Меню

При каком условии газ может стать проводником электрического тока



§ 3.7. ЭЛЕКТРИЧЕСКИЙ ТОК В ГАЗАХ

При комнатных температурах газы являются ди-электриками. Нагревание газа или облучение ультрафи-олетовыми, рентгеновскими и другими лучами вызывает ионизацию атомов или молекул газа.

Электрический разряд в газах

Все газы (в том числе и воздух) в естественном состоянии не проводят электрического тока, т. е. являются изоляторами (см. § 3.1). Именно по этой причине оказывается возможным строить «воздушные» линии электропередачи. На свойстве воздуха быть изолятором основана работа обыкновенного вы-ключателя электрического тока, применяемого в ваших квар-тирах. Поворачивая выключатель, мы создаем воздушный промежуток между двумя точками электрической цепи и тем самым размыкаем ее.

В том, что воздух является плохим проводником электрического тока, можно убедиться непосредственно на следующем опыте. Возьмем электрометр с присоединенными к нему дисками плоского конденсатора и зарядим его (рис. 3.10, а). При комнатной температуре, если воздух достаточно сухой, конденсатор заметно не разряжается — положение стрелки электрометра не изменяется. Чтобы заметить уменьшение угла отклонения стрелки электрометра, требуется длительное время. Это показывает, что электрический ток в воздухе между дисками очень мал.

Изолирующие свойства газов (воздуха) объясняются отсут-ствием в них свободных электрических зарядов: атомы и моле-кулы газов в естественном состоянии являются нейтраль-ными.

Видоизменим наш опыт. Нагреем воздух между дисками пламенем спиртовки (рис. 3.10, б). Заметим, что угол отклонения стрелки электрометра быстро уменьшается, т. е. уменьшается разность потенциалов между дисками конденсатора — конденсатор разряжается. Следовательно, нагретый воздух между дисками стал проводником и в нем устанавливается электрический ток.

Процесс протекания тока через газы называют электрическим разрядом в газах.

Рассмотренный выше опыт показывает, что в воздухе между дисками под действием пламени появились заряженные частицы. Тщательными исследованиями было установлено, что носителями электрических зарядов в газах являются ионы и электроны. Откуда же они берутся?

При нагревании газа (воздуха) молекулы начинают двигаться быстрее. При этом некоторые молекулы начинают двигаться так быстро, что часть из них при столкновениях распадается на положительно заряженные ионы и электроны (рис. 3.11). Чем выше температура, тем больше образуется ионов. Распад моле-кул газа на электроны и положительные ионы называется ионизацией газа.

Нагревание газа до высокой температуры не является единственным способом ионизации молекул или атомов газа. Нейтральные атомы или молекулы газа могут ионизоваться под воздействием других факторов, важнейшими из которых являются рентгеновские лучи и излучения радиоактивных веществ, ультрафиолетовые лучи и т. д. Факторы, вызывающие ионизацию газа, называются ионизаторами.

В газе могут образовываться и отрицательные ионы: они появляются благодаря присоединению электронов к нейтральным атомам или молекулам газа (рис. 3.12).

Итак, в ионизованном газе имеются носители зарядов трех сортов: электроны, положительные ионы и отрицательные. Ионизация га- Рис. 3.11

Рис. 3.12 Рис. 3.13

зов имеет сходство с электролитической диссоциацией, заключающееся в том, что в обоих явлениях образуются заряженные частицы из нейтральных молекул. Однако здесь имеются и существенные различия. Диссоциация происходит самостоятельно без внешнего воздействия, а ионизация газов — под воздействием ионизатора. Кроме того, при диссоциации образуются заряженные частицы двух сортов — положительные и отрицательные ионы, а при ионизации газов, как мы отмечали, образуются заряженные частицы трех сортов.

Процесс ионизации газа всегда сопровождается противоположным ему процессом восстановления нейтральных молекул из разноименно заряженных ионов (или из положительных ионов и электронов) вследствие их электрического (кулонов- ского) притяжения (рис.

Механизм электропроводности газов

Механизм проводимости газов похож на механизм проводимости растворов и расплавов электролитов. При отсутствии внешнего поля заряженные частицы, как и нейтральные мо- лекулы, движутся хаотически. Если ионы и свободные электроны оказываются во внешнем электрическом поле, то они приходят в направленное движение и создают электрический ток в газах (рис. 3.14).

Таким образом, электрический ток в газе представляет собой направленное движение положительных ионов к катоду, а отрицательных ионов и электронов — к аноду. Полный ток в газе складывается из двух потоков заряженных частиц: потока, идущего к аноду, и потока, направленного к катоду.

На электродах происходит нейтра-лизация заряженных частиц, как и при прохождении элект-рического тока через растворы и расплавы электролитов. Однако в газах отсутствует выделение веществ на электродах, как это имеет место в растворах электролитов. Газовые ионы, подойдя к электродам, отдают им свои заряды, превращаются в нейтральные молекулы и диффундируют обратно в газ.

Читайте также:  Цепи постоянного тока звезда треугольник

Еще одно различие в электропроводности ионизованных газов и растворов (расплавов) электролитов состоит в том, что отрицательный заряд при прохождении тока через газы пере-носится в основном не отрицательными ионами, а электронами, хотя проводимость за счет отрицательных ионов также может играть определенную роль.

1 В газах сочетается электронная проводимость, подобная проводимости металлов, с ионной проводимостью, подобной проводимости водных растворов или расплавов электролитов.

Источник

При каком условии газ может стать проводником электрического тока

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.

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.

Читайте также:  Регулируемый регулятор тока схема

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.

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

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.

Читайте также:  Меры защиты от тока при косвенном прикосновении в случае повреждения изоляции

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

§ 46. Электрический ток (окончание)

5. Газы в обычных условиях являются хорошими изоляторами. В них нет свободных электрических зарядов. Однако при определённых условиях газы могут стать проводниками электрического тока.

Поскольку молекулы газа электрически нейтральны, чтобы газ стал проводником электрического тока, необходимо каким-либо способом получить некоторое число свободных электрических зарядов: электронов и положительных ионов.

Создать свободные электрические заряды в газе можно разными способами. Достаточно, например, в промежуток между металлическими дисками (рис. 141) внести пламя спиртовки, как стрелка гальванометра, которая до этого стояла на нулевом делении, отклонится, что свидетельствует о прохождении электрического тока по цепи.

свидетельствует о прохождении электрического тока по цепи

6. Полупроводники, как вы уже знаете, занимают промежуточное положение между веществами, хорошо проводящими электрический ток (проводниками), и диэлектриками.

Атом полупроводника легко теряет один из своих электронов, а электрон соседнего атома может заменить его. Несмотря на то что подобный обмен электронами происходит постоянно, общий заряд вещества равен нулю.

Таким образом, в полупроводниках происходит перемещение электронов и свободных мест, которые они занимают. Эти свободные места называют дырками. Под действием электрического поля движение электронов и дырок становится направленным. Концентрацию свободных зарядов в полупроводнике можно увеличить, внеся в него примеси. Кроме того, количество свободных носителей тока в полупроводнике возрастает при повышении его температуры и при освещении.

Вопросы для самопроверки

1. Что такое электрический ток?

2. Что значит «упорядоченное движение заряженных частиц»?

3. Каковы условия существования электрического тока?

4*. Является ли молния электрическим током?

Источник

Adblock
detector