урока:

Образовательная:  сформировать у учащихся представление об электрическом токе в газах, о самостоятельном и несамостоятельном разряде, показать практическое применение газового разряда в быту, в промышленности, технике.

Развивающая: развитие мышления, внимания и умения выделять главное; формирование умений устанавливать причинно-следственные связи, развитие логического мышления, познавательного интереса.

Воспитательная: воспитывать у ребят навыки общения и самоорганизации.

Тип урока: усвоение новых знаний.

Эпиграф к уроку:

«Позавчера мы ничего не знали об электричестве, вчера мы ничего не знали об огромных резервах энергии, содержащихся в атомном ядре, о чем мы не знаем сегодня?»

Луи де Бройль.

Ход урока

І. Организационный момент

ІІ . Мотивация учебной деятельности

По оценке метеорологов, за секунду в землю ударяют 100 молний, которые высвобождают электрические заряды, накопленные в 200 грозах, это каждое мгновение бичует Землю. Любой удар молнии распространяется со скоростью 80000 миль в секунду, составляющей около половины скорости света, и порождает температуру, достигающую около 50000°С. Любое свечение в природе вызывает удивление и страх. О природе таких свечений мы узнаем сегодня на уроке.

Объявление темы урока:

Ребята, запишите в тетради тему урока: “Электрический ток в газах Самостоятельный и несамостоятельный разряд”.(Слайд1)

 

ІІІ. Актуализация опорних знаний

Прежде чем приступить к изучению нового материала, мы немного повторим пройденный.

 Игра  «Закончить фразу» (За правильный быстрый ответ, выдается жетон)

 Электрическим током называется…

 За направление электрического тока принято направление…

 Положительный ион, это атом…

Отрицательный ион, это атом…

Основными носителями заряда в металлах являются…

Основными носителями заряда в электролитах являются…

Полупроводники р-типа отличаются от полупроводников п-типа…

С увеличением температуры и освещенности полупроводника его проводимость…

Молодцы! Вы показали свои знания, сообразительность, любознательность, готовность идти дальше.

IV. Изучение нового материала

Вы знаете, что при обычных условиях все газы являются диэлектриками, то есть не проводят электрического тока. Этим свойством объясняется, например, широкое использование воздуха в качестве изолирующего вещества. Принцип действия выключателей и рубильников как раз и основан на том, что размыкая их металлические контакты, мы создаем между ними прослойку воздуха, не проводящую ток .(Слайд2)

• При каких условиях газ из диэлектрика может стать проводником?

Демонстрация 1. Около заряженного электроскопа пламенем свечи нагреваем воздух. Электроскоп сразу же разряжается.(Слайд3)

Вывод: Нагретый воздух теряет свои изоляционные свойства. При нагревании происходит ионизация газа, в нем появляются свободные заряды, и газ становится проводником.

Для того, чтобы газы проводили электрический ток, необходима ионизация газов. Ионизация газов — распад молекул газа на электроны и положительные ионы. Ионизация газа может происходить под влиянием различных внешних взаимодействий:

— сильного нагрева газа,

— рентгеновских лучей,

— космических лучей,

— бомбардировки молекул газа  электронами или ионами. (Слайд4)

Запись в тетрадь. Процесс образования ионов и электронов в газах называется ионизацией.

Демонстрация 2. Приводим в действие электрофорную машину. Наблюдаем искры, проскакивающие между разрядниками.

Пояснение: оба конца разрядников находятся под электрическим напряжением, между ними существует электрическое поле. С отрицательно заряженного электрода могут отрываться отдельные электроны, которые начинают двигаться к аноду, создавая электрический ток. При высоких напряжениях энергии электронов может хватить на то, чтобы ионизировать на своем пути нейтральные атомы газа и «пополнить» ряды заряженных частиц.

Факторы, которые приводят к возникновению электронов и ионов в газах, называют ионизаторами. Если ионизатор перестает действовать, то газ снова становится диэлектриком: ионы и электроны, сталкиваясь, снова образуют нейтральные атомы и молекулы (происходит рекомбинация). Газовый разряд в этом случае прекращается. Такой разряд будем называть несамостоятельным газовым разрядом.

Запись в тетрадь. Самостоятельный газовый разряд — разряд, который не требует для своего поддержания внешнего ионизатора.

Различают тлеющий, дуговой, искровой и коронный газовые разряды. (Слайд5)

Сообщения учащихся:

Тлеющий газовый разряд

Наблюдается при малых давлениях (несколько тысяч Паскалей). Основными являются процессы ионизации электронным ударом и вторичной электронной эмиссии на катоде (под воздействием положительных ионов). Используют в газовых трубках, применяемых в рекламных щитах, в лампах дневного света. В газовых трубках баллон лампы чаще всего заполняют неоном (красное свечение) или аргоном (сине-зеленое свечение). Баллон лампы дневного света заполнен парами ртути и дает фиолетовое и ультрафиолетовое свечение, которое поглощается слоем люминофора и преобразуется в видимый свет.

Видеофрагмент «Применение тлеющего разряда».

Дуговой газовый разряд

Это непрерывный процесс прохождения электрического тока через воздушный зазор между электродами (роль одного из них может выполнять деталь). Сопровождается ярким свечением и сильным нагреванием электродов. Температура канала дуги достигает 5000—7000 °С (поверхность Солнца имеет температуру приблизительно 6000 °С). Происходит разряд благодаря термоэлектронной эмиссии с поверхности разогретого катода. Применяют в электросварке, металлургии, прожекторах.

Видеофрагмент «Дуга».

Искровой газовый разряд

Возникает при высоких напряжениях. Происходит электрический пробой диэлектрика. Искровой разряд имеет вид ярких разветвляющихся зигзагообразных полосочек, длится всего несколько десятков микросекунд и обычно сопровождается звуковыми эффектами (потрескивание, треск, гром и т. д.). Дело в том, что температура газа, а следовательно, и давление в канале разряда значительно повышаются, в результате воздух быстро расширяется и возникают звуковые волны. В технике искровой разряд используют, например, для зажигания бензиновых двигателей, для обработки особо прочных металлов. Примером грандиозного искрового разряда в природе является молния.

Видеофрагмент «Искровой разряд».

Один из учащихся делает небольшое сообщение об особенностях возникновения молнии и правилах поведения во время грозы.

Коронный газовый разряд

Возникает на заостренных концах проводников. Вблизи острия появляется сильное электрическое поле, воздух ионизируется, и возникает разряд, внешне напоминающий корону. Чтобы уменьшить вероятность возникновения коронного разряда, увеличивают диаметр проводов.

 

Ионизированный газ, получаемый в процессе самостоятельного разряда, представляет собой особое состояние вещества — плазму. Чем выше температура, тем выше степень ионизации плазмы. Например, при 160 000 К В водородной плазме уже отсутствуют нейтральные атомы или молекулы. При температурах порядка миллиона градусов любое вещество находится в состоянии плазмы. В космическом пространстве это самое распространенное состояние вещества.

V. Закрепление нового материала

Вопросы для организации беседы

• Чем ионизация газа отличается от ионизации жидкости? {Ответ: При ионизации жидкости свободные электроны не образуются, при газовой ионизации наряду с ионами образуются свободные электроны.)

• Чем самостоятельный разряд отличается от несамостоятельного?При каких условиях несамостоятельный газовый разряд может стать самостоятельным?

• Что произойдет с электрической дугой, если охладить катод? анод? {Ответ: При охлаждении катода дуга гаснет — прекращается термоэлектронная эмиссия, при охлаждении анода — дуга горит.)

• Почему полярные сияния происходят чаще и активнее в периоды наибольшей солнечной активности?

• Какими способами можно ионизировать атомы газа?

• Почему говорят, что молния может находить зарытые под землей клады?

• Почему у альпинистов существует правило: ночуешь высоко в горах — все металлические предметы собери и сложи подальше от лагеря?

VІ. Задание на дом

Прочитать П.25.Ответить на вопросы в конце параграфа.

VІІ. Рефлексия. Итог урока.      

Фронтальный опрос:

– что понравилось на уроке?

– что хотелось бы изменить?

– что хотелось бы добавить в урок?

– как вы оцениваете вою сегодняшнюю работу на уроке? почему?

 Вы познаете тайны природы. Много в ней загадочного и необъяснимого. Сегодня мы прикоснулись еще к одной тайне, тайне  электрических разрядов.

Видеофрагмент «Искровой разряд».

 

Электрическая сварочная дуга

Дуговой разряд происходит тогда, когда через газ проходит электрический ток. Он является одним из нескольких видов электрических разрядов, которые могут возникать в газовой среде. Ученые утверждают, что именно он является самой развитой, наивысшей формой стационарных газовых разрядов.

В условиях низких температур окружающей среды газы совершенно не проводят электрический ток и являются изоляторами. В проводники они превращаются только тогда, когда в них появляется значительное количество положительно или отрицательно заряженных частиц, называемых в физике ионами.

Они образуются в газовых средах в ходе протекания в них такого процесса, как ионизация. Соответственно, газ, в котором имеются положительно или отрицательно заряженные частицы, именуется ионизированным, и он обладает способностью к проведению электрического тока. Факторов, которые оказывают влияние на ионизацию газовых сред, существует немало. Особенно важно, что ионизировать газовые среды можно с помощью электрического тока, который через них пропускается. В таких случаях электропроводность газов и степень их ионизации определяется проходящим через них током.

Для ионизированных газовых сред такое понятие, как электрическое сопротивление, полностью теряет свое практическое значение, поскольку оно может иметь абсолютно любую величину, от бесконечно большой до бесконечно малой. Соответственно, зависимость между приложенным к некоторому газовому промежутку напряжением и величиной возникающего в нем при этом электрического тока отсутствует. Именно по этой причине для дугового разряда, возникающего в ионизированной газовой среде, не имеет никакого смысла вопрос, какова именно будет величина тока при том или ином напряжении: она может принимать самые разные значения в зависимости от того, какие именно параметры имеет питающая цепь.

В газовых средах в качестве источников заряженных частиц могут выступать непосредственно сами молекулы газа. Когда к ним подводится достаточно большое количество энергии, они могут ионизироваться, то есть образовывать электрически заряженные частицы. В физике такой способ называется объемной ионизацией или ионизацией в объеме.

В качестве источника заряженных частиц могут выступать также жидкие или твердые тела, входящие в соприкосновение с тем газовым объемом, в котором протекает электрический разряд. Следует заметить, что при этом особенно важную роль играет катод (отрицательно заряженный электрод), поскольку именно он в подавляющем большинстве случаев является тем источником, из которого свободные электроны попадают в разряд.

Для того чтобы в газовой среде возник электрический разряд, необходимо наличие целого ряда условий. Одним из важнейших из них является достаточная сила тока в цепи. Тот разряд, который возникает, определенным образом стягивается и концентрируется. Он отвечает минимальным параметрам мощности при имеющейся силе тока, протекает в большинстве случаев в условиях очень высокой плотности, а также достаточно четко ограничивается в окружающей его среде.

Если рассматривать дуговой разряд схематически, то он состоит из таких основных элементов, как катодное и анодное пятна, пламя дуги и столб дуги.

Самой важной с практической точки зрения частью дугового разряда является положительный столб (часто его именуют просто столбом). Располагается он между анодом (положительным электродом) и катодом (отрицательным электродом) и чаще всего имеет или коническую, или сферическую форму. Ионизированный газ положительного столба светится очень ярко, к тому же он имеет чрезвычайно высокую температуру (около +6000°С). Положительный столб окружен ореолом дуги (пламенем), который имеет достаточно значительные размеры. Это пламя образуется газами и парами, которые поступают из столба дуги. Они вступают во взаимодействие с окружающей средой, и охлаждаются по мере того, как удаляются от оси столба. Степень ионизации газа столба очень велика.

У самых поверхностей пятен, в тонких прилегающих к ним слоях газа происходит несколько важных процессов, которые связаны с образованием и нейтрализацией положительно и отрицательно заряженных частиц, а также с переходом электрического тока по направлению из электродов в газовые промежутки и обратно. В этих зонах осуществляется преобразование большого количества электрической энергии в энергию тепловую. Именно она разогревает и расплавляет основной металл, благодаря чему и происходит процесс сварки. Необходимо отметить большую величину освобождаемой на поверхностях пятен удельной мощности: она может достигать нескольких десятков киловатт на один квадратный сантиметр площади.

Бомбардировка катода и анода производится поступающими из столба дуги электронами. Те из них, которые падают на анод, отдают ему потенциальную и кинетическую энергию, и прекращают свое свободное существование. Таким образом, именно благодаря процессу электронной бомбардировки анод получает большое количество энергии и поэтому разогревается до высокой температуры. В большинстве случаев количество энергии, которая освобождается на аноде, больше, чем то, которое освобождается на катоде, но иногда встречается и обратное соотношение.

 

 

 

Разряд электрический — это… Что такое Разряд электрический?

Потеря электричества каким-либо наэлектризованным телом, т. е. Р. этого тела, может происходить различными способами, вследствие чего и явления, сопровождающие Р., могут получаться по характеру весьма неодинаковые. Все разнообразные формы Р. можно подразделить на три главнейших вида: Р. в виде электрического тока, или Р. проводящий, Р. конвекционный и Р. разрывной. Р. в виде тока происходит тогда, когда наэлектризованное тело соединяется с землей или с другим телом, обладающим электричеством, равным по количеству и противоположным по знаку с электричеством на разряжающемся теле, при посредстве проводников или даже изоляторов, но изоляторов, у которых поверхность покрыта слоем, проводящим электричество, напр. поверхность смочена или загрязнена. В этих случаях происходит полный Р. данного тела, причем продолжительность этого Р. обусловливается сопротивлением и формой (см. Самоиндукция) проводников, чрез которые происходит Р. Чем меньше сопротивление и коэффициент самоиндукции проводников, тем быстрее происходит Р. тела. Тело разряжается отчасти, т. е. его Р. происходит неполный, когда оно соединяется проводниками с каким-либо другим телом, не наэлектризованным или наэлектризованным слабее, чем оно. В этих случаях тем большая часть электричества теряется телом, чем больше емкость того тела, которое присоединяется к нему при помощи проводников. Явления, сопровождающие Р. в виде тока, качественно одинаковы с явлениями, которые вызываются электрическим током, возбуждаемым обыкновенными гальваническими элементами. Р. конвенционный происходит в том случае, когда хорошо изолированное тело находится в среде жидкой или газообразной, содержащей в себе частицы, способные электризоваться и под влиянием электрических сил способные двигаться в этой среде. Р. разрывной — это Р. тела или в землю, или в другое тело, противоположно наэлектризованное, через среду, не проводящую электричество. Явление происходит так, как будто непроводящая среда уступает действию тех натяжений, которые возникают в ней под влиянием электризации тела, и предоставляет путь электричеству. Такой разрывной Р. всегда сопровождается световыми явлениями и может происходить в различных формах. Но все эти формы разрывного Р. можно подразделить на три категории: Р. при помощи искры, Р. при помощи кисти, Р. сопровождающийся сиянием, или тихий P. Все эти Р. имеют между собой сходство в том отношении, что, несмотря на малую продолжительность, каждый из них представляет совокупность нескольких Р., т. е. при этих Р. тело теряет свое электричество не непрерывно, а перемежающимся образом. Р. при помощи искры является в большинстве случаев колебательным (см. Колебательный Р.). Р. при помощи искры образуется тогда, когда к наэлектризованному телу, находящемуся в каком-либо газе немалой упругости или в жидкости, приближено достаточно близко другое тело, проводящее электричество и соединенное с землей или же наэлектризованное противоположно данному телу. Искра может образоваться и тогда, когда между такими двумя телами будет находиться слой какого-либо твердого изолятора. В этом случае искра пробивает этот слой, образуя в нем сквозное отверстие и трещины. Искра сопровождается всегда особым треском, происходящим от быстрого потрясения той среды, в которой она получается. Когда искра коротка, она имеет вид светлой прямолинейной черты. Толщина этой черты обусловливается количеством электричества, которое теряется наэлектризованным телом при помощи этой искры. По мере увеличения длины искры она становится тоньше и вместе с тем отклоняется от вида прямолинейной черты, принимает форму зигзагообразной линии, а затем, при дальнейшем удлинении, разветвляется и, наконец, переходит в форму кисти (табл., фиг. 1). При помощи вращающегося зеркала можно обнаружить, что появляющаяся искра состоит в действительности из целого ряда отдельных искорок, следующих одна за другой через некоторый промежуток времени. Длина образующейся искры, или так называемое разрядное расстояние, зависит от разности потенциалов тех тел, между которыми получается эта искра. Однако и при одной и той же разности потенциалов двух тел длина образующейся между ними искры изменяется несколько в зависимости от формы этих тел. Так, при данной разности потенциалов искра получается длиннее, когда она образуется между двумя дисками, чем в том случае, когда она должна проскочить между двумя шарами. Да и для различных шаров искра не одинаковой длины. Она тем длиннее, чем больше разнятся друг от друга по размерам два шара. При данной разности потенциалов получается наиболее короткая искра, т. е. получается наименьшее разрядное расстояние, в том случае, когда искра должна получиться между двумя шарами одинаковых размеров. Изменение упругости газа оказывает весьма большое влияние на величину разности потенциалов, необходимой для образования искры данной длины. С уменьшением упругости газа эта разность потенциалов также уменьшается. Природа газа, в котором является искра, оказывает немалое влияние на величину необходимой разности потенциалов. При одной и той же длине искры и при одной и той же упругости газа эта разность потенциалов — наименьшая для водорода, она больше для воздуха и еще больше для угольной кислоты. Для получения искры в жидкости требуется разность потенциалов большая, чем для получения такой же искры в газе. Вещество тел, между которыми образуется искра, оказывает весьма малое влияние на разность потенциалов, нужную для возникновения искры. При малых длинах искры в воздухе или в другом каком-либо газе образующая искру разность потенциалов весьма близко пропорциональна длине искры. При больших длинах искры связь между длиною искры и необходимой для этого разностью потенциалов не так проста. В этом случае при возрастании разности потенциалов длина искры увеличивается быстре увеличения разности потенциалов. В следующей таблице содержатся данные для выражения длины искр и соответствующих им разностей потенциалов (искры образуются между двумя дисками, у одного поверхность мало выпуклая).

—————————————————————

| Длина           | Разность потенциалов, |

| искры, в стм | в вольтах                      |

|————————————————————|

| 0,0205           | 1000                             |

|————————————————————|

| 0,0430           | 2000                             |

|————————————————————|

| 0,0660           | 3000                             |

|————————————————————|

| 0,1176           | 5000                             |

|————————————————————|

| 0,2863           | 10000                           |

|————————————————————|

| 0,3378           | 11300                           |

—————————————————————

РАЗРЯД ЭЛЕКТРИЧЕСКИЙ.

Электрическая искра имеет цветовой оттенок в зависимости от природы тел, между которыми она образуется. Так, она окрашена в зеленый цвет, когда появляется между медными или серебряными телами; она имеет красноватый оттенок, когда получается между железными телами. Спектры искр состоят из светлых линий, причем часть этих линий соответствует спектрам тех металлов, из которых приготовлены тела, разряжающиеся через эти искры; другая часть линий принадлежит спектрам газов, в которых образуются искры. Чем сильнее искра, тем ярче получаются металлические спектральные линии. Р. при помощи кисти получается обыкновенно в том случае, когда изолированное проводящее тело, находящееся в газе, сильно наэлектризовано и вблизи его нет другого тела на таком расстоянии, чтобы могла образоваться искра. Кисть появляется на более выдающихся частях поверхности тела. На конце острия особенно легко получается кисть. В воздухе кисть имеет фиолетовый оттенок и состоит из большего числа разветвлений в виде весьма тонких веточек. Все эти веточки как бы исходят из одного корешка, более яркого по свету и расположенного на положительно наэлектризованном теле (фиг. 2). Другое тело, находящееся поблизости к первому и наэлектризованное отрицательно, покрывается на стороне, обращенной к кисти, светящимся слоем. Когда Р. происходит между двумя остриями, то на положительном острие получается кисть, а на отрицательном является лишь светящаяся точка. Возникновение кисти сопровождается всегда особым свистящим и шипящим звуком. Весьма интересны фигуры, получающиеся на фотографических пластинках, подвергнутых действию Р. через острие и затем проявленных. Эти фигуры весьма неодинаковы для положительного и отрицательного элекричества Помещенные здесь рисунки (фиг. 3, 4) представляют копии фигур, полученных на фотографических пластинках покойным лаборантом физ. лаборатории Спб. унив. Н. Н. Хамонтовым. Тихий Р., или Р. при помощи сияния, получается в том случае, когда наэлектризованное тело находится в газе, имеющем малую упругость. Особенно хорошо наблюдается это явление в Гейсслеровых трубках (см. Гейсслеровы трубки). В Гейсслеровых трубках сияние получается как бы всходящим из конца положительного электрода (анода). Это сияние заполняет собой внутренность трубки (оно называется положителным светом) и отделяется темным пространством от другого света, начинающегося у отрицательного электрода (катода), который является при этом весь окруженным светящимся ореолом. Положительный свет представляет обыкновенно ряд параллельно расположенных, слегка выпуклых светящихся слоев, отделенных друг от друга темными промежутками (явление стратификации, фиг. 5). С изменением упругости газа в Гейсслеровой трубке изменяется и самое свечение ее. Чем меньше эта упругость, тем слабее развивается положительный свет в ней и тем резче получается отрицательное свечение. Цвет свечения в Гейсслеровой трубке зависит от природы газа, наполняющего ее. В трубке, заполненной воздухом, положительный свет имеет красноватый оттенок, отрицательный свет — голубоватый; трубка с водородом, светится красноватым, с азотом медно-красным, с кислородом розовым с угольной кислотой и окисью углерода — светло-сероватым светом. Спектр свечения в Гейсслеровой трубке обнаруживает лишь линии, принадлежащие газу в этой трубке. В этом спектре не наблюдаются линии, соответствующие спектру металла электродов. Наблюдения показывают, что при свечении Гейсслеровой трубки температура газа в ней может быть весьма небольшая, она может быть меньше 100°. Магнит оказывает значительное влияние на форму свечения газа в Гейсслеровой трубке. Действие магнита в этом случае подобно действию его на гибкие проводники с токами. Стратификация положительного света начинается при некоторой упругости, она усиливается вместе с разрежением, т. е. число слоев возрастает, когда упругость газа уменьшается, но так продолжается до определенной упругости. При некоторой упругости число слоев начинает уменьшаться, самые слои становятся толще, и наконец они совсем исчезают. Когда упругость в трубке доводится до весьма малой величины, когда она измеряется миллионными долями атмосферы, характер световых явлений в трубке совершенно изменяется. В этом случае положительный свет почти вполне исчезает и в трубке является лишь один отрицательный свет в виде слабо светящегося пучка лучей, как бы исходящих по направлению нормалей к поверхности катода. Трубки с таким разрежением носят название трубок Крукса. Лучи, испускаемые катодом, так называемые катодные лучи, встречая стеклянную поверхность трубки, возбуждают довольно яркую фосфоресценцию в стекле, имеющую зеленый оттенок. Эти лучи возбуждают фосфоресценцию и во многих других телах, если только они падают на эти тела. Так, особенно ярко фосфоресцируют алмазы, рубины и др. минералы. Катодные лучи при встрече с твердыми телами, находящимися внутри трубки, производят значительное нагревание этих тел и могут вызвать даже сильное накаливание их. Катодные лучи испытывают действие магнита — они отклоняются последним. Они производят давление на тело, на которое падают, и могут вызвать движение этого тела. Так, при помощи катодных лучей можно заставить вращаться маленькое мельничное колесико, помещенное внутри Круксовой трубки. Из исследования природы катодных лучей оказалось, что эти лучи представляют собой быстро движущиеся по направлению от катода материальные частички, заряженные отрицательным электричеством. Там, где катодные лучи встречают твердое тело, возбуждаются особые лучи, открытые Рентгеном (см. Рентгеновские лучи).

И. Боргман.

определение, особенности и интересные факты

В обычных условиях газы являются диэлектриками, т.к. состоят из нейтральных атомов и молекул, и в них нет достаточного количества свободных зарядов.Газы становятся проводниками лишь тогда, когда они каким-то образом ионизированы. Процесс ионизации газов заключается в том, что под действием каких-либо причин от атома отрывается один или несколько электронов. В результате этого вместо нейтрального атома возникают положительный ион и электрон .

    Распад молекул на ионы и электроны называется ионизацией газа .

Часть образовавшихся электронов может быть при этом захвачена другими нейтральными атомами, и тогда появляются отрицательно заряженные ионы .

Таким образом, в ионизованном газе имеются носители зарядов трех сортов: электроны, положительные ионы и отрицательные.

Отрыв электрона от атома требует затрат определенной энергии — энергии ионизации W i . Энергия ионизации зависит от химической природы газа и энергетического состояния электрона в атоме. Так, для отрыва первого электрона от атома азота затрачивается энергия 14,5 эВ, а для отрыва второго электрона — 29,5 эВ, для отрыва третьего — 47,4 эВ.

Факторы, вызывающие ионизацию газа называются ионизаторами .

Различают три вида ионизации: термоионизацию, фотоионизацию и ударную ионизацию.

    Термоионизация происходит в результате столкновения атомов или молекул газа при высокой температуре, если кинетическая энергия относительного движения сталкивающихся частиц превышает энергию связи электрона в атоме.

    Фотоионизация происходит под действием электромагнитного излучения (ультрафиолетового, рентгеновского или γ-излучения), когда энергия, необходимая для отрыва электрона от атома, передается ему квантом излучения.

    Ионизация электронным ударом (или ударная ионизация ) — это образование положительно заряженных ионов в результате столкновений атомов или молекул с быстрыми, обладающими большой кинетической энергией, электронами.

Процесс ионизации газа всегда сопровождается противоположным процессом восстановления нейтральных молекул из разноименно заряженных ионов вследствие их электрического притяжения. Это явление называется рекомбинацией . При рекомбинации выделяется энергия, равная энергии, затраченной на ионизацию. Это может вызвать, например, свечение газа.

Если действие ионизатора неизменно, то в ионизованном газе устанавливается динамическое равновесие, при котором в единицу времени восстанавливается столько же молекул, сколько их распадается на ионы. При этом концентрация заряженных частиц в ионизованном газе остается неизменной. Если же прекратить действие ионизатора, то рекомбинация начнет преобладать над ионизацией и число ионов быстро уменьшится почти до нуля. Следовательно, наличие заряженных частиц в газе — явление временное (пока действует ионизатор).

При отсутствии внешнего поля заряженные частицы движутся хаотически.

Газовый разряд

При помещении ионизированного газа в электрическое поле на свободные заряды начинают действовать электрические силы, и они дрейфуют параллельно линиям напряженности: электроны и отрицательные ионы — к аноду, положительные ионы — к катоду (рис. 1). На электродах ионы превращаются в нейтральные атомы, отдавая или принимая электроны, тем самым замыкая цепь. В газе возникает электрический ток.

    Электрический ток в газах — это направленное движение ионов и электронов.

Электрический ток в газах называется газовым разрядом .

Полный ток в газе складывается из двух потоков заряженных частиц: потока, идущего к катоду, и потока, направленного к аноду.

В газах сочетается электронная проводимость, подобная проводимости металлов, с ионной проводимостью, подобной проводимости водных растворов или расплавов электролитов.

Таким образом, проводимость газов имеет ионно-электронный характер .

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.

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.

В обычных условиях газы не проводят электрический ток, так как их молекулы электрически нейтральны. Например, сухой воздух — это хороший изолятор, в чем мы могли убедиться с помощью самых простых опытов по электростатике. Однако воздух и другие газы становятся проводниками электрического тока, если в них тем или иным способом создать ионы.

Рис. 100. Воздух становится проводником электрического тока, если его ионизировать

Простейший опыт, иллюстрирующий проводимость воздуха при его ионизации пламенем показан на рис. 100: заряд на пластинах, сохраняющийся в течение длительного времени, быстро исчезает при внесении зажженной спички в пространство между пластинами.

Газовый разряд. Процесс прохождения электрического тока через газ обычно называют газовым разрядом (или электрическим разрядом в газе). Газовые разряды подразделяются на два вида: самостоятельные и несамостоятельные.

Несамостоятельный разряд. Разряд в газе называют несамостоятельным, если для его поддержания необходим внешний источник

ионизации. Ионы в газе могут возникать под действием высоких температур, рентгеновского и ультрафиолетового излучения, радиоактивности, космических лучей и т. д. Во всех этих случаях происходит освобождение одного или нескольких электронов из электронной оболочки атома или молекулы. В результате в газе появляются положительные ионы и свободные электроны. Освободившиеся электроны могут присоединяться к нейтральным атомам или молекулам, превращая их в отрицательные ионы.

Ионизация и рекомбинация. Наряду с процессами ионизации в газе происходят и обратные процессы рекомбинации: соединяясь между собой, положительные и отрицательные ионы или положительные ионы и электроны образуют нейтральные молекулы или атомы.

Изменение со временем концентрации ионов, обусловленное постоянным источником ионизации и процессами рекомбинации, можно описать следующим образом. Допустим, что источник ионизации создает в единице объема газа за единицу времени положительных ионов и такое же число электронов. Если в газе нет электрического тока и можно пренебречь уходом ионов из рассматриваемого объема из-за диффузии, то единственным механизмом уменьшения концентрации ионов будет рекомбинация.

Рекомбинация происходит при встрече положительного иона с электроном. Число таких встреч пропорционально как числу ионов, так и числу свободных электронов, т. е. пропорционально . Поэтому убыль числа ионов в единице объема в единицу времени может быть записана в виде , где а — постоянная величина, называемая коэффициентом рекомбинации.

При справедливости введенных предположений уравнение баланса ионов в газе запишется в виде

Мы не будем решать это дифференциальное уравнение в общем виде, а рассмотрим некоторые интересные частные случаи.

Прежде всего отметим, что процессы ионизации и рекомбинации через некоторое время должны скомпенсировать друг друга и в газе установится постоянная концентрация видно, что при

Стационарная концентрация ионов тем больше, чем мощнее источник ионизации и чем меньше коэффициент рекомбинации а.

После выключения ионизатора убывание концентрации ионов описывается уравнением (1), в котором нужно положить принять в качестве начального значения концентрации

Переписав это уравнение в виде после интегрирования получаем

График этой функции показан на рис. 101. Он представляет собой гиперболу, асимптотами которой являются ось времени и вертикальная прямая Разумеется, физический смысл имеет лишь участок гиперболы, соответствующий значениям Отметим медленный характер убывания концентрации со временем в сравнении с часто встречающимися в физике процессами экспоненциального затухания, которые реализуются, когда скорость убывания какой-либо величины пропорциональна первой степени мгновенного значения этой величины.

Рис. 101. Убывание концентрации ионов в газе после выключения источника ионизации

Несамостоятельная проводимость. Процесс спадания концентрации ионов после прекращения действия ионизатора значительно ускоряется, если газ находится во внешнем электрическом поле. Вытягивая электроны и ионы на электроды, электрическое поле может очень быстро обратить в нуль электропроводность газа в отсутствие ионизатора.

Для уяснения закономерностей несамостоятельного разряда рассмотрим для простоты случай, когда ток в ионизуемом внешним источником газе течет между двумя плоскими электродами, параллельными друг другу. В этом случае ионы и электроны находятся в однородном электрическом поле напряженности Е, равной отношению приложенного к электродам напряжения к расстоянию между ними.

Подвижность электронов и ионов. При постоянном приложенном напряжении в цепи устанавливается некоторая постоянная сила тока 1. Это значит, что электроны и ионы в ионизованном газе движутся с постоянными скоростями. Чтобы объяснить этот факт, нужно считать, что кроме постоянной ускоряющей силы электрического поля на движущиеся ионы и электроны действуют силы сопротивления, растущие с увеличением скорости. Эти силы описывают усредненный эффект столкновений электронов и ионов с нейтральными атомами и молекулами газа. Благодаря силам сопротивления

устанавливаются в среднем постоянные скорости электронов и ионов, пропорциональные напряженности Е электрического поля:

Коэффициенты пропорциональности называются подвижностями электрона и иона. Подвижности ионов и электронов имеют разные значения и зависят от сорта газа, его плотности, температуры и т. д.

Плотность электрического тока т. е. заряд, переносимый электронами и ионами за единицу времени через единичную площадку, выражается через концентрацию электронов и ионов их заряды и скорости установившегося движения

Квазинейтральность. В обычных условиях ионизованный газ в целом электронейтрален, или, как говорят, квазинейтрален, ибо в малых объемах, содержащих сравнительно небольшое число электронов и ионов, условие электронейтральности может и нарушаться. Это значит, что выполняется соотношение

Плотность тока при несамостоятельном разряде. Чтобы получить закон изменения со временем концентрации носителей тока при несамостоятельном разряде в газе, нужно наряду с процессами ионизации внешним источником и рекомбинации учесть также уход электронов и ионов на электроды. Число частиц, уходящих в единицу времени на электрод площади из объема равно Скорость убывания концентрации таких частиц мы получим, разделив это число на объем газа между электродами. Поэтому уравнение баланса вместо (1) при наличии тока запишется в виде

Для установления режима, когда из (8) получаем

Уравнение (9) позволяет найти зависимость плотности установившегося тока при несамостоятельном разряде от приложенного напряжения (или от напряженности поля Е).

Два предельных случая видны непосредственно.

Закон Ома. При низком напряжении, когда в уравнении (9) можно пренебречь вторым слагаемым в правой части, после чего получаем формулы (7) при этом имеем

Плотность тока пропорциональна напряженности приложенного электрического поля. Таким образом, для несамостоятельного газового разряда в слабых электрических полях выполняется закон Ома.

Ток насыщения. При низкой концентрации электронов и ионов в уравнении (9) можно пренебречь первым (квадратичным по слагаемым в правой части. В этом приближении вектор плотности тока направлен вдоль напряженности электрического поля, а его модуль

не зависит от приложенного напряжения. Этот результат справедлив для сильных электрических полей. В этом случае говорят о токе насыщения.

Оба рассмотренных предельных случая можно исследовать и не обращаясь к уравнению (9). Однако таким путем нельзя проследить, как при увеличении напряжения происходит переход от закона Ома к нелинейной зависимости тока от напряжения.

В первом предельном случае, когда ток очень мал, основной механизм удаления электронов и ионов из области разряда — это рекомбинация. Поэтому для стационарной концентрации можно воспользоваться выражением (2), что при учете (7) немедленно дает формулу (10). Во втором предельном случае, наоборот, пренебрегается рекомбинацией. В сильном электрическом поле электроны и ионы не успевают сколько-нибудь заметно рекомбинировать за время пролета от одного электрода до другого, если концентрация их достаточно мала. Тогда все образуемые внешним источником электроны и ионы достигают электродов и полная плотность тока равна Она пропорциональна длине ионизационной камеры, поскольку полное число производимых ионизатором электронов и ионов пропорционально I.

Экспериментальное изучение газового разряда. Выводы теории несамостоятельного газового разряда подтверждаются экспериментами. Для исследования разряда в газе удобно использовать стеклянную трубку с двумя металлическими электродами. Электрическая схема такой установки показана на рис. 102. Подвижности

электронов и ионов сильно зависят от давления газа (обратно пропорционально давлению), поэтому опыты удобно проводить при пониженном давлении.

На рис. 103 представлена зависимость силы тока I в трубке от приложенного к электродам трубки напряжения Ионизацию в трубке можно создать, например, рентгеновскими или ультрафиолетовыми лучами либо с помощью слабого радиоактивного препарата. Существенно только, чтобы внешний источник ионов оставался неизменным Линейный участок ОА вольт-амперной характеристики соответствует области применимости закона Ома.

Рис. 102. Схема установки для изучения газового разряда

Рис. 103. Экспериментальная вольт-амперная характеристика газового разряда

На участке сила тока нелинейно зависит от напряжения. Начиная с точки В ток достигает насыщения и остается постоянным на некотором участке Все это соответствует теоретическим предсказаниям.

Самостоятельный разряд. Однако в точке С снова начинается возрастание тока, сначала медленное, а затем очень резкое. Это означает, что в газе появился новый, внутренний источник ионов. Если теперь убрать внешний источник, то разряд в газе не прекращается, т. е. из несамостоятельного разряд переходит в самостоятельный. При самостоятельном разряде образование новых электронов и ионов происходит в результате внутренних процессов в самом газе.

Ионизация электронным ударом. Нарастание тока при переходе от несамостоятельного разряда к самостоятельному происходит лавинообразно и называется электрическим пробоем газа. Напряжение, при котором происходит пробой, называется напряжением зажигания. Оно зависит от рода газа и от произведения давления газа на расстояние между электродами.

Процессы в газе, ответственные за лавинообразное нарастание силы тока при увеличении приложенного напряжения, связаны с ионизацией нейтральных атомов или молекул газа свободными электронами, разогнанными электрическим полем до достаточно

больших энергий. Кинетическая энергия электрона перед очередным столкновением с нейтральным атомом или молекулой пропорциональна напряженности электрического поля Е и длине свободного пробега электрона X:

Если эта энергия достаточна для того, чтобы ионизовать нейтральный атом или молекулу, т. е. превосходит работу ионизации

то при столкновении электрона с атомом или молекулой происходит их ионизация. В результате вместо одного электрона возникают два. Они в свою очередь разгоняются электрическим полем и ионизуют встречающиеся на их пути атомы или молекулы и т. д. Процесс развивается лавинообразно и называется электронной лавиной. Описанный механизм ионизации называется ионизацией электронным ударом.

Экспериментальное доказательство того, что ионизация нейтральных атомов газа происходит в основном благодаря ударам электронов, а не положительных ионов, было дано Дж. Таунсендом. Он брал ионизационную камеру в виде цилиндрического конденсатора, внутренним электродом которого служила тонкая металлическая нить, натянутая по оси цилиндра. В такой камере ускоряющее электрическое поле сильно неоднородно, и основную роль в ионизации играют частицы, которые попадают в область наиболее сильного поля вблизи нити. Опыт показывает, что при одном и том же напряжении между электродами ток разряда больше в том случае, когда положительный потенциал подается на нить, а не на внешний цилиндр. Именно в этом случае все создающие ток свободные электроны обязательно проходят через область наиболее сильного поля.

Эмиссия электронов из катода. Самостоятельный разряд может быть стационарным лишь при условии постоянного появления в газе новых свободных электронов, так как все возникающие в лавине электроны достигают анода и выбывают из игры. Новые электроны выбиваются из катода положительными ионами, которые при движении к катоду также ускоряются электрическим полем и приобретают достаточную для этого энергию.

Катод может испускать электроны не только в результате бомбардировки ионами, но и самостоятельно, при нагревании его до высокой температуры. Такой процесс называется термоэлектронной эмиссией, его можно рассматривать как своего рода испарение электронов из металла. Обычно оно происходит при таких температурах, когда испарение самого материала катода еще мало. В случае самостоятельного газового разряда катод обычно разогревается не

нитью накала, как в электронных лампах, а из-за выделения теплоты при бомбардировке его положительными ионами. Поэтому катод испускает электроны даже тогда, когда энергия ионов недостаточна для выбивания электронов.

Самостоятельный разряд в газе возникает не только в результате перехода от несамостоятельного при повышении напряжения и удалении внешнего источника ионизации, но и при непосредственном приложении напряжения, превышающего пороговое напряжение зажигания. Теория показывает, что для зажигания разряда достаточно самого незначительного количества ионов, которые всегда присутствуют в нейтральном газе хотя бы из-за естественного радиоактивного фона.

В зависимости от свойств и давления газа, конфигурации электродов и приложенного к электродам напряжения возможны различные виды самостоятельного разряда.

Тлеющий разряд. При низких давлениях (десятые и сотые доли миллиметра ртутного столба) в трубке наблюдается тлеющий разряд. Для зажигания тлеющего разряда достаточно напряжения в несколько сотен или даже десятков вольт. В тлеющем разряде можно выделить четыре характерные области. Это темное катодное пространство, тлеющее (или отрицательное) свечение, фарадеево темное пространство и светящийся положительный столб, занимающий большую часть пространства между анодом и катодом.

Первые три области находятся вблизи катода. Именно здесь происходит резкое падение потенциала, связанное с большой концентрацией положительных ионов на границе катодного темного пространства и тлеющего свечения. Электроны, ускоренные в области катодного темного пространства, производят в области тлеющего свечения интенсивную ударную ионизацию. Тлеющее свечение обусловлено рекомбинацией ионов и электронов в нейтральные атомы или молекулы. Для положительного столба разряда характерно незначительное падение потенциала и свечение, вызываемое возвращением возбужденных атомов или молекул газа в основное состояние.

Коронный разряд. При сравнительно высоких давлениях в газе (порядка атмосферного) вблизи заостренных участков проводника, где электрическое поле сильно неоднородно, наблюдается разряд, светящаяся область которого напоминает корону. Коронный разряд иногда возникает в естественных условиях на верхушках деревьев, корабельных мачтах и т. п. («огни святого Эльма»). С коронным разрядом приходится считаться в технике высоких напряжений, когда этот разряд возникает вокруг проводов высоковольтных линий электропередачи и приводит к потерям электроэнергии. Полезное практическое применение коронный разряд находит в электрофильтрах для очистки промышленных газов от примесей твердых и жидких частиц.

При увеличении напряжения между электродами коронный разряд переходит в искровой с полным пробоем промежутка между

электродами. Он имеет вид пучка ярких зигзагообразных разветвляющихся каналов, мгновенно пронизывающих разрядный промежуток и прихотливо сменяющих друг друга. Искровой разряд сопровождается выделением большого количества теплоты, ярким голубовато-белым свечением и сильным потрескиванием. Его можно наблюдать между шариками электрофорной машины. Пример гигантского искрового разряда — естественная молния, где сила тока достигает 5-105 А, а разность потенциалов — 109 В.

Поскольку искровой разряд происходит при атмосферном (и более высоком) давлении, то напряжение зажигания весьма велико: в сухом воздухе при расстоянии между электродами 1 см оно составляет около 30 кВ.

Электрическая дуга. Специфическим практически важным видом самостоятельного газового разряда является электрическая дуга. При соприкосновении двух угольных или металлических электродов в месте их контакта выделяется большое количество теплоты из-за большого сопротивления контакта. В результате начинается термоэлектронная эмиссия и при раздвижении электродов между ними возникает ярко светящаяся дуга из сильно ионизованного хорошо проводящего газа. Сила тока даже в небольшой дуге достигает нескольких ампер, а в большой дуге — нескольких сотен ампер при напряжении порядка 50 В. Электрическая дуга широко применяется в технике как мощный источник света, в электропечах и для электросварки. слабое задерживающее поле с напряжением около 0,5 В. Это поле препятствует попаданию на анод медленных электронов. Электроны испускаются катодом К, подогреваемым электрическим током.

На рис. 105 показана полученная в этих опытах зависимость силы тока в анодной цепи от ускоряющего напряжения Эта зависимость имеет немонотонный характер с максимумами при напряжениях кратных 4,9 В.

Дискретность уровней энергии атома. Объяснить такую зависимость тока от напряжения можно лишь наличием у атомов ртути дискретных стационарных состояний. Если бы дискретных стационарных состояний у атома не было, т. е. его внутренняя энергия могла бы принимать любые значения, то неупругие столкновения, сопровождающиеся увеличением внутренней энергии атома, могли бы происходить при любых энергиях электронов. Если же дискретные состояния есть, то столкновения электронов с атомами могут быть только упругими, пока энергия электронов недостаточна для перевода атома из основного состояния в наинизшее возбужденное.

При упругих столкновениях кинетическая энергия электронов практически не меняется, так как масса электрона много меньше массы атома ртути. В этих условиях число электронов, достигающих анода, монотонно увеличивается с ростом напряжения. Когда ускоряющее напряжение достигает значения 4,9 В, столкновения электронов с атомами становятся неупругими. Внутренняя энергия атомов скачком увеличивается, а электрон в результате соударения теряет почти всю свою кинетическую энергию.

Задерживающее поле не пропускает также медленные электроны к аноду и сила тока резко уменьшается. Она не обращается в нуль лишь потому, что часть электронов достигает сетки, не испытав неупругих соударений. Второй и последующие максимумы силы тока получаются потому, что при напряжениях, кратных 4,9 В, электроны на пути к сетке могут испытать несколько неупругих столкновений с атомами ртути.

Итак, необходимую для неупругого соударения энергию электрон приобретает только после прохождения разности потенциалов 4,9 В. Это означает, что внутренняя энергия атомов ртути не может измениться на величину, меньшую эВ, что и доказывает дискретность энергетического спектра атома. Справедливость этого вывода подтверждается еще и тем, что при напряжении 4,9 В разряд начинает светиться: возбужденные атомы при спонтанных

переходах в основное состояние излучают видимый свет, частота которого совпадает с вычисленной по формуле

В классических опытах Франка и Герца методом электронного удара были определены не только потенциалы возбуждения, но и ионизационные потенциалы ряда атомов.

Приведите пример опыта по электростатике, из которого можно сделать вывод о том, что сухой воздух — это хороший изолятор.

Где в технике используются изолирующие свойства воздуха?

Что такое несамостоятельный газовый разряд? При каких условиях он протекает?

Поясните, почему скорость убывания концентрации, обусловленная рекомбинацией, пропорциональна квадрату концентрации электронов и ионов. Почему эти концентрации можно считать одинаковыми?

Почему для закона убывания концентрации, выражаемого формулой (3), не имеет смысла вводить понятие характерного времени, широко используемого для экспоненциально затухающих процессов, хотя и в том и в другом случае процессы продолжаются, вообще говоря, бесконечно долго?

Как по-вашему, почему в определениях подвижностей в формулах (4) для электронов и ионов выбраны противоположные знаки?

Как сила тока при несамостоятельном газовом разряде зависит от приложенного напряжения? Почему с ростом напряжения происходит переход от закона Ома к току насыщения?

Электрический ток в газе осуществляется как электронами, так и ионами. Однако на каждый из электродов приходят заряды лишь одного знака. Как это согласуется с тем, что во всех участках последовательной цепи сила тока одинакова?

Почему в ионизации газа в разряде из-за соударений наибольшую роль играют электроны, а не положительные ионы?

Опишите характерные признаки различных видов самостоятельного газового разряда.

Почему результаты опытов Франка и Герца свидетельствуют о дискретности уровней энергии атомов?

Опишите физические процессы, происходящие в газоразрядной трубке в опытах Франка и Герца, при повышении ускоряющего напряжения.

В газах существуют несамостоятельные и самостояг тельные электрические разряды.

Явление протекания электрического тока через газ, наблюдаемое только при условии какого-либо внешнего воздействия на газ, называется несамостоятельным электрическим разрядом. Процесс отрыва электрона от атома называется ионизацией атома. Минимальная энергия, которую необходимо затратить для отрыва электрона от атома, называется энергией ионизации. Частично или полностью ионизированный газ, в котором плотности положительных и отрицательных зарядов одинаковы, называется плазмой .

Носителями электрического тока при несамостоятельном разряде являются положительные ионы и отрицательные электроны. Вольт-амперная характеристика представлена на рис. 54. В области ОАВ — несамостоятельный разряд. В области ВС разряд становится самостоятельным.

При самостоятельном разряде одним из способов ионизации атомов является ионизация электронным ударом. Ионизация электронным ударом становится возможна тогда, когда электрон на длине свободного пробега А приобретает кинетическую энергию W k , достаточную для совершения работы по отрыву электрона от атома. Виды самостоятельных разрядов в газах — искровой, коронный, дуговой и тлеющий разряды.

Искровой разряд возникает между двумя электродами заряженными разными зарядами и имеющие большую разность потенциалов. Напряжение между разноименно заряженными телами достигает до 40 000 В. Искровой разряд кратковременный, его механизм — электронный удар. Молния — вид искрового разряда.

В сильно неоднородных электрических полях, образующихся, например, между острием и плоскостью или между проводом линии электропередачи и поверхностью Земли, возникает особая форма самостоятельного разряда в газах, называемая коронным разрядом .

Электрический дуговой разряд был открыт русским ученым В. В. Петровым в 1802 г. При соприкосновении двух электродов из углей при напряжении 40-50 В в некоторых местах возникают участки малого сечения с большим электрическим сопротивлением. Эти участки сильно разогреваются, испускают электроны, которые ионизируют атомы и молекулы между электродами. Носителями электрического тока в дуге являются положительно заряженные ионы и электроны.

Разряд, возникающий при пониженном давлении, называется тлеющим разрядом . При понижении давления увеличивается длина свободного пробега электрона, и за время между столкновениями он успевает приобрести достаточную для ионизации энергию в электрическом поле с меньшей напряженностью. Разряд осуществляется электронно-ионной лавиной.

Facebook

Twitter

Вконтакте

Одноклассники

Google+

Электропроводность через газы | IOPSpark

Принцип работы

Некоторые изоляционные материалы при отделении от поверхности других оставляют эти поверхности электрически заряженными, каждая с противоположным знаком заряда и с высокой разностью потенциалов (p.d.).

Машина для изготовления зарядов была изобретена в 1929 году молодым американцем по имени Ван де Грааф.На основе его идей были построены огромные машины высотой более 30 м, которые производят чрезвычайно высокие разности потенциалов.

Ремни и ролики

Гибкая лента, изготовленная из изоляционного материала и непрерывно движущаяся по двум роликам, может тем же самым процессом создавать запас заряда там, где поверхности расходятся. Два ролика должны иметь разные поверхности (часто акриловые и металлические) и вместе с резиновым ремнем подбираются экспериментально.

Расчески

Заряды «распыляются» на движущуюся ленту и удаляются с нее «гребенками», расположенными рядом с роликами.Фактический контакт между гребенками и ремнем не обязателен из-за большой разности потенциалов. Гребни могут быть просто натянутой проволокой, острым или зазубренным краем: действие зависит от очень высоких градиентов потенциала из-за их малого радиуса (аналогично действию молниеотводов).

Нижний гребень поддерживается с потенциалом земли или близким к нему и служит стоком для отрицательного заряда, оставляя на ремне положительные заряды, которые переносятся вверх к верхнему гребню.

Сфера для сбора

Верхняя гребенка соединена с собирающей сферой, которая, обладая собственной электрической емкостью (пропорциональной ее радиусу), будет собирать и хранить заряд на своей внешней поверхности до тех пор, пока он не будет разряжен либо пробоем окружающего воздуха в виде искры, либо проводимостью к соседний заземляемый объект.

Зарядный ток

Пока лента продолжает двигаться, процесс продолжается, привод (двигатель или ручной) подает энергию для преодоления электрического отталкивания между зарядами, собранными на сфере, и зарядами, поступающими на ленту.

Зарядный ток обычно составляет несколько мА, а разность потенциалов, достигаемая «младшими генераторами», будет составлять 100–150 кВ, а «старшими» генераторами — примерно до 300 кВ.

Весь аппарат

Механическое устройство системы ремень/ролик очень простое.Нижний ролик приводится в движение вручную или двигателем. В первом обычно используется маховик и шкив с ременным приводом; этот шкив может быть установлен непосредственно на шпиндель двигателя. В «младших» моделях обычно используются асинхронные двигатели с фиксированной скоростью и расщепленными полюсами; «старшие» модели часто включают в себя небольшой двигатель HP. двигатели с регулируемой скоростью (для швейных машин) с угольными щетками, управление осуществляется либо простым поворотным реостатом, либо полупроводниковой схемой. Двигатели, переключатели управления и сетевая розетка заключены в металлический или пластиковый корпус, хотя в некоторых младших моделях используется прозрачная пластиковая крышка.

Опорной стойкой для собирающей сферы может быть простой пластиковый стержень из ПВХ или акриловая трубка или пара акриловых полосок с разделителями. В некоторых моделях ремень заключен в пластиковую трубу с «окошками» по всей длине. Не все генераторы имеют средства регулировки разноса верхних и нижних роликов, т.е. ремни приходится подгонять под конкретную машину.

Поскольку диаметр собирающей сферы определяет максимальное значение p.d. (напряжение) достижимо, большие сферы устанавливаются на более высоких колоннах, чтобы быть более удаленными от заземляющего двигателя и блока управления.

Машины обычно поставляются с «разрядником», часто с другой сферой меньшего размера, установленной на металлическом стержне, который необходимо заземлить для отвода искр от собирающей сферы.

Демонстрации и аксессуары

Генератор Ван-де-Граафа, безусловно, может произвести поразительные демонстрации. Обычные эксперименты:

Цилиндр Фарадея для демонстрации наличия электрического заряда на внешней поверхности заряженного полого проводника.

Прыгающий мяч. Подвесьте токопроводящий шарик на непроводящую нить. Когда мяч касается зарядной сферы, он заряжается и отталкивается от сферы. Если затем дать шару разрядиться (касание заземленной поверхности или утечка заряда в воздух), он снова притянется к сфере, чтобы перезарядиться… и так процесс продолжается.

Волосы — еще одно проявление отвращения. Используются настоящие волосы или измельченные бумажные полоски, собранные в пучки на одном конце, что обеспечивает чувствительные средства обнаружения заряда.

Электрический ветер производится путем высвобождения ионов на конце заостренного проводника, и его достаточно, чтобы отклонить пламя свечи.

Мельница Гамильтона использует электрический ветер на заостренных концах четырех ветвей, чтобы вызвать вращение вокруг оси. Это похоже на действие молниеотвода, который позволяет передавать заряд в острых точках.

Модель кинетической теории Вы можете показать беспорядочное движение металлических шариков, непрерывно подвергающихся отталкиванию и потере заряда внутри прозрачного сосуда.

Неоновый индикатор показывает светящийся разряд от газового возбуждения сильными электрическими полями вблизи генератора.

Заметка об устройстве генератора Ван де Граафа дает информацию о хорошем содержании и ремонте:

Генератор Ван де Граафа

Цепи электрического тока в астрофизике

Пульсарный ветер представляет собой важный класс истечений, в которых преобладает поток Пойнтинга.В них преобладает электромагнитная, а не кинетическая энергия. Здесь мы хотим изучить замкнутую систему электрического тока, которая включает области как очень близко к пульсару, так и очень далеко в пульсарном ветре, проблема, для которой не существует общего согласия относительно ее решения. Относительную важность потоков магнитной и кинетической энергии удобно записывать как намагниченность σ :

$$ \sigma\equiv\frac{\mathrm{Poynting}\ \mathrm{flux}}{\mathrm{kinetic}\ \mathrm{энергия}\ \mathrm{поток}}= \biggl\{ \frac{{B^2_{tor}/{4\pi}}}{\rho v^2_{pol}/2},\frac {B^2_{tor}/4\pi}{\varGamma\rho c^2} \biggr\} >1, $$

(1)

где мы включили вклад только от тороидального (т.е. поперечно радиальному направлению) магнитное поле B или и пренебрегли полоидальным (т.е. в меридиональной плоскости) магнитным полем B пол , так как последний падает быстрее с расстоянием, чем первый при постоянном ветре. против пол — полоидальная составляющая скорости ветра, ρ — плотность вещества ветра в системе наблюдения, Γ — лоренц-фактор ветра.Первый член в фигурных скобках относится к нерелятивистским, а второй — к релятивистским ветрам. Далее предполагается, что на ветру выполняется либо условие идеальной МГД:

$$ \mathbf{E} = -\mathbf{v} \times\mathbf{B}/c, $$

(2)

или что ветер является почти вакуумным истечением, и в этом случае выполняется условие

$$ \mathbf{E}= -\mathbf{c} \times\mathbf{B}/c $$

(3)

плавно заменяет идеальное состояние МГД.Здесь B — магнитная индукция (магнитное поле), v — скорость жидкости, c — скорость света.

Вращающаяся намагниченная звезда, образующая пульсар, представляет собой так называемый «униполярный индуктор» (Гольдрейх и Джулиан, 1969). Вращение намагниченного проводника создает падение потенциала на движущихся силовых линиях от магнитного полюса к экватору (см. рис. 1, слева). Это падение напряжения возникает вдоль силовых линий между звездой и бесконечностью.Реакция звезды на это сильное продольное падение потенциала заключается в том, что при определенных условиях возникает электрический ток (см. рис. 1, слева). Заряженные частицы вытягиваются из коры и ускоряются до таких высоких энергий, что плотный ветер электронно-позитронных пар покидает звезду и обеспечивает электрические токи. Ожидается, что величина плотности электрического тока вблизи поверхности звезды будет порядка

$$ j_{\mathit{GJ}}(r_\star)\equiv\tau_{\mathit{GJ}}(r_\star) в, $$

(4)

, где плотность заряда Гольдрайха-Юлиана (ГДж) определяется как {B}_0(\mathbf{r})}{2\pi c}.$$

(5)

Б 0 ( r ) — фоновое магнитное поле в позиции r , Ом — вектор вращения звезды, а r звездный радиус. Плотность заряда ГДж как раз обеспечивает чисто поперечное электрическое поле и соответствующий E × B -дрейф, который заставляет (идеальную) плазму вращаться вместе со звездой с угловой скоростью Ом (2).В результате, когда плотность заряда везде равна локальной плотности ГДж, параллельное электрическое поле исчезает. Так обстоит дело на «замкнутых» силовых линиях, расположенных вблизи звезды.

Рис. 1

Слева : Изображение магнитосферы пульсара Гольдрайха-Юлиана для выровненного магнитного ротатора (Голдрайх и Джулиан, 1969). Разность потенциалов на полярной шапке вызывает ток I , который входит в звезду по полярным силовым линиям, пересекает звездные поверхностные слои, покидает звезду по силовым линиям по другую сторону «критической» силовой линии и считается закрыться где-нибудь в ветровой зоне.Обратите внимание, что входящий/исходящий ток переносится здесь соответствующими исходящими электронами/исходящими протонами, но с таким же успехом может переноситься избытком исходящих электронов/исходящих позитронов. Адаптация Goldreich and Julian (1969), воспроизведена с разрешения AAS. Справа : Эскиз закрытия текущей системы в Крабовом ветре, который должен произойти перед обратным толчком примерно на 0,1 пк

На линиях открытого поля скорость зарядов принимается равной скорости света, поскольку с самого начала предполагается, что ветер будет релятивистским (4).Здесь все осложняется тем, что создание пары в строго стационарном состоянии невозможно. Ясно, что параллельное электрическое поле моментально исчезает, как только плотность заряда достигает значения τ ГДж . Однако для создания такой плотности ГДж необходимо существование очень сильного параллельного электрического поля. На самом деле считается, что сильные временные вариации в пределах одного радиоимпульса отражают временной процесс создания пар.Для нашей цели мы предполагаем существование стационарного релятивистского ветра в среднем смысле. Это является причиной появления плотности ГП в (4). Течение (и гораздо более плотный ветер) существуют только на так называемых «открытых» линиях поля, линиях поля, которые соединяются с бесконечностью (см. рис. 1, слева). Для постоянного тока входящий ток (направленный к полюсу для выровненного вращателя на рис. 1, слева) должен уравновешиваться исходящим током (направленным к экватору). Это определяет критическую силовую линию на ветру (рис.1, слева), разделяющих две части тока. Обратите внимание, однако, что, в отличие от рис. 1, слева входящий ток может состоять из уходящих электронов, а исходящий ток может состоять из уходящих позитронов. Этот ток тормозит вращение звезды за счет момента, создаваемого силой Лоренца плотностью j × B / c в звездной атмосфере. Звездный угловой момент затем переносится электрическим током (который искажает магнитное поле) ветром и сбрасывается где-то далеко в ветре.Куда, большой вопрос.

Основная проблема с пульсарным ветром заключается в том, что, по-видимому, значение σ в (1) изменяется от σ ≫1 вблизи звезды до σ ≪1 где-то в ветре. Первое значение следует из предположения, что радиопульсар является сильно намагниченной нейтронной звездой с поверхностными полями B ∼10 9 –10 13 Гс, тогда как наблюдения Крабовидной туманности показывают, что σ ∼2⋅10 −3 в несотрясенном ветре (рис.1, справа). Для решения этой задачи нужно знать, где и как замыкается электрический ток в ветре, чтобы сбрасывать поток Пойнтинга в виде кинетической энергии ветра.

Наш подход к проблеме пульсарного ветра начинается с одномерного нерелятивистского описания звездного ветра в терминах электрической цепи в разд. 2.1. Затем мы включаем 2D-эффекты в разд. 2.2, рассмотрим выровненный магнитный ротатор в вакууме в разд. 2.3, обсудите численные результаты для электрической цепи выровненного вращателя в разд.2.4, рассмотрим важность текущего голодания в разд. 2.5, рассмотрим множественные эффекты наклона электрических цепей в разд. 2.6, критически рассмотрите характер текущих листов в разд. 2.7, упомяните эффект трехмерной нестабильности в разд. 2.8, и завершим первую из трех частей этого обзора, обобщив наши выводы о цепи электрического тока пульсара в разд. 2.9.

Звездные ветры: 1D МГД, частичное закрытие тока

Уже на заре звездной МГД Шацман (1959) и Местел (1968) поняли, что магнитные поля, заякоренные в звезде и распространяющиеся в ее атмосферу, заставляют ионизированный звездный ветер вращаться вместе со звездой на расстояния, намного превышающие фотосферу.В результате удельный угловой момент, переносимый намагниченным ветром, намного больше, чем его удельный кинетический угловой момент на поверхности звезды из-за увеличенного плеча рычага, обеспечиваемого магнитным полем. Нашей отправной точкой является одномерное МГД-описание намагниченного звездного ветра, данное Вебером и Дэвисом (1967). Их цель состоит в том, чтобы найти установившийся ровный ветер. Они предполагают справедливость идеальной (т.е. нерезистивной) МГД и рассматривают аксиально-симметричную магнитную структуру особого вида — так называемый расщепленный магнитный монополь, — который получается путем обращения магнитного поля магнитного монополя в одной полусфере. .Эта структура вращается вокруг оси симметрии (, выровненный с ротатором ), и предполагается, что полоидальная структура не изменяется, когда начинается вращение. Наконец, они рассматривают истечение чуть выше экваториальной плоскости. Они определяют Alfven радиус r А в экваториальной плоскости, где прямое давление радиальной проточной части равно радиальному магнитному напряжению. В более общем смысле альфвеновский радиус определяется полоидальными компонентами (Местел, 1999, гл.2_А. $$

(7)

Здесь r , ϕ — это, формально, сферический радиус и азимут соответственно, но обратите внимание, что их вывод действителен чуть выше экваториальной плоскости ( θ = π /2), так что r действительно цилиндрическое расстояние. Снова массовая плотность ρ и другие величины измеряются в системе наблюдателя (лаборатории). Таким образом, их главный вывод состоит в том, что общий крутящий момент намагниченного ветра равен эффективному совместному вращению ветра с радиусом Альфвена.Каким бы красивым и простым ни был этот результат, он также обманчив, поскольку ток не замыкается на альфвеновской поверхности. На самом деле, большая часть тока уходит в бесконечность. Авторы обнаружили, что распределение углового момента по электромагнитной и кинетической частям с расстоянием соответствует рис. 2, слева, который показывает, что только часть крутящего момента Пойнтинга преобразуется в кинетический крутящий момент, и что асимптотически на большом расстоянии вклад Пойнтинга становится постоянным. и доминирует. Тогда для замыкания тока на ветру (которое обязательно требует более одного измерения для описания) мы можем заключить, что существует только частичное замыкание тока , и что большая часть тока уходит в ветер вдоль силовых линий поля с силой -свободный способ, т.2\frac{v_\phi/r-\varOmega_\star}{v_r}, $$

(8)

и становится постоянным на больших расстояниях. Таким образом, результат этого исследования, который оказывается применимым к ветру от «медленного магнитного вращателя» , определяемого здесь как излучающий ветер, в основном приводимый в движение тепловым давлением газа , состоит в том, что на больших расстояниях магнитный угловой момент и поток энергии Пойнтинга доминирует, так что σ >1.В следующих разделах мы исследуем, как введение более реалистичных условий и переход к пульсарному ветру открывают возможность малой намагниченности на бесконечности.

Рис. 2

Слева : Разделение удельного углового момента ветра на кинетический и магнитный вклады с расстоянием, выраженным в солнечных радиусах, для Солнца в одномерном приближении; пунктирная линия представляет собой магнитный момент и нарисованная линия кинетический угловой момент.Альфвеновский радиус составляет от 30 до 50 солнечных радиусов. Отсюда следует, что крутящий момент остается в конечном счете электромагнитным и лишь меньшая часть тока замыкается на конечном расстоянии. Из Вебера и Дэвиса (1967), ©AAS. Воспроизведено с разрешения. Right : Фокусировка звездного ветра в двумерном приближении. В результате происходит последующее полное преобразование Пойнтинга в кинетический угловой момент. Расчет выполнен для выровненного ротатора, изначально расщепленного монопольного магнитного поля и идеальной МГД-плазмы.Отклонение силовых линий назад к оси не является реальным и связано с логарифмическим построением расстояния силовой линии как функции полярного угла. Расстояние указано в альфвеновских радиусах. Авторы и права: Sakurai (1985), воспроизведено с разрешения ©ESO

Рис. 3

Слева : 2D-схема магнитного ветра аксиально-симметричного выровненного вращателя чуть выше экваториальной плоскости, видимая полярным наблюдателем. B — магнитное поле, v — скорость ветра, j — плотность электрического тока, Ω — скорость вращения. Справа : Эскиз той же конструкции в проекции на меридиональную плоскость. Обратите внимание, что часть — но не весь — поток закрывается и тем самым ускоряет ветер вблизи звезды. Адаптировано из Kuijpers (2001), ©Cambridge University Press, перепечатано с разрешения

.

Звездные ветры: 2D, полное закрытие тока

Следующий важный шаг в нашем понимании намагниченного ветра был сделан Сакураи (1985), который исследовал угловую зависимость устойчивого осесимметричного звездного ветра выровненного вращателя, опять же при предположение о гладкой идеальной МГД и для изначально расщепленного монополя.Теперь недостаточно решить одномерное уравнение движения ( уравнение Бернулли ), но в то же время требуется уравнение, описывающее баланс сил в меридиональной плоскости ( трансполевое уравнение ). Важным результатом его исследования является то, что весь поток Пойнтинга преобразуется в кинетическую энергию. Этот результат можно понять из требования баланса сил в полоидальном поле. Рисунок 3, справа демонстрирует фокусировку магнитного ветра по направлению к оси вращения.2}, $$

(9)

движимый плотностью силы инерции

$$ \mathbf{f} = -\rho(\mathbf{v} \cdot\nabla) \mathbf{v}. $$

(10)

Поскольку магнитное поле имеет как полоидальную, так и тороидальную составляющую, сила Лоренца, связанная с инерционной плотностью тока, не только фокусирует ветер в полоидальной плоскости к оси вращения, но и ускоряет звездный ветер радиально наружу, превращая тем самым магнитный в кинетический энергия.

МГД-интегралы для осесимметричных холодных ветров

Осесимметричный случай МГД-плазмы особенно показателен из-за четырех интегралов движения, допускаемых (2D) уравнениями МГД (Местел, 1968). Здесь мы рассматриваем холодный газ, пренебрегаем гравитацией, но допускаем релятивистское движение (коэффициент Лоренца Γ , осевое расстояние r ). В терминах количеств в лабораторной системе координат эти сохраняющиеся количества можно записать как (Местел, 1999, гл.7):

$$ \frac{B_\phi}{B_{pol}}=\frac{v_\phi-\varOmega(\psi)r}{v_{pol}} $$

(11)

Это условие вмороженного поля , которое вытекает из требования, чтобы газ не воздействовал на магнитное поле. Параметр ψ обозначает поверхности магнитного потока. Выраженное в системе совмещения, в которой картина поля статична, это сводится к требованию, чтобы газ двигался вдоль силовых линий магнитного поля.

$$ \frac{B_{pol}}{4\pi\rho v_{pol}}=cF(\psi) $$

(12)

Это уравнение эквивалентно постоянному потоку массы вдоль единичной выходящей полоидальной магнитной трубки.

$$ r\varGamma v_\phi-cF(\psi)rB_\phi=L(\psi) $$

(13)

Если умножить это уравнение на постоянный поток массы на единицу полоидальной трубки, то получится сохранение полного потока углового момента на единицу полоидальной трубки при движении вещества.2Вт(\psi) $$

(14)

Точно так же из этого уравнения следует обобщение уравнения Бернулли, сохранение полного потока энергии на единицу полоидальной магнитной трубки (для холодного газа) по мере удаления газа. Этот полный поток энергии приходится на поток кинетической (массовой) энергии и поток Пойнтинга.

Pulsar: выровненный ротатор; Вакуум против плазмы

Прежде чем мы сможем изучить степень магнитной фокусировки в пульсарном ветре, мы должны объяснить, почему магнитный ротатор , ориентированный на , вообще имеет отношение к радиопульсарному ветру.Конечно, радиопульсар существует только в том случае, если магнитный ротатор 90 077 наклонен 90 078 или, по крайней мере, если существуют отклонения от осевой симметрии. Однако существуют отдельные важные электромагнитные эффекты, которые проявляются уже для выровненного релятивистского ветра помимо эффектов наклона, и мы попытаемся их распутать. Два основных следствия из теории Максвелла требуют нашего внимания:

  • В вакууме аксиально-симметричный магнитный ротатор в стационарном состоянии окружен аксиально-симметричным магнитным полем.Поскольку предполагается, что звездное окружение представляет собой вакуум, электрический ток не течет. Любые внешние электрические поля осесимметричны и поэтому не зависят от времени. Поэтому тока смещения нет. Отсутствие как материального электрического тока, так и электрического тока смещения означает, что окружающее магнитное поле является чисто полоидальным. Поскольку магнитное поле не зависит от времени, любое электрическое поле также должно быть полоидальным. Циркулирующий поток Пойнтинга действительно существует в тороидальном направлении, но нет исходящего потока Пойнтинга .Тем более, что радиационные электромагнитные потери отсутствуют.

  • При наличии ионизированного ветра ситуация иная. Итак, полоидальные электрические токи действительно существуют как в результате униполярной индукции вращающимся магнитом, так и из-за сопротивления ветра вращающимся полем. В результате внешнее магнитное поле имеет тороидальную составляющую. Также из-за идеального МГД-условия (2) в лабораторной системе появляется электрическое поле, имеющее полоидальную составляющую.Эти компоненты электрического и магнитного поля подразумевают исходящий поток Пойнтинга (как в обычном звездном ветре). Однако магнитное поле и движение газа снова не зависят от времени, и, следовательно, электрическое поле также не зависит от времени. Следовательно, нет тока смещения и, опять же, нет радиационных потерь (таких, как будет в случае наклонного вращателя).

Таким образом, ограничившись сначала выровненным ротатором, мы отложим обсуждение важности электрических полей смещения и изолируем поток Пойнтинга, который появляется в приближении идеальной МГД.Такой пульсарный ветер является (релятивистским) расширением вышеупомянутого намагниченного звездного ветра. Ожидается, что электрическая цепь будет замыкаться по пути наименьшего сопротивления, то есть поперек магнитного поля внутри звезды и вдоль магнитного поля в ветре. Однако появляется важное отличие от обычной звезды. Нейтронная звезда может быть не в состоянии обеспечить достаточное количество газа, чтобы закоротить компонент электрического поля в ветре вдоль магнитного поля. Это происходит, когда локальная плотность заряда не везде равна плотности заряда ГДж (4).Тут же развиваются параллельные перепады потенциала.

Выровненный ротатор: численные результаты по коллимации и ускорению

Способствует ли релятивистская природа пульсарного ветра коллимации и сокращению σ ? Влияние быстрого вращения на коллимацию и ускорение как нерелятивистского, так и релятивистского звездного ветра было численно исследовано Боговаловым и Цинганосом (1999). Они обнаружили, что и коллимация, и ускорение ветра увеличиваются с увеличением параметра магнитного ротатора (Боговалов, 1999)

$$ \alpha\equiv\frac{\varOmega r_A}{\varGamma_0 v_0}.$$

(15)

Здесь Ом — угловая скорость вращения ветра (не более, чем скорость вращения звезды), v 0 скорость истечения на фотосфере, Γ 0 — соответствующий фактор Лоренца, а r А радиус Альфвена. Поведение нерелятивистского истечения показано на рис.осталось 4. Поскольку релятивистские истечения, такие как пульсары, фактически имеют Γ 0 ∼100 относятся к области медленных ротаторов с α ≪1, и коллимация становится неэффективной (рис. 4, справа; рис. 5, слева).

Рис. 4

Слева : Последовательность форм полоидальных силовых линий (нарисована) с увеличением параметра магнитного ротатора α от α =0,5 (медленный магнитный ротатор типа солнечного ветра) до α =4.5 (быстрый магнитный ротатор). Начальное невращающееся монопольное магнитное поле имеет сферическую альфвеновскую поверхность, расположенную на одном альфвеновском радиусе ( r А ). Расстояния указаны в единицах r А с основанием, расположенным на х = 0,5. Пунктирные линии обозначают полоидальные токи. Толстые линии обозначают альфвеновские и быстрые критические поверхности.Из Bogovalov and Tsinganos (1999), рис. 2. Справа : Конечная скорость как функция α ( сплошная линия ). Для сравнения также нанесена соответствующая конечная скорость в решении Мишеля для минимальной энергии ( пунктирная линия ). Из Боговалова и Цинганоса (1999), рис. 5

. Рис. 5

Левый : Неэффективная коллимация и преобразование углового момента Пойнтинга в дальней зоне вращающегося магнитного ротатора, выбрасывающего релятивистскую плазму.Форма линий полоидального магнитного поля задается сплошными линиями . Для сравнения проведены линии чисто радиального оттока ( пунктирная ). Из Боговалова и Цинганоса (1999), рис. 13. Справа : Непрерывное релятивистское ускорение требует дифференциальной коллимации, которая увеличивается по направлению к оси. Из Комиссарова (2011), ©SAIt, воспроизведено с разрешения

.

Точная роль коллимации для релятивистского ускорения ветра была разъяснена Комиссаровым (2011).В соответствии со своими численными результатами он показывает, что для получения высоких коэффициентов Лоренца требуется дифференциальная коллимация, показанная на рис. 5 справа. Такая дифференциальная коллимация связана с увеличением эффективности преобразования Пойнтинга в поток кинетической энергии. Предварительно мы заключаем, что выровненным релятивистским ротаторам не хватает достаточной дифференциальной коллимации, чтобы установить существенное преобразование потока Пойнтинга, если идеальный предел МГД, включая инерцию, применяется ко всему ветру.Ясно, что релятивистское движение ветра не способствует уменьшению намагниченности ветра.

Эффект параллельного потенциального разрыва

Contopoulos (2005) показывает, что постоянный потенциальный зазор в основании линий открытого поля позволяет (в противном случае идеальному) ветру вращаться по отношению к вращению звезды, предполагая, что выровнен по , изначально расщепленный монополь для полоидального поля (Рис. 6, слева). Однако уместны два замечания.Во-первых, и Контопулос (2005), и Тимохин (2007) пренебрегают влиянием исходящего/входящего тока на скорость дрейфа. В случае течения общее выражение для скорости дрейфа по отношению к лабораторной системе координат определяется формулой (цилиндрические координаты z , R , ϕ ) (Fung et al. 2006)

$$ v_{ дрейф}= -c\frac{E_R}{B_0}+v_z\frac{B_\phi}{B_0}, $$

(16)

где В ϕ генерируется самим током.Для релятивистской плазмы, как в пульсарном ветре, нельзя пренебрегать конечным членом, и фактически это может привести к почти полному прекращению дрейфа, так что газ вообще не будет вращаться вместе с пульсаром (рис. 7, справа). Во-вторых, как видно из Fung et al. (2006) дифференциальное вращение линий открытого поля происходит вокруг магнитной оси, а не вокруг оси вращения. Действительно, в наклонном ротаторе потенциальный зазор приводит к циркуляции открытых силовых линий вокруг наклонной магнитной оси, наложенной на узор, который все еще вращательно привязан к звезде (рис.7, слева). Интересно отметить, что в земной магнитосфере (где вращение не имеет значения) дифференциальное вращение также ориентировано вокруг оси диполя, а не вокруг оси вращения.

Рис. 6

Слева : Линии полоидального поля (нарисованы) для выровненного ротатора с потенциальным зазором в основании и для идеальной МГД в остальном. Относительная скорость вращения ветра равна 0,8. Полоидальный поток увеличивается между силовыми линиями с шагом 0,1, считая от нуля по вертикальной оси.Пунктирной линией показана сепаратриса (граница между открытой и закрытой силовыми линиями) при значении потока 1,23. Расстояние выражается в радиусах светового цилиндра. Авторы и права: Контопулос (2005 г.), воспроизведено с разрешения ©ESO. Справа : Структура ветровой зоны диполярной магнитосферы на гораздо большем расстоянии, чем на рисунке слева , снова практически радиальная. Контуры показывают силовые линии полоидального магнитного поля. На цветном изображении показано распределение логарифма фактора Лоренца.Из Комиссарова (2006), рис. 7

Рис. 7

Слева : В наклонном магнитном ротаторе потенциальный зазор в основании линий открытого поля не приводит к среднему вращению плазмы, отличному от вращения звезды, но вызывает дифференциальное вращение на поверхностях потока вокруг магнитной оси полярной шапки. Кредит: Fung et al. (2006), воспроизведено с разрешения ©ESO. Справа : Примеры дифференциального вращения в заряженных исходящих пучках смешанных электронов и позитронов вокруг магнитной оси ( z -направление) над полярной шапкой выровненного магнитного вращателя и в зависимости от распределения плотности электрического тока и плотности заряда.Вычислены равновесные угловые скорости относительно лабораторной рамы в зависимости от осевого расстояния R для полых пучков смешанных электронов и позитронов, вытекающих примерно с одинаковой (релятивистской) скоростью, с сердечником или без него. , а также с обратным током или без него, для цилиндрически симметричных пучков и однородного фонового магнитного поля. Безразмерная угловая скорость представлена ​​как функция безразмерного осевого расстояния.Центральная область простирается от оси вращения до R 1 =0,3, полая(ые) балка(и) из R 1 =0,3 до Р 2 =0,6, а магнитосфера пульсара (которая вращается вместе со звездой) начинается с R 3 =1. Безразмерная угловая скорость определяется выражением \(\tilde{\omega}_{\alpha}(R) \equiv\omega _{\alpha}(R)/\varOmega_{\star}\).Безразмерный избыток заряда позитронов/электронов в полом пучке(ах) определяется выражением ч ≡( n + п )/ п ГДж , где плотность ГДж определяется как n ГДж τ ГДж /| и | из (5).{0}_{z}\equiv v_{z}/c\) и j ГДж определяется в (4), различные кривые относятся к: сплошному : полой балке с Q =0; длинная черточка : полая балка с Q =0,5; короткая черточка : балка с Q =0,5 и с сердечником h я = 0,2, О я =0.1; с точками : луч с Q =0,5, окруженный нейтрализующим обратным током; штрих-пунктир : луч с Q =0,5 и окружающим обратным током такой же радиальной протяженности. Кредит: Fung et al. (2006), воспроизведено с разрешения ©ESO

Дополнительные числовые результаты MHD

Комиссаров (2006) моделирует выровненный расщепленный монополь с релятивистской идеальной МГД, включая инерцию, искусственное удельное сопротивление и искусственное изменение давления и плотности газа.Его пространственная область простирается на гораздо большее расстояние, чем в Contopoulos (2005) (рис. 6, справа). Опять же, его расчеты не показывают коллимации силовых линий к оси вращения. Они также не решают проблему закрытия тока или преобразования потока Пойнтинга, как того требуют наблюдения σ .

Токовое голодание и обобщенное магнитное пересоединение

Решение проблемы замыкания тока в выровненном ротаторе может быть дано с помощью так называемого токового голодания.Если кто-то настаивает на бессиловом ветре, полный электрический ток сохраняется, если следовать по цепи наружу, поскольку плотность тока везде параллельна открытым силовым линиям магнитного поля. Поскольку эти силовые линии становятся все более тороидальными в направлении наружу, то же самое происходит и с плотностью электрического тока. Сохраняющийся ток I дает следующую зависимость плотности тока от расстояния r до пульсара: {LC}}\delta}, $$

(17)

, где δ — асимптотический угол раскрытия между двумя выбранными поверхностями магнитного потока.2}. $$

(18)

Здесь мы предположили, что (бессиловая) плотность тока в основном тороидальная (как и магнитное поле) и, следовательно, инвариантна относительно преобразования Лоренца в сопутствующую систему отсчета, в то время как плотность не является и получает фактор Лоренца при преобразовании обратно в систему наблюдения. По-видимому, поскольку скорость дрейфа превышает скорость света, проблема голодания тока возникает на радиусе, значительно превышающем предельный скачок (Kuijpers 2001)

$$ \frac{R_{\mathrm{max}}}{r_{\ mathit{LC}}}\приблизительно\frac{M}{2\varGamma}.$$

(19)

Здесь р ЛК c / Ом — радиус светового цилиндра, Γ — фактор Лоренца ветра (до замыкания тока), M n / n ГДж – множественность парной плазмы в ветре, выраженная через плотность ГДж в основании n ГДж Ом В (2 πec ) −1 .Такая нехватка зарядов приводит к сильным электрическим полям, параллельным окружающим магнитным полям, которые пытаются поддерживать ток. Эффект параллельных электрических полей можно описать как Generalized Magnetic Reconnection , термин, введенный Schindler et al. (1988) и Гессе и Шиндлер (1988). В этой области идеальная МГД должна разрушаться и происходит ускорение (нагрев) частиц вдоль магнитного поля. В то же время параллельное электрическое поле приводит к тому, что картина внешнего магнитного поля скользит по внутренней быстро вращающейся структуре с гораздо меньшей скоростью.Это подразумевает гораздо меньшее внешнее тороидальное магнитное поле, а это подразумевает гораздо меньший ток. Другими словами, течение замыкается поперек поля, и связанная с ним сила Лоренца ускоряет ветер как в радиальном, так и в тороидальном направлениях. В результате ток рассеивается в этом слое и вызывает как нагрев, так и объемное ускорение ветра. Эскиз такой диссипативной оболочки приведен на рис. 8. Это замыкание тока из-за недостатка тока является естественным кандидатом на основное преобразование потока Пойнтинга в МГД-ветре пульсара в кинетическую энергию (Куиджперс, 2001).Наконец, обратите внимание, что это токовое голодание происходит во всем ветре и уже для выровненного пульсара, что отличается от текущего голодания в Мелатосе (1997), который рассматривает сингулярный токовый слой, который, как он постулирует, возникает в месте течения смещения, и который существует только для наклонного ротатора.

Рис. 8

Эскиз линий магнитного поля ( черные стрелки ) и линий электрического тока ( открытые стрелки ) далеко на ветру, где возникает дефицит тока.Здесь сильные электрические поля генерируются параллельно окружающим магнитным полям, электрический ток замыкается и рассеивается, тем самым преобразуя большую часть углового момента Пойнтинга в кинетический, а ветер сильно нагревается и ускоряется. В результате тороидальная составляющая магнитного поля резко падает. Вне диссипативного слоя картина поля вращается значительно медленнее и скользит по структуре внутреннего поля. Из Kuijpers (2001), ©Cambridge University Press, перепечатано с разрешения

.

Косой ротатор: чего ожидать?

Из изучения выровненного магнитного вращателя мы приходим к выводу о применимости

  • идеальная и бессиловая МГД в основной части пульсарного ветра,

  • идеальная бессиловая МГД внутри нейтронной звезды,

  • эффективно резистивная МГД в ускоряющих промежутках над магнитными полюсами,

  • и дальняя область токового голодания рассеивания тока.

Поскольку для формирования МГД ветра не требуется юстировка магнитного ротатора, приведенные выше соображения остаются применимыми и к наклонному ротатору, пусть и в модифицированной форме. Далее, в наклонном ротаторе также появляются новые эффекты из-за изменения магнитной геометрии. В частности, зависимость от времени вызывает появление тока смещения, отсутствующего в совмещенном случае. Общая магнитная геометрия показана на рис.9. Хотя аксиальная симметрия теряется в небольшом масштабе, ожидается, что вращение вместе с магнитными (кольцевыми) напряжениями приведет к некоторой глобальной аксиальной симметрии в двух полярных струях, каждая из которых имеет только одну (противоположную) полярность. Между ними есть экваториальный ветер, состоящий из чередующихся «полос» магнитного поля, сочетающих обе полярности (Coroniti 1990). Все три домена содержат электрические токи. Однако если магнитное поле внутри струи изменяется плавно, то магнитное поле в экваториальном ветре имеет чередующуюся «полосатую» спиральную структуру и поэтому сильно зависит от времени.В результате в экваториальном ветре появляется новое явление — ток смещения, который обычно отсутствует в нерелятивистском МГД-приближении.

Рис. 9

Эскиз релятивистского наклонного магнитного ротатора.2}.$$

(21)

Здесь первое слагаемое в фигурных скобках относится к току, поперечному релятивистскому истечению, а второе слагаемое — к параллельному току. Для Крабовидной туманности с r амортизатор =2×10 9 г ЛК плотность тока смещения становится больше плотности заряженного тока при предполагаемом критическом радиусе r кр =1×10 5 г ЛК в случае поперечного тока.Мы отмечаем, что этот критический радиус больше, чем наша оценка текущего голодания для значений Краба M ∼10 5 и Γ ∼10 2 , так что текущее голодание остается важным. Однако их точка зрения на то, что током смещения нельзя пренебречь, сделана правильно.

Бессиловой ветер наклонного вращателя содержит токовый лист смещения

При всей привлекательности концепции полосатого ветра (Коронити, 1990; Боговалов, 1999) в его описании существует несоответствие, поскольку допущение вездесущего выполнения идеального МГД-условия (2) приводит к противоречию.Скорость ветра непрерывна на каждой полосе, в то время как магнитное поле меняет знак (рис. 9), и, следовательно, электрическое поле, определяемое (2), является ступенчатой ​​функцией во времени для статического наблюдателя. Тогда из закона Ампера немедленно следует, что существует отдельный слой тока смещения. В реальной ситуации ширина была бы конечной и представляла собой сильный радиационный импульс, который вообще не обсуждается. Вместо этого концепция полосатого ветра изучает энергию, высвобождаемую в этом листе при повторном соединении.

В дальнейшем Боговалов (1999) представляет переход между двумя полосами как тангенциальный разрыв с током заряда (рис. 18) вместо тока смещения. Он строит этот экваториальный токовый слой, выбирая силовые линии, начинающиеся в экваториальной магнитной плоскости от исходного наклонного расщепленного монополя (рис. 10).

Рис. 10

Слева : Эскиз занавеса «балерина», разделяющего полярности силовых линий магнитного поля вращающегося наклонного расщепленного монополя.Силовые линии, составляющие эту сепаратрисную поверхность, выбраны из двухмерной модели ветра Сакураи (1985) для базовой конфигурации, подобной магнитному монополю, путем вставки плоскости, наклоненной под углом 10 90 201 ∘ 90 202 относительно (вращательного) экватора вблизи звезды и следующих отдельные силовые линии, начинающиеся в поперечном сечении плоскости и звездной поверхности. Линии магнитного поля под этой поверхностью затем меняются местами. Авторы и права: Sakurai (1985), воспроизведено с разрешения ©ESO. Справа : Та же процедура была использована Боговаловым (1999) для получения модельного ветра для (начального) расщепленного монополя: автор сначала рассматривает выровненный случай, затем вычисляет ветер для соответствующего магнитного монополя и, наконец, переворачивает направления силовых линий в наклонном звездном полушарии.По сути, процедура разрешена, поскольку монополь не имеет (магнитного) экватора. См. также рис. 17, слева. Авторы и права: Боговалов (1999), воспроизведено с разрешения ©ESO

Простое доказательство существования тока смещения

Здесь мы хотели бы указать на простое доказательство относительной важности тока смещения по сравнению с зарядным током в ветре наклонного вращателя. Начнем с предположения, что электрическое поле везде определяется идеальным МГД-условием (2).Теперь подставьте это электрическое поле в закон Ампера. Для статического наблюдателя | B / ∂t |∼ Bv /( πr ЛК ) и |∇× B |∼ B /( πr ЛК ). Тогда немедленно обнаруживается, вопреки первоначальному предположению, что переменная во времени часть ветра связана с относительно важным течением смещения (для крайнего случая перпендикулярного вращателя)

$$ \frac{|\frac{ 1}{4\pi}\frac{\partial\mathbf{E}}{\partial t}|}{\vert \ frac {c}{4\pi}\nabla\times\mathbf{B}\vert} \sim1-\frac{1}{\varGamma^2}.2}. $$

(23)

Очевидно, поскольку считается, что пульсарный ветер уже имеет Γ ∼100–200 в своей основе, током смещения нельзя пренебречь, и он фактически доминирует над током заряда в экваториальном ветре. Это оказывается важным, поскольку ток смещения имеет другой способ рассеивания (т. е. «ускорение потока Пойнтинга»), чем ток заряда.

Вакуум против плазмы: численные результаты

Ли и др.(2012) моделируют косой пульсарный ветер для различных наклонений, пренебрегая инерцией и предполагая однородную проводимость. Мощность в их ветровых решениях варьируется в зависимости от проводимости, которая колеблется от бесконечности (бессиловой случай) до нуля (вакуум) и представлена ​​на рис. 11, слева. Конечно, эти результаты не отражают реальный пульсарный ветер, главным образом потому, что фактическая проводимость сильно варьируется в пространстве и во времени. Хотя бесконечная проводимость, вероятно, является хорошим приближением для большей части пространства, природа ветра критически зависит от многих небольших, самосогласованно определяемых, неидеальных областей, например.грамм. проводимость вакуума в полярных и внешних ветровых щелях, аномальное удельное сопротивление в областях образования пар и радиоизлучения. Тем не менее, результаты поучительны (рис. 11, справа), в частности, в отношении токовой цепи и относительной роли потока Пойнтинга, связанного с МГД-током, с одной стороны, по сравнению с током смещения, с другой стороны. В случае бесконечной проводимости мощность (ветра) выровненного вращателя, в котором отсутствует ток смещения, оказывается вдвое меньше, чем у перпендикулярного вращателя, в котором ток смещения достигает своего максимума.

Рис. 11

Слева : Безразмерные потери энергии в зависимости от угла наклона вращающейся магнитной диполярной звезды и в зависимости от (однородного) удельного сопротивления в расчете резистивной МГД. Токи проводимости и смещения ослабевают с уменьшением проводимости. Из Ли и др. (2012), воспроизведено с разрешения AAS. Справа : Силовые линии магнитного поля в плоскости, содержащей как вращение, так и магнитные оси для наклонного диполя 60 .Цвет представляет магнитное поле вне плоскости внутри ( красный ) и вне ( синий ) страницы. В таблице цветов показаны только значения до 30 % от максимума неплоскостного магнитного поля, и к его величине было применено вычисление квадратного корня. Идеальный безфорсовый корпус. Из Ли и др. (2012 г.), воспроизведено с разрешения AAS

.

Ветер от косого вращателя как волна ТЕМ

Рассеивается ли ток смещения на ветру и уменьшается ли σ перед толчком? Скьяраасен и др.2}{м_е}, $$

(25)

плотность электрон-позитронных пар n ± , безразмерное электрическое поле волны определяется выражением

$$ \hat{E}= \frac{eE}{mc\omega}, $$

(26)

и ω — частота волны. Затем они изучают эволюцию этой волны ТЕМ, когда ударная волна ограничивает ТЕМ, и обнаруживают, что по мере увеличения расстояния по ветру амплитуда волны затухает, а ширина ее частоты расширяется, в то время как спектр теплового фона растет (рис.12).

Рис. 12

Слева : Диаграмма фазового пространства предвестника ударной волны: нелинейная ТЕМ-волна затухает и расширяется с расстоянием, в то время как спектр теплового фона растет. Первоначально частицы сильно когерентны по фазе с волной; тепловое уширение можно увидеть в позициях за пределами x >11. u — скорость, γ Лоренц-фактор, ω р плазменная частота.Из Skjæraasen et al. (2005), ©ААС. Воспроизведено с разрешения. Право : Энергетические спектры частиц с положением. По мере увеличения расстояния частицы ускоряются до более высоких энергий за счет распадающейся ТЭМ. Из Skjæraasen et al. (2005), ©ААС. Воспроизведено с разрешения

Энергия ветра краба, переносимая волной ТЕМ

Мелатос (1998) находит точные решения для поперечных волн и находит две волны с круговой поляризацией, одну субсветовую волну, в которой частицы намагничены в радиальном магнитном поле и, следовательно, не колеблются в поле волны, так что γ ± γ д , и одна сверхсветовая волна, в которой частицы не намагничены и колеблются вместе с волновым полем так, что \(\gamma^{\pm}= \gamma_{d} (1+\hat{E}^{2})^{ 0.{11}\) у светового цилиндра для Краба сверхсветовая волна имеет малую намагниченность, как того требуют наблюдения (см. рис. 13, слева). Проблема, однако, в том, что свойства пульсарного ветра у основания больше напоминают свойства субсветовой волны. Как происходит переход одной волны в другую, неясно.

Рис. 13

Левый : Параметр σ для двух точных решений поперечных волн в пульсарном ветре как функции расстояния.Первоначально пульсарный ветер можно подогнать к досветовой волне ( top ), где частицы намагничиваются в радиальном магнитном поле. Как происходит переход от ветра, который является преимущественно досветовой волной, к сверхсветовой волне ( нижняя ), где σ ≪1 и частицы не намагничены, неясно. Из Melatos (1998), ©SAIt, воспроизведено с разрешения. Справа : Ускорение сопутствующего потока Пойнтинга: электромагнитный импульс конечной ширины приводит к ускоряющей силе (3D-схема).Из Лян и Ногучи (2009 г.), воспроизведено с разрешения AAS

.

Совместное ускорение потока Пойнтинга (CPFA)

Каков же тогда основной механизм диссипации сильных электромагнитных импульсов с большой намагниченностью? Поперечные ЭМ-импульсы с умеренными электрическими полями в плазме заставляют частицы двигаться с установившейся дрейфовой скоростью c Е × В / В 2 .Однако для околовакуумных волн с E B частицы могут импульсивно ускоряться под действием пондеромоторной силы во фронте волны, немного догоняя и замедляя волну (рис. 13, справа). Этот процесс был предложен Контопулосом (1995) для работы в косых пульсарных ветрах («импульсная плазменная пушка», рис. 14, слева). Рисунок 14. Справа показано импульсное ускорение, рассчитанное Ляном и Ногучи (2009 г.) для сильного электромагнитного импульса в отсутствие направляющего магнитного поля.Ясно, что этот процесс эффективен, хотя коэффициенты Лоренца, полученные в этом исследовании, все еще намного ниже того, что требуется для пульсарного ветра.

Рис. 14

Левый : Когда амплитуда электрического поля в электромагнитном импульсе становится сравнимой с амплитудой его магнитного поля, скорость дрейфа приближается к скорости света, и частицы ускоряются пондеромоторной силой во фронте импульса. Это происходит в «импульсной плазменной пушке».Из Liang and Noguchi (2009), воспроизведено с разрешения AAS. Справа : Вычисление импульсного ускорения частиц (коэффициент Лоренца в красный ) дискретным магнитным импульсом ( черный ) в зависимости от времени. Из Лян и Ногучи (2009 г.), воспроизведено с разрешения AAS

.

Токовые слои

В контексте пульсаров часто приходится сталкиваться с предположением о бесконечно малой толщине токовых слоев. Пока они вызываются как приблизительные элементы схемы, необходимые для замыкания тока, проблем нет.Однако, когда эти токовые слои становятся составляющими рассеяния, уместно спросить, как они развились из заполняющих пространство токов «тела», как, например, один из них используется в контексте вспышек солнечной короны. Ниже мы обсудим природу двух основных классов токовых слоев, используемых в исследованиях пульсаров: сингулярные обратные токи на границе между открытыми и замкнутыми силовыми линиями и токовые слои между полосами в полосатой модели ветра.

Текущие листы на границе между открытым и закрытым полем?

Модели магнитосферы магнитного ротатора показывают распределенные токи вдоль открытых силовых линий магнитного поля над полярными шапками пульсаров, но часто возвращают токи в виде слоев, как показано стрелками на рис.15, слева. Тогда токовый слой проходит вдоль последней открытой линии магнитного поля, разделяя зоны открытых и замкнутых силовых линий магнитного поля. Однако, как мы видим, это всего лишь упрощение. По своему происхождению возвратный ток является не сингулярным слоем, а объемным током, как и ток полярной шапки. На самом деле это уже обсуждалось в ранней основополагающей статье Голдрайха и Джулиана (1969) (рис. 15, справа). Кроме того, численные исследования показывают, что электрические (поляризационные) токи к пульсару и от него в области полярной шапки довольно широки, как это можно увидеть в типичном примере на рис.11, справа, который рассчитан для наклонного диполя 60 90 201 ∘ 90 202 и в предположении отсутствия сил. Другое недавнее численное исследование (Тимохин и Аронс, 2013) показывает распределенный обратный ток с размерами, сравнимыми с шириной полярной шапки (рис. 16, слева). В частности, перпендикулярный ротатор представляет собой интересный пример, когда симметрия приводит к тому, что токи и обратные токи имеют одинаковую конечную ширину, как это видно на рис. 16, справа. Обратите внимание, что между двумя статьями есть загадочная разница в направлениях токов для перпендикулярного ротатора: на рис.16, слева, токи в полярной шапке над экватором имеют те же направления, что и ниже экватора, а на рис. 16, справа токи противоположны и образуют часть одной цепи. На наш взгляд, последняя картина верна, так как она основана на знаке поверхностных зарядов для перпендикулярного вакуумного ротатора, который задается знаком Ом B , и который противоположен по обе стороны от экватора.

Рис. 15

Слева : Листовые токи в типичной теоретической модели ( синий ).Из Тимохина (2007), рис. 1. Справа : Токи конечной ширины в исходной модели Гольдрайха-Юлиана (полярная шапка преувеличена). Кредит: Fung et al. (2006), воспроизведено с разрешения ©ESO

Рис. 16

Слева : Обратный ток конечной ширины в реальных расчетах. Из Timokhin and Arons (2013), рис. 1. Справа : Перпендикулярный вращатель с электрическими полями ( сверху ) и электрическими токами ( снизу ).Текущий и обратный ток имеют одинаковую ширину. Из Kuijpers (2001), ©Cambridge University Press, перепечатано с разрешения

.

Текущие слои между экваториальными полосами?

Другой класс сингулярных токов возникает на тангенциальных разрывах между пучками поля разных полярностей, когда они встречаются в экваториальной области. Наиболее простым случаем является выровненный ротатор (рис. 15), слева, который показывает меридиональную проекцию экваториального тангенциального разрыва.В 3D этот поток закручивается внутрь в экваториальной плоскости. Конечно, в косом случае этот плоский токовый слой становится волнистым (рис. 17, слева). Многие авторы концентрируют внимание на этом тангенциальном разрыве в полосатом экваториальном ветре как на источнике преобразования магнитной энергии в кинетическую (Коронити, 1990; Боговалов, 1999). Однако против этих исследований можно выдвинуть два возражения. Во-первых, этот морщинистый токовый слой на самом деле состоит из комбинации тангенциального тока разрыва и тока смещения, о котором мы говорили выше.Конечно, рассеяние этого токового слоя не может рассматриваться исключительно с точки зрения резистивной МГД. Второе возражение заключается в том, что, ограничивая исследование сингулярным слоем, пренебрегают «телесными» токами внутри полосы, которые соединяются с магнитными полюсами и переносят как угловой момент, так и энергию от звезды. Как такие телесные токи будут конденсироваться в единый слой, неясно.

Рис. 17

Слева : Меридиональное ( верх ) и экваториальное ( низ ) сечение косого расщепленного монопольного ветра.Авторы и права: Боговалов (1999 г.), воспроизведено с разрешения ©ESO. Справа : Угловое распределение относительной светимости пульсарного ветра из осесимметричного расчета только с численным сопротивлением, на r / r ЛК =10: полная светимость ( сплошная линия ), гидродинамическая кинетика ( пунктирная линия ) в пределах полярного конуса угла θ . Пунктирная линия показывает общую плотность потока в радиальном направлении.Из Комиссарова (2006), рис. 9, справа

К реалистичному описанию экваториального ветра наклонного ротатора

На рис. 18 показаны эскизы меридионального сечения части экваториального пульсарного ветра согласно существующим знаниям (справа) и нашему мнению (слева). Как нам представляется, экваториальная область ветра косого ротатора состоит в основном из тороидальных магнитных силовых трубок, которые исходят от обоих полюсов и соединяются, располагаясь попеременно в радиальном направлении.Каждая магнитная трубка несет поток тела с противоположными знаками выше и ниже экватора. Эти токи соответствуют внутреннему закручиванию магнитных трубок, вызванному полярной системой входящего и исходящего тока. Мы построили этот набросок на основе эволюционного сценария событий, когда конечная магнитная трубка вытягивается из звезды, когда она начинает вращаться (рис. 19). Помимо этих токов существует ток, разделяющий две магнитные трубки. Этот ток составляет пренебрежимо малую величину (порядка Г −2 ) из зарядного тока и главным образом из тока смещения.В целом, поток Пойнтинга наклонного вращателя поддерживается двумя системами электрического тока: током заряженного тела, который может испытывать голодание по току и, как следствие, диссипацией на некотором расстоянии от звезды, и током смещения, который, вероятно, распределяется вместо единственного числа, и который рассеивается в процессе CPA. Третьим компонентом постулируемого сингулярного тока заряда, отделяющего потоковые трубки от обоих полушарий, — которому посвящено несколько статей — можно полностью пренебречь в отношении его вклада в общий поток энергии Пойнтинга.На наш взгляд, это подтверждается результатами Комиссарова (2006), который вычислил величину рассеяния потока Пойнтинга по численному сопротивлению в МГД-приближении пульсарного ветра, построенного по рецепту Боговалова (1999) (рис. 17, справа). Как видно, вклад экваториального токового слоя незначителен по отношению к полному потоку энергии.

Рис. 18

Слева : Меридиональное сечение экваториального ветра.Поле в каждом сегменте соединяется с соответствующей полярной шапкой на звезде. Горизонтальная ширина магнитной трубки в бессиловом холодном потоке примерно постоянна и равна πr . ЛК . Бессиловой характер тока подразумевает, что магнитное поле в каждой магнитной трубке является спиральным, как указано в скобках ( lh для левшей; rh для правшей). Шаг поля в северном полушарии левый. Справа : Обычная картина тока, которая фокусируется на сингулярных токовых слоях, связанных с тангенциальным разрывом, и не учитывает какие-либо объемные токи. Из Kuijpers (2001), ©Cambridge University Press, перепечатано с разрешения

. Рис. 19

Эскиз электрических токов ( открытые стрелки ), которые представляют собой магнитную трубку, соединяющую оба магнитных полюса, вытянутую из перпендикулярного магнитного вращателя, чтобы тормозить звездное вращение.Для наглядности показаны только две силовые линии магнитного поля (, черные стрелки, ). Наклонная плоскость справа — это разрез, представленный на рис. 18 в асимптотическом режиме, когда вершина петли исчезла до бесконечности. Из Kuijpers (2001), ©Cambridge University Press, перепечатано с разрешения

.

3D-неустойчивость тороидального ветра

Принципиально отличное решение проблемы сигмы было предложено Бегельманом (1998). Он указывает, что сильное тороидальное поле, усиленное обратным ударом ветра, неустойчиво по Рэлею-Тейлору и имеет тенденцию подниматься из экваториальной плоскости.Ожидается, что ударное магнитное поле и система электрического тока примут турбулентную форму, а пересоединение этой магнитной турбулентности обеспечит требуемое преобразование магнитной энергии в кинетическую. Численные расчеты эволюции поля Porth et al. (2013) действительно демонстрируют, что ударное тороидальное поле (излом) неустойчиво и приобретает турбулентный характер (см. рис. 20). Следует, однако, отметить, что эти авторы используют большое численное сопротивление (размер ячейки 2⋅10 16 см!) для рассеивания перегибов смешанной полярности и тем самым уменьшают σ .

Рис. 20

Изломная неустойчивость тороидального поля за ударной волной. Трехмерная визуализация структуры магнитного поля в модели с σ 0 =3 в t =70 лет после начала моделирования. Линии магнитного поля интегрируются от точек выборки, начиная с r =3⋅10 17 см. Цвета указывают на доминирующую компоненту поля, синий для тороидального и красный для полоидального.Из Порта и др. (2013), рис. 2, слева

Выводы для радиопульсарных ветров

Ключевая проблема в пульсарах — и в космических магнитных структурах в целом — состоит в том, чтобы объяснить, как магнитная энергия переносится от динамо-машины в область преобразования/диссипации, где наблюдаются энергичные частицы, излучение и выбросы. Мы описали наше нынешнее понимание ветров пульсаров, сосредоточив внимание на их системах электрического тока.

Мы указали на основе простых аргументов, что наклонный магнитный ротатор излучает как МГД-ветер, так и встроенный ТЕМ, оба из которых первоначально находятся под влиянием магнитного поля, так что σ ≫1.И ветер, и волна ТЕМ уносят угловой момент и энергию от звезды в виде потока Пойнтинга. Система электрического тока имеет три домена: в основании он проходит через поверхностные слои звезды поперек ее магнитного поля, тем самым оказывая тормозящий момент на вращающуюся звезду; далее следует область сверхбыстрого ветра, практически не связанная с силами, где токи следуют силовым линиям магнитного поля; наконец, поток Пойнтинга преобразуется в кинетическую энергию, так что σ ≪1.Это может произойти из-за комбинации эффектов:

  • частично за счет инерционной фокусировки к оси вращения и последующего объемного ускорения в полярных струях. Однако, поскольку пульсар является медленным ротатором, этого не происходит, если не существует важных различий между геометрией полярных ветров наклонного и выровненного ротаторов;

  • частично из-за голодания по току, последующей эволюции параллельных электрических полей, прямого ускорения частиц, замыкания тока и объемного ускорения силой Лоренца в процессе, который был назван Обобщенным магнитным пересоединением;

  • и частично ускорением частиц (CPFA) в сильном ТЕМ.

В какой степени «общее» магнитное пересоединение (Parker 1957) и разрыв играют роль, неясно. Мы ожидаем, что она будет приурочена к экваториальным областям, и вполне может быть, что ее роль сильно переоценена. Мы хотели бы отметить, что подобные сингулярные токовые слои, существующие в солнечной короне между областями разной полярности, сами по себе не являются характерными местами солнечных вспышек.

Мы хотим подчеркнуть двоякий эффект параллельных электрических полей: во-первых, они естественным образом развиваются в токовой цепи с локальной или временной нехваткой носителей заряда, где они приводят к прямому ускорению частиц.Важным примером является полярная щель в пульсаре, которая приводит к обильному рождению пар. Во-вторых, они также действуют как области «разрыва», по обеим сторонам которых идеальные магнитные структуры без сил скользят друг относительно друга («проскальзывание»), и где электрические токи пересекают магнитное поле, что приводит к объемному ускорению за счет лоренцевского поля. сила. В качестве примера можно привести область нынешнего голода далеко в пульсарном ветре.

Кроме того, мы утверждали, что отдельные токовые слои часто предполагаются для удобства, тогда как рассмотрение реалистичных распределенных («тело») токов приводит к лучшему пониманию физики токовой цепи и ее рассеивания.

При численных расчетах остается неясным, нечувствительны ли рассчитанные макроструктуры к деталям удельного сопротивления и вязкости, в частности к эффектам численного удельного сопротивления. На этот вопрос сложно ответить из-за большого диапазона задействованных масштабов длины. Для радиопульсара масштаб длины меняется в течение 11 декад, от звездного радиуса порядка 10 км, через расстояние светового цилиндра r ЛК c / Ом ∼1.58⋅10 3 Р 0,033 км ( P 0,033 — период пульсара в единицах 0,033 сек, период пульсара Краб) до расстояния обратного удара 0,1 пк. Для джетов в Активных Галактиках он варьируется в течение 9 декад, от нескольких радиусов Шварцшильда R С =(2 ГМ ВН / с 2 ) 0.5 ∼3⋅10 14   М ВН /M см на расстояния узлов и толчков на 10 25 см ( M ВН — масса черной дыры).

9.1 Электрический ток — Университетская физика, том 2

Цели обучения

К концу этого раздела вы сможете:

  • Описать электрический ток
  • Определить единицу электрического тока
  • Объясните направление течения тока

До сих пор мы рассматривали в основном статические заряды.Когда заряды действительно двигались, они ускорялись в ответ на электрическое поле, создаваемое разностью потенциалов. Заряды теряли потенциальную энергию и приобретали кинетическую энергию, когда они проходили через разность потенциалов, когда электрическое поле действительно работало над зарядом.

Хотя для протекания зарядов не требуется материал, большая часть этой главы посвящена изучению движения зарядов через материал. Скорость, с которой заряды проходят через определенное место, то есть количество заряда в единицу времени, известна как электрический ток .Когда заряды протекают через среду, ток зависит от приложенного напряжения, материала, через который проходят заряды, и состояния материала. Особый интерес представляет движение зарядов в проводнике. В предыдущих главах заряды ускорялись за счет силы, обеспечиваемой электрическим полем, теряя потенциальную энергию и приобретая кинетическую энергию. В этой главе мы обсудим ситуацию силы, обеспечиваемой электрическим полем в проводнике, где заряды теряют кинетическую энергию в материале, достигая постоянной скорости, известной как « дрейфовая скорость ».Это аналогично тому, как объект падает сквозь атмосферу и теряет кинетическую энергию в воздухе, достигая постоянной конечной скорости.

Если вы когда-либо проходили курс по оказанию первой помощи или технике безопасности, вы, возможно, слышали, что в случае поражения электрическим током сила тока, а не напряжение, является важным фактором, влияющим на тяжесть поражения и величину поражения. повреждения человеческого организма. Ток измеряется в единицах, называемых амперами; Вы, возможно, заметили, что автоматические выключатели в вашем доме и предохранители в вашем автомобиле рассчитаны на ампер (или ампер).Но что такое ампер и что он измеряет?

Определение тока и ампера

Электрический ток определяется как скорость, с которой течет заряд. Когда присутствует большой ток, например, используемый для работы холодильника, большое количество заряда проходит по проводу за небольшой промежуток времени. Если ток небольшой, например, используемый для работы портативного калькулятора, небольшое количество заряда перемещается по цепи в течение длительного периода времени.

Электрический ток

Средний электрический ток I скорость, с которой течет заряд,

Iave=ΔQΔt,Iave=ΔQΔt,

9.1

, где ΔQΔQ — количество чистого заряда, прошедшего через заданную площадь поперечного сечения за время ΔtΔt (рис. 9.2). Единицей силы тока в системе СИ является ампер (А), названный в честь французского физика Андре-Мари Ампера (1775–1836). Поскольку I=ΔQΔtI=ΔQΔt, мы видим, что ампер определяется как один кулон заряда, проходящий через данную площадь в секунду:

Мгновенный электрический ток, или просто электрический ток, является производной по времени от протекающего заряда и определяется путем принятия предела среднего электрического тока как Δt→0Δt→0:

I=limΔt→0ΔQΔt=dQdt.I=limΔt→0ΔQΔt=dQdt.

9.3

Большинство электрических приборов рассчитаны на ампер (или амперы), необходимые для правильной работы, как и предохранители и автоматические выключатели.

Фигура 9.2 Скорость потока заряда является текущей. Ампер — это поток заряда в один кулон через площадь за одну секунду. Ток в один ампер возник бы из-за того, что 6,25×10186,25×1018 электронов протекают через площадь A каждую секунду.

Пример 9.1

Расчет среднего тока
Основное назначение аккумуляторной батареи в легковом или грузовом автомобиле — питание электрического стартера, который запускает двигатель.Операция запуска транспортного средства требует подачи большого тока от аккумуляторной батареи. Как только двигатель запускается, устройство, называемое генератором переменного тока, берет на себя подачу электроэнергии, необходимой для работы автомобиля и для зарядки аккумулятора.

(a) Какой средний ток возникает, когда аккумуляторная батарея грузового автомобиля приводится в движение с зарядом 720 Кл за 4,00 с при запуске двигателя? б) Сколько времени требуется, чтобы заряд батареи составил 1,00 Кл?

Стратегия
Мы можем использовать определение среднего тока в уравнении I=ΔQΔtI=ΔQΔt, чтобы найти средний ток в части (a), поскольку заряд и время заданы.Для части (b), когда мы знаем средний ток, мы можем определить его определение I=ΔQΔtI=ΔQΔt, чтобы найти время, необходимое для того, чтобы 1,00 C заряда вытек из батареи.
Решение
а. Ввод заданных значений заряда и времени в определение тока дает I=ΔQΔt=720C4,00с=180C/с=180A.I=ΔQΔt=720C4,00с=180C/с=180A.

б. Решение соотношения I=ΔQΔtI=ΔQΔt для времени ΔtΔt и ввод известных значений заряда и тока дает

Δt=ΔQI=1,00C180C/с=5,56×10-3 с=5,56 мс. Δt=ΔQI=1,00C180C/с=5.56×10−3 с=5,56 мс.
Значение
а. Это большое значение тока иллюстрирует тот факт, что большой заряд перемещается за небольшой промежуток времени. Токи в этих «стартерах» достаточно велики, чтобы преодолеть инерцию двигателя. б. Большой ток требует короткого времени для подачи большого количества заряда. Этот большой ток необходим для подачи большого количества энергии, необходимой для запуска двигателя.

Пример 9.2

Расчет мгновенных токов
Рассмотрим заряд, движущийся по поперечному сечению провода, где заряд моделируется как Q(t)=QM(1−e−t/τ)Q(t)=QM(1−e−t/τ).Здесь QMQM — это заряд после длительного периода времени по мере приближения времени к бесконечности в единицах кулонов, а ττ — постоянная времени в единицах секунд (см. рис. 9.3). Какова сила тока в проводе?

Фигура 9.3 График движения заряда через поперечное сечение провода с течением времени.

Стратегия
Ток через поперечное сечение можно найти по формуле I=dQdtI=dQdt. Обратите внимание на рисунок, что заряд увеличивается до QMQM, а производная уменьшается, приближаясь к нулю, по мере увеличения времени (рисунок 9.4).
Решение
Производную можно найти, используя ddxeu=eududxddxeu=eududx. I=dQdt=ddt[QM(1−e−t/τ)]=QMτe−t/τ.I=dQdt=ddt[QM(1−e−t/τ)]=QMτe−t/τ.

Фигура 9.4 График изменения тока, протекающего по проводу, во времени.

Значение
Ток через рассматриваемый провод уменьшается экспоненциально, как показано на рис. 9.4. В следующих главах будет показано, что ток, зависящий от времени, появляется, когда конденсатор заряжается или разряжается через резистор.Напомним, что конденсатор — это устройство, хранящее заряд. Вы узнаете о резисторе в модели проводимости в металлах.

Проверьте свое понимание 9.1

Проверьте свое понимание В портативных калькуляторах часто используются небольшие солнечные элементы для обеспечения энергией, необходимой для выполнения расчетов, необходимых для сдачи следующего экзамена по физике. Ток, необходимый для работы вашего калькулятора, может составлять всего 0,30 мА. Сколько времени потребуется для того, чтобы 1,00 Кл заряда вытекли из солнечных элементов? Можно ли использовать солнечные элементы вместо батарей для запуска традиционных двигателей внутреннего сгорания, используемых в настоящее время в большинстве легковых и грузовых автомобилей?

Проверьте свое понимание 9.2

Проверьте свое понимание Автоматические выключатели в доме измеряются в амперах, обычно в диапазоне от 10 до 30 ампер, и используются для защиты жителей от вреда и их приборов от повреждения из-за больших токов. Один 15-амперный автоматический выключатель можно использовать для защиты нескольких розеток в гостиной, а один 20-амперный автоматический выключатель можно использовать для защиты холодильника на кухне. Какой вывод вы можете сделать из этого о токе, потребляемом различными приборами?

Ток в цепи

В предыдущих параграфах мы определили ток как заряд, протекающий через площадь поперечного сечения в единицу времени.Чтобы заряд протекал через устройство, такое как фара, показанная на рис. 9.5, должен быть полный путь (или цепь) от положительного вывода к отрицательному. Рассмотрим простую схему автомобильного аккумулятора, выключателя, лампы фары и проводов, обеспечивающих путь тока между компонентами. Чтобы лампа зажглась, должен быть полный путь для протекания тока. Другими словами, заряд должен иметь возможность покинуть положительную клемму батареи, пройти через компонент и вернуться к отрицательной клемме батареи.Переключатель там для управления цепью. В части (а) рисунка показана простая схема автомобильного аккумулятора, выключателя, токопроводящей дорожки и лампы фары. Также показана схема цепи [часть (b)]. Схема — это графическое представление схемы, которое очень полезно для визуализации основных характеристик схемы. На схемах используются стандартные символы для представления компонентов в цепях и сплошные линии для обозначения проводов, соединяющих компоненты. Батарея показана в виде серии длинных и коротких линий, представляющих исторический гальванический столб.Лампа изображена в виде круга с петлей внутри, представляющей собой нить накаливания лампы накаливания. Переключатель показан в виде двух точек с проводящей полосой для соединения двух точек, а провода, соединяющие компоненты, показаны сплошными линиями. Схема в части (c) показывает направление тока, когда переключатель замкнут.

Фигура 9,5 а) Простая электрическая схема фары (лампы), аккумулятора и выключателя. Когда переключатель замкнут, непрерывный путь для протекания тока обеспечивается проводящими проводами, соединяющими нагрузку с клеммами батареи.(б) На этой схеме батарея представлена ​​параллельными линиями, которые напоминают пластины оригинальной конструкции батареи. Более длинные линии указывают на положительную клемму. Проводники показаны сплошными линиями. Переключатель показан в разомкнутом положении в виде двух клемм с линией, представляющей проводящую полосу, которая может контактировать между двумя клеммами. Лампа представлена ​​кругом, охватывающим нить накала, как в лампе накаливания. (c) Когда переключатель замкнут, цепь замкнута, и ток течет от положительной клеммы к отрицательной клемме батареи.

Когда переключатель замкнут на рисунке 9.5(c), существует полный путь для протекания зарядов от положительной клеммы батареи через переключатель, затем через фару и обратно к отрицательной клемме батареи. Обратите внимание, что направление тока течет от положительного к отрицательному. Направление обычного тока всегда представлено в направлении, в котором будет течь положительный заряд, от положительного вывода к отрицательному.

Обычный ток течет от положительной клеммы к отрицательной, но в зависимости от реальной ситуации могут перемещаться положительные заряды, отрицательные заряды или и то, и другое.В металлических проводах, например, ток переносится электронами, то есть движутся отрицательные заряды. В ионных растворах, таких как соленая вода, движутся как положительные, так и отрицательные заряды. Это верно и для нервных клеток. Генератор Ван де Граафа, используемый для ядерных исследований, может производить ток чисто положительных зарядов, таких как протоны. В ускорителе Тэватрон в Фермилабе перед его закрытием в 2011 году столкнулись пучки протонов и антипротонов, летящие в противоположных направлениях. Протоны положительны, и поэтому их ток направлен в том же направлении, в котором они движутся.Антипротоны заряжены отрицательно, и поэтому их ток направлен в направлении, противоположном направлению движения реальных частиц.

Ток, протекающий по проводу, более подробно показан на рис. 9.6. На рисунке показано движение заряженных частиц, составляющих ток. Тот факт, что обычный ток считается направленным в сторону положительного заряда, восходит к американскому ученому и государственному деятелю Бенджамину Франклину в 1700-х годах. Не зная о частицах, из которых состоит атом (а именно о протоне, электроне и нейтроне), Франклин полагал, что электрический ток течет от материала, в котором больше «электрической жидкости», к материалу, в котором меньше этого «электрического флюида». электрическая жидкость.Он ввел термин положительный для материала, в котором было больше этой электрической жидкости, и отрицательный для материала, в котором не было электрической жидкости. Он предположил, что ток будет течь от материала с большим количеством электрического флюида — положительного материала — к отрицательному материалу, в котором меньше электрического флюида. Франклин назвал это направление тока положительным током. Это было довольно продвинутое мышление для человека, который ничего не знал об атоме.

Фигура 9.6 Ток I — это скорость, с которой заряд проходит через площадь A , такую ​​как поперечное сечение провода. Обычный ток определяется как движущийся в направлении электрического поля. (а) Положительные заряды движутся в направлении электрического поля, которое совпадает с направлением обычного тока. б) Отрицательные заряды движутся в направлении, противоположном электрическому полю. Обычный ток направлен в сторону, противоположную движению отрицательного заряда.Поток электронов иногда называют электронным потоком.

Теперь мы знаем, что материал является положительным, если в нем больше протонов, чем электронов, и отрицательным, если в нем больше электронов, чем протонов. В проводящем металле протекание тока обусловлено в первую очередь электронами, текущими от отрицательного материала к положительному, но по историческим причинам мы рассматриваем протекание положительного тока, и показано, что ток течет от положительного вывода батареи к положительному. отрицательный терминал.

Важно понимать, что электрическое поле присутствует в проводниках и отвечает за создание тока (рис. 9.6). В предыдущих главах мы рассмотрели статический электрический случай, когда заряды в проводнике быстро перераспределяются по поверхности проводника, чтобы нейтрализовать внешнее электрическое поле и восстановить равновесие. В случае электрической цепи заряды не могут достичь равновесия за счет внешнего источника электрического потенциала, такого как батарея.Энергия, необходимая для перемещения заряда, обеспечивается электрическим потенциалом батареи.

Хотя за движение зарядов в проводнике отвечает электрическое поле, работа, совершаемая над зарядами электрическим полем, не увеличивает кинетическую энергию зарядов. Мы покажем, что электрическое поле отвечает за то, чтобы электрические заряды двигались с «дрейфовой скоростью».

Влияние магнитного поля на динамику пузырьков газа при электролизе воды

  • Thorne, R.J. и др. Эволюция пузырьков и свойства поверхности анода при электролизе алюминия. Дж. Электрохим. соц. 162 , E104–E114 (2015).

    КАС Статья Google ученый

  • Vogt, H. Величины, влияющие на покрытие пузырьками газообразующих электродов. Электрохим. Acta 235 , 495–499 (2017).

    КАС Статья Google ученый

  • Кирос Ю.и Мартин, Б. Низкое энергопотребление в хлорно-щелочных элементах с использованием электродов для восстановления кислорода. Междунар. Дж. Электрохим. науч. 3 , 444–451 (2008).

    КАС Google ученый

  • Кукси, М. А., Тейлор, М. П. и Чен, Дж. Дж. Дж. Сопротивление из-за пузырьков газа в алюминиевых электролизерах. JOM 60 , 51–57 (2008).

    КАС Статья Google ученый

  • Хопен, В.E. Сканирующий электрод сравнения для контуров напряжения в алюминиевых плавильных камерах. JOM 23 , 46–49 (1971).

    КАС Статья Google ученый

  • Ван Ю.-Л. и др. Влияние газового пузыря на колебания напряжения ячейки на основе моделирования эквивалентной схемы в алюминиевой ячейке электролиза. Пер. Цветные металлы. соц. Китай 25 , 335–344 (2015).

    Артикул КАС Google ученый

  • Мацусима, Х., Киучи Д. и Фукунака Ю. Измерение пересыщения растворенным водородом при электролизе воды в магнитном поле. Электрохим. Acta 54 , 5858–5862 (2009).

    КАС Статья Google ученый

  • Лин, М.Ю., Хурнг, Л.В. и Куо, К.В. Влияние магнитного поля на эффективность производства водорода при электролизе воды. Междунар. J. Hydrogen Energy 37 , 1311–1320 (2012).

    КАС Статья Google ученый

  • Иида Т., Мацусима Х. и Фукунака Ю. Электролиз воды в магнитном поле. Дж. Электрохим. соц. 154 , E112–E115 (2007 г.).

    КАС Статья Google ученый

  • Коза, Дж. А. и др. Выделение водорода под действием магнитного поля. Электрохим.Acta 56 , 2665–2675 (2011).

    КАС Статья Google ученый

  • Мацусима Х., Иида Т. и Фукунака Ю. Эволюция пузырьков газа на прозрачном электроде во время электролиза воды в магнитном поле. Электрохим. Acta 100 , 261–264 (2013).

    КАС Статья Google ученый

  • Диао З., Данн П.А., Зангари, Г. и Коуи, Дж. М. Д. Анализ электрохимического шума влияния магнитного поля на катодное выделение водорода. Электрохим. коммун. 11 , 740–743 (2009).

    КАС Статья Google ученый

  • Sueptitz, R., Tschulik, K., Uhlemann, M., Gebert, A. & Schultz, L. Влияние градиентов магнитного поля на свободную коррозию железа. Электрохим. Acta 55 , 5200–5203 (2010 г.).

    КАС Статья Google ученый

  • Rhen, F.M.F., Hinds, G. & Coey, J.M.D. Влияние магнитного поля на потенциал покоя цинка. Электрохим. коммун. 6 , 413–416 (2004).

    КАС Статья Google ученый

  • Себрон Д., Вируле С., Видаль Дж., Массон Дж. П. и Вируле П. Экспериментальное и теоретическое исследование магнитогидродинамических моделей кораблей. PLoS ONE 12 , e0178599 (2017).

    ПабМед ПабМед Центральный Статья КАС Google ученый

  • Li, YH, Zeng, CH & Chen, YJ. Повышение напряженности магнитного поля магнитогидродинамического двигателя, состоящего из постоянных магнитов. AIP Adv. 11 , 015008 (2021).

    ОБЪЯВЛЕНИЕ Статья Google ученый

  • Лю Б.Н., Ефимов М. Л., Кульсартов В. К., Якупова Р. М. Движение растворенного кислорода в постоянном магнитном поле. Биофизика 23 , 159–161 (1978).

    КАС пабмед Google ученый

  • Boulware, J.C., Ban, H., Jensen, S. & Wassom, S. Моделирование динамики порции жидкого кислорода в магнитном поле и экспериментальная проверка. Криогеника 50 , 401–409 (2010).

    ОБЪЯВЛЕНИЕ КАС Статья Google ученый

  • Уэно, С. и Харада, К. Перераспределение концентрации растворенного кислорода в сильных магнитных полях постоянного тока. IEEE Trans. Магн. 18 , 1704–1706 (1982).

    ОБЪЯВЛЕНИЕ Статья Google ученый

  • Хирота Н., Икезоэ Ю., Уэтаке Х., Накагава Дж. и Китадзава К. Влияние магнитного поля на кинетику растворения кислорода в воде. Матер. Транс. JIM 41 , 976–980 (2000).

    КАС Статья Google ученый

  • Бао, С. Р. и др. Усиление конвективного теплообмена в жидком кислороде с помощью переменных магнитных полей. Заяв. Терм. англ. 100 , 125–132 (2016).

    КАС Статья Google ученый

  • Бао, С. Р., Чжан, Р.П., Ван, К., Чжи, X. Q. и Цю, Л. М. Течение жидкого кислорода со свободной поверхностью в неоднородном магнитном поле. Криогеника 81 , 76–82 (2017).

    ОБЪЯВЛЕНИЕ КАС Статья Google ученый

  • Поурязданпанах К. Э. и Чен Ю. Исследование влияния магнитного поля на перенос кислорода в потоке жидкого свинца в полости с использованием метода Больцмана на решетке. Дж. Теплообмен. 142 , 022107 (2020).

    Артикул КАС Google ученый

  • Такамизава С., Наката Э. И. и Акацука Т. Магнитное поведение одномерной молекулярно-кислородной системы, включенной в трансформируемый монокристаллический адсорбент. Анжю. хим. Междунар. Редактировать. 45 , 2216–2221 (2006).

    КАС Статья Google ученый

  • Ван, К. и др. Поведение газовых пузырьков в жидкости под действием магнитного поля. науч. 6 , 1–6 (2016).

    Артикул КАС Google ученый

  • Логе Г. и Кун А. Химическая локомоция проводящих объектов, индуцированная электрическим полем. Нац. коммун. 2 , 1–6 (2011).

    Артикул КАС Google ученый

  • Логе Г. и Кун А. Движение микрообъектов путем динамической биполярной саморегенерации. Дж. Ам. хим. соц. 132 , 15918–15919 (2010).

    КАС пабмед Статья Google ученый

  • Фогт, Х. Суперпозиция микроконвективного и макроконвективного массопереноса на газообразующих электродах — теоретическая попытка. Электрохим. Acta 32 , 633–636 (1987).

    КАС Статья Google ученый

  • Фогт, Х.& Стефан, К. Локальные микропроцессы на газовыделяющих электродах и их влияние на массоперенос. Электрохим. Acta 155 , 348–356 (2015).

    КАС Статья Google ученый

  • Dees, D.W. & Tobias, C.W. Массообмен на газообразующих поверхностях. Дж. Электрохим. соц. 134 , 1702–1713 (1987).

    ОБЪЯВЛЕНИЕ КАС Статья Google ученый

  • Ян, X., Карнбах Ф., Улеманн М., Оденбах С. и Эккерт К. Динамика одиночных пузырьков водорода на платиновом микроэлектроде. Ленгмюр 31 , 8184–8193 (2015).

    КАС пабмед Статья Google ученый

  • Ангуло, А., Ван дер Линде, П., Гарденерс, Х., Модестино, М. и Ривас, Д. Ф. Влияние пузырьков на эффективность преобразования энергии электрохимических реакторов. Дж 4 , 555–579 (2020).

    КАС Статья Google ученый

  • Цзэн К. и Чжан Д. Недавний прогресс в электролизе щелочной воды для производства и применения водорода. Прог. Энергетическое сгорание. науч. 36 , 307–326 (2010).

    КАС Статья Google ученый

  • Кумар, С. С. и др. Синтез композитной мембраны из оксида титана (IV) для производства водорода путем электролиза щелочной воды. Южная Африка Дж. Хим. англ. 25 , 54–61 (2018).

    Google ученый

  • Кумар, С. С., Рамакришна, С. У. Б., Редди, Д. С., Бхагаван, Д. и Химабинду, В. Синтез асбестовых композитных сепараторов с покрытием из полисульфона и оксида циркония для электролиза щелочной воды. Междунар. Дж. Хим. англ. Технологии процесса. 3 , 1035/1-1035/6 (2017).

    Google ученый

  • Ни, М., Леунг, М.К.Х. и Леунг, Д.Ю.К. Технологическая разработка производства водорода с помощью твердооксидного электролизера (SOEC). Междунар. J. Hydrogen Energy 33 , 2337–2354 (2008).

    КАС Статья Google ученый

  • Laguna-Bercero, MA Последние достижения в области высокотемпературного электролиза с использованием твердооксидных топливных элементов: обзор. J. Power Sources 203 , 4–16 (2012).

    КАС Статья Google ученый

  • Кадиер, А. и др. Всесторонний обзор конструкций и конфигураций реакторов микробных электролизеров (MEC) для устойчивого производства газообразного водорода. Алекс. англ. J. 55 , 427–443 (2016).

    Артикул Google ученый

  • Кадиер, А. и др. Последние достижения и возникающие проблемы в микробных электролизных ячейках (MEC) для микробного производства водорода и химических веществ с добавленной стоимостью. Продлить. Суст. Энерг. Ред. 61 , 501–525 (2016).

    КАС Статья Google ученый

  • Sapountzi, F.M., Gracia, J.M., Fredriksson, H.O. & Niemantsverdriet, JH. Электрокатализаторы для производства водорода, кислорода и синтез-газа. Прог. Энергетическое сгорание. науч. 58 , 1–35 (2017).

    Артикул Google ученый

  • Арико, А.С. и др. Электролиз воды с мембраной из полимерного электролита: состояние технологий и возможные применения в сочетании с возобновляемыми источниками энергии. J. Appl. Электрохим. 43 , 107–118 (2013).

    Артикул КАС Google ученый

  • Рэгсдейл, С. Р., Грант, К. М. и Уайт, Х. С. Электрохимически генерируемые магнитные силы. Усиленный транспорт парамагнитных окислительно-восстановительных соединений в больших неоднородных магнитных полях. Дж. Ам. хим. соц. 120 , 13461–13468 (1998).

    КАС Статья Google ученый

  • Горобец О.Ю., Горобец В.Ю., Дереча Д.О., Бруква О.М. Электроосаждение никеля в постоянном однородном и высокоградиентном магнитном поле. J. Phys. хим. 112 , 3373–3375 (2008).

    КАС Google ученый

  • Любашевский О., Кац Э. и Вилнер И. Влияние магнитного поля, направленного ортогонально к поверхностям, на электрохимические процессы. J. Phys. хим. C. 111 , 6024–6032 (2007).

    КАС Статья Google ученый

  • Lu, Z., Huang, C., Huang, D. & Yang, W. Влияние магнитного поля на анодное растворение, пассивацию и транспассивацию железа в слабощелочных растворах с галогенидами или без них. Коррос. науч. 48 , 3049–3077 (2006).

    КАС Статья Google ученый

  • Рен, Ф. М. Ф. и Коуи, Дж. М. Д. Индуцированная магнитным полем модуляция анодной области: анализ потенциала покоя Zn и Fe. J. Phys. хим. C. 111 , 3412–3416 (2007).

    КАС Статья Google ученый

  • Коза, Дж. А. и др. Электрокристаллизация сплавов CoFe под действием внешних однородных магнитных полей. Свойства осажденных тонких пленок. Электрохим. Acta 55 , 819–831 (2010).

    КАС Статья Google ученый

  • Ян, X., Эккерт, К. и Оденбах, С. Колебательные потоки, управляемые силой Лоренца, при потенциостатических колебаниях тока в магнитных полях. Электрохим. коммун. 12 , 1576–1580 (2010).

    КАС Статья Google ученый

  • Sueptitz, R., Tschulik, K., Uhlemann, M., Schultz, L. & Gebert, A. Влияние магнитного поля на активное растворение железа. Электрохим. Acta 56 , 5866–5871 (2011).

    КАС Статья Google ученый

  • Шушан С., Левеск А., Забински П., Рехамния Р. и Шопарт Дж.P. Электрохимическая коррозия в среде NaCl сплавов цинка и никеля, электроосажденных в приложенном магнитном поле. J. Alloys Compd. 506 , 575–580 (2010).

    КАС Статья Google ученый

  • Ян X., Чен С., Ван С. и Лян Л. И. Применение цифровой голографии in situ для изучения влияния магнитного поля на анодное растворение железа в тихлоруксусной кислоте. Дж.серб. хим. соц. 71 , 67–73 (2006).

    КАС Статья Google ученый

  • Мюленхофф, С. и др. Конвекция под действием силы Лоренца при магнитоэлектролизе меди в присутствии поддерживающей выталкивающей силы. Электрохим. Acta 69 , 209–219 (2012).

    Артикул КАС Google ученый

  • определение, особенности и интересные факты

    При нормальных условиях газы являются диэлектриками, т.к.состоят из нейтральных атомов и молекул и не имеют достаточного количества свободных зарядов. Газы становятся проводниками только тогда, когда они каким-то образом ионизированы. Процесс ионизации газов заключается в том, что под действием каких-либо причин от атома отрывается один или несколько электронов. В результате вместо нейтрального атома положительных ионов И электронов .

    Часть образовавшихся электронов может быть захвачена другими нейтральными атомами, и тогда появятся отрицательно заряженных ионов .

    Таким образом, в ионизированном газе есть три типа носителей заряда: электроны, положительные ионы и отрицательные.

    Отделение электрона от атома требует затраты определенной энергии — энергии ионизации Вт i . Энергия ионизации зависит от химической природы газа и энергетического состояния электрона в атоме. Так, на отрыв первого электрона от атома азота затрачивается энергия 14,5 эВ, а на отрыв второго электрона — 29.5 эВ, для отрыва третьего — 47,4 эВ.

    Факторы, вызывающие ионизацию газа, называются ионизаторами .

    Существует три типа ионизации: термическая ионизация, фотоионизация и ударная ионизация.

      Термическая ионизация возникает в результате столкновения атомов или молекул газа при высокой температуре, если кинетическая энергия относительного движения сталкивающихся частиц превышает энергию связи электрона в атоме.

      Фотоионизация происходит под действием электромагнитного излучения (ультрафиолетового, рентгеновского или γ-излучения), когда энергия, необходимая для отрыва электрона от атома, передается ему квантом излучения.

      Ионизация электронным ударом (или ударная ионизация ) — образование положительно заряженных ионов в результате столкновений атомов или молекул с быстрыми электронами с большой кинетической энергией.

    Процесс ионизации газа всегда сопровождается обратным процессом восстановления нейтральных молекул из противоположно заряженных ионов за счет их электрического притяжения. Это явление называется рекомбинацией . При рекомбинации выделяется энергия, равная энергии, затраченной на ионизацию. Это может вызвать, например, свечение газа.

    Если действие ионизатора неизменно, то в ионизированном газе устанавливается динамическое равновесие, при котором в единицу времени восстанавливается столько молекул, сколько они распадаются на ионы.При этом концентрация заряженных частиц в ионизированном газе остается неизменной. Если же действие ионизатора прекратить, то рекомбинация начнет преобладать над ионизацией, и число ионов быстро уменьшится почти до нуля. Следовательно, наличие заряженных частиц в газе — явление временное (пока работает ионизатор).

    В отсутствие внешнего поля заряженные частицы движутся хаотично.

    газовый разряд

    При помещении ионизированного газа в электрическое поле на свободные заряды начинают действовать электрические силы, и они дрейфуют параллельно линиям напряженности: электроны и отрицательные ионы — к аноду, положительные ионы — к катод (фиг.1). На электродах ионы превращаются в нейтральные атомы, отдавая или принимая электроны, тем самым замыкая цепь. В газе возникает электрический ток.

    Электрический ток в газах называется газовым разрядом .

    Полный ток в газе складывается из двух потоков заряженных частиц: потока, идущего к катоду, и потока, направленного к аноду.

    В газах электронная проводимость, аналогичная проводимости металлов, сочетается с ионной проводимостью, аналогичной проводимости водных растворов или расплавов электролитов.

    Таким образом, проводимость газов имеет ионно-электронный характер .

    В нормальных условиях газы не проводят электричество, потому что их молекулы электрически нейтральны. Например, сухой воздух — хороший изолятор, в чем мы могли убедиться с помощью простейших опытов по электростатике. Однако воздух и другие газы становятся проводниками электрического тока, если в них тем или иным образом создаются ионы.

    Рис. 100. Воздух становится проводником электрического тока, если его ионизировать

    Простейший опыт, иллюстрирующий проводимость воздуха при его ионизации пламенем, показан на рис.100: Заряд на пластинах, сохраняющийся длительное время, быстро исчезает при внесении в пространство между пластинами зажженной спички.

    Газоотвод. Процесс прохождения электрического тока через газ обычно называют газовым разрядом (или электрическим разрядом в газе). Газовые разряды делятся на два типа: автономные и несамостоятельные.

    Несамостоятельная категория. Разряд в газе называется несамостоятельным, если для его поддержания необходим внешний источник.

    ионизация. Ионы в газе могут возникать под действием высоких температур, рентгеновского и ультрафиолетового излучений, радиоактивности, космических лучей и т. д. Во всех этих случаях из электронной оболочки атома или молекулы высвобождается один или несколько электронов. В результате в газе появляются положительные ионы и свободные электроны. Освободившиеся электроны могут присоединяться к нейтральным атомам или молекулам, превращая их в отрицательные ионы.

    Ионизация и рекомбинация. Наряду с процессами ионизации в газе происходят и обратные рекомбинационные процессы: соединяясь друг с другом, положительные и отрицательные ионы или положительные ионы и электроны образуют нейтральные молекулы или атомы.

    Изменение концентрации ионов во времени, обусловленное постоянным источником процессов ионизации и рекомбинации, можно описать следующим образом. Предположим, что источник ионизации создает положительные ионы в единице объема газа в единицу времени и такое же количество электронов. Если в газе отсутствует электрический ток и уходом ионов из рассматриваемого объема за счет диффузии можно пренебречь, то единственным механизмом уменьшения концентрации ионов будет рекомбинация.

    Рекомбинация происходит, когда положительный ион встречается с электроном. Число таких встреч пропорционально как числу ионов, так и числу свободных электронов, т. е. пропорционально . Поэтому уменьшение числа ионов в единице объема в единицу времени можно записать как , где а — постоянная величина, называемая коэффициентом рекомбинации.

    При выполнении введенных предположений уравнение баланса ионов в газе можно записать в виде

    Мы не будем решать это дифференциальное уравнение в общем виде, а рассмотрим некоторые интересные частные случаи.

    Прежде всего отметим, что процессы ионизации и рекомбинации через некоторое время должны компенсировать друг друга и в газе установится постоянная концентрация, видно, что при

    стационарная концентрация ионов тем больше, чем тем мощнее источник ионизации и меньше коэффициент рекомбинации а.

    После выключения ионизатора уменьшение концентрации ионов описывается уравнением (1), в котором необходимо принять за начальное значение концентрации

    Переписав это уравнение в виде после интегрирования, получим

    График этой функции показан на рис.101. Это гипербола, асимптотами которой являются ось времени и вертикальная прямая. Разумеется, физический смысл имеет только участок гиперболы, соответствующий значениям. любая величина пропорциональна первой степени мгновенного значения этой величины.

    Рис. 101. Снижение концентрации ионов в газе после выключения источника ионизации

    Несамопроводимость. Процесс уменьшения концентрации ионов после прекращения действия ионизатора значительно ускоряется, если газ находится во внешнем электрическом поле.Притягивая электроны и ионы к электродам, электрическое поле может очень быстро свести к нулю электрическую проводимость газа в отсутствие ионизатора.

    Для понимания закономерностей несамостоятельного разряда рассмотрим для простоты случай, когда ток в газе, ионизированном внешним источником, течет между двумя параллельными друг другу плоскими электродами. При этом ионы и электроны находятся в однородном электрическом поле напряженностью Е, равной отношению напряжения, приложенного к электродам, к расстоянию между ними.

    Подвижность электронов и ионов. При постоянном приложенном напряжении в цепи устанавливается определенная постоянная сила тока 1. Это означает, что электроны и ионы в ионизированном газе движутся с постоянной скоростью. Для объяснения этого факта надо предположить, что помимо постоянной ускоряющей силы электрического поля на движущиеся ионы и электроны действуют силы сопротивления, возрастающие с увеличением скорости. Эти силы описывают усредненный эффект столкновений электронов и ионов с нейтральными атомами и молекулами газа.Сквозь силы сопротивления

    установлены средние постоянные скорости электронов и ионов, пропорциональные напряженности электрического поля Е:

    Коэффициенты пропорциональности называются подвижностями электронов и ионов. Подвижности ионов и электронов имеют разные значения и зависят от рода газа, его плотности, температуры и т. д.

    Плотность электрического тока, т. е. заряд, переносимый электронами и ионами в единицу времени через единицу площади, выражается через концентрацию электронов и ионов, их заряды и скорость установившегося движения

    Квазинейтральность. При нормальных условиях ионизированный газ в целом электрически нейтрален, или, как говорят, квазинейтральен, так как в малых объемах, содержащих относительно небольшое число электронов и ионов, может нарушаться условие электрической нейтральности. Это означает, что соотношение

    Плотность тока при несамостоятельном разряде. Для получения закона изменения концентрации носителей тока во времени при несамостоятельном разряде в газе необходимо наряду с процессами ионизации внешним источником и рекомбинации учитывать также выход электронов и ионов на электроды.Количество частиц, уходящих в единицу времени на площадь электрода из объема, равно Скорость уменьшения концентрации таких частиц, получим, разделив это число на объем газа между электродами. Поэтому уравнение баланса вместо (1) при наличии тока запишется в виде

    Для установления режима, когда из (8) получим

    Уравнение (9) позволяет найти зависимость стационарной плотности тока в несамостоятельном разряде от приложенного напряжения (или от напряженности поля E).

    Непосредственно видны два предельных случая.

    Закон Ома. При низком напряжении, когда в уравнении (9) можно пренебречь вторым слагаемым в правой части, после чего получим формулы (7), имеем

    Плотность тока пропорциональна напряженности приложенного электрического поля . Таким образом, для несамостоятельного газового разряда в слабых электрических полях выполняется закон Ома.

    Ток насыщения. При малой концентрации электронов и ионов в уравнении (9) можно пренебречь первым (квадратичным по слагаемым в правой части).В этом приближении вектор плотности тока направлен вдоль напряженности электрического поля, а его модуль

    не зависит от приложенного напряжения. Этот результат справедлив для сильных электрических полей. В этом случае говорят о токе насыщения.

    Оба рассмотренных предельных случая можно исследовать без обращения к уравнению (9). Однако таким образом нельзя проследить, как при увеличении напряжения происходит переход от закона Ома к нелинейной зависимости тока от напряжения.

    В первом предельном случае, когда ток очень мал, основным механизмом удаления электронов и ионов из области разряда является рекомбинация. Поэтому для стационарной концентрации можно использовать выражение (2), которое с учетом (7) сразу дает формулу (10). Во втором предельном случае, наоборот, рекомбинацией пренебрегают. В сильном электрическом поле электроны и ионы не успевают заметно рекомбинировать за время перелета от одного электрода к другому, если их концентрация достаточно мала.Тогда все электроны и ионы, генерируемые внешним источником, достигают электродов и полная плотность тока равна Она пропорциональна длине ионизационной камеры, так как общее количество электронов и ионов, генерируемых ионизатором, пропорционально I.

    Экспериментальное исследование газового разряда. Выводы теории несамостоятельного газового разряда подтверждены экспериментами. Для исследования разряда в газе удобно использовать стеклянную трубку с двумя металлическими электродами.Электрическая схема такой установки показана на рис. 102. Мобильность

    электронов и ионов сильно зависят от давления газа (обратно пропорционально давлению), поэтому эксперименты удобно проводить при пониженном давлении.

    На рис. 103 показана зависимость тока I в трубке от напряжения, приложенного к электродам трубки. Ионизацию в трубке можно создать, например, рентгеновскими или ультрафиолетовыми лучами, либо с помощью слабого радиоактивного препарата.Важно только, чтобы внешний источник ионов оставался неизменным.

    Рис. 102. Схема установки для изучения газового разряда

    Рис. 103. Экспериментальная ВАХ газового разряда

    В разрезе сила тока нелинейно зависит от напряжения. Начиная с точки В, ток достигает насыщения и остается постоянным на некотором расстоянии. Все это согласуется с теоретическими предсказаниями.

    Самостоятельный ранг. Однако в точке С ток снова начинает возрастать, сначала медленно, а затем очень резко. Это означает, что в газе появился новый внутренний источник ионов. Если теперь убрать внешний источник, то разряд в газе не прекращается, т. е. из несамостоятельного разряда он переходит в самостоятельный. При саморазряде образование новых электронов и ионов происходит в результате внутренних процессов в самом газе.

    Ионизация электронным ударом. Нарастание тока при переходе от несамостоятельного разряда к самостоятельному происходит лавинообразно и называется электрическим пробоем газа. Напряжение, при котором происходит пробой, называется напряжением зажигания. Это зависит от типа газа и произведения давления газа на расстояние между электродами.

    Процессы в газе, ответственные за лавинообразное возрастание силы тока с ростом приложенного напряжения, связаны с ионизацией нейтральных атомов или молекул газа свободными электронами, ускоренными электрическим полем до достаточного

    большие энергии.Кинетическая энергия электрона до следующего столкновения с нейтральным атомом или молекулой пропорциональна напряженности электрического поля Е и длине свободного пробега электрона Х:

    Если этой энергии достаточно для ионизации нейтрального атома или молекулы, т. е. превышает работу ионизации

    , то при столкновении электрона с атомом или молекулой они ионизируются. В результате появляются два электрона вместо одного. Они, в свою очередь, разгоняются электрическим полем и ионизируют встречающиеся на их пути атомы или молекулы и т. д.Процесс развивается лавинообразно и называется электронной лавиной. Описанный механизм ионизации называется ионизацией электронным ударом.

    Экспериментальное доказательство того, что ионизация нейтральных атомов газа происходит главным образом за счет ударов электронов, а не положительных ионов, было дано Дж. Таунсендом. Он взял ионизационную камеру в виде цилиндрического конденсатора, внутренним электродом которого служила тонкая металлическая нить, натянутая вдоль оси цилиндра. В такой камере ускоряющее электрическое поле сильно неоднородно, и основную роль в ионизации играют частицы, попадающие в область наибольшего поля вблизи нити.Опыт показывает, что при одном и том же напряжении между электродами разрядный ток больше, когда положительный потенциал приложен к нити накала, а не к внешнему цилиндру. Именно в этом случае все свободные электроны, создающие ток, обязательно проходят через область наибольшего поля.

    Эмиссия электронов с катода. Самостоятельный разряд может быть стационарным только в том случае, если в газе постоянно появляются новые свободные электроны, так как все возникающие в лавине электроны достигают анода и выбывают из игры.Новые электроны выбиваются из катода положительными ионами, которые при движении к катоду также ускоряются электрическим полем и приобретают для этого достаточную энергию.

    Катод может испускать электроны не только в результате ионной бомбардировки, но и самостоятельно, при нагревании до высокой температуры. Этот процесс называется термоэлектронной эмиссией, его можно рассматривать как своеобразное испарение электронов из металла. Обычно это происходит при таких температурах, когда испарение самого материала катода еще невелико.В случае самостоятельного газового разряда катод обычно нагревается без

    Нить накала

    , как и в электронных лампах, но за счет выделения тепла при бомбардировке положительными ионами. Поэтому катод испускает электроны даже тогда, когда энергии ионов недостаточно для выбивания электронов.

    Самостоятельный разряд в газе возникает не только в результате перехода из несамостоятельного при повышении напряжения и удалении внешнего источника ионизации, но и при непосредственном приложении напряжения превышение порогового напряжения воспламенения.Теория показывает, что для зажигания разряда достаточно наименьшего количества ионов, всегда присутствующих в нейтральном газе хотя бы из-за естественного радиоактивного фона.

    В зависимости от свойств и давления газа, конфигурации электродов и приложенного к электродам напряжения возможны различные виды саморазряда.

    Тлеющий разряд. При низких давлениях (десятые и сотые доли миллиметра ртутного столба) в трубке наблюдается тлеющий разряд.Для зажигания тлеющего разряда достаточно напряжения в несколько сотен и даже десятков вольт. В тлеющем разряде можно выделить четыре характерные области. Это темное катодное пространство, тлеющее (или отрицательное) свечение, фарадеевское темное пространство и светящийся положительный столб, занимающий большую часть пространства между анодом и катодом.

    Первые три области расположены вблизи катода. Именно здесь происходит резкое падение потенциала, связанное с большой концентрацией положительных ионов на границе темного пространства катода и тлеющим свечением.Электроны, ускоренные в области темного пространства катода, производят интенсивную ударную ионизацию в области свечения. Тлеющее свечение обусловлено рекомбинацией ионов и электронов в нейтральные атомы или молекулы. Положительный столб разряда характеризуется небольшим падением потенциала и свечением, вызванным возвратом возбужденных атомов или молекул газа в основное состояние.

    Коронный разряд. При относительно высоких давлениях в газе (порядка атмосферного) вблизи заостренных участков проводника, где электрическое поле сильно неоднородно, наблюдается разряд, светящаяся область которого напоминает корону.Коронный разряд иногда возникает в естественных условиях на верхушках деревьев, корабельных мачтах и ​​т. д. («Огни Святого Эльма»). Коронный разряд необходимо учитывать в технике высоких напряжений, когда этот разряд возникает вокруг проводов высоковольтных линий электропередач и приводит к потерям мощности. Коронный разряд находит полезное практическое применение в электрофильтрах для очистки промышленных газов от примесей твердых и жидких частиц.

    При увеличении напряжения между электродами коронный разряд переходит в искровой с полным пробоем промежутка между

    электроды

    .Он имеет вид пучка ярких зигзагообразных ветвящихся каналов, мгновенно проникающих в разрядный промежуток и причудливо сменяющих друг друга. Искровой разряд сопровождается выделением большого количества тепла, ярким голубовато-белым свечением и сильным треском. Его можно наблюдать между шариками электрофорной машины. Примером гигантского искрового разряда является естественная молния, где сила тока достигает 5-105 А, а разность потенциалов 109 В.

    Поскольку искровой разряд возникает при атмосферном (и выше) давлении, напряжение воспламенения очень велико : в сухом воздухе при расстоянии между электродами 1 см оно составляет около 30 кВ.

    Электрическая дуга. Особым практически важным видом автономного газового разряда является электрическая дуга. При соприкосновении двух угольных или металлических электродов в месте их соприкосновения выделяется большое количество тепла из-за высокого контактного сопротивления. В результате начинается термоэлектронная эмиссия, и при разведении электродов между ними возникает ярко светящаяся дуга из сильно ионизированного, хорошо проводящего газа. Сила тока даже в малой дуге достигает нескольких ампер, а в большой — нескольких сотен ампер при напряжении около 50 В.Электрическая дуга широко используется в технике как мощный источник света, в электропечах и для электросварки. слабое тормозящее поле с напряжением около 0,5 В. Это поле не позволяет медленным электронам достичь анода. Электроны испускаются катодом К, нагретым электрическим током.

    На рис. 105 показана зависимость силы тока в цепи анода от ускоряющего напряжения, полученная в этих опытах. Эта зависимость имеет немонотонный характер с максимумами при напряжениях, кратных 4.9 В.

    Дискретность уровней атомной энергии. Такая зависимость тока от напряжения может быть объяснена только наличием дискретных стационарных состояний у атомов ртути. Если бы атом не имел дискретных стационарных состояний, т. е. его внутренняя энергия могла принимать любые значения, то неупругие столкновения, сопровождающиеся увеличением внутренней энергии атома, могли бы происходить при любых энергиях электрона. Если существуют дискретные состояния, то столкновения электронов с атомами могут быть только упругими, пока энергии электронов недостаточно для перевода атома из основного состояния в низшее возбужденное состояние.

    При упругих столкновениях кинетическая энергия электронов практически не изменяется, так как масса электрона много меньше массы атома ртути. В этих условиях число электронов, достигающих анода, монотонно возрастает с ростом напряжения. Когда ускоряющее напряжение достигает 4,9 В, столкновения электронов с атомами становятся неупругими. Внутренняя энергия атомов резко возрастает, и в результате столкновения электрон теряет почти всю свою кинетическую энергию.

    Тормозящее поле также не позволяет медленным электронам достичь анода, и ток резко падает. Он не исчезает только потому, что часть электронов достигает сетки, не испытывая неупругих столкновений. Второй и последующие максимумы силы тока получаются потому, что при напряжениях, кратных 4,9 В, электроны на пути к сетке могут испытать несколько неупругих столкновений с атомами ртути.

    Итак, электрон приобретает энергию, необходимую для неупругого столкновения, только после прохождения разности потенциалов, равной 4.9 В. Это означает, что внутренняя энергия атомов ртути не может измениться на величину менее эВ, что доказывает дискретность энергетического спектра атома. Справедливость этого вывода подтверждается и тем, что при напряжении 4,9 В разряд начинает светиться: возбужденные атомы за время самопроизвольного

    переходов в основное состояние излучают видимый свет, частота которого совпадает с вычисленной по формуле

    В классических опытах Франка и Герца методом электронного удара определялись не только потенциалы возбуждения, но и количество атомов.

    Приведите пример электростатического эксперимента, который показывает, что сухой воздух является хорошим изолятором.

    Где изоляционные свойства воздуха используются в технике?

    Что такое несамостоятельный газовый разряд? В каких условиях он работает?

    Объясните, почему скорость уменьшения концентрации вследствие рекомбинации пропорциональна квадрату концентрации электронов и ионов. Почему эти концентрации можно считать одинаковыми?

    Почему нет смысла для закона убывания концентрации, выраженного формулой (3), вводить понятие характерного времени, которое широко используется для экспоненциально затухающих процессов, хотя в обоих случаях процессы продолжаются, вообще говоря, в течение бесконечно долго?

    Как вы думаете, почему в определениях подвижности в формулах (4) для электронов и ионов выбраны противоположные знаки?

    Как зависит сила тока в несамостоятельном газовом разряде от приложенного напряжения? Почему при увеличении напряжения происходит переход от закона Ома к току насыщения?

    Электрический ток в газе осуществляется как электронами, так и ионами.Однако на каждый из электродов приходят заряды только одного знака. Как это согласуется с тем, что на всех участках последовательной цепи сила тока одинакова?

    Почему наибольшую роль в ионизации газа в разряде за счет столкновений играют электроны, а не положительные ионы?

    Описать характерные особенности различных типов автономного газового разряда.

    Почему результаты опытов Франка и Герца свидетельствуют о дискретности энергетических уровней атомов?

    Опишите физические процессы, происходящие в газоразрядной трубке в опытах Франка и Герца при увеличении ускоряющего напряжения.

    Рубрики кодификатора ЕГЭ : носители свободных электрических зарядов в газах.

    В обычных условиях газы состоят из электрически нейтральных атомов или молекул; Свободных зарядов в газах почти нет. Поэтому газы являются диэлектриками — через них не проходит электрический ток.

    Мы сказали «почти нет», потому что на самом деле в газах и, в частности, в воздухе всегда имеется некоторое количество свободных заряженных частиц. Они появляются в результате ионизирующего действия излучений радиоактивных веществ, входящих в состав земной коры, ультрафиолетового и рентгеновского излучения Солнца, а также космических лучей — потоков высокоэнергетических частиц, проникающих в земную атмосферу из космического пространства. .Позже мы еще вернемся к этому факту и обсудим его значение, а пока отметим только, что при нормальных условиях проводимость газов, обусловленная «естественным» количеством свободных зарядов, ничтожна и ею можно пренебречь.

    Действие выключателей в электрических цепях основано на изолирующих свойствах воздушного зазора (рис. 1). Например, небольшого воздушного зазора в выключателе света достаточно, чтобы разомкнуть электрическую цепь в вашей комнате.

    Рис. 1 ключ

    Однако можно создать такие условия, при которых в газовом промежутке возникнет электрический ток.Рассмотрим следующий опыт.

    Заряжаем пластины воздушного конденсатора и подключаем их к чувствительному гальванометру (рис. 2, слева). При комнатной температуре и не слишком влажном воздухе гальванометр не покажет заметного тока: наш воздушный зазор, как мы уже говорили, не является проводником электричества.

    Рис. 2. Возникновение тока в воздухе

    Теперь подносим пламя горелки или свечи в зазор между пластинами конденсатора (рис.2, справа). Появляется ток! Почему?

    Бесплатные заряды в газе

    Возникновение электрического тока между пластинами конденсатора означает, что в воздухе под действием пламени появилось свободных зарядов . Что именно?

    Опыт показывает, что электрический ток в газах представляет собой упорядоченное движение заряженных частиц. три типа . Это электронов , положительных ионов и отрицательных ионов .

    Посмотрим, как эти заряды могут появиться в газе.

    По мере повышения температуры газа тепловые колебания его частиц — молекул или атомов — становятся более интенсивными. Удары частиц друг о друга достигают такой силы, что ионизация — распад нейтральных частиц на электроны и положительные ионы (рис. 3).

    Рис. 3. Ионизация

    Степень ионизации – отношение числа распавшихся частиц газа к общему исходному числу частиц. Например, если степень ионизации равна , то это означает, что исходные частицы газа распались на положительные ионы и электроны.

    Степень ионизации газа зависит от температуры и резко возрастает с ее повышением. Для водорода, например, при температуре ниже степень ионизации не превышает , а при температуре выше степень ионизации близка к (то есть водород почти полностью ионизирован (частично или полностью ионизированный газ называется плазмой )).

    Помимо высокой температуры существуют и другие факторы, вызывающие ионизацию газа.

    О них мы уже упоминали вскользь: это радиоактивное излучение, ультрафиолетовое, рентгеновское и гамма-лучи, космические частицы.Любой такой фактор, вызывающий ионизацию газа, называется ионизатором .

    Таким образом, ионизация происходит не сама по себе, а под действием ионизатора.

    В то же время происходит обратный процесс рекомбинации , то есть воссоединение электрона и положительного иона в нейтральную частицу (рис. 4).

    Рис. 4. Рекомбинация

    Причина рекомбинации проста: это кулоновское притяжение противоположно заряженных электронов и ионов.Стремясь навстречу друг другу под действием электрических сил, они встречаются и получают возможность образовать нейтральный атом (или молекулу — в зависимости от рода газа).

    При постоянной интенсивности действия ионизатора устанавливается динамическое равновесие: среднее число распадающихся в единицу времени частиц равно среднему числу рекомбинирующих частиц (другими словами, скорость ионизации равна скорости рекомбинации). Если усилить действие ионизатора (например, повысить температуру), то динамическое равновесие сместится в сторону ионизации, и концентрация заряженных частиц в газе возрастет.Наоборот, если выключить ионизатор, то рекомбинация начнет преобладать, и свободные заряды постепенно полностью исчезнут.

    Итак, в газе в результате ионизации появляются положительные ионы и электроны. Откуда берется третий вид зарядов — отрицательные ионы? Очень просто: электрон может влететь в нейтральный атом и присоединиться к нему! Этот процесс показан на рис. 5.

    Рис. 5. Внешний вид отрицательного иона

    Образовавшиеся таким образом отрицательные ионы будут участвовать в создании тока наряду с положительными ионами и электронами.

    Без саморазряда

    Если внешнего электрического поля нет, то свободные заряды совершают хаотическое тепловое движение вместе с нейтральными частицами газа. Но при приложении электрического поля начинается упорядоченное движение заряженных частиц — электрического тока в газе .

    Рис. 6. Несамостоятельный разряд

    На рис. 6 мы видим три типа заряженных частиц, возникающих в газовом промежутке под действием ионизатора: положительные ионы, отрицательные ионы и электроны. Электрический ток в газе образуется в результате встречного движения заряженных частиц: положительных ионов — к отрицательному электроду (катоду), электронов и отрицательных ионов — к положительному электроду (аноду) .

    Электроны, попадая на положительный анод, направляются по цепи к «плюсу» источника тока. Отрицательные ионы отдают лишний электрон аноду и, став нейтральными частицами, возвращаются в газ; электрон, отданный аноду, также устремляется к «плюсу» источника.Положительные ионы, подходя к катоду, забирают оттуда электроны; возникающая нехватка электронов на катоде тут же компенсируется их поступлением туда из «минуса» источника. В результате этих процессов во внешней цепи происходит упорядоченное движение электронов. Это электрический ток, регистрируемый гальванометром.

    Процесс, описанный на рис. 6, называется несамостоятельным разрядом в газе. Почему зависимый? Поэтому для его поддержания необходимо постоянное действие ионизатора.Уберем ионизатор — и ток прекратится, так как исчезнет механизм, обеспечивающий появление свободных зарядов в газовом промежутке. Пространство между анодом и катодом снова станет изолятором.

    Вольт-амперная характеристика газового разряда

    Зависимость силы тока через газовый промежуток от напряжения между анодом и катодом (так называемая ВАХ газового разряда ) представлена ​​на рис. 7.

    Рис.7. Вольт-амперная характеристика газового разряда

    При нулевом напряжении сила тока, разумеется, равна нулю: заряженные частицы совершают только тепловое движение, упорядоченного движения между электродами нет.

    При малом напряжении сила тока тоже мала. Дело в том, что не всем заряженным частицам суждено попасть на электроды: часть положительных ионов и электронов в процессе их движения находят друг друга и рекомбинируют.

    По мере увеличения напряжения свободные заряды развивают все большую скорость, и тем меньше у положительного иона и электрона шансов встретиться и рекомбинировать.Поэтому все большая часть заряженных частиц достигает электродов, а сила тока увеличивается (участок ).

    При определенном значении напряжения (точка ) скорость заряда становится настолько высокой, что рекомбинация вообще не успевает произойти. С этого момента все заряженных частиц, образующихся под действием ионизатора, достигают электродов, а ток достигает насыщения — А именно, сила тока перестает изменяться с ростом напряжения. Это будет продолжаться до определенного момента.

    саморазряд

    После прохождения точки сила тока резко возрастает с увеличением напряжения — начинается самостоятельный разряд . Сейчас мы разберемся, что это такое.

    Заряженные частицы газа движутся от столкновения к столкновению; в промежутках между столкновениями они ускоряются электрическим полем, увеличивая их кинетическую энергию. И вот, когда напряжение становится достаточно большим (та самая точка), электроны на своем свободном пути достигают таких энергий, что при столкновении с нейтральными атомами ионизируют их! (Используя законы сохранения импульса и энергии, можно показать, что именно электроны (а не ионы), ускоряемые электрическим полем, обладают максимальной способностью ионизировать атомы.)

    Так называемая ионизация электронным ударом . Электроны, выбитые из ионизированных атомов, также ускоряются электрическим полем и ударяются о новые атомы, ионизируя их теперь и порождая новые электроны. В результате возникающей электронной лавины быстро увеличивается число ионизированных атомов, вследствие чего быстро увеличивается и сила тока.

    Количество бесплатных зарядок становится настолько большим, что отпадает необходимость во внешнем ионизаторе. Его можно просто удалить.Свободно заряженные частицы теперь рождаются в результате внутренних процессов, происходящих в газе — поэтому разряд и называется самостоятельным.

    Если газовый промежуток находится под высоким напряжением, то для саморазряда ионизатор не нужен. Достаточно найти в газе только один свободный электрон, и начнется описанная выше электронная лавина. И всегда будет хотя бы один свободный электрон!

    Напомним еще раз, что в газе даже при нормальных условиях имеется некоторое «естественное» количество свободных зарядов, обусловленное ионизирующим радиоактивным излучением земной коры, высокочастотным излучением Солнца, космическими лучами .Мы видели, что при низких напряжениях проводимость газа, вызванная этими свободными зарядами, ничтожно мала, но теперь — при высоком напряжении — они вызовут лавину новых частиц, породив самостоятельный разряд. Произойдет как говорится пробой газовый разрыв.

    Напряженность поля, необходимая для разрушения сухого воздуха, составляет примерно кВ/см. Другими словами, чтобы между электродами, разделенными сантиметром воздуха, проскочила искра, к ним нужно приложить киловольтное напряжение.Представьте, какое напряжение нужно, чтобы пробить несколько километров воздуха! А ведь именно такие поломки случаются во время грозы — это хорошо вам известные молнии.

    Реферат по физике

    на тему:

    «Электрический ток в газах».

    Электрический ток в газах.

    1. Электрический разряд в газах.

    Все газы в своем естественном состоянии не проводят электричество.Это видно из следующего опыта:

    Возьмем электрометр с прикрепленными к нему дисками плоского конденсатора и зарядим его. При комнатной температуре, если воздух достаточно сухой, конденсатор заметно не разряжается — положение стрелки электрометра не меняется. Через некоторое время можно заметить уменьшение угла отклонения стрелки электрометра. Это показывает, что электрический ток в воздухе между дисками очень мал. Этот опыт показывает, что воздух является плохим проводником электрического тока.

    Модифицируем опыт: нагреем воздух между дисками пламенем спиртовки. Затем угол отклонения стрелки электрометра быстро уменьшается, т. е. разность потенциалов между дисками конденсатора уменьшается — конденсатор разряжается. Следовательно, нагретый воздух между дисками стал проводником, и в нем установился электрический ток.

    Изолирующие свойства газов объясняются тем, что в них нет свободных электрических зарядов: атомы и молекулы газов в естественном состоянии нейтральны.

    2. Ионизация газов.

    Приведенный выше опыт показывает, что заряженные частицы появляются в газах под действием высокой температуры. Они возникают в результате отщепления одного или нескольких электронов от атомов газа, в результате чего вместо нейтрального атома появляются положительный ион и электроны. Часть образовавшихся электронов может быть захвачена другими нейтральными атомами, и тогда появится больше отрицательных ионов. Распад молекул газа на электроны и положительные ионы называется ионизацией газов.

    Нагрев газа до высокой температуры — не единственный способ ионизации молекул или атомов газа. Ионизация газа может происходить под влиянием различных внешних взаимодействий: сильного нагрева газа, рентгеновских лучей, а-, 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 является интенсивность ионизации, измеряемая количеством противоположных по знаку пар заряженных частиц, появляющихся в единице объема газа в единицу времени.

    Ионизация атома требует затраты определенной энергии — энергии ионизации. Для ионизации атома (или молекулы) необходимо совершить работу против сил взаимодействия выбитого электрона с остальными частицами атома (или молекулы). Эта работа называется работой ионизации A i . Величина работы ионизации зависит от химической природы газа и энергетического состояния вылетевшего электрона в атоме или молекуле.

    После отключения ионизатора количество ионов в газе со временем уменьшается и в конце концов ионы полностью исчезают.Исчезновение ионов объясняется тем, что ионы и электроны участвуют в тепловом движении и поэтому сталкиваются друг с другом. Когда положительный ион и электрон сталкиваются, они могут воссоединиться в нейтральный атом. Точно так же при столкновении положительного и отрицательного иона 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 выделяется определенная энергия, равная энергии, затраченной на ионизацию.Частично он излучается в виде света, поэтому рекомбинация ионов сопровождается люминесценцией (люминесценцией 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 столкновении с нейтральным атомом выбивает из него один или несколько атомных электронов, в результате чего нейтральный атом превращается в положительный ион, а в газ (это будет обсуждаться позже).

    В таблице ниже приведены энергии ионизации некоторых атомов.

    3. Механизм электропроводности газов.

    Механизм проводимости газов аналогичен механизму проводимости растворов и расплавов электролитов. В отсутствие внешнего поля заряженные частицы, как и нейтральные молекулы, движутся хаотично. Если ионы и свободные электроны оказываются во внешнем электрическом поле, то они приходят в направленное движение и создают в газах электрический ток.

    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, направляющегося к катоду.

    На электродах происходит нейтрализация заряженных частиц, как и в случае прохождения электрического тока через растворы и расплавы электролитов. Однако в газах не происходит выделения веществ на электродах, как это имеет место в растворах электролитов.Ионы газа, приближаясь к электродам, отдают им свой заряд, превращаются в нейтральные молекулы и диффундируют обратно в газ.

    Еще одно отличие электропроводности ионизированных 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 тоже может играть определенную роль.

    Таким образом, газы сочетают электронную проводимость, аналогичную 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 возникающий в нем электрический ток называется несамостоятельным газовым разрядом. С прекращением действия внешних ионизаторов несамостоятельный разряд прекращается. Несамостоятельный газовый разряд не сопровождается свечением газа.

    Ниже приведен график зависимости силы тока от напряжения для несамостоятельного разряда в газе. Для построения графика использовалась стеклянная трубка с двумя впаянными в стекло металлическими электродами. Цепь собирается, как показано на рисунке ниже.

    При определенном напряжении наступает момент, когда все заряженные частицы, образованные в газе ионизатором за секунду, одновременно достигают электродов. Дальнейшее увеличение напряжения уже не может привести к увеличению числа транспортируемых ионов.Ток достигает насыщения (горизонтальный участок графика 1).

    5. Автономный газоразряд.

    Электрический разряд в газе, сохраняющийся после прекращения действия внешнего ионизатора, называется самостоятельным газовым разрядом . Для его реализации 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 продолжить увеличивать разность потенциалов между электродами, то сила тока при достаточно высоком напряжении резко возрастет (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 количество заряженных частиц, возникающих при разряде, может стать настолько большим, что для поддержания разряда уже не потребуется внешний ионизатор.Поэтому теперь ионизатор можно убрать.

    Каковы причины резкого увеличения силы тока при высоких напряжениях? Рассмотрим любую пару заряженных частиц (положительный ион и электрон), образовавшуюся под действием внешнего ионизатора. Возникший 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 до следующего столкновения пропорциональна напряженности поля и длине свободного пробега электрона: MV 2 /2=eEl. Если кинетическая энергия электрона превышает работу A i , которую необходимо совершить для ионизации нейтрального атома (или молекулы), т. е. MV 2 >A i , то при столкновении электрона с атомом (или молекулой) он ионизирован.В результате вместо одного электрона появляются два электрона (нападающие на атом и вырывающиеся из атома). Они, в свою очередь, получают энергию в поле и ионизируют встречные атомы и т. д. В результате число заряженных частиц быстро увеличивается, и возникает электронная лавина. Описанный процесс называется ионизацией электронным ударом.

    Реферат по физике

    на тему:

    «Электрический ток в газах».

    Электрический ток в газах.

    1. Электрический разряд в газах.

    Все газы в своем естественном состоянии не проводят электричество. Это видно из следующего опыта:

    Возьмем электрометр с прикрепленными к нему дисками плоского конденсатора и зарядим его. При комнатной температуре, если воздух достаточно сухой, конденсатор заметно не разряжается — положение стрелки электрометра не меняется. Через некоторое время можно заметить уменьшение угла отклонения стрелки электрометра.Это показывает, что электрический ток в воздухе между дисками очень мал. Этот опыт показывает, что воздух является плохим проводником электрического тока.

    Модифицируем опыт: нагреем воздух между дисками пламенем спиртовки. Затем угол отклонения стрелки электрометра быстро уменьшается, т. е. разность потенциалов между дисками конденсатора уменьшается — конденсатор разряжается. Следовательно, нагретый воздух между дисками стал проводником, и в нем установился электрический ток.

    Изолирующие свойства газов объясняются тем, что в них нет свободных электрических зарядов: атомы и молекулы газов в естественном состоянии нейтральны.

    2. Ионизация газов.

    Приведенный выше опыт показывает, что заряженные частицы появляются в газах под действием высокой температуры. Они возникают в результате отщепления одного или нескольких электронов от атомов газа, в результате чего вместо нейтрального атома появляются положительный ион и электроны.Часть образовавшихся электронов может быть захвачена другими нейтральными атомами, и тогда появится больше отрицательных ионов. Распад молекул газа на электроны и положительные ионы называется ионизацией газов.

    Нагрев газа до высокой температуры — не единственный способ ионизации молекул или атомов газа. Ионизация газа может происходить под влиянием различных внешних взаимодействий: сильного нагрева газа, рентгеновских лучей, а-, 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 является интенсивность ионизации, измеряемая количеством противоположных по знаку пар заряженных частиц, появляющихся в единице объема газа в единицу времени.

    Ионизация атома требует затраты определенной энергии — энергии ионизации. Для ионизации атома (или молекулы) необходимо совершить работу против сил взаимодействия выбитого электрона с остальными частицами атома (или молекулы).Эта работа называется работой ионизации A i . Величина работы ионизации зависит от химической природы газа и энергетического состояния вылетевшего электрона в атоме или молекуле.

    После отключения ионизатора количество ионов в газе со временем уменьшается и в конце концов ионы полностью исчезают. Исчезновение ионов объясняется тем, что ионы и электроны участвуют в тепловом движении и поэтому сталкиваются друг с другом. Когда положительный ион и электрон сталкиваются, они могут воссоединиться в нейтральный атом.Точно так же при столкновении положительного и отрицательного иона 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 выделяется определенная энергия, равная энергии, затраченной на ионизацию. Частично он излучается в виде света, поэтому рекомбинация ионов сопровождается люминесценцией (люминесценцией 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 столкновении с нейтральным атомом выбивает из него один или несколько атомных электронов, в результате чего нейтральный атом превращается в положительный ион, а в газ (это будет обсуждаться позже).

    В таблице ниже приведены энергии ионизации некоторых атомов.

    3. Механизм электропроводности газов.

    Механизм проводимости газов аналогичен механизму проводимости растворов и расплавов электролитов. В отсутствие внешнего поля заряженные частицы, как и нейтральные молекулы, движутся хаотично. Если ионы и свободные электроны оказываются во внешнем электрическом поле, то они приходят в направленное движение и создают в газах электрический ток.

    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, направляющегося к катоду.

    На электродах происходит нейтрализация заряженных частиц, как и в случае прохождения электрического тока через растворы и расплавы электролитов. Однако в газах не происходит выделения веществ на электродах, как это имеет место в растворах электролитов. Ионы газа, приближаясь к электродам, отдают им свой заряд, превращаются в нейтральные молекулы и диффундируют обратно в газ.

    Еще одно отличие электропроводности ионизированных 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 тоже может играть определенную роль.

    Таким образом, газы сочетают электронную проводимость, аналогичную 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 возникающий в нем электрический ток называется несамостоятельным газовым разрядом. С прекращением действия внешних ионизаторов несамостоятельный разряд прекращается. Несамостоятельный газовый разряд не сопровождается свечением газа.

    Ниже приведен график зависимости силы тока от напряжения для несамостоятельного разряда в газе. Для построения графика использовалась стеклянная трубка с двумя впаянными в стекло металлическими электродами. Цепь собирается, как показано на рисунке ниже.

    При определенном напряжении наступает момент, когда все заряженные частицы, образованные в газе ионизатором за секунду, одновременно достигают электродов. Дальнейшее увеличение напряжения уже не может привести к увеличению числа транспортируемых ионов.Ток достигает насыщения (горизонтальный участок графика 1).

    5. Автономный газоразряд.

    Электрический разряд в газе, сохраняющийся после прекращения действия внешнего ионизатора, называется самостоятельным газовым разрядом . Для его реализации 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 продолжить увеличивать разность потенциалов между электродами, то сила тока при достаточно высоком напряжении резко возрастет (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 количество заряженных частиц, возникающих при разряде, может стать настолько большим, что для поддержания разряда уже не потребуется внешний ионизатор.Поэтому теперь ионизатор можно убрать.

    Каковы причины резкого увеличения силы тока при высоких напряжениях? Рассмотрим любую пару заряженных частиц (положительный ион и электрон), образовавшуюся под действием внешнего ионизатора. Возникший 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 до следующего столкновения пропорциональна напряженности поля и длине свободного пробега электрона: MV 2 /2=eEl. Если кинетическая энергия электрона превышает работу A i , которую необходимо совершить для ионизации нейтрального атома (или молекулы), т. е. MV 2 >A i , то при столкновении электрона с атомом (или молекулой) он ионизирован.В результате вместо одного электрона появляются два электрона (нападающие на атом и вырывающиеся из атома). Они, в свою очередь, получают энергию в поле и ионизируют встречные атомы и т. д. В результате число заряженных частиц быстро увеличивается, и возникает электронная лавина. Описанный процесс называется ионизацией электронным ударом.

    Но ионизация электронным ударом сама по себе не может обеспечить поддержание независимого заряда. Ведь все возникающие таким образом электроны движутся к аноду и, достигнув анода, «выпадают из игры».Для поддержания разряда необходима эмиссия электронов с катода («эмиссия» означает «эмиссия»). Эмиссия электрона может быть обусловлена ​​несколькими причинами.

    Положительные ионы, образующиеся при столкновении электронов с нейтральными атомами, при движении к катоду приобретают под действием поля большую кинетическую энергию. Когда такие быстрые ионы попадают на катод, электроны выбиваются с поверхности катода.

    Кроме того, катод может испускать электроны при нагревании до высокой температуры.Этот процесс называется термоэлектронной эмиссией . Можно рассматривать как испарение электронов из металла. Во многих твердых веществах термоэлектронная эмиссия возникает при температурах, при которых испарение самого вещества еще мало. Такие вещества используются для изготовления катодов.

    Во время саморазряда катод может нагреваться за счет бомбардировки его положительными ионами. Если энергия ионов не слишком велика, то не происходит выбивания электронов из катода и происходит эмиссия электронов за счет термоэлектронной эмиссии.

    6. Различные виды саморазряда и их техническое применение.

    В зависимости от свойств и состояния газа, характера и расположения электродов, а также прикладываемого к электродам напряжения возникают различные виды саморазряда. Рассмотрим некоторые из них.

    А. 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 катод Темное пространство, далекий от него отрицательный или тлеющее свечение, которое постепенно переходит в область фарадеевская темнота пространство. 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, что связано с высокой концентрацией положительных ионов на границе областей I и II из-за относительно низкой скорости ионов вблизи катода. В темном пространстве катода происходит сильное ускорение электронов и положительных ионов, выбивающее 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 вызвано рекомбинацией ионов и электронов. Длина темного пространства катода определяется свойствами газа и материала катода.

    В области положительного столба концентрация электронов и ионов примерно одинакова и очень высока, что обуславливает высокую электропроводность положительного столба и небольшое падение потенциала в нем.Свечение положительного столба определяется свечением возбужденных молекул газа. Вблизи анода снова наблюдается относительно резкое изменение потенциала, что связано с процессом генерации положительных ионов. В некоторых случаях положительный столб распадается на отдельные светящиеся области — слоев, разделенных темными промежутками.

    Положительный столб не играет существенной роли в поддержании тлеющего разряда; поэтому по мере уменьшения расстояния между электродами трубки длина положительного столба уменьшается и он может вообще исчезнуть.Иная ситуация с длиной темного пространства катода, которая не меняется при сближении электродов. Если электроды будут настолько сближены, что расстояние между ними станет меньше длины темного пространства катода, то тлеющий разряд в газе прекратится. Эксперименты показывают, что при прочих равных условиях длина темного пространства катода d обратно пропорциональна давлению газа. Следовательно, при достаточно низких давлениях электроны, выбитые из катода положительными ионами, проходят через газ почти без столкновений с его молекулами, образуя электронных , или катодных лучей . .

    Тлеющий разряд применяется в газосветных трубках, люминесцентных лампах, стабилизаторах напряжения, для получения пучков электронов и ионов. Если в катоде сделать щель, то через нее в пространство за катодом проходят узкие пучки ионов, часто называемые канальными лучами. широко распространено явление катодного распыления , т.е. разрушения поверхности катода под действием попадающих на него положительных ионов. Ультрамикроскопические фрагменты материала катода разлетаются во все стороны по прямым линиям и тонким слоем покрывают поверхность тел (особенно диэлектриков), помещенных в трубку.Таким способом изготавливают зеркала для ряда приборов, на селеновые фотоэлементы наносят тонкий слой металла.

    б. Коронный разряд.

    Коронный разряд возникает при нормальном давлении в газе в сильно неоднородном электрическом поле (например, вблизи штырей или проводов высоковольтных линий). В коронном разряде ионизация газа и его свечение происходят только вблизи коронирующих электродов. В случае катодной короны (отрицательной короны) электроны, вызывающие ударную ионизацию молекул газа, выбиваются из катода при его бомбардировке положительными ионами.Если анод коронный (положительный коронный), то рождение электронов происходит за счет фотоионизации газа вблизи анода. Корона – вредное явление, сопровождающееся утечкой тока и потерей электрической энергии. Для уменьшения коронации радиус закругления проводников увеличен, а их поверхность сделана максимально гладкой. При достаточно высоком напряжении между электродами коронный разряд переходит в искровой.

    При повышенном напряжении коронный разряд на острие принимает вид световых линий, исходящих от острия и чередующихся во времени.Эти линии, имеющие ряд изломов и изгибов, образуют своеобразную кисть, вследствие чего такое отхождение называется запястным .

    Заряженная грозовая туча наводит на поверхности Земли под собой электрические заряды противоположного знака. На наконечниках скапливается особенно большой заряд. Поэтому перед грозой или во время грозы на остриях и острых углах высоко поднятых предметов часто вспыхивают конусы света, похожие на кисти. С древних времен это свечение называли огнями св.Элмо.

    Особенно часто свидетелями этого явления становятся альпинисты. Иногда даже небольшие светящиеся кисточки украшают не только металлические предметы, но и кончики волос на голове.

    При работе с высоким напряжением следует учитывать коронный разряд. При наличии выступающих частей или очень тонких проводов может начаться коронный разряд. Это приводит к утечке мощности. Чем выше напряжение высоковольтной линии, тем толще должны быть провода.

    С. Искровой разряд.

    Искровой разряд имеет вид ярких зигзагообразных ветвящихся нитей-каналов, которые проникают в 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-то точки между электродами. Это объясняется тем, что ударная ионизация в случае искрового разряда происходит не по всему объему газа, а по отдельным каналам, проходящим в тех местах, где концентрация ионов случайно оказалась наибольшей.Искровой разряд сопровождается выделением большого количества тепла, ярким свечением газа, треском или громом. Все эти явления вызваны электронными и ионными лавинами, возникающими в искровых каналах и приводящими к огромному росту давления, достигающего 10 7 ¸10 8 Па, и повышению температуры до 10 000 °С.

    Типичным примером искрового разряда является молния. Основной канал молнии имеет диаметр от 10 до 25 см, а длина молнии может достигать нескольких километров.Максимальный ток грозового импульса достигает десятков и сотен тысяч ампер.

    При малой длине разрядного промежутка искровой разряд вызывает специфическое разрушение анода, называемое эрозией . Это явление использовалось в электроискровом методе резки, сверления и других видах прецизионной обработки металлов.

    Искровой разрядник используется в качестве устройства защиты от перенапряжения в линиях электропередачи (например, в телефонных линиях). Если вблизи линии проходит сильный кратковременный ток, то в проводах этой линии наводятся напряжения и токи, которые могут разрушить электроустановку и опасны для жизни человека.Во избежание этого применяют специальные предохранители, состоящие из двух изогнутых электродов, один из которых подключается к линии, а другой заземляется. Если потенциал линии относительно земли сильно возрастает, то между электродами возникает искровой разряд, который вместе с нагретым им воздухом поднимается вверх, удлиняется и разрывается.

    Наконец, электрическая искра используется для измерения больших разностей потенциалов с использованием шарового зазора , электроды которого представляют собой два металлических шарика с полированной поверхностью.Шарики раздвигают, и к ним прикладывают измеряемую разность потенциалов. Затем шарики сближаются до тех пор, пока между ними не проскакивает искра. Зная диаметр шариков, расстояние между ними, давление, температуру и влажность воздуха, находят по специальным таблицам разность потенциалов между шариками. Этот метод может использоваться для измерения с точностью до нескольких процентов разности потенциалов порядка десятков тысяч вольт.

    Д. Дуговой разряд.

    Дуговой разряд был открыт В. В. Петровым в 1802 г. Этот разряд — одна из форм газового разряда, возникающая при большой плотности тока и относительно низком напряжении между электродами (порядка нескольких десятков вольт). Основной причиной возникновения дугового разряда является интенсивная эмиссия термоэлектронов горячим катодом. Эти электроны ускоряются электрическим полем и производят ударную ионизацию молекул газа, благодаря чему электрическое сопротивление газового промежутка между электродами относительно невелико.Если уменьшить сопротивление внешней цепи, увеличить ток дугового разряда, то проводимость газового промежутка увеличится настолько, что напряжение между электродами уменьшится. Поэтому говорят, что дуговой разряд имеет падающую вольт-амперную характеристику. При атмосферном давлении температура катода достигает 3000 °С. Электроны, бомбардируя анод, создают в нем углубление (кратер) и нагревают его. Температура кратера составляет около 4000°С, а при высоких давлениях воздуха достигает 6000-7000°С.Температура газа в канале дугового разряда достигает 5000-6000 °С, поэтому в нем происходит интенсивная термическая ионизация.

    В ряде случаев дуговой разряд наблюдается и при относительно низкой температуре катода (например, в ртутной дуговой лампе).

    В 1876 г. П. Н. Яблочков впервые применил в качестве источника света электрическую дугу. В «свечке Яблочкова» угли располагались параллельно и разделялись изогнутым слоем, а их концы соединялись токопроводящим «мостом зажигания».При включении тока мост зажигания сгорел и между углями образовалась электрическая дуга. При горении углей изолирующий слой испарялся.

    Дуговой разряд используется как источник света и сегодня, например, в прожекторах и прожекторах.

    Высокая температура дугового разряда позволяет использовать его для строительства дуговой печи. В настоящее время дуговые печи с питанием от очень большого тока применяются в ряде отраслей промышленности: для выплавки стали, чугуна, ферросплавов, бронзы, производства карбида кальция, оксида азота и др.

    В 1882 г. Н. Н. Бенардос впервые применил дуговой разряд для резки и сварки металла. Разряд между неподвижным угольным электродом и металлом нагревает стык двух металлических листов (или пластин) и сваривает их. Таким же методом Бенардос вырезал металлические пластины и проделывал в них отверстия. В 1888 г. Н. Г. Славянов усовершенствовал этот способ сварки, заменив угольный электрод металлическим.

    Дуговой разряд нашел применение в ртутном выпрямителе, преобразующем переменный электрический ток в постоянный.

    Э. Плазма.

    Плазма — это частично или полностью ионизированный газ, в котором плотности положительных и отрицательных зарядов почти одинаковы. Таким образом, плазма в целом представляет собой электрически нейтральную систему.

    Количественной характеристикой плазмы является степень ионизации. Степень ионизации плазмы а есть отношение объемной концентрации заряженных частиц к полной объемной концентрации частиц. В зависимости от степени ионизации плазма делится на слабоионизированную (а составляет доли процента), частично ионизированную (а порядка нескольких процентов) и полностью ионизированную (а близка к 100%).Слабоионизированной плазмой в естественных условиях являются верхние слои атмосферы — ионосфера. Солнце, горячие звезды и некоторые межзвездные облака представляют собой полностью ионизированную плазму, образующуюся при высоких температурах.

    Средние энергии различных типов частиц, составляющих плазму, могут существенно отличаться друг от друга. Поэтому плазма не может характеризоваться одним значением температуры Т; Различают электронную температуру T e, ионную температуру T i (или ионные температуры, если в плазме несколько видов ионов) и температуру нейтральных атомов T a (нейтральная составляющая).Такая плазма называется неизотермической, в отличие от изотермической плазмы, в которой температуры всех компонентов одинаковы.

    Плазма также делится на высокотемпературную (T i » 10 6 -10 8 К и более) и низкотемпературную!!! (Т я

    Плазма обладает рядом специфических свойств, что позволяет рассматривать ее как особое четвертое состояние вещества.

    Благодаря высокой подвижности заряженных частиц плазмы они легко перемещаются под действием электрических и магнитных полей.Поэтому любое нарушение электронейтральности отдельных областей плазмы, вызванное скоплением частиц одного знака заряда, быстро устраняется. Результирующие электрические поля перемещают заряженные частицы до тех пор, пока не восстановится электрическая нейтральность и электрическое поле не станет равным нулю. В отличие от нейтрального газа, где между молекулами существуют короткодействующие силы, кулоновские силы действуют между заряженными частицами плазмы, относительно медленно уменьшаясь с расстоянием. Каждая частица взаимодействует сразу с большим количеством окружающих частиц.Благодаря этому, наряду с хаотическим тепловым движением, частицы плазмы могут участвовать в различных упорядоченных движениях. В плазме легко возбуждаются различные типы колебаний и волн.

    Проводимость плазмы увеличивается с увеличением степени ионизации. При высоких температурах полностью ионизированная плазма по своей проводимости приближается к сверхпроводникам.

    Низкотемпературная плазма применяется в газоразрядных источниках света — в люминесцентных трубках для рекламных надписей, в люминесцентных лампах.Газоразрядная лампа используется во многих устройствах, например, в газовых лазерах — квантовых источниках света.

    Высокотемпературная плазма используется в магнитогидродинамических генераторах.

    Недавно было создано новое устройство — плазмотрон. Плазмотрон создает мощные струи плотной низкотемпературной плазмы, которые широко используются в различных областях техники: для резки и сварки металлов, бурения скважин в крепких 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 изд. — М.: Дрофа, 1998. — 480 с.

    2) Курс физики (в трех томах). Т. II. электричество и магнетизм. проц. пособие для технических вузов. / Детлаф А.А., Яворский Б.М., Мильковская Л.Б. Изд. 4-я, переработанная. — М.: Высшая школа, 1977. — 375 с.

    3) Электричество./Э. Г. Калашников. Эд. «Наука», Москва, 1977.

    4) Физика./Б. Б.Буховцев, Ю. Л. Климонтович, Г.Я. Мякишев. Издание 3-е, исправленное. – М.: Просвещение, 1986.

    Electron — Energy Education

    Рисунок 1. Рисунок, показывающий, как выглядит атом. Обратите внимание, насколько большую площадь занимает электронное облако по сравнению с ядром. [1]

    Электроны — это отрицательно заряженные частицы, которые существуют в облаке вокруг ядра атома. Они невообразимо малы, настолько малы, что для объяснения их своеобразного поведения необходима квантовая механика, и, насколько физика смогла определить, они являются фундаментальными частицами.Для объема этой энциклопедии лучше всего представить электроны как крошечные частицы, которые «вращаются» вокруг ядра атома (другие ресурсы ниже предоставят более продвинутую интерпретацию). Однако вместо силы гравитации, которая отвечает за движение лун вокруг планет, электромагнитные силы заставляют электроны «вращаться» вокруг ядер. Для получения дополнительной информации о физике электронов см. гиперфизику.

    Некоторые свойства электрона. [2] Обратите внимание, что радиус электрона настолько мал, что никто не смог его обнаружить, но он невероятно круглый: «если бы электрон был увеличен до размеров Солнечной системы, он все равно казался бы сферическим в пределах ширина человеческого волоса.{-26}[/math] м

    Электроны и электричество

    Электричество — это поток электронов через проводник, обычно в виде проволоки, этот поток называется электрическим током. Чтобы возник этот поток, электроны должны разорвать свои атомные связи (электричество — это поток электронов, , а не поток электронов и ядер, с которыми они связаны). Разрыв атомной связи между электроном и его ядром требует ввода энергии, которая заставляет электрон преодолевать ограничивающую его электромагнитную силу и, таким образом, свободно течь.Эта необходимая энергия может быть получена из различных источников, и вот несколько примеров:

    Проводящий материал

    Все формы материи содержат электроны, однако в некоторых материалах электроны более слабо связаны с их ядрами. Этим материалам (известным как проводники или металлы) требуется очень мало энергии для создания электрического тока, потому что слабо связанным электронам требуется гораздо меньше энергии для преодоления электромагнитной силы, удерживающей их на месте.

    Что генерирует поток электронов?

    Электрические генераторы — это устройства, использующие принцип электромагнитной индукции — это процесс перемещения проводника через магнитное поле для создания потока электронов. Примечание: требуется только относительное движение проводника и магнитного поля, что означает, что магнитное поле может двигаться, когда проводник неподвижен. Когда электроны в проводнике проходят через магнитное поле (если поле достаточно сильное и относительная скорость проводников в поле достаточно велика), тогда связи с их ядрами будут разорваны, и возникнет поток. Чтобы вызвать высокий уровень потока электронов, требуется много энергии, чтобы создать относительную скорость между проводником и магнитами.

    Химические реакции внутри батарей также создают электродвижущую силу, заставляющую электроны течь по цепи. Фотоны (энергия света) также могут вызывать поток электронов, когда они ударяются о фотогальванический элемент.

    Внешние ресурсы

    Чтобы узнать больше о том, как электроны образуют материю с протонами и нейтронами, посетите нашу страницу об атомах. Более глубокую физику электрона см. в гиперфизике. Чтобы узнать больше о том, какое отношение электроны имеют к химии, см. вики Калифорнийского университета в Дэвисе.Чтобы просто поиграть с различными моделями электронов вокруг атома, см. модели атома водорода PhET.

    Для дальнейшего чтения

    Для получения дополнительной информации см. соответствующие страницы ниже:

    Ссылки

    1. ↑ «Электронное облако» Интернет: http://lettalkaboutscience.wordpress.com/2012/02/16/the-electron-cloud/
    2. ↑ Р. Д. Найт, «Миликан и фундаментальная единица заряда» в Физика для ученых и инженеров: стратегический подход, 2-е изд.Сан-Франциско, США: Pearson Addison-Wesley, 2008, глава 38, раздел 5, стр. 1192.
    3. ↑ «Электрон на удивление круглый, говорят ученые после 10-летнего исследования». Улучшенное измерение формы электрона» Хадсон и др. Nature 473, 493–496, 26 мая 2011 г. Доступ: https://www.nature.com/articles/nature10104.

    Авторы и редакторы. У.S. Выбросы и стоки парниковых газов

    Общественное рассмотрение проекта кадастра выбросов и стоков парниковых газов США: 1990-2020 гг.

    • Агентство по охране окружающей среды готовит ежегодный отчет под названием «Перечень выбросов и стоков парниковых газов в США» (инвентаризация), в котором отслеживаются выбросы и стоки парниковых газов в США по источникам, секторам экономики и парниковым газам начиная с 1990 года. Ежегодно с начала 1990-х годов Агентство по охране окружающей среды опубликовало проект отчета в феврале, чтобы обеспечить общественное обсуждение перед публикацией окончательного отчета к 15 апреля этого года.
    • Согласно объявлению в Федеральном реестре (FR) FRL 9448-01-OAR, проект кадастра выбросов парниковых газов за 1990–2020 годы теперь доступен для общественного обсуждения. Чтобы ваши комментарии были учтены в окончательной версии документа, отправьте их до 17 марта 2022 г. Узнайте больше о черновике отчета и о том, как подавать комментарии.

    Об инвентаризации выбросов

    EPA подготовило Перечень выбросов и стоков парниковых газов в США с начала 1990-х годов.В этом годовом отчете представлен всеобъемлющий учет общих выбросов парниковых газов из всех антропогенных источников в Соединенных Штатах, включая удаление углекислого газа из атмосферы «поглотителями» (например, за счет поглощения углерода и хранения в лесах, растительности, и почвы) от управления землями в их текущем использовании или по мере перевода земель в другие виды использования. Газы, охватываемые Реестром, включают двуокись углерода, метан, закись азота, гидрофторуглероды, перфторуглероды, гексафторид серы и трифторид азота.

    Национальный кадастр парниковых газов представляется в ООН в соответствии с Рамочной конвенцией об изменении климата. При подготовке годового отчета об инвентаризации выбросов EPA сотрудничает с сотнями экспертов, представляющих более десятка государственных учреждений США, академических институтов, отраслевых ассоциаций, консультантов и экологических организаций. Агентство по охране окружающей среды также собирает данные о выбросах парниковых газов от отдельных объектов и поставщиков определенных ископаемых видов топлива и промышленных газов в рамках Программы отчетности по парниковым газам.

    Обзор парниковых газов и источников выбросов

    Ключевые результаты ПРОЕКТА инвентаризации США за 1990-2020 гг. включают:

    • В 2020 году выбросы парниковых газов в США составили 5 215,6 млн метрических тонн эквивалента двуокиси углерода с учетом связывания в земельном секторе.
    • Выбросы сократились с 2019 по 2020 год на 11 процентов (с учетом связывания в земельном секторе). Основным фактором снижения стало 11-процентное снижение выбросов CO 2 в результате сжигания ископаемого топлива.Это снижение было в основном связано с 14-процентным снижением выбросов от транспорта, вызванным снижением спроса из-за продолжающейся пандемии COVID-19. Выбросы в электроэнергетическом секторе также сократились на 10,5 процента, отражая как небольшое снижение спроса из-за пандемии COVID-19, так и продолжающийся переход от угля к менее углеродоемкому природному газу и возобновляемым источникам энергии.
    • Выбросы парниковых газов в 2020 году (после учета секвестрации в земельном секторе) были на 22 процента ниже уровня 2005 года.

    См. Данные

    EPA разработало интерактивный инструмент, обеспечивающий доступ к данным национального кадастра парниковых газов. Посетите обозреватель данных инвентаризации парниковых газов, чтобы создать настраиваемые графики, изучить тенденции с течением времени и загрузить данные.

    Добавить комментарий

    Ваш адрес email не будет опубликован.