Електрическият ток в газовете се създава от движение. Електрически ток в газове: определение, характеристики и интересни факти

Образува се от насоченото движение на свободни електрони и че в този случай не настъпват промени в веществото, от което е направен проводникът.

Такива проводници, в които преминаването на електрически ток не е придружено от химически промени в тяхното вещество, се наричат проводници от първи вид. Те включват всички метали, въглища и редица други вещества.

Но в природата има и проводници на електрически ток, в които по време на преминаването на тока възникват химични явления. Тези проводници се наричат проводници от втори вид. Те включват главно различни разтвори на киселини, соли и основи във вода.

Ако налеете вода в стъклен съд и добавите няколко капки сярна киселина (или някаква друга киселина или основа), а след това вземете две метални пластини и свържете проводници към тях, спуснете тези пластини в съда и свържете източник на ток към другите краища на проводниците през превключвателя и амперметъра, тогава газът ще се освободи от разтвора и ще продължи непрекъснато, докато веригата е затворена, защото подкиселената вода наистина е проводник. Освен това плочите ще започнат да се покриват с газови мехурчета. След това тези мехурчета ще се отчупят от плочите и ще излязат.

Когато електрически ток преминава през разтвор, настъпват химични промени, водещи до освобождаване на газ.

Проводниците от втория вид се наричат ​​електролити, а явлението, което възниква в електролита, когато през него преминава електрически ток, е.

Метални пластинипотопени в електролита се наричат ​​електроди; единият от тях, свързан към положителния полюс на източника на ток, се нарича анод, а другият, свързан към отрицателния полюс, се нарича катод.

Какво определя преминаването на електрически ток в течен проводник? Оказва се, че в такива разтвори (електролити) молекулите на киселина (алкал, сол) под въздействието на разтворител (в случая вода) се разпадат на два компонента и Едната частица от молекулата има положителен електрически заряд, а другата – отрицателен.

Частиците на молекулата, които имат електрически заряд, се наричат ​​йони. Когато киселина, сол или основа се разтворят във вода, в разтвора се появяват голям брой положителни и отрицателни йони.

Сега трябва да стане ясно защо през разтвора преминава електрически ток, защото между електродите, свързани към източника на ток, се създава напрежение, с други думи, единият от тях се оказва положително зареден, а другият отрицателно. Под въздействието на тази потенциална разлика положителните йони започват да се смесват към отрицателния електрод - катода, а отрицателните йони - към анода.

Така хаотичното движение на йони се превръща в подредено насрещно движение на отрицателни йони в едната посока и положителни в другата. Този процес на пренос на заряд представлява потока на електрически ток през електролита и се случва, докато има потенциална разлика между електродите. С изчезването на потенциалната разлика токът през електролита спира, подреденото движение на йони се нарушава и хаотичното движение започва отново.

Като пример, разгледайте явлението електролиза при преминаване на електрически ток през разтвор меден сулфат CuSO4 с медни електроди, спуснати в него.

Феноменът на електролиза, когато токът преминава през разтвор на меден сулфат: C - съд с електролит, B - източник на ток, C - превключвател

Тук също ще има противоположно движение на йони към електродите. Положителният йон ще бъде медният йон (Cu), а отрицателният йон ще бъде йонът на киселинния остатък (SO4). Медните йони в контакт с катода ще бъдат разредени (прикрепвайки липсващите електрони), т.е. ще се превърнат в неутрални молекули от чиста мед и ще се отложат върху катода под формата на тънък (молекулен) слой.

Отрицателните йони, достигнали до анода, също се разреждат (отдават излишните електрони). Но в същото време влизат в химическа реакцияс медта на анода, в резултат на което към киселинния остатък SO4 се добавя медна молекула Cu и се образува молекула меден сулфат CuS O4, която се връща обратно в електролита.

Тъй като се случва този химичен процес дълго време, тогава медта се отлага върху катода, освободен от електролита. В този случай електролитът, вместо медните молекули, които са отишли ​​към катода, получава нови медни молекули поради разтварянето на втория електрод - анода.

Същият процес се случва, ако се вземат цинкови електроди вместо медни, а електролитът е разтвор на цинков сулфат ZnSO4. Цинкът също ще бъде прехвърлен от анода към катода.

По този начин, разликата между електрическия ток в метални и течни проводницисе крие във факта, че в металите носителите на заряд са само свободни електрони, т.е. отрицателни заряди, докато в електролитите се носят от противоположно заредени частици на веществото - йони, движещи се в противоположни посоки. Затова казват така Електролитите проявяват йонна проводимост.

Феномен на електролизае открит през 1837 г. от Б. С. Якоби, който провежда множество експерименти за изследване и подобряване на химически източници на ток. Якоби установи, че един от електродите, поставен в разтвор на меден сулфат, се покрива с мед, когато през него преминава електрически ток.

Това явление се нарича галванопластика, вече е изключително голям практическа употреба. Един пример за това е покриването на метални предмети с тънък слой от други метали, т.е. никелиране, позлатяване, сребърно покритие и т.н.

Газове (включително въздух) в нормални условияне провеждат електрически ток. Например, голи, окачени успоредно един на друг, се оказват изолирани един от друг със слой въздух.

Въпреки това, под влияние висока температура, големи потенциални разлики и други причини, газовете, подобно на течните проводници, се йонизират, т.е. те се появяват в големи количествачастици от газови молекули, които, като носители на електричество, улесняват преминаването на електрически ток през газа.

Но в същото време йонизацията на газ се различава от йонизацията на течен проводник. Ако в течността една молекула се разпада на две заредени части, то в газовете, под въздействието на йонизацията, електроните винаги се отделят от всяка молекула и йонът остава под формата на положително заредена част от молекулата.

Веднага след като йонизацията на газа спре, той ще престане да бъде проводим, докато течността винаги остава проводник на електрически ток. Следователно газопроводимостта е временно явление, зависещо от действието на външни причини.

Има обаче още един т.нар дъгов разрядили просто електрическа дъга. Феноменът на електрическата дъга е открит в началото на 19 век от първия руски електроинженер В.В.

В. В. Петров чрез многобройни експерименти открива, че между два въглена, свързани към източник на ток, възниква непрекъснат електрически разряд във въздуха, придружен от ярка светлина. В своите писания В. В. Петров пише, че в този случай „тъмният мир може да бъде осветен доста ярко“. Така за първи път е получена електрическа светлина, която е приложена практически от друг руски електроинженер Павел Николаевич Яблочков.

Свещта на Яблочков, чиято работа се основава на използването на електрическа дъга, направи истинска революция в електротехниката в онези дни.

Дъговият разряд все още се използва като източник на светлина днес, например в прожектори и прожекционни устройства. Високата температура на дъговия разряд позволява да се използва за. В момента дъговите пещи, захранвани с ток, са много голяма сила, се използват в редица отрасли: за топене на стомана, чугун, феросплави, бронз и др. И през 1882 г. Н. Н. Бенардос за първи път използва дъгов разряд за рязане и заваряване на метал.

В газови тръби, лампи дневна светлина, стабилизатори на напрежение, т.нар тлеещ газоразряд.

Искровият разряд се използва за измерване на големи потенциални разлики с помощта на сферична междина, чиито електроди са две метални топки с полирана повърхност. Топките се раздалечават и към тях се прилага измерена потенциална разлика. След това топките се приближават една до друга, докато между тях прескочи искра. Знаейки диаметъра на топките, разстоянието между тях, налягането, температурата и влажността на въздуха, намерете потенциалната разлика между топките с помощта на специални таблици. Този метод може да измерва потенциални разлики от порядъка на десетки хиляди волта с точност от няколко процента.

Теми на кодификатора на Единния държавен изпит: безплатни медии електрически зарядив газове.

При обикновени условия газовете се състоят от електрически неутрални атоми или молекули; В газовете почти няма безплатни заряди. Следователно газовете са диелектрици- през тях не преминава електрически ток.

Казахме „почти никакви“, защото всъщност в газовете и по-специално във въздуха винаги има известно количество свободни заредени частици. Те се появяват в резултат на йонизиращи ефектирадиация от радиоактивни вещества, включени в състава земната кора, ултравиолетова и рентгенова радиация от Слънцето, както и космически лъчи - потоци от високоенергийни частици, проникващи в земната атмосфера от космоса. По-късно ще се върнем към този факт и ще обсъдим важността му, но засега само ще отбележим, че при нормални условия проводимостта на газовете, причинена от „естественото“ количество свободни заряди, е незначителна и може да бъде пренебрегната.

Действието на превключвателите в електрическите вериги се основава на изолационните свойства на въздушната междина (фиг. 1). Например малка въздушна междинаима достатъчно светлина в превключвателя, за да се отвори електрическа веригавъв вашата стая.

Ориз. 1 ключ

Възможно е обаче да се създадат условия, при които в газовата междина да се появи електрически ток. Нека разгледаме следния опит.

Нека заредим пластините на въздушния кондензатор и ги свържем към чувствителен галванометър (фиг. 2, вляво). При стайна температура и не твърде влажен въздух галванометърът няма да покаже забележим ток: нашата въздушна междина, както казахме, не е проводник на електричество.

Ориз. 2. Появата на течение във въздуха

Сега нека поставим пламък на горелка или свещ в пролуката между плочите на кондензатора (фиг. 2, вдясно). Токът се появява! Защо?

Безплатни такси за газ

Появата на електрически ток между плочите на кондензатора означава, че във въздуха под въздействието на пламък се е появил безплатни такси. Кои точно?

Опитът показва, че електрическият ток в газовете е подредено движение на заредени частици три вида . Това електрони, положителни йониИ отрицателни йони.

Нека разберем как тези заряди могат да се появят в газа.

С повишаването на температурата на газа топлинните вибрации на неговите частици - молекули или атоми - стават по-интензивни. Сблъсъкът на частиците една срещу друга достига такава сила, че започва йонизация- разпад на неутралните частици в електрони и положителни йони (фиг. 3).

Ориз. 3. Йонизация

Степен на йонизацияе отношението на броя на разпадналите се газови частици към общия първоначален брой частици. Например, ако степента на йонизация е равна на , това означава, че първоначалните газови частици са се разпаднали на положителни йони и електрони.

Степента на йонизация на газа зависи от температурата и рязко нараства с температурата. За водорода, например, при температура под степента на йонизация не надвишава , а при температура по-висока степента на йонизация е близка до (т.е. водородът е почти напълно йонизиран (частично или напълно йонизиран газНаречен плазма)).

В допълнение към високата температура има и други фактори, които причиняват йонизация на газа.

Вече ги споменахме мимоходом: това са радиоактивното лъчение, ултравиолетовите, рентгеновите и гама лъчите, космическите частици. Всеки такъв фактор, който причинява йонизация на газ, се нарича йонизатор.

По този начин йонизацията не се случва сама по себе си, а под въздействието на йонизатор.

В същото време се случва обратният процес - рекомбинация, т.е. повторното обединение на електрон и положителен йон в неутрална частица (фиг. 4).

Ориз. 4. Рекомбинация

Причината за рекомбинацията е проста: това е кулоновото привличане на противоположно заредени електрони и йони. Бързайки един към друг под въздействието на електрически сили, те се срещат и могат да образуват неутрален атом (или молекула, в зависимост от вида на газа).

При постоянен интензитет на действие на йонизатора се установява динамично равновесие: средният брой разпадащи се за единица време частици е равен на средния брой рекомбиниращи частици (с други думи скоростта на йонизация е равна на скоростта на рекомбинация If). действието на йонизатора се увеличава (например чрез повишаване на температурата), тогава динамичното равновесие ще се измести към страната на йонизацията и концентрацията на заредени частици в газа ще се увеличи. Напротив, ако изключите йонизатора, рекомбинацията ще започне да преобладава и безплатните заряди постепенно ще изчезнат напълно.

И така, положителни йони и електрони се появяват в газа в резултат на йонизация. Откъде идва третият вид заряд - отрицателните йони? Много е просто: един електрон може да удари неутрален атом и да се прикрепи към него! Този процес е показан на фиг. 5.

Ориз. 5. Появата на отрицателен йон

Така образуваните отрицателни йони ще участват в създаването на ток заедно с положителните йони и електрони.

Несамостоятелно изпразване

Ако няма външно електрическо поле, тогава свободните заряди претърпяват хаотично топлинно движение заедно с неутралните газови частици. Но когато се приложи електрическо поле, подреденото движение на заредените частици започва - електрически ток в газ.

Ориз. 6. Несамостоятелно изпразване

На фиг. 6 виждаме три вида заредени частици, възникващи в газовата междина под действието на йонизатор: положителни йони, отрицателни йони и електрони. Електричествов газ се образува в резултат на противоположното движение на заредени частици: положителни йони - към отрицателния електрод (катод), електрони и отрицателни йони - към положителния електрод (анод).

Електроните, удрящи положителния анод, се насочват през веригата към „плюса“ на източника на ток. Отрицателните йони предават допълнителен електрон към анода и, превръщайки се в неутрални частици, се връщат в газа; електронът, даден на анода, също се втурва към „плюса“ на източника. Положителните йони, пристигащи на катода, вземат електрони оттам; полученият дефицит на електрони на катода незабавно се компенсира чрез доставянето им там от „минус“ източника. В резултат на тези процеси във външната верига възниква подредено движение на електрони. Това е електрическият ток, регистриран от галванометъра.

Описаният процес, показан на фиг. 6, т.нар несаморазрядв газ. Защо зависим? Следователно, за да се поддържа, е необходима постоянна работа на йонизатора. Нека премахнем йонизатора - и токът ще спре, тъй като механизмът, който осигурява появата на свободни заряди в газовата междина, ще изчезне. Пространството между анода и катода отново ще се превърне в изолатор.

Токово-напреженови характеристики на газовия разряд

Зависимостта на тока през газовата междина от напрежението между анода и катода (т.нар. ток-напрежение характеристика на газовия разряд) е показано на фиг. 7.

Ориз. 7. Волт-амперни характеристикигазоразрядни

При нулево напрежение силата на тока естествено е нула: заредените частици извършват само топлинно движение, няма подредено движение между електродите.

При ниско напрежение токът също е нисък. Факт е, че не всички заредени частици са предназначени да достигнат електродите: някои положителни йони и електрони се намират един друг и се рекомбинират по време на движението си.

С увеличаването на напрежението свободните заряди се развиват все по-бързо и по-бързо и толкова по-малък е шансът положителен йон и електрон да се срещнат и рекомбинират. Следователно все по-голяма част от заредените частици достигат електродите и токът се увеличава (раздел ).

При определена стойност на напрежението (точка) скоростта на движение на заряда става толкова висока, че рекомбинацията изобщо няма време да се случи. От сега нататък всичкозаредените частици, образувани под действието на йонизатора, достигат до електродите, и токът достига насищане- а именно силата на тока престава да се променя с увеличаване на напрежението. Това ще се случи до определен момент.

Саморазреждане

След преминаване на точката силата на тока рязко се увеличава с увеличаване на напрежението - на независима категория. Сега ще разберем какво е то.

Заредените газови частици се движат от сблъсък на сблъсък; в интервалите между сблъсъците те се ускоряват от електрическото поле, увеличавайки кинетичната им енергия. И така, когато напрежението стане достатъчно голямо (тази същата точка), електроните по време на своя свободен път достигат такива енергии, че когато се сблъскат с неутрални атоми, те ги йонизират! (Използвайки законите за запазване на импулса и енергията, може да се покаже, че електроните (а не йоните), ускорени от електрическо поле, имат максимална способност да йонизират атомите.)

Така нареченият йонизация с електронен удар. Електроните, избити от йонизираните атоми, също се ускоряват от електрическото поле и се сблъскват с нови атоми, като ги йонизират и генерират нови електрони. В резултат на получената електронна лавина броят на йонизираните атоми бързо нараства, в резултат на което силата на тока също бързо нараства.

Броят на безплатните зареждания става толкова голям, че отпада нуждата от външен йонизатор. Можете просто да го премахнете. В резултат на това сега се генерират свободни заредени частици вътрешнипроцеси, протичащи в газа - затова разрядът се нарича независим.

Ако газовата междина е под високо напрежение, тогава не е необходим йонизатор за саморазреждане. Достатъчно е да има само един свободен електрон в газа и ще започне описаната по-горе електронна лавина. И винаги ще има поне един свободен електрон!

Нека припомним още веднъж, че в газ, дори при нормални условия, има известно „естествено“ количество свободни заряди, дължащи се на йонизиращите радиоактивно излъчванеземната кора, високочестотната радиация от Слънцето и космическите лъчи. Видяхме, че при ниски напрежения проводимостта на газа, причинена от тези свободни заряди, е незначителна, но сега - при високо напрежение- те ще генерират лавина от нови частици, пораждайки самостоятелен разряд. Ще стане, както се казва, разбивкагазова междина.

Силата на полето, необходима за пробив на сух въздух, е приблизително kV/cm. С други думи, за да прескочи искра между електродите, разделени от сантиметър въздух, към тях трябва да се подаде киловолтово напрежение. Представете си напрежението, необходимо за пробиване на няколко километра въздух! Но точно такива повреди се случват по време на гръмотевична буря - това са светкавици, добре познати на вас.

Това е кратко резюме.

Работата по пълната версия продължава

Лекция2 1

Ток в газове

1. Общи положения

определение: Явлението електрически ток, преминаващ през газове, се нарича газоразрядни.

Поведението на газовете силно зависи от неговите параметри, като температура и налягане, и тези параметри се променят доста лесно. Следователно протичането на електрически ток в газовете е по-сложно, отколкото в металите или във вакуум.

Газовете не се подчиняват на закона на Ом.

2. Йонизация и рекомбинация

Газ при нормални условия, се състои от практически неутрални молекули, следователно провежда електрически ток изключително слабо. Въпреки това, под външни влияния, електронът може да бъде откъснат от атома и да се появи положително зареден йон. В допълнение, един електрон може да се прикрепи към неутрален атом и да образува отрицателно зареден йон. По този начин е възможно да се получи йонизиран газ, т.е. плазма.

Външните влияния включват нагряване, облъчване с енергийни фотони, бомбардиране от други частици и силни полета, т.е. същите условия, които са необходими за елементарно излъчване.

Електронът в атома е в потенциална яма и за да излезе оттам, атомът трябва да получи допълнителна енергия, която се нарича йонизационна енергия.

Наред с явлението йонизация се наблюдава и явлението рекомбинация, т.е. комбинацията от електрон и положителен йон за образуване на неутрален атом. Този процес протича с освобождаване на енергия, равна на йонизационната енергия. Тази енергия може да се използва за радиация или отопление. Локалното нагряване на газа води до локална промяна на налягането. Което от своя страна води до появата на звукови вълни. По този начин газовият разряд е придружен от светлинни, топлинни и шумови ефекти.

3. Токово-напреженови характеристики на газовия разряд.

В началните етапи е необходимо действието на външен йонизатор.

В секцията OAW токът съществува под въздействието на външен йонизатор и бързо достига насищане, когато всички йонизирани частици участват в образуването на тока. Ако премахнете външния йонизатор токът спира.

Този тип разряд се нарича несамостоятелен газоразряд. Когато се опитате да увеличите напрежението, в газа се появяват лавини от електрони и токът се увеличава почти на постоянно напрежение, което се нарича напрежение на запалване (IC).

От този момент нататък разрядът става независим и няма нужда от външен йонизатор. Броят на йоните може да стане толкова голям, че съпротивлението на междуелектродната междина намалява и съответно напрежението (VSD) пада.

След това в междуелектродната междина зоната, в която преминава токът, започва да се стеснява и съпротивлението се увеличава и следователно напрежението (MU) се увеличава.

Когато се опитате да увеличите напрежението, газът става напълно йонизиран. Съпротивлението и напрежението падат до нула, а токът се увеличава многократно. Резултатът е дъгов разряд (EЕ).

Токовата характеристика показва, че газът изобщо не се подчинява на закона на Ом.

4. Процеси в газа

Процеси, които могат водят до образуването на показаните електронни лавинивърху изображението.

Това са елементите на качествената теория на Таунсенд.

5. Светещ разряд.

При ниско наляганеи при ниски напрежения може да се наблюдава този разряд.

K – 1 (тъмно пространство на Астън).

1 – 2 (светещ катоден филм).

2 – 3 (тъмно пространство на Крукс).

3 – 4 (първо катодно сияние).

4 – 5 (тъмно Фарадеево пространство)

5 – 6 (положителна анодна колона).

6 – 7 (тъмно пространство на анода).

7 – A (анодно сияние).

Ако направите анода подвижен, тогава дължината на положителната колона може да се регулира, без практически да се променят размерите на областта K – 5.

В тъмните области частиците се ускоряват и получават енергия; в светлите области се случват процеси на йонизация и рекомбинация.

ЕЛЕКТРИЧЕСКИ ТОК В ГАЗОВЕ

Самостоятелна и независима проводимост на газовете.В естественото си състояние газовете не провеждат електрически ток, т.е. са диелектрици. Това може лесно да се провери с помощта на обикновен ток, ако веригата е прекъсната от въздушна междина.

Изолационните свойства на газовете се обясняват с факта, че атомите и молекулите на газовете в естественото си състояние са неутрални, незаредени частици. Оттук става ясно, че за да се направи един газ проводим, е необходимо по един или друг начин да се въведат в него или да се създадат в него свободни носители на заряд - заредени частици. В този случай са възможни два случая: или тези заредени частици се създават от действието на някакъв външен фактор или се въвеждат в газа отвън - несамостоятелна проводимост, или се създават в газа от действието на електрическото поле сама съществуваща между електродите - независима проводимост.

На горната фигура галванометърът във веригата показва, че няма ток въпреки приложеното напрежение. Това показва липсата на проводимост на газовете при нормални условия.

Нека сега загреем газа в интервала 1-2 до много висока температура, като поставим запалена горелка в него. Галванометърът ще покаже появата на ток, следователно при високи температури делът на неутралните газови молекули се разпада на положителни и отрицателни йони. Това явление се нарича йонизациягаз

Ако насочите въздушна струя от малък вентилатор към газовата междина и поставите йонизиращ пламък по пътя на струята, извън междината, тогава галванометърът ще покаже някакъв ток.

Това означава, че йоните не изчезват моментално, а се движат заедно с газа. Въпреки това, тъй като разстоянието между пламъка и празнината 1-2 се увеличава, токът постепенно отслабва и след това изчезва. В този случай противоположно заредените йони са склонни да се приближават един към друг под въздействието на силата на електрическото привличане и при среща се обединяват отново в неутрална молекула. Този процес се нарича рекомбинацияйони.

Нагряването на газ до висока температура не е единственият начин за йонизиране на газови молекули или атоми. Неутралните атоми или газови молекули също могат да бъдат йонизирани под въздействието на други фактори.

Йонната проводимост има редица характеристики. По този начин често положителните и отрицателните йони не са единични йонизирани молекули, а групи от молекули, прикрепени към отрицателен или положителен електрон. Поради това, въпреки че зарядът на всеки йон е равен на един или два, рядко повече елементарни заряда, техните маси могат да се различават значително от масите на отделните атоми и молекули. По този начин газовите йони се различават значително от електролитните йони, които винаги представляват определени групи атоми. Поради тази разлика законите на Фарадей, които са толкова характерни за проводимостта на електролитите, не се прилагат за йонната проводимост на газовете.

Втората, също много важна разлика между йонната проводимост на газовете и йонната проводимост на електролитите е, че законът на Ом не се спазва за газовете: характеристиката ток-напрежение има повече сложна природа. Характеристиката на тока на напрежението на проводниците (включително електролитите) има формата на наклонена права линия (пропорционалност на I и U); за газовете тя има разнообразна форма.

По-специално, в случай на несамостоятелна проводимост, при малки стойности на U, графиката изглежда като права линия, т.е. Законът на Ом приблизително остава в сила; С увеличаване на U кривата се огъва с известно напрежение и се превръща в хоризонтална права линия.

Това означава, че започвайки от определено напрежение, токът остава постоянен въпреки увеличаването на напрежението. Тази постоянна, независима от напрежението стойност на тока се нарича ток на насищане.

Не е трудно да се разбере значението на получените резултати. Първоначално с увеличаване на напрежението броят на йоните, преминаващи през напречното сечение на разряда, се увеличава, т.е. Токът I се увеличава, тъй като йоните в по-силно поле се движат с по-висока скорост. Въпреки това, независимо колко бързо се движат йоните, броят им, преминаващи през този участък за единица време, не може да бъде по-голям от общия брой йони, създадени в разряда за единица време от външни йонизиращи фактори.

Експериментите обаче показват, че ако след достигане на тока на насищане в газа напрежението продължи значително да се повишава, тогава ходът на характеристиката ток-напрежение внезапно се нарушава. При достатъчно високо напрежение токът се увеличава рязко.

Сегашният скок показва, че броят на йоните веднага се е увеличил рязко. Причината за това е самото електрическо поле: то придава толкова високи скорости на някои йони, т.е. толкова много енергия, че когато такива йони се сблъскат с неутрални молекули, последните се разпадат на йони. Общ броййони вече се определя не от йонизиращия фактор, а от действието на самото поле, което само по себе си може да поддържа необходимата йонизация: проводимостта от не-независима става независима. Описаното явление на внезапна поява на независима проводимост, което има естеството на разрушаване на газовата междина, не е единствената, макар и много важна форма на възникване на независима проводимост.

Искров разряд.При достатъчно висока напрегнатост на полето (около 3 MV/m), a електрическа искра, който изглежда като ярко светещ навиващ се канал, свързващ двата електрода. Газът близо до искрата се нагрява до висока температура и внезапно се разширява, причинявайки звукови вълни, и чуваме характерно пукане.

Описаната форма на газоразряд се нарича искров разрядили повреда на газова искра. Когато възникне искров разряд, газът внезапно губи своите диелектрични свойства и става добър проводник. Напрегнатостта на полето, при която възниква пробив на газовата искра, има различна стойност за различни газовеи зависи от тяхното състояние (налягане, температура). Колкото по-голямо е разстоянието между електродите, толкова по-голямо напрежение между тях е необходимо, за да се получи искров пробив на газа. Това напрежение се нарича пробивно напрежение.

Знаейки как напрежението на пробив зависи от разстоянието между електродите с определена форма, е възможно да се измери неизвестното напрежение по дължината на максималната дължина на искрата. На това се основава устройството на искров волтметър за груби високи напрежения.

Състои се от две метални топки, монтирани на стойки 1 и 2, като втората стойка с топката може да се придвижва по-близо или по-далеч от първата с помощта на винт. Топките се свързват към източник на ток, чието напрежение трябва да се измери, и се събират заедно, докато се появи искра. Чрез измерване на разстоянието с помощта на скалата на стойката можете да дадете груба оценка на напрежението по дължината на искрата (пример: с диаметър на топката 5 cm и разстояние 0,5 cm напрежението на пробив е 17,5 kV, и с разстояние 5 cm - 100 kV).

Появата на срив се обяснява по следния начин: в газ винаги има определен брой йони и електрони, които възникват по случайни причини. Техният брой обаче е толкова малък, че газът практически не провежда електричество. При достатъчно висока напрегнатост на полето кинетичната енергия, натрупана от йона в интервала между два сблъсъка, може да стане достатъчна, за да йонизира неутрална молекула при сблъсък. В резултат на това се образуват нов отрицателен електрон и положително зареден остатък - йон.

Свободен електрон 1, когато се сблъска с неутрална молекула, я разделя на електрон 2 и свободен положителен йон. Електрони 1 и 2, при по-нататъшен сблъсък с неутрални молекули, отново ги разделят на електрони 3 и 4 и свободни положителни йони и т.н.

Този процес на йонизация се нарича ударна йонизацияи работата, която трябва да бъде изразходвана за отстраняване на електрон от атом - йонизационна работа. Работата по йонизация зависи от структурата на атома и следователно е различна за различните газове.

Електроните и йоните, образувани под въздействието на ударна йонизация, увеличават броя на зарядите в газа и от своя страна се задвижват под въздействието на електрическо поле и могат да предизвикат ударна йонизация на нови атоми. Така процесът се засилва и йонизацията в газа бързо достига много голяма стойност. Явлението е подобно на снежна лавина, поради което този процес е наречен йонна лавина.

Образуването на йонна лавина е процесът на искров разпад, а минималното напрежение, при което възниква йонна лавина, е пробивното напрежение.

По този начин, по време на искров разбивка, причината за йонизацията на газа е разрушаването на атоми и молекули по време на сблъсъци с йони (ударна йонизация).

Светкавица.Красиво и опасно природно явление - мълнията - е искров разряд в атмосферата.

Още в средата на 18 век се обръща внимание на външното сходство на мълнията с електрическа искра. Предполага се, че гръмотевичните облаци носят големи електрически заряди и че светкавицата е гигантска искра, която не се различава по нищо от искрата между топките на електрическа машина, освен по размер. Това е отбелязано например от руския физик и химик Михаил Василиевич Ломоносов (1711-65), който наред с други научни въпроси се занимава с атмосферното електричество.

Това е доказано в опита от 1752-53 г. Ломоносов и американския учен Бенджамин Франклин (1706-90), които работят едновременно и независимо един от друг.

Ломоносов построи „гръмотевична машина“ - кондензатор, разположен в неговата лаборатория и зареден с атмосферно електричество чрез жица, чийто край беше изваден от стаята и издигнат на висок стълб. По време на гръмотевична буря искри могат да бъдат извлечени от кондензатора на ръка.

Франклин, по време на гръмотевична буря, пусна хвърчило на връв, която беше оборудвана с железен връх; на края на връвта беше вързан ключ от вратата. Когато връвта се намокри и се превърна в проводник на електрически ток, Франклин успя да извлече електрически искри от ключа, да зареди лайденските буркани и да извърши други експерименти, извършени с електрическа машина (Трябва да се отбележи, че такива експерименти са изключително опасни, тъй като мълния може да удари хвърчилата и в същото време големи заряди ще преминат през тялото на експериментатора в историята на физиката. Така е починал Г. В. Ричман през 1753 г. в Санкт Петербург).

Така беше показано, че гръмотевичните облаци наистина са силно заредени с електричество.

Различните части на гръмотевичния облак носят заряди с различни знаци. Най-често долната част на облака (отразена към Земята) е заредена отрицателно, а горната част е положително. Следователно, ако два облака се приближат един към друг с противоположно заредени части, тогава между тях проблясва светкавица. въпреки това разряд от мълнияможе да стане по друг начин. Преминавайки над Земята, гръмотевичен облак създава големи индуцирани заряди на нейната повърхност и следователно облакът и земната повърхност образуват две плочи на голям кондензатор. Потенциалната разлика между облака и Земята достига огромни стойности, измервани в стотици милиони волта, и във въздуха се появява силно електрическо поле. Ако силата на това поле стане достатъчно голяма, тогава може да възникне срив, т.е. мълния, удряща Земята. В същото време мълнията понякога удря хора и предизвиква пожари.

Според многобройни изследвания, проведени върху мълнията, искровият заряд се характеризира със следните приблизителни числа: напрежение (U) между облака и Земята 0,1 GV (гигаволта);

сила на тока (I) при мълния 0,1 MA (мегаампер);

продължителност на светкавицата (t) 1 μs (микросекунда);

Диаметърът на светещия канал е 10-20 cm.

Гръмът, който се появява след светкавицата, има същия произход като пукащия звук при прескачане на лабораторна искра. А именно, въздухът вътре в канала на мълнията става много горещ и се разширява, поради което възникват звукови вълни. Тези вълни, отразени от облаци, планини и т.н., често създават продължително ехо - гръмотевици.

Коронен разряд.Възникването на йонна лавина не винаги води до искра, но може да предизвика и разряд от друг тип - коронен разряд.

Нека опънем метална жица ab с диаметър няколко десети от милиметъра върху две високи изолационни опори и да я свържем към отрицателния полюс на генератор, произвеждащ напрежение от няколко хиляди волта. Ще пренесем втория полюс на генератора към Земята. Резултатът е един вид кондензатор, чиито пластини са жицата и стените на стаята, които, разбира се, комуникират със Земята.

Полето в този кондензатор е много нехомогенно и неговият интензитет в близост до тънък проводник е много висок. Чрез постепенно увеличаване на напрежението и наблюдение на проводника на тъмно можете да забележите, че при определено напрежение в близост до проводника се появява слабо сияние (корона), покриващо проводника от всички страни; придружава се от съскащ звук и леко пращене. Ако чувствителен галванометър е свързан между проводника и източника, тогава с появата на блясък галванометърът показва забележим ток, протичащ от генератора през проводниците към проводника и от него през въздуха на помещението към стените; между жицата и стените се пренася от йони, образувани в помещението поради ударна йонизация. По този начин светенето на въздуха и появата на ток показва силна йонизация на въздуха под въздействието на електрическо поле. Коронен разряд може да възникне не само в близост до жицата, но и на върха и изобщо близо до всякакви електроди, близо до които се образува много силно нехомогенно поле.

Приложение на коронен разряд. Електрическо пречистване на газ (електрофилтри). Съд, пълен с дим, внезапно става напълно прозрачен, ако в него се вкарат остри метални електроди, свързани с електрическа машина, и всички твърди и течни частици се отлагат върху електродите. Обяснението на експеримента е следното: щом короната се запали в жицата, въздухът вътре в тръбата става силно йонизиран. Газовите йони полепват по частиците прах и ги зареждат. Тъй като вътре в тръбата има силно електрическо поле, заредените прахови частици се придвижват под въздействието на полето към електродите, където се утаяват.

Броячи елементарни частици . Броячът на частици на Гайгер-Мюлер се състои от малък метален цилиндър, оборудван с прозорец, покрит с фолио, и тънка метална жица, опъната по оста на цилиндъра и изолирана от него. Измервателят е свързан към верига, съдържаща източник на ток, чието напрежение е няколко хиляди волта. Напрежението се избира така, както е необходимо за появата на коронен разряд вътре в измервателния уред.

Когато бързо движещ се електрон навлезе в брояча, последният йонизира газовите молекули вътре в брояча, което води до леко намаляване на напрежението, необходимо за запалване на короната. В измервателния уред възниква разряд и във веригата се появява слаб краткотраен ток. За да го открие, във веригата се въвежда много високо съпротивление (няколко мегаома) и паралелно с него се свързва чувствителен електрометър. Всеки път, когато бърз електрон удари брояча, листът на електрометъра ще се извие.

Такива броячи позволяват да се регистрират не само бързи електрони, но и като цяло всякакви заредени, бързо движещи се частици, способни да предизвикат йонизация чрез сблъсъци. Съвременните броячи лесно откриват навлизането дори на една частица в тях и следователно позволяват да се провери с пълна надеждност и много ясна яснота, че елементарните заредени частици наистина съществуват в природата.

Гръмоотвод. Изчислено е, че около 1800 гръмотевични бури се случват едновременно в атмосферата на цялото земно кълбо, предизвиквайки средно около 100 мълнии в секунда. И въпреки че вероятността някой човек да бъде ударен от мълния е незначителна, светкавицата все пак причинява много вреди. Достатъчно е да се отбележи, че в момента около половината от всички аварии в големи електропроводи са причинени от мълния. Следователно мълниезащитата е важна задача.

Ломоносов и Франклин не само обясниха електрическата природа на мълнията, но също така посочиха как може да се изгради гръмоотвод за защита срещу удари на мълния. Гръмоотводът е дълъг проводник, чийто горен край е заточен и укрепен над най-високата точка на защитената сграда. Долният край на жицата е свързан с метален лист, а листът е заровен в земята на нивото на почвената вода. По време на гръмотевична буря на Земята се появяват големи индуцирани заряди и на повърхността на Земята се появява голямо електрическо поле. Напрежението му е много високо в близост до остри проводници и поради това в края на гръмоотвода се запалва коронен разряд. В резултат на това индуцираните заряди не могат да се натрупват върху сградата и не възниква мълния. В случаите, когато се появи мълния (и такива случаи са много редки), тя удря гръмоотвода и зарядите отиват в земята, без да причиняват щети на сградата.

В някои случаи коронният разряд от гръмоотвод е толкова силен, че на върха се появява ясно видимо сияние. Това сияние понякога се появява в близост до други заострени предмети, например в краищата на корабни мачти, остри върхове на дървета и др. Това явление е забелязано преди няколко века и предизвиква суеверен ужас сред моряците, които не разбират истинската му същност.

Електрическа дъга.През 1802 г. руският физик В.В. Петров (1761-1834) установява, че ако прикрепите две парчета въглен към полюсите на голяма електрическа батерия и като поставите въглените в контакт, леко ги раздалечите, между краищата на въглените ще се образува ярък пламък и краищата на самите въглени ще се нажежат до бяло, излъчвайки ослепителна светлина.

Най-простото устройство за производство на електрическа дъга се състои от два електрода, за които е по-добре да вземете не въглен, а специално направени пръти, получени чрез пресоване на смес от графит, сажди и свързващи вещества. Източникът на ток може да бъде осветителна мрежа, в която за безопасност е включен реостат.

Чрез принуждаване на дъга да гори при постоянен ток в сгъстен газ (20 atm), беше възможно да се доведе температурата на края на положителния електрод до 5900 ° C, т.е. до повърхностната температура на слънцето. Колона от газове и пари, която има добра електрическа проводимост и през която протича електрически заряд, има още по-висока температура. Енергичното бомбардиране на тези газове и пари от електрони и йони, задвижвани от електрическото поле на дъгата, повишава температурата на газовете в колоната до 6000-7000°C. Такава силна йонизация на газа е възможна само поради факта, че катодът на дъгата излъчва много електрони, които с ударите си йонизират газа в разрядното пространство. Силното излъчване на електрони от катода се осигурява от факта, че самият катод на дъгата се нагрява до много висока температура (от 2200 до 3500°C). Когато въглищата се поставят в контакт, за да запалят дъгата, почти цялата джаулова топлина на тока, преминаващ през въглищата, се освобождава в точката на контакт, която има много високо съпротивление. Поради това краищата на въглените стават много горещи и това е достатъчно, за да избухне дъга между тях, когато се раздалечат. Впоследствие катодът на дъгата се поддържа в нагрято състояние от самия ток, преминаващ през дъгата. Главна роляБомбардирането на катода от падащи върху него положителни йони играе роля в това.

Характеристиката ток-напрежение на дъгата е напълно уникална. При дъгов разряд с увеличаване на тока напрежението на клемите на дъгата намалява, т.е. дъгата е с падаща характеристика ток-напрежение.

Прилагане на дъгов разряд. Осветление. Поради високата температура дъговите електроди излъчват ослепителна светлина (светенето на стълба на дъгата е по-слабо, тъй като излъчвателната способност на газа е малка) и следователно електрическа дъгае един от най-добрите източнициСвета. Той консумира само около 3 W на кандела и е значително по-енергийно ефективен от най-добрите лампис нажежаема жичка Електрическата дъга е използвана за първи път за осветление през 1875 г. от руския инженер-изобретател П.Н. Яблочкин (1847-1894) и получава името „Руска светлина“ или „Северна светлина“. Заваряване. За заваряване на метални части се използва електрическа дъга. Заваряваните части служат като положителен електрод; докосвайки ги с въглен, свързан с отрицателния полюс на източника на ток, между телата и въглищата се създава дъга, която разтапя метала. Меркурийна дъга. Голям интерес представлява живачната дъга, горяща в кварцова тръба, т.нар кварцова лампа. В тази лампа дъговият разряд възниква не във въздуха, а в атмосфера на живачни пари, за които в лампата се вкарва малко количество живак и въздухът се изпомпва. Светлината на живачната дъга е изключително богата на ултравиолетови лъчи, които имат силно химично и физиологично въздействие. За да може да използва това лъчение, лампата е направена не от стъкло, което силно абсорбира UV лъчите, а от стопен кварц. Живачните лампи се използват широко при лечението на различни заболявания, както и научно изследванекато силен източник на ултравиолетова радиация.

Като източник на информация е използван Учебникът по елементарна физика.

под редакцията на академик G.S. Ландсберг (том 2). Москва, издателство "Наука", 1985 г.

Попълнено от МАРКИДОНОВ ТИМУР, Иркутск.

В газовете има несамостоятелни и самоподдържащи се електрически разряди.

Феноменът на електрически ток, протичащ през газ, наблюдаван само при условие на някакво външно въздействие върху газа, се нарича несамостоятелен електрически разряд. Процесът на отстраняване на електрон от атом се нарича йонизация на атома. Минималната енергия, която трябва да се изразходва за отстраняване на електрон от атом, се нарича йонизационна енергия. Частично или напълно йонизиран газ, в който плътността на положителните и отрицателните заряди е еднаква, се нарича плазма.

Носителите на електрически ток по време на несамостоятелен разряд са положителните йони и отрицателните електрони. Характеристиката ток-напрежение е показана на фиг. 54. В зоната на OAV - несамостоятелно заустване. В района на ВС изтичането става самостоятелно.

По време на саморазряд един от начините за йонизиране на атомите е йонизацията с електронен удар. Йонизация чрез електронен удар става възможна, когато електрон при среден свободен път A придобие кинетична енергия W k, достатъчна за извършване на работа по отстраняване на електрон от атом. Видове самостоятелни разряди в газовете - искров, коронен, дъгов и тлеещ разряд.

Искров разрядвъзниква между два електрода, заредени с различни заряди и имащи голяма потенциална разлика. Напрежението между различно заредени тела достига до 40 000 V. Искровият разряд е краткотраен, механизмът му е електронен удар. Мълнията е вид искров разряд.

В силно нехомогенни електрически полета, образувани например между върха и равнина или между проводник на електропровод и повърхността на Земята, специална формасаморазреждане в газове, нар коронен разряд.

Електродъгов разряде открит от руския учен В. В. Петров през 1802 г. Когато два въглеродни електрода влязат в контакт при напрежение 40-50 V, на някои места се появяват области с малко напречно сечение с високо електрическо съпротивление. Тези области стават много горещи и излъчват електрони, които йонизират атомите и молекулите между електродите. Носителите на електрически ток в дъгата са положително заредени йони и електрони.

Изпразване, което възниква при понижено налягане, се нарича тлеещ разряд. С намаляване на налягането средният свободен път на електрона се увеличава и през времето между сблъсъците той успява да придобие достатъчно енергия за йонизация в електрическо полес по-малко напрежение. Разрядът се осъществява чрез електронно-йонна лавина.