Электрический ток в плазме кратко

Обновлено: 07.07.2024

1. Газы в обычных условиях—диэлектрики. Воздух используют в технике как изолятор: а) в линиях электропередач; б) между обкладками воздушных конденсаторов; в) в контактах выключателей.

2. При определенных условиях газы — проводники: молния, электрическая искра, дуга при сварке. Процесс протекания тока через газ называетсягазовым разрядом. Свободные заряды (ионы обоих знаков и электроны) возникают в газах только в процессе ионизации.

Ионизация газов Ионизацию вызывают:

Высокая температура.
Ультрафиолетовые лучи.
Рентгеновские лучи, γ - лучи и т. п.

Ионизация осуществляется при условии: еЕλ > W ионизации, где λ — длина свободного пробега заряженных частиц.

Рекомбинация. Вследствие рекомбинации для поддержания длительного тока необходима постоянная ионизация.

Несамостоятельный и самостоятельный разряды

Несамостоятельный разряд происходит под действием внешнего ионизатора.
Самостоятельный разряд - разряд, происходящий без действия внешнего ионизатора (электронным ударом). Напряжение, при котором возникает самостоятельный разряд, наз. напряжением пробоя (потенциал ионизации).

ОА — только часть заряженных частиц доходит до электродов, частьрекомбинирует;

АВ—ток почти не увеличивается (ток насыщения);

ВС — самостоятельный разряд.

Типы самостоятельного разряда. Техническое применение

1. Тлеющий разряд. Применяется в газосветных трубках, неоновых лампах, цифровых индикаторах, лампах дневного света, ртутных лампах низкого давления.

Несветящаяся часть, прилегающая к катоду, наз. темным катодным пространством,
Светящийся столб газа, заполняющий остальную часть, наз. анодным положительным столбом.

При определенных давлениях анодный столб распадается на отдельные слои, разделенные темными промежутками (страты).

Причиной ионизации газа в тлеющем разряде является ударная ионизация и выбивание электронов из катода положительными ионами.

2. Дуговой разряд. Применяется в ртутных лампах высокого давления, источниках света, при сварке металлов, в электроплавильных печах, при электролизе расплавов, в электропечах.

3. Коронный разряд Высокая напряженность. Используют в электрофильтрах для очистки газов от примесей твердых частиц. Применяется в счетчиках заряженных частиц Гейгера-Мюллера. Громоотвод. Отрицательное явление: вызывает утечку энергии на высоковольтных линиях.

4. Искровой разряд Высокое напряжение. Применяется при обработке металлов.

Молния: U=10 8 В , I=10 5 А ,

продолжительность 10 -6 с ,

диаметр канала 10 - 20 см .

Плазма

Частично или полностью ионизованный газ называется плазмой. Наиболее распространенное состояние вещества в природе:

Низкотемпературная плазма: Т 5 К.
Высокотемпературная плазма: Т>10 5 К.

Можно наблюдать: пламя костра, рекламные газовые трубки, медицинские кварцевые лампы. Большое значение: получение термоядерной реакции.

Плазма имеет очень специфические физические свойства. Она не является ни изолятором (имеющим очень высокое сопротивление), подобно неионизированному газу, ни суперпроводником (не имеющего сопротивления вообще). Тем не менее, она имеет довольно хорошую проводимость, даже лучше, чем у меди и золота. Обычно электрическое сопротивление плазмы составляет около 30 Ом. [21] Для сравнения: типичный импеданс [22] меди варьируется в пределах от 300 до 600 Ом. [23]

Если разность потенциалов достаточно высока, расстояние между двумя электродами (анодом и катодом) достаточно мало и газ в среде достаточно плотен, то газ ионизируется (то есть разделение заряда высвобождает электроны). Затем начинается балансирование зарядов между двумя телами путем перехода электронов от катода к аноду, или позитивных ионов от анода к катоду (или обоими способами). Это очень распространённое явление. Например, его можно наблюдать в люминесцентных лампах и плазменных шарах.

В плазменных шарах плазменные нити (т.е. потоки электронов и позитивных ионов) тянутся от центрального электрода к стеклу — внешнему электроду — для того, чтобы сбалансировать разницу зарядов. Запомните этот пример, поскольку это очень хорошая аналогия того, что происходит в звёздном пространстве и даже в галактических масштабах.

Сверху вниз: тёмный разряд (межзвёздное пространство), тлеющий разряд (неоновый свет), дуговой разряд (электродуговая сварка).

Итак, плазма может проявлять три вида разрядов, в зависимости от плотности протекающего через неё тока.

Очень интересным свойством плазмы является её масштабируемость. Это означает, что плазма проявляет схожие характеристики вне зависимости от масштаба: как в лаборатории, так и в космосе. Фактически плазму можно наблюдать в широком диапазоне расстояний, а не только на атомарном уровне. Этот диапазон начинается на 10 -10 метрах в диаметре и доходит до галактического масштаба, который для нашего Млечного Пути составляет примерно 10 20 метров в диаметре.

Это означает, что плазма простирается в линейных размерах на 30 порядков. Она имеет схожие свойства во всем диапазоне (т.е. от 10 -10 до 10 20 метров). Рисунок выше иллюстрирует это сходство между микроскопической плазмой (на атомарном уровне) и макроскопической плазмой (в масштабе Солнечной системы).

Благодаря такой широкой масштабируемости космологи имеют возможность проводить наблюдения, формулировать гипотезы и, самое главное, проверять их в лабораториях (т.е. на микроскопическом уровне) и по методу аналогии применять их результаты к плазме, существующей в гораздо более крупном масштабе (космические феномены, например). С этой точки зрения, лабораторные эксперименты над плазмой, примененные к космическим феноменам, схожи с испытаниями самолётов или изучением естественного турбулентного потока в аэродинамической трубе на моделях меньшего масштаба с последующим применением результатов на реальных объектах.

Эта возможность проводить проверки позволяет выдвигать гипотезы и проверять теории в различных практических экспериментах, что является очень важным аспектом научного метода, как было сказано философом Карлом Поппером:

[21]: Demidov, B. A. et al., 'Anomalous Resistance And Microwave Radiation From A Plasma In A Strong Electric Field', Soviet Physics (август 1965 г.) 21(2)

[22]: Импеданс является формой сопротивления. Чем он выше, тем ниже проводимость.

[23]: Cebik, L. B., 'Some (Old) Notes on Home-Brew Parallel Transmission Lines', QSL.

Pierre Lescaudron

Пьерр Лескодро (M.Sc, MBA) родился в 1972 г. в Тулузе, Франция. Он сделал карьеру в административном руководстве, консалтинге и обучении аспирантов высокотехнологичных областей науки и промышленности.

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

Электрический ток в газах

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.

Что мы узнали?

Сами по себе атомы и молекулы газа нейтральны. Они заряжаются при воздействии извне. Если говорить кратко об электрическом токе в газах, то он представляет собой направленное движение частиц (положительных ионов к катоду и отрицательных ионов к аноду). Также важным является, что при ионизации газа, его проводящие свойства улучшаются.

В природе не бывает совершенных диэлектриков. Электрический ток способен протекать в любой среде, если будут созданы определенные условия. В результате газ может из хорошего диэлектрика превратиться в отличный проводник. Чтобы написать доклад или реферат на эту тему, следует изучить характеристики электрического тока в газах и выяснить, какие условия необходимо создать для его возникновения.

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:

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

Газовые разряды

Если поместить ионизированный газ в электрополе, то на свободные заряды начнут воздействовать электрические силы. Они всегда направлены параллельно линиям напряженности. В результате движение заряженных частиц из хаотичного становится упорядоченным — отрицательные движутся в направлении анода, а положительные — к катоду. После контакта с электродами частицы становятся нейтральными, так как отдали либо приняли электроны. В результате цепь замыкается, и появляется электроток.

Процесс прохождения электронного тока через газообразное вещество называют разрядом. В газообразных веществах сочетаются два вида проводимости — электронная и ионная.

Несамостоятельный и самостоятельный ток

Описанный кратко механизм возникновения тока в газах под воздействием внешнего поля представляет собой несамостоятельный разряд. После снятия внешнего воздействия электроток в газообразном веществе исчезает. Чтобы исследовать зависимости силы тока от напряжения, предстоит использовать стеклянную трубку, в которую впаяны электроды.

Если начать воздействовать на это устройство с помощью ионизатора, например, рентгеновского излучения, то в газе каждую секунду будет появляться некоторое количество пар свободных частиц с определенным зарядом. При отсутствии на клеммах электродов напряжения сила тока окажется равной нулю. Создав небольшую разницу потенциалов, можно заставить заряженные частицы упорядочено перемещаться, что приведет к появлению газового разряда.

Но из-за рекомбинации не все образованные в результате процесса ионизации ионы смогут дойти до электродов. Часть этих частиц приобретет нейтральный заряд. При увеличении разности потенциалов число заряженных ионов и электронов будет возрастать. При достижении определенного напряжения все заряженные частицы доберутся до электродов. Это позволяет говорить о том, что электроток достиг насыщения.

В результате вольт-амперная характеристика при появлении несамостоятельного тока становится нелинейной. Говоря проще, закон Ома в газах работает лишь при небольшой разнице потенциалов.

Если после достижения насыщения тока продолжить увеличивать напряжение на электродах, то при большой разнице потенциалов его сила начнет стремительно возрастать. Это связано с тем, что в газообразном веществе образуются дополнительные заряженные частицы сверх тех, что появляются под воздействием ионизатора. В определенный момент необходимость использования внешнего поля для поддержания разряда отпадет.

Такой электрический ток называется самостоятельным. Величина, при которой несамостоятельный ток становится самостоятельным, называется напряжением пробоя. Электроны, получая ускорение от электрополя, сталкиваются на траектории своего движения с нейтральными частицами.

В ситуации, когда кинетическая энергия электронов превышает показатель энергии Wi, наблюдается ионизация молекул. При этом основную работу в образовании самостоятельного разряда выполняют электроны. В физике принято выделять 4 вида самостоятельного тока:

Тлеющий. Создается в газообразных веществах при низком давлении (около 1,33 Па). Тлеющий разряд может быть получен при сравнительно небольшом напряжении. Используется он в газовых лампах, например, в неоновых. Применение различных инертных газов позволяет добиться свечения определенного цвета.
Искровой. Появляется при постепенном повышении напряжения. В природе искровой разряд наблюдается в виде молнии.
Дуговой. Если после возникновения искрового разряда продолжить снижать сопротивление электроцепи, то сила тока в искре начнет быстро увеличиваться. В результате возникнет дуговой разряд.
Коронный. Наблюдается при высоком давлении под воздействием неоднородного электрополя.

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.

Читайте также: