Tema 7. Električna provodljivost tekućina i plinova.

§jedan. Električna struja u plinovima.

§2. Nesamoodrživa i nezavisna plinska pražnjenja.

§3. Vrste nesamoodrživog pražnjenja i njihova tehnička upotreba.

§četiri. Koncept plazme.

§5. Električna struja u tečnostima.

§6. Zakoni elektrolize.

§7. Tehničke primjene elektrolize (samostalno).

Električna struja u plinovima.

U normalnim uslovima, gasovi su dielektrici i postaju provodnici samo kada su nekako jonizovani. Jonizatori mogu biti X-zrake, kosmičke zrake, ultraljubičaste zrake, radioaktivno zračenje, intenzivno zagrijavanje itd.

Proces jonizacije gasova je to što se pod dejstvom ionizatora jedan ili više elektrona odvoji od atoma. Kao rezultat, umjesto neutralnog atoma nastaju pozitivni ion i elektron.

Elektroni i pozitivni ioni koji su nastali tokom djelovanja ionizatora ne mogu postojati odvojeno dugo vremena i, rekombinirajući, ponovo formiraju atome ili molekule. Ovaj fenomen se zove rekombinacija.

Kada se jonizovani gas stavi u električno polje, električne sile deluju na slobodna naelektrisanja i oni lebde paralelno sa linijama napetosti - elektrona i negativnih jona do anoda(elektroda nekog uređaja spojena na pozitivni pol izvora napajanja), pozitivni joni - do katoda(elektroda nekog uređaja spojena na negativni pol izvora struje). Na elektrodama, joni se pretvaraju u neutralne atome doniranjem ili prihvatanjem elektrona i na taj način dovršavaju krug. U plinu se stvara električna struja. Električna struja u gasovima se naziva gasno pražnjenje. Na ovaj način, provodljivost gasova ima elektron-jonski karakter.

Nesamoodrživa i nezavisna plinska pražnjenja.

Sastavimo električni krug koji sadrži izvor struje, voltmetar, ampermetar i dvije metalne ploče razdvojene zračnim razmakom.

Ako postavite ionizator blizu zračnog raspora, tada će se u krugu pojaviti električna struja koja će nestati djelovanjem ionizatora.

Električna struja u plinu koji nije samovodljiv naziva se nesamoodrživo pražnjenje gasa. Grafikon zavisnosti struje pražnjenja od razlike potencijala između elektroda - strujno-naponska karakteristika gasnog pražnjenja:

OA - dio na kojem se poštuje Ohmov zakon. Samo dio nabijenih čestica dospijeva do elektroda, dio se rekombinuje;

AB - proporcionalnost Ohmovog zakona je prekršena i, počevši od, struja se ne mijenja. Najveća struja koja je moguća sa datim jonizatorom naziva se struja zasićenja ;

ned - nezavisno pražnjenje gasa, u ovom slučaju se plinsko pražnjenje nastavlja i nakon prestanka djelovanja vanjskog ionizatora zbog jona i elektrona koji su nastali kao rezultat udarna jonizacija(jonizacija električnog udara); javlja se s povećanjem razlike potencijala između elektroda (javlja se elektronska lavina).

Električno samoodrživo i nesamoodrživo pražnjenje se javlja u različitim plinovitim medijima pod određenim uvjetima. Osoba u pravilu koristi neovisno pražnjenje. Članak daje opis ovih pojava.

Šta je u gasovima?

Prije razmatranja nezavisnog i nesamoodrživog pražnjenja plina, definirajmo ovaj fenomen. Pražnjenje se podrazumijeva kao pojava električne struje u plinu. Budući da su plinoviti mediji po svojoj prirodi izolatori, to znači da je struja posljedica prisustva slobodnih nosilaca električnog naboja u njima. Pored njih, mora postojati i električno polje da bi naelektrisanja stekla usmereno kretanje.

Električno polje se može stvoriti primjenom vanjske potencijalne razlike na volumen plina (prisustvo elektroda: negativna katoda i pozitivna anoda).

Sljedeći procesi mogu biti izvori nosilaca naboja:

• Termička jonizacija. Nastaje zbog mehaničkog sudara visokoenergetskih čestica plina (atoma, molekula) i izbacivanja elektrona iz njih. Ovaj proces se aktivira kada temperatura poraste.
• Fotojonizacija. Njegova suština leži u apsorpciji fotona visoke energije od strane elektrona i njegovom odvajanju od atoma.
• Hladna emisija elektrona. Nastaje zbog ionskog bombardiranja površine katode.
• Termionska emisija. Ovaj proces nastaje zbog isparavanja visokoenergetskih elektrona sa katode i njihovog učešća u naknadnoj jonizaciji plazme.

Ovi procesi su u osnovi klasifikacije vrsta pražnjenja (nezavisne i nesamostalne).

Koncept nezavisnosti pražnjenja

Razmotrimo slučaj katodne cijevi. To je zatvorena posuda u kojoj se nalazi nešto plina pod određenim pritiskom. Na krajevima ove cijevi nalaze se elektrode. Ako se na njih primijeni mala razlika potencijala, tada se praktički neće pojaviti struja. To je zbog nedostatka dovoljnog broja nosača naboja.

Međutim, ako se plin zagrije ili podvrgne ultraljubičastom zračenju, tada će voltmetar odmah zabilježiti pojavu struje. Ovo je živopisan primjer nesamoodrživog pražnjenja. Nazvan je tako jer je za njegovo postojanje neophodan vanjski izvor jonizacije (zračenje, temperatura). Vrijedno je ukloniti ovaj izvor, jer će očitanja voltmetra ponovno postati jednaka nuli.

Ako se, u nedostatku vanjskih izvora ionizacije, poveća napon između elektroda cijevi, tada će se početi pojavljivati ​​struja koja će proći kroz nekoliko faza (zasićenje, povećanje, smanjenje). U ovom slučaju se govori o nezavisnom električnom pražnjenju. Više ne zahtijeva eksterne izvore, potrebni nosioci naboja se generišu unutar samog sistema. Procesi njihovog formiranja ostaju isti kao i kod nesamoodrživog pražnjenja. Pri visokim naponima i velikim gustoćama struje dodaje se i toplotna emisija katodnih elektrona.

Strujna naponska karakteristika pražnjenja

Pogodno je proučavati plinsko samoodrživo i nesamoodrživo pražnjenje koristeći ovisnost napona o jačini struje (ili obrnuto), što se obično naziva strujno-naponska karakteristika. Omogućava vam da procijenite ne samo veličinu napona i struje u sistemu, već i električne procese koji se odvijaju u njemu.

Ispod je strujna naponska karakteristika koja odražava sve glavne faze razvoja pražnjenja.

Kao što vidite, postoje tri: tamni, tinjajući i lučni. Ove faze ćemo detaljnije opisati kasnije u ovom članku.

Tamno pražnjenje

Opisuje se intervalom AC. Kako napon U raste, struja I raste zbog povećanja brzine jona. Međutim, ove brzine nisu velike, tako da dolazi do nesamoodrživog pražnjenja. U BC regiji, on se zasiti i postaje nezavisan, budući da brzina iona postaje dovoljna da izbaci elektrone iz katode prilikom bombardiranja. Ovi elektroni dovode do dodatne jonizacije gasa.

Tamni naboj je dobio ime jer je njegov sjaj skoro nula: niska koncentracija u plazmi, niske struje (10 -8 A), nema rekombinacije jona i elektrona.

sjajno pražnjenje

Na strujno-naponskoj karakteristici odgovara zoni između tačaka C i F. Slika pokazuje da se napon mijenja (pada i raste), dok struja stalno raste. Zanimljive su dvije podzone:

1. Points OE - normalno usijano pražnjenje. Razlog za povećanje struje ovdje je povezan s povećanjem površine plazme u plinu. Odnosno, prvo su to uski mali kanali, a zatim se zbog emisije hladnih elektrona šire dok ne dostignu cijeli volumen cijevi. Od ove tačke, postoji prelazak u sljedeću podzonu.
2. EF tačke - anomalno pražnjenje. Struja ovog samoodrživog pražnjenja u plinu počinje rasti zbog emisije vrućih elektrona. Temperatura katode postepeno raste i ona počinje da emituje negativno nabijene čestice.

Sve neonske i fluorescentne lampe rade u području normalnog sjajnog pražnjenja.

Iskre i lučno pražnjenje

Ove vrste samoodrživih pražnjenja pokrivaju FG zonu na slici. Tu se odvijaju najsloženiji procesi.

Kada napon između elektroda poraste do maksimalne vrijednosti (tačka F), i aktivira se termička emisija elektrona sa katode, tada će se stvoriti povoljni uslovi za stvaranje nestabilnog iskrišta. Predstavlja kratkoročne kvarove (mikrosekunde), koji imaju karakterističan cik-cak oblik. Upečatljiv primjer u prirodi su munje u atmosferi.

Pražnjenje se odvija kroz uske kanale, koji se nazivaju strimeri. To su uske isprekidane linije visokojonizirane plazme koje spajaju katodnu površinu s anodnom. Snaga struje u njima doseže desetine hiljada ampera.

Stabilizacija punjenja varnice dovodi do formiranja stabilnog luka (regija tačke G). U ovom slučaju, cjelokupna zapremina plina u cijevi je visoko jonizirana plazma. Površina katode se zagrijava do 5000-6000 K, a anoda - do 3000 K. Ovako snažno zagrijavanje katode dovodi do stvaranja takozvanih "vrućih tačaka" na njoj, koje postaju moćan izvor termoelektrona i izazivaju erozivno trošenje ove elektrode. Napon tokom lučnog pražnjenja nije visok (nekoliko desetina volti), ali jačina struje može doseći 100 A ili više. Luk za zavarivanje je odličan primjer ove vrste pražnjenja.

Dakle, postojanje nezavisnih i nesamoodrživih pražnjenja u gasovima je posledica mehanizama njihove jonizacije i formiranja plazme sa povećanjem napona i struje u sistemu.

Molekuli gasa su neutralni u normalnim uslovima, tako da su gasovi izolatori. Gas postaje provodnik kada se neki od njegovih molekula ioniziraju. Ionizacija - gubitak jednog ili više elektrona od strane molekule ili atoma - može se dogoditi kada se plin zagrije, kada se uvede u jako elektromagnetno polje, kada je izložen rendgenskim zracima, ultraljubičastim zracima i radioaktivnom zračenju. Neutralna molekula koja je izgubila jedan ili više elektrona postaje pozitivno nabijeni ion. Neki od slobodnih elektrona su zarobljeni neutralnim atomima i molekulama, te se formiraju negativni ioni. Zbog toga se joni pojavljuju u parovima.

Budući da su neutralni atomi i molekuli stabilne formacije, potrebno je potrošiti određenu količinu energije da bi se ionizirali. Minimalna energija potrebna za jonizaciju atoma ili molekule naziva se energija jonizacije. Zavisi od kemijske prirode tvari i energetskog stanja elektrona uklonjenog iz atoma ili molekule.

Ako molekul primi energiju nižu od energije ionizacije, prelazi u pobuđeno stanje. Nakon vremena reda veličine, vraća se u osnovno stanje, a višak energije se emituje u obliku kvanta svjetlosti.

Istovremeno sa jonizacijom u gasovima, dešava se i obrnuti proces - rekombinacija jona sa formiranjem neutralnih molekula. Nestanak jona tokom rekombinacije takođe se dešava u parovima. Energija koja se troši na jonizaciju molekula obično se oslobađa tokom rekombinacije jona u obliku kvanta zračenja.

Joni i slobodni elektroni čine plin provodnikom električne energije. Ako se u ioniziranom plinu stvori električno polje, tada će se dogoditi uređeno kretanje iona i elektrona - električna struja. Proces kojim električna struja prolazi kroz gas naziva se gasno pražnjenje. Postoje dvije vrste plinskih pražnjenja: nezavisni i nezavisni.

Ako je električna struja u plinu posljedica djelovanja vanjskog ionizatora i nestane nakon prestanka rada ionizatora, tada se takvo pražnjenje naziva nesamoodrživim..

Nesamoodrživo plinsko pražnjenje nastavlja se sa slabom jonizacijom plina. Karakterizira ga niska gustina struje i odsustvo svjetlosnih i zvučnih efekata. Stoga se i nesamoodrživo pražnjenje naziva tiho pražnjenje. Koristi se u jonizacionim komorama i brojačima elementarnih čestica.

Razmotrite fizičke procese koji se odvijaju tokom nesamoodrživog pražnjenja gasa između paralelnih elektroda (slika 60.1). Pretpostavimo da se za svaku sekundu u jediničnoj zapremini formira par jona. Istovremeno, parovi jona se rekombinuju u jediničnoj zapremini. Osim toga, u jedinici vremena, par jona prelazi iz jedinice zapremine do elektroda.

Povećanje koncentracije jona je praćeno povećanjem rekombinacije. Rezultat je stanje ravnoteže:

Razmotrimo granične slučajeve.

1. Ako je napon između elektroda mali, tada je električno polje slabo () i, shodno tome, gustoća struje će biti niska ( , ). U ovom slučaju i . Zatim, koristeći formule (55.3) i (55.9), nalazimo:

gdje je naboj jona, n- njihova koncentracija, , - pokretljivost jona.

Dakle, za male vrijednosti napetosti električno polje nesamoodrživo plinsko pražnjenje poštuje Ohmov zakon: gustina struje je direktno proporcionalna intenzitetu.

S povećanjem jačine polja između elektroda, ioni idu do elektroda bez vremena za rekombinaciju (). Zbog toga

Ako je površina elektroda S, i udaljenost između njih l, zatim svake sekunde elektrode dosegnu par jona. Oni stvaraju struju čija je snaga

. (60.3)

Kombinujući formule (53.4) i (60.3), izračunavamo gustoću struje

Posljedično, pri visokim vrijednostima jačine polja između elektroda, gustoća struje ne ovisi o jačini. To znači da formula (60.4) određuje gustinu struja zasićenja.

Za neke je to dovoljno veliki značaj napetost, uočava se naglo povećanje gustine struje. Ovo se objašnjava činjenicom da slobodni elektroni nastali tokom jonizacije gasa od strane vanjskog izvora, tokom slobodnog puta, imaju vremena da steknu energiju dovoljnu da joniziraju molekule prilikom sudara s njima. Takva jonizacija se naziva šok. Kao rezultat ionizacije nastaju sekundarni elektroni, koji se također ubrzavaju električnim poljem i zauzvrat ioniziraju nove molekule plina. U plinu se pojavljuju elektronske lavine, povećava se njegova vodljivost. Međutim, čak i u ovom slučaju, kada se djelovanje vanjskog jonizatora prekine, pražnjenje se nastavlja samo dok elektroni dobijeni jonizacijom ne stignu do anode, odnosno čak i pod ovim uvjetima pražnjenje ima karakter nesamoodrživog jedan.

Proces prenošenja e-pošte. struja kroz gas tzv. gasno pražnjenje.

Postoje 2 vrste pražnjenja: nezavisna i nesamostalna.

Ako se stvori električna provodljivost plina. vanjski jonizatori, zatim el. struja u njemu se zove. nesamost. gasno pražnjenje. V

Razmislite. email shema, komp. od kondenzatora, galvanometra, voltmetra i izvora struje.

Između ploča ravnog kondenzatora nalazi se zrak atmosferski pritisak i soba t. Ako se na kondenzator dovede U od nekoliko stotina volti, a ionizator ne radi, tada se strujni galvanometar ne registruje, međutim, čim prostor između ploča počne prodirati. protoka UV zraka, galvanometar će početi da registruje. struja. Ako je izvor struje isključen, protok struje kroz kolo će prestati, ova struja je nesamoodrživo pražnjenje.

j = γ*E - Ohmov zakon za el. struja u gasovima.

Sa dovoljno jakim e. polje u gasu započinje proces samojonizacije, zbog čega struja može postojati u odsustvu eksternog ionizatora. Ova vrsta struje naziva se nezavisno gasno pražnjenje. Procesi samojonizacije općenito su sljedeći. U prirodi. konv. Gas uvijek sadrži malu količinu slobodnih elektrona i jona. Njih stvaraju takve prirode. jonizatori, poput svemira. zrake, zračenje radioaktivnih supstanci, soda u tlu i vodi. Prilično jak email. polje može ubrzati ove čestice do onih brzina pri kojima one kinetička energijaće premašiti energiju ionizacije kada se elektroni i joni sudare na putu do elektroda sa neut. molekuli će ionizirati te molekule. arr. nakon sudara, novi sekundarni elektroni i joni također se ubrzavaju. polje i zauzvrat jonizuju nove neutrone. molekule. Opisana samojonizacija plinova naziva se udarno poliranje. slobodnih elektrona izazivaju udarnu jonizaciju već pri E=10 3 V/m. Joni, s druge strane, mogu izazvati udarnu ionizaciju samo pri E=10 5 V/m. Ova razlika je zbog brojnih razloga, posebno zbog činjenice da je srednji slobodni put za elektrone mnogo duži nego za jone. Zbog toga ioni dobijaju energiju potrebnu za udarnu ionizaciju pri nižoj jačini polja od jona. Međutim, čak i na poljima koja nisu previše jaka, „+“ joni igraju važnu ulogu u samojonizaciji. Činjenica je da je energija ovih jona cca. dovoljno da izbije elektrone iz metala. Stoga, joni raspršeni poljem „+“, udarajući o metalnu katodu izvora polja, izbijaju elektrone iz katode. Ovi izbačeni elektroni polja i proizvode udarnu ionizaciju molekula. Joni i elektroni, čija je energija nedovoljna za udarnu ionizaciju, ipak ih mogu dovesti u pobudu prilikom sudara s molekulima. stanje, odnosno da izazove neke energetske promjene u e-poruci. ljuske neutralne atoma i molekula. Uzbudi se. atom ili molekul nakon nekog vremena prelazi u normalno stanje, dok emituje foton. Emisija fotona se manifestuje u sjaju gasova. Osim toga, foton, apsorbira. bilo koji od molekula plina može ga jonizirati, ova vrsta ionizacije se zove fotonionizacija. Neki od fotona udare u katodu, mogu izbaciti elektrone iz nje, što onda uzrokuje udarnu ionizaciju neutrona. molekule.

Kao rezultat udarne i fotonske ionizacije i izbacivanja elektrona iz "+" koda jonima fotonima, broj fotona i elektrona u cijeloj zapremini plina se naglo povećava (lavinasto) i vanjski ionizator nije potreban za postojanje struje u gasu, a pražnjenje postaje nezavisni. CVC gasnog pražnjenja je kako slijedi.

Električna struja je tok koji je uzrokovan uređenim kretanjem električno nabijenih čestica. Kretanje naelektrisanja uzima se kao smjer električne struje. Električna struja može biti kratkotrajna i dugotrajna.

Koncept električne struje

Prilikom pražnjenja groma može doći do električne struje, koja se naziva kratkotrajna. A da bi se struja održala dugo vremena, potrebno je imati električno polje i slobodne električne nosače naboja.

Električno polje stvaraju različito nabijena tijela. Jačina struje je omjer naboja prenesenog kroz poprečni presjek provodnika u vremenskom intervalu prema ovom vremenskom intervalu. Mjeri se u amperima.

Rice. 1. Trenutna formula

Električna struja u plinovima

Molekuli gasa ne provode električnu energiju u normalnim uslovima. Oni su izolatori (dielektrici). Međutim, ako promijenite uslove okruženje, tada plinovi mogu postati provodnici električne energije. Kao rezultat ionizacije (pri zagrijavanju ili pod djelovanjem radioaktivnog zračenja) u plinovima nastaje električna struja, koja se često zamjenjuje terminom "električno pražnjenje".

Samoodrživa i nesamoodrživa plinska pražnjenja

Pražnjenja u gasu mogu biti samoodrživa i nesamoodrživa. Struja počinje da postoji kada se pojave besplatne naknade. Nesamoodrživa pražnjenja postoje sve dok na njih djeluje vanjska sila, odnosno vanjski jonizator. To jest, ako vanjski ionizator prestane raditi, struja prestaje.

Nezavisno pražnjenje električne struje u plinovima postoji čak i nakon prestanka rada vanjskog ionizatora. Nezavisna pražnjenja u fizici se dijele na tiha, tinjajuća, lučna, iskra, korona.

• Tiho - najslabiji od nezavisnih pražnjenja. Snaga struje u njemu je vrlo mala (ne više od 1 mA). Nije praćen zvučnim ili svjetlosnim pojavama.
• Tinjajući - ako povećate napon u tihom pražnjenju, prelazi se na sljedeći nivo - u užareno pražnjenje. U ovom slučaju pojavljuje se sjaj, koji je praćen rekombinacijom. Rekombinacija - proces reverzne jonizacije, susret elektrona i pozitivnog jona. Koristi se u baktericidnim i rasvjetnim lampama.

Rice. 2. Svjetleće pražnjenje

• Arc - jačina struje se kreće od 10 A do 100 A. U ovom slučaju, jonizacija je skoro 100%. Ova vrsta pražnjenja se javlja, na primjer, tokom rada aparata za zavarivanje.

Rice. 3. Lučno pražnjenje

• pjenušava - može se smatrati jednim od tipova lučnog pražnjenja. Prilikom takvog pražnjenja određena količina električne energije teče u vrlo kratkom vremenu.
• koronsko pražnjenje – jonizacija molekula se dešava u blizini elektroda sa malim radijusima zakrivljenosti. Ova vrsta naboja nastaje kada se jakost električnog polja dramatično promijeni.

Šta smo naučili?

Sami po sebi, atomi i molekuli gasa su neutralni. Nabijaju se kada su izloženi van. Ukratko o tome električna struja u plinovima, tada predstavlja usmjereno kretanje čestica (pozitivnih jona ka katodi i negativnih jona ka anodi). Takođe je važno da se kada se gas jonizuju poboljšaju njegova provodljiva svojstva.

Tematski kviz

Report Evaluation

Prosječna ocjena: 4.1. Ukupno primljenih ocjena: 436.