Warunki przepływu prądu elektrycznego w gazach. Prąd elektryczny w gazach: definicja, cechy i ciekawe fakty

W normalne warunki gazy nie przewodzą prądu elektrycznego, ponieważ ich cząsteczki są elektrycznie obojętne. Na przykład suche powietrze jest dobrym izolatorem, co mogliśmy sprawdzić za pomocą najprostszych doświadczeń z elektrostatyki. Jednak powietrze i inne gazy stają się przewodnikami prądu elektrycznego, jeśli w taki czy inny sposób powstają w nich jony.

Ryż. 100. Powietrze staje się przewodnikiem prądu elektrycznego, jeśli jest zjonizowane

Najprostsze doświadczenie ilustrujące przewodnictwo powietrza podczas jego jonizacji przez płomień pokazano na ryc. 100: Długo utrzymujący się ładunek na płytkach szybko znika, gdy w przestrzeń między płytkami włożymy zapaloną zapałkę.

Wyładowanie gazu. Proces przepuszczania prądu elektrycznego przez gaz jest zwykle nazywany wyładowaniem gazowym (lub wyładowaniem elektrycznym w gazie). Zrzuty gazu dzielą się na dwa rodzaje: niezależne i niesamodzielne.

Kategoria niesamowystarczalna. Wyładowanie w gazie nazywa się niesamowystarczalnym, jeśli do jego utrzymania potrzebne jest zewnętrzne źródło.

jonizacja. Jony w gazie mogą powstawać pod wpływem wysokich temperatur, promieniowania rentgenowskiego i promieniowanie ultrafioletowe, radioaktywność, promienie kosmiczne itp. We wszystkich tych przypadkach jeden lub więcej elektronów jest uwalnianych z powłoki elektronowej atomu lub cząsteczki. W rezultacie w gazie pojawiają się jony dodatnie i wolne elektrony. Uwolnione elektrony mogą łączyć się z neutralnymi atomami lub cząsteczkami, zamieniając je w jony ujemne.

Jonizacja i rekombinacja. Wraz z procesami jonizacji w gazie zachodzą również procesy odwrotnej rekombinacji: po połączeniu jony dodatnie i ujemne lub jony dodatnie i elektrony tworzą neutralne cząsteczki lub atomy.

Zmianę stężenia jonów w czasie, ze względu na stałe źródło procesów jonizacji i rekombinacji, można opisać następująco. Załóżmy, że źródło jonizacji wytwarza jony dodatnie na jednostkę objętości gazu w jednostce czasu i taką samą liczbę elektronów. Jeżeli w gazie nie ma prądu elektrycznego i można pominąć ucieczkę jonów z rozważanej objętości na skutek dyfuzji, wówczas jedynym mechanizmem zmniejszania stężenia jonów będzie rekombinacja.

Rekombinacja zachodzi, gdy jon dodatni spotyka się z elektronem. Liczba takich spotkań jest proporcjonalna zarówno do liczby jonów, jak i liczby wolnych elektronów, czyli proporcjonalna do . Dlatego spadek liczby jonów na jednostkę objętości w jednostce czasu można zapisać jako , gdzie a jest stałą wartością zwaną współczynnikiem rekombinacji.

Przy spełnieniu przyjętych założeń równanie bilansowe dla jonów w gazie można zapisać w postaci

Nie rozwiążemy tego równanie różniczkowe w ogólna perspektywa i rozważ kilka interesujących przypadków specjalnych.

Przede wszystkim zauważamy, że procesy jonizacji i rekombinacji po pewnym czasie powinny się zrekompensować i w gazie ustali się stałe stężenie, widać, że przy

Stężenie jonów stacjonarnych jest tym większe, im mocniejsze jest źródło jonizacji i im mniejszy jest współczynnik rekombinacji a.

Po wyłączeniu jonizatora spadek stężenia jonów opisuje równanie (1), w którym należy przyjąć za początkową wartość stężenia

Przepisując to równanie w postaci po całkowaniu, otrzymujemy

Wykres tej funkcji pokazano na ryc. 101. Jest to hiperbola, której asymptotami są oś czasu i linia pionowa. Oczywiście, znaczenie fizyczne ma tylko odcinek hiperboli odpowiadający wartościom.Zauważamy powolny charakter spadku stężenia w czasie w porównaniu z często spotykanymi w fizyce procesami zaniku wykładniczego, które są realizowane, gdy tempo spadku wielkości jest proporcjonalna do pierwszej potęgi wartości chwilowej tej wielkości.

Ryż. 101. Spadek stężenia jonów w gazie po wyłączeniu źródła jonizacji

Przewodnictwo inne niż własne. Proces zmniejszania stężenia jonów po zakończeniu działania jonizatora ulega znacznemu przyspieszeniu, jeśli gaz znajduje się w zewnętrznym polu elektrycznym. Przyciągając elektrony i jony do elektrod, pole elektryczne może bardzo szybko zniweczyć przewodnictwo elektryczne gazu w przypadku braku jonizatora.

Aby zrozumieć prawa niesamopodtrzymującego się wyładowania, rozważmy dla uproszczenia przypadek, w którym prąd w gazie zjonizowanym przez zewnętrzne źródło przepływa między dwiema płaskimi elektrodami ustawionymi równolegle do siebie. W tym przypadku jony i elektrony znajdują się w jednorodnym polu elektrycznym o natężeniu E, równym stosunkowi napięcia przyłożonego do elektrod do odległości między nimi.

Ruchliwość elektronów i jonów. Przy stałym przyłożonym napięciu w obwodzie ustala się pewna stała siła prądu 1. Oznacza to, że elektrony i jony w zjonizowanym gazie poruszają się ze stałą prędkością. Aby wyjaśnić ten fakt, musimy założyć, że oprócz stałej siły przyspieszającej pole elektryczne na poruszające się jony i elektrony działają siły oporu, które rosną wraz ze wzrostem prędkości. Siły te opisują średni efekt zderzeń elektronów i jonów z neutralnymi atomami i cząsteczkami gazu. Poprzez siły oporu

ustawić średnio stałe prędkości elektrony i jony proporcjonalne do natężenia pola elektrycznego E:

Współczynniki proporcjonalności nazywane są ruchliwością elektronów i jonów. Ruchliwości jonów i elektronów mają różne znaczenia i zależą od rodzaju gazu, jego gęstości, temperatury itp.

Gęstość prądu elektrycznego, tj. ładunek przenoszony przez elektrony i jony w jednostce czasu przez jednostkę powierzchni, wyraża się jako stężenie elektronów i jonów, ich ładunki oraz prędkość ruchu ustalonego

Quasi-neutralność. W normalnych warunkach zjonizowany gaz jako całość jest elektrycznie obojętny lub, jak mówią, quasi-obojętny, ponieważ w małych objętościach zawierających stosunkowo niewielką liczbę elektronów i jonów warunek obojętności elektrycznej może zostać naruszony. Oznacza to, że relacja

Gęstość prądu przy rozładowaniu niesamopodtrzymującym się. Aby otrzymać prawo zmiany stężenia nośników prądu w czasie podczas niesamowystarczalnego wyładowania w gazie, oprócz procesów jonizacji przez źródło zewnętrzne i rekombinacji należy uwzględnić ucieczkę elektronów i jonów do elektrod. Liczba cząstek opuszczających w jednostce czasu powierzchnię elektrody z objętości jest równa Szybkość spadku stężenia takich cząstek, którą otrzymujemy dzieląc tę liczbę przez objętość gazu między elektrodami. Dlatego równanie bilansowe zamiast (1) w obecności prądu zostanie zapisane w postaci

Aby ustanowić reżim, gdy z (8) otrzymujemy

Równanie (9) pozwala znaleźć zależność gęstości prądu w stanie ustalonym w wyładowaniu niesamopodtrzymującym się od przyłożonego napięcia (lub od natężenia pola E).

Bezpośrednio widoczne są dwa przypadki graniczne.

Prawo Ohma. Przy niskim napięciu, gdy w równaniu (9) możemy zaniedbać drugi wyraz po prawej stronie, po czym otrzymujemy wzory (7), mamy

Gęstość prądu jest proporcjonalna do natężenia przyłożonego pola elektrycznego. Zatem dla niesamopodtrzymującego się wyładowania gazowego w słabych polach elektrycznych spełnione jest prawo Ohma.

Prąd nasycenia. Przy małej koncentracji elektronów i jonów w równaniu (9) możemy zaniedbać pierwszy (kwadratowy pod względem wyrazów po prawej stronie. W tym przybliżeniu wektor gęstości prądu jest skierowany wzdłuż natężenia pola elektrycznego, a jego moduł

nie zależy od przyłożonego napięcia. Wynik ten jest ważny dla silnych pól elektrycznych. W tym przypadku mówimy o prądzie nasycenia.

Oba rozważane przypadki graniczne można badać bez odwoływania się do równania (9). Jednak w ten sposób nie można prześledzić, jak wraz ze wzrostem napięcia następuje przejście od prawa Ohma do nieliniowej zależności prądu od napięcia.

W pierwszym przypadku granicznym, gdy prąd jest bardzo mały, głównym mechanizmem usuwania elektronów i jonów z obszaru wyładowania jest rekombinacja. Dlatego dla stężenia stacjonarnego można zastosować wyrażenie (2), które po uwzględnieniu (7) daje natychmiast wzór (10). Przeciwnie, w drugim przypadku granicznym pomija się rekombinację. W silnym polu elektrycznym elektrony i jony nie mają czasu na zauważalną rekombinację w czasie przelotu z jednej elektrody na drugą, jeśli ich stężenie jest wystarczająco niskie. Wtedy wszystkie elektrony i jony utworzone przez zewnętrzne źródło docierają do elektrod, a całkowita gęstość prądu jest równa Jest proporcjonalna do długości komory jonizacyjnej, ponieważ Łączna wytwarzany przez jonizator elektronów i jonów w proporcji do I.

Eksperymentalne badanie wyładowań gazowych. Wnioski teorii niesamopodtrzymującego się wyładowania gazowego potwierdzają eksperymenty. Aby zbadać wyładowanie w gazie, wygodnie jest użyć szklanej rurki z dwiema metalowymi elektrodami. Obwód elektryczny takiej instalacji pokazano na ryc. 102. Mobilność

elektrony i jony silnie zależą od ciśnienia gazu (odwrotnie proporcjonalnego do ciśnienia), dlatego wygodnie jest przeprowadzać eksperymenty przy obniżonym ciśnieniu.

na ryc. 103 pokazuje zależność natężenia prądu I w lampie od napięcia przyłożonego do elektrod lampy.Jonizację w lampie można wytworzyć np. za pomocą promieni rentgenowskich lub ultrafioletowych, albo przy użyciu słabego preparatu radioaktywnego. Istotne jest jedynie, aby zewnętrzne źródło jonów pozostało niezmienione.

Ryż. 102. Schemat instalacji do badania zrzutu gazu

Ryż. 103. Eksperymentalna charakterystyka prądowo-napięciowa wyładowania gazowego

W przekroju natężenie prądu jest nieliniowo zależne od napięcia. Począwszy od punktu B prąd osiąga nasycenie i przez pewien odcinek pozostaje stały, co jest zgodne z przewidywaniami teoretycznymi.

Ranga własna. Jednak w punkcie C prąd zaczyna ponownie rosnąć, najpierw powoli, a potem bardzo gwałtownie. Oznacza to, że w gazie pojawiło się nowe, wewnętrzne źródło jonów. Jeśli teraz usuniemy zewnętrzne źródło, to wyładowanie w gazie nie ustaje, tj. przechodzi z wyładowania niesamopodtrzymującego się w wyładowanie niezależne. W przypadku samorozładowania powstawanie nowych elektronów i jonów następuje w wyniku procesów wewnętrznych w samym gazie.

Jonizacja przez uderzenie elektronu. Wzrost prądu podczas przejścia od niesamopodtrzymującego się wyładowania do niezależnego następuje jak lawina i nazywa się elektrycznym przebiciem gazu. Napięcie, przy którym następuje przebicie, nazywane jest napięciem zapłonu. Zależy to od rodzaju gazu oraz iloczynu ciśnienia gazu i odległości między elektrodami.

Procesy w gazie odpowiedzialne za lawinowy wzrost natężenia prądu wraz ze wzrostem przyłożonego napięcia są związane z jonizacją obojętnych atomów lub cząsteczek gazu przez swobodne elektrony przyspieszane przez pole elektryczne do wystarczającej

duże energie. Energia kinetyczna elektronu przed kolejnym zderzeniem z obojętnym atomem lub cząsteczką jest proporcjonalna do natężenia pola elektrycznego E i drogi swobodnej elektronu X:

Jeśli ta energia jest wystarczająca do zjonizowania obojętnego atomu lub cząsteczki, tj. przekracza pracę jonizacji

następnie, gdy elektron zderza się z atomem lub cząsteczką, ulegają one jonizacji. W rezultacie zamiast jednego pojawiają się dwa elektrony. Te z kolei są przyspieszane przez pole elektryczne i jonizują napotkane na swojej drodze atomy lub cząsteczki itp. Proces ten przebiega jak lawina i nazywany jest lawiną elektronową. Opisany mechanizm jonizacji nazywany jest jonizacją uderzeniową elektronów.

Eksperymentalny dowód na to, że jonizacja atomów gazu obojętnego zachodzi głównie w wyniku zderzeń elektronów, a nie jonów dodatnich, dał J. Townsend. Wziął komorę jonizacyjną w postaci cylindrycznego kondensatora, którego wewnętrzną elektrodą była cienka metalowa nić rozciągnięta wzdłuż osi cylindra. W takiej komorze przyspieszające pole elektryczne jest wysoce niejednorodne, a główną rolę w jonizacji odgrywają cząstki, które wpadają w rejon najsilniejszego pola w pobliżu włókna. Doświadczenie pokazuje, że przy tym samym napięciu między elektrodami prąd rozładowania jest większy, gdy dodatni potencjał jest przyłożony do żarnika, a nie do zewnętrznego cylindra. W tym przypadku wszystkie swobodne elektrony, które wytwarzają prąd, koniecznie przechodzą przez obszar najsilniejszego pola.

Emisja elektronów z katody. Samopodtrzymujące się wyładowanie może być stacjonarne tylko wtedy, gdy w gazie stale pojawiają się nowe wolne elektrony, ponieważ wszystkie elektrony, które pojawiają się w lawinie, docierają do anody i są eliminowane z gry. Nowe elektrony są wybijane z katody przez jony dodatnie, które poruszając się w kierunku katody, są również przyspieszane przez pole elektryczne i uzyskują do tego wystarczającą energię.

Katoda może emitować elektrony nie tylko w wyniku bombardowania jonami, ale także niezależnie, po podgrzaniu do wysoka temperatura. Proces ten nazywany jest emisją termojonową, można go traktować jako rodzaj odparowywania elektronów z metalu. Zwykle występuje w takich temperaturach, kiedy odparowanie samego materiału katody jest jeszcze niewielkie. W przypadku samowystarczalnego wyładowania gazowego katoda jest zwykle ogrzewana bez

włókno, jak w lampach próżniowych, ale z powodu wydzielania ciepła podczas bombardowania jonami dodatnimi. Dlatego katoda emituje elektrony nawet wtedy, gdy energia jonów jest niewystarczająca do wybicia elektronów.

Samopodtrzymujące się wyładowanie w gazie następuje nie tylko w wyniku przejścia z niesamopodtrzymującego się ze wzrostem napięcia i usunięciem zewnętrznego źródła jonizacji, ale także z bezpośrednim przyłożeniem napięcia przekraczającego napięcie progowe zapłonu. Teoria pokazuje, że najmniejsza ilość jonów, które są zawsze obecne w gazie obojętnym, choćby ze względu na naturalne radioaktywne tło, wystarcza do zapalenia wyładowania.

W zależności od właściwości i ciśnienia gazu, konfiguracji elektrod i napięcia przyłożonego do elektrod, możliwe są różne rodzaje samorozładowania.

Wyładowanie tlące. Na niskie ciśnienia(dziesiąte i setne części milimetra słupa rtęci) obserwuje się wyładowanie jarzeniowe w rurze. Do zapalenia wyładowania jarzeniowego wystarczy napięcie rzędu kilkuset, a nawet kilkudziesięciu woltów. W wyładowaniu jarzeniowym można wyróżnić cztery charakterystyczne obszary. Są to przestrzeń ciemnej katody, poświata jarzeniowa (lub ujemna), ciemna przestrzeń Faradaya i świetlista kolumna dodatnia, która zajmuje większość przestrzeni między anodą a katodą.

Pierwsze trzy obszary znajdują się w pobliżu katody. Tutaj to się dzieje Ostry spadek potencjał, związany z dużą koncentracją jonów dodatnich na granicy ciemnej przestrzeni katody i poświatą jarzenia. Elektrony przyspieszane w obszarze ciemnej przestrzeni katody powodują intensywną jonizację uderzeniową w obszarze jarzenia. Tlący się blask jest wynikiem rekombinacji jonów i elektronów w neutralne atomy lub cząsteczki. Dodatnia kolumna wyładowania charakteryzuje się niewielkim spadkiem potencjału i jarzeniem spowodowanym powrotem wzbudzonych atomów lub cząsteczek gazu do stanu podstawowego.

Wyładowanie koronowe. Przy stosunkowo wysokich ciśnieniach w gazie (rzędu ciśnienia atmosferycznego), w pobliżu ostrych odcinków przewodnika, gdzie pole elektryczne jest silnie niejednorodne, obserwuje się wyładowanie, którego świetlisty obszar przypomina koronę. Wyładowanie koronowe czasami występuje w żywy na wierzchołkach drzew, masztach statków itp. („Pożary św. Elma”). Wyładowanie koronowe należy brać pod uwagę w inżynierii wysokich napięć, gdy wyładowanie to występuje wokół przewodów linii elektroenergetycznych wysokiego napięcia i prowadzi do strat mocy. Użyteczne praktyczne użycie wyładowania koronowe występują w elektrofiltrach do oczyszczania gazów przemysłowych z zanieczyszczeń cząstek stałych i ciekłych.

Wraz ze wzrostem napięcia między elektrodami wyładowanie koronowe zamienia się w iskrę z całkowitym rozpadem szczeliny między nimi

elektrody. Ma postać wiązki jasnych zygzakowatych rozgałęzionych kanałów, natychmiast penetrujących szczelinę wyładowczą i kapryśnie zastępując się nawzajem. Wyładowaniu iskrowemu towarzyszy wydzielanie dużej ilości ciepła, jasna niebieskawo-biała poświata i silne trzaski. Można to zaobserwować między kulkami maszyny elektroforowej. Przykładem gigantycznego wyładowania iskrowego jest naturalne wyładowanie atmosferyczne, w którym natężenie prądu sięga 5-105 A, a różnica potencjałów wynosi 109 V.

Ponieważ wyładowanie iskrowe zachodzi przy ciśnieniu atmosferycznym (i wyższym), napięcie zapłonu jest bardzo wysokie: w suchym powietrzu, przy odległości między elektrodami 1 cm, wynosi około 30 kV.

Łuk elektryczny. Specyficznym praktycznie ważnym rodzajem niezależnego wyładowania gazowego jest łuk elektryczny. Kiedy dwie elektrody węglowe lub metalowe stykają się w miejscu ich zetknięcia, duża liczba ciepła z powodu dużej rezystancji styku. W rezultacie rozpoczyna się emisja termionowa, a kiedy elektrody są rozsuwane między nimi, z silnie zjonizowanego, dobrze przewodzącego gazu powstaje jasno świecący łuk. Natężenie prądu nawet w małym łuku osiąga kilka amperów, aw dużym łuku - kilkaset amperów przy napięciu około 50 V. Łuk elektryczny jest szeroko stosowany w technice jako mocne źródło światła, w piecach elektrycznych i do spawania elektrycznego . słabe pole opóźniające o napięciu około 0,5 V. Pole to zapobiega przedostawaniu się wolnych elektronów do anody. Elektrony są emitowane przez katodę K ogrzewaną prądem elektrycznym.

na ryc. 105 przedstawiono zależność natężenia prądu w obwodzie anodowym od uzyskanego w tych doświadczeniach napięcia przyspieszającego Zależność ta ma charakter niemonotoniczny z maksimami przy napięciach wielokrotności 4,9 V.

Dyskretność poziomów energii atomowej. Tę zależność prądu od napięcia można wytłumaczyć jedynie obecnością dyskretnych stanów stacjonarnych w atomach rtęci. Gdyby atom nie posiadał dyskretnych stanów stacjonarnych, tzn. jego energia wewnętrzna mogła przyjmować dowolne wartości, to zderzenia niesprężyste, którym towarzyszyłby wzrost energii wewnętrznej atomu, mogłyby zachodzić przy dowolnych energiach elektronów. Jeśli istnieją stany dyskretne, to zderzenia elektronów z atomami mogą być tylko sprężyste, o ile energia elektronów jest niewystarczająca do przejścia atomu ze stanu podstawowego do najniższego stanu wzbudzonego.

Podczas zderzeń sprężystych energia kinetyczna elektronów praktycznie się nie zmienia, ponieważ masa elektronu jest znacznie mniejsza niż masa atomu rtęci. W tych warunkach liczba elektronów docierających do anody wzrasta monotonicznie wraz ze wzrostem napięcia. Gdy napięcie przyspieszające osiągnie 4,9 V, zderzenia elektronów z atomami stają się niesprężyste. Energia wewnętrzna atomów gwałtownie wzrasta, a elektron traci prawie całą swoją energię kinetyczną w wyniku zderzenia.

Pole opóźniające nie pozwala również powolnym elektronom dotrzeć do anody, a prąd gwałtownie spada. Nie znika tylko dlatego, że część elektronów dociera do siatki bez zderzeń niesprężystych. Drugie i kolejne maksima natężenia prądu uzyskuje się, ponieważ przy napięciach będących wielokrotnością 4,9 V elektrony w drodze do siatki mogą doświadczyć kilku niesprężystych zderzeń z atomami rtęci.

Tak więc elektron uzyskuje energię potrzebną do zderzenia niesprężystego dopiero po przejściu przez różnicę potencjałów 4,9 V. Oznacza to, że energia wewnętrzna atomów rtęci nie może zmienić się o wartość mniejszą niż eV, co świadczy o nieciągłości widma energii elektronu atom. Słuszność tego wniosku potwierdza również fakt, że przy napięciu 4,9 V wyładowanie zaczyna świecić: wzbudzone atomy podczas spontanicznego

emitują przejścia do stanu podstawowego widzialne światło, którego częstotliwość pokrywa się z częstotliwością obliczoną według wzoru

W klasycznych eksperymentach Franka i Hertza metoda zderzeń elektronów określała nie tylko potencjały wzbudzenia, ale także potencjały jonizacji wielu atomów.

Podaj przykład doświadczenia elektrostatycznego, które pokazuje, że suche powietrze jest dobrym izolatorem.

Gdzie się podziały właściwości izolacyjne powietrza wykorzystywanego w inżynierii?

Co to jest niesamopodtrzymujące się wyładowanie gazu? W jakich warunkach to działa?

Wyjaśnij, dlaczego tempo spadku stężenia w wyniku rekombinacji jest proporcjonalne do kwadratu stężenia elektronów i jonów. Dlaczego te stężenia można uznać za takie same?

Dlaczego nie ma sensu, aby prawo malejącego stężenia wyrażone wzorem (3) wprowadzało pojęcie czasu charakterystycznego, które jest szeroko stosowane dla procesów rozkładających się wykładniczo, chociaż w obu przypadkach procesy trwają, ogólnie rzecz biorąc, nieskończenie długo? czas?

Jak myślisz, dlaczego w definicjach ruchliwości we wzorach (4) dla elektronów i jonów wybierane są przeciwne znaki?

W jaki sposób natężenie prądu w niesamowystarczalnym wyładowaniu gazowym zależy od przyłożonego napięcia? Dlaczego przejście od prawa Ohma do prądu nasycenia następuje wraz ze wzrostem napięcia?

Elektryczność w gazie wykonują zarówno elektrony, jak i jony. Jednak ładunki tylko jednego znaku docierają do każdej z elektrod. Jak to się ma do faktu, że we wszystkich sekcjach obwodu szeregowego natężenie prądu jest takie samo?

Dlaczego elektrony, a nie jony dodatnie, odgrywają największą rolę w jonizacji gazu w wyładowaniu w wyniku zderzeń?

Opisać cechy różnego rodzaju niezależny zrzut gazu.

Dlaczego wyniki eksperymentów Franka i Hertza świadczą o odrębności poziomów energetycznych atomów?

Opisz procesy fizyczne zachodzące w rurze wyładowczej w doświadczeniach Franka i Hertza, gdy zwiększa się napięcie przyspieszające.

To jest krótkie podsumowanie.

Prace nad pełną wersją trwają

Wykład2 1

Prąd w gazach

1. Postanowienia ogólne

Definicja: Nazywa się zjawisko przepływu prądu elektrycznego w gazach wyładowanie gazu.

Zachowanie się gazów w dużym stopniu zależy od ich parametrów, takich jak temperatura i ciśnienie, a te parametry dość łatwo się zmieniają. Dlatego przepływ prądu elektrycznego w gazach jest bardziej złożony niż w metalach czy w próżni.

Gazy nie podlegają prawu Ohma.

2. Jonizacja i rekombinacja

Gaz w normalnych warunkach składa się z praktycznie obojętnych cząsteczek, dlatego jest wyjątkowo słabym przewodnikiem prądu elektrycznego. Jednak pod wpływem czynników zewnętrznych elektron może oderwać się od atomu i pojawi się dodatnio naładowany jon. Ponadto elektron może przyłączyć się do neutralnego atomu i utworzyć ujemnie naładowany jon. W ten sposób możliwe jest otrzymanie gazu zjonizowanego, tj. osocze.

Wpływy zewnętrzne obejmują ogrzewanie, napromieniowanie energetycznymi fotonami, bombardowanie innymi cząstkami oraz silne pola, tj. te same warunki, które są niezbędne do emisji pierwiastków.

Elektron w atomie znajduje się w studni potencjału i aby się z niej wydostać, konieczne jest przekazanie atomowi dodatkowej energii, zwanej energią jonizacji.

Substancja	Energia jonizacji, eV
atom wodoru	13,59
Cząsteczka wodoru	15,43
Hel	24,58
atom tlenu	13,614
cząsteczka tlenu	12,06

Wraz ze zjawiskiem jonizacji obserwuje się również zjawisko rekombinacji, tj. połączenie elektronu i jonu dodatniego w celu utworzenia neutralnego atomu. Proces ten zachodzi z uwolnieniem energii równej energii jonizacji. Energię tę można wykorzystać do promieniowania lub ogrzewania. Lokalne ogrzewanie gazu prowadzi do lokalnej zmiany ciśnienia. Co z kolei prowadzi do pojawienia się fal dźwiękowych. Tak więc wyładowaniu gazowemu towarzyszą efekty świetlne, termiczne i dźwiękowe.

3. CVC wyładowania gazowego.

Na początkowe etapy konieczne jest działanie zewnętrznego jonizatora.

W sekcji BAW prąd istnieje pod działaniem zewnętrznego jonizatora i szybko osiąga nasycenie, gdy wszystkie zjonizowane cząstki biorą udział w generowaniu prądu. Jeśli usuniesz zewnętrzny jonizator, prąd ustaje.

Ten rodzaj wyładowania nazywany jest niesamopodtrzymującym się wyładowaniem gazowym. Kiedy próbujesz zwiększyć napięcie w gazie, pojawiają się lawiny elektronowe, a prąd rośnie prawie o godz stałe napięcie, które nazywa się napięciem zapłonu (BC).

Od tego momentu wyładowanie staje się niezależne i nie ma potrzeby stosowania zewnętrznego jonizatora. Liczba jonów może stać się tak duża, że rezystancja szczeliny międzyelektrodowej maleje, a zatem spada napięcie (SD).

Następnie w szczelinie międzyelektrodowej obszar przepływu prądu zaczyna się zawężać i rezystancja wzrasta, a co za tym idzie napięcie (DE).

Gdy spróbujesz zwiększyć napięcie, gaz zostanie całkowicie zjonizowany. Rezystancja i napięcie spadają do zera, a prąd wielokrotnie wzrasta. Okazuje się, że wyładowanie łukowe (EF).

CVC pokazuje, że gaz w ogóle nie przestrzega prawa Ohma.

4. Procesy w gazie

procesy, które mogą doprowadzić do powstania lawin elektronowych na obrazie.

Są to elementy jakościowej teorii Townsenda.

5. Wyładowanie jarzeniowe.

Przy niskim ciśnieniu i niskim napięciu można zaobserwować to wyładowanie.

K - 1 (ciemna przestrzeń Astona).

1 - 2 (świecąca folia katodowa).

2 – 3 (ciemna przestrzeń Crookesa).

3 - 4 (świecenie pierwszej katody).

4 – 5 (ciemna przestrzeń Faradaya)

5 - 6 (kolumna z anodą dodatnią).

6 – 7 (anodowa ciemna przestrzeń).

7 - A (poświata anody).

Jeśli anoda jest ruchoma, wówczas długość dodatniej kolumny można regulować, praktycznie bez zmiany rozmiaru obszaru K-5.

W ciemnych obszarach cząstki są przyspieszane i gromadzi się energia; w jasnych obszarach zachodzą procesy jonizacji i rekombinacji.

Tematy kodyfikatora USE: nośniki swobodnych ładunków elektrycznych w gazach.

W normalnych warunkach gazy składają się z elektrycznie obojętnych atomów lub cząsteczek; W gazach prawie nie ma ładunków swobodnych. Dlatego gazy są dielektryki- prąd elektryczny przez nie nie przepływa.

Powiedzieliśmy „prawie żaden”, ponieważ w rzeczywistości w gazach, aw szczególności w powietrzu, zawsze jest pewna ilość swobodnie naładowanych cząstek. Pojawiają się w wyniku jonizującego działania promieniowania substancji radioaktywnych, które tworzą skorupa Ziemska, promieniowanie ultrafioletowe i rentgenowskie Słońca, a także promienie kosmiczne - strumienie wysokoenergetycznych cząstek przenikających atmosferę ziemską z kosmosu. Później wrócimy do tego faktu i omówimy jego znaczenie, ale na razie zaznaczymy tylko, że w normalnych warunkach przewodność gazów, spowodowana „naturalną” ilością ładunków swobodnych, jest znikoma i można ją zignorować.

Działanie łączników w obwodach elektrycznych opiera się na właściwościach izolacyjnych szczeliny powietrznej ( rys. 1). Na przykład niewielka szczelina powietrzna we włączniku światła wystarczy, aby otworzyć obwód elektryczny w pokoju.

Ryż. 1 klucz

Możliwe jest jednak stworzenie takich warunków, w których w szczelinie gazowej pojawi się prąd elektryczny. Rozważmy następujące doświadczenie.

Ładujemy płytki kondensatora powietrza i podłączamy je do czułego galwanometru (ryc. 2, po lewej). W temperaturze pokojowej i niezbyt wilgotnym powietrzu galwanometr nie pokaże zauważalnego prądu: nasza szczelina powietrzna, jak powiedzieliśmy, nie jest przewodnikiem elektryczności.

Ryż. 2. Występowanie prądu w powietrzu

Teraz wprowadźmy płomień palnika lub świecy w szczelinę między okładkami kondensatora (ryc. 2, po prawej). Pojawia się prąd! Czemu?

Darmowe ładunki w gazie

Pojawienie się prądu elektrycznego pomiędzy płytami kondensatora oznacza, że w powietrzu pod wpływem płomienia pojawił się bezpłatne opłaty. Co dokładnie?

Doświadczenie pokazuje, że prąd elektryczny w gazach jest uporządkowanym ruchem naładowanych cząstek. trzy typy . to elektrony, jony dodatnie oraz jony ujemne.

Zobaczmy, jak te ładunki mogą wyglądać w gazie.

Wraz ze wzrostem temperatury gazu drgania termiczne jego cząstek - cząsteczek lub atomów - stają się bardziej intensywne. Uderzenia cząstek o siebie osiągają taką siłę, że jonizacja- rozpad cząstek obojętnych na elektrony i jony dodatnie (rys. 3).

Ryż. 3. Jonizacja

Stopień jonizacji jest stosunkiem liczby rozpadających się cząstek gazu do całkowitej początkowej liczby cząstek. Na przykład, jeśli stopień jonizacji wynosi , oznacza to, że pierwotne cząstki gazu rozpadły się na dodatnie jony i elektrony.

Stopień jonizacji gazu zależy od temperatury i gwałtownie wzrasta wraz z jej wzrostem. Na przykład wodór w temperaturze poniżej stopnia jonizacji nie przekracza , a w temperaturze powyżej stopnia jonizacji jest bliski (czyli wodór jest prawie całkowicie zjonizowany (częściowo lub całkowicie zjonizowany gaz to tzw. osocze)).

Oprócz wysokiej temperatury istnieją inne czynniki powodujące jonizację gazu.

Wspomnieliśmy już o nich mimochodem: są to promieniowanie radioaktywne, ultrafioletowe, rentgenowskie i gamma, cząstki kosmiczne. Nazywa się każdy taki czynnik, który powoduje jonizację gazu jonizator.

Zatem jonizacja nie zachodzi sama, ale pod wpływem jonizatora.

Jednocześnie proces odwrotny rekombinacja, czyli ponowne połączenie elektronu i jonu dodatniego w cząsteczkę obojętną (ryc. 4).

Ryż. 4. Rekombinacja

Powód rekombinacji jest prosty: jest to kulombowskie przyciąganie przeciwnie naładowanych elektronów i jonów. Pędząc ku sobie pod działaniem sił elektrycznych, spotykają się i dostają możliwość uformowania neutralnego atomu (lub cząsteczki – w zależności od rodzaju gazu).

Przy stałej intensywności działania jonizatora ustala się równowaga dynamiczna: średnia liczba cząstek rozpadających się w jednostce czasu jest równa średniej liczbie cząstek rekombinujących (innymi słowy, szybkość jonizacji jest równa szybkości rekombinacji). działanie jonizatora zostanie wzmocnione (np. wzrośnie temperatura), wówczas równowaga dynamiczna przesunie się w kierunku jonizacji, a stężenie cząstek naładowanych w gazie wzrośnie. Wręcz przeciwnie, jeśli wyłączysz jonizator, wówczas zacznie dominować rekombinacja, a wolne ładunki będą stopniowo zanikać całkowicie.

Tak więc jony dodatnie i elektrony pojawiają się w gazie w wyniku jonizacji. Skąd bierze się trzeci rodzaj ładunków - jony ujemne? Bardzo proste: elektron może wlecieć w neutralny atom i dołączyć do niego! Ten proces jest pokazany na ryc. 5.

Ryż. 5. Pojawienie się jonu ujemnego

Powstałe w ten sposób jony ujemne będą uczestniczyć w powstawaniu prądu wraz z jonami dodatnimi i elektronami.

Brak samorozładowania

Jeśli nie ma zewnętrznego pola elektrycznego, to swobodne ładunki wykonują chaotyczny ruch termiczny wraz z neutralnymi cząstkami gazu. Ale kiedy przyłożone jest pole elektryczne, zaczyna się uporządkowany ruch naładowanych cząstek - prąd elektryczny w gazie.

Ryż. 6. Niesamoistne rozładowanie

na ryc. 6 widzimy trzy rodzaje naładowanych cząstek powstających w szczelinie gazowej pod działaniem jonizatora: jony dodatnie, jony ujemne i elektrony. Prąd elektryczny w gazie powstaje w wyniku nadchodzącego ruchu naładowanych cząstek: jony dodatnie - do elektrody ujemnej (katody), elektrony i jony ujemne - do elektrody dodatniej (anody).

Elektrony spadające na dodatnią anodę są przesyłane wzdłuż obwodu do „plusa” źródła prądu. Jony ujemne oddają dodatkowy elektron na anodę i stając się neutralnymi cząstkami, wracają do gazu; elektron podany na anodę również pędzi do „plusa” źródła. Jony dodatnie, docierając do katody, pobierają stamtąd elektrony; wynikający z tego niedobór elektronów na katodzie jest natychmiast kompensowany przez ich dostarczenie tam z „minusu” źródła. W wyniku tych procesów w obwodzie zewnętrznym następuje uporządkowany ruch elektronów. Jest to prąd elektryczny zarejestrowany przez galwanometr.

Proces opisany na ryc. 6 nazywa się niesamopodtrzymujące się rozładowanie w gazie. Dlaczego zależne? Dlatego dla jej utrzymania konieczne jest ciągłe działanie jonizatora. Usuńmy jonizator - a prąd ustanie, bo zniknie mechanizm zapewniający pojawienie się wolnych ładunków w szczelinie gazowej. Przestrzeń między anodą a katodą ponownie stanie się izolatorem.

Charakterystyka woltoamperowa wyładowania gazowego

Zależność natężenia prądu przez szczelinę gazową od napięcia między anodą a katodą (tzw charakterystyka prądowo-napięciowa wyładowania gazowego) pokazano na ryc. 7.

Ryż. 7. Woltamperowa charakterystyka wyładowania gazowego

Przy zerowym napięciu natężenie prądu jest oczywiście równe zeru: naładowane cząstki wykonują tylko ruch termiczny, nie ma uporządkowanego ruchu między elektrodami.

Przy małym napięciu siła prądu jest również niewielka. Faktem jest, że nie wszystkie naładowane cząstki są przeznaczone do dostania się do elektrod: niektóre jony dodatnie i elektrony w procesie ich ruchu odnajdują się i rekombinują.

Wraz ze wzrostem napięcia swobodne ładunki rozwijają coraz większą prędkość, a szansa na spotkanie i rekombinację jonu dodatniego i elektronu jest mniejsza. Dlatego coraz większa część naładowanych cząstek dociera do elektrod, a natężenie prądu wzrasta (przekrój ).

Przy określonej wartości napięcia (punkt ) prędkość ładunku staje się tak duża, że rekombinacja w ogóle nie ma czasu na zajście. Od teraz wszystko naładowane cząstki powstające pod działaniem jonizatora docierają do elektrod i prąd osiąga nasycenie- Mianowicie, siła prądu przestaje się zmieniać wraz ze wzrostem napięcia. Będzie to trwało do pewnego momentu.

samorozładowanie

Po przejściu punktu siła prądu gwałtownie wzrasta wraz ze wzrostem napięcia - zaczyna się niezależne rozładowanie. Teraz dowiemy się, co to jest.

Naładowane cząsteczki gazu przemieszczają się od zderzenia do zderzenia; w przerwach między zderzeniami są przyspieszane przez pole elektryczne, zwiększające ich energię kinetyczną. A teraz, gdy napięcie staje się wystarczająco duże (ten sam punkt), elektrony na swojej swobodnej drodze osiągają takie energie, że zderzając się z neutralnymi atomami, jonizują je! (Korzystając z praw zachowania pędu i energii, można wykazać, że to elektrony (a nie jony) przyspieszane przez pole elektryczne mają największą zdolność jonizacji atomów.)

Tak zwany jonizacja uderzeniowa elektronów. Elektrony wybijane ze zjonizowanych atomów są również przyspieszane przez pole elektryczne i uderzają w nowe atomy, jonizując je teraz i generując nowe elektrony. W wyniku pojawiającej się lawiny elektronowej gwałtownie wzrasta liczba zjonizowanych atomów, w wyniku czego gwałtownie wzrasta również natężenie prądu.

Liczba bezpłatnych ładunków staje się tak duża, że eliminuje potrzebę stosowania zewnętrznego jonizatora. Można go po prostu usunąć. Swobodnie naładowane cząstki są teraz generowane w wyniku domowy procesy zachodzące w gazie - dlatego wyładowanie nazywamy niezależnym.

Jeśli szczelina gazowa znajduje się pod wysokim napięciem, do samorozładowania nie jest potrzebny jonizator. Wystarczy znaleźć w gazie tylko jeden wolny elektron, a uruchomi się opisana wyżej lawina elektronów. I zawsze będzie przynajmniej jeden wolny elektron!

Przypomnijmy raz jeszcze, że w gazie, nawet w normalnych warunkach, istnieje pewna „naturalna” ilość ładunków swobodnych, spowodowana jonizującym promieniowaniem radioaktywnym skorupy ziemskiej, promieniowaniem o wysokiej częstotliwości ze Słońca i promieniami kosmicznymi. Widzieliśmy, że przy niskich napięciach przewodnictwo gazu powodowane przez te swobodne ładunki jest znikome, ale teraz - przy wysokim napięciu - wywołają one lawinę nowych cząstek, powodując niezależne wyładowanie. Stanie się tak, jak mówią awaria szczelina gazowa.

Natężenie pola wymagane do rozbicia suchego powietrza wynosi około kV/cm. Innymi słowy, aby iskra przeskoczyła między elektrodami oddalonymi o centymetr powietrza, należy przyłożyć do nich napięcie kilowoltowe. Wyobraź sobie, jakie napięcie jest potrzebne, aby przebić się przez kilka kilometrów powietrza! Ale właśnie takie awarie występują podczas burzy - są to dobrze znane wam błyskawice.

Prąd elektryczny to przepływ spowodowany uporządkowanym ruchem cząstek naładowanych elektrycznie. Ruch ładunków przyjmuje się jako kierunek prądu elektrycznego. Prąd elektryczny może być krótkotrwały i długotrwały.

Pojęcie prądu elektrycznego

Podczas wyładowania atmosferycznego może wystąpić prąd elektryczny, który nazywa się krótkotrwałym. Aby utrzymać prąd przez długi czas, konieczne jest posiadanie pola elektrycznego i wolnych nośników ładunku elektrycznego.

Pole elektryczne jest wytwarzane przez ciała o różnym ładunku. Natężenie prądu to stosunek ładunku przeniesionego przez przekrój poprzeczny przewodnika w przedziale czasu do tego przedziału czasu. Jest mierzony w amperach.

Ryż. 1. Obecna formuła

Prąd elektryczny w gazach

Cząsteczki gazu nie przewodzą prądu elektrycznego w normalnych warunkach. Są izolatorami (dielektrykami). Jeśli jednak zmienisz warunki środowisko, to gazy mogą stać się przewodnikami elektryczności. W wyniku jonizacji (po podgrzaniu lub pod działaniem promieniowanie radioaktywne) w gazach powstaje prąd elektryczny, który często zastępuje się terminem „wyładowanie elektryczne”.

Samopodtrzymujące się i niesamopodtrzymujące się zrzuty gazów

Wyładowania w gazie mogą być samowystarczalne i niesamowystarczalne. Prąd zaczyna istnieć, gdy pojawiają się wolne ładunki. Niesamopodtrzymujące się wyładowania istnieją tak długo, jak długo działa na nie siła zewnętrzna, czyli zewnętrzny jonizator. Oznacza to, że jeśli zewnętrzny jonizator przestanie działać, prąd ustanie.

Niezależne wyładowanie prądu elektrycznego w gazach istnieje nawet po wyłączeniu zewnętrznego jonizatora. Niezależne wyładowania w fizyce dzielą się na ciche, tlące się, łukowe, iskrowe, koronowe.

Cichy - najsłabszy z niezależnych wyładowań. Siła prądu w nim jest bardzo mała (nie więcej niż 1 mA). Nie towarzyszą temu zjawiska dźwiękowe ani świetlne.
Tlący - jeśli zwiększysz napięcie przy cichym rozładowaniu, przechodzi ono do następnego poziomu - do wyładowania jarzeniowego. W tym przypadku pojawia się poświata, której towarzyszy rekombinacja. Rekombinacja - proces jonizacji odwrotnej, spotkanie elektronu i jonu dodatniego. Znajduje zastosowanie w lampach bakteriobójczych i oświetleniowych.

Ryż. 2. Wyładowanie jarzeniowe

Łuk - natężenie prądu waha się od 10 A do 100 A. W tym przypadku jonizacja wynosi prawie 100%. Ten rodzaj wyładowania występuje na przykład podczas pracy spawarki.

Ryż. 3. Wyładowanie łukowe

gazowana - można uznać za jeden z rodzajów wyładowań łukowych. Podczas takiego rozładowania dla bardzo Krótki czas przepływa pewna ilość energii elektrycznej.
wyładowanie koronowe – jonizacja cząsteczek zachodzi w pobliżu elektrod o małych promieniach krzywizny. Ten rodzaj ładunku występuje, gdy natężenie pola elektrycznego zmienia się dramatycznie.

Czego się nauczyliśmy?

Atomy i cząsteczki gazu same w sobie są neutralne. Ładują się, gdy są wystawione na zewnątrz. Mówiąc krótko o prądzie elektrycznym w gazach, jest to ukierunkowany ruch cząstek (jony dodatnie do katody i jony ujemne do anody). Ważne jest również to, że gdy gaz jest zjonizowany, poprawiają się jego właściwości przewodzące.

PRĄD ELEKTRYCZNY W GAZACH

Niezależne i niesamopodtrzymujące się przewodnictwo gazów. W naturalny stan gazy nie przewodzą prądu elektrycznego, tj. są dielektrykami. Można to łatwo zweryfikować za pomocą prostego prądu, jeśli obwód jest przerwany przez szczelinę powietrzną.

Właściwości izolacyjne gazów tłumaczy się tym, że atomy i cząsteczki gazów w swoim naturalnym stanie są neutralnymi, nienaładowanymi cząstkami. Z tego jasno wynika, że \u200b\u200baby gaz przewodził, konieczne jest w taki czy inny sposób wprowadzenie do niego lub utworzenie w nim nośników ładunku swobodnego - naładowanych cząstek. W tym przypadku możliwe są dwa przypadki: albo te naładowane cząstki powstają w wyniku działania jakiegoś czynnika zewnętrznego lub są wprowadzane do gazu z zewnątrz - niesamopodtrzymujące się przewodzenie, albo powstają w gazie w wyniku działania samo pole elektryczne, które istnieje między elektrodami - samoprzewodnictwo.

Na pokazanym rysunku galwanometr w obwodzie nie pokazuje prądu pomimo przyłożonego napięcia. Wskazuje to na brak przewodnictwa gazów w normalnych warunkach.

Podgrzejmy teraz gaz w przedziale 1-2 do bardzo wysokiej temperatury, wprowadzając do niego zapalony palnik. Galwanometr wskaże pojawienie się prądu, dlatego w wysokiej temperaturze proporcja cząsteczek gazu obojętnego rozkłada się na jony dodatnie i ujemne. Takie zjawisko nazywa się jonizacja gaz.

Jeśli strumień powietrza z małej dmuchawy zostanie skierowany do szczeliny gazowej, a na drodze strumienia, poza szczeliną, zostanie umieszczony płomień jonizujący, galwanometr wskaże określony prąd.

Oznacza to, że jony nie znikają natychmiast, ale poruszają się wraz z gazem. Jednak wraz ze wzrostem odległości między płomieniem a szczeliną 1-2 prąd stopniowo słabnie, a następnie zanika. W tym przypadku przeciwnie naładowane jony mają tendencję do zbliżania się do siebie pod wpływem siły przyciągania elektrycznego, a kiedy się spotykają, ponownie łączą się w obojętną cząsteczkę. Taki proces nazywa się rekombinacja jony.

Podgrzanie gazu do wysokiej temperatury nie jest jedynym sposobem jonizacji cząsteczek lub atomów gazu. Obojętne atomy lub cząsteczki gazu mogą ulegać jonizacji również pod wpływem innych czynników.

Przewodnictwo jonowe ma wiele cech. Dlatego często jony dodatnie i ujemne nie są pojedynczymi zjonizowanymi cząsteczkami, ale grupami cząsteczek przyłączonych do ujemnego lub dodatniego elektronu. Z tego powodu, chociaż ładunek każdego jonu jest równy jednemu lub dwóm, rzadko większym niż liczba ładunków elementarnych, ich masy mogą znacznie różnić się od mas poszczególnych atomów i cząsteczek. Pod tym względem jony gazowe znacznie różnią się od jonów elektrolitów, które zawsze reprezentują określone grupy atomów. Z powodu tej różnicy prawa Faradaya, które są tak charakterystyczne dla przewodnictwa elektrolitów, nie obowiązują dla przewodnictwa jonowego gazów.

Druga, również bardzo ważna, różnica między przewodnictwem jonowym gazów a przewodnictwem jonowym elektrolitów polega na tym, że w przypadku gazów nie przestrzega się prawa Ohma: charakterystyka prądowo-napięciowa jest bardziej złożona. Charakterystyka prądowo-napięciowa przewodników (w tym elektrolitów) ma postać nachylonej linii prostej (proporcjonalność I i U), dla gazów ma różnorodne kształty.

W szczególności w przypadku przewodnictwa niesamopodtrzymującego się, dla małych wartości U, wykres ma postać linii prostej, tj. Prawo Ohma w przybliżeniu pozostaje ważne; wraz ze wzrostem U krzywa wygina się od pewnego naprężenia i przechodzi w poziomą linię prostą.

Oznacza to, że począwszy od pewnego napięcia prąd pozostaje stały pomimo wzrostu napięcia. Ta stała, niezależna od napięcia wartość prądu nazywana jest prąd nasycenia.

Nietrudno zrozumieć znaczenie uzyskanych wyników. Początkowo wraz ze wzrostem napięcia wzrasta liczba jonów przechodzących przez przekrój poprzeczny wyładowania; prąd I wzrasta, ponieważ jony w więcej silne pole porusza się z większą prędkością. Jednak bez względu na to, jak szybko poruszają się jony, liczba ich przechodzących przez tę sekcję w jednostce czasu nie może być większa niż całkowita liczba jonów utworzonych w wyładowaniu w wyładowaniu w jednostce czasu przez zewnętrzny czynnik jonizujący.

Eksperymenty pokazują jednak, że jeśli po osiągnięciu prądu nasycenia w gazie nadal znacznie zwiększamy napięcie, to przebieg charakterystyki prądowo-napięciowej zostaje nagle zaburzony. Przy wystarczająco wysokim napięciu prąd gwałtownie wzrasta.

Obecny skok pokazuje, że liczba jonów natychmiast gwałtownie wzrosła. Powodem tego jest samo pole elektryczne: nadaje ono tak duże prędkości niektórym jonom, tj. tak dużą energię, że kiedy takie jony zderzają się z obojętnymi cząsteczkami, te ostatnie rozpadają się na jony. Łączna jony są teraz określane nie przez czynnik jonizujący, ale przez działanie samego pola, które samo w sobie może wspierać niezbędną jonizację: przewodnictwo z braku samowystarczalności staje się niezależne. Opisane zjawisko nagłego początku niezależnego przewodnictwa, które ma charakter rozpadu szczeliny gazowej, nie jest jedyną, choć bardzo ważną formą początku niezależnego przewodnictwa.

Wyładowanie iskrowe. Przy wystarczająco dużym natężeniu pola (ok. 3 MV/m) pomiędzy elektrodami pojawia się iskra elektryczna, która ma postać jasno świecącego krętego kanału łączącego obie elektrody. Gaz w pobliżu iskry nagrzewa się do wysokiej temperatury i nagle rozszerza się, powodując fale dźwiękowe, i słyszymy charakterystyczny trzask.

Opisana forma zrzutu gazu nazywa się wyładowanie iskrowe lub iskra gazowa. Kiedy dochodzi do wyładowania iskrowego, gaz nagle traci swoje właściwości dielektryczne i staje się dobrym przewodnikiem. Natężenie pola, przy którym następuje przebicie iskry gazu, ma różną wartość dla różnych gazów i zależy od ich stanu (ciśnienie, temperatura). Im większa odległość między elektrodami, tym większe napięcie między nimi jest potrzebne do zapoczątkowania przebicia iskry gazu. To napięcie nazywa się napięcie przebicia.

Wiedząc, jak napięcie przebicia zależy od odległości między elektrodami o dowolnym kształcie, można zmierzyć nieznane napięcie wzdłuż maksymalnej długości iskry. Jest to podstawa urządzenia woltomierza iskrowego do zgrubnych wysokich napięć.

Składa się z dwóch metalowych kulek zamocowanych na słupkach 1 i 2, drugi słupek z kulką może zbliżać się lub oddalać od pierwszego za pomocą śruby. Kulki są podłączone do źródła prądu, którego napięcie ma być zmierzone, i zbliżają się do siebie, aż pojawi się iskra. Mierząc odległość za pomocą podziałki na statywie, można z grubsza oszacować napięcie wzdłuż długości iskry (przykład: przy średnicy kulki 5 cm i odległości 0,5 cm napięcie przebicia wynosi 17,5 kV, iw odległości 5 cm - 100 kV).

Występowanie rozpadu tłumaczy się następująco: w gazie zawsze występuje pewna liczba jonów i elektronów powstających z przypadkowych przyczyn. Jednak ich liczba jest tak mała, że gaz praktycznie nie przewodzi prądu. Przy wystarczająco dużym natężeniu pola energia kinetyczna zgromadzona przez jon w przerwie między dwoma zderzeniami może stać się wystarczająca do zjonizowania obojętnej cząsteczki podczas zderzenia. W rezultacie powstaje nowy ujemny elektron i dodatnio naładowana pozostałość, jon.

Swobodny elektron 1 po zderzeniu z obojętną cząsteczką rozszczepia ją na elektron 2 i swobodny jon dodatni. Elektrony 1 i 2, po dalszym zderzeniu z obojętnymi cząsteczkami, ponownie rozszczepiają je na elektrony 3 i 4 oraz wolne jony dodatnie i tak dalej.

Ten proces jonizacji nazywa się jonizacja uderzeniowa, oraz praca, którą należy włożyć w oderwanie elektronu od atomu - praca jonizacyjna. Praca jonizacji zależy od budowy atomu i dlatego jest różna dla różnych gazów.

Powstające pod wpływem jonizacji uderzeniowej elektrony i jony zwiększają liczbę ładunków w gazie, a te z kolei wprawiane w ruch pod wpływem pola elektrycznego mogą powodować jonizację uderzeniową nowych atomów. W ten sposób proces sam się wzmacnia, a jonizacja w gazie szybko osiąga bardzo wysoką wartość. Zjawisko to przypomina lawinę, dlatego proces ten nazwano lawina jonowa.

Powstawanie lawiny jonowej to proces przebicia iskry, a minimalne napięcie, przy którym następuje lawina jonowa, to napięcie przebicia.

Zatem w przypadku przebicia iskry przyczyną jonizacji gazu jest zniszczenie atomów i cząsteczek w zderzeniach z jonami (jonizacja uderzeniowa).

Błyskawica. Piękne i niebezpieczne zjawisko naturalne - piorun - to wyładowanie iskrowe w atmosferze.

Już w połowie XVIII wieku zwracano uwagę na zewnętrzne podobieństwo błyskawicy do iskry elektrycznej. Sugerowano, że chmury burzowe przenoszą duże ładunki elektryczne, a błyskawica jest gigantyczną iskrą, nie różniącą się niczym od iskry między kulkami maszyny elektrycznej, z wyjątkiem wielkości. Zwrócił na to uwagę na przykład rosyjski fizyk i chemik Michaił Wasiljewicz Łomonosow (1711-65), który obok innych zagadnień naukowych zajmował się elektrycznością atmosferyczną.

Dowiodło tego doświadczenie lat 1752-53. Łomonosowa i amerykańskiego naukowca Benjamina Franklina (1706-90), którzy pracowali jednocześnie i niezależnie od siebie.

Łomonosow zbudował „maszynę grzmotu” - kondensator, który znajdował się w jego laboratorium i ładował się elektrycznością atmosferyczną przez drut, którego koniec został wyjęty z pokoju i podniesiony na wysokim słupie. Podczas burzy można było ręcznie usunąć iskry ze skraplacza.

Franklin podczas burzy wypuścił latawiec na sznurku, który był wyposażony w żelazny grot; klucz do drzwi był przywiązany do końca sznurka. Kiedy struna zamoczyła się i stała się przewodnikiem prądu, Franklin był w stanie wydobyć iskry elektryczne z klucza, naładować słoiki lejdejskie i przeprowadzić inne eksperymenty z maszyną elektryczną (należy zauważyć, że takie eksperymenty są niezwykle niebezpieczne, ponieważ błyskawice może uderzyć węże, a jednocześnie duże ładunki przejdą przez ciało eksperymentatora na Ziemię.W historii fizyki były takie smutne przypadki: G. V. Richman, który współpracował z Łomonosowem, zmarł w 1753 r. w Petersburgu. Petersburgu).

W ten sposób wykazano, że chmury burzowe są rzeczywiście silnie naładowane elektrycznością.

Różne części chmury burzowej przenoszą ładunki o różnych znakach. Najczęściej dolna część chmury (odbita od Ziemi) jest naładowana ujemnie, a górna dodatnio. Dlatego jeśli dwie chmury zbliżają się do siebie z przeciwnie naładowanymi częściami, to błyskawica przeskakuje między nimi. Jednak wyładowania atmosferyczne mogą wystąpić w inny sposób. Przechodząc nad Ziemią, chmura burzowa wytwarza na swojej powierzchni duże ładunki indukowane, w związku z czym chmura i powierzchnia Ziemi tworzą dwie płyty dużego kondensatora. Różnica potencjałów między chmurą a Ziemią osiąga ogromne wartości, mierzone w setkach milionów woltów, aw powietrzu powstaje silne pole elektryczne. Jeżeli natężenie tego pola zostanie dostatecznie duże, wówczas może dojść do załamania, tj. uderzenie pioruna w ziemię. Jednocześnie piorun czasami uderza w ludzi i powoduje pożary.

Według licznych badań przeprowadzonych na piorunach ładunek iskrowy charakteryzuje się następującymi przybliżonymi liczbami: napięcie (U) między chmurą a Ziemią wynosi 0,1 GV (gigawolt);

natężenie prądu (I) w piorunie 0,1 MA (megaamper);

czas trwania pioruna (t) 1 µs (mikrosekunda);

średnica kanału świetlnego wynosi 10-20 cm.

Grzmot, który pojawia się po błyskawicy, ma to samo pochodzenie, co trzask, gdy przeskakuje laboratoryjna iskra. Mianowicie powietrze wewnątrz kanału pioruna jest silnie ogrzewane i rozprężane, dlatego powstają fale dźwiękowe. Fale te, odbite od chmur, gór itp., często tworzą długie echo - grzmoty.

Wyładowanie koronowe. Wystąpienie lawiny jonowej nie zawsze prowadzi do powstania iskry, ale może też spowodować inny rodzaj wyładowania – wyładowanie koronowe.

Rozciągnijmy na dwóch wysokich wspornikach izolacyjnych metalowy drut ab o średnicy kilku dziesiątych milimetra i podłączmy go do ujemnego bieguna generatora, który daje napięcie kilku tysięcy woltów. Zabierzemy drugi biegun generatora na Ziemię. Dostajesz coś w rodzaju kondensatora, którego płytami są druty i ściany pokoju, które oczywiście komunikują się z Ziemią.

Pole w tym kondensatorze jest bardzo niejednorodne, a jego natężenie w pobliżu cienkiego drutu jest bardzo duże. Stopniowo zwiększając napięcie i obserwując drut w ciemności, można zauważyć, że przy znanym napięciu w pobliżu drutu pojawia się słaba poświata (korona), która pokrywa drut ze wszystkich stron; towarzyszy mu syczący dźwięk i lekkie trzaski. Jeśli czuły galwanometr jest podłączony między przewodem a źródłem, to wraz z pojawieniem się poświaty galwanometr pokazuje zauważalny prąd płynący z generatora wzdłuż przewodów do drutu iz niego przez powietrze w pomieszczeniu do ścian, między przewodem a ścianami jest przenoszona przez jony powstałe w pomieszczeniu w wyniku jonizacji uderzeniowej. Zatem blask powietrza i pojawienie się prądu wskazują na silną jonizację powietrza pod działaniem pola elektrycznego. Wyładowanie koronowe może wystąpić nie tylko w pobliżu drutu, ale także w pobliżu końcówki i ogólnie w pobliżu wszelkich elektrod, w pobliżu których powstaje bardzo silne niejednorodne pole.

Zastosowanie wyładowań koronowych. Oczyszczanie gazów elektrycznych (filtry elektryczne). Naczynie wypełnione dymem nagle staje się całkowicie przezroczyste, jeśli włożymy do niego ostre metalowe elektrody podłączone do maszyny elektrycznej, a wszystkie cząstki stałe i ciekłe osadzają się na elektrodach. Wyjaśnienie tego doświadczenia jest następujące: gdy tylko korona się zapali, powietrze wewnątrz tuby jest silnie zjonizowane. Jony gazu przyklejają się do cząstek pyłu i ładują je. Ponieważ wewnątrz rury działa silne pole elektryczne, naładowane cząsteczki pyłu przemieszczają się pod wpływem pola do elektrod, gdzie osadzają się.

Liczniki cząstki elementarne . Licznik cząstek elementarnych Geigera-Mullera składa się z małego metalowego cylindra wyposażonego w okienko pokryte folią oraz cienkiego metalowego drutu rozciągniętego wzdłuż osi cylindra i odizolowanego od niego. Licznik jest podłączony do obwodu zawierającego źródło prądu, którego napięcie jest równe kilku tysiącom woltów. Dobiera się napięcie niezbędne do pojawienia się wyładowania koronowego wewnątrz licznika.

Kiedy szybko poruszający się elektron wchodzi do licznika, ten ostatni jonizuje cząsteczki gazu wewnątrz licznika, powodując nieco spadek napięcia wymaganego do zapalenia korony. W liczniku następuje wyładowanie, aw obwodzie pojawia się słaby prąd krótkotrwały. Aby go wykryć, do obwodu wprowadza się bardzo duży opór (kilka megaomów) i równolegle do niego podłącza się czuły elektrometr. Za każdym razem, gdy szybki elektron uderza w wnętrze licznika, arkusze elektrometru wyginają się.

Takie liczniki umożliwiają rejestrację nie tylko szybkich elektronów, ale ogólnie wszelkich naładowanych, szybko poruszających się cząstek zdolnych do jonizacji na drodze zderzeń. Nowoczesne liczniki mogą z łatwością wykryć nawet uderzenie w nie pojedynczej cząstki, dzięki czemu można zweryfikować z całkowitą pewnością i bardzo dużą jasnością, że elementarne cząstki naładowane naprawdę istnieją w przyrodzie.

piorunochron. Szacuje się, że w atmosferze całego globu występuje jednocześnie około 1800 burz, które dają średnio około 100 wyładowań atmosferycznych na sekundę. I chociaż prawdopodobieństwo porażenia piorunem jakiejkolwiek osoby jest znikome, to jednak piorun powoduje wiele szkód. Wystarczy wskazać, że obecnie około połowa wszystkich wypadków na dużych liniach elektroenergetycznych jest spowodowana wyładowaniami atmosferycznymi. Dlatego ochrona odgromowa jest ważnym zadaniem.

Łomonosow i Franklin nie tylko wyjaśnili elektryczną naturę pioruna, ale także wskazali, jak zbudować piorunochron chroniący przed uderzeniem pioruna. Piorunochron to długi drut, którego górny koniec jest zaostrzony i wzmocniony powyżej najwyższego punktu chronionego budynku. Dolny koniec drutu jest połączony z blachą, a blacha jest zakopana w ziemi na poziomie wody gruntowej. Podczas burzy na Ziemi pojawiają się duże ładunki indukowane, aw pobliżu powierzchni Ziemi pojawia się duże pole elektryczne. Jego intensywność jest bardzo duża w pobliżu ostrych przewodników, dlatego wyładowanie koronowe jest zapalane na końcu piorunochronu. Dzięki temu indukowane ładunki nie mogą gromadzić się na budynku i nie dochodzi do wyładowań atmosferycznych. W przypadkach, gdy piorun nadal występuje (a takie przypadki są bardzo rzadkie), uderza w piorunochron i ładunki trafiają na Ziemię bez szkody dla budynku.

W niektórych przypadkach wyładowanie koronowe z piorunochronu jest tak silne, że na jego czubku pojawia się wyraźnie widoczna poświata. Taka poświata czasami pojawia się w pobliżu innych spiczastych obiektów, na przykład na końcach masztów statków, ostrych wierzchołkach drzew itp. Zjawisko to zostało zauważone kilka wieków temu i wywołało przesądny horror nawigatorów, którzy nie rozumieli jego prawdziwej istoty.

Łuk elektryczny. W 1802 roku rosyjski fizyk V.V. Pietrow (1761-1834) odkrył, że jeśli podłączysz dwa kawałki prądu do biegunów dużej baterii elektrycznej węgiel drzewny i doprowadzając węgle do kontaktu, lekko je rozsuń, wtedy między końcami węgli powstanie jasny płomień, a same końce węgli zaświecą się na biało, emitując oślepiające światło.

Najprostsze urządzenie do wytwarzania łuku elektrycznego składa się z dwóch elektrod, dla których lepiej jest wziąć nie węgiel drzewny, ale specjalnie wykonane pręty uzyskane przez sprasowanie mieszaniny grafitu, sadzy i spoiw. Sieć oświetleniowa może służyć jako źródło prądu, w którym dla bezpieczeństwa zawarty jest reostat.

Wymuszenie jarzenia się łuku przy stałym natężeniu prądu w sprężonym gazie (20 atm) umożliwiło doprowadzenie temperatury końca elektrody dodatniej do 5900°C, tj. do temperatury powierzchni Słońca. Jeszcze wyższą temperaturę posiada kolumna gazów i par, która ma dobrą przewodność elektryczną, przez którą przechodzi ładunek elektryczny. Energetyczne bombardowanie tych gazów i par elektronami i jonami, napędzane polem elektrycznym łuku, doprowadza temperaturę gazów w kolumnie do 6000-7000°C. Tak silna jonizacja gazu jest możliwa tylko dzięki temu, że katoda łuku emituje dużo elektronów, które swoimi uderzeniami jonizują gaz w przestrzeni wyładowczej. Silną emisję elektronów z katody zapewnia fakt, że sama katoda łukowa jest podgrzewana do bardzo wysokiej temperatury (od 2200 do 3500°C). Kiedy węgle stykają się w celu zapalenia łuku, prawie całe ciepło Joule'a prądu przepływającego przez węgle jest uwalniane w punkcie styku, który miał bardzo wysoką rezystancję. Dlatego końce węgli są bardzo gorące, a to wystarczy, aby łuk wybuchnął między nimi, gdy są rozsuwane. W przyszłości katoda łuku jest utrzymywana w stanie nagrzanym przez sam prąd przepływający przez łuk. Główną rolę w tym odgrywa bombardowanie katody spadającymi na nią jonami dodatnimi.

Charakterystyka prądowo-napięciowa łuku ma zupełnie osobliwy charakter. Podczas wyładowania łukowego wraz ze wzrostem prądu napięcie na zaciskach łuku maleje, tj. łuk ma opadającą charakterystykę prądowo-napięciową.

Zastosowanie wyładowania łukowego. Oświetlenie. Ze względu na wysoką temperaturę elektrody łukowe emitują oślepiające światło (świecenie kolumny łukowej jest słabsze, gdyż emisyjność gazu jest niewielka), dlatego łuk elektryczny jest jednym z najlepsze źródła Swieta. Zużywa tylko około 3 watów na kandelę i jest znacznie bardziej ekonomiczna niż najlepsze żarówki. Łuk elektryczny został po raz pierwszy użyty do oświetlenia w 1875 roku przez rosyjskiego inżyniera-wynalazcę P.N. Jabłoczkina (1847-1894) i był nazywany „rosyjskim światłem” lub „północnym światłem”. Spawalniczy. Łuk elektryczny służy do spawania części metalowych. Spawane części służą jako elektroda dodatnia; dotykając ich węglem podłączonym do ujemnego bieguna źródła prądu, uzyskuje się łuk między ciałami a węglem, topiąc metal. łuk rtęciowy. Dużym zainteresowaniem cieszy się łuk rtęciowy palący się w tubie kwarcowej, tzw lampa kwarcowa. W tej lampie wyładowanie łukowe zachodzi nie w powietrzu, ale w atmosferze oparów rtęci, do której wprowadza się niewielką ilość rtęci do lampy, a powietrze jest wypompowywane. Światło łuku rtęciowego jest niezwykle bogate w promienie ultrafioletowe, które mają silne właściwości chemiczne i chemiczne działanie fizjologiczne. Aby móc wykorzystać to promieniowanie, lampa nie jest wykonana ze szkła, które silnie pochłania promieniowanie UV, ale ze stopionego kwarcu. Lampy rtęciowe są szeroko stosowane w leczeniu różnych chorób, a także w badania naukowe jako silne źródło promieniowania ultrafioletowego.

Podstawowym źródłem informacji był podręcznik fizyki pt

pod redakcją akademika G.S. Landsberga (tom 2). Moskwa, wydawnictwo Nauka, 1985.

Wykonane przez MARKIDONOV TIMUR, Irkuck.