Сообщение на тему электрический ток в газах 8 класс физика
Обновлено: 19.05.2024
Газы в обычных условиях – диэлектрики. Воздух используют в технике как изолятор:
– между обкладками конденсатора;
– в контактах выключателей.
При высокой температуре и под действием ультрафиолетового, рентгеновского и гамма-излучения (внешних ионизаторов) газы становятся проводниками.
В этом легко убедиться, если взять заряженный плоский воздушный конденсатор с подключенным к нему электрометром, и нагреть воздух между пластинами.
Природа газового разряда
При внесении пламени между пластинами воздушного конденсатора происходит ионизация газа и возникновение ионов и электронов. Под действием электрического поля они начнут упорядоченно двигаться между пластинами.
Протекание тока через газ называется газовым разрядом.
При удалении пламени ток прекращается вследствие того, что положительные ионы и электроны не могут долго существовать раздельно и воссоединяются в нейтральную молекулу. Такой процесс называется рекомбинацией .
Газовый разряд, протекающий под действием ионизатора, называется несамостоятельным.
С увеличением разности потенциалов между пластинами кинетическая энергия электрона возрастает настолько, что при соударении его с нейтральной молекулой газа происходит выбивание электрона. Такой процесс называется ударной ионизацией молекул газа. Число электронов и ионов растет лавинообразно, что приводит к увеличению разрядного тока.
Газовый разряд, протекающий в отсутствии ионизатора, называется самостоятельным.
Интенсивность такого газового разряда зависит от напряженности электрического поля между пластинами и давления газа.
Вольтамперная характеристика газового разряда.
ОА – только часть заряженных частиц доходит до электродов, часть их рекомбинирует;
АВ – ток почти не увеличивается (ток насыщения);
ВС – самостоятельный разряд.
Виды газовых разрядов
Искровой разряд – это прерывистый самостоятельный лавинообразный разряд в газе, вызванный ударной ионизацией и сопровождающийся треском и ярким свечением. Искровой разряд возникает при условии, когда мощность источника недостаточна для поддержания непрерывного разряда.
Дуговой разряд впервые был получен в 1802 году российским академиком В. В. Петровым. При соприкосновении электродов в цепи возникает сильный ток короткого замыкания, что приводит к сильному нагреванию электродов. Затем электроды постепенно раздвигаются. Ток продолжает идти через межэлектродное пространство, заполненное высокотемпературной плазмой. Концы электродов раскаляются до 3000-4000 градусов и начинают испаряться.
Дуговой разряд является самостоятельным разрядом в газе и происходит за счет энергии термоэлектронной эмиссии с катода. Является источником сильного светового и ультрафиолетового излучения.
Тлеющий разряд возникает в разряженном газе при сравнительно невысоком напряжении в виде светящегося газового столба. Тлеющий разряд вызывается ударной ионизацией и выбиванием электронов из катода положительными ионами (вторичная ионизация).
Свечение при тлеющем разряде объясняется тем, что при рекомбинации молекул газа высвобождается энергия в виде светового излучения. Свечение будет иметь разные цвета в зависимости от вида газа.
Коронный разряд возникает в сильно неоднородных электрических полях. Например, вблизи острия напряженность электрического поля настолько велика, что ионизация электронным ударом возможна даже при атмосферном давлении. В этой области возникает характерное сферическое свечение в виде короны.
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.
- Для учеников 1-11 классов и дошкольников
- Бесплатные сертификаты учителям и участникам
При обычном состоянии среда газов обладает изоляционными свойствами и не проводит ток. Но под воздействием различных возмущающих факторов диэлектрические характеристики могут резко снизиться и спровоцировать прохождение ионизации среды.
Она возникает от бомбардировки нейтральных атомов движущимися электронами. В результате этого из атома выбивается один или несколько связанных электронов, и атом получает положительный заряд, превращаясь в ион. Одновременно внутри газа образуется дополнительное количество электронов, продолжающих процесс ионизации.
Таким образом, внутри газа электрический ток создается одновременным движением положительных и отрицательных частиц.
Искровой разряд
При нагреве или повышении напряженности приложенного электромагнитного поля внутри газа вначале проскакивает искра. По этому принципу образуется природная молния, которая состоит из каналов, пламени и факела разряда.
В лабораторных условиях проскакивание искры можно наблюдать между электродами электроскопа. Практическая же реализация искрового разряда в свечах зажигания двигателей внутреннего сгорания известна каждому взрослому человеку.
Дуговой разряд
Искра характерна тем, что через нее сразу расходуется вся энергия внешнего поля. Если же источник напряжения способен поддерживать протекание тока через газ, то возникает дуга.
Примером электрической дуги является сварка металлов различными способами. Для ее протекания используется эмиссия электронов с поверхности катода.
Коронный разряд
Он возникает внутри газовой среды с большими напряженностями и неоднородными электромагнитными полями, что проявляется на высоковольтных воздушных линиях электропередач с напряжением от 330 кВ и выше.
Он протекает между проводом и близко расположенной плоскостью линии электропередачи. При коронном разряде происходит ионизация методом электронного удара около одного из электродов, обладающего областью повышенной напряженности.
Тлеющий разряд
Его используют внутри газов в специальных разрядных газосветных лампах и трубках, стабилизаторах напряжения. Он образуется за счет понижения давления в разрядном промежутке.
Когда в газах процесс ионизации достигает большой величины и в них образуется равное число положительных и отрицательных носителей зарядов, то такое состояние называют плазмой. Тлеющий разряд происходит в среде плазмы.
Вольтамперная характеристика протекания токов в газах представлена на картинке. Она состоит из участков:
2. самостоятельного разряда.
Первый характеризуется тем, что происходит под воздействием внешнего ионизатора и при прекращении его действия затухает. А самостоятельный разряд продолжает течь при любом условии.
Проводники с дырочной проводимостью
К ним относятся:
соединения отдельных металлов с теллуром, серой, селеном и некоторыми органическими веществами.
Они получили название полупроводников и относятся к группе №1, то есть не образуют переноса вещества при протекании зарядов. Для увеличения концентрации свободных электронов внутри них необходимо потратить дополнительную энергию на отрыв связанных электронов. Она получила название энергии ионизации.
В составе полупроводника работает электронно-дырочный переход. За счет его полупроводник пропускает ток в одном направлении и блокирует в обратном, когда к нему приложено противоположное внешнее поле.
Проводимость у полупроводников бывает:
Первый тип присущ конструкциям, у которых в процессе ионизации атомов своего вещества появляются носители зарядов: дырки и электроны. Их концентрация взаимно уравновешена.
Второй тип полупроводников создают за счет включения кристаллов с примесной проводимостью. Они обладают атомами трех- или пятивалентного элемента.
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.
В обычных условиях газ - это диэлектрик, т.е. он состоит из нейтральных атомов и молекул и не содержит свободных носителей эл.тока.
Воздух является диэлектриком в линиях электропередач, в воздушных конденсаторах, в контактных выключателях.
При нагревании газа или действии на него ионизаторов (рентгеновских, радиоактивных или ультрафиолетовых лучей) газ ионизируется и становится электропроводным.
В газе в результате столкновений на высоких скоростях появляются свободные заряженные частицы: ионы и электроны.
Ионизированный газ обладает электронно-ионной проводимостью.
Воздух является проводником при возникновении молнии, электрической искры, при возникновении сварочной дуги.
Если ионизированный газ находится в электрическом поле, то в газе возникает упорядоченное движение заряженных частиц, и при достижении напряжения пробоя в газе происходит электрический газовый разряд.
Газовый разряд - это электрический ток в ионизированных газах. Носителями зарядов являются положительные ионы и электроны.
Газ перестает быть проводником, если ионизация газа прекращается. Электроны и положительные ионы в газе, встречаясь, могут образовать нейтральные атомы.
Явление воссоединения противоположно заряженных частиц в газе называется рекомбинацией заряженных частиц.
Существует самостоятельный и несамостоятельный газовый разряд.
Несамостоятельный газовый разряд - возникает при действии на газ внешнего ионизатора, когда электрический ток разряда достигает насыщения, здесь электропроводность газа вызвана лишь действием ионизатора. Если действие ионизатора прекратить , то прекратится и разряд.
Самостоятельный газовый разряд - возникает при увеличении разности потенциалов между электродами до напряжения пробоя, тогда газовый разряд продолжается и после прекращения действия внешнего ионизатора за счет ионов и электронов, возникающих в результате ударной ионизации, возникает электронная лавина.
Несамостоятельный газовый разряд может переходить в самостоятельный газовый разряд при Ua = Uпробоя.
Электрический пробой газа - процесс перехода несамостоятельного газового разряда в самостоятельный.
Самостоятельный газовый разряд бывает 4-х типов:
1. Тлеющий разряд - возникает при низких давлениях (до нескольких мм рт.ст.).
Тлеющий разряд при пониженном давлении можно наблюдать в рекламных газосветных трубках, лампах дневного света, газовых лазерах.
С понижением давления в газах возрастает длина свободного пробега электронов и ионов. При достаточно низком давлении возникает электрический разряд. При разряде газ в трубке светится, оставаясь холодным.
При небольшом разряжении воздуха в трубке между электродами появляется разряд в виде светящейся змейки. Если газ разрядить сильнее, то начинает светиться трубка. Цвет зависит от газа, наполняющего трубку. При этом часть разрядного пространства заполняется плазмой.
2. Искровой разряд - возникает при нормальном давлении и высокой напряженности электрического поля (около 3х10 6 В/м). Искровой разряд быстро гаснет и вспыхивает вновь. Примером такого разряда является молния. Длительность разряда молнии очень ммала (10 -6 с), но сила тока и напряжение огромны (5х10 5 А, 10 9 В).
3. Коронный разряд - возникает при нормальном атмосферном давлении в неоднородных электрических полях, внешне напоминает корону, можно увидеть на острых выступающих частях, например мачтах кораблей, в электрофильтрах, при утечке энергии.
4. Дуговой разряд - возникает при низком напряжении между электродами ( около 50 В), ток разряда очень сильный, а температура достигает 4000 о С.
Применение электрической дуги: первоначально - свеча Яблочкова, дуговая электросварка, мощные прожекторы, проекционная киноаппаратура.
Плазма
Плазма - это четвертое агрегатное состояние вещества с высокой степенью ионизации за счет столкновения молекул на большой скорости при высокой температуре.
Плазма встречается:
ионосфера - слабо ионизированная плазма,
Солнце - полностью ионизированная плазма;
пламя - ионизированный газ, состоит из нейтральных атомов, положительных ионов и электронов; является как бы смесьью трех газов: атоного, ионного и электронного;
искусственная плазма - в газоразрядных лампах.
Низкотемпературная - при температурах меньше 100 000К (пример - пламя);
высокотемпературная - при температурах больше 100 000К (пример - Солнце).
Основные свойства плазмы:
- высокая электропроводность
- сильное взаимодействие с внешними электрическими и магнитными полями.
любое вещество находится в состоянии плазмы.
Интересно:
Плазма - это основное состояние вещества во Вселенной.
Радиационные пояса Земли представляют собой плазму.
.
Читайте также: