Электрический ток в газах. Применение.

Предмет: Физика
Тип работы: Реферат
Язык: Русский
Дата добавления: 07.04.2019

 

 

 

 

 

  • Данный тип работы не является научным трудом, не является готовой работой!
  • Данный тип работы представляет собой готовый результат обработки, структурирования и форматирования собранной информации, предназначенной для использования в качестве источника материала при самостоятельной подготовки учебной работы.

Если вам тяжело разобраться в данной теме напишите мне в whatsapp разберём вашу тему, согласуем сроки и я вам помогу!

 

По этой ссылке вы сможете найти много готовых тем для рефератов по физике:

 

Много готовых рефератов по физике

 

Посмотрите похожие темы возможно они вам могут быть полезны:

 

 
 
 
 

 

Введение:

Электрический разряд в газах.

Все газы в естественном состоянии не проводят электрический ток. Что видно из следующего опыта:

Возьмите электрометр с прикрепленными к нему дисками плоских конденсаторов и зарядите его. При комнатной температуре, если воздух достаточно сухой, конденсатор заметно не разряжается - положение иглы электрометра не меняется. Требуется много времени, чтобы заметить уменьшение угла отклонения иглы электрометра. Это показывает, что электрический ток в воздухе между дисками очень мал. Этот опыт показывает, что воздух является плохим проводником электрического тока.

Мы изменяем опыт: мы нагреваем воздух между дисками пламенем спиртовой лампы. Затем угол отклонения иглы электрометра быстро уменьшается, то есть разность потенциалов между дисками конденсатора уменьшается - конденсатор разряжается. Следовательно, нагретый воздух между дисками стал проводником, и в нем установился электрический ток.

Изоляционные свойства газов объясняются тем, что они не имеют свободных электрических зарядов: атомы и молекулы газов в своем естественном состоянии являются нейтральными.

Ионизация газов

Описанный выше опыт показывает, что заряженные частицы появляются в газах под воздействием высокой температуры. Они возникают в результате отрыва одного или нескольких электронов от атомов газа, в результате чего вместо нейтрального атома возникают положительный ион и электроны. Часть образовавшихся электронов может быть захвачена другими нейтральными атомами, и тогда появятся отрицательные ионы. Распад молекул газа на электроны и положительные ионы называется ионизацией газа. Нагрев газа до высокой температуры - не единственный способ ионизировать молекулы или атомы газа. Ионизация газа может происходить под воздействием различных внешних взаимодействий: сильного нагрева газа, рентгеновских лучей, -, - и лучей, возникающих в результате радиоактивного распада, космических лучей, бомбардировки молекул газа быстрыми электронами или ионами. Факторы, вызывающие ионизацию газа, называются ионизаторами. Количественной характеристикой процесса ионизации является интенсивность ионизации, измеряемая количеством пар заряженных частиц, противоположных по знаку, которые встречаются в единице объема газа в единицу времени.

Ионизация атома требует затрат определенной энергии - энергии ионизации. Чтобы ионизировать атом (или молекулу), необходимо действовать против сил взаимодействия между выброшенным электроном и оставшимися частицами атома (или молекулы). Эта работа называется ионизационной работой Ai. Величина работы ионизации зависит от химической природы газа и энергетического состояния выброшенного электрона в атоме или молекуле.

После прекращения действия ионизатора количество ионов в газе со временем уменьшается, и в итоге ионы полностью исчезают. Исчезновение ионов объясняется тем, что ионы и электроны участвуют в тепловом движении и поэтому сталкиваются друг с другом. При столкновении положительного иона и электрона они могут воссоединиться в нейтральном атоме. Точно так же при столкновении положительных и отрицательных ионов отрицательный ион может отдать свой избыточный электрон положительному иону, и оба иона превращаются в нейтральные атомы. Этот процесс взаимной нейтрализации ионов называется ионной рекомбинацией. При рекомбинации положительного иона и электрона или двух ионов выделяется определенная энергия, равная энергии, потраченной на ионизацию. Частично он излучается в виде света, и поэтому рекомбинация ионов сопровождается свечением (рекомбинационным свечением).

В явлениях электрического разряда в газах важную роль играет ионизация атомов электронными ударами. Этот процесс состоит в том, что движущийся электрон с достаточной кинетической энергией выбивает из него один или несколько атомных электронов при столкновении с нейтральным атомом, в результате чего нейтральный атом превращается в положительный ион, и в электроне появляются новые электроны. газ (это будет рассмотрено позже).

Механизм электропроводности газов

Механизм проводимости газа аналогичен механизму проводимости растворов и расплавов электролитов. В отсутствие внешнего поля заряженные частицы, подобно нейтральным молекулам, движутся случайным образом. Если ионы и свободные электроны оказываются во внешнем электрическом поле, то они приходят в направленное движение и создают электрический ток в газах.

Таким образом, электрический ток в газе является направленным движением положительных ионов к катоду, а отрицательных ионов и электронов к аноду. Общий ток в газе состоит из двух потоков заряженных частиц: потока, идущего к аноду, и потока, направленного к катоду.

На электродах происходит нейтрализация заряженных частиц, как и при прохождении электрического тока через растворы и расплавы электролитов. Однако в газах отсутствует выделение веществ на электродах, как в случае растворов электролитов. Ионы газа, приближаясь к электродам, отдают им свои заряды, превращаются в нейтральные молекулы и диффундируют обратно в газ.

Другое различие в электропроводности ионизированных газов и растворов (расплавов) электролитов состоит в том, что отрицательный заряд при прохождении тока через газы переносится в основном отрицательными ионами, но электронами, хотя проводимость из-за отрицательных ионов также может играть роль.

Таким образом, электронная проводимость, аналогичная проводимости металла, объединяется в газах с ионной проводимостью, аналогичной проводимости водных растворов и расплавов электролита.

Несамостоятельный газовый разряд

Процесс прохождения электрического тока через газ называется газовым разрядом. Если электропроводность газа создается внешними ионизаторами, то возникающий в нем электрический ток называется несамостоятельным газовым разрядом. С прекращением действия внешних ионизаторов несамостоятельный разряд прекращается. Автономный газовый разряд не сопровождается газовым свечением.

Ниже приведен график зависимости силы тока от напряжения в несамостоятельном разряде в газе. Для построения графика использовалась стеклянная трубка с двумя металлическими электродами, впаянными в стекло. Схема собрана, как показано на рисунке ниже.

При определенном напряжении наступает момент, когда все заряженные частицы, образующиеся в газе ионизатором за секунду, достигают электродов одновременно. Дальнейшее увеличение напряжения больше не может привести к увеличению количества переносимых ионов. 

Независимый газоразряд

Электрический разряд в газе, который сохраняется после прекращения действия внешнего ионизатора, называется независимым газовым разрядом. Для его осуществления необходимо, чтобы в результате самого разряда в газе непрерывно образовывались свободные заряды. Основным источником их возникновения является ударная ионизация молекул газа.

Если после достижения насыщения разность потенциалов между электродами продолжит увеличиваться, то сила тока при достаточно высоком напряжении резко возрастет.

Это означает, что в газе появляются дополнительные ионы, которые образуются в результате действия ионизатора. Сила тока может возрасти в сотни и тысячи раз, а количество заряженных частиц, возникающих в процессе разряда, может стать настолько большим, что для поддержания разряда больше не потребуется внешний ионизатор. Поэтому ионизатор теперь можно удалить.

Каковы причины резкого увеличения тока при высоких напряжениях? Рассмотрим любую пару заряженных частиц (положительный ион и электрон), образовавшихся под действием внешнего ионизатора. Появившийся таким образом свободный электрон начинает двигаться к положительному электроду - аноду, а положительный ион - к катоду. На своем пути электрон встречает ионы и нейтральные атомы. В промежутках между двумя последовательными столкновениями энергия электронов увеличивается за счет работы сил электрического поля.

Чем больше разность потенциалов между электродами, тем больше напряженность электрического поля. Кинетическая энергия электрона до следующего столкновения пропорциональна напряженности поля и длине свободного пробега электрона: MV2 / 2 = eEl. Если кинетическая энергия электрона превышает работу Ai, что необходимо сделать для ионизации нейтрального атома (или молекулы), т.е. MV2> Ai, то при столкновении электрона с атомом (или молекулой) происходит его ионизация. , В результате вместо одного электрона возникают два (падающих на атом и вырываемых из атома). Они, в свою очередь, получают энергию в поле и ионизируют встречные атомы и т. Д. В результате этого число заряженных частиц быстро увеличивается, возникает электронная лавина. Описанный процесс называется электронно-ударной ионизацией.

Но только ионизация электронным ударом не может обеспечить поддержание независимого заряда. Действительно, все возникающие таким образом электроны движутся к аноду и, достигнув анода, «выпадают из игры». Для поддержания разряда необходима электронная эмиссия с катода («эмиссия» означает «эмиссия»). Электронная эмиссия может быть вызвана несколькими причинами.

Положительные ионы, образующиеся при столкновении электронов с нейтральными атомами, когда они движутся к катоду, приобретают большую кинетическую энергию под действием поля. Когда такие быстрые ионы попадают на катод, электроны выбиваются с поверхности катода.

Кроме того, катод может испускать электроны при нагревании до высокой температуры. Этот процесс называется термоэлектронной эмиссией. Это можно рассматривать как испарение электронов из металла. Во многих твердых телах термоэлектронная эмиссия происходит при температурах, при которых испарение самого вещества все еще мало. Такие вещества также используются для изготовления катодов.

В автономном разряде может происходить нагрев катода за счет его бомбардировки положительными ионами. Если энергия ионов не слишком велика, то не происходит детонации электронов с катода и электроны испускаются из-за термоэлектронной эмиссии.

Различные виды саморазряда и их технические применение

В зависимости от свойств и состояния газа, природы и расположения электродов, а также от напряжения, приложенного к электродам, возникают различные типы саморазряда. Рассмотрим несколько из них.

Свечение разряда

Тлеющий разряд наблюдается в газах при низких давлениях порядка нескольких десятков миллиметров ртутного столба и менее. Если рассматривать трубку с тлеющим разрядом, то мы видим, что основными частями тлеющего разряда являются отрицательно резко удаленное от него катодное темное пространство или тлеющее свечение, которое постепенно переходит в область темного пространства Фарадея. , Эти три области образуют катодную часть разряда, за которой следует основная светящаяся часть разряда, которая определяет его оптические свойства и называется положительным столбом.

Основную роль в поддержании тлеющего разряда играют первые две области его катодной части. Характерной особенностью этого типа разряда является резкое падение потенциала вблизи катода, что связано с высокой концентрацией положительных ионов на границе областей I и II из-за относительно низкой скорости движения ионов на катод. В катодном темном пространстве происходит сильное ускорение электронов и положительных ионов, выбивая электроны из катода. В области тлеющего свечения электроны производят интенсивную ударную ионизацию молекул газа и теряют свою энергию. Здесь образуются положительные ионы, которые необходимы для поддержания разряда. Напряженность электрического поля в этой области мала. Свечение свечения в основном обусловлено рекомбинацией ионов и электронов. Длина темного катодного пространства определяется свойствами газа и катодного материала.

В области положительного столба концентрация электронов и ионов примерно одинакова и очень высока, что приводит к большой электропроводности положительного столба и небольшому уменьшению его потенциала. Свечение положительного столба определяется свечением возбужденных молекул газа. Вблизи анода снова наблюдается относительно резкое изменение потенциала, связанное с процессом генерации положительных ионов. В некоторых случаях положительный столбец разбивается на отдельные светящиеся области - слои, разделенные темными промежутками.

Положительный столбик не играет существенной роли в поддержании тлеющего разряда, поэтому с уменьшением расстояния между трубчатыми электродами длина положительного столбца уменьшается и может исчезнуть совсем. Иная ситуация с длиной темного пространства катода, которая не меняется при приближении электродов друг к другу. Если электроды расположены так близко, что расстояние между ними становится меньше длины темного пространства катода, то тлеющий разряд в газе прекратится. Эксперименты показывают, что при прочих равных условиях длина d темного катодного пространства обратно пропорциональна давлению газа. Следовательно, при достаточно низких давлениях электроны, выбитые из катода положительными ионами, проходят через газ практически без столкновений с его молекулами, образуя электронные или катодные лучи.

Тлеющий разряд используется в газовых трубках, люминесцентных лампах, стабилизаторах напряжения, для получения электронных и ионных пучков. Если в катоде имеется зазор, то узкие ионные пучки, часто называемые канальными пучками, проходят через него в пространство за катодом. Явление катодного распыления, т.е. разрушение поверхности катода под воздействием на нее положительных ионов. Ультрамикроскопические фрагменты материала катода летят во всех направлениях по прямым линиям и тонким слоем покрывают поверхность тел (особенно диэлектриков), помещенных в трубку. 

Таким образом, зеркала изготавливаются для ряда устройств, тонкий слой металла наносится на селеновые фотоэлементы.

Коронный разряд

Коронный разряд возникает при нормальном давлении в газе, расположенном в сильно неоднородном электрическом поле (например, вблизи наконечников или проводов линий высокого напряжения). Во время коронного разряда ионизация газа и его люминесценция происходят только вблизи коронирующих электродов. В случае коронации катода (отрицательная корона) электроны, вызывающие ударную ионизацию молекул газа, выбиваются из катода, когда он бомбардируется положительными ионами. Если анодом является корона (положительная корона), то рождение электронов происходит за счет фотоионизации газа вблизи анода. Корона - это вредное явление, сопровождающееся утечкой тока и потерей электрической энергии. Чтобы уменьшить коронацию, радиус кривизны проводников увеличен, а их поверхность выполнена максимально гладкой. При достаточно высоком напряжении между электродами коронный разряд переходит в искру.

При повышенном напряжении коронный разряд на наконечнике принимает форму световых линий, исходящих от наконечника и чередующихся во времени. Эти линии, имеющие ряд изгибов и изгибов, образуют своего рода кисть, в результате чего этот разряд называется выделением запястья.

Заряженное грозовое облако вызывает на поверхности Земли электрические заряды противоположного знака. Особенно большой заряд накапливается на кончиках. Поэтому перед грозой или во время грозы конусы света, похожие на кисти, часто вспыхивают на точках и острых углах высоко поднятых предметов. С древних времен этот свет называют огнями святого Эльма.

Альпинисты особенно часто являются свидетелями этого явления. Иногда не только металлические предметы, но и кончики волос на голове украшают маленькие светящиеся кисточки.

С коронным разрядом приходится считаться при работе с высоким напряжением. При наличии выступающих частей или очень тонких проводов может начаться коронный разряд. Это приводит к утечке электроэнергии. Чем выше напряжение в линии высокого напряжения, тем толще должны быть провода.

Искровой разряд

Искровой разряд имеет вид ярких зигзагообразных ветвящихся канальных нитей, которые проникают в разрядный промежуток и исчезают, уступая место новым. Исследования показали, что каналы искрового разряда иногда начинают расти от положительного электрода, иногда от отрицательного, а иногда и от некоторой точки между электродами. Это объясняется тем, что ударная ионизация в случае искрового разряда происходит не по всему объему газа, а по отдельным каналам, проходящим в тех местах, в которых концентрация ионов случайно оказалась самой высокой. Искровой разряд сопровождается выделением большого количества тепла, ярким свечением газа, потрескиванием или громом. Все эти явления вызваны электронными и ионными лавинами, которые происходят в искровых каналах и приводят к огромному увеличению давления, достигающему 107108 Па, и повышению температуры до 10000 С.

Типичным примером искрового разряда является молния. Основной канал молнии имеет диаметр от 10 до 25 см, а длина молнии может достигать нескольких километров. Максимальная сила тока импульса молнии достигает десятков и сотен тысяч ампер.

При небольшой длине разрядного промежутка искровой разряд вызывает специфическое разрушение анода, называемое эрозией. Это явление использовалось в электроискровом методе резания, сверления и других видах прецизионной обработки металла.

Искровой разрядник используется в качестве сетевого фильтра в линиях электропередач (например, телефонных линиях). Если вблизи линии проходит сильный кратковременный ток, то в проводах этой линии индуцируются напряжение и токи, которые могут разрушить электроустановку и стать опасными для жизни человека. Чтобы избежать этого, используются специальные предохранители, состоящие из двух изогнутых электродов, один из которых подключен к линии, а другой заземлен. Если потенциал линии относительно земли значительно возрастает, между электродами возникает искровой разряд, который вместе с нагретым им воздухом поднимается, удлиняется и разрывается.

Наконец, электрическая искра используется для измерения больших разностей потенциалов, используя шариковый зазор, электроды которого представляют собой два металлических шарика с полированной поверхностью. Шарики раздвигаются, и к ним применяется измеряемая разность потенциалов. Затем шарики сводятся вместе, пока между ними не прыгнет искра. Зная диаметр шариков, расстояние между ними, давление, температуру и влажность, найдите разность потенциалов между шариками согласно специальным таблицам. Этот метод может быть измерен с точностью до нескольких процентов разности потенциалов порядка десятков тысяч вольт.

Дуговой разряд

Дуговой разряд был открыт В.В. Петров в 1802 году. Этот разряд является одной из форм газового разряда, который возникает при высокой плотности тока и относительно низком напряжении между электродами (порядка нескольких десятков вольт). Основной причиной дугового разряда является интенсивное излучение термоэлектронов горячим катодом. Эти электроны ускоряются электрическим полем и вызывают ударную ионизацию молекул газа, вследствие чего электрическое сопротивление газового зазора между электродами относительно невелико. Если уменьшить сопротивление внешней цепи, увеличить силу тока дугового разряда, то проводимость газового промежутка увеличится настолько, что напряжение между электродами уменьшится. Поэтому говорят, что дуговой разряд имеет падающую вольт-амперную характеристику. При атмосферном давлении температура катода достигает 3000 С. Электроны, бомбардируя анод, создают в нем углубление (кратер) и нагревают его. Температура кратера составляет около 4000 С, а при высоких давлениях воздуха достигает 6000-7000 С. Температура газа в канале дугового разряда достигает 5000-6000 С, поэтому в нем происходит интенсивная термическая ионизация.

В некоторых случаях дуговой разряд также наблюдается при относительно низкой температуре катода (например, в ртутной дуговой лампе).

В 1876 г. П.Н. Яблочков впервые использовал электрическую дугу в качестве источника света. В свече Яблочкова угли были параллельны и разделены изогнутым слоем, а их концы соединены проводящим «мостом зажигания». Когда ток был включен, мост зажигания перегорел и между углями образовалась электрическая дуга. По мере того как угли горели, изолирующий слой испарялся.

В наши дни в качестве источника света используется дуговой разряд, например, в прожекторах и проекционных устройствах.

Высокая температура дугового разряда позволяет использовать его для строительства дуговой печи. В настоящее время дуговые печи, работающие от тока очень высокой прочности, используются в ряде отраслей промышленности: для выплавки стали, чугуна, ферросплавов, бронзы, производства карбида кальция, оксида азота и т. Д.

В 1882 г. Н.Н. Бенардос впервые использовал дуговой разряд для резки и сварки металла. Разряд между неподвижным углеродным электродом и металлом нагревает место соединения двух металлических листов (или пластин) и сваривает их. Бенардос использовал тот же метод для резки металлических пластин и проделывания в них отверстий. В 1888 году Н. Г. Славянов усовершенствовал этот метод сварки, заменив углеродный электрод металлическим.

Дуговой разряд нашел применение в ртутном выпрямителе, который преобразует переменный электрический ток в постоянный ток.

Плазма

Плазма - это частично или полностью ионизированный газ, в котором плотности положительных и отрицательных зарядов практически одинаковы. Таким образом, плазма в целом является электрически нейтральной системой.

Количественной характеристикой плазмы является степень ионизации. Степень ионизации плазмы представляет собой отношение объемной концентрации заряженных частиц к общей объемной концентрации частиц. В зависимости от степени ионизации плазма подразделяется на слабоионизованную (составляет доли процента), частично ионизованную (порядка нескольких процентов) и полностью ионизованную (около 100%). Слабо ионизованной плазмой в естественных условиях является верхняя атмосфера - ионосфера. Солнце, горячие звезды и некоторые межзвездные облака - полностью ионизированная плазма, которая образуется при высоких температурах.

Средние энергии различных типов частиц, составляющих плазму, могут значительно отличаться друг от друга. Следовательно, плазму нельзя охарактеризовать одной температурой Т; они различают температуру электронов Te, температуру ионов Ti (или температуру ионов, если в плазме присутствует несколько типов ионов) и температуру нейтральных атомов T (нейтрального компонента). Такая плазма называется неизотермической, в отличие от изотермической плазмы, в которой температуры всех компонентов одинаковы.

Плазма также делится на высокотемпературные (Ti106-108 K и более) и низкотемпературные !!! (Ti <= 105 К). Это условное разделение связано с особой влажностью высокотемпературной плазмы из-за проблемы управляемого термоядерного синтеза.

Плазма обладает рядом специфических свойств, что позволяет нам рассматривать ее как особое четвертое состояние вещества.

Заключение

Благодаря высокой подвижности заряженные частицы плазмы легко перемещаются под воздействием электрического и магнитного полей. Поэтому любое нарушение электрической нейтральности отдельных областей плазмы, вызванное накоплением частиц с одинаковым зарядным знаком, быстро устраняется. Результирующие электрические поля перемещают заряженные частицы до тех пор, пока электрическая нейтральность не восстановится и электрическое поле не станет равным нулю. В отличие от нейтрального газа, между молекулами которого существуют силы ближнего действия, кулоновские силы действуют относительно медленно между частицами плазмы и уменьшаются относительно медленно с расстоянием. Каждая частица немедленно взаимодействует с большим количеством окружающих частиц. Благодаря этому, наряду с хаотическим тепловым движением, плазменные частицы могут участвовать в различных упорядоченных движениях. Различные типы колебаний и волн легко возбуждаются в плазме.

Плазменная проводимость увеличивается с увеличением степени ионизации. При высокой температуре полностью ионизованная плазма по своей проводимости приближается к сверхпроводникам.

Низкотемпературная плазма используется в газоразрядных источниках света - в световых трубках рекламных вывесок, в люминесцентных лампах. Газоразрядная лампа используется во многих устройствах, например, в газовых лазерах - квантовых источниках света.

Высокотемпературная плазма используется в магнитогидродинамических генераторах.

Недавно было создано новое устройство - плазмотрон. В плазмотроне создаются мощные струи плотной низкотемпературной плазмы, которые широко используются в различных областях техники: для резки и сварки металлов, бурения скважин в твердых породах и т. Д.