Електричний струм у газах сполучення. Електричний струм у газах: визначення, особливості та цікаві факти

У газах існують несамостійні та самостійні електричні розряди.

Явище протікання електричного струму через газ, що спостерігається лише за умови будь-якого зовнішнього на газ, називається несамостійним електричним розрядом. Процес відриву електрона від атома називається іонізацією атома. Мінімальна енергія, яку необхідно витратити на відрив електрона від атома, називається енергією іонізації. Частково або повністю іонізований газ, у якому щільності позитивних та негативних зарядів однакові, називається плазмою.

Носіями електричного струму при несамостійному розряді є позитивні іони та негативні електрони. Вольт-амперна характеристика представлена ​​на рис. 54. У галузі ОАВ – несамостійний розряд. В області ЗС розряд стає самостійним.

При самостійному розряді одним із способів іонізації атомів є іонізація електронним ударом. Іонізація електронним ударом стає можлива тоді, коли електрон на довжині вільного пробігу А набуває кінетичної енергії W k , достатню для здійснення роботи з відриву електрона від атома. Види самостійних розрядів у газах - іскровий, коронний, дуговий і тліючий розряди.

Іскровий розрядвиникає між двома електродами зарядженими різними зарядами та мають велику різницю потенціалів. Напруга між різноіменно зарядженими тілами досягає до 40 000 В. Іскровий розряд короткочасний, його механізм – електронний удар. Блискавка – вид іскрового розряду.

У сильно неоднорідних електричних полях, що утворюються, наприклад, між вістрям і площиною або між дротом лінії електропередачі та поверхнею Землі, виникає особлива форма самостійного розряду в газах, яка називається коронним розрядом.

Електричний дуговий розрядбув відкритий російським ученим В. В. Петровим в 1802 р. При дотику двох електродів з вугілля при напрузі 40-50 В деяких місцях виникають ділянки малого перерізу з великим електричним опором. Ці ділянки сильно розігріваються, випускають електрони, які іонізують атоми та молекули між електродами. Носіями електричного струму в дузі є позитивно заряджені іони та електрони.

Розряд, що виникає при зниженому тиску, називається тліючим розрядом. При зниженні тиску збільшується довжина вільного пробігу електрона, і за час між зіткненнями він встигає придбати достатню для іонізації енергію електричному полііз меншою напруженістю. Розряд здійснюється електронно-іонною лавиною.

1. Іонізація, її сутність та види.

Першою умовою існування електричного струму є наявність вільних носіїв заряду. У газах вони виникають унаслідок іонізації. Під впливом факторів іонізації від нейтральної частки відокремлюється електрон. Атом стає позитивним іоном. Таким чином, виникає 2 типи носіїв заряду: позитивний іон та вільний електрон. Якщо електрон приєднається до нейтрального атома, виникає негативний іон, тобто. третій тип носія заряду. Іонізований газ називають провідником третього роду. Тут можливо 2 типи провідності: електронна та іонна. Поруч із процесами іонізації йде зворотний процес- рекомбінація. Для відокремлення електрона від атома треба витратити енергію. Якщо енергія поводиться ззовні, то фактори, що сприяють іонізації, називаються зовнішніми (висока температура, іонізуюче випромінювання, у/ф випромінювання, сильні магнітні поля). Залежно від факторів іонізації її називають термоіонізацією, фотоіонізацією. Також іонізація може бути спричинена механічним ударом. Чинники іонізації діляться на природні та штучні. Природна викликана випромінюванням Сонця, радіоактивним тлом Землі. Крім зовнішньої іонізацією є внутрішня. Її ділять на ударну та ступінчасту.

Ударна іонізація.

При досить високій напрузі електрони розігнані полем до великих швидкостей самі стають джерелом іонізації. При ударі такого електрона про нейтральний атом відбувається вибивання електрона з атома. Це відбувається, коли енергія електрона, що викликає іонізацію, перевищує енергію іонізації атома. Напруга між електродами має бути достатньою для придбання електроном потрібної енергії. Ця напруга називається іонізаційною. Для кожного має значення.

Якщо енергія електрона, що рухається, менша, ніж це необхідно, то при ударі відбувається лише збудження нейтрального атома. Якщо електрон, що рухається, стикається з попередньо збудженим атомом, то відбувається ступінчаста іонізація.

2. Несамостійний газовий розряд та його вольт-амперна характеристика.

Іонізація призводить до виконання першої умови існування струму, тобто. до появи вільних набоїв. Для виникнення струму потрібна наявність зовнішньої сили, яка змусить заряди рухатися спрямовано, тобто. необхідно електричне поле. Електричний струм у газах супроводжуються низкою явищ: світлових, звукових, утворення озону, оксидів азоту. Сукупність явищ, що супроводжують проходженням струму через газ-газовийрозряд. Часто газовим розрядом називають процес проходження струму.

Розряд називається несамостійним, якщо він існує лише під час дії зовнішнього іонізатора. У цьому випадку після припинення дії зовнішнього іонізатора не утворюються нові носії заряду і струм припиняється. При несамостійному розряді струми мають за величиною невелике значення, а світіння відсутнє.

Самостійний газовий розряд, його види та характеристика.

Самостійний газовий розряд - це розряд, який може бути після припинення дії зовнішнього іонізатора, тобто. за рахунок ударної іонізації. У цьому випадку спостерігається світлові та звукові явища, сила струму може значно збільшуватись.

Види самостійного розряду:

1. тихий розряд -слід безпосередньо за несамостійним, сила струму не перевищує 1 мА, звукових і світлових явищ немає. Застосовується у фізіотерапії, лічильниках Гейгера – Мюллера.

2. тліючий розряд. При збільшенні напруги тихий перетворюється на тліючий. Він виникає при певному напрузі - напрузі запалювання. Воно залежить від виду газу. Неон 60-80 В. Також залежить від тиску газу. Тліючий розряд супроводжується світінням, воно пов'язане з рекомбінацією, що йде із виділенням енергії. Колір також залежить від типу газу. Застосовується в індикаторних лампах (неонових, у/ф бактерицидних, освітлювальних, люмінесцентних).

3. дуговий розряд. Сила струму 10 – 100 А. Супроводжується інтенсивним світінням, температура в газорозрядному проміжку досягає кількох тисяч градусів. Іонізація сягає майже 100%. 100% іонізований газ – холодна газова плазма. Має хорошу провідність. Застосовується в ртутних лампах високого та надвисокого тиску.

4. Іскровий розряд – це різновид дугового. Це розряд імпульсно - коливального характеру. У медицині застосовується вплив високочастотних коливань. При велику щільність струму спостерігаються інтенсивні звукові явища.

5. коронний розряд. Це різновид тліючого розряду Він спостерігається в місцях, де відбувається різка зміна напруженості електричного поля. Тут виникає лавина зарядів та світіння газів – корона.

Реферат з фізики

на тему:

"Електричний струм у газах".

Електричний струм у газах.

1. Електричний розряд у газах.

Усі гази у природному стані не проводять електричного струму. У чому можна переконатися з такого досвіду:

Візьмемо електрометр із приєднаними до нього дисками плоского конденсатора та зарядимо його. При кімнатній температурі, якщо повітря досить сухе, конденсатор помітно не розряджається - положення стрілки електрометра не змінюється. Щоб помітити зменшення кута відхилення стрілки електрометра, потрібно тривалий час. Це показує, що електричний струму повітрі між дисками дуже малий. Цей досвід показує, що повітря є поганим провідником електричного струму.

Видозмінимо досвід: нагріємо повітря між дисками полум'ям спиртівки. Тоді кут відхилення стрілки електрометр швидко зменшується, тобто. зменшується різниця потенціалів між дисками конденсатора – конденсатор розряджається. Отже, нагріте повітря між дисками стало провідником, і в ньому встановлюється електричний струм.

Ізолюючі властивості газів пояснюються тим, що в них немає вільних електричних зарядів: атоми та молекули газів у природному стані є нейтральними.

2. Іонізація газів.

Вищеописаний досвід показує, що у газах під впливом високої температури з'являються заряджені частки. Вони виникають внаслідок відщеплення від атомів газу одного або кількох електронів, у результаті замість нейтрального атома виникають позитивний іон і електрони. Частина електронів, що утворилися, може бути при цьому захоплена іншими нейтральними атомами, і тоді з'являться ще негативні іони. Розпад молекул газу на електрони та позитивні іони називається іонізацією газів.

Нагрівання газу до високої температури не є єдиним способом іонізації молекул чи атомів газу. Іонізація газу може відбуватися під впливом різних зовнішніх взаємодій: сильного нагріву газу, рентгенівських променів, a-, b- і g-променів, що виникають при радіоактивному розпаді, космічних променів, бомбардування молекул газу електронами або іонами, що швидко рухаються. Фактори, що викликають іонізацію газу, називаються іонізаторами.Кількісною характеристикою процесу іонізації є інтенсивність іонізації,що вимірюється числом пар протилежних за знаком заряджених частинок, що виникають в одиниці обсягу газу за одиницю часу.

Іонізація атома потребує витрати певної енергії – енергії іонізації. Для іонізації атома (або молекули) необхідно зробити роботу проти сил взаємодії між електроном, що виривається, та іншими частинками атома (або молекули). Ця робота називається роботою іонізації A i. Величина роботи іонізації залежить від хімічної природигазу та енергетичного стану електрона, що виривається в атомі або молекулі.

Після припинення дії іонізатора кількість іонів у газі з часом зменшується і, зрештою, іони зникають зовсім. Зникнення іонів пояснюється тим, що іони та електрони беруть участь у тепловому русіі тому стикаються один з одним. При зіткненні позитивного іона та електрона можуть возз'єднатися в нейтральний атом. Так само при зіткненні позитивного і негативного іонів негативний іон може віддати свій надлишковий електрон позитивному іону і обидва іони перетворяться на нейтральні атоми. Цей процес взаємної нейтралізації іонів називається рекомбінацією іонів.При рекомбінації позитивного іона та електрона або двох іонів звільняється певна енергія, що дорівнює енергії, витраченій на іонізацію. Частково вона випромінюється як світла, і тому рекомбінація іонів супроводжується світінням (світіння рекомбінації).

У явищах електричного розряду газах велику роль грає іонізація атомів електронними ударами. Цей процес полягає в тому, що рухається електрон, що володіє достатньою кінетичною енергією, при зіткненні з нейтральним атомом вибиває з нього один або кілька атомних електронівв результаті чого нейтральний атом перетворюється на позитивний іон, а в газі з'являються нові електрони (про це буде розглянуто пізніше).

У таблиці нижче наведено значення енергії іонізації деяких атомів.

3. Механізм електропровідності газів.

Механізм провідності газів схожий на механізм провідності розчинів та розплавів електролітів. За відсутності зовнішнього поля заряджені частинки, як і нейтральні молекули, рухаються хаотично. Якщо іони та вільні електрони опиняються у зовнішньому електричному полі, то вони приходять у спрямований рух та створюють електричний струм у газах.

Таким чином, електричний струм у газі є спрямованим рухом позитивних іонів до катода, а негативних іонів і електронів до анода . Повний струм у газі складається з двох потоків заряджених частинок: потоку, що йде до анода, і потоку, спрямованого до катода.

На електродах відбувається нейтралізація заряджених частинок, як і при проходженні електричного струму через розчини та розплави електролітів. Однак у газах відсутнє виділення речовин на електродах, як це має місце у розчинах електролітів. Газові іони, підійшовши до електродів, віддають їм свої заряди, перетворюються на нейтральні молекули і дифундують назад на газ.

Ще одна різниця в електропровідності іонізованих газів і розчинів (розплавів) електролітів полягає в тому, що негативний заряд при проходженні струму через гази переноситься в основному не негативними іонами, а електронами, хоча провідність за рахунок негативних іонів також може відігравати певну роль.

Таким чином у газах поєднується електронна провідність, подібна до провідності металів, з іонною провідністю, подібною до провідності водних розчинів і розплавів електролітів.

4. Несамостійний газовий розряд.

Процес проходження електричного струму через газ називається газовим розрядом. Якщо електропровідність газу створюється зовнішніми іонізаторами, то електричний струм, що виникає в ньому, називається несамостійним газовим розрядом.З припиненням дії зовнішніх іонізаторів несамостійний розряд припиняється. Несамостійний газовий розряд не супроводжується світінням газу.

Нижче зображено графік залежності сили струму від напруги за несамостійного розряду в газі. Для побудови графіка використовувалася скляна трубка із двома впаяними у скло металевими електродами. Ланцюг зібраний як показано на малюнку нижче.

При деякому певному напрузі настає такий момент, при якому всі заряджені частинки, що утворюються в газі іонізатором за секунду, досягають за цей час електродів. Подальше збільшення напруги вже не може призвести до збільшення кількості іонів, що переносяться. Струм досягає насичення (горизонтальний ділянку графіка 1).

5. Самостійний газовий розряд.

Електричний розряд у газі, що зберігається після припинення дії зовнішнього іонізатора, називається самостійним газовим розрядом. Для його здійснення необхідно, щоб у результаті розряду в газі безперервно утворювалися вільні заряди. Основним джерелом виникнення є ударна іонізація молекул газу.

Якщо після досягнення насичення продовжувати збільшувати різницю потенціалів між електродами, то сила струму при досить великій напрузі різко зростатиме (графік 2).

Це означає, що газі з'являються додаткові іони, які утворюються з допомогою дії іонізатора. Сила струму може зрости в сотні і тисячі разів, а кількість заряджених частинок, що виникають у процесі розряду, може стати таким великим, що зовнішній іонізатор буде не потрібен для підтримки розряду. Тому іонізатор тепер можна забрати.

Які ж причини різкого збільшення сили струму при великій напругі? Розглянемо якусь пару заряджених частинок (позитивний іон та електрон), що утворилася завдяки дії зовнішнього іонізатора. Вільний електрон, що з'явився таким чином, починає рухатися до позитивного електрода - анода, а позитивний іон - до катода. На своєму шляху електрон зустрічає іони та нейтральні атоми. У проміжках між двома послідовними зіткненнями енергія електрона збільшується завдяки роботі сил електричного поля.

Чим більша різниця потенціалів між електродами, тим більша напруженість електричного поля. Кінетична енергія електрона перед черговим зіткненням пропорційна напруженості поля та довжині вільного пробігу електрона: MV 2 /2=eEl. Якщо кінетична енергія електрона перевершує роботу A i , яку необхідно зробити, щоб іонізувати нейтральний атом (або молекулу), тобто. MV 2 >A i то при зіткненні електрона з атомом (або молекулою) відбувається його іонізація. В результаті замість одного електрона виникають два (налітає на атом і вирваний з атома). Вони, своєю чергою, отримують енергію у полі й іонізують зустрічні атоми тощо. У результаті кількість заряджених часток швидко наростає, виникає електронна лавина. Описаний процес називають іонізацією електронним ударом.

Але одна іонізація електронним ударом неспроможна забезпечити підтримки самостійного заряду. Дійсно, адже всі електрони, що виникають таким чином, рухаються у напрямку до анода і після досягнення анода «вибувають з гри». Для підтримки розряду потрібна емісія електронів з катода («емісія» означає «випускання»). Емісія електрона може бути обумовлена ​​кількома причинами.

Позитивні іони, що утворилися при зіткненні електронів з нейтральними атомами, при своєму русі до катода набувають під дією поля велику кінетичну енергію. При ударах таких швидких іонів об катод із поверхні катода вибиваються електрони.

Крім того, катод може випромінювати електрони при нагріванні до великої температури. Цей процес називається термоелектронною емісією.Його можна як випаровування електронів з металу. У багатьох твердих речовинтермоелектронна емісія відбувається при температурах, за яких випаровування самої речовини ще мало. Такі речовини використовуються для виготовлення катодів.

При самостійному розряді нагрівання катода може відбуватися завдяки бомбардування його позитивними іонами. Якщо енергія іонів не надто велика, то вибивання електронів з катода не відбувається, і електрони випускаються внаслідок термоелектронної емісії.

6. Різні типи самостійного розряду та його технічне застосування.

Залежно від властивостей та стану газу, характеру та розташування електродів, а також від прикладеної до електродів напруги виникають різні видисамостійного розряду. Розглянемо кілька із них.

A. Тліючий розряд.

Тліючий розряд спостерігається в газах при низький тискблизько кількох десятків міліметрів ртутного стовпа і менше. Якщо розглянути трубку з розрядом, що тліє, то можна побачити, що основними частинами тліючого розряду є катодний темний простір,різко віддалене від нього негативне,або тліюче світіння,яке поступово переходить у область фарадеєва темного простору.Ці три області утворюють катодну частину розряду, за якою слідує основна частина розряду, що світиться, що визначає його оптичні властивості і звана позитивним стовпом.

Основну роль підтримці тліючого розряду грають перші дві області його катодної частини. Характерною особливістюцього типу розряду є різке падіння потенціалу поблизу катода, яке пов'язане з великою концентрацією позитивних іонів на межі І та ІІ областей, обумовленої порівняно малою швидкістю руху іонів у катоду. У катодному темному просторі відбувається сильне прискорення електронів та позитивних іонів, що вибивають електрони з катода. В області тліючого світіння електрони виробляють інтенсивну ударну іонізацію молекул газу та втрачають свою енергію. Тут утворюються позитивні іони, необхідних підтримки розряду. Напруженість електричного поля у цій галузі мала. Тліюче світіння в основному викликається рекомбінацією іонів та електронів. Протяжність темного катодного простору визначається властивостями газу і матеріалу катода.

В області позитивного стовпа концентрація електронів та іонів приблизно однакова і дуже велика, що зумовлює велику електропровідність позитивного стовпа та незначне падіння у ньому потенціалу. Світло позитивного стовпа визначається світінням збуджених молекул газу. Поблизу анода знову спостерігається порівняно різке зміна потенціалу, що з процесом генерації позитивних іонів. У ряді випадків позитивний стовп розпадається на окремі ділянки, що світяться. страти,розділені темними проміжками.

Позитивний стовп не відіграє істотної ролі в підтримці розряду, тому при зменшенні відстані між електродами трубки довжина позитивного стовпа скорочується і він може зникнути зовсім. Інакше справа з довжиною катодного темного простору, яка при зближенні електродів не змінюється. Якщо електроди зблизилися настільки, що відстань між ними стане меншою за довжину катодного темного простору, то розряд, що тліє, в газі припиниться. Досліди показують, що за інших рівних умов довжина d катодного темного простору обернено пропорційна тиску газу. Отже, при досить низьких тисках електрони, що вибиваються з катода позитивними іонами, проходять через газ майже без зіткнень із його молекулами, утворюючи електронні, або катодні промені .

Тліючий розряд використовується в газосвітніх трубках, лампах денного світла, стабілізаторах напруги для отримання електронних та іонних пучків. Якщо в катоді зробити щілину, то крізь неї у простір за катодом проходять вузькі іонні пучки, які часто називають каналовими променями.Широко використовується явище катодного розпилення, тобто. руйнування поверхні катода під впливом позитивних іонів, що ударяються про нього. Ультрамікроскопічні уламки матеріалу катода летять на всі боки по прямих лініях і покривають тонким шаром поверхню тіл (особливо діелектриків), поміщених у трубку. У такий спосіб виготовляють дзеркала для ряду приладів, наносять тонкий шарметалу на селенові фотоелементи.

B. Коронний розряд.

Коронний розряд виникає при нормальному тиску в газі, що знаходиться в сильно неоднорідному електричному полі (наприклад, біля вістрі або дроти ліній високої напруги). При коронному розряді іонізація газу та його світіння відбуваються лише поблизу коронуючих електродів. У разі коронування катода (негативна корона) електрони, що викликають ударну іонізацію молекул газу, вибиваються з катода під час бомбардування його позитивними іонами. Якщо коронують анод (позитивна корона), народження електронів відбувається внаслідок фотоіонізації газу поблизу анода. Корона – шкідливе явище, що супроводжується витіканням струму та втратою електричної енергії. Для зменшення коронування збільшують радіус кривизни провідників, які поверхню роблять можливо гладкою. При досить високій напрузі між електродами коронний розряд переходить у іскровий.

При підвищеному напрузі коронний розряд на вістря набуває вигляду виходять із вістря і переміжних у часі світлих ліній. Ці лінії, що мають ряд зламів та згинів, утворюють подобу кисті, внаслідок чого такий розряд називають кистьовим .

Заряджена грозова хмара індукує на поверхні Землі під собою електричні зарядипротилежний знак. Особливо великий заряд накопичується на вістрах. Тому перед грозою або під час грози нерідко на вістрях та гострих кутах високо піднятих предметів спалахують схожі на пензлики конуси світла. З давніх-давен це світіння називають вогнями святого Ельма.

Особливо часто свідками цього явища стають альпіністи. Іноді лаже не тільки металеві предмети, а й кінчики волосся на голові прикрашаються маленькими пензликами, що світяться.

З коронним розрядом доводиться рахуватися, маючи справу з високою напругою. За наявності виступаючих частин або дуже тонких дротів може розпочатися коронний розряд. Це призводить до витоку електроенергії. Чим вище напруга високовольтної лінії, тим товщі повинні бути дроти.

C. Іскровий розряд.

Іскровий розряд має вигляд яскравих зигзагоподібних ниток-каналів, що розгалужуються, які пронизують розрядний проміжок і зникають, змінюючись новими. Дослідження показали, що канали іскрового розряду починають зростати іноді від позитивного електрода, іноді негативного, а іноді і від якої-небудь точки між електродами. Це пояснюється тим, що іонізація ударом у разі іскрового розряду відбувається не по всьому об'єму газу, а по окремих каналах, що проходять у тих місцях, де концентрація іонів випадково виявилася найбільшою. Іскровий розряд супроводжується виділенням великої кількостітеплоти, яскравим світінням газу, тріском або громом. Всі ці явища викликаються електронними та іонними лавинами, що виникають у іскрових каналах і призводять до величезного збільшення тиску, що досягає 10 7 10 8 Па, та підвищення температури до 10000 °С.

Характерним прикладом іскрового розряду є блискавка. Головний канал блискавки має діаметр від 10 до 25 см, а довжина блискавки може досягати кількох кілометрів. Максимальна силаструму імпульсу блискавки досягає десятків і сотень тисяч ампер.

При малій довжині розрядного проміжку іскровий розряд викликає специфічну руйнацію анода, що називається ерозією. Це було використано в електроіскровому методі різання, свердління та інших видах точної обробки металу.

Іскровий проміжок застосовується як запобіжник від перенапруги в електричних лініях передач (наприклад, телефонних лініях). Якщо поблизу лінії проходить сильний короткочасний струм, то у проводах цієї лінії індукуються напрузі та струми, які можуть зруйнувати електричне встановленнята небезпечні для життя людей. Щоб уникнути цього, використовуються спеціальні запобіжники, що складаються з двох вигнутих електродів, один з яких приєднаний до лінії, а інший заземлений. Якщо потенціал лінії щодо землі сильно зростає, то між електродами виникає іскровий розряд, який разом з нагрітим повітрям піднімається вгору, подовжується і обривається.

Нарешті, електрична іскра застосовується для вимірювання великих різниць потенціалів за допомогою кульового розрядника, електродами якого служать дві металеві кулі з полірованою поверхнею. Кулі розсувають, і на них подається різниця потенціалів, що вимірюється. Потім кулі зближують доти, доки між ними не проскочить іскра. Знаючи діаметр куль, відстань між ними, тиск, температуру та вологість повітря, знаходять різницю потенціалів між кулями за спеціальними таблицями. Цим методом можна вимірювати з точністю до кількох відсотків різниці потенціалів близько десятків тисяч вольт.

D. Дуговий розряд.

Дуговий розряд було відкрито В. В. Петровим у 1802 році. Цей розряд є однією з форм газового розряду, що здійснюється при великій щільності струму і порівняно невеликій напрузі між електродами (порядку кількох десятків вольт). Основною причиною дугового розряду є інтенсивне випромінювання термоелектронів розжареним катодом. Ці електрони прискорюються електричним полемі виробляють ударну іонізацію молекул газу, завдяки чому електричний опіргазового проміжку між електродами порівняно мало. Якщо зменшити опір зовнішнього ланцюга, збільшити силу струму дугового розряду, то провідність газового проміжку настільки зросте, що напруга між електродами зменшується. Тому кажуть, що дуговий розряд має вольт-амперну характеристику, що падає. При атмосферному тиску температура катода сягає 3000 °C. Електрони, бомбардуючи анод, утворюють у ньому поглиблення (кратер) і нагрівають його. Температура кратера близько 4000 °С, а за більших тисків повітря досягає 6000-7000 °С. Температура газу каналі дугового розряду досягає 5000-6000 °З, у ньому відбувається інтенсивна термоіонізація.

У ряді випадків дуговий розряд спостерігається при порівняно низькій температурі катода (наприклад, в ртутній дуговій лампі).

В 1876 П. Н. Яблочков вперше використовував електричну дугу як джерело світла. У «свічці Яблочкова» вугілля було розташоване паралельно і розділене вигнутим прошарком, які кінці з'єднані проводящим «запальним містком». Коли струм включався, запальний місток згоряв і між вугіллям утворювалася електрична дуга. У міру згоряння вугілля ізолюючий прошарок випаровувався.

Дуговий розряд застосовується як джерело світла і в наші дні, наприклад, у прожекторах і проекційних апаратах.

Висока температура дугового розряду дозволяє використовувати його для влаштування дугової печі. В даний час дугові печі, що живляться струмом дуже великої сили, застосовуються в ряді областей промисловості: для виплавки сталі, чавуну, феросплавів, бронзи, одержання карбіду кальцію, окису азоту і т.д.

У 1882 році Н. Н. Бенардосом дуговий розряд вперше був використаний для різання та зварювання металу. Розряд між нерухомим вугільним електродом та металом нагріває місце з'єднання двох металевих листів(або пластин) та зварює їх. Цей метод Бенардос застосував для різання металевих пластинта отримання в них отворів. У 1888 році М. Г. Слов'янов удосконалив цей метод зварювання, замінивши вугільний електрод на металевий.

Дуговий розряд знайшов застосування в ртутному випрямлячі, що перетворює змінний електричний струм на струм постійного напрямку.

E. Плазма.

Плазма – це частково чи повністю іонізований газ, у якому щільності позитивних та негативних зарядів практично однакові. Таким чином, плазма загалом є електрично нейтральною системою.

Кількісною характеристикою плазми є ступінь іонізації. Ступенем іонізації плазми називають відношення об'ємної концентрації заряджених частинок до загальної об'ємної концентрації частинок. Залежно від ступеня іонізації плазма поділяється на слабо іонізовану(a становить частки відсотків), частково іонізовану (a близько кількох відсотків) і повністю іонізовану (a близька до 100%). Слабко іонізованою плазмою в природних умовахє верхні верстви атмосфери – іоносфера. Сонце, гарячі зірки та деякі міжзоряні хмари – це повністю іонізована плазма, що утворюється за високої температури.

Середні енергії різних типівчастинок, що становлять плазму, можуть значно відрізнятися одна від одної. Тому плазму не можна охарактеризувати одним значенням температури Т; розрізняють електронну температуру Т е, іонну температуру Т i (або іонні температури, якщо в плазмі є іони декількох сортів) та температуру нейтральних атомів Т a (нейтральні компоненти). Подібна плазма називається неізотермічною, на відміну від ізотермічної плазми, у якій температури всіх компонентів однакові.

Плазма також поділяється на високотемпературну (Т i »10 6 -10 8 К і більше) та низькотемпературну! (Т i<=10 5 К). Это условное разделение связано с особой влажностью высокотемпературной плазмы в связи с проблемой осуществления управляемого термоядерного синтеза.

Плазма має низку специфічних властивостей, що дозволяє розглядати її як особливий четвертий стан речовини.

Через велику рухливість зарядженої частинки плазми легко переміщуються під дією електричних і магнітних полів. Тому будь-яке порушення електричної нейтральності окремих областей плазми, викликане накопиченням частинок одного знака заряду, швидко ліквідується. Електричні поля, що виникають, переміщують заряджені частинки до тих пір, поки електрична нейтральність не відновиться і електричне поле не стане рівним нулю. На відміну від нейтрального газу, між молекулами якого існують короткодіючі сили, між зарядженими частинками плазми діють кулонівські сили, порівняно повільні спадні з відстанню. Кожна частка взаємодіє одночасно з великою кількістю оточуючих частинок. Завдяки цьому поряд із хаотичним тепловим рухом частинки плазми можуть брати участь у різноманітних упорядкованих рухах. У плазмі легко збуджуються різного роду коливання та хвилі.

Провідність плазми збільшується зі зростанням ступеня іонізації. За високої температури повністю іонізована плазма за своєю провідністю наближається до надпровідників.

Низькотемпературна плазма застосовується в газорозрядних джерелах світла - в трубках, що світяться, рекламних написів, в лампах денного світла. Газорозрядну лампу використовують у багатьох приладах, наприклад, у газових лазерах – квантових джерелах світла.

Високотемпературна плазма застосовується у магнітогідродинамічних генераторах.

Нещодавно було створено новий прилад – плазмотрон. У плазмотроні створюються потужні струмені щільної низькотемпературної плазми, що широко використовуються в різних галузях техніки: для різання та зварювання металів, буріння свердловин у твердих породах тощо.

Список використаної литературы:

1) Фізика: Електродинаміка. 10-11 кл.: навч. для поглибленого вивчення фізики/Р. Я. Мякішев, А. З. Синяков, Б. А. Слободсков. - 2-е видання - М.: Дрофа, 1998. - 480 с.

2) Курс фізики (у трьох томах). Т. ІІ. Електрика та магнетизм. Навч. посібник для втузов./Детлаф А.А., Яворський Б. М., Мілковська Л. Б. Вид. 4-те, перероб. - М.: Вища школа, 1977. - 375 с.

3) Електрика./Е. Г. Калашніков. Вид. "Наука", Москва, 1977.

4) Фізика. Б. Буховцев, Ю. Л. Климонтович, Г. Я. Мякішев. Видання 3-тє, перероб. - М.: Просвітництво, 1986.

Утворюється спрямованим рухом вільних електронів і що при цьому жодних змін речовини, з якої зроблений провідник, не відбувається.

Такі провідники, у яких проходження електричного струму не супроводжується хімічними змінами їхньої речовини, називаються провідниками першого роду. До них відносяться всі метали, вугілля та ряд інших речовин.

Але є у природі й такі провідники електричного струму, у яких під час проходження струму відбуваються хімічні явища. Ці провідники називаються провідниками другого роду. До них відносяться головним чином різні розчини у воді кислот, солей та лугів.

Якщо в скляну посудину налити води і додати до неї кілька крапель сірчаної кислоти (або будь-якої іншої кислоти або лугу), а потім взяти дві металеві пластини і приєднати до них провідники, опустивши ці пластини в посудину, а до інших кінців провідників підключити джерело струму. через вимикач і амперметр, то відбудеться виділення газу з розчину, причому воно продовжуватиметься безперервно, поки замкнений ланцюг т.к. підкислена вода справді є провідником. Крім того, пластини почнуть покриватися бульбашками газу. Потім ці бульбашки відриватимуться від пластин і виходитимуть назовні.

При проходженні розчином електричного струму відбуваються хімічні зміни, внаслідок яких виділяється газ.

Провідники другого роду називаються електролітами , а явище, що відбувається в електроліті під час проходження крізь нього електричного струму, - .

Металеві пластини, опущені електроліт, називаються електродами; одна з них, з'єднана з позитивним полюсом джерела струму, називається анодом, а інша, з'єднана з негативним полюсом - катодом.

Чим зумовлюється проходження електричного струму в рідкому провіднику? Виявляється, у таких розчинах (електролітах) молекули кислоти (луги, солі) під дією розчинника (в даному випадку води) розпадаються на дві складові частини, причому одна частка молекули має позитивний електричний заряд, іншу негативний.

Частинки молекули, що мають електричний заряд, називаються іонами . При розчиненні у воді кислоти, солі або лугу у розчині виникає велика кількість як позитивних, так і негативних іонів.

Тепер має стати зрозумілим, чому через розчин пройшов електричний струм, адже між електродами, з'єднаними з джерелом струму, створено, інакше кажучи, один із них виявився зарядженим позитивно, а інший негативно. Під впливом цієї різниці потенціалів позитивні іони почали перемішатися у напрямку негативного електроду - катоду, а негативні іони - до анода.

Таким чином, хаотичний рух іонів став упорядкованим зустрічним рухом негативних іонів в один бік та позитивних в інший. Цей процес перенесення зарядів і становить перебіг електричного струму через електроліт і відбувається до тих пір, поки є різниця потенціалів на електродах. Зі зникненням різниці потенціалів припиняється струм через електроліт, порушується впорядкований рух іонів, і знову настає хаотичний рух.

Як приклад розглянемо явище електролізу при пропусканні електричного струму через розчин мідного купоросу CuSO4 з опущеними до нього мідними електродами.

Явище електролізу при проходженні струму через розчин мідного купоросу: С - посудина з електролітом, Б - джерело струму, В - вимикач

Тут також буде зустрічний рух іонів до електродів. Позитивним іоном буде іон міді (Сі), а негативним – іон кислотного залишку (SO4). Іони міді при зіткненні з катодом будуть розряджатися (приєднуючи себе недостатні електрони), т. е. перетворюватися на нейтральні молекули чистої міді, і як тонкого (молекулярного) шару відкладатися на катоді.

Негативні іони, досягнувши анода, також розряджаються (віддають зайві електрони). Але при цьому вони вступають у хімічну реакцію з міддю анода, внаслідок чого до кислотного залишку SO4 приєднується молекула міді Сu і утворюється молекула мідного купоросу СuS О4, що повертається електроліту.

Оскільки цей хімічний процес протікає тривалий час, то на катоді відкладається мідь, що виділяється з електроліту. При цьому електроліт замість молекул міді, що пішли на катод, отримує нові молекули міді за рахунок розчинення другого електрода - анода.

Той самий процес відбувається, якщо замість мідних взяті цинкові електроди, а електроліт служить розчин цинкового купоросу Zn SO4. Цинк також переноситиметься з анода на катод.

Таким чином, різниця між електричним струмом у металах та рідких провідникахполягає в тому, що в металах переносниками зарядів є лише вільні електрони, тобто негативні заряди, тоді як в електролітах переноситься різноіменно зарядженими частинками речовини - іонами, що рухаються у протилежних напрямках. Тому кажуть, що електроліти мають іонну провідність.

Явище електролізубуло відкрито в 1837 р. Б. С. Якобі, який проводив численні досліди з дослідження та вдосконалення хімічних джерел струму. Якобі встановив, що один із електродів, поміщених у розчин мідного купоросу, при проходженні через нього електричного струму покривається міддю.

Це явище, назване гальванопластикою, Знаходить зараз надзвичайно велике практичне застосування. Однією з прикладів тому може бути покриття металевих предметів тонким шаром інших металів, т. е. нікелювання, золочення, сріблення тощо.

Гази (у тому числі й повітря) у звичайних умовах не проводять електричного струму. Наприклад, голі , підвішені паралельно один одному, виявляються ізольованими один від одного шаром повітря.

Однак під впливом високої температури, великої різниці потенціалів та інших причин гази, подібно до рідких провідників, іонізуються , тобто в них з'являються у великій кількості частинки молекул газу, які, будучи переносниками електрики, сприяють проходженню через газ електричного струму.

Але водночас іонізація газу відрізняється від іонізації рідкого провідника. Якщо рідини відбувається розпад молекули на дві заряджені частини, то газах під дією іонізації від кожної молекули завжди відокремлюються електрони і залишається іон як позитивно зарядженої частини молекули.

Варто лише припинити іонізацію газу, як він перестане бути провідним, тоді як рідина завжди залишається провідником електричного струму. Отже, провідність газу - явище тимчасове, що залежить від впливу зовнішніх причин.

Однак є й інший дуговим розрядомабо просто електричною дугою. Явище електричної дуги було відкрито на початку 19 століття першим російським електротехніком В. В. Петровим.

В. В. Петров, проробляючи численні досліди, виявив, що між двома деревними вугіллям, з'єднаними з джерелом струму, виникає безперервний електричний розряд через повітря, що супроводжується яскравим світлом. У своїх працях В. В. Петров писав, що при цьому "темний спокій досить яскраво висвітлений може бути". Так вперше було отримано електричне світло, практично застосував ще один російський учений-електротехнік Павло Миколайович Яблочков.

"Свічка Яблочкова", робота якої заснована на використанні електричної дуги, здійснила на той час справжній переворот у електротехніці.

Дуговий розряд застосовується як джерело світла і в наші дні, наприклад, у прожекторах і проекційних апаратах. Висока температура дугового розряду дозволяє використовувати його для . В даний час дугові печі, що живляться струмом дуже великої сили, застосовуються в ряді областей промисловості: для виплавки сталі, чавуну, феросплавів, бронзи і т.д. А в 1882 році Н. Н. Бенардосом дуговий розряд вперше був використаний для різання та зварювання металу.

У газосвітніх трубках, лампах денного світла, стабілізаторах напруги, для отримання електронних та іонних пучків використовується так званий тліючий газовий розряд.

Іскровий розряд застосовується для вимірювання великих різниць потенціалів за допомогою кульового розрядника, електродами якого є дві металеві кулі з полірованою поверхнею. Кулі розсувають, і на них подається різниця потенціалів, що вимірюється. Потім кулі зближують доти, доки між ними не проскочить іскра. Знаючи діаметр куль, відстань між ними, тиск, температуру та вологість повітря, знаходять різницю потенціалів між кулями за спеціальними таблицями. Цим методом можна вимірювати з точністю до кількох відсотків різниці потенціалів близько десятків тисяч вольт.

Електричний струм у газах у нормальних умовах неможливий. Тобто при атмосферній вологості тиску та температурі в газі відсутні носії зарядів. Ця властивість газу, зокрема повітря, використовується в повітряних лініях передач реле вимикачах для забезпечення електричної ізоляції.

Але за певних умов у газах може спостерігатися струм. Проведемо досвід. Для нього нам знадобиться повітряний конденсатор електрометра та з'єднувальні дроти. Для початку з'єднаємо електрометр із конденсатором. Потім повідомимо заряд пластин конденсатора. Електрометр при цьому покаже наявність цього заряду. Повітряний конденсатор деякий час зберігатиме заряд. Тобто, струму між його пластинами не буде. Це говорить про те, що повітря між обкладками конденсатора має діелектричні властивості.

Рисунок 1 - Заряджений конденсатор підключений до електрометра

Далі внесемо у проміжок між пластинами полум'я свічки. При цьому побачимо, що електрометр покаже зменшення заряду пластин конденсатора. Тобто, у зазорі між пластинами протікає струм. Чому це відбувається.

Рисунок 2 — Внесення свічки у зазор між обкладками зарядженого конденсатора

У нормальних умовах молекули газу електрично нейтральні. І не здатні забезпечувати струм. Але за підвищення температури настає так звана іонізація газу, і він стає провідником. У газі з'являються позитивні та негативні іони.

Щоб від атома газу відірвався електрон, необхідно здійснити роботу проти Кулонівських сил. Для цього потрібна енергія. Цю енергію атом отримує зі збільшенням температури. Оскільки кінетична енергія теплового руху прямо пропорційна температурі газу. То з її збільшення молекули та атоми отримують достатньо енергії, щоб при зіткненні від атомів відривалися електрони. Такий атом стає позитивним іоном. Відірваний електрон може причепитися до іншого атома, тоді він стане негативним іоном.

У результаті зазорі між пластинами виникають позитивні і негативні іони, і навіть електрони. Усі вони починають рухатися під впливом поля створеного зарядами на обкладках конденсатора. Позитивні іони рухаються до катода. Негативні іони та електрони прагнуть аноду. Таким чином, у повітряному зазорі забезпечується струм.

Залежність струму від напруги над усім ділянках підпорядковується закону Ома. На першій ділянці це так зі збільшенням напруги збільшується кількість іонів, отже, і струм. Далі другою ділянці настає насичення, тобто із збільшенням напруги струм не збільшується. Тому що концентрація іонів максимальна і новим з'являється просто звідки.

Рисунок3 - вольтамперна характеристика повітряного зазору

На третій ділянці знову спостерігається зростання струму зі збільшенням напруги. Ця ділянка називається самостійним розрядом. Тобто, для підтримки струму в газі вже не потрібні сторонні іонізатори. Відбувається це через те, що електрони при високій напрузі отримують достатню енергію для того, щоб вибивати інші електрони з атомів самостійно. Ці електрони, у свою чергу, вибивають інші і так далі. Процес іде лавиноподібно. І основну провідність у газі забезпечують електрони.