Які частинки утворюють електричний струм у газах. Електричний струм у газах: визначення, особливості та цікаві факти

Проведемо наступний досвід.

малюнок

Приєднаємо електрометр до дисків плоского конденсатора. Після цього зарядимо конденсатор. При звичайній температурі та сухому повітрі конденсатор буде розряджатися дуже повільно. З цього можна зробити висновок, що струм у повітрі між дисками дуже малий.

Отже, у звичайних умовах газ є діелектриком. Якщо тепер нагріти повітря між пластинами конденсатора, то стрілка електрометра швидко наблизиться до нуля, і, отже, конденсатор розрядиться. Значить, у нагрітому газі встановлюється електричний струм, і такий газ буде провідником.

Електричний струм у газах

Газовий розряд – процес проходження струму через газ. З досвіду видно, що зі збільшенням температури провідність повітря зростає. Крім нагрівання, провідність газу можна збільшити іншими способами, наприклад, дією випромінювань.

У звичайних умовах гази переважно складаються з нейтральних атомів і молекул, і тому є діелектриками. Коли ми впливаємо на газ випромінюванням або нагріваємо його, частина атомів починає розпадатися на позитивні іони та електрони – іонізуватися. Іонізація газу відбувається внаслідок того, що при нагріванні швидкість молекул і атомів збільшується дуже сильно, і при зіткненнях вони розпадаються на іони.

Провідність газу

Провідність у газах здійснюється в основному електронами. У газах поєднуються два види провідності: електронна та іонна. На відміну від розчинів електролітів, у газах утворення іонів відбувається або при нагріванні, або за рахунок дії зовнішніх іонізаторів – випромінювань, тоді як у розчинах електролітів утворення іонів викликане ослабленням міжмолекулярних зв'язків.

Якщо в якийсь момент іонізатор припинить свою дію на газ, струм теж припиниться. При цьому позитивно заряджені іони та електрони можуть знову об'єднатися – рекомбінувати. Якщо відсутнє зовнішнє поле, то заряджені частинки зникатимуть лише внаслідок рекомбінації.

Якщо дія іонізатора не буде перериватись, то встановиться динамічна рівновага. У стані динамічної рівноваги, число пар частинок (іонів і електронів), що знову утворюються, дорівнюватиме числу зникаючих пар - внаслідок рекомбінації.

Реферат з фізики

на тему:

"Електричний струм у газах".

Електричний струм у газах.

1. Електричний розряд у газах.

Усі гази у природному стані не проводять електричного струму. У чому можна переконатися з такого досвіду:

Візьмемо електрометр із приєднаними до нього дисками плоского конденсатора та зарядимо його. При кімнатній температурі, якщо повітря досить сухе, конденсатор помітно не розряджається - положення стрілки електрометра не змінюється. Щоб помітити зменшення кута відхилення стрілки електрометра, потрібно тривалий час. Це показує, що електричний струм у повітрі між дисками дуже малий. Цей досвід показує, що повітря є поганим провідником електричного струму.

Видозмінимо досвід: нагріємо повітря між дисками полум'ям спиртування. Тоді кут відхилення стрілки електрометра швидко зменшується, тобто. зменшується різницю потенціалів між дисками конденсатора – конденсатор розряджається. Отже, нагріте повітря між дисками стало провідником, і в ньому встановлюється електричний струм.

Ізолюючі властивості газів пояснюються тим, що в них немає вільних електричних зарядів: атоми та молекули газів у природному стані є нейтральними.

2. Іонізація газів.

Вищеописаний досвід показує, що у газах під впливом високої температури з'являються заряджені частки. Вони виникають внаслідок відщеплення від атомів газу одного або кількох електронів, у результаті замість нейтрального атома виникають позитивний іон і електрони. Частина електронів, що утворилися, може бути при цьому захоплена іншими нейтральними атомами, і тоді з'являться ще негативні іони. Розпад молекул газу на електрони та позитивні іони називається іонізацією газів.

Нагрівання газу до високої температури не є єдиним способом іонізації молекул чи атомів газу. Іонізація газу може відбуватися під впливом різних зовнішніх взаємодій: сильного нагріву газу, рентгенівських променів, a-, b- і g-променів, що виникають при радіоактивному розпаді, космічних променів, бомбардування молекул газу електронами, що швидко рухаються, або іонами. Фактори, що викликають іонізацію газу, називаються іонізаторами.Кількісною характеристикою процесу іонізації є інтенсивність іонізації,що вимірюється числом пар протилежних за знаком заряджених частинок, що виникають в одиниці обсягу газу за одиницю часу.

Іонізація атома потребує витрати певної енергії – енергії іонізації. Для іонізації атома (або молекули) необхідно здійснити роботу проти сил взаємодії між електроном, що виривається, та іншими частинками атома (або молекули). Ця робота називається роботою іонізації A i. Величина роботи іонізації залежить від хімічної природи газу та енергетичного стану електрона, що виривається в атомі або молекулі.

Після припинення дії іонізатора кількість іонів у газі з часом зменшується і зрештою іони зникають зовсім. Зникнення іонів пояснюється тим, що іони та електрони беруть участь у тепловому русі і тому стикаються один з одним. При зіткненні позитивного іона і електрона можуть возз'єднатися в нейтральний атом. Так само при зіткненні позитивного і негативного іонів негативний іон може віддати свій надлишковий електрон позитивному іону і обидва іони перетворяться на нейтральні атоми. Цей процес взаємної нейтралізації іонів називається рекомбінацією іонів.При рекомбінації позитивного іона та електрона або двох іонів звільняється певна енергія, що дорівнює енергії, витраченої на іонізацію. Частково вона випромінюється як світла, і тому рекомбінація іонів супроводжується світінням (світіння рекомбінації).

У явищах електричного розряду газах велику роль грає іонізація атомів електронними ударами. Цей процес полягає в тому, що електрон, що володіє достатньою кінетичною енергією, що рухається, при зіткненні з нейтральним атомом вибиває з нього один або кілька атомних електронів, в результаті чого нейтральний атом перетворюється на позитивний іон, а в газі з'являються нові електрони (про це буде розглянуто пізніше).

У таблиці нижче наведено значення енергії іонізації деяких атомів.

3. Механізм електропровідності газів.

Механізм провідності газів схожий на механізм провідності розчинів та розплавів електролітів. За відсутності зовнішнього поля заряджені частинки, як і нейтральні молекули, рухаються хаотично. Якщо іони і вільні електрони опиняються у зовнішньому електричному полі, вони приходять у спрямоване рух і створюють електричний струм у газах.

Таким чином, електричний струм у газі є спрямованим рухом позитивних іонів до катода, а негативних іонів і електронів до анода . Повний струм у газі складається з двох потоків заряджених частинок: потоку, що йде до анода, і потоку, спрямованого до катода.

На електродах відбувається нейтралізація заряджених частинок, як і при проходженні електричного струму через розчини та розплави електролітів. Однак у газах відсутнє виділення речовин на електродах, як це має місце у розчинах електролітів. Газові іони, підійшовши до електродів, віддають їм свої заряди, перетворюються на нейтральні молекули і дифундують назад на газ.

Ще одна відмінність в електропровідності іонізованих газів і розчинів (розплавів) електролітів полягає в тому, що негативний заряд при проходженні струму через гази переноситься в основному не негативними іонами, а електронами, хоча провідність за рахунок негативних іонів також може відігравати певну роль.

Таким чином у газах поєднується електронна провідність, подібна до провідності металів, з іонною провідністю, подібною до провідності водних розчинів і розплавів електролітів.

4. Несамостійний газовий розряд.

Процес проходження електричного струму через газ називається газовим розрядом. Якщо електропровідність газу створюється зовнішніми іонізаторами, то електричний струм, що виникає в ньому, називається несамостійним газовим розрядом.З припиненням дії зовнішніх іонізаторів несамостійний розряд припиняється. Несамостійний газовий розряд не супроводжується світінням газу.

Нижче наведено графік залежності сили струму від напруги при несамостійному розряді в газі. Для побудови графіка використовувалася скляна трубка з двома впаяними в скло металевими електродами. Ланцюг зібраний як показано на малюнку нижче.

При деякому певному напрузі настає такий момент, при якому всі заряджені частинки, що утворюються в газі іонізатором за секунду, досягають за цей час електродів. Подальше збільшення напруги вже не може призвести до збільшення числа іонів, що переносяться. Струм досягає насичення (горизонтальна ділянка графіка 1).

5. Самостійний газовий розряд.

Електричний розряд у газі, що зберігається після припинення дії зовнішнього іонізатора, називається самостійним газовим розрядом. Для його здійснення необхідно, щоб у результаті розряду в газі безперервно утворювалися вільні заряди. Основним джерелом виникнення є ударна іонізація молекул газу.

Якщо після досягнення насичення продовжувати збільшувати різницю потенціалів між електродами, то сила струму при досить великій напрузі різко зростатиме (графік 2).

Це означає, що газі з'являються додаткові іони, які утворюються з допомогою дії іонізатора. Сила струму може зрости в сотні і тисячі разів, а кількість заряджених частинок, що виникають у процесі розряду, може стати таким великим, що зовнішній іонізатор буде не потрібен для підтримки розряду. Тому іонізатор тепер можна забрати.

Які ж причини різкого збільшення сили струму при великій напругі? Розглянемо якусь пару заряджених частинок (позитивний іон та електрон), що утворилася завдяки дії зовнішнього іонізатора. Вільний електрон, що з'явився таким чином, починає рухатися до позитивного електрода - анода, а позитивний іон - до катода. На своєму шляху електрон зустрічає іони та нейтральні атоми. У проміжках між двома послідовними зіткненнями енергія електрона збільшується з допомогою роботи сил електричного поля.

Чим більша різниця потенціалів між електродами, тим більша напруженість електричного поля. Кінетична енергія електрона перед черговим зіткненням пропорційна напруженості поля та довжині вільного пробігу електрона: MV 2 /2=eEl. Якщо кінетична енергія електрона перевершує роботу A i , яку необхідно зробити, щоб іонізувати нейтральний атом (або молекулу), тобто. MV 2 >A i то при зіткненні електрона з атомом (або молекулою) відбувається його іонізація. В результаті замість одного електрона виникають два (налітає на атом і вирваний з атома). Вони, у свою чергу, одержують енергію в полі та іонізують зустрічні атоми тощо. Внаслідок цього кількість заряджених часток швидко наростає, виникає електронна лавина. Описаний процес називають іонізацією електронним ударом.

Реферат з фізики

на тему:

"Електричний струм у газах".

Електричний струм у газах.

1. Електричний розряд у газах.

Усі гази у природному стані не проводять електричного струму. У чому можна переконатися з такого досвіду:

2. Іонізація газів.

У таблиці нижче наведено значення енергії іонізації деяких атомів.

3. Механізм електропровідності газів.

4. Несамостійний газовий розряд.

5. Самостійний газовий розряд.

Але одна іонізація електронним ударом неспроможна забезпечити підтримки самостійного заряду. Дійсно, адже всі електрони, що виникають таким чином, рухаються у напрямку до анода і після досягнення анода «вибувають з гри». Для підтримки розряду потрібна емісія електронів з катода («емісія» означає «випускання»). Емісія електрона може бути обумовлена кількома причинами.

Позитивні іони, що утворилися при зіткненні електронів з нейтральними атомами, при своєму русі до катода набувають під дією поля велику кінетичну енергію. При ударах таких швидких іонів об катод із поверхні катода вибиваються електрони.

Крім того, катод може випромінювати електрони при нагріванні до великої температури. Цей процес називається термоелектронною емісією.Його можна як випаровування електронів з металу. У багатьох твердих речовин термоелектронна емісія відбувається при температурах, при яких випаровування самої речовини ще мало. Такі речовини використовуються для виготовлення катодів.

При самостійному розряді нагрівання катода може відбуватися завдяки бомбардування його позитивними іонами. Якщо енергія іонів не надто велика, то вибивання електронів з катода немає і електрони випромінюються внаслідок термоелектронної емісії.

6. Різні типи самостійного розряду та його технічне застосування.

Залежно від властивостей та стану газу, характеру та розташування електродів, а також від прикладеної до електродів напруги виникають різні види самостійного розряду. Розглянемо кілька із них.

A. Тліючий розряд.

Тліючий розряд спостерігається в газах при низьких тисках близько кількох десятків міліметрів ртутного стовпа і менше. Якщо розглянути трубку з розрядом, що тліє, то можна побачити, що основними частинами тліючого розряду є катодний темний простір,різко віддалене від нього негативне,або тліюче свічення,яке поступово переходить у область фарадеєва темного простору.Ці три області утворюють катодну частину розряду, за якою слідує основна частина розряду, що світиться, що визначає його оптичні властивості і звана позитивним стовпом.

Основну роль підтримці тліючого розряду грають перші дві області його катодної частини. Характерною особливістю цього типу розряду є різке падіння потенціалу поблизу катода, яке пов'язане з великою концентрацією позитивних іонів на межі І та ІІ областей, що зумовлена порівняно малою швидкістю руху іонів у катоду. У темному катодному просторі відбувається сильне прискорення електронів і позитивних іонів, що вибивають електрони з катода. В області тліючого світіння електрони виробляють інтенсивну ударну іонізацію молекул газу та втрачають свою енергію. Тут утворюються позитивні іони, необхідні підтримки розряду. Напруженість електричного поля у цій галузі мала. Тліюче свічення в основному викликається рекомбінацією іонів та електронів. Протяжність темного катодного простору визначається властивостями газу і матеріалу катода.

В області позитивного стовпа концентрація електронів та іонів приблизно однакова і дуже велика, що зумовлює велику електропровідність позитивного стовпа та незначне падіння у ньому потенціалу. Світіння позитивного стовпа визначається світінням збуджених молекул газу. Поблизу анода знову спостерігається порівняно різке зміна потенціалу, що з процесом генерації позитивних іонів. У ряді випадків позитивний стовп розпадається на окремі ділянки, що світяться. страти,розділені темними проміжками.

Позитивний стовп не відіграє істотної ролі у підтримці розряду, що тліє, тому при зменшенні відстані між електродами трубки довжина позитивного стовпа скорочується і він може зникнути зовсім. Інша справа з довжиною катодного темного простору, яка при зближенні електродів не змінюється. Якщо електроди зблизилися настільки, що відстань між ними стане меншою за довжину катодного темного простору, то розряд, що тліє, в газі припиниться. Досліди показують, що за інших рівних умов довжина d катодного темного простору обернено пропорційна тиску газу. Отже, при досить низьких тисках електрони, що вибиваються з катода позитивними іонами, проходять через газ майже без зіткнень із його молекулами, утворюючи електронні, або катодні промені .

Тліючий розряд використовується в газосвітніх трубках, лампах денного світла, стабілізаторах напруги для отримання електронних та іонних пучків. Якщо в катоді зробити щілину, то крізь неї у простір за катодом проходять вузькі іонні пучки, які часто називають каналовими променями.Широко використовується явище катодного розпилення, тобто. руйнування поверхні катода під впливом позитивних іонів, що ударяються про нього. Ультрамікроскопічні уламки матеріалу катода летять на всі боки по прямих лініях і покривають тонким шаром поверхню тіл (особливо діелектриків), поміщених у трубку. Таким способом виготовляють дзеркала для ряду приладів, тонкий шар металу наносять на селенові фотоелементи.

B. Коронний розряд.

Коронний розряд виникає при нормальному тиску в газі, що знаходиться в сильно неоднорідному електричному полі (наприклад, біля вістрі або проводи ліній високої напруги). При коронному розряді іонізація газу та його свічення відбуваються лише поблизу коронуючих електродів. У разі коронування катода (негативна корона) електрони, що викликають ударну іонізацію молекул газу, вибиваються з катода під час бомбардування його позитивними іонами. Якщо коронують анод (позитивна корона), народження електронів відбувається внаслідок фотоіонізації газу поблизу анода. Корона – шкідливе явище, що супроводжується витіканням струму та втратою електричної енергії. Для зменшення коронування збільшують радіус кривизни провідників, які поверхню роблять можливо більш гладкою. При досить високій напрузі між електродами коронний розряд перетворюється на іскровий.

При підвищеній напрузі коронний розряд на вістря набуває вигляду виходять із вістря і переміжних у часі світлих ліній. Ці лінії, що мають ряд зламів і вигинів, утворюють подобу кисті, внаслідок чого такий розряд називають кистьовим .

Заряджена грозова хмара індукує поверхні Землі під собою електричні заряди протилежного знака. Особливо великий заряд накопичується на вістрях. Тому перед грозою або під час грози нерідко на вістрях та гострих кутах високо піднятих предметів спалахують схожі на пензлики конуси світла. З давніх-давен це свічення називають вогнями святого Ельма.

Особливо часто свідками цього явища стають альпіністи. Іноді лаже не тільки металеві предмети, а й кінчики волосся на голові прикрашаються маленькими пензликами, що світяться.

З коронним розрядом доводиться зважати, маючи справу з високою напругою. За наявності виступаючих частин або дуже тонких дротів може розпочатися коронний розряд. Це призводить до витоку електроенергії. Чим вище напруга високовольтної лінії, тим товщі повинні бути дроти.

C. Іскровий розряд.

Іскровий розряд має вигляд яскравих зигзагоподібних ниток-каналів, що розгалужуються, які пронизують розрядний проміжок і зникають, змінюючись новими. Дослідження показали, що канали іскрового розряду починають зростати іноді від позитивного електрода, іноді від негативного, а іноді від якоїсь точки між електродами. Це пояснюється тим, що іонізація ударом у разі іскрового розряду відбувається не по всьому об'єму газу, а по окремих каналах, що проходять у тих місцях, де концентрація іонів випадково виявилася найбільшою. Іскровий розряд супроводжується виділенням великої кількості теплоти, яскравим свіченням газу, тріском або громом. Всі ці явища викликаються електронними та іонними лавинами, які виникають у іскрових каналах і призводять до величезного збільшення тиску, що досягає 10 7 10 8 Па, і підвищення температури до 10000 °С.

Характерним прикладом іскрового розряду є блискавка. Головний канал блискавки має діаметр від 10 до 25 см, а довжина блискавки може досягати кількох кілометрів. Максимальна сила струму імпульсу блискавки досягає десятків та сотень тисяч ампер.

При малій довжині розрядного проміжку іскровий розряд викликає специфічне руйнування анода, що називається ерозією. Це було використано в електроіскровому методі різання, свердління та інших видах точної обробки металу.

Іскровий проміжок застосовується як запобіжник від перенапруги в електричних лініях передач (наприклад, телефонних лініях). Якщо поблизу лінії проходить сильний короткочасний струм, то проводах цієї лінії індукуються напрузі і струми, які можуть зруйнувати електричну установку і небезпечні життя людей. Щоб уникнути цього, використовуються спеціальні запобіжники, що складаються з двох вигнутих електродів, один з яких приєднаний до лінії, а інший заземлений. Якщо потенціал лінії щодо землі сильно зростає, між електродами виникає іскровий розряд, який разом із нагрітим ним повітрям піднімається вгору, подовжується і обривається.

Нарешті, електрична іскра застосовується для вимірювання великих різниць потенціалів за допомогою кульового розрядника, електродами якого служать дві металеві кулі з полірованою поверхнею. Кулі розсувають, і на них подається різниця потенціалів, що вимірюється. Потім кулі зближують доти, доки між ними не проскочить іскра. Знаючи діаметр куль, відстань між ними, тиск, температуру та вологість повітря, знаходять різницю потенціалів між кулями за спеціальними таблицями. Цим методом можна вимірювати з точністю до кількох відсотків різниці потенціалів близько десятків тисяч вольт.

D. Дуговий розряд.

Дуговий розряд було відкрито В. В. Петровим у 1802 році. Цей розряд є однією з форм газового розряду, що здійснюється при великій щільності струму і порівняно невеликій напрузі між електродами (порядку кількох десятків вольт). Основною причиною дугового розряду є інтенсивне випромінювання термоелектронів розжареним катодом. Ці електрони прискорюються електричним полем та виробляють ударну іонізацію молекул газу, завдяки чому електричний опір газового проміжку між електродами порівняно мало. Якщо зменшити опір зовнішнього ланцюга, збільшити силу струму дугового розряду, то провідність газового проміжку настільки зросте, що напруга між електродами зменшується. Тому кажуть, що дуговий розряд має вольт-амперну характеристику, що падає. При атмосферному тиску температура катода сягає 3000 °C. Електрони, бомбардуючи анод, створюють у ньому поглиблення (кратер) та нагрівають його. Температура кратера близько 4000 °С, а за більших тисків повітря досягає 6000-7000 °С. Температура газу каналі дугового розряду досягає 5000-6000 °З, у ньому відбувається інтенсивна термоіонізація.

У ряді випадків дуговий розряд спостерігається при порівняно низькій температурі катода (наприклад, в ртутній дуговій лампі).

В 1876 П. Н. Яблочков вперше використовував електричну дугу як джерело світла. У «свічці Яблочкова» вугілля було розташоване паралельно і розділене вигнутим прошарком, які кінці з'єднані проводящим «запальним містком». Коли струм вмикався, запальний місток згоряв і між вугіллям утворювалася електрична дуга. У міру згоряння вугілля ізолюючий прошарок випаровувався.

Дуговий розряд застосовується як джерело світла і в наші дні, наприклад, у прожекторах і проекційних апаратах.

Висока температура дугового розряду дозволяє використовувати його для влаштування дугової печі. В даний час дугові печі, що живляться струмом дуже великої сили, застосовуються в ряді областей промисловості: для виплавки сталі, чавуну, феросплавів, бронзи, одержання карбіду кальцію, окису азоту і т.д.

У 1882 році Н. Н. Бенардосом дуговий розряд вперше був використаний для різання та зварювання металу. Розряд між нерухомим вугільним електродом та металом нагріває місце з'єднання двох металевих листів (або пластин) та зварює їх. Цей же метод Бенардос застосував для різання металевих пластин та отримання отворів. У 1888 році М. Г. Слов'янов удосконалив цей метод зварювання, замінивши вугільний електрод на металевий.

Дуговий розряд знайшов застосування в ртутному випрямлячі, що перетворює змінний електричний струм на струм постійного напрямку.

E. Плазма.

Плазма – це частково чи повністю іонізований газ, у якому щільності позитивних та негативних зарядів практично однакові. Таким чином, плазма в цілому є електрично нейтральною системою.

Кількісною характеристикою плазми є ступінь іонізації. Ступенем іонізації плазми називають відношення об'ємної концентрації заряджених частинок до загальної об'ємної концентрації частинок. Залежно від ступеня іонізації плазма поділяється на слабо іонізовану(a становить частки відсотків), частково іонізовану (a близько кількох відсотків) та повністю іонізовану (a близька до 100%). Слабко іонізованою плазмою у природних умовах є верхні шари атмосфери – іоносфера. Сонце, гарячі зірки та деякі міжзоряні хмари – це повністю іонізована плазма, що утворюється за високої температури.

Середні енергії різних типів частинок, що становлять плазму, можуть значно відрізнятися одна від одної. Тому плазму не можна охарактеризувати одним значенням температури Т; розрізняють електронну температуру Т е, іонну температуру Т i (або іонні температури, якщо в плазмі є іони декількох сортів) та температуру нейтральних атомів Т a (нейтральної компоненти). Подібна плазма називається неізотермічною, на відміну від ізотермічної плазми, у якій температури всіх компонентів однакові.

Плазма також поділяється на високотемпературну (Т i »10 6 -10 8 К і більше) та низькотемпературну! (Ті<=10 5 К). Это условное разделение связано с особой влажностью высокотемпературной плазмы в связи с проблемой осуществления управляемого термоядерного синтеза.

Плазма має низку специфічних властивостей, що дозволяє розглядати її як особливий четвертий стан речовини.

Через велику рухливість зарядженої частинки плазми легко переміщуються під дією електричних і магнітних полів. Тому будь-яке порушення електричної нейтральності окремих областей плазми, спричинене скупченням частинок одного знака заряду, швидко ліквідується. Виникаючі електричні поля переміщують заряджені частинки до тих пір, поки електрична нейтральність не відновиться і електричне поле стане нульовим. На відміну від нейтрального газу, між молекулами якого існують короткодіючі сили, між зарядженими частинками плазми діють кулонівські сили, порівняно повільні зменшуються з відстанню. Кожна частка взаємодіє одночасно з великою кількістю оточуючих частинок. Завдяки цьому поряд із хаотичним тепловим рухом частинки плазми можуть брати участь у різноманітних упорядкованих рухах. У плазмі легко збуджуються різного роду коливання та хвилі.

Провідність плазми збільшується зі зростанням ступеня іонізації. За високої температури повністю іонізована плазма за своєю провідністю наближається до надпровідників.

Низькотемпературна плазма застосовується в газорозрядних джерелах світла - в трубках, що світяться, рекламних написів, в лампах денного світла. Газорозрядну лампу використовують у багатьох приладах, наприклад, у газових лазерах – квантових джерелах світла.

Високотемпературна плазма застосовується у магнітогідродинамічних генераторах.

Нещодавно було створено новий прилад – плазмотрон. У плазмотроні створюються потужні струмені щільної низькотемпературної плазми, що широко застосовуються в різних галузях техніки: для різання та зварювання металів, буріння свердловин у твердих породах і т.д.

Список використаної литературы:

1) Фізика: Електродинаміка. 10-11 кл.: навч. для поглибленого вивчення фізики/Г. Я. Мякішев, А. З. Синяков, Б. А. Слобідськ. - 2-ге видання - М.: Дрофа, 1998. - 480 с.

2) Курс фізики (у трьох томах). Т. ІІ. Електрика та магнетизм. Навч. посібник для втузов./Детлаф А.А., Яворський Би. М., Мілковська Л. Би. Изд. 4-те, перероб. - М.: Вища школа, 1977. - 375 с.

3) Електрика./Е. Г. Калашніков. Вид. "Наука", Москва, 1977.

4) Фізика./Б. Б. Буховцев, Ю. Л. Климонтович, Г. Я. Мякішев. Видання 3-тє, перераб. - М.: Просвітництво, 1986.

У нормальних умовах гази є діелектриками, т.к. складаються з нейтральних атомів і молекул, і в них немає достатньої кількості вільних зарядів. Гази стають провідниками лише тоді, коли вони якимось чином іонізовані. p align="justify"> Процес іонізації газів полягає в тому, що під дією будь-яких причин від атома відривається один або кілька електронів. Внаслідок цього замість нейтрального атома виникають позитивний іоні електрон.

Розпад молекул на іони та електрони називається іонізацією газу.

Частина електронів, що утворилися, може бути при цьому захоплена іншими нейтральними атомами, і тоді з'являються негативно заряджені іони.

Таким чином, в іонізованому газі є носії зарядів трьох сортів: електрони, позитивні іони та негативні.

Відрив електрона від атома потребує витрат певної енергії. енергії іонізації W i. Енергія іонізації залежить від хімічної природи газу та енергетичного стану електрона в атомі. Так, для відриву першого електрона від атома азоту витрачається енергія 14,5 эВ, а відриву другого електрона - 29,5 эВ, для відриву третього - 47,4 эВ.

Фактори, що викликають іонізацію газу, називаються іонізаторами.

Розрізняють три види іонізації: термоіонізацію, фотоіонізацію та ударну іонізацію.

Термоіонізаціявідбувається в результаті зіткнення атомів або молекул газу при високій температурі, якщо кінетична енергія відносного руху частинок, що стикаються, перевищує енергію зв'язку електрона в атомі.

Фотоіонізаціявідбувається під дією електромагнітного випромінювання (ультрафіолетового, рентгенівського або γ-випромінювання), коли енергія, необхідна для відриву електрона від атома, передається квантом випромінювання.

Іонізація електронним ударом(або ударна іонізація) - це утворення позитивно заряджених іонів в результаті зіткнень атомів або молекул зі швидкими, що мають велику кінетичну енергію, електронами.

Процес іонізації газу завжди супроводжується протилежним процесом відновлення нейтральних молекул із різноіменно заряджених іонів внаслідок їхнього електричного тяжіння. Це явище називається рекомбінацією. При рекомбінації виділяється енергія, що дорівнює енергії, витраченої на іонізацію. Це може спричинити, наприклад, свічення газу.

Якщо дія іонізатора незмінно, то в іонізованому газі встановлюється динамічна рівновага, при якому в одиницю часу відновлюється стільки молекул, скільки їх розпадається на іони. При цьому концентрація заряджених частинок іонізованого газу залишається незмінною. Якщо ж припинити дію іонізатора, рекомбінація почне переважати над іонізацією і кількість іонів швидко зменшиться майже до нуля. Отже, наявність заряджених частинок у газі – явище тимчасове (поки діє іонізатор).

За відсутності зовнішнього поля заряджені частинки рухаються хаотично.

Газовий розряд

При поміщенні іонізованого газу в електричне поле на вільні заряди починають діяти електричні сили, і вони дрейфують паралельно до ліній напруженості: електрони та негативні іони - до анода, позитивні іони - до катода (рис. 1). На електродах іони перетворюються на нейтральні атоми, віддаючи або приймаючи електрони, тим самим замикаючи ланцюг. У газі з'являється електричний струм.

Електричний струм у газах- це спрямований рух іонів та електронів.

Електричний струм у газах називається газовим розрядом.

Повний струм у газі складається з двох потоків заряджених частинок: потоку, що йде до катода, і потоку, спрямованого до анода.

У газах поєднується електронна провідність, подібна до провідності металів, з іонною провідністю, подібною до провідності водних розчинів або розплавів електролітів.

Таким чином, провідність газів має іонно-електронний характер.

У газах існують несамостійні та самостійні електричні розряди.

Явище протікання електричного струму через газ, що спостерігається лише за умови будь-якого зовнішнього на газ, називається несамостійним електричним розрядом. Процес відриву електрона від атома називається іонізацією атома. Мінімальна енергія, яку потрібно витратити для відриву електрона від атома, називається енергією іонізації. Частково або повністю іонізований газ, у якому щільності позитивних та негативних зарядів однакові, називається плазмою.

Носіями електричного струму при несамостійному розряді є позитивні іони та негативні електрони. Вольт-амперна характеристика представлена на рис. 54. У сфері ОАВ – несамостійний розряд. В області ЗС розряд стає самостійним.

При самостійному розряді одним із способів іонізації атомів є іонізація електронним ударом. Іонізація електронним ударом стає можлива тоді, коли електрон на довжині вільного пробігу А набуває кінетичної енергії W k , достатню для здійснення роботи з відриву електрона від атома. Види самостійних розрядів у газах - іскровий, коронний, дуговий і розряди, що тліють.

Іскровий розрядвиникає між двома електродами зарядженими різними зарядами і мають велику різницю потенціалів. Напруга між різноіменно зарядженими тілами сягає 40 000 У. Іскровий розряд короткочасний, його механізм - електронний удар. Блискавка – вид іскрового розряду.

У сильно неоднорідних електричних полях, що утворюються, наприклад, між вістрям і площиною або між дротом лінії електропередачі та поверхнею Землі, виникає особлива форма самостійного розряду в газах, яка називається коронним розрядом.

Електричний дуговий розрядбув відкритий російським ученим В. В. Петровим в 1802 р. При зіткненні двох електродів з вугілля при напрузі 40-50 В деяких місцях виникають ділянки малого перерізу з великим електричним опором. Ці ділянки сильно розігріваються, випускають електрони, які іонізують атоми та молекули між електродами. Носіями електричного струму в дузі є позитивно заряджені іони та електрони.

Розряд, що виникає при зниженому тиску, називається тліючим розрядом. При зниженні тиску збільшується довжина вільного пробігу електрона, і за час між зіткненнями він встигає придбати достатню енергію для іонізації в електричному полі з меншою напруженістю. Розряд здійснюється електронно-іонною лавиною.