ИОНЫ В ГАЗАХ

Токи в газах

ИОНЫ 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.

Ничего непонятно?

Попробуй обратиться за помощью к преподавателям

Определение 1

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.

Определение 2

Процесс прохождения электрического тока через газы называют газовым разрядом. Основными типами газового разряда являются:

  • несамостоятельный ток
  • самостоятельный ток

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 ${(\frac{dN}{dt})}_{obr}$ — 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 $(\frac{dN}{dt})$- 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.

Другой предельный случай, когда мы получаем ток насыщения ($j_n$) из уравнения (6) при $rN2\ll \frac{j}{qd}$, 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.

Рисунок 1.

К видам самостоятельных газовых разрядов относят:

  • тлеющий разряд
  • дуговой разряд
  • искровой разряд
  • коронный разряд.

Пример 1

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:

\[\frac{m_ev_{min}}{2}=q_eU_i\left(1.1\right).\]

Из уравнения (1.1) выразим искомую скорость, получим:

\[v_{min}=\sqrt{\frac{2q_eU_i}{m_e}}.\]

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.

\[v_{min}=\sqrt{\frac{2\cdot 1,6\cdot 10{-19}\cdot 14,5}{9,1\cdot 10{-31}}}=2,26\cdot 106\left(\frac{м}{с}\right).\]

Ответ: $v_{min}=2,26•106\frac{м}{с}.$

Пример 2

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: https://spravochnick.ru/fizika/mehanizmy_elektroprovodnosti/toki_v_gazah/

Электрический ток в газах – материалы для подготовки к ЕГЭ по Физике

ИОНЫ В ГАЗАХ

Автор статьи — профессиональный репетитор, автор учебных пособий для подготовки к ЕГЭ Игорь Вячеславович Яковлев

Темы кодификатора ЕГЭ: носители свободных электрических зарядов в газах

При обычных условиях газы состоят из электрически нейтральных атомов или молекул; свободных зарядов в газах почти нет. Поэтому газы являются диэлектриками — электрический ток через них не проходит.

Мы сказали «почти нет», потому что на самом деле газах и, в частности, в воздухе всегда присутствует некоторое количество свободных заряженных частиц.

Они появляются в результате ионизирующего воздействия излучений радиоактивных веществ, входящих в состав земной коры, ультрафиолетового и рентгеновского излучений Солнца, а также космических лучей — потоков частиц высокой энергии, проникающих в атмосферу Земли из космического пространства.

Впоследствии мы вернёмся к этому факту и обсудим его важность, а сейчас заметим лишь, что в обычных условиях проводимость газов, вызванная «естественным» количеством свободных зарядов, пренебрежимо мала, и её можно не принимать во внимание.

На изолирующих свойствах воздушного промежутка основано действие переключателей в электрических цепях (рис. 1). Например, небольшого воздушного зазора в выключателе света оказывается достаточно, чтобы разомкнуть электрическую цепь в вашей комнате.

Рис. 1. Ключ

Можно, однако, создать такие условия, при которых электрический ток в газовом промежутке появится. Давайте рассмотрим следующий опыт.

Зарядим пластины воздушного конденсатора и подсоединим их к чувствительному гальванометру (рис. 2, слева). При комнатной температуре и не слишком влажном воздухе гальванометр не покажет заметного тока: наш воздушный промежуток, как мы и говорили, не является проводником электричества.

Рис. 2. Возникновение тока в воздухе

Теперь внесём в зазор между пластинами конденсатора пламя горелки или свечи (рис. 2, справа). Ток появляется! Почему?

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.

Несамостоятельный разряд

Если внешнего электрического поля нет, то свободные заряды совершают хаотическое тепловое движение наряду с нейтральными частицами газа. Но при наложении электрического поля начинается упорядоченное движение заряженных частиц — электрический ток в газе.

Рис. 6. Несамостоятельный разряд

На рис. 6 мы видим три сорта заряженных частиц, возникающих в газовом промежутке под действием ионизатора: положительные ионы, отрицательные ионы и электроны. Электрический ток в газе образуется в результате встречного движения заряженных частиц: положительных ионов — к отрицательному электроду (катоду), электронов и отрицательных ионов — к положительному электроду (аноду).

Электроны, попадая на положительный анод, направляются по цепи к «плюсу» источника тока. Отрицательные ионы отдают аноду лишний электрон и, став нейтральными частицами, возвращаются в обратно газ; отданный же аноду электрон также устремляется к «плюсу» источника.

Положительные ионы, приходя на катод, забирают оттуда электроны; возникший дефицит электронов на катоде немедленно компенсируется их доставкой туда с «минуса» источника. В результате этих процессов возникает упорядоченное движение электронов во внешней цепи.

Это и есть электрический ток, регистрируемый гальванометром.

Описанный процесс, изображённый на рис. 6, называется несамостоятельным разрядом в газе. Почему несамостоятельным? Потому для его поддержания необходимо постоянное действие ионизатора. Уберём ионизатор — и ток прекратится, поскольку исчезнет механизм, обеспечивающий появление свободных зарядов в газовом промежутке. Пространство между анодом и катодом снова станет изолятором.

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 .

Самостоятельный разряд

После прохождения точки сила тока при увеличении напряжения резко возрастает — начинается самостоятельный разряд. Сейчас мы разберёмся, что это такое.

Заряженные частицы газа движутся от столкновения к столкновению; в промежутках между столкновениями они разгоняются электрическим полем, увеличивая свою кинетическую энергию.

И вот, когда напряжение становится достаточно большим (та самая точка ), электроны за время свободного пробега достигают таких энергий, что при соударении с нейтральными атомами ионизируют их! (С помощью законов сохранения импульса и энергии можно показать, что именно электроны (а не ионы), ускоряемые электрическим полем, обладают максимальной способностью ионизировать атомы.)

Начинается так называемая ионизация электронным ударом. Электроны, выбитые из ионизированных атомов, также разгоняются электрическим полем и налетают на новые атомы, ионизируя теперь уже их и порождая новые электроны. В результате возникающей электронной лавины число ионизированных атомов стремительно возрастает, вследствие чего быстро возрастает и сила тока.

Количество свободных зарядов становится таким большим, что необходимость во внешнем ионизаторе отпадает. Его можно попросту убрать. Свободные заряженные частицы теперь порождаются в результате внутренних процессов, происходящих в газе — вот почему разряд называется самостоятельным.

Если газовый промежуток находится под высоким напряжением, то для самостоятельного разряда не нужен никакой ионизатор. Достаточно в газе оказаться лишь одному свободному электрону, и начнётся описанная выше электронная лавина. А хотя бы один свободный электрон всегда найдётся!

Вспомним ещё раз, что в газе даже при обычных условиях имеется некоторое «естественное» количество свободных зарядов, обусловленное ионизирующим радиоактивным излучением земной коры, высокочастотным излучением Солнца, космическими лучами.

Мы видели, что при малых напряжениях проводимость газа, вызванная этими свободными зарядами, ничтожно мала, но теперь — при высоком напряжении — они-то и породят лавину новых частиц, дав начало самостоятельному разряду.

Произойдёт, как говорят, пробой газового промежутка.

Напряжённость поля, необходимая для пробоя сухого воздуха, равна примерно кВ/см. Иными словами, чтобы между электродами, разделёнными сантиметром воздуха, проскочила искра, на них нужно подать напряжение киловольт. Вообразите же, какое напряжение необходимо для пробоя нескольких километров воздуха! А ведь именно такие пробои происходят во время грозы — это прекрасно известные вам молнии.

Источник: https://ege-study.ru/ru/ege/materialy/fizika/elektricheskij-tok-v-gazax/

Урок 10. Ионы в газе – HIMI4KA

ИОНЫ В ГАЗАХ
Архив уроков › Основные законы химии

В уроке 10 «Ионы в газе» из курса «Химия для чайников» выясним какие газы называются инертными или благородными; рассмотрим эксперимент с катодными а каналовыми лучами в круксовой трубке и узнаем как открыли электрон. Будет неплохо, если перед изучением данного урока вы вспомните, что такое ионы.

  • Инертные или благородные газы
  • Катодные лучи
  • Открытие электрона

Инертные или благородные газы

В середине XIX веке ученые полагали, что взаимодействие между молекула-молекула или атом-атом имеет исключительно электрическую природу. «Ведь одноименные заряды отталкиваются, — рассуждали они, — а значит молекула не может быть образована двумя одинаковыми атомами, так как между ними не может возникать связи».

Поэтому абсолютно все газы ученые того времени считали одноатомными газами. Например молекулярная формула кислорода в их представлении была просто O, вместо двухатомной молекулы O2. Даже молекула воды у них считалась не H2O, а HO, так как два атома водорода улетели бы друг от друга прочь.

Разумеется, ученые того времени заблуждались.

Но это не означает, что в природе не существует одноатомных газов, напротив, существует целых 6 одноатомных газов: гелий, неон, аргон, криптон, ксенон и радон.

Они еще называются инертные или благородные газы. Благородный газ — это такой газ, атомы которого при нормальных условиях являются инертными, т.

е не взаимодействуют друг с другом, а значит не образуют химических связей.

Катодные лучи

Путаница, что все газы в природе исключительно одноатомные, поставила паузу в изучении химии на полвека. Позже Льюис высказал предположение о том, что общая электронная пара является чем-то вроде клея, который сцепляет между собой атомы с образованием ковалентной связи.

Лишь спустя 20 лет его гипотеза обрела теоретическое объяснение. Фарадей показал через опыт электролиза, что заряды на ионах всегда кратны некоторым элементарным единицам заряда, причем моль этих зарядов составляет 1F, а физик Джордж Стоуни назвал эту элементарную единицу заряда — электрон.

Однако «электрон» Стонея еще так и оставался гипотезой.

То, что электроны являются реальными частицами, которые могут быть присоединены к атомам или удалены от них, было установлено физиками, изучающими влияние электричества на свойства газов.

И вот одним прекрасным вечером они обнаружили, что если к двум электродам, впаянным в стеклянную трубку (круксова трубка) с разреженным газом (газ по очень низким давлением), приложено напряжение около 10000 В, оно вырывает у молекул разряженного газа их электроны. Тем самым образуются катодные и каналовые лучи.

Катодные лучи представляют собой поток электронов летящих по направлению к аноду, а каналовые лучи — это поток положительных ионов устремленных к катоду.

Если на пути катодных лучей в стеклянной трубке расположить легчайшую вертушку, то можно доказать существование электрона: поток электронов, образующий катодные лучи, заставит вертушку вращаться. Еще столкновение электронов с молекулами газа способно привести к возникновению светящегося заряда, знакомого всем нам по газоразрядным лампам. Цвет разряда может быть разным в зависимости от того, какой газ находится внутри трубки.

Открытие электрона

Если перед катодом в круксовой трубке установить металлическую пластинку со щелью, то можно получить тонкий пучок катодных лучей, т.е электронов. Этот пучок отклоняется электрическим и магнитным полями, и хракактер отклонения позволяет заключиь, что частицы пучка несут в себе отрицательные заряды.

Относительная величина отклонения каналовых лучей (положительных ионов) и катодных лучей (отрицательных ионов) показывает, что частицы, образующие катодные лучи, очень легкие, а положительные ионы почти настолько же тяжелые, как и исходные атомы, из которых они получены.

Конкретный состав каналовых лучей зависит от того, какой газ содержится в трубке, а катодные лучи одинаковы для всех газов. Дж.

Томсон предположил, что частицы, образующие катодные лучи, представляют собой не что иное, как гипотетические «электроны» Стонея, а в 1897 году он нашел способ, измерив отклонения пучка катодных лучей в электрическом и магнитном полях, вычислить отношение заряда этих частиц к их массе (e/m). Томсон установил, что

Предположим, что частицы, которые согласно Томсону, образуют катодные лучи, представляют собой электроны Стонея и Фарадея и что 1 F — это заряд 1 моля электронов. Вычислим массу 1 электрона:

Заряд 1 электрона равен

  • e = 1F / N = 96485 Кл/моль / 6,022·1023 электрон/моль = 1,602·10-19 Кл

Отсюда

  • m = 1,602·10-19 Кл / 1,76·108 Кл/г = 0,910·10-27 г

Урок 10 «Ионы в газе» был последним в разделе «Атомы, молекулы и ионы». Чтобы все основы химии, полученные при изучении уроков данной главы, глубоко осели в вашей памяти, настоятельно рекомендую внимательно прочитать заключение от корки до корки.

Источник: https://himi4ka.ru/arhiv-urokov/urok-10-iony-v-gaze.html

Электрический ток в газах. Ионизация газов

ИОНЫ В ГАЗАХ

Поток электричества, то есть электрический ток, может существовать не только в металлах, электролитах и расплавах, он может быть также и в газах.

Что из себя представляет газ? Это одно из фазовых состояний вещества, когда молекулы газа свободны и хаотичны в своём движении, когда объем вещества можно сжать, когда вещество подвижно и т.д.

Газ состоит из молекул, а молекулы в свою очередь обычно состоят из атомов. В итоге каждая такая молекула газа представляет из себя электрический диполь.

Вот такое собрание электрических диполей в виде молекул газа не обязано в своём составе иметь ни свободные электроны, ни свободные ионы, однако всё-таки некоторое их незначительное количество имеется. Газ является в своём обычном состоянии диэлектриком, то есть он представляет из себя изолятор, изолирует лучше чем проводит ток.

Мы с вами дышим атмосферным воздухом, который представляет из себя смесь газов, большая часть которого молекулы азота N2 (78,09 % объёма). Водяной пар, как впрочем и любой другой также являются газами. Газы нас окружают повсюду. Каждое вещество при определённом давлении и температуре находится в устойчивой газовой фазе.

В технических устройствах и приборах специально создаются условия отличные от нормальных, для существования вещества в газовой фазе. Нормальные условия — это обычное атмосферное давление и температура от 0° до 20°C, в зависимости от технической сферы применения.

В люминесцентных лампах находится газ, но его условия отличаются от нормальных, там разряженный газ, так как давление ниже атмосферного. Баллон с пропаном или кислородом содержит в себе «газ», но он сжиженный, в сжатом виде, давление там выше одной атмосферы, оно может быть 16-200 атмосфер.

Всё, что выше одной атмосферы — это сжиженный газ, а всё что ниже — разряженный газ. Это искусственно создаваемые условия техническими средствами.

В зависимости от температуры, давления в объёме газа и от свойств вещества газа — он будет иметь различные свойства по проводимости электричества, а также по условиям ионизации.

Газ в электрическом поле

Точно также как и любой диэлектрик, газ реагирует на электрическое поле.

Молекулы газа, находясь в свободном движении, со скоростями большими чем у ионов в растворах и расплавах, можно сказать, что они более независимы, чем когда были в состоянии жидкости.

Наличие электрического поля приводит к дипольной ориентации молекул газа (отдельных диполей). Они начинают поворачиваться так, чтобы скомпенсировать действие поля. Происходит это не сразу.

Потенциальная энергия поля будет преобразовываться в кинетическую энергию молекул газа. При достаточной напряжённости электрического поля будет происходить ионизация молекул газа. Электрический диполь в виде молекулы разорвётся на атомы и одному из них будет недоставать электрона.

Образуется положительный ион — катион, который устремится к катоду источника поля. Вполне возможно, что на своём пути он захватит свободный электрон, но если таких разорванных диполей станет много, то и процесс разрыва молекул на атомы станет лавинообразным.

В итоге проводимость газа значительно улучшится и через газ будет проходить больше электричества, сила тока будет стремительно возрастать. Графически этот процесс хорошо иллюстрируется вольт-амперной характеристикой (ВАХ).

В конечном итоге в газе происходит разряд, который бывает разных видов, но об этом сказано ниже.

Ионизация газов

Прежде всего нас интересует ионизация газов под действием электрического поля, но при этом не стоит забывать о том, что в газах возможна термическая ионизация под действием высокой температуры (теплового излучения).

Немного о процессе ионизации сказано выше. Каждый газ имеет своё пороговое значение напряжённости электрического поля, при котором происходит ионизация.

Дело в том, что для того, чтобы разорвать диполь, необходимо вырвать электрическим полем хотя бы один электрон.

Тогда диполь становится неустойчивым и распадается на атомы, а так как им недостаёт электронов, то соответственно получаются катионы (+q).

Положительные ионы начинают двигаться под действием кулоновских сил в сторону катода, а освободившиеся электроны в сторону анода. Образуется электрический поток, то есть ток.

Так как энергия катионов в газе и вырванных уже свободных электронов высокая, происходят взаимные столкновения вновь образованных свободных носителей зарядов (катионы и электроны) со связанными в диполи атомами молекул газа.

Это в свою очередь вызывает дальнейшую ещё большую ионизацию, новая партия опять атакует оставшиеся диполи, что приводит к появлению ещё большей партии свободных зарядов обоих типов.

Этот процесс растёт в геометрически и называется геометрической прогрессией, также именуют его лавинообразным и цепной реакцией.

Имеется ли предел такой лавине? Прежде всего он ограничен количеством участвующего газа, который может находится в некотором закрытом объёме пространства (запаянная колба).

Следующее препятствие — это мощность источника электрического поля. Кроме мощности лавинообразная ионизация может быть ограничена разностью потенциалов источника тока.

Если обычный газ, не подвергнутый ионизации, имеет лишь незначительное количество свободных носителей зарядов, а источник электрического тока имеет недостаточный потенциал для лавинообразной ионизации, тогда газ ведёт себя как обычный диэлектрик и проявляет изолирующие свойства больше, чем проводящие. Электрический ток в газе в этом случае имеется, но он незначительный.

Когда обычный газ подвергается ионизации любым из способов, то его проводящие свойства значительно улучшаются. В газе происходит разряд. Вполне возможно создать такие условия, что этот разряд будет существовать стабильно, а значит мы получим некоторый устойчивый ток в газе.

Газовые разряды

В зависимости от условий, в которых находится газ, а также от характеристик источника тока, в газу могут происходит разряды разных типов, каждый из которых имеет свои особенности.

Дуговой разряд: представляет собой электрический пробой газа, которой в дальнейшем становится постоянным плазменным разрядом — дугой, образуется электрическая дуга. Дуговой разряд характеризуется более низким напряжением, чем тлеющий разряд. Поддерживается в основном за счёт термоэлектронной эмиссии, когда из электродов высвобождаются электроны.

Старое название такой дуги «вольтова дуга». Отличительной особенностью такой дуги является высокая плотность тока и низкое напряжение, которое ограничено источником тока. Для того, чтобы создать такую дугу, электроды сближаются, происходит пробой, а затем они раздвигаются. Дуговой разряд используется в сварке, в плазменной резке, в электроэрозионной обработке.

Тлеющий разряд: представляет собой ток в ионизированном газе, а точнее сказать в низкотемпературной плазме. Тлеющий разряд образуется при прохождении тока через разряженный газ. Как только напряжение превосходит определённое значение, газ в колбе ионизирует и происходит свечение. Это уже по сути электрический ток не столько в газе, сколько в плазме.

Цвет свечения газа (плазмы) зависит от вещества газа. Каждый газ излучает свой спектр видимого света. На этом основано использование яркой неоновой рекламы. Достаточно несколько сотен вольт напряжения источника, чтобы ионизировать газ и вызвать в нем тлеющий разряд. В аналитической химии, свойство газа излучать свой определённый спектр света используется для определения неизвестного состава газа.

Это метод спектроскопии.

Искровой разряд: происходит при обычных условиях, при обычном атмосферном давлении, точно также как и тлеющий разряд происходит в следствие ионизации газа, но при высоком напряжении, в отличии от дугового разряда, где в первую очередь важна высокая плотность тока. Искровой разряд сопровождается характерным треском.

Поджиг искрового разряда происходит как результат пробоя диэлектрика — газа. Например, такой разряд используется в свечах зажигания двигателей внутреннего сгорания.

Для электрического пробоя в сухом воздухе необходима разность потенциалов из расчёта 3 кВ (3000 Вольт) на 1 мм воздушного зазора, соответственно для пробоя промежутка в 50 мм потребуется напряжение источника в 150 кВ.

Коронный разряд: происходит в сильном электрическом поле с высокой напряжённостью, достаточной, чтобы вызвать ионизацию газа (или жидкости). Электрическое поле при этом бывает не однородным, где-то напряжённость значительно больше.

Образуется градиент (различие) потенциалов поля и там где потенциал больше, ионизация газа идёт сильнее, интенсивнее, затем поток ионов доходит до другой части поля, тем самым образуя поток электричества.

В результате образуется коронный газовый разряд причудливых форм, в зависимости от геометрии проводников — источников напряжённости поля.

Коронный разряд можно увидеть вблизи изоляторов высоковольтных линий, также он применяется в быту и промышленности, например в ксерокопировании, воздушные ионизаторы, в системах кондиционирования воздуха, производство озона.

Электрический ток в газах используется в настоящее время очень широко.

Практически в каждом доме есть люминесцентные лампы, в которых происходит тлеющий разряд, на производствах, в гаражах, используется электрическая сварка с помощью дугового разряда, двигатели автомобилей работают благодаря искровому разряду, некоторые применяют ионизаторы и имеют лазерные принтеры, где используется коронный разряд.

Дата: 16.05.2015

© Valentin Grigoryev (Валентин Григорьев)

Источник: http://electricity-automation.com/page/elektricheskiy-tok-v-gazah-ionizatsiya-gazov

Поделиться:
Нет комментариев

    Добавить комментарий

    Ваш e-mail не будет опубликован. Все поля обязательны для заполнения.

    ×
    Рекомендуем посмотреть