Реферат: Электрический ток в газах
Самостоятельная инесамостоятельная проводимость газов. В естественном состоянии газы непроводят электрического тока, т.е. являются диэлектриками. В этом легко убедитьсяс помощью простого тока, если цепь прервана воздушным промежутком.
/> <td/> />Изолирующие свойства газов объясняются тем, что атомы и молекулы газовв естественном состоянии являются нейтральными незаряженными частицами. Отсюдаясно, что для того, чтобы сделать газ проводящим, нужно тем или иным способомвнести в него или создать в нем свободные носители заряда – заряженные частицы.При этом возможны два случая: либо эти заряженные частицы создаются действиемкакого-нибудь внешнего фактора или вводятся в газ извне – несамостоятельнаяпроводимость, либо они создаются в газе действием самого электрического поля,существующего между электродами – самостоятельная проводимость.
В приведенном рисункегальванометр в цепи показывает отсутствие тока несмотря на приложенноенапряжение. Это свидетельствует об отсутствии проводимости газов в обычныхусловиях.
/> <td/> />Нагреем теперь газ в промежутке 1-2 до очень высокой температуры, внесяв него зажженную горелку. Гальванометр укажет появление тока, следовательно привысокой температуре доля нейтральных молекул газа распадается на положительныеи отрицательные ионы. Такое явление называется ионизацией газа. /> <td/> />
Если направить в газовый промежуток струю воздуха от маленькойвоздуходувки, и на пути струи, вне промежутка, поместить ионизующее пламя, тогальванометр покажет некоторый ток.
Это значит, что ионы неисчезают мгновенно, а перемещаются вместе с газом. Однако при увеличениирасстояния между пламенем и промежутком 1-2 ток постепенно ослабевает, а затемисчезает. При этом разноименно заряженные ионы стремятся сблизиться подвлиянием силы электрического притяжения и при встрече вновь воссоединяются внейтральную молекулу. Такой процесс носит название рекомбинации ионов.
Нагревание газа довысокой температуры не является единственные способом ионизации молекул илиатомов газа. Нейтральные атомы или молекулы газа могут ионизироваться также ипод воздействием других факторов.
Ионная проводимостьимеет рад особенностей. Так, нередко положительные и отрицательные ионыпредставляют собой не единичные ионизированные молекулы, а группы молекул,прилипших к отрицательному или положительному электрону. Благодаря этому, хотязаряд каждого иона равен одному-двум, редко большему числу элементарныхзарядов, массы их могут значительно отличаться от масс отдельных атомов имолекул. Этом газовые ионы существенно отличаются от ионов электролитов,представляющих всегда определенные группы атомов. В силу этого различия приионной проводимости газов не имеют место законы Фарадея, столь характерные дляпроводимости электролитов.
Второе, также оченьважное, отличие ионной проводимости газов от ионной проводимости электролитовсостоит в том, что для газов не соблюдается закон Ома: вольтампернаяхарактеристика имеет более сложный характер. Вольтамперная характеристикапроводников (в том числе и электролитов) имеет вид наклонной прямой (пропорциональностьI и U), для газов она имеетразнообразную форму.
/> <td/> />В частности, в случае несамостоятельной проводимости, при небольшихзначениях U график имеет вид прямой, т.е. закон Омаприближенно сохраняет силу; с ростом U криваязагибается с некоторого напряжения и переходит в горизонтальную прямую.
Это означает, чтоначиная с некоторого напряжения, ток сохраняет постоянное значение, несмотря наувеличение напряжения. Это постоянное, не зависящее от напряжения значение силытока называют током насыщения.
Нетрудно понять смыслполученных результатов. Вначале с ростом напряжения увеличивается число ионов,проходящих через сечение разряда, т.е. увеличивается ток I,ибо ионы в более сильном поле движется с большей скоростью. Однако, как быбыстро не двигались ионы, число их, проходящее через это сечение за единицувремени, не может быть больше, чем общее число ионов, создаваемых в разряде вразряде в единице времени внешними ионизирующим фактором.
/> <td/> />Опыты показывают, однако, что если после достижения тока насыщения вгазе продолжать значительно повышать напряжение, то ход вольтампернойхарактеристики внезапно нарушается. При достаточно большом напряжении ток резковозрастает.
Скачок тока показывает,что число ионов сразу резко возросло. Причиной этого является самоэлектрическое поле: оно сообщает некоторым ионам столь большие скорости, т.е.столь большую энергию, что при соударении таких ионов с нейтральными молекуламипоследние разбиваются на ионы. Общее число ионов определяется теперь неионизирующим фактором, а действием самого поля, которое может само поддерживатьнеобходимую ионизацию: проводимость из несамостоятельной становитсясамостоятельной. Описанное явление внезапного возникновения самостоятельнойпроводимости, имеющее характер пробоя газового промежутка, — не единственная,хотя и весьма важная, форма возникновения самостоятельной проводимости.
Искровой разряд.При достаточно большой напряженности поля (около 3 МВ/м) между электродамипоявляется электрическая искра, имеющая вид ярко светящегося извилистогоканала, соединяющего оба электрода. Газ вблизи искры нагревается до высокойтемпературы и внезапно расширяется, отчего возникают звуковые волны, и мыслышим характерный треск.
Описанная форма газовогоразряда носит название искрового разряда или искрового пробоя газа. Принаступлении искрового разряда газ внезапно утрачивает свои диэлектрическиесвойства и становится хорошим проводником. Напряженность поля, при которойнаступает искровой пробой газа, имеет различное значение у разных газов изависит от их состояния (давления, температуры). Чем больше расстояние междуэлектродами, тем большее напряжение между ними необходимо для наступленияискрового пробоя газа. Это напряжение называется напряжением пробоя.
/> <td/> />Зная, как зависит напряжение пробоя от расстояния между электродамикакой-либо определенной формы, можно измерить неизвестное напряжение помаксимальной длине искры. На этом основано устройство искрового вольтметра длягрубой больших напряжений.
Он состоит из двухметаллических шаров, закрепленных на стойках 1 и 2, 2-я стойка с шаром можетприближаться или удаляться от первой при помощи винта. Шары присоединяют кисточнику тока, напряжение которого требуется измерить, и сближают их допоявления искры. Измеряя расстояние при помощи шкалы на подставке, можно датьгрубую оценку напряжению по длине искры (пример: при диаметре шара 5 см ирасстоянии 0,5 см напряжение пробоя равно 17,5 кВ, а при расстоянии 5 см – 100кВ).
/> <td/> />Возникновение пробоя объясняется следующим образом: в газе всегда естьнекоторое число ионов и электронов, возникающих от случайных причин. Однако,число их настолько мало, что газ практически не проводит электричества. Придостаточно большой напряженности поля кинетическая энергия, накопленная ионом впромежутке между двумя соударениями, может сделаться достаточной, чтобыионизировать нейтральную молекулу при соударении. В результате образуется новыйотрицательный электрон и положительно заряженный остаток – ион.
Свободный электрон 1 присоударении с нейтральной молекулой расщепляет ее на электрон 2 и свободный положительныйион. Электроны 1 и 2 при дальнейшем соударении с нейтральными молекулами сноварасщепляет их на электроны 3 и 4 и свободные положительные ионы, и т.д.
Такой процесс ионизацииназывают ударной ионизацией, а ту работу, которую нужно затратить, чтобыпроизвести отрывание электрона от атома – работой ионизации. Работаионизации зависит от строения атома и поэтому различна для разных газов.
/> <td/> />Образовавшиеся под влиянием ударной ионизации электроны и ионыувеличивает число зарядов в газе, причем в свою очередь они приходят в движениепод действием электрического поля и могут произвести ударную ионизацию новыхатомов. Таким образом, процесс усиливает сам себя, и ионизация в газе быстродостигает очень большой величины. Явление аналогично снежной лавине, поэтомуэтот процесс был назван ионной лавиной.
Образование ионнойлавины и есть процесс искрового пробоя, а то минимальное напряжение, прикотором возникает ионная лавина, есть напряжение пробоя.
Таким образом, приискровом пробое причина ионизации газа заключается в разрушении атомов имолекул при соударениях с ионами (ударная ионизация).
Молния. Красивоеи небезопасное явление природы – молния – представляет собой искровой разряд ватмосфере.
Уже в середине 18-говека обратили внимание на внешнее сходство молнии с электрической искрой.Высказалось предположение, что грозовые облака несут в себе большиеэлектрические заряды и что молния есть гигантская искра, ничем, кроме размеров,не отличающаяся от искры между шарами электрической машины. На это указывал,например, русский физик и химик Михаил Васильевич Ломоносов (1711-65), наряду сдругими научными вопросами занимавшийся атмосферным электричеством.
Это было доказано наопыте 1752-53 г.г. Ломоносовым и американским ученым Бенджамином Франклином(1706-90), работавшими одновременно и независимо друг от друга.
Ломоносов построил«громовую машину» — конденсатор, находившийся в его лаборатории и заряжавшийсяатмосферным электричеством посредством провода, конец которого был выведен изпомещения и поднят на высоком шесте. Во время грозы из конденсатора можно былорукой извлекать искры.
Франклин во время грозыпустил на бечевке змея, который был снабжен железным острием; к концу бечевкибыл привязан дверной ключ. Когда бечевка намокла и сделалась проводникомэлектрического тока, Франклин смог извлечь из ключа электрические искры,зарядить лейденские банки и проделать другие опыты, производимые сэлектрической машиной (Следует отметить, что такие опыты чрезвычайно опасны,так как молния может ударить в змей, и при этом большие заряды пройдут черезтело экспериментатора в Землю. В истории физики были такие печальные случаи.Так погиб в 1753 г. в Петербурге Г.В. Рихман, работавший вместе с Ломоносовым).
Таким образом, былопоказано, что грозовые облака действительно сильно заряжены электричеством.
Разные части грозовогооблака несут заряды различных знаков. Чаще всего нижняя часть облака(отраженная к Земле) бывает заряжена отрицательно, а верхняя – положительно.Поэтому, если два облака сближаются разноименно заряженными частями, то междуними проскакивает молния. Однако грозовой разряд может произойти и иначе.Проходя над Землей, грозовое облако создает на ее поверхности большиеиндуцированные заряды, и поэтому облако и поверхность Земли образуют двеобкладки большого конденсатора. Разность потенциалов между облаком и Землейдостигает огромных значений, измеряемых сотнями миллионов воль, и воздухевозникает сильное электрическое поле. Если напряженность этого поля делаетсядостаточно большой, то может произойти пробой, т.е. молния, ударяющая в Землю.При этом молния иногда поражает людей и вызывает пожары.
Согласно многочисленнымисследованиям, произведенным над молнией, искровой заряд характеризуетсяследующими примерными числами: напряжение (U) междуоблаком и Землей 0,1 ГВ (гигавольт);
сила тока (I)в молнии 0,1 МА (мегаампер);
продолжительность молнии (t) 1 мкс (микросекунда);
диаметр светящегося канала 10-20см.
Гром,возникающий после молнии, имеет такое же происхождение, как и треск припроскакивании лабораторной искры. Именно, воздух внутри канала молнии сильноразогревается и расширяется, отчего и возникают звуковые волны. Эти волны,отражаясь от облаков, гор, и т.п., часто создают длительное эхо – громовыераскаты.
Коронный разряд.Возникновение ионной лавины не всегда приводит к искре, а может вызвать иразряд другого типа – коронный разряд.
/> <td/> />Натянем на двух высоких изолирующих подставках металлическую проволокуab, имеющую диаметр несколько десятых миллиметра, исоединим ее с отрицательным полюсом генератора, дающего напряжение несколькотысяч вольт. Второй полюс генератора отведем к Земле. Получится своеобразныйконденсатор, обкладками которого являются проволока и стены комнаты, которые,конечно, сообщаются с Землей.
Поле в этом конденсаторевесьма неоднородно, и напряженность его вблизи тонкой проволоки очень велика.Повышая постепенно напряжение и наблюдая за проволокой в темноте, можнозаметить, что при известном напряжении возле проволоки появляется слабоесвечение (корона), охватывающее со всех сторон проволоку; оно сопровождаетсяшипящим звуком и легким потрескиванием. Если между проволокой и источникомвключен чувствительный гальванометр, то с появлением свечения гальванометрпоказывает заметный ток, идущий от генератора по проводам к проволоке и от неепо воздуху комнаты к стенам, между проволокой и стенами переносится ионами,образованными в комнате благодаря ударной ионизации. Таким образом, свечениевоздуха и появление тока указывает на сильную ионизацию воздуха под действиемэлектрического поля. Коронный разряд может возникнуть не только вблизипроволоки, но и у острия и вообще вблизи любых электродов, возле которыхобразуется очень сильное неоднородное поле.
Применение коронногоразряда. Электрическая очистка газов (электрофильтры). Сосуд,наполненный дымом, внезапно делается совершенно прозрачным, если внести в негоострые металлические электроды, соединенные с электрической машиной, а всетвердые и жидкие частицы будут осаждаться на электродах. Объяснение опытазаключается в следующем: как только и проволоки зажигается корона, воздухвнутри трубки сильно ионизируется. Газовые ионы прилипают к частицам пыли изаряжают их. Так как внутри трубки действует сильное электрическое поле,заряженные частицы пыли движутся под действием поля к электродам, где иоседают.
/> <td/> />Счетчики элементарных частиц. Счетчик элементарных частицГейгера – Мюллера состоит из небольшого металлического цилиндра, снабженногоокошком, закрытым фольгой, и тонкой металлической проволоки, натянутой по осицилиндра и изолированной от него. Счетчик включают в цепь, содержащую источниктока, напряжение которого равно нескольким тысячам вольт. Напряжение выбираютнеобходимым для появления коронного разряда внутри счетчика.
При попадании в счетчикбыстро движущегося электрона последний ионизирует молекулы газа внутрисчетчика, отчего напряжение, необходимое для зажигания короны, несколькопонижается. В счетчике возникает разряд, а в цепи появляется слабыйкратковременный ток. Чтобы обнаружить его, в цепь вводят очень большоесопротивление (несколько мегаом) и подключают параллельно с ним чувствительныйэлектрометр. При каждом попадании быстрого электрона внутрь счетчика листкаэлектрометра будут откланяться.
Подобные счетчикипозволяют регистрировать не только быстрые электроны, но и вообще любыезаряженные, быстро движущиеся частицы, способные производить ионизацию путемсоударений. Современные счетчики легко обнаруживают попадание в них даже однойчастицы и позволяют поэтому с полной достоверностью и очень большойнаглядностью убедиться, что в природе действительно существуют элементарныезаряженные частицы.
Громоотвод.Подсчитано, что в атмосфере всего земного шара происходит одновременно около1800 гроз, которые дают в среднем около 100 молний в секунду. И хотявероятность поражения молнией какого-либо отдельного человека ничтожно мала,тем не менее молнии причиняют немало вреда. Достаточно указать, что в настоящеевремя около половины всех аварий в крупных линиях электропередачи вызывается молниями.Поэтому, защита от молнии представляет собой важную задачу.
Ломоносов и Франклин нетолько объяснили электрическую природу молнии, но и указали, как можнопостроить громоотвод, защищающий от удара молнии. Громоотвод представляет собойдлинную проволоку, верхний конец которой заостряется и укрепляется выше самойвысокой точки защищаемого здания. Нижний конец проволоки соединяют сметаллическим листом, а лист закапывают в Землю на уровне почвенных вод. Вовремя грозы на Земле появляются большие индуцированные заряды и у поверхностиЗемли появляется большое электрическое поле. Напряженность его очень великаоколо острых проводников, и поэтому на конце громоотвода зажигается коронныйразряд. Вследствие этого индуцированные заряды не могут накапливаться на зданиии молнии не происходит. В тех же случаях, когда молния все же возникает (атакие случаи очень редки), она ударяет в громоотвод и заряды уходят в Землю, непричиняя вреда зданию.
В некоторых случаяхкоронный разряд с громоотвода бывает настолько сильным, что у острия возникаетявно видимое свечение. Такое свечение иногда появляется и возле другихзаостренных предметов, например, на концах корабельных мачт, острых верхушекдеревьев, и т.д. Это явление было замечено еще несколько веков тому назад ивызывало суеверный ужас мореплавателей, не понимавших истинной его сущности.
Электрическая дуга.В 1802 году русский физик В.В. Петров (1761-1834) установил, что еслиприсоединить к полюсам большой электрической батареи два кусочка древесногоугля и, приведя угли в соприкосновение, слегка их раздвинуть, то между концамиуглей образуется яркое пламя, а сами концы углей раскалятся добела, испускаяослепительный свет.
Простейший приборполучения электрической дуги состоит из двух электродов, в качестве которыхлучше брать не древесный уголь, а специально изготавливаемые стержни,получаемые прессованием смеси графита, сажи и связующих веществ. Источникомтока может служить осветительная сеть, в которую для безопасности включаетсяреостат.
Заставляя гореть дугупри постоянном токе в сжатом газе (20 атм), удалось довести температуру концаположительного электрода до 5900°С, т.е. до температуры поверхности солнца. Ещеболее высокой температурой обладает столб газов и паров, обладающий хорошейэлектрической проводимостью, через который идет электрический заряд. Энергичнаябомбардировка этих газов и паров электронами и ионами, подгоняемымиэлектрическим полем дуги, доводит температуру газов в столбе до 6000-7000°С.Такая сильная ионизация газа возможна только благодаря тому, что катод дугииспускает очень много электронов, которые своими ударами ионизирую газ вразрядном пространстве. Сильная электронная эмиссия с катода обеспечиваетсятем, что катод дуги сам накален до очень высокой температуры (от 2200 до3500°С). Когда для зажигания дуги угли приводятся в соприкосновение, то в местеконтакта, обладавшем очень большим сопротивлением, выделяется почти вседжоулево тепло проходящего через угли тока. Поэтому концы углей сильноразогреваются, и этого достаточно для того, чтобы при их раздвижении между нимивспыхнула дуга. В дальнейшем катод дуги поддерживается в накаленном состояниисамим током, проходящим через дугу. Главную роль в этом играет бомбардировкакатода падающими на него положительными ионами.
Вольтампернаяхарактеристика дуги носит совершенно своеобразный характер. В дуговом разрядепри увеличении тока напряжение на зажимах дуги уменьшается, т.е. дуга имеетпадающую вольтамперную характеристику.
Применение дуговогоразряда. Освещение. Вследствие высокой температуры электроды дугииспускают ослепительный свет (свечение столба дуги слабее, так как излучающаяспособность газа мала), и поэтому электрическая дуга является одним из лучшихисточников света. Она потребляет всего около 3 Вт на канделу и являетсязначительно более экономичной, нежели наилучшие лампы накаливания.Электрическая дуга впервые была использована для освещения в 1875 году русскиминженером-изобретателем П.Н. Яблочкиным (1847-1894) и получила название«русского света» или «северного света». Сварка. Электрическая дугаприменяется для сварки металлических деталей. Свариваемые детали служатположительным электродом; касаясь их углем, соединенным с отрицательным полюсомисточника тока, получают между телами и углем дугу, плавящую металл. Ртутнаядуга. Большой интерес представляет ртутная дуга, горящая в кварцевойтрубке, так называемая кварцевая лампа. В этой лампе дуговой разряд происходитне в воздухе, а в атмосфере ртутного пара, для чего в лампу вводят небольшоеколичество ртути, а воздух откачивают. Свет ртутной дуги чрезвычайно богатультрафиолетовыми лучами, обладающими сильным химическим и физиологическимдействием. Чтобы можно было использовать это излучение, лампу делают не из стекла,которое сильно поглощает УФО, а из плавленого кварца. Ртутные лампы широкоиспользуют при лечении разнообразных болезней, а также при научныхисследованиях как сильный источник ультрафиолетового излучения.
Вкачестве источника информации был использован Элементарный учебник физики под
редакциейакадемика Г.С. Ландсберга (том 2). Москва, издательство «Наука», 1985.
ВыполнилМАРКИДОНОВ ТИМУР, г. Иркутск.