Тема 7. Электропроводность жидкостей и газов.

§1. Электрический ток в газах.

§2. Несамостоятельный и самостоятельный газовые разряды.

§3. Виды несамостоятельного разряда и их техническое использование.

§4. Понятие о плазме.

§5. Электрический ток в жидкостях.

§6. Законы электролиза.

§7. Технические применения электролиза (самостоятельно).

Электрический ток в газах.

В обычных условиях газы являются диэлектриками и становятся проводниками лишь тогда, когда они каким-то образом ионизированы. Ионизаторами могут служить рентгеновские лучи, космические лучи, ультрафиолетовые лучи, радиоактивное излучение, интенсивное нагревание и др.

Процесс ионизации газов заключается в том, что под действием ионизатора от атомов отщепляется один или несколько электронов. В результате этого вместо нейтрального атома возникают положительный ион и электрон.

Электроны и положительные ионы, возникшие во время действия ионизатора, не могут долго существовать раздельно и, воссоединяясь, вновь образуют атомы или молекулы. Это явление называется рекомбинацией .

При помещении ионизированного газа в электрическое поле на свободные заряды действуют электрические силы и они дрейфуют параллельно линиям напряжённости – электроны и отрицательные ионы к аноду (электрод некоторого прибора, присоединённый к положительному полюсу источника питания), положительные ионы – к катоду (электрод некоторого прибора, присоединённый к отрицательному полюсу источника тока). На электродах ионы превращаются в нейтральные атомы, отдавая или принимая электроны, тем самым замыкая цепь. В газе возникает электрический ток. Электрический ток в газах называется газовым разрядом . Таким образом, проводимость газов имеет электронно-ионный характер .

Несамостоятельный и самостоятельный газовые разряды.

Соберём электрическую цепь, содержащую источник тока, вольтметр , амперметр и две металлические пластины, разделённые воздушным промежутком.

Если поместить вблизи воздушного промежутка ионизатор , то в цепи возникнет электрический ток, исчезающий с действием ионизатора.

Электрический ток в газе с несамостоятельной проводимостью называется несамостоятельным газовым разрядом . График зависимости разрядного тока от разности потенциалов между электродами – вольтамперная характеристика газового разряда:

ОА – участок на котором соблюдается закон Ома. Только часть заряженных частиц доходит до электродов, частьрекомбинирует;

АВ – пропорциональность закона Ома нарушается и, начиная с ток не изменяется. Наибольшую силу тока, возможную при данном ионизаторе называют током насыщения ;

ВС –самостоятельный газовый разряд , в этом случае газовый разряд продолжается и после прекращения действия внешнего ионизатора за счет ионов и электронов, возникших в результате ударной ионизации (ионизации эл. удара); возникает при увеличении разности потенциалов между электродами (возникает электронная лавина ).

Электрический самостоятельный и несамостоятельный разряд возникает в различных газовых средах при наличии определенных условий. Человеком используется, как правило, самостоятельный разряд. В статье дается характеристика указанным явлениям.

Что такое в газах?

Прежде чем рассматривать газовый разряд самостоятельный и несамостоятельный, дадим определение этому явлению. Под разрядом понимают возникновение электрического тока в газе. Поскольку газовые среды по своей природе являются изоляторами, то это означает, что ток обусловлен наличием в них свободных носителей электрического заряда. Помимо них также должно существовать электрическое поле, чтобы заряды приобретали направленное движение.

Электрическое поле может быть создано путем приложения к объему газа внешней разности потенциалов (наличие электродов: отрицательный катод и положительный анод).

Источниками носителей заряда могут быть следующие процессы:

• Термоионизация. Она возникает за счет механического столкновения газовых частиц (атомов, молекул) высоких энергий и выбивания из них электронов. Этот процесс активируется при увеличении температуры.
• Фотоионизация. Ее суть заключается в поглощении электроном высокоэнергетического фотона и его отрыв от атома.
• Холодная эмиссия электронов. Возникает за счет бомбардировки ионами поверхности катода.
• Термоэлектронная эмиссия. Этот процесс обусловлен испарением электронов высоких энергий из катода и их участием в последующей ионизации плазмы.

Названные процессы лежат в основе классификации типов разрядов (самостоятельный и несамостоятельный).

Понятие о самостоятельности разряда

Рассмотрим случай с катодной трубкой. Она представляет собой запаянную емкость, в которой имеется некоторый газ под определенным давлением. На концах этой трубки находятся электроды. Если к ним приложить небольшую разность потенциалов, то практически никакого тока не возникнет. Связано это с отсутствием достаточного количества носителей заряда.

Если же нагреть газ или подвергнуть его облучению ультрафиолетом, то вольтметр сразу зафиксирует появление тока. Это яркий пример несамостоятельного разряда. Он так называется, потому что для его существования необходимым внешний источник ионизации (излучение, температура). Стоит убрать этот источник, как показания вольтметра снова станут равными нулю.

Если же при отсутствии внешних источников ионизации увеличивать напряжение между электродами трубки, то начнет появляться ток, который пройдет несколько стадий (насыщение, возрастание, убывание). В этом случае говорят о самостоятельном электрическом разряде. Он уже не требует внешних источников, необходимые носители заряда порождаются внутри самой системы. Процессы их образования остаются теми же, что и для несамостоятельного разряда. При высоких напряжениях и больших плотностях тока добавляется еще и термоэмиссия электронов катода.

Вольтамперная характеристика разряда

Газовый самостоятельный и несамостоятельный разряд удобно изучать, если использовать зависимость напряжения от силы тока (или наоборот), которую принято называть вольтамперной характеристикой. Она позволяет судить не только о величине напряжения и тока в системе, но и о происходящих в ней электрических процессах.

Ниже приведена вольтамперная характеристика, на которой отражены все основные фазы развития разряда.

Как видно их три: темный, тлеющий и дуговой. Далее в статье опишем подробнее эти фазы.

Темный разряд

Он описывается промежутком AC. При увеличении напряжения U, ток I растет за счет увеличения скорости движения ионов. Однако эти скорости невелики, поэтому имеет место несамостоятельный разряд. В области BC он выходит на насыщение и становится самостоятельным, поскольку скорость ионов становится достаточной, чтобы при бомбардировке катода выбивать из него электроны. Эти электроны приводят к дополнительной ионизации газа.

Темный заряд получил такое название потому, что его свечение практически равно нулю: низкая концентрация плазмы, малые токи (10 -8 А), отсутствие рекомбинации ионов и электронов.

Тлеющий разряд

На вольтамперной характеристике ему соответствует зона между точками C и F. Из рисунка видно, что напряжение изменяется (падает и растет), ток же постоянно увеличивается. Интерес представляют две подзоны:

1. Точки OE - нормальный тлеющий разряд. Причина роста тока здесь связана с увеличением площади плазмы в газе. То есть сначала это узкие небольшие каналы, затем за счет холодной эмиссии электронов они расширяются, пока не достигнут всего объема трубки. С этого момента наступает переход в следующую подзону.
2. Точки EF - аномальный разряд. Ток этого самостоятельного разряда в газе начинает расти за счет горячей электронной эмиссии. Температура катода постепенно повышается, и он начинает испускать отрицательно заряженные частицы.

В нормальной области тлеющего разряда работают все неоновые и люминесцентные лампы.

Искровой и дуговой разряды

Эти виды самостоятельных разрядов охватывают зону FG на рисунке. Здесь происходят самые сложные процессы.

Когда напряжение между электродами вырастет на максимальную величину (точка F), и произойдет активация термоэмиссии электронов с катода, тогда создадутся благоприятные условия для формирования нестабильного искрового разряда. Он представляет собой кратковременные пробои (микросекунды), которые имеют характерную зигзагообразную форму. Яркий пример в природе - молния в атмосфере.

Разряд происходит по узким каналам, которые называют стримерами. Они представляют собой узкие ломаные линии высокоионизированной плазмы, которые соединяют катодную поверхность с анодной. Сила тока достигает в них десятков тысяч ампер.

Стабилизация искрового заряда ведет к формированию устойчивой дуги (область точки G). В этом случае весь объем газа в трубке - это высокоионизированная плазма. Поверхность катода разогревается до 5000-6000 К, а анода - до 3000 К. Такой сильный нагрев катода приводит к образованию на нем так называемых "горячих пятен", которые становятся мощным источником термоэлектронов и являются причиной эрозионного износа этого электрода. Напряжение при дуговом разряде не является высоким (несколько десятков вольт), а вот сила тока может достигать 100 А и больше. Сварочная дуга - яркий пример этого типа разряда.

Таким образом, существование самостоятельного и несамостоятельного разрядов в газах обусловлено механизмами его ионизации и формирования плазмы при увеличении напряжения и силы тока в системе.

Молекулы газов при обычных условиях нейтральны, поэтому газы являются диэлектриками. Газ становится проводником при ионизации части его молекул. Ионизация - потеря молекулой или атомом одного или нескольких электронов - может происходить при нагревании газа, при внесении его в сильное электромагнитное поле, при воздействии рентгеновских, ультрафиолетовых лучей, радиоактивных излучений. Нейтральная молекула, потерявшая один или несколько электронов, превращается в положительно заряженный ион. Часть свободных электронов захватывается нейтральными атомами и молекулами, при этом образуются отрицательные ионы. Следовательно, ионы возникают парами.

Так как нейтральные атомы и молекулы представляют собой устойчивые образования, то для ионизации их необходимо затратить определенную энергию. Минимальная энергия, которую нужно затратить для ионизации атома или молекулы, называется энергией ионизации . Она зависит от химической природы вещества и энергетического состояния электрона, удаляемого из атома или молекулы.

Если молекула получает энергию, меньшую энергии ионизации, она переходит в возбужденное состояние. Спустя время порядка она возвращается в основное состояние, а избыточная энергия излучается в виде кванта света.

Одновременно с ионизацией в газах происходит обратный процесс - рекомбинация ионов с образованием нейтральных молекул. Исчезновение ионов при рекомбинации также происходит парами. Энергия, затраченная на ионизацию молекул, при рекомбинации ионов выделяется обычно в виде квантов излучения.

Ионы и свободные электроны делают газ проводником электричества. Если в ионизированном газе создать электрическое поле, то возникнет упорядоченное движение ионов и электронов - электрический ток. Процесс прохождения электрического тока в газе называется газовым разрядом . Различают два вида газовых разрядов: несамостоятельный и самостоятельный .

Если электрический ток в газе обусловлен действием внешнего ионизатора и исчезает после прекращения действия ионизатора, то такой разряд называется несамостоятельным .

Несамостоятельный газовый разряд протекает при слабой ионизации газа. Для него характерна малая плотность тока и отсутствие световых и звуковых эффектов. Поэтому несамостоятельный разряд называется также тихим разрядом . Используется он в ионизационных камерах и счетчиках элементарных частиц.

Рассмотрим физические процессы, имеющие место при несамостоятельном газовом разряде между параллельными электродами (рис. 60.1). Предположим, что за каждую секунду в единице объ-ема образуется пар ионов. В это же время в единице объема рекомбинируют пар ионов. Кроме того, за единицу времени из единицы объема к электродам уходят пар ионов.

Нарастание концентрации ионов сопровождается усилением рекомбинации. В результате наступает состояние равновесия:

Рассмотрим предельные случаи.

1. Если напряжение между электродами мало, то электрическое поле слабое () и соответственно будет мала плотность тока ( , ). В этом случае и . Тогда, используя формулы (55.3) и (55.9), находим:

где - заряд ионов, n - их концентрация, , - подвижности ионов.

Таким образом, при малых значениях напряженности электрического поля несамостоятельный газовый разряд подчиняется закону Ома: плотность тока прямо пропорциональна напряженности.

С увеличением напряженности поля между электродами ионы уходят к электродам, не успевая рекомбинировать (). Поэтому

Если площадь электродов S , а расстояние между ними l , то каждую секунду электродов достигает пар ионов. Они создают ток, сила которого равна

. (60.3)

Объединяя формулы (53.4) и (60.3), рассчитаем плотность тока

Следовательно, при больших значениях напряженности поля между электродами плотность тока не зависит от напряженности. Это означает, что формула (60.4) определяет плотность тока насыщения.

При некотором достаточно большом значении напряженности наблюдается резкое возрастание плотности тока. Это объясняется тем, что свободные электроны, образующиеся при ионизации газа внешним источником, за время свободного пробега успевают приобрести энергию, достаточную для ионизации молекул при столкновении с ними. Такая ионизация называется ударной. В результате ионизации образуются вторичные электроны, которые тоже ускоряются электрическим полем и в свою очередь ионизируют новые молекулы газа. В газе возникают электронные лавины, его проводимость возрастает. Однако и в этом случае при прекращении действия внешнего ионизатора разряд продолжается лишь до тех пор, пока полученные при ионизации электроны достигнут анода, т. е. и при этих условиях разряд носит характер несамостоятельного.

Процесс прохождения эл. тока через газ назыв. газовым разрядом.

Различают 2 вида разрядов: самостоятельный и несамостоятельный.

Если электропроводность газа созд. внешн. ионизаторами, то эл. ток в нем назыв. несамост. газовым разрядом. V

Рассм. эл. схему, сост. из конденсатора, гальванометра, вольтметра и источника тока.

Между пластинами плоского конденсатора находится воздух при атмосферном давлении и комнатной t. Если к конденсатору приложено U, равное нескольким сотням вольт, а ионизатор не работает, то гальванометр тока не регистрирует, однако как только пространство между пластинами начнет прониз. поток УФ – лучей, гальванометр начнет регистр. ток. Если источник тока выкл., прохождение тока по цепи прекратится, этот ток и представляет собой несамостоятельный разряд.

j = γ*E – закон Ома для эл. тока в газах.

При достаточно сильном эл. поле в газе начинается процесс самоионизации, благодаря которому ток может существовать в отсутствии внешнего ионизатора. Такого рода ток называется самостоятельным газовым разрядом. Процессы самоионизации в общих чертах заключается в следующем. В естеств. усл. в газе всегда имеется небольшое количество свободных электронов и ионов. Они создаются такими естеств. ионизаторами, как космич. лучи, излучения радиоактивных веществ, сод в почве и воде. Достаточно сильное эл. поле может разогнать эти частицы до таких скоростей, при которых их кинетическая энергия превысит энергию ионизации, когда электроны и ионы, столкнувшись на пути к электродам с нейт. молекулами будут ионизировать эти молекулы. Обр. при соударении новые вторичные электроны и ионы также разгон. полем и в свою очередь ионизируют новые нейтр. молекулы. Описанная самоионизация газов называется ударной полизацией. Свободные электроны вызывают ударную ионизацию уже при Е=10 3 В/м. Ионы же могут вызывать ударную ионизацию только при Е=10 5 В/м. Это различие обусловлено рядом причин, в частности тем, что для электронов длина свободного пробега значительно больше, чем для ионов. Поэтому ионы приобретают необходимую для ударной ионизации энергию при меньшей напряжённости поля, чем ионы. Однако и при не слишком сильных полях “+” ионы играют важную роль в самоионизации. Дело в том, что энергия этих ионов ок. достаточной для выбивания электронов из металлов. Поэтому разогнанные полем ”+“ ионы, ударяясь о металлический котод источника поля, выбивают из котода электороны. Эти выбитые электроны разг. полем и пооизводят ударную ионизацию молекул. Ионы и электроны, энергия которых недостаточна для ударной ионизации могут тем не менее при столкновении с молекулами приводить их в возб. состояние, то есть вызвать некоторые энергетические изменения в эл. оболочках нейтр. атомов и молекул. Возб. атом или молекула через некоторое время переходит в нормальное состояние, при этом она испускает фотон. Испускание фотонов проявляется в свечении газов. Кроме того, фотон, погл. какой-либо из молекул газа может ионизировать её, такого рода ионизация называется фотоннойионизацией. Часть фотонов попадает на котод, они могут выбить из него электроны, которые затем вызовут ударную ионизацию нейтр. молекул.

В результате ударной и фотонной ионизаций и выбиваний электронов из кода “+” ионами фотонами количество фотонов и электронов во всём объёме газа резко (лавинообразно) возрастает и для существования тока в газе не нужен внешний ионизатор, а разряд становится самостоятельным . ВАХ газового разряда выглядит следующим образом.

Электрическим током называют поток, который обусловлен упорядоченным движением электрически заряженных частиц. Движение зарядов принято за направление электрического тока. Электрический ток может быть кратковременным и долговременным.

Понятие электрического тока

При грозовом разряде может возникнуть электрический ток, который называют кратковременным. А для поддержания тока в течение длительного времени необходимо наличие электрического поля и свободных носителей электрического заряда.

Электрическое поле создают тела, заряженные разноименно. Силой тока называют отношение заряда, переносимое через поперечное сечение проводника за интервал времени, к этому интервалу времени. Измеряется она в Амперах.

Рис. 1. Формула силы тока

Электрический ток в газах

Молекулы газа в обычных условиях не проводят электрический ток. Они являются изоляторами (диэлектриками). Однако, если изменить условия окружающей среды, то газы могут стать проводниками электричества. В результате ионизации (при нагреве или под действием радиоактивного излучения) возникает электрический ток в газах, который часто заменяют термином «электрический разряд».

Самостоятельные и несамостоятельные газовые разряды

Разряды в газе могут быть самостоятельными и несамостоятельными. Ток начинает существовать, когда появляются свободные заряды. Несамостоятельные разряды существуют пока на него действует сила извне, то есть внешний ионизатор. То есть, если внешний ионизатор перестал действовать, то и ток прекращается.

Самостоятельный разряд электрического тока в газах существует даже после прекращения действия внешнего ионизатора. Самостоятельные разряды в физике подразделяются на тихий, тлеющий, дуговой, искровой, коронный.

• Тихий – самый слабый из самостоятельных разрядов. Сила тока в нем очень мала (не более 1 мА). Он не сопровождается звуковыми или световыми явлениями.
• Тлеющий – если увеличить напряжение в тихом разряде, он переходит на следующий уровень – в тлеющий разряд. В этом случае появляется свечение, которое сопровождается рекомбинацией. Рекомбинация – обратный процесс ионизации, встреча электрона и положительного иона. Применяется в бактерицидных и осветительных лампах.

Рис. 2. Тлеющий разряд

• Дуговой – сила тока колеблется от 10 А до 100 А. Ионизация при этом равна почти 100%. Этот тип разряда возникает, например, при работе сварочного аппарата.

Рис. 3. Дуговой разряд

• Искровой – можно считать одним из видов дугового разряда. Во время такого разряда за очень короткое время протекает определенное количество электричества.
• Коронный разряд – ионизация молекул происходит вблизи электродов с малыми радиусами кривизны. Этот вид заряда происходит тогда, когда напряженность электрического поля резко изменяется.

Что мы узнали?

Сами по себе атомы и молекулы газа нейтральны. Они заряжаются при воздействии извне. Если говорить кратко об электрическом токе в газах, то он представляет собой направленное движение частиц (положительных ионов к катоду и отрицательных ионов к аноду). Также важным является, что при ионизации газа, его проводящие свойства улучшаются.

Тест по теме

Оценка доклада

Средняя оценка: 4.1 . Всего получено оценок: 436.