Электрический ток в газах


Примечание	от редактора: нет списка литературы
	Загрузить архив:
	Файл: ref-24688.zip (197kb [zip], Скачиваний: 156) скачать

План

1.Строение данной среды на основе электронной теории.

2.Наличие свободных заряженных частиц.

3.Природа электрического тока в данной среде.

4.Сопротивление данной среды, зависимость от температуры.

5.Вольтамперная характеристика (схема для снятия вольтамперной характеристики, объяснение зависимости применимости закона Ома для тока в данной среде).

6.Общие закономерности постоянного тока, применимые для данной среды,

7.Характерные особенности проводимости данной среды.

8.Применение закономерностей в технике, проявление их в природе.

Строение данной среды на основе электронной теории.

Электронная теория, классическая (неквантовая) теория электромагнитных процессов, в основе которой лежат представления о строении вещества из электрически заряженных частиц — электронов и атомных ядер (см. Лоренца — Максвелла уравнения).

Лоренца — Максвелла уравнения, Лоренца уравнения, фундаментальные уравнения классической электродинамики, определяющие микроскопические электромагнитные поля, создаваемые отдельными заряженными частицами. Уравнения Лоренца-Максвелла лежат в основе электронной теории (микроскопической электродинамики), построенной Х. А. Лоренцом в конце 19 — начале 20 вв. В этой теории вещество (среда) рассматривается как совокупность электрически заряженных частиц (электронов и атомных ядер), движущихся в вакууме.

В уравнениях Лоренца-Максвелла электромагнитное поле описывается двумя векторами: напряжённостями микроскопических полей — электрического е и магнитного h. Все электрические токи в электронной теории — чисто конвекционные, т. е. обусловлены движением заряженных частиц. Плотность тока j = ru, где r — плотность заряда, а u — его скорость.

В обычных условиях все газы состоят в основном из нейтральных атомов и молекул и поэтому не проводят электрического тока, т. е. являются диэлектриками. С повышением температуры атомы и молекулы ионизируются (распадается на положительно заряженные ионы и электроны. В газе могут образовываться и отрицательные ионы, кот. появляются благодаря прис. электронов к нейтральным атомам.), и газ постепенно превращается в плазму, хорошо проводящую электрический ток.

Плазма(от греч. plásma — вылепленное, оформленное), частично или полностью ионизованный газ, в котором плотности положительных и отрицательных зарядов практически одинаковы. При достаточно сильном нагревании любое вещество испаряется, превращаясь в газ. Если увеличивать температуру и дальше, резко усилится процесс термической ионизации, т. е. молекулы газа начнут распадаться на составляющие их атомы, которые затем превращаются в ионы. Ионизация газа, кроме того, может быть вызвана его взаимодействием с электромагнитным излучением (фотоионизация) или бомбардировкой газа заряженными частицами.

Свободные заряженные частицы в плазме — особенно электроны — легко перемещаются под действием электрического поля.

Применительно к плазме несколько необычный смысл (по сравнению с др. разделами физики) вкладывается в понятия «низкотемпературная» и «высокотемпературная». Низкотемпературной принято считать плазму с T_i , а высокотемпературной — плазу с T_i и более. Это условное разделение связано с возможностью для плазмы достигать чрезвычайно больших температур.

В состоянии плазмы находится подавляющая часть вещества Вселенной — звёзды, звёздные атмосферы, туманности галактические и межзвёздная среда. Около Земли плазма существует в космосе в виде солнечного ветра, заполняет магнитосферу Земли (образуя радиационные пояса Земли) и ионосферу. Процессами в околоземной плазмы обусловлены магнитные бури и полярные сияния. Отражение радиоволн от ионосферной плазмы обеспечивает возможность дальней радиосвязи на Земле.

В лабораторных условиях и промышленных применениях плазма образуется в электрическом разряде в газах (дуговом разряде, искровом разряде, тлеющем разряде ипр.), в процессах горения и взрыва, используется в плазменных ускорителях, магнитогидродинамических генераторах и во многих др. устройствах.

Термин «плазма» в физике был введён в 1923 американским учёными И. Ленгмюром и Л. Тонксом, проводившими зондовые измерения параметров низкотемпературной газоразрядной плазмы.

Основные свойства плазмы.В резком отличии свойств плазмы от свойств нейтральных газов определяющую роль играют два фактора. Во-первых, взаимодействие частиц плазмы между собой характеризуется кулоновскими силами притяжения и отталкивания, убывающими с расстоянием гораздо медленнее (т. е. значительно более «дальнодействующими»), чем силы взаимодействия нейтральных частиц. По этой причине взаимодействие частиц в плазме является, строго говоря, не «парным», а «коллективным» — одновременно взаимодействует друг с другом большое число частиц. Во-вторых, электрические и магнитные поля очень сильно действуют на плазму (в то время как они весьма слабо действуют на нейтральные газы).

Наличие свободных заряженных частиц.

Проводники - это такие тела, в которых имеются свободные частицы, обладающие электрическим зарядом и способные ускоряться и, перемещаться под действием приложенных к ним электрических сил.

В газах при обычных условиях почти нет свободных заряженных частиц, так как они являются диэлектриками (состоят из нейтральных атомов и молекул).

Только вследствие нагревания или воздействия излучением (ионизация) образуются свободные заряженные частицы (ионы и электроны).

Природа эл. тока-процесс ионизации газов.

Ионизация, образование положительных и отрицательных ионов и свободных электронов из электрически нейтральных атомов и молекул. Термином «ионизация» обозначают как элементарный акт (ионизации атома, молекулы), так и совокупность множества таких актов (ионизация газа).

Ионизация в газе. Для разделения нейтрального невозбуждённого атома (молекулы) на две или более заряженные частицы, т. е. для его ионизации, необходимо затратить энергию. Для всех атомов данного элемента (или молекул данного химического соединения), ионизующихся из основного состояния одинаковым образом (с образованием одинаковых ионов), энергия ионизации одинакова. Простейший акт ионизации — отщепление от атома (молекулы) одного электрона и образование положительного иона. Свойства частицы по отношению к такой ионизации характеризуют её ионизационным потенциалом, представляющим собой энергию ионизации, деленную на заряд электрона. Присоединение электронов к нейтральным атомам или молекулам (образование отрицательного иона), в отличие от других актов ионизации, может сопровождаться как затратой, так и выделением энергии; в последнем случае говорят, что атомы (молекулы) данного вещества обладают сродством к электрону(сродство к электрону, электронное сродство, способность некоторых нейтральных атомов, молекул иприсоединять добавочные электроны, превращаясь в отрицательные ионы).

Электрический разряд в газах, прохождение электрического тока через газовую среду под действием электрического поля, сопровождающееся изменением состояния газа. Многообразие условий, определяющих исходное состояние газа (состав, давление ит. д.), внешних воздействий на газ, форм, материала и расположения электродов, геометрии возникающего в газе электрического поля ит. п. приводит к тому, что существует множество видов электрических разрядовв газах, причём его законы сложнее, чем законы прохождения электрического тока в металлах и электролитах. Электрические разряды в газах подчиняются закону Ома лишь при очень малой приложенной извне разности потенциалов, поэтому их электрические свойства описывают с помощью вольтамперной характеристики .

Вольтамперная характеристика разряда. 2

Газы становятся электропроводными при их ионизации. Если электрический разряд в газах происходит только при вызывающем и поддерживающем ионизацию внешнем воздействии (при действии т. н. внешних ионизаторов), его называют несамостоятельным газовым разрядом. Электрический разряд в газах, продолжающийся и после прекращения действия внешнего ионизатора, называется самостоятельным.

Один из видов стационарного самостоятельного электрического разряда в газах-тлеющий разряд. Происходит при низкой температуре катода, отличается сравнительно малой плотностью тока на катоде и большим (порядка сотен вольт) катодным падением U потенциала. Тлеющий разряд может возникать при давлениях р газа вплоть до атмосферного, однако подавляющее большинство исследований тлеющего разряда проведено при р от сотых долей до нескольких мм. рт. ст. Электроны из катода тлеющего разряда испускаются главным образом под действием ударов положит, ионов и быстрых атомов (и частично — за счёт фотоэффекта и энергии метастабильных атомов). Для внешнего вида тлеющего разряда в длинной цилиндрической трубке при давлениях порядка десятых долей мм. рт. ст. и выше характерно наличие ряда областей, визуально сильно отличающихся одна от другой (рис. 1). Происхождение этих областей объясняется особенностями элементарных процессов ионизации и возбуждения атомов и молекул. Важнейшей из них, определяющей само существование тлеющего разряда при указанных условиях, является темное катодное пространство, в котором в результате ударной ионизации электронами образуются положительные ионы, обеспечивающие эмиссию электронов из катода. Напряжение между электродами тлеющего разряда (напряжение горения) зависит в основном от двух параметров: произведения р на расстояние lмежду электродами (р× l) и плотности тока на катоде j. Общая классификация различных форм тлеющего разряда была установлена в исследованиях советского учёного Б. Н. Клярфельда и его учеников. Она распространяется на случай сверхмалых значений p lи j, когда в пространстве между электродами отсутствует пространственный заряд (пространственный заряд, объёмный заряд, электрический заряд, рассредоточенный по некоторому объёму) и поле практически однородно. В таком, по терминологии Клярфельда, простейшем т.р. отсутствуют упомянутые выше отдельные области, и газ ионизуется электронами во всём межэлектродном промежутке. При увеличении p lи j возможно существование двух форм тлеющего разряда — нормального и плотного. В первом из них электроны эмитируют только часть поверхности катода. При этом j и U остаются постоянными, а с ростом тока эмиссия происходит со всё большей площади катода. Плотный тлеющий разряд наблюдается при больших j. Для него характерно резкое возрастание напряжения горения с ростом тока.

Особой формой тлеющего разряда является разряд с полым катодом (катод имеет форму полого цилиндра или двух параллельных пластин). В таком тлеющем разряде электроны, многократно колеблющиеся между стенками катода, интенсивно ионизуют газ. Тлеющий разряд с полым катодом отличается от обычного тлеющего разряда значительно большими плотностью тока и яркостью свечения. Свойства и характеристики тлеющего разряда используются в технике (например, стабилитроны, тиратроны т.р.).

Тихий разряд наблюдается при давлении газа порядка атмосферного. Внешними ионизаторами могут быть: естественное радиоактивное излучение, космические лучи, потоки фотонов (сильное световое облучение), пучки быстрых электронов ит. д. Ионизаторы двух последних типов используются (преимущественно в импульсном режиме) в газовых лазерах.

Переход несамостоятельного электрического разряда в газах в самостоятельный характеризуется резким усилением электрического тока и называется электрическим пробоем газа.

После короткого переходного процесса самостоятельный газовый разряд становится стационарным. Обычно такой разряд осуществляют в закрытом изолирующем сосуде (стеклянном или керамическом). Ток в газе течёт между двумя электродами: отрицательным катодом и положительным анодом.

Одним из основных типов газового разряда, формирующимся, как правило, при низком давлении и малом токе, является тлеющий разряд. Тлеющее свечение обусловлено рекомбинацией ионов и электронов в нейтральные атомы или молекулы. Для положительного столба разряда вследствие постоянной и большой концентрации электронов характерны незначительное падение потенциала в нём, свечение, вызываемое возвращением возбуждённых молекул (атомов) газа в основное состояние (состояние с наинизшей возможной энергией), и большая электропроводность.

Рекомбинацияионов и электронов, образование нейтральных атомов или молекул из свободных электронов и положительных атомных или молекулярных ионов-процесс, обратный ионизации. Рекомбинация происходит главным образом в ионизованных газах и плазме и приводит к практически полному исчезновению заряженных частиц при отсутствии противодействующих ей факторов.

Кроме стационарных разрядов, основные характеристики которых не зависят от времени, существуют нестационарные (импульсные). Они возникают по большей части в сильно неоднородных или переменных во времени полях, например у заострённых и искривленных поверхностей проводников и электродов. Величина напряжённости поля и степень его неоднородности вблизи таких тел столь велики, что происходит ударная ионизация электронами молекул газа. Два важных типа нестационарного разряда — коронный разряд и искровой разряд.

Коронный разряд, электрическая корона, разновидность тлеющего разряда; возникает при резко выраженной неоднородности электрического поля вблизи одного или обоих электродов. Подобные поля формируются у электродов с очень большой кривизной поверхности (острия, тонкие провода). При коронном разряде эти электроды окружены характерным свечением, также получившим название короны, или коронирующего слоя. Примыкающая к короне несветящаяся («тёмная») область межэлектродного пространства называется внешней зоной. Корона часто появляется на высоких остроконечных предметах (святого Эльма огни), вокруг проводов линий электропередач ит. д.

Коронный разряд может иметь место при различных давлениях газа в разрядном промежутке, но наиболее отчётливо он проявляется при давлениях не ниже атмосферного. Разряд начинается, когда напряжение U между электродами достигает так называемого «начального потенциала» короны U₀ (типичные значения — тысячи и десятки тысяч в). Ток коронного разряда пропорционален разности U—U₀ и подвижности образующихся в разряде ионов газа; он обычно невелик (долима на 1 см длины коронирующего электрода). При повышении U яркость и толщина коронирующих слоев растут. Когда U достигает потенциала «искрового перекрытия», коронный разряд переходит в искровой разряд.

Сопротивление данной среды, зависимость от температуры.

При увеличении температуры, чаще происходит ионизацияатомов, появляется больше свободных носителей заряда, иуменьшается количество атомов, препятствующих движению электронов и ионов. Таким образом, сопротивление уменьшается.

Вольтамперная характеристика.

Важнейшей характеристикой проводника является зависимость силы тока от напряжения — вольтамперная характеристика. Она имеет простейший вид для металлических проводников и электролитов: сила тока прямо пропорциональна напряжению (закон Ома ).

Вольтамперная характеристика, зависимость напряжения от тока или тока от напряжения на участке электрической цепи. В. х. может изображаться аналитически — как функция V = f (I), где V — напряжение, I — ток; графически — в виде линии в системе координат (V, I), например, анодная характеристика электровакуумных ламп.

При увеличении напряжения увеличивается сила тока. Когда напряжение достигает определённого значения, сила тока не меняется (этот ток называют током насыщения). С увеличением напряжения газ переходит в состояние плазмы, и сила тока продолжает увеличиваться.

Характерные особенности проводимости данной среды.

Механизм проводимости газов похож на механизм проводимости растворов и расплавов электролитов. Разница состоит в том, что отрицательный заряд переносится в основном не отрицательными ионами, а электронами.

Таким образом, в газах сочетается электронная проводимость (проводимость металлов), с ионной проводимостью (проводимость водных растворов или расплавов электролитов).В растворах электролитов образование ионов происходит вследствие ослабления внутримолекулярных связей под действием молекул растворителя (молекул воды). В газах образование ионов происходит либо при нагревании, либо за счёт действия внешних ионизаторов (излучений).

Применение закономерностей в технике, проявление их

в природе.

Газы в науке и технике используются, прежде всего, как электроизоляционные материалы. Для этого необходимы газы с большим удельным сопротивлением, высокой электрической прочностью и малым углом диэлектрических потерь. Газы с высоким значением e используются как конденсаторные материалы. Ёмкость конденсатора, заполненного газом, возрастает в e раз. Пьезоэлектрики широко применяются для преобразований звуковых колебаний в электрические и наоборот (приёмники и излучатели ультразвука, звукосниматели и др., см. Пьезоэлектрический датчик). Пироэлектрики служат для индикации и измерения интенсивности инфракрасного излучения. Сегнетоэлектрики применяют в радиотехнике для создания нелинейных элементов, входящих в состав различных схем (усилители, стабилизаторы частоты и преобразователи электрических сигналов, схемы регулирования и др.).

К настоящему времени все виды электрических разрядов в газах исследуются и применяются во многих областях науки и техники. Тлеющий, дуговой и импульсные разряды используются при возбуждении газовых лазеров. Плазматроны, в которых основным рабочим процессом служит дуговой или ВЧ-разряд, являются важными устройствами в ряде областей техники, в частности при получении особо чистых полупроводников и металлов. Мощные плазматроны используются в качестве реакторов в плазмохимии. На применении искрового разряда основаны прецизионные методы электроискровой обработки. При фокусировке лазерного светового излучения происходит пробой воздуха в фокусе и возникает безэлектродный разряд (подобный ВЧ-разряду и искре), называется лазерной искрой. Мощные, сильноточные разряды в водороде служили первыми шагами на пути к управляемому термоядерному синтезу.