Процесс прохождения электрического тока через газ является газовым разрядом.
При комнатных температурах газы почти не проводят электрический ток, т.к. состоят из нейтральных атомов, то есть являются диэлектриками.
Нагревая либо облучая ультрафиолетовым светом, рентгеновскими лучами или другим видом излучения атомы газа получают дополнительную энергию, могущая привести к ионизации. Так, например, при нагреве за счет увеличения скорости молекул некоторые из них при столкновениях друг с другом распадаются на положительно заряженные ионы и электроны.
Проводимость газов обеспечивается электронами и положительно заряженными ионами.
Рекомбинация — воссоединение электрона с положительным ионом — возникает, если остановить действие ионизатора. Если внешнего поля нет, то при действии ионизатора устанавливается динамическое равновесие между числом исчезающих и образующихся пар заряженных частиц.
Несамостоятельный разряд в газе, ионизованном каким-либо ионизатором, образуется в постоянном поле и существует до тех пор, пока существует ионизирующий агент.
Самостоятельный разряд.
При некотором напряжении, которое зависит от рода газа, давления и расстояния между электродами, происходит пробой и зажигается самостоятельный разряд, не нуждающийся больше во внешнем ионизаторе. При этом ток через трубку сильно возрастает.
Причиной возникновения самостоятельного разряда является ионизация электронным ударом. При соударении атома с электроном, разгоняющийся электрическим полем Е до энергии, которая является достаточной для ионизации атома, образуются 2 электрона, разгоняющиеся по движении анода и, сталкиваясь на своем пути с другими атомами, ионизуют их, в результате возникает электронная лавина.
Чтобы обеспечить длительный самостоятельного разряда, кроме ионизации электронным ударом, нужна еще эмиссия (испускание) электронов с катода. Подобная эмиссия может быть обеспечена или за счет термоэлектронной эмиссии из катода (испускания электронов из металла при нагреве), или за счет выбивания электронов из катода положительными ионами с большой кинетической энергией.
Какие свободные носители заряда образуются в газе при его ионизации
Явление ионизации и рекомбинации в газах
Щелкните по ссылке » Электрический ток в газах «, чтобы ознакомиться с презентацией раздела в формате PowerPoint. Для возврата к данной странице закройте окно программы PowerPoint.
В нормальном состоянии газы состоят из электрически нейтральных молекул и атомов, и, следовательно, не могут проводить электрический ток. Поэтому газы являются хорошими электрическими изоляторами. Напомню, что окружающий нас воздух является хорошим и самым дешёвым диэлектриком, и его изолирующие свойства широко используются в различных устройствах высокого напряжения (ЛЭП, подстанциях, электростатических генераторах и др.).
Проделаем опыт: разорвём цепь источника тока, т.е. создадим в ней воздушный промежуток. Если включить в такую разорванную цепь гальванометр, то он покажет отсутствие электрического тока.
Поднесём к воздушному промежутку пламя газовой горелки. В пламени происходят интенсивные химические процессы, за счёт энергии которых отдельные атомы могут возбуждаться и ионизироваться. Образующиеся в пламени горелки ионы и электроны переходят в возбужденный промежуток, и под действием приложенной к нему разности потенциалов начинают двигаться к электродам; в цепи появляется ток.
Процесс ионизации заключается в том, что под действием высокой температуры или некоторых лучей молекулы газа теряют электроны, и тем самым превращаются в положительные ионы.
Таким образом, в результате происходит освобождение электронов из атомов и молекул, которые могут присоединиться к нейтральным молекулам или атомам, превращая их в отрицательные ионы. Ионы и свободные электроны делают газ проводником электричества.
Ионизация газа может происходить под действием коротковолнового излучения – ультрафиолетовых, рентгеновских и гамма-лучей, а также альфа-, бета- и космических лучей.
Установлено, что в нормальных условиях газы, например воздух, обладают электрической проводимостью, но очень ничтожной. Эта проводимость вызвана излучением радиоактивных веществ, имеющихся на поверхности земли, а также космическими лучами, приходящими из мировых глубин. Однако равновесная концентрация ионов в воздухе не превышает нескольких десятков пар ионов в кубическом сантиметре. Для того, чтобы воздух стал заметно проводить электрический ток, его надо подвергнуть воздействию интенсивных ионизаторов.
Электрический ток, возникающий в процессе ионизации газа – ток в газах – это встречный поток ионов и свободных электронов.
Наряду с термином «ионизация» часто употребляют термин «генерация», характеризующий тот же самый процесс образования носителей зарядов в газе.
Одновременно с процессом ионизации идёт обратный процесс рекомбинации(иначе – молизации).
Рекомбинация –это нейтрализация при встрече разноименных ионов или воссоединение иона и электрона в нейтральную молекулу (атом).
Факторы, под действием которых возникает ионизация в газе, называют внешними ионизаторами, а возникающая при этом проводимость называется несамостоятельной проводимостью.
При данной мощности внешнего ионизатора в объёме газа устанавливается равновесное состояние, при котором число пар ионов, возникающих под действием ионизатора за одну секунду в единице объёма, равно числу пар рекомбинировавших ионов. При этом скоростьионизации равна скорости рекомбинации:
Таким образом, ионизованный газ способен проводить ток. Явление прохождения электрического тока через газ называется газовым разрядом. Газовые разряды можно разделить на два вида: несамостоятельный и самостоятельный.
Ионизация газа — это процесс образования ионов из нейтральных частиц. Ионизация образуется от соударения в процессе теплового движения или ионизация газа в воздухе.
Что такое ионизация газа Аэроионы
Чистые, сухие газы не содержат свободных зарядов и являются диэлектриками. При различных внешних воздействиях электроны легко отрываются от атомов газа, образуя таким образом положительные ионы. Оторвавшиеся электроны в значительной части остаются в свободном состоянии, в меньшей — присоединяются к другим атомам, образуя отрицательные ионы.
Происходит ионизация газа. В результате ионизации газ делается хотя и плохим, но проводником электрического тока. Ионизация газа происходит при нагревании (см. рис. 2), соударении его частиц, поглощении фотонов ультрафиолетового излучения и т. п.
Соударяясь в процессе теплового движения, электроны и положительные ионы могут вновь соединяться в нейтральные частицы. Это называется рекомбинацией ионов. Если ионизирующий агент действует с постоянной интенсивностью, то в газе устанавливается динамическое равновесие между количеством ионов и электронов, вновь образующихся и рекомбинирующихся в единицу времени.
В результате количество ионов, содержащихся в единице объема газа, или их концентрация, остается постоянным. Если интенсивность ионизирующего агента повышается, увеличивается и концентрация ионов и электронов. Если действие ионизирующего агента прекращается, то газ постепенно возвращается к исходному состоянию.
Ионизация газа в воздухе
В воздухе и других газах, которые находятся в естественных природных условиях, всегда имеется небольшое количество свободных электронов, а также ионов обоих знаков, образовавшихся вследствие ионизирующего действия природных факторов: ультрафиолетовой части солнечного излучения, космического излучения, излучения радиоактивных веществ, находящихся в земной коре, и т. д.
Обычно они присоединяются к нейтральным молекулам или группам молекул и образуют сложные газовые ионы обоих знаков. В воздухе ионы образуются также при распыливании воды (это называется баллоэлектрическим эффектом), например при падении дождя, около водопадов, фонтанов и т. п. Ионы образуются также (путем вторичной ионизации) при атмосферных электрических разрядах (грозовые молнии).
Газовые ионы, в свою очередь, могут присоединяться к различным взвешенным в газе частицам вещества (пылинки частицы дыма) или мельчайшим капелькам водяного пара и т. п.
Находящиеся в атмосфере газовые ионы называются аэроионами и разделяются на легкие и тяжелые. Легкими аэроионами называются газовые ионы, простые или сложные. Масса их невелика, а подвижность относительно высокая. Тяжелыми аэроионами называются газовые ионы, связанные с твердыми частицами или частицами влаги.
Эти ионы имеют значительно большую массу и меньшую подвижность. Концентрация аэроионов в воздухе зависит от различных метеорологических условий и все время меняется. В среднем в 1 см 3 городского воздуха содержится несколько сотен легких и до нескольких десятков тысяч тяжелых аэроионов. В чистом загородном воздухе количество легких аэроионов увеличивается до нескольких тысяч, а тяжелых снижается почти до нуля.
Легкие и преимущественно отрицательные аэроионы являются положительным гигиеническим фактором. Тяжелые аэроионы действуют вредно на организм. В настоящее время в качестве оздоровительного, а иногда и лечебного мероприятия применяется искусственная аэроионизация воздуха с помощью приборов, называемых аэроионизаторами.
Образование тока в газе вторичная ионизация
Ионизация газа, происходящая под влиянием внешних воздействий, называется первичной ионизацией. Если в газе, в котором поддерживается первичная ионизация, образовать электрическое поле, то под действием сил поля ионы и электроны придут в направленное движение. Движение двух встречных потоков положительных и отрицательных ионов и электронов образует электрический ток в газе. Достигая электродов, ионы нейтрализуют свои заряды путем присоединения (на катоде) или отдачи (на аноде) электронов и таким образом поддерживают ток во внешней цепи.
Образование тока в газе при ионизации его путем нагревания можно показать на опыте (рис. 2). Воздух, находящийся между пластинами Р воздушного конденсатора, подключенного к батарее Б, будучи нагрет пламенем спиртовой горелки, делается токопроводящим. Ток между пластинами отмечается чувствительным гальванометром Г.
Если напряжение, приложенное к электродам невелико, невысока и ско рость перемещения ионов, то только часть из числа пар ионов, образующих ся в единицу времени, достигает электродов и, отдавая свои заряды, образует ток в цепи, остальные ионы рекомбинируются. При увеличении напряжения эта часть ионов будет возрастать, соответственно возрастает и сила тока, однако только до тех пор, пока все ионы, образующиеся в единицу времени, не будут достигать электродов. Ток при этом, несмотря на увеличение напряжения, больше возрастать не будет. Этот ток называется током насыщения. Величина Iн тока насыщения прямо пропорциональна заряду е иона, числу N ионов одного знака, образующихся в единицу времени (1 сек) в единице объема (1 см 3 ) газа, и объему V газа между электродами:
Это поясняется схемой, которая показывает, что ионы в газе двигаются двумя встречными потоками, но через любое сечение газа в единицу времени проходит NV зарядов (например, для среднего сечения аb это будет два потока, каждый по NV/2 ионов).
Ионы (или электроны), двигающиеся в газе, испытывают столкновения с окружающими их неионизированными частицами газа, поэтому средняя скорость поступательного движения аэроионов относительно невелика. Эта скорость прямо пропорциональна напряженности поля и зависит от строения иона.
Скорость движения ионов в газе
Подвижность (скорость при напряженности поля 1 в/см) аэроионов указана в таблице.
Вид ионов
Радиус иона в см
Подвижность в
Масса электрона в тысячи раз меньше массы аэроиона, поэтому скорости движения электронов значительно выше.
При небольших скоростях движения соударение ионов и электронов с неионизированными частицами газа вызывает только изменение направления движения частиц (упругое рассеяние).
Вследствие значительного расстояния между молекулами в газе и при достаточно высокой напряженности поля электроны могут разгоняться до скоростей, при которых их кинетическая энергия может оказаться достаточной, чтобы вызвать неупругое соударение, в результате которого происходит ионизация частицы газа. Это явление называется вторичной ионизацией или ионизацией путем соударения.
Разность потенциалов, при которой должен быть ускорен электрон для осуществления ионизации путем соударения, называется ионизационным потенциаломе — заряд электрона) должна быть равна работе Ли, которую надо совершить, чтобы оторвать электрон от атома данного газа:
где Аи выражена в электрон-вольтах. Итак, ионизационный потенциал численно равен отношению работы по ионизации атома данного газа к заряду электрона.
Наименьший ионизационный потенциал соответствует отрыву внешних электронов.
Ионизационный потенциал внутренних электронов в несколько раз выше. Во многих случаях учитывается некоторый средний потенциал. Например, средний ионизационный потенциал воздуха принимается равным 34 в (это означает, что для образования одной пары ионов в воздухе в среднем необходимо затратить энергию 34 эв).
Во вторичной ионизации принимают участие также и ионы обоих знаков, но в связи с малой подвижностью значение их в этом процессе незначительно.
При определенной величине напряженности поля в газе начинается вторичная ионизация путем соударения. Количество ионов, образующихся в единицу времени, быстро нарастает. Соответственно возрастает и сила тока, что отражается на графике значительным и неравномерным подъемом кривой (участок ВС).
Электрический ток в газе
Электрический ток в газе, особенно значительный по величине, сопровождается свечением газа, звуковыми явлениями (шипением, треском), образованием в воздухе озона и окислов азота и т. п. Совокупность этих явлений, включая и само образование тока, называется электрическим разрядом в газе. Свечение связано с возбуждением атомов и молекул газа, происходящим при соударении их с электронами (или ионами) с высокой кинетической энергией, но недостаточной для ионизации. Звуковые явления связаны с местным нагреванием газа, происходящим при столкновении частиц. В связи с этим частицы газа приходят в движение, которое при определенных условиях является источником звука.
Разряд обусловленный первичной ионизацией, происходящей под действием внешних воздействий, называется несамостоятельным разрядом, так как с прекращением первичной ионизации газа он также прекращается. Разряд, происходящий под действием вторичной ионизации (ионизации путем соударения) называется самостоятельным разрядом в газе, так как он может продолжаться за счет вторично образующихся ионов, т. е. независимо от первичной ионизации.
В данный момент вы не можете посмотреть или раздать видеоурок ученикам
Чтобы получить доступ к этому и другим видеоурокам комплекта, вам нужно добавить его в личный кабинет, приобрев в каталоге.
Получите невероятные возможности
Конспект урока «Электрический ток в газах»
Сегодня мы с вами поговорим об электрическом токе в газах. Как вы знаете, газы при нормальных условиях не проводят электрический ток, то есть являются диэлектриками. Убедиться в этом просто. Возьмём электрометр, присоединённый к пластинам заряженного плоского конденсатора. При комнатной температуре и достаточно сухом воздухе конденсатор разряжается очень-очень медленно. Это обусловлено тем, что газы состоят из нейтральных атомов или молекул. Однако при определённых условиях газы, в том числе и воздух, становятся проводниками. Например, если мы нагреем пламенем спиртовки или свечи, воздушный промежуток между дисками, то, как видим, электрометр начинает разряжаться. То есть через воздух проходит электрический ток. Вывод очевиден: в воздушном промежутке между дисками появились свободные носители электрического заряда.
Процесс прохождения электрического тока через газ называют газовым разрядом.
Объясним результаты рассмотренного опыта. Нагревание газа пламенем приводит к образованию свободных электронов и положительно заряженных ионов. Процесс, в результате которого некоторые атомы (или молекулы) газа теряют электроны и превращаются в положительно заряженные ионы, называют ионизацией газа.
Минимальное значение энергии, необходимой для отрыва электрона от атома, называют энергией ионизации атома, которая измеряется работой против сил притяжения электрона ядром атома:
Для примера, давайте с вами определим минимальную скорость, которой должен обладать электрон, чтобы он смог ионизировать атом водорода, если потенциал ионизации последнего равен 13,5 В.
Наряду с ионизацией может происходить присоединение образовавшихся при отрыве электронов к нейтральным атомам (молекулам) газа. Это приводит к образованию отрицательно заряженных ионов. Под действием электрического поля в газе возникает направленное движение положительно заряженных ионов к отрицательному электроду (катоду) и направленное движение электронов и отрицательно заряженных ионов к положительному электроду (аноду). Таким образом, носителями электрического заряда в ионизированных газах являются положительно и отрицательно заряженные ионы и свободные электроны. Следовательно, проводимость газов — ионно-электронная.
Если убрать пламя, то электрический ток исчезнет, то есть воздух между дисками опять станет диэлектриком. Это обусловлено тем, что при столкновении положительно заряженного иона с электроном они образуют нейтральный атом газа. Ионы разных знаков при столкновениях также превращаются в нейтральные атомы. Эти процессы называют рекомбинацией ионов.
Таким образом, для того, чтобы в газе появились свободные носители электрического заряда, его атомы необходимо ионизировать. Это можно осуществить нагреванием газа до высокой температуры, воздействием на газ ультрафиолетовым, рентгеновским, радиоактивным излучениями и так далее.
Внешние воздействия, в результате которых происходит ионизация газа, называют ионизаторами. А разряд, возникающий в результате ионизации газа под действием внешнего ионизатора, называют несамостоятельным.
Давайте изучим вольтамперную характеристику разряда в газе. Для этого воспользуемся стеклянной трубкой с двумя электродами, к которым приложено напряжение. При небольшом напряжении между электродами незначительное количество образовавшихся ионов и электронов достигает электродов, создавая электрический ток. Большинство ионов рекомбинируют, не успевая достигнуть электродов. При увеличении напряжения между электродами возрастает количество заряженных частиц, достигших электродов, то есть сила тока увеличивается. При этом сила тока прямо пропорциональна приложенному напряжению, то есть выполняется закон Ома.
При дальнейшем повышении напряжения пропорциональность нарушается. И начиная с некоторого значения напряжения все носители электрического заряда, образовавшиеся под действием ионизатора, достигают электродов не успев рекомбинировать. При этом сила тока принимает максимальное значение и не зависит от приложенного напряжения.
Напомним, что электрический ток, сила которого не зависит от напряжения, называют током насыщения.
При достаточно высоком напряжении свободные электроны под действием электрического поля ускоряются и приобретают кинетическую энергию, достаточную для ионизации атомов (молекул) газа при соударении с ними. Процесс отрыва от атома газа одного или нескольких электронов, вызванный столкновением с этими атомами свободных электронов, называют ионизацией электронным ударом.
Возникшие в результате ударной ионизации свободные электроны ускоряются электрическим полем и вызывают ионизацию новых частиц. Такие свободные электроны являются вторичным ионизатором. Это ведёт к лавинообразному нарастанию числа вторичных свободных электронов и положительно заряженных ионов, а значит, и к увеличению силы разрядного тока.
Однако сам разряд всё ещё остаётся несамостоятельным, так как после прекращения действия внешнего ионизатора он продолжается только до тех пор, пока отрицательно заряженные ионы и все электроны (первичные и вторичные) не достигнут анода, а положительно заряженные ионы — катода.
Но в ряде случаев газовый разряд может существовать и после прекращения действия внешнего ионизатора. В этом случае имеющееся между электродами сильное электрическое поле является причиной сохранения газового разряда, который называют самостоятельным.
Для возникновения самостоятельного разряда недостаточно наличия одного лишь процесса ударной ионизации. Для поддержания разряда необходимо, чтобы в газе постоянно возникали носители электрического заряда без действия внешнего ионизатора. При движении положительно заряженных ионов к катоду их кинетическая энергия под действием поля увеличивается. Если энергия ионов достаточно велика, то при ударе о катод они могут выбивать с его поверхности электроны. Этот процесс называют вторичной электронной эмиссией («эмиссия» означает «испускание»). Также при бомбардировке положительно заряженными ионами катода происходит его нагревание и возникает термоэлектронная эмиссией. В результате этих процессов в газе создаётся значительное число свободных электронов.
В зависимости от напряжённости электрического поля, давления газа, формы и вещества электродов различают несколько видов самостоятельного газового разряда: тлеющий, дуговой, коронный и искровой.
Тлеющий разряд широко используют в различных газосветных трубках, применяемых для световой рекламы и декораций, лампах дневного света и неоновых лампах.
Дуговой разряд является мощным источником света. Его используют в осветительных установках, для сварки и резки металлов, электролиза расплавов и так далее.
В 1802 г. профессор физики Петербургской медико-химической академии Василий Владимирович Петров установил, что если присоединить к полюсам большой электрической батареи два кусочка древесного угля, привести их в соприкосновение, а затем слегка раздвинуть на небольшое расстояние, то между концами углей образуется яркое пламя — электрическая дуга, — а сами концы углей раскаляются добела, испуская ослепительный свет.
Впервые электрическая дуга была применена в 1876 г. русским инженером Павлом Николаевичем Яблочковым для уличного освещения.
Коронный разряд возникает вблизи заострённой части проводника при атмосферном давлении под действием сильно неоднородного электрического поля. Он сопровождается слабым свечением, напоминающим корону, и характерным потрескиванием.
Искровой разряд наблюдают при высоком напряжении. Он со провождается ярким свечением газа, звуковым эффектом, который создаётся резким повышением давления. Примером искрового разряда в природе служит молния. Интересно, что извилистый вид молнии объясняется тем, что электрический разряд проходит через участки воздуха, имеющие наименьшее сопротивление. А такие участки расположены в воздухе случайным образом.
В заключение урока отметим, что при достаточно высоких температурах или под действием электромагнитного излучения происходит ионизация газа. Полностью или частично ионизированный газ, в котором концентрация положительных и отрицательных зарядов практически совпадает, называют плазмой.
Плазма является четвёртым агрегатным состояниям вещества и самым распространённым состоянием вещества во Вселенной (около 99 %).
В зависимости от степени ионизации различают частично ионизированную и полностью ионизированную плазму.
А в зависимости от скорости хаотического движения заряженных частиц различают холодную (T 5 К) и горячую (Т > 10 6 К) плазму. Примером холодной плазмы является плазма, образующаяся при всех видах электрического разряда в газах.
Звёзды представляют собой гигантские сгустки горячей плазмы. Плазма заполняет космическое пространство между звёздами и галактиками. Правда плотность плазмы в космическом пространстве очень мала, в среднем всего одна частица на кубический сантиметр.
Из-за большой подвижности заряженные частицы плазмы легко перемещаются под действием электрических и магнитных полей. Поэтому любое нарушение электрической нейтральности отдельных областей плазмы, вызванное скоплением частиц одного знака заряда, быстро ликвидируется. Поэтому, независимо от способа получения, плазма в целом является электрически нейтральной.
Отметим, что с ростом числа ионизированных атомов проводимость плазмы увеличивается. А полностью ионизированная плазма по своей проводимости приближается к сверхпроводникам.
