Токи в газах

Электрический ток в газах

Токи в газах

Автор статьи — профессиональный репетитор, автор учебных пособий для подготовки к ЕГЭ Игорь Вячеславович Яковлев

Темы кодификатора ЕГЭ: носители свободных электрических зарядов в газах

При обычных условиях газы состоят из электрически нейтральных атомов или молекул; свободных зарядов в газах почти нет. Поэтому газы являются диэлектриками — электрический ток через них не проходит.

Мы сказали «почти нет», потому что на самом деле газах и, в частности, в воздухе всегда присутствует некоторое количество свободных заряженных частиц.

Они появляются в результате ионизирующего воздействия излучений радиоактивных веществ, входящих в состав земной коры, ультрафиолетового и рентгеновского излучений Солнца, а также космических лучей — потоков частиц высокой энергии, проникающих в атмосферу Земли из космического пространства.

Впоследствии мы вернёмся к этому факту и обсудим его важность, а сейчас заметим лишь, что в обычных условиях проводимость газов, вызванная «естественным» количеством свободных зарядов, пренебрежимо мала, и её можно не принимать во внимание.

На изолирующих свойствах воздушного промежутка основано действие переключателей в электрических цепях (рис. 1). Например, небольшого воздушного зазора в выключателе света оказывается достаточно, чтобы разомкнуть электрическую цепь в вашей комнате.

Рис. 1. Ключ

Можно, однако, создать такие условия, при которых электрический ток в газовом промежутке появится. Давайте рассмотрим следующий опыт.

Зарядим пластины воздушного конденсатора и подсоединим их к чувствительному гальванометру (рис. 2, слева). При комнатной температуре и не слишком влажном воздухе гальванометр не покажет заметного тока: наш воздушный промежуток, как мы и говорили, не является проводником электричества.

Рис. 2. Возникновение тока в воздухе

Теперь внесём в зазор между пластинами конденсатора пламя горелки или свечи (рис. 2, справа). Ток появляется! Почему?

Свободные заряды в газе

Возникновение электрического тока между пластинами кондесатора означает, что в воздухе под воздействием пламени появились свободные заряды. Какие именно?

Опыт показывает, что электрический ток в газах является упорядоченным движением заряженных частиц трёх видов. Это электроны, положительные ионы и отрицательные ионы.

Давайте разберёмся, каким образом эти заряды могут появляться в газе.

При увеличении температуры газа тепловые колебания его частиц — молекул или атомов — становятся всё интенсивнее. Удары частиц друг о друга достигают такой силы, что начинается ионизация — распад нейтральных частиц на электроны и положительные ионы (рис. 3).

Рис. 3. Ионизация

Степенью ионизации называется отношение числа распавшихся частиц газа к общему исходному числу частиц. Например, если степень ионизации равна , то это означает, что исходных частиц газа распалось на положительные ионы и электроны.

Степень ионизации газа зависит от температуры и резко возрастает с её увеличением. У водорода, например, при температуре ниже степень ионизации не превосходит , а при температуре выше степень ионизации близка к (то есть водород почти полностью ионизирован (частично или полностью ионизированный газ называется плазмой)).

Помимо высокой температуры имеются и другие факторы, вызывающие ионизацию газа.

Мы их уже вскользь упоминали: это радиоактивные излучения, ультрафиолетовые, рентгеновские и гамма-лучи, космические частицы. Всякий такой фактор, являющийся причиной ионизации газа, называется ионизатором.

Таким образом, ионизация происходит не сама по себе, а под воздействием ионизатора.

Одновременно идёт и обратный процесс — рекомбинация, то есть воссоединение электрона и положительного иона в нейтральную частицу (рис. 4).

Рис. 4. Рекомбинация

Причина рекомбинации проста: это кулоновское притяжение противоположно заряженных электронов и ионов. Устремляясь навстречу друг другу под действием электрических сил, они встречаются и получают возможность образовать нейтральный атом (или молекулу — в зависимости от сорта газа).

При неизменной интенсивности действия ионизатора устанавливается динамическое равновесие: среднее количество частиц, распадающихся в единицу времени, равно среднему количеству рекомбинирующих частиц (иными словами, скорость ионизации равна скорости рекомбинации).

Если действие ионизатора усилить (например, повысить температуру), то динамическое равновесие сместится в сторону ионизации, и концентрация заряженных частиц в газе возрастёт.

Наоборот, если выключить ионизатор, то рекомбинация начнёт преобладать, и свободные заряды постепенно исчезнут полностью.

Итак, положительные ионы и электроны появляются в газе в результате ионизации. Откуда же берётся третий сорт зарядов — отрицательные ионы? Очень просто: электрон может налететь на нейтральный атом и присоединиться к нему! Этот процесс показан на рис. 5.

Рис. 5. Появление отрицательного иона

Образованные таким образом отрицательные ионы будут участвовать в создании тока наряду с положительными ионами и электронами.

Несамостоятельный разряд

Если внешнего электрического поля нет, то свободные заряды совершают хаотическое тепловое движение наряду с нейтральными частицами газа. Но при наложении электрического поля начинается упорядоченное движение заряженных частиц — электрический ток в газе.

Рис. 6. Несамостоятельный разряд

На рис. 6 мы видим три сорта заряженных частиц, возникающих в газовом промежутке под действием ионизатора: положительные ионы, отрицательные ионы и электроны. Электрический ток в газе образуется в результате встречного движения заряженных частиц: положительных ионов — к отрицательному электроду (катоду), электронов и отрицательных ионов — к положительному электроду (аноду).

Электроны, попадая на положительный анод, направляются по цепи к «плюсу» источника тока. Отрицательные ионы отдают аноду лишний электрон и, став нейтральными частицами, возвращаются в обратно газ; отданный же аноду электрон также устремляется к «плюсу» источника.

Положительные ионы, приходя на катод, забирают оттуда электроны; возникший дефицит электронов на катоде немедленно компенсируется их доставкой туда с «минуса» источника. В результате этих процессов возникает упорядоченное движение электронов во внешней цепи.

Это и есть электрический ток, регистрируемый гальванометром.

Описанный процесс, изображённый на рис. 6, называется несамостоятельным разрядом в газе. Почему несамостоятельным? Потому для его поддержания необходимо постоянное действие ионизатора. Уберём ионизатор — и ток прекратится, поскольку исчезнет механизм, обеспечивающий появление свободных зарядов в газовом промежутке. Пространство между анодом и катодом снова станет изолятором.

Вольт-амперная характеристика газового разряда

Зависимость силы тока через газовый промежуток от напряжения между анодом и катодом (так называемая вольт-амперная характеристика газового разряда) показана на рис. 7.

Рис. 7. Вольт-амперная характеристика газового разряда

При нулевом напряжении сила тока, естественно, равна нулю: заряженные частицы совершают лишь тепловое движение, упорядоченного их движения между электродами нет.

При небольшом напряжении сила тока также мала. Дело в том, что не всем заряженным частицам суждено добраться до электродов: часть положительных ионов и электронов в процессе своего движения находят друг друга и рекомбинируют.

С повышением напряжения свободные заряды развивают всё большую скорость, и тем меньше шансов у положительного иона и электрона встретиться и рекомбинировать. Поэтому всё большая часть заряженных частиц достигает электродов, и сила тока возрастает (участок ).

При определённой величине напряжения (точка ) скорость движения зарядов становится настолько большой, что рекомбинация вообще не успевает происходить.

С этого момента все заряженные частицы, образованные под действием ионизатора, достигают электродов, и ток достигает насыщения — а именно, сила тока перестаёт меняться с увеличением напряжения.

Так будет происходить вплоть до некоторой точки .

Самостоятельный разряд

После прохождения точки сила тока при увеличении напряжения резко возрастает — начинается самостоятельный разряд. Сейчас мы разберёмся, что это такое.

Заряженные частицы газа движутся от столкновения к столкновению; в промежутках между столкновениями они разгоняются электрическим полем, увеличивая свою кинетическую энергию.

И вот, когда напряжение становится достаточно большим (та самая точка ), электроны за время свободного пробега достигают таких энергий, что при соударении с нейтральными атомами ионизируют их! (С помощью законов сохранения импульса и энергии можно показать, что именно электроны (а не ионы), ускоряемые электрическим полем, обладают максимальной способностью ионизировать атомы.)

Начинается так называемая ионизация электронным ударом. Электроны, выбитые из ионизированных атомов, также разгоняются электрическим полем и налетают на новые атомы, ионизируя теперь уже их и порождая новые электроны. В результате возникающей электронной лавины число ионизированных атомов стремительно возрастает, вследствие чего быстро возрастает и сила тока.

Количество свободных зарядов становится таким большим, что необходимость во внешнем ионизаторе отпадает. Его можно попросту убрать. Свободные заряженные частицы теперь порождаются в результате внутренних процессов, происходящих в газе — вот почему разряд называется самостоятельным.

Если газовый промежуток находится под высоким напряжением, то для самостоятельного разряда не нужен никакой ионизатор. Достаточно в газе оказаться лишь одному свободному электрону, и начнётся описанная выше электронная лавина. А хотя бы один свободный электрон всегда найдётся!

Вспомним ещё раз, что в газе даже при обычных условиях имеется некоторое «естественное» количество свободных зарядов, обусловленное ионизирующим радиоактивным излучением земной коры, высокочастотным излучением Солнца, космическими лучами.

Мы видели, что при малых напряжениях проводимость газа, вызванная этими свободными зарядами, ничтожно мала, но теперь — при высоком напряжении — они-то и породят лавину новых частиц, дав начало самостоятельному разряду.

Произойдёт, как говорят, пробой газового промежутка.

Напряжённость поля, необходимая для пробоя сухого воздуха, равна примерно кВ/см. Иными словами, чтобы между электродами, разделёнными сантиметром воздуха, проскочила искра, на них нужно подать напряжение киловольт. Вообразите же, какое напряжение необходимо для пробоя нескольких километров воздуха! А ведь именно такие пробои происходят во время грозы — это прекрасно известные вам молнии.

Источник: https://ege-study.ru/ru/ege/materialy/fizika/elektricheskij-tok-v-gazax/

Токи в газах

Токи в газах

Газ, в котором нет заряженных частиц, не является проводником электрического тока (он изолятор).

Газ будет проводником только в том случае, если возникнут носители электрических зарядов (свободные электроны и ионы), то есть газ будет ионизирован.

Положительные ионы могут быть однозарядными и многозарядными, это зависит от количества потерянных электронов. Отрицательные ионы, обычно однозарядны, образованы присоединением одного электрона к атому.

Так, необходимо существование постороннего фактора ионизации, не связанного с наличием электрического поля для того, чтобы газ являлся проводником. Это может быть, например, высокая температура, излучение, столкновения атомов газа с быстро движущимися элементарными частицами.

Надо отметить, что и в нормальных условиях газы, например воздух, имеют электрическую проводимость, правда, весьма малую. Эта проводимость вызвана излучением радиоактивных веществ, которые присутствуют на поверхности Земли, и космическими лучами, которые приходят на планету из пространства.

В том случае, если напряжённость поля мала, то течение тока через газ останавливается практически сразу, как перестает работать внешний фактор ионизации. Подобный ток называют несамостоятельным.

Ничего непонятно?

Попробуй обратиться за помощью к преподавателям

Определение 1

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

После того, как прекращает действовать ионизирующий фактор, положительные и отрицательные ионы газа объединяются и образуют нейтральные молекулы. Этот процесс носит название — рекомбинация. В результате рекомбинации проводимость газа возвращается к первоначальному значению. При этом проводимость газа уменьшается постепенно.

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

Определение 2

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

  • несамостоятельный ток
  • самостоятельный ток

Несамостоятельный газовый разряд (несамостоятельный ток)

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

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

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

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

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

Плотность тока определяется как:

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

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

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

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

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

Другой предельный случай, когда мы получаем ток насыщения ($j_n$) из уравнения (6) при $rN2\ll \frac{j}{qd}$, тогда:

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

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

Выражение для плотности тока, имеющее вид:

называют характеристикой несамостоятельного тока.

Самостоятельный ток

В том случае, если при плотности тока, равной току насыщения увеличивать напряженность внешнего поля, то плотность тока снова начнет расти.

Это происходит от того, что электроны газа до рекомбинации с ионами успевают приобрести энергию, при которой они ионизируют молекулы газа благодаря высокой напряженности внешнего поля. Как результат, скорость ионизации зависит от напряженности внешнего поля.

Появляющийся при этом ток называют самостоятельным. Начальная часть характеристики этого тока показана на рис.1 пунктиром.

Рисунок 1.

К видам самостоятельных газовых разрядов относят:

  • тлеющий разряд
  • дуговой разряд
  • искровой разряд
  • коронный разряд.

Пример 1

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

Решение:

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

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

Из уравнения (1.1) выразим искомую скорость, получим:

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

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

\[v_{min}=\sqrt{\frac{2\cdot 1,6\cdot 10{-19}\cdot 14,5}{9,1\cdot 10{-31}}}=2,26\cdot 106\left(\frac{м}{с}\right).\]

Ответ: $v_{min}=2,26•106\frac{м}{с}.$

Пример 2

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

Решение:

Данную ситуацию можно отнести к такой форме газового разряда, который называют искровым разрядом. При искровом разряде газ скачком утрачивает свои диэлектрические свойства и становится хорошим проводником.

Напряженность поля, при которой происходит искровой разряд, различна для разных газов, зависит от их давления и температуры. Напряжение, при котором наступает искровой пробой, называют напряжением пробоя.

Возникновение пробоя объясняется так. В газе всегда есть некое малое число ионов и электронов. При небольших значениях напряженности приложенного поля, соударения, движущихся ионов с нейтральными молекулами можно уподобить упругим столкновениям шаров.

При повышении напряженности внешнего поля кинетическая энергия движущихся ионов может стать достаточной для того, чтобы ионизировать нейтральную молекулу. Как результат, появляется новый электрон и положительный ион. Такой процесс называют ударной ионизацией.

Вновь образованные ионы и электроны увеличивают количество заряженных частиц в газе, причем под воздействием поля они ускоряются и могут произвести ударную ионизацию вновь. Так, процесс усиливает сам себя. Образуется ионная лавина.

Образование ионной лавины и есть процесс искрового пробоя, минимальное напряжение при котором возникает ионная лавина — напряжение пробоя. При искровом пробое причина ионизации газа — разрушение атомов и молекул при соударениях.

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

Источник: https://spravochnick.ru/fizika/mehanizmy_elektroprovodnosti/toki_v_gazah/

Электрический ток в газах. Плазма — Класс!ная физика

Токи в газах

В обычных условиях газ — это диэлектрик, т.е. он состоит из нейтральных атомов и молекул и не содержит свободных носителей эл.тока.
Воздух является диэлектриком в линиях электропередач, в воздушных конденсаторах, в контактных выключателях.

Проводимость газов

При нагревании газа или действии на него ионизаторов (рентгеновских, радиоактивных или ультрафиолетовых лучей) газ ионизируется и становится электропроводным.
В газе в результате столкновений на высоких скоростях появляются свободные заряженные частицы: ионы и электроны.

Ионизированный газ обладает электронно-ионной проводимостью.
Воздух является проводником при возникновении молнии, электрической искры, при возникновении сварочной дуги.

Если ионизированный газ находится в электрическом поле, то в газе возникает упорядоченное движение заряженных частиц, и при достижении напряжения пробоя в газе происходит электрический газовый разряд.

Газовый разряд — это электрический ток в ионизированных газах. Носителями зарядов являются положительные ионы и электроны.

Газ перестает быть проводником, если ионизация газа прекращается. Электроны и положительные ионы в газе, встречаясь, могут образовать нейтральные атомы.

Явление воссоединения противоположно заряженных частиц в газе называется рекомбинацией заряженных частиц.

Существует самостоятельный и несамостоятельный газовый разряд.

Несамостоятельный газовый разряд — возникает при действии на газ внешнего ионизатора, когда электрический ток разряда достигает насыщения, здесь электропроводность газа вызвана лишь действием ионизатора. Если действие ионизатора прекратить , то прекратится и разряд.

Самостоятельный газовый разряд — возникает при увеличении разности потенциалов между электродами до напряжения пробоя, тогда газовый разряд продолжается и после прекращения действия внешнего ионизатора за счет ионов и электронов, возникающих в результате ударной ионизации, возникает электронная лавина.

Несамостоятельный газовый разряд может переходить в самостоятельный газовый разряд при Ua = Uпробоя.
Электрический пробой газа — процесс перехода несамостоятельного газового разряда в самостоятельный.

Самостоятельный газовый разряд бывает 4-х типов:

1. Тлеющий разряд — возникает при низких давлениях (до нескольких мм рт.ст.). Тлеющий разряд при пониженном давлении можно наблюдать в рекламных газосветных трубках, лампах дневного света, газовых лазерах.

С понижением давления в газах возрастает длина свободного пробега электронов и ионов. При достаточно низком давлении возникает электрический разряд. При разряде газ в трубке светится, оставаясь холодным.

При небольшом разряжении воздуха в трубке между электродами появляется разряд в виде светящейся змейки. Если газ разрядить сильнее, то начинает светиться трубка. Цвет зависит от газа, наполняющего трубку.

При этом часть разрядного пространства заполняется плазмой.

2. Искровой разряд — возникает при нормальном давлении и высокой напряженности электрического поля (около 3х106 В/м). Искровой разряд быстро гаснет и вспыхивает вновь. Примером такого разряда является молния. Длительность разряда молнии очень ммала (10-6 с), но сила тока и напряжение огромны (5х105 А, 109 В).

3. Коронный разряд — возникает при нормальном атмосферном давлении в неоднородных электрических полях, внешне напоминает корону, можно увидеть на острых выступающих частях, например мачтах кораблей, в электрофильтрах, при утечке энергии.

4. Дуговой разряд — возникает при низком напряжении между электродами ( около 50 В), ток разряда очень сильный, а температура достигает 4000оС.

Применение электрической дуги: первоначально — свеча Яблочкова, дуговая электросварка, мощные прожекторы, проекционная киноаппаратура.

Плазма

Плазма — это четвертое агрегатное состояние вещества с высокой степенью ионизации за счет столкновения молекул на большой скорости при высокой температуре.

Плазма встречается: ионосфера — слабо ионизированная плазма, Солнце — полностью ионизированная плазма; пламя — ионизированный газ, состоит из нейтральных атомов, положительных ионов и электронов; является как бы смесьью трех газов: атоного, ионного и электронного; искусственная плазма — в газоразрядных лампах.

Плазма бывает:

Низкотемпературная — при температурах меньше 100 000К (пример — пламя);
высокотемпературная — при температурах больше 100 000К (пример — Солнце).

Основные свойства плазмы: — высокая электропроводность

— сильное взаимодействие с внешними электрическими и магнитными полями.

При температуре

любое вещество находится в состоянии плазмы.

Интересно: Плазма — это основное состояние вещества во Вселенной. Радиационные пояса Земли представляют собой плазму.

.

Назад в раздел «10-11 класс»

Электрический ток в различных средах — Класс!ная физика

Электронная проводимость металлов. Зависимость сопротивления проводника от температуры. Сверхпроводимость — Электрический ток в полупроводниках. Р-n переход.

Полупроводниковые приборы — Электрический ток в вакууме. Вакуумный диод. Электронно-лучевая трубка — Электрический ток в жидкостях.

Закон электролиза — Электрический ток в газах — Контрольные вопросы к зачету по теме: Электрический ток в различных средах

Источник: http://class-fizika.ru/10_13.html

Электрический ток в газах. урок. Физика 10 Класс

Токи в газах

На этом уроке мы завершим тему «Электрический ток в различных средах», рассмотрев последнюю принципиально отличающуюся среду – газ. Рассмотрим механизм образования свободных зарядов и свойства их протекания.

Электрический ток в газах, как и ток в любой другой среде, требует наличия свободных электрических зарядов. В нормальном состоянии газа таких зарядов там нет, поэтому их необходимо создать искусственно.

Существует два способа это сделать. Первый – это расщепить нейтральные атомы газа на электроны и положительные ионы. Второй – привнести в газ эти свободные носители извне.

Как правило, применяется способ ионизации.

Определение. Ионизация – процесс расщепления нейтральных молекул на ионы и электроны. Для протекания процесса ионизации необходимо каким-либо способом придать частицам дополнительную энергию, чтобы они смогли разорвать внутримолекулярные связи.

Для этого используется либо некоторое излучение (например световое), либо нагревание.

После ионизации газа, если приложить некоторую разность потенциалов, разноименно заряженные частицы начнут движение в противоположных направлениях, что будет означать протекание тока.

Процесс ионизации происходит сложным образом: в результате него образуются как положительные ионы, так и отрицательные ионы, так и свободные электроны. Проводимость газов – ионная.

Протекание тока в газах – скоротечное движение большого количества ионов между электродами. Такое протекание тока называется газовым разрядом. В случае, если такой ток будет слишком мал и его можно засечь только очень точными приборами, такой разряд называется тихим.

Электрические разряды в газе можно разделить на два вида: самостоятельные и несамостоятельные. Несамостоятельные разряды – разряды, которые происходят только при наличии внешнего ионизатора и прекращаются при его устранении. Самостоятельные разряды – разряды, происходящие и при отсутствии ионизаторов. Примером самостоятельного разряда является шаровая молния (рис. 1).

Рис. 1. Шаровая молния (Источник)

Исследования самостоятельных и несамостоятельных разрядов

Для полной оценки механизма протекания тока в газах необходимо построить вольтамперную характеристику тока. Для этого необходимо собрать установку из резервуара с газом, источника тока, реостатом вольтметром и амперметром (рис. 2).

Рис. 2. Схема установки

Изменяя положение ползунка реостата, меняем напряжение на концах газового резервуара. В результате увеличения напряжения и снятия показателей амперметра в начальной области вольтамперной характеристики (от начала кривой до точки А) наблюдается почти линейная зависимость. То есть для небольших напряжений в газах выполняется закон Ома.

Однако при дальнейшем увеличении напряжения происходит насыщение (участок графика АВ). Сила тока достигает значения тока насыщения и практически перестает расти даже с ростом напряжения. Это вызвано тем, что все свободные ионы достигли соответствующих электродов, и больше свободным зарядам неоткуда взяться.

При дальнейшем увеличении напряжения может наступить момент, когда сила тока опять начнет увеличиваться (начиная от точки В на кривой вольтамперной характеристики, рис. 3). Свободные электроны разогнаны электрическим полем до такой степени, что самостоятельно ионизируют нейтральные атомы, выбивая из них электроны. Такое явление называется ионизацией ударом.

Существует также вероятность так называемой вторичной ионизации ударом, когда разогнанный электрон врезается в электрод и уже из него выбивает новые свободные носители заряда. В этом случае количество этих свободных носителей будет так велико, что необходимость во внешнем ионизаторе отпадает, и разряд становится самостоятельным.

Рис. 3. Вольтамперная характеристика тока в газах

Плазма

Газ в обычном своем состоянии является диэлектриком, так как в нем мало свободных носителей заряда. Однако, как мы уже знаем, при ионизации газа он может уже проводить электрический ток. Также нам известно, что при увеличении температуры степень ионизации значительно повышается. И возможно достигнуть так называемого четвертого состояния вещества – плазмы.

Определение. Плазма – состояние вещества, когда в целом оно электронейтрально, но содержит в свободном состоянии и положительно, и отрицательно заряженные носители заряда. Плазма как термин также применяется и в медицине, но обозначает составляющую часть крови и некоторых других жидкостей.

Плазма по степени ионизации делится на:

  • Частично ионизованную
  • Средне ионизованную
  • Полностью ионизованную

Также существует деление по температурам:

  • Низкотемпературная плазма (температуры порядка тысяч градусов)
  • Высокотемпературная плазма (температуры порядка миллиона градусов)

Плазма обладает рядом свойств, которые отличают ее, например, от обычного ионизированного газа:

  • В плазме находится большое количество заряженных частиц, и они достаточно подвижны
  • Выравнивание зарядов плазмы происходит достаточно быстро, поэтому могут легко возбуждаться колебания и волны
  • У плазмы чрезвычайно высокая электропроводность, что делает ее практически сверхпроводником

Применение плазмы

Плазма находит очень широкое применение в современной науке и технике. Низкотемпературная плазма используется в первую очередь в лампах рекламных вывесок (рис. 4).

Рис. 4. Применение низкотемпературной плазмы

Высокотемпературная плазма применяется в таких устройствах, как магнитогидродинамический генератор, плазмотрон (для резки и сварки твердых материалов) (рис. 5).

Рис. 5. МГД генератор, плазмотрон

Также плазма используется в различных реактивных двигателях, так как с ее помощью можно достигать огромных реактивных скоростей порядка . Благодаря высокой своей температуре, плазма используется как катализатор для некоторых химических реакций, протекающих только при такой температуре.

Самым распространенным применением газового разряда в технике является электрическая дуга, которая используется для электросварки и освещения (рис. 6).

Рис. 6. Электрическая дуга

Впервые электрическая дуга была получена в 1802 году русским физиком Петровым, а первое освещение улиц с помощью дуговых ламп было предложено и спроектировано русским инженером Яблочковым (рис. 7).

Рис. 7. Петров и Яблочков соответственно (Источник), (Источник)

На следующем уроке мы рассмотрим решение задач по теме «электрический ток в жидкостях».

Список литературы

  1. Тихомирова С.А., Яворский Б.М. Физика (базовый уровень) – М.: Мнемозина, 2012.
  2. Генденштейн Л.Э., Дик Ю.И. Физика 10 класс. – М.: Илекса, 2005.
  3. Мякишев Г.Я., Синяков А.З., Слободсков Б.А. Физика. Электродинамика. – М.: 2010.

Дополнительные рекомендованные ссылки на ресурсы сети Интернет

  1. Mathus.ru (Источник).
  2. Physbook.ru (Источник).
  3. ХиМиК (Источник).

Домашнее задание

  1. Чем обуславливается ионизация газа?
  2. Что такое ток насыщения, чем он обусловлен?
  3. Что такое плазма?
  4. *Почему плазма является неустойчивой?

Источник: https://interneturok.ru/lesson/physics/10-klass/elektricheskiy-tok-v-razlichnyh-sredah/elektricheskiy-tok-v-gazah

Booksm
Добавить комментарий