Argomento 7. Conducibilità elettrica di liquidi e gas.

§uno. Corrente elettrica nei gas.

§2. Scarichi di gas non autosufficienti e indipendenti.

§3. Tipi di scarichi non autosufficienti e loro utilizzo tecnico.

§4. Il concetto di plasma.

§5. Corrente elettrica nei liquidi.

§6. Leggi dell'elettrolisi.

§7. Applicazioni tecniche dell'elettrolisi (indipendentemente).

Corrente elettrica nei gas.

In condizioni normali, i gas sono dielettrici e diventano conduttori solo quando sono in qualche modo ionizzati. Gli ionizzatori possono esserlo Raggi X, raggi cosmici, raggi ultravioletti, radiazioni radioattive, riscaldamento intenso, ecc.

Processo di ionizzazione gas è che sotto l'azione di uno ionizzatore uno o più elettroni vengono scissi dagli atomi. Di conseguenza, invece di un atomo neutro, sorgono uno ione positivo e un elettrone.

Gli elettroni e gli ioni positivi che si sono formati durante l'azione dello ionizzatore non possono esistere separatamente per molto tempo e, ricombinandosi, formano nuovamente atomi o molecole. Questo fenomeno si chiama ri combinazione.

Quando un gas ionizzato viene posto in un campo elettrico, le forze elettriche agiscono su cariche libere e si spostano parallelamente alle linee di tensione - elettroni e ioni negativi per anodo(l'elettrodo di un dispositivo collegato al polo positivo della fonte di alimentazione), ioni positivi - a catodo(un elettrodo di un dispositivo collegato al polo negativo di una sorgente di corrente). Agli elettrodi, gli ioni si trasformano in atomi neutri donando o accettando elettroni, completando così il circuito. Nel gas viene generata una corrente elettrica. Si chiama corrente elettrica nei gas scarico di gas. Così, la conducibilità dei gas ha un carattere elettrone-ione.

Scarichi di gas non autosufficienti e indipendenti.

Assembliamo un circuito elettrico contenente una sorgente di corrente, un voltmetro, un amperometro e due piastre metalliche separate da un traferro.

Se si posiziona uno ionizzatore vicino al traferro, nel circuito apparirà una corrente elettrica, che scompare con l'azione dello ionizzatore.

Viene chiamata corrente elettrica in un gas con non autoconduttività scarico di gas non autosufficiente. Grafico della dipendenza della corrente di scarica dalla differenza di potenziale tra gli elettrodi - caratteristica corrente-tensione della scarica di gas:

OA - una sezione su cui si osserva la legge di Ohm. Solo una parte delle particelle cariche raggiunge gli elettrodi, una parte si ricombina;

AB - viene violata la proporzionalità della legge di Ohm e, a partire da, la corrente non cambia. Viene chiamata la corrente più alta possibile con un dato ionizzatore corrente di saturazione ;

Sole - scarico autonomo del gas, in questo caso la scarica di gas continua anche dopo la cessazione dell'azione dello ionizzatore esterno a causa degli ioni e degli elettroni che si sono formati a seguito di ionizzazione d'impatto(ionizzazione di scosse elettriche); si verifica con un aumento della differenza di potenziale tra gli elettrodi (si verifica valanga elettronica).

Le scariche elettriche autosufficienti e non autosufficienti si verificano in vari mezzi gassosi in determinate condizioni. Una persona usa, di regola, uno scarico indipendente. L'articolo fornisce una descrizione di questi fenomeni.

Cosa c'è nei gas?

Prima di considerare lo scarico di gas autonomo e non autosufficiente, definiamo questo fenomeno. Per scarica si intende il verificarsi di una corrente elettrica in un gas. Poiché i mezzi gassosi sono isolanti per loro natura, ciò significa che la corrente è dovuta alla presenza di portatori di carica elettrica liberi al loro interno. Oltre a questi, deve esistere anche un campo elettrico affinché le cariche acquisiscano un movimento diretto.

Un campo elettrico può essere creato applicando una differenza di potenziale esterna al volume del gas (presenza di elettrodi: catodo negativo e anodo positivo).

I seguenti processi possono essere fonti di vettori di addebito:

• Ionizzazione termica. Sorge a causa della collisione meccanica di particelle di gas ad alta energia (atomi, molecole) e dell'eliminazione degli elettroni da esse. Questo processo si attiva quando la temperatura aumenta.
• Fotoionizzazione. La sua essenza sta nell'assorbimento di un fotone ad alta energia da parte di un elettrone e nel suo distacco dall'atomo.
• Emissione di elettroni a freddo. Si verifica a causa del bombardamento ionico della superficie del catodo.
• Emissione termoionica. Questo processo è dovuto all'evaporazione degli elettroni ad alta energia dal catodo e alla loro partecipazione alla successiva ionizzazione del plasma.

Questi processi sono alla base della classificazione delle tipologie di scarichi (indipendenti e non indipendenti).

Il concetto di indipendenza dal discarico

Consideriamo il caso di un tubo catodico. È un contenitore sigillato in cui c'è del gas sotto una certa pressione. Alle estremità di questo tubo ci sono gli elettrodi. Se viene applicata loro una piccola differenza di potenziale, praticamente non si verificherà alcuna corrente. Ciò è dovuto alla mancanza di un numero sufficiente di vettori di ricarica.

Se, tuttavia, il gas viene riscaldato o sottoposto a irradiazione ultravioletta, il voltmetro registrerà immediatamente l'aspetto di una corrente. Questo è un vivido esempio di scarica non autosufficiente. È così chiamato perché per la sua esistenza è necessaria una fonte esterna di ionizzazione (radiazioni, temperatura). Vale la pena rimuovere questa fonte, poiché le letture del voltmetro torneranno a essere pari a zero.

Se, in assenza di fonti esterne di ionizzazione, la tensione tra gli elettrodi del tubo viene aumentata, inizierà ad apparire una corrente, che attraverserà più fasi (saturazione, aumento, diminuzione). In questo caso si parla di scarica elettrica indipendente. Non richiede più fonti esterne, i portatori di carica necessari sono generati all'interno del sistema stesso. I processi della loro formazione rimangono gli stessi di uno scarico non autosufficiente. Ad alte tensioni e densità di corrente elevate, viene aggiunta anche l'emissione termica di elettroni catodici.

Caratteristica corrente-tensione della scarica

È conveniente studiare una scarica di gas autosufficiente e non autosufficiente utilizzando la dipendenza della tensione dall'intensità della corrente (o viceversa), che è comunemente chiamata caratteristica corrente-tensione. Ti consente di giudicare non solo l'entità della tensione e della corrente nel sistema, ma anche i processi elettrici che si verificano in esso.

Di seguito è riportata la caratteristica corrente-tensione, che riflette tutte le fasi principali dello sviluppo della scarica.

Come puoi vedere, ce ne sono tre: scuro, fumante e ad arco. Descriveremo queste fasi in modo più dettagliato più avanti in questo articolo.

Scarico Oscuro

È descritto dall'intervallo AC. All'aumentare della tensione U, la corrente I aumenta a causa dell'aumento della velocità degli ioni. Tuttavia, queste velocità non sono elevate, quindi si verifica una scarica non autosufficiente. Nella regione BC si satura e diventa indipendente, poiché la velocità degli ioni diventa sufficiente per far uscire gli elettroni dal catodo quando viene bombardato. Questi elettroni portano a un'ulteriore ionizzazione del gas.

La carica oscura ha preso il nome perché il suo bagliore è quasi zero: bassa concentrazione di plasma, basse correnti (10 -8 A), nessuna ricombinazione di ioni ed elettroni.

scarica a bagliore

Sulla caratteristica corrente-tensione, corrisponde alla zona compresa tra i punti C e F. La figura mostra che la tensione cambia (decresce e sale), mentre la corrente aumenta costantemente. Sono di interesse due sottozone:

1. Punti OE - scarica a bagliore normale. Il motivo dell'aumento della corrente qui è associato ad un aumento dell'area del plasma nel gas. Cioè, all'inizio si tratta di piccoli canali stretti, quindi, a causa dell'emissione di elettroni freddi, si espandono fino a raggiungere l'intero volume del tubo. Da questo momento in poi si passa alla sottozona successiva.
2. Punti EF - scarica anomala. La corrente di questa scarica autosufficiente nel gas inizia a crescere a causa dell'emissione di elettroni caldi. La temperatura del catodo aumenta gradualmente e inizia a emettere particelle cariche negativamente.

Tutte le lampade al neon e fluorescenti funzionano nella normale regione di scarica del bagliore.

Scariche di scintille e archi

Questi tipi di scarichi autosufficienti coprono la zona FG in figura. È qui che avvengono i processi più complessi.

Quando la tensione tra gli elettrodi sale al valore massimo (punto F) e viene attivata l'emissione termica di elettroni dal catodo, si creeranno condizioni favorevoli per la formazione di una scarica instabile. Rappresenta guasti a breve termine (microsecondi), che hanno una caratteristica forma a zigzag. Un esempio lampante in natura sono i fulmini nell'atmosfera.

Lo scarico avviene attraverso canali stretti, chiamati streamer. Sono sottili linee spezzate di plasma altamente ionizzato che collegano la superficie del catodo con quella dell'anodo. L'attuale forza in essi raggiunge decine di migliaia di ampere.

La stabilizzazione della carica della scintilla porta alla formazione di un arco stabile (regione del punto G). In questo caso, l'intero volume di gas nel tubo è un plasma altamente ionizzato. La superficie del catodo viene riscaldata fino a 5000-6000 K e l'anodo fino a 3000 K. Un riscaldamento così forte del catodo porta alla formazione di cosiddetti "punti caldi" su di esso, che diventano una potente fonte di termoionico elettroni e causare l'usura erosiva di questo elettrodo. La tensione durante una scarica ad arco non è elevata (diverse decine di volt), ma l'intensità della corrente può raggiungere 100 A o più. L'arco di saldatura è un ottimo esempio di questo tipo di scarica.

Pertanto, l'esistenza di scariche indipendenti e non autosufficienti nei gas è dovuta ai meccanismi della sua ionizzazione e formazione del plasma con l'aumento della tensione e della corrente nel sistema.

Le molecole di gas sono neutre in condizioni normali, quindi i gas sono isolanti. Un gas diventa un conduttore quando alcune delle sue molecole vengono ionizzate. La ionizzazione - la perdita di uno o più elettroni da parte di una molecola o di un atomo - può verificarsi quando un gas viene riscaldato, quando viene introdotto in un forte campo elettromagnetico, quando esposto a raggi X, raggi ultravioletti e radiazioni radioattive. Una molecola neutra che ha perso uno o più elettroni diventa uno ione caricato positivamente. Alcuni degli elettroni liberi vengono catturati da atomi e molecole neutri e si formano ioni negativi. Pertanto, gli ioni appaiono in coppia.

Poiché gli atomi e le molecole neutri sono formazioni stabili, è necessario spendere una certa quantità di energia per ionizzarli. Viene chiamata l'energia minima richiesta per ionizzare un atomo o una molecola energia ionizzata. Dipende dalla natura chimica della sostanza e dallo stato energetico dell'elettrone rimosso dall'atomo o dalla molecola.

Se la molecola riceve un'energia inferiore all'energia di ionizzazione, entra in uno stato eccitato. Dopo un tempo dell'ordine di grandezza, ritorna allo stato fondamentale e l'energia in eccesso viene emessa sotto forma di un quanto di luce.

Contemporaneamente alla ionizzazione nei gas, si verifica il processo inverso: la ricombinazione degli ioni con la formazione di molecole neutre. La scomparsa degli ioni durante la ricombinazione avviene anche in coppia. L'energia spesa per la ionizzazione delle molecole viene solitamente rilasciata durante la ricombinazione degli ioni sotto forma di quanti di radiazione.

Ioni ed elettroni liberi rendono il gas un conduttore di elettricità. Se viene creato un campo elettrico in un gas ionizzato, si verificherà un movimento ordinato di ioni ed elettroni: una corrente elettrica. Si chiama il processo mediante il quale una corrente elettrica passa attraverso un gas scarico di gas. Esistono due tipi di scarichi gassosi: indipendente e indipendente.

Se la corrente elettrica nel gas è dovuta all'azione di uno ionizzatore esterno e scompare dopo la fine dello ionizzatore, tale scarica è chiamata non autosufficiente..

Una scarica di gas non autosufficiente procede con una debole ionizzazione del gas. È caratterizzato da una bassa densità di corrente e dall'assenza di effetti luminosi e sonori. Pertanto, viene anche chiamata una scarica non autosufficiente scarico tranquillo. Viene utilizzato nelle camere a ionizzazione e nei contatori di particelle elementari.

Considera i processi fisici che hanno luogo durante una scarica di gas non autosufficiente tra elettrodi paralleli (Fig. 60.1). Supponiamo che per ogni secondo in un'unità di volume si formi una coppia di ioni. Allo stesso tempo, coppie di ioni si ricombinano in un volume unitario. Inoltre, per unità di tempo, una coppia di ioni passa da un'unità di volume agli elettrodi.

Un aumento della concentrazione di ioni è accompagnato da un aumento della ricombinazione. Il risultato è uno stato di equilibrio:

Consideriamo i casi limite.

1. Se la tensione tra gli elettrodi è piccola, il campo elettrico è debole () e, di conseguenza, la densità di corrente sarà bassa ( , ). In questo caso e . Quindi, usando le formule (55.3) e (55.9), troviamo:

dov'è la carica degli ioni, n- la loro concentrazione, , - la mobilità degli ioni.

Quindi, per piccoli valori di tensione campo elettrico la scarica di gas non autosufficiente obbedisce alla legge di Ohm: la densità di corrente è direttamente proporzionale all'intensità.

Con un aumento dell'intensità del campo tra gli elettrodi, gli ioni vanno agli elettrodi senza avere il tempo di ricombinarsi (). Così

Se l'area degli elettrodi S, e la distanza tra loro l, quindi ogni secondo gli elettrodi raggiungono una coppia di ioni. Creano una corrente la cui forza è

. (60.3)

Combinando le formule (53.4) e (60.3), calcoliamo la densità di corrente

Di conseguenza, a valori elevati dell'intensità di campo tra gli elettrodi, la densità di corrente non dipende dall'intensità. Ciò significa che la formula (60.4) determina la densità corrente di saturazione.

Per alcuni è abbastanza Grande importanza tensione, si osserva un forte aumento della densità di corrente. Ciò è spiegato dal fatto che gli elettroni liberi formati durante la ionizzazione del gas da una sorgente esterna hanno il tempo di acquisire energia sufficiente per la ionizzazione delle molecole in caso di collisione con esse durante il percorso libero. Tale ionizzazione è chiamata shock. Come risultato della ionizzazione, si formano elettroni secondari, anch'essi accelerati dal campo elettrico e, a loro volta, ionizzano nuove molecole di gas. Nel gas compaiono valanghe di elettroni, la sua conduttività aumenta. Tuttavia, anche in questo caso, terminata l'azione dello ionizzatore esterno, la scarica continua solo fino a quando gli elettroni ottenuti durante la ionizzazione non raggiungono l'anodo, cioè anche in queste condizioni la scarica ha il carattere di non autosostenersi uno.

Il processo di passaggio della posta elettronica. corrente attraverso il gas chiamato. scarico di gas.

Esistono 2 tipi di scarichi: indipendenti e non indipendenti.

Se viene creata la conduttività elettrica del gas. esterno ionizzatori, quindi el. si chiama la corrente in esso contenuta. quasi. scarico di gas. v

Tenere conto. e-mail schema, comp. da un condensatore, un galvanometro, un voltmetro e una sorgente di corrente.

C'è aria tra le piastre di un condensatore piatto pressione atmosferica e camera t. Se al condensatore viene applicata una U pari a diverse centinaia di volt e lo ionizzatore non funziona, il galvanometro di corrente non viene registrato, tuttavia, non appena lo spazio tra le piastre inizia a penetrare. flusso di raggi UV, il galvanometro inizierà a registrare. attuale. Se la sorgente di corrente viene disattivata, il flusso di corrente attraverso il circuito si interrompe, questa corrente è una scarica non autosufficiente.

j = γ*E - Legge di Ohm per el. corrente nei gas.

Con una e sufficientemente forte. campo nel gas inizia il processo di autoionizzazione, grazie al quale la corrente può esistere in assenza di uno ionizzatore esterno. Questo tipo di corrente è chiamato scarica di gas indipendente. I processi di autoionizzazione in termini generali sono i seguenti. In natura. conv. Un gas contiene sempre una piccola quantità di elettroni e ioni liberi. Sono creati da tali nature. ionizzatori, come lo spazio. raggi, radiazioni di sostanze radioattive, soda nel suolo e nell'acqua. Email abbastanza forte. il campo può accelerare queste particelle a tali velocità alle quali esse energia cinetica supererà l'energia di ionizzazione quando elettroni e ioni si scontrano sulla loro strada verso gli elettrodi con il neutro. molecole ionizzeranno quelle molecole. arr. in caso di collisione, anche nuovi elettroni e ioni secondari accelerano. campo e a sua volta ionizzano nuovi neutroni. molecole. L'autoionizzazione dei gas descritta è chiamata lucidatura a impatto. elettroni liberi causare ionizzazione da impatto già a E=10 3 V/m. Gli ioni, invece, possono causare ionizzazione per impatto solo a E=10 5 V/m. Questa differenza è dovuta a una serie di ragioni, in particolare al fatto che per gli elettroni il cammino libero medio è molto più lungo che per gli ioni. Pertanto, gli ioni acquisiscono l'energia necessaria per la ionizzazione per impatto a un'intensità di campo inferiore rispetto agli ioni. Tuttavia, anche su campi non troppo forti, gli ioni “+” giocano ruolo importante nell'autoionizzazione. Il fatto è che l'energia di questi ioni è di ca. abbastanza per eliminare gli elettroni dai metalli. Pertanto, gli ioni dispersi dal campo “+”, colpendo il catodo metallico della sorgente del campo, eliminano gli elettroni dal catodo. Questi elettroni eliminati campo e produrre ionizzazione per impatto di molecole. Ioni ed elettroni, la cui energia è insufficiente per la ionizzazione per impatto, possono tuttavia portarli all'eccitazione quando entrano in collisione con le molecole. stato, cioè per causare alcuni cambiamenti di energia nell'e-mail. gusci di neutro atomi e molecole. eccitante. un atomo o una molecola dopo qualche tempo entra in uno stato normale, mentre emette un fotone. L'emissione di fotoni si manifesta nel bagliore dei gas. Inoltre, un fotone, assorbe. qualsiasi molecola di gas può ionizzarlo, si chiama questo tipo di ionizzazione fotonizzazione. Alcuni dei fotoni colpiscono il catodo, ne possono espellere gli elettroni, che quindi causano la ionizzazione per impatto del neutrone. molecole.

Come risultato dell'impatto e della ionizzazione dei fotoni e dell'eliminazione degli elettroni dal codice "+" da parte di ioni da parte di fotoni, il numero di fotoni ed elettroni nell'intero volume del gas aumenta bruscamente (simile a una valanga) e uno ionizzatore esterno non lo è necessario per l'esistenza di una corrente nel gas, e la scarica diventa indipendente. Il CVC dello scarico del gas è il seguente.

Una corrente elettrica è un flusso causato dal movimento ordinato di particelle caricate elettricamente. Il movimento delle cariche è preso come direzione della corrente elettrica. La corrente elettrica può essere a breve ea lungo termine.

Il concetto di corrente elettrica

Durante una scarica di un fulmine, può verificarsi una corrente elettrica, chiamata a breve termine. E per mantenere la corrente a lungo, è necessario avere un campo elettrico e portatori di carica elettrica liberi.

Un campo elettrico è creato da corpi caricati in modo diverso. La forza attuale è il rapporto tra la carica trasferita attraverso la sezione trasversale del conduttore in un intervallo di tempo e questo intervallo di tempo. Si misura in ampere.

Riso. 1. Formula attuale

Corrente elettrica nei gas

Le molecole di gas non conducono elettricità in condizioni normali. Sono isolanti (dielettrici). Tuttavia, se si modificano le condizioni ambiente, allora i gas possono diventare conduttori di elettricità. Come risultato della ionizzazione (se riscaldata o sotto l'azione di radiazioni radioattive) nei gas si forma una corrente elettrica, che viene spesso sostituita dal termine "scarica elettrica".

Scariche di gas autosufficienti e non autosufficienti

Gli scarichi in gas possono essere autosufficienti e non autosufficienti. La corrente inizia ad esistere quando compaiono le tariffe gratuite. Le scariche non autosufficienti esistono fintanto che su di essa agisce una forza esterna, cioè uno ionizzatore esterno. Cioè, se lo ionizzatore esterno smette di funzionare, la corrente si interrompe.

Una scarica indipendente di corrente elettrica nei gas esiste anche dopo la cessazione dello ionizzatore esterno. Le scariche indipendenti in fisica sono divise in silenziose, fumanti, ad arco, a scintilla, a corona.

• Silenzioso - il più debole degli scarichi indipendenti. La forza di corrente al suo interno è molto piccola (non più di 1 mA). Non è accompagnato da fenomeni sonori o luminosi.
• Fumante - se aumenti la tensione in una scarica silenziosa, passa al livello successivo - a una scarica a bagliore. In questo caso, appare un bagliore, che è accompagnato dalla ricombinazione. Ri combinazione - il processo di ionizzazione inversa, l'incontro di un elettrone e uno ione positivo. È usato in lampade battericide e di illuminazione.

Riso. 2. Scarica a bagliore

• Arco - la forza attuale varia da 10 A a 100 A. In questo caso, la ionizzazione è quasi del 100%. Questo tipo di scarica si verifica, ad esempio, durante il funzionamento di una saldatrice.

Riso. 3. Scarica dell'arco

• frizzante - può essere considerato uno dei tipi di scarica ad arco. Durante tale scarica, una certa quantità di elettricità scorre in un tempo molto breve.
• scarica corona – la ionizzazione delle molecole avviene in prossimità di elettrodi con piccoli raggi di curvatura. Questo tipo di carica si verifica quando l'intensità del campo elettrico cambia drasticamente.

Cosa abbiamo imparato?

Di per sé, gli atomi e le molecole di un gas sono neutri. Sono caricati se esposti all'esterno. Parlando brevemente di corrente elettrica nei gas, quindi, rappresenta il movimento diretto delle particelle (ioni positivi al catodo e ioni negativi all'anodo). È anche importante che quando il gas viene ionizzato, le sue proprietà conduttive migliorino.

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