Тема 3.1.7 Електричний струм в газах. Плазма.

План

1 Іонізація газу. Закон збереження імпульсу.

2 Несамостійний газовий розряд.

3 Самостійний газовий розряд.

4 Плазма.

Література:

[1] Чолпан П.П. Фізика: Підручник. – К.: Вища шк., 2004. – 567 с.

[2] За редакцією І.Є. Лопатинського. Зачек І.Р., Кравчук І.М., Романишин Б.М. та ін. Курс фізики:

Навчальний підручник. – Львів: Видавництво «Бескид Біт», 2002 р. – 367 с. (§ 62, 64)

1 Гази складаються з електрично нейтральних атомів і молекул і не мають вільних зарядів (електронів та іонів), здатних під дією електричного поля рухатись впорядковано. Отже, при нормальних умовах гази є ізоляторами. Це підтверджують досліди із зарядженими ізольованими провідниками в сухому повітрі: їх заряд майже не змінюється протягом тривалого часу. Газ стає провідником, якщо частина його молекул іонізується.

Явище відривання електронів від молекул газу, що приводить до утворення в газі вільних електронів та позитивних іонів і зумовлює його електропровідність, називається іонізацією газу.

Атоми і молекули газу – це стійкі системи заряджених частинок. Тому для іонізації атома (або молекули) треба виконати роботу проти сил взаємодії між електроном, що виривається, та іншими частинками атома. Цю роботу називають роботою іонізації.

Роботу іонізації можна охарактеризувати за допомогою потенціалу іонізації.

Потенціалом іонізації φ_і називають ту різницю потенціалів, яку повинен пройти електрон у прискорювальному електричному полі, щоб збільшення його енергії дорівнювало роботі іонізації:

Іонізація газу може відбуватися під впливом різних зовнішніх факторів:

1) сильного нагрівання газу;

2) рентгенівського проміння;

3) радіоактивного випромінювання (α, β, γ - частинки);

4) ультрафіолетового випромінювання.

Іонізація газу під впливом рухомих електронів або іонів називається ударною іонізацією. Якщо кінетична енергія частинки мала, то її зіткнення з атомами газу нагадує пружний удар, і це приводить лише до нагрівання газу.

Якщо енергія частинки досить велика, то зіткнення з атомами стають непружними і викликають іонізацію атома (вибивання електрона). Частинка ніби проникає в атом і вибиває з нього електрон.

У випадку непружного зіткнення закон збереження імпульсу має вигляд:

mυ = (m + M)u,

де m – маса іонізуючої частинки, υ – її швидкість, М – маса атома, u – швидкість частинки і атома після удару. Швидкість електрона, який вибитий з атома, наближено вважаємо також u.

Початкова кінетична енергія частинки втрачається при ударі на роботу іонізації А_і і на те, щоб надати частинці і атому кінетичну енергію, яка відповідає їхній швидкості u після удару:

Із закону збереження імпульсу

Отримуємо

Якщо іонізатор діє в газі тривалий час то між процесами іонізації та рекомбінації іонів встановлюється динамічна рівновага.

2Процес проходження електричного струму через газ називають газовим розрядом.

Електричний струм, зумовлений електропровідністю газу, якої він набуває внаслідок неперервної дії іонізатора, називається несамостійним газовим розрядом.

Несамостійний газовий розряд зникає відразу після припинення дії іонізатора, якщо швидкість електронів недостатня для іонізації газу.

Припустимо, що на повітряний проміжок між обкладками конденсатора діє ультрафіолетове випромінювання. Якщо за допомогою потенціометра плавно збільшувати напругу між обкладками конденсатора, то сила струму І збільшуватиметься пропорційно напрузі U до деякого значення І_н, яке називатимуть струмом насичення. Подальше збільшення напруги від U_н до U_з сили струму не змінює.

Під час іонізації в зазорі конденсатора утворюються протилежно заряджені частинки. Якщо напруга між обкладками конденсатора дорівнює нулю, струм також дорівнює нулю (точка 0 на рисунку), бо утворені носії струму рухаються хаотично. Із збільшенням напруги між обкладками конденсатора в напрямлений рух утягується дедалі більша кількість іонів і електронів. Вони досягають обкладок конденсатора, сила струму збільшується. Якщо напруга досягне U_н, при якій всі утворені в зазорі заряди прийдуть до обкладок конденсатора, сила струму матиме максимальне за даної інтенсивності іонізації значення. Збільшення напруги (до значення U_з) не може змінити сили струму. Якщо іонізатор припинить дію, то припиниться й розряд, бо інших джерел іонів немає. Тому розряд називають несамостійним.

3 Електричний розряд в газах, що зберігається з припиненням дії зовнішнього іонізатора, називається самостійним газовим розрядом.

Щоб утворився самостійний газовий розряд треба, щоб внаслідок самого розряду в газі безперервно утворювались вільні електричні заряди. Основним джерелом їх виникнення є ударна іонізація молекул газу.

Якщо напругу підвищувати й далі (від U_з і вище), сила струму різко зростає. Якщо дію зовнішнього іонізатора припинити, то такий розряд триватиме

Напругу U_з, при якій виникає самостійний розряд, називають напругою запалювання газового розряду, або напругою пробою.

Самостійний газовий розряд підтримується завдяки ударній іонізації електронами, які прискорюються електричним полем.

Якщо кінетична енергія електрона дорівнює енергії іонізації атома або перевищує її, то від їх співударяння атом може іонізуватися. Внаслідок іонізації виникають ще один електрон і позитивний іон.

При достатній напруженості електричного поля обидва електрони – перший і той, що утворився, - знову на довжині вільного пробігу набувають енергії, потрібної для іонізації іонів. Під час наступного співударяння іонізуються вже два атоми і кількість електронів зростає до чотирьох, після третьої іонізації електронів буде вже вісім, після четвертої – шістнадцять: утворюються електронні та іонні «лавини».

Щоб розряд був самостійним, утворення тільки електронних та іонних лавин є необхідною, але не достатньою умовою.

Співударяючись з катодом, іон може вибити з його поверхні електрони. Явище вибивання електрона з поверхні катода назвали вторинною електронною емісією.

4 Під плазмою розуміють дуже іонізований газ, в якому концентрація електронів приблизно дорівнює концентрації позитивних іонів. Чим вища температура газу, тим більше іонів і електронів у плазмі, тим менше залишається в ній нейтральних молекул. Таку плазму називають електронно-іонною. Газ може іонізуватися також через взаємодію з електромагнітним випромінюванням або бомбардуванням газу зарядженими частинками. Оскільки в плазмі концентрація електронів дорівнює концентрації іонів, в цілому її можна вважати електрично нейтральною, а об’ємний заряд у ній таким, що дорівнює нулю.

Для свого існування плазма потребує безперервного підведення енергії зовні.

Плазма характеризується такими основними властивостями:

· високим ступенем іонізації газу;

· однаковими об’ємними густинами позитивних і негативних зарядів;

· незалежністю питомої електричної провідності повністю іонізованої плазми від густини плазми і збільшенням з ростом температури пропорційно Т³²;

· сильною взаємодією із зовнішніми електричним і магнітним полями;

· завдяки колективним взаємодіям плазма веде себе як пружне середовище, в якому збуджуються і поширюються різні коливання і хвилі.

У стані плазми знаходяться більшість речовин Всесвіту – зірки, зоряні атмосфери, галактичні туманності і міжзоряне середовище. В навколоземному просторі слабо іонізована плазма знаходиться в радіаційних поясах та іоносфері Землі. З процесами, що відбуваються в цій плазмі, пов’язані такі явища, як магнітні бурі, порушення далекого радіозв’язку і полярні сяйва.

Контрольні запитання

1 Що називається іонізацією газу?

2 Що називають потенціалом іонізації?

3 Що ви знаєте про несамостійний газовий розряд?

4 Що таке самостійний газовий розряд?

5 Що таке плазма?

6 Назвіть основні властивості плазми.

Змістовий модуль 3.1 Електричний струм в металах, вакуумі і газах

Тема 3.1.8 Види самостійного газового розряду, умови виникнення. Електрична дуга. (Самостійне вивчання)

План

1 Самостійний газовий розряд.

2 Коронний розряд.

3 Електрична дуга.

4 Дуговий розряд

5 Жевріючий розряд.

Література:

[1] Чолпан П.П. Фізика: Підручник. – К.: Вища шк., 2004. – 567 с.

[3] Дмитрієва В.Ф. Фізика: Навчальний посібник для студентів навчальних закладів І-ІІ рівнів акредитації. –

К: Техніка, 2008. – 648 с

1 Електричний розряд в газах, що зберігається з припиненням дії зовнішнього іонізатора, називається самостійним газовим розрядом.

2Залежно від тиску газу, напруги, прикладеної до електродів, форми і характеру розміщення електродів розрізняють кілька типів самостійних газових розрядів.

Якщо при атмосферному тиску створити неоднорідне електричне поле за допомогою електродів, один з яких плоский, а другий є вістрям, то напруженість електричного поля навколо кожного з них буде різною. На вістрі густина заряду максимальна, тому при підвищенні напруги напруженість поля досягає тут значення Е₁ раніше, ніж біля плоского електрода.

Свічення газового проміжку поблизу вістря нагадує корону, тому цей тип газового розряду називають коронним.

У природі коронний розряд може виникнути під впливом атмосферного електричного поля на верхівках дерев, корабельних щогл та інших вістрях. У далекі часи таке природне свічення називали вогнями святого Ельма; воно викликало забобонний жах у людей.

Коронний розряд можна спостерігати навколо проводів високовольтної лінії передавання електроенергії. У техніці коронний розряд використовують в електрофільтрах, призначених для очищення промислових газів від твердих і рідких домішок.

3 Якщо в колі потужне джерело струму, то іскру можна перетворити в електричну дугу. Вперше електричну дугу добув професор фізики Петербурзької медико-хірургічної академії В.В. Петров у 1802 р. Він узяв дві деревні вуглини, приєднав їх до потужної батареї гальванічних елементів, з’єднав їх між собою, а потім почав розсувати. У місці контакту кінці вуглин розжарювались, тоді як самі вуглини не нагрівались, бо теплопровідність вугілля мала. Коли стрижні розсували, відбувалась термічна іонізація газового проміжку, яка супроводилась термодинамічною емісією з розігрітого катода. Найгарячішим місцем дуги була заглиблена (кратер дуги), яка утворюється на позитивному електроді внаслідок бомбардування його електронами. Температура кратера при нормальному атмосферному тиску досягає 4000 ⁰С.

4 Дуговий розряд виникає тоді, коли внаслідок нагрівання катода основною причиною іонізації газу є термоелектронна емісія – випромінювання електронів дуже нагрітими тілами. Електроди при дуговому розряді можуть бути і металевими. Дугові розряди застосовують для зварювання і різання металів, в електропечах, у прожекторах, проекційних і кіноапаратах і як потужне джерело світла.

5 Якщо із скляної трубки викачати повітря і до розміщених усередині неї електродів прикласти постійну напругу в кілька сотень вольт, то виникає газовий розряд при зниженому тиску, який назвали жевріючим.

Якщо газ розріджувати, то відстань між сусідніми атомами збільшуватиметься, а отже, збільшуватиметься і довжина вільного пробігу електрона (та іона). Внаслідок цього електрони можуть набути енергії, потрібної для ударної іонізації при меншій напруженості поля між електродами.

Розряд набуває вигляду, зображеного на рисунку. До катода К прилягає тонкий світний шар 1 (його називають катодною плівкою), за яким розміщений катодний темний простір 2, потім – світній шар 3 (тліюче світіння) і другий темний простір 4, який називають фарадеєвим темним простором. За другим темним простором розміщена світна область 5, яку називають позитивним стовпом.

Таке характерне світіння газу при жевріючому розряді пов’язане з розподілом потенціалу в розрядній трубці.

Це використовують у світлових рекламах. Якщо трубку наповнити неоном, то виникає оранжево-червоне світіння, я якщо аргоном – синювато-зеленувате.

При певному режимі жевріючого розряду матеріал катода розпилюється; це використовують для металізації поверхонь, виготовлення малих дзеркал і напівпрозорих пластин.

Контрольні запитання

1 Що ви можете розповісти про коронний розряд?

2 Що собою уявляють китичний та іскровий розряди?

3 У якому випадку виникає дуговий розряд?

4 Що собою уявляє жевріючий розряд?

Змістовий модуль 3.2Магнетизм. Магнітне поле електричного струму.

Лекція № 13

<13 14 151617 18 19 >

Дата добавления: 2015-10-13; просмотров: 1266;