ИОНЫ В ГАЗАХ

Содержание
  1. Особенности процесса ионизации газа при сварочных работах
  2. Особенности процесса
  3. Виды ионизации в газах
  4. Применение в сварочных работах
  5. Заключение
  6. : Ионизация газа
  7. В чем польза ионизации и что это такое?
  8. Ионизация: что это такое и причины возникновения
  9. Положительный и отрицательный эффект ионизации
  10. Люстра Чижевского
  11. Ионизация и озонирование воздуха – в чем различия
  12. Электрический ток в газах
  13. Природа газового разряда
  14. Виды газовых разрядов
  15. Применение газовых разрядов
  16. Опорный конспект:
  17. Урок 10. Ионы в газе – HIMI4KA
  18. Инертные или благородные газы
  19. Катодные лучи
  20. Открытие электрона
  21. Электрический ток в газах. Ионизация газов
  22. Газ в электрическом поле
  23. Ионизация газов
  24. Газовые разряды
  25. Темы кодификатора ЕГЭ: носители свободных электрических зарядов в газах
  26. Свободные заряды в газе
  27. Несамостоятельный разряд
  28. Вольт-амперная характеристика газового разряда
  29. Самостоятельный разряд

Особенности процесса ионизации газа при сварочных работах

ИОНЫ В ГАЗАХ

Технология высоких напряжений и ионизация газа — взаимосвязанные процессы.

Если рассматривать процесс с точки зрения природного явления, он происходит при разрядах молнии и ультрафиолетовом излучении, а в искусственном исполнении — при работе электродов (будь то сварка или электродуговой переплав металла) около высоковольтной ЛЭП. Чаще всего с этим явлением сталкиваются при сварных работах как обычной электросваркой, так и аргонодуговой.

Процесс ионизации газов, в зависимости от интенсивности, оказывает влияние на диэлектрические свойства защитной атмосферы и нередко ухудшает качество сварного соединения, поэтому стоит обратить на него особое внимание.

Он аналогичен диссоциации электролита, реагирующего с растворителем, в результате чего освобождаются ионы.

При ионизации этот же процесс активизируется либо при попадании в электрическое поле, либо при нагревании — это то, чем ионизация газов отличается от диссоциации электролитов.

Оба явления достаточно изучены, чтобы использовать их в бытовых целях, а также минимизировать оказываемое ими негативное влияние. В научной практике для контроля над атомными процессами используется ионизация газа, прибор же, основанный на этом принципе, называется детектором ионизации.

Ионизация газа

Особенности процесса

Важно! Если количество свободных электронов и катионов незначительно, а потенциал тока невысок, ионизация молекул газа не возникнет, и газ останется диэлектриком

Разберем подробнее, как происходит ионизация газа. По сути, каждый газ является диэлектриком (при нормальном давлении и температуре), поскольку заряд его молекулы нейтральный.

Частицы находятся в постоянном хаотичном движении: ударяются друг о друга, отталкиваются, продолжая столкновение дальше. Чем больше концентрация молекул, тем чаще происходят столкновения (выше давление), но хаотичность от этого не меняется.

И только при появлении электрического поля (направленное движение электронов) в перемещении заряженных частиц появляется направление. Каким образом?

Освежим курс химии и вспомним, какие частицы вызывают ионизацию газа. Молекула этого вещества рассматривается как электрический диполь. При попадании под «бомбардировку» электронами отдельные диполи распадаются, образуя положительно заряженные частицы — ионы (катионы, у которых недостает одного электрона) и свободный электрон.

Первые движутся к катоду, вторые — к аноду, образуя электрический поток. При повышении напряженности количество «разорванных» молекул (диполей) будет увеличиваться в геометрической прогрессии, пока процесс станет не лавинообразным.

И как результат — диэлектрик проводит электрический ток в газах — ионизация газов достигает своей апогейной фазы.

Виды ионизации в газах

При постоянной подаче газа и тока, первый можно перевести в новое агрегатное состояние — плазму. Момент, когда происходит проход тока через газ, называется разрядом, по определению он может делиться на 4 типа:

  • Дуговой — плазма представлена дугой. Возникает при более низком напряжении, высокой плотности тока, чем при тлеющем разряде. Источником столба являются электроны, подаваемые через электрод. Этот тип используется при сварочных работах.
  • Тлеющий — явление можно наблюдать в специально созданных условиях разреженного газа. При определенном напряжении (невысоком, поскольку атмосфера разряжена) ток проходит сквозь плазму, что характеризуется появлением света. Цвет зависит от типа газа. Используется в светотехнике (неон).
  • Искровой — аналог тлеющего разряда, но происходит в обычных условиях (при высоком напряжении). Разряд сопровождается треском. Этот тип используется в двигателях внутреннего сгорания.
  • Коронный — назван по фигурной форме. Объясняется она возникновением разряда в поле с мощной, но неоднородной напряженностью. В результате образуется градиент: там, где напряженность больше — усиливается свечение. Применяется в оргтехнике, воздушных ионизаторах, производстве озона.

Поскольку этот процесс зависит от различных параметров, то он подразделяется на 2 вида ионизации в газах:

  • Объемная — появление ионов непосредственно в самом газе. Образование частиц также имеет свой характер и подразделяется на 4 группы:
  1. Ударная ионизация в газах — появление катодов в результате соударения нейтрального атома или молекулы электроном.
  2. Ступенчатая — для «выбивания» частицы из нейтрального атома нужно действие второго электрона, поскольку первый приводит его лишь в возбужденное состояние.
  3. Фотопроцесс ионизации запускают фотоны, но их мощность излучения должна быть больше мощности поглощения нейтральными атомами. Возможна ступенчатая ионизация.
  4. Термическая ионизация газа — появляется в результате нагрева газа до очень высоких температур в момент, когда соударение атомов освобождает электроны.
  • Поверхностная — излучение ионов поверхностью электрода, появляется за счет:
  1. Бомбардировки катода катионами.
  2. Фотоэмиссии — облучения катода лучистой энергией.
  3. Термоэлектронной эмиссии — нагрева катода.
  4. Электрического поля, подаваемого на катод.

Процесс изменения состояния газа инертен, он происходит в течение времени, на него влияют такие параметры, как напряжение, тип газа.

Для расчета приращения тока за счет ионизации, а также последующего определения соотношения интенсивности и давления, используется такое понятие как коэффициент ионизации газов.

Переход в состояние плазмы возможен, только если степень ионизации газа достигнет нужного предела (т. е. количество заряженных частиц будет превышать число общих).

Ионизация газа возникает под действием сторонних сил и зависит от объема газа и силы тока. Процесс отрыва электрона и его возврат называется ионизация и рекомбинация газов. Поскольку движение +/- ионов противоположно, наряду с разрушением, происходят восстановление диполей и возврат нейтрально заряженных частиц.

Плазменная сварка

Применение в сварочных работах

Важно! При работе с аргонодуговой сваркой при подключении обратной полярности нельзя сильно нагревать аргон, поскольку осуществляется переход в состояние плазмы

Чтобы исключить появление нежелательной фазы, нужно знать, при каком условии происходит ионизация газа во время сварочных работ. Появляется она независимо от режимов, в которых проводятся работы, но большую опасность представляет для обратной полярности. Здесь мы имеем дело с ионизацией газа пламенем.

Разогретый свыше 2400 °С газ начинает превращаться в плазму. Это агрегатное состояние меняет свои характеристики, превращая газ из защитной атмосферы в активную струю, используемую для резки металла.

Энергия ионизации газов изменяется при регулировании температуры разогрева газа (как правило, используется аргон).

Заключение

Широкое применение получила ионизация газа: прибор для измерения, основанный на этом принципе, используется в современных телескопах, лазерных установках, приборах для подсчета атомных частиц — все это позволяет проводить сложнейшие опыты, изготавливать медицинское и другое оборудование. Потенциал ионизации газов еще полностью не раскрыт и проходит свою стадию изучения.

: Ионизация газа

Источник: https://svarkaipayka.ru/material/zashhitnyie-gazyi/osobennosti-protsessa-ionizatsii-gaza-pri-svarochnyih-rabotah.html

В чем польза ионизации и что это такое?

ИОНЫ В ГАЗАХ

Что такое ионизация? Лучше всего ответ на этот вопрос даст википедия. Мы же в данной статье попробуем «на пальцах» рассмотреть и объяснить, что это такое.

Ионизация: что это такое и причины возникновения

Сначала необходимо затронуть легкие вопросы, которые касаются состава воздуха и структуры газов. Все вещества, находящиеся в воздухе, имеют нейтральный заряд, т.е. количество положительно заряженных частиц и отрицательно в веществе одинаковое.

Поэтому само вещество имеет нейтральный заряд. Если же баланс частиц в веществе нарушается, то причина этого кроется в образовавшихся новых ионах – положительных или отрицательных соответственно. Именно образование таких ионов называют ионизацией. И вот тут возникает вопрос, при каких же обстоятельствах эти ионы могут образовываться? Таких ситуаций в обычной жизни существует несколько.

А именно:

  • Воздействие на воздух (или газ) сильного электрического поля, когда большой показатель напряженности внутреннего электрического поля приводит к отрыву электрона от атома вещества. Научное название такой ионизации – ионизация электрическим полем.
  • Воздействие на воздух (или газ) какой-либо энергией, которая приводит к столкновению частиц, повышению температуры, в результате чего электроны отрываются от атома вещества. Научное название этого вида ионизации – термическая ионизация

В этих двух случаях количество образовавшихся ионов достаточно большое. Бытуют суждения о существовании еще одной ситуации, в результате которой может наблюдаться ионизация. Это воздействие на воздух (или газ) так называемым «видимым светом».

К такому свету относится инфракрасное и ультрафиолетовое излучение. Что касается инфракрасного излучения, то оно достаточно слабое и не может привести к ионизации.

Ультрафиолетовое излучение же, в некоторых случаях, может привести к образованию небольшого количества ионов.

В природе источником ионизации могут являться некоторые растения, чаще всего это хвойные деревья. Также ионизация воздуха происходит при грозе за счёт сильных электрических разрядов. Поскольку ионизация наблюдается не только в газах, но и в жидкостях, то при мелком дроблении воды рядом с водопадами тоже можно наблюдать процесс ионизации.

Принимая во внимание различные научные высказывания, можно сделать вывод, что заряженные частицы воздуха (аэроины) в целом положительно влияют на организм человека. При этом активизируются работа эритроцитов, увеличивая газообмен в легких примерно на 10%. Именно этот фактор и рассматривается в качестве основного положительного эффекта.

Положительный и отрицательный эффект ионизации

Однако ионизация воздуха имеет две стороны. Помимо самого известного положительного эффекта – улучшающего дыхания – есть много других позитивных воздействий на здоровье человека, но перечислять их все мы здесь не будем. Хотелось бы отметить лишь один из них, который напрямую на организм не воздействует. Рассмотрим его.

Ионизация воздуха способствует реакции осаждения неприятных газов, аэрозолей, а также всех твёрдых и жидких частиц на электродах, в качестве которых будут выступать различные предметы, стены.

Объясняется это тем, что как только воздух начинает ионизироваться, ионы, содержащиеся в нем, приступают к заряжению частиц пыли.

Заряженные частицы пыли движутся под действием поля к предметам, где и оседают.

Число ионов может быть различным. Существуют санитарно-гигиенические нормы, в которых регламентируются такие минимальные количества (СанПиН 2.2.4.1294-2003 от 15 июня 2003 года).

В производственных и общественных помещениях они должны составлять 400 положительных или 400 отрицательных ионов на куб. см воздуха.

Регламентируется и максимально допустимое количество – 50 000 положительных или 50 000 отрицательных ионов на куб. см воздуха.

Кроме положительных воздействий, ионизация может и причинить вред. В основном это касается людей, у которых имеются различного рода хронические заболевания или текущие болезни. Поэтому перед покупкой устройства, которое имеет функцию ионизации, необходимо внимательно ознакомиться с инструкцией и с перечисленными в ней противопоказаниями.

Еще лучше получить консультацию у своего лечащего врача. Но даже если у человека есть противопоказания, то можно выращивать растения, которые способны естественным путем ионизировать воздух. Эффект чистого воздуха будет тот же, но без заряженных частиц ионов.

В крайнем случае можно приобрести другие приборы, такие как увлажнитель и очиститель воздуха, которые будут давать эффект не хуже ионизатора.

Кстати, в некоторых случаях человек может и сам не знать, что в помещении, где он находится, работают приборы, которые при всей своей непосредственной работе еще и ионизирует воздух. Это такие приборы как, например, копировальные аппараты или лазерные принтеры.

Люстра Чижевского

Один из распространенных аппаратов, который предлагается в качестве терапевтических действий, это люстра Чижевского. Доза выработки ионов в пределах 10000-100000 ионов на куб. см воздуха при норме работы от 5 до 60 минут. При этом хочется отметить, что люстра Чижевского производит только отрицательные ионы. Люстра работает на основе искусственной аэроионификации.

Также на основе этого создан прибор для лечения – аэроионификатор, который повышает концентрацию отрицательных аэроионов кислорода в воздухе. Для эффективной генерации аэроионов подаваемое напряжение отрицательной полярности должно быть не ниже 25 кВ.

Для обеспечения безопасности ток на люстре должен быть ниже 0,03 мА (на выходе перед люстрой ставится ограничивающее сопротивление 1ГОм).

Ионизация и озонирование воздуха – в чем различия

И последнее. Не стоит путать понятие ионизация и озонирование воздуха. Это совершенно разные явления и абсолютно разное принцип воздействия на организм человека. Хотя в некоторых случаях при ионизации воздуха имеет место небольшое озонирование, но это совершенно безопасно.

Источник: https://zen.yandex.ru/media/id/5dc13242f73d9d00aea153cb/v-chem-polza-ionizacii-i-chto-eto-takoe-5ec53fc3bf9d260cb06ce564

Электрический ток в газах

ИОНЫ В ГАЗАХ

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.

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.

В природе «корона» возникает иногда под действием атмосферного электричества на ветках деревьев, верхушках молниеотводов, мачт кораблей (огни святого Эльма).

Опорный конспект:

Источник: https://fizclass.ru/elektricheskij-tok-v-gazax/

Урок 10. Ионы в газе – HIMI4KA

ИОНЫ В ГАЗАХ
Архив уроков › Основные законы химии

В уроке 10 «Ионы в газе» из курса «Химия для чайников» выясним какие газы называются инертными или благородными; рассмотрим эксперимент с катодными а каналовыми лучами в круксовой трубке и узнаем как открыли электрон. Будет неплохо, если перед изучением данного урока вы вспомните, что такое ионы.

  • Инертные или благородные газы
  • Катодные лучи
  • Открытие электрона

Инертные или благородные газы

В середине XIX веке ученые полагали, что взаимодействие между молекула-молекула или атом-атом имеет исключительно электрическую природу. «Ведь одноименные заряды отталкиваются, — рассуждали они, — а значит молекула не может быть образована двумя одинаковыми атомами, так как между ними не может возникать связи».

Поэтому абсолютно все газы ученые того времени считали одноатомными газами. Например молекулярная формула кислорода в их представлении была просто O, вместо двухатомной молекулы O2. Даже молекула воды у них считалась не H2O, а HO, так как два атома водорода улетели бы друг от друга прочь.

Разумеется, ученые того времени заблуждались.

Но это не означает, что в природе не существует одноатомных газов, напротив, существует целых 6 одноатомных газов: гелий, неон, аргон, криптон, ксенон и радон.

Они еще называются инертные или благородные газы. Благородный газ — это такой газ, атомы которого при нормальных условиях являются инертными, т.

е не взаимодействуют друг с другом, а значит не образуют химических связей.

Катодные лучи

Путаница, что все газы в природе исключительно одноатомные, поставила паузу в изучении химии на полвека. Позже Льюис высказал предположение о том, что общая электронная пара является чем-то вроде клея, который сцепляет между собой атомы с образованием ковалентной связи.

Лишь спустя 20 лет его гипотеза обрела теоретическое объяснение. Фарадей показал через опыт электролиза, что заряды на ионах всегда кратны некоторым элементарным единицам заряда, причем моль этих зарядов составляет 1F, а физик Джордж Стоуни назвал эту элементарную единицу заряда — электрон.

Однако «электрон» Стонея еще так и оставался гипотезой.

То, что электроны являются реальными частицами, которые могут быть присоединены к атомам или удалены от них, было установлено физиками, изучающими влияние электричества на свойства газов.

И вот одним прекрасным вечером они обнаружили, что если к двум электродам, впаянным в стеклянную трубку (круксова трубка) с разреженным газом (газ по очень низким давлением), приложено напряжение около 10000 В, оно вырывает у молекул разряженного газа их электроны. Тем самым образуются катодные и каналовые лучи.

Катодные лучи представляют собой поток электронов летящих по направлению к аноду, а каналовые лучи — это поток положительных ионов устремленных к катоду.

Если на пути катодных лучей в стеклянной трубке расположить легчайшую вертушку, то можно доказать существование электрона: поток электронов, образующий катодные лучи, заставит вертушку вращаться. Еще столкновение электронов с молекулами газа способно привести к возникновению светящегося заряда, знакомого всем нам по газоразрядным лампам. Цвет разряда может быть разным в зависимости от того, какой газ находится внутри трубки.

Открытие электрона

Если перед катодом в круксовой трубке установить металлическую пластинку со щелью, то можно получить тонкий пучок катодных лучей, т.е электронов. Этот пучок отклоняется электрическим и магнитным полями, и хракактер отклонения позволяет заключиь, что частицы пучка несут в себе отрицательные заряды.

Относительная величина отклонения каналовых лучей (положительных ионов) и катодных лучей (отрицательных ионов) показывает, что частицы, образующие катодные лучи, очень легкие, а положительные ионы почти настолько же тяжелые, как и исходные атомы, из которых они получены.

Конкретный состав каналовых лучей зависит от того, какой газ содержится в трубке, а катодные лучи одинаковы для всех газов. Дж.

Томсон предположил, что частицы, образующие катодные лучи, представляют собой не что иное, как гипотетические «электроны» Стонея, а в 1897 году он нашел способ, измерив отклонения пучка катодных лучей в электрическом и магнитном полях, вычислить отношение заряда этих частиц к их массе (e/m). Томсон установил, что

Предположим, что частицы, которые согласно Томсону, образуют катодные лучи, представляют собой электроны Стонея и Фарадея и что 1 F — это заряд 1 моля электронов. Вычислим массу 1 электрона:

Заряд 1 электрона равен

  • e = 1F / N = 96485 Кл/моль / 6,022·1023 электрон/моль = 1,602·10-19 Кл

Отсюда

  • m = 1,602·10-19 Кл / 1,76·108 Кл/г = 0,910·10-27 г

Урок 10 «Ионы в газе» был последним в разделе «Атомы, молекулы и ионы». Чтобы все основы химии, полученные при изучении уроков данной главы, глубоко осели в вашей памяти, настоятельно рекомендую внимательно прочитать заключение от корки до корки.

Источник: https://himi4ka.ru/arhiv-urokov/urok-10-iony-v-gaze.html

Электрический ток в газах. Ионизация газов

ИОНЫ В ГАЗАХ

Поток электричества, то есть электрический ток, может существовать не только в металлах, электролитах и расплавах, он может быть также и в газах.

Что из себя представляет газ? Это одно из фазовых состояний вещества, когда молекулы газа свободны и хаотичны в своём движении, когда объем вещества можно сжать, когда вещество подвижно и т.д.

Газ состоит из молекул, а молекулы в свою очередь обычно состоят из атомов. В итоге каждая такая молекула газа представляет из себя электрический диполь.

Вот такое собрание электрических диполей в виде молекул газа не обязано в своём составе иметь ни свободные электроны, ни свободные ионы, однако всё-таки некоторое их незначительное количество имеется. Газ является в своём обычном состоянии диэлектриком, то есть он представляет из себя изолятор, изолирует лучше чем проводит ток.

Мы с вами дышим атмосферным воздухом, который представляет из себя смесь газов, большая часть которого молекулы азота N2 (78,09 % объёма). Водяной пар, как впрочем и любой другой также являются газами. Газы нас окружают повсюду. Каждое вещество при определённом давлении и температуре находится в устойчивой газовой фазе.

В технических устройствах и приборах специально создаются условия отличные от нормальных, для существования вещества в газовой фазе. Нормальные условия — это обычное атмосферное давление и температура от 0° до 20°C, в зависимости от технической сферы применения.

В люминесцентных лампах находится газ, но его условия отличаются от нормальных, там разряженный газ, так как давление ниже атмосферного. Баллон с пропаном или кислородом содержит в себе «газ», но он сжиженный, в сжатом виде, давление там выше одной атмосферы, оно может быть 16-200 атмосфер.

Всё, что выше одной атмосферы — это сжиженный газ, а всё что ниже — разряженный газ. Это искусственно создаваемые условия техническими средствами.

В зависимости от температуры, давления в объёме газа и от свойств вещества газа — он будет иметь различные свойства по проводимости электричества, а также по условиям ионизации.

Газ в электрическом поле

Точно также как и любой диэлектрик, газ реагирует на электрическое поле.

Молекулы газа, находясь в свободном движении, со скоростями большими чем у ионов в растворах и расплавах, можно сказать, что они более независимы, чем когда были в состоянии жидкости.

Наличие электрического поля приводит к дипольной ориентации молекул газа (отдельных диполей). Они начинают поворачиваться так, чтобы скомпенсировать действие поля. Происходит это не сразу.

Потенциальная энергия поля будет преобразовываться в кинетическую энергию молекул газа. При достаточной напряжённости электрического поля будет происходить ионизация молекул газа. Электрический диполь в виде молекулы разорвётся на атомы и одному из них будет недоставать электрона.

Образуется положительный ион — катион, который устремится к катоду источника поля. Вполне возможно, что на своём пути он захватит свободный электрон, но если таких разорванных диполей станет много, то и процесс разрыва молекул на атомы станет лавинообразным.

В итоге проводимость газа значительно улучшится и через газ будет проходить больше электричества, сила тока будет стремительно возрастать. Графически этот процесс хорошо иллюстрируется вольт-амперной характеристикой (ВАХ).

В конечном итоге в газе происходит разряд, который бывает разных видов, но об этом сказано ниже.

Ионизация газов

Прежде всего нас интересует ионизация газов под действием электрического поля, но при этом не стоит забывать о том, что в газах возможна термическая ионизация под действием высокой температуры (теплового излучения).

Немного о процессе ионизации сказано выше. Каждый газ имеет своё пороговое значение напряжённости электрического поля, при котором происходит ионизация.

Дело в том, что для того, чтобы разорвать диполь, необходимо вырвать электрическим полем хотя бы один электрон.

Тогда диполь становится неустойчивым и распадается на атомы, а так как им недостаёт электронов, то соответственно получаются катионы (+q).

Положительные ионы начинают двигаться под действием кулоновских сил в сторону катода, а освободившиеся электроны в сторону анода. Образуется электрический поток, то есть ток.

Так как энергия катионов в газе и вырванных уже свободных электронов высокая, происходят взаимные столкновения вновь образованных свободных носителей зарядов (катионы и электроны) со связанными в диполи атомами молекул газа.

Это в свою очередь вызывает дальнейшую ещё большую ионизацию, новая партия опять атакует оставшиеся диполи, что приводит к появлению ещё большей партии свободных зарядов обоих типов.

Этот процесс растёт в геометрически и называется геометрической прогрессией, также именуют его лавинообразным и цепной реакцией.

Имеется ли предел такой лавине? Прежде всего он ограничен количеством участвующего газа, который может находится в некотором закрытом объёме пространства (запаянная колба).

Следующее препятствие — это мощность источника электрического поля. Кроме мощности лавинообразная ионизация может быть ограничена разностью потенциалов источника тока.

Если обычный газ, не подвергнутый ионизации, имеет лишь незначительное количество свободных носителей зарядов, а источник электрического тока имеет недостаточный потенциал для лавинообразной ионизации, тогда газ ведёт себя как обычный диэлектрик и проявляет изолирующие свойства больше, чем проводящие. Электрический ток в газе в этом случае имеется, но он незначительный.

Когда обычный газ подвергается ионизации любым из способов, то его проводящие свойства значительно улучшаются. В газе происходит разряд. Вполне возможно создать такие условия, что этот разряд будет существовать стабильно, а значит мы получим некоторый устойчивый ток в газе.

Газовые разряды

В зависимости от условий, в которых находится газ, а также от характеристик источника тока, в газу могут происходит разряды разных типов, каждый из которых имеет свои особенности.

Дуговой разряд: представляет собой электрический пробой газа, которой в дальнейшем становится постоянным плазменным разрядом — дугой, образуется электрическая дуга. Дуговой разряд характеризуется более низким напряжением, чем тлеющий разряд. Поддерживается в основном за счёт термоэлектронной эмиссии, когда из электродов высвобождаются электроны.

Старое название такой дуги «вольтова дуга». Отличительной особенностью такой дуги является высокая плотность тока и низкое напряжение, которое ограничено источником тока. Для того, чтобы создать такую дугу, электроды сближаются, происходит пробой, а затем они раздвигаются. Дуговой разряд используется в сварке, в плазменной резке, в электроэрозионной обработке.

Тлеющий разряд: представляет собой ток в ионизированном газе, а точнее сказать в низкотемпературной плазме. Тлеющий разряд образуется при прохождении тока через разряженный газ. Как только напряжение превосходит определённое значение, газ в колбе ионизирует и происходит свечение. Это уже по сути электрический ток не столько в газе, сколько в плазме.

Цвет свечения газа (плазмы) зависит от вещества газа. Каждый газ излучает свой спектр видимого света. На этом основано использование яркой неоновой рекламы. Достаточно несколько сотен вольт напряжения источника, чтобы ионизировать газ и вызвать в нем тлеющий разряд. В аналитической химии, свойство газа излучать свой определённый спектр света используется для определения неизвестного состава газа.

Это метод спектроскопии.

Искровой разряд: происходит при обычных условиях, при обычном атмосферном давлении, точно также как и тлеющий разряд происходит в следствие ионизации газа, но при высоком напряжении, в отличии от дугового разряда, где в первую очередь важна высокая плотность тока. Искровой разряд сопровождается характерным треском.

Поджиг искрового разряда происходит как результат пробоя диэлектрика — газа. Например, такой разряд используется в свечах зажигания двигателей внутреннего сгорания.

Для электрического пробоя в сухом воздухе необходима разность потенциалов из расчёта 3 кВ (3000 Вольт) на 1 мм воздушного зазора, соответственно для пробоя промежутка в 50 мм потребуется напряжение источника в 150 кВ.

Коронный разряд: происходит в сильном электрическом поле с высокой напряжённостью, достаточной, чтобы вызвать ионизацию газа (или жидкости). Электрическое поле при этом бывает не однородным, где-то напряжённость значительно больше.

Образуется градиент (различие) потенциалов поля и там где потенциал больше, ионизация газа идёт сильнее, интенсивнее, затем поток ионов доходит до другой части поля, тем самым образуя поток электричества.

В результате образуется коронный газовый разряд причудливых форм, в зависимости от геометрии проводников — источников напряжённости поля.

Коронный разряд можно увидеть вблизи изоляторов высоковольтных линий, также он применяется в быту и промышленности, например в ксерокопировании, воздушные ионизаторы, в системах кондиционирования воздуха, производство озона.

Электрический ток в газах используется в настоящее время очень широко.

Практически в каждом доме есть люминесцентные лампы, в которых происходит тлеющий разряд, на производствах, в гаражах, используется электрическая сварка с помощью дугового разряда, двигатели автомобилей работают благодаря искровому разряду, некоторые применяют ионизаторы и имеют лазерные принтеры, где используется коронный разряд.

Дата: 16.05.2015

© Valentin Grigoryev (Валентин Григорьев)

Источник: http://electricity-automation.com/page/elektricheskiy-tok-v-gazah-ionizatsiya-gazov

Темы кодификатора ЕГЭ: носители свободных электрических зарядов в газах

При обычных условиях газы состоят из электрически нейтральных атомов или молекул; свободных зарядов в газах почти нет. Поэтому газы являются диэлектриками — электрический ток через них не проходит.

Мы сказали «почти нет», потому что на самом деле газах и, в частности, в воздухе всегда присутствует некоторое количество свободных заряженных частиц.

Они появляются в результате ионизирующего воздействия излучений радиоактивных веществ, входящих в состав земной коры, ультрафиолетового и рентгеновского излучений Солнца, а также космических лучей — потоков частиц высокой энергии, проникающих в атмосферу Земли из космического пространства.

Впоследствии мы вернёмся к этому факту и обсудим его важность, а сейчас заметим лишь, что в обычных условиях проводимость газов, вызванная «естественным» количеством свободных зарядов, пренебрежимо мала, и её можно не принимать во внимание.

На изолирующих свойствах воздушного промежутка основано действие переключателей в электрических цепях (рис. 1). Например, небольшого воздушного зазора в выключателе света оказывается достаточно, чтобы разомкнуть электрическую цепь в вашей комнате.

Рис. 1. Ключ

Можно, однако, создать такие условия, при которых электрический ток в газовом промежутке появится. Давайте рассмотрим следующий опыт.

Зарядим пластины воздушного конденсатора и подсоединим их к чувствительному гальванометру (рис. 2, слева). При комнатной температуре и не слишком влажном воздухе гальванометр не покажет заметного тока: наш воздушный промежуток, как мы и говорили, не является проводником электричества.

Рис. 2. Возникновение тока в воздухе

Теперь внесём в зазор между пластинами конденсатора пламя горелки или свечи (рис. 2, справа). Ток появляется! Почему?

Свободные заряды в газе

Возникновение электрического тока между пластинами кондесатора означает, что в воздухе под воздействием пламени появились свободные заряды. Какие именно?

Опыт показывает, что электрический ток в газах является упорядоченным движением заряженных частиц трёх видов. Это электроны, положительные ионы и отрицательные ионы.

Давайте разберёмся, каким образом эти заряды могут появляться в газе.

При увеличении температуры газа тепловые колебания его частиц — молекул или атомов — становятся всё интенсивнее. Удары частиц друг о друга достигают такой силы, что начинается ионизация — распад нейтральных частиц на электроны и положительные ионы (рис. 3).

Рис. 3. Ионизация

Степенью ионизации называется отношение числа распавшихся частиц газа к общему исходному числу частиц. Например, если степень ионизации равна , то это означает, что исходных частиц газа распалось на положительные ионы и электроны.

Степень ионизации газа зависит от температуры и резко возрастает с её увеличением. У водорода, например, при температуре ниже степень ионизации не превосходит , а при температуре выше степень ионизации близка к (то есть водород почти полностью ионизирован (частично или полностью ионизированный газ называется плазмой)).

Помимо высокой температуры имеются и другие факторы, вызывающие ионизацию газа.

Мы их уже вскользь упоминали: это радиоактивные излучения, ультрафиолетовые, рентгеновские и гамма-лучи, космические частицы. Всякий такой фактор, являющийся причиной ионизации газа, называется ионизатором.

Таким образом, ионизация происходит не сама по себе, а под воздействием ионизатора.

Одновременно идёт и обратный процесс — рекомбинация, то есть воссоединение электрона и положительного иона в нейтральную частицу (рис. 4).

Рис. 4. Рекомбинация

Причина рекомбинации проста: это кулоновское притяжение противоположно заряженных электронов и ионов. Устремляясь навстречу друг другу под действием электрических сил, они встречаются и получают возможность образовать нейтральный атом (или молекулу — в зависимости от сорта газа).

При неизменной интенсивности действия ионизатора устанавливается динамическое равновесие: среднее количество частиц, распадающихся в единицу времени, равно среднему количеству рекомбинирующих частиц (иными словами, скорость ионизации равна скорости рекомбинации).

Если действие ионизатора усилить (например, повысить температуру), то динамическое равновесие сместится в сторону ионизации, и концентрация заряженных частиц в газе возрастёт.

Наоборот, если выключить ионизатор, то рекомбинация начнёт преобладать, и свободные заряды постепенно исчезнут полностью.

Итак, положительные ионы и электроны появляются в газе в результате ионизации. Откуда же берётся третий сорт зарядов — отрицательные ионы? Очень просто: электрон может налететь на нейтральный атом и присоединиться к нему! Этот процесс показан на рис. 5.

Рис. 5. Появление отрицательного иона

Образованные таким образом отрицательные ионы будут участвовать в создании тока наряду с положительными ионами и электронами.

Несамостоятельный разряд

Если внешнего электрического поля нет, то свободные заряды совершают хаотическое тепловое движение наряду с нейтральными частицами газа. Но при наложении электрического поля начинается упорядоченное движение заряженных частиц — электрический ток в газе.

Рис. 6. Несамостоятельный разряд

На рис. 6 мы видим три сорта заряженных частиц, возникающих в газовом промежутке под действием ионизатора: положительные ионы, отрицательные ионы и электроны. Электрический ток в газе образуется в результате встречного движения заряженных частиц: положительных ионов — к отрицательному электроду (катоду), электронов и отрицательных ионов — к положительному электроду (аноду).

Электроны, попадая на положительный анод, направляются по цепи к «плюсу» источника тока. Отрицательные ионы отдают аноду лишний электрон и, став нейтральными частицами, возвращаются в обратно газ; отданный же аноду электрон также устремляется к «плюсу» источника.

Положительные ионы, приходя на катод, забирают оттуда электроны; возникший дефицит электронов на катоде немедленно компенсируется их доставкой туда с «минуса» источника. В результате этих процессов возникает упорядоченное движение электронов во внешней цепи.

Это и есть электрический ток, регистрируемый гальванометром.

Описанный процесс, изображённый на рис. 6, называется несамостоятельным разрядом в газе. Почему несамостоятельным? Потому для его поддержания необходимо постоянное действие ионизатора. Уберём ионизатор — и ток прекратится, поскольку исчезнет механизм, обеспечивающий появление свободных зарядов в газовом промежутке. Пространство между анодом и катодом снова станет изолятором.

Вольт-амперная характеристика газового разряда

Зависимость силы тока через газовый промежуток от напряжения между анодом и катодом (так называемая вольт-амперная характеристика газового разряда) показана на рис. 7.

Рис. 7. Вольт-амперная характеристика газового разряда

При нулевом напряжении сила тока, естественно, равна нулю: заряженные частицы совершают лишь тепловое движение, упорядоченного их движения между электродами нет.

При небольшом напряжении сила тока также мала. Дело в том, что не всем заряженным частицам суждено добраться до электродов: часть положительных ионов и электронов в процессе своего движения находят друг друга и рекомбинируют.

С повышением напряжения свободные заряды развивают всё большую скорость, и тем меньше шансов у положительного иона и электрона встретиться и рекомбинировать. Поэтому всё большая часть заряженных частиц достигает электродов, и сила тока возрастает (участок ).

При определённой величине напряжения (точка ) скорость движения зарядов становится настолько большой, что рекомбинация вообще не успевает происходить.

С этого момента все заряженные частицы, образованные под действием ионизатора, достигают электродов, и ток достигает насыщения — а именно, сила тока перестаёт меняться с увеличением напряжения.

Так будет происходить вплоть до некоторой точки .

Самостоятельный разряд

После прохождения точки сила тока при увеличении напряжения резко возрастает — начинается самостоятельный разряд. Сейчас мы разберёмся, что это такое.

Заряженные частицы газа движутся от столкновения к столкновению; в промежутках между столкновениями они разгоняются электрическим полем, увеличивая свою кинетическую энергию.

И вот, когда напряжение становится достаточно большим (та самая точка ), электроны за время свободного пробега достигают таких энергий, что при соударении с нейтральными атомами ионизируют их! (С помощью законов сохранения импульса и энергии можно показать, что именно электроны (а не ионы), ускоряемые электрическим полем, обладают максимальной способностью ионизировать атомы.)

Начинается так называемая ионизация электронным ударом. Электроны, выбитые из ионизированных атомов, также разгоняются электрическим полем и налетают на новые атомы, ионизируя теперь уже их и порождая новые электроны. В результате возникающей электронной лавины число ионизированных атомов стремительно возрастает, вследствие чего быстро возрастает и сила тока.

Количество свободных зарядов становится таким большим, что необходимость во внешнем ионизаторе отпадает. Его можно попросту убрать. Свободные заряженные частицы теперь порождаются в результате внутренних процессов, происходящих в газе — вот почему разряд называется самостоятельным.

Если газовый промежуток находится под высоким напряжением, то для самостоятельного разряда не нужен никакой ионизатор. Достаточно в газе оказаться лишь одному свободному электрону, и начнётся описанная выше электронная лавина. А хотя бы один свободный электрон всегда найдётся!

Вспомним ещё раз, что в газе даже при обычных условиях имеется некоторое «естественное» количество свободных зарядов, обусловленное ионизирующим радиоактивным излучением земной коры, высокочастотным излучением Солнца, космическими лучами.

Мы видели, что при малых напряжениях проводимость газа, вызванная этими свободными зарядами, ничтожно мала, но теперь — при высоком напряжении — они-то и породят лавину новых частиц, дав начало самостоятельному разряду.

Произойдёт, как говорят, пробой газового промежутка.

Напряжённость поля, необходимая для пробоя сухого воздуха, равна примерно кВ/см. Иными словами, чтобы между электродами, разделёнными сантиметром воздуха, проскочила искра, на них нужно подать напряжение киловольт. Вообразите же, какое напряжение необходимо для пробоя нескольких километров воздуха! А ведь именно такие пробои происходят во время грозы — это прекрасно известные вам молнии.

Источник: https://ege-study.ru/ru/ege/materialy/fizika/elektricheskij-tok-v-gazax/

Ваш педагог
Добавить комментарий

;-) :| :x :twisted: :smile: :shock: :sad: :roll: :razz: :oops: :o :mrgreen: :lol: :idea: :grin: :evil: :cry: :cool: :arrow: :???: :?: :!: