Fenomene de curent electric în gaze. Introducere

În condiții normale, gazele sunt dielectrice, deoarece. constau din atomi si molecule neutre si nu au un numar suficient de sarcini libere.Gazele devin conductori numai atunci cand sunt cumva ionizate. Procesul de ionizare a gazelor constă în faptul că, sub influența oricăror motive, unul sau mai mulți electroni sunt desprinși din atom. Ca rezultat, în loc de un atom neutru, ion pozitivși electron.

Se numește descompunerea moleculelor în ioni și electroni ionizarea gazelor.

O parte din electronii formați pot fi captate de alți atomi neutri și apoi să apară ioni încărcați negativ.

Astfel, există trei tipuri de purtători de sarcină într-un gaz ionizat: electroni, ioni pozitivi și cei negativi.

Separarea unui electron de un atom necesită cheltuirea unei anumite energie - energie de ionizare W eu . Energia de ionizare depinde de natura chimică a gazului și de starea energetică a electronului din atom. Deci, pentru detașarea primului electron de atomul de azot, se consumă o energie de 14,5 eV, iar pentru detașarea celui de-al doilea electron - 29,5 eV, pentru detașarea celui de-al treilea - 47,4 eV.

Factorii care provoacă ionizarea gazelor se numesc ionizatoare.

Există trei tipuri de ionizare: ionizare termică, fotoionizare și ionizare de impact.

Ionizare termică apare ca urmare a unei ciocniri a atomilor sau moleculelor unui gaz la temperatură ridicată, dacă energia cinetică a mișcării relative a particulelor care se ciocnesc depășește energia de legare a unui electron dintr-un atom.

Fotoionizare apare sub influența radiațiilor electromagnetice (radiații ultraviolete, cu raze X sau γ), atunci când energia necesară detașării unui electron dintr-un atom este transferată acestuia printr-un cuantum de radiație.

Ionizare prin impact electronic(sau ionizare de impact) este formarea de ioni încărcați pozitiv ca urmare a ciocnirii atomilor sau moleculelor cu electroni rapizi cu energie cinetică mare.

Procesul de ionizare a gazului este întotdeauna însoțit de procesul opus de recuperare a moleculelor neutre din ionii încărcați opus datorită atracției lor electrice. Acest fenomen se numește recombinare. În timpul recombinării, energia este eliberată egală cu energia cheltuită pentru ionizare. Acest lucru poate provoca, de exemplu, strălucirea gazului.

Dacă acțiunea ionizatorului este neschimbată, atunci se stabilește echilibrul dinamic în gazul ionizat, în care se restabilesc atâtea molecule pe unitatea de timp cât se descompun în ioni. În acest caz, concentrația particulelor încărcate în gazul ionizat rămâne neschimbată. Dacă, totuși, acțiunea ionizatorului este oprită, atunci recombinarea va începe să prevaleze asupra ionizării, iar numărul de ioni va scădea rapid până la aproape zero. În consecință, prezența particulelor încărcate într-un gaz este un fenomen temporar (atâta timp cât ionizatorul este în funcțiune).

În absența unui câmp extern, particulele încărcate se mișcă aleatoriu.

evacuarea gazelor

Când este introdus un gaz ionizat câmp electric forțele electrice încep să acționeze asupra sarcinilor libere și se deplasează paralel cu liniile de tensiune: electroni și ioni negativi - la anod, ionii pozitivi - la catod (Fig. 1). La electrozi, ionii se transformă în atomi neutri donând sau acceptând electroni, completând astfel circuitul. Un curent electric este generat în gaz.

Curentul electric în gaze este mișcarea direcționată a ionilor și electronilor.

Curentul electric din gaze se numește evacuarea gazelor.

Curentul total din gaz este compus din două fluxuri de particule încărcate: fluxul care merge către catod și fluxul direcționat către anod.

În gaze, conductivitatea electronică, similară conductivității metalelor, este combinată cu conductivitatea ionică, similară conductivității soluțiilor apoase sau topiturii electroliților.

Astfel, conductivitatea gazelor are caracter ion-electronic.

Nu există dielectrici absoluti în natură. Mișcarea ordonată a particulelor - purtători de sarcină electrică - adică curent, poate fi cauzată în orice mediu, dar aceasta necesită condiții speciale. Vom lua în considerare aici cum se întâmplă fenomenele electrice în gaze și cum un gaz poate fi schimbat dintr-un dielectric foarte bun într-un conductor foarte bun. Vom fi interesați de condițiile în care apare și, de asemenea, de ce caracteristici este caracterizat curentul electric în gaze.

Proprietățile electrice ale gazelor

Un dielectric este o substanță (mediu) în care concentrația de particule - purtători liberi ai unei sarcini electrice - nu atinge nicio valoare semnificativă, drept urmare conductivitatea este neglijabilă. Toate gazele sunt dielectrice bune. Proprietățile lor izolante sunt folosite peste tot. De exemplu, în orice întrerupător, deschiderea circuitului are loc atunci când contactele sunt aduse într-o astfel de poziție încât se formează un spațiu de aer între ele. Firele din liniile electrice sunt, de asemenea, izolate unele de altele printr-un strat de aer.

Unitatea structurală a oricărui gaz este o moleculă. Se compune din nuclee atomiceși nori electronici, adică este o colecție sarcini electrice distribuite într-un fel în spațiu. O moleculă de gaz se poate datora particularităților structurii sale sau poate fi polarizată sub acțiunea unui câmp electric extern. Marea majoritate a moleculelor care alcătuiesc un gaz sunt neutre din punct de vedere electric în condiții normale, deoarece încărcăturile din ele se anulează reciproc.

Dacă gazului i se aplică un câmp electric, moleculele vor lua o orientare de dipol, ocupând o poziție spațială care compensează efectul câmpului. Particulele încărcate prezente în gaz sub influența forțelor Coulomb vor începe să se deplaseze: ionii pozitivi - în direcția catodului, ionii negativi și electronii - spre anod. Totuși, dacă câmpul are un potențial insuficient, nu apare un singur flux direcționat de sarcini și se poate vorbi mai degrabă de curenți separati, atât de slabi încât ar trebui neglijați. Gazul se comportă ca un dielectric.

Astfel, pentru apariție curent electricîn gaze sunt necesare o concentrație mare de purtători de încărcare liberă și prezența unui câmp.

Ionizare

Procesul de creștere asemănătoare unei avalanșe a numărului de încărcări libere dintr-un gaz se numește ionizare. În consecință, un gaz în care există o cantitate semnificativă de particule încărcate se numește ionizat. În astfel de gaze se creează un curent electric.

Procesul de ionizare este asociat cu o încălcare a neutralității moleculelor. Ca urmare a detașării unui electron, apar ioni pozitivi, atașarea unui electron la o moleculă duce la formarea unui ion negativ. În plus, există mulți electroni liberi într-un gaz ionizat. Ionii pozitivi și în special electronii sunt principalii purtători de sarcină pentru curentul electric din gaze.

Ionizarea are loc atunci când o anumită cantitate de energie este transmisă unei particule. Astfel, un electron extern din compoziția unei molecule, după ce a primit această energie, poate părăsi molecula. Ciocnirile reciproce ale particulelor încărcate cu cele neutre duc la eliminarea de noi electroni, iar procesul durează caracter de avalanșă. De asemenea, crește energia cinetică a particulelor, ceea ce promovează foarte mult ionizarea.

De unde provine energia cheltuită pentru excitarea curentului electric în gaze? Ionizarea gazelor are mai multe surse de energie, conform cărora se obișnuiește să-i denumească tipurile.

Ionizare câmp electric. În acest caz, energia potențială a câmpului este convertită în energia cinetică a particulelor.
Ionizare termică. O creștere a temperaturii duce și la formarea unui număr mare de încărcări gratuite.
Fotoionizare. Esența acestui proces este că cuantele transmit energie electronilor radiatie electromagnetica- fotonii, dacă au o frecvență suficient de mare (ultraviolete, raze X, cuante gamma).
Ionizarea prin impact este rezultatul conversiei energiei cinetice a particulelor care se ciocnesc în energia detașării electronilor. Împreună cu ionizarea termică, servește ca principal factor în excitarea curentului electric în gaze.

Fiecare gaz este caracterizat de o anumită valoare de prag - energia de ionizare necesară pentru ca un electron să se desprindă de o moleculă, depășind o barieră de potențial. Această valoare pentru primul electron variază de la câțiva volți la două zeci de volți; este nevoie de mai multă energie pentru a detașa următorul electron din moleculă și așa mai departe.

Trebuie avut în vedere faptul că, simultan cu ionizarea în gaz, are loc procesul invers - recombinare, adică refacerea moleculelor neutre sub acțiunea forțelor de atracție Coulomb.

Evacuarea gazelor și tipurile sale

Deci, curentul electric din gaze se datorează mișcării ordonate a particulelor încărcate sub acțiunea unui câmp electric aplicat acestora. Prezența unor astfel de sarcini, la rândul său, este posibilă datorită diferiților factori de ionizare.

Astfel, ionizarea termică necesită temperaturi semnificative, dar o flacără deschisă în legătură cu unele procese chimice contribuie la ionizare. Chiar și la o temperatură relativ scăzută în prezența unei flăcări, apariția unui curent electric în gaze este înregistrată, iar experimentul cu conductivitatea gazului facilitează verificarea acestui lucru. Este necesar să plasați flacăra unui arzător sau a unei lumânări între plăcile unui condensator încărcat. Circuitul deschis anterior din cauza spațiului de aer din condensator se va închide. Un galvanometru conectat la circuit va arăta prezența curentului.

Curentul electric din gaze se numește descărcare gazoasă. Trebuie avut în vedere că, pentru a menține stabilitatea descărcării, acțiunea ionizatorului trebuie să fie constantă, deoarece datorită recombinării constante, gazul își pierde proprietățile conductoare electric. Unii purtători de curent electric în gaze - ioni - sunt neutralizați pe electrozi, alții - electroni - ajungând la anod, sunt trimiși către „plusul” sursei de câmp. Dacă factorul de ionizare încetează să funcționeze, gazul va deveni imediat din nou dielectric, iar curentul va înceta. Un astfel de curent, dependent de acțiunea unui ionizator extern, se numește descărcare neauto-susținută.

Caracteristicile trecerii curentului electric prin gaze sunt descrise printr-o dependență specială a intensității curentului de tensiune - caracteristica curent-tensiune.

Să luăm în considerare dezvoltarea unei descărcări de gaz pe graficul dependenței curent-tensiune. Când tensiunea crește la o anumită valoare U 1, curentul crește proporțional cu aceasta, adică legea lui Ohm este îndeplinită. Energia cinetică crește și, prin urmare, viteza sarcinilor în gaz, iar acest proces este înaintea recombinării. La valori de tensiune de la U 1 la U 2, această relație este încălcată; când se atinge U2, toți purtătorii de sarcină ajung la electrozi fără a avea timp să se recombine. Sunt implicate toate taxele gratuite, iar o creștere suplimentară a tensiunii nu duce la o creștere a curentului. Această natură a mișcării sarcinilor se numește curent de saturație. Astfel, putem spune că curentul electric din gaze se datorează și particularităților comportării unui gaz ionizat în câmpuri electrice de diferite puteri.

Când diferența de potențial între electrozi atinge o anumită valoare U 3 , tensiunea devine suficientă pentru ca câmpul electric să provoace o ionizare asemănătoare avalanșei a gazului. Energia cinetică a electronilor liberi este deja suficientă pentru ionizarea prin impact a moleculelor. În același timp, viteza lor în majoritatea gazelor este de aproximativ 2000 km/s și mai mare (se calculează prin formula aproximativă v=600 U i , unde U i este potențialul de ionizare). În acest moment, are loc o defalcare a gazului și are loc o creștere semnificativă a curentului datorită unei surse interne de ionizare. Prin urmare, o astfel de descărcare se numește independentă.

Prezența unui ionizator extern în acest caz nu mai joacă un rol în menținerea unui curent electric în gaze. Autodescărcare în conditii diferiteși cu caracteristici diferite ale sursei câmpului electric, poate avea anumite caracteristici. Există astfel de tipuri de auto-descărcare precum strălucirea, scânteia, arcul și coroana. Ne vom uita la modul în care curentul electric se comportă în gaze, pe scurt pentru fiecare dintre aceste tipuri.

O diferență de potențial de la 100 (și chiar mai puțin) la 1000 de volți este suficientă pentru a iniția o autodescărcare. Prin urmare, o descărcare strălucitoare, caracterizată printr-o putere scăzută a curentului (de la 10 -5 A la 1 A), are loc la presiuni de cel mult câțiva milimetri de mercur.

Într-un tub cu un gaz rarefiat și electrozi reci, descărcarea strălucitoare care apare arată ca un cordon luminos subțire între electrozi. Dacă continuăm să pompăm gazul din tub, filamentul va fi spălat, iar la presiuni de zecimi de milimetri de mercur, strălucirea umple tubul aproape complet. Strălucirea este absentă lângă catod - în așa-numitul spațiu catodic întunecat. Restul se numește coloană pozitivă. În acest caz, procesele principale care asigură existența descărcării sunt localizate precis în spațiul catodic întunecat și în regiunea adiacentă acestuia. Aici, particulele de gaz încărcate sunt accelerate, eliminând electronii din catod.

Într-o descărcare strălucitoare, cauza ionizării este emisia de electroni din catod. Electronii emiși de catod produc ionizare de impact a moleculelor de gaz, ionii pozitivi emergenti provoacă emisii secundare din catod și așa mai departe. Strălucirea coloanei pozitive se datorează în principal reculului fotonilor de către moleculele de gaz excitate, iar diferitele gaze sunt caracterizate de strălucirea unei anumite culori. Coloana pozitivă participă la formarea unei descărcări luminoase numai ca o secțiune a circuitului electric. Dacă apropiați electrozii, puteți obține dispariția coloanei pozitive, dar descărcarea nu se va opri. Cu toate acestea, cu o reducere suplimentară a distanței dintre electrozi, descărcarea strălucitoare nu poate exista.

De remarcat că pt de acest tip curent electric în gaze, fizica unor procese nu a fost încă pe deplin elucidată. De exemplu, natura forțelor care provoacă o creștere a curentului pentru a extinde zona de pe suprafața catodului care participă la descărcare rămâne neclară.

descărcare de scânteie

Defectarea scânteii are un caracter pulsat. Apare la presiuni apropiate de atmosfera normală, în cazurile în care puterea sursei de câmp electric nu este suficientă pentru a menține o descărcare staționară. În acest caz, puterea câmpului este mare și poate ajunge la 3 MV/m. Fenomenul se caracterizează printr-o creștere bruscă a curentului electric de descărcare în gaz, în același timp tensiunea scade extrem de rapid, iar descărcarea se oprește. Apoi diferența de potențial crește din nou și întregul proces se repetă.

Cu acest tip de descărcare, se formează canale de scânteie pe termen scurt, a căror creștere poate începe din orice punct dintre electrozi. Acest lucru se datorează faptului că ionizarea de impact are loc aleatoriu în locurile în care acest moment cea mai mare concentrație de ioni. În apropierea canalului de scânteie, gazul se încălzește rapid și suferă dilatare termică, ceea ce provoacă unde acustice. Prin urmare, descărcarea scânteii este însoțită de trosnet, precum și de eliberare de căldură și o strălucire strălucitoare. Procesele de ionizare a avalanșelor generează presiuni și temperaturi ridicate de până la 10.000 de grade și mai mult în canalul de scânteie.

Cel mai izbitor exemplu de descărcare naturală de scânteie este fulgerul. Diametrul canalului principal de scânteie de fulger poate varia de la câțiva centimetri până la 4 m, iar lungimea canalului poate ajunge la 10 km. Mărimea curentului ajunge la 500 de mii de amperi, iar diferența de potențial dintre un nor cu tunete și suprafața Pământului ajunge la un miliard de volți.

Cel mai lung fulger cu o lungime de 321 km a fost observat în 2007 în Oklahoma, SUA. Deținătorul recordului pe durata a fost fulgerul, înregistrat în 2012 în Alpii francezi - a durat peste 7,7 secunde. Când este lovit de fulger, aerul se poate încălzi până la 30 de mii de grade, ceea ce este de 6 ori mai mare decât temperatura suprafeței vizibile a Soarelui.

În cazurile în care puterea sursei de câmp electric este suficient de mare, descărcarea scânteii se dezvoltă într-o descărcare de arc.

Acest tip de descărcare autonomă se caracterizează prin densitate mare de curent și tensiune scăzută (mai mică decât descărcarea luminoasă). Distanța de defalcare este mică datorită apropierii electrozilor. Descărcarea este inițiată prin emisia unui electron de pe suprafața catodului (la atomii de metal, potențialul de ionizare este mic în comparație cu moleculele de gaz). În timpul unei defecțiuni între electrozi, se creează condiții în care gazul conduce un curent electric și are loc o descărcare de scânteie, care închide circuitul. Dacă puterea sursei de tensiune este suficient de mare, descărcările de scânteie se transformă într-un arc electric stabil.

Ionizarea în timpul unei descărcări cu arc ajunge la aproape 100%, puterea curentului este foarte mare și poate varia de la 10 la 100 de amperi. La presiunea atmosferică, arcul este capabil să se încălzească până la 5-6 mii de grade, iar catodul - până la 3 mii de grade, ceea ce duce la o emisie termoionică intensă de la suprafața sa. Bombardarea anodului cu electroni duce la distrugere parțială: pe el se formează o adâncitură - un crater cu o temperatură de aproximativ 4000 ° C. O creștere a presiunii determină o creștere și mai mare a temperaturii.

La diluarea electrozilor, descărcarea arcului rămâne stabilă până la o anumită distanță, ceea ce face posibilă tratarea acesteia în acele părți ale echipamentelor electrice în care este dăunătoare din cauza coroziunii și arderii contactelor cauzate de acesta. Acestea sunt dispozitive precum tensiune înaltă și întrerupătoare de circuit, contactori și altele. Una dintre metodele de combatere a arcului care apare la deschiderea contactelor este utilizarea jgheaburilor de arc bazate pe principiul extinderii arcului. Se mai folosesc multe alte metode: manevrarea contactelor, folosirea materialelor cu potential ridicat de ionizare etc.

Dezvoltarea unei descărcări corona are loc la presiunea atmosferică normală în brusc câmpuri neomogene pentru electrozi cu o curbură mare a suprafeţei. Acestea pot fi turle, catarge, fire, diverse elemente de echipamente electrice care au formă complexăși chiar păr uman. Un astfel de electrod se numește electrod corona. Procesele de ionizare și, în consecință, strălucirea gazului au loc numai în apropierea acestuia.

Corona se poate forma atât pe catod (corona negativă) când este bombardată cu ioni, cât și pe anod (pozitivă) ca urmare a fotoionizării. Corona negativă, în care procesul de ionizare este îndreptat departe de electrod ca urmare a emisiei termice, se caracterizează printr-o strălucire uniformă. În corona pozitivă, pot fi observate streamere - linii luminoase cu o configurație întreruptă care se pot transforma în canale de scânteie.

Un exemplu de descărcare corona în conditii naturale sunt cele care se ridică pe vârfurile catargelor înalte, vârfurilor copacilor și așa mai departe. Ele se formează la o intensitate mare a câmpului electric în atmosferă, adesea înainte de o furtună sau în timpul unei furtuni de zăpadă. În plus, acestea au fost fixate pe pielea aeronavelor care au căzut într-un nor de cenușă vulcanică.

Descărcarea corona pe firele liniilor electrice duce la pierderi semnificative de energie electrică. La o tensiune înaltă, o descărcare corona se poate transforma într-un arc. Ei se bat cu el căi diferite, de exemplu, prin creșterea razei de curbură a conductorilor.

Curentul electric în gaze și plasmă

Un gaz ionizat complet sau parțial se numește plasmă și este considerat a patra stare a materiei. În general, plasma este neutră din punct de vedere electric, deoarece sarcina totală a particulelor sale constitutive zero. Acest lucru îl diferențiază de alte sisteme de particule încărcate, cum ar fi, de exemplu, fasciculele de electroni.

În condiții naturale, plasma se formează, de regulă, la temperaturi ridicate din cauza ciocnirii atomilor de gaz la viteze mari. Marea majoritate a materiei barionice din Univers se află în stare de plasmă. Acestea sunt stele, parte din materia interstelară, gaz intergalactic. Ionosfera Pământului este, de asemenea, o plasmă rarefiată, slab ionizată.

Gradul de ionizare este o caracteristică importantă a unei plasme; proprietățile sale conductoare depind de el. Gradul de ionizare este definit ca raportul dintre numărul de atomi ionizați și numărul total de atomi pe unitate de volum. Cu cât plasma este mai ionizată, cu atât conductivitatea electrică este mai mare. În plus, are o mobilitate ridicată.

Vedem, prin urmare, că gazele care conduc electricitatea în canalul de descărcare nu sunt altceva decât plasmă. Astfel, descărcările strălucitoare și corona sunt exemple de plasmă rece; un canal de scânteie de fulger sau un arc electric sunt exemple de plasmă fierbinte, aproape complet ionizată.

Curentul electric în metale, lichide și gaze - diferențe și asemănări

Să luăm în considerare caracteristicile care caracterizează descărcarea de gaz în comparație cu proprietățile curentului în alte medii.

În metale, curentul este mișcarea direcționată a electronilor liberi care nu implică modificări chimice. Conductorii de acest tip se numesc conductoare de primul fel; acestea includ, pe lângă metale și aliaje, cărbunele, unele săruri și oxizi. Se disting prin conductivitate electronică.

Conductorii de al doilea fel sunt electroliții, adică soluții apoase lichide de alcalii, acizi și săruri. Trecerea curentului este asociată cu o schimbare chimică a electrolitului - electroliza. Ionii unei substanțe dizolvați în apă, sub acțiunea unei diferențe de potențial, se deplasează în direcții opuse: cationi pozitivi - la catod, anioni negativi - la anod. Procesul este însoțit de degajare de gaz sau depunerea unui strat metalic pe catod. Conductorii de al doilea fel sunt caracterizați prin conductivitate ionică.

În ceea ce privește conductivitatea gazelor, aceasta este, în primul rând, temporară și, în al doilea rând, are semne de similitudine și diferență cu fiecare dintre ele. Deci, curentul electric atât în electroliți, cât și în gaze este o deriva de particule cu încărcare opusă direcționate către electrozii opuși. Cu toate acestea, în timp ce electroliții sunt caracterizați prin conductivitate pur ionică, într-o descărcare de gaz cu o combinație de tipuri de conductivitate electronică și ionică, rolul principal revine electronilor. O altă diferență între curentul electric din lichide și gaze este natura ionizării. Într-un electrolit, moleculele unui compus dizolvat se disociază în apă, dar într-un gaz, moleculele nu se descompun, ci doar pierd electroni. Prin urmare, descărcarea de gaz, ca și curentul din metale, nu este asociată cu modificări chimice.

De asemenea, curentul din lichide și gaze nu este același. Conductivitatea electroliților în ansamblu respectă legea lui Ohm, dar nu este observată în timpul unei descărcări de gaz. Caracteristica volt-amper a gazelor are un caracter mult mai complex asociat cu proprietățile plasmei.

Trebuie menționat și generalul caracteristici distinctive curent electric în gaze și în vid. Vidul este un dielectric aproape perfect. „Aproape” – pentru că în vid, în ciuda absenței (mai precis, a unei concentrații extrem de scăzute) a purtătorilor de încărcare liberi, este posibil și un curent. Dar potențialii purtători sunt deja prezenți în gaz, ei trebuie doar ionizați. Purtătorii de încărcare sunt aduși în vid din materie. De regulă, acest lucru are loc în procesul de emisie de electroni, de exemplu, atunci când catodul este încălzit (emisia termionică). Dar și în tipuri variateÎn evacuările de gaze, emisia, după cum am văzut, joacă un rol important.

Utilizarea descărcărilor de gaze în tehnologie

O efecte nocive anumite categorii au fost deja discutate pe scurt mai sus. Acum să fim atenți la beneficiile pe care le aduc în industrie și în viața de zi cu zi.

Descărcarea strălucitoare este utilizată în inginerie electrică (stabilizatori de tensiune), în tehnologia de acoperire (metoda de pulverizare catodică bazată pe fenomenul coroziunii catodice). În electronică, este folosit pentru a produce fascicule de ioni și electroni. Un domeniu binecunoscut de aplicare pentru descărcările strălucitoare sunt lămpile fluorescente și așa-numitele economice și tuburile decorative cu descărcare cu neon și argon. În plus, descărcarea luminoasă este utilizată în și în spectroscopie.

Descărcarea prin scânteie este utilizată în siguranțe, în metode electroerozive de prelucrare de precizie a metalelor (tăiere cu scânteie, găurire și așa mai departe). Dar este cel mai bine cunoscut pentru utilizarea sa în bujiile motoarelor cu ardere internă și în aparate electrocasnice(sobe pe gaz).

Descărcarea cu arc, fiind folosită pentru prima dată în tehnologia iluminatului încă din 1876 (lumânarea lui Yablochkov - „lumina rusă”), încă servește ca sursă de lumină - de exemplu, în proiectoare și spoturi puternice. În inginerie electrică, arcul este utilizat în redresoarele cu mercur. În plus, este utilizat în sudarea electrică, tăierea metalelor, cuptoare electrice industriale pentru topirea oțelului și aliajelor.

Descărcarea corona este utilizată în precipitatoarele electrostatice pentru purificarea gazelor ionice, în metri particule elementare, la paratrăsnet, la sistemele de aer condiționat. Descărcarea Corona funcționează și în copiatoare și imprimante laser, unde încarcă și descarcă un tambur fotosensibil și transferă pulberea din cilindru pe hârtie.

Astfel, evacuările de gaze de toate tipurile sunt utilizate pe scară largă. Curentul electric din gaze este utilizat cu succes și eficient în multe domenii ale tehnologiei.

În condiții normale, gazele nu conduc electricitatea, deoarece moleculele lor sunt neutre din punct de vedere electric. De exemplu, aerul uscat este un bun izolator, așa cum am putea verifica cu ajutorul celor mai simple experimente de electrostatică. Cu toate acestea, aerul și alte gaze devin conductoare de curent electric dacă ioni sunt creați în ele într-un fel sau altul.

Orez. 100. Aerul devine conductor de curent electric dacă este ionizat

Cel mai simplu experiment care ilustrează conductivitatea aerului în timpul ionizării sale de către o flacără este prezentat în Fig. 100: Încărcarea de pe farfurii, care rămâne mult timp, dispare rapid când se introduce un chibrit aprins în spațiul dintre farfurii.

Evacuarea gazelor. Procesul de trecere a unui curent electric printr-un gaz se numește de obicei o descărcare de gaz (sau o descărcare electrică într-un gaz). Evacuările de gaze sunt împărțite în două tipuri: independente și neauto-susținute.

Categorie neautosuficientă. O descărcare într-un gaz se numește neauto-susținut dacă este necesară o sursă externă pentru a-l menține.

ionizare. Ionii dintr-un gaz pot apărea sub influența temperaturilor ridicate, a radiațiilor X și ultraviolete, a radioactivității, a razelor cosmice etc. În toate aceste cazuri, unul sau mai mulți electroni sunt eliberați din învelișul de electroni atom sau moleculă. Ca rezultat, în gaz apar ioni pozitivi și electroni liberi. Electronii eliberați pot uni atomii sau moleculele neutre, transformându-le în ioni negativi.

Ionizare și recombinare. Odată cu procesele de ionizare în gaz, au loc și procesele de recombinare inversă: conectându-se între ele, ionii pozitivi și negativi sau ionii pozitivi și electronii formează molecule sau atomi neutri.

Modificarea concentrației ionilor în timp, datorită unei surse constante de procese de ionizare și recombinare, poate fi descrisă după cum urmează. Să presupunem că sursa de ionizare creează ioni pozitivi pe unitatea de volum de gaz pe unitatea de timp și același număr de electroni. Dacă nu există curent electric în gaz și evadarea ionilor din volumul considerat datorită difuziei poate fi neglijată, atunci singurul mecanism de reducere a concentrației ionilor va fi recombinarea.

Recombinarea are loc atunci când un ion pozitiv întâlnește un electron. Numărul de astfel de întâlniri este proporțional atât cu numărul de ioni, cât și cu numărul de electroni liberi, adică proporțional cu . Prin urmare, scăderea numărului de ioni pe unitate de volum pe unitate de timp poate fi scrisă ca , unde a este o valoare constantă numită coeficient de recombinare.

În conformitate cu ipotezele introduse, ecuația de echilibru pentru ionii dintr-un gaz poate fi scrisă sub forma

Nu vom rezolva această ecuație diferențială în vedere generala, și luați în considerare câteva cazuri speciale interesante.

În primul rând, observăm că procesele de ionizare și recombinare după un timp ar trebui să se compenseze reciproc și se va stabili o concentrație constantă în gaz, se poate observa că la

Concentrația ionilor staționari este cu atât mai mare, cu atât sursa de ionizare este mai puternică și coeficientul de recombinare a este mai mic.

După oprirea ionizatorului, scăderea concentrației ionilor este descrisă de ecuația (1), în care este necesar să se ia ca valoare inițială a concentrației.

Rescriind această ecuație în forma după integrare, obținem

Graficul acestei funcții este prezentat în Fig. 101. Este o hiperbolă ale cărei asimptote sunt axa timpului și linia verticală. sens fizic are doar o sectiune a hiperbolei corespunzatoare valorilor.De remarcat natura lenta a scaderii concentratiei cu timpul in comparatie cu procesele de dezintegrare exponentiala care se intalnesc adesea in fizica, care se realizeaza atunci cand rata de scadere a unei marimi este proporţional cu prima putere a valorii instantanee a acestei mărimi.

Orez. 101. Scăderea concentrației de ioni în gaz după oprirea sursei de ionizare

Non-conducere de sine. Procesul de scădere a concentrației de ioni după încetarea acțiunii ionizatorului este accelerat semnificativ dacă gazul se află într-un câmp electric extern. Prin tragerea de electroni și ioni pe electrozi, câmpul electric poate anula foarte rapid conductivitatea electrică a gazului în absența unui ionizator.

Pentru a înțelege regularitățile unei descărcări neauto-susținute, să luăm în considerare, pentru simplitate, cazul în care curentul dintr-un gaz ionizat de o sursă externă curge între doi electrozi plati paraleli unul cu celălalt. În acest caz, ionii și electronii se află într-un câmp electric uniform de putere E, egal cu raportul dintre tensiunea aplicată electrozilor și distanța dintre ei.

Mobilitatea electronilor și ionilor. Cu o tensiune aplicată constantă, în circuit se stabilește o anumită putere constantă a curentului 1. Aceasta înseamnă că electronii și ionii dintr-un gaz ionizat se mișcă cu viteze constante. Pentru a explica acest fapt, trebuie să presupunem că, pe lângă forța constantă de accelerare a câmpului electric, ionii și electronii în mișcare sunt afectați de forțe de rezistență care cresc odată cu creșterea vitezei. Aceste forțe descriu efectul mediu al ciocnirilor electronilor și ionilor cu atomi neutri și molecule de gaz. Prin forțele de rezistență

se stabilesc viteze constante medii ale electronilor și ionilor, proporțional cu puterea E a câmpului electric:

Coeficienții de proporționalitate se numesc mobilitățile electronilor și ionilor. Mobilitățile ionilor și electronilor au sensuri diferiteși depind de tipul de gaz, densitatea acestuia, temperatură etc.

Densitatea curentului electric, adică sarcina transportată de electroni și ioni pe unitatea de timp printr-o unitate de suprafață, este exprimată în termeni de concentrație de electroni și ioni, sarcinile acestora și viteza de mișcare constantă.

Cvasi-neutralitate.În condiții normale, un gaz ionizat în ansamblu este neutru din punct de vedere electric sau, după cum se spune, cvasi-neutru, deoarece în volume mici care conțin un număr relativ mic de electroni și ioni, condiția de neutralitate electrică poate fi încălcată. Aceasta înseamnă că relația

Densitatea curentului la descărcare neauto-susținută. Pentru a obține legea modificării concentrației purtătorilor de curent în timp în timpul unei descărcări neauto-susținute într-un gaz, este necesar, împreună cu procesele de ionizare de către o sursă externă și recombinare, să se țină seama de evacuarea electronilor și ionilor către electrozi. Numărul de particule care ies pe unitatea de timp pe electrod de zonă din volum este egal cu Rata de scădere a concentrației unor astfel de particule, obținem prin împărțirea acestui număr la volumul de gaz dintre electrozi. Prin urmare, ecuația de echilibru în loc de (1) în prezența curentului se va scrie sub formă

Pentru a stabili regimul, când din (8) obținem

Ecuația (9) face posibilă găsirea dependenței densității curentului în regim de echilibru într-o descărcare neauto-susținută de tensiunea aplicată (sau de intensitatea câmpului E).

Două cazuri limită sunt vizibile direct.

Legea lui Ohm. La joasă tensiune, când în ecuația (9) putem neglija al doilea termen din partea dreaptă, după care obținem formulele (7), avem

Densitatea curentului este proporțională cu puterea câmpului electric aplicat. Astfel, pentru o descărcare de gaz neauto-susținută în câmpuri electrice slabe, legea lui Ohm este îndeplinită.

Curent de saturație. La o concentrație scăzută de electroni și ioni din ecuația (9), îl putem neglija pe primul (pătratic în termenii din partea dreaptă. În această aproximare, vectorul densității de curent este direcționat de-a lungul intensității câmpului electric și a acestuia). modulul

nu depinde de tensiunea aplicată. Acest rezultat este valabil pentru câmpuri electrice puternice. În acest caz, vorbim de curent de saturație.

Ambele cazuri considerate limitative pot fi investigate fără a se face referire la ecuația (9). Cu toate acestea, în acest fel este imposibil de urmărit cum, pe măsură ce tensiunea crește, are loc trecerea de la legea lui Ohm la o dependență neliniară a curentului de tensiune.

În primul caz limitativ, când curentul este foarte mic, principalul mecanism de îndepărtare a electronilor și ionilor din regiunea de descărcare este recombinarea. Prin urmare, pentru concentrația staționară se poate folosi expresia (2), care, când se ia în considerare (7), dă imediat formula (10). În al doilea caz limitativ, dimpotrivă, recombinarea este neglijată. Într-un câmp electric puternic, electronii și ionii nu au timp să se recombine în mod vizibil în timpul zborului de la un electrod la altul dacă concentrația lor este suficient de scăzută. Atunci toți electronii și ionii generați de sursa externă ajung la electrozi și densitatea totală de curent este egală cu Este proporțională cu lungimea camerei de ionizare, deoarece numărul total de electroni și ioni produși de ionizator este proporțional cu I.

Studiu experimental al descărcării gazelor. Concluziile teoriei descărcării de gaze neauto-susținute sunt confirmate de experimente. Pentru a studia o descărcare într-un gaz, este convenabil să folosiți un tub de sticlă cu doi electrozi metalici. Circuitul electric al unei astfel de instalații este prezentat în fig. 102. Mobilitate

electronii și ionii depind puternic de presiunea gazului (invers proporțională cu presiunea), deci este convenabil să se efectueze experimente la presiune redusă.

Pe fig. 103 arată dependența curentului I din tub de tensiunea aplicată electrozilor tubului.Ionizarea în tub poate fi creată, de exemplu, prin raze X sau raze ultraviolete sau cu un medicament radioactiv slab. Este esențial doar ca sursa externă de ioni să rămână neschimbată.

Orez. 102. Schema unei instalaţii de studiere a unei descărcări de gaze

Orez. 103. Caracteristica curent-tensiune experimentală a unei descărcări gazoase

În secțiune, puterea curentului este dependentă neliniar de tensiune. Pornind de la punctul B, curentul ajunge la saturație și rămâne constant pe o anumită distanță.Toate acestea sunt în concordanță cu predicțiile teoretice.

Rangul de sine. Cu toate acestea, în punctul C, curentul începe să crească din nou, la început lent, apoi foarte brusc. Aceasta înseamnă că în gaz a apărut o nouă sursă internă de ioni. Dacă acum înlăturăm sursa externă, atunci descărcarea în gaz nu se oprește, adică trece de la o descărcare neauto-susținută la una independentă. Cu o auto-descărcare, formarea de noi electroni și ioni are loc ca urmare a proceselor interne în gazul însuși.

Ionizare prin impact electronic. Creșterea curentului în timpul trecerii de la o descărcare neauto-susținută la una independentă are loc ca o avalanșă și se numește defalcare electrică a gazului. Tensiunea la care are loc defectarea se numește tensiune de aprindere. Depinde de tipul de gaz și de produsul presiunii gazului și distanța dintre electrozi.

Procesele din gaze responsabile pentru creșterea în formă de avalanșă a intensității curentului cu creșterea tensiunii aplicate sunt asociate cu ionizarea atomilor neutri sau a moleculelor de gaz de către electroni liberi accelerați de câmpul electric la un nivel suficient.

energii mari. Energia cinetică a unui electron înainte de următoarea ciocnire cu un atom sau o moleculă neutră este proporțională cu puterea câmpului electric E și cu calea liberă a electronului X:

Dacă această energie este suficientă pentru a ioniza un atom sau o moleculă neutră, adică depășește activitatea de ionizare

apoi, atunci când un electron se ciocnește cu un atom sau cu o moleculă, ele sunt ionizate. Ca rezultat, în loc de unul apar doi electroni. Ei, la rândul lor, sunt accelerați de un câmp electric și ionizează atomii sau moleculele întâlnite pe drum etc. Procesul se dezvoltă ca o avalanșă și se numește avalanșă de electroni. Mecanismul de ionizare descris se numește ionizare prin impact de electroni.

O dovadă experimentală că ionizarea atomilor de gaz neutru are loc în principal datorită impactului electronilor, și nu al ionilor pozitivi, a fost oferită de J. Townsend. A luat o cameră de ionizare sub forma unui condensator cilindric, al cărui electrod intern era un fir subțire de metal întins de-a lungul axei cilindrului. Într-o astfel de cameră, câmpul electric de accelerare este foarte neomogen, iar rolul principal în ionizare este jucat de particulele care intră în regiunea celui mai puternic câmp din apropierea filamentului. Experiența arată că pentru aceeași tensiune între electrozi, curentul de descărcare este mai mare atunci când potențialul pozitiv este aplicat filamentului și nu cilindrului exterior. În acest caz, toți electronii liberi care creează curent trec în mod necesar prin regiunea celui mai puternic câmp.

Emisia de electroni din catod. O descărcare autonomă poate fi staționară numai dacă în gaz apar în mod constant noi electroni liberi, deoarece toți electronii care apar în avalanșă ajung la anod și sunt eliminați din joc. Noii electroni sunt scoși din catod de ionii pozitivi, care, atunci când se deplasează spre catod, sunt, de asemenea, accelerați de câmpul electric și dobândesc suficientă energie pentru aceasta.

Catodul poate emite electroni nu numai ca urmare a bombardamentului ionic, ci și independent, atunci când este încălzit la o temperatură ridicată. Acest proces se numește emisie termoionică, poate fi considerat ca un fel de evaporare a electronilor din metal. De obicei, apare la astfel de temperaturi, când evaporarea materialului catodic în sine este încă mică. În cazul unei descărcări de gaz autonome, catodul este de obicei încălzit fără

filament, ca în tuburile vidate, dar datorită eliberării de căldură atunci când este bombardat cu ioni pozitivi. Prin urmare, catodul emite electroni chiar și atunci când energia ionilor este insuficientă pentru a elimina electronii.

O descărcare autonomă într-un gaz are loc nu numai ca urmare a unei tranziții de la o descărcare non-auto-susținută cu creșterea tensiunii și îndepărtarea sursă externă ionizare, dar și cu aplicarea directă a unei tensiuni care depășește tensiunea de prag de aprindere. Teoria arată că cea mai mică cantitate de ioni, care sunt întotdeauna prezenți într-un gaz neutru, fie și numai din cauza fondului radioactiv natural, este suficientă pentru a aprinde descărcarea.

În funcție de proprietățile și presiunea gazului, de configurația electrozilor și de tensiunea aplicată electrozilor, sunt posibile diferite tipuri de autodescărcare.

Descărcări mocnite. La presiuni joase(zecimi și sutimi de milimetru de mercur) se observă o descărcare strălucitoare în tub. Pentru a aprinde o descărcare luminoasă, este suficientă o tensiune de câteva sute sau chiar zeci de volți. Patru regiuni caracteristice pot fi distinse în descărcarea strălucitoare. Acestea sunt spațiul catodic întunecat, strălucirea strălucitoare (sau negativă), spațiul întunecat Faraday și coloana pozitivă luminoasă care ocupă cea mai mare parte a spațiului dintre anod și catod.

Primele trei regiuni sunt situate în apropierea catodului. Aici are loc o scădere bruscă a potențialului, asociată cu o concentrație mare de ioni pozitivi la granița spațiului întunecat al catodului și strălucirea mocnitoare. Electronii accelerați în regiunea spațiului întunecat catodic produc ionizare intensă de impact în regiunea strălucitoare. Strălucirea mocnită se datorează recombinării ionilor și electronilor în atomi sau molecule neutre. Coloana pozitivă a descărcării se caracterizează printr-o scădere ușoară a potențialului și o strălucire cauzată de revenirea atomilor sau moleculelor de gaz excitate la starea fundamentală.

Descărcarea corona. La presiuni relativ mari în gaz (de ordinul presiunii atmosferice), în apropierea secțiunilor ascuțite ale conductorului, unde câmpul electric este foarte neomogen, se observă o descărcare a cărei regiune luminoasă seamănă cu o coroană. Descărcarea corona are uneori în vivo pe vârfurile copacilor, catarge de corăbii etc. („focurile Sf. Elm”). Descărcarea corona trebuie luată în considerare în ingineria de înaltă tensiune atunci când această descărcare are loc în jurul firelor liniilor de înaltă tensiune și duce la pierderi de putere. Util uz practic descărcarea corona se găsește în precipitatoarele electrostatice pentru curățare gaze industriale din impuritățile particulelor solide și lichide.

Odată cu creșterea tensiunii dintre electrozi, descărcarea corona se transformă într-o scânteie cu o întrerupere completă a decalajului dintre

electrozi. Are forma unui fascicul de canale de ramificare în zig-zag strălucitoare, pătrunzând instantaneu în golul de descărcare și înlocuindu-se capricios unul pe celălalt. Descărcarea scânteii este însoțită de eliberarea unei cantități mari de căldură, o strălucire strălucitoare alb-albăstruie și trosnet puternic. Se poate observa între bilele mașinii electrofor. Un exemplu de descărcare de scânteie uriașă este fulgerul natural, unde puterea curentului ajunge la 5-105 A, iar diferența de potențial este de 109 V.

Deoarece descărcarea scânteii are loc la presiunea atmosferică (și mai mare), tensiunea de aprindere este foarte mare: în aer uscat, cu o distanță între electrozi de 1 cm, este de aproximativ 30 kV.

Arc electric. Practic specific vedere importantă descărcarea de gaz proprie este un arc electric. Când doi electrozi de carbon sau metal intră în contact în punctul lor de contact, un numar mare de căldură datorită rezistenței mari de contact. Ca urmare, începe emisia termoionică, iar atunci când electrozii sunt depărtați între ei, un arc puternic luminos ia naștere dintr-un gaz foarte ionizat, bine conducător. Puterea curentului chiar și într-un arc mic atinge câțiva amperi, iar într-un arc mare - câteva sute de amperi la o tensiune de aproximativ 50 V. Arcul electric este utilizat pe scară largă în tehnologie ca sursă de lumină puternică, în cuptoare electrice și pentru sudarea electrică. . un câmp de întârziere slab cu o tensiune de aproximativ 0,5 V. Acest câmp împiedică electronii lenți să ajungă la anod. Electronii sunt emiși de catodul K încălzit de curent electric.

Pe fig. 105 arată dependența intensității curentului din circuitul anodic de tensiunea de accelerație obținută în aceste experimente.Această dependență are un caracter nemonoton cu maxime la tensiuni multiple de 4,9 V.

Discretitatea nivelurilor de energie atomică. Această dependență a curentului de tensiune poate fi explicată doar prin prezența unor stări staționare discrete în atomii de mercur. Dacă atomul nu ar avea stări staționare discrete, adică, acesta energie interna ar putea lua orice valoare, atunci ciocnirile neelastice, însoțite de o creștere a energiei interne a atomului, ar putea apărea la orice energie electronică. Dacă există stări discrete, atunci ciocnirile electronilor cu atomi pot fi doar elastice, atâta timp cât energia electronilor este insuficientă pentru a transfera atomul din starea fundamentală în cea mai joasă stare excitată.

În timpul ciocnirilor elastice, energia cinetică a electronilor practic nu se modifică, deoarece masa unui electron este mult mai mică decât masa unui atom de mercur. În aceste condiții, numărul de electroni care ajung la anod crește monoton odată cu creșterea tensiunii. Când tensiunea de accelerare atinge 4,9 V, ciocnirile electronilor cu atomii devin inelastice. Energia internă a atomilor crește brusc, iar electronul își pierde aproape toată energia cinetică ca urmare a ciocnirii.

De asemenea, câmpul de întârziere nu permite electronilor lenți să ajungă la anod, iar curentul scade brusc. Nu dispare doar pentru că unii dintre electroni ajung în rețea fără a experimenta coliziuni inelastice. A doua și următoarele maxime ale intensității curentului sunt obținute deoarece la tensiuni care sunt multipli de 4,9 V, electronii pe drumul lor către rețea pot experimenta mai multe ciocniri inelastice cu atomii de mercur.

Deci, electronul dobândește energia necesară coliziunii inelastice numai după ce trece printr-o diferență de potențial de 4,9 V. Aceasta înseamnă că energia internă a atomilor de mercur nu se poate modifica cu o cantitate mai mică de eV, ceea ce demonstrează caracterul discret al spectrului energetic al unui atom. Valabilitatea acestei concluzii este confirmată și de faptul că la o tensiune de 4,9 V descărcarea începe să strălucească: atomi excitați în timpul spontan

tranzițiile la starea fundamentală emit lumină vizibilă, a cărei frecvență coincide cu cea calculată prin formulă

În experimentele clasice ale lui Frank și Hertz, metoda impactului electronilor a determinat nu numai potențialele de excitație, ci și potențialele de ionizare ale unui număr de atomi.

Dați un exemplu de experiment electrostatic care arată că aerul uscat este un bun izolator.

Unde sunt proprietățile izolante ale aerului utilizate în inginerie?

Ce este o descărcare de gaz care nu se autosusține? In ce conditii functioneaza?

Explicați de ce rata de scădere a concentrației datorată recombinării este proporțională cu pătratul concentrației electronilor și ionilor. De ce aceste concentrații pot fi considerate la fel?

De ce nu are sens ca legea concentrației descrescătoare exprimată prin formula (3) să introducă conceptul de timp caracteristic, care este utilizat pe scară largă pentru procesele de descompunere exponențială, deși în ambele cazuri procesele continuă, în general vorbind, pentru o perioadă infinit de lungă timp?

De ce credeți că sunt alese semne opuse în definițiile mobilității din formulele (4) pentru electroni și ioni?

Cum depinde puterea curentului într-o descărcare de gaz neauto-susținută de tensiunea aplicată? De ce trecerea de la legea lui Ohm la curentul de saturație are loc odată cu creșterea tensiunii?

Curentul electric dintr-un gaz este condus atât de electroni, cât și de ioni. Cu toate acestea, sarcinile de un singur semn vin la fiecare dintre electrozi. Cum este de acord acest lucru cu faptul că în toate secțiunile unui circuit în serie puterea curentului este aceeași?

De ce electronii, mai degrabă decât ionii pozitivi, joacă cel mai mare rol în ionizarea gazului într-o descărcare cauzată de coliziuni?

Descrie caracteristici diferite feluri descărcare independentă de gaz.

De ce rezultatele experimentelor lui Frank și Hertz mărturisesc caracterul discret al nivelurilor de energie ale atomilor?

Descrie procese fizice care apar în tubul cu descărcare în gaz în experimentele lui Frank și Hertz, cu o creștere a tensiunii de accelerare.

Teme USE codificator : purtători de sarcini electrice gratuite în gaze.

În condiții obișnuite, gazele constau din atomi sau molecule neutre din punct de vedere electric; Aproape că nu există taxe gratuite pentru gaze. Prin urmare gazele sunt dielectrice- curent electric nu trece prin ele.

Am spus „aproape niciunul” pentru că de fapt, în gaze și, în special, în aer, există întotdeauna o anumită cantitate de particule încărcate libere. Ele apar ca urmare a efectului ionizant al radiațiilor substanțelor radioactive care alcătuiesc scoarța terestră, ultravioletele și raze X Soarele, precum și razele cosmice - fluxuri de particule de înaltă energie care pătrund în atmosfera Pământului din spațiul cosmic. Mai târziu vom reveni asupra acestui fapt și vom discuta despre importanța lui, dar deocamdată vom observa doar că în condiții normale conductivitatea gazelor, cauzată de cantitatea „naturală” de încărcări gratuite, este neglijabilă și poate fi ignorată.

Acțiunea întrerupătoarelor în circuitele electrice se bazează pe proprietățile izolatoare ale întrefierului ( fig. 1). De exemplu, un mic spațiu de aer într-un întrerupător de lumină este suficient pentru a deschide un circuit electric în camera ta.

Orez. 1 cheie

Este posibil, totuși, să se creeze astfel de condiții în care un curent electric va apărea în golul de gaz. Să luăm în considerare următoarea experiență.

Încărcăm plăcile condensatorului de aer și le conectăm la un galvanometru sensibil (Fig. 2, stânga). La temperatura camerei iar în aer nu prea umed, galvanometrul nu va indica un curent vizibil: întrefierul nostru, așa cum am spus, nu este un conductor de electricitate.

Orez. 2. Apariția curentului în aer

Acum să aducem flacăra unui arzător sau a unei lumânări în golul dintre plăcile condensatorului (Fig. 2, în dreapta). Apare curent! De ce?

Taxe gratuite la gaz

Apariția unui curent electric între plăcile condensatorului înseamnă că în aer a apărut sub influența flăcării taxe gratuite. Ce anume?

Experiența arată că curentul electric din gaze este o mișcare ordonată a particulelor încărcate. trei tipuri. Aceasta este electroni, ionii pozitiviși ioni negativi.

Să vedem cum pot apărea aceste încărcături într-un gaz.

Pe măsură ce temperatura gazului crește, vibrațiile termice ale particulelor sale - molecule sau atomi - devin mai intense. Impactul particulelor unul împotriva celuilalt atinge o astfel de forță încât ionizare- dezintegrarea particulelor neutre în electroni și ioni pozitivi (Fig. 3).

Orez. 3. Ionizare

Gradul de ionizare este raportul dintre numărul de particule de gaz degradat și numărul total inițial de particule. De exemplu, dacă gradul de ionizare este , atunci aceasta înseamnă că particulele de gaz originale s-au degradat în ioni și electroni pozitivi.

Gradul de ionizare a gazului depinde de temperatură și crește brusc odată cu creșterea acesteia. Pentru hidrogen, de exemplu, la o temperatură sub gradul de ionizare nu depășește , iar la o temperatură peste gradul de ionizare este aproape de (adică hidrogenul este aproape complet ionizat (gazul parțial sau complet ionizat se numește plasmă)).

Pe lângă temperatura ridicată, există și alți factori care provoacă ionizarea gazului.

Le-am menționat deja în treacăt: acestea sunt radiații radioactive, ultraviolete, raze X și raze gamma, particule cosmice. Orice astfel de factor care provoacă ionizarea unui gaz se numește ionizator.

Astfel, ionizarea nu are loc de la sine, ci sub influența unui ionizator.

În același timp, procesul invers recombinare, adică reunirea unui electron și a unui ion pozitiv într-o particulă neutră (Fig. 4).

Orez. 4. Recombinare

Motivul recombinării este simplu: este atracția coulombiană a electronilor și ionilor încărcați opus. Se repezi unul spre celălalt sub acțiunea forțelor electrice, se întâlnesc și au ocazia să formeze un atom neutru (sau moleculă - în funcție de tipul de gaz).

La o intensitate constantă a acțiunii ionizatorului, se stabilește un echilibru dinamic: numărul mediu de particule care se descompun pe unitatea de timp este egal cu numărul mediu de particule recombinante (cu alte cuvinte, viteza de ionizare este egală cu viteza de recombinare). acțiunea ionizatorului este întărită (de exemplu, temperatura este crescută), apoi echilibrul dinamic se va schimba în direcția de ionizare și concentrația de particule încărcate în gaz va crește. Dimpotrivă, dacă opriți ionizatorul, recombinarea va începe să prevaleze, iar încărcările gratuite vor dispărea complet treptat.

Deci, ionii și electronii pozitivi apar în gaz ca urmare a ionizării. De unde provine al treilea tip de sarcini - ionii negativi? Foarte simplu: un electron poate zbura într-un atom neutru și se poate alătura lui! Acest proces este prezentat în Fig. 5 .

Orez. 5. Apariția unui ion negativ

Ionii negativi formați în acest fel vor participa la crearea curentului împreună cu ionii pozitivi și electronii.

Descărcare fără sine

Dacă nu există un câmp electric extern, atunci încărcările libere efectuează mișcare termică haotică împreună cu particulele de gaz neutre. Dar când se aplică un câmp electric, începe mișcarea ordonată a particulelor încărcate - curent electric în gaz.

Orez. 6. Descărcare neauto-susținută

Pe fig. 6 vedem trei tipuri de particule încărcate care apar în golul de gaz sub acțiunea unui ionizator: ioni pozitivi, ioni negativi și electroni. Un curent electric într-un gaz se formează ca urmare a mișcării care se apropie a particulelor încărcate: ioni pozitivi - la electrodul negativ (catod), electroni și ionii negativi - la electrodul pozitiv (anod).

Electronii, care cad pe anodul pozitiv, sunt trimiși de-a lungul circuitului către „plusul” sursei de curent. Ionii negativi donează un electron suplimentar anodului și, devenind particule neutre, revin în gaz; electronul dat anodului se grăbește și el către „plusul” sursei. Ionii pozitivi, venind la catod, iau electroni de acolo; lipsa de electroni rezultată la catod este compensată imediat prin livrarea lor acolo din „minus” sursei. Ca rezultat al acestor procese, în circuitul extern are loc o mișcare ordonată a electronilor. Acesta este curentul electric înregistrat de galvanometru.

Procesul descris în Fig. 6 este numit descărcare neautosusținutăîn gaz. De ce dependent? Prin urmare, pentru a-l menține, este necesar acţiune permanentă ionizator. Să scoatem ionizatorul - și curentul se va opri, deoarece mecanismul care asigură apariția încărcărilor libere în golul de gaz va dispărea. Spațiul dintre anod și catod va deveni din nou un izolator.

Caracteristica volt-amperi a descărcării în gaz

Dependența puterii curentului prin golul de gaz de tensiunea dintre anod și catod (așa-numita caracteristica curent-tensiune a descărcării gazelor) este prezentată în fig. 7.

Orez. 7. Caracteristica volt-amperi a descărcării în gaz

La tensiune zero, puterea curentului, desigur, este egală cu zero: particulele încărcate efectuează doar mișcare termică, nu există o mișcare ordonată între electrozi.

Cu o tensiune mică, puterea curentului este, de asemenea, mică. Faptul este că nu toate particulele încărcate sunt destinate să ajungă la electrozi: unii dintre ionii și electronii pozitivi în procesul mișcării lor se găsesc și se recombină.

Pe măsură ce tensiunea crește, sarcinile libere dezvoltă din ce în ce mai multă viteză și cu atât sunt mai puține șanse ca un ion pozitiv și un electron să se întâlnească și să se recombine. Prin urmare, o parte din ce în ce mai mare a particulelor încărcate ajunge la electrozi, iar puterea curentului crește (secțiunea ).

La o anumită valoare a tensiunii (punctul ), viteza de încărcare devine atât de mare încât recombinarea nu are timp să apară deloc. De-acum inainte toate particulele încărcate formate sub acțiunea ionizatorului ajung la electrozi și curentul ajunge la saturație- Și anume, puterea curentului încetează să se schimbe odată cu creșterea tensiunii. Acest lucru va continua până la un anumit punct.

autodescărcare

După trecerea punctului, puterea curentului crește brusc odată cu creșterea tensiunii - începe descărcare independentă. Acum ne vom da seama ce este.

Particulele de gaz încărcate se deplasează de la coliziune la coliziune; în intervalele dintre ciocniri, acestea sunt accelerate de un câmp electric, crescându-le energia cinetică. Și acum, când tensiunea devine suficient de mare (în acel punct), electronii în timpul drumului lor liber ajung la astfel de energii încât atunci când se ciocnesc cu atomii neutri, îi ionizează! (Folosind legile conservării impulsului și energiei, se poate demonstra că electronii (și nu ionii) accelerați de un câmp electric au capacitatea maximă de a ioniza atomii.)

Asa numitul ionizare prin impact de electroni. Electronii scoși din atomii ionizați sunt, de asemenea, accelerați de câmpul electric și lovesc noi atomi, ionizându-i acum și generând noi electroni. Ca urmare a avalanșei de electroni, numărul de atomi ionizați crește rapid, drept urmare și puterea curentului crește rapid.

Numărul de încărcări gratuite devine atât de mare încât necesitatea unui ionizator extern este eliminată. Poate fi eliminat pur și simplu. Particulele încărcate libere sunt acum generate ca urmare a intern procesele care au loc în gaz - de aceea descărcarea se numește independentă.

Dacă golul de gaz este sub tensiune înaltă, atunci nu este necesar niciun ionizator pentru autodescărcare. Este suficient să găsiți un singur electron liber în gaz și va începe avalanșa de electroni descrisă mai sus. Și întotdeauna va exista cel puțin un electron liber!

Să ne amintim încă o dată că într-un gaz, chiar și în condiții normale, există o anumită cantitate „naturală” de încărcături gratuite, datorate radiațiilor radioactive ionizante ale scoarței terestre, radiațiilor de înaltă frecvență de la Soare și razelor cosmice. Am văzut că la tensiuni joase conductivitatea gazului cauzată de aceste încărcări libere este neglijabilă, dar acum - la o tensiune ridicată - vor da naștere unei avalanșe de noi particule, dând naștere unei descarcări independente. Se va întâmpla așa cum se spune dărâma gol de gaz.

Intensitatea câmpului necesară pentru a descompune aerul uscat este de aproximativ kV/cm. Cu alte cuvinte, pentru ca o scânteie să sară între electrozi separați de un centimetru de aer, trebuie să li se aplice o tensiune de kilovolt. Imaginează-ți ce tensiune este necesară pentru a străbate câțiva kilometri de aer! Dar tocmai astfel de defecțiuni apar în timpul unei furtuni - acestea sunt fulgere bine cunoscute de tine.

Acesta este un scurt rezumat.

Lucrările la versiunea completă continuă

Lectura2 1

Curent în gaze

1. Dispoziții generale

Definiție: Fenomenul trecerii curentului electric în gaze se numește evacuarea gazelor.

Comportarea gazelor este foarte dependentă de parametrii săi, cum ar fi temperatura și presiunea, iar acești parametri se modifică destul de ușor. Prin urmare, fluxul de curent electric în gaze este mai complex decât în metale sau în vid.

Gazele nu respectă legea lui Ohm.

2. Ionizare și recombinare

Un gaz în condiții normale este format din molecule practic neutre, prin urmare, este un conductor extrem de slab al curentului electric. Cu toate acestea, sub influențe externe, un electron poate ieși din atom și apare un ion încărcat pozitiv. În plus, un electron se poate alătura unui atom neutru și poate forma un ion încărcat negativ. Astfel, este posibil să se obțină un gaz ionizat, adică plasmă.

Influențele externe includ încălzirea, iradierea cu fotoni energetici, bombardarea cu alte particule și câmpuri puternice, de ex. aceleași condiții care sunt necesare pentru emisia elementară.

Un electron dintr-un atom se află într-un puț de potențial și, pentru a scăpa de acolo, este necesar să se imparte energie suplimentară atomului, care se numește energie de ionizare.

Substanţă	Energia de ionizare, eV
atom de hidrogen	13,59
Molecula de hidrogen	15,43
Heliu	24,58
atom de oxigen	13,614
molecula de oxigen	12,06

Alături de fenomenul de ionizare se observă și fenomenul de recombinare, adică. unirea unui electron și a unui ion pozitiv pentru a forma un atom neutru. Acest proces are loc cu eliberarea de energie egală cu energia de ionizare. Această energie poate fi folosită pentru radiații sau încălzire. Încălzirea locală a gazului duce la o modificare locală a presiunii. Care la rândul său duce la unde sonore. Astfel, descărcarea de gaz este însoțită de efecte luminoase, termice și de zgomot.

3. CVC al unei descărcări de gaz.

În stadiile inițiale este necesară acțiunea unui ionizator extern.

În secțiunea BAW, curentul există sub acțiunea unui ionizator extern și ajunge rapid la saturație atunci când toate particulele ionizate participă la generarea curentă. Dacă scoateți ionizatorul extern, curentul se oprește.

Acest tip de descărcare se numește descărcare de gaz neauto-susținută. Când încercați să creșteți tensiunea în gaz, apare o avalanșă de electroni, iar curentul crește la o tensiune practic constantă, care se numește tensiune de aprindere (BC).

Din acest moment, descărcarea devine independentă și nu este nevoie de un ionizator extern. Numărul de ioni poate deveni atât de mare încât rezistența spațiului interelectrod scade și, în consecință, tensiunea (SD) scade.

Apoi, în intervalul interelectrod, regiunea de trecere a curentului începe să se îngusteze, iar rezistența crește și, în consecință, tensiunea (DE) crește.

Când încercați să creșteți tensiunea, gazul devine complet ionizat. Rezistența și tensiunea scade la zero, iar curentul crește de multe ori. Se dovedește o descărcare de arc (EF).

CVC arată că gazul nu respectă deloc legea lui Ohm.

4. Procese în gaz