Электрический ток в газах

 

Министерство  общего и профессионального образования  Свердловской области ГБОУ СПО СО “Режевской многопрофильный техникум”

 

  Проект по физике

тема: ”Электрический ток в газах”

 

 

                                                             

 

 Выполнила: Шумкова А.Н

                                                                                                Учащийся: 104гр.

                                                                                      Проверал(а): Ганзя Р.Г

 

                                                                             

Г.Реж 2012

 

Цель:

1. Хочу вам рассказать о электрическом токе и как он воздействует на газы?

Задачи:

1. Какую мощность электрического тока можно использовать в газах?
2. Какую роль играет электрический ток в газах?
3. Какую роль играет частицы газа при воздействие электрического тока?

 

Содержание

1.Ведение

2. Электрический разряд  в газах.

3. Ионизация газов.

4. Механизм электропроводности  газов.

5. Несамостоятельный газовый  разряд.

6. Самостоятельный газовый  разряд.

7. Различные типы самостоятельного  разряда и их техническое применение:

     А. Тлеющий  разряд.

     В. Коронный  разряд.

     C. Искровой разряд.

     D. Дуговой  разряд.

     E. Плазма.

8. Заключение.

9.Список литературы. 

Ведение

Изолирующие свойства газов объясняются  тем, что атомы и молекулы газов  в естественном состоянии являются нейтральными незаряженными частицами. Отсюда ясно, что для того, чтобы  сделать газ проводящим, нужно  тем или иным способом внести в  него или создать в нем свободные  носители заряда–заряженные частицы. При этом возможны два случая: либо эти заряженные частицы создаются  действием какого-нибудь внешнего фактора  или вводятся в газ извне–несамостоятельная  проводимость, либо они создаются  в газе действием самого электрического поля, существующего между электродами– самостоятельная проводимость. В приведенном рисунке гальванометр в цепи показывает отсутствие тока несмотря на приложенное напряжение. Это свидетельствует об отсутствии проводимости газов в обычных условиях.

Электрический разряд в газах.

Все газы в естественном состоянии  не проводят электрического тока. В  чем можно убедиться из следующего опыта: Возьмем электрометр с присоединенными к нему дисками плоского конденсатора и зарядим его. 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. Данный опыт показывает, что воздух является плохим проводником электрического тока. Видоизменим опыт: нагреем воздух между дисками пламенем спиртовки. Тогда 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. Изолирующие свойства газов объясняются тем, что в них нет свободных электрических зарядов: атомы и молекулы газов в естественном состоянии являются нейтральными.

Ионизация газов.

Вышеописанный опыт показывает, что  в газах под влиянием высокой  температуры появляются заряженные частицы. Они возникают вследствие отщепления от атомов газа одного или  нескольких электронов, в результате чего вместо нейтрального атома возникают  положительный ион и электроны. Часть образовавшихся электронов может  быть при этом захвачена другими  нейтральными атомами, и тогда появятся еще отрицательные ионы. Распад молекул  газа на электроны и положительные  ионы называется ионизацией газов. Нагревание газа до высокой температуры не является единственным способом ионизации молекул или атомов газа. Ионизация газа может происходить под влиянием различных внешних взаимодействий: сильного нагрева газа, рентгеновских лучей, a-, b- и g-лучей, возникающих при радиоактивном распаде, космических лучей, бомбардировки молекул газа быстро движущимися электронами или ионами. Факторы, вызывающие ионизацию газа называются ионизаторами. Количественной характеристикой процесса ионизации служит интенсивность ионизации, измеряемая числом пар противоположных по знаку заряженных частиц, возникающих в единице объема газа за единицу времени. Ионизация атома требует затраты определенной энергии – энергии ионизации. Для ионизации атома (или молекулы) необходимо совершить работу против сил взаимодействия между вырываемым электроном и остальными частицами атома (или молекулы). Эта работа называется работой ионизации A_i. Величина работы ионизации зависит от химической природы газа и энергетического состояния вырываемого электрона в атоме или молекуле. После прекращения действия ионизатора количество ионов в газе с течением времени уменьшается и в конце концов ионы исчезают вовсе. Исчезновение ионов объясняется тем, что ионы и электроны участвуют в тепловом движении и поэтому соударяются друг с другом. При столкновении положительного иона и электрона они могут воссоединиться в нейтральный атом. Точно также при столкновении положительного и отрицательного ионов отрицательный ион может отдать свой избыточный электрон положительному иону и оба иона превратятся в нейтральные атомы. Этот процесс взаимной нейтрализации ионов называется рекомбинацией ионов. При рекомбинации положительного иона и электрона или двух ионов освобождается определенная энергия, равная энергии, затраченной на ионизацию. Частично она излучается в виде света, и поэтому рекомбинация ионов сопровождается свечением (свечение рекомбинации). В явлениях электрического разряда в газах большую роль играет ионизация атомов электронными ударами. Этот процесс заключается в том, что движущийся электрон, обладающий достаточной кинетической энергией, при соударении с нейтральным атомом выбивает из него один или несколько атомных электронов, в результате чего нейтральный атом превращается в положительный ион, а в газе появляются новые электроны (об этом будет рассмотрено позднее). В таблице ниже даны значения энергии ионизации некоторых атомов.

Элемент	He	Ne	Ar	Hg	Na	K	Rb
Энергия ионизации, эВ	24,5	21,5	13,9	10,4	5,12	4,32	4,68

 

Механизм  электропроводности газов.

Механизм проводимости газов похож  на механизм проводимости растворов  и расплавов электролитов. При  отсутствии внешнего поля заряженные частицы, как и нейтральные молекулы движутся хаотически. Если ионы и свободные электроны оказываются во внешнем электрическом поле, то они приходят в направленное движение и создают электрический ток в газах. 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 нейтрализация заряженных частиц, как и при прохождении электрического 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. Еще одно различие в электропроводности ионизованных газов и растворов (расплавов) электролитов состоит в том, что отрицательный заряд при прохождении тока через газы переносится в основном не отрицательными ионами, а электронами, хотя проводимость за счет отрицательных ионов также может играть определенную роль. Таким образом в газах сочетается электронная проводимость, подобная проводимости металлов, с ионной проводимостью, подобной проводимости водных растворов и расплавов электролитов.  

Несамостоятельный газовый разряд.

Процесс прохождения электрического тока через газ называется газовым  разрядом. Если электропроводность газа создается внешними ионизаторами, то электрический ток, возникающий в нем, называется несамостоятельным газовым разрядом. С прекращением действия внешних ионизаторов несамостоятельный разряд прекращается. Несамостоятельный газовый разряд не сопровождается свечением газа. Ниже изображен график зависимости силы тока от напряжения при несамостоятельном разряде в газе. Для построения графика использовалась стеклянная трубка с двумя впаянными в стекло металлическими электродами. Цепь собрана как показано на рисунке ниже.

V

 
                                          

+     -

При некотором определенном напряжении наступает такой момент, при котором  все заряженные частицы, образующиеся в газе ионизатором за секунду, достигают  за это же время электродов. Дальнейшее увеличение напряжения уже не может  привести к увеличению числа переносимых  ионов. Ток достигает насыщения (горизонтальный участок графика 1). 

                                   

   I               0                                         U                     

Самостоятельный газовый разряд.

Электрический разряд в газе, сохраняющийся  после прекращения действия внешнего ионизатора, называется самостоятельным  газовым разрядом. Для его осуществления  необходимо, чтобы в результате самого разряда в газе непрерывно образовывались свободные заряды. Основным источником их возникновения является ударная  ионизация молекул газа. Если после достижения насыщения продолжать увеличивать разность потенциалов между электродами, то сила тока при достаточно большом напряжении станет резко возрастать (график 2). Это означает, что в газе появляются дополнительные ионы, которые образуются за счет действия ионизатора. Сила тока может возрасти в сотни и тысячи раз, а число заряженных частиц, возникающих в процессе разряда, может стать таким большим, что внешний ионизатор будет уже не нужен для поддержания разряда. Поэтому ионизатор теперь можно убрать. Каковы же причины резкого увеличения силы тока при больших напряжениях? Рассмотрим какую либо пару заряженных частиц (положительный ион и электрон), образовавшуюся благодаря действию внешнего ионизатора. Появившийся таким образом свободный электрон начинает двигаться к положительному электроду – аноду, а положительный ион – к катоду. На своем пути электрон встречает ионы и нейтральные атомы. В промежутках между двумя последовательными столкновениями энергия электрона увеличивается за счет работы сил электрического поля.

    

I

 

0                                                                                                                                    

Чем больше разность потенциалов между  электродами, тем больше напряженность  электрического поля. Кинетическая энергия  электрона перед очередным столкновением  пропорциональна напряженности  поля и длине свободного пробега  электрона: MV²/2=eEl. Если кинетическая энергия электрона превосходит работу A_i, которую нужно совершить, чтобы ионизировать нейтральный атом (или молекулу), т.е. MV²>A_i, то при столкновении электрона с атомом (или молекулой) происходит его ионизация. В результате вместо одного электрона возникают два (налетающий на атом и вырванный из атома). Они, в свою очередь, получают энергию в поле и ионизуют встречные атомы и т.д.. Вследствие этого число заряженных частиц быстро нарастает, возникает электронная лавина. Описанный процесс называют ионизацией электронным ударом.

Но одна ионизация электронным  ударом не может обеспечить поддержания  самостоятельного заряда. Действительно, ведь все возникающие таким образом  электроны движутся по направлению  к аноду и по достижении анода  «выбывают из игры». Для поддержания  разряда необходима эмиссия электронов с катода («эмиссия» означает «испускание»). Эмиссия электрона может быть обусловлена несколькими причинами. Положительные ионы, образовавшиеся при столкновении электронов с нейтральными атомами, при своем движении к катоду приобретают под действием поля большую кинетическую энергию. При ударах таких быстрых ионов о катод с поверхности катода выбиваются электроны. Кроме того, катод может испускать электроны при нагревании до большой температуры. Этот процесс называется термоэлектронной эмиссией. Его можно рассматривать как испарение электронов из металла. Во многих твердых веществах термоэлектронная эмиссия происходит при температурах, при которых испарение самого вещества еще мало. Такие вещества и используются для изготовления катодов. При самостоятельном разряде нагрев  катода может происходить за счет бомбардировки его положительными ионами. Если энергия ионов не слишком велика, то выбивания электронов с катода не происходит и электроны испускаются вследствие термоэлектронной эмиссии.  

Различные типы самостоятельного разряда и  их техническое применение.

В зависимости от свойств и состояния  газа, характера и расположения электродов, а также от приложенного к электродам напряжения возникают различные  виды самостоятельного разряда. Рассмотрим несколько из них.

A.     Тлеющий разряд.

Тлеющий разряд наблюдается в газах  при низких давлениях порядка  нескольких десятков миллиметров ртутного столба и меньше. Если рассмотреть  трубку с тлеющим разрядом, то можно  увидеть, что основными частями  тлеющего разряда являются катодное темное пространство, резко отдаленное от него отрицательное, или тлеющее  свечение, которое постепенно переходит  в область фарадеева темного пространства. Эти три области образуют катодную часть разряда, за которой следует основная светящаяся часть разряда, определяющая его оптические свойства и называемая положительным столбом. Основную роль в поддержании тлеющего разряда играют первые две области его катодной части. Характерной особенностью этого типа разряда является резкое падение потенциала вблизи катода, которое связано с большой концентрацией положительных ионов на границе I и II областей, обусловленной сравнительно малой скоростью движения ионов у катоду. В катодном темном пространстве происходит сильное ускорение электронов и положительных ионов, выбивающих электроны из катода. В области тлеющего свечения электроны производят интенсивную ударную ионизацию молекул газа и теряют свою энергию. Здесь образуются положительные ионы, необходимые для поддержания разряда. Напряженность электрического поля в этой области мала. Тлеющее свечение в основном вызывается рекомбинацией ионов и электронов. Протяженность катодного темного пространства определяется свойствами газа и материала катода. В области положительного столба концентрация электронов и ионов приблизительно одинакова и очень велика, что обуславливает большую электропроводность положительного столба и незначительное падение в нем потенциала. Свечение положительного столба определяется свечением возбужденных молекул газа. Вблизи анода вновь наблюдается сравнительно резкое изменение потенциала, связанное с процессом генерации положительных ионов. В ряде случаев положительный столб распадается на отдельные светящиеся участки – страты, разделенные темными промежутками. Положительный столб не играет существенной роли в поддержании тлеющего разряда, поэтому при уменьшении расстояния между электродами трубки длина положительного столба сокращается и он может исчезнуть совсем. Иначе обстоит дело с длиной катодного темного пространства, которая при сближении электродов не изменяется. Если электроды сблизились настолько, что расстояние между ними станет меньше длины катодного темного пространства, то тлеющий разряд в газе прекратится. Опыты показывают, что при прочих равных условиях длина d катодного темного пространства обратно пропорциональна давлению газа. Следовательно, при достаточно низких давлениях электроны, выбиваемые из катода положительными ионами, проходят через газ почти без столкновений с его молекулами, образуя электронные, или катодные лучи. Тлеющий разряд используется в газосветных трубках, лампах дневного света, стабилизаторах напряжения, для получения электронных и ионных пучков. Если в катоде сделать щель, то сквозь нее в пространство за катодом проходят узкие ионные пучки, часто называемые каналовыми лучами. Широко используется явление катодного распыления, т.е. разрушение поверхности катода под действием ударяющихся о него положительных ионов. Ультрамикроскопические осколки материала катода летят во все стороны по прямым линиям и покрывают тонким слоем поверхность тел (особенно диэлектриков), помещенных в трубку. Таким способом изготовляют зеркала для ряда приборов, наносят тонкий слой металла на селеновые фотоэлементы.