Лекція Електричний струм у газах

План:

1 Іонізація, газів

2. Види газових розрядів.

3. Типи самостійних газових розрядів.

3.1. Іскровий розряд.

3.2. Дуговий розряд.

3.3. Тліючий розряд.

3.4. Коронний розряд.

4. Плазма.

Література:

Електричний розряд у газі. Візьмемо електрометр з приєднаними до нього дисками і зарядимо цей плоский конденсатор (мал. 1). При кімнатній температурі, якщо повітря досить сухе, конденсатор помітно не розряджається. Це свідчить про те, що електричний струм у повітрі, спричинений різницею потенціалів між дисками, дуже малий. Отже, електрична провідність повітря при кімнатній температурі дуже мала. Повітря можна вважати діелектриком.

Нагріємо повітря між дисками запаленим сірником (мал. 2). Помітимо, що стрілка електрометра швидко наближається до нуля. Це означає, що конденсатор розряджається. Отже, нагрітий газ є провідником і в ньому встановлюється електричний струм.

Процес проходження електричного струму через газ називають газовим розрядом.

Іонізація газів. Ми бачили, що при кімнатній температурі повітря — дуже поганий провідник. Від нагрівання провідність повітря зростає. Збільшити провідність повітря можна й іншими способами, наприклад дією різних випромінювань: ультрафіолетового, рентгенівського, радіоактивного та ін.

За звичайних умов гази майже цілком складаються з нейтральних атомів або молекул і, отже, е діелектриками. Внаслідок нагрівання або дії проміння частина атомів іонізується — розпадається на додатно заряджені іони й електрони (мал. 3). У газі можуть утворюватися й від'ємно заряджені іони. Вони виникають внаслідок приєднання електрона до нейтральних атомів.

Іонізація газів під час нагрівання пояснюється тим, що в міру нагрівання молекули рухаються швидше. При цьому деякі молекули починають рухатися так швидко, що частина з них під час зіткнення розпадається, перетворюючись в іони. Чим вища температура, тим більше утворюється іонів.

Провідність газів. Механізм провідності газів схожий на механізм провідності розчинів і розплавів електролітів. Відмінність полягає в тому, що від'ємний заряд переноситься в основному не від'ємними іонами, як у водних розчинах або розплавах електролітів, а електронами, хоча провідність за рахунок від'ємних іонів також може відігравати певну роль.

Висновок: у газах поєднується електронна провідність, подібна до провідності металів, з іонною провідністю, подібною до провідності водних розчинів і розплавів електролітів, але іони утворюються від нагрівання або внаслідок дії зовнішнього іонізатора, наприклад проміння.

Рекомбінація. Якщо іонізатор перестає діяти, то можна помітити, що заряджений електрометр знову зберігатиме заряд. Отже, після припинення дії іонізатора газ перестає бути провідником. Струм припиняється після того, як усі іони й електрони досягнуть електродів. Крім того, при зближенні електрон і додатно заряджений іон можуть знову утворити нейтральний атом. Схематично це зображено на малюнку 4. Такий процес називають рекомбінацією заряджених частинок.

Якщо зовнішнього поля немає, то заряджені частинки зникають лише внаслідок рекомбінації і газ стає діелектриком. Коли дія іонізатора незмінна, то установлюється динамічна рівновага, при якій кількість новоутворених пар заряджених частинок дорівнює середній кількості пар, які зникають внаслідок рекомбінації.

Несамостійний і самостійний розряди

Несамостійний розряд. Для дослідження розряду в газі при різних тисках використати скляну трубку з двома металевими електродами (мал. 5).

Нехай за допомогою якого-небудь іонізатора в газі утворюється за секунду певна кількість пар заряджених частинок: додатних іонів і електронів. Якщо різниця потенціалів між електродами трубки невелика, то додатно заряджені іони переміщуються до від'ємного електрода, а електрони і від'ємно заряджені іони — до додатного електрода. Внаслідок цього в трубці виникає електричний струм, тобто відбувається газовий розряд.

Не всі іони, що утворилися, досягають електродів: деякі з них возз'єднуються з електронами, утворюючи нейтральні молекули газу. Із збільшенням різниці потенціалів між електродами трубки частка заряджених частинок, що досягають електродів, збільшується. Зростає і сила струму в колі. Нарешті, настає момент, коли всі заряджені частинки, що утворюються в газі за секунду, досягають за цей час електродів. При цьому струм далі не зростає (мал. 6) — він досяг насичення.

Якщо дія іонізатора припиняється, то припиняється й розряд, оскільки інших джерел іонів немає. Тому розряд називають несамостійним розрядом.

Самостійний розряд. Що станеться з розрядом у газі, коли продовжувати збільшувати різницю потенціалів на електродах?

Здавалося б, що сила струму і в процесі дальшого збільшення різниці потенціалів має лишатися незмінною. Проте дослід показує, що в газах із збільшенням різниці потенціалів між електродами, починаючи з деякого значення, сила струму знову зростає (мал. 7). Це означає, що в газі виникають додаткові іони, крім тих, які утворюються за рахунок дії іонізатора. Сила струму зростає іноді в сотні й тисячі разів, а кількість іонів, що виникають у процесі розряду, може стати такою великою, що зовнішній іонізатор уже непотрібний для підтримання розряду. Якщо забрати зовнішній іонізатор, то розряд не припиниться. Оскільки розряд не потребує для свого підтримання зовнішнього іонізатора, його називають самостійним розрядом.

Іонізація електронним ударом. Які ж причини різкою збільшення сили струму в газі при великих напругах?

Розглянемо яку-небудь пару заряджених частинок (додатний іон і електрон), що утворилися внаслідок дії зовнішнього іонізатора. Вільний електрон, що виник таким чином, починав рухатися до додатного електрода — анода, а додатний іон — до катода. На своєму шляху електрон зустрічає іони і нейтральні атоми. У проміжках між двома послідовними зіткненнями енергія електрона збільшується внаслідок роботи сил електричного поля. Чим більша різниця потенціалів між електродами, тим більша напруженість електричного поля.

Кінетична енергія електрона перед черговим зіткненням пропорційна напруженості поля і довжині вільного пробігу електрона (шляху між двома послідовними зіткненнями):

. (1)

Якщо кінетична енергія електрона більша за роботу А_i, яку треба виконати, щоб іонізувати нейтральний атом, тобто

,

то під час зіткнення електрона з атомом відбувається іонізація (мал. 8). Внаслідок цього замість одного вільного електрона виникають два (один налітає на атом і другий виривається з атома). Ці електрони, в свою чергу, дістають енергію в полі й іонізують зустрічні атоми і т. д. Внаслідок цього кількість заряджених частинок швидко наростає, виникає електронна лавина. Описаний процес називають іонізацією електронним ударом. Проте сама іонізація електронним ударом не може підтримати тривалий самостійний розряд. Справді, адже всі електрони, що виникають таким чином, рухаються в напрямі до анода. Досягнувши анода, вони «вибувають з гри». Для підтримання розряду додатково потрібна емісія електронів з катода {«емісія» по-українському означає «випускання»).

Емісія електронів може бути забезпечена кількома способами. Наприклад, додатні іони, що утворилися після зіткнення вільних електронів з нейтральними атомами, рухаючись до катода, набувають під дією поля великої кінетичної енергії. Коли такі швидкі іони ударяються об катод, то з поверхні катода вибиваються електрони.

Крім того, катод може випускати електрони під час нагрівання до високої температури (термоелектронна емісія). При самостійному розряді катод може нагріватися за рахунок бомбардування його додатними іонами.

Різні типи самостійного розряду та їх технічне застосування

Тліючий розряд. При низьких тисках (десяті й соті частки міліметра ртутного стовпа) у трубці спостерігається тліючий розряд. Для його збудження достатньо напруги між електродами в кілька сотень (а іноді й значно менше) вольтів. При тліючому розряді майже вся трубка, за винятком невеликої частини біля катода, заповнена однорідним світінням, що називається додатним стовпом (мал. 9).

Тліючий розряд використовують у трубках для реклам. Якщо трубка наповнена неоном, то виникає червоне світіння. Додатний стовп в аргоні має синювато-зеленуватий колір. У лампах денного світла використовують розряд у парі ртуті. Дуже важливе застосування тліючий розряд набув у порівняно недавно створених квантових джерелах світло-газових лазерах.

Електрична дуга. Під час дотикання двох вугільних стержнів у місці їх контакту електричний струм виділяє дуже багато тепла через великий опір контакту. Температура підвищується настільки, що розпочинається термоелектронна емісія. Якщо вугільні електроди розсунути, між ними починається розряд. Між вуглинами виникає стовп газу, що яскраво світиться,— електрична дуга (мал. 10). Провідність газів значна і при атмосферному

тиску, бо кількість електронні, що їх випускає від'ємний електрод, дуже велика.

Сила струму в невеликій дузі досягає кількох амперів, а у великих дугах — кількох сотень амперів при напрузі порядку 50 В.

Електричну дугу вперше відкрив у 1802 р. російський академік В. В. Петров.

Висока температура катода під час горіння дуги підтримується додатними іонами, що бомбардують катод. Газ у самій дузі також дуже розігрівається внаслідок зіткнень з електронами й іонами, що прискорюються полем. Через це відбувається термічна іонізація газу.

На додатному електроді дуги під впливом бомбардування електронами утворюється заглиблення — кратер. Температура в кратері при атмосферному тиску досягає 4000 °С, а при тиску 2 · 10⁶ Па перевищує 7000 °С. Щоб уявити наскільки велика ця температура, зазначимо, що температура поверхні Сонця дорівнює приблизно 6000 °С.

Електрична дуга може виникати не лише між вугляними, а й між металевими електродами.

Якщо збільшувати силу струму при тліючому розряді, то температура катода за рахунок бомбардування іонами підвищиться настільки, що почнеться дуговий розряд. Отже, щоб виник дуговий розряд, не обов'язково попередньо зближувати електроди.

Дуговий розряд — потужне джерело світла, його використовують у прожекторах, проекційних апаратах і кіноапаратах.

У металургії поширені електропечі, у яких джерелом тепла є дуговий розряд. Дуговий розряд використовують також для зварювання металів.

Інші типи самостійного розряду. При атмосферному тиску поблизу загострених частин провідника, що несе великий електричний заряд, (Спостерігається газовий розряд, світна область якого нагадує корону (мал. 11). Цей розряд, який називають коронним,

спричиняється високою (близько 3 · 10⁶ В/м) напруженістю електричного поля поблизу зарядженого вістря.

У випадку такої великої напруженості поля іонізація за допомогою електронного удару відбувається при атмосферному тиску. В міру віддаляння від поверхні провідника напруженість швидко зменшується. Тому іонізація і пов'язане з нею світіння газу спостерігаються в обмеженій області простору.

Заряджена грозова хмара індукує на поверхні Землі під собою електричні заряди протилежного знака. Особливо великий заряд збирається на вістрях. Тому перед грозою або під час неї нерідко на вістрях і гострих кутах високо піднятих предметів спалахують схожі на щіточки конуси світла. З давніх часів це світіння називають вогнями святого Ельма.

Особливо часто свідками цього явища є альпіністи. Іноді не лише на металевих предметах, а й на кінчиках волосся на голові виникають світні щіточки.

З коронним розрядом доводиться рахуватися, маючи справу з високою напругою. Коли є виступаючі частини або дуже тонкі проводи, то може розпочатися коронний розряд. Це призводить до втрат електроенергії. Чим вища напруга високовольтної лінії, тим товщими мають бути проводи.

При великій напрузі між електродами в повітрі виникає іскровий розряд, що має вигляд пучка яскравих зигзагоподібних смужок, які розгалужуються від тонкого каналу (мал. 12). Цей вид розряду виникає тоді, коли потужність джерела струму недостатня для підтримання дугового або тліючого розряду.

Приклад велетенського іскрового розряду — блискавка (мал. 13). Блискавки виникають або між двома хмарами, або між хмарою і Землею. Сила стругну у блискавці досягає 500 000 А, а різниця потенціалів між хмарою і Землею — 1 млрд. В.

На малюнку 14 показано світіння верхніх шарів атмосфери, які бомбардуються зарядженими космічними частинками (полярне сяйво).

Плазма

При дуже низьких температурах всі речовини перебувають у твердому стані. Нагрівання спричиняє перехід речовини з твердого стану в рідкий, а потім і в газоподібний.

При досить високих температурах починається іонізація газу за рахунок зіткнення атомів або молекул, які дуже швидко рухаються. Речовина переходить у новий стан, що називається плазмою. Плазма — це частково або повністю іонізований газ, у якому густини додатних і від ємних зарядів практично збігаються. Отже, плазма в цілому — електрично нейтральна система. Залежно від умов ступінь іонізації плазми (відношення кількості іонізованих атомів до всієї їх кількості) може бути різним. У повністю іонізованій плазмі нейтральних атомів немає.

Іонізація газу й утворення плазми спричинюються не тільки нагріванням, а й різним промінням або бомбардуванням атомів газу швидкими зарядженими частинками. При цьому утворюється так звана низькотемпературна плазма

Властивості плазми. Плазма має ряд специфічних властивостей, що дає можливість розглядати її як особливий четвертий стан речовини.

Внаслідок великої рухливості заряджені частинки плазми легко переміщуються під дією електричних і магнітних полів. Тому будь-яке порушення електричної нейтральності окремих областей плазми, спричинене скупченням частинок одного знака заряду, швидко ліквідується. Електричні поля, що виникають, переміщують заряджені частинки до того часу, коли електрична нейтральність відновиться й електричне поле дорівнюватиме нулю.

На відміну від нейтрального газу, між молекулами якою є короткодіючі сили, між зарядженими частинками плазми діють кулонівські сили, які порівняно повільно зменшуються з відстанню. Кожна частинка взаємодіє відразу з багатьма навколишніми частинками. Завдяки цьому частинки можуть брати участь не тільки в хаотичному тепловому русі, а і в упорядкованих (колективних) рухах. У плазмі легко збуджуються різні коливання й хвилі.

Провідність плазми підвищується із зростанням ступеня іонізації. При високій температурі повністю іонізована плазма за своєю провідністю наближається до надпровідників.

Плазма в космічному просторі. У стані плазми перебуває близько 99 % речовини Всесвіту. Внаслідок високої температури Сонце й інші зорі складаються в основному з повністю іонізованої плазми.

З плазми складається і міжзоряне середовище, що заповнює простір між зорями і галактиками. Густина міжзоряного середовища дуже мала — в середньому менше одного атома на 1 см³. Атоми міжзоряного середовища іонізуються випромінюванням зір, а також космічним промінням — потоками швидких частинок, що пронизують простір Всесвіту в усіх напрямах. На відміну від гарячої плазми зір температура міжзоряної плазми дуже низька.

Плазма оточує нашу планету. Верхній шар атмосфери на висоті 100 - 300 км являє собою іонізований газ — іоносферу. Іонізація повітря верхніх шарів атмосфери спричинюється переважно випромінюванням Сонця і потоком заряджених частинок, що їх випускає Сонце. Вище від іоносфери пролягають радіаційні пояси Землі, відкриті за допомогою супутників. Радіаційні пояси також складаються з плазми.

Вільні електрони в металах також мають багато властивостей плазми. На відміну від звичайної плазми у плазмі твердих тіл додатні іони не можуть пересуватися по всьому тілу.

Практичне застосування плазми. Плазма виникає при всіх видах розряду в газах: тліючому, дуговому, іскровому і т. д.

У світних трубках для рекламних написів і в лампах денного світла використовують плазму додатно зарядженого стовпа тліючого розряду. У лампах денного світла відбувається розряд у парі ртуті. Скляну трубку покривають спеціальною речовиною — люмінофором, який під дією випромінювання плазми сам починає світитися. Люмінофор підбирають такий, щоб його світіння наближалося за складом до білого світла.

Газорозрядну плазму використовуюсь у багатьох приладах, наприклад у газових лазерах — квантових джерелах світла. Лазери — найпотужніші джерела світла.

Гарячий струмінь плазми, що рухається в магнітному полі, застосовується в магнітогідродинамічних генераторах (МГД).

Для космічних кораблів перспективними є застосування малопотужних плазмових двигунів.

Порівняно недавно створено новий прилад — плазмотрон. У плазмотроні створюються потужні струмені густої плазми, які широко застосовують у різних галузях техніки: для різання і зварювання металів, буріння свердловин у твердих породах і т. д. (мал. 15). У плазмовому струмені прискорюються перебіг багатьох хімічних реакцій, а також відбуваються такі реакції, які в звичайних умовах неможливі.

Найбільші перспективи вчені-фізики вбачають у застосуванні високотемпературної плазми (з температурою в десятки мільйонів градусів) для створення керованих термоядерних реакцій. Тепер провадяться інтенсивні дослідження, спрямовані на здійснення цих реакцій, які супроводяться виділенням величезної енергії. Розв'язання цього грандіозного завдання дасть людині практично невичерпне джерело енергії.

Дата добавления: 2014-01-04