Message de courant électrique dans les gaz. Courant électrique dans les gaz : définition, caractéristiques et faits intéressants

Dans les gaz, il existe des décharges électriques non auto-entretenues et auto-entretenues.

Le phénomène de circulation du courant électrique à travers un gaz, observé uniquement sous la condition de toute influence extérieure sur le gaz, est appelé une décharge électrique non auto-entretenue. Le processus de détachement d'un électron d'un atome est appelé ionisation de l'atome. L'énergie minimale qui doit être dépensée pour détacher un électron d'un atome est appelée énergie d'ionisation. Un gaz partiellement ou totalement ionisé, dans lequel les densités de charges positives et négatives sont les mêmes, est appelé plasma.

Les porteurs de courant électrique en décharge non auto-entretenue sont les ions positifs et les électrons négatifs. La caractéristique courant-tension est représentée sur la fig. 54. Dans le domaine de l'hyperactivité vésicale - une décharge non auto-entretenue. Dans la région de la Colombie-Britannique, la décharge devient indépendante.

Dans l'autodécharge, l'une des méthodes d'ionisation des atomes est l'ionisation par impact électronique. L'ionisation par impact électronique devient possible lorsque l'électron acquiert une énergie cinétique W k au libre parcours moyen A, suffisante pour effectuer le travail de détachement de l'électron de l'atome. Types de décharges indépendantes dans les gaz - décharges par étincelle, couronne, arc et lueur.

décharge d'étincelle se produit entre deux électrodes chargées de charges différentes et ayant une grande différence de potentiel. La tension entre des corps chargés de manière opposée atteint jusqu'à 40 000 V. La décharge par étincelle est à court terme, son mécanisme est un impact électronique. La foudre est un type de décharge par étincelle.

Dans des champs électriques très inhomogènes, formés, par exemple, entre une pointe et un plan ou entre un fil de ligne électrique et la surface de la Terre, une forme particulière de décharge auto-entretenue dans les gaz se produit, appelée décharge corona.

Décharge d'arc électrique a été découvert par le scientifique russe V.V. Petrov en 1802. Lorsque deux électrodes en charbon entrent en contact à une tension de 40-50 V, il existe à certains endroits des zones de petite section avec une résistance électrique élevée. Ces zones deviennent très chaudes, émettent des électrons qui ionisent les atomes et les molécules entre les électrodes. Les porteurs de courant électrique dans l'arc sont des ions et des électrons chargés positivement.

Une décharge qui se produit à pression réduite est appelée décharge luminescente. Lorsque la pression diminue, le libre parcours moyen de l'électron augmente, et pendant le temps entre les collisions, il a le temps d'acquérir suffisamment d'énergie pour l'ionisation dans champ électrique avec moins de stress. La décharge est réalisée par une avalanche électron-ion.

1. L'ionisation, son essence et ses types.

La première condition d'existence d'un courant électrique est la présence de porteurs de charge libres. Dans les gaz, ils résultent de l'ionisation. Sous l'action des facteurs d'ionisation, un électron est séparé d'une particule neutre. L'atome devient un ion positif. Ainsi, il existe 2 types de porteurs de charge : un ion positif et un électron libre. Si un électron rejoint un atome neutre, alors un ion négatif apparaît, c'est-à-dire le troisième type de porteurs de charge. Un gaz ionisé est appelé conducteur de troisième espèce. Deux types de conductivité sont ici possibles : électronique et ionique. Simultanément aux processus d'ionisation, le processus inverse, la recombinaison, a lieu. Il faut de l'énergie pour séparer un électron d'un atome. Si l'énergie est fournie de l'extérieur, les facteurs contribuant à l'ionisation sont appelés externes (température élevée, rayonnement ionisant, rayonnement ultraviolet, forte champs magnétiques). Selon les facteurs d'ionisation, on parle d'ionisation thermique, photoionisation. De plus, l'ionisation peut être causée par un choc mécanique. Les facteurs d'ionisation sont divisés en facteurs naturels et artificiels. Le naturel est causé par le rayonnement du Soleil, le fond radioactif de la Terre. En plus de l'ionisation externe, il y a interne. Il est divisé en percussion et en gradins.

Ionisation par impact.

A une tension suffisamment élevée, les électrons accélérés par le champ à des vitesses élevées deviennent eux-mêmes une source d'ionisation. Lorsqu'un tel électron frappe un atome neutre, l'électron est expulsé de l'atome. Cela se produit lorsque l'énergie de l'électron provoquant l'ionisation dépasse l'énergie d'ionisation de l'atome. La tension entre les électrodes doit être suffisante pour que l'électron acquière l'énergie requise. Cette tension est appelée tension d'ionisation. Chacun a sa propre signification.

Si l'énergie de l'électron en mouvement est inférieure à ce qui est nécessaire, seule l'excitation de l'atome neutre se produit lors de l'impact. Si un électron en mouvement entre en collision avec un atome pré-excité, une ionisation par étapes se produit.

2. Décharge de gaz non auto-entretenue et sa caractéristique courant-tension.

L'ionisation conduit à la satisfaction de la première condition d'existence du courant, c'est-à-dire à l'apparition de charges gratuites. Pour que le courant se produise, une force externe est nécessaire, ce qui fera bouger les charges dans une direction, c'est-à-dire un champ électrique est nécessaire. Un courant électrique dans les gaz s'accompagne de nombreux phénomènes : lumière, son, formation d'ozone, d'oxydes d'azote. L'ensemble des phénomènes accompagnant le passage du courant à travers gaz - gaz rang . Souvent, le processus de passage du courant est appelé une décharge de gaz.

La décharge est dite non auto-entretenue si elle n'existe que lors de l'action d'un ioniseur extérieur. Dans ce cas, après la fin de l'action de l'ioniseur externe, aucun nouveau porteur de charge ne se forme et le courant s'arrête. Avec une décharge non auto-entretenue, les courants sont de faible amplitude et il n'y a pas de lueur de gaz.

Décharge de gaz indépendante, ses types et ses caractéristiques.

Une décharge de gaz indépendante est une décharge qui peut exister après l'arrêt de l'ioniseur externe, c'est-à-dire due à l'ionisation par impact. Dans ce cas, des phénomènes lumineux et sonores sont observés, l'intensité du courant peut augmenter de manière significative.

Types d'auto-décharge :

1. décharge silencieuse - suit directement celle qui n'est pas auto-entretenue, l'intensité du courant ne dépasse pas 1 mA, il n'y a pas de phénomènes sonores et lumineux. Il est utilisé en physiothérapie, compteurs Geiger-Muller.

2. décharge luminescente. Au fur et à mesure que la tension augmente, le silence se transforme en étouffement. Cela se produit à une certaine tension - tension d'allumage. Cela dépend du type de gaz. Le néon a 60-80 V. Cela dépend aussi de la pression du gaz. La décharge luminescente s'accompagne d'une lueur, elle est associée à une recombinaison, qui va de pair avec la libération d'énergie. La couleur dépend aussi du type de gaz. Il est utilisé dans les lampes de signalisation (néon, ultra-violet bactéricide, éclairant, luminescent).

3. décharge d'arc. L'intensité du courant est de 10 à 100 A. Elle s'accompagne d'une lueur intense, la température dans l'espace de décharge de gaz atteint plusieurs milliers de degrés. L'ionisation atteint presque 100 %. 100% gaz ionisé - plasma de gaz froid. Elle a une bonne conductivité. Il est utilisé dans les lampes à mercure à haute et ultra haute pression.

4. La décharge d'étincelle est une sorte de décharge d'arc. Il s'agit d'une décharge oscillatoire pulsée. En médecine, on utilise l'effet des oscillations à haute fréquence, à haute densité de courant on observe des phénomènes sonores intenses.

5. décharge corona. C'est une sorte de décharge luminescente On l'observe dans des endroits où il y a un changement brusque de l'intensité du champ électrique. Ici, il y a une avalanche de charges et une lueur de gaz - une couronne.

Résumé de physique

sur le sujet:

"Courant électrique dans les gaz".

Courant électrique dans les gaz.

1. Décharge électrique dans les gaz.

Tous les gaz à l'état naturel ne conduisent pas l'électricité. Cela ressort de l'expérience suivante :

Prenons un électromètre auquel sont attachés des disques d'un condensateur plat et chargeons-le. À température ambiante si l'air est suffisamment sec, le condensateur ne se décharge pas sensiblement - la position de l'aiguille de l'électromètre ne change pas. Pour constater une diminution de l'angle de déviation de l'aiguille de l'électromètre, il faut Longtemps. Cela montre que électricité dans l'air entre les disques est très faible. Cette expérience montre que l'air est un mauvais conducteur du courant électrique.

Modifions l'expérience : chauffons l'air entre les disques avec la flamme d'une lampe à alcool. Ensuite, l'angle de déviation de l'aiguille de l'électromètre diminue rapidement, c'est-à-dire la différence de potentiel entre les disques du condensateur diminue - le condensateur est déchargé. Par conséquent, l'air chauffé entre les disques est devenu conducteur et un courant électrique s'y établit.

Les propriétés isolantes des gaz s'expliquent par le fait qu'ils ne contiennent pas de charges électriques libres : les atomes et les molécules des gaz à l'état naturel sont neutres.

2. Ionisation des gaz.

L'expérience ci-dessus montre que des particules chargées apparaissent dans les gaz sous l'influence d'une température élevée. Ils surviennent à la suite de la séparation d'un ou plusieurs électrons des atomes de gaz, à la suite de quoi un ion positif et des électrons apparaissent à la place d'un atome neutre. Une partie des électrons formés peut être capturée par d'autres atomes neutres, puis davantage d'ions négatifs apparaîtront. La décomposition des molécules de gaz en électrons et ions positifs est appelée ionisation des gaz.

Le chauffage d'un gaz à haute température n'est pas le seul moyen d'ioniser des molécules de gaz ou des atomes. L'ionisation du gaz peut se produire sous l'influence de diverses interactions extérieures : fort échauffement du gaz, radiographies, rayons a, b et g résultant de la désintégration radioactive, des rayons cosmiques, du bombardement de molécules de gaz par des électrons ou des ions en mouvement rapide. Les facteurs qui provoquent l'ionisation des gaz sont appelés ioniseurs. La caractéristique quantitative du processus d'ionisation est intensité d'ionisation, mesuré par le nombre de paires de particules chargées de signe opposé qui apparaissent dans une unité de volume de gaz par unité de temps.

L'ionisation d'un atome nécessite la dépense d'une certaine énergie - l'énergie d'ionisation. Pour ioniser un atome (ou une molécule), il faut faire un travail contre les forces d'interaction entre l'électron éjecté et le reste des particules de l'atome (ou de la molécule). Ce travail est appelé travail d'ionisation A i . La valeur du travail d'ionisation dépend de nature chimiqueétat gazeux et énergétique d'un électron éjecté dans un atome ou une molécule.

Après l'arrêt de l'ioniseur, le nombre d'ions dans le gaz diminue avec le temps et finalement les ions disparaissent complètement. La disparition des ions s'explique par le fait que les ions et les électrons sont impliqués dans mouvement thermique et donc se heurtent. Lorsqu'un ion positif et un électron entrent en collision, ils peuvent se réunir en un atome neutre. De la même manière, lorsqu'un ion positif et un ion négatif entrent en collision, l'ion négatif peut céder son électron en excès à l'ion positif et les deux ions se transformeront en atomes neutres. Ce processus de neutralisation mutuelle des ions est appelé recombinaison ionique. Lorsqu'un ion positif et un électron ou deux ions se recombinent, une certaine énergie est libérée, égale à l'énergie dépensée pour l'ionisation. En partie, il est émis sous forme de lumière, et donc la recombinaison des ions s'accompagne de luminescence (luminescence de recombinaison).

Dans les phénomènes de décharge électrique dans les gaz, l'ionisation des atomes par impacts d'électrons joue un rôle important. Ce processus consiste en ce qu'un électron en mouvement, qui a une énergie cinétique suffisante, assomme un ou plusieurs électrons atomiques, à la suite de quoi l'atome neutre se transforme en ion positif et de nouveaux électrons apparaissent dans le gaz (cela sera discuté plus tard).

Le tableau ci-dessous donne les énergies d'ionisation de certains atomes.

3. Mécanisme de la conductivité électrique des gaz.

Le mécanisme de la conductivité des gaz est similaire au mécanisme de conductivité des solutions d'électrolyte et des fondus. En l'absence de champ extérieur, les particules chargées, comme les molécules neutres, se déplacent de manière aléatoire. Si des ions et des électrons libres se trouvent dans un champ électrique externe, ils entrent en mouvement dirigé et créent un courant électrique dans les gaz.

Ainsi, le courant électrique dans un gaz est un mouvement dirigé d'ions positifs vers la cathode, et d'ions négatifs et d'électrons vers l'anode. Le courant total dans le gaz est composé de deux flux de particules chargées : le flux allant à l'anode et le flux dirigé vers la cathode.

La neutralisation des particules chargées se produit sur les électrodes, comme dans le cas du passage du courant électrique à travers des solutions et des électrolytes fondus. Cependant, dans les gaz, il n'y a pas de libération de substances sur les électrodes, comme c'est le cas dans les solutions d'électrolyte. Les ions de gaz, s'approchant des électrodes, leur donnent leurs charges, se transforment en molécules neutres et se diffusent dans le gaz.

Une autre différence dans la conductivité électrique des gaz ionisés et des solutions (fonds) d'électrolytes est que la charge négative lors du passage du courant à travers les gaz est transférée principalement non par des ions négatifs, mais par des électrons, bien que la conductivité due aux ions négatifs puisse également jouer un rôle. certain rôle.

Ainsi, les gaz combinent une conductivité électronique, similaire à la conductivité des métaux, avec une conductivité ionique, similaire à la conductivité des solutions aqueuses et des électrolytes fondus.

4. Décharge de gaz non auto-entretenue.

Le processus de passage d'un courant électrique à travers un gaz s'appelle une décharge de gaz. Si la conductivité électrique du gaz est créée par des ioniseurs externes, le courant électrique qui y apparaît est appelé décharge de gaz non auto-entretenue. Avec la fin de l'action des ioniseurs externes, la décharge non auto-entretenue cesse. Une décharge de gaz non auto-entretenue n'est pas accompagnée d'une incandescence de gaz.

Vous trouverez ci-dessous un graphique de la dépendance de l'intensité du courant sur la tension pour une décharge non auto-entretenue dans un gaz. Un tube de verre avec deux électrodes métalliques soudées dans le verre a été utilisé pour tracer le graphique. La chaîne est assemblée comme indiqué sur la figure ci-dessous.

A une certaine tension, il arrive un moment où toutes les particules chargées formées dans le gaz par l'ioniseur en une seconde atteignent les électrodes en même temps. Une nouvelle augmentation de tension ne peut plus conduire à une augmentation du nombre d'ions transportés. Le courant atteint la saturation (coupe horizontale du graphique 1).

5. Décharge de gaz indépendante.

Une décharge électrique dans un gaz qui persiste après la fin de l'action d'un ioniseur externe est appelée décharge de gaz indépendante. Pour sa mise en oeuvre, il est nécessaire qu'à la suite de la décharge elle-même, des charges libres se forment en continu dans le gaz. La principale source de leur apparition est l'ionisation par impact des molécules de gaz.

Si, après avoir atteint la saturation, nous continuons à augmenter la différence de potentiel entre les électrodes, alors l'intensité du courant à une tension suffisamment élevée augmentera fortement (graphique 2).

Cela signifie que des ions supplémentaires apparaissent dans le gaz, qui se forment sous l'action de l'ioniseur. L'intensité du courant peut augmenter des centaines et des milliers de fois, et le nombre de particules chargées qui apparaissent pendant la décharge peut devenir si important qu'un ioniseur externe n'est plus nécessaire pour maintenir la décharge. Par conséquent, l'ioniseur peut maintenant être retiré.

Quelles sont les raisons de la forte augmentation de l'intensité du courant à haute tension ? Considérez n'importe quelle paire de particules chargées (un ion positif et un électron) formée en raison de l'action d'un ioniseur externe. L'électron libre qui apparaît ainsi commence à se déplacer vers l'électrode positive - l'anode, et l'ion positif - vers la cathode. Sur son chemin, l'électron rencontre des ions et des atomes neutres. Dans les intervalles entre deux collisions successives, l'énergie de l'électron augmente en raison du travail des forces du champ électrique.

Plus la différence de potentiel entre les électrodes est grande, plus l'intensité du champ électrique est grande. L'énergie cinétique d'un électron avant la prochaine collision est proportionnelle à l'intensité du champ et au libre parcours de l'électron : MV 2 /2=eEl. Si l'énergie cinétique d'un électron dépasse le travail A i nécessaire pour ioniser un atome (ou une molécule) neutre, c'est-à-dire MV 2 >A i , alors lorsqu'un électron entre en collision avec un atome (ou une molécule), il est ionisé. En conséquence, au lieu d'un électron, deux électrons apparaissent (attaquant l'atome et arrachés à l'atome). À leur tour, ils reçoivent de l'énergie dans le champ et ionisent les atomes venant en sens inverse, etc. En conséquence, le nombre de particules chargées augmente rapidement et une avalanche d'électrons se produit. Le processus décrit est appelé ionisation par impact électronique.

Mais l'ionisation par impact électronique ne peut à elle seule assurer le maintien d'une charge indépendante. En effet, après tout, tous les électrons qui surgissent de cette manière se dirigent vers l'anode et, en atteignant l'anode, "sortent du jeu". Pour maintenir la décharge, il faut l'émission d'électrons par la cathode (« émission » signifie « émission »). L'émission d'un électron peut être due à plusieurs raisons.

Les ions positifs formés lors de la collision d'électrons avec des atomes neutres, lorsqu'ils se dirigent vers la cathode, acquièrent une grande énergie cinétique sous l'action du champ. Lorsque de tels ions rapides frappent la cathode, des électrons sont expulsés de la surface de la cathode.

De plus, la cathode peut émettre des électrons lorsqu'elle est chauffée à haute température. Ce processus est appelé émission thermionique. Cela peut être considéré comme l'évaporation des électrons du métal. Dans de nombreux solides l'émission thermionique se produit à des températures auxquelles l'évaporation de la substance elle-même est encore faible. Ces substances sont utilisées pour la fabrication de cathodes.

Lors de l'autodécharge, la cathode peut être chauffée en la bombardant d'ions positifs. Si l'énergie des ions n'est pas trop élevée, il n'y a pas de suppression d'électrons de la cathode et des électrons sont émis en raison de l'émission thermionique.

6. Différents types d'autodécharge et leur application technique.

En fonction des propriétés et de l'état du gaz, de la nature et de l'emplacement des électrodes, ainsi que de la tension appliquée aux électrodes, différentes sortes rang indépendant. Considérons quelques-uns d'entre eux.

UN. Décharge fumante.

Une décharge luminescente est observée dans les gaz à basses pressions de l'ordre de quelques dizaines de millimètres de mercure et moins. Si nous considérons un tube avec une décharge luminescente, nous pouvons voir que les parties principales d'une décharge luminescente sont espace sombre cathodique, loin de lui négatif ou alors lueur fumante, qui passe progressivement dans la région espace sombre faraday. Ces trois régions forment la partie cathodique de la décharge, suivie de la partie lumineuse principale de la décharge, qui détermine ses propriétés optiques et est appelée colonne positive.

Le rôle principal dans le maintien de la décharge luminescente est joué par les deux premières régions de sa partie cathodique. caractéristique Ce type de décharge est une chute brutale du potentiel à proximité de la cathode, qui est associée à une concentration élevée d'ions positifs à la frontière des régions I et II, en raison de la vitesse relativement faible des ions à la cathode. Dans l'espace sombre de la cathode, il y a une forte accélération des électrons et des ions positifs, éliminant les électrons de la cathode. Dans la région de la lueur incandescente, les électrons produisent une ionisation par impact intense des molécules de gaz et perdent leur énergie. Ici, des ions positifs sont formés, qui sont nécessaires pour maintenir la décharge. L'intensité du champ électrique dans cette région est faible. La lueur couvante est principalement causée par la recombinaison d'ions et d'électrons. La longueur de l'espace sombre cathodique est déterminée par les propriétés du gaz et du matériau cathodique.

Dans la région de la colonne positive, la concentration d'électrons et d'ions est approximativement la même et très élevée, ce qui provoque une conductivité électrique élevée de la colonne positive et une légère baisse de potentiel dans celle-ci. La lueur de la colonne positive est déterminée par la lueur des molécules de gaz excitées. Près de l'anode, on observe à nouveau une variation relativement nette du potentiel, qui est associée au processus de génération d'ions positifs. Dans certains cas, la colonne positive se décompose en zones lumineuses séparées - couches, séparés par des espaces sombres.

La colonne positive ne joue pas un rôle significatif dans le maintien de la décharge luminescente; par conséquent, à mesure que la distance entre les électrodes du tube diminue, la longueur de la colonne positive diminue et elle peut disparaître complètement. La situation est différente avec la longueur de l'espace sombre cathodique, qui ne change pas lorsque les électrodes se rapprochent. Si les électrodes sont si proches que la distance entre elles devient inférieure à la longueur de l'espace sombre de la cathode, la décharge luminescente dans le gaz s'arrêtera. Des expériences montrent que, toutes choses égales par ailleurs, la longueur d de l'espace noir cathodique est inversement proportionnelle à la pression du gaz. Par conséquent, à des pressions suffisamment basses, les électrons expulsés de la cathode par les ions positifs traversent le gaz presque sans collisions avec ses molécules, formant électronique, ou alors rayons cathodiques .

La décharge luminescente est utilisée dans les tubes à gaz, les lampes fluorescentes, les stabilisateurs de tension, pour obtenir des faisceaux d'électrons et d'ions. Si une fente est pratiquée dans la cathode, des faisceaux d'ions étroits la traversent dans l'espace derrière la cathode, souvent appelé rayons du canal. phénomène largement utilisé pulvérisation cathodique, c'est à dire. destruction de la surface cathodique sous l'action des ions positifs la frappant. Des fragments ultramicroscopiques du matériau cathodique volent dans toutes les directions le long de lignes droites et recouvrent la surface de corps (notamment diélectriques) placés dans un tube à couche mince. De cette manière, des miroirs sont fabriqués pour un certain nombre d'appareils, appliqués fine couche métal sur photocellules au sélénium.

b. Décharge couronne.

Une décharge corona se produit à pression normale dans un gaz dans un champ électrique très inhomogène (par exemple, à proximité de pointes ou de fils de lignes à haute tension). Dans une décharge corona, l'ionisation du gaz et sa lueur ne se produisent qu'à proximité des électrodes corona. Dans le cas de la couronne cathodique (couronne négative), les électrons qui provoquent l'ionisation par impact des molécules de gaz sont expulsés de la cathode lorsqu'elle est bombardée d'ions positifs. Si l'anode est corona (couronne positive), la naissance d'électrons se produit en raison de la photoionisation du gaz près de l'anode. Corona est un phénomène nocif, accompagné de fuites et de pertes de courant énergie électrique. Pour réduire la couronne, le rayon de courbure des conducteurs est augmenté et leur surface est rendue aussi lisse que possible. À une tension suffisamment élevée entre les électrodes, la décharge corona se transforme en étincelle.

A une tension accrue, la décharge corona sur la pointe prend la forme de lignes lumineuses émanant de la pointe et alternant dans le temps. Ces lignes, qui ont une série de plis et de virages, forment une sorte de brosse, à la suite de laquelle une telle décharge est appelée carpien .

Un nuage d'orage chargé induit sur la surface de la Terre en dessous charges électriques signe opposé. Une charge particulièrement importante s'accumule sur les pointes. Par conséquent, avant un orage ou pendant un orage, des cônes de lumière comme des pinceaux s'embrasent souvent sur les pointes et les angles vifs des objets très élevés. Depuis l'Antiquité, cette lueur s'appelle les feux de Saint-Elme.

Surtout souvent, les grimpeurs deviennent les témoins de ce phénomène. Parfois, même non seulement les objets métalliques, mais aussi les extrémités des cheveux sur la tête sont décorés de petits glands lumineux.

La décharge corona doit être prise en compte lorsqu'il s'agit de haute tension. S'il y a des parties saillantes ou des fils très fins, une décharge corona peut commencer. Il en résulte une fuite de puissance. Plus la tension de la ligne haute tension est élevée, plus les fils doivent être épais.

C Décharge d'étincelle.

La décharge par étincelle a l'apparence de canaux de filaments ramifiés en zigzag brillants qui pénètrent dans l'espace de décharge et disparaissent, remplacés par de nouveaux. Des études ont montré que les canaux de décharge d'étincelles commencent à se développer parfois à partir de l'électrode positive, parfois à partir du négatif et parfois à partir d'un certain point entre les électrodes. Cela s'explique par le fait que l'ionisation par impact dans le cas d'une décharge par étincelle ne se produit pas sur tout le volume de gaz, mais par des canaux individuels passant aux endroits où la concentration en ions s'est accidentellement avérée la plus élevée. La décharge d'étincelle s'accompagne de la libération un grand nombre chaleur, lueur vive du gaz, crépitement ou tonnerre. Tous ces phénomènes sont provoqués par des avalanches d'électrons et d'ions qui se produisent dans les canaux d'étincelles et entraînent une énorme augmentation de la pression, atteignant 10 7 ¸10 8 Pa, et une augmentation de la température jusqu'à 10 000 °C.

Un exemple typique de décharge par étincelle est la foudre. Le canal de foudre principal a un diamètre de 10 à 25 cm et la longueur de la foudre peut atteindre plusieurs kilomètres. Force maximale Le courant de l'impulsion de foudre atteint des dizaines et des centaines de milliers d'ampères.

Avec une faible longueur de l'entrefer de décharge, la décharge par étincelle provoque une destruction spécifique de l'anode, appelée érosion. Ce phénomène a été utilisé dans la méthode de découpe, de perçage et d'autres types de traitement de précision des métaux par électroétincelle.

L'éclateur est utilisé comme parasurtenseur dans les lignes de transmission électrique (par exemple, dans lignes téléphoniques). Si un fort courant de courte durée passe près de la ligne, des tensions et des courants sont induits dans les fils de cette ligne, ce qui peut détruire installation électrique et dangereux pour la vie humaine. Pour éviter cela, des fusibles spéciaux sont utilisés, constitués de deux électrodes courbes, dont l'une est connectée à la ligne et l'autre est mise à la terre. Si le potentiel de la ligne par rapport au sol augmente considérablement, une décharge d'étincelle se produit entre les électrodes qui, avec l'air chauffé par celle-ci, monte, s'allonge et se casse.

Enfin, une étincelle électrique est utilisée pour mesurer de grandes différences de potentiel en utilisant écart de balle, dont les électrodes sont deux billes métalliques à surface polie. Les boules sont écartées et une différence de potentiel mesurée leur est appliquée. Ensuite, les boules sont rapprochées jusqu'à ce qu'une étincelle saute entre elles. Connaissant le diamètre des boules, la distance qui les sépare, la pression, la température et l'humidité de l'air, ils trouvent la différence de potentiel entre les boules selon des tables spéciales. Cette méthode permet de mesurer, à quelques pour cent près, des différences de potentiel de l'ordre de dizaines de milliers de volts.

RÉ. Décharge d'arc.

La décharge d'arc a été découverte par V. V. Petrov en 1802. Cette décharge est une des formes de décharge gazeuse, qui se produit à une densité de courant élevée et une tension relativement faible entre les électrodes (de l'ordre de quelques dizaines de volts). La cause principale de la décharge d'arc est l'émission intense de thermoélectrons par une cathode chaude. Ces électrons accélèrent champ électrique et produire une ionisation par impact des molécules de gaz, grâce à laquelle résistance électrique l'espace de gaz entre les électrodes est relativement petit. Si nous réduisons la résistance du circuit externe, augmentons le courant de la décharge en arc, la conductivité de l'entrefer de gaz augmentera tellement que la tension entre les électrodes diminuera. Par conséquent, la décharge en arc est dite avoir une caractéristique courant-tension décroissante. A pression atmosphérique, la température de cathode atteint 3000 °C. Les électrons, bombardant l'anode, y créent un évidement (cratère) et la chauffent. La température du cratère est d'environ 4 000 °C et, à des pressions atmosphériques élevées, elle atteint 6 000 à 7 000 °C. La température du gaz dans le canal de décharge d'arc atteint 5000-6000 ° C, de sorte qu'une ionisation thermique intense s'y produit.

Dans un certain nombre de cas, une décharge en arc est également observée à une température de cathode relativement basse (par exemple, dans une lampe à arc au mercure).

En 1876, P. N. Yablochkov a utilisé pour la première fois un arc électrique comme source de lumière. Dans la "bougie Yablochkov", les charbons étaient disposés en parallèle et séparés par une couche incurvée, et leurs extrémités étaient reliées par un "pont d'allumage" conducteur. Lorsque le courant a été allumé, le pont d'allumage a brûlé et s'est formé entre les charbons arc électrique. Au fur et à mesure que les charbons brûlaient, la couche isolante s'évaporait.

La décharge d'arc est utilisée comme source de lumière encore aujourd'hui, par exemple, dans les projecteurs et les projecteurs.

La température élevée de la décharge en arc permet de l'utiliser pour la construction d'un four à arc. Actuellement, les fours à arc alimentés par un courant très élevé sont utilisés dans de nombreuses industries : pour la fusion de l'acier, de la fonte, des ferroalliages, du bronze, la production de carbure de calcium, d'oxyde d'azote, etc.

En 1882, N. N. Benardos a utilisé pour la première fois une décharge à arc pour couper et souder le métal. La décharge entre l'électrode de carbone fixe et le métal chauffe la jonction des deux Tôles(ou plaques) et les soude. Benardos a utilisé la même méthode pour couper des plaques métalliques et y faire des trous. En 1888, N. G. Slavyanov a amélioré cette méthode de soudage en remplaçant l'électrode en carbone par une électrode en métal.

La décharge en arc a trouvé une application dans un redresseur au mercure, qui convertit un courant électrique alternatif en un courant continu.

E. Plasma.

Le plasma est un gaz partiellement ou totalement ionisé dans lequel les densités de charges positives et négatives sont presque les mêmes. Ainsi, le plasma dans son ensemble est un système électriquement neutre.

La caractéristique quantitative du plasma est le degré d'ionisation. Le degré d'ionisation du plasma a est le rapport de la concentration volumique de particules chargées à la concentration volumique totale de particules. Selon le degré d'ionisation, le plasma est divisé en faiblement ionisé(a est une fraction de pourcent), partiellement ionisé (a de l'ordre de quelques pourcents) et totalement ionisé (a est proche de 100%). Plasma faiblement ionisé conditions naturelles sont les couches supérieures de l'atmosphère - l'ionosphère. Le soleil, les étoiles chaudes et certains nuages ​​interstellaires sont des plasmas entièrement ionisés qui se forment à des températures élevées.

Moyennes énergies divers types les particules qui composent le plasma peuvent différer considérablement les unes des autres. Le plasma ne peut donc pas être caractérisé par une seule valeur de température T ; on distingue la température électronique T e , la température ionique T i (ou les températures ioniques, s'il y a plusieurs sortes d'ions dans le plasma) et la température des atomes neutres T a (composante neutre). Un tel plasma est dit non isotherme, contrairement au plasma isotherme, dans lequel les températures de tous les composants sont les mêmes.

Le plasma est également divisé en haute température (T i »10 6 -10 8 K et plus) et basse température !!! (T je<=10 5 К). Это условное разделение связано с особой влажностью высокотемпературной плазмы в связи с проблемой осуществления управляемого термоядерного синтеза.

Le plasma a un certain nombre de propriétés spécifiques, ce qui nous permet de le considérer comme un quatrième état particulier de la matière.

En raison de la grande mobilité des particules de plasma chargées, elles se déplacent facilement sous l'influence des champs électriques et magnétiques. Par conséquent, toute violation de la neutralité électrique de régions individuelles du plasma, causée par l'accumulation de particules de même signe de charge, est rapidement éliminée. Les champs électriques résultants déplacent les particules chargées jusqu'à ce que la neutralité électrique soit restaurée et que le champ électrique devienne nul. Contrairement à un gaz neutre, où des forces à courte portée existent entre les molécules, les forces de Coulomb agissent entre les particules de plasma chargées, diminuant relativement lentement avec la distance. Chaque particule interagit immédiatement avec un grand nombre de particules environnantes. Pour cette raison, en plus du mouvement thermique chaotique, les particules de plasma peuvent participer à divers mouvements ordonnés. Différents types d'oscillations et d'ondes sont facilement excités dans un plasma.

La conductivité du plasma augmente à mesure que le degré d'ionisation augmente. À des températures élevées, un plasma entièrement ionisé se rapproche des supraconducteurs dans sa conductivité.

Le plasma à basse température est utilisé dans les sources lumineuses à décharge - dans les tubes lumineux pour les inscriptions publicitaires, dans les lampes fluorescentes. Une lampe à décharge de gaz est utilisée dans de nombreux appareils, par exemple dans les lasers à gaz - sources de lumière quantique.

Le plasma à haute température est utilisé dans les générateurs magnétohydrodynamiques.

Un nouveau dispositif, la torche à plasma, vient d'être créé. Le plasmatron crée de puissants jets de plasma dense à basse température, largement utilisés dans divers domaines technologiques : pour couper et souder des métaux, forer des puits dans des roches dures, etc.

Liste de la littérature utilisée :

1) Physique : Électrodynamique. 10-11 cellules : manuel. pour une étude approfondie de la physique / G. Ya. Myakishev, A.Z. Sinyakov, B.A. Slobodskov. - 2e édition - M. : Drofa, 1998. - 480 p.

2) Cours de physique (en trois volumes). T.II. l'électricité et le magnétisme. Proc. manuel pour les collèges techniques. / Detlaf A.A., Yavorsky B. M., Milkovskaya L. B. Izd. 4e, révisé. - M. : Lycée supérieur, 1977. - 375 p.

3) Électricité./E. G. Kalachnikov. Éd. "Science", Moscou, 1977.

4) Physique./B. B. Bukhovtsev, Yu. L. Klimontovich, G. Ya. Myakishev. 3e édition, révisée. – M. : Lumières, 1986.

Il est formé par le mouvement dirigé d'électrons libres et que, dans ce cas, aucun changement dans la substance à partir de laquelle le conducteur est fabriqué ne se produit.

De tels conducteurs, dans lesquels le passage d'un courant électrique ne s'accompagne pas de modifications chimiques de leur substance, sont appelés conducteurs de première espèce. Ceux-ci incluent tous les métaux, le charbon et un certain nombre d'autres substances.

Mais il existe également de tels conducteurs de courant électrique dans la nature, dans lesquels des phénomènes chimiques se produisent lors du passage du courant. Ces conducteurs sont appelés conducteurs de seconde espèce. Il s'agit principalement de diverses solutions dans l'eau d'acides, de sels et d'alcalis.

Si vous versez de l'eau dans un récipient en verre et y ajoutez quelques gouttes d'acide sulfurique (ou un autre acide ou alcali), puis prenez deux plaques de métal et attachez-y des conducteurs en abaissant ces plaques dans le récipient, et connectez un courant source aux autres extrémités des conducteurs via un interrupteur et un ampèremètre, puis le gaz sera libéré de la solution, et il continuera en continu jusqu'à ce que le circuit soit fermé. l'eau acidifiée est en effet conductrice. De plus, les plaques commenceront à être couvertes de bulles de gaz. Ensuite, ces bulles se détacheront des plaques et sortiront.

Lorsqu'un courant électrique traverse la solution, des modifications chimiques se produisent, à la suite desquelles du gaz est libéré.

Les conducteurs du second type sont appelés électrolytes, et le phénomène qui se produit dans l'électrolyte lorsqu'un courant électrique le traverse l'est.

Les plaques métalliques plongées dans l'électrolyte sont appelées électrodes ; l'une d'elles, reliée au pôle positif de la source de courant, est appelée anode, et l'autre, reliée au pôle négatif, est appelée cathode.

Qu'est-ce qui provoque le passage du courant électrique dans un conducteur liquide ? Il s'avère que dans de telles solutions (électrolytes), les molécules acides (alcalis, sels) sous l'action d'un solvant (dans ce cas, l'eau) se décomposent en deux composants, et une particule de la molécule a une charge électrique positive et l'autre négative.

Les particules d'une molécule qui ont une charge électrique sont appelées ions. Lorsqu'un acide, un sel ou un alcali est dissous dans l'eau, un grand nombre d'ions positifs et négatifs apparaissent dans la solution.

Maintenant, il devrait devenir clair pourquoi un courant électrique a traversé la solution, car entre les électrodes connectées à la source de courant, il a été créé, en d'autres termes, l'un d'eux s'est avéré être chargé positivement et l'autre négativement. Sous l'influence de cette différence de potentiel, les ions positifs ont commencé à se déplacer vers l'électrode négative - la cathode, et les ions négatifs - vers l'anode.

Ainsi, le mouvement chaotique des ions est devenu un contre-mouvement ordonné d'ions négatifs dans un sens et positifs dans l'autre. Ce processus de transfert de charge constitue le flux de courant électrique à travers l'électrolyte et se produit tant qu'il existe une différence de potentiel entre les électrodes. Avec la disparition de la différence de potentiel, le courant à travers l'électrolyte s'arrête, le mouvement ordonné des ions est perturbé et le mouvement chaotique reprend.

A titre d'exemple, considérons le phénomène d'électrolyse lorsqu'un courant électrique traverse une solution de sulfate de cuivre CuSO4 avec des électrodes de cuivre abaissées dedans.

Le phénomène d'électrolyse lorsque le courant traverse une solution de sulfate de cuivre : C - récipient avec électrolyte, B - source de courant, C - interrupteur

Il y aura également un contre-mouvement des ions vers les électrodes. L'ion positif sera l'ion cuivre (Cu) et l'ion négatif sera l'ion résidu acide (SO4). Les ions de cuivre, au contact de la cathode, seront déchargés (fixant les électrons manquants à eux-mêmes), c'est-à-dire qu'ils se transformeront en molécules neutres de cuivre pur et se déposeront sur la cathode sous la forme de la couche (moléculaire) la plus fine.

Les ions négatifs, ayant atteint l'anode, sont également déchargés (donnent les électrons en excès). Mais en même temps, ils entrent dans une réaction chimique avec le cuivre de l'anode, à la suite de quoi une molécule de cuivre Cu est attachée au résidu acide SO4 et une molécule de sulfate de cuivre CuS O4 se forme, qui est renvoyée retour à l'électrolyte.

Étant donné que ce processus chimique prend beaucoup de temps, le cuivre se dépose sur la cathode, qui est libéré de l'électrolyte. Dans ce cas, au lieu des molécules de cuivre qui sont allées à la cathode, l'électrolyte reçoit de nouvelles molécules de cuivre en raison de la dissolution de la deuxième électrode - l'anode.

Le même processus se produit si des électrodes de zinc sont prises à la place des électrodes de cuivre et que l'électrolyte est une solution de sulfate de zinc ZnSO4. Le zinc sera également transféré de l'anode à la cathode.

Ainsi, différence entre le courant électrique dans les métaux et les conducteurs liquides réside dans le fait que dans les métaux, seuls les électrons libres, c'est-à-dire les charges négatives, sont des porteurs de charge, tandis que dans les électrolytes, ils sont portés par des particules de matière chargées de manière opposée - des ions se déplaçant dans des directions opposées. C'est pourquoi ils disent que les électrolytes ont une conductivité ionique.

Le phénomène de l'électrolyse a été découvert en 1837 par B. S. Jacobi, qui a mené de nombreuses expériences sur l'étude et l'amélioration des sources de courant chimiques. Jacobi a trouvé qu'une des électrodes placées dans une solution de sulfate de cuivre, lorsqu'un courant électrique la traverse, est recouverte de cuivre.

Ce phénomène est appelé galvanoplastie, trouve maintenant une application pratique extrêmement large. Un exemple en est le revêtement d'objets métalliques avec une fine couche d'autres métaux, c'est-à-dire le nickelage, la dorure, l'argenture, etc.

Les gaz (y compris l'air) ne conduisent pas l'électricité dans des conditions normales. Par exemple, les nus, étant suspendus parallèlement les uns aux autres, sont isolés les uns des autres par une lame d'air.

Cependant, sous l'influence d'une température élevée, d'une grande différence de potentiel et d'autres raisons, les gaz, comme les conducteurs liquides, s'ionisent, c'est-à-dire que des particules de molécules de gaz y apparaissent en grand nombre, qui, étant porteuses d'électricité, contribuent au passage du courant électrique à travers le gaz.

Mais en même temps, l'ionisation d'un gaz diffère de l'ionisation d'un liquide conducteur. Si dans un liquide une molécule se décompose en deux parties chargées, alors dans les gaz, sous l'action de l'ionisation, les électrons sont toujours séparés de chaque molécule et un ion reste sous la forme d'une partie chargée positivement de la molécule.

Il suffit d'arrêter l'ionisation du gaz, car il cesse d'être conducteur, tandis que le liquide reste toujours conducteur du courant électrique. Par conséquent, la conductivité d'un gaz est un phénomène temporaire, dépendant de l'action de facteurs extérieurs.

Cependant, il en existe un autre appelé décharge d'arc ou juste un arc électrique. Le phénomène d'arc électrique a été découvert au début du XIXe siècle par le premier ingénieur électricien russe V. V. Petrov.

V. V. Petrov, faisant de nombreuses expériences, a découvert qu'entre deux charbons connectés à une source de courant, une décharge électrique continue se produit dans l'air, accompagnée d'une lumière vive. Dans ses écrits, V. V. Petrov a écrit que dans ce cas, "la paix sombre peut être assez brillamment éclairée". Ainsi, pour la première fois, la lumière électrique a été obtenue, qui a été pratiquement appliquée par un autre électricien russe, Pavel Nikolaevich Yablochkov.

"La bougie de Yablochkov", dont le travail est basé sur l'utilisation d'un arc électrique, a fait une véritable révolution dans l'électrotechnique à cette époque.

La décharge d'arc est utilisée comme source de lumière encore aujourd'hui, par exemple, dans les projecteurs et les projecteurs. La température élevée de la décharge en arc lui permet d'être utilisée pour . Actuellement, les fours à arc alimentés par un courant très élevé sont utilisés dans de nombreuses industries : pour la fusion de l'acier, de la fonte, des ferroalliages, du bronze, etc. Et en 1882, N. N. Benardos a utilisé pour la première fois une décharge à arc pour couper et souder le métal.

Dans les tubes à gaz, les lampes fluorescentes, les stabilisateurs de tension, pour obtenir des faisceaux d'électrons et d'ions, le soi-disant décharge de gaz incandescent.

Une décharge par étincelle est utilisée pour mesurer de grandes différences de potentiel à l'aide d'un éclateur sphérique dont les électrodes sont deux billes métalliques à surface polie. Les boules sont écartées et une différence de potentiel mesurée leur est appliquée. Ensuite, les boules sont rapprochées jusqu'à ce qu'une étincelle saute entre elles. Connaissant le diamètre des boules, la distance qui les sépare, la pression, la température et l'humidité de l'air, ils trouvent la différence de potentiel entre les boules selon des tables spéciales. Cette méthode permet de mesurer, à quelques pour cent près, des différences de potentiel de l'ordre de dizaines de milliers de volts.

Le courant électrique dans les gaz dans des conditions normales est impossible. Autrement dit, à l'humidité, à la pression et à la température atmosphériques, il n'y a pas de porteurs de charge dans le gaz. Cette propriété du gaz, en particulier de l'air, est utilisée dans les lignes de transmission aériennes et les commutateurs de relais pour fournir une isolation électrique.

Mais sous certaines conditions, un courant peut être observé dans les gaz. Faisons une expérience. Pour lui, nous avons besoin d'un électromètre à condensateur à air et de fils de connexion. Tout d'abord, connectons l'électromètre au condensateur. Ensuite, nous rapporterons la charge aux plaques du condensateur. L'électromètre indiquera la présence de cette même charge. Le condensateur à air stockera une charge pendant un certain temps. Autrement dit, il n'y aura pas de courant entre ses plaques. Cela suggère que l'air entre les plaques du condensateur a des propriétés diélectriques.

Figure 1 - Condensateur chargé connecté à un électromètre

Ensuite, nous introduisons une flamme de bougie dans l'espace entre les plaques. En même temps, nous verrons que l'électromètre montrera une diminution de charge sur les plaques du condensateur. C'est-à-dire que le courant circule dans l'espace entre les plaques. Pourquoi cela arrive-t-il.

Figure 2 - Insertion d'une bougie dans l'espace entre les plaques d'un condensateur chargé

Dans des conditions normales, les molécules de gaz sont électriquement neutres. Et ils ne sont pas en mesure de fournir du courant. Mais avec une augmentation de la température, la soi-disant ionisation du gaz se produit et il devient conducteur. Des ions positifs et négatifs apparaissent dans le gaz.

Pour qu'un électron se détache d'un atome de gaz, il faut travailler contre les forces de Coulomb. Cela nécessite de l'énergie. L'atome acquiert cette énergie lorsque la température augmente. Puisque l'énergie cinétique du mouvement thermique est directement proportionnelle à la température du gaz. Puis, avec son augmentation, les molécules et les atomes reçoivent suffisamment d'énergie pour que les électrons se détachent des atomes lorsqu'ils entrent en collision. Un tel atome devient un ion positif. L'électron détaché peut s'accrocher à un autre atome, il deviendra alors un ion négatif.

En conséquence, des ions positifs et négatifs, ainsi que des électrons, apparaissent dans l'espace entre les plaques. Tous commencent à bouger sous l'action du champ créé par les charges sur les plaques du condensateur. Les ions positifs se dirigent vers la cathode. Les ions négatifs et les électrons tendent vers l'anode. Ainsi, un courant est fourni dans l'entrefer.

La dépendance du courant à la tension n'obéit pas à la loi d'Ohm dans tous les domaines. Dans la première section, il en est ainsi avec une augmentation de la tension, le nombre d'ions augmente et, par conséquent, le courant. De plus, la saturation se produit dans la deuxième section, c'est-à-dire qu'avec une augmentation de la tension, le courant n'augmente pas. Parce que la concentration d'ions est maximale et que de nouveaux apparaissent tout simplement de nulle part.

Figure 3 - caractéristique courant-tension de l'entrefer

Dans la troisième section, il y a à nouveau une augmentation du courant avec l'augmentation de la tension. Cette section est appelée auto-décharge. Autrement dit, les ioniseurs tiers ne sont plus nécessaires pour maintenir le courant dans le gaz. Cela est dû au fait que les électrons à haute tension reçoivent suffisamment d'énergie pour éliminer d'eux-mêmes les autres électrons des atomes. Ces électrons en assomment à leur tour d'autres, et ainsi de suite. Le processus se déroule comme une avalanche. Et la conductivité principale dans le gaz est déjà fournie par les électrons.