7. témakör Folyadékok és gázok elektromos vezetőképessége.

§egy. Elektromos áram a gázokban.

§2. Nem önfenntartó és független gázkibocsátás.

3. §. A nem önfenntartó kisülések fajtái és műszaki felhasználásuk.

4. §. A plazma fogalma.

§öt. Elektromos áram folyadékokban.

6. §. Az elektrolízis törvényei.

§7. Az elektrolízis műszaki alkalmazásai (önállóan).

Elektromos áram a gázokban.

Normál körülmények között a gázok dielektrikumok, és csak akkor válnak vezetővé, ha valamilyen módon ionizálódnak. Ionizátorok lehetnek röntgensugarak, kozmikus sugarak, ultraibolya sugarak, radioaktív sugárzás, intenzív melegítés stb.

Ionizációs folyamat A gázok azt jelentik, hogy egy ionizáló hatására egy vagy több elektron leválik az atomokról. Ennek eredményeként a semleges atom helyett egy pozitív ion és egy elektron keletkezik.

Az ionizáló működése során keletkezett elektronok és pozitív ionok hosszú ideig nem létezhetnek külön-külön, és rekombinálva újra atomokat vagy molekulákat alkotnak. Ezt a jelenséget az ún rekombináció.

Ha egy ionizált gázt elektromos térbe helyezünk, az elektromos erők szabad töltésekre hatnak, és párhuzamosan sodródnak a feszültségvonalakkal – az elektronok és a negatív ionok anód(valamelyik eszköz elektródája az áramforrás pozitív pólusára kötött), pozitív ionok - a katód-(valamilyen eszköz elektródája, amely egy áramforrás negatív pólusára van csatlakoztatva). Az elektródákon az ionok semleges atomokká alakulnak azáltal, hogy elektronokat adnak vagy fogadnak el, és ezzel teljessé teszik az áramkört. A gázban elektromos áram keletkezik. A gázokban lévő elektromos áramot ún gázkisülés. Ily módon a gázok vezetőképessége elektron-ion jellegű.

Nem önfenntartó és független gázkibocsátás.

Állítsunk össze egy áramforrást, egy voltmérőt, egy ampermérőt és két légrésszel elválasztott fémlemezt tartalmazó elektromos áramkört.

Ha ionizálót helyez el a légrés közelében, akkor az áramkörben elektromos áram jelenik meg, amely az ionizátor hatására eltűnik.

Az elektromos áramot egy nem önvezető gázban ún nem önfenntartó gázkibocsátás. A kisülési áram elektródák közötti potenciálkülönbségtől való függésének grafikonja - a gázkisülés áram-feszültség jellemzője:

OA - egy szakasz, amelyen Ohm törvényét betartják. A töltött részecskéknek csak egy része jut el az elektródákig, egy része rekombinálódik;

AB - az Ohm-törvény arányossága megsérül, és az áramerősség nem változik. Az adott ionizátorral lehetséges legnagyobb áramerősséget nevezzük telítési áram ;

V - független gázkibocsátás, ebben az esetben a gázkisülés a külső ionizáló működésének megszűnése után is folytatódik a keletkezett ionok és elektronok miatt. ütési ionizáció(áramütés ionizációja); az elektródák közötti potenciálkülönbség növekedésével fordul elő (előfordul elektronikus lavina).

Elektromos önfenntartó és nem önfenntartó kisülések különböző gáznemű közegekben bizonyos körülmények között előfordulnak. Egy személy általában független kisülést használ. A cikk ismerteti ezeket a jelenségeket.

Mi van a gázokban?

Mielőtt a független és nem önfenntartó gázkibocsátással foglalkoznánk, definiáljuk ezt a jelenséget. Kisülés alatt elektromos áram fellépését értjük a gázban. Mivel a gáznemű közegek természetüknél fogva szigetelők, ez azt jelenti, hogy az áramot a bennük lévő szabad elektromos töltéshordozók okozzák. Rajtuk kívül elektromos térnek is léteznie kell ahhoz, hogy a töltések irányított mozgást kapjanak.

Elektromos mezőt úgy lehet létrehozni, hogy külső potenciálkülönbséget adunk a gáz térfogatára (elektródák jelenléte: negatív katód és pozitív anód).

A következő folyamatok lehetnek töltéshordozók forrásai:

• Termikus ionizáció. Nagy energiájú gázrészecskék (atomok, molekulák) mechanikai ütközése és az elektronok kiütése következtében keletkezik. Ez a folyamat akkor aktiválódik, amikor a hőmérséklet emelkedik.
• Fotoionizáció. Lényege egy nagy energiájú foton elektron általi elnyelésében és az atomról való leválásában rejlik.
• Hideg elektronkibocsátás. A katód felületének ionos bombázása miatt fordul elő.
• Termionikus emisszió. Ez a folyamat a nagy energiájú elektronok katódról történő kipárolgásából és a későbbi plazmaionizációban való részvételükből adódik.

Ezek a folyamatok alapozzák meg a kibocsátások típusainak osztályozását (független és nem független).

A kisülési függetlenség fogalma

Tekintsük a katódcső esetét. Ez egy lezárt tartály, amelyben bizonyos nyomás alatt van némi gáz. Ennek a csőnek a végein elektródák találhatók. Ha kis potenciálkülönbséget alkalmaznak rájuk, akkor gyakorlatilag nem keletkezik áram. Ennek oka a megfelelő számú töltéshordozó hiánya.

Ha azonban a gázt felmelegítik vagy ultraibolya sugárzásnak teszik ki, akkor a voltmérő azonnal rögzíti az áram megjelenését. Ez egy eleven példa a nem önfenntartó kisülésre. Azért hívják, mert létezéséhez külső ionizációs forrás (sugárzás, hőmérséklet) szükséges. Érdemes eltávolítani ezt a forrást, mivel a voltmérő leolvasása ismét nulla lesz.

Ha külső ionizációs források hiányában a cső elektródái közötti feszültség megnő, akkor áram kezd megjelenni, amely több szakaszon megy keresztül (telítettség, növekedés, csökkenés). Ebben az esetben független elektromos kisülésről beszélünk. Nem igényel többé külső forrást, a szükséges töltéshordozók a rendszeren belül keletkeznek. Képződésük folyamata ugyanaz, mint a nem önfenntartó kisülésnél. Nagy feszültségeknél és nagy áramsűrűségeknél a katódelektronok hőkibocsátása is hozzáadódik.

A kisülés áram-feszültség karakterisztikája

Célszerű egy gáz önfenntartó és nem önfenntartó kisülést tanulmányozni a feszültség áramerősségtől való függésével (vagy fordítva), amelyet általában áram-feszültség karakterisztikának neveznek. Lehetővé teszi nemcsak a rendszer feszültségének és áramának nagyságát, hanem a benne előforduló elektromos folyamatokat is.

Az alábbiakban az áram-feszültség karakterisztika látható, amely tükrözi a kisülés kialakulásának összes fő fázisát.

Amint látja, három van belőlük: sötét, parázsló és ív. Ezeket a fázisokat a cikk későbbi részében részletesebben ismertetjük.

Sötét kisülés

Ezt az AC intervallum írja le. Az U feszültség növekedésével az I áram növekszik az ionok sebességének növekedése miatt. Ezek a sebességek azonban nem nagyok, így nem önfenntartó kisülés történik. A BC régióban telítődik és függetlenné válik, mivel az ionok sebessége elegendő ahhoz, hogy bombázáskor elektronokat üthessen ki a katódból. Ezek az elektronok a gáz további ionizációjához vezetnek.

A sötét töltés azért kapta a nevét, mert fénye szinte nulla: alacsony plazmakoncentráció, alacsony áramok (10 -8 A), nincs ionok és elektronok rekombinációja.

izzó kisülés

Az áram-feszültség karakterisztikán ez a C és F pont közötti zónának felel meg. Az ábrán látható, hogy a feszültség változik (esik és emelkedik), miközben az áram folyamatosan növekszik. Két alzóna érdekes:

1. Pontok OE - normál izzó kisülés. Az áramerősség növekedésének oka itt a gázban lévő plazmaterület növekedésével függ össze. Azaz eleinte keskeny kis csatornákról van szó, majd a hideg elektronemisszió miatt addig tágulnak, amíg el nem érik a cső teljes térfogatát. Ettől kezdve van átmenet a következő alzónába.
2. EF pontok - rendellenes kisülés. Ennek a gázban lévő önfenntartó kisülésnek az árama a forró elektronkibocsátás következtében növekedni kezd. A katód hőmérséklete fokozatosan emelkedik, és negatív töltésű részecskéket bocsát ki.

Minden neon- és fénycső a normál izzítási tartományban működik.

Szikra- és ívkisülések

Az ilyen típusú önfenntartó kisülések az ábrán az FG zónát fedik le. Itt zajlanak a legösszetettebb folyamatok.

Amikor az elektródák közötti feszültség a maximális értékre emelkedik (F pont), és aktiválódik az elektronok hőemissziója a katódról, akkor kedvező feltételek jönnek létre az instabil szikrakisülés kialakulásához. Rövid távú meghibásodásokat (mikroszekundumokat) jelent, amelyek jellegzetes cikkcakk alakúak. A természetben feltűnő példa a villámlás a légkörben.

A kisülés keskeny csatornákon keresztül történik, amelyeket streamereknek neveznek. Erősen ionizált plazma keskeny szaggatott vonalai, amelyek összekötik a katód felületét az anód felületével. Az áramerősség bennük eléri a több tízezer ampert.

A szikratöltés stabilizálása stabil ív kialakulásához vezet (G pont). Ebben az esetben a csőben lévő gáz teljes térfogata erősen ionizált plazma. A katód felületét 5000-6000 K-re, az anódot pedig 3000 K-re melegítik. A katód ilyen erős melegítése úgynevezett "forró pontok" kialakulásához vezet rajta, amelyek erőteljes hőforrássá válnak. elektronokat és ennek az elektródának az eróziós kopását okozzák. Az ívkisülés során a feszültség nem magas (több tíz volt), de az áram elérheti a 100 A-t vagy még többet is. A hegesztőív kiváló példája ennek a kisülési típusnak.

Így a független és nem önfenntartó kisülések a gázokban annak ionizációs és plazmaképződésének mechanizmusaiból adódnak a rendszerben növekvő feszültség és áram mellett.

A gázmolekulák normál körülmények között semlegesek, ezért a gázok szigetelők. A gáz akkor válik vezetővé, ha egyes molekulái ionizálódnak. Ionizáció - egy vagy több elektron elvesztése egy molekula vagy atom által - akkor fordulhat elő, amikor egy gázt felmelegítenek, amikor erős elektromágneses mezőbe vezetik, röntgensugárzásnak, ultraibolya sugárzásnak és radioaktív sugárzásnak kitéve. Az egy vagy több elektront vesztett semleges molekula pozitív töltésű ionná válik. A szabad elektronok egy részét semleges atomok és molekulák befogják, és negatív ionok képződnek. Ezért az ionok párban jelennek meg.

Mivel a semleges atomok és molekulák stabil képződmények, bizonyos mennyiségű energiát kell fordítani ionizálásukra. Az atom vagy molekula ionizálásához szükséges minimális energiát ún ionizációs energia. Ez az anyag kémiai természetétől és az atomból vagy molekulából eltávolított elektron energiaállapotától függ.

Ha a molekula az ionizációs energiánál kisebb energiát kap, gerjesztett állapotba kerül. Egy nagyságrendi idő elteltével visszatér az alapállapotba, és a többletenergia fénykvantum formájában távozik.

A gázok ionizációjával egyidejűleg fordított folyamat megy végbe - az ionok rekombinációja semleges molekulák képződésével. Az ionok eltűnése a rekombináció során szintén párban történik. A molekulák ionizálására fordított energia általában az ionok rekombinációja során szabadul fel sugárzási kvantumok formájában.

Az ionok és a szabad elektronok elektromos áramvezetővé teszik a gázt. Ha ionizált gázban elektromos mező jön létre, akkor az ionok és elektronok rendezett mozgása következik be - elektromos áram. Azt a folyamatot, amely során elektromos áram áthalad egy gázon, ún gázkisülés. Kétféle gázkibocsátás létezik: független és független.

Ha a gáz elektromos árama egy külső ionizáló hatásának köszönhető, és az ionizátor megszűnése után eltűnik, akkor az ilyen kisülést nem önfenntartónak nevezzük..

A nem önfenntartó gázkisülés gyenge gázionizációval megy végbe. Alacsony áramsűrűség, valamint fény- és hanghatások hiánya jellemzi. Ezért nem önfenntartó váladékozást is neveznek csendes kisülés. Ionizációs kamrákban és elemi részecskék számlálóiban használják.

Tekintsük a párhuzamos elektródák közötti nem önfenntartó gázkisülés során végbemenő fizikai folyamatokat (60.1. ábra). Tegyük fel, hogy egységnyi térfogatban minden másodpercre egy ionpár képződik. Ugyanakkor az ionpárok egységnyi térfogatban rekombinálódnak. Ezen túlmenően, egységnyi idő alatt egy ionpár jut egységnyi térfogatról az elektródákra.

Az ionkoncentráció növekedését a rekombináció fokozódása kíséri. Az eredmény egy egyensúlyi állapot:

Nézzük a határeseteket.

1. Ha az elektródák közötti feszültség kicsi, akkor az elektromos tér gyenge () és ennek megfelelően az áramsűrűség alacsony ( , ). Ebben az esetben és . Ezután az (55.3) és (55.9) képleteket használva a következőket kapjuk:

hol van az ionok töltése, n- koncentrációjuk, , - ionok mobilitása.

Így kis feszültségértékeknél elektromos mező a nem önfenntartó gázkisülés engedelmeskedik Ohm törvényének: az áramsűrűség egyenesen arányos az intenzitással.

Az elektródák közötti térerősség növekedésével az ionok az elektródákhoz kerülnek anélkül, hogy lenne idejük rekombinálni (). Ezért

Ha az elektródák területe Sés a köztük lévő távolságot l, akkor minden másodpercben az elektródák elérnek egy ionpárt. Olyan áramot hoznak létre, amelynek ereje az

. (60.3)

Az (53.4) és (60.3) képleteket kombinálva kiszámítjuk az áramsűrűséget

Következésképpen az elektródák közötti térerősség nagy értékeinél az áramsűrűség nem függ az erősségtől. Ez azt jelenti, hogy a (60.4) képlet határozza meg a sűrűséget telítési áram.

Egyeseknek ez is elég nagyon fontos feszültség esetén az áramsűrűség meredek növekedése figyelhető meg. Ez azzal magyarázható, hogy a gáz külső forrás általi ionizálása során képződött szabad elektronoknak a szabad út során a molekulák ionizációjához elegendő energiát kell felhalmozniuk. Az ilyen ionizációt sokknak nevezik. Az ionizáció eredményeként másodlagos elektronok keletkeznek, amelyeket az elektromos tér is felgyorsít, és ezáltal új gázmolekulákat ionizál. A gázban elektronlavinák jelennek meg, vezetőképessége megnő. A kisülés azonban ebben az esetben is a külső ionizáló működésének befejezésekor csak addig tart, amíg az ionizáció során nyert elektronok el nem érik az anódot, vagyis ilyen körülmények között is a kisülés nem önfenntartó jellegű. egy.

Az e-mailek átadásának folyamata. nevezett gázon áthaladó áram. gázkisülés.

Kétféle kisülés létezik: független és nem független.

Ha létrejön a gáz elektromos vezetőképessége. külső ionizátorok, majd el. a benne lévő áramot ún. nesamost. gázkisülés. V

Fontolgat. email séma, ösz. kondenzátorból, galvanométerből, voltmérőből és áramforrásból.

Egy lapos kondenzátor lemezei között levegő van légköri nyomásés szoba t. Ha a kondenzátorra több száz voltos U értéket adunk, és az ionizátor nem működik, akkor az áram galvanométer nem regisztrál, amint a lemezek közötti tér elkezd behatolni. UV-sugarak áramlását, a galvanométer regisztrálni kezd. jelenlegi. Ha az áramforrást kikapcsolják, az áramkörön keresztüli áram leáll, ez az áram nem önfenntartó kisülés.

j = γ*E – Ohm törvénye el-re. áram a gázokban.

Kellően erős e. mezőben a gázban megindul az önionizációs folyamat, melynek köszönhetően az áram külső ionizátor hiányában is létezhet. Az ilyen áramot független gázkisülésnek nevezzük. Az önionizációs folyamatok általánosságban a következők. A természetben. konv. Egy gáz mindig tartalmaz kis mennyiségű szabad elektront és iont. Olyan természetek teremtették őket. ionizátorok, mint az űr. sugarak, radioaktív anyagok sugárzása, szóda a talajban és a vízben. Elég erős email. a mező képes felgyorsítani ezeket a részecskéket olyan sebességre, amelyen azok kinetikus energia meg fogja haladni az ionizációs energiát, amikor az elektronok és ionok ütköznek az elektródák felé vezető úton a neut. molekulák ionizálják azokat a molekulákat. arr. ütközéskor az új szekunder elektronok és ionok is felgyorsulnak. mezőbe, és viszont ionizálják az új neutronokat. molekulák. A gázok leírt önionizációját ütési polírozásnak nevezzük. szabad elektronokütési ionizációt okoznak már E=10 3 V/m-nél. Az ionok viszont csak E=10 5 V/m-nél tudnak ütközésionizációt okozni. Ez a különbség számos okra vezethető vissza, különösen annak, hogy az elektronok átlagos szabad útja sokkal hosszabb, mint az ionoké. Ezért az ionok az ionizációhoz szükséges energiát kisebb térerősség mellett szerzik be, mint az ionok. Azonban még a nem túl erős mezőkön is „+” ionok játszanak fontos szerep az önionizációban. A helyzet az, hogy ezeknek az ionoknak az energiája kb. elég ahhoz, hogy kiüsse az elektronokat a fémekből. Ezért a „+” mező által diszpergált ionok a térforrás fémkatódjához ütközve kiütik az elektronokat a katódból. Ezek a kiütött elektronok mezőben, és a molekulák ütközési ionizációját idézik elő. Az ionok és elektronok, amelyek energiája nem elegendő az ütközési ionizációhoz, mégis gerjesztéshez vezethetik őket molekulákkal való ütközéskor. állapotot, azaz némi energiaváltozást okozni az e-mailben. semleges héjak atomok és molekulák. Excit. egy atom vagy molekula egy idő után normális állapotba kerül, miközben fotont bocsát ki. A fotonok kibocsátása a gázok izzásában nyilvánul meg. Ezen kívül egy foton, elnyeli. bármelyik gázmolekula képes ionizálni, ezt a fajta ionizációt nevezzük fotonionizáció. A fotonok egy része eltalálja a katódot, elektronokat tudnak kiütni onnan, amelyek aztán a neutron ütközési ionizációját idézik elő. molekulák.

A becsapódás és a fotonionizáció, valamint az elektronoknak a „+” kódból való ionok általi kiütése következtében a fotonok és elektronok száma a gáz teljes térfogatában meredeken (lavinaszerűen) növekszik, és a külső ionizátor nem. szükséges az áram létezéséhez a gázban, és a kisülés válik független. A gázkisülés CVC-je a következő.

Az elektromos áram olyan áramlás, amelyet az elektromosan töltött részecskék rendezett mozgása okoz. A töltések mozgását az elektromos áram irányának tekintjük. Az elektromos áram lehet rövid és hosszú távú.

Az elektromos áram fogalma

Villámkisülés során elektromos áram keletkezhet, amelyet rövid távúnak nevezünk. Az áram hosszú távú fenntartásához pedig elektromos mezőre és szabad elektromos töltéshordozókra van szükség.

Különböző töltésű testek hoznak létre elektromos teret. Az áramerősség a vezető keresztmetszetén egy időintervallumban átvitt töltés és ehhez az időintervallumhoz viszonyított aránya. Amperben mérik.

Rizs. 1. Aktuális képlet

Elektromos áram a gázokban

A gázmolekulák normál körülmények között nem vezetnek elektromosságot. Ezek szigetelők (dielektrikumok). Ha azonban megváltoztatja a feltételeket környezet, akkor a gázok elektromos vezetőkké válhatnak. Ionizáció eredményeként (hevítéskor vagy hatása alatt radioaktív sugárzás) a gázokban elektromos áram keletkezik, amelyet gyakran az "elektromos kisülés" kifejezés helyettesít.

Önfenntartó és nem önfenntartó gázkisülések

A gázkibocsátás lehet önfenntartó és nem önfenntartó. Az áram akkor kezd létezni, amikor az ingyenes díjak megjelennek. A nem önfenntartó kisülések mindaddig léteznek, amíg külső erő hat rá, vagyis külső ionizáló. Vagyis ha a külső ionizáló nem működik, akkor az áram leáll.

Az elektromos áram független kisülése a gázokban a külső ionizáló leállása után is fennáll. A független kisülések a fizikában csendes, parázsló, íves, szikra, korona kisülésekre oszthatók.

• Csendes - a független kisülések közül a leggyengébb. Az áramerősség nagyon kicsi (legfeljebb 1 mA). Nem kíséri hang- vagy fényjelenség.
• Parázsló - ha növeli a feszültséget csendes kisülésnél, akkor a következő szintre megy - izzó kisülés. Ebben az esetben ragyogás jelenik meg, amelyet rekombináció kísér. Rekombináció - a fordított ionizációs folyamat, egy elektron és egy pozitív ion találkozása. Baktériumölő és világító lámpákban használják.

Rizs. 2. Izzó kisülés

• Ív - az áramerősség 10 A és 100 A között mozog. Ebben az esetben az ionizáció közel 100%. Ez a fajta kisülés például egy hegesztőgép működése során fordul elő.

Rizs. 3. Ívkisülés

• szikrázó - az ívkisülés egyik fajtájának tekinthető. Egy ilyen kisütés során nagyon rövid idő alatt bizonyos mennyiségű villamos energia áramlik.
• koronakisülés – a molekulák ionizációja kis görbületi sugarú elektródák közelében megy végbe. Ez a típusú töltés akkor következik be, amikor az elektromos térerősség drámaian megváltozik.

Mit tanultunk?

A gáz atomjai és molekulái önmagukban semlegesek. Feltöltődnek, ha kifelé vannak kitéve. Röviden szólva róla elektromos áram gázokban, akkor a részecskék irányított mozgását reprezentálja (pozitív ionok a katódra és negatív ionok az anódra). Az is fontos, hogy ha a gázt ionizáljuk, a vezetőképessége javuljon.

Téma kvíz

Jelentés értékelése

Átlagos értékelés: 4.1. Összes értékelés: 436.