Реферат: Электрический ток в газах

Самостоятельная и несамостоятельная проводимость газов. В естественном состоянии газы не проводят электрического тока, т.е. являются диэлектриками. В этом легко убедиться с помощью простого тока, если цепь прервана воздушным промежутком.

В приведенном рисунке гальванометр в цепи показывает отсутствие тока несмотря на приложенное напряжение. Это свидетельствует об отсутствии проводимости газов в обычных условиях.

Это значит, что ионы не исчезают мгновенно, а перемещаются вместе с газом. Однако при увеличении расстояния между пламенем и промежутком 1-2 ток постепенно ослабевает, а затем исчезает. При этом разноименно заряженные ионы стремятся сблизиться под влиянием силы электрического притяжения и при встрече вновь воссоединяются в нейтральную молекулу. Такой процесс носит название рекомбинации ионов.

Нагревание газа до высокой температуры не является единственные способом ионизации молекул или атомов газа. Нейтральные атомы или молекулы газа могут ионизироваться также и под воздействием других факторов.

Ионная проводимость имеет рад особенностей. Так, нередко положительные и отрицательные ионы представляют собой не единичные ионизированные молекулы, а группы молекул, прилипших к отрицательному или положительному электрону. Благодаря этому, хотя заряд каждого иона равен одному-двум, редко большему числу элементарных зарядов, массы их могут значительно отличаться от масс отдельных атомов и молекул. Этом газовые ионы существенно отличаются от ионов электролитов, представляющих всегда определенные группы атомов. В силу этого различия при ионной проводимости газов не имеют место законы Фарадея, столь характерные для проводимости электролитов.

Второе, также очень важное, отличие ионной проводимости газов от ионной проводимости электролитов состоит в том, что для газов не соблюдается закон Ома: вольтамперная характеристика имеет более сложный характер. Вольтамперная характеристика проводников (в том числе и электролитов) имеет вид наклонной прямой (пропорциональность I и U), для газов она имеет разнообразную форму.

Это означает, что начиная с некоторого напряжения, ток сохраняет постоянное значение, несмотря на увеличение напряжения. Это постоянное, не зависящее от напряжения значение силы тока называют током насыщения .

Нетрудно понять смысл полученных результатов. Вначале с ростом напряжения увеличивается число ионов, проходящих через сечение разряда, т.е. увеличивается ток I, ибо ионы в более сильном поле движется с большей скоростью. Однако, как бы быстро не двигались ионы, число их, проходящее через это сечение за единицу времени, не может быть больше, чем общее число ионов, создаваемых в разряде в разряде в единице времени внешними ионизирующим фактором.

Скачок тока показывает, что число ионов сразу резко возросло. Причиной этого является само электрическое поле: оно сообщает некоторым ионам столь большие скорости, т.е. столь большую энергию, что при соударении таких ионов с нейтральными молекулами последние разбиваются на ионы. Общее число ионов определяется теперь не ионизирующим фактором, а действием самого поля, которое может само поддерживать необходимую ионизацию: проводимость из несамостоятельной становится самостоятельной. Описанное явление внезапного возникновения самостоятельной проводимости, имеющее характер пробоя газового промежутка, - не единственная, хотя и весьма важная, форма возникновения самостоятельной проводимости.

Искровой разряд. При достаточно большой напряженности поля (около 3 МВ/м) между электродами появляется электрическая искра, имеющая вид ярко светящегося извилистого канала, соединяющего оба электрода. Газ вблизи искры нагревается до высокой температуры и внезапно расширяется, отчего возникают звуковые волны, и мы слышим характерный треск.

Описанная форма газового разряда носит название искрового разряда или искрового пробоя газа. При наступлении искрового разряда газ внезапно утрачивает свои диэлектрические свойства и становится хорошим проводником. Напряженность поля, при которой наступает искровой пробой газа, имеет различное значение у разных газов и зависит от их состояния (давления, температуры). Чем больше расстояние между электродами, тем большее напряжение между ними необходимо для наступления искрового пробоя газа. Это напряжение называется напряжением пробоя .

Он состоит из двух металлических шаров, закрепленных на стойках 1 и 2, 2-я стойка с шаром может приближаться или удаляться от первой при помощи винта. Шары присоединяют к источнику тока, напряжение которого требуется измерить, и сближают их до появления искры. Измеряя расстояние при помощи шкалы на подставке, можно дать грубую оценку напряжению по длине искры (пример: при диаметре шара 5 см и расстоянии 0,5 см напряжение пробоя равно 17,5 кВ, а при расстоянии 5 см – 100 кВ).

Свободный электрон 1 при соударении с нейтральной молекулой расщепляет ее на электрон 2 и свободный положительный ион. Электроны 1 и 2 при дальнейшем соударении с нейтральными молекулами снова расщепляет их на электроны 3 и 4 и свободные положительные ионы, и т.д.

Такой процесс ионизации называют ударной ионизацией , а ту работу, которую нужно затратить, чтобы произвести отрывание электрона от атома – работой ионизации . Работа ионизации зависит от строения атома и поэтому различна для разных газов.

Образование ионной лавины и есть процесс искрового пробоя, а то минимальное напряжение, при котором возникает ионная лавина, есть напряжение пробоя.

Таким образом, при искровом пробое причина ионизации газа заключается в разрушении атомов и молекул при соударениях с ионами (ударная ионизация).

Молния. Красивое и небезопасное явление природы – молния – представляет собой искровой разряд в атмосфере.

Уже в середине 18-го века обратили внимание на внешнее сходство молнии с электрической искрой. Высказалось предположение, что грозовые облака несут в себе большие электрические заряды и что молния есть гигантская искра, ничем, кроме размеров, не отличающаяся от искры между шарами электрической машины. На это указывал, например, русский физик и химик Михаил Васильевич Ломоносов (1711-65), наряду с другими научными вопросами занимавшийся атмосферным электричеством.

Это было доказано на опыте 1752-53 г.г. Ломоносовым и американским ученым Бенджамином Франклином (1706-90), работавшими одновременно и независимо друг от друга.

Ломоносов построил «громовую машину» - конденсатор, находившийся в его лаборатории и заряжавшийся атмосферным электричеством посредством провода, конец которого был выведен из помещения и поднят на высоком шесте. Во время грозы из конденсатора можно было рукой извлекать искры.

Франклин во время грозы пустил на бечевке змея, который был снабжен железным острием; к концу бечевки был привязан дверной ключ. Когда бечевка намокла и сделалась проводником электрического тока, Франклин смог извлечь из ключа электрические искры, зарядить лейденские банки и проделать другие опыты, производимые с электрической машиной (Следует отметить, что такие опыты чрезвычайно опасны, так как молния может ударить в змей, и при этом большие заряды пройдут через тело экспериментатора в Землю. В истории физики были такие печальные случаи. Так погиб в 1753 г. в Петербурге Г.В. Рихман, работавший вместе с Ломоносовым).

Таким образом, было показано, что грозовые облака действительно сильно заряжены электричеством.

Разные части грозового облака несут заряды различных знаков. Чаще всего нижняя часть облака (отраженная к Земле) бывает заряжена отрицательно, а верхняя – положительно. Поэтому, если два облака сближаются разноименно заряженными частями, то между ними проскакивает молния. Однако грозовой разряд может произойти и иначе. Проходя над Землей, грозовое облако создает на ее поверхности большие индуцированные заряды, и поэтому облако и поверхность Земли образуют две обкладки большого конденсатора. Разность потенциалов между облаком и Землей достигает огромных значений, измеряемых сотнями миллионов воль, и воздухе возникает сильное электрическое поле. Если напряженность этого поля делается достаточно большой, то может произойти пробой, т.е. молния, ударяющая в Землю. При этом молния иногда поражает людей и вызывает пожары.

Согласно многочисленным исследованиям, произведенным над молнией, искровой заряд характеризуется следующими примерными числами: напряжение (U) между облаком и Землей 0,1 ГВ (гигавольт);

сила тока (I) в молнии 0,1 МА (мегаампер);

продолжительность молнии (t) 1 мкс (микросекунда);

диаметр светящегося канала 10-20 см.

Гром, возникающий после молнии, имеет такое же происхождение, как и треск при проскакивании лабораторной искры. Именно, воздух внутри канала молнии сильно разогревается и расширяется, отчего и возникают звуковые волны. Эти волны, отражаясь от облаков, гор, и т.п., часто создают длительное эхо – громовые раскаты.

Коронный разряд. Возникновение ионной лавины не всегда приводит к искре, а может вызвать и разряд другого типа – коронный разряд.

Поле в этом конденсаторе весьма неоднородно, и напряженность его вблизи тонкой проволоки очень велика. Повышая постепенно напряжение и наблюдая за проволокой в темноте, можно заметить, что при известном напряжении возле проволоки появляется слабое свечение (корона), охватывающее со всех сторон проволоку; оно сопровождается шипящим звуком и легким потрескиванием. Если между проволокой и источником включен чувствительный гальванометр, то с появлением свечения гальванометр показывает заметный ток, идущий от генератора по проводам к проволоке и от нее по воздуху комнаты к стенам, между проволокой и стенами переносится ионами, образованными в комнате благодаря ударной ионизации. Таким образом, свечение воздуха и появление тока указывает на сильную ионизацию воздуха под действием электрического поля. Коронный разряд может возникнуть не только вблизи проволоки, но и у острия и вообще вблизи любых электродов, возле которых образуется очень сильное неоднородное поле.

Применение коронного разряда. Электрическая очистка газов (электрофильтры) . Сосуд, наполненный дымом, внезапно делается совершенно прозрачным, если внести в него острые металлические электроды, соединенные с электрической машиной, а все твердые и жидкие частицы будут осаждаться на электродах. Объяснение опыта заключается в следующем: как только и проволоки зажигается корона, воздух внутри трубки сильно ионизируется. Газовые ионы прилипают к частицам пыли и заряжают их. Так как внутри трубки действует сильное электрическое поле, заряженные частицы пыли движутся под действием поля к электродам, где и оседают.

При попадании в счетчик быстро движущегося электрона последний ионизирует молекулы газа внутри счетчика, отчего напряжение, необходимое для зажигания короны, несколько понижается. В счетчике возникает разряд, а в цепи появляется слабый кратковременный ток. Чтобы обнаружить его, в цепь вводят очень большое сопротивление (несколько мегаом) и подключают параллельно с ним чувствительный электрометр. При каждом попадании быстрого электрона внутрь счетчика листка электрометра будут откланяться.

Подобные счетчики позволяют регистрировать не только быстрые электроны, но и вообще любые заряженные, быстро движущиеся частицы, способные производить ионизацию путем соударений. Современные счетчики легко обнаруживают попадание в них даже одной частицы и позволяют поэтому с полной достоверностью и очень большой наглядностью убедиться, что в природе действительно существуют элементарные заряженные частицы.

Громоотвод . Подсчитано, что в атмосфере всего земного шара происходит одновременно около 1800 гроз, которые дают в среднем около 100 молний в секунду. И хотя вероятность поражения молнией какого-либо отдельного человека ничтожно мала, тем не менее молнии причиняют немало вреда. Достаточно указать, что в настоящее время около половины всех аварий в крупных линиях электропередачи вызывается молниями. Поэтому, защита от молнии представляет собой важную задачу.

Ломоносов и Франклин не только объяснили электрическую природу молнии, но и указали, как можно построить громоотвод, защищающий от удара молнии. Громоотвод представляет собой длинную проволоку, верхний конец которой заостряется и укрепляется выше самой высокой точки защищаемого здания. Нижний конец проволоки соединяют с металлическим листом, а лист закапывают в Землю на уровне почвенных вод. Во время грозы на Земле появляются большие индуцированные заряды и у поверхности Земли появляется большое электрическое поле. Напряженность его очень велика около острых проводников, и поэтому на конце громоотвода зажигается коронный разряд. Вследствие этого индуцированные заряды не могут накапливаться на здании и молнии не происходит. В тех же случаях, когда молния все же возникает (а такие случаи очень редки), она ударяет в громоотвод и заряды уходят в Землю, не причиняя вреда зданию.

В некоторых случаях коронный разряд с громоотвода бывает настолько сильным, что у острия возникает явно видимое свечение. Такое свечение иногда появляется и возле других заостренных предметов, например, на концах корабельных мачт, острых верхушек деревьев, и т.д. Это явление было замечено еще несколько веков тому назад и вызывало суеверный ужас мореплавателей, не понимавших истинной его сущности.

Электрическая дуга. В 1802 году русский физик В.В. Петров (1761-1834) установил, что если присоединить к полюсам большой электрической батареи два кусочка древесного угля и, приведя угли в соприкосновение, слегка их раздвинуть, то между концами углей образуется яркое пламя, а сами концы углей раскалятся добела, испуская ослепительный свет.

Простейший прибор получения электрической дуги состоит из двух электродов, в качестве которых лучше брать не древесный уголь, а специально изготавливаемые стержни, получаемые прессованием смеси графита, сажи и связующих веществ. Источником тока может служить осветительная сеть, в которую для безопасности включается реостат.

Заставляя гореть дугу при постоянном токе в сжатом газе (20 атм), удалось довести температуру конца положительного электрода до 5900°С, т.е. до температуры поверхности солнца. Еще более высокой температурой обладает столб газов и паров, обладающий хорошей электрической проводимостью, через который идет электрический заряд. Энергичная бомбардировка этих газов и паров электронами и ионами, подгоняемыми электрическим полем дуги, доводит температуру газов в столбе до 6000-7000°С. Такая сильная ионизация газа возможна только благодаря тому, что катод дуги испускает очень много электронов, которые своими ударами ионизирую газ в разрядном пространстве. Сильная электронная эмиссия с катода обеспечивается тем, что катод дуги сам накален до очень высокой температуры (от 2200 до 3500°С). Когда для зажигания дуги угли приводятся в соприкосновение, то в месте контакта, обладавшем очень большим сопротивлением, выделяется почти все джоулево тепло проходящего через угли тока. Поэтому концы углей сильно разогреваются, и этого достаточно для того, чтобы при их раздвижении между ними вспыхнула дуга. В дальнейшем катод дуги поддерживается в накаленном состоянии самим током, проходящим через дугу. Главную роль в этом играет бомбардировка катода падающими на него положительными ионами.

Вольтамперная характеристика дуги носит совершенно своеобразный характер. В дуговом разряде при увеличении тока напряжение на зажимах дуги уменьшается, т.е. дуга имеет падающую вольтамперную характеристику.

Применение дугового разряда . Освещение . Вследствие высокой температуры электроды дуги испускают ослепительный свет (свечение столба дуги слабее, так как излучающая способность газа мала), и поэтому электрическая дуга является одним из лучших источников света. Она потребляет всего около 3 Вт на канделу и является значительно более экономичной, нежели наилучшие лампы накаливания. Электрическая дуга впервые была использована для освещения в 1875 году русским инженером-изобретателем П.Н. Яблочкиным (1847-1894) и получила название «русского света» или «северного света». Сварка . Электрическая дуга применяется для сварки металлических деталей. Свариваемые детали служат положительным электродом; касаясь их углем, соединенным с отрицательным полюсом источника тока, получают между телами и углем дугу, плавящую металл. Ртутная дуга . Большой интерес представляет ртутная дуга, горящая в кварцевой трубке, так называемая кварцевая лампа. В этой лампе дуговой разряд происходит не в воздухе, а в атмосфере ртутного пара, для чего в лампу вводят небольшое количество ртути, а воздух откачивают. Свет ртутной дуги чрезвычайно богат ультрафиолетовыми лучами, обладающими сильным химическим и физиологическим действием. Чтобы можно было использовать это излучение, лампу делают не из стекла, которое сильно поглощает УФО, а из плавленого кварца. Ртутные лампы широко используют при лечении разнообразных болезней, а также при научных исследованиях как сильный источник ультрафиолетового излучения.

В качестве источника информации был использован Элементарный учебник физики под

редакцией академика Г.С. Ландсберга (том 2). Москва, издательство «Наука», 1985.

Выполнил МАРКИДОНОВ ТИМУР, г. Иркутск.