 |
Главная Случайная страница Контакты | Мы поможем в написании вашей работы! | |
Електричний струм через газ називають газовим розрядом
|
|
Іонізація газів. Вищеописаний дослід показує, що в газах під впливом високої температури з'являються заряджені частинки. Вони виникають внаслідок відщеплення від атомів газу одного або декількох електронів, внаслідок чого замість нейтрального атома виникають позитивний йон і електрони. У явищах електричного розряду в газах велику роль грає іонізація атомів електронними ударами (ударна іонізація). Цей процес полягає в тому, що рухомий електрон, який має достатню кінетичну енергію, при зіткненні з нейтральним атомом вибиває з нього один або декілька атомних електронів, внаслідок чого нейтральний атом перетворюється на позитивно заряджений йон, а в газі з'являються нові електрони (про це буде розглянуто нижче). Частина електронів, що утворилися, може бути при цьому захоплена іншими нейтральними атомами, і тоді з'являться ще й негативні йони. Розпад молекул газу на електрони і йони називається іонізацією газів. Нагрівання газу до високої температури не є єдиним способом іонізації молекул або атомів газу. Іонізація газу може відбуватися під впливом інших зовнішніх взаємодій: рентгенівських променів, променів, що виникають при радіоактивному розпаді, космічних променів (фотоіонізація)(мал.).
Мал. Фотоіонізація
Чинники, що викликають іонізацію газу називаються іонізаторами. Кількісною характеристикою процесу іонізації служить інтенсивність іонізації, вимірювана числом пар протилежних по знаку заряджених часток, що виникають в одиниці об'єму газу за одиницю часу. Іонізація атома вимагає витрати певної енергії - енергії іонізації. Для іонізації атома (чи молекули) необхідно виконати роботу проти сил взаємодії між вирваним електроном і іншими частками атома (чи молекули). Ця робота називається роботою іонізації (Aі). Величина роботи іонізації залежить від хімічної природи газу і енергетичного стану вирваного електрона в атомі або молекулі. Енергія іонізації вимірюється в електрон Вольтах (скорочено еВ). Електрон Вольт, це робота електричного поля в просторі між точками з напругою U = 1В по переміщенню заряду електрона (е = 1,6∙ 10-19Кл). Співвідношення між системною одиницею вимірювання роботи 1Дж і1еВ можна визначити наступним чином
.
Після припинення дії іонізатора кількість іонів в газі з часом зменшується і врешті-решт йони зникають зовсім. Зникнення йонів пояснюється тим, що йони і електрони беруть участь в тепловому русі і тому зтикаються один з одним. При зіткненні позитивного йона і електрона вони можуть з'єднатися в нейтральний атом. Точно так при зіткненні позитивного і негативного йонів негативний йон може віддати свій надлишковий електрон позитивному йону і обидва йони перетворяться на нейтральні атоми. Цей процес взаємної нейтралізації йонів називається рекомбінацією йонів. При рекомбінації позитивного йона і електрона або двох йонів звільняється певна енергія, рівна енергії, витраченій на іонізацію. Частково вона випромінюється у вигляді світла і тому рекомбінація йонів супроводжується свіченням (свічення рекомбінації).
| Мал.4 |
В газах поєднується електронна провідність, подібна до провідності металів, з іонною провідністю, подібною провідності водних розчинів і розплавів електролітів.
Несамостійний газовий розряд. Розглянемо схему, зображену на мал..
Мал. Схема установки
Між пластинами плоского конденсатора К знаходиться повітря при атмосферному тиску і кімнатній температурі. Якщо до конденсатора прикладена напруга, рівна декільком сотням вольт, а іонізатор S не працює, то гальванометр G струму не реєструє. Як тільки простір між пластинами конденсатора починає іонізуватися (наприклад - потоком ультрафіолетового випромінювання від джерела S), гальванометр починає реєструвати проходження струму в колі. Цей струм і є несамостійним розрядом. Таким чином, несамостійний розряд в газі є результатом перенесення заряду електронами, позитивними і негативними іонами. Одночасно з процесом іонізації в газі протікає протилежний процес рекомбінації йонів. Якщо до конденсатора не прикладена зовнішня напруга, то в певний момент часу в робочому об'ємі конденсатора встановлюється динамічна рівновага, при якій швидкість іонізації (кількість йонів, що утворюються в одиницю часу) стає рівною швидкості рекомбінації йонів. Якщо між пластинами конденсатора існує електричне поле, то частина йонів досягне пластин, інша (менша) частина все ж таки рекомбінує. Із збільшенням напруги між пластинами конденсатора процес іонізації молекул газу починає переважати процес рекомбінації.
Мал.. Вольт – амперна характеристика газового розряду (несамостійного)
| Мал.5 |
Самостійний газовий розряд. При підвищенні напруги відносно точки в сила струму в колі різко збільшується (мал.).
| Мал.6 |
Мал. Вольт – амперна характеристика газового розряду (самостійного)
На мал. цьому процесу відповідає ділянка графіка вс. Сила струму може зрости в сотні і тисячі разів, а число заряджених частинок, що виникають в процесі розряду, може стати таким великим, що зовнішній іонізатор буде вже не потрібний для підтримання розряду.
Тому дію іонізатора тепер можна припинити.
| Мал.6 |
Які ж причини різкого збільшення сили струму при великій напрузі? Розглянемо пару заряджених частинок (позитивний йон і електрон), що утворилася завдяки дії зовнішнього іонізатора. Вільний електрон, що з'явився таким чином, починає рухатися до позитивного електрода - анода, а позитивний йон - до катода. На своєму шляху електрон зустрічає йони і нейтральні атоми. У проміжках між двома послідовними зіткненнями енергія електрона збільшується за рахунок роботи сил електричного поля.
Чим більша різниця потенціалів між електродами, тим більша напруженість електричного поля (
). Кінетична енергія електрона перед черговим зіткненням пропорційна напруженості поля і довжині вільного пробігу електрона (l): 
Якщо кінетична енергія електрона перевершує роботу іонізації Aі, яку потрібно виконати, щоб іонізувати нейтральний атом (або молекулу), тобто 
, то при зіткненні електрона з атомом (або молекулою) відбувається його іонізація. В результаті замість одного електрона виникають два (що зтикається з атом і вирваний з атома). Вони, в свою чергу, отримують енергію в полі і іонізуют стрічні атоми і т.д.. Внаслідок цього число заряджених частинок швидко наростає, виникає електронна лавина (мал.).
Мал. Схема процесу ударної іонізації
Описаний процес називають іонізацією електронним ударом.
| Мал.7 |
| Мал.7 |
Позитивні йони, що утворилися при зіткненні електронів з нейтральними атомами, при русі до катода набувають під дією електричного поля великої кінетичної енергії. Удари таких швидких йонів об катод спричиняють виривання електронів з його поверхні. Крім того, катод може випускати електрони при нагріванні до високої температури. Цей процес називається термоелектронною емісією. Його можна розглядати як випаровування електронів з металу. У багатьох твердих речовинах термоелектронна емісія відбувається при температурах незначного випаровування самої речовини. Такі речовини і використовуються для виготовлення катодів. При самостійному розряді нагрів катода може відбуватися за рахунок бомбардування його позитивними йонами. Якщо енергія йонів не дуже велика, то вибивання електронів з катода не відбувається і електрони випускаються внаслідок термоелектронної емісії.
Різні види самостійного розряду та їх технічне використання. Залежно від властивостей і стану газу, характеру і розташування електродів, а також від прикладеної до електродів напруги виникають різні види самостійного розряду. Розглянемо декілька з них.
Тліючий розряд. Тліючий розряд спостерігається в газах при низькому тиску близько декількох десятків міліметрів ртутного стовпа і менше.
Мал. Отримання тліючого розряду
На мал. зображено дослід з отримання тліючого розряду в газорозрядній трубці, що представляє балон з впаяними металевими електродами. Поспостерігаємо, що відбуватиметься в трубці. Приєднаємо електроди до джерела постійного струму з напругою в декілька тисяч вольт і відкачуватимемо повітря з трубки. При атмосферному тиску газ усередині трубки залишається незмінним, оскільки даної напруги недостатньо для того, щоб іонізувати газ. (Цей вид розряду зручно спостерігати, якщо відстань між електродами трубки близько 0,5 м, а різниця потенціалів – близько тисячі вольт.) При зменшенні тиску газу приблизно до 40-50 мм рт. ст. в трубці спостерігається вузький шнур, що світиться; при тиску біля 0,5мм. рт. ст., розряд суцільно заповнює трубку, причому позитивний стовп біля анода розбивається на ряд шарів – страт. При тиску близько 0,02 мм. рт. ст. свічення в трубці пропадає, але яскраво починає світитися скло проти катода. Виникає тліючий розряд.
Застосування тліючого розряду. Тліючий розряд використовується в газосвітних трубках, лампах денного світла, стабілізаторах напруги, для отримання електронних і іонних пучків. Якщо в катоді зробити щілину, то крізь неї в простір за катодом проходять вузькі іонні пучки, які отримали назву канальних променів. Широко використовується явище катодного розпилювання, тобто руйнування поверхні катода під ударами позитивних іонів. Ультрамікроскопічні осколки матеріалу катода летять на всі боки по прямих лініях і покривають тонким шаром поверхню тіл (особливо діелектриків), поміщених в трубку. У такий спосіб виготовляють дзеркала для ряду приладів, наносять тонкий шар металу на катоди електронних приладів.
Коронний розряд. При нормальному тиску в газі, що знаходиться в сильно неоднорідному електричному полі (наприклад, біля загострень або дротів ліній високої напруги) спостерігається розряд, область якого, що світиться, часто нагадує корону. Тому його і назвали коронним.
Густина заряду на поверхні провідника тим більша, чим більша його кривизна. На вістрі густина заряду максимальна. Тому біля вістря виникає сильне електричне поле. Коли його напруженість перевищить 3 ∙ 106 В/м, настає розряд. При такій великій напруженості іонізація за допомогою електронного удару відбувається при атмосферному тиску. У міру віддалення від поверхні провідника напруженість швидко зменшується. Тому іонізація і пов'язане з нею свічення газу спостерігається в обмеженій області простору. При коронному розряді іонізація газу і його свічення відбуваються лише поблизу коронуючих електродів. У разі коронування катода (негативна корона) електрони, що викликають ударну іонізацію молекул газу, вибиваються з катода при бомбардуванні його позитивними іонами. Якщо коронує анод (позитивна корона), то народження електронів відбувається внаслідок фотоіонізації газу поблизу анода.
При досить високій напрузі між електродами коронний розряд переходить в іскровий. При підвищеній напрузі коронний розряд на вістрі набуває виду світлих ліній, що виходять з вістря і перемежовуються в часі. Ці лінії, що мають ряд зламів і вигинів, утворюють подібність кисті, внаслідок чого такий коронний розряд називають кистьовим. Заряджена грозова хмара індукує на поверхні Землі під собою електричні заряди протилежного знаку. Особливо великий заряд скупчується на вістрях. Тому перед грозою або під час грози нерідко на вістрях і гострих кутах високо піднятих предметів спалахують схожі на пензлики конуси світла. З давніх часів це свічення називають вогнями святого Ельма (мал.).
| Мал.9 |
Мал. Вогні святого Ельма
Особливо часто свідками цього явища стають альпіністи. Іноді навіть не лише металеві предмети, але і кінчики волосся на голові прикрашаються маленькими пензликами, що світяться. Коронний розряд доводиться враховувати, маючи справу з високою напругою. За наявності виступаючих частин або дуже тонких дротів може початися коронний розряд (мал.). Це призводить до значних втрат електроенергії. Чим вище напруга високовольтної лінії, тим товстішими мають бути дроти.
Мал. Коронний розряд
Застосування коронного розряду.
1. Електричне очищення газів (електрофільтри).
Мал. Вигляд найпростішого електрофільтра
Посудина, наповнена димом, несподівано робиться абсолютно прозорою, якщо внести до неї гострі металеві електроди, сполучені з електричною машиною, усі тверді і рідкі частки осідатимуть на електродах. Пояснення досліду полягає в наступному: як тільки біля дроту запалюється корона, повітря усередині трубки сильно іонізується. Газові іони прилипають до часток пилу і заряджають їх. Оскільки усередині трубки діє сильне електричне поле, заряджені частки пилу рухаються під дією поля до електродів, де і осідають (мал.). Це явище використовують для фільтрації відпрацьованих газів у промисловості.
2. Лічильники елементарних частинок. Лічильник елементарних часток Гейгера - Мюллера мал., який використовувався в 9 класі при вивченні реєстрації активності радіоактивних випромінювань, складається з невеликого металевого циліндра, забезпеченого віконцем, закритим фольгою, і тонкого металевого дроту, натягнутого по осі циліндра, ізольованого від нього.
Мал. Схема лічильника елементарних часток Гейгера – Мюллера
Лічильник вмикають в коло, що містить джерело струму, напруга якого дорівнює декільком тисячам вольт. Напругу вибирають необхідною для появи коронного розряду усередині лічильника. При попаданні в лічильник швидко рухомого електрона, останній іонізує молекули газу усередині лічильника, тому напруга, необхідна для запалення корони, дещо знижується. У лічильнику виникає розряд, а в колі з'являється слабкий короткочасний струм. Щоб виявити його, в коло вводять дуже великий опір (декілька МОм) і підключають паралельно з ним чутливий електрометр. При кожному попаданні швидкого електрона всередину лічильника листочки електрометра будуть відхилятися. Подібні лічильники дозволяють реєструвати не лише швидкі електрони, але і взагалі будь-які заряджені, швидко рухомі частки, здатні іонізувати газ шляхом зіткнень. В сучасних лічильниках електрометри замінені на високочутливі електронно-цифрові лічильники імпульсів, вони легко виявляють попадання в них навіть однієї частки і дозволяють з повною достовірністю і дуже великою наочністю переконатися, що в природі дійсно існують елементарні заряджені частки і виявити їх активність.
3.Громовідвід.
Підраховано, що в атмосфері усієї земної кулі відбувається одночасно близько 1800 гроз, які дають в середньому близько 100 блискавок в секунду. І хоча вірогідність поразки блискавкою якої-небудь окремої людини нікчемно мала, проте блискавки завдають немало шкоди. Досить вказати, що нині близько половини усіх аварій у великих лініях електропередачі викликається блискавками. Тому, захист від блискавки є важливим завданням. Ломоносов і Франклін не лише пояснили електричну природу блискавки, але і вказали, як можна побудувати громовідвід, що захищає від удару блискавки (мал.).
Мал.
Громовідвід є довгим дротом, верхній кінець якого загострюється і розміщується вище за найвищу точку будівлі, що захищається.
Мал. Громовідвід.
Нижній кінець дроту сполучають з металевим листом, а лист закопують в Землю на рівні грунтових вод (мал.). Під час грози на Землі з'являються великі індуковані заряди і біля поверхні Землі з'являється велике електричне поле. Напруженість його дуже велика біля гострих провідників, і тому на кінці громовідводу запалюється коронний розряд. Внаслідок цього індуковані заряди не можуть накопичуватися на будівлі і блискавки не відбувається. У тих же випадках, коли блискавка все ж виникає (а такі випадки дуже рідкі), вона ударяє в громовідвід і заряди йдуть в Землю не завдаючи шкоди будівлі мал..
Мал.
Іскровий разряд. При іскровому розряді необхідно створити досить сильне поле, щоб електрони і іони на довжині вільного пробігу встигали набрати енергію, необхідну для іонізації нейтральних атомів. Наприклад, щоб виник самостійний розряд при нормальному атмосферному тиску, потрібно створити напругу 30 кВ на кожен сантиметр довжини силової лінії. Якщо відстань між електродами дуже мала, іскра виникає при напрузі в декілька вольт або навіть доль вольта. При великій напруженості електричного поля між електродами (близько 3 ∙ 106 В/м) в повітрі при атмосферному тиску виникає іскровий розряд. Іскровий розряд, на відміну від коронного, призводить до пробою повітряного проміжку.
При іскровому розряді в газі виникають канали іонізованного газу - стримери, що мають вигляд переривчастих яскравих зигзагоподібних ниток. Нитки пронизують остір між електродами і зникають, змінюючись новими. При цьому спостерігається яскраве свічення газу і виділяється велика кількість теплоти. Напруженість поля, при якій настає іскровий пробій газу, має різне значення у різних газів і залежить від їх стану (тиску, температури). Чим більша відстань між електродами, тим більша напруга між ними потрібна для настання іскрового пробою газу. Ця напруга називається напругою пробою. Знаючи, як залежить напруга пробою від відстані між електродами якої-небудь певної форми, можна виміряти невідому напругу по максимальній довжині іскри. На цьому заснований пристрій іскровий вольтметр для грубої оцінки великих напруг (мал.).
Мал. Іскровий вольтметр
| Мал.15 |
Застосування іскрового розряду:
1. Запалення робочої суміші в двигуні внутрішнього згорання. Котушка запалення - елемент системи запалення двигуна внутрішнього згорання, який служить для отримання електричного імпульсу високої напруги, що забезпечує іскровий розряд між електродами свічки запалення. Це свого роду трансформатор, що підвищує бортову напругу з 12 В до 20000-35000 В, яка у вигляді імпульсів подається на свічки запалення робочої суміші- через розподільник з модуля запалення або безпосередньо в системах з індивідуальними котушками на кожну свічку. Між електродами свічки виникає іскровий розряд. Передачу імпульсу високої напруги від котушок до свічок запалення забезпечують високовольтні провідники.
2. Іскрова обробка металів. Схема верстата для електроіскрової обробки металів зображена на мал.
Мал. Схема верстата для електроіскрової обробки металів: 1 - електрод-інструмент; 2 - ванна; 3 - заготовка -електрод; 4 – діелектрична рідина; 5 – ізолятор.
При електроіскровій обробці - використовують імпульсні іскрові розряди між електродами (оброблювана заготовка (анод) - інструмент (катод)). Конденсатор заряджається через резистор від джерела постійного струму напругою 100…200 В. Коли напруга на електродах 1 і 3 досягає пробійної напруги, утворюється канал, через який конденсатор заряджається через резистор від джерела постійного струму напругою 100…200 В. Коли напруга на електродах 1 і 3 досягає пробійної напруги, утворюється канал, через який здійснюється іскровий розряд енергії, накопиченої конденсатором. Тривалість імпульсу 20….200 мкс. Точність обробки до 0,002 мм, 0,63;0,16 мкм. Для забезпечення безперервності процесу (проміжок = const) верстати забезпечуються стежачою системою і системою автоматичної подачі інструменту. Вказаним методом можна отримувати крізні отвори будь-якої форми, поперечного перерізу, глухі отвори і порожнини, отвори з криволінійними осями, вирізають заготовки з листа, виконують плоске, кругле і внутрішнє шліфування.
3. Блискавка. Красиве і небезпечне явище природи - блискавка - є іскровим розрядом в атмосфері. Вже в середині 18-го століття звернули увагу на зовнішню схожість блискавки з електричною іскрою. Висловилося припущення, що грозові хмари несуть в собі великі електричні заряди і що блискавка є гігантська іскра, що не відрізняється від іскри між кулями електричної машини нічим, окрім розмірів. На це вказував, наприклад російський фізик і хімік М. В. Ломоносов (1711-65) (разом з іншими науковими питаннями він займався атмосферною електрикою). Іскрове походження блискавки було доведено на дослідах Ломоносовым і американським вченим Бенджаміном Франкліном, що працювали одночасно і незалежно один від одного. Ломоносов побудував "громову машину" - конденсатор, що знаходився в його лабораторії і заряджався атмосферною електрикою за допомогою дроту, кінець якого був виведений з приміщення і піднятий на високій жердині. Під час грози з конденсатора можна було рукою отримувати іскри. Франклін під час грози пускав на мотузці змія, в якого було вмонтоване залізне вістря; до кінця мотузки був прив'язаний дверний ключ. Коли мотузка намокала і робилася провідником електричного струму, на ключі утворювались електричні іскри, Франклін зміг заряджати лейденські банки та виконувати досліди з статичною електрикою. (Слід ззазначити, що такі досліди надзвичайно небезпечні, оскільки блискавка може ударити в змій і при цьому великі заряди пройдуть через тіло експериментатора в Землю.
Мал. Процес утворення блискавки
У історії фізики були такі сумні випадки. Так загинув в 1753 р. у Петербурзі Г. В. Ріхман, що працював разом з Ломоносовым). Таким чином, було показано, що грозові хмари дійсно сильно заряджені електрикою. Різні частини грозової хмари несуть заряди різних знаків. Найчастіше нижня частина хмари (що знаходиться ближче до Землі) буває заряджена негативно, а верхня - позитивно. Тому, якщо дві хмари зближуються різнойменно зарядженими
| Мал.19 |
| Мал.20 |
При цьому блискавка іноді вражає людей і викликає пожежі. Згідно з чисельними дослідженнями, проведеними над блискавкою, іскровий заряд характеризується наступними параметрами: напруга (U) між хмарою і Землею 0,1 ГВ (гігаВольт);сила струму (I) в блискавці 0,1 МА (мегаАмпер);тривалість блискавки (t) 1 мкс (мікросекунда); діаметр каналу, що світиться, 10-20 см. Грім, що виникає після блискавки, має таке ж походження, як і тріск при проскакуванні лабораторної іскри. Саме, повітря усередині каналу блискавки сильно розігрівається і розширюється, чому і виникають звукові хвилі. Ці хвилі, відбиваются від хмар, гір, та інших природних перепон тому часто створюють тривалу ехо-камеру – гуркіт грому.
Електрична дуга. У 1802 році російський фізик В. В. Петров (1761-1834) встановив, якщо приєднати до полюсів великої електричної батареї два шматочки деревного вугілля і, привести їх у зіткнення, потім злегка їх розсунути, то між кінцями вуглин утворюється яскраве полум'я, а самі кінці вугілля розжаряться, випускаючи дуже яскраве світло.
Сила струму в невеликій дузі досягає декількох ампер, а у великих дугах - декількох сотень ампер при різниці потенціалів усього лише близько 50 В.
Простий прилад для створення електричної дуги складається з двох електродів, краще брати не деревне вугілля, а стержні, отримувані пресуванням суміші графіту, сажі і з’єднувальних речовин. Джерелом струму може служити освітлювальна мережа, в яку для безпеки вмикається реостат. На позитивному електроді дуги під впливом бомбардування електронами утворюється поглиблення - кратер. Температура в кратері при атмосферному тиску досягає 4000°С. (Для порівняння, відмітимо, що температура на поверхні Сонця 6000°С.)
Дата публикования: 2015-09-17; Прочитано: 4521 | Нарушение авторского права страницы | Мы поможем в написании вашей работы!
