Реферат: Электрический ток в газах

<m:mathPr> <m:mathFont m:val=«Cambria Math»/> <m:brkBin m:val=«before»/> <m:brkBinSub m:val="--"/> <m:smallFrac m:val=«off»/> <m:dispDef/> <m:lMargin m:val=«0»/> <m:rMargin m:val=«0»/> <m:defJc m:val=«centerGroup»/> <m:wrapIndent m:val=«1440»/> <m:intLim m:val=«subSup»/> <m:naryLim m:val=«undOvr»/> </m:mathPr>

РЕФЕРАТ

На тему: Электрический токв газах.

                

                

                 

Выполнил:

ученик 10 класса «А»

Петров Андрей

Электрический ток в газах.

Ионизация газов. Газовый разряд.

Газы в нормальномсостоянии являются изоляторами. Газ становится проводником, когда онионизирован. Ионизаторами газа могут служить ультрафиолетовые лучи,радиоактивные излучения, лучи Рентгена, нагревание до высокой температуры.Например, если поместить вблизи заряженного электрометра пламя горелки, товоздух вокруг него теряет свойства изолятора, и заряд электрометра уменьшается.Проводимость газа, созданная внешнимиионизаторами, но не связанная с электрическим полем, называетсянесамостоятельной проводимостью.

V

G

+

–

A

K

D

E

Рис. 5.

<img src="/cache/referats/26176/image001.gif" v:shapes="_x0000_s1027 _x0000_s1028 _x0000_s1029 _x0000_s1030 _x0000_s1031 _x0000_s1032 _x0000_s1033 _x0000_s1034 _x0000_s1035 _x0000_s1036 _x0000_s1037 _x0000_s1038 _x0000_s1039 _x0000_s1040 _x0000_s1041 _x0000_s1042 _x0000_s1043 _x0000_s1044 _x0000_s1045 _x0000_s1046 _x0000_s1047 _x0000_s1048 _x0000_s1049 _x0000_s1050 _x0000_s1051 _x0000_s1052 _x0000_s1053 _x0000_s1054 _x0000_s1055 _x0000_s1056 _x0000_s1057 _x0000_s1058 _x0000_s1059 _x0000_s1060 _x0000_s1061 _x0000_s1062 _x0000_s1063 _x0000_s1064 _x0000_s1065 _x0000_s1066 _x0000_s1067 _x0000_s1068 _x0000_s1069 _x0000_s1070 _x0000_s1071 _x0000_s1072 _x0000_s1073">Электроныи положительные ионы, возникшие во время действия ионизатора, не могут долгосуществовать раздельно и воссоединяются, образуя нейтральные ионы. Присоединимдва плоских электрода A и K к полюсамисточника ЭДС E (батареи аккумуляторов). Включим в цепь гальванометр G для измерения силы тока и параллельно воздушному промежутку АК вольтметр V (рис.5).Если поместить вблизи этого воздушного промежутка какой-либо ионизатор D, то в цепи возникнет электрический ток. Когдадействие ионизатора прекращается, ток исчезает. Рекомбинация (воссоединение)ионов происходит и во время действияионизатора, причём устанавливается такое равновесие между возникающими и рекомбинирующими ионами, что число пар ионов в единицеобъёма газа постоянным.

Электрический ток в газес несамостоятельной проводимостью называется несамостоятельным газовым разрядом. График зависимости разрядноготока от разности потенциалов между электродами A и K (см. рис.5) при неизменнойинтенсивности ионизации изображён на рис. 6. При

I

IH

1

2

3

UH

φА – φК

a

b

c

d

Рис. 6.

<img src="/cache/referats/26176/image002.gif" v:shapes="_x0000_s1074 _x0000_s1075 _x0000_s1076 _x0000_s1077 _x0000_s1078 _x0000_s1079 _x0000_s1080 _x0000_s1081 _x0000_s1082 _x0000_s1083 _x0000_s1084 _x0000_s1085 _x0000_s1086 _x0000_s1087 _x0000_s1088 _x0000_s1089 _x0000_s1090 _x0000_s1091 _x0000_s1092 _x0000_s1093 _x0000_s1094 _x0000_s1095 _x0000_s1096 _x0000_s1097 _x0000_s1098">постепенном увеличении разностипотенциалов φА – φКсила тока сначала растёт пропорционально φА– φК, т.е. соблюдается закон Ома(участок Оа кривой на рис. 6), затемпропорциональность нарушается (участок ab кривой) и, начиная с некоторогозначения φА – φК,сила тока остаётся постоянной несмотря на увеличение разности потенциалов(участок bc). Наибольшая сила тока, возможная при данной интенсивности ионизации,называется током насыщенности Iн. При токе насыщения все возникающие ионы достигаютэлектродов, не успев рекомбинировать.

Обратимся к последнейчасти cd графика (см. рис. 6). При достаточнобольших разностях потенциалов между электродами кинетическая энергия электроноввозрастает настолько, что при соударениях со встречными молекулами газаэлектроны ионизируют их. Это явление называется ударной ионизацией молекул газа. Освобождённые при ударнойионизации электроны ускоряются в электрическом поле и в свою очередь ионизируютсталкивающиеся с ними молекулы газа. Число электронов и ионов в газе растёт,как лавина, а вместе с ним растёт и разрядный ток. При ещё больших разностяхпотенциалов ударную ионизацию начинают производить и ионы. Теперь к обоимэлектродам движутся лавины: к катоду – положительная ионная, а к аноду –электронная. Эти встречные лавины, возникновение которых зависит лишь от величиныэлектрического поля, проложенного к газовому промежутку АК, обусловливают так называемую самостоятельную проводимость газа. Участок cd графика характеризует самостоятельный газовый разряд, которыйможет существовать при отсутствии внешнего ионизатора.

Электрическая дуга и электрическаяискра.

+

–

E

R

K

A

V

A

•

•

Рис. 7.

<img src="/cache/referats/26176/image003.gif" v:shapes="_x0000_s1100 _x0000_s1101 _x0000_s1102 _x0000_s1103 _x0000_s1104 _x0000_s1105 _x0000_s1106 _x0000_s1107 _x0000_s1108 _x0000_s1109 _x0000_s1110 _x0000_s1111 _x0000_s1112 _x0000_s1113 _x0000_s1114 _x0000_s1115 _x0000_s1116 _x0000_s1117 _x0000_s1118 _x0000_s1119 _x0000_s1120 _x0000_s1121 _x0000_s1122 _x0000_s1123 _x0000_s1124 _x0000_s1125 _x0000_s1126 _x0000_s1127 _x0000_s1128 _x0000_s1129 _x0000_s1130 _x0000_s1131 _x0000_s1132 _x0000_s1133 _x0000_s1134 _x0000_s1135 _x0000_s1136 _x0000_s1137 _x0000_s1138 _x0000_s1139 _x0000_s1140 _x0000_s1141 _x0000_s1142 _x0000_s1143 _x0000_s1144 _x0000_s1145">Самостоятельные (лавинообразные)разряды могут происходить в газах при нормальном и больших давлениях. Особоезначение для техники имеют дуговой и искровой разряды.

Электрическая дуга былаоткрыта в <st1:metricconverter ProductID=«1802 г» w:st=«on»>1802 г</st1:metricconverter>.русским физиком В. В. Петровым, который назвал её вольтовой дугой. Два угольныхстержня, соединённые с источником ЭДС, приводят в соприкосновение: такимобразом замыкается электрическая цепь (рис. 7). В месте контакта углейэлектрическое сопротивление очень велико. Поэтому здесь выделяется большоеколичество теплоты, и концы углей раскаляются. Угли постепенно раздвигают, внагретом воздухе между ними происходит ударная ионизация и начинаетсялавинообразный газовый разряд. Он имеет дугообразную форму и излучает яркийсвет. Температура катода достигает 3000°С. Летящие к аноду электроны ударяютсяо него и создают в нём углубление – кратер, температура которого 4000°С.Сопротивление электрической дуги невелико, поэтому дуговой разряд возможен приразности потенциалов между угольными электродами около 40 – 50 в. Яркий свет угольной дуги был впервыеприменён П. Н. Яблочковым в <st1:metricconverter ProductID=«1876 г» w:st=«on»>1876 г</st1:metricconverter>. для электрического освещения. Электрическая дуга и внастоящее время используется как мощный источник света в прожекторах и кинопроекционныхаппаратах, а её высокая температура – для сварки и в дуговых печах для плавкиметаллов.

Электрической искройназывают прерывистый лавинообразный разряд в газе, сопровождающийся треском иярким свечением. Возникшая искра быстро, гаснет вместо неё через несколькотысячных долей секунды образуется новая и т.д., так что глаз видит однусплошную искру. Температура в искре поднимается до 100 000°С. Если промежутокмежду электродами невелик, то искровой разряд вызывает разрушение металла,называемое эрозией. Это явлениеиспользуют, применяя электрическую искру для резки и сверления металлов.

Во время грозынаблюдается искровой разряд в виде молнии,возникающей между тучей и Землёй или между двумя тучами. Чаще всего нижняячасть тучи заряжена отрицательно, верхняя – положительно. На поверхностихолмов, высоких зданий, деревьев, которые находятся под тучей, индуцируетсяположительный заряд. Если напряжённость электрического поля (разностьпотенциалов, приходящаяся на единицу расстояния) между отрицательным зарядомтучи и положительным зарядом Земли достигает достаточно большой величины, топроисходит искровой разряд. Молния, как вообще электрическая искра, выбираетпуть с наименьшим электрическим сопротивлением и проходит по областям,содержащим наибольшее количество ионов. Поэтому молния имеет зигзагообразнуюформу. Сила тока в молнии достигает сотен тысяч ампер, её длительность порядка10-5 сек, разностьпотенциалов между тучей и Землёй иногда превышает 150 · 106 в, а длина молнии может измерятьсядесятками километров. Защитой от молнии является хорошо заземлённое здание сметаллическим каркасом или молниеотвод – металлический стержень, один конецкоторого поднят над зданием, а другой конец заземлён.

Электрический ток в разрежённыхгазах. Катодные лучи.

Разрежённые газы обладаютво много раз большей проводимостью, чем газы при нормальном давлении. Этообъясняется тем, что при низком давлении длина свободного пробега частицвелика. Поэтому даже в слабых электрических полях электроны и ионы успеваютнакопить кинетическую энергию, достаточную для ионизации молекул пристолкновении с ними.

Рассмотрим так называемыйтлеющий разряд в воздухе. Возьмёмдлинную стеклянную трубку с впаянными в её концы электродами и соединим еёполость через ответвление и резиновую трубку с насосом. Если электродысоединить с источником высокого напряжения, например с индукционной катушкой,при атмосферном давлении в трубке, то тока в трубке не будет. Если же начатьвыкачивать из неё воздух насосом, то вскоре между электродами протянутсясветящиеся лиловатые нити, что указывает на возникновение электрического тока.По мере откачки воздуха свечение заполняет постепенно почти всю трубку.Различают следующие части разряда: прилегающие к катоду так называемое катодное тёмное пространство 1, закоторым расположено бледно-синее тлеющеесвечение 2; далее идёт тёмноепространство Фарадея 3 и бледно-красное свечение, называемое положительным столбом 4. Положительныйстолб при некоторых условиях становится слоистым: в нём чередуются светлые и тёмныеполосы, называемые стратами. Цветположительного свечения зависит от природы газа, например свечение неонакрасное, аргона – синее и т.д. Главными частями разряда являются катодноетёмное пространство и тлеющее свечение, в которых происходят основные процессы,поддерживающие разряд и без которых он не может существовать.

Положительные ионы,скорость которых сильно увеличивалась под действием электрического поля вкатодном тёмном пространстве, ударяются о катод и выбивают из него электроны.Электроны, ускоренные электрическим полем, а также возникшие при ионизациимолекул газа в катодном тёмном пространстве, поступают область тлеющегосвечения, в которой находится очень большое число положительных ионов иэлектронов. Здесь большая часть ионов и электронов воссоединяется в нейтральныемолекулы, причём энергия, затраченная ранее на ионизацию, выделяется в видесветовой энергии. Положительный столб представляет собой так называемую плазму, в которой общий заряд всехэлектронов и всех ионов равен нулю.

Тлеющий разрядиспользуется в газосветных трубках, применяемых в световых рекламах, а также втак называемых лампах дневного света. Лампы дневного света представляют собойгазосветные трубки, стенки которых покрыты люминофором, т.е. особым составом,светящимся под действием газового разряда.

Катодные лучи. При оченьбольших разрежениях газа его давление так мало, что молекулы газа движутся отодной стенки сосуда до другой без соударений. Такое состояние газа называется вакуумом. Если в разрядной трубке созданвакуум, то и электроны могут двигаться  внём практически без столкновений с молекулами. Поэтому частицы газа перестаютиспускать свет, разряд становится темновым. Затостекло трубки против катода светится зеленоватым светом. Что же происходит втрубке? Под действием сил электрического поля положительные ионы мчатся ккатоду с очень большой скоростью, ударяются о него и выбивают из негоэлектроны. Поток электронов, масса которых в тысячи раз меньше массы ионов, согромной скоростью летит от катода. Скорость, которую приобретают электроны насвоём пути от катода, так велика, что они движутся прямолинейно,перпендикулярно к поверхности катода независимо от того, где расположен анод.Часть электронов попадает на анод, а остальные ударяются о стекло трубки противкатода и вызывают люминесценцию стекла. Если на пути электронов расположитьэкран, то на светящемся стекле будет видна тень экрана.

Этот поток электронов былназван катодными лучами, потому чтоон на первый взгляд похож на световые лучи. Однако ряд свойств катодных лучейдоказывает их электронную природу. Катодные лучи отклоняются в электрическомполе. Например, узкий пучок катодных лучей, прошедших сквозь щель в диафрагме,проходя между пластинами плоского конденсатора, отклоняется в сторонуположительно заряженной пластины. Катодные лучи отклоняются и в магнитном поле,тогда как на направление световых лучей ни электрическое, ни магнитное поле недействуют.

Большой интереспредставляет собой четвёртое – плазменное – состояние вещества. Усиленноехаотическое тепловое движение электронов и ионов в плазме приводит к еёнагреванию до очень высоких температур. Для того чтобы частицы шнура плазмы некасались стенок сосуда и не отдавали им свою энергию, плазму сжимают. Для этогоиспользуется внешнее магнитное поле, в котором заряженные частицы шнура плазмыдвижутся по спиралям.

Физика плазмы занимаетсяшироким кругом вопросов – от космических масштабов до атомной физики. Солнце ивсе звёзды состоят из плазмы. Внутри них в горячей плазме происходяттермоядерные реакции. Межзвёздное пространство заполнено плазмой газовыхтуманностей. Плазма может быть применена для осуществления управляемой реакциисинтеза лёгких ядер – дейтерия и трития. Реакция синтеза является источникомэнергии звёзд и водородной бомбы. Для её возникновения нужна температурапорядка 100 млн. градусов, которую можно получить при помощи плазмы.Использовать очень горячую плазму возможно в ракетной технике. Полезный весракеты составляет тем большую часть от её общего веса, чем больше скоростьистечения газа, а эта скорость тем больше, чем выше температура газа. Привысоких температурах газ ионизируется и превращается в плазму. В устройстве,называемом плазмотроном, газ, нагретый до десятков тысяч градусов, отделяетсяот стенок для их защиты струёй втекающего холодного газа.

Одним из примененийкатодных лучей является катодное распыление, т.е. разрушение поверхности катодапод действием ударяющихся о него положительных ионов. Катодное распылениеиспользуется для покрытия тонким слоем металла стеклянных зеркал для различныхфизических приборов, селеновых фотоэлементов и др.