Электрический ток в газах

10 класс

ЭЛЕКТРИЧЕСКИЙ ТОК В ГАЗАХ Газы являются диэлектриками, если находятся в обычных физических условиях. В этом случае они состоят в основном из нейтральных атомов и молекул, а заряженные частицы (электроны, ионы), имеющиеся в некотором объеме газа лишь в незначительном количестве, не могут образовать заметного тока. Однако из нейтральных молекул и атомов могут образоваться заряженные частицы — ионы, если в силу каких-либо причин число электронов в них изменится: этот процесс называется ионизацией. Ионизованный газ является проводником.

ЭЛЕКТРИЧЕСКИЙ ТОК В ГАЗАХ В обычных условиях газ - это диэлектрик, т.е. он состоит из нейтральных атомов и молекул и не содержит свободных носителей эл.тока. Газ-проводник - это ионизированный газ. Ионизированный газ обладает электронно-ионной проводимостью. Воздух является диэлектриком в линиях электропередач, в воздушных конденсаторах, в контактных выключателях. Воздух является проводником при возникновении молнии, электрической искры, при возникновении сварочной дуги.

Ионизация газа

- это распад нейтральных атомов или молекул на положительные ионы и электроны путем отрыва электронов от атомов. Ионизация происходит при нагревании газа или воздействия излучений (УФ, рентген, радиоактивное) и объясняется распадом атомов и молекул при столкновениях на высоких скоростях.

Ионизация газов Ионизация происходит под действием космических лучей, рентгеновского и ультрафиолетового излучения, высокой температуры, электрического поля. Опыт показывает, что перечисленные ионизующие факторы сами по себе не могут вызывать значительного роста числа заряженных частиц в единице объема, тем более что наряду с ионизацией идет обратный процесс образования нейтральных молекул и атомов, называемый рекомбинацией.

Газовый разряд - это электрический ток в ионизированных газах. Носителями зарядов являются положительные ионы и электроны. Газовый разряд наблюдается в газоразрядных трубках (лампах) при воздействии электрического или магнитного поля.

Вольт- амперная характеристика газов. Зависимость силы тока от напряжения выражена кривой ОАВС. На участке графика ОА сила тока подчиняется закону Ома. При малом напряжении сила тока мала, т.к. ионы двигаясь с малыми скоростями рекомбинируют, не достигая электродов. При увеличении напряжения между электродами скорость направленного движения электронов и ионов возрастает, поэтому большая часть заряженных частиц достигает электродов, а, следовательно возрастает сила тока.

При определенном значении напряжения U1 все ионы имеют достаточные скорости и, не рекомбинируя, достигают электродов. Ток становится максимально возможным и не зависит от дальнейшего увеличения напряжения до значения U2. Такой ток называют током насыщения, и ему соответствует участок графика АВ.

При напряжении U2 в несколько тысяч вольт скорость электронов, возникающих при ионизации молекул, а следовательно, их кинетическая энергия значительно увеличиваются. И когда кинетическая энергия достигает значения энергии ионизации, электроны, сталкиваясь с нейтральными молекулами, ионизируют их. Дополнительная ионизация приводит к лавинообразному увеличению количества заряженных частиц, а следовательно и к значительному увеличению силы тока без воздействия внешнего ионизатора. Прохождение электрического тока без воздействия внешнего ионизатора называют самостоятельным разрядом. Такая зависимость выражена участком графика АС.

Рекомбинация заряженных частиц

Существует самостоятельный и несамостоятельный

газовый разряд Несамостоятельный газовый разряд - если действие ионизатора прекратить , то прекратится и разряд. Когда разряд достигает насыщения - график становится горизонтальным. Здесь электропроводность газа вызвана лишь действием ионизатора.

Электропроводность газа, возникшая в результате внешнего ионизующего воздействия, называется несамостоятельной. Если внешний ионизующий фактор перестает действовать, то в силу рекомбинации электропроводность газа исчезает. Наибольшее значение имеет ионизация атомов и молекул газа, вызываемая столкновением их с быстродвижущимися электронами. При таком столкновении энергия движущегося электрона частично или полностью передается нейтральному атому или молекуле. При достаточной энергии удара от нейтрального атома или молекулы отрывается один или несколько электронов, вместо нейтрального атома или молекулы появляется положительный ион. Возможно также сцепление электрона с нейтральным атомом или молекулой, что приводит к образованию отрицательного иона.

Самостоятельный газовый разряд - в этом случае газовый разряд продолжается и после прекращения действия внешнего ионизатора за счет ионов и электронов, возникших в результате ударной ионизации ( = ионизации эл. удара); возникает при увеличении разности потенциалов между электродами ( возникает электронная лавина). Несамостоятельный газовый разряд может переходить в самостоятельный газовый разряд при Ua = U зажигания.

В результате ионизации количество электронов увеличивается, это приводит к росту числа столкновений и, следовательно, к еще большему увеличению числа заряженных частиц. В ионизованном состоянии газ является проводником. Электропроводность газа, поддерживаемая благодаря ударной ионизации действием внешнего электрического поля, называется самостоятельным разрядом. Различают несколько видов самостоятельного разряда в газе: тихий, тлеющий, искровой, дуговой.

Электрический пробой газа - процесс перехода несамостоятельного газового разряда в самостоятельный.

Самостоятельный газовый разряд бывает 4-х типов: 1. тлеющий - при низких давлениях(до нескольких мм рт.ст.) -наблюдается в газосветных трубках и газовых лазерах. 2. искровой - при нормальном давлении и высокой напряженности электрического поля (молния - сила тока до сотен тысяч ампер). 3. коронный - при нормальном давлении в неоднородном электрическом поле ( на острие ). 4. дуговой - большая плотность тока, малое напряжение между электродами ( температура газа в канале дуги -5000-6000 градусов Цельсия); наблюдается в прожекторах, проекционной киноаппаратуре.

Тихий разряд. Этот разряд возникает при относительно больших давлениях газа (например, атмосферном), когда поле в разрядном промежутке между электродами очень неравномерно из-за малого радиуса кривизны электродов. Тихий разряд обычно наблюдается около электродов в тех местах, где напряженность электрического поля достигает некоторой величины, называемой критической для данного газа, и сопровождается свечением — «короной». При передаче электрической энергии на высоком напряжении вокруг проводов линии нередко можно наблюдать (особенно в сырую погоду) тихий (коронный) разряд, который приносит вред, вызывая дополнительные потери энергии.

Эти разряды наблюдаются: тлеющий - в лампах дневного света; искровой - в молниях; коронный - в электрофильтрах, при утечке энергии; дуговой - при сварке, в ртутных лампах.

Тлеющий разряд. При низких давлениях в длинной стеклянной трубке можно получить тлеющий разряд, если между электродами, расположенными у ее концов, приложить напряжение в несколько сотен вольт. Различные газы при тлеющем разряде дают свечение разного цвета. Благодаря этому лампы тлеющего разряда применяются в декоративных целях. Зависимость тока в лампе тлеющего разряда от напряжения между электродами (вольт-амперная характеристика) нелинейная, причем в некотором интервале изменения тока напряжение остается постоянным (участок БВ на рис. 2.8). На этом рисунке точка А характеристики соответствует зажиганию прибора, точка В—началу дугового разряда. Газоразрядные приборы тлеющего разряда используются для стабилизации напряжения.

Искровой разряд. Такой разряд возникает между холодными электродами при большом внутреннем сопротивлении источника питания. Ионизация газа, начавшаяся под действием электрического поля, приобретает лавинообразный характер, в результате чего газовый промежуток становится про- 1 водящим и между электродами проскакивании электродами, при котором возникав пробой воздуха, можно судить о величине напряжения между электродами. На этой основе для измерения очень высоких напряжений применяются шаровые разрядники.

Дуговой разряд. При большой мощности источника питания искровой разряд может перейти в дуговой, более устойчивый самостоятельный разряд в газе при атмосферном или повышенном давлении. Такой разряд называется электрической дугой. Характерной особенностью дугового разряда является то, что он сопровождается ослепительным свечением и сильным нагреванием электродов (до 3000° С и более). Световое действие электрической дуги используется для специального освещения (прожекторы, проекционные аппараты), а тепловое — для сварки и плавления металлов. Электрическая дуга, возникающая при выключении электрических установок,— явление нежелательное, так как ее тепловое действие разрушает контакты отключающих аппаратов (рубильников, контакторов, выключателей). Поэтому приходится принимать специальные меры, в результате чего выключающие аппараты значительно усложняются, увеличиваются их размеры

Электрический ток при дуговом разряде образуется электронами и ионами, освободившимися вследствие термической ионизации газа, а также в результате эмиссии электронов из накаленного катода. Под действием этих явлений между электродами создается газоразрядная плазма.

Электроны, имея в тысячи раз меньшую массу, чем ионы, в электрическом поле приобретают значительно большую скорость, поэтому преобладают в образовании тока дуги. При некоторой степени ионизации горение дуги стабилизируется и устанавливаются определенные ток /д и напряжение между электродами Ua. Рост тока в дуге приведен к увеличению степени ионизации и уменьшению сопротивления дугового промежутка, что повлечет за собой снижение напряжения Ua. Таким образом, вольт-амперная характеристика электрической дуги представляет собой падающую кривую (рис. 2.9).

В технике широко распространены газоразрядные приборы, у которых проводимость газового промежутка обусловлена заряженными частицами, полученными как за счет электронной эмиссии нагретого катода, так и ионизацией газов или паров. К таким приборам относят газотроны, тиратроны, ртутные выпрямители и др

ОГНИ СВЯТОГО ЭЛЬМА Еще в древнем мире это явление почиталось как особое небесное знамение, причем не злое, а доброе. ...Большой отряд воинов Древнего Рима находился в ночном походе. Надвигалась гроза. И вдруг над отрядом показались сотни голубоватых огоньков. Это засветились острия копий воинов. Казалось, железные копья солдат горят не сгорая! Природы удивительного явления в те времена никто не знал, и солдаты решили, что такое сияние на копьях предвещает им победу. Тогда это явление называли огнями Кастора и Поллукса – по имени мифологических героев-близнецов. А позднее переименовали в огни Эльма – по названию церкви святого Эльма в Италии, где они появлялись. Особенно часто такие огни наблюдали на мачтах кораблей. Римский философ и писатель Луций Сенекаговорил, что во время грозы «звезды как бы нисходят с неба и садятся на мачты кораблей».

В декабре 1957 года интересное явление, связанное с коронным разрядом, наблюдали рыболовы на Плещеевом озере под Переславлем-Залесским. Рассказывают, что событие развивалось так. Солнце давно уже село, шел мокрый снег при почти нулевой температуре, но рыбаки не покидали своих лунок. Когда один из них поднял над лункой свою удочку, ее конец вспыхнул вдруг голубовато-белым огоньком. Это было так неожиданно и столь впечатляюще, что рыбак подумал: «Удочка загорелась!» – и инстинктивно «потушил» огонь другой рукой в варежке. И только потом сообразил, что удочка никак не могла загореться. Тогда он попросил других рыбаков тоже поднять свои удочки – почти на всех появились злополучные огоньки, которые исчезали, когда к удочкам подносили руку и тем более касались их...

Ионизация атмосферы в верхних слоях обычно выше, чем в нижних. Поэтому потенциальные электрические поля в горах обладают значительно большей интенсивностью, чем на равнинах. И огни Эльма в горных районах наблюдаются чаще. Как-то альпинисты штурмовали одну из вершин Тянь-Шаня. Внезапно надвинулась туча, и разразилась гроза. – Смотрите, у него горят волосы! – крикнул альпинист, показывая на товарища рядом. – У тебя самого тоже! – ответили ему. Оказалось, что волосы светились у всех, кто был без шапки. А когда кто-то снял шапку, волосы будто потянулись за ней, испуская голубые искорки. Что – волосы! Искрились ледорубы, фотоаппараты, металлические пуговицы. И все это шипело, как самовар, когда вода в нем собирается закипеть. Но вот гроза стихла, и свечение исчезло.

Огни святого Эльма разнообразны. Бывают они в виде равномерного свечения, в виде отдельных мерцающих огоньков, факелов. Иногда они настолько похожи на языки пламени, что их бросаются тушить. Несмотря на всю кажущуюся необычность этого явления, оно довольно давно нашло естественное объяснение: такие огни – тихие электрические разряды в атмосфере. Наблюдают их чаще всего во время гроз, снежных бурь, шквалов, когда в облаках и на поверхности земли накапливается большое количество электричества. Наша планета окружена электрическим полем, подобным тому, какое образуется вокруг любого заряженного электричеством тела. В большинстве случаев воздух заряжен положительно, а земля отрицательно. Возникновение электрического поля в нижних слоях атмосферы происходит главным образом за счет ионизации воздуха.

Обычные молнии сопровождаются оглушительным треском – громом, ведь молния – это сильный и быстрый электрический разряд. Однако при определенных условиях происходит не разряд, а истечение зарядов, различное по продолжительности. В принципе это тот же разряд, но только «тихий», специалисты называют его коронным, то есть венчающим какой-либо предмет подобно короне. При таком разряде из различных острых выступов – шпилей, башен, высоких шестов, деревьев, корабельных мачт и т.д. – начинают выскакивать одна за другой маленькие электрические искры. Если искр много и процесс длится более или менее продолжительно, мы и видим бледно-голубоватое сияние, похожее на язычки пламени.

Плазма - это четвертое агрегатное состояние вещества с высокой степенью ионизации за счет столкновения молекул на большой скорости при высокой температуре; встречается в природе: ионосфера - слабо ионизированная плазма, Солнце - полностью ионизированная плазма; искусственная плазма - в газоразрядных лампах. Плазма бывает: Низкотемпературная - при температурах меньше 100 000К; высокотемпературная - при температурах больше 100 000К.

Основные свойства плазмы: - высокая электропроводность - сильное взаимодействие с внешними электрическими и магнитными полями.

При температуре

любое вещество находится в состоянии плазмы. Интересно, что 99% вещества во Вселенной - плазма.

Плазма Частично или полностью ионизованный газ называется плазмой. Наиболее распространенное состояние вещества в природе: Низкотемпературная плазма: Т<105 К. Высокотемпературная плазма: Т>105 К. Можно наблюдать: пламя костра, рекламные газовые трубки, медицинские кварцевые лампы. Большое значение: получение термоядерной реакции.

1) Газовым разрядом называют процесс протекания электрического тока через газ. 2) Ионизация газов – распад нейтральных атомов на электроны и положительно заряженные ионы, вследствие нагревания или воздействия излучением 3). Способы ионизации: - термическая (нагревание газа); - ударная (столкновение атомов газа); - фотоионизация (яркое освещение газа). 4) Проводимость газов – электронная и ионная. Носителями эл.зарядов в газах являются электроны (-q) и положительные ионы (+q). 5) Рекомбинация – обратное явление ионизации, когда при сближении электрона и положительно заряженного иона они вновь образуют нейтральный атом. 6) Электрический ток в газах – это упорядоченное движение свободных электронов и положительных ионов

Разряд Условия возникновения Применение

Тлеющий Низкое давление (доли мм. рт. ст.), высокая напряженность,Е Ионные и электронные рентгеновские трубки, газоразрядные трубки, газовые лазеры

Дуговой Термоэлектронная эмиссия тока с поверхности катода, большая сила тока (10-100А при малой Е) Прожекторы, сварка и резка металла, электропечи для плавки металла.

Коронный Атмосферное давление + сильно неоднородное эл. поле. Электроочистительные фильтры газовых смесей.

Искровой Высокое напряжение при атмосферном давлении имеет вид светящегося канала Молния. Разряд конденсатора искры при электризации трущихся поверхностей.

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

Коронный разряд Коро́нный разряд́ − это характерная форма самостоятельного газового разряда, возникающего в резко неоднородных полях. Главной особенностью этого разряда является то, что ионизационные процессы электронами происходят не по всей длине промежутка, а только в небольшой его части вблизи электрода с малым радиусом кривизны (так называемого коронирующего электрода). Эта зона характеризуется значительно более высокими значениями напряженности поля по сравнению со средними значениями для всего промежутка. На линиях электропередачи возникновение коронного разряда нежелательно, так как вызывает значительные потери передаваемой энергии.

С целью сокращения потерь на общую корону применяется расщепление проводов ЛЭП на 2, 3, 5 или 8 составляющих, в зависимости от номинального напряжения линии (для уменьшения тока в проводнике). Составляющие располагаются в углах правильного многоугольника (или на диаметре окружности, в случае расщепления на 2 составляющих), образуемого специальной распоркой. В естественных условиях коронный разряд может возникать на верхушках деревьев, мачтах – т. н. огни святого Эльма. Коронный разряд применяется для очистки газов от пыли и сопутствующих загрязнений (электростатический фильтр), для диагностики состояния конструкций (позволяет обнаруживать трещины в изделиях).

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

Искровой разряд Высокое напряжение. Применяется при обработке металлов. Молния: U=108 В, I=105 А, продолжительность 10-6 с, диаметр канала 10 - 20 см.