Когда в газе появляется электрической ток – Электрический ток в газах ℹ️ понятие, механизм и природа возникновения, виды и носители разрядов, применение в быту и промышленности

Электрический ток в газах (стр. 1 из 3)

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 Ai. 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).

I

0 U

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.

I

0 U

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: MV2/2=eEl. Если кинетическая энергия электрона превосходит работу Ai, которую нужно совершить, чтобы ионизировать нейтральный атом (или молекулу), т.е. MV2>Ai, 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.

Токи в газах

Условия существования токов в газах

Газ, в котором нет заряженных частиц, не является проводником электрического тока (он изолятор). Газ будет проводником только в том случае, если возникнут носители электрических зарядов (свободные электроны и ионы), то есть газ будет ионизирован. Положительные ионы могут быть однозарядными и многозарядными, это зависит от количества потерянных электронов. Отрицательные ионы, обычно однозарядны, образованы присоединением одного электрона к атому.

Так, необходимо существование постороннего фактора ионизации, не связанного с наличием электрического поля для того, чтобы газ являлся проводником. Это может быть, например, высокая температура, излучение, столкновения атомов газа с быстро движущимися элементарными частицами. Надо отметить, что и в нормальных условиях газы, например воздух, имеют электрическую проводимость, правда, весьма малую. Эта проводимость вызвана излучением радиоактивных веществ, которые присутствуют на поверхности Земли, и космическими лучами, которые приходят на планету из пространства. В том случае, если напряжённость поля мала, то течение тока через газ останавливается практически сразу, как перестает работать внешний фактор ионизации. Подобный ток называют несамостоятельным.

Определение 1

Ионизацию газа, которая появляется как результат вырывания электронов из молекул и атомов самого газа называют объемной ионизацией. Кроме объемной ионизации выделяют поверхностную ионизацию. При таком типе ионизации, ионы и электроны попадают в газ со стенок сосуда, в котором он находится. Или с поверхности тел, которые в газ помещаются.

После того, как прекращает действовать ионизирующий фактор, положительные и отрицательные ионы газа объединяются и образуют нейтральные молекулы. Этот процесс носит название —

рекомбинация. В результате рекомбинации проводимость газа возвращается к первоначальному значению. При этом проводимость газа уменьшается постепенно.

В том случае, когда напряженность поля довольно большая, то само поле может вызывать ионизацию газа, при которой газ становится проводником. В таких условиях ток называют самостоятельным. Универсальной зависимости силы самостоятельного тока от напряжения не выявлено. Все определяют конкретные условия. Сила самостоятельного тока может и увеличиваться и уменьшаться с ростом напряжения.

Определение 2

Процесс прохождения электрического тока через газы называют газовым разрядом. Основными типами газового разряда являются:

Несамостоятельный газовый разряд (несамостоятельный ток)

Допустим, что газ, который находится между электродами, постоянно ионизируется. Пусть $N$ — концентрация зарядов каждого знака (или число пар ионов каждого знака), тогда ${(\frac{dN}{dt})}_{obr}$ — скорость изменения (образования) концентрации зарядов внешним источником ионизации. Параллельно с процессом ионизации идет процесс рекомбинации.

Если внешнего поля нет, то через некоторое время устанавливается динамическое равновесие, при котором скорость образования ионов становится равной скорости рекомбинации. При этом $N=N^+=N^-$, где полагаем, что ионы однозарядные. В равновесии можно записать, что:

где $r$ — коэффициент рекомбинации, концентрация ионов одного знака равна:

Когда присутствует внешнее электрическое поле, то часть электронов долетает до электродов и там нейтрализуется. Условием динамического равновесия в этом случае станет выражение:

где $(\frac{dN}{dt})$- число пар ионов исчезающих в результате нейтрализации на электродах в единицу времени.

Плотность тока определяется как:

где $v_d=bE$- скорость дрейфа заряда в электрическом поле, $b^+,\ b^-$ — подвижности положительных и отрицательных зарядов. В таком случае, равенство (2) перепишем в виде:

Формула (3) эквивалентна закону Ома только в том случае, если выражение $q\left(b^++\ b^-\right)N$ не зависит от $E$ и $j$. В газах зависимость $q\left(b^++\ b^-\right)N$ обычно существует, поэтому выражение (4) не эквивалентно закону Ома.

В том случае, если расстояние между электродами принять равным d, то плотность тока насыщения ($j$) можно выразить как:

если считать, что все возникающие ионы попадают на электроды раньше, чем успевают рекомбинировать. С учетом выражения (5) формулу (2) запишем как:

Рассмотрим два предельных случая. Пусть плотность ток очень мала. Этот случай соответствует малым внешним электрическим полям. В этом случае количество ионов, которые нейтрализованы на электродах существенно меньше, чем нейтрализованных за счет рекомбинации, тогда их число не изменяется. Разряд подчиняется закону Ома. На вольт — амперной характеристике (рис.1) это соответствует участку ОА.

Другой предельный случай, когда мы получаем ток насыщения ($j_n$) из уравнения (6) при $rN^2\ll \frac{j}{qd}$, тогда:

где плотность тока насыщения ($j_n$) не зависит от внешнего поля, создается всеми ионами, которые образованы в результате работы ионизатора. Этому условию отвечает участок BC рис.1.

При промежуточных значениях напряжения внешнего поля происходит плавный переход от линейной зависимости между током и напряжением к насыщению (участок АВ).

Выражение для плотности тока, имеющее вид:

называют характеристикой несамостоятельного тока.

Самостоятельный ток

В том случае, если при плотности тока, равной току насыщения увеличивать напряженность внешнего поля, то плотность тока снова начнет расти. Это происходит от того, что электроны газа до рекомбинации с ионами успевают приобрести энергию, при которой они ионизируют молекулы газа благодаря высокой напряженности внешнего поля. Как результат, скорость ионизации зависит от напряженности внешнего поля. Появляющийся при этом ток называют самостоятельным. Начальная часть характеристики этого тока показана на рис.1 пунктиром.

Рисунок 1.

К видам самостоятельных газовых разрядов относят:

  • тлеющий разряд

  • дуговой разряд

  • искровой разряд

  • коронный разряд.

Пример 1

Задание: Как найти минимальную скорость электрона, которую он должен иметь для того, чтобы ионизировать атом азота, если потенциал ионизации для этого вещества равен $U_i=14,5\ B$.

Решение:

Основание для решения данной задачи служит закон сохранения энергии, который мы запишем в виде:

\[\frac{m_ev_{min}}{2}=q_eU_i\left(1.1\right).\]

Из уравнения (1.1) выразим искомую скорость, получим:

\[v_{min}=\sqrt{\frac{2q_eU_i}{m_e}}.\]

Из справочных материалов возьмем $m_e=9,1\cdot 10^{-31}кг$, $q_e=1,6\cdot 10^{-19}Кл$. Можем перейти к вычислениям минимальной скорости ионизации.

\[v_{min}=\sqrt{\frac{2\cdot 1,6\cdot 10^{-19}\cdot 14,5}{9,1\cdot 10^{-31}}}=2,26\cdot 10^6\left(\frac{м}{с}\right).\]

Ответ: $v_{min}=2,26•10^6\frac{м}{с}.$

Пример 2

Задание: Чем меньше давление газа при постоянной температуре, тем меньшее количество атомов имеется в единице объема этого газа, следовательно, больший путь проходит атом между двумя последовательными соударениями. Как будет изменяться напряжение пробоя газового промежутка при уменьшении давления газа?

Решение:

Данную ситуацию можно отнести к такой форме газового разряда, который называют искровым разрядом. При искровом разряде газ скачком утрачивает свои диэлектрические свойства и становится хорошим проводником. Напряженность поля, при которой происходит искровой разряд, различна для разных газов, зависит от их давления и температуры. Напряжение, при котором наступает искровой пробой, называют напряжением пробоя.

Возникновение пробоя объясняется так. В газе всегда есть некое малое число ионов и электронов. При небольших значениях напряженности приложенного поля, соударения, движущихся ионов с нейтральными молекулами можно уподобить упругим столкновениям шаров. При повышении напряженности внешнего поля кинетическая энергия движущихся ионов может стать достаточной для того, чтобы ионизировать нейтральную молекулу. Как результат, появляется новый электрон и положительный ион. Такой процесс называют ударной ионизацией. Вновь образованные ионы и электроны увеличивают количество заряженных частиц в газе, причем под воздействием поля они ускоряются и могут произвести ударную ионизацию вновь. Так, процесс усиливает сам себя. Образуется ионная лавина. Образование ионной лавины и есть процесс искрового пробоя, минимальное напряжение при котором возникает ионная лавина — напряжение пробоя. При искровом пробое причина ионизации газа — разрушение атомов и молекул при соударениях.

При уменьшении давления газа напряжение пробоя уменьшается. Это происходит из-за того, что при большем свободном пробеге ионы могут получить требуемую для ионизации кинетическую энергию при меньшей напряженности электрического поля.

Электрический ток в газах. Ионизация газов

Что такое газ?

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

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

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

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

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

Газ в электрическом поле

Точно также как и любой диэлектрик, газ реагирует на электрическое поле. Молекулы газа, находясь в свободном движении, со скоростями большими чем у ионов в растворах и расплавах, можно сказать, что они более независимы, чем когда были в состоянии жидкости. Наличие электрического поля приводит к дипольной ориентации молекул газа (отдельных диполей). Они начинают поворачиваться так, чтобы скомпенсировать действие поля. Происходит это не сразу.

Потенциальная энергия поля будет преобразовываться в кинетическую энергию молекул газа. При достаточной напряжённости электрического поля будет происходить ионизация молекул газа. Электрический диполь в виде молекулы разорвётся на атомы и одному из них будет недоставать электрона. Образуется положительный ион — катион, который устремится к катоду источника поля. Вполне возможно, что на своём пути он захватит свободный электрон, но если таких разорванных диполей станет много, то и процесс разрыва молекул на атомы станет лавинообразным. В итоге проводимость газа значительно улучшится и через газ будет проходить больше электричества, сила тока будет стремительно возрастать. Графически этот процесс хорошо иллюстрируется вольт-амперной характеристикой (ВАХ). В конечном итоге в газе происходит разряд, который бывает разных видов, но об этом сказано ниже.

Ионизация газов

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

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

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

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

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

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

Газовые разряды

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

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

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

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

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

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

Дата: 16.05.2015

© Valentin Grigoryev (Валентин Григорьев)

Электрический ток в газах ℹ️ понятие, механизм и природа возникновения, виды и носители разрядов, применение в быту и промышленности

Электрический ток в газах кратко

Процесс ионизации

При стандартных условиях газообразные вещества являются диэлектриками. Это объясняется отсутствием в их структуре большого числа свободных частиц с разными зарядами. Стать электропроводным газ может лишь при условии его ионизации. Это явление представляет собой расщепление молекул на положительно и отрицательно заряженные частицы.

Электрический ток в газах

Ионизация возможна только под воздействием внешних факторов. Причины, влияющие на этот процесс, называются ионизаторами. Электроны, лишенные атомных связей, могут захватываться частицами с нейтральным зарядом, благодаря чему образуются положительные ионы. В электрическом газе, подвергшемся ионизации, в качестве носителей заряда присутствуют электроны, положительные и отрицательные ионы. Существует 3 типа ионизации:

Ток в газах

  1. Термо. Наблюдается при столкновении частиц газообразных веществ при высоких температурах. Их кинетическая энергия движения должна превосходить показатель молекулярной связи электронов в атомах.
  2. Фото. Этот процесс протекает под воздействием электромагнитного излучения. Требуемая для отделения электронов энергия передается молекулам квантами излучения.
  3. Ударная. Заряженные частицы появляются благодаря столкновению нейтральных частиц с быстро движущимися электронами. При этом они должны обладать большим показателем кинетической энергии.

Также необходимо рассмотреть еще одно явление, протекающее в ионизированных газах, — рекомбинацию. Ее суть сводится к восстановлению нейтральных ионов из разнозаряженных частиц. Процесс сопровождается выделением определенного количества энергии, показатель которой соответствует значению, израсходованному на ионизацию.

В результате могут проявляться различные явления, например, свечение. Это говорит о том, что возникновение электрического тока в газах обусловлено упорядоченным движением частиц с определенными зарядами. Это явление наблюдается лишь под воздействием внешнего поля. Можно сказать, что газ и электричество при определенных условиях являются вполне сочетаемыми понятиями.

Газовые разряды

Если поместить ионизированный газ в электрополе, то на свободные заряды начнут воздействовать электрические силы. Они всегда направлены параллельно линиям напряженности. В результате движение заряженных частиц из хаотичного становится упорядоченным — отрицательные движутся в направлении анода, а положительные — к катоду. После контакта с электродами частицы становятся нейтральными, так как отдали либо приняли электроны. В результате цепь замыкается, и появляется электроток.

Процесс прохождения электронного тока через газообразное вещество называют разрядом. В газообразных веществах сочетаются два вида проводимости — электронная и ионная.

Применение электрического тока в газах

Несамостоятельный и самостоятельный ток

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

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

Электрический ток в газах обусловлен упорядоченным движением

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

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

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

Такой электрический ток называется самостоятельным. Величина, при которой несамостоятельный ток становится самостоятельным, называется напряжением пробоя. Электроны, получая ускорение от электрополя, сталкиваются на траектории своего движения с нейтральными частицами.

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

Электрический ток в газах в физике

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

Понятие плазмы

Плазма представляет собой полностью либо частично ионизированный газ, в котором плотность противоположно заряженных частиц примерно одинакова. Для определения степени ионизации (α) используется следующая формула: α = Ni / N. Здесь Ni представляет собой число ионизированных атомов, а N — общее количество частиц.

Понятие плазмы

Примером слабо ионизированной плазмы является ионосфера Земли. Звезды, включая Солнце, плотно ионизированы. Плазма обладает рядом уникальных свойств, что делает необходимым рассматривать ее в качестве особого состояния веществ, таких как, например, жидкость.

Сегодня сложно представить человеческую цивилизацию без электричества. С его помощью люди освещают и обогревают дома, отправляют сообщения и т. д. Применение электрического тока в газах многообразно. Например, газовый электроток используется для освещения помещений, при сварке, в металлургии и т. д. Если управлять движением плазмы, то ее можно использовать в качестве рабочего тела. Так, несколько лет назад большой популярностью пользовались плазменные телевизоры.


Электрический ток в газах

ЭЛЕКТРИЧЕСКИЙ ТОК В ГАЗАХ И ГАЗОВЫЙ РАЗРЯД

Газовый разряд — это процесс протекания электрического тока через газ. Различают несамостоятельные и самостоятельные разря­ды. Несамостоятельный разряд возможен при инжекции электронов в раз­рядный промежуток (например, термоэмиссия с катода) или при иониза­ции газа каким-либо внешним источником. Несамостоятельные разряды используют довольно широко: это и ионизационные камеры технологиче­ского и дозиметрического назначения на атомных реакторах, газотроны в выпрямительных установках сетей питания постоянным током, плазмотроны с накаливаемым катодом и т.д. Физические процессы, протекающие в разных несамостоятельных разрядах, естественно, различаются, но не все они характерны для собственно газовых разрядов, как обычно пони­мают этот термин. В них с помощью электрического поля просто собира­ют образующиеся в объеме заряды (что вообще-то не совсем «просто»!), в пропорциональных счетчиках используют ограниченное образование электронных лавин, в гейгеровских счетчиках происходит коронный раз­ряд, в газотронах и тиратронах «обходят» закон «3/2», как бы приближая анод к катоду, в дуговых лампах дневного света термоэмиссия с подогревных катодов только обеспечивает зажигание самостоятельной дуги. Однако наиболее широко применяются самостоятельные разряды, о них и будет речь. Самостоятельный тлеющий разряд зажигается тогда, когда напряжение на его активных участках достигает «напряжения про­боя», для дугового разряда необходимо создать условия возникновения термоэмиссии с катода. Коронные разряды возникают только при наличии участков с очень большой неоднородностью напряженности электриче­ского поля, а искровые разряды принципиально импульсные. Все это справедливо для постоянных электрических полей, у полей ВЧ и СВЧ, которые широко используются в технологиях, есть своя специфика, осо­бенно у полей лазерной искры.

Столкновения частиц могут иметь упругий и неупругий характер. При упругом столкновении меняется направление движения частиц, про­исходит обмен импульсами и кинетической энергией. При неупругом столкновении внутренняя энергия и состояние одной из частиц (редко ко­гда обеих) изменяется. Ионизация атома при ударе электроном происхо­дит за счет передачи кинетической энергии электрона атому. Значение энергии электрона, достаточное для ионизации атома называется потен­циалом ионизации Ui . При многократной ионизации энергия, необходимая для отрыва каждого следующего электрона возрастает. Пионерами экспе­риментального определения потенциала ионизации атомов были Франк и Герц. Метод определения основывался на том, что зависимость тока, про­текающего через диод в парах ртути, от ускоряющего электроны напря­жения носит не монотонный возрастающий характер, а имеет провалы из-за потерь энергии электронов на возбуждение и ионизацию атомов ртути. Зависимость вероятности ионизации атомов любого газа fi от энергии час­тиц Uфункцией ионизации:

fi = а (U — Ui ) exp( — (U — Ui )/b), (1)

где а и b эмпирические константы для конкретного газа.

Время между столкновениями, приводящими к ионизации, обратно пропорционально частоте ионизации i= 1/i,. Число ионизации в единицу времени пропор­ционально плотности частиц газа п, скорости налетающей частицы v и сечению ионизации i:

i = ni. (.2)

Ионизационный пробег i (длина, на которой частица может ионизовать) равен

(3)

где Si = ni называется суммарным сечением ионизации. Суммарное сече­ние ионизации так же хорошо аппроксимируется подобной (8.1) зависи­мостью от энергии частицы U:

(4)

(формула Моргулиса)

где а и b эмпирические константы для конкретного газа.

Зависимость суммарного сечения возбуждения имеет похожий вид:

(5)

(формула Фабриканта),

где Ur потенциал возбужденного уровня, Uшах и S max — энергия и сечение возбуждения в максимуме функции возбуждения, значения которых мож­но найти в справочных таблицах для конкретного газа. Время пребывания атома в возбужденном состоянии можно связать с числом переходов в единице объема в единицу времени N, тогда за промежуток времени dt число переходов: Ndt = wnadt, где w вероятность данного перехода, na — концентрация возбужденных атомов. Число актов излучения равно убыли числа возбужденных атомов: Ndt = — dna, тогда dna= — wnadt. Таким обра­зом, число возбужденных атомов изменяется во времени по закону:

na(t) = na0exp(-wt), (6)

где na0 — концентрация возбужденных атомов в начальный момент време­ни. За время to = l/w концентрация уменьшается в «е» раз. Это время и полагают временем пребывания атома в возбужденном состоянии. Не­смотря на малость этой величины to ~ 10-8 — 10-7 с, даже за столь короткое время существования возбужденного атома возможно получение новой порции энергии, достаточной для перехода атома на следующий уровень возбуждения, либо для ионизации атома, в этом случае говорят о ступен­чатой ионизации. Именно такой процесс ступенчатой ионизации атомов ртути наблюдался в опытах Франка и Герца. Среди возбужденных со­стояний атомов и молекул существуют метастабилъные состояния, вре­мена жизни которых от 10-4 до нескольких секунд. Самый нижний метастабильный уровень называется резонансным. Для ртути резонансный уровень возбуждения равен 4.7 эВ, при превышении энергией электронов этого значения наблюдался первый провал в зависимости тока от уско­ряющего электроны потенциала. Метастабильная частица при столкнове­нии с электроном может и дезактивироваться, т.е. перейти в основ­ное состояние, этот процесс называется неупругим соударением вто­рого рода.

Кроме образования положительных ионов при протекании тока в газе возможно возникновение отрицательных ионов. Для того, чтобы от­рицательный ион существовал и был устойчив, его внутренняя энергия Еi, должна быть меньше, чем энергия нормального состояния пары атом — свободный электрон Е0 Разность А = Е0 — Еi называется сродством атома к электрону. В атомах с заполненной внешней электронной оболочкой (инертные газы Не, Ne, Ar, Хе, Кг,…) электронная оболочка экранирует ядро и вероятность образования отрицательных ионов мала. Атомы с не­полными внешними оболочками (F, Cl, К, Na…), у которых оболочки ближе всего к заполнению, образуют наиболее устойчивые отрицательные ионы. Сродство этих атомов достаточно велико: АF = 3.43.6 эВ, АCl = 3.82 эВ. Если электрон до столкновения имел кинетическую энер­гию Eк , то при его захвате должна освобождаться энергия А + Eк . Эта энергия может освобождаться через излучение: е + а —> а + hy, но более вероятен процесс образования отрицательного иона в результате столкно­вения трех тел Х+ Y+ е —> Х + Y + е или Х+ Y+ e —> Х + Y .

Для описания электрического тока в газах недостаточно рассмот­рения процессов ионизации и рекомбинации. Необходимо описание дви­жения заряженных частиц под действием электрических и магнитных по­лей, причем статистическое, т. е. усредненное по многочисленным столк­новениям. При наличии электрического поля на хаотическое движение частиц накладывается направленное движение вдоль поля. Для стацио­нарного процесса распространения тока средняя энергия и средняя ско­рость электронов должны оставаться постоянными, несмотря на присутст­вие ускоряющего электрического поля. Это возможно, если электрическая сила компенсируется силой трения (электроны при столкновениях отдают часть своей энергии). Таким образом, средняя скорость движения от одно­го электрода к другому, которую называют скоростью дрейфа иd , остается постоянной. Отношение скорости направленного движения (скорости дрейфа) заряженной частицы к напряженности электрического поля назы­вается подвижностью:

(7)

Скорость дрейфа можно оценить из предположения, что она много мень­ше тепловой скорости и в результате столкновения частица теряет всю

кинетическую энергию. За время между столкновениями ст заряженная частица пройдет путь

тогда:

(8)

где — средняя длина свободного пробега, — тепловая скорость.

Для распределения Максвелла, усредненная по скоростям скорость дрей­фа (формула Ланжевена):

( 9)

где средний пробег при давлении 1 мм.рт.ст.

Для средней скорости дрейфа ионов формула Ланжевена имеет вид:

(10)

где аi — коэффициент, равный 0.5 1, т масса молекулы иона.

Электроны на своем пути ионизуют атомы, «ионизующую» спо­собность электронов англичанин Таунсенд предложил характеризовать коэффициентом , названным впоследствии первым коэффициентом Таунсенда, равным числу электронов, создаваемых электроном на единице длины пробега. При таком описании прирост количества электронов про­порционален  и количеству атомов п: dn(x) = ndх. Тогда число электронов на расстоянии х:

ne(х)= n0 ехр(х), (11)

 — первый коэффициент Таунсенда:

=(1/n)(dn/dx). (12)

Процесс возникновения электронов можно также характеризовать часто­той ионизации Yi числом электронов, создаваемых одним электроном в единицу времени:

(13)

Тогда частота ионизации связана с первым коэффициентом Таун­сенда через скорость дрейфа:

.

Все три величины , Yi , ud зависят от напряженности электрического поля Е. Сразу отметим, что U(E), Y,{E), иd(Е) весьма сложные зависимости, ме­няются с изменением условий разряда, но для Yi(е) и (E) всегда весьма сильные (экспоненциальные, степенные).

«Электрический ток в газах». 11-й класс

Внимание! Предварительный просмотр слайдов используется исключительно в ознакомительных целях и может не давать представления о всех возможностях презентации. Если вас заинтересовала данная работа, пожалуйста, загрузите полную версию.

Цели урока:

  • создавать условия для формирования познавательного интереса, активности учащихся;
  • объяснение нового материала по теме «электрический ток в газах»;
  • способствовать развитию конвергентного мышления;
  • способствовать эстетическому воспитанию учащихся;
  • формирование коммуникационного общения;

Оборудование: интерактивный комплекс SMART Board Notebook.

Метод ведения урока: в форме беседы.

План урока:

  1. Организация класса
  2. Фронтальный опрос
  3. Изучение нового материала
  4. Закрепление
  5. Закрепление домашнее задание

Цель урока – усвоение нового материала по теме «электрический ток в газах»

Ход урока

1 слайд – заголовок

2 слайд – В обычных условиях газы состоят из нейтральных атомов и молекул и являются диэлектриками.

3, 4 слайд – Распад атомов на положительные ионы и электроны называется ионизацией, обратный процесс – рекомбинацией.

5 слайд – В газах электронно-ионная проводимость.

6 слайд – Протекание тока через газ называется газовым разрядом.

7 слайд – Электрическим током в газах называется направленное движение положительных ионов к катоду, отрицательных ионов и электронов к аноду.

8 слайд – Самостоятельный и несамостоятельный разряды: Газовый заряд, протекающий под действием ионизатора, называется несамостоятельным, а без ионизатора ― самостоятельным.

9 слайд – Вольт-амперная характеристика тока в газах

10 слайд – Условие ионизации электронным ударом, где l – длина свободного пробега

11 слайд – Типы самостоятельных разрядов

  1. Тлеющий разряд
  2. Искровой разряд (молния)
  3. Коронный разряд
  4. Дуговой разряд

12 слайд – Электрический разряд: самостоятельный и несамостоятельный

13 слайд – Виды самостоятельных разрядов

Разряд Условия возникновения Применение
Тлеющий Низкое давление (доли мм. рт. ст.), высокая напряженность,Е Ионные и электронные рентгеновские трубки, газоразрядные трубки, газовые лазеры
Дуговой Термоэлектронная эмиссия тока с поверхности катода, большая сила тока (10-100А при малой Е) Прожекторы, сварка и резка металла, электропечи для плавки металла.
Коронный Атмосферное давление + сильно неоднородное эл. поле. Электроочистительные фильтры газовых смесей.
Искровой Высокое напряжение при атмосферном давлении имеет вид светящегося канала Молния. Разряд конденсатора искры при электризации трущихся поверхностей.

14 слайд – Тлеющий разряд

  • Тле́ющий разря́д – один из видов стационарного самостоятельного электрического разряда в газах. Формируется, как правило, при низком давлении газа и малом токе. При увеличении проходящего тока превращается в дуговой разряд.
  • В отличие от нестационарных (импульсных) электрических разрядов в газах, основные характеристики тлеющего разряда остаются относительно стабильными во времени.
  • Типичным примером тлеющего разряда, знакомым большинству людей, является свечение неоновой лампы и ламп “дневного света”
  • Одно из важнейших применений тлеющего разряда в промышленности и военной сфере – газовые лазеры

15 слайд – Дуговой разряд

  • Электрическая дуга (Вольтова дуга, Дуговой разряд) – физическое явление, один из видов электрического разряда в газе.
  • Впервые была описана в 1802 году русским учёным В. В. Петровым. Электрическая дуга является частным случаем четвёртой формы состояния вещества – плазмы – и состоит из ионизированного, электрически квазинейтрального газа. Присутствие свободных электрических зарядов обеспечивает проводимость электрической дуги.
  • При эксплуатации высоковольтных электроустановок, в которых неизбежно появление электрической дуги, борьба с электрической дугой осуществляется при помощи электромагнитных катушек, совмещённых с дугогасительными камерами. Среди других способов известны использование вакуумных и масляных выключателей, а также методы отвода тока на временную нагрузку, самостоятельно разрывающую электрическую цепь.

Электрическая дуга используется при электросварке металлов, для выплавки стали (дуговая сталеплавильная печь) и в освещении (в дуговых лампах).

16 слайд – Коронный разряд

  • Коро́нный разря́д − это характерная форма самостоятельного газового разряда, возникающего в резко неоднородных полях. Главной особенностью этого разряда является то, что ионизационные процессы электронами происходят не по всей длине промежутка, а только в небольшой его части вблизи электрода с малым радиусом кривизны (так называемого коронирующего электрода). Эта зона характеризуется значительно более высокими значениями напряженности поля по сравнению со средними значениями для всего промежутка.
  • На линиях электропередачи возникновение коронного разряда нежелательно, так как вызывает значительные потери передаваемой энергии. С целью сокращения потерь на общую корону применяется расщепление проводов ЛЭП на 2, 3, 5 или 8 составляющих, в зависимости от номинального напряжения линии (для уменьшения тока в проводнике). Составляющие располагаются в углах правильного многоугольника (или на диаметре окружности, в случае расщепления на 2 составляющих), образуемого специальной распоркой.
  • В естественных условиях коронный разряд может возникать на верхушках деревьев, мачтах – т. н. огни святого Эльма.

Коронный разряд применяется для очистки газов от пыли и сопутствующих загрязнений (электростатический фильтр), для диагностики состояния конструкций (позволяет обнаруживать трещины в изделиях).

17 слайд – Искровой разряд

  • Искрово́й разря́д (искра электрическая) – нестационарная форма электрического разряда, происходящая в газах. Такой разряд возникает обычно при давлениях порядка атмосферного и сопровождается характерным звуковым эффектом – «треском» искры. Температура в главном канале искрового разряда может достигать 10 000 К. В природе искровые разряды часто возникают в виде молний. Расстояние «пробиваемое» искрой в воздухе зависит от напряжения и считается равным 10 кВ на 1 сантиметр.
  • Искровой разряд обычно происходит, если мощность источника энергии недостаточна для поддержания стационарного дугового разряда или тлеющего разряда.
  • Искровой разряд представляет собой пучок ярких, быстро исчезающих или сменяющих друг друга нитевидных, часто сильно разветвленных полосок – искровых каналов. Эти каналы заполнены плазмой, в состав которой в мощном искровом разряде входят не только ионы исходного газа, но и ионы вещества электродов, интенсивно испаряющегося под действием разряда.

18 слайд – Плазма – четвертое состояние вещества

19 слайд – Плазма – частично или полностью ионизированный газ, в котором плотности положительных и отрицательных зарядов практически одинаковы.

20, 21 слайд – Степень ионизации плазмы

  • Слабо ионизованной плазмой в природных условиях являются верхние слои атмосферы
  • Полностью ионизованная плазма, которая образуется при высокой температуре – солнце

22 слайд – Плазма во вселенной и вокруг Земли

В состоянии плазмы находится подавляющая (около 99%) часть вещества Вселенной – звезды, галактические туманности и межзвездная среда.

23 слайд – Плазма во вселенной и вокруг Земли

Около Земли плазма существует в космосе в виде солнечного ветра, заполняет магнитосферу Земли, образуя радиационные пояса Земли и ионосферу.

24 слайд – Плазма в нашей жизни

  • Плазменный телевизор
  • Плазменная лампа

Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован. Обязательные поля помечены *