Реферат на тему Электрический ток в газах. Реферат электрический ток в газах

Доклад - Электрический ток в газах

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.

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 107 ¸108 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 Те, ионную температуру Тi (или ионные температуры, если в плазме имеются ионы нескольких сортов) и температуру нейтральных атомов Тa (нейтральной компоненты). Подобная плазма называется неизотермической, в отличие от изотермической плазмы, в которой температуры всех компонентов одинаковы.

Плазма также разделяется на высокотемпературную (Тi »106 -108 К и более) и низкотемпературную!!! (Тi <=105 К). Это условное разделение связано с особой влажностью высокотемпературной плазмы в связи с проблемой осуществления управляемого термоядерного синтеза.

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.

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.

www.ronl.ru

Реферат на тему Электрический ток в газах

                                                               +           - 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. 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 107¸108 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 Те, ионную температуру Тi (или ионные температуры, если в плазме имеются ионы нескольких сортов) и температуру нейтральных атомов Тa (нейтральной компоненты). Подобная плазма называется неизотермической, в отличие от изотермической плазмы, в которой температуры всех компонентов одинаковы. Плазма также разделяется на высокотемпературную (Тi»106-108 К и более) и низкотемпературную!!! (Тi<=105 К). Это условное разделение связано с особой влажностью высокотемпературной плазмы в связи с проблемой осуществления управляемого термоядерного синтеза. 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.

bukvasha.ru

Реферат: Электрический ток в газах

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.

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 107¸108 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 Те, ионную температуру Тi (или ионные температуры, если в плазме имеются ионы нескольких сортов) и температуру нейтральных атомов Тa (нейтральной компоненты). Подобная плазма называется неизотермической, в отличие от изотермической плазмы, в которой температуры всех компонентов одинаковы.

Плазма также разделяется на высокотемпературную (Тi»106-108 К и более) и низкотемпературную!!! (Тi<=105К). Это условное разделение связано с особой влажностью высокотемпературной плазмы в связи с проблемой осуществления управляемого термоядерного синтеза.

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.

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.

www.referatmix.ru

Реферат - Электрический ток в газах

+ - 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 0 U 5. 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 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. 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. 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. 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. 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. 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 107?108 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. 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. 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 Те, ионную температуру Тi (или ионные температуры, если в плазме имеются ионы нескольких сортов) и температуру нейтральных атомов Тa (нейтральной компоненты). Подобная плазма называется неизотермической, в отличие от изотермической плазмы, в которой температуры всех компонентов одинаковы. Плазма также разделяется на высокотемпературную (Тi»106-108 К и более) и низкотемпературную!!! (Тi 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.

Конец.

Список использованной литературы: 1) 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) 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) 3) Электричество./Э. Г. Калашников. Изд. «Наука», Москва, 1977. 4) 4) Физика./Б. Б. Буховцев, Ю. Л. Климонтович, Г. Я. Мякишев. Издание 3-е, перераб. – М.: Просвещение, 1986. 5)

www.ronl.ru

Реферат - Электрический ток в газах

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.

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 107 ¸108 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 Те, ионную температуру Тi (или ионные температуры, если в плазме имеются ионы нескольких сортов) и температуру нейтральных атомов Тa (нейтральной компоненты). Подобная плазма называется неизотермической, в отличие от изотермической плазмы, в которой температуры всех компонентов одинаковы.

Плазма также разделяется на высокотемпературную (Тi »106 -108 К и более) и низкотемпературную!!! (Тi <=105 К). Это условное разделение связано с особой влажностью высокотемпературной плазмы в связи с проблемой осуществления управляемого термоядерного синтеза.

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.

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.

www.ronl.ru

Реферат - Электрический ток в жидкостях, газах и плазме

СОДЕРЖАНИЕ

ВВЕДЕНИЕ…………………………………………………………………………..3

ТОК В ЖИДКОСТЯХ……………………………………………………………….4

ЭЛЕКТРИЧЕСКИЙРАЗРЯД В ГАЗАХ………………………………..…………..7

ИОНИЗАЦИЯГАЗОВ………………………………………………………..7

НЕСАМОСТОЯТЕЛЬНЫЙГАЗОВЫЙ РАЗРЯД…………………………..9

САМОСТОЯТЕЛЬНЫЙГАЗОВЫЙ РАЗРЯД……………………….……..9

РАЗЛИЧНЫе ТИПЫ САМОСТОЯТЕЛЬНОГОРАЗРЯДА. ИХ ТЕХНИЧЕСКОЕ ПРИМЕНЕНИЕ…………………………………….…………..10

ТЛЕЮЩИЙРАЗРЯД………………………………………………………..10

КОРОННЫЙРАЗРЯД ………………………………………………...…….11

ИСКРОВОЙРАЗРЯД…………………………………………………….….12

ДУГОВОЙРАЗРЯД…………………………………………………………13

ПЛАЗМА……………………………………………………………………………15

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ………………………………………………………….17

ВВЕДЕНИЕ

Если соединить проволокой два проводника, между которыми была созданаразность потенциалов, то потенциалы будут выравниваться, при этом заряды напроводниках перераспределяются, а в соединительной проволоке происходитнаправленное перемещение зарядов, называемые током. Ток под действиемприложений разности потенциалов возникает в любой среде, где имеются свободныеэлектроны.

В зависимости от вида и природы зарядоносителей проводимость бываетэлектронной, ионной и дырочной.

Электронной проводимостью обладают металлы. Существует такая проводимостьи в верхних слоях атмосферы, где плотность вещества невелика, благодаря чемуэлектроны могут свободно перемещаться, не соединяясь с положительно заряженнымиионами.

Жидкие электроны обладают ионной проводимостью. Ионы, являющиесязарядоносителями, при движении перемещают вещество, в результате чегопроисходит выделение его на электродах.

Возможен механизм проводимости, обусловленный разрывом валентной связи,приводящим к появлению вакантного места с отсутствующей связью. Такое “пустые”место с отсутствующими электронами связи получило название — дырка.

            Возникновение дырки в кристаллепроводника создаёт дополнительную возможность для переноса заряда. Этотпроцесс, сопровождающийся перемещением электронов, получил название дырочнойпроводимостью.

Плазма, под которой понимается газ, имеющий концентрацию зарядоносителей,намного превышающую незаряженных частиц, обладает электронной и ионнойпроводимостью.

ТОК В ЖИДКОСТЯХ

Происхождение электрического тока (движение электрических зарядов) черезраствор существенно отличается от движения электрических зарядов пометаллическому проводнику.

Различие, прежде всего в том, что зарядоносителями в растворах являютсяне электроны, а ионы, т.е. сами атомы или молекулы, потерявшие или захватившиеодин или несколько электронов.

Естественно, это движение, так или иначе, сопровождается изменением свойствсамого вещества.

Рассмотрим электрическую цепь, элементом которой является сосуд сраствором поваренной соли и с вставленными в него электродами любой формы изпластины. При подключении к источнику питания в цепи появляется ток,представляющий собой в растворе движение тяжелых заряженных частиц – ионов.Появление ионов уже означает возможность химического разложения раствора на дваосновных элемента – Na и Cl. Натрий, потерявший электрон, представляет собойположительно заряженный ион, движущийся к электроду, который подключен котрицательному полюсу источника питания, электрической цепи. Хлор,“узурпировавший” электрон, представляет собой отрицательный ион.

Отрицательные ионы хлора движутся к электроду, который подключен кположительному полюсу источника питания эл. цепи.

Образование положительных и отрицательных ионов происходит вследствиесамопроизвольного распада молекулы поваренной соли в водном растворе(электролитическая диссоциация). Движение ионов обусловлено напряжением,поданным на электроды, опущенные в раствор. Достигнув электродов, ионы забираютили отдают электроны, образуя соответственно молекулы Cl и Na. Подобные явлениянаблюдаются в растворах многих других веществ. Молекулы этих веществ, подобномолекулам поваренной соли, состоят из противоположно заряженных ионов, накоторые они и распадаются в растворах. Количество распавшихся молекул, точнее,число ионов, характеризует электрическое сопротивление раствора.

Ещё раз подчеркнём, что происхождение электрического тока по цепи, элементомкоторой является раствор, вызывает перемещение вещества этого элементаэлектрической цепи, и, следовательно, изменение его химический свойств, в товремя, как при прохождении электрического тока по металлическому проводникуникаких изменений в проводнике не происходит.

От чего зависит количество вещества, выделяющегося при электролизе наэлектродах? Впервые на этот вопрос ответил Фарадей. Фарадей показалэкспериментально, что масса выделяемого вещества связана с силой тока ивременем его протекания t соотношением (закон Фарадея):

M =kq

Масса выделяющегося вещества при электролизе вещества прямопропорциональна количеству прошедшего через электролит электричества и независит от других причин, кроме рода вещества.

Указанную закономерность можно проверить на следующих опытах. Нальём внесколько ванн один и тот же электролит, но разной концентрации. Опустим вванны электроды, имеющие разную площадь, и расположим их в ванных на разныхрасстояниях. Соединим все ванны последовательно и пропустим через них ток.Тогда через каждую из ванн, очевидно, пройдёт одинаковое количествоэлектричества. Взвесив катоды до и после опыта, мы обнаружим, что на всехкатодах выделилось одинаковое количество вещества. Соединив все ванныпараллельно и пропустив через них ток, можно убедиться, что количествовещества, выделившегося на катодах, прямо пропорционально количествуэлектричества, прошедшему через каждую из них. Наконец, соединивпоследовательно ванны с различными электролитами, легко установить, чтоколичество выделившегося вещества зависит от рода этого вещества.

Величина, характеризующая зависимость количества выделяющегося приэлектролизе вещества от его рода, называется электрохимическим эквивалентом иобозначается буквой к. Электрохимическийэквивалент вещества измеряется массой вещества, выделяющегося на электроде припрохождении через электролит единицы количества электричества.

Масса вещества, выделяющегося при электролизе, представляет собой общуюмассу всех разрядившихся на электроде ионов. Подвергая электролизу разные соли,можно на опыте установить количество электричества, которое должно пройти черезэлектролит, чтобы выделился один килограмм – эквивалент данного вещества. Такиеопыты впервые проделал Фарадей. Он нашел, что для выделения одного килограмм –эквивалента любого вещества при электролизе требуется одинаковые количестваэлектричества, равные 9,65·10 7 к.

Количество электричества, необходимое для выделения при электролизекилограмм – эквивалента вещества, называется числом Фарадея и обозначаетсябуквой F:

F =9,65·10 7 к.

В электролите ион оказывается окруженным молекулами растворителя (воды),обладающими значительными дипольными моментами. Взаимодействуя с ионом,дипольные молекулы поворачиваются к нему своими концами, имеющими заряд, знаккоторого противоположен заряду иона, поэтому упорядочное движение иона вэлектрическом поле затрудняется, и подвижность ионов значительно уступаетподвижности электронов проводимости в металле. Так как и концентрация ионовобычно не велика по сравнению с концентрацией электронов в металле, тоэлектрическая проводимость у электролитов всегда существенно меньшеэлектрической проводимости металлов.

Вследствие сильного нагревания током в электролитах достижимы лишьнезначительные плотности тока, т.е. небольшие напряженности электрическогополя. При повышении температуры электролита упорядоченная ориентация диполейрастворителя ухудшается под влиянием усилившегося беспорядочного движениямолекул, поэтому дипольная оболочка частично разрушается, подвижность ионов ипроводимость раствора увеличивается. Зависимость удельной электрическойпроводимости от концентрации при неизменной температуре сложна. Еслирастворение возможно в любых пропорциях, то при некоторой концентрацииэлектрическая проводимость имеет максимум. Причина этого такова: вероятностьраспада молекул на ионы пропорциональна числу молекул растворителя и числумолекул растворимого вещества в единице объёма. Но возможен и обратный процесс:(рекомбинация ионов в молекулы), вероятность которого пропорциональна квадратучисла пар ионов. Наконец, электрическая проводимость пропорциональна числу парионов в единице объёма. Поэтому, при малых концентрациях диссоциация полная, нообщее число ионов мало. При очень больших концентрациях диссоциация слабая ичисло ионов также невелико. Если растворимость вещества ограничена, то обычномаксимума электрической проводимости не наблюдается. При замораживании вязкостьводного раствора резко возрастает, подвижность ионов резко уменьшается, иудельная электрическая проводимость падает в тысячу раз. При затвердевании жежидких металлов подвижность электронов и удельная электрическая проводимостьпочти не изменяется.

Электролиз широко применяется в различных электрохимическихпроизводствах. Важнейшие из них: электролитическое получение металлов из водныхрастворов их солей и из их расплавленных солей; электролиз хлористых солей;электролитическое окисление и восстановление; получение водорода электролизом;гальваностегия; гальванопластика; электрополировка. Методом рафинированияполучают чистый металл, очищенный от примесей. Гальваностегия – покрытиеметаллических предметов другим слоем металла. Гальванопластикой – получениеметаллических копий с рельефных изображений каких-либо поверхностей.Электрополировка – выравнивание металлических поверхностей.

ЭЛЕКТРИЧЕСКИЙ РАЗРЯД В ГАЗАХ

Все газы в естественном состоянии не проводят электрического тока. В чемможно убедиться из следующего опыта:

Возьмем электрометр с присоединенными к нему дисками плоскогоконденсатора и зарядим его. При комнатной температуре, если воздух достаточносухой, конденсатор заметно не разряжается – положение стрелки электрометра неизменяется. Чтобы заметить уменьшение угла отклонения стрелки электрометра,требуется длительное время. Это показывает, что электрический ток в воздухемежду дисками очень мал. Данный опыт показывает, что воздух является плохимпроводником электрического тока.

Видоизменим опыт: нагреем воздух между дисками пламенем спиртовки. Тогдаугол отклонения стрелки электрометра быстро уменьшается, т.е. уменьшаетсяразность потенциалов между дисками конденсатора – конденсатор разряжается.Следовательно, нагретый воздух между дисками стал проводником, и в немустанавливается электрический ток.

Изолирующие свойства газов объясняются тем, что в них нет свободныхэлектрических зарядов: атомы и молекулы газов в естественном состоянии являютсянейтральными.

ИОНИЗАЦИЯ ГАЗОВ

Вышеописанный опыт показывает, что в газах под влиянием высокойтемпературы появляются заряженные частицы. Они возникают вследствие отщепленияот атомов газа одного или нескольких электронов, в результате чего вместонейтрального атома возникают положительный ион и электроны. Частьобразовавшихся электронов может быть при этом захвачена другими нейтральнымиатомами, и тогда появятся еще отрицательные ионы. Распад молекул газа наэлектроны и положительные ионы называется ионизацией газов.

Нагревание газа до высокой температуры не является единственным способомионизации молекул или атомов газа. Ионизация газа может происходить подвлиянием различных внешних взаимодействий: сильного нагрева газа, рентгеновскихлучей, a -, b — и g -лучей, возникающих при радиоактивном распаде, космическихлучей, бомбардировки молекул газа быстро движущимися электронами или ионами.Факторы, вызывающие ионизацию газа называются ионизаторами. Количественнойхарактеристикой процесса ионизации служит интенсивность ионизации, измеряемаячислом пар противоположных по знаку заряженных частиц, возникающих в единицеобъема газа за единицу времени.

Ионизация атома требует затраты определенной энергии – энергии ионизации.Для ионизации атома (или молекулы) необходимо совершить работу против силвзаимодействия между вырываемым электроном и остальными частицами атома (илимолекулы). Эта работа называется работой ионизации A i. Величина работыионизации зависит от химической природы газа и энергетического состояниявырываемого электрона в атоме или молекуле.

После прекращения действия ионизатора количество ионов в газе с течениемвремени уменьшается и, в конце концов,  ионы исчезают вовсе. Исчезновение ионовобъясняется тем, что ионы и электроны участвуют в тепловом движении и поэтомусоударяются друг с другом. При столкновении положительного иона и электрона онимогут воссоединиться в нейтральный атом. Точно также при столкновенииположительного и отрицательного ионов отрицательный ион может отдать свойизбыточный электрон положительному иону и оба иона превратятся в нейтральныеатомы. Этот процесс взаимной нейтрализации 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 электрического разряда в газах большую роль играет ионизацияатомов электронными ударами. Этот процесс заключается в том, что движущийсяэлектрон, обладающий достаточной кинетической энергией, при соударении снейтральным атомом выбивает из него один или несколько атомных электронов, врезультате чего нейтральный атом превращается в положительный ион, а в газепоявляются новые электроны (об этом будет рассмотрено позднее).

Механизм проводимости газов похож на механизм проводимости растворов ирасплавов электролитов. При отсутствии внешнего поля заряженные частицы, как инейтральные молекулы, движутся хаотически. Если ионы и свободные электроныоказываются во внешнем электрическом поле, то они приходят в направленноедвижение и создают электрический ток в газах.

Таким образом, электрический ток в газе представляет собой направленноедвижение положительных ионов к катоду, а отрицательных ионов и электронов каноду. Полный ток в газе складывается из двух потоков заряженных частиц:потока, идущего к аноду, и потока, направленного к катоду.

НЕСАМОСТОЯТЕЛЬНЫЙ ГАЗОВЫЙ РАЗРЯД

Процесс прохождения электрического тока через газ называется газовымразрядом. Если электропроводность газа создается внешними ионизаторами, тоэлектрический ток, возникающий в нем, называется несамостоятельным газовымразрядом. С прекращением действия внешних ионизаторов несамостоятельный разрядпрекращается. Несамостоятельный газовый разряд не сопровождается свечениемгаза.

САМОСТОЯТЕЛЬНЫЙГАЗОВЫЙ РАЗРЯД

Электрический разряд в газе, сохраняющийся после прекращения действиявнешнего ионизатора, называется самостоятельным газовым разрядом. Для егоосуществления 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.

Это означает, что в газе появляются дополнительные ионы, которыеобразуются за счет действия ионизатора. Сила тока может возрасти в сотни итысячи раз, а число заряженных частиц, возникающих в процессе разряда, можетстать таким большим, что внешний ионизатор будет уже не нужен для поддержанияразряда.

Положительные ионы, образовавшиеся при столкновении электронов снейтральными атомами, при своем движении к катоду приобретают под действиемполя большую кинетическую энергию. При ударах таких быстрых ионов о катод споверхности катода выбиваются электроны.

Кроме того, катод может испускать электроны при нагревании до большойтемпературы. Этот процесс называется термоэлектронной эмиссией. Его можнорассматривать 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 разряде нагрев 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.

РАЗЛИЧНЫЕ ТИПЫ САМОСТОЯТЕЛЬНОГОРАЗРЯДА

ИХ ТЕХНИЧЕСКОЕ ПРИМЕНЕНИЕ

В зависимости от свойств и состояния газа, характера и расположенияэлектродов, а также от приложенного к электродам напряжения возникают различныевиды самостоятельного разряда. Рассмотрим несколько из них.

ТЛЕЮЩИЙ РАЗРЯД

Тлеющий разряд наблюдается в газах при низких давлениях порядканескольких десятков миллиметров ртутного столба и меньше. Если рассмотретьтрубку с тлеющим разрядом, то можно увидеть, что основными частями тлеющегоразряда являются катодное темное пространство, резко отдаленное от него отрицательное,или тлеющее свечение, которое постепенно переходит в область фарадеева темногопространства. Эти три области образуют катодную часть разряда, за которойследует основная светящаяся часть разряда, определяющая его оптические свойстваи называемая положительным столбом.

Основную роль в поддержании тлеющего разряда играют первые две областиего катодной части. Характерной особенностью этого типа разряда является резкоепадение потенциала вблизи катода, которое связано с большой концентрациейположительных 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 столба концентрация электронов и ионовприблизительно одинакова и очень велика, что обуславливает большуюэлектропроводность положительного столба и незначительное падение в немпотенциала. Свечение положительного столба определяется свечением возбужденныхмолекул газа. Вблизи анода вновь наблюдается сравнительно резкое изменениепотенциала, связанное с процессом генерации положительных ионов. В ряде случаевположительный столб распадается на отдельные светящиеся участки – страты,разделенные темными промежутками.

Положительный столб не играет существенной роли в поддержании тлеющегоразряда, поэтому при уменьшении расстояния между электродами трубки длинаположительного столба сокращается, и он может исчезнуть совсем. Иначе обстоитдело с длиной катодного темного пространства, которая при сближении электродовне изменяется. Если электроды сблизились настолько, что расстояние между нимистанет меньше длины катодного темного пространства, то тлеющий разряд в газепрекратится. Опыты показывают, что при прочих равных условиях длина d катодноготемного пространства обратно пропорциональна давлению газа. Следовательно, придостаточно низких давлениях электроны, выбиваемые из катода положительнымиионами, проходят через газ почти без столкновений с его молекулами, образуяэлектронные, или катодные лучи.

Тлеющий разряд используется в газосветных трубках, лампах дневного света,стабилизаторах напряжения, для получения электронных и ионных пучков. Если вкатоде сделать щель, то сквозь нее в пространство за катодом проходят узкиеионные пучки, часто называемые каналовыми лучами. Широко используется явлениекатодного распыления, т.е. разрушение поверхности катода под действиемударяющихся об него положительных ионов. Ультрамикроскопические осколкиматериала катода летят во все стороны по прямым линиям и покрывают тонким слоемповерхность тел (особенно диэлектриков), помещенных в трубку. Таким способомизготовляют зеркала для ряда приборов, наносят тонкий слой металла на селеновыефотоэлементы.

КОРОННЫЙ РАЗРЯД

Коронный разряд возникает при нормальном давлении в газе, находящемся всильно неоднородном электрическом поле (например, около остриев или проводовлиний высокого напряжения). При коронном разряде ионизация газа и его свечениепроисходят лишь вблизи коронирующих электродов. В случае коронирования катода(отрицательная корона) электроны, вызывающие ударную ионизацию молекул газа,выбиваются из катода при бомбардировке его положительными ионами. Есликоронируют анод (положительная корона), то рождение электронов происходитвследствие фотоионизации газа вблизи анода. Корона – вредное явление,сопровождающееся утечкой тока и потерей электрической энергии. Для уменьшениякоронирования увеличивают радиус кривизны проводников, а их поверхность делаютвозможно более гладкой. При достаточно высоком напряжении между электродамикоронный разряд переходит в искровой.

При повышенном напряжении коронный разряд на острие приобретает видисходящих из острия и перемежающихся во времени светлых линий. Эти линии,имеющие ряд изломов и изгибов, образуют подобие кисти, вследствие чего такойразряд называют кистевым.

Заряженное грозовое облако индуцирует на поверхности Земли под собойэлектрические заряды противоположного знака. Особенно большой зарядскапливается на остриях. Поэтому перед грозой или во время грозы нередко наостриях и острых углах высоко поднятых предметов вспыхивают похожие на кисточкиконусы света. С давних времен это свечение называют огнями святого Эльма.

Особенно часто свидетелями этого явления становятся альпинисты. Иногдадаже не только металлические предметы, но и кончики волос на голове украшаютсямаленькими светящимися кисточками.

С коронным разрядом приходится считаться, имея дело с высокимнапряжением. При наличии выступающих частей или очень тонких проводов можетначаться коронный разряд. Это приводит к утечке электроэнергии. Чем вышенапряжение высоковольтной линии, тем толще должны быть провода.

ИСКРОВОЙ РАЗРЯД

Искровой разряд имеет вид ярких зигзагообразных разветвляющихсянитей-каналов, которые пронизывают разрядный промежуток и исчезают, сменяясьновыми. Исследования показали, что каналы искрового разряда начинают растииногда от положительного электрода, иногда от отрицательного, а иногда и откакой-нибудь точки между электродами. Это объясняется тем, что ионизация ударомв случае искрового разряда происходит не по всему объему газа, а по отдельным каналам,проходящим в тех местах, в которых концентрация ионов случайно оказаласьнаибольшей. Искровой разряд сопровождается выделением большого количестватеплоты, ярким свечением газа, треском или громом. Все эти явления вызываютсяэлектронными и ионными лавинами, которые возникают в искровых каналах иприводят к огромному увеличению давления, достигающему 10 7ё 10 8 Па, иповышению температуры до 10000 ° С.

Характерным примером искрового разряда является молния. Главный каналмолнии имеет диаметр от 10 до <st1:metricconverter ProductID=«25 см» w:st=«on»>25 см</st1:metricconverter>., а длина молнии может достигать несколькихкилометров. Максимальная сила тока импульса молнии достигает десятков и сотентысяч ампер.

При малой длине разрядного промежутка искровой разряд вызываетспецифическое разрушение анода, называемое эрозией. Это явление былоиспользовано в электроискровом методе резки, сверления и других видах точнойобработки металла.

Искровой промежуток применяется в качестве предохранителя отперенапряжения в электрических линиях передач (например, в телефонных линиях).Если вблизи линии проходит сильный кратковременный ток, то в проводах этойлинии индуцируются напряжении и токи, которые могут разрушить электрическуюустановку и опасны для жизни людей. Во избежание этого используются специальныепредохранители, состоящие из двух изогнутых электродов, один из которыхприсоединен к линии, а другой заземлен. Если потенциал линии относительно землисильно возрастает, то между электродами возникает искровой разряд, которыйвместе с нагретым им воздухом поднимается вверх, удлиняется и обрывается.

Наконец, электрическая искра применяется для измерения больших разностейпотенциалов с помощью шарового разрядника, электродами которого служат дваметаллических шара с полированной поверхностью. Шары раздвигают, и на нихподается измеряемая разность потенциалов. Затем шары сближают до тех пор, покамежду ними не проскочит искра. Зная диаметр шаров, расстояние между ними,давление, температуру и влажность воздуха, находят разность потенциалов междушарами по специальным таблицам. Этим методом можно измерять с точностью донескольких процентов разности потенциалов порядка десятков тысяч вольт.

ДУГОВОЙ РАЗРЯД

Дуговой разряд был открыт В. В. Петровым в 1802 году. Этот разрядпредставляет собой одну из форм газового разряда, осуществляющуюся при большойплотности тока и сравнительно небольшом напряжении между электродами (порядканескольких десятков вольт). Основной причиной дугового разряда являетсяинтенсивное испускание термоэлектронов раскаленным катодом. Эти электроныускоряются электрическим полем и производят ударную ионизацию молекул газа,благодаря чему электрическое сопротивление газового промежутка междуэлектродами сравнительно мало. Если уменьшить сопротивление внешней цепи,увеличить силу тока дугового разряда, то проводимость газового промежутка стольсильно возрастет, что напряжение между электродами уменьшается. Поэтомуговорят, что дуговой разряд имеет падающую вольт — амперную характеристику. Приатмосферном давлении температура катода достигает 3000 ° 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 в канале дугового разряда достигает 5000-6000 ° С, поэтому внем происходит интенсивная термоионизация.

В ряде случаев дуговой разряд наблюдается и при сравнительно низкойтемпературе катода (например, в ртутной дуговой лампе).

В 1876 году П. Н. Яблочков впервые использовал электрическую дугу какисточник света. В “свече Яблочкова” угли были расположены параллельно иразделены изогнутой прослойкой, а их концы соединены проводящим “запальныммостиком”. Когда ток включался, запальный мостик сгорал, и между углямиобразовывалась электрическая дуга. По мере сгорания углей изолирующая прослойкаиспарялась.

Дуговой разрядприменяется как источник света и в наши дни, например в прожекторах ипроекционных аппаратах.

Высокая температура дугового разряда позволяет использовать его дляустройства дуговой печи. В настоящее время дуговые печи, питаемые током оченьбольшой 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 длярезки и сварки металла. Дуговой разряд нашел применение в ртутном выпрямителе,преобразующем переменный электрический ток в ток постоянного направления.

ПЛАЗМА

Плазма – это частично или полностью ионизованный газ, в котором плотностиположительных 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 заряженныхчастиц к общей объемной концентрации частиц. В зависимости от степени ионизацииплазма 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 являютсяверхние слои атмосферы – ионосфера. Солнце, горячие звезды и некоторыемежзвездные облака – это полностью ионизованная плазма, которая образуется привысокой температуре.

Средние энергии различных типов частиц, составляющих плазму, могутзначительно отличаться одна от другой. Поэтому плазму нельзя охарактеризоватьодним значением температуры Т; различают электронную температуру Т е, ионнуютемпературу Т i (или ионные температуры, если в плазме имеются ионы несколькихсортов) и температуру нейтральных атомов Тa (нейтральной компоненты). Подобнаяплазма называется неизотермической, в отличие от изотермической плазмы, вкоторой температуры всех компонентов одинаковы.

Плазма также разделяется на высокотемпературную и низкотемпературную. Этоусловное разделение связано с особой влажностью высокотемпературной плазмы всвязи с проблемой осуществления управляемого термоядерного синтеза.

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

Из-за большой подвижности заряженный частицы плазмы легко перемещаютсяпод действием электрических и магнитных полей. Поэтому любое нарушениеэлектрической нейтральности отдельных областей плазмы, вызванное скоплениемчастиц одного знака заряда, быстро ликвидируется. Возникающие электрическиеполя перемещают заряженные частицы до тех пор, пока электрическая нейтральностьне восстановится и электрическое поле не станет равным нулю. В отличие отнейтрального газа, между молекулами которого существуют короткодействующиесилы, между заряженными частицами плазмы действуют кулоновские силы,сравнительно медленные убывающие с расстоянием. Каждая частица взаимодействуетсразу с большим количеством окружающих частиц. Благодаря этому наряду схаотическим тепловым движением частицы плазмы могут участвовать в разнообразныхупорядоченных движениях. В плазме легко возбуждаются разного рода колебания иволны.

Проводимость плазмы увеличивается по мере роста степени ионизации. Привысокой температуре полностью ионизованная плазма по своей проводимостиприближается к сверхпроводникам.

Низкотемпературная плазма применяется в газоразрядных источниках света –в светящихся трубках рекламных надписей, в лампах дневного света. Газоразряднуюлампу используют во многих приборах, например, в газовых лазерах – квантовыхисточниках света.

Высокотемпературная плазма применяется в магнитогидродинамическихгенераторах.

Недавно был создан новый прибор – плазмотрон. В плазмотроне создаютсямощные струи плотной низкотемпературной плазмы, широко применяемые в различныхобластях техники: для резки и сварки металлов, бурения скважин в твердыхпородах и т.д.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

Курс физики“электричество и магнетизм” Стр. 264-285

ЭлектричествоС.Г. Калашников Москва 1977г.

Лекции по эл.свойствам материалов. Издательство “Мир” 1991г.

Электричество ичеловек В.Е. Манойлов. 1988г. стр. 15

www.ronl.ru

Реферат - Электрический ток в газах

на тему:

«Электрическийток в газах».

Электрическийток в газах.

1.<span Times New Roman"">     

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.<span Times New Roman"">     

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, <span Times New Roman";mso-hansi-font-family: «Times New Roman»;mso-char-type:symbol;mso-symbol-font-family:Symbol">a

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

He

Ne

Ar

Hg

Na

K

Rb

Энергия ионизации, эВ

24,5

21,5

13,9

10,4

5,12

4,32

4,68

3.<span Times New Roman"">     

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.<span Times New Roman"">     

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). 

<img src="/cache/referats/3396/image002.gif" v:shapes="_x0000_s1028">     

      I   

<img src="/cache/referats/3396/image003.gif" v:shapes="_x0000_s1033"><img src="/cache/referats/3396/image004.gif" v:shapes="_x0000_s1029">                                                                    

0<span Times New Roman"">                                                                                                                         

5.<span Times New Roman"">     

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.

<img src="/cache/referats/3396/image005.gif" v:shapes="_x0000_s1080"><img src="/cache/referats/3396/image006.gif" v:shapes="_x0000_s1079">  

  I

<img src="/cache/referats/3396/image007.gif" v:shapes="_x0000_s1081 _x0000_s1082">

0<span Times New Roman"">                                                                                                                                   

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.<span Times New Roman"">     

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.<span Times New Roman"">    

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.<span Times New Roman"">    

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.<span Times New Roman"">    

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<span Times New Roman"; mso-hansi-font-family:«Times New Roman»;mso-char-type:symbol;mso-symbol-font-family: Symbol">¸

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.<span Times New Roman"">   

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 <span Times New Roman"; mso-hansi-font-family:«Times New Roman»;mso-char-type:symbol;mso-symbol-font-family: Symbol">°

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.<span Times New Roman"">    

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 <span Times New Roman";mso-hansi-font-family: «Times New Roman»;mso-char-type:symbol;mso-symbol-font-family:Symbol">a

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 Т<span Times New Roman";mso-hansi-font-family:«Times New Roman»;mso-char-type:symbol; mso-symbol-font-family:Symbol">a

Плазма также разделяется навысокотемпературную (Тi<span Times New Roman";mso-hansi-font-family: «Times New Roman»;mso-char-type:symbol;mso-symbol-font-family:Symbol">»

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)<span Times New Roman"">    

2)<span Times New Roman"">    

3)<span Times New Roman"">    

4)<span Times New Roman"">    

www.ronl.ru

Смотрите также

• 
  Реферат философские школы древнего китая
• 
  Реферат судебная реформа александра 2
• 
  Реферат сталин как политический деятель
• 
  Реферат северная война 1700 1721
• 
  Реферат с таблицами формулами рисунками
• 
  Реферат по химии озоновый слой
• 
  Реферат на тему интерференция света
• 
  Реферат защитное заземление и зануление
• 
  Реферат жизнь и творчество ньютона
• 
  Реферат васко да гама путешественник
• 
  Представление информации кодирование информации реферат