Какие частицы создают электрический ток в газах. Введение
Реферат по физике
на тему:
«Электрический ток в газах».
Электрический ток в газах.
1. Электрический разряд в газах.
Все газы в естественном состоянии не проводят электрического тока. В чем можно убедиться из следующего опыта:
Возьмем электрометр с присоединенными к нему дисками плоского конденсатора и зарядим его. При комнатной температуре, если воздух достаточно сухой, конденсатор заметно не разряжается – положение стрелки электрометра не изменяется. Чтобы заметить уменьшение угла отклонения стрелки электрометра, требуется длительное время. Это показывает, что электрический ток в воздухе между дисками очень мал. Данный опыт показывает, что воздух является плохим проводником электрического тока.
Видоизменим опыт: нагреем воздух между дисками пламенем спиртовки. Тогда угол отклонения стрелки электрометра быстро уменьшается, т.е. уменьшается разность потенциалов между дисками конденсатора – конденсатор разряжается. Следовательно, нагретый воздух между дисками стал проводником, и в нем устанавливается электрический ток.
Изолирующие свойства газов объясняются тем, что в них нет свободных электрических зарядов: атомы и молекулы газов в естественном состоянии являются нейтральными.
2. Ионизация газов.
Вышеописанный опыт показывает, что в газах под влиянием высокой температуры появляются заряженные частицы. Они возникают вследствие отщепления от атомов газа одного или нескольких электронов, в результате чего вместо нейтрального атома возникают положительный ион и электроны. Часть образовавшихся электронов может быть при этом захвачена другими нейтральными атомами, и тогда появятся еще отрицательные ионы. Распад молекул газа на электроны и положительные ионы называется ионизацией газов.
Нагревание газа до высокой температуры не является единственным способом ионизации молекул или атомов газа. Ионизация газа может происходить под влиянием различных внешних взаимодействий: сильного нагрева газа, рентгеновских лучей, a-, b- и g-лучей, возникающих при радиоактивном распаде, космических лучей, бомбардировки молекул газа быстро движущимися электронами или ионами. Факторы, вызывающие ионизацию газа называются ионизаторами. Количественной характеристикой процесса ионизации служит интенсивность ионизации, измеряемая числом пар противоположных по знаку заряженных частиц, возникающих в единице объема газа за единицу времени.
Ионизация атома требует затраты определенной энергии – энергии ионизации. Для ионизации атома (или молекулы) необходимо совершить работу против сил взаимодействия между вырываемым электроном и остальными частицами атома (или молекулы). Эта работа называется работой ионизации A i . Величина работы ионизации зависит от химической природы газа и энергетического состояния вырываемого электрона в атоме или молекуле.
После прекращения действия ионизатора количество ионов в газе с течением времени уменьшается и в конце концов ионы исчезают вовсе. Исчезновение ионов объясняется тем, что ионы и электроны участвуют в тепловом движении и поэтому соударяются друг с другом. При столкновении положительного иона и электрона они могут воссоединиться в нейтральный атом. Точно также при столкновении положительного и отрицательного ионов отрицательный ион может отдать свой избыточный электрон положительному иону и оба иона превратятся в нейтральные атомы. Этот процесс взаимной нейтрализации ионов называется рекомбинацией ионов. При рекомбинации положительного иона и электрона или двух ионов освобождается определенная энергия, равная энергии, затраченной на ионизацию. Частично она излучается в виде света, и поэтому рекомбинация ионов сопровождается свечением (свечение рекомбинации).
В явлениях электрического разряда в газах большую роль играет ионизация атомов электронными ударами. Этот процесс заключается в том, что движущийся электрон, обладающий достаточной кинетической энергией, при соударении с нейтральным атомом выбивает из него один или несколько атомных электронов, в результате чего нейтральный атом превращается в положительный ион, а в газе появляются новые электроны (об этом будет рассмотрено позднее).
В таблице ниже даны значения энергии ионизации некоторых атомов.
3. Механизм электропроводности газов.
Механизм проводимости газов похож на механизм проводимости растворов и расплавов электролитов. При отсутствии внешнего поля заряженные частицы, как и нейтральные молекулы движутся хаотически. Если ионы и свободные электроны оказываются во внешнем электрическом поле, то они приходят в направленное движение и создают электрический ток в газах.
Таким образом, электрический ток в газе представляет собой направленное движение положительных ионов к катоду, а отрицательных ионов и электронов к аноду . Полный ток в газе складывается из двух потоков заряженных частиц: потока, идущего к аноду, и потока, направленного к катоду.
На электродах происходит нейтрализация заряженных частиц, как и при прохождении электрического тока через растворы и расплавы электролитов. Однако в газах отсутствует выделение веществ на электродах, как это имеет место в растворах электролитов. Газовые ионы, подойдя к электродам, отдают им свои заряды, превращаются в нейтральные молекулы и диффундируют обратно в газ.
Еще одно различие в электропроводности ионизованных газов и растворов (расплавов) электролитов состоит в том, что отрицательный заряд при прохождении тока через газы переносится в основном не отрицательными ионами, а электронами, хотя проводимость за счет отрицательных ионов также может играть определенную роль.
Таким образом в газах сочетается электронная проводимость, подобная проводимости металлов, с ионной проводимостью, подобной проводимости водных растворов и расплавов электролитов.
4. Несамостоятельный газовый разряд.
Процесс прохождения электрического тока через газ называется газовым разрядом. Если электропроводность газа создается внешними ионизаторами, то электрический ток, возникающий в нем, называется несамостоятельным газовым разрядом. С прекращением действия внешних ионизаторов несамостоятельный разряд прекращается. Несамостоятельный газовый разряд не сопровождается свечением газа.
Ниже изображен график зависимости силы тока от напряжения при несамостоятельном разряде в газе. Для построения графика использовалась стеклянная трубка с двумя впаянными в стекло металлическими электродами. Цепь собрана как показано на рисунке ниже.
При некотором определенном напряжении наступает такой момент, при котором все заряженные частицы, образующиеся в газе ионизатором за секунду, достигают за это же время электродов. Дальнейшее увеличение напряжения уже не может привести к увеличению числа переносимых ионов. Ток достигает насыщения (горизонтальный участок графика 1).
5. Самостоятельный газовый разряд.
Электрический разряд в газе, сохраняющийся после прекращения действия внешнего ионизатора, называется самостоятельным газовым разрядом . Для его осуществления необходимо, чтобы в результате самого разряда в газе непрерывно образовывались свободные заряды. Основным источником их возникновения является ударная ионизация молекул газа.
Если после достижения насыщения продолжать увеличивать разность потенциалов между электродами, то сила тока при достаточно большом напряжении станет резко возрастать (график 2).
Это означает, что в газе появляются дополнительные ионы, которые образуются за счет действия ионизатора. Сила тока может возрасти в сотни и тысячи раз, а число заряженных частиц, возникающих в процессе разряда, может стать таким большим, что внешний ионизатор будет уже не нужен для поддержания разряда. Поэтому ионизатор теперь можно убрать.
Каковы же причины резкого увеличения силы тока при больших напряжениях? Рассмотрим какую либо пару заряженных частиц (положительный ион и электрон), образовавшуюся благодаря действию внешнего ионизатора. Появившийся таким образом свободный электрон начинает двигаться к положительному электроду – аноду, а положительный ион – к катоду. На своем пути электрон встречает ионы и нейтральные атомы. В промежутках между двумя последовательными столкновениями энергия электрона увеличивается за счет работы сил электрического поля.
 |
Чем больше разность потенциалов между электродами, тем больше напряженность электрического поля. Кинетическая энергия электрона перед очередным столкновением пропорциональна напряженности поля и длине свободного пробега электрона: MV 2 /2=eEl. Если кинетическая энергия электрона превосходит работу A i , которую нужно совершить, чтобы ионизировать нейтральный атом (или молекулу), т.е. MV 2 >A i , то при столкновении электрона с атомом (или молекулой) происходит его ионизация. В результате вместо одного электрона возникают два (налетающий на атом и вырванный из атома). Они, в свою очередь, получают энергию в поле и ионизуют встречные атомы и т.д.. Вследствие этого число заряженных частиц быстро нарастает, возникает электронная лавина. Описанный процесс называют ионизацией электронным ударом.
Но одна ионизация электронным ударом не может обеспечить поддержания самостоятельного заряда. Действительно, ведь все возникающие таким образом электроны движутся по направлению к аноду и по достижении анода «выбывают из игры». Для поддержания разряда необходима эмиссия электронов с катода («эмиссия» означает «испускание»). Эмиссия электрона может быть обусловлена несколькими причинами.
Положительные ионы, образовавшиеся при столкновении электронов с нейтральными атомами, при своем движении к катоду приобретают под действием поля большую кинетическую энергию. При ударах таких быстрых ионов о катод с поверхности катода выбиваются электроны.
Кроме того, катод может испускать электроны при нагревании до большой температуры. Этот процесс называется термоэлектронной эмиссией. Его можно рассматривать как испарение электронов из металла. Во многих твердых веществах термоэлектронная эмиссия происходит при температурах, при которых испарение самого вещества еще мало. Такие вещества и используются для изготовления катодов.
При самостоятельном разряде нагрев катода может происходить за счет бомбардировки его положительными ионами. Если энергия ионов не слишком велика, то выбивания электронов с катода не происходит и электроны испускаются вследствие термоэлектронной эмиссии.
6. Различные типы самостоятельного разряда и их техническое применение.
В зависимости от свойств и состояния газа, характера и расположения электродов, а также от приложенного к электродам напряжения возникают различные виды самостоятельного разряда. Рассмотрим несколько из них.
A. Тлеющий разряд.
Тлеющий разряд наблюдается в газах при низких давлениях порядка нескольких десятков миллиметров ртутного столба и меньше. Если рассмотреть трубку с тлеющим разрядом, то можно увидеть, что основными частями тлеющего разряда являются катодное темное пространство, резко отдаленное от него отрицательное, или тлеющее свечение, которое постепенно переходит в область фарадеева темного пространства. Эти три области образуют катодную часть разряда, за которой следует основная светящаяся часть разряда, определяющая его оптические свойства и называемая положительным столбом.
Основную роль в поддержании тлеющего разряда играют первые две области его катодной части. Характерной особенностью этого типа разряда является резкое падение потенциала вблизи катода, которое связано с большой концентрацией положительных ионов на границе I и II областей, обусловленной сравнительно малой скоростью движения ионов у катоду. В катодном темном пространстве происходит сильное ускорение электронов и положительных ионов, выбивающих электроны из катода. В области тлеющего свечения электроны производят интенсивную ударную ионизацию молекул газа и теряют свою энергию. Здесь образуются положительные ионы, необходимые для поддержания разряда. Напряженность электрического поля в этой области мала. Тлеющее свечение в основном вызывается рекомбинацией ионов и электронов. Протяженность катодного темного пространства определяется свойствами газа и материала катода.
В области положительного столба концентрация электронов и ионов приблизительно одинакова и очень велика, что обуславливает большую электропроводность положительного столба и незначительное падение в нем потенциала. Свечение положительного столба определяется свечением возбужденных молекул газа. Вблизи анода вновь наблюдается сравнительно резкое изменение потенциала, связанное с процессом генерации положительных ионов. В ряде случаев положительный столб распадается на отдельные светящиеся участки – страты, разделенные темными промежутками.
Положительный столб не играет существенной роли в поддержании тлеющего разряда, поэтому при уменьшении расстояния между электродами трубки длина положительного столба сокращается и он может исчезнуть совсем. Иначе обстоит дело с длиной катодного темного пространства, которая при сближении электродов не изменяется. Если электроды сблизились настолько, что расстояние между ними станет меньше длины катодного темного пространства, то тлеющий разряд в газе прекратится. Опыты показывают, что при прочих равных условиях длина d катодного темного пространства обратно пропорциональна давлению газа. Следовательно, при достаточно низких давлениях электроны, выбиваемые из катода положительными ионами, проходят через газ почти без столкновений с его молекулами, образуя электронные , или катодные лучи .
Тлеющий разряд используется в газосветных трубках, лампах дневного света, стабилизаторах напряжения, для получения электронных и ионных пучков. Если в катоде сделать щель, то сквозь нее в пространство за катодом проходят узкие ионные пучки, часто называемые каналовыми лучами. Широко используется явление катодного распыления , т.е. разрушение поверхности катода под действием ударяющихся о него положительных ионов. Ультрамикроскопические осколки материала катода летят во все стороны по прямым линиям и покрывают тонким слоем поверхность тел (особенно диэлектриков), помещенных в трубку. Таким способом изготовляют зеркала для ряда приборов, наносят тонкий слой металла на селеновые фотоэлементы.
B. Коронный разряд.
Коронный разряд возникает при нормальном давлении в газе, находящемся в сильно неоднородном электрическом поле (например, около остриев или проводов линий высокого напряжения). При коронном разряде ионизация газа и его свечение происходят лишь вблизи коронирующих электродов. В случае коронирования катода (отрицательная корона) электроны, вызывающие ударную ионизацию молекул газа, выбиваются из катода при бомбардировке его положительными ионами. Если коронируют анод (положительная корона), то рождение электронов происходит вследствие фотоионизации газа вблизи анода. Корона – вредное явление, сопровождающееся утечкой тока и потерей электрической энергии. Для уменьшения коронирования увеличивают радиус кривизны проводников, а их поверхность делают возможно более гладкой. При достаточно высоком напряжении между электродами коронный разряд переходит в искровой.
При повышенном напряжении коронный разряд на острие приобретает вид исходящих из острия и перемежающихся во времени светлых линий. Эти линии, имеющие ряд изломов и изгибов, образуют подобие кисти, вследствие чего такой разряд называют кистевым .
Заряженное грозовое облако индуцирует на поверхности Земли под собой электрические заряды противоположного знака. Особенно большой заряд скапливается на остриях. Поэтому перед грозой или во время грозы нередко на остриях и острых углах высоко поднятых предметов вспыхивают похожие на кисточки конусы света. С давних времен это свечение называют огнями святого Эльма.
Особенно часто свидетелями этого явления становятся альпинисты. Иногда лаже не только металлические предметы, но и кончики волос на голове украшаются маленькими светящимися кисточками.
С коронным разрядом приходится считаться, имея дело с высоким напряжением. При наличии выступающих частей или очень тонких проводов может начаться коронный разряд. Это приводит к утечке электроэнергии. Чем выше напряжение высоковольтной линии, тем толще должны быть провода.
C. Искровой разряд.
Искровой разряд имеет вид ярких зигзагообразных разветвляющихся нитей-каналов, которые пронизывают разрядный промежуток и исчезают, сменяясь новыми. Исследования показали, что каналы искрового разряда начинают расти иногда от положительного электрода, иногда от отрицательного, а иногда и от какой-нибудь точки между электродами. Это объясняется тем, что ионизация ударом в случае искрового разряда происходит не по всему объему газа, а по отдельным каналам, проходящим в тех местах, в которых концентрация ионов случайно оказалась наибольшей. Искровой разряд сопровождается выделением большого количества теплоты, ярким свечением газа, треском или громом. Все эти явления вызываются электронными и ионными лавинами, которые возникают в искровых каналах и приводят к огромному увеличению давления, достигающему 10 7 ¸10 8 Па, и повышению температуры до 10000 °С.
Характерным примером искрового разряда является молния. Главный канал молнии имеет диаметр от 10 до 25 см., а длина молнии может достигать нескольких километров. Максимальная сила тока импульса молнии достигает десятков и сотен тысяч ампер.
При малой длине разрядного промежутка искровой разряд вызывает специфическое разрушение анода, называемое эрозией . Это явление было использовано в электроискровом методе резки, сверления и других видах точной обработки металла.
Искровой промежуток применяется в качестве предохранителя от перенапряжения в электрических линиях передач (например, в телефонных линиях). Если вблизи линии проходит сильный кратковременный ток, то в проводах этой линии индуцируются напряжении и токи, которые могут разрушить электрическую установку и опасны для жизни людей. Во избежание этого используются специальные предохранители, состоящие из двух изогнутых электродов, один из которых присоединен к линии, а другой заземлен. Если потенциал линии относительно земли сильно возрастает, то между электродами возникает искровой разряд, который вместе с нагретым им воздухом поднимается вверх, удлиняется и обрывается.
Наконец, электрическая искра применяется для измерения больших разностей потенциалов с помощью шарового разрядника , электродами которого служат два металлических шара с полированной поверхностью. Шары раздвигают, и на них подается измеряемая разность потенциалов. Затем шары сближают до тех пор, пока между ними не проскочит искра. Зная диаметр шаров, расстояние между ними, давление, температуру и влажность воздуха, находят разность потенциалов между шарами по специальным таблицам. Этим методом можно измерять с точностью до нескольких процентов разности потенциалов порядка десятков тысяч вольт.
D. Дуговой разряд.
Дуговой разряд был открыт В. В. Петровым в 1802 году. Этот разряд представляет собой одну из форм газового разряда, осуществляющуюся при большой плотности тока и сравнительно небольшом напряжении между электродами (порядка нескольких десятков вольт). Основной причиной дугового разряда является интенсивное испускание термоэлектронов раскаленным катодом. Эти электроны ускоряются электрическим полем и производят ударную ионизацию молекул газа, благодаря чему электрическое сопротивление газового промежутка между электродами сравнительно мало. Если уменьшить сопротивление внешней цепи, увеличить силу тока дугового разряда, то проводимость газового промежутка столь сильно возрастет, что напряжение между электродами уменьшается. Поэтому говорят, что дуговой разряд имеет падающую вольт-амперную характеристику. При атмосферном давлении температура катода достигает 3000 °C. Электроны, бомбардируя анод, создают в нем углубление (кратер) и нагревают его. Температура кратера около 4000 °С, а при больших давлениях воздуха достигает 6000-7000 °С. Температура газа в канале дугового разряда достигает 5000-6000 °С, поэтому в нем происходит интенсивная термоионизация.
В ряде случаев дуговой разряд наблюдается и при сравнительно низкой температуре катода (например, в ртутной дуговой лампе).
В 1876 году П. Н. Яблочков впервые использовал электрическую дугу как источник света. В «свече Яблочкова» угли были расположены параллельно и разделены изогнутой прослойкой, а их концы соединены проводящим «запальным мостиком». Когда ток включался, запальный мостик сгорал и между углями образовывалась электрическая дуга. По мере сгорания углей изолирующая прослойка испарялась.
Дуговой разряд применяется как источник света и в наши дни, например в прожекторах и проекционных аппаратах.
Высокая температура дугового разряда позволяет использовать его для устройства дуговой печи. В настоящее время дуговые печи, питаемые током очень большой силы, применяются в ряде областей промышленности: для выплавки стали, чугуна, ферросплавов, бронзы, получения карбида кальция, окиси азота и т.д.
В 1882 году Н. Н. Бенардосом дуговой разряд впервые был использован для резки и сварки металла. Разряд между неподвижным угольным электродом и металлом нагревает место соединения двух металлических листов (или пластин) и сваривает их. Этот же метод Бенардос применил для резания металлических пластин и получения в них отверстий. В 1888 году Н. Г. Славянов усовершенствовал этот метод сварки, заменив угольный электрод металлическим.
Дуговой разряд нашел применение в ртутном выпрямителе, преобразующем переменный электрический ток в ток постоянного направления.
E. Плазма.
Плазма – это частично или полностью ионизованный газ, в котором плотности положительных и отрицательных зарядов практически одинаковы. Таким образом, плазма в целом является электрически нейтральной системой.
Количественной характеристикой плазмы является степень ионизации. Степенью ионизации плазмы a называют отношение объемной концентрации заряженных частиц к общей объемной концентрации частиц. В зависимости от степени ионизации плазма подразделяется на слабо ионизованную (a составляет доли процентов), частично ионизованную (a порядка нескольких процентов) и полностью ионизованную (a близка к 100%). Слабо ионизованной плазмой в природных условиях являются верхние слои атмосферы – ионосфера. Солнце, горячие звезды и некоторые межзвездные облака – это полностью ионизованная плазма, которая образуется при высокой температуре.
Средние энергии различных типов частиц, составляющих плазму, могут значительно отличаться одна от другой. Поэтому плазму нельзя охарактеризовать одним значением температуры Т; различают электронную температуру Т е, ионную температуру Т i (или ионные температуры, если в плазме имеются ионы нескольких сортов) и температуру нейтральных атомов Т a (нейтральной компоненты). Подобная плазма называется неизотермической, в отличие от изотермической плазмы, в которой температуры всех компонентов одинаковы.
Плазма также разделяется на высокотемпературную (Т i »10 6 -10 8 К и более) и низкотемпературную!!! (Т i <=10 5 К). Это условное разделение связано с особой влажностью высокотемпературной плазмы в связи с проблемой осуществления управляемого термоядерного синтеза.
Плазма обладает рядом специфических свойств, что позволяет рассматривать ее как особое четвертое состояние вещества.
Из-за большой подвижности заряженный частицы плазмы легко перемещаются под действием электрических и магнитных полей. Поэтому любое нарушение электрической нейтральности отдельных областей плазмы, вызванное скоплением частиц одного знака заряда, быстро ликвидируется. Возникающие электрические поля перемещают заряженные частицы до тех пор, пока электрическая нейтральность не восстановится и электрическое поле не станет равным нулю. В отличие от нейтрального газа, между молекулами которого существуют короткодействующие силы, между заряженными частицами плазмы действуют кулоновские силы, сравнительно медленные убывающие с расстоянием. Каждая частица взаимодействует сразу с большим количеством окружающих частиц. Благодаря этому наряду с хаотическим тепловым движением частицы плазмы могут участвовать в разнообразных упорядоченных движениях. В плазме легко возбуждаются разного рода колебания и волны.
Проводимость плазмы увеличивается по мере роста степени ионизации. При высокой температуре полностью ионизованная плазма по своей проводимости приближается к сверхпроводникам.
Низкотемпературная плазма применяется в газоразрядных источниках света – в светящихся трубках рекламных надписей, в лампах дневного света. Газоразрядную лампу используют во многих приборах, например, в газовых лазерах – квантовых источниках света.
Высокотемпературная плазма применяется в магнитогидродинамических генераторах.
Недавно был создан новый прибор – плазмотрон. В плазмотроне создаются мощные струи плотной низкотемпературной плазмы, широко применяемые в различных областях техники: для резки и сварки металлов, бурения скважин в твердых породах и т.д.
Список использованной литературы:
1) Физика: Электродинамика. 10-11 кл.: учеб. для углубленного изучения физики/Г. Я. Мякишев, А. З. Синяков, Б. А. Слободсков. – 2-е издание – М.: Дрофа, 1998. – 480 с.
2) Курс физики (в трех томах). Т. II. Электричество и магнетизм. Учеб. пособие для втузов./Детлаф А.А., Яворский Б. М., Милковская Л. Б. Изд. 4-е, перераб. – М.: Высшая школа, 1977. – 375 с.
3) Электричество./Э. Г. Калашников. Изд. «Наука», Москва, 1977.
4) Физика./Б. Б. Буховцев, Ю. Л. Климонтович, Г. Я. Мякишев. Издание 3-е, перераб. – М.: Просвещение, 1986.
Темы кодификатора ЕГЭ : носители свободных электрических зарядов в газах.
При обычных условиях газы состоят из электрически нейтральных атомов или молекул; свободных зарядов в газах почти нет. Поэтому газы являются диэлектриками - электрический ток через них не проходит.
Мы сказали «почти нет», потому что на самом деле газах и, в частности, в воздухе всегда присутствует некоторое количество свободных заряженных частиц. Они появляются в результате ионизирующего воздействия излучений радиоактивных веществ, входящих в состав земной коры, ультрафиолетового и рентгеновского излучений Солнца, а также космических лучей - потоков частиц высокой энергии, проникающих в атмосферу Земли из космического пространства. Впоследствии мы вернёмся к этому факту и обсудим его важность, а сейчас заметим лишь, что в обычных условиях проводимость газов, вызванная «естественным» количеством свободных зарядов, пренебрежимо мала, и её можно не принимать во внимание.
На изолирующих свойствах воздушного промежутка основано действие переключателей в электрических цепях (рис. 1 ). Например, небольшого воздушного зазора в выключателе света оказывается достаточно, чтобы разомкнуть электрическую цепь в вашей комнате.
Рис. 1. Ключ
Можно, однако, создать такие условия, при которых электрический ток в газовом промежутке появится. Давайте рассмотрим следующий опыт.
Зарядим пластины воздушного конденсатора и подсоединим их к чувствительному гальванометру (рис. 2 , слева). При комнатной температуре и не слишком влажном воздухе гальванометр не покажет заметного тока: наш воздушный промежуток, как мы и говорили, не является проводником электричества.
Рис. 2. Возникновение тока в воздухе
Теперь внесём в зазор между пластинами конденсатора пламя горелки или свечи (рис. 2 , справа). Ток появляется! Почему?
Свободные заряды в газе
Возникновение электрического тока между пластинами кондесатора означает, что в воздухе под воздействием пламени появились свободные заряды . Какие именно?
Опыт показывает, что электрический ток в газах является упорядоченным движением заряженных частиц трёх видов . Это электроны , положительные ионы и отрицательные ионы .
Давайте разберёмся, каким образом эти заряды могут появляться в газе.
При увеличении температуры газа тепловые колебания его частиц - молекул или атомов - становятся всё интенсивнее. Удары частиц друг о друга достигают такой силы, что начинается ионизация - распад нейтральных частиц на электроны и положительные ионы (рис. 3 ).
Рис. 3. Ионизация
Степенью ионизации называется отношение числа распавшихся частиц газа к общему исходному числу частиц. Например, если степень ионизации равна , то это означает, что исходных частиц газа распалось на положительные ионы и электроны.
Степень ионизации газа зависит от температуры и резко возрастает с её увеличением. У водорода, например, при температуре ниже степень ионизации не превосходит , а при температуре выше степень ионизации близка к (то есть водород почти полностью ионизирован (частично или полностью ионизированный газ называется плазмой )).
Помимо высокой температуры имеются и другие факторы, вызывающие ионизацию газа.
Мы их уже вскользь упоминали: это радиоактивные излучения, ультрафиолетовые, рентгеновские и гамма-лучи, космические частицы. Всякий такой фактор, являющийся причиной ионизации газа, называется ионизатором .
Таким образом, ионизация происходит не сама по себе, а под воздействием ионизатора.
Одновременно идёт и обратный процесс - рекомбинация , то есть воссоединение электрона и положительного иона в нейтральную частицу (рис. 4 ).
Рис. 4. Рекомбинация
Причина рекомбинации проста: это кулоновское притяжение противоположно заряженных электронов и ионов. Устремляясь навстречу друг другу под действием электрических сил, они встречаются и получают возможность образовать нейтральный атом (или молекулу - в зависимости от сорта газа).
При неизменной интенсивности действия ионизатора устанавливается динамическое равновесие: среднее количество частиц, распадающихся в единицу времени, равно среднему количеству рекомбинирующих частиц (иными словами, скорость ионизации равна скорости рекомбинации).Если действие ионизатора усилить (например, повысить температуру), то динамическое равновесие сместится в сторону ионизации, и концентрация заряженных частиц в газе возрастёт. Наоборот, если выключить ионизатор, то рекомбинация начнёт преобладать, и свободные заряды постепенно исчезнут полностью.
Итак, положительные ионы и электроны появляются в газе в результате ионизации. Откуда же берётся третий сорт зарядов - отрицательные ионы? Очень просто: электрон может налететь на нейтральный атом и присоединиться к нему! Этот процесс показан на рис. 5 .
Рис. 5. Появление отрицательного иона
Образованные таким образом отрицательные ионы будут участвовать в создании тока наряду с положительными ионами и электронами.
Несамостоятельный разряд
Если внешнего электрического поля нет, то свободные заряды совершают хаотическое тепловое движение наряду с нейтральными частицами газа. Но при наложении электрического поля начинается упорядоченное движение заряженных частиц - электрический ток в газе .
Рис. 6. Несамостоятельный разряд
На рис. 6 мы видим три сорта заряженных частиц, возникающих в газовом промежутке под действием ионизатора: положительные ионы, отрицательные ионы и электроны. Электрический ток в газе образуется в результате встречного движения заряженных частиц: положительных ионов - к отрицательному электроду (катоду), электронов и отрицательных ионов - к положительному электроду (аноду) .
Электроны, попадая на положительный анод, направляются по цепи к «плюсу» источника тока. Отрицательные ионы отдают аноду лишний электрон и, став нейтральными частицами, возвращаются в обратно газ; отданный же аноду электрон также устремляется к «плюсу» источника. Положительные ионы, приходя на катод, забирают оттуда электроны; возникший дефицит электронов на катоде немедленно компенсируется их доставкой туда с «минуса» источника. В результате этих процессов возникает упорядоченное движение электронов во внешней цепи. Это и есть электрический ток, регистрируемый гальванометром.
Описанный процесс, изображённый на рис. 6 , называется несамостоятельным разрядом в газе. Почему несамостоятельным? Потому для его поддержания необходимо постоянное действие ионизатора. Уберём ионизатор - и ток прекратится, поскольку исчезнет механизм, обеспечивающий появление свободных зарядов в газовом промежутке. Пространство между анодом и катодом снова станет изолятором.
Вольт-амперная характеристика газового разряда
Зависимость силы тока через газовый промежуток от напряжения между анодом и катодом (так называемая вольт-амперная характеристика газового разряда ) показана на рис. 7 .
Рис. 7. Вольт-амперная характеристика газового разряда
При нулевом напряжении сила тока, естественно, равна нулю: заряженные частицы совершают лишь тепловое движение, упорядоченного их движения между электродами нет.
При небольшом напряжении сила тока также мала. Дело в том, что не всем заряженным частицам суждено добраться до электродов: часть положительных ионов и электронов в процессе своего движения находят друг друга и рекомбинируют.
С повышением напряжения свободные заряды развивают всё большую скорость, и тем меньше шансов у положительного иона и электрона встретиться и рекомбинировать. Поэтому всё большая часть заряженных частиц достигает электродов, и сила тока возрастает (участок ).
При определённой величине напряжения (точка ) скорость движения зарядов становится настолько большой, что рекомбинация вообще не успевает происходить. С этого момента все заряженные частицы, образованные под действием ионизатора, достигают электродов, и ток достигает насыщения - а именно, сила тока перестаёт меняться с увеличением напряжения. Так будет происходить вплоть до некоторой точки .
Самостоятельный разряд
После прохождения точки сила тока при увеличении напряжения резко возрастает - начинается самостоятельный разряд . Сейчас мы разберёмся, что это такое.
Заряженные частицы газа движутся от столкновения к столкновению; в промежутках между столкновениями они разгоняются электрическим полем, увеличивая свою кинетическую энергию. И вот, когда напряжение становится достаточно большим (та самая точка ), электроны за время свободного пробега достигают таких энергий, что при соударении с нейтральными атомами ионизируют их! (С помощью законов сохранения импульса и энергии можно показать, что именно электроны (а не ионы), ускоряемые электрическим полем, обладают максимальной способностью ионизировать атомы.)
Начинается так называемая ионизация электронным ударом . Электроны, выбитые из ионизированных атомов, также разгоняются электрическим полем и налетают на новые атомы, ионизируя теперь уже их и порождая новые электроны. В результате возникающей электронной лавины число ионизированных атомов стремительно возрастает, вследствие чего быстро возрастает и сила тока.
Количество свободных зарядов становится таким большим, что необходимость во внешнем ионизаторе отпадает. Его можно попросту убрать. Свободные заряженные частицы теперь порождаются в результате внутренних процессов, происходящих в газе - вот почему разряд называется самостоятельным.
Если газовый промежуток находится под высоким напряжением, то для самостоятельного разряда не нужен никакой ионизатор. Достаточно в газе оказаться лишь одному свободному электрону, и начнётся описанная выше электронная лавина. А хотя бы один свободный электрон всегда найдётся!
Вспомним ещё раз, что в газе даже при обычных условиях имеется некоторое «естественное» количество свободных зарядов, обусловленное ионизирующим радиоактивным излучением земной коры, высокочастотным излучением Солнца, космическими лучами. Мы видели, что при малых напряжениях проводимость газа, вызванная этими свободными зарядами, ничтожно мала, но теперь - при высоком напряжении - они-то и породят лавину новых частиц, дав начало самостоятельному разряду. Произойдёт, как говорят, пробой газового промежутка.
Напряжённость поля, необходимая для пробоя сухого воздуха, равна примерно кВ/см. Иными словами, чтобы между электродами, разделёнными сантиметром воздуха, проскочила искра, на них нужно подать напряжение киловольт. Вообразите же, какое напряжение необходимо для пробоя нескольких километров воздуха! А ведь именно такие пробои происходят во время грозы - это прекрасно известные вам молнии.
Образуется направленным движением свободных электронов и что при этом никаких изменений вещества, из которого проводник сделан, не происходит.
Такие проводники, в которых прохождение электрического тока не сопровождается химическими изменениями их вещества, называются проводниками первого рода . К ним относятся все металлы, уголь и ряд других веществ.
Но есть в природе и такие проводники электрического тока, в которых во время прохождения тока происходят химические явления. Эти проводники называются проводниками второго рода . К ним относятся главным образом различные растворы в воде кислот, солей и щелочей.
Если в стеклянный сосуд налить воды и прибавить в нее несколько капель серной кислоты (или какой-либо другой кислоты или щелочи), а затем взять две металлические пластины и присоединить к ним проводники опустив эти пластины в сосуд, а к другим концам проводников подключить источник тока через выключатель и амперметр, то произойдет выделение газа из раствора, причем оно будет продолжаться непрерывно, пока замкнута цепь т.к. подкисленная вода действительно является проводником. Кроме того, пластины начнут покрываться пузырьками газа. Затем эти пузырьки будут отрываться от пластин и выходить наружу.
При прохождении по раствору электрического тока происходят химические изменения, в результате которых выделяется газ.
Проводники второго рода называются электролитами , а явление, происходящее в электролите при прохождении через него электрического тока, - .
Металлические пластины, опущенные в электролит, называются электродами; одна из них, соединенная с положительным полюсом источника тока, называется анодом , а другая, соединенная с отрицательным полюсом,- катодом .
Чем же обусловливается прохождение электрического тока в жидком проводнике? Оказывается, в таких растворах (электролитах) молекулы кислоты (щелочи, соли) под действием растворителя (в данном случае воды) распадаются на две составные части, причем одна частица молекулы имеет положительный электрический заряд, а другая отрицательный.
Частицы молекулы, обладающие электрическим зарядом, называются ионами . При растворении в воде кислоты, соли или щелочи в растворе возникает большое количество как положительных, так и отрицательных ионов.
Теперь должно стать понятным, почему через раствор прошел электрический ток, ведь между электродами, соединенными с источником тока, создана , иначе говоря, один из них оказался заряженным положительно, а другой отрицательно. Под действием этой разности потенциалов положительные ионы начали перемешаться по направлению к отрицательному электроду - катоду, а отрицательные ионы - к аноду.
Таким образом, хаотическое движение ионов стало упорядоченным встречным движением отрицательных ионов в одну сторону и положительных в другую. Этот процесс переноса зарядов и составляет течение электрического тока через электролит и происходит до тех пор, пока имеется разность потенциалов на электродах. С исчезновением разности потенциалов прекращается ток через электролит, нарушается упорядоченное движение ионов, и вновь наступает хаотическое движение.
В качестве примера рассмотрим явление электролиза при пропускании электрического тока через раствор медного купороса CuSO4 с опущенными в него медными электродами.
Явление электролиза при прохождении тока через раствор медного купороса: С - сосуд с электролитом, Б - источник тока, В - выключатель
Здесь также будет встречное движение ионов к электродам. Положительным ионом будет ион меди (Си), а отрицательным - ион кислотного остатка (SO4). Ионы меди при соприкосновении с катодом будут разряжаться (присоединяя к себе недостающие электроны), т. е. превращаться в нейтральные молекулы чистой меди, и в виде тончайшего (молекулярного) слоя отлагаться на катоде.
Отрицательные ионы, достигнув анода, также разряжаются (отдают излишние электроны). Но при этом они вступают в химическую реакцию с медью анода, в результате чего к кислотному остатку SO4 присоединяется молекула меди Сu и образуется молекула медного купороса СuS О4 , возвращаемая обратно электролиту.
Так как этот химический процесс протекает длительное время, то на катоде отлагается медь, выделяющаяся из электролита. При этом электролит вместо ушедших на катод молекул меди получает новые молекулы меди за счет растворения второго электрода - анода.
Тот же самый процесс происходит, если вместо медных взяты цинковые электроды, а электролитом служит раствор цинкового купороса Zn SO4. Цинк также будет переноситься с анода на катод.
Таким образом, разница между электрическим током в металлах и жидких проводниках заключается в том, что в металлах переносчиками зарядов являются только свободные электроны, т. е. отрицательные заряды, тогда как в электролитах переносится разноименно заряженными частицами вещества - ионами, двигающимися в противоположных направлениях. Поэтому говорят, что электролиты обладают ионном проводимостью.
Явление электролиза было открыто в 1837 г. Б. С. Якоби, который производил многочисленные опыты по исследованию и усовершенствованию химических источников тока. Якоби установил, что один из электродов, помещенных в раствор медного купороса, при прохождении через него электрического тока покрывается медью.
Это явление, названное гальванопластикой
, находит сейчас чрезвычайно большое практическое применение. Одним из примеров тому может служить покрытие металлических предметов тонким слоем других металлов, т. е. никелирование, золочение, серебрение и т. д.
Газы (в том числе и воздух) в обычных условиях не проводят электрический ток. Например, голые , будучи подвешены параллельно друг другу, оказываются изолированными один от другого слоем воздуха.
Однако под воздействием высокой температуры, большой разности потенциалов и других причин газы, подобно жидким проводникам, ионизируются , т. е. в них появляются в большом количестве частицы молекул газа, которые, являясь переносчиками электричества, способствуют прохождению через газ электрического тока.
Но вместе с тем ионизация газа отличается от ионизации жидкого проводника. Если в жидкости происходит распад молекулы на две заряженные части, то в газах под действием ионизации от каждой молекулы всегда отделяются электроны и остается ион в виде положительно заряженной части молекулы.
Стоит только прекратить ионизацию газа, как он перестанет быть проводящим, тогда как жидкость всегда остается проводником электрического тока. Следовательно, проводимость газа - явление временное, зависящее от действия внешних причин.
Однако есть и другой , называемый дуговым разрядом или просто электрической дугой. Явление электрической дуги было открыто в начале 19-го столетия первым русским электротехником В. В. Петровым.
В. В. Петров, проделывая многочисленные опыты, обнаружил, что между двумя древесными углями, соединенными с источником тока, возникает непрерывный электрический разряд через воздух, сопровождаемый ярким светом. В своих трудах В. В. Петров писал, что при этом "темный покой достаточно ярко освещен быть может". Так впервые был получен электрический свет, практически применил который еще один русский ученый-электротехник Павел Николаевич Яблочков.
"Свеча Яблочкова", работа которой основана на использовании электрической дуги, совершила в те времена настоящий переворот в электротехнике.
Дуговой разряд применяется как источник света и в наши дни, например в прожекторах и проекционных аппаратах. Высокая температура дугового разряда позволяет использовать его для . В настоящее время дуговые печи, питаемые током очень большой силы, применяются в ряде областей промышленности: для выплавки стали, чугуна, ферросплавов, бронзы и т.д. А в 1882 году Н. Н. Бенардосом дуговой разряд впервые был использован для резки и сварки металла.
В газосветных трубках, лампах дневного света, стабилизаторах напряжения, для получения электронных и ионных пучков используется так называемый тлеющий газовый разряд .
Искровой разряд применяется для измерения больших разностей потенциалов с помощью шарового разрядника, электродами которого служат два металлических шара с полированной поверхностью. Шары раздвигают, и на них подается измеряемая разность потенциалов. Затем шары сближают до тех пор, пока между ними не проскочит искра. Зная диаметр шаров, расстояние между ними, давление, температуру и влажность воздуха, находят разность потенциалов между шарами по специальным таблицам. Этим методом можно измерять с точностью до нескольких процентов разности потенциалов порядка десятков тысяч вольт.
В природе не существует абсолютных диэлектриков. Упорядоченное движение частиц - носителей электрического заряда, - то есть ток, можно вызвать в любой среде, однако для этого необходимы особые условия. Мы рассмотрим здесь, как протекают электрические явления в газах и как газ можно из очень хорошего диэлектрика превратить в очень хороший проводник. Нас будет интересовать, при каких условиях возникает, а также какими особенностями характеризуется электрический ток в газах.
Электрические свойства газов
Диэлектрик - это вещество (среда), в котором концентрация частиц - свободных носителей электрического заряда - не достигает сколько-нибудь значимой величины, вследствие чего проводимость пренебрежимо мала. Все газы - хорошие диэлектрики. Их изолирующие свойства используются повсеместно. Например, в любом выключателе размыкание цепи происходит, когда контакты приводятся в такое положение, чтобы между ними образовался воздушный зазор. Провода в линиях электропередач также изолируются друг от друга воздушным слоем.
Структурной единицей любого газа является молекула. Она состоит из атомных ядер и электронных облаков, то есть представляет собой совокупность электрических зарядов, некоторым образом распределенных в пространстве. Молекула газа может быть вследствие особенностей своего строения либо поляризоваться под действием внешнего электрического поля. Подавляющее большинство молекул, составляющих газ, в обычных условиях электрически нейтральны, поскольку заряды в них компенсируют друг друга.
Если приложить к газу электрическое поле, молекулы примут дипольную ориентацию, занимая пространственное положение, компенсирующее воздействие поля. Присутствующие в газе заряженные частицы под действием кулоновских сил начнут движение: положительные ионы - в направлении катода, отрицательные ионы и электроны - к аноду. Однако если поле имеет недостаточный потенциал, единый направленный поток зарядов не возникает, и можно говорить скорее об отдельных токах, настолько слабых, что ими следует пренебречь. Газ ведет себя как диэлектрик.
Таким образом, для возникновения электрического тока в газах необходима большая концентрация свободных носителей заряда и присутствие поля.
Ионизация
Процесс лавинообразного увеличения числа свободных зарядов в газе называют ионизацией. Соответственно, газ, в котором присутствует значительное количество заряженных частиц, называется ионизированным. Именно в таких газах создается электрический ток.
Процесс ионизации связан с нарушением нейтральности молекул. Вследствие отрыва электрона возникают положительные ионы, присоединение электрона к молекуле приводит к образованию отрицательного иона. Кроме того, в ионизированном газе много свободных электронов. Положительные ионы и особенно электроны - главные носители заряда при электрическом токе в газах.
Ионизация происходит, когда частице сообщается некоторое количество энергии. Так, внешний электрон в составе молекулы, получив эту энергию, может покинуть молекулу. Взаимные столкновения заряженных частиц с нейтральными приводят к выбиванию новых электронов, и процесс принимает лавинообразный характер. Кинетическая энергия частиц также возрастает, что значительно способствует ионизации.
Откуда берется энергия, затрачиваемая на возбуждение в газах электрического тока? Ионизация газов имеет несколько источников энергии, соответственно которым принято именовать и ее типы.
- Ионизация электрическим полем. В этом случае потенциальная энергия поля преобразуется в кинетическую энергию частиц.
- Термоионизация. Повышение температуры также ведет к образованию большого количества свободных зарядов.
- Фотоионизация. Суть данного процесса в том, что энергию электронам сообщают кванты электромагнитного излучения - фотоны, если они имеют достаточно высокую частоту (ультрафиолетовые, рентгеновские, гамма-кванты).
- Ударная ионизация является результатом преобразования кинетической энергии сталкивающихся частиц в энергию отрыва электрона. Наряду с термоионизацией, она служит основным фактором возбуждения в газах электрического тока.
Каждый газ характеризуется определенной пороговой величиной - энергией ионизации, необходимой для того, чтобы электрон мог оторваться от молекулы, преодолев потенциальный барьер. Эта величина для первого электрона составляет от нескольких вольт до двух десятков вольт; для отрыва следующего электрона от молекулы нужно больше энергии и так далее.
Следует учитывать, что одновременно с ионизацией в газе протекает обратный процесс - рекомбинация, то есть восстановление нейтральных молекул под действием кулоновских сил притяжения.
Газовый разряд и его типы
Итак, электрический ток в газах обусловлен упорядоченным движением заряженных частиц под действием приложенного к ним электрического поля. Наличие таких зарядов, в свою очередь, возможно благодаря различным факторам ионизации.
Так, термоионизация требует значительных температур, но открытое пламя в связи с некоторыми химическими процессами способствует ионизации. Даже при сравнительно невысокой температуре в присутствии пламени фиксируется появление в газах электрического тока, и опыт с проводимостью газа позволяет легко в этом убедиться. Надо поместить пламя горелки или свечи между обкладками заряженного конденсатора. Цепь, разомкнутая прежде из-за воздушного зазора в конденсаторе, замкнется. Включенный в цепь гальванометр покажет наличие тока.
Электрический ток в газах называется газовым разрядом. Нужно иметь в виду, что для поддержания стабильности разряда действие ионизатора должно быть постоянным, так как из-за постоянной рекомбинации газ теряет электропроводящие свойства. Одни носители электрического тока в газах - ионы - нейтрализуются на электродах, другие - электроны, - попадая на анод, направляются к «плюсу» источника поля. Если ионизирующий фактор перестанет действовать, газ немедленно снова станет диэлектриком, и ток прекратится. Такой ток, зависимый от действия внешнего ионизатора, называется несамостоятельным разрядом.
Особенности прохождения электрического тока через газы описываются особой зависимостью силы тока от напряжения - вольт-амперной характеристикой.
Рассмотрим развитие газового разряда на графике вольт-амперной зависимости. При повышении напряжения до некоторого значения U 1 ток нарастает пропорционально ему, то есть выполняется закон Ома. Возрастает кинетическая энергия, а следовательно, и скорость зарядов в газе, и этот процесс опережает рекомбинацию. При значениях напряжения от U 1 до U 2 такое соотношение нарушается; при достижении U 2 все носители зарядов достигают электродов, не успевая рекомбинировать. Все свободные заряды задействованы, и дальнейшее повышение напряжения не приводит к увеличению силы тока. Такой характер движения зарядов называется током насыщения. Таким образом, можно сказать, что электрический ток в газах обусловлен также особенностями поведения ионизированного газа в электрических полях различной напряженности.
Когда разность потенциалов на электродах достигает определенного значения U 3 , напряжение становится достаточным, чтобы электрическое поле вызвало лавинообразную ионизацию газа. Кинетической энергии свободных электронов уже хватает для ударной ионизации молекул. Скорость их при этом в большинстве газов составляет около 2000 км/с и выше (она рассчитывается по приближенной формуле v=600 U i , где U i - ионизационный потенциал). В этот момент происходит пробой газа и существенное возрастание тока за счет внутреннего источника ионизации. Поэтому такой разряд называется самостоятельным.
Наличие внешнего ионизатора в данном случае уже не играет роли для поддержания в газах электрического тока. Самостоятельный разряд в разных условиях и при различных характеристиках источника электрического поля может иметь те или иные особенности. Выделяют такие типы самостоятельного разряда, как тлеющий, искровой, дуговой и коронный. Мы рассмотрим, как ведет себя электрический ток в газах, кратко для каждого из этих типов.
В достаточно разности потенциалов от 100 (и даже меньше) до 1000 вольт для возбуждения самостоятельного разряда. Поэтому тлеющий разряд, характеризующийся малым значением силы тока (от 10 -5 А до 1 А), возникает при давлениях не более нескольких миллиметров ртутного столба.
В трубке с разреженным газом и холодными электродами формирующийся тлеющий разряд выглядит как тонкий светящийся шнур между электродами. Если продолжить откачку газа из трубки, будет наблюдаться размывание шнура, а при давлениях в десятые доли миллиметров ртутного столба свечение заполняет трубку практически полностью. Свечение отсутствует вблизи катода - в так называемом темном катодном пространстве. Остальная часть называется положительным столбом. При этом главные процессы, обеспечивающие существование разряда, локализуются именно в темном катодном пространстве и в прилегающей к нему области. Здесь происходит ускорение заряженных частиц газа, выбивающих из катода электроны.
При тлеющем разряде причиной ионизации является электронная эмиссия с катода. Испущенные катодом электроны производят ударную ионизацию молекул газа, возникающие положительные ионы вызывают вторичную эмиссию с катода и так далее. Свечение положительного столба связано в основном с отдачей фотонов возбужденными молекулами газа, и для различных газов характерно свечение определенного цвета. Положительный столб принимает участие в формировании тлеющего разряда только в качестве участка электрической цепи. Если сближать электроды, можно добиться исчезновения положительного столба, но при этом разряд не прекратится. Однако с дальнейшим сокращением расстояния между электродами тлеющий разряд не сможет существовать.
Необходимо отметить, что для данного типа электрического тока в газах физика некоторых процессов еще не прояснена полностью. Например, пока остается неясной природа сил, вызывающих при увеличении тока расширение на поверхности катода области, которая принимает участие в разряде.
Искровой разряд
Искровой пробой имеет импульсный характер. Он возникает при давлениях, близких к нормальному атмосферному, в случаях, когда мощности источника электрического поля недостаточно для поддержания стационарного разряда. Напряженность поля при этом велика и может достигать 3 МВ/м. Явление характеризуется резким возрастанием разрядного электрического тока в газе, одновременно напряжение чрезвычайно быстро падает, и разряд прекращается. Далее снова возрастает разность потенциалов, и весь процесс повторяется.
При этом типе разряда формируются кратковременные искровые каналы, рост которых может начинаться с любой точки между электродами. Это связано с тем, что ударная ионизация происходит случайным образом в местах, где в данный момент концентрируется наибольшее количество ионов. Вблизи искрового канала газ быстро нагревается и испытывает тепловое расширение, вызывающее акустические волны. Поэтому искровой разряд сопровождается треском, а также выделением теплоты и ярким свечением. Процессы лавинной ионизации порождают в искровом канале высокие давления и температуры до 10 тысяч градусов и выше.
Ярчайшим примером природного искрового разряда служит молния. Диаметр главного искрового канала молнии может составлять от нескольких сантиметров до 4 м, а длина канала достигать 10 км. Величина силы тока доходит до 500 тыс. ампер, а разность потенциалов между грозовым облаком и поверхностью Земли достигает миллиарда вольт.
Наиболее длинная молния протяженностью 321 км наблюдалась в 2007 году в Оклахоме, США. Рекордсменом по продолжительности стала молния, зафиксированная в 2012 году во Французских Альпах - она длилась свыше 7,7 секунды. При ударе молнии воздух может разогреться до 30 тысяч градусов, что в 6 раз превышает температуру видимой поверхности Солнца.
В тех случаях, когда мощность источника электрического поля достаточно велика, искровой разряд развивается в дуговой.
Этот вид самостоятельного разряда характеризуется большой плотностью тока и малым (меньше, чем при тлеющем разряде) напряжением. Дистанция пробоя невелика благодаря близкому расположению электродов. Разряд инициируется испусканием электрона с поверхности катода (для атомов металлов потенциал ионизации невелик по сравнению с молекулами газов). Во время пробоя между электродами создаются условия, при которых газ проводит электрический ток, и возникает искровой разряд, замыкающий цепь. Если мощность источника напряжения достаточно велика, искровые разряды переходят в устойчивую электрическую дугу.
Ионизация при дуговом разряде достигает почти 100%, сила тока очень велика и может составлять от 10 до 100 ампер. При атмосферном давлении дуга способна нагреваться до 5-6 тысяч градусов, а катод - до 3 тысяч градусов, что приводит к интенсивной термоэлектронной эмиссии с его поверхности. Бомбардировка анода электронами приводит к частичному разрушению: на нем образуется углубление - кратер с температурой около 4000 °C. Увеличение давления влечет за собой еще больший рост температур.
При разведении электродов дуговой разряд остается устойчивым до некоторого расстояния, что позволяет бороться с ним на тех участках электрооборудования, где он вреден из-за вызываемой им коррозии и выгорания контактов. Это такие устройства, как высоковольтные и автоматические выключатели, контакторы и прочие. Одним из методов борьбы с дугой, возникающей при размыкании контактов, является использование дугогасительных камер, основанных на принципе удлинения дуги. Применяются и многие другие методы: шунтирование контактов, использование материалов с высоким потенциалом ионизации и так далее.
Развитие коронного разряда происходит при нормальном атмосферном давлении в резко неоднородных полях у электродов, обладающих большой кривизной поверхности. Это могут быть шпили, мачты, провода, различные элементы электрооборудования, имеющие сложную форму, и даже волосы человека. Такой электрод называется коронирующим. Ионизационные процессы и, соответственно, свечение газа имеют место только вблизи него.
Корона может формироваться как на катоде (отрицательная корона) при бомбардировке его ионами, так и на аноде (положительная) в результате фотоионизации. Отрицательная корона, в которой ионизационный процесс как следствие термоэмиссии направлен от электрода, характеризуется ровным свечением. В положительной короне могут наблюдаться стримеры - светящиеся линии ломаной конфигурации, могущие превратиться в искровые каналы.
Примером коронного разряда в природных условиях являются возникающие на остриях высоких мачт, верхушках деревьев и так далее. Образуются они при большой напряженности электрического поля в атмосфере, часто перед грозой или во время метели. Кроме того, их фиксировали на обшивке самолетов, попавших в облако вулканического пепла.
Коронный разряд на проводах ЛЭП ведет к значительным потерям электроэнергии. При большом напряжении коронный разряд может переходить в дуговой. Борьбу с ним ведут различными способами, например, путем увеличения радиуса кривизны проводников.
Электрический ток в газах и плазма
Полностью или частично ионизированный газ называется плазмой и считается четвертым агрегатным состоянием вещества. В целом плазма электрически нейтральна, так как суммарный заряд составляющих ее частиц равен нулю. Это отличает ее от других систем заряженных частиц, таких как, например, электронные пучки.
В природных условиях плазма образуется, как правило, при высоких температурах вследствие столкновения атомов газа на больших скоростях. Подавляющая часть барионной материи во Вселенной пребывает в состоянии плазмы. Это звезды, часть межзвездного вещества, межгалактический газ. Земная ионосфера также представляет собой разреженную слабо ионизированную плазму.
Степень ионизации является важной характеристикой плазмы - от нее зависят проводящие свойства. Степень ионизации определяется как отношение количества ионизированных атомов к общему количеству атомов в единице объема. Чем сильнее ионизирована плазма, тем выше ее электропроводность. Кроме того, ей присуща высокая подвижность.
Мы видим, таким образом, что газы, проводящие электрический ток, в пределах канала разряда являют собой не что иное, как плазму. Так, тлеющий и коронный разряды - это примеры холодной плазмы; искровой канал молнии или электрическая дуга - примеры горячей, практически полностью ионизованной плазмы.
Электрический ток в металлах, жидкостях и газах - различия и сходство
Рассмотрим особенности, которыми характеризуется газовый разряд в сравнении со свойствами тока в других средах.
В металлах ток - это направленное движение свободных электронов, не влекущее за собой химических изменений. Проводники такого типа называют проводниками первого рода; к ним относятся, кроме металлов и сплавов, уголь, некоторые соли и оксиды. Их отличает электронная проводимость.
Проводники второго рода - это электролиты, то есть жидкие водные растворы щелочей, кислот и солей. Прохождение тока сопряжено с химическим изменением электролита - электролизом. Ионы вещества, растворенного в воде, под действием разности потенциалов перемещаются в противоположные стороны: положительные катионы - к катоду, отрицательные анионы - к аноду. Процесс сопровождается выделением газа либо отложением слоя металла на катоде. Проводникам второго рода присуща ионная проводимость.
Что касается проводимости газов, то она, во-первых, временная, во-вторых, имеет признаки сходства и различия с каждым из них. Так, электрический ток и в электролитах, и в газах - это направленный к противоположным электродам дрейф разноименно заряженных частиц. Однако в то время как электролиты характеризуются чисто ионной проводимостью, в газовом разряде при сочетании электронного и ионного типов проводимости ведущая роль принадлежит электронам. Еще одно различие электрического тока в жидкостях и в газах состоит в природе ионизации. В электролите молекулы растворенного соединения диссоциируют в воде, в газе же молекулы не разрушаются, а только теряют электроны. Поэтому газовый разряд, как и ток в металлах, не связан с химическими изменениями.
Неодинакова также и тока в жидкостях и газах. Проводимость электролитов в целом подчиняется закону Ома, а при газовом разряде он не соблюдается. Вольт-амперная характеристика газов имеет гораздо более сложный характер, связанный со свойствами плазмы.
Следует упомянуть и об общих и отличительных чертах электрического тока в газах и в вакууме. Вакуум - это почти идеальный диэлектрик. «Почти» - потому что в вакууме, несмотря на отсутствие (точнее, чрезвычайно малую концентрацию) свободных носителей заряда, тоже возможен ток. Но в газе потенциальные носители уже присутствуют, их только необходимо ионизировать. В вакуум носители заряда вносятся из вещества. Как правило, это происходит в процессе электронной эмиссии, например при нагревании катода (термоэлектронная эмиссия). Но и в различных типах газовых разрядов эмиссия, как мы видели, играет важную роль.
Применение газовых разрядов в технике
О вредном воздействии тех или иных разрядов вкратце речь уже шла выше. Теперь обратим внимание на пользу, которую они приносят в промышленности и в быту.
Тлеющий разряд применяют в электротехнике (стабилизаторы напряжения), в технологии нанесения покрытий (метод катодного распыления, основанный на явлении коррозии катода). В электронике его используют для получения ионных и электронных пучков. Широко известной областью применения тлеющего разряда являются люминесцентные и так называемые экономичные лампы и декоративные неоновые и аргоновые газоразрядные трубки. Кроме того, тлеющий разряд применяют в и в спектроскопии.
Искровой разряд находит применение в предохранителях, в электроэрозионных методах точной обработки металлов (искровая резка, сверление и так далее). Но наиболее известен он благодаря использованию в свечах зажигания двигателей внутреннего сгорания и в бытовой технике (газовые плиты).
Дуговой разряд, будучи впервые использован в осветительной технике еще в 1876 году (свеча Яблочкова - «русский свет»), до сих пор служит в качестве источника света - например, в проекционных аппаратах и мощных прожекторах. В электротехнике дуга используется в ртутных выпрямителях. Кроме того, она применяется в электросварке, в резке металла, в промышленных электропечах для выплавки стали и сплавов.
Коронный разряд находит применение в электрофильтрах для ионной очистки газов, в счетчиках элементарных частиц, в молниеотводах, в системах кондиционирования воздуха. Также коронный разряд работает в копировальных аппаратах и лазерных принтерах, где посредством его производится заряд и разрядка светочувствительного барабана и перенос порошка с барабана на бумагу.
Таким образом, газовые разряды всех типов находят самое широкое применение. Электрический ток в газах успешно и эффективно используется во многих областях техники.
В обычных условиях газы не проводят электрический ток, так как их молекулы электрически нейтральны. Например, сухой воздух - это хороший изолятор, в чем мы могли убедиться с помощью самых простых опытов по электростатике. Однако воздух и другие газы становятся проводниками электрического тока, если в них тем или иным способом создать ионы.
Рис. 100. Воздух становится проводником электрического тока, если его ионизировать
Простейший опыт, иллюстрирующий проводимость воздуха при его ионизации пламенем показан на рис. 100: заряд на пластинах, сохраняющийся в течение длительного времени, быстро исчезает при внесении зажженной спички в пространство между пластинами.
Газовый разряд. Процесс прохождения электрического тока через газ обычно называют газовым разрядом (или электрическим разрядом в газе). Газовые разряды подразделяются на два вида: самостоятельные и несамостоятельные.
Несамостоятельный разряд. Разряд в газе называют несамостоятельным, если для его поддержания необходим внешний источник
ионизации. Ионы в газе могут возникать под действием высоких температур, рентгеновского и ультрафиолетового излучения, радиоактивности, космических лучей и т. д. Во всех этих случаях происходит освобождение одного или нескольких электронов из электронной оболочки атома или молекулы. В результате в газе появляются положительные ионы и свободные электроны. Освободившиеся электроны могут присоединяться к нейтральным атомам или молекулам, превращая их в отрицательные ионы.
Ионизация и рекомбинация. Наряду с процессами ионизации в газе происходят и обратные процессы рекомбинации: соединяясь между собой, положительные и отрицательные ионы или положительные ионы и электроны образуют нейтральные молекулы или атомы.
Изменение со временем концентрации ионов, обусловленное постоянным источником ионизации и процессами рекомбинации, можно описать следующим образом. Допустим, что источник ионизации создает в единице объема газа за единицу времени положительных ионов и такое же число электронов. Если в газе нет электрического тока и можно пренебречь уходом ионов из рассматриваемого объема из-за диффузии, то единственным механизмом уменьшения концентрации ионов будет рекомбинация.
Рекомбинация происходит при встрече положительного иона с электроном. Число таких встреч пропорционально как числу ионов, так и числу свободных электронов, т. е. пропорционально . Поэтому убыль числа ионов в единице объема в единицу времени может быть записана в виде , где а - постоянная величина, называемая коэффициентом рекомбинации.
При справедливости введенных предположений уравнение баланса ионов в газе запишется в виде
Мы не будем решать это дифференциальное уравнение в общем виде, а рассмотрим некоторые интересные частные случаи.
Прежде всего отметим, что процессы ионизации и рекомбинации через некоторое время должны скомпенсировать друг друга и в газе установится постоянная концентрация видно, что при
Стационарная концентрация ионов тем больше, чем мощнее источник ионизации и чем меньше коэффициент рекомбинации а.
После выключения ионизатора убывание концентрации ионов описывается уравнением (1), в котором нужно положить принять в качестве начального значения концентрации
Переписав это уравнение в виде после интегрирования получаем
График этой функции показан на рис. 101. Он представляет собой гиперболу, асимптотами которой являются ось времени и вертикальная прямая Разумеется, физический смысл имеет лишь участок гиперболы, соответствующий значениям Отметим медленный характер убывания концентрации со временем в сравнении с часто встречающимися в физике процессами экспоненциального затухания, которые реализуются, когда скорость убывания какой-либо величины пропорциональна первой степени мгновенного значения этой величины.
Рис. 101. Убывание концентрации ионов в газе после выключения источника ионизации
Несамостоятельная проводимость. Процесс спадания концентрации ионов после прекращения действия ионизатора значительно ускоряется, если газ находится во внешнем электрическом поле. Вытягивая электроны и ионы на электроды, электрическое поле может очень быстро обратить в нуль электропроводность газа в отсутствие ионизатора.
Для уяснения закономерностей несамостоятельного разряда рассмотрим для простоты случай, когда ток в ионизуемом внешним источником газе течет между двумя плоскими электродами, параллельными друг другу. В этом случае ионы и электроны находятся в однородном электрическом поле напряженности Е, равной отношению приложенного к электродам напряжения к расстоянию между ними.
Подвижность электронов и ионов. При постоянном приложенном напряжении в цепи устанавливается некоторая постоянная сила тока 1. Это значит, что электроны и ионы в ионизованном газе движутся с постоянными скоростями. Чтобы объяснить этот факт, нужно считать, что кроме постоянной ускоряющей силы электрического поля на движущиеся ионы и электроны действуют силы сопротивления, растущие с увеличением скорости. Эти силы описывают усредненный эффект столкновений электронов и ионов с нейтральными атомами и молекулами газа. Благодаря силам сопротивления
устанавливаются в среднем постоянные скорости электронов и ионов, пропорциональные напряженности Е электрического поля:
Коэффициенты пропорциональности называются подвижностями электрона и иона. Подвижности ионов и электронов имеют разные значения и зависят от сорта газа, его плотности, температуры и т. д.
Плотность электрического тока т. е. заряд, переносимый электронами и ионами за единицу времени через единичную площадку, выражается через концентрацию электронов и ионов их заряды и скорости установившегося движения
Квазинейтральность. В обычных условиях ионизованный газ в целом электронейтрален, или, как говорят, квазинейтрален, ибо в малых объемах, содержащих сравнительно небольшое число электронов и ионов, условие электронейтральности может и нарушаться. Это значит, что выполняется соотношение
Плотность тока при несамостоятельном разряде. Чтобы получить закон изменения со временем концентрации носителей тока при несамостоятельном разряде в газе, нужно наряду с процессами ионизации внешним источником и рекомбинации учесть также уход электронов и ионов на электроды. Число частиц, уходящих в единицу времени на электрод площади из объема равно Скорость убывания концентрации таких частиц мы получим, разделив это число на объем газа между электродами. Поэтому уравнение баланса вместо (1) при наличии тока запишется в виде
Для установления режима, когда из (8) получаем
Уравнение (9) позволяет найти зависимость плотности установившегося тока при несамостоятельном разряде от приложенного напряжения (или от напряженности поля Е).
Два предельных случая видны непосредственно.
Закон Ома. При низком напряжении, когда в уравнении (9) можно пренебречь вторым слагаемым в правой части, после чего получаем формулы (7) при этом имеем
Плотность тока пропорциональна напряженности приложенного электрического поля. Таким образом, для несамостоятельного газового разряда в слабых электрических полях выполняется закон Ома.
Ток насыщения. При низкой концентрации электронов и ионов в уравнении (9) можно пренебречь первым (квадратичным по слагаемым в правой части. В этом приближении вектор плотности тока направлен вдоль напряженности электрического поля, а его модуль
не зависит от приложенного напряжения. Этот результат справедлив для сильных электрических полей. В этом случае говорят о токе насыщения.
Оба рассмотренных предельных случая можно исследовать и не обращаясь к уравнению (9). Однако таким путем нельзя проследить, как при увеличении напряжения происходит переход от закона Ома к нелинейной зависимости тока от напряжения.
В первом предельном случае, когда ток очень мал, основной механизм удаления электронов и ионов из области разряда - это рекомбинация. Поэтому для стационарной концентрации можно воспользоваться выражением (2), что при учете (7) немедленно дает формулу (10). Во втором предельном случае, наоборот, пренебрегается рекомбинацией. В сильном электрическом поле электроны и ионы не успевают сколько-нибудь заметно рекомбинировать за время пролета от одного электрода до другого, если концентрация их достаточно мала. Тогда все образуемые внешним источником электроны и ионы достигают электродов и полная плотность тока равна Она пропорциональна длине ионизационной камеры, поскольку полное число производимых ионизатором электронов и ионов пропорционально I.
Экспериментальное изучение газового разряда. Выводы теории несамостоятельного газового разряда подтверждаются экспериментами. Для исследования разряда в газе удобно использовать стеклянную трубку с двумя металлическими электродами. Электрическая схема такой установки показана на рис. 102. Подвижности
электронов и ионов сильно зависят от давления газа (обратно пропорционально давлению), поэтому опыты удобно проводить при пониженном давлении.
На рис. 103 представлена зависимость силы тока I в трубке от приложенного к электродам трубки напряжения Ионизацию в трубке можно создать, например, рентгеновскими или ультрафиолетовыми лучами либо с помощью слабого радиоактивного препарата. Существенно только, чтобы внешний источник ионов оставался неизменным Линейный участок ОА вольт-амперной характеристики соответствует области применимости закона Ома.
Рис. 102. Схема установки для изучения газового разряда
Рис. 103. Экспериментальная вольт-амперная характеристика газового разряда
На участке сила тока нелинейно зависит от напряжения. Начиная с точки В ток достигает насыщения и остается постоянным на некотором участке Все это соответствует теоретическим предсказаниям.
Самостоятельный разряд. Однако в точке С снова начинается возрастание тока, сначала медленное, а затем очень резкое. Это означает, что в газе появился новый, внутренний источник ионов. Если теперь убрать внешний источник, то разряд в газе не прекращается, т. е. из несамостоятельного разряд переходит в самостоятельный. При самостоятельном разряде образование новых электронов и ионов происходит в результате внутренних процессов в самом газе.
Ионизация электронным ударом. Нарастание тока при переходе от несамостоятельного разряда к самостоятельному происходит лавинообразно и называется электрическим пробоем газа. Напряжение, при котором происходит пробой, называется напряжением зажигания. Оно зависит от рода газа и от произведения давления газа на расстояние между электродами.
Процессы в газе, ответственные за лавинообразное нарастание силы тока при увеличении приложенного напряжения, связаны с ионизацией нейтральных атомов или молекул газа свободными электронами, разогнанными электрическим полем до достаточно
больших энергий. Кинетическая энергия электрона перед очередным столкновением с нейтральным атомом или молекулой пропорциональна напряженности электрического поля Е и длине свободного пробега электрона X:
Если эта энергия достаточна для того, чтобы ионизовать нейтральный атом или молекулу, т. е. превосходит работу ионизации
то при столкновении электрона с атомом или молекулой происходит их ионизация. В результате вместо одного электрона возникают два. Они в свою очередь разгоняются электрическим полем и ионизуют встречающиеся на их пути атомы или молекулы и т. д. Процесс развивается лавинообразно и называется электронной лавиной. Описанный механизм ионизации называется ионизацией электронным ударом.
Экспериментальное доказательство того, что ионизация нейтральных атомов газа происходит в основном благодаря ударам электронов, а не положительных ионов, было дано Дж. Таунсендом. Он брал ионизационную камеру в виде цилиндрического конденсатора, внутренним электродом которого служила тонкая металлическая нить, натянутая по оси цилиндра. В такой камере ускоряющее электрическое поле сильно неоднородно, и основную роль в ионизации играют частицы, которые попадают в область наиболее сильного поля вблизи нити. Опыт показывает, что при одном и том же напряжении между электродами ток разряда больше в том случае, когда положительный потенциал подается на нить, а не на внешний цилиндр. Именно в этом случае все создающие ток свободные электроны обязательно проходят через область наиболее сильного поля.
Эмиссия электронов из катода. Самостоятельный разряд может быть стационарным лишь при условии постоянного появления в газе новых свободных электронов, так как все возникающие в лавине электроны достигают анода и выбывают из игры. Новые электроны выбиваются из катода положительными ионами, которые при движении к катоду также ускоряются электрическим полем и приобретают достаточную для этого энергию.
Катод может испускать электроны не только в результате бомбардировки ионами, но и самостоятельно, при нагревании его до высокой температуры. Такой процесс называется термоэлектронной эмиссией, его можно рассматривать как своего рода испарение электронов из металла. Обычно оно происходит при таких температурах, когда испарение самого материала катода еще мало. В случае самостоятельного газового разряда катод обычно разогревается не
нитью накала, как в электронных лампах, а из-за выделения теплоты при бомбардировке его положительными ионами. Поэтому катод испускает электроны даже тогда, когда энергия ионов недостаточна для выбивания электронов.
Самостоятельный разряд в газе возникает не только в результате перехода от несамостоятельного при повышении напряжения и удалении внешнего источника ионизации, но и при непосредственном приложении напряжения, превышающего пороговое напряжение зажигания. Теория показывает, что для зажигания разряда достаточно самого незначительного количества ионов, которые всегда присутствуют в нейтральном газе хотя бы из-за естественного радиоактивного фона.
В зависимости от свойств и давления газа, конфигурации электродов и приложенного к электродам напряжения возможны различные виды самостоятельного разряда.
Тлеющий разряд. При низких давлениях (десятые и сотые доли миллиметра ртутного столба) в трубке наблюдается тлеющий разряд. Для зажигания тлеющего разряда достаточно напряжения в несколько сотен или даже десятков вольт. В тлеющем разряде можно выделить четыре характерные области. Это темное катодное пространство, тлеющее (или отрицательное) свечение, фарадеево темное пространство и светящийся положительный столб, занимающий большую часть пространства между анодом и катодом.
Первые три области находятся вблизи катода. Именно здесь происходит резкое падение потенциала, связанное с большой концентрацией положительных ионов на границе катодного темного пространства и тлеющего свечения. Электроны, ускоренные в области катодного темного пространства, производят в области тлеющего свечения интенсивную ударную ионизацию. Тлеющее свечение обусловлено рекомбинацией ионов и электронов в нейтральные атомы или молекулы. Для положительного столба разряда характерно незначительное падение потенциала и свечение, вызываемое возвращением возбужденных атомов или молекул газа в основное состояние.
Коронный разряд. При сравнительно высоких давлениях в газе (порядка атмосферного) вблизи заостренных участков проводника, где электрическое поле сильно неоднородно, наблюдается разряд, светящаяся область которого напоминает корону. Коронный разряд иногда возникает в естественных условиях на верхушках деревьев, корабельных мачтах и т. п. («огни святого Эльма»). С коронным разрядом приходится считаться в технике высоких напряжений, когда этот разряд возникает вокруг проводов высоковольтных линий электропередачи и приводит к потерям электроэнергии. Полезное практическое применение коронный разряд находит в электрофильтрах для очистки промышленных газов от примесей твердых и жидких частиц.
При увеличении напряжения между электродами коронный разряд переходит в искровой с полным пробоем промежутка между
электродами. Он имеет вид пучка ярких зигзагообразных разветвляющихся каналов, мгновенно пронизывающих разрядный промежуток и прихотливо сменяющих друг друга. Искровой разряд сопровождается выделением большого количества теплоты, ярким голубовато-белым свечением и сильным потрескиванием. Его можно наблюдать между шариками электрофорной машины. Пример гигантского искрового разряда - естественная молния, где сила тока достигает 5-105 А, а разность потенциалов - 109 В.
Поскольку искровой разряд происходит при атмосферном (и более высоком) давлении, то напряжение зажигания весьма велико: в сухом воздухе при расстоянии между электродами 1 см оно составляет около 30 кВ.
Электрическая дуга. Специфическим практически важным видом самостоятельного газового разряда является электрическая дуга. При соприкосновении двух угольных или металлических электродов в месте их контакта выделяется большое количество теплоты из-за большого сопротивления контакта. В результате начинается термоэлектронная эмиссия и при раздвижении электродов между ними возникает ярко светящаяся дуга из сильно ионизованного хорошо проводящего газа. Сила тока даже в небольшой дуге достигает нескольких ампер, а в большой дуге - нескольких сотен ампер при напряжении порядка 50 В. Электрическая дуга широко применяется в технике как мощный источник света, в электропечах и для электросварки. слабое задерживающее поле с напряжением около 0,5 В. Это поле препятствует попаданию на анод медленных электронов. Электроны испускаются катодом К, подогреваемым электрическим током.
На рис. 105 показана полученная в этих опытах зависимость силы тока в анодной цепи от ускоряющего напряжения Эта зависимость имеет немонотонный характер с максимумами при напряжениях кратных 4,9 В.
Дискретность уровней энергии атома. Объяснить такую зависимость тока от напряжения можно лишь наличием у атомов ртути дискретных стационарных состояний. Если бы дискретных стационарных состояний у атома не было, т. е. его внутренняя энергия могла бы принимать любые значения, то неупругие столкновения, сопровождающиеся увеличением внутренней энергии атома, могли бы происходить при любых энергиях электронов. Если же дискретные состояния есть, то столкновения электронов с атомами могут быть только упругими, пока энергия электронов недостаточна для перевода атома из основного состояния в наинизшее возбужденное.
При упругих столкновениях кинетическая энергия электронов практически не меняется, так как масса электрона много меньше массы атома ртути. В этих условиях число электронов, достигающих анода, монотонно увеличивается с ростом напряжения. Когда ускоряющее напряжение достигает значения 4,9 В, столкновения электронов с атомами становятся неупругими. Внутренняя энергия атомов скачком увеличивается, а электрон в результате соударения теряет почти всю свою кинетическую энергию.
Задерживающее поле не пропускает также медленные электроны к аноду и сила тока резко уменьшается. Она не обращается в нуль лишь потому, что часть электронов достигает сетки, не испытав неупругих соударений. Второй и последующие максимумы силы тока получаются потому, что при напряжениях, кратных 4,9 В, электроны на пути к сетке могут испытать несколько неупругих столкновений с атомами ртути.
Итак, необходимую для неупругого соударения энергию электрон приобретает только после прохождения разности потенциалов 4,9 В. Это означает, что внутренняя энергия атомов ртути не может измениться на величину, меньшую эВ, что и доказывает дискретность энергетического спектра атома. Справедливость этого вывода подтверждается еще и тем, что при напряжении 4,9 В разряд начинает светиться: возбужденные атомы при спонтанных
переходах в основное состояние излучают видимый свет, частота которого совпадает с вычисленной по формуле
В классических опытах Франка и Герца методом электронного удара были определены не только потенциалы возбуждения, но и ионизационные потенциалы ряда атомов.
Приведите пример опыта по электростатике, из которого можно сделать вывод о том, что сухой воздух - это хороший изолятор.
Где в технике используются изолирующие свойства воздуха?
Что такое несамостоятельный газовый разряд? При каких условиях он протекает?
Поясните, почему скорость убывания концентрации, обусловленная рекомбинацией, пропорциональна квадрату концентрации электронов и ионов. Почему эти концентрации можно считать одинаковыми?
Почему для закона убывания концентрации, выражаемого формулой (3), не имеет смысла вводить понятие характерного времени, широко используемого для экспоненциально затухающих процессов, хотя и в том и в другом случае процессы продолжаются, вообще говоря, бесконечно долго?
Как по-вашему, почему в определениях подвижностей в формулах (4) для электронов и ионов выбраны противоположные знаки?
Как сила тока при несамостоятельном газовом разряде зависит от приложенного напряжения? Почему с ростом напряжения происходит переход от закона Ома к току насыщения?
Электрический ток в газе осуществляется как электронами, так и ионами. Однако на каждый из электродов приходят заряды лишь одного знака. Как это согласуется с тем, что во всех участках последовательной цепи сила тока одинакова?
Почему в ионизации газа в разряде из-за соударений наибольшую роль играют электроны, а не положительные ионы?
Опишите характерные признаки различных видов самостоятельного газового разряда.
Почему результаты опытов Франка и Герца свидетельствуют о дискретности уровней энергии атомов?
Опишите физические процессы, происходящие в газоразрядной трубке в опытах Франка и Герца, при повышении ускоряющего напряжения.