Электрический ток в газах: определение, особенности и интересные факты

4.1

Средняя оценка: 4.1

Всего получено оценок: 953.

4.1

Средняя оценка: 4.1

Всего получено оценок: 953.

Электрическим током называют поток, который обусловлен упорядоченным движением электрически заряженных частиц. Движение зарядов принято за направление электрического тока. Электрический ток может быть кратковременным и долговременным.

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

Вольт-амперная характеристика газового разряда

Зависимость силы тока через газовый промежуток от напряжения между анодом и катодом (так называемая вольт-амперная характеристика газового разряда

) показана на рис. 7.

Рис. 7. Вольт-амперная характеристика газового разряда

При нулевом напряжении сила тока, естественно, равна нулю: заряженные частицы совершают лишь тепловое движение, упорядоченного их движения между электродами нет.

При небольшом напряжении сила тока также мала. Дело в том, что не всем заряженным частицам суждено добраться до электродов: часть положительных ионов и электронов в процессе своего движения находят друг друга и рекомбинируют.

С повышением напряжения свободные заряды развивают всё большую скорость, и тем меньше шансов у положительного иона и электрона встретиться и рекомбинировать. Поэтому всё большая часть заряженных частиц достигает электродов, и сила тока возрастает (участок ).

При определённой величине напряжения (точка ) скорость движения зарядов становится настолько большой, что рекомбинация вообще не успевает происходить. С этого момента все

заряженные частицы, образованные под действием ионизатора, достигают электродов, и
ток достигает насыщения
— а именно, сила тока перестаёт меняться с увеличением напряжения. Так будет происходить вплоть до некоторой точки .

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.

• 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.

• 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.

Свободные заряды в газе

Возникновение электрического тока между пластинами кондесатора означает, что в воздухе под воздействием пламени появились свободные заряды

. Какие именно?

Опыт показывает, что электрический ток в газах является упорядоченным движением заряженных частиц трёх видов

. Это
электроны
,
положительные ионы
и
отрицательные ионы
.

Давайте разберёмся, каким образом эти заряды могут появляться в газе.

При увеличении температуры газа тепловые колебания его частиц — молекул или атомов — становятся всё интенсивнее. Удары частиц друг о друга достигают такой силы, что начинается ионизация

— распад нейтральных частиц на электроны и положительные ионы (рис. 3).

Рис. 3. Ионизация

Степенью ионизации

называется отношение числа распавшихся частиц газа к общему исходному числу частиц. Например, если степень ионизации равна , то это означает, что исходных частиц газа распалось на положительные ионы и электроны.

Степень ионизации газа зависит от температуры и резко возрастает с её увеличением. У водорода, например, при температуре ниже степень ионизации не превосходит , а при температуре выше степень ионизации близка к (то есть водород почти полностью ионизирован (частично или полностью ионизированный газ называется плазмой

)).

Помимо высокой температуры имеются и другие факторы, вызывающие ионизацию газа.

Мы их уже вскользь упоминали: это радиоактивные излучения, ультрафиолетовые, рентгеновские и гамма-лучи, космические частицы. Всякий такой фактор, являющийся причиной ионизации газа, называется ионизатором

.

Таким образом, ионизация происходит не сама по себе, а под воздействием ионизатора.

Одновременно идёт и обратный процесс — рекомбинация

, то есть воссоединение электрона и положительного иона в нейтральную частицу (рис. 4).

Рис. 4. Рекомбинация

Причина рекомбинации проста: это кулоновское притяжение противоположно заряженных электронов и ионов. Устремляясь навстречу друг другу под действием электрических сил, они встречаются и получают возможность образовать нейтральный атом (или молекулу — в зависимости от сорта газа).

При неизменной интенсивности действия ионизатора устанавливается динамическое равновесие: среднее количество частиц, распадающихся в единицу времени, равно среднему количеству рекомбинирующих частиц (иными словами, скорость ионизации равна скорости рекомбинации).Если действие ионизатора усилить (например, повысить температуру), то динамическое равновесие сместится в сторону ионизации, и концентрация заряженных частиц в газе возрастёт. Наоборот, если выключить ионизатор, то рекомбинация начнёт преобладать, и свободные заряды постепенно исчезнут полностью.

Итак, положительные ионы и электроны появляются в газе в результате ионизации. Откуда же берётся третий сорт зарядов — отрицательные ионы? Очень просто: электрон может налететь на нейтральный атом и присоединиться к нему! Этот процесс показан на рис. 5.

Рис. 5. Появление отрицательного иона

Образованные таким образом отрицательные ионы будут участвовать в создании тока наряду с положительными ионами и электронами.

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.

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.

Электрический ток в металлах, жидкостях и газах – различия и сходство

Рассмотрим особенности, которыми характеризуется газовый разряд в сравнении со свойствами тока в других средах.

В металлах ток – это направленное движение свободных электронов, не влекущее за собой химических изменений. Проводники такого типа называют проводниками первого рода; к ним относятся, кроме металлов и сплавов, уголь, некоторые соли и оксиды. Их отличает электронная проводимость.

Проводники второго рода – это электролиты, то есть жидкие водные растворы щелочей, кислот и солей. Прохождение тока сопряжено с химическим изменением электролита – электролизом. Ионы вещества, растворенного в воде, под действием разности потенциалов перемещаются в противоположные стороны: положительные катионы – к катоду, отрицательные анионы – к аноду. Процесс сопровождается выделением газа либо отложением слоя металла на катоде. Проводникам второго рода присуща ионная проводимость.

Что касается проводимости газов, то она, во-первых, временная, во-вторых, имеет признаки сходства и различия с каждым из них. Так, электрический ток и в электролитах, и в газах – это направленный к противоположным электродам дрейф разноименно заряженных частиц. Однако в то время как электролиты характеризуются чисто ионной проводимостью, в газовом разряде при сочетании электронного и ионного типов проводимости ведущая роль принадлежит электронам. Еще одно различие электрического тока в жидкостях и в газах состоит в природе ионизации. В электролите молекулы растворенного соединения диссоциируют в воде, в газе же молекулы не разрушаются, а только теряют электроны. Поэтому газовый разряд, как и ток в металлах, не связан с химическими изменениями.

Неодинакова также и физика электрического тока в жидкостях и газах. Проводимость электролитов в целом подчиняется закону Ома, а при газовом разряде он не соблюдается. Вольт-амперная характеристика газов имеет гораздо более сложный характер, связанный со свойствами плазмы.

Следует упомянуть и об общих и отличительных чертах электрического тока в газах и в вакууме. Вакуум – это почти идеальный диэлектрик. «Почти» – потому что в вакууме, несмотря на отсутствие (точнее, чрезвычайно малую концентрацию) свободных носителей заряда, тоже возможен ток. Но в газе потенциальные носители уже присутствуют, их только необходимо ионизировать. В вакуум носители заряда вносятся из вещества. Как правило, это происходит в процессе электронной эмиссии, например при нагревании катода (термоэлектронная эмиссия). Но и в различных типах газовых разрядов эмиссия, как мы видели, играет важную роль.

Дуговой разряд

Этот вид самостоятельного разряда характеризуется большой плотностью тока и малым (меньше, чем при тлеющем разряде) напряжением. Дистанция пробоя невелика благодаря близкому расположению электродов. Разряд инициируется испусканием электрона с поверхности катода (для атомов металлов потенциал ионизации невелик по сравнению с молекулами газов). Во время пробоя между электродами создаются условия, при которых газ проводит электрический ток, и возникает искровой разряд, замыкающий цепь. Если мощность источника напряжения достаточно велика, искровые разряды переходят в устойчивую электрическую дугу.

Ионизация при дуговом разряде достигает почти 100%, сила тока очень велика и может составлять от 10 до 100 ампер. При атмосферном давлении дуга способна нагреваться до 5–6 тысяч градусов, а катод – до 3 тысяч градусов, что приводит к интенсивной термоэлектронной эмиссии с его поверхности. Бомбардировка анода электронами приводит к частичному разрушению: на нем образуется углубление – кратер с температурой около 4000 °C. Увеличение давления влечет за собой еще больший рост температур.

При разведении электродов дуговой разряд остается устойчивым до некоторого расстояния, что позволяет бороться с ним на тех участках электрооборудования, где он вреден из-за вызываемой им коррозии и выгорания контактов. Это такие устройства, как высоковольтные и автоматические выключатели, контакторы и прочие. Одним из методов борьбы с дугой, возникающей при размыкании контактов, является использование дугогасительных камер, основанных на принципе удлинения дуги. Применяются и многие другие методы: шунтирование контактов, использование материалов с высоким потенциалом ионизации и так далее.

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.

Разновидностью искрового разряда является молния.

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

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

В природе свечение разряженных газов наблюдается в виде полярного сияния.

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

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

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.

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:

1. Термо. Наблюдается при столкновении частиц газообразных веществ при высоких температурах. Их кинетическая энергия движения должна превосходить показатель молекулярной связи электронов в атомах.
2. Фото. Этот процесс протекает под воздействием электромагнитного излучения. Требуемая для отделения электронов энергия передается молекулам квантами излучения.
3. 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.

Коронный разряд

Развитие коронного разряда происходит при нормальном атмосферном давлении в резко неоднородных полях у электродов, обладающих большой кривизной поверхности. Это могут быть шпили, мачты, провода, различные элементы электрооборудования, имеющие сложную форму, и даже волосы человека. Такой электрод называется коронирующим. Ионизационные процессы и, соответственно, свечение газа имеют место только вблизи него.

Корона может формироваться как на катоде (отрицательная корона) при бомбардировке его ионами, так и на аноде (положительная) в результате фотоионизации. Отрицательная корона, в которой ионизационный процесс как следствие термоэмиссии направлен от электрода, характеризуется ровным свечением. В положительной короне могут наблюдаться стримеры – светящиеся линии ломаной конфигурации, могущие превратиться в искровые каналы.

Примером коронного разряда в природных условиях являются огни святого Эльма, возникающие на остриях высоких мачт, верхушках деревьев и так далее. Образуются они при большой напряженности электрического поля в атмосфере, часто перед грозой или во время метели. Кроме того, их фиксировали на обшивке самолетов, попавших в облако вулканического пепла.

Коронный разряд на проводах ЛЭП ведет к значительным потерям электроэнергии. При большом напряжении коронный разряд может переходить в дуговой. Борьбу с ним ведут различными способами, например, путем увеличения радиуса кривизны проводников.