Съобщение за електрически ток в газове. Електрически ток в газове: определение, характеристики и интересни факти

В газовете има несамоподдържащи се и самоподдържащи се електрически разряди.

Явлението на протичането на електрически ток през газ, наблюдавано само при условие на външно въздействие върху газа, се нарича несамоподдържащ се електрически разряд. Процесът на отделяне на електрон от атом се нарича йонизация на атома. Минималната енергия, която трябва да се изразходва, за да се отдели електрон от атом, се нарича йонизираща енергия. Частично или напълно йонизиран газ, в който плътностите на положителните и отрицателните заряди са еднакви, се нарича плазма.

Носителите на електрически ток при несамостоятелен разряд са положителни йони и отрицателни електрони. Характеристиката ток-напрежение е показана на фиг. 54. В областта на OAB - несамостоятелен разряд. В района на BC изхвърлянето става независимо.

При саморазряда един от методите за йонизация на атомите е йонизацията с електронен удар. Йонизацията чрез електронен удар става възможна, когато електронът придобие кинетична енергия W k при средния свободен път A, достатъчна да извърши работата по отделянето на електрона от атома. Видове независими разряди в газове - искрови, коронни, дъгови и тлеещи разряди.

искров разрядвъзниква между два електрода, заредени с различни заряди и имащи голяма потенциална разлика. Напрежението между противоположно заредени тела достига до 40 000 V. Искровият разряд е краткотраен, механизмът му е електронен удар. Мълнията е вид искрово разряд.

При силно нехомогенни електрически полета, образувани например между връх и равнина или между проводник на електропровод и земната повърхност, възниква специална форма на самоподдържащо се разреждане в газове, наречено коронен разряд.

Електрически дъгов разряде открит от руския учен В. В. Петров през 1802 г. Когато два електрода, изработени от въглища, влязат в контакт при напрежение 40-50 V, на места има зони с малко напречно сечение с високо електрическо съпротивление. Тези области се нагряват много, излъчват електрони, които йонизират атомите и молекулите между електродите. Носителите на електрически ток в дъгата са положително заредени йони и електрони.

Нарича се разряд, който се случва при понижено налягане светещ разряд. С намаляване на налягането средният свободен път на електрона се увеличава и през времето между сблъсъците той има време да придобие достатъчно енергия за йонизация в електрическо полес по-малко стрес. Разрядът се осъществява чрез електронно-йонна лавина.

1. Йонизация, нейната същност и видове.

Първото условие за съществуването на електрически ток е наличието на свободни носители на заряд. В газовете те възникват в резултат на йонизация. Под действието на йонизационни фактори се отделя електрон от неутрална частица. Атомът се превръща в положителен йон. По този начин има 2 вида носители на заряд: положителен йон и свободен електрон. Ако електрон се присъедини към неутрален атом, тогава се появява отрицателен йон, т.е. третият вид носители на заряд. Йонизиран газ се нарича проводник от трети вид. Тук са възможни два вида проводимост: електронна и йонна. Едновременно с процесите на йонизация протича и обратният процес, рекомбинация. Необходима е енергия, за да се отдели електрон от атом. Ако енергията се доставя отвън, тогава факторите, допринасящи за йонизацията, се наричат ​​външни (висока температура, йонизиращо лъчение, ултравиолетово лъчение, силно магнитни полета). В зависимост от йонизационните фактори се нарича термична йонизация, фотойонизация. Също така йонизацията може да бъде причинена от механичен удар. Йонизационните фактори се делят на естествени и изкуствени. Естествената се причинява от радиацията на Слънцето, радиоактивния фон на Земята. В допълнение към външната йонизация има вътрешна. Разделя се на ударни и стъпаловидни.

Ударна йонизация.

При достатъчно високо напрежение, електроните, ускорени от полето до високи скорости, сами по себе си стават източник на йонизация. Когато такъв електрон удари неутрален атом, електронът се избива от атома. Това се случва, когато енергията на електрона, причиняващ йонизацията, надвишава йонизационната енергия на атома. Напрежението между електродите трябва да е достатъчно, за да може електронът да придобие необходимата енергия. Това напрежение се нарича йонизационно напрежение. Всеки има свое собствено значение.

Ако енергията на движещия се електрон е по-малка от необходимата, тогава при удар настъпва само възбуждане на неутралния атом. Ако движещ се електрон се сблъска с предварително възбуден атом, тогава настъпва стъпаловидна йонизация.

2. Несамоподдържащ се газов разряд и неговата токово-волтова характеристика.

Йонизацията води до изпълнение на първото условие за съществуване на ток, т.е. до появата на безплатни такси. За възникване на тока е необходима външна сила, която ще накара зарядите да се движат в посока, т.е. необходимо е електрическо поле. Електрическият ток в газовете се придружава от редица явления: светлина, звук, образуване на озон, азотни оксиди. Съвкупността от явления, съпътстващи преминаването на ток през газ - газранг . Често процесът на преминаване на ток се нарича газов разряд.

Разрядът се нарича несамоподдържащ се, ако съществува само по време на действието на външен йонизатор. В този случай след прекратяване на действието на външния йонизатор не се образуват нови носители на заряд и токът спира. При несамостоятелен разряд токовете са малки по големина и няма свечение на газ.

Независим газов разряд, неговите видове и характеристики.

Независим газов разряд е разряд, който може да съществува след прекратяването на външния йонизатор, т.е. поради ударна йонизация. В този случай се наблюдават светлинни и звукови явления, силата на тока може да се увеличи значително.

Видове саморазреждане:

1. тих разряд - следва непосредствено след несамостоятелния, силата на тока не надвишава 1 mA, няма звукови и светлинни явления. Използва се във физиотерапията, броячите на Гайгер-Мюлер.

2. светещ разряд. С увеличаване на напрежението тишината се превръща в тлееща. Възниква при определено напрежение - напрежение на запалване. Зависи от вида газ. Неонът има 60-80 V. Зависи и от налягането на газа. Светещият разряд е придружен от сияние, той е свързан с рекомбинация, която протича с освобождаването на енергия. Цветът зависи и от вида на газа. Използва се в индикаторни лампи (неонови, ултравиолетови бактерицидни, осветителни, луминесцентни).

3. дъгов разряд. Силата на тока е 10 - 100 A. Придружава се от интензивно сияние, температурата в газоразрядната междина достига няколко хиляди градуса. Йонизацията достига почти 100%. 100% йонизиран газ - студена газова плазма. Тя има добра проводимост. Използва се в живачни лампи с високо и свръхвисоко налягане.

4. Искровият разряд е вид дъгов разряд. Това е импулсно-осцилаторен разряд. В медицината се използва ефектът на високочестотните трептения.При висока плътност на тока се наблюдават интензивни звукови явления.

5. коронен разряд. Това е вид светещ разряд. Наблюдава се на места, където има рязка промяна в силата на електрическото поле. Тук има лавина от заряди и сияние на газове - корона.

Резюме по физика

по темата:

„Електрически ток в газовете“.

Електрически ток в газове.

1. Електрически разряд в газове.

Всички газове в естественото си състояние не провеждат електричество. Това може да се види от следния опит:

Да вземем електрометър с прикрепени към него дискове от плосък кондензатор и да го заредим. В стайна температураако въздухът е достатъчно сух, кондензаторът не се разрежда забележимо - позицията на иглата на електрометъра не се променя. За да забележите намаляване на ъгъла на отклонение на иглата на електрометъра, е необходимо дълго време. Това показва, че електричествовъв въздуха между дисковете е много малко. Този опит показва, че въздухът е лош проводник на електрически ток.

Нека модифицираме експеримента: нека загреем въздуха между дисковете с пламъка на алкохолна лампа. Тогава ъгълът на отклонение на показалеца на електрометъра бързо намалява, т.е. потенциалната разлика между дисковете на кондензатора намалява - кондензаторът се разрежда. Следователно нагрятият въздух между дисковете се е превърнал в проводник и в него се установява електрически ток.

Изолационните свойства на газовете се обясняват с факта, че в тях няма свободни електрически заряди: атомите и молекулите на газовете в естественото им състояние са неутрални.

2. Йонизация на газове.

Горният опит показва, че заредените частици се появяват в газове под въздействието на висока температура. Те възникват в резултат на отделянето на един или повече електрони от газовите атоми, в резултат на което вместо неутрален атом се появяват положителен йон и електрони. Част от образуваните електрони могат да бъдат уловени от други неутрални атоми и тогава ще се появят повече отрицателни йони. Разграждането на газовите молекули на електрони и положителни йони се нарича йонизация на газове.

Загряването на газ до висока температура не е единственият начин за йонизиране на газови молекули или атоми. Йонизацията на газа може да възникне под въздействието на различни външни взаимодействия: силно нагряване на газа, рентгенови лъчи, a-, b- и g-лъчи, възникващи от радиоактивен разпад, космически лъчи, бомбардиране на газови молекули от бързо движещи се електрони или йони. Факторите, които предизвикват йонизация на газа, се наричат йонизатори.Количествената характеристика на процеса на йонизация е интензитет на йонизация,измерва се чрез броя на двойките заредени частици, противоположни по знак, които се появяват в единица обем газ за единица време.

Йонизацията на атом изисква изразходване на определена енергия - енергията на йонизация. За да се йонизира атом (или молекула), е необходимо да се извърши работа срещу силите на взаимодействие между изхвърления електрон и останалите частици на атома (или молекулата). Тази работа се нарича работа на йонизация A i . Стойността на йонизационната работа зависи от химическа природагаз и енергийно състояние на изхвърлен електрон в атом или молекула.

След прекратяването на йонизатора, броят на йоните в газа намалява с времето и в крайна сметка йоните изчезват напълно. Изчезването на йони се обяснява с факта, че йони и електрони участват в термично движениеи следователно се сблъскват един с друг. Когато положителен йон и електрон се сблъскат, те могат да се обединят отново в неутрален атом. По същия начин, когато положителен и отрицателен йон се сблъскат, отрицателният йон може да предаде излишния си електрон на положителния йон и двата йона ще се превърнат в неутрални атоми. Този процес на взаимно неутрализиране на йони се нарича йонна рекомбинация.Когато положителен йон и електрон или два йона се рекомбинират, се освобождава определена енергия, равна на енергията, изразходвана за йонизация. Частично се излъчва под формата на светлина и следователно рекомбинацията на йони се придружава от луминесценция (луминесценция на рекомбинация).

При явленията на електрическия разряд в газовете важна роля играе йонизацията на атомите чрез електронни удари. Този процес се състои във факта, че движещ се електрон, който има достатъчна кинетична енергия, нокаутира един или повече атомни електрони, в резултат на което неутралният атом се превръща в положителен йон и в газа се появяват нови електрони (това ще бъде обсъдено по-късно).

Таблицата по-долу дава йонизационните енергии на някои атоми.

3. Механизъм на електропроводимост на газовете.

Механизмът на газопроводимост е подобен на механизма на проводимост на електролитни разтвори и стопилки. При липса на външно поле, заредените частици, подобно на неутралните молекули, се движат произволно. Ако йони и свободни електрони се окажат във външно електрическо поле, тогава те влизат в насочено движение и създават електрически ток в газове.

По този начин електрическият ток в газ е насочено движение на положителни йони към катода и отрицателни йони и електрони към анода. Общият ток в газа се състои от два потока от заредени частици: потока, който отива към анода и потока, насочен към катода.

Неутрализацията на заредените частици се случва върху електродите, както в случай на преминаване на електрически ток през разтвори и стопилки на електролити. В газовете обаче няма отделяне на вещества върху електродите, както е в електролитните разтвори. Газовите йони, приближавайки се до електродите, им дават своя заряд, превръщат се в неутрални молекули и дифундират обратно в газа.

Друга разлика в електрическата проводимост на йонизираните газове и разтворите (стопките) на електролити е, че отрицателният заряд по време на преминаването на ток през газовете се пренася главно не от отрицателни йони, а от електрони, въпреки че проводимостта, дължаща се на отрицателни йони, също може да играе роля определена роля.

По този начин газовете комбинират електронната проводимост, подобна на проводимостта на металите, с йонна проводимост, подобна на проводимостта на водни разтвори и електролитни стопилки.

4. Несамостоятелен газов разряд.

Процесът на преминаване на електрически ток през газ се нарича газов разряд. Ако електрическата проводимост на газа се създава от външни йонизатори, тогава възникващият в него електрически ток се нарича несамоподдържащ се газов разряд.С прекратяване на действието на външни йонизатори, несамоподдържащият се разряд се прекратява. Несамоподдържащ се газов разряд не е придружен от газово сияние.

По-долу е дадена графика на зависимостта на силата на тока от напрежението за несамостоятелен разряд в газ. За начертаване на графиката е използвана стъклена тръба с два метални електрода, запоени в стъклото. Веригата е сглобена, както е показано на фигурата по-долу.

При определено напрежение идва точка, в която всички заредени частици, образувани в газа от йонизатора за секунда, достигат до електродите едновременно. По-нататъшното повишаване на напрежението вече не може да доведе до увеличаване на броя на транспортираните йони. Токът достига насищане (хоризонтален разрез на графика 1).

5. Независим газоразряд.

Нарича се електрически разряд в газ, който продължава след прекратяване на действието на външен йонизатор независим газов разряд. За неговото изпълнение е необходимо в резултат на самото разреждане в газа непрекъснато да се образуват свободни заряди. Основният източник на тяхното възникване е ударната йонизация на газовите молекули.

Ако след достигане на насищане продължим да увеличаваме потенциалната разлика между електродите, тогава силата на тока при достатъчно високо напрежение ще се увеличи рязко (графика 2).

Това означава, че в газа се появяват допълнителни йони, които се образуват поради действието на йонизатора. Силата на тока може да се увеличи стотици и хиляди пъти, а броят на заредените частици, които се появяват по време на разряда, може да стане толкова голям, че вече не е необходим външен йонизатор за поддържане на разряда. Следователно йонизаторът вече може да бъде премахнат.

Какви са причините за рязкото увеличаване на силата на тока при високи напрежения? Нека разгледаме всяка двойка заредени частици (положителен йон и електрон), образувани поради действието на външен йонизатор. Появяващият се по този начин свободен електрон започва да се движи към положителния електрод – анода, а положителният йон – към катода. По пътя си електронът среща йони и неутрални атоми. В интервалите между два последователни сблъсъка енергията на електрона се увеличава поради работата на силите на електрическото поле.

Колкото по-голяма е потенциалната разлика между електродите, толкова по-голяма е силата на електрическото поле. Кинетичната енергия на електрона преди следващия сблъсък е пропорционална на силата на полето и свободния път на електрона: MV 2 /2=eEl. Ако кинетичната енергия на електрона надвишава работата A i, която трябва да се извърши, за да се йонизира неутрален атом (или молекула), т.е. MV 2 >A i , тогава когато електрон се сблъска с атом (или молекула), той се йонизира. В резултат на това вместо един електрон се появяват два електрона (атакуващи атома и изтръгващи се от атома). Те от своя страна получават енергия в полето и йонизират идващите атоми и т. н. В резултат на това броят на заредените частици бързо нараства и възниква електронна лавина. Описаният процес се нарича йонизация с електронен удар.

Но йонизацията само чрез електронен удар не може да осигури поддържането на независим заряд. Всъщност, в края на краищата, всички електрони, които възникват по този начин, се придвижват към анода и, достигайки до анода, „отпадат от играта“. За поддържане на разряда е необходима емисия на електрони от катода („емисия“ означава „емисия“). Излъчването на електрон може да се дължи на няколко причини.

Положителните йони, образувани при сблъсък на електрони с неутрални атоми, при движение към катода, придобиват голяма кинетична енергия под действието на полето. Когато такива бързи йони ударят катода, електроните се избиват от повърхността на катода.

В допълнение, катодът може да излъчва електрони при нагряване до висока температура. Този процес се нарича термионна емисия.Може да се разглежда като изпаряване на електрони от метала. В много твърди веществатермионната емисия възниква при температури, при които изпарението на самото вещество е все още малко. Такива вещества се използват за производството на катоди.

По време на саморазреждане катодът може да се нагрява, като се бомбардира с положителни йони. Ако енергията на йоните не е твърде висока, тогава няма избиване на електрони от катода и електроните се излъчват поради термионна емисия.

6. Различни видове саморазряд и тяхното техническо приложение.

В зависимост от свойствата и състоянието на газа, естеството и местоположението на електродите, както и от напрежението, приложено към електродите, различни видовенезависим ранг. Нека разгледаме няколко от тях.

А. Тлеещ разряд.

Наблюдава се светещ разряд в газове при ниски наляганияот порядъка на няколко десетки милиметра живак и по-малко. Ако разгледаме тръба със светещ разряд, можем да видим, че основните части на светещия разряд са катод Dark Space,далеч от него отрицателенили тлеещ блясък,което постепенно преминава в региона тъмно пространство на Фарадей.Тези три области образуват катодната част на разряда, последвана от основната светеща част на разряда, която определя неговите оптични свойства и се нарича положителна колона.

Основната роля в поддържането на тлеещия разряд играят първите две области на катодната му част. характерна чертаТози тип разряд е рязък спад в потенциала близо до катода, който е свързан с висока концентрация на положителни йони на границата на области I и II, поради относително ниската скорост на йоните при катода. В катодното тъмно пространство има силно ускорение на електрони и положителни йони, избиващи електрони от катода. В областта на светещо сияние електроните произвеждат интензивна ударна йонизация на газовите молекули и губят енергията си. Тук се образуват положителни йони, които са необходими за поддържане на разряда. Силата на електрическото поле в тази област е ниска. Тлеещото сияние се причинява главно от рекомбинацията на йони и електрони. Дължината на катодното тъмно пространство се определя от свойствата на газа и катодния материал.

В областта на положителния стълб концентрацията на електрони и йони е приблизително еднаква и много висока, което причинява висока електрическа проводимост на положителния стълб и лек спад на потенциала в него. Светенето на положителната колона се определя от сиянието на възбудените газови молекули. В близост до анода отново се наблюдава относително рязко изменение на потенциала, което е свързано с процеса на генериране на положителни йони. В някои случаи положителната колона се разпада на отделни светещи зони - слоеве,разделени от тъмни пространства.

Положителната колона не играе съществена роля за поддържане на светещия разряд; следователно, с намаляване на разстоянието между електродите на тръбата, дължината на положителния стълб намалява и може да изчезне напълно. По-различно е положението с дължината на катодното тъмно пространство, което не се променя, когато електродите се приближават един към друг. Ако електродите са толкова близо, че разстоянието между тях стане по-малко от дължината на катодното тъмно пространство, тогава светещият разряд в газа ще спре. Експериментите показват, че при равни други условия дължината d на катодното тъмно пространство е обратно пропорционална на налягането на газа. Следователно, при достатъчно ниско налягане, електроните, избити от катода от положителни йони, преминават през газа почти без сблъсъци с неговите молекули, образувайки електронни, или катодни лъчи .

Светещият разряд се използва в газови светлинни тръби, флуоресцентни лампи, стабилизатори на напрежение, за получаване на електронни и йонни лъчи. Ако в катода се направи процеп, тогава тесни йонни лъчи преминават през него в пространството зад катода, често наричано канални лъчи.широко използвано явление катодно разпрашване, т.е. разрушаване на повърхността на катода под действието на удрящи го положителни йони. Ултрамикроскопични фрагменти от катодния материал летят във всички посоки по прави линии и покриват повърхността на тела (особено диелектрици), поставени в тръба с тънък слой. По този начин се правят огледала за редица устройства, прилагани тънък слойметал върху селенови фотоклетки.

б. Корона разряд.

Коронен разряд възниква при нормално налягане в газ в силно нехомогенно електрическо поле (например близо до пикове или проводници на линии с високо напрежение). При коронен разряд йонизацията на газа и неговото сияние се случват само в близост до коронните електроди. В случай на катодна корона (отрицателна корона), електроните, които причиняват ударна йонизация на газовите молекули, се избиват от катода, когато той е бомбардиран с положителни йони. Ако анодът е корона (положителна корона), тогава раждането на електрони се случва поради фотойонизацията на газа близо до анода. Короната е вредно явление, придружено от изтичане и загуба на ток електрическа енергия. За да се намали короната, радиусът на кривина на проводниците се увеличава и повърхността им се прави възможно най-гладка. При достатъчно високо напрежение между електродите, коронният разряд се превръща в искра.

При повишено напрежение, коронният разряд на върха приема формата на светлинни линии, излизащи от върха и редуващи се във времето. Тези линии, имащи серия от извивки и завои, образуват вид четка, в резултат на което такова изпускане се нарича карпална .

Зареден гръмотевичен облак индуцира на земната повърхност под нея електрически зарядипротивоположен знак. Особено голям заряд се натрупва върху върховете. Ето защо, преди гръмотевична буря или по време на гръмотевична буря, конуси от светлина като четки често се разпалват по точките и острите ъгли на високо издигнати предмети. От древни времена това сияние е наричано огньовете на Свети Елмо.

Особено често катерачите стават свидетели на това явление. Понякога дори не само метални предмети, но и краищата на косата на главата са украсени с малки светещи пискюли.

Корона разряд трябва да се има предвид, когато се работи с високо напрежение. Ако има изпъкнали части или много тънки проводници, може да започне коронен разряд. Това води до изтичане на мощност. Колкото по-високо е напрежението на високоволтовата линия, толкова по-дебели трябва да са проводниците.

° С. Искрово разреждане.

Искровият разряд има вид на ярки зигзагообразни разклонени нишки-канали, които проникват в разрядната междина и изчезват, като се заменят с нови. Проучванията показват, че каналите на искровия разряд започват да растат понякога от положителния електрод, понякога от отрицателния, а понякога от някаква точка между електродите. Това се обяснява с факта, че ударната йонизация в случай на искров разряд се случва не по целия обем газ, а през отделни канали, преминаващи в онези места, където концентрацията на йони случайно се оказа най-висока. Искровият разряд е придружен от освобождаването Голям бройтоплина, ярък блясък на газ, пукане или гръм. Всички тези явления са причинени от електронни и йонни лавини, които се появяват в искровите канали и водят до огромно увеличение на налягането, достигащо 10 7 ¸10 8 Pa, и повишаване на температурата до 10 000 °C.

Типичен пример за искров разряд е мълния. Основният канал за мълния има диаметър от 10 до 25 см, а дължината на мълнията може да достигне няколко километра. Максимална силаТокът на мълниеносния импулс достига десетки и стотици хиляди ампера.

При малка дължина на разрядната междина, искровият разряд причинява специфично разрушаване на анода, т.нар. ерозия. Това явление е използвано при електроискровия метод на рязане, пробиване и други видове прецизна обработка на метал.

Искровата междина се използва като предпазител от пренапрежение в електрически преносни линии (например в телефонни линии). Ако в близост до линията премине силен краткотраен ток, тогава в проводниците на тази линия се индуцират напрежения и токове, които могат да унищожат електрическа инсталацияи опасни за човешкия живот. За да се избегне това, се използват специални предпазители, състоящи се от два извити електрода, единият от които е свързан към линията, а другият е заземен. Ако потенциалът на линията спрямо земята се увеличи значително, тогава между електродите възниква искра, която заедно с нагрятия от нея въздух се издига, удължава и се счупва.

И накрая, електрическа искра се използва за измерване на големи потенциални разлики междина на топката, чиито електроди са две метални топчета с полирана повърхност. Топките се раздалечават и върху тях се прилага измерена потенциална разлика. След това топките се събират, докато между тях прескочи искра. Познавайки диаметъра на топките, разстоянието между тях, налягането, температурата и влажността на въздуха, те намират потенциалната разлика между топките според специални таблици. Този метод може да се използва за измерване с точност до няколко процента на потенциални разлики от порядъка на десетки хиляди волта.

Д. Дъгово разреждане.

Дъговият разряд е открит от В. В. Петров през 1802 г. Този разряд е една от формите на газов разряд, който възниква при висока плътност на тока и относително ниско напрежение между електродите (от порядъка на няколко десетки волта). Основната причина за дъговия разряд е интензивното излъчване на термоелектрони от горещ катод. Тези електрони се ускоряват електрическо полеи произвеждат ударна йонизация на газовите молекули, поради което електрическо съпротивлениегазовата междина между електродите е сравнително малка. Ако намалим съпротивлението на външната верига, увеличим тока на дъговия разряд, тогава проводимостта на газовата междина ще се увеличи толкова много, че напрежението между електродите намалява. Следователно се казва, че дъговият разряд има падаща характеристика ток-напрежение. При атмосферно налягане температурата на катода достига 3000 °C. Електроните, бомбардирайки анода, създават вдлъбнатина (кратер) в него и го нагряват. Температурата на кратера е около 4000 °C, а при високо въздушно налягане достига 6000-7000 °C. Температурата на газа в дъговия разряден канал достига 5000-6000 °C, така че в него настъпва интензивна термична йонизация.

В редица случаи се наблюдава и дъгов разряд при относително ниска температура на катода (например в живачна дъгова лампа).

През 1876 г. П. Н. Яблочков за първи път използва електрическа дъга като източник на светлина. В „Яблочковата свещ“ въглищата бяха подредени успоредно и разделени от извит слой, а краищата им бяха свързани с проводящ „мост за запалване“. При включване на тока, мостът за запалване изгоря и се образува между въглищата електрическа дъга. При изгарянето на въглищата изолационният слой се изпарява.

Дъговият разряд се използва като източник на светлина и днес, например в прожектори и проектори.

Високата температура на дъговия разряд дава възможност да се използва за изграждането на дъгова пещ. Понастоящем дъгови пещи, захранвани от много висок ток, се използват в редица индустрии: за топене на стомана, чугун, феросплави, бронз, производство на калциев карбид, азотен оксид и др.

През 1882 г. Н. Н. Бенардос за първи път използва дъгов разряд за рязане и заваряване на метал. Разрядът между фиксирания въглероден електрод и метала загрява връзката на двата метални листове(или плочи) и ги заварява. Бенардос използва същия метод за рязане метални плочии получаване на дупки в тях. През 1888 г. Н. Г. Славянов подобрява този метод на заваряване, като заменя въглеродния електрод с метален.

Дъговият разряд е намерил приложение в живачен токоизправител, който преобразува променлив електрически ток в постоянен.

Е. плазма.

Плазмата е частично или напълно йонизиран газ, в който плътностите на положителните и отрицателните заряди са почти еднакви. По този начин плазмата като цяло е електрически неутрална система.

Количествената характеристика на плазмата е степента на йонизация. Степента на йонизация на плазмата а е съотношението на обемната концентрация на заредените частици към общата обемна концентрация на частиците. В зависимост от степента на йонизация плазмата се разделя на слабо йонизирани(a е части от процента), частично йонизирани (a от порядъка на няколко процента) и напълно йонизирани (a е близо до 100%). Слабо йонизирана плазма природни условияса горните слоеве на атмосферата – йоносферата. Слънцето, горещите звезди и някои междузвездни облаци са напълно йонизирана плазма, която се образува при високи температури.

Средни енергии различни видовечастиците, които изграждат плазмата, могат значително да се различават една от друга. Следователно плазмата не може да се характеризира с една стойност на температурата T; Разграничете температурата на електроните T e, йонната температура T i (или йонните температури, ако има няколко вида йони в плазмата) и температурата на неутралните атоми T a (неутрален компонент). Такава плазма се нарича неизотермична, за разлика от изотермичната плазма, в която температурите на всички компоненти са еднакви.

Плазмата също се дели на високотемпературна (T i »10 6 -10 8 K и повече) и нискотемпературна!!! (Т и<=10 5 К). Это условное разделение связано с особой влажностью высокотемпературной плазмы в связи с проблемой осуществления управляемого термоядерного синтеза.

Плазмата има редица специфични свойства, което ни позволява да я разглеждаме като специално четвърто състояние на материята.

Поради високата подвижност на заредените плазмени частици, те лесно се движат под въздействието на електрически и магнитни полета. Следователно всяко нарушение на електрическата неутралност на отделни области на плазмата, причинено от натрупването на частици със същия знак на заряд, бързо се елиминира. Получените електрически полета движат заредени частици, докато електрическата неутралност се възстанови и електрическото поле стане нула. За разлика от неутралния газ, където между молекулите съществуват сили на къси разстояния, кулоновите сили действат между заредените плазмени частици, намалявайки относително бавно с разстоянието. Всяка частица взаимодейства незабавно с голям брой околни частици. Поради това, наред с хаотичното топлинно движение, плазмените частици могат да участват в различни подредени движения. В плазмата лесно се възбуждат различни видове трептения и вълни.

Проводимостта на плазмата се увеличава с увеличаване на степента на йонизация. При високи температури напълно йонизирана плазма се доближава до свръхпроводниците по своята проводимост.

Нискотемпературната плазма се използва в газоразрядни светлинни източници - в светещи тръби за рекламни надписи, в луминесцентни лампи. Газоразрядна лампа се използва в много устройства, например в газови лазери - квантови източници на светлина.

Високотемпературната плазма се използва в магнитохидродинамичните генератори.

Наскоро беше създадено ново устройство - плазмената горелка. Плазмотронът създава мощни струи от плътна нискотемпературна плазма, които се използват широко в различни области на техниката: за рязане и заваряване на метали, пробиване на кладенци в твърди скали и др.

Списък на използваната литература:

1) Физика: Електродинамика. 10-11 клетки: учеб. за задълбочено изучаване на физиката / Г. Я. Мякишев, А. З. Синяков, Б. А. Слободсков. - 2-ро издание - М.: Дрофа, 1998. - 480 с.

2) Курс по физика (в три тома). Т. II. електричество и магнетизъм. Proc. ръководство за технически колежи. / Детлаф А.А., Яворски Б.М., Милковская Л.Б. Изд. 4-то, преработено. - М.: Висше училище, 1977. - 375 с.

3) Електричество./E. Г. Калашников. Изд. "Наука", Москва, 1977 г.

4) Физика./Б. Б. Буховцев, Ю. Л. Климонтович, Г. Я. Мякишев. 3-то издание, преработено. – М.: Просвещение, 1986.

Образува се от насоченото движение на свободните електрони и че в този случай не настъпват промени в веществото, от което е направен проводникът.

Такива проводници, в които преминаването на електрически ток не е придружено от химични промени в тяхното вещество, се наричат проводници от първи вид. Те включват всички метали, въглища и редица други вещества.

Но в природата има и такива проводници на електрически ток, в които по време на преминаването на тока възникват химически явления. Тези проводници се наричат проводници от втори вид. Те включват главно различни разтвори във вода на киселини, соли и основи.

Ако излеете вода в стъклен съд и добавите към него няколко капки сярна киселина (или друга киселина или алкали) и след това вземете две метални пластини и прикрепите проводници към тях, като спуснете тези плочи в съда, и свържете ток източник към другите краища на проводниците чрез превключвател и амперметър, след което газът ще се освободи от разтвора и ще продължи непрекъснато, докато веригата се затвори. подкиселената вода наистина е проводник. Освен това плочите ще започнат да се покриват с газови мехурчета. Тогава тези мехурчета ще се откъснат от чиниите и ще излязат.

При преминаване на електрически ток през разтвора настъпват химични промени, в резултат на което се отделя газ.

Проводниците от втория вид се наричат ​​електролити, а явлението, което възниква в електролита при преминаване на електрически ток през него.

Металните плочи, потопени в електролита, се наричат ​​електроди; единият от тях, свързан към положителния полюс на източника на ток, се нарича анод, а другият, свързан към отрицателния полюс, се нарича катод.

Какво причинява преминаването на електрически ток в течен проводник? Оказва се, че в такива разтвори (електролити) киселинните молекули (алкали, соли) под действието на разтворител (в този случай вода) се разпадат на два компонента и едната частица от молекулата има положителен електрически заряд, а другата отрицателен.

Частиците на молекула, които имат електрически заряд, се наричат ​​йони. Когато киселина, сол или алкали се разтварят във вода, в разтвора се появяват голям брой както положителни, така и отрицателни йони.

Сега трябва да стане ясно защо през разтвора преминава електрически ток, тъй като между електродите, свързани към източника на ток, той е създаден, с други думи, единият от тях се оказва положително зареден, а другият отрицателно. Под въздействието на тази потенциална разлика положителните йони започват да се движат към отрицателния електрод - катода, а отрицателните йони - към анода.

Така хаотичното движение на йони се е превърнало в подредено обратно движение на отрицателните йони в едната посока и положителните в другата. Този процес на пренос на заряд представлява потока на електрически ток през електролита и се случва, докато има потенциална разлика между електродите. С изчезването на потенциалната разлика токът през електролита спира, подреденото движение на йони се нарушава и отново настъпва хаотично движение.

Като пример помислете за явлението електролиза, когато електрически ток преминава през разтвор на меден сулфат CuSO4 с медни електроди, спуснати в него.

Феноменът на електролиза, когато токът преминава през разтвор на меден сулфат: C - съд с електролит, B - източник на ток, C - превключвател

Ще има и обратно движение на йони към електродите. Положителният йон ще бъде йонът на медта (Cu), а отрицателният йон ще бъде йонът на киселинния остатък (SO4). Медните йони, при контакт с катода, ще бъдат разредени (прикрепвайки липсващите електрони към себе си), т.е. ще се превърнат в неутрални молекули на чиста мед и ще се отлагат върху катода под формата на най-тънкия (молекулен) слой.

Отрицателните йони, достигайки до анода, също се разреждат (отдават излишните електрони). Но в същото време те влизат в химическа реакция с медта на анода, в резултат на което молекула меден Cu се прикрепя към киселинния остатък SO4 и се образува молекула меден сулфат CuS O4, която се връща обратно към електролита.

Тъй като този химичен процес отнема много време, на катода се отлага мед, която се освобождава от електролита. В този случай вместо медните молекули, които са отишли ​​към катода, електролитът получава нови медни молекули поради разтварянето на втория електрод - анода.

Същият процес се случва, ако вместо медни се вземат цинкови електроди, а електролитът е разтвор на цинков сулфат ZnSO4. Цинкът също ще бъде прехвърлен от анода към катода.

По този начин, разлика между електрически ток в метали и течни проводницисе крие във факта, че в металите само свободните електрони, тоест отрицателните заряди, са носители на заряд, докато в електролитите той се носи от противоположно заредени частици материя - йони, движещи се в противоположни посоки. Затова те казват това електролитите имат йонна проводимост.

Феноменът на електролизатае открит през 1837 г. от Б. С. Якоби, който провежда множество експерименти за изследване и усъвършенстване на химически източници на ток. Якоби установи, че един от електродите, поставени в разтвор на меден сулфат, когато през него преминава електрически ток, е покрит с мед.

Това явление се нарича галванично покритие, намира изключително широко практическо приложение сега. Един пример за това е покриването на метални предмети с тънък слой от други метали, т.е. никелиране, позлата, сребро и др.

Газовете (включително въздуха) не провеждат електричество при нормални условия. Например, голи, окачени успоредно един на друг, са изолирани един от друг чрез слой въздух.

Въпреки това, под въздействието на висока температура, голяма потенциална разлика и други причини, газове, като течни проводници, йонизират, т.е. в тях се появяват в големи количества частици от газови молекули, които, като носители на електричество, допринасят за преминаването на електрически ток през газа.

Но в същото време йонизацията на газ се различава от йонизацията на течен проводник. Ако в течност една молекула се разпадне на две заредени части, то в газовете, под действието на йонизация, електроните винаги се отделят от всяка молекула и остава йон под формата на положително заредена част от молекулата.

Трябва само да спрете йонизацията на газа, тъй като той престава да бъде проводим, докато течността винаги остава проводник на електрически ток. Следователно проводимостта на газа е временно явление, зависещо от действието на външни фактори.

Има обаче още един, наречен дъгов разрядили просто електрическа дъга. Феноменът електрическа дъга е открит в началото на 19 век от първия руски електроинженер В. В. Петров.

В. В. Петров, извършвайки множество експерименти, открива, че между два въглища, свързани към източник на ток, се случва непрекъснат електрически разряд във въздуха, придружен от ярка светлина. В своите писания В. В. Петров пише, че в този случай „тъмният мир може да бъде доста ярко осветен“. Така за първи път е получена електрическа светлина, която на практика е приложена от друг руски електротехник Павел Николаевич Яблочков.

"Свещта на Яблочков", чиято работа се основава на използването на електрическа дъга, направи истинска революция в електротехниката в онези дни.

Дъговият разряд се използва като източник на светлина и днес, например в прожектори и проектори. Високата температура на дъговия разряд позволява да се използва за . Понастоящем дъгови пещи, захранвани от много висок ток, се използват в редица индустрии: за топене на стомана, чугун, феросплави, бронз и др. А през 1882 г. Н. Н. Бенардос за първи път използва дъгов разряд за рязане и заваряване на метал.

В газосветлинни тръби, луминесцентни лампи, стабилизатори на напрежение, за получаване на електронни и йонни лъчи, т.нар. светещ газов разряд.

Искровият разряд се използва за измерване на големи потенциални разлики с помощта на сферична искрова междина, чиито електроди са две метални топки с полирана повърхност. Топките се раздалечават и върху тях се прилага измерена потенциална разлика. След това топките се събират, докато между тях прескочи искра. Познавайки диаметъра на топките, разстоянието между тях, налягането, температурата и влажността на въздуха, те намират потенциалната разлика между топките според специални таблици. С този метод е възможно да се измери с точност от няколко процента потенциална разлика от порядъка на десетки хиляди волта.

Електрическият ток в газове при нормални условия е невъзможен. Тоест при атмосферна влажност, налягане и температура в газа няма носители на заряд. Това свойство на газа, по-специално на въздуха, се използва в въздушните електропроводи и релейните превключватели за осигуряване на електрическа изолация.

Но при определени условия в газове може да се наблюдава ток. Да направим експеримент. За него имаме нужда от въздушен кондензатор електрометър и свързващи проводници. Първо, нека свържем електрометъра към кондензатора. След това ще докладваме заряда на плочите на кондензатора. Електрометърът ще покаже наличието на точно този заряд. Въздушният кондензатор ще съхранява заряд за известно време. Тоест между плочите му няма да има ток. Това предполага, че въздухът между плочите на кондензатора има диелектрични свойства.

Фигура 1 - Зареден кондензатор, свързан към електрометър

След това въвеждаме пламък на свещ в пролуката между плочите. В същото време ще видим, че електрометърът ще покаже намаляване на заряда на плочите на кондензатора. Тоест в пролуката между плочите тече ток. Защо се случва това.

Фигура 2 - Вмъкване на свещ в пролуката между плочите на зареден кондензатор

При нормални условия газовите молекули са електрически неутрални. И те не са в състояние да осигурят ток. Но с повишаване на температурата настъпва така наречената йонизация на газа и той се превръща в проводник. В газа се появяват положителни и отрицателни йони.

За да може един електрон да се откъсне от газов атом, е необходимо да се извърши работа срещу кулоновите сили. Това изисква енергия. Атомът получава тази енергия с повишаване на температурата. Тъй като кинетичната енергия на топлинното движение е право пропорционална на температурата на газа. След това, с увеличаването му, молекулите и атомите получават достатъчно енергия, така че електроните да се откъснат от атомите, когато се сблъскат. Такъв атом се превръща в положителен йон. Отделеният електрон може да се придържа към друг атом, след което той ще се превърне в отрицателен йон.

В резултат на това в пролуката между плочите се появяват положителни и отрицателни йони, както и електрони. Всички те започват да се движат под действието на полето, създадено от зарядите върху плочите на кондензатора. Положителните йони се движат към катода. Отрицателните йони и електрони се стремят към анода. По този начин се осигурява ток във въздушната междина.

Зависимостта на тока от напрежението не се подчинява на закона на Ом във всички области. В първия раздел това е така с увеличаване на напрежението, броят на йоните се увеличава и следователно токът. Освен това във втория участък настъпва насищане, тоест с увеличаване на напрежението токът не се увеличава. Защото концентрацията на йони е максимална и нови се появяват просто от нищото.

Фигура 3 - ток-волтова характеристика на въздушната междина

В третия раздел отново има увеличение на тока с увеличаване на напрежението. Този участък се нарича саморазряд. Тоест йонизаторите на трети страни вече не са необходими за поддържане на тока в газа. Това се дължи на факта, че електроните при високо напрежение получават достатъчно енергия, за да избият други електрони от атомите сами. Тези електрони от своя страна нокаутират други и т.н. Процесът върви като лавина. И основната проводимост в газа вече се осигурява от електрони.