Mesajul curent electric în gaze. Curentul electric în gaze: definiție, caracteristici și fapte interesante

În gaze, există descărcări electrice care nu se autosusțin și care se autosusțin.

Fenomenul de curgere a curentului electric printr-un gaz, observat numai în condiția oricărei influențe externe asupra gazului, se numește o descărcare electrică neauto-susținută. Procesul de detașare a unui electron de un atom se numește ionizare a atomului. Energia minimă care trebuie consumată pentru a desprinde un electron dintr-un atom se numește energie de ionizare. Un gaz parțial sau complet ionizat, în care densitățile sarcinilor pozitive și negative sunt aceleași, se numește plasmă.

Purtătorii de curent electric în descărcări neauto-susținute sunt ionii pozitivi și electronii negativi. Caracteristica curent-tensiune este prezentată în fig. 54. În domeniul OAB - o descărcare neautosusținută. În regiunea BC, descărcarea devine independentă.

În auto-descărcare, una dintre metodele de ionizare a atomilor este ionizarea prin impact de electroni. Ionizarea prin impactul electronului devine posibilă atunci când electronul dobândește o energie cinetică W k la calea liberă medie A, suficientă pentru a face munca de detașare a electronului de atom. Tipuri de descărcări independente în gaze - scânteie, corona, arc și descărcări strălucitoare.

descărcare de scânteie apare între doi electrozi încărcați cu sarcini diferite și având o diferență mare de potențial. Tensiunea dintre corpurile încărcate opus ajunge până la 40.000 V. Descărcarea scânteii este de scurtă durată, mecanismul său este impactul electronic. Fulgerul este un tip de descărcare de scânteie.

În câmpurile electrice foarte neomogene, formate, de exemplu, între un vârf și un plan sau între un fir de linie electrică și suprafața Pământului, apare o formă specială de descărcare auto-susținută în gaze, numită descărcare corona.

Descărcarea arcului electric a fost descoperit de omul de știință rus V.V.Petrov în 1802. Când doi electrozi din cărbune intră în contact la o tensiune de 40-50 V, în unele locuri există zone cu secțiune transversală mică cu rezistență electrică ridicată. Aceste zone devin foarte fierbinți, emit electroni care ionizează atomii și moleculele dintre electrozi. Purtătorii de curent electric în arc sunt ioni și electroni încărcați pozitiv.

O descărcare care are loc la presiune redusă se numește descărcare strălucitoare. Pe măsură ce presiunea scade, calea liberă medie a electronului crește, iar în timpul dintre ciocniri, are timp să dobândească suficientă energie pentru ionizare în câmp electric cu mai putin stres. Descărcarea este efectuată de o avalanșă de ioni de electroni.

1. Ionizarea, esența și tipurile ei.

Prima condiție pentru existența unui curent electric este prezența purtătorilor de încărcare liberi. În gaze, ele apar ca urmare a ionizării. Sub acțiunea factorilor de ionizare, un electron este separat de o particulă neutră. Atomul devine un ion pozitiv. Astfel, există 2 tipuri de purtători de sarcină: un ion pozitiv și un electron liber. Dacă un electron se alătură unui atom neutru, atunci apare un ion negativ, adică. al treilea tip de purtători de taxe. Un gaz ionizat se numește conductor de al treilea fel. Două tipuri de conductivitate sunt posibile aici: electronică și ionică. Concomitent cu procesele de ionizare are loc procesul invers, recombinarea. Este nevoie de energie pentru a separa un electron de un atom. Dacă energia este furnizată din exterior, atunci factorii care contribuie la ionizare sunt numiți externi (temperatură ridicată, radiații ionizante, radiații ultraviolete, puternice). campuri magnetice). În funcție de factorii de ionizare, se numește ionizare termică, fotoionizare. De asemenea, ionizarea poate fi cauzată de șoc mecanic. Factorii de ionizare sunt împărțiți în naturali și artificiali. Cea naturală este cauzată de radiația Soarelui, fondul radioactiv al Pământului. Pe lângă ionizarea externă, există internă. Se împarte în percuție și în trepte.

Ionizare prin impact.

La o tensiune suficient de mare, electronii accelerați de câmp la viteze mari devin ei înșiși o sursă de ionizare. Când un astfel de electron lovește un atom neutru, electronul este scos din atom. Acest lucru se întâmplă atunci când energia electronului care provoacă ionizarea depășește energia de ionizare a atomului. Tensiunea dintre electrozi trebuie să fie suficientă pentru ca electronul să dobândească energia necesară. Această tensiune se numește tensiune de ionizare. Fiecare are propriul său sens.

Dacă energia electronului în mișcare este mai mică decât este necesar, atunci la impact are loc doar excitația atomului neutru. Dacă un electron în mișcare se ciocnește cu un atom pre-excitat, atunci are loc ionizarea în trepte.

2. Descărcare gazoasă neautosusținută și caracteristica curent-tensiune a acesteia.

Ionizarea conduce la îndeplinirea primei condiții de existență a curentului, adică. la apariția unor taxe gratuite. Pentru ca curentul să apară, este necesară o forță externă, care va face să se miște sarcinile într-o direcție, adică. este nevoie de un câmp electric. Un curent electric în gaze este însoțit de o serie de fenomene: lumină, sunet, formarea ozonului, oxizi de azot. Ansamblul fenomenelor care însoțesc trecerea curentului prin gaz – gaz rang . Adesea, procesul de trecere a curentului se numește descărcare de gaz.

Descărcarea se numește neauto-susținută dacă există numai în timpul acțiunii unui ionizator extern. În acest caz, după încetarea acțiunii ionizatorului extern, nu se formează noi purtători de sarcină, iar curentul se oprește. Cu o descărcare neauto-susținută, curenții sunt mici ca magnitudine și nu există nicio strălucire de gaz.

Evacuarea independentă a gazelor, tipurile și caracteristicile sale.

O descărcare independentă de gaz este o descărcare care poate exista după terminarea ionizatorului extern, adică. datorită ionizării de impact. În acest caz, se observă fenomene luminoase și sonore, puterea curentului poate crește semnificativ.

Tipuri de autodescărcare:

1. descărcare liniștită - urmează direct după cea neauto-susținută, puterea curentului nu depășește 1 mA, nu există fenomene sonore și luminoase. Se foloseste in kinetoterapie, contoare Geiger-Muller.

2. descărcare luminoasă. Pe măsură ce tensiunea crește, liniștea se transformă în mocnit. Apare la o anumită tensiune - tensiune de aprindere. Depinde de tipul de gaz. Neonul are 60-80 V. Depinde si de presiunea gazului. Descărcarea strălucitoare este însoțită de o strălucire, este asociată cu recombinarea, care merge cu eliberarea de energie. Culoarea depinde și de tipul de gaz. Se folosește în lămpi indicatoare (neon, bactericide ultraviolete, iluminare, luminiscente).

3. descărcarea arcului. Puterea curentului este de 10 - 100 A. Este însoțită de o strălucire intensă, temperatura în golul de descărcare în gaz atinge câteva mii de grade. Ionizarea ajunge la aproape 100%. 100% gaz ionizat - plasma cu gaz rece. Are o conductivitate bună. Este utilizat în lămpile cu mercur de înaltă și ultraînaltă presiune.

4. Descărcarea scânteie este un fel de descărcare de arc. Aceasta este o descărcare puls-oscilativă. În medicină se folosește efectul oscilațiilor de înaltă frecvență.La o densitate mare de curent se observă fenomene sonore intense.

5. descărcare corona. Acesta este un fel de descărcare strălucitoare. Se observă în locurile în care există o schimbare bruscă a intensității câmpului electric. Aici există o avalanșă de sarcini și o strălucire de gaze - o coroană.

Rezumat de fizică

pe subiect:

„Curentul electric în gaze”.

Curentul electric în gaze.

1. Descărcări electrice în gaze.

Toate gazele în starea lor naturală nu conduc electricitatea. Acest lucru se poate observa din următoarea experiență:

Să luăm un electrometru cu discuri ale unui condensator plat atașat la el și să-l încărcăm. La temperatura camerei dacă aerul este suficient de uscat, condensatorul nu se descarcă vizibil - poziția acului electrometrului nu se schimbă. Pentru a observa o scădere a unghiului de abatere al acului electrometrului, este necesar perioadă lungă de timp. Asta arată că electricitateîn aerul dintre discuri este foarte mic. Această experiență arată că aerul este un slab conductor al curentului electric.

Să modificăm experimentul: să încălzim aerul dintre discuri cu flacăra unei lămpi cu alcool. Apoi unghiul de deviere al indicatorului electrometrului scade rapid, adică diferența de potențial dintre discurile condensatorului scade - condensatorul este descărcat. În consecință, aerul încălzit dintre discuri a devenit conductor și în el se stabilește un curent electric.

Proprietățile izolatoare ale gazelor se explică prin faptul că în ele nu există sarcini electrice libere: atomii și moleculele gazelor în starea lor naturală sunt neutre.

2. Ionizarea gazelor.

Experiența de mai sus arată că particulele încărcate apar în gaze sub influența temperaturii ridicate. Ele apar ca urmare a divizării unuia sau mai multor electroni din atomii de gaz, în urma căreia apar un ion pozitiv și electroni în locul unui atom neutru. O parte din electronii formați pot fi captate de alți atomi neutri și apoi vor apărea mai mulți ioni negativi. Se numește descompunerea moleculelor de gaz în electroni și ioni pozitivi ionizarea gazelor.

Încălzirea unui gaz la o temperatură ridicată nu este singura modalitate de a ioniza moleculele sau atomii de gaz. Ionizarea gazului poate apărea sub influența diferitelor interacțiuni externe: încălzirea puternică a gazului, raze X, razele a-, b- și g care provin din dezintegrarea radioactivă, razele cosmice, bombardarea moleculelor de gaz de către electroni sau ioni care se mișcă rapid. Factorii care provoacă ionizarea gazelor se numesc ionizatoare. Caracteristica cantitativă a procesului de ionizare este intensitatea ionizării, măsurată prin numărul de perechi de particule încărcate opuse în semn care apar într-o unitate de volum de gaz pe unitate de timp.

Ionizarea unui atom necesită cheltuirea unei anumite energie - energia de ionizare. Pentru a ioniza un atom (sau moleculă), este necesar să se lucreze împotriva forțelor de interacțiune dintre electronul ejectat și restul particulelor atomului (sau moleculei). Aceasta lucrare se numeste munca de ionizare A i . Valoarea muncii de ionizare depinde de natura chimica starea gazoasă și energetică a unui electron ejectat într-un atom sau moleculă.

După terminarea ionizatorului, numărul de ioni din gaz scade în timp și în cele din urmă ionii dispar cu totul. Dispariția ionilor se explică prin faptul că ionii și electronii sunt implicați în mișcarea termicăși prin urmare se ciocnesc unul de altul. Când un ion pozitiv și un electron se ciocnesc, se pot reuni într-un atom neutru. În același mod, atunci când un ion pozitiv și cel negativ se ciocnesc, ionul negativ poate ceda electronul în exces la ionul pozitiv, iar ambii ioni se vor transforma în atomi neutri. Acest proces de neutralizare reciprocă a ionilor se numește recombinare ionică. Când un ion pozitiv și un electron sau doi ioni se recombină, se eliberează o anumită energie, egală cu energia cheltuită pentru ionizare. Parțial, este emis sub formă de lumină și, prin urmare, recombinarea ionilor este însoțită de luminescență (luminescența recombinării).

În fenomenele de descărcare electrică în gaze, ionizarea atomilor prin impactul electronilor joacă un rol important. Acest proces constă în faptul că un electron în mișcare, care are suficientă energie cinetică, elimină unul sau mai mulți electroni atomici, în urma căruia atomul neutru se transformă într-un ion pozitiv, iar în gaz apar electroni noi (asta va fi discutată mai târziu).

Tabelul de mai jos prezintă energiile de ionizare ale unor atomi.

3. Mecanismul conductivității electrice a gazelor.

Mecanismul de conductivitate a gazului este similar cu mecanismul de conductivitate a soluțiilor de electroliți și a topiturii. În absența unui câmp extern, particulele încărcate, precum moleculele neutre, se mișcă aleatoriu. Dacă ionii și electronii liberi se găsesc într-un câmp electric extern, atunci aceștia intră în mișcare direcționată și creează un curent electric în gaze.

Astfel, curentul electric dintr-un gaz este o mișcare direcționată a ionilor pozitivi către catod și a ionilor negativi și a electronilor către anod. Curentul total din gaz este compus din două fluxuri de particule încărcate: fluxul care merge la anod și fluxul direcționat către catod.

Neutralizarea particulelor încărcate are loc pe electrozi, ca în cazul trecerii curentului electric prin soluții și topituri de electroliți. Cu toate acestea, în gaze nu există eliberare de substanțe pe electrozi, așa cum este cazul soluțiilor de electroliți. Ionii de gaz, care se apropie de electrozi, le dau sarcinile lor, se transformă în molecule neutre și difuzează înapoi în gaz.

O altă diferență în conductivitatea electrică a gazelor ionizate și a soluțiilor (topituri) de electroliți este că sarcina negativă în timpul trecerii curentului prin gaze este transferată în principal nu de ionii negativi, ci de electroni, deși conductivitatea datorată ionilor negativi poate juca și un rol important. anumit rol.

Astfel, gazele combină conductivitatea electronică, similară conductivității metalelor, cu conductivitatea ionică, similară conductivității soluțiilor apoase și topiturii electroliților.

4. Descărcare de gaz neautosusținută.

Procesul de trecere a curentului electric printr-un gaz se numește descărcare gazoasă. Dacă conductivitatea electrică a gazului este creată de ionizatori externi, atunci curentul electric care apare în el se numește descărcare de gaze neauto-susținută. Odată cu încetarea acțiunii ionizatorilor externi, descărcarea neauto-susținută încetează. O descărcare de gaz care nu se autosusține nu este însoțită de strălucire de gaz.

Mai jos este un grafic al dependenței puterii curentului de tensiune pentru o descărcare neauto-susținută într-un gaz. Un tub de sticlă cu doi electrozi metalici lipiți în sticlă a fost folosit pentru a reprezenta graficul. Lanțul este asamblat așa cum se arată în figura de mai jos.

La o anumită tensiune, vine un moment în care toate particulele încărcate formate în gaz de ionizator într-o secundă ajung la electrozi în același timp. O creștere suplimentară a tensiunii nu mai poate duce la o creștere a numărului de ioni transportați. Curentul ajunge la saturație (secțiunea orizontală a graficului 1).

5. Descărcare independentă de gaz.

Se numește o descărcare electrică într-un gaz care persistă după încetarea acțiunii unui ionizator extern descărcare independentă de gaz. Pentru implementarea sa, este necesar ca, ca urmare a descărcării în sine, să se formeze continuu încărcături gratuite în gaz. Principala sursă a apariției lor este ionizarea prin impact a moleculelor de gaz.

Dacă, după atingerea saturației, continuăm să creștem diferența de potențial dintre electrozi, atunci puterea curentului la o tensiune suficient de mare va crește brusc (graficul 2).

Aceasta înseamnă că în gaz apar ioni suplimentari, care se formează datorită acțiunii ionizatorului. Puterea curentului poate crește de sute și mii de ori, iar numărul de particule încărcate care apar în timpul descărcării poate deveni atât de mare încât nu mai este necesar un ionizator extern pentru a menține descărcarea. Prin urmare, ionizatorul poate fi acum îndepărtat.

Care sunt motivele creșterii puternice a intensității curentului la tensiuni înalte? Să considerăm orice pereche de particule încărcate (un ion pozitiv și un electron) formată datorită acțiunii unui ionizator extern. Electronul liber care apare în acest fel începe să se deplaseze spre electrodul pozitiv - anod, iar ionul pozitiv - spre catod. Pe drum, electronul întâlnește ioni și atomi neutri. În intervalele dintre două ciocniri succesive, energia electronului crește datorită muncii forțelor câmpului electric.

Cu cât diferența de potențial dintre electrozi este mai mare, cu atât intensitatea câmpului electric este mai mare. Energia cinetică a unui electron înainte de următoarea ciocnire este proporțională cu intensitatea câmpului și cu calea liberă a electronului: MV 2 /2=eEl. Dacă energia cinetică a unui electron depășește munca A i care trebuie făcută pentru a ioniza un atom (sau moleculă) neutru, i.e. MV 2 >A i , atunci când un electron se ciocnește cu un atom (sau moleculă), acesta este ionizat. Ca urmare, în loc de un electron, apar doi electroni (atacând atomul și smulși din atom). Ei, la rândul lor, primesc energie în câmp și ionizează atomii care se apropie, etc. Ca urmare, numărul de particule încărcate crește rapid și apare o avalanșă de electroni. Procesul descris este numit ionizare prin impact de electroni.

Dar ionizarea numai prin impactul electronilor nu poate asigura menținerea unei sarcini independente. Într-adevăr, până la urmă, toți electronii care iau naștere în acest fel se deplasează spre anod și, la atingerea anodului, „iasă din joc”. Pentru a menține descărcarea necesită emisia de electroni din catod („emisia” înseamnă „emisie”). Emisia unui electron se poate datora mai multor motive.

Ionii pozitivi formați în timpul ciocnirii electronilor cu atomii neutri, la deplasarea spre catod, capătă o energie cinetică mare sub acțiunea câmpului. Când astfel de ioni rapizi lovesc catodul, electronii sunt eliminați de pe suprafața catodului.

În plus, catodul poate emite electroni atunci când este încălzit la o temperatură ridicată. Acest proces se numește emisie termoionică. Poate fi considerată ca evaporarea electronilor din metal. In multe solide emisia termoionică are loc la temperaturi la care evaporarea substanței în sine este încă mică. Astfel de substanțe sunt utilizate pentru fabricarea catozilor.

În timpul autodescărcării, catodul poate fi încălzit prin bombardarea lui cu ioni pozitivi. Dacă energia ionilor nu este prea mare, atunci nu există nicio eliminare a electronilor din catod și electronii sunt emiși datorită emisiei termoionice.

6. Diferite tipuri de autodescărcare și aplicarea lor tehnică.

În funcție de proprietățile și starea gazului, de natura și locația electrozilor, precum și de tensiunea aplicată electrozilor, tipuri diferite rang independent. Să luăm în considerare câteva dintre ele.

A. Descărcări mocnite.

Se observă o descărcare strălucitoare în gaze la presiuni joase de ordinul a câteva zeci de milimetri de mercur și mai puțin. Dacă luăm în considerare un tub cu o descărcare strălucitoare, putem vedea că părțile principale ale unei descărcări strălucitoare sunt catod Space Dark, departe de el negativ sau strălucire mocnitoare, care trece treptat în zonă Faraday spațiu întunecat. Aceste trei regiuni formează partea catodică a descărcării, urmată de partea luminoasă principală a descărcării, care determină proprietățile sale optice și se numește coloană pozitivă.

Rolul principal în menținerea descărcării strălucitoare este jucat de primele două regiuni ale părții sale catodice. trăsătură caracteristică Acest tip de descărcare este o scădere bruscă a potențialului în apropierea catodului, care este asociată cu o concentrație mare de ioni pozitivi la limita regiunilor I și II, datorită vitezei relativ scăzute a ionilor la catod. În spațiul întunecat al catodului, există o accelerare puternică a electronilor și ionilor pozitivi, eliminând electronii din catod. În regiunea strălucirii strălucitoare, electronii produc ionizare intensă de impact a moleculelor de gaz și își pierd energia. Aici se formează ioni pozitivi, care sunt necesari pentru a menține descărcarea. Intensitatea câmpului electric în această regiune este scăzută. Strălucirea mocnită este cauzată în principal de recombinarea ionilor și electronilor. Lungimea spațiului întunecat catodic este determinată de proprietățile gazului și ale materialului catodic.

În regiunea coloanei pozitive, concentrația de electroni și ioni este aproximativ aceeași și foarte mare, ceea ce determină o conductivitate electrică ridicată a coloanei pozitive și o scădere ușoară a potențialului în ea. Strălucirea coloanei pozitive este determinată de strălucirea moleculelor de gaz excitat. În apropierea anodului, se observă din nou o schimbare relativ bruscă a potențialului, care este asociată cu procesul de generare a ionilor pozitivi. În unele cazuri, coloana pozitivă se împarte în zone luminoase separate - straturi, separate prin spații întunecate.

Coloana pozitivă nu joacă un rol semnificativ în menținerea descărcării strălucitoare; prin urmare, pe măsură ce distanța dintre electrozii tubului scade, lungimea coloanei pozitive scade și poate dispărea cu totul. Situația este diferită cu lungimea spațiului întunecat al catodului, care nu se schimbă atunci când electrozii se apropie unul de celălalt. Dacă electrozii sunt atât de apropiați încât distanța dintre ei devine mai mică decât lungimea spațiului întunecat al catodului, atunci descărcarea strălucitoare în gaz se va opri. Experimentele arată că, în condițiile egale, lungimea d a spațiului întunecat catodic este invers proporțională cu presiunea gazului. În consecință, la presiuni suficient de scăzute, electronii scoși din catod de ionii pozitivi trec prin gaz aproape fără ciocniri cu moleculele sale, formând electronic, sau raze catodice .

Descărcarea strălucitoare este utilizată în tuburi de lumină cu gaz, lămpi fluorescente, stabilizatoare de tensiune, pentru a obține fascicule de electroni și ioni. Dacă se face o fantă în catod, atunci fascicule de ioni înguste trec prin el în spațiul din spatele catodului, adesea numit razele canalului. fenomen larg utilizat pulverizare catodică, adică distrugerea suprafeței catodului sub acțiunea ionilor pozitivi care îl lovesc. Fragmente ultramicroscopice ale materialului catodic zboară în toate direcțiile de-a lungul liniilor drepte și acoperă suprafața corpurilor (în special dielectricii) plasate într-un tub cu un strat subțire. În acest fel, se realizează oglinzi pentru o serie de dispozitive, aplicate strat subțire metal pe fotocelule cu seleniu.

b. Descărcarea corona.

O descărcare corona are loc la presiune normală într-un gaz într-un câmp electric foarte neomogen (de exemplu, lângă vârfuri sau fire ale liniilor de înaltă tensiune). Într-o descărcare corona, ionizarea gazului și strălucirea sa apar numai în apropierea electrozilor corona. În cazul coroanei catodului (corona negativă), electronii care provoacă ionizarea prin impact a moleculelor de gaz sunt scoși din catod atunci când acesta este bombardat cu ioni pozitivi. Dacă anodul este corona (corona pozitivă), atunci nașterea electronilor are loc datorită fotoionizării gazului din apropierea anodului. Corona este un fenomen dăunător, însoțit de scurgeri și pierderi de curent energie electrica. Pentru a reduce corona, se mărește raza de curbură a conductorilor, iar suprafața acestora este cât mai netedă. La o tensiune suficient de mare între electrozi, descărcarea corona se transformă într-o scânteie.

La o tensiune crescută, descărcarea corona de pe vârf ia forma unor linii luminoase care emană din vârf și alternează în timp. Aceste linii, având o serie de îndoituri și îndoituri, formează un fel de perie, în urma căreia o astfel de descărcare se numește carpian .

Un nor de tunet încărcat induce pe suprafața Pământului de sub el sarcini electrice semnul opus. O încărcătură deosebit de mare se acumulează pe vârfuri. Prin urmare, înaintea unei furtuni sau în timpul unei furtuni, conurile de lumină ca niște perii se aprind adesea pe punctele și colțurile ascuțite ale obiectelor foarte ridicate. Din cele mai vechi timpuri, această strălucire a fost numită focul Sfântului Elm.

Mai ales deseori alpiniștii devin martori ai acestui fenomen. Uneori, chiar și nu numai obiectele metalice, ci și capetele părului de pe cap sunt decorate cu mici ciucuri luminoase.

Descărcarea corona trebuie luată în considerare atunci când aveți de-a face cu tensiune înaltă. Dacă există părți proeminente sau fire foarte subțiri, descărcarea corona poate începe. Acest lucru duce la scurgeri de energie. Cu cât tensiunea liniei de înaltă tensiune este mai mare, cu atât firele ar trebui să fie mai groase.

C. Descărcare prin scânteie.

Descărcarea scânteii are forma unor filamente-canale ramificate în zig-zag strălucitoare care pătrund în golul de descărcare și dispar, fiind înlocuite cu altele noi. Studiile au arătat că canalele de descărcare a scânteii încep să crească uneori de la electrodul pozitiv, alteori de la negativ și uneori de la un punct între electrozi. Acest lucru se explică prin faptul că ionizarea prin impact în cazul unei descărcări de scânteie are loc nu pe întregul volum de gaz, ci prin canale individuale care trec în acele locuri în care concentrația ionilor s-a dovedit accidental a fi cea mai mare. Descărcarea scânteii este însoțită de eliberare un numar mare căldură, strălucire strălucitoare de gaz, trosnet sau tunet. Toate aceste fenomene sunt cauzate de avalanșe de electroni și ioni care apar în canalele de scântei și duc la o creștere uriașă a presiunii, ajungând la 10 7 ¸10 8 Pa, și o creștere a temperaturii până la 10.000 °C.

Un exemplu tipic de descărcare de scânteie este fulgerul. Canalul principal de fulger are un diametru de 10 până la 25 cm, iar lungimea fulgerului poate ajunge la câțiva kilometri. Puterea maximă Curentul pulsului fulgerului atinge zeci și sute de mii de amperi.

Cu o lungime mică a golului de descărcare, descărcarea scânteii provoacă o distrugere specifică a anodului, numită eroziune. Acest fenomen a fost folosit în metoda electrospark de tăiere, găurire și alte tipuri de prelucrare de precizie a metalelor.

Eclatorul este folosit ca protector la supratensiune în liniile de transmisie electrică (de exemplu, în linii telefonice). Dacă în apropierea liniei trece un curent puternic de scurtă durată, atunci în firele acestei linii sunt induse tensiuni și curenți, care pot distruge instalatie electricași periculos pentru viața umană. Pentru a evita acest lucru, se folosesc siguranțe speciale, formate din doi electrozi curbați, dintre care unul este conectat la linie, iar celălalt este împământat. Dacă potențialul liniei în raport cu pământul crește foarte mult, atunci între electrozi are loc o descărcare de scânteie, care, împreună cu aerul încălzit de aceasta, se ridică, se prelungește și se rupe.

În cele din urmă, o scânteie electrică este utilizată pentru a măsura diferențe mari de potențial folosind golul mingii, ai căror electrozi sunt două bile metalice cu suprafață lustruită. Bilele sunt depărtate și li se aplică o diferență de potențial măsurată. Apoi bilele sunt aduse împreună până când o scânteie sare între ele. Cunoscând diametrul bilelor, distanța dintre ele, presiunea, temperatura și umiditatea aerului, găsesc diferența de potențial dintre bile conform tabelelor speciale. Această metodă poate fi utilizată pentru a măsura, cu câteva procente, diferențe de potențial de ordinul a zeci de mii de volți.

D. Descărcarea arcului.

Descărcarea arcului a fost descoperită de V. V. Petrov în 1802. Această descărcare este una dintre formele de descărcare gazoasă, care are loc la o densitate mare de curent și o tensiune relativ scăzută între electrozi (de ordinul câtorva zeci de volți). Cauza principală a descărcării arcului este emisia intensă de termoelectroni de către un catod fierbinte. Acești electroni accelerează câmp electricși produc ionizare de impact a moleculelor de gaz, datorită căreia rezistență electrică decalajul de gaz dintre electrozi este relativ mic. Dacă reducem rezistența circuitului extern, creștem curentul de descărcare a arcului, atunci conductivitatea spațiului de gaz va crește atât de mult încât tensiunea dintre electrozi scade. Prin urmare, se spune că descărcarea arcului are o caracteristică curent-tensiune în scădere. La presiunea atmosferică, temperatura catodului atinge 3000 °C. Electronii, bombardând anodul, creează o adâncitură (crater) în el și îl încălzesc. Temperatura craterului este de aproximativ 4000 °C, iar la presiuni mari ale aerului ajunge la 6000-7000 °C. Temperatura gazului din canalul de descărcare a arcului ajunge la 5000-6000 °C, așa că are loc ionizare termică intensă în acesta.

Într-un număr de cazuri, o descărcare cu arc este de asemenea observată la o temperatură relativ scăzută a catodului (de exemplu, într-o lampă cu arc cu mercur).

În 1876, P. N. Yablochkov a folosit pentru prima dată un arc electric ca sursă de lumină. În „lumânarea Yablochkov”, cărbunii erau aranjați în paralel și separați printr-un strat curbat, iar capetele lor erau conectate printr-un „punte de aprindere” conductiv. Când curentul a fost pornit, puntea de aprindere a ars și s-a format între cărbuni arc electric. Pe măsură ce cărbunii ardeau, stratul izolator s-a evaporat.

Descărcarea cu arc este folosită ca sursă de lumină și astăzi, de exemplu, în proiectoare și proiectoare.

Temperatura ridicată a descărcării arcului face posibilă utilizarea acestuia pentru construcția unui cuptor cu arc. În prezent, cuptoarele cu arc alimentate cu un curent foarte mare sunt utilizate într-o serie de industrii: pentru topirea oțelului, fontei, feroaliajelor, bronzului, producerea carburii de calciu, oxidului de azot etc.

În 1882, N. N. Benardos a folosit pentru prima dată o descărcare cu arc pentru tăierea și sudarea metalului. Descărcarea dintre electrodul de carbon fix și metal încălzește joncțiunea celor două table metalice(sau plăci) și le sudează. Benardos a folosit aceeași metodă pentru tăiere plăci metaliceși făcând găuri în ele. În 1888, N. G. Slavyanov a îmbunătățit această metodă de sudare prin înlocuirea electrodului de carbon cu unul metalic.

Descărcarea arcului și-a găsit aplicație într-un redresor cu mercur, care transformă un curent electric alternativ într-un curent continuu.

E. Plasma.

Plasma este un gaz parțial sau complet ionizat în care densitățile sarcinilor pozitive și negative sunt aproape aceleași. Astfel, plasma în ansamblu este un sistem neutru din punct de vedere electric.

Caracteristica cantitativă a plasmei este gradul de ionizare. Gradul de ionizare a plasmei a este raportul dintre concentrația în volum a particulelor încărcate și concentrația în volum totală a particulelor. În funcție de gradul de ionizare, plasma se împarte în slab ionizat(a este fracțiuni de procent), parțial ionizat (a de ordinul câtorva procente) și complet ionizat (a este aproape de 100%). Plasmă slab ionizată conditii naturale sunt straturile superioare ale atmosferei – ionosfera. Soarele, stelele fierbinți și unii nori interstelari sunt plasmă complet ionizată care se formează la temperaturi ridicate.

Energii medii tipuri variate particulele care alcătuiesc plasma pot diferi semnificativ unele de altele. Prin urmare, plasma nu poate fi caracterizată printr-o singură valoare a temperaturii T; se face o distincţie între temperatura electronilor T e, temperatura ionilor T i (sau temperaturile ionilor, dacă în plasmă sunt mai multe feluri de ioni) şi temperatura atomilor neutri T a (componenta neutră). O astfel de plasmă se numește non-izotermă, spre deosebire de plasma izotermă, în care temperaturile tuturor componentelor sunt aceleași.

Plasma se împarte în temperatură înaltă (T i »10 6 -10 8 K și mai mult) și temperatură joasă!!! (T i<=10 5 К). Это условное разделение связано с особой влажностью высокотемпературной плазмы в связи с проблемой осуществления управляемого термоядерного синтеза.

Plasma are o serie de proprietăți specifice, ceea ce ne permite să o considerăm ca o a patra stare specială a materiei.

Datorită mobilității mari a particulelor de plasmă încărcate, acestea se mișcă cu ușurință sub influența câmpurilor electrice și magnetice. Prin urmare, orice încălcare a neutralității electrice a regiunilor individuale ale plasmei, cauzată de acumularea de particule cu același semn de sarcină, este rapid eliminată. Câmpurile electrice rezultate mișcă particulele încărcate până când neutralitatea electrică este restabilită și câmpul electric devine zero. Spre deosebire de un gaz neutru, unde există forțe cu rază scurtă de acțiune între molecule, forțele Coulomb acționează între particulele de plasmă încărcate, scăzând relativ lent cu distanța. Fiecare particulă interacționează imediat cu un număr mare de particule din jur. Datorită acestui fapt, împreună cu mișcarea termică haotică, particulele de plasmă pot participa la diferite mișcări ordonate. Diferite tipuri de oscilații și unde sunt ușor de excitat într-o plasmă.

Conductivitatea plasmei crește pe măsură ce crește gradul de ionizare. La temperaturi ridicate, o plasmă complet ionizată se apropie de supraconductori în ceea ce privește conductivitatea sa.

Plasma de joasă temperatură este utilizată în sursele de lumină cu descărcare în gaz - în tuburi luminoase pentru inscripții publicitare, în lămpi fluorescente. O lampă cu descărcare în gaz este utilizată în multe dispozitive, de exemplu, în laserele cu gaz - surse de lumină cuantică.

Plasma de înaltă temperatură este utilizată în generatoarele magnetohidrodinamice.

Un nou dispozitiv, lanterna cu plasmă, a fost creat recent. Lanterna cu plasmă creează jeturi puternice de plasmă densă la temperatură joasă, care sunt utilizate pe scară largă în diverse domenii ale tehnologiei: pentru tăierea și sudarea metalelor, forarea puțurilor în roci dure etc.

Lista literaturii folosite:

1) Fizica: Electrodinamica. 10-11 celule: manual. pentru studiul aprofundat al fizicii / G. Ya. Myakishev, A. Z. Sinyakov, B. A. Slobodskov. - Ediția a II-a - M.: Drofa, 1998. - 480 p.

2) Curs de fizică (în trei volume). T. II. electricitate și magnetism. Proc. manual pentru colegii tehnice / Detlaf A.A., Yavorsky B. M., Milkovskaya L. B. Izd. a 4-a, revizuită. - M.: Şcoala superioară, 1977. - 375 p.

3) Electricitate./E. G. Kalașnikov. Ed. „Știință”, Moscova, 1977.

4) Fizica./B. B. Buhovtsev, Yu. L. Klimontovich, G. Ya. Myakishev. Ediția a III-a, revizuită. – M.: Iluminismul, 1986.

Se formează prin mișcarea direcționată a electronilor liberi și că în acest caz nu se produc modificări ale substanței din care este făcut conductorul.

Astfel de conductoare, în care trecerea unui curent electric nu este însoțită de modificări chimice ale substanței lor, se numesc conductoare de primul fel. Acestea includ toate metalele, cărbunele și o serie de alte substanțe.

Dar există și astfel de conductori de curent electric în natură, în care fenomene chimice apar în timpul trecerii curentului. Acești conductori se numesc conductoare de al doilea fel. Acestea includ în principal diverse soluții în apă de acizi, săruri și alcalii.

Dacă turnați apă într-un vas de sticlă și adăugați câteva picături de acid sulfuric (sau alt acid sau alcalin), apoi luați două plăci metalice și atașați conductorii de ele coborând aceste plăci în vas și conectați un curent sursă la celelalte capete ale conductorilor printr-un comutator și un ampermetru, apoi gazul va fi eliberat din soluție și va continua continuu până când circuitul este închis. apa acidificată este într-adevăr un conductor. În plus, plăcile vor începe să fie acoperite cu bule de gaz. Apoi aceste bule se vor desprinde din farfurii și vor ieși.

Când un curent electric trece prin soluție, apar modificări chimice, în urma cărora se eliberează gaz.

Conductorii de al doilea fel se numesc electroliți, iar fenomenul care are loc în electrolit atunci când trece un curent electric prin el este.

Plăcile metalice scufundate în electrolit se numesc electrozi; unul dintre ele, conectat la polul pozitiv al sursei de curent, se numește anod, iar celălalt, conectat la polul negativ, se numește catod.

Ce cauzează trecerea curentului electric într-un conductor lichid? Se dovedește că în astfel de soluții (electroliți), moleculele acide (alcali, săruri) sub acțiunea unui solvent (în acest caz, apă) se descompun în două componente și o particulă a moleculei are o sarcină electrică pozitivă, iar cealaltă negativă.

Particulele unei molecule care au o sarcină electrică se numesc ioni. Când un acid, sare sau alcali este dizolvat în apă, în soluție apar un număr mare de ioni pozitivi și negativi.

Acum ar trebui să devină clar de ce un curent electric a trecut prin soluție, deoarece între electrozii conectați la sursa de curent a fost creat, cu alte cuvinte, unul dintre ei s-a dovedit a fi încărcat pozitiv, iar celălalt negativ. Sub influența acestei diferențe de potențial, ionii pozitivi au început să se miște spre electrodul negativ - catod, iar ionii negativi - spre anod.

Astfel, mișcarea haotică a ionilor a devenit o contra-mișcare ordonată a ionilor negativi într-o direcție și a celor pozitivi în cealaltă. Acest proces de transfer de sarcină constituie fluxul de curent electric prin electrolit și are loc atâta timp cât există o diferență de potențial între electrozi. Odată cu dispariția diferenței de potențial, curentul prin electrolit se oprește, mișcarea ordonată a ionilor este perturbată și mișcarea haotică se instalează din nou.

Ca exemplu, luați în considerare fenomenul de electroliză atunci când un curent electric este trecut printr-o soluție de sulfat de cupru CuSO4 cu electrozi de cupru coborâți în ea.

Fenomenul de electroliză atunci când curentul trece printr-o soluție de sulfat de cupru: C - vas cu electrolit, B - sursă de curent, C - comutator

Va exista, de asemenea, o contra mișcare a ionilor către electrozi. Ionul pozitiv va fi ionul de cupru (Cu), iar ionul negativ va fi ionul rezidual acid (SO4). Ionii de cupru, la contactul cu catodul, vor fi descărcați (atașând electronii lipsă la ei înșiși), adică se vor transforma în molecule neutre de cupru pur și se vor depune pe catod sub forma celui mai subțire strat (molecular).

Ionii negativi, ajungând la anod, sunt și ei descărcați (dau electroni în exces). Dar, în același timp, ele intră într-o reacție chimică cu cuprul anodului, în urma căreia o moleculă de cupru Cu este atașată de reziduul acid SO4 și se formează o moleculă de sulfat de cupru CuS O4, care este returnată. înapoi la electrolit.

Deoarece acest proces chimic durează mult timp, cuprul este depus pe catod, care este eliberat din electrolit. În acest caz, în locul moleculelor de cupru care au ajuns la catod, electrolitul primește noi molecule de cupru datorită dizolvării celui de-al doilea electrod - anodul.

Același proces are loc dacă se iau electrozi de zinc în loc de cei de cupru, iar electrolitul este o soluție de sulfat de zinc ZnSO4. Zincul va fi, de asemenea, transferat de la anod la catod.

În acest fel, diferența dintre curentul electric din metale și conductorii de lichid constă în faptul că în metale doar electronii liberi, adică sarcinile negative, sunt purtători de sarcină, în timp ce în electroliți sunt transportați de particule de materie încărcate opus - ioni care se mișcă în direcții opuse. Prin urmare ei spun că electroliții au conductivitate ionică.

Fenomenul electrolizei a fost descoperit în 1837 de B. S. Jacobi, care a efectuat numeroase experimente privind studiul și îmbunătățirea surselor de curent chimic. Jacobi a descoperit că unul dintre electrozii plasați într-o soluție de sulfat de cupru, când trece un curent electric prin el, este acoperit cu cupru.

Acest fenomen se numește galvanizare, găsește acum o aplicație practică extrem de largă. Un exemplu în acest sens este acoperirea obiectelor metalice cu un strat subțire de alte metale, adică placarea cu nichel, aurirea, placarea cu argint etc.

Gazele (inclusiv aerul) nu conduc electricitatea în condiții normale. De exemplu, goale, fiind suspendate paralel unele cu altele, sunt izolate una de alta printr-un strat de aer.

Cu toate acestea, sub influența temperaturii ridicate, a unei diferențe mari de potențial și a altor motive, gazele, cum ar fi conductorii de lichid, ionizează, adică particulele de molecule de gaz apar în ele în număr mare, care, fiind purtători de electricitate, contribuie la trecerea. de curent electric prin gaz.

Dar, în același timp, ionizarea unui gaz diferă de ionizarea unui conductor lichid. Dacă într-un lichid o moleculă se rupe în două părți încărcate, atunci în gaze, sub acțiunea ionizării, electronii sunt întotdeauna separați de fiecare moleculă și un ion rămâne sub forma unei părți a moleculei încărcate pozitiv.

Trebuie doar să opriți ionizarea gazului, deoarece acesta încetează să mai fie conductiv, în timp ce lichidul rămâne întotdeauna un conductor de curent electric. În consecință, conductivitatea unui gaz este un fenomen temporar, în funcție de acțiunea unor cauze externe.

Cu toate acestea, mai există unul numit descărcare cu arc sau doar un arc electric. Fenomenul arcului electric a fost descoperit la începutul secolului al XIX-lea de către primul inginer electric rus V. V. Petrov.

V. V. Petrov, făcând numeroase experimente, a descoperit că între doi cărbuni conectați la o sursă de curent, se produce o descărcare electrică continuă prin aer, însoțită de o lumină puternică. În scrierile sale, V. V. Petrov a scris că, în acest caz, „pacea întunecată poate fi destul de puternic luminată”. Așadar, pentru prima dată a fost obținută lumină electrică, care a fost aplicată practic de un alt electronist rus Pavel Nikolaevich Yablochkov.

„Lumânarea lui Yablochkov”, a cărei lucrare se bazează pe utilizarea unui arc electric, a făcut o adevărată revoluție în inginerie electrică în acele vremuri.

Descărcarea cu arc este folosită ca sursă de lumină și astăzi, de exemplu, în proiectoare și proiectoare. Temperatura ridicată a descărcării arcului permite utilizarea acestuia pentru . În prezent, cuptoarele cu arc alimentate cu un curent foarte mare sunt folosite într-o serie de industrii: pentru topirea oțelului, fontei, feroaliajelor, bronzului etc. Și în 1882, N. N. Benardos a folosit pentru prima dată o descărcare cu arc pentru tăierea și sudarea metalului.

În tuburi de lumină cu gaz, lămpi fluorescente, stabilizatoare de tensiune, pentru a obține fascicule de electroni și ioni, așa-numitele descărcare de gaz strălucitor.

O descărcare de scânteie este utilizată pentru a măsura diferențe mari de potențial folosind un eclator sferic, ai cărui electrozi sunt două bile metalice cu o suprafață lustruită. Bilele sunt depărtate și li se aplică o diferență de potențial măsurată. Apoi bilele sunt aduse împreună până când o scânteie sare între ele. Cunoscând diametrul bilelor, distanța dintre ele, presiunea, temperatura și umiditatea aerului, găsesc diferența de potențial dintre bile conform tabelelor speciale. Această metodă poate fi utilizată pentru a măsura, cu câteva procente, diferențe de potențial de ordinul a zeci de mii de volți.

Curentul electric în gaze în condiții normale este imposibil. Adică, la umiditatea atmosferică, presiunea și temperatură, nu există purtători de sarcină în gaz. Această proprietate a gazului, în special a aerului, este utilizată în liniile aeriene de transport și în comutatoarele relee pentru a asigura izolarea electrică.

Dar, în anumite condiții, un curent poate fi observat în gaze. Să facem un experiment. Pentru el, avem nevoie de un electrometru cu condensator de aer și fire de conectare. Mai întâi, să conectăm electrometrul la condensator. Apoi vom raporta încărcarea plăcilor condensatorului. Electrometrul va arăta prezența acestei sarcini. Condensatorul de aer va stoca o încărcare pentru o perioadă. Adică nu va exista curent între plăcile sale. Acest lucru sugerează că aerul dintre plăcile condensatorului are proprietăți dielectrice.

Figura 1 - Condensator încărcat conectat la un electrometru

Apoi, introducem o flacără de lumânare în golul dintre farfurii. În același timp, vom vedea că electrometrul va indica o scădere a sarcinii pe plăcile condensatorului. Adică, curentul curge în golul dintre plăci. De ce se întâmplă asta.

Figura 2 - Introducerea unei lumânări în golul dintre plăcile unui condensator încărcat

În condiții normale, moleculele de gaz sunt neutre din punct de vedere electric. Și nu sunt capabili să furnizeze curent. Dar odată cu creșterea temperaturii, are loc așa-numita ionizare a gazului, iar acesta devine conductor. Ionii pozitivi și negativi apar în gaz.

Pentru ca un electron să se desprindă de un atom de gaz, este necesar să se lucreze împotriva forțelor Coulomb. Acest lucru necesită energie. Atomul câștigă această energie pe măsură ce temperatura crește. Deoarece energia cinetică a mișcării termice este direct proporțională cu temperatura gazului. Apoi, odată cu creșterea ei, moleculele și atomii primesc suficientă energie astfel încât electronii să se desprindă din atomi atunci când se ciocnesc. Un astfel de atom devine un ion pozitiv. Electronul detașat se poate agăța de un alt atom, apoi va deveni un ion negativ.

Ca rezultat, ionii pozitivi și negativi, precum și electronii, apar în golul dintre plăci. Toate încep să se miște sub acțiunea câmpului creat de sarcinile de pe plăcile condensatoarelor. Ionii pozitivi se deplasează spre catod. Ionii negativi și electronii tind spre anod. Astfel, se asigură un curent în întrefier.

Dependența curentului de tensiune nu respectă legea lui Ohm în toate domeniile. În prima secțiune, așa este cu o creștere a tensiunii, numărul de ioni crește și, în consecință, curentul. În plus, saturația are loc în a doua secțiune, adică cu o creștere a tensiunii, curentul nu crește. Pentru că concentrația de ioni este maximă și pur și simplu apar alții noi de nicăieri.

Figura 3 - caracteristica curent-tensiune a întrefierului

În a treia secțiune, există din nou o creștere a curentului cu creșterea tensiunii. Această secțiune se numește autodescărcare. Adică, ionizatoarele terțe nu mai sunt necesare pentru a menține curentul în gaz. Acest lucru se datorează faptului că electronii la tensiune înaltă primesc suficientă energie pentru a elimina pe cont propriu alți electroni din atomi. Acești electroni, la rândul lor, îi elimină pe alții și așa mai departe. Procesul merge ca o avalanșă. Și principala conductivitate în gaz este deja furnizată de electroni.