Tema 7. Conductivitatea electrică a lichidelor și gazelor.

§unu. Curentul electric în gaze.

§2. Descărcări de gaze neautonome și independente.

§3. Tipuri de descărcări neautosusținute și utilizarea lor tehnică.

§4. Conceptul de plasmă.

§cinci. Curentul electric în lichide.

§6. Legile electrolizei.

§7. Aplicații tehnice ale electrolizei (independent).

Curentul electric în gaze.

În condiții normale, gazele sunt dielectrice și devin conductori numai atunci când sunt cumva ionizate. Ionizatorii pot fi raze X, raze cosmice, raze ultraviolete, radiații radioactive, încălzire intensă etc.

Procesul de ionizare gazele este că, sub acțiunea unui ionizator, unul sau mai mulți electroni sunt despărțiți de atomi. Ca rezultat, în locul unui atom neutru, apar un ion pozitiv și un electron.

Electronii și ionii pozitivi care au apărut în timpul acțiunii ionizatorului nu pot exista mult timp separat și, recombinându-se, formează din nou atomi sau molecule. Acest fenomen se numește recombinare.

Când un gaz ionizat este plasat într-un câmp electric, forțele electrice acționează asupra sarcinilor libere și se deplasează paralel cu liniile de tensiune - electroni și ioni negativi la anod(electrodul unui dispozitiv conectat la polul pozitiv al sursei de alimentare), ionii pozitivi - la catod(un electrod al unui dispozitiv conectat la polul negativ al unei surse de curent). La electrozi, ionii se transformă în atomi neutri donând sau acceptând electroni, completând astfel circuitul. Un curent electric este generat în gaz. Curentul electric din gaze se numește evacuarea gazelor. În acest fel, conductivitatea gazelor are caracter electron-ion.

Descărcări de gaze neautonome și independente.

Să asamblam un circuit electric care conține o sursă de curent, un voltmetru, un ampermetru și două plăci metalice separate printr-un spațiu de aer.

Dacă plasați un ionizator în apropierea spațiului de aer, atunci în circuit va apărea un curent electric, dispărând odată cu acțiunea ionizatorului.

Se numește curent electric dintr-un gaz cu neautoconductivitate descărcare de gaze neautosusținută. Graficul dependenței curentului de descărcare de diferența de potențial dintre electrozi - caracteristica curent-tensiune a descărcării de gaz:

OA - o secțiune pe care se respectă legea lui Ohm. Doar o parte din particulele încărcate ajunge la electrozi, o parte se recombină;

AB - proporționalitatea legii lui Ohm este încălcată și, pornind de la, curentul nu se modifică. Se numește cel mai mare curent posibil cu un ionizator dat curent de saturație ;

soare - descărcare independentă de gaz, în acest caz descărcarea gazoasă continuă chiar și după încetarea acțiunii ionizatorului extern datorită ionilor și electronilor care au apărut ca urmare a ionizare de impact(ionizarea șocului electric); apare cu o creștere a diferenței de potențial dintre electrozi (apare avalanșă electronică).

Descărcările electrice autonome și non-susținute au loc în diferite medii gazoase în anumite condiții. O persoană folosește, de regulă, o descărcare independentă. Articolul oferă o descriere a acestor fenomene.

Ce este în gaze?

Înainte de a lua în considerare descărcarea de gaze independentă și neauto-susținută, să definim acest fenomen. Descărcarea este înțeleasă ca apariția unui curent electric într-un gaz. Deoarece mediile gazoase sunt izolatoare prin natura lor, aceasta înseamnă că curentul se datorează prezenței purtătorilor liberi de sarcină electrică în ele. Pe lângă acestea, trebuie să existe și un câmp electric pentru ca sarcinile să dobândească o mișcare dirijată.

Un câmp electric poate fi creat prin aplicarea unei diferențe de potențial extern la volumul de gaz (prezența electrozilor: catod negativ și anod pozitiv).

Următoarele procese pot fi surse de purtători de taxe:

• Ionizare termică. Apare din cauza ciocnirii mecanice a particulelor de gaz de înaltă energie (atomi, molecule) și a scoaterii electronilor din acestea. Acest proces este activat atunci când temperatura crește.
• Fotoionizare. Esența sa constă în absorbția unui foton de înaltă energie de către un electron și detașarea acestuia de atom.
• Emisia rece de electroni. Apare din cauza bombardamentului ionic al suprafeței catodului.
• Emisia termoionică. Acest proces se datorează evaporării electronilor de înaltă energie din catod și participării lor la ionizarea ulterioară a plasmei.

Aceste procese stau la baza clasificării tipurilor de evacuări (independente și neindependente).

Conceptul de independență de descărcare

Luați în considerare cazul unui tub catodic. Este un recipient etanș în care există puțin gaz sub o anumită presiune. La capetele acestui tub sunt electrozi. Dacă li se aplică o mică diferență de potențial, atunci practic nu va apărea nici un curent. Acest lucru se datorează lipsei unui număr suficient de purtători de taxe.

Dacă, totuși, gazul este încălzit sau supus iradierii ultraviolete, atunci voltmetrul va înregistra imediat apariția unui curent. Acesta este un exemplu viu de descărcare non-susținută. Se numește așa deoarece pentru existența sa este necesară o sursă externă de ionizare (radiații, temperatură). Merită să eliminați această sursă, deoarece citirile voltmetrului vor deveni din nou egale cu zero.

Dacă, în absența surselor externe de ionizare, tensiunea dintre electrozii tubului crește, atunci va începe să apară un curent care va trece prin mai multe etape (saturare, creștere, scădere). În acest caz, se vorbește despre o descărcare electrică independentă. Nu mai necesită surse externe, purtătorii de încărcare necesari sunt generați în cadrul sistemului însuși. Procesele de formare a acestora rămân aceleași ca pentru o descărcare care nu se autosusține. La tensiuni înalte și densități mari de curent se adaugă și emisia termică de electroni catodici.

Caracteristica curent-tensiune a descărcării

Este convenabil să se studieze o descărcare de gaz auto-susținută și neauto-susținută folosind dependența tensiunii de puterea curentului (sau invers), care este denumită în mod obișnuit caracteristica curent-tensiune. Vă permite să judecați nu numai mărimea tensiunii și curentului din sistem, ci și a proceselor electrice care au loc în acesta.

Mai jos este caracteristica curent-tensiune, care reflectă toate fazele principale ale dezvoltării descărcării.

După cum puteți vedea, sunt trei dintre ele: întuneric, mocnit și arc. Vom descrie aceste faze mai detaliat mai târziu în acest articol.

Descărcare întunecată

Este descris de intervalul AC. Pe măsură ce tensiunea U crește, curentul I crește datorită creșterii vitezei ionilor. Cu toate acestea, aceste viteze nu sunt mari, așa că are loc o descărcare ne-auto-susținută. În regiunea BC, se saturează și devine independent, deoarece viteza ionilor devine suficientă pentru a scoate electronii din catod atunci când sunt bombardați. Acești electroni duc la ionizarea suplimentară a gazului.

Sarcina întunecată și-a primit numele deoarece strălucirea sa este aproape zero: concentrație scăzută în plasmă, curenți scăzuti (10 -8 A), fără recombinare a ionilor și a electronilor.

descărcare strălucitoare

Pe caracteristica curent-tensiune, corespunde zonei dintre punctele C și F. Figura arată că tensiunea se modifică (scade și crește), în timp ce curentul crește constant. Două subzone prezintă interes:

1. Puncte OE - descărcare normală de strălucire. Motivul creșterii curentului aici este asociat cu o creștere a zonei de plasmă din gaz. Adică, la început, acestea sunt canale mici înguste, apoi, din cauza emisiei reci de electroni, se extind până ajung la întregul volum al tubului. Din acest moment, există o tranziție la următoarea subzonă.
2. Puncte EF - descărcare anormală. Curentul acestei descărcări auto-susținute în gaz începe să crească din cauza emisiei de electroni fierbinți. Temperatura catodului crește treptat și începe să emită particule încărcate negativ.

Toate lămpile cu neon și fluorescente funcționează în regiunea normală de descărcare a strălucirii.

Descărcări cu scântei și arc

Aceste tipuri de descărcări auto-susținute acoperă zona FG din figură. Aici au loc cele mai complexe procese.

Când tensiunea dintre electrozi crește la valoarea maximă (punctul F), iar emisia termică de electroni din catod este activată, atunci se vor crea condiții favorabile pentru formarea unei descărcări instabile de scânteie. Reprezintă defecțiuni pe termen scurt (microsecunde), care au o formă caracteristică în zig-zag. Un exemplu izbitor în natură este fulgerul din atmosferă.

Descărcarea are loc prin canale înguste, care se numesc streamers. Sunt linii înguste întrerupte de plasmă puternic ionizată care conectează suprafața catodului cu cea a anodului. Puterea curentă în ele ajunge la zeci de mii de amperi.

Stabilizarea încărcăturii de scânteie duce la formarea unui arc stabil (regiunea punctului G). În acest caz, întregul volum de gaz din tub este o plasmă puternic ionizată. Suprafața catodului este încălzită până la 5000-6000 K, iar anodul - până la 3000 K. O încălzire atât de puternică a catodului duce la formarea așa-numitelor „puncte fierbinți” pe acesta, care devin o sursă puternică de termoion. electroni și provoacă uzura erozivă a acestui electrod. Tensiunea în timpul unei descărcări cu arc nu este mare (câteva zeci de volți), dar curentul poate ajunge la 100 A sau mai mult. Arcul de sudare este un prim exemplu al acestui tip de descărcare.

Astfel, existența unor descărcări independente și neauto-susținute în gaze se datorează mecanismelor de ionizare și formare a plasmei sale cu creșterea tensiunii și curentului în sistem.

Moleculele de gaz sunt neutre în condiții normale, deci gazele sunt izolatoare. Un gaz devine conductor atunci când unele dintre moleculele sale sunt ionizate. Ionizarea - pierderea unuia sau mai multor electroni de către o moleculă sau un atom - poate avea loc atunci când un gaz este încălzit, când este introdus într-un câmp electromagnetic puternic, când este expus la razele X, razele ultraviolete și radiațiile radioactive. O moleculă neutră care a pierdut unul sau mai mulți electroni devine un ion încărcat pozitiv. Unii dintre electronii liberi sunt capturați de atomi și molecule neutre și se formează ioni negativi. Prin urmare, ionii apar în perechi.

Deoarece atomii și moleculele neutre sunt formațiuni stabile, este necesar să se cheltuiască o anumită cantitate de energie pentru a le ioniza. Se numește energia minimă necesară pentru a ioniza un atom sau o moleculă energie de ionizare. Depinde de natura chimică a substanței și de starea energetică a electronului îndepărtat din atom sau moleculă.

Dacă molecula primește o energie mai mică decât energia de ionizare, ea intră într-o stare excitată. După un timp de ordinul mărimii, revine la starea fundamentală, iar energia în exces este emisă sub forma unui cuantum de lumină.

Concomitent cu ionizarea în gaze, are loc procesul invers - recombinarea ionilor cu formarea de molecule neutre. Dispariția ionilor în timpul recombinării are loc și în perechi. Energia cheltuită pentru ionizarea moleculelor este de obicei eliberată în timpul recombinării ionilor sub formă de cuante de radiație.

Ionii și electronii liberi fac din gaz un conductor de electricitate. Dacă se creează un câmp electric într-un gaz ionizat, atunci va avea loc o mișcare ordonată a ionilor și electronilor - un curent electric. Procesul prin care un curent electric trece printr-un gaz se numește evacuarea gazelor. Există două tipuri de descărcări de gaze: independenta si independenta.

Dacă curentul electric din gaz se datorează acțiunii unui ionizator extern și dispare după terminarea ionizatorului, atunci o astfel de descărcare se numește neauto-susținută..

O descărcare de gaz care nu se autosusține are loc cu ionizare slabă a gazului. Se caracterizează printr-o densitate scăzută de curent și absența efectelor luminoase și sonore. Prin urmare, se mai numește o descărcare neauto-susținută descărcare liniștită. Este utilizat în camere de ionizare și contoare de particule elementare.

Luați în considerare procesele fizice care au loc în timpul unei descărcări de gaze neauto-susținute între electrozi paraleli (Fig. 60.1). Să presupunem că pentru fiecare secundă dintr-o unitate de volum se formează o pereche de ioni. În același timp, perechile de ioni se recombină într-o unitate de volum. În plus, pe unitatea de timp, o pereche de ioni trec de la o unitate de volum la electrozi.

O creștere a concentrației ionilor este însoțită de o creștere a recombinării. Rezultatul este o stare de echilibru:

Să luăm în considerare cazurile limită.

1. Dacă tensiunea dintre electrozi este mică, atunci câmpul electric este slab () și, în consecință, densitatea curentului va fi scăzută ( , ). În acest caz și . Apoi, folosind formulele (55.3) și (55.9), găsim:

unde este sarcina ionilor, n- concentraţia lor, , - mobilitatea ionilor.

Astfel, pentru valori mici de tensiune câmp electric descărcarea gazoasă neautosusținută respectă legea lui Ohm: densitatea curentului este direct proporțională cu intensitatea.

Odată cu creșterea intensității câmpului dintre electrozi, ionii merg la electrozi fără a avea timp să se recombine (). De aceea

Dacă zona electrozilor S, și distanța dintre ele l, apoi în fiecare secundă electrozii ajung la o pereche de ioni. Ele creează un curent a cărui putere este

. (60.3)

Combinând formulele (53.4) și (60.3), calculăm densitatea de curent

În consecință, la valori mari ale intensității câmpului dintre electrozi, densitatea curentului nu depinde de putere. Aceasta înseamnă că formula (60.4) determină densitatea curent de saturație.

Pentru unii este suficient mare importanță tensiune, se observă o creștere bruscă a densității curentului. Acest lucru se explică prin faptul că electronii liberi formați în timpul ionizării gazului de către o sursă externă au timp să dobândească energie suficientă pentru ionizarea moleculelor la ciocnirea cu acestea în timpul drumului liber. O astfel de ionizare se numește șoc. Ca urmare a ionizării, se formează electroni secundari, care sunt, de asemenea, accelerați de câmpul electric și, la rândul lor, ionizează noi molecule de gaz. În gaz apar avalanșe de electroni, conductivitatea acestuia crește. Totuși, chiar și în acest caz, atunci când acțiunea ionizatorului extern este încheiată, descărcarea continuă doar până când electronii obținuți în timpul ionizării ajung la anod, adică, chiar și în aceste condiții, descărcarea are caracterul neautosusținut. unu.

Procesul de transmitere a e-mailului. curent prin gazul numit. evacuarea gazelor.

Există 2 tipuri de descărcări: independente și neindependente.

Dacă se creează conductivitatea electrică a gazului. extern ionizatoare, apoi el. curentul din el se numește. nesamost. evacuarea gazelor. V

Considera. e-mail schema, comp. de la un condensator, un galvanometru, un voltmetru și o sursă de curent.

Există aer între plăcile unui condensator plat presiune atmosferică si camera t. Dacă condensatorului i se aplică un U egal cu câteva sute de volți, iar ionizatorul nu funcționează, atunci galvanometrul curent nu se înregistrează, totuși, de îndată ce spațiul dintre plăci începe să pătrundă. fluxul de raze UV, galvanometrul va începe să înregistreze. actual. Dacă sursa de curent este oprită, fluxul de curent prin circuit se va opri, acest curent este o descărcare neauto-susținută.

j = γ*E - legea lui Ohm pentru el. curent în gaze.

Cu un e suficient de puternic. câmp în gaz, începe procesul de autoionizare, datorită căruia curentul poate exista în absența unui ionizator extern. Acest tip de curent se numește descărcare independentă de gaz. Procesele de autoionizare în termeni generali sunt următoarele. În natură. conv. Un gaz conține întotdeauna o cantitate mică de electroni și ioni liberi. Ele sunt create de astfel de naturi. ionizatoare, cum ar fi spațiul. raze, radiații de substanțe radioactive, sifon în sol și apă. E-mail destul de puternic. câmpul poate accelera aceste particule la acele viteze la care ele energie kinetică va depăși energia de ionizare atunci când electronii și ionii se ciocnesc în drumul lor către electrozii cu neutul. moleculele vor ioniza acele molecule. arr. la ciocnire, noi electroni și ioni secundari accelerează. câmp și, la rândul său, ionizează noi neutroni. molecule. Autoionizarea descrisă a gazelor se numește lustruire prin impact. electroni liberi provoacă ionizare de impact deja la E=10 3 V/m. Ionii, pe de altă parte, pot provoca ionizare de impact numai la E=10 5 V/m. Această diferență se datorează mai multor motive, în special, faptului că pentru electroni calea liberă medie este mult mai lungă decât pentru ioni. Prin urmare, ionii dobândesc energia necesară ionizării prin impact la o putere de câmp mai mică decât ionii. Cu toate acestea, chiar și pe câmpurile care nu sunt prea puternice, ionii „+” joacă rol importantîn autoionizare. Cert este că energia acestor ioni este de cca. suficient pentru a scoate electronii din metale. Prin urmare, ionii dispersați de câmpul „+”, lovind catodul metalic al sursei de câmp, scot electronii din catod. Acești electroni eliminați câmp și produc ionizare de impact a moleculelor. Ionii și electronii, a căror energie este insuficientă pentru ionizarea prin impact, îi pot conduce totuși la excitație atunci când se ciocnesc cu molecule. stare, adică să provoace unele schimbări de energie în e-mail. scoici de neutru atomi și molecule. Emoționat. un atom sau o moleculă, după un timp, intră într-o stare normală, în timp ce emite un foton. Emisia de fotoni se manifestă în strălucirea gazelor. În plus, un foton, absorb. oricare dintre moleculele de gaz îl poate ioniza, acest tip de ionizare se numește fotonionizare. Unii dintre fotoni lovesc catodul, pot scoate electroni din el, ceea ce provoacă apoi ionizarea prin impact a neutronului. molecule.

Ca urmare a impactului și a ionizării fotonilor și a scoaterii electronilor din codul „+” de către ionii de către fotoni, numărul de fotoni și electroni din întregul volum al gazului crește brusc (ca avalanșă) și un ionizator extern nu este necesar pentru existența unui curent în gaz, iar descărcarea devine independent. CVC al descărcării de gaz este după cum urmează.

Un curent electric este un flux care este cauzat de mișcarea ordonată a particulelor încărcate electric. Mișcarea sarcinilor este luată ca direcție a curentului electric. Curentul electric poate fi pe termen scurt și pe termen lung.

Conceptul de curent electric

În timpul descărcării unui fulger, poate apărea un curent electric, care se numește pe termen scurt. Și pentru a menține curentul pentru o lungă perioadă de timp, este necesar să aveți un câmp electric și purtători de încărcare electrică liberi.

Un câmp electric este creat de corpuri încărcate diferit. Puterea curentului este raportul dintre sarcina transferată prin secțiunea transversală a conductorului într-un interval de timp și acest interval de timp. Se măsoară în amperi.

Orez. 1. Formula curentă

Curentul electric în gaze

Moleculele de gaz nu conduc electricitatea în condiții normale. Sunt izolatori (dielectrici). Totuși, dacă modificați condițiile mediu inconjurator, atunci gazele pot deveni conductoare de electricitate. Ca rezultat al ionizării (atunci când este încălzit sau sub acțiunea radiatii radioactive) în gaze apare un curent electric, care este adesea înlocuit cu termenul „descărcare electrică”.

Descărcări de gaze auto-susținute și neauto-susținute

Descărcările în gaze pot fi auto-susținute și non-auto-susținute. Curentul începe să existe când apar taxe gratuite. Descărcările care nu se autosusțin există atâta timp cât o forță externă acționează asupra ei, adică un ionizator extern. Adică, dacă ionizatorul extern încetează să funcționeze, atunci curentul se oprește.

O descărcare independentă a curentului electric în gaze există chiar și după terminarea ionizatorului extern. Descărcările independente în fizică sunt împărțite în liniște, mocnit, arc, scânteie, coroană.

• Liniște - cea mai slabă dintre evacuările independente. Puterea curentului în el este foarte mică (nu mai mult de 1 mA). Nu este însoțită de fenomene sonore sau luminoase.
• Mocnit - dacă creșteți tensiunea într-o descărcare liniștită, aceasta trece la următorul nivel - la o descărcare strălucitoare. În acest caz, apare o strălucire, care este însoțită de recombinare. Recombinare - procesul de ionizare inversă, întâlnirea unui electron cu un ion pozitiv. Este folosit în lămpi bactericide și de iluminat.

Orez. 2. Descărcare strălucitoare

• Arc - puterea curentului variază de la 10 A la 100 A. În acest caz, ionizarea este de aproape 100%. Acest tip de descărcare are loc, de exemplu, în timpul funcționării unui aparat de sudură.

Orez. 3. Descărcarea arcului

• sclipitoare - poate fi considerat unul dintre tipurile de descărcare cu arc. În timpul unei astfel de descărcări, o anumită cantitate de energie electrică curge într-un timp foarte scurt.
• descărcare corona – ionizarea moleculelor are loc în apropierea electrozilor cu raze mici de curbură. Acest tip de sarcină apare atunci când intensitatea câmpului electric se modifică dramatic.

Ce am învățat?

Prin ei înșiși, atomii și moleculele unui gaz sunt neutre. Se încarcă atunci când sunt expuse la exterior. Vorbind pe scurt despre curent electricîn gaze, atunci reprezintă mișcarea direcționată a particulelor (ioni pozitivi către catod și ionii negativi către anod). De asemenea, este important ca atunci când gazul este ionizat, proprietățile sale conductoare să se îmbunătățească.

Test cu subiecte

Raport de evaluare

Rata medie: 4.1. Evaluări totale primite: 436.