3 Несамостоятельный разряд
Пусть с помощью какого-либо ионизатора образуются заряженные частицы в газе. При большом напряжении в трубке возникает ток, т.е. разряд. Вначале роста напряжения увеличивается число ионов, достигающих катода, т.е. сила тока возрастает. Т.к. создается определенное число ионов за единицу времени, то сила тока расти бесконечно не будет. Поэтому при определенном значении напряжения сила тока перестает увеличиваться. Говорят, что ток достиг насыщения (рис.3)
Только в том случае, когда ионизирующий фактор настолько силен, что даже при больших напряжениях электрическое поле не успевает уводить все образующиеся ионы, мы не будем иметь насыщения. Это имеет место в электролите, где вследствие диссоциации скорость образования ионов чрезвычайно велика.
Если после прекращения действия ионизатора электрический ток в газе прекращается, то такой разряд называется несамостоятельным.
4 Самостоятельный разряд
Опыты показывают, что если после достижения тока насыщения в газе продолжать значительно повышать напряжение, то ход кривой внезапно нарушается (рис.4)
При достаточно большом напряжении ток, скачком, резко возрастает. Скачок показывает, что число ионов сразу резко возросло. Причиной этого является само электрическое поле: оно сообщает некоторым ионам столь большие скорости (следовательно, и энергию), что при столкновении ионов с нейтральными молекулами последние разбиваются на ионы. Теперь общее число ионов определяется действием самого поля, которое может само поддерживать необходимую ионизацию. Если убрать ионизатор, то разряд не прекратится, - самостоятельный разряд.
Пусть есть положительный ион и электрон. Энергия электрона может увеличиться за счет работы электрического поля
=
,
где l – длина свободного пробега – путь между двумя последовательными столкновениями.
Если кинетическая энергия электрона больше или равна работе, которую нужно совершить для ионизации газа, то при столкновении электрона с атомом происходит ионизация (рис.5). В результате образуется два электрона, которые в свою очередь тоже могут вызвать ионизацию. Т.о., быстро растет число заряженных частиц, возникает электронная лавина. Этот процесс называется ионизацией электронным ударом.
Но для поддержания разряда необходима эмиссия электронов с катода. Эмиссия может быть обусловлена выбиванием электронов с катода ударами положительных ионов. Также эмиссия может происходить при нагревании катода, что тоже происходит за счет ударов положительных ионов о катод.
5 Виды самостоятельного разряда
а) Тлеющий разряд
Стеклянная трубка с двумя металлическими электродами присоединяется к источнику постоянного тока с напряжением в несколько тысяч вольт. При понижении давления в трубке вспыхивает светящийся разряд. Возле катода газ не светится.
Причина ионизации газа – ударная ионизация и выбивание электронов с катода положительными ионами.
Падение потенциала приходится на темную область. Оно здесь сотни – тысячи вольт. Положительные ионы, пробегая эту область, поучают большую скорость и энергию. Поэтому при столкновении с катодом они выбивают из него электроны, которые тоже в темной области сильно ускоряются. В дальнейшем они ионизируют нейтральные молекулы.
Тлеющий разряд применяется в газосветных лампах как источник света.
б) Электрическая дуга
В 1802 году В.В. Петров установил, что если присоединить к полюсам большой электрической батареи два кусочка древесного угля и, приведя угли в соприкосновение, слегка их раздвинуть, то между концами углей образуется яркое пламя, а сами концы углей раскаляются добела, испуская ослепительный свет (электрическая дуга).
Это явление семь лет спустя независимо от него наблюдал английский химик Дэви, который в честь Вольта назвал ее «вольтовой» дугой.
Положительный
уголь имеет температуру больше, чем
отрицательный электрод
,
поэтому быстрее сгорает. В его углублении
может быть температура до 40000С.
дуга может гореть и между металлическими
электродами (железо, медь).
Газ в самой дуге тоже сильно разогревается под действием соударений с электронами и ионами, ускоряемыми полем. Из-за этого происходит термическая ионизация.
Электрическая дуга является одним из лучших источников света, поэтому находит широкое применение в прожекторах, киноаппаратах, проекционных аппаратах. Также электрическая дуга применяется для сварки металлов, в электропечах.
в) Коронный разряд
При атмосферном давлении вблизи заостренных участков проводника, несущего большой заряд, возникает коронный разряд. Коронный разряд возникает в резко неоднородном электрическом поле высокой напряженности (3∙106 В/м) около электродов с большой кривизной поверхности (например, возле острия, имеющего значительный потенциал, или около проводов, находящихся под высоким напряжением). Около электрода, где происходят ионизация газа и его свечение, находится область коронного разряда. За пределами коронного промежутка в отдаленных участках, где поле слабее, существует область несамостоятельного электрического разряда в газе, в которой нет ударной ионизации и характерного свечения; электрический ток создают носители, которые выходят из области коронного разряда.
Механизм ионизации газа при коронном разряде имеет двойную природу: если разряд возникает около отрицательного электрода, то электроны, вызывающие ионизацию молекул, выбиваются из него положительными ионами; если коронирует анод, то электроны возникают вблизи электрода вследствие фотоионизации газа со стороны светящейся области коронного разряда. На остриях коронный разряд с повышением напряжения приобретает вид ломаных светящихся линий. Такой разряд по своей природе близок к искровому разряду.
Коронный разряд используют в промышленности в электрических фильтрах для очистки газов, внесения порошковых и лакокрасочных покрытий.
г) Искровой разряд – неустановившийся электрический разряд в газе при высоком напряжении, который сопровождается искровым кратковременным свечением газа и характерным треском. Он вызывается ударной ионизацией и сопутствующей ей фотоионизацией, образуя электронные и ионные лавины. Сливаясь, они образуют искровой канал, так называемый стример, в котором и распространяется искровой разряд. Типичный примером искрового разряда в природе является молния. искровой разряд применяется для обработки металлов, создания счетных искровых камер в атомной физике, измерения высоких напряжений.
Задание. После изучения вопроса 5 заполните таблицу
-
Тип разряда
Условия возникновения
Что наблюдается
Примеры применения, проявления в природе
Тлеющий
Дуговой
Коронный
Искровой
ЭЛЕКТРИЧЕСКИЙ ТОК В РАСТВОРАХ И РАСПЛАВАХ ЭЛЕКТРОЛИТОВ
План
1 Модель раствора электролита и механизм электролиза
2 Основные закономерности протекания тока в растворах электролитов
3 Закон электролиза
4 Применение электрического тока в растворах электролитов