Messaggio di corrente elettrica nei gas. Corrente elettrica nei gas: definizione, caratteristiche e curiosità

Nei gas ci sono scariche elettriche non autosufficienti e autosufficienti.

Il fenomeno del flusso di corrente elettrica attraverso un gas, osservato solo in condizioni di qualsiasi influenza esterna sul gas, è chiamato scarica elettrica non autosufficiente. Il processo di distacco di un elettrone da un atomo è chiamato ionizzazione dell'atomo. L'energia minima che deve essere spesa per staccare un elettrone da un atomo è chiamata energia di ionizzazione. Viene chiamato un gas parzialmente o completamente ionizzato, in cui le densità delle cariche positive e negative sono le stesse plasma.

I portatori di corrente elettrica nella scarica non autosostenuta sono ioni positivi ed elettroni negativi. La caratteristica corrente-tensione è mostrata in fig. 54. Nel campo della OAB - uno scarico non autosufficiente. Nella regione BC, lo scarico diventa indipendente.

Nell'autoscarica, uno dei metodi di ionizzazione degli atomi è la ionizzazione per impatto elettronico. La ionizzazione per impatto elettronico diventa possibile quando l'elettrone acquisisce un'energia cinetica W k al percorso libero medio A, sufficiente a svolgere il lavoro di distacco dell'elettrone dall'atomo. Tipi di scariche indipendenti nei gas: scariche a scintilla, corona, arco e bagliore.

scarica di scintille si verifica tra due elettrodi carichi di cariche diverse e aventi una grande differenza di potenziale. La tensione tra corpi con carica opposta raggiunge fino a 40.000 V. La scarica di scintille è a breve termine, il suo meccanismo è l'impatto elettronico. Il fulmine è un tipo di scarica di scintille.

In campi elettrici altamente disomogenei, formati ad esempio tra un punto e un piano o tra un filo di linea elettrica e la superficie terrestre, si verifica una particolare forma di scarica autosostenuta nei gas, denominata scarica corona.

Scarica ad arco elettrico fu scoperto dallo scienziato russo V.V. Petrov nel 1802. Quando due elettrodi di carbone entrano in contatto con una tensione di 40-50 V, in alcuni punti ci sono aree di piccola sezione trasversale con un'elevata resistenza elettrica. Queste aree diventano molto calde, emettono elettroni che ionizzano gli atomi e le molecole tra gli elettrodi. I portatori di corrente elettrica nell'arco sono ioni ed elettroni caricati positivamente.

Viene chiamato uno scarico che avviene a pressione ridotta scarica a bagliore. Al diminuire della pressione, il percorso libero medio dell'elettrone aumenta e, durante il tempo tra le collisioni, ha il tempo di acquisire energia sufficiente per la ionizzazione in campo elettrico con meno stress. La scarica è effettuata da una valanga di ioni di elettroni.

1. Ionizzazione, sua essenza e tipi.

La prima condizione per l'esistenza di una corrente elettrica è la presenza di portatori di carica liberi. Nei gas, sorgono a causa della ionizzazione. Sotto l'azione dei fattori di ionizzazione, un elettrone viene separato da una particella neutra. L'atomo diventa uno ione positivo. Pertanto, ci sono 2 tipi di portatori di carica: uno ione positivo e un elettrone libero. Se un elettrone si unisce a un atomo neutro, appare uno ione negativo, ad es. il terzo tipo di vettori di carica. Un gas ionizzato è chiamato conduttore di terzo tipo. Qui sono possibili due tipi di conducibilità: elettronica e ionica. Contemporaneamente ai processi di ionizzazione, avviene il processo inverso, la ricombinazione. Ci vuole energia per separare un elettrone da un atomo. Se l'energia viene fornita dall'esterno, i fattori che contribuiscono alla ionizzazione sono chiamati esterni (alta temperatura, radiazioni ionizzanti, radiazioni ultraviolette, forte campi magnetici). A seconda dei fattori di ionizzazione, si chiama ionizzazione termica, fotoionizzazione. Inoltre, la ionizzazione può essere causata da shock meccanico. I fattori di ionizzazione si dividono in naturali e artificiali. Quello naturale è causato dalla radiazione del Sole, il fondo radioattivo della Terra. Oltre alla ionizzazione esterna, c'è quella interna. È diviso in percussioni e a gradini.

Ionizzazione ad impatto.

A una tensione sufficientemente alta, gli elettroni accelerati dal campo ad alte velocità diventano essi stessi una fonte di ionizzazione. Quando un tale elettrone colpisce un atomo neutro, l'elettrone viene eliminato dall'atomo. Ciò si verifica quando l'energia dell'elettrone che causa la ionizzazione supera l'energia di ionizzazione dell'atomo. La tensione tra gli elettrodi deve essere sufficiente affinché l'elettrone acquisisca l'energia richiesta. Questa tensione è chiamata tensione di ionizzazione. Ognuno ha il suo significato.

Se l'energia dell'elettrone in movimento è inferiore al necessario, all'impatto si verifica solo l'eccitazione dell'atomo neutro. Se un elettrone in movimento si scontra con un atomo preeccitato, si verifica una ionizzazione graduale.

2. Scarica di gas non autosufficiente e sua caratteristica corrente-tensione.

La ionizzazione porta al soddisfacimento della prima condizione per l'esistenza della corrente, cioè alla comparsa di oneri gratuiti. Affinché si verifichi la corrente, è necessaria una forza esterna, che farà muovere le cariche in una direzione, ad es. è necessario un campo elettrico. Una corrente elettrica nei gas è accompagnata da una serie di fenomeni: luce, suono, formazione di ozono, ossidi di azoto. L'insieme dei fenomeni che accompagnano il passaggio della corrente gas - gas classifica . Spesso, il processo di passaggio della corrente è chiamato scarica di gas.

La scarica è detta non autosufficiente se esiste solo durante l'azione di uno ionizzatore esterno. In questo caso, dopo la cessazione dell'azione dello ionizzatore esterno, non si formano nuovi portatori di carica e la corrente si interrompe. Con una scarica non autosufficiente, le correnti sono di piccola entità e non c'è bagliore di gas.

Scarico gas indipendente, sue tipologie e caratteristiche.

Una scarica di gas indipendente è una scarica che può esistere dopo la cessazione dello ionizzatore esterno, ad es. a causa della ionizzazione per impatto. In questo caso si osservano fenomeni luminosi e sonori, la forza attuale può aumentare in modo significativo.

Tipi di autoscarica:

1. scarica silenziosa - segue direttamente quella non autosufficiente, l'intensità della corrente non supera 1 mA, non ci sono fenomeni sonori e luminosi. È usato in fisioterapia, contatori Geiger-Muller.

2. scarica a bagliore. All'aumentare della tensione, la quiete si trasforma in fumante. Si verifica a una certa tensione - tensione di accensione. Dipende dal tipo di gas. Il neon ha 60-80 V. Dipende anche dalla pressione del gas. La scarica di bagliore è accompagnata da un bagliore, è associata alla ricombinazione, che va con il rilascio di energia. Il colore dipende anche dal tipo di gas. Viene utilizzato nelle lampade di segnalazione (neon, battericida ultravioletto, illuminazione, luminescente).

3. scarica dell'arco. La forza attuale è 10 - 100 A. È accompagnata da un bagliore intenso, la temperatura nel divario di scarico del gas raggiunge diverse migliaia di gradi. La ionizzazione raggiunge quasi il 100%. 100% gas ionizzato - plasma a gas freddo. Ha una buona conduttività. Viene utilizzato nelle lampade al mercurio ad alta e altissima pressione.

4. La scarica di scintille è una specie di scarica ad arco. Questa è una scarica a impulsi oscillatori. In medicina viene utilizzato l'effetto delle oscillazioni ad alta frequenza Ad un'elevata densità di corrente si osservano intensi fenomeni sonori.

5. scarica corona. Questa è una specie di scarica a bagliore Si osserva in luoghi in cui c'è un brusco cambiamento nell'intensità del campo elettrico. Qui c'è una valanga di cariche e un bagliore di gas: una corona.

Estratto di fisica

sull'argomento:

"Corrente elettrica nei gas".

Corrente elettrica nei gas.

1. Scarica elettrica nei gas.

Tutti i gas allo stato naturale non conducono elettricità. Questo può essere visto dalla seguente esperienza:

Prendiamo un elettrometro con dei dischi di un condensatore piatto attaccati e carichiamolo. In temperatura ambiente se l'aria è abbastanza secca, il condensatore non si scarica in modo evidente: la posizione dell'ago dell'elettrometro non cambia. È necessario notare una diminuzione dell'angolo di deviazione dell'ago dell'elettrometro a lungo. Questo dimostra che elettricità nell'aria tra i dischi è molto piccolo. Questa esperienza mostra che l'aria è un cattivo conduttore di corrente elettrica.

Modifichiamo l'esperimento: scaldiamo l'aria tra i dischi con la fiamma di una lampada ad alcool. Quindi l'angolo di deflessione del puntatore dell'elettrometro diminuisce rapidamente, ad es. la differenza di potenziale tra i dischi del condensatore diminuisce: il condensatore si scarica. Di conseguenza, l'aria riscaldata tra i dischi è diventata un conduttore e in essa si è stabilita una corrente elettrica.

Le proprietà isolanti dei gas sono spiegate dal fatto che non contengono cariche elettriche libere: gli atomi e le molecole dei gas nel loro stato naturale sono neutri.

2. Ionizzazione dei gas.

L'esperienza di cui sopra mostra che le particelle cariche compaiono nei gas sotto l'influenza dell'alta temperatura. Nascono come risultato della scissione di uno o più elettroni dagli atomi di gas, a seguito della quale appaiono uno ione positivo ed elettroni invece di un atomo neutro. Parte degli elettroni formati possono essere catturati da altri atomi neutri e quindi appariranno più ioni negativi. Viene chiamata la scomposizione delle molecole di gas in elettroni e ioni positivi ionizzazione dei gas.

Il riscaldamento di un gas ad alta temperatura non è l'unico modo per ionizzare molecole o atomi di gas. La ionizzazione del gas può avvenire sotto l'influenza di varie interazioni esterne: forte riscaldamento del gas, raggi X, raggi a, b e g derivanti da decadimento radioattivo, raggi cosmici, bombardamento di molecole di gas da parte di elettroni o ioni in rapido movimento. Vengono chiamati i fattori che causano la ionizzazione del gas ionizzatori. La caratteristica quantitativa del processo di ionizzazione è intensità di ionizzazione, misurata dal numero di coppie di particelle cariche opposte nel segno che appaiono in un volume unitario di gas per unità di tempo.

La ionizzazione di un atomo richiede il dispendio di una certa energia - l'energia di ionizzazione. Per ionizzare un atomo (o molecola), è necessario agire contro le forze di interazione tra l'elettrone espulso e il resto delle particelle dell'atomo (o molecola). Questo lavoro è chiamato il lavoro di ionizzazione A i . Il valore del lavoro di ionizzazione dipende natura chimica stato gassoso ed energetico di un elettrone espulso in un atomo o molecola.

Dopo la cessazione dello ionizzatore, il numero di ioni nel gas diminuisce nel tempo e alla fine gli ioni scompaiono del tutto. La scomparsa degli ioni è spiegata dal fatto che sono coinvolti ioni ed elettroni moto termico e quindi si scontrano tra loro. Quando uno ione positivo e un elettrone si scontrano, possono riunirsi in un atomo neutro. Allo stesso modo, quando uno ione positivo e uno negativo si scontrano, lo ione negativo può cedere il suo elettrone in eccesso allo ione positivo ed entrambi gli ioni si trasformeranno in atomi neutri. Questo processo di neutralizzazione reciproca degli ioni è chiamato ricombinazione ionica. Quando uno ione positivo e un elettrone o due ioni si ricombinano, viene rilasciata una certa energia, uguale all'energia spesa per la ionizzazione. Parzialmente, viene emesso sotto forma di luce, e quindi la ricombinazione degli ioni è accompagnata dalla luminescenza (luminescenza della ricombinazione).

Nei fenomeni di scarica elettrica nei gas, la ionizzazione degli atomi per impatto di elettroni gioca un ruolo importante. Questo processo consiste nel fatto che un elettrone in movimento, che ha sufficiente energia cinetica, mette fuori combattimento uno o più elettroni atomici, a seguito del quale l'atomo neutro si trasforma in uno ione positivo e nel gas compaiono nuovi elettroni (questo sarà discusso in seguito).

La tabella seguente fornisce le energie di ionizzazione di alcuni atomi.

3. Meccanismo di conducibilità elettrica dei gas.

Il meccanismo di conducibilità del gas è simile al meccanismo di conducibilità delle soluzioni elettrolitiche e delle fusioni. In assenza di un campo esterno, le particelle cariche, come le molecole neutre, si muovono in modo casuale. Se ioni ed elettroni liberi si trovano in un campo elettrico esterno, entrano in movimento diretto e creano una corrente elettrica nei gas.

Pertanto, la corrente elettrica nel gas è un movimento diretto di ioni positivi al catodo e ioni negativi ed elettroni all'anodo. La corrente totale nel gas è composta da due flussi di particelle cariche: il flusso che va all'anodo e il flusso diretto al catodo.

La neutralizzazione delle particelle cariche avviene sugli elettrodi, come nel caso del passaggio di corrente elettrica attraverso soluzioni e fusioni di elettroliti. Tuttavia, nei gas non c'è rilascio di sostanze sugli elettrodi, come nel caso delle soluzioni elettrolitiche. Gli ioni gas, avvicinandosi agli elettrodi, danno loro la loro carica, si trasformano in molecole neutre e si diffondono nuovamente nel gas.

Un'altra differenza nella conducibilità elettrica dei gas ionizzati e nelle soluzioni (scioglie) di elettroliti è che la carica negativa durante il passaggio di corrente attraverso i gas viene trasferita principalmente non da ioni negativi, ma da elettroni, sebbene anche la conduttività dovuta a ioni negativi possa svolgere un ruolo certo ruolo.

Pertanto, i gas combinano la conduttività elettronica, simile alla conduttività dei metalli, con la conduttività ionica, simile alla conduttività delle soluzioni acquose e degli elettroliti fusi.

4. Scarico gas non autosufficiente.

Il processo di passaggio di una corrente elettrica attraverso un gas è chiamato scarica di gas. Se la conduttività elettrica del gas è creata da ionizzatori esterni, viene chiamata la corrente elettrica che ne deriva scarico di gas non autosufficiente. Con la cessazione dell'azione degli ionizzatori esterni cessa la scarica non autosostenuta. Una scarica di gas non autosufficiente non è accompagnata da bagliore di gas.

Di seguito è riportato un grafico della dipendenza dell'intensità della corrente dalla tensione per una scarica non autosufficiente in un gas. Per tracciare il grafico è stato utilizzato un tubo di vetro con due elettrodi metallici saldati nel vetro. La catena è assemblata come mostrato nella figura seguente.

Ad una certa tensione, arriva un punto in cui tutte le particelle cariche formate nel gas dallo ionizzatore in un secondo raggiungono gli elettrodi nello stesso tempo. Un ulteriore aumento della tensione non può più portare ad un aumento del numero di ioni trasportati. La corrente raggiunge la saturazione (sezione orizzontale del grafico 1).

5. Scarico gas indipendente.

Viene chiamata una scarica elettrica in un gas che persiste dopo la fine dell'azione di uno ionizzatore esterno scarico autonomo del gas. Per la sua attuazione è necessario che a seguito dello scarico stesso si formino continuamente cariche libere nel gas. La principale fonte del loro verificarsi è la ionizzazione per impatto delle molecole di gas.

Se, dopo aver raggiunto la saturazione, continuiamo ad aumentare la differenza di potenziale tra gli elettrodi, l'intensità della corrente a una tensione sufficientemente alta aumenterà notevolmente (grafico 2).

Ciò significa che nel gas compaiono ioni aggiuntivi, che si formano a causa dell'azione dello ionizzatore. L'intensità della corrente può aumentare centinaia e migliaia di volte e il numero di particelle cariche che compaiono durante la scarica può diventare così grande che non è più necessario uno ionizzatore esterno per mantenere la scarica. Pertanto, lo ionizzatore può ora essere rimosso.

Quali sono le ragioni del forte aumento della forza di corrente alle alte tensioni? Consideriamo una qualsiasi coppia di particelle cariche (uno ione positivo e un elettrone) formata dall'azione di uno ionizzatore esterno. L'elettrone libero che appare in questo modo inizia a muoversi verso l'elettrodo positivo - l'anodo e lo ione positivo - verso il catodo. Lungo la sua strada, l'elettrone incontra ioni e atomi neutri. Negli intervalli tra due collisioni successive, l'energia dell'elettrone aumenta a causa del lavoro delle forze del campo elettrico.

Maggiore è la differenza di potenziale tra gli elettrodi, maggiore è l'intensità del campo elettrico. L'energia cinetica di un elettrone prima della successiva collisione è proporzionale all'intensità del campo e al percorso libero dell'elettrone: MV 2 /2=eEl. Se l'energia cinetica di un elettrone supera il lavoro A i che deve essere fatto per ionizzare un atomo (o molecola) neutro, cioè MV 2 >A i , quindi quando un elettrone entra in collisione con un atomo (o molecola), viene ionizzato. Di conseguenza, invece di un elettrone, compaiono due elettroni (che attaccano l'atomo e strappati dall'atomo). A loro volta, ricevono energia nel campo e ionizzano gli atomi in arrivo, ecc. Di conseguenza, il numero di particelle cariche aumenta rapidamente e si verifica una valanga di elettroni. Viene chiamato il processo descritto ionizzazione per impatto di elettroni.

Ma la ionizzazione per impatto elettronico da sola non può garantire il mantenimento di una carica indipendente. Infatti, dopotutto, tutti gli elettroni che sorgono in questo modo si muovono verso l'anodo e, una volta raggiunto l'anodo, "escono dal gioco". Per mantenere la scarica è necessaria l'emissione di elettroni dal catodo ("emissione" significa "emissione"). L'emissione di un elettrone può essere dovuta a diversi motivi.

Gli ioni positivi formati durante la collisione di elettroni con atomi neutri, quando si muovono verso il catodo, acquisiscono una grande energia cinetica sotto l'azione del campo. Quando ioni così veloci colpiscono il catodo, gli elettroni vengono eliminati dalla superficie del catodo.

Inoltre, il catodo può emettere elettroni se riscaldato a temperature elevate. Questo processo è chiamato emissione termoionica. Può essere considerata come l'evaporazione degli elettroni dal metallo. In molti solidi l'emissione termoionica avviene a temperature alle quali l'evaporazione della sostanza stessa è ancora piccola. Tali sostanze sono utilizzate per la fabbricazione di catodi.

Durante l'autoscarica, il catodo può essere riscaldato bombardandolo con ioni positivi. Se l'energia degli ioni non è troppo alta, gli elettroni dal catodo non vengono eliminati e gli elettroni vengono emessi a causa dell'emissione termoionica.

6. Vari tipi di autoscarica e loro applicazione tecnica.

A seconda delle proprietà e dello stato del gas, della natura e della posizione degli elettrodi, nonché della tensione applicata agli elettrodi, diversi tipi rango indipendente. Consideriamone alcuni.

UN. Scarico fumante.

Una scarica a bagliore si osserva nei gas a basse pressioni dell'ordine di alcune decine di millimetri di mercurio e meno. Se consideriamo un tubo con una scarica a bagliore, possiamo vedere che le parti principali di una scarica a bagliore lo sono catodo Spazio Oscuro, lontano da lui negativo o bagliore fumante, che gradualmente passa nella zona spazio oscuro di Faraday. Queste tre regioni formano la parte catodica della scarica, seguita dalla parte luminosa principale della scarica, che ne determina le proprietà ottiche ed è chiamata colonna positiva.

Il ruolo principale nel mantenimento della scarica a bagliore è svolto dalle prime due regioni della sua parte catodica. tratto caratteristico Questo tipo di scarica è un forte calo del potenziale vicino al catodo, che è associato a un'elevata concentrazione di ioni positivi al confine delle regioni I e II, a causa della velocità relativamente bassa degli ioni al catodo. Nello spazio oscuro del catodo, c'è una forte accelerazione di elettroni e ioni positivi, che eliminano gli elettroni dal catodo. Nella regione del bagliore luminoso, gli elettroni producono un'intensa ionizzazione ad impatto delle molecole di gas e perdono la loro energia. Qui si formano ioni positivi, necessari per mantenere la scarica. L'intensità del campo elettrico in questa regione è bassa. Il bagliore fumante è principalmente causato dalla ricombinazione di ioni ed elettroni. La lunghezza dello spazio buio del catodo è determinata dalle proprietà del gas e del materiale del catodo.

Nella regione della colonna positiva, la concentrazione di elettroni e ioni è approssimativamente la stessa e molto alta, il che provoca un'elevata conduttività elettrica della colonna positiva e un leggero calo del potenziale in essa. Il bagliore della colonna positiva è determinato dal bagliore delle molecole di gas eccitate. Vicino all'anodo si osserva nuovamente un cambiamento relativamente netto del potenziale, che è associato al processo di generazione di ioni positivi. In alcuni casi, la colonna positiva si scompone in aree luminose separate - strati, separati da spazi oscuri.

La colonna positiva non svolge un ruolo significativo nel mantenimento della scarica a bagliore, quindi, al diminuire della distanza tra gli elettrodi del tubo, la lunghezza della colonna positiva diminuisce e può scomparire del tutto. La situazione è diversa con la lunghezza dello spazio buio del catodo, che non cambia quando gli elettrodi si avvicinano l'uno all'altro. Se gli elettrodi sono così vicini che la distanza tra loro diventa inferiore alla lunghezza dello spazio buio del catodo, la scarica a bagliore nel gas si interromperà. Gli esperimenti mostrano che, a parità di altre condizioni, la lunghezza d dello spazio buio del catodo è inversamente proporzionale alla pressione del gas. Di conseguenza, a pressioni sufficientemente basse, gli elettroni espulsi dal catodo dagli ioni positivi passano attraverso il gas quasi senza collisioni con le sue molecole, formando elettronico, o raggi catodici .

La scarica a bagliore viene utilizzata in tubi di luce a gas, lampade fluorescenti, stabilizzatori di tensione, per ottenere fasci di elettroni e ioni. Se viene praticata una fenditura nel catodo, i fasci di ioni stretti lo attraversano nello spazio dietro il catodo, spesso chiamato raggi del canale. fenomeno ampiamente utilizzato sputtering catodico, cioè. distruzione della superficie del catodo sotto l'azione di ioni positivi che la colpiscono. Frammenti ultramicroscopici del materiale catodico volano in tutte le direzioni lungo linee rette e coprono la superficie dei corpi (soprattutto dielettrici) posti in un tubo con uno strato sottile. In questo modo si realizzano specchi per una serie di dispositivi applicati strato sottile metallo su fotocellule al selenio.

B. Scarica corona.

Una scarica corona si verifica a pressione normale in un gas in un campo elettrico altamente disomogeneo (ad esempio, vicino a picchi o fili di linee ad alta tensione). In una scarica corona, la ionizzazione del gas e il suo bagliore si verificano solo vicino agli elettrodi corona. Nel caso della corona catodica (corona negativa), gli elettroni che causano la ionizzazione per impatto delle molecole di gas vengono espulsi dal catodo quando viene bombardato con ioni positivi. Se l'anodo è corona (corona positiva), la nascita di elettroni avviene a causa della fotoionizzazione del gas vicino all'anodo. La corona è un fenomeno dannoso, accompagnato da perdite e perdite di corrente energia elettrica. Per ridurre la corona, il raggio di curvatura dei conduttori viene aumentato e la loro superficie è resa il più liscia possibile. A una tensione sufficientemente alta tra gli elettrodi, la scarica corona si trasforma in una scintilla.

Ad una tensione maggiore, la scarica corona sulla punta assume la forma di linee luminose che emanano dalla punta e si alternano nel tempo. Queste linee, avendo una serie di attorcigliamenti e curve, formano una specie di pennello, in conseguenza del quale tale scarica è chiamata carpale .

Una nuvola temporalesca carica induce sulla superficie terrestre al di sotto di essa cariche elettriche segno opposto. Sulle punte si accumula una carica particolarmente elevata. Pertanto, prima di un temporale o durante un temporale, coni di luce simili a pennelli si diffondono spesso sulle punte e sugli angoli acuti di oggetti molto elevati. Fin dall'antichità questo bagliore è stato chiamato i fuochi di Sant'Elmo.

Soprattutto spesso gli scalatori diventano testimoni di questo fenomeno. A volte anche non solo oggetti di metallo, ma anche le punte dei capelli sulla testa sono decorate con piccole nappe luminose.

La scarica corona deve essere considerata quando si ha a che fare con l'alta tensione. Se sono presenti parti sporgenti o fili molto sottili, può iniziare la scarica corona. Ciò si traduce in una dispersione di potenza. Maggiore è la tensione della linea ad alta tensione, più spessi dovrebbero essere i fili.

C. Scarica di scintille.

La scarica della scintilla ha la forma di filamenti-canali ramificati a zigzag che penetrano nello spazio di scarica e scompaiono, sostituiti da nuovi. Gli studi hanno dimostrato che i canali di scarica delle scintille iniziano a crescere a volte dall'elettrodo positivo, a volte da quello negativo ea volte da un punto tra gli elettrodi. Ciò è spiegato dal fatto che la ionizzazione per impatto in caso di scarica di scintille non si verifica sull'intero volume del gas, ma attraverso singoli canali che passano in quei luoghi in cui la concentrazione di ioni si è accidentalmente rivelata la più alta. La scarica della scintilla è accompagnata dal rilascio un largo numero calore, bagliore luminoso di gas, crepitio o tuono. Tutti questi fenomeni sono causati da valanghe di elettroni e ioni che si verificano nei canali della scintilla e portano a un enorme aumento della pressione, che raggiunge 10 7 ¸10 8 Pa, e un aumento della temperatura fino a 10.000 °C.

Un tipico esempio di scarica di scintille è il fulmine. Il canale principale del fulmine ha un diametro da 10 a 25 cm e la lunghezza del fulmine può raggiungere diversi chilometri. Forza massima l'impulso di corrente del fulmine raggiunge decine e centinaia di migliaia di ampere.

Con una piccola lunghezza dello spazio di scarica, la scarica della scintilla provoca una specifica distruzione dell'anodo, chiamata erosione. Questo fenomeno è stato utilizzato nel metodo di elettroscintilla di taglio, perforazione e altri tipi di lavorazione di precisione dei metalli.

Lo spinterometro viene utilizzato come protezione da sovratensione nelle linee di trasmissione elettriche (ad esempio, in linee telefoniche). Se una forte corrente a breve termine passa vicino alla linea, nei fili di questa linea vengono indotte tensioni e correnti, che possono distruggere installazione elettrica e pericoloso per la vita umana. Per evitare ciò, vengono utilizzati speciali fusibili, costituiti da due elettrodi curvi, uno dei quali è collegato alla linea e l'altro è collegato a terra. Se il potenziale della linea rispetto al suolo aumenta notevolmente, si verifica una scarica di scintille tra gli elettrodi che, insieme all'aria riscaldata da esso, si alza, si allunga e si rompe.

Infine, una scintilla elettrica viene utilizzata per misurare grandi differenze di potenziale utilizzando divario di palla, i cui elettrodi sono due sfere di metallo con superficie lucida. Le sfere vengono allontanate e viene applicata una differenza di potenziale misurata. Quindi le palline vengono unite fino a quando una scintilla non salta tra di loro. Conoscendo il diametro delle sfere, la distanza tra loro, la pressione, la temperatura e l'umidità dell'aria, trovano la differenza di potenziale tra le sfere secondo apposite tabelle. Questo metodo può essere utilizzato per misurare, entro pochi punti percentuali, differenze di potenziale dell'ordine di decine di migliaia di volt.

D. Scarica dell'arco.

La scarica ad arco fu scoperta da V. V. Petrov nel 1802. Questa scarica è una delle forme di scarica di gas, che si verifica con un'elevata densità di corrente e una tensione relativamente bassa tra gli elettrodi (dell'ordine di diverse decine di volt). La causa principale della scarica dell'arco è l'intensa emissione di termoelettroni da parte di un catodo caldo. Questi elettroni stanno accelerando campo elettrico e produrre ionizzazione per impatto di molecole di gas, grazie alla quale resistenza elettrica il gap di gas tra gli elettrodi è relativamente piccolo. Se riduciamo la resistenza del circuito esterno, aumentiamo la corrente della scarica dell'arco, la conduttività del gap di gas aumenterà così tanto che la tensione tra gli elettrodi diminuisce. Pertanto, si dice che la scarica dell'arco abbia una caratteristica di corrente-tensione decrescente. A pressione atmosferica, la temperatura del catodo raggiunge i 3000 °C. Gli elettroni, bombardando l'anodo, creano un incavo (cratere) in esso e lo riscaldano. La temperatura del cratere è di circa 4000 °C e ad alte pressioni dell'aria raggiunge i 6000-7000 °C. La temperatura del gas nel canale di scarica dell'arco raggiunge i 5000-6000 °C, quindi al suo interno si verifica un'intensa ionizzazione termica.

In un certo numero di casi, si osserva una scarica ad arco anche a una temperatura del catodo relativamente bassa (ad esempio, in una lampada ad arco di mercurio).

Nel 1876, P. N. Yablochkov utilizzò per la prima volta un arco elettrico come fonte di luce. Nella "candela Yablochkov", i carboni erano disposti in parallelo e separati da uno strato curvo e le loro estremità erano collegate da un "ponte di accensione" conduttivo. Quando la corrente è stata attivata, il ponte di accensione si è bruciato e si è formato tra i carboni arco elettrico. Quando i carboni bruciavano, lo strato isolante evaporava.

La scarica ad arco è utilizzata come fonte di luce ancora oggi, ad esempio, nei proiettori e nei proiettori.

L'elevata temperatura di scarico dell'arco ne consente l'utilizzo per la costruzione di un forno ad arco. Attualmente i forni ad arco alimentati da una corrente molto elevata sono utilizzati in numerosi settori: per la fusione di acciaio, ghisa, ferroleghe, bronzo, produzione di carburo di calcio, ossido di azoto, ecc.

Nel 1882, N. N. Benardos utilizzò per la prima volta una scarica ad arco per tagliare e saldare il metallo. La scarica tra l'elettrodo di carbonio fisso e il metallo riscalda la giunzione dei due lamiere(o piastre) e le salda. Benardos ha utilizzato lo stesso metodo per il taglio lastre di metallo e bucarli. Nel 1888, N. G. Slavyanov migliorò questo metodo di saldatura sostituendo l'elettrodo di carbonio con uno di metallo.

La scarica ad arco ha trovato applicazione in un raddrizzatore a mercurio, che converte una corrente elettrica alternata in una corrente continua.

e. Plasma.

Il plasma è un gas parzialmente o completamente ionizzato in cui le densità delle cariche positive e negative sono quasi le stesse. Pertanto, il plasma nel suo insieme è un sistema elettricamente neutro.

La caratteristica quantitativa del plasma è il grado di ionizzazione. Il grado di ionizzazione plasmatica a è il rapporto tra la concentrazione in volume delle particelle cariche e la concentrazione in volume totale delle particelle. A seconda del grado di ionizzazione, il plasma è suddiviso in debolmente ionizzato(a è frazioni di percentuale), parzialmente ionizzato (a dell'ordine di qualche percentuale) e completamente ionizzato (a è vicino al 100%). Plasma debolmente ionizzato condizioni naturali sono gli strati superiori dell'atmosfera - la ionosfera. Il sole, le stelle calde e alcune nubi interstellari sono plasma completamente ionizzato che si forma ad alte temperature.

Energie medie vari tipi le particelle che compongono il plasma possono differire significativamente l'una dall'altra. Pertanto, il plasma non può essere caratterizzato da un unico valore di temperatura T; Distinguere tra la temperatura dell'elettrone T e, la temperatura degli ioni T i (o temperature degli ioni, se ci sono diversi tipi di ioni nel plasma) e la temperatura degli atomi neutri T a (componente neutra). Tale plasma è chiamato non isotermico, in contrasto con il plasma isotermico, in cui le temperature di tutti i componenti sono le stesse.

Il plasma è anche diviso in alta temperatura (T i »10 6 -10 8 K e più) e bassa temperatura!!! (T i<=10 5 К). Это условное разделение связано с особой влажностью высокотемпературной плазмы в связи с проблемой осуществления управляемого термоядерного синтеза.

Il plasma ha una serie di proprietà specifiche, che ci consentono di considerarlo come un quarto stato speciale della materia.

A causa dell'elevata mobilità delle particelle di plasma cariche, si muovono facilmente sotto l'influenza di campi elettrici e magnetici. Pertanto, qualsiasi violazione della neutralità elettrica delle singole regioni del plasma, causata dall'accumulo di particelle dello stesso segno di carica, viene rapidamente eliminata. I campi elettrici risultanti spostano le particelle cariche fino a quando non viene ripristinata la neutralità elettrica e il campo elettrico diventa zero. A differenza di un gas neutro, dove esistono forze a corto raggio tra le molecole, le forze di Coulomb agiscono tra particelle di plasma cariche, diminuendo relativamente lentamente con la distanza. Ogni particella interagisce immediatamente con un gran numero di particelle circostanti. A causa di ciò, insieme al movimento termico caotico, le particelle di plasma possono partecipare a vari movimenti ordinati. Vari tipi di oscillazioni e onde sono facilmente eccitabili in un plasma.

La conduttività del plasma aumenta all'aumentare del grado di ionizzazione. Ad alte temperature, un plasma completamente ionizzato si avvicina ai superconduttori nella sua conduttività.

Il plasma a bassa temperatura viene utilizzato nelle sorgenti luminose a scarica di gas - nei tubi luminosi per le iscrizioni pubblicitarie, nelle lampade fluorescenti. Una lampada a scarica di gas viene utilizzata in molti dispositivi, ad esempio nei laser a gas - sorgenti di luce quantistica.

Il plasma ad alta temperatura viene utilizzato nei generatori magnetoidrodinamici.

Recentemente è stato creato un nuovo dispositivo, la torcia al plasma. La torcia al plasma crea potenti getti di plasma denso a bassa temperatura, ampiamente utilizzati in vari campi della tecnologia: per il taglio e la saldatura di metalli, perforazione di pozzi in rocce dure, ecc.

Elenco della letteratura usata:

1) Fisica: Elettrodinamica. 10-11 celle: libro di testo. per approfondimenti di fisica / G. Ya. Myakishev, A. Z. Sinyakov, B. A. Slobodskov. - 2a edizione - M.: Drofa, 1998. - 480 p.

2) Corso di Fisica (in tre volumi). T. II. elettricità e magnetismo. Proc. manuale per istituti tecnici. / Detlaf A.A., Yavorsky B. M., Milkovskaya L. B. Izd. 4°, rivisto. - M.: Scuola Superiore, 1977. - 375 p.

3) Elettricità./E. G. Kalashnikov. ed. "Scienza", Mosca, 1977.

4) Fisica./B. B. Bukhovtsev, Yu. L. Klimontovich, G. Ya. Myakishev. 3a edizione, riveduta. – M.: Illuminismo, 1986.

È formato dal movimento diretto di elettroni liberi e che in questo caso non si verificano cambiamenti nella sostanza da cui è costituito il conduttore.

Sono chiamati tali conduttori, in cui il passaggio di una corrente elettrica non è accompagnato da cambiamenti chimici nella loro sostanza conduttori del primo tipo. Questi includono tutti i metalli, carbone e una serie di altre sostanze.

Ma ci sono anche tali conduttori di corrente elettrica in natura, in cui si verificano fenomeni chimici durante il passaggio della corrente. Questi conduttori sono chiamati conduttori di seconda specie. Questi includono principalmente varie soluzioni in acqua di acidi, sali e alcali.

Se versi dell'acqua in un recipiente di vetro e aggiungi alcune gocce di acido solforico (o qualche altro acido o alcali), quindi prendi due piastre di metallo e attacca loro dei conduttori abbassando queste piastre nel recipiente e collega una corrente fonte alle altre estremità dei conduttori tramite un interruttore e un amperometro, quindi il gas verrà rilasciato dalla soluzione e continuerà continuamente fino alla chiusura del circuito. l'acqua acidificata è infatti un conduttore. Inoltre, i piatti inizieranno a essere ricoperti da bolle di gas. Quindi queste bolle si staccheranno dai piatti e usciranno.

Quando una corrente elettrica passa attraverso la soluzione, si verificano cambiamenti chimici, a seguito dei quali viene rilasciato gas.

I conduttori del secondo tipo sono chiamati elettroliti e lo è il fenomeno che si verifica nell'elettrolita quando viene attraversato da una corrente elettrica.

Le piastre metalliche immerse nell'elettrolita sono chiamate elettrodi; uno di essi, collegato al polo positivo della sorgente di corrente, è chiamato anodo e l'altro, collegato al polo negativo, è chiamato catodo.

Cosa provoca il passaggio di corrente elettrica in un conduttore liquido? Si scopre che in tali soluzioni (elettroliti), le molecole acide (alcali, sali) sotto l'azione di un solvente (in questo caso, l'acqua) si decompongono in due componenti e una particella della molecola ha una carica elettrica positiva e l'altra negativa.

Le particelle di una molecola che hanno una carica elettrica sono chiamate ioni. Quando un acido, sale o alcali viene sciolto in acqua, nella soluzione appare un gran numero di ioni positivi e negativi.

Ora dovrebbe essere chiaro il motivo per cui una corrente elettrica è passata attraverso la soluzione, perché tra gli elettrodi collegati alla sorgente di corrente si è creata, in altre parole, uno si è rivelato caricato positivamente e l'altro negativamente. Sotto l'influenza di questa differenza di potenziale, gli ioni positivi iniziarono a muoversi verso l'elettrodo negativo - il catodo e gli ioni negativi - verso l'anodo.

Così, il movimento caotico degli ioni è diventato un contromovimento ordinato di ioni negativi in ​​una direzione e positivi nell'altra. Questo processo di trasferimento di carica costituisce il flusso di corrente elettrica attraverso l'elettrolita e si verifica finché c'è una differenza di potenziale tra gli elettrodi. Con la scomparsa della differenza di potenziale, la corrente attraverso l'elettrolita si interrompe, il movimento ordinato degli ioni viene disturbato e il movimento caotico riprende.

Ad esempio, si consideri il fenomeno dell'elettrolisi quando una corrente elettrica viene fatta passare attraverso una soluzione di solfato di rame CuSO4 con elettrodi di rame calati al suo interno.

Il fenomeno dell'elettrolisi quando la corrente passa attraverso una soluzione di solfato di rame: C - recipiente con elettrolita, B - sorgente di corrente, C - interruttore

Ci sarà anche un movimento contrario di ioni agli elettrodi. Lo ione positivo sarà lo ione rame (Cu) e lo ione negativo sarà lo ione residuo acido (SO4). Gli ioni rame, al contatto con il catodo, verranno scaricati (attaccando a se stessi gli elettroni mancanti), cioè si trasformeranno in molecole neutre di rame puro e si depositeranno sul catodo sotto forma dello strato più sottile (molecolare).

Anche gli ioni negativi, dopo aver raggiunto l'anodo, vengono scaricati (regalano gli elettroni in eccesso). Ma allo stesso tempo entrano in una reazione chimica con il rame dell'anodo, a seguito della quale una molecola di rame Cu viene attaccata al residuo acido SO4 e si forma una molecola di solfato di rame CuS O4, che viene restituita torna all'elettrolito.

Poiché questo processo chimico richiede molto tempo, il rame si deposita sul catodo, che viene rilasciato dall'elettrolita. In questo caso, invece delle molecole di rame che sono andate al catodo, l'elettrolita riceve nuove molecole di rame a causa della dissoluzione del secondo elettrodo: l'anodo.

Lo stesso processo si verifica se vengono presi elettrodi di zinco invece di quelli di rame e l'elettrolita è una soluzione di solfato di zinco ZnSO4. Lo zinco sarà anche trasferito dall'anodo al catodo.

In questo modo, differenza tra corrente elettrica nei metalli e conduttori liquidi sta nel fatto che nei metalli solo gli elettroni liberi, cioè le cariche negative, sono portatori di carica, mentre negli elettroliti è trasportato da particelle di materia con carica opposta - ioni che si muovono in direzioni opposte. Perciò lo dicono gli elettroliti hanno conduttività ionica.

Il fenomeno dell'elettrolisi fu scoperto nel 1837 da B. S. Jacobi, che condusse numerosi esperimenti sullo studio e il miglioramento delle sorgenti chimiche di corrente. Jacobi ha scoperto che uno degli elettrodi posti in una soluzione di solfato di rame, quando una corrente elettrica lo attraversa, è ricoperto di rame.

Questo fenomeno si chiama galvanica, trova ora un'applicazione pratica estremamente ampia. Un esempio è il rivestimento di oggetti metallici con un sottile strato di altri metalli, ad esempio nichelatura, doratura, argentatura, ecc.

I gas (compresa l'aria) non conducono elettricità in condizioni normali. Ad esempio, nudi, essendo sospesi paralleli tra loro, sono isolati l'uno dall'altro da uno strato d'aria.

Tuttavia, sotto l'influenza dell'alta temperatura, una grande differenza di potenziale e altri motivi, i gas, come i conduttori di liquidi, si ionizzano, ad es. in essi compaiono particelle di molecole di gas in gran numero che, essendo vettori di elettricità, contribuiscono al passaggio di corrente elettrica attraverso il gas.

Ma allo stesso tempo, la ionizzazione di un gas differisce dalla ionizzazione di un liquido conduttore. Se una molecola si rompe in due parti cariche in un liquido, nei gas, sotto l'azione della ionizzazione, gli elettroni sono sempre separati da ciascuna molecola e uno ione rimane sotto forma di una parte caricata positivamente della molecola.

Basta fermare la ionizzazione del gas, poiché cessa di essere conduttivo, mentre il liquido rimane sempre un conduttore di corrente elettrica. Di conseguenza, la conducibilità di un gas è un fenomeno temporaneo, dipendente dall'azione di cause esterne.

Tuttavia, ce n'è un altro chiamato scarica ad arco o solo un arco elettrico. Il fenomeno dell'arco elettrico fu scoperto all'inizio del XIX secolo dal primo ingegnere elettrico russo V. V. Petrov.

V. V. Petrov, facendo numerosi esperimenti, ha scoperto che tra due carboni collegati a una fonte di corrente, si verifica una scarica elettrica continua attraverso l'aria, accompagnata da una luce intensa. Nei suoi scritti, V. V. Petrov ha scritto che in questo caso "la pace oscura può essere illuminata in modo abbastanza brillante". Quindi per la prima volta è stata ottenuta la luce elettrica, che è stata praticamente applicata da un altro scienziato elettrico russo Pavel Nikolaevich Yablochkov.

"La candela di Yablochkov", il cui lavoro si basa sull'uso di un arco elettrico, fece una vera rivoluzione nell'ingegneria elettrica in quei giorni.

La scarica ad arco è utilizzata come fonte di luce ancora oggi, ad esempio, nei proiettori e nei proiettori. L'elevata temperatura della scarica dell'arco ne consente l'utilizzo per . Attualmente, i forni ad arco alimentati da una corrente molto elevata sono utilizzati in numerosi settori: per la fusione di acciaio, ghisa, ferroleghe, bronzo, ecc. E nel 1882, N. N. Benardos utilizzò per la prima volta una scarica ad arco per tagliare e saldare il metallo.

In tubi di luce a gas, lampade fluorescenti, stabilizzatori di tensione, per ottenere fasci di elettroni e ioni, i cosiddetti scarica di gas incandescente.

Una scarica di scintille viene utilizzata per misurare grandi differenze di potenziale utilizzando un traferro, i cui elettrodi sono due sfere di metallo con una superficie lucida. Le sfere vengono allontanate e viene applicata una differenza di potenziale misurata. Quindi le palline vengono unite fino a quando una scintilla non salta tra di loro. Conoscendo il diametro delle sfere, la distanza tra loro, la pressione, la temperatura e l'umidità dell'aria, trovano la differenza di potenziale tra le sfere secondo apposite tabelle. Questo metodo può essere utilizzato per misurare, entro pochi punti percentuali, differenze di potenziale dell'ordine di decine di migliaia di volt.

La corrente elettrica nei gas in condizioni normali è impossibile. Cioè, a umidità atmosferica, pressione e temperatura, non ci sono portatori di carica nel gas. Questa proprietà del gas, in particolare dell'aria, viene utilizzata nelle linee di trasmissione aeree e negli interruttori a relè per fornire l'isolamento elettrico.

Ma in determinate condizioni, è possibile osservare una corrente nei gas. Facciamo un esperimento. Per lui, abbiamo bisogno di un elettrometro a condensatore d'aria e di cavi di collegamento. Innanzitutto, colleghiamo l'elettrometro al condensatore. Quindi riporteremo la carica alle piastre del condensatore. L'elettrometro mostrerà la presenza di questa stessa carica. Il condensatore ad aria immagazzinerà una carica per un po'. Cioè, non ci sarà corrente tra le sue piastre. Ciò suggerisce che l'aria tra le piastre del condensatore ha proprietà dielettriche.

Figura 1 - Condensatore carico collegato ad un elettrometro

Successivamente, introduciamo una fiamma di candela nello spazio tra i piatti. Allo stesso tempo, vedremo che l'elettrometro mostrerà una diminuzione di carica sulle piastre del condensatore. Cioè, la corrente scorre nello spazio tra le piastre. Perché sta succedendo.

Figura 2 - Inserimento di una candela nello spazio tra le piastre di un condensatore carico

In condizioni normali, le molecole di gas sono elettricamente neutre. E non sono in grado di fornire corrente. Ma con un aumento della temperatura, si verifica la cosiddetta ionizzazione del gas e diventa un conduttore. Nel gas compaiono ioni positivi e negativi.

Affinché un elettrone si stacchi da un atomo di gas, è necessario lavorare contro le forze di Coulomb. Ciò richiede energia. L'atomo guadagna questa energia all'aumentare della temperatura. Poiché l'energia cinetica del moto termico è direttamente proporzionale alla temperatura del gas. Quindi, con il suo aumento, le molecole e gli atomi ricevono energia sufficiente in modo che gli elettroni si stacchino dagli atomi quando entrano in collisione. Un tale atomo diventa uno ione positivo. L'elettrone distaccato può aggrapparsi a un altro atomo, quindi diventerà uno ione negativo.

Di conseguenza, nello spazio tra le piastre compaiono ioni positivi e negativi, nonché elettroni. Tutti iniziano a muoversi sotto l'azione del campo creato dalle cariche sulle piastre del condensatore. Gli ioni positivi si muovono verso il catodo. Gli ioni negativi e gli elettroni tendono all'anodo. Pertanto, viene fornita una corrente nel traferro.

La dipendenza della corrente dalla tensione non obbedisce alla legge di Ohm in tutte le aree. Nella prima sezione, questo avviene con l'aumento della tensione, il numero di ioni aumenta e, di conseguenza, la corrente. Inoltre, nella seconda sezione si verifica la saturazione, ovvero con un aumento della tensione la corrente non aumenta. Perché la concentrazione di ioni è massima e quelli nuovi appaiono semplicemente dal nulla.

Figura 3 - Caratteristica corrente-tensione del traferro

Nella terza sezione, c'è di nuovo un aumento di corrente all'aumentare della tensione. Questa sezione è chiamata autoscarica. Cioè, gli ionizzatori di terze parti non sono più necessari per mantenere la corrente nel gas. Ciò è dovuto al fatto che gli elettroni ad alta tensione ricevono energia sufficiente per eliminare da soli altri elettroni dagli atomi. Questi elettroni a loro volta eliminano gli altri e così via. Il processo va come una valanga. E la principale conduttività nel gas è già fornita dagli elettroni.