Реферат: Электрический ток в газах

Реферат по физике

на тему:

«Электрическийток в газах».

Электрическийток в газах.

1.

Электрическийразряд в газах.

Все газы в естественномсостоянии не проводят электрического тока. В чем можно убедиться из следующегоопыта:

Возьмем электрометр сприсоединенными к нему дисками плоского конденсатора и зарядим его. Прикомнатной температуре, если воздух достаточно сухой, конденсатор заметно неразряжается – положение стрелки электрометра не изменяется. Чтобы заметитьуменьшение угла отклонения стрелки электрометра, требуется длительное время.Это показывает, что электрический ток в воздухе между дисками очень мал. Данныйопыт показывает, что воздух является плохим проводником электрического тока.

Видоизменим опыт: нагреемвоздух между дисками пламенем спиртовки. Тогда угол отклонения стрелкиэлектрометра быстро уменьшается, т.е. уменьшается разность потенциалов междудисками конденсатора – конденсатор разряжается. Следовательно, нагретый воздухмежду дисками стал проводником, и в нем устанавливается электрический ток.

Изолирующие свойства газовобъясняются тем, что в них нет свободных электрических зарядов: атомы имолекулы газов в естественном состоянии являются нейтральными.

2.

Ионизациягазов.

Вышеописанный опыт показывает,что в газах под влиянием высокой температуры появляются заряженные частицы. Онивозникают вследствие отщепления от атомов газа одного или несколькихэлектронов, в результате чего вместо нейтрального атома возникают положительныйион и электроны. Часть образовавшихся электронов может быть при этом захваченадругими нейтральными атомами, и тогда появятся еще отрицательные ионы. Распадмолекул газа на электроны и положительные ионы называется ионизацией газов.

Нагревание газа до высокойтемпературы не является единственным способом ионизации молекул или атомовгаза. Ионизация газа может происходить под влиянием различных внешнихвзаимодействий: сильного нагрева газа, рентгеновских лучей, a

-, b — и g-лучей,возникающих при радиоактивном распаде, космических лучей, бомбардировки молекулгаза быстро движущимися электронами или ионами. Факторы, вызывающие ионизациюгаза называются ионизаторами.Количественной характеристикой процесса ионизации служит интенсивность ионизации, измеряемая числом пар противоположных познаку заряженных частиц, возникающих в единице объема газа за единицу времени.

Ионизация атома требует затратыопределенной энергии – энергии ионизации. Для ионизации атома (или молекулы)необходимо совершить работу против сил взаимодействия между вырываемымэлектроном и остальными частицами атома (или молекулы). Эта работа называетсяработой ионизации Ai.Величина работы ионизации зависит от химической природы газа и энергетическогосостояния вырываемого электрона в атоме или молекуле.

После прекращения действияионизатора количество ионов в газе с течением времени уменьшается и в концеконцов ионы исчезают вовсе. Исчезновение ионов объясняется тем, что ионы иэлектроны участвуют в тепловом движении и поэтому соударяются друг с другом.При столкновении положительного иона и электрона они могут воссоединиться внейтральный атом. Точно также при столкновении положительного и отрицательногоионов отрицательный ион может отдать свой избыточный электрон положительномуиону и оба иона превратятся в нейтральные атомы. Этот процесс взаимнойнейтрализации ионов называется рекомбинациейионов. При рекомбинации положительного иона и электрона или двух ионовосвобождается определенная энергия, равная энергии, затраченной на ионизацию.Частично она излучается в виде света, и поэтому рекомбинация ионовсопровождается свечением (свечение рекомбинации).

В явлениях электрическогоразряда в газах большую роль играет ионизация атомов электронными ударами. Этотпроцесс заключается в том, что движущийся электрон, обладающий достаточнойкинетической энергией, при соударении с нейтральным атомом выбивает из негоодин или несколько атомных электронов, в результате чего нейтральный атомпревращается в положительный ион, а в газе появляются новые электроны (об этом будет рассмотренопозднее).

В таблице ниже даны значенияэнергии ионизации некоторых атомов.

Элемент

Энергия ионизации, эВ

24,5

21,5

13,9

10,4

5,12

4,32

4,68

3.

Механизмэлектропроводности газов.

Механизм проводимости газовпохож на механизм проводимости растворов и расплавов электролитов. Приотсутствии внешнего поля заряженные частицы, как и нейтральные молекулыдвижутся хаотически. Если ионы и свободные электроны оказываются во внешнемэлектрическом поле, то они приходят в направленное движение и создаютэлектрический ток в газах.

Таким образом, электрический ток в газе представляет собойнаправленное движение положительных ионов к катоду, а отрицательных ионов иэлектронов к аноду. Полный ток в газе складывается из двух потоков заряженныхчастиц: потока, идущего к аноду, и потока, направленного к катоду.

На электродах происходитнейтрализация заряженных частиц, как и при прохождении электрического токачерез растворы и расплавы электролитов. Однако в газах отсутствует выделениевеществ на электродах, как это имеет место в растворах электролитов. Газовыеионы, подойдя к электродам, отдают им свои заряды, превращаются в нейтральныемолекулы и диффундируют обратно в газ.

Еще одно различие вэлектропроводности ионизованных газов и растворов (расплавов) электролитовсостоит в том, что отрицательный заряд при прохождении тока через газыпереносится в основном не отрицательными ионами, а электронами, хотяпроводимость за счет отрицательных ионов также может играть определенную роль.

Таким образом в газахсочетается электронная проводимость, подобная проводимости металлов, с ионнойпроводимостью, подобной проводимости водных растворов и расплавовэлектролитов.

4.

Несамостоятельныйгазовый разряд.

Процесс прохожденияэлектрического тока через газ называется газовым разрядом. Если электропроводностьгаза создается внешними ионизаторами, то электрический ток, возникающий в нем,называется несамостоятельным газовымразрядом. С прекращением действия внешних ионизаторов несамостоятельныйразряд прекращается. Несамостоятельный газовый разряд не сопровождаетсясвечением газа.

Ниже изображен графикзависимости силы тока от напряжения при несамостоятельном разряде в газе. Дляпостроения графика использовалась стеклянная трубка с двумя впаянными в стеклометаллическими электродами. Цепь собрана как показано на рисунке ниже.

V <img src="/cache/referats/3396/image001.gif" v:shapes="_x0000_s1035 _x0000_s1039 _x0000_s1040 _x0000_s1041 _x0000_s1042 _x0000_s1044 _x0000_s1045 _x0000_s1046 _x0000_s1047 _x0000_s1050 _x0000_s1051 _x0000_s1052 _x0000_s1053 _x0000_s1054 _x0000_s1055 _x0000_s1056 _x0000_s1058 _x0000_s1059 _x0000_s1060 _x0000_s1062 _x0000_s1063 _x0000_s1064 _x0000_s1065 _x0000_s1066 _x0000_s1067 _x0000_s1074 _x0000_s1076 _x0000_s1077 _x0000_s1078">

+ -

При некотором определенномнапряжении наступает такой момент, при котором все заряженные частицы,образующиеся в газе ионизатором за секунду, достигают за это же времяэлектродов. Дальнейшее увеличение напряжения уже не может привести к увеличениючисла переносимых ионов. Ток достигает насыщения (горизонтальный участокграфика 1).

0

5.

Самостоятельныйгазовый разряд.

Электрический разряд в газе,сохраняющийся после прекращения действия внешнего ионизатора, называется самостоятельным газовым разрядом. Дляего осуществления необходимо, чтобы в результате самого разряда в газе непрерывнообразовывались свободные заряды. Основным источником их возникновения являетсяударная ионизация молекул газа.

Если после достижения насыщенияпродолжать увеличивать разность потенциалов между электродами, то сила тока придостаточно большом напряжении станет резко возрастать (график 2).

Это означает, что в газепоявляются 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 внешнийионизатор будет уже не нужен для поддержания разряда. Поэтому ионизатор теперьможно убрать.

Каковы же причины резкогоувеличения силы тока при больших напряжениях? Рассмотрим какую либо парузаряженных частиц (положительный ион и электрон), образовавшуюся благодарядействию внешнего ионизатора. Появившийся таким образом свободный электронначинает двигаться к положительному электроду – аноду, а положительный ион – ккатоду. На своем пути электрон встречает ионы и нейтральные атомы. Впромежутках между двумя последовательными столкновениями энергия электронаувеличивается за счет работы сил электрического поля.

0

Чем больше разность потенциаловмежду электродами, тем больше напряженность электрического поля. Кинетическаяэнергия электрона перед очередным столкновением пропорциональна напряженностиполя и длине свободного пробега электрона: MV2/2=eEl. Если кинетическая энергия электрона превосходитработу Ai,которую нужно совершить, чтобы ионизировать нейтральный атом (или молекулу),т.е. MV2>Ai,то при столкновении электрона с атомом (или молекулой) происходит егоионизация. В результате вместо одного электрона возникают два (налетающий наатом и вырванный из атома). Они, в свою очередь, получают энергию в поле иионизуют встречные атомы и т.д… Вследствие этого число заряженных частицбыстро нарастает, возникает электронная лавина. Описанный процесс называют ионизацией электронным ударом.

Но одна ионизация электроннымударом не может обеспечить поддержания самостоятельного заряда. Действительно,ведь все возникающие таким образом электроны движутся по направлению к аноду ипо достижении анода «выбывают из игры». Для поддержания разряда необходимаэмиссия электронов с катода («эмиссия» означает «испускание»). Эмиссияэлектрона может быть обусловлена несколькими причинами.

Положительные ионы,образовавшиеся при столкновении электронов с нейтральными атомами, при своемдвижении к катоду приобретают под действием поля большую кинетическую энергию.При ударах таких быстрых ионов о катод с поверхности катода выбиваютсяэлектроны.

Кроме того, катод можетиспускать электроны при нагревании до большой температуры. Этот процессназывается термоэлектронной эмиссией. Егоможно рассматривать как испарение электронов из металла. Во многих твердых веществахтермоэлектронная эмиссия происходит при температурах, при которых испарениесамого вещества еще мало. Такие вещества и используются для изготовлениякатодов.

При самостоятельном разряденагрев катода может происходить за счетбомбардировки его положительными ионами. Если энергия ионов не слишком велика,то выбивания электронов с катода не происходит и электроны испускаютсявследствие термоэлектронной эмиссии.

6.

Различныетипы самостоятельного разряда и их техническое применение.

В зависимости от свойств исостояния газа, характера и расположения электродов, а также от приложенного кэлектродам напряжения возникают различные виды самостоятельного разряда.Рассмотрим несколько из них.

A.

Тлеющийразряд.

Тлеющий разряд наблюдается вгазах при низких давлениях порядка нескольких десятков миллиметров ртутногостолба 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 триобласти образуют катодную часть разряда, за которой следует основная светящаясячасть разряда, определяющая его оптические свойства и называемая положительным столбом.

Основную роль в поддержаниитлеющего разряда играют первые две области его катодной части. Характернойособенностью этого типа разряда является резкое падение потенциала вблизикатода, которое связано с большой концентрацией положительных ионов на границе I и II областей, обусловленной сравнительномалой скоростью движения ионов у катоду. В катодном темном пространствепроисходит сильное ускорение электронов и положительных ионов, выбивающихэлектроны из катода. В области тлеющего свечения электроны производятинтенсивную ударную ионизацию молекул газа и теряют свою энергию. Здесьобразуются положительные ионы, необходимые для поддержания разряда.Напряженность электрического поля в этой области мала. Тлеющее свечение восновном вызывается рекомбинацией ионов и электронов. Протяженность катодноготемного пространства определяется свойствами газа и материала катода.

В области положительного столбаконцентрация электронов и ионов приблизительно одинакова и очень велика, чтообуславливает большую электропроводность положительного столба и незначительноепадение в нем потенциала. Свечение положительного столба определяется свечениемвозбужденных молекул газа. Вблизи анода вновь наблюдается сравнительно резкоеизменение потенциала, связанное с процессом генерации положительных ионов. Вряде случаев положительный столб распадается на отдельные светящиеся участки – страты, разделенные темнымипромежутками.

Положительный столб не играетсущественной роли в поддержании тлеющего разряда, поэтому при уменьшениирасстояния между электродами трубки длина положительного столба сокращается ион может исчезнуть совсем. Иначе обстоит дело с длиной катодного темногопространства, которая при сближении электродов не изменяется. Если электродысблизились настолько, что расстояние между ними станет меньше длины катодноготемного пространства, то тлеющий разряд в газе прекратится. Опыты показывают,что при прочих равных условиях длина d катодного темного пространства обратно пропорциональна давлениюгаза. Следовательно, при достаточно низких давлениях электроны, выбиваемые изкатода положительными ионами, проходят через газ почти без столкновений с егомолекулами, образуя электронные, или катодные лучи.

Тлеющий разряд используется вгазосветных трубках, лампах дневного света, стабилизаторах напряжения, дляполучения электронных и ионных пучков. Если в катоде сделать щель, то сквозьнее в пространство за катодом проходят узкие ионные пучки, часто называемые каналовыми лучами. Широко используетсяявление катодного распыления, т.е.разрушение поверхности катода под действием ударяющихся о него положительныхионов. Ультрамикроскопические осколки материала катода летят во все стороны попрямым 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.

Коронныйразряд.

Коронный разряд возникает принормальном давлении в газе, находящемся в сильно неоднородном электрическомполе (например, около остриев или проводов линий высокого напряжения). Прикоронном разряде ионизация газа и его свечение происходят лишь вблизикоронирующих электродов. В случае коронирования катода (отрицательная корона)электроны, вызывающие ударную ионизацию молекул газа, выбиваются из катода прибомбардировке его положительными ионами. Если коронируют анод (положительнаякорона), то рождение электронов происходит вследствие фотоионизации газа вблизианода. Корона – вредное явление, сопровождающееся утечкой тока и потерейэлектрической энергии. Для уменьшения коронирования увеличивают радиус кривизныпроводников, а их поверхность делают возможно более гладкой. При достаточновысоком напряжении между электродами коронный разряд переходит в искровой.

При повышенном напряжениикоронный разряд на острие приобретает вид исходящих из острия и перемежающихсяво времени светлых линий. Эти линии, имеющие ряд изломов и изгибов, образуютподобие кисти, вследствие чего такой разряд называют кистевым.

Заряженное грозовое облакоиндуцирует на поверхности Земли под собой электрические заряды противоположногознака. Особенно большой заряд скапливается на остриях. Поэтому перед грозой иливо время грозы нередко на остриях и острых углах высоко поднятых предметоввспыхивают похожие на кисточки конусы света. С давних времен это свечениеназывают огнями святого Эльма.

Особенно часто свидетелямиэтого явления становятся альпинисты. Иногда лаже не только металлическиепредметы, но и кончики волос на голове украшаются маленькими светящимисякисточками.

С коронным разрядом приходитсясчитаться, имея дело с высоким напряжением. При наличии выступающих частей илиочень тонких проводов может начаться коронный разряд. Это приводит к утечке электроэнергии.Чем выше напряжение высоковольтной линии, тем толще должны быть провода.

C.

Искровойразряд.

Искровой разряд имеет вид яркихзигзагообразных разветвляющихся нитей-каналов, которые пронизывают разрядныйпромежуток и исчезают, сменяясь новыми. Исследования показали, что каналыискрового разряда начинают расти иногда от положительного электрода, иногда ототрицательного, а иногда и от какой-нибудь точки между электродами. Этообъясняется тем, что ионизация ударом в случае искрового разряда происходит непо всему объему газа, а по отдельным каналам, проходящим в тех местах, вкоторых концентрация ионов случайно оказалась наибольшей. Искровой разряд сопровождаетсявыделением большого количества теплоты, ярким свечением газа, треском илигромом. Все эти явления вызываются электронными и ионными лавинами, которыевозникают в искровых каналах и приводят к огромному увеличению давления, достигающему107¸

108Па, и повышению температуры до 10000 °С.

Характерным примером искровогоразряда является молния. Главный канал молнии имеет диаметр от 10 до 25 см., адлина молнии может достигать нескольких километров. Максимальная сила токаимпульса молнии достигает десятков и сотен тысяч ампер.

При малой длине разрядногопромежутка искровой разряд вызывает специфическое разрушение анода, называемое эрозией. Это явление было использовано вэлектроискровом методе резки, сверления и других видах точной обработкиметалла.

Искровой промежуток применяетсяв качестве предохранителя от перенапряжения в электрических линиях передач(например, в телефонных линиях). Если вблизи линии проходит сильныйкратковременный ток, то в проводах этой линии индуцируются напряжении и токи,которые могут разрушить электрическую установку и опасны для жизни людей. Воизбежание этого используются специальные предохранители, состоящие из двухизогнутых электродов, один из которых присоединен к линии, а другой заземлен.Если потенциал линии относительно земли сильно возрастает, то между электродамивозникает искровой разряд, который вместе с нагретым им воздухом поднимаетсявверх, удлиняется и обрывается.

Наконец, электрическая искраприменяется для измерения больших разностей потенциалов с помощью шарового разрядника, электродамикоторого служат два металлических шара с полированной поверхностью. Шарыраздвигают, и на них подается измеряемая разность потенциалов. Затем шарысближают до тех пор, пока между ними не проскочит искра. Зная диаметр шаров,расстояние между ними, давление, температуру и влажность воздуха, находятразность потенциалов между шарами по специальным таблицам. Этим методом можно измерятьс точностью до нескольких процентов разности потенциалов порядка десятков тысячвольт.

D.

Дуговой разряд.

Дуговой разряд был открыт В. В.Петровым в 1802 году. Этот разряд представляет собой одну из форм газовогоразряда, осуществляющуюся при большой плотности тока и сравнительно небольшомнапряжении между электродами (порядка нескольких десятков вольт). Основнойпричиной дугового разряда является интенсивное испускание термоэлектроновраскаленным катодом. Эти электроны ускоряются электрическим полем и производятударную ионизацию молекул газа, благодаря чему электрическое сопротивлениегазового промежутка между электродами сравнительно мало. Если уменьшитьсопротивление внешней цепи, увеличить силу тока дугового разряда, топроводимость газового промежутка столь сильно возрастет, что напряжение междуэлектродами уменьшается. Поэтому говорят, что дуговой разряд имеет падающуювольт-амперную характеристику. При атмосферном давлении температура катода достигает3000 °

C. Электроны, бомбардируяанод, создают в нем углубление (кратер) и нагревают его. Температура кратераоколо 4000 °С, а при больших давлениях воздуха достигает 6000-7000 °С. Температура газа вканале дугового разряда достигает 5000-6000 °С, поэтому в немпроисходит интенсивная термоионизация.

В ряде случаев дуговой разряднаблюдается и при сравнительно низкой температуре катода (например, в ртутнойдуговой лампе).

В 1876 году П. Н. Яблочковвпервые использовал электрическую дугу как источник света. В «свече Яблочкова»угли были расположены параллельно и разделены изогнутой прослойкой, а их концысоединены проводящим «запальным мостиком». Когда ток включался, запальныймостик сгорал и между углями образовывалась электрическая дуга. По мересгорания углей изолирующая прослойка испарялась.

Дуговой разряд применяется какисточник света и в наши дни, например в прожекторах и проекционных аппаратах.

Высокая температура дуговогоразряда позволяет использовать его для устройства дуговой печи. В настоящеевремя дуговые печи, питаемые током очень большой силы, применяются в рядеобластей промышленности: для выплавки стали, чугуна, ферросплавов, бронзы,получения карбида кальция, окиси азота и т.д.

В 1882 году Н. Н. Бенардосомдуговой разряд впервые был использован для резки и сварки металла. Разряд междунеподвижным угольным электродом и металлом нагревает место соединения двухметаллических листов (или пластин) и сваривает их. Этот же метод Бенардосприменил для резания металлических пластин и получения в них отверстий. В 1888году Н. Г. Славянов усовершенствовал этот метод сварки, заменив угольныйэлектрод металлическим.

Дуговой разряд нашел применениев ртутном выпрямителе, преобразующем переменный электрический ток в токпостоянного направления.

E.

Плазма.

Плазма – это частично илиполностью ионизованный газ, в котором плотности положительных и отрицательныхзарядов практически одинаковы. Таким образом, плазма в целом являетсяэлектрически нейтральной системой.

Количественной характеристикойплазмы является степень ионизации. Степенью ионизации плазмы a

называют отношение объемной концентрации заряженных частиц к общей объемнойконцентрации частиц. В зависимости от степени ионизации плазма подразделяетсяна слабо ионизованную (aсоставляет доли процентов), частично ионизованную (a порядка несколькихпроцентов) и полностью ионизованную (a близка к 100%). Слабоионизованной плазмой в природных условиях являются верхние слои атмосферы –ионосфера. Солнце, горячие звезды и некоторые межзвездные облака – этополностью ионизованная плазма, которая образуется при высокой температуре.

Средние энергии различных типовчастиц, составляющих плазму, могут значительно отличаться одна от другой.Поэтому плазму нельзя охарактеризовать одним значением температуры Т; различаютэлектронную температуру Те, ионную температуру Тi (или ионныетемпературы, если в плазме имеются ионы нескольких сортов) и температурунейтральных атомов Тa

(нейтральной компоненты). Подобная плазманазывается неизотермической, в отличие от изотермической плазмы, в которойтемпературы всех компонентов одинаковы.

Плазма также разделяется навысокотемпературную (Тi»

106-108 К иболее) и низкотемпературную!!! (Тi<=105К). Это условное разделение связано с особой влажностьювысокотемпературной плазмы в связи с проблемой осуществления управляемоготермоядерного синтеза.

Плазма обладает рядомспецифических свойств, что позволяет рассматривать ее как особое четвертое состояниевещества.

Из-за большой подвижностизаряженный частицы плазмы легко перемещаются под действием электрических имагнитных полей. Поэтому любое нарушение электрической нейтральности отдельныхобластей плазмы, вызванное скоплением частиц одного знака заряда, быстроликвидируется. Возникающие электрические поля перемещают заряженные частицы дотех пор, пока электрическая нейтральность не восстановится и электрическое полене станет равным нулю. В отличие от нейтрального газа, между молекулами которогосуществуют короткодействующие силы, между заряженными частицами плазмыдействуют 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 могутучаствовать в разнообразных упорядоченных движениях. В плазме легко возбуждаютсяразного рода колебания и волны.

Проводимость плазмыувеличивается по мере роста степени ионизации. При высокой температуре полностьюионизованная плазма по своей проводимости приближается к сверхпроводникам.

Низкотемпературная плазмаприменяется в газоразрядных источниках света – в светящихся трубках рекламныхнадписей, в лампах дневного света. Газоразрядную лампу используют во многихприборах, например, в газовых лазерах – квантовых источниках света.

Высокотемпературная плазма применяется вмагнитогидродинамических генераторах.

Недавно был создан новый прибор– плазмотрон. В плазмотроне создаются мощные струи плотной низкотемпературнойплазмы, широко применяемые в различных областях техники: для резки и сваркиметаллов, бурения скважин в твердых породах и т.д.

Конец.

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.

еще рефераты

Еще работы по физике

Реферат по физике

Традиционные источники электрической энергии

29 Августа 2013

Реферат по физике

Сцинцилляционные счетчики

29 Августа 2013