Список литературы Основная

1. Грабовский Р.И. Курс физики / Р. И. Грабовский. – СПб.; Издательство «Лань», 2002.-608 с.

2. Пронин В.П. Краткий курс физики / В.П. Пронин. – Саратов: ФГОУ ВПО «Саратовский ГАУ», 2007 г. – 200 с.

3. Трофимова Т.И. Курс физики / Т.И. Трофимова. – М.: «Высшая школа». 2003 г. – 350с.

Дополнительная

1.Матвеев А.Н. Механика и теория относительности. Учебное пособие/ С.-Петербург: Издательство «Лань», 2009г. 500экз.

2.Рогачев Н.М. Курс физики. Учебное пособие// С.-Петербург: Издательство «Лань», 2010г.- 448с. 1000 экз.

3.Трофимова Т.И.Физика в таблицах.. М.: «Высшая школа». 2008г

Лекция 17 ток в жидкостях и газах

17.1Электролиз.

Электрический ток в жидкостях возникает в результате встречного движения под действием электрического поля разноименно заряженных частиц – ионов. Такая проводимость называется ионной (в отличие от металлов, имеющих электронную проводимость).

Определим плотность тока в жидкости. Так как перенос зарядов осуществляется ионами обоих знаков, то

,

q₊ и q_-; n₊ и n_-; υ₊ и υ_- - заряды, концентрация и скорость соответствующих ионов.

Раствор в целом электрически нейтрален, поэтому . Обозначим валентность иона через z. Тогда , где е – заряд электрона

имеем .

Ион движется под действием электрического поля .

Противодействует движению сила трения (вязкость) ,

где r – радиус иона с сольватной оболочкой, η - вязкость жидкости.

В случае установившегося движения

отсюда , (145)

где - подвижность ионов.

Подвижность ионов возрастает с повышением температуры, так как вязкость жидкости с повышением температуры уменьшается

Следовательно

. (146)

Это выражение - закон Ома в дифференциальной форме,

Здесь - удельная проводимость жидкости.

Соответственно удельное сопротивление можно определить

.

Электрический ток в жидкостях составляет основу таких важных применений как электрофорез, электроосмос, электролиз.

Электрофорез – перемещение в растворе под действием электрического поля частиц (макромолекул).

Электроосмос – перемещение в пористом теле жидкости.

Электрофорез используется для отделения взвесей, выделения эмульсий из взвесей, очистки фруктовых соков. Электроосмос применяется для сушки волокнистых и пористых веществ - древесины, сена и т.д.

Электролиз частный случай электрофореза.

17.2 Самостоятельный и несамостоятельный газовые разряды

Газ состоящий из нейтральных молекул, не обладает электрической проводимостью, т.к. не содержит носителей тока, т.е. чистые сухие газы являются изоляторами. Носители тока в газах могут возникнуть в результате внешних воздействий ( ионизаторы). Электроны при внешнем воздействии легко отрываются от атомов газа, образуя положительные ионы. Вырвавшийся электрон либо остается свободным, либо присоединяется к атомам либо молекулам газа образуя отрицательный ион. Такие ионы называются простыми газовыми ионами. В ионизированном газе имеются положительные и отрицательные ионы и свободные электроны. Ионизированный газ становится хотя и плохим проводником электрического тока. Прохождение электрического тока через газы называется газовым разрядом. Ионизация газа может происходить в результате нагревания, облучения рентгеновскими лучами газов. В качестве ионизатора газа можно применять и ультрафиолетовые лучи, и т.п.Энергия необходимая для выбивания одного электрона из молекулы (атома) называется энергией ионизации ( для разных веществ 4:25 эв).

Атмосферный воздух всегда ионизирован под действием природных факторов: излучений радиоактивных элементов земной коры и приходящих космических лучей. Однако равновесная концентрация ионов в воздухе превышает несколько десятков пар ионов в куб.сан. Наряду с процессом ионизации в газе будет происходить рекомендации ионов(т.е. нейтрализация разноименных ионов или воссоединение положительного иона и электрона в нейтральною молекулу).

Простые ионы могут присоединяться к нейтральным молекулам или группам молекул, образуя сложные газовые ионы обоих знаков. Простые и сложные газовые ионы называются легкими ионами.

Газовые ионы могут оседать на взвешенных в газе частицах вещества (пылинках, частицах дыма, капельках воды и т.п.) образуя тяжелые ионы.

Находящиеся в атмосфере газовые ионы обоих знаков и свободные электроны называются аэроионами. Тяжелые ионы вредно действуют на организм. Легкие и в основном отрицательные аэроионы оказывают благотворное влияние. Их используют для лечения- аэроионотеропия.

Количество ионов в атмосфере, зависит от геологичнских и метерологических условий ( ветер, влажность, дождь и т.д.) В городах в воздухе содержится легких аэроионов несколько сотен и до нескольких десятков тысяч тяжелых аэроинов. В воздехе сельской местности количество легких аэроинов увеличивается до нескольких тысяч, а тяжелых снижается почти до нуля. Воздух от тяжелых аэроионов очищается при помощи фильтров.

И онизация газа, проходящая под влиянием внешних воздействий называется первичной ионизацией. Пусть газ находящийся между плоскими параллельными(рис.60) Электродами подвергается воздействию рентгеновских лучей. К электродам приложено постоянное напряжение. Под воздействием сил электрического поля частицы перемещаются между электродами встречными потоками. Это упорядоченное движение электронов и ионов является Рисунок 60 электрическим током в газе. Средняя скорость

перемещения аэроинов

невелика. Достигая электродов ионы отдают или присоединяют электроны т.е. нейтрализуют свои заряды.Зависимость силы тока Y в газе от напряжения U, приложенного к электродам наз. вольт-амперной характеристикой тока в газе (см рис.61)

Е сли напряжение, прложенное к электродам и скорость перемещения ионов невелики, образуется некоторое число пар ионов и электронов за единицу времени. В образовании тока участвует только часть и наряду с этим будет происходить рекомбинация. При увеличении напряжения большая часть ионов достигает электродов и ток растет (участок Q A) Прямая зависимость выполняется закон Ома. При дальнейшем увеличении образующиеся в единицу времени,

Рисунок 61 будут достигать электродов ток

почти не увеличивается (участок AB). Это ток насыщения. Y_H=gnV (1), где g-заряд тока,

n- число пар ионов, образующихся в единицу времени в единице объема,

V- объем газа, между электродами.

В газовом промежутке между электродами двигаясь, электроны и ионы соударяются с атомами и молекулами газа. Эти соударения носят упругий характер, т.к. ионы и электроны обладают невысокой кинетической энергией. Поэтому происходит только перераспределение кинетической энергии между соударяющимися частицами. Масса электрона в тысячи раз меньше массы атома и молекулы, поэтому он почти не теряет своей энергии. Повторные пробеги между соударениями позволяет электрону ускоряемому полем, накопить значительную энергию. Такой электрон способен вызвать неупругое соударении, т.е. при этом происходит ионизация атома или молекулы газа. Этот процесс называется вторичной ионизацией, что приведет к быстрому нарастанию числа носителей заряда. При этом увеличивается сила тока (участок BC) т.о. происходит лавинообразное размножение первичных ионов, созданных внешним ионозатором и усиление тока. Этот процесс называется ударной ионизацией. Во вторичной ионизации могут принимать участие как (+), так и (-) ионы для чего необходима очень высокая напряженность электрического поля. Чтобы ионизировать нейтральный атом, необходимо совершать работу A_u по отрыву электрона, равную энергии ионизации. В физике этэ работу принято выражать ионизационным потенциалом Y_u, который определяется по формуле Y_u=A_u/e (2), где e- заряд электрона.

Работа A_u (выражается в эв.) т.о. ионизационный потенциал численно равен отношению работы ионизации данного газа к заряду электрона.

Характер газового разряда зависит от химической природы газа и электродов, от температуры и давления газа, от формы, размеров и взаимного расположения электродов, от напряжения и т.п. Поэтому газовый разряд может принимать весьма разнообразные формы. В частности он может сопровождаться свечением и звуковыми эффектами (шипением, шорохами, треском) образованием в воздухе озона и окислов азота и т.п.

Типы самостоятельного газового разряда: искровой, коронный, дуговой и тлеющий..

1. Тлеющий разряд. Стеклянная трубка (30-50см.). Впаяны электроды. Приложено напряжение несколько сотен вольт. Из трубки откачен воздух (=5.3/6.7 кПа). Возникает разряд (светящийся, извилистый красноватого цвета). При откачки до =1,3Па – светятся стенки трубки т.е. светится стекло при соударении с ним электронов, выбитых из катода. Это катодолюминесценция. Поток этих электронов получил название катодных лучей.

Тлеющий разряд: неоновые трубки – красное свечение, аргоновые – синевато-зелёное, для катодного напыления металлов температура газа в канале разряда достигает до ~10⁴ К.

2. Искровый разряд. При больших напряжениях Эл. Поля (=3*10⁶в/м) в газе, находящаяся под давлением равного =атм. Искровый разряд представляет собой вид светящегося извилистого разветвлённого канала (стримера). В природе-молния, искра между грозовым облаком и Землей или между грозовыми облаками. Используют: воспламенение горючей смеси в двиг. вн. сгорания, искровые разрядники, точная обработка металлов

(резание, сверление). Спектральный анализ – искровые счётчики.

3. Дуговой разряд. Открытый В.В. Петровым в 1802г. Искра между электродами. Явление названо вольтовой дугой (электрической). Это получают от мощного источника. Петров получил от соприкосновения угольных электродов, затем при их постепенном удалении друг от друга. При атмосферном давлении температура катода равна =3900К. Угольный катод заостряется, а на аноде образуется углубление – кратер, являющийся наиболее горячим местом дуги.

3. Коронный разряд. Высоковольтный эл. разряд при высоком газе и когда поле вблизи электродов с большой кривизной (острые) резко неоднородно. Напряженность около острия = 30кв/см; возникает свечение в виде короны. В зависимости от знака коронирующего электрода различают отрицательную или положительную корону. При дальнейшем увеличении напряжения этот разряд переходит в искровой или дуговой.

Коронный разряд прерывистый и является источником радиопомех. Применяются в электрофильтрах применяемых при очистки промышленных газов примесей.

Коронный разряд применяется при нанесении порошковых и лакокрасочных покрытий.

При достаточно сильных токах в газе или при весьма высокой температуре значительная часть молекул газа (=100%) ионизируются. Скорости теплового движения частиц очень высокие. Такое состояние газа называется высокотемпературной плазмой. Газоразрядная плазма, возникает при газовом разряде. Газ состоящий из электронов и ионов. Потерявших не только внешние, но и частично и внутренние электроны (и возможно только из электронов и ядер атомов). Электропроводность плазмы чрезвычайно велика, в связи с большим количеством носителей зарядов. Плазму называют четвертым состоянием вещества.

Свойства плазмы.

1. Высокой степенью ионизации газа, в пределе полной ионизации.

2. Равенство нулю результирующего пространственного заряда (концентрация (+) и (-) частиц в плазме практически одинакова).

3. Большой электропроводностью, создаваемой в основном электронами.

4. Свечением.

5. Сильным взаимодействием с электрическими и магнитными полями.

6. Колебания электронов в плазме с большой частотой (=10⁸Гц), вызывающие вибрацию плазмы.

7. Одновременное взаимодействие громадного число частиц.(в обычных газах частицы взаимодействуют попарно).