Электрический ток в газах: определение, особенности и интересные факты

4.1

Средняя оценка: 4.1

Всего получено оценок: 927.

4.1

Средняя оценка: 4.1

Всего получено оценок: 927.

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

Понятие о плазме

• Плазма
  — это частично или полностью ионизированный газ, в котором плотности положительных и отрицательных зарядов практически одинаковы. Поэтому в целом плазма является электрически нейтральной системой.

Степень ионизации плазмы
α
определяется отношением числа ионизированных атомов к их общему числу\[~\alpha = \frac{N_i}{N}\]. В зависимости от степени ионизации плазма подразделяется на
слабо ионизированную
(α — доли процента),
частично ионизированную
(α — несколько процентов) и
полностью ионизированную
(α = 100%). Слабо ионизированной плазмой является ионосфера — верхний слой земной атмосферы. В состоянии полностью ионизированной плазмы находится Солнце, горячие звезды. Солнце и звезды представляют собой гигантские сгустки горячей плазмы, где температура очень высокая, порядка 106 — 107 К. Искусственно созданной плазмой различной степени ионизации является плазма в газовых разрядах, газоразрядных лампах.

Существование плазмы связано либо с нагреванием газа, либо с излучением различного рода, либо с бомбардировкой газа быстрыми заряженными частицами.

Ряд свойств плазмы позволяет рассматривать ее как особое состояние вещества. Плазма — самое распространенное состояние вещества. Плазма существует не только в качестве вещества звезд и Солнца, она заполняет и космическое пространство между звездами и галактиками. Верхний слой атмосферы Земли также представляет собой слабо ионизированную плазму.

Управление движением плазмы в электрических и магнитных полях является основой ее использования как рабочего тела в различных двигателях для непосредственного превращения внутренней энергии в электрическую — плазменные источники электроэнергии, магнитогидродинамические генераторы. Для космических кораблей перспективно использование маломощных плазменных двигателей. Мощная струя плотной плазмы, получаемая в плазмотроне, широко используется для резки и сварки металлов, бурения скважин, ускорения многих химических реакций. Проводятся широкомасштабные исследования по применению высокотемпературной плазмы для создания управляемых термоядерных реакций.

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.

Рис. 2. Тлеющий разряд

• 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.

Рис. 3. Дуговой разряд

• 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.

Ионизация и рекомбинация

Газы становятся проводниками лишь тогда, когда они каким-то образом ионизированы. Процесс ионизации газов заключается в том, что под действием каких-либо причин от атома отрывается один или несколько электронов. В результате этого вместо нейтрального атома возникают положительный ион

и
электрон
.

• Распад молекул на ионы и электроны называется ионизацией газа
  .

Часть образовавшихся электронов может быть при этом захвачена другими нейтральными атомами, и тогда появляются отрицательно заряженные ионы

.

Таким образом, в ионизованном газе имеются носители зарядов трех сортов: электроны, положительные ионы и отрицательные.

Отрыв электрона от атома требует затрат определенной энергии — энергии ионизации
W
i. Энергия ионизации зависит от химической природы газа и энергетического состояния электрона в атоме. Так, для отрыва первого электрона от атома азота затрачивается энергия 14,5 эВ, а для отрыва второго электрона — 29,5 эВ, для отрыва третьего — 47,4 эВ.

Факторы, вызывающие ионизацию газа называются ионизаторами

.

Различают три вида ионизации: термоионизацию, фотоионизацию и ударную ионизацию.

• Термоионизация
  происходит в результате столкновения атомов или молекул газа при высокой температуре, если кинетическая энергия относительного движения сталкивающихся частиц превышает энергию связи электрона в атоме.

• Фотоионизация
  происходит под действием электромагнитного излучения (ультрафиолетового, рентгеновского или γ-излучения), когда энергия, необходимая для отрыва электрона от атома, передается ему квантом излучения.

• Ионизация электронным ударом
  (или
  ударная ионизация
  ) — это образование положительно заряженных ионов в результате столкновений атомов или молекул с быстрыми, обладающими большой кинетической энергией, электронами.

Процесс ионизации газа всегда сопровождается противоположным процессом восстановления нейтральных молекул из разноименно заряженных ионов вследствие их электрического притяжения. Это явление называется рекомбинацией

. При рекомбинации выделяется энергия, равная энергии, затраченной на ионизацию. Это может вызвать, например, свечение газа.

Если действие ионизатора неизменно, то в ионизованном газе устанавливается динамическое равновесие, при котором в единицу времени восстанавливается столько же молекул, сколько их распадается на ионы. При этом концентрация заряженных частиц в ионизованном газе остается неизменной. Если же прекратить действие ионизатора, то рекомбинация начнет преобладать над ионизацией и число ионов быстро уменьшится почти до нуля. Следовательно, наличие заряженных частиц в газе — явление временное (пока действует ионизатор).

При отсутствии внешнего поля заряженные частицы движутся хаотически.

Литература

1. Аксенович Л. А. Физика в средней школе: Теория. Задания. Тесты: Учеб. пособие для учреждений, обеспечивающих получение общ. сред, образования / Л. А. Аксенович, Н.Н.Ракина, К. С. Фарино; Под ред. К. С. Фарино. — Мн.: Адукацыя i выхаванне, 2004. — C. 287-292.
2. Буров Л.И., Стрельченя В.Μ. Физика от А до Я: учащимся, абитуриентам, репетиторам. — Мн.: Парадокс, 2000. — С. 232-239.
3. Мякишев Г. Я. Физика: Электродинамика. 10 – 11 кл.: учебник для углубленного изучения физики/ Г.Я. Мякишев, А.З. Синяков, Б.А. Слободсков. — М.: Дрофа, 2005. — С. 276-284.

Межзвездная плазма

Космос наполнен плазмой

Не так давно ученые со всего света сходились во мнении, что межзвездное пространство является идеальным вакуумом. Более того, этой точки зрения до сих пор придерживаются многие специалисты, но как показывают последние исследования, это не совсем верно.

• Космос пустым не является и пространство его наполнено плазмой, очень разряженной, но все-таки.
• В основном это легкие молекулы гелия, водорода – их ионы и электроны. Концентрация составляет одну частицу на 1 кубический сантиметр, что в 1013 раз меньше, чем в земном воздухе.
• Исследования космоса показали, что между небесными телами постоянно протекают токи Бикерланда, и этому никак не препятствует низкая концентрация плазмы, которая, как мы выяснили, является прекрасным проводником.
• Среди ученых сегодня ведутся активные споры о заряде космической плазмы. Так, Хеннес Альфвен и Джеймс Маккэни считают ее практически нейтральной и лишь чуть-чуть позитивной. Это противоречит официальной теории о полной нейтральности солнечного ветра.
• Впервые о положительно заряженной космической плазме, из которой состоит солнечный ветер, заявил еще в 1930 году геофизик и математик Сидни Чепмен. К такому же выводу пришел недавно в своих изысканиях лауреат нобелевской премии 1968 года Луис Альварес. Этого же мнения придерживаются многие именитые ученые по всему миру.

На фото – ток Бикерланда течет через космос

Поведение электрического тока в плазме

Электрические заряды сворачиваются в нити

Мы уже знаем, что разряд плазменного тока похож на светящуюся нить, соединяющую электроды. Почему происходит сворачивание, расскажет эта глава.

• Чтобы данный феномен стал понятен, необходимо вспомнить курс школьной физики. В частности нас интересует электромагнетизм, и то, как генерируется электромагнитное поле.

Магнитное поле: правила правой и левой рук

• На рисунке выше показано, как ток, протекающий через провод, создает перпендикулярное ему магнитное поле.
• То же самое происходит и в плазме, но она, в отличие от жесткого провода, не имеет определенной формы.
• Собирается плазма в пучки именно благодаря магнитному полю, то есть оно его стягивает, как бы в провод, и направляем в определенную точку. Данный тип нитевидных разрядов получил название ток Бикерланда.

Стягивание плазменного тока в шнур

• А что произойдет, когда рядом окажутся две плазменные нити?
• Магнитные поля от них сначала начинают притягиваться, стремясь слиться вместе. Но соединения нитей в одну не происходит, из-за того, что магнитные поля вращаются.
• В результате взаимодействия нити обвиваются, создавая простейшую спираль. Образовавшаяся структура называется плазменным вихрем.

Структура плазменного вихря

• Как только нити сближаются на достаточное расстояние, образуется некая сила отталкивания, которая не дает произойти слиянию потоков. При этом притяжение и отталкивание дают очень стабильную структуру, что и позволяет нитям удерживаться на некотором расстоянии. То есть ни слиться, ни разъединиться они не могут.
• Данный феномен очень распространен в природе. С его помощью можно объяснить структуру ураганов, вихрей, вращение звезд, планет, форму галактик и многое, многое другое.

Электропроводность газов

Газы в обычных условиях – диэлектрики. Воздух используют в технике как изолятор:
– линии электропередач;

– 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.