Меню

Условия создания тока в газах

Электрический ток в газах — причины появления и применение

В природе не бывает совершенных диэлектриков. Электрический ток способен протекать в любой среде, если будут созданы определенные условия. В результате газ может из хорошего диэлектрика превратиться в отличный проводник. Чтобы написать доклад или реферат на эту тему, следует изучить характеристики электрического тока в газах и выяснить, какие условия необходимо создать для его возникновения.

Электрический ток в газах - причины появления и применение

Процесс ионизации

При стандартных условиях газообразные вещества являются диэлектриками. Это объясняется отсутствием в их структуре большого числа свободных частиц с разными зарядами. Стать электропроводным газ может лишь при условии его ионизации. Это явление представляет собой расщепление молекул на положительно и отрицательно заряженные частицы.

Электрический ток в газах - причины появления и применение

Ионизация возможна только под воздействием внешних факторов. Причины, влияющие на этот процесс, называются ионизаторами. Электроны, лишенные атомных связей, могут захватываться частицами с нейтральным зарядом, благодаря чему образуются положительные ионы. В электрическом газе, подвергшемся ионизации, в качестве носителей заряда присутствуют электроны, положительные и отрицательные ионы. Существует 3 типа ионизации:

Электрический ток в газах - причины появления и применение

  • Термо. Наблюдается при столкновении частиц газообразных веществ при высоких температурах. Их кинетическая энергия движения должна превосходить показатель молекулярной связи электронов в атомах.
  • Фото. Этот процесс протекает под воздействием электромагнитного излучения. Требуемая для отделения электронов энергия передается молекулам квантами излучения.
  • Ударная. Заряженные частицы появляются благодаря столкновению нейтральных частиц с быстро движущимися электронами. При этом они должны обладать большим показателем кинетической энергии.

    Также необходимо рассмотреть еще одно явление, протекающее в ионизированных газах, — рекомбинацию. Ее суть сводится к восстановлению нейтральных ионов из разнозаряженных частиц. Процесс сопровождается выделением определенного количества энергии, показатель которой соответствует значению, израсходованному на ионизацию.

    В результате могут проявляться различные явления, например, свечение. Это говорит о том, что возникновение электрического тока в газах обусловлено упорядоченным движением частиц с определенными зарядами. Это явление наблюдается лишь под воздействием внешнего поля. Можно сказать, что газ и электричество при определенных условиях являются вполне сочетаемыми понятиями.

    Газовые разряды

    Если поместить ионизированный газ в электрополе, то на свободные заряды начнут воздействовать электрические силы. Они всегда направлены параллельно линиям напряженности. В результате движение заряженных частиц из хаотичного становится упорядоченным — отрицательные движутся в направлении анода, а положительные — к катоду. После контакта с электродами частицы становятся нейтральными, так как отдали либо приняли электроны. В результате цепь замыкается, и появляется электроток.

    Процесс прохождения электронного тока через газообразное вещество называют разрядом. В газообразных веществах сочетаются два вида проводимости — электронная и ионная.

    Электрический ток в газах - причины появления и применение

    Несамостоятельный и самостоятельный ток

    Описанный кратко механизм возникновения тока в газах под воздействием внешнего поля представляет собой несамостоятельный разряд. После снятия внешнего воздействия электроток в газообразном веществе исчезает. Чтобы исследовать зависимости силы тока от напряжения, предстоит использовать стеклянную трубку, в которую впаяны электроды.

    Если начать воздействовать на это устройство с помощью ионизатора, например, рентгеновского излучения, то в газе каждую секунду будет появляться некоторое количество пар свободных частиц с определенным зарядом. При отсутствии на клеммах электродов напряжения сила тока окажется равной нулю. Создав небольшую разницу потенциалов, можно заставить заряженные частицы упорядочено перемещаться, что приведет к появлению газового разряда.

    Электрический ток в газах - причины появления и применение

    Но из-за рекомбинации не все образованные в результате процесса ионизации ионы смогут дойти до электродов. Часть этих частиц приобретет нейтральный заряд. При увеличении разности потенциалов число заряженных ионов и электронов будет возрастать. При достижении определенного напряжения все заряженные частицы доберутся до электродов. Это позволяет говорить о том, что электроток достиг насыщения.

    В результате вольт-амперная характеристика при появлении несамостоятельного тока становится нелинейной. Говоря проще, закон Ома в газах работает лишь при небольшой разнице потенциалов.

    Если после достижения насыщения тока продолжить увеличивать напряжение на электродах, то при большой разнице потенциалов его сила начнет стремительно возрастать. Это связано с тем, что в газообразном веществе образуются дополнительные заряженные частицы сверх тех, что появляются под воздействием ионизатора. В определенный момент необходимость использования внешнего поля для поддержания разряда отпадет.

    Такой электрический ток называется самостоятельным. Величина, при которой несамостоятельный ток становится самостоятельным, называется напряжением пробоя. Электроны, получая ускорение от электрополя, сталкиваются на траектории своего движения с нейтральными частицами.

    В ситуации, когда кинетическая энергия электронов превышает показатель энергии Wi, наблюдается ионизация молекул. При этом основную работу в образовании самостоятельного разряда выполняют электроны. В физике принято выделять 4 вида самостоятельного тока:

    Электрический ток в газах - причины появления и применение

  • Тлеющий. Создается в газообразных веществах при низком давлении (около 1,33 Па). Тлеющий разряд может быть получен при сравнительно небольшом напряжении. Используется он в газовых лампах, например, в неоновых. Применение различных инертных газов позволяет добиться свечения определенного цвета.
  • Искровой. Появляется при постепенном повышении напряжения. В природе искровой разряд наблюдается в виде молнии.
  • Дуговой. Если после возникновения искрового разряда продолжить снижать сопротивление электроцепи, то сила тока в искре начнет быстро увеличиваться. В результате возникнет дуговой разряд.
  • Коронный. Наблюдается при высоком давлении под воздействием неоднородного электрополя.

    Читайте также:  Кто несет ответственность за несчастные случаи происшедшие от поражения электрическим током

    Понятие плазмы

    Плазма представляет собой полностью либо частично ионизированный газ, в котором плотность противоположно заряженных частиц примерно одинакова. Для определения степени ионизации (α) используется следующая формула: α = Ni / N. Здесь Ni представляет собой число ионизированных атомов, а N — общее количество частиц.

    Электрический ток в газах - причины появления и применение

    Примером слабо ионизированной плазмы является ионосфера Земли. Звезды, включая Солнце, плотно ионизированы. Плазма обладает рядом уникальных свойств, что делает необходимым рассматривать ее в качестве особого состояния веществ, таких как, например, жидкость.

    Сегодня сложно представить человеческую цивилизацию без электричества. С его помощью люди освещают и обогревают дома, отправляют сообщения и т. д. Применение электрического тока в газах многообразно. Например, газовый электроток используется для освещения помещений, при сварке, в металлургии и т. д. Если управлять движением плазмы, то ее можно использовать в качестве рабочего тела. Так, несколько лет назад большой популярностью пользовались плазменные телевизоры.

    Источник

    Электрический ток в газах

    Электропроводность газов

    Газы в обычных условиях – диэлектрики. Воздух используют в технике как изолятор:

    – между обкладками конденсатора;

    – в контактах выключателей.

    При высокой температуре и под действием ультрафиолетового, рентгеновского и гамма-излучения (внешних ионизаторов) газы становятся проводниками.

    В этом легко убедиться, если взять заряженный плоский воздушный конденсатор с подключенным к нему электрометром, и нагреть воздух между пластинами.

    Природа газового разряда

    При внесении пламени между пластинами воздушного конденсатора происходит ионизация газа и возникновение ионов и электронов. Под действием электрического поля они начнут упорядоченно двигаться между пластинами.

    Протекание тока через газ называется газовым разрядом.

    При удалении пламени ток прекращается вследствие того, что положительные ионы и электроны не могут долго существовать раздельно и воссоединяются в нейтральную молекулу. Такой процесс называется рекомбинацией .

    Газовый разряд, протекающий под действием ионизатора, называется несамостоятельным.

    ионизация газа

    С увеличением разности потенциалов между пластинами кинетическая энергия электрона возрастает настолько, что при соударении его с нейтральной молекулой газа происходит выбивание электрона. Такой процесс называется ударной ионизацией молекул газа. Число электронов и ионов растет лавинообразно, что приводит к увеличению разрядного тока.

    Газовый разряд, протекающий в отсутствии ионизатора, называется самостоятельным.

    Интенсивность такого газового разряда зависит от напряженности электрического поля между пластинами и давления газа.

    Вольтамперная характеристика газового разряда.

    Вольтамперная характеристика газового разряда.

    ОА – только часть заряженных частиц доходит до электродов, часть их рекомбинирует;

    АВ – ток почти не увеличивается (ток насыщения);

    ВС – самостоятельный разряд.

    Виды газовых разрядов

    Искровой разряд – это прерывистый самостоятельный лавинообразный разряд в газе, вызванный ударной ионизацией и сопровождающийся треском и ярким свечением. Искровой разряд возникает при условии, когда мощность источника недостаточна для поддержания непрерывного разряда.

    искровой разряд

    Дуговой разряд впервые был получен в 1802 году российским академиком В. В. Петровым. При соприкосновении электродов в цепи возникает сильный ток короткого замыкания, что приводит к сильному нагреванию электродов. Затем электроды постепенно раздвигаются. Ток продолжает идти через межэлектродное пространство, заполненное высокотемпературной плазмой. Концы электродов раскаляются до 3000-4000 градусов и начинают испаряться.

    дуговой разряд

    Дуговой разряд является самостоятельным разрядом в газе и происходит за счет энергии термоэлектронной эмиссии с катода. Является источником сильного светового и ультрафиолетового излучения.

    Тлеющий разряд возникает в разряженном газе при сравнительно невысоком напряжении в виде светящегося газового столба. Тлеющий разряд вызывается ударной ионизацией и выбиванием электронов из катода положительными ионами (вторичная ионизация).

    Свечение при тлеющем разряде объясняется тем, что при рекомбинации молекул газа высвобождается энергия в виде светового излучения. Свечение будет иметь разные цвета в зависимости от вида газа.

    Коронный разряд возникает в сильно неоднородных электрических полях. Например, вблизи острия напряженность электрического поля настолько велика, что ионизация электронным ударом возможна даже при атмосферном давлении. В этой области возникает характерное сферическое свечение в виде короны.

    коронный разряд

    Применение газовых разрядов

    Искровой разряд используется в технике в системе зажигания двигателей внутреннего сгорания. Катушка зажигания дает напряжение 12-15 тысяч вольт. Это достаточно, чтобы между электродами свечи возникла искра для зажигания горючей смеси.

    пример искрового разряда

    Разновидностью искрового разряда является молния.

    дуговая электросварка

    Дуговой разряд применяется в качестве мощных источников света (прожекторов), в электроплавильных печах, для электросварки, для ультрафиолетовых излучателей.

    газоразрядные трубки

    Тлеющий разряд используется в рекламных газоразрядных трубках, в лампах дневного света, цифровых индикаторах.

    полярное сияние

    В природе свечение разряженных газов наблюдается в виде полярного сияния.

    коронный разряд в лэп

    Коронный разряд используется в электрофильтрах для очистки газов от примесей твердых частиц, в работе молниеотвода. В ЛЭП приводит к утечке электроэнергии.

    огни святого эльма

    В природе «корона» возникает иногда под действием атмосферного электричества на ветках деревьев, верхушках молниеотводов, мачт кораблей (огни святого Эльма).

    Источник

    Условия создания тока в газах

    Вы будете перенаправлены на Автор24

    Условия существования токов в газах

    Газ, в котором нет заряженных частиц, не является проводником электрического тока (он изолятор). Газ будет проводником только в том случае, если возникнут носители электрических зарядов (свободные электроны и ионы), то есть газ будет ионизирован. Положительные ионы могут быть однозарядными и многозарядными, это зависит от количества потерянных электронов. Отрицательные ионы, обычно однозарядны, образованы присоединением одного электрона к атому.

    Читайте также:  Блуждающие токи в проводке дома

    Так, необходимо существование постороннего фактора ионизации, не связанного с наличием электрического поля для того, чтобы газ являлся проводником. Это может быть, например, высокая температура, излучение, столкновения атомов газа с быстро движущимися элементарными частицами. Надо отметить, что и в нормальных условиях газы, например воздух, имеют электрическую проводимость, правда, весьма малую. Эта проводимость вызвана излучением радиоактивных веществ, которые присутствуют на поверхности Земли, и космическими лучами, которые приходят на планету из пространства. В том случае, если напряжённость поля мала, то течение тока через газ останавливается практически сразу, как перестает работать внешний фактор ионизации. Подобный ток называют несамостоятельным.

    Готовые работы на аналогичную тему

    Ионизацию газа, которая появляется как результат вырывания электронов из молекул и атомов самого газа называют объемной ионизацией. Кроме объемной ионизации выделяют поверхностную ионизацию. При таком типе ионизации, ионы и электроны попадают в газ со стенок сосуда, в котором он находится. Или с поверхности тел, которые в газ помещаются.

    После того, как прекращает действовать ионизирующий фактор, положительные и отрицательные ионы газа объединяются и образуют нейтральные молекулы. Этот процесс носит название — рекомбинация. В результате рекомбинации проводимость газа возвращается к первоначальному значению. При этом проводимость газа уменьшается постепенно.

    В том случае, когда напряженность поля довольно большая, то само поле может вызывать ионизацию газа, при которой газ становится проводником. В таких условиях ток называют самостоятельным. Универсальной зависимости силы самостоятельного тока от напряжения не выявлено. Все определяют конкретные условия. Сила самостоятельного тока может и увеличиваться и уменьшаться с ростом напряжения.

    Процесс прохождения электрического тока через газы называют газовым разрядом. Основными типами газового разряда являются:

    Несамостоятельный газовый разряд (несамостоятельный ток)

    Допустим, что газ, который находится между электродами, постоянно ионизируется. Пусть $N$ — концентрация зарядов каждого знака (или число пар ионов каждого знака), тогда $<(\frac

    )>_$ — скорость изменения (образования) концентрации зарядов внешним источником ионизации. Параллельно с процессом ионизации идет процесс рекомбинации.

    Если внешнего поля нет, то через некоторое время устанавливается динамическое равновесие, при котором скорость образования ионов становится равной скорости рекомбинации. При этом $N=N^+=N^-$, где полагаем, что ионы однозарядные. В равновесии можно записать, что:

    где $r$ — коэффициент рекомбинации, концентрация ионов одного знака равна:

    Когда присутствует внешнее электрическое поле, то часть электронов долетает до электродов и там нейтрализуется. Условием динамического равновесия в этом случае станет выражение:

    где $(\frac

    )$- число пар ионов исчезающих в результате нейтрализации на электродах в единицу времени.

    Плотность тока определяется как:

    где $v_d=bE$- скорость дрейфа заряда в электрическом поле, $b^+,\ b^-$ — подвижности положительных и отрицательных зарядов. В таком случае, равенство (2) перепишем в виде:

    Формула (3) эквивалентна закону Ома только в том случае, если выражение $q\left(b^++\ b^-\right)N$ не зависит от $E$ и $j$. В газах зависимость $q\left(b^++\ b^-\right)N$ обычно существует, поэтому выражение (4) не эквивалентно закону Ома.

    В том случае, если расстояние между электродами принять равным d, то плотность тока насыщения ($j$) можно выразить как:

    если считать, что все возникающие ионы попадают на электроды раньше, чем успевают рекомбинировать. С учетом выражения (5) формулу (2) запишем как:

    Рассмотрим два предельных случая. Пусть плотность ток очень мала. Этот случай соответствует малым внешним электрическим полям. В этом случае количество ионов, которые нейтрализованы на электродах существенно меньше, чем нейтрализованных за счет рекомбинации, тогда их число не изменяется. Разряд подчиняется закону Ома. На вольт — амперной характеристике (рис.1) это соответствует участку ОА.

    Другой предельный случай, когда мы получаем ток насыщения ($j_n$) из уравнения (6) при $rN^2\ll \frac$, тогда:

    где плотность тока насыщения ($j_n$) не зависит от внешнего поля, создается всеми ионами, которые образованы в результате работы ионизатора. Этому условию отвечает участок BC рис.1.

    При промежуточных значениях напряжения внешнего поля происходит плавный переход от линейной зависимости между током и напряжением к насыщению (участок АВ).

    Выражение для плотности тока, имеющее вид:

    называют характеристикой несамостоятельного тока.

    Самостоятельный ток

    В том случае, если при плотности тока, равной току насыщения увеличивать напряженность внешнего поля, то плотность тока снова начнет расти. Это происходит от того, что электроны газа до рекомбинации с ионами успевают приобрести энергию, при которой они ионизируют молекулы газа благодаря высокой напряженности внешнего поля. Как результат, скорость ионизации зависит от напряженности внешнего поля. Появляющийся при этом ток называют самостоятельным. Начальная часть характеристики этого тока показана на рис.1 пунктиром.

    Читайте также:  Сопротивление проводника при переменном токе зависит от

    К видам самостоятельных газовых разрядов относят:

    Задание: Как найти минимальную скорость электрона, которую он должен иметь для того, чтобы ионизировать атом азота, если потенциал ионизации для этого вещества равен $U_i=14,5\ B$.

    Решение:

    Основание для решения данной задачи служит закон сохранения энергии, который мы запишем в виде:

    Из уравнения (1.1) выразим искомую скорость, получим:

    Из справочных материалов возьмем $m_e=9,1\cdot 10^<-31>кг$, $q_e=1,6\cdot 10^<-19>Кл$. Можем перейти к вычислениям минимальной скорости ионизации.

    Задание: Чем меньше давление газа при постоянной температуре, тем меньшее количество атомов имеется в единице объема этого газа, следовательно, больший путь проходит атом между двумя последовательными соударениями. Как будет изменяться напряжение пробоя газового промежутка при уменьшении давления газа?

    Решение:

    Данную ситуацию можно отнести к такой форме газового разряда, который называют искровым разрядом. При искровом разряде газ скачком утрачивает свои диэлектрические свойства и становится хорошим проводником. Напряженность поля, при которой происходит искровой разряд, различна для разных газов, зависит от их давления и температуры. Напряжение, при котором наступает искровой пробой, называют напряжением пробоя.

    Возникновение пробоя объясняется так. В газе всегда есть некое малое число ионов и электронов. При небольших значениях напряженности приложенного поля, соударения, движущихся ионов с нейтральными молекулами можно уподобить упругим столкновениям шаров. При повышении напряженности внешнего поля кинетическая энергия движущихся ионов может стать достаточной для того, чтобы ионизировать нейтральную молекулу. Как результат, появляется новый электрон и положительный ион. Такой процесс называют ударной ионизацией. Вновь образованные ионы и электроны увеличивают количество заряженных частиц в газе, причем под воздействием поля они ускоряются и могут произвести ударную ионизацию вновь. Так, процесс усиливает сам себя. Образуется ионная лавина. Образование ионной лавины и есть процесс искрового пробоя, минимальное напряжение при котором возникает ионная лавина — напряжение пробоя. При искровом пробое причина ионизации газа — разрушение атомов и молекул при соударениях.

    При уменьшении давления газа напряжение пробоя уменьшается. Это происходит из-за того, что при большем свободном пробеге ионы могут получить требуемую для ионизации кинетическую энергию при меньшей напряженности электрического поля.

    Источник

    

    Электрический ток в газах

    Понятие электрического тока

    При грозовом разряде может возникнуть электрический ток, который называют кратковременным. А для поддержания тока в течение длительного времени необходимо наличие электрического поля и свободных носителей электрического заряда.

    Электрическое поле создают тела, заряженные разноименно. Силой тока называют отношение заряда, переносимое через поперечное сечение проводника за интервал времени, к этому интервалу времени. Измеряется она в Амперах.

    Рис. 1. Формула силы тока

    Электрический ток в газах

    Молекулы газа в обычных условиях не проводят электрический ток. Они являются изоляторами (диэлектриками). Однако, если изменить условия окружающей среды, то газы могут стать проводниками электричества. В результате ионизации (при нагреве или под действием радиоактивного излучения) возникает электрический ток в газах, который часто заменяют термином «электрический разряд».

    Самостоятельные и несамостоятельные газовые разряды

    Разряды в газе могут быть самостоятельными и несамостоятельными. Ток начинает существовать, когда появляются свободные заряды. Несамостоятельные разряды существуют пока на него действует сила извне, то есть внешний ионизатор. То есть, если внешний ионизатор перестал действовать, то и ток прекращается.

    Самостоятельный разряд электрического тока в газах существует даже после прекращения действия внешнего ионизатора. Самостоятельные разряды в физике подразделяются на тихий, тлеющий, дуговой, искровой, коронный.

    • Тихий– самый слабый из самостоятельных разрядов. Сила тока в нем очень мала (не более 1 мА). Он не сопровождается звуковыми или световыми явлениями.
    • Тлеющий– если увеличить напряжение в тихом разряде, он переходит на следующий уровень – в тлеющий разряд. В этом случае появляется свечение, которое сопровождается рекомбинацией. Рекомбинация– обратный процесс ионизации, встреча электрона и положительного иона. Применяется в бактерицидных и осветительных лампах.

    Рис. 2. Тлеющий разряд

    • Дуговой– сила тока колеблется от 10 А до 100 А. Ионизация при этом равна почти 100%. Этот тип разряда возникает, например, при работе сварочного аппарата.

    Рис. 3. Дуговой разряд

    • Искровой– можно считать одним из видов дугового разряда. Во время такого разряда за очень короткое время протекает определенное количество электричества.
    • Коронный разряд – ионизация молекул происходит вблизи электродов с малыми радиусами кривизны. Этот вид заряда происходит тогда, когда напряженность электрического поля резко изменяется.

    Что мы узнали?

    Сами по себе атомы и молекулы газа нейтральны. Они заряжаются при воздействии извне. Если говорить кратко об электрическом токе в газах, то он представляет собой направленное движение частиц (положительных ионов к катоду и отрицательных ионов к аноду). Также важным является, что при ионизации газа, его проводящие свойства улучшаются.

    Источник