È formato dal movimento diretto di elettroni liberi e in questo caso non si verificano cambiamenti nella sostanza di cui è costituito il conduttore.
Vengono chiamati tali conduttori in cui il passaggio della corrente elettrica non è accompagnato da cambiamenti chimici nella loro sostanza conduttori del primo tipo. Questi includono tutti i metalli, il carbone e una serie di altre sostanze.
Ma in natura esistono anche conduttori di corrente elettrica nei quali si verificano fenomeni chimici durante il passaggio della corrente. Questi conduttori sono chiamati conduttori del secondo tipo. Questi includono principalmente varie soluzioni di acidi, sali e alcali in acqua.
Se versi acqua in un recipiente di vetro e aggiungi qualche goccia di acido solforico (o qualche altro acido o alcali), quindi prendi due piastre di metallo e colleghi loro dei conduttori, abbassando queste piastre nel recipiente e collegando una fonte di corrente a le altre estremità dei conduttori attraverso l'interruttore e l'amperometro, il gas verrà rilasciato dalla soluzione e continuerà ininterrottamente finché il circuito è chiuso perché l'acqua acidificata è infatti un conduttore. Inoltre, le piastre inizieranno a ricoprirsi di bolle di gas. Queste bolle poi si romperanno dai piatti e usciranno.
Quando una corrente elettrica passa attraverso una soluzione, si verificano cambiamenti chimici che provocano il rilascio di gas.
I conduttori del secondo tipo sono chiamati elettroliti e lo è il fenomeno che si verifica in un elettrolita quando lo attraversa una corrente elettrica.
Le piastre metalliche immerse in un elettrolita sono chiamate elettrodi; uno di essi, collegato al polo positivo della sorgente di corrente, è chiamato anodo, mentre l'altro, collegato al polo negativo, è chiamato catodo.
Cosa determina il passaggio della corrente elettrica in un liquido conduttore? Si scopre che in tali soluzioni (elettroliti), le molecole di acido (alcali, sale) sotto l'influenza di un solvente (in questo caso acqua) si dividono in due componenti e Una particella della molecola ha una carica elettrica positiva e l'altra ne ha una negativa.
Le particelle di una molecola che hanno una carica elettrica sono chiamate ioni. Quando un acido, sale o alcali viene sciolto in acqua, nella soluzione compaiono un gran numero di ioni sia positivi che negativi.
Ora dovrebbe essere chiaro il motivo per cui la corrente elettrica passava attraverso la soluzione, perché tra gli elettrodi collegati alla sorgente di corrente veniva creata una tensione, in altre parole, uno di essi risultava carico positivamente e l'altro negativamente. Sotto l'influenza di questa differenza di potenziale, gli ioni positivi iniziarono a mescolarsi verso l'elettrodo negativo - il catodo, e gli ioni negativi - verso l'anodo.
Pertanto, il movimento caotico degli ioni divenne un contromovimento ordinato di ioni negativi in una direzione e positivi nell'altra. Questo processo di trasferimento di carica costituisce il flusso di corrente elettrica attraverso l'elettrolita e avviene finché esiste una differenza di potenziale tra gli elettrodi. Con la scomparsa della differenza di potenziale, la corrente attraverso l'elettrolita si interrompe, il movimento ordinato degli ioni viene interrotto e ricomincia il movimento caotico.
Ad esempio, consideriamo il fenomeno dell'elettrolisi quando si fa passare una corrente elettrica attraverso una soluzione di solfato di rame CuSO4 con elettrodi di rame abbassati al suo interno.
Il fenomeno dell'elettrolisi quando la corrente passa attraverso una soluzione di solfato di rame: C - recipiente con elettrolita, B - sorgente di corrente, C - interruttore
Qui ci sarà anche un contromovimento degli ioni verso gli elettrodi. Lo ione positivo sarà lo ione rame (Cu) e lo ione negativo sarà lo ione residuo acido (SO4). Gli ioni rame, al contatto con il catodo, verranno scaricati (attaccando gli elettroni mancanti), cioè convertiti in molecole neutre di rame puro, e depositati sul catodo sotto forma di un sottile strato (molecolare).
Anche gli ioni negativi, dopo aver raggiunto l'anodo, vengono scaricati (cedono elettroni in eccesso). Ma allo stesso tempo, entrano in una reazione chimica con il rame dell'anodo, a seguito della quale una molecola di rame Cu viene aggiunta al residuo acido SO4 e si forma una molecola di solfato di rame CuS O4, che viene restituita indietro all'elettrolita.
Poiché si verifica questo processo chimico a lungo, quindi il rame si deposita sul catodo, rilasciato dall'elettrolita. In questo caso, l'elettrolita, invece delle molecole di rame che sono andate al catodo, riceve nuove molecole di rame a causa della dissoluzione del secondo elettrodo: l'anodo.
Lo stesso processo si verifica se si prendono elettrodi di zinco invece di quelli di rame e l'elettrolita è una soluzione di solfato di zinco Zn SO4. Anche lo zinco verrà trasferito dall'anodo al catodo.
Così, differenza tra la corrente elettrica nei metalli e nei liquidi conduttori sta nel fatto che nei metalli i portatori di carica sono solo elettroni liberi, cioè cariche negative, mentre negli elettroliti viene trasportata da particelle della sostanza con carica opposta - ioni che si muovono in direzioni opposte. Perciò lo dicono Gli elettroliti mostrano conduttività ionica.
Fenomeno dell'elettrolisi fu scoperto nel 1837 da B. S. Jacobi, che effettuò numerosi esperimenti di ricerca e miglioramento fonti chimiche attuale Jacobi scoprì che uno degli elettrodi posti in una soluzione di solfato di rame si ricopriva di rame quando veniva attraversato da corrente elettrica.
Questo fenomeno si chiama galvanica, sta trovando oggi un'applicazione pratica estremamente ampia. Un esempio di ciò è il rivestimento di oggetti metallici con un sottile strato di altri metalli, ad esempio nichelatura, doratura, argentatura, ecc.
I gas (compresa l'aria) non conducono corrente elettrica in condizioni normali. Ad esempio, quelli nudi, essendo sospesi parallelamente tra loro, si ritrovano isolati l'uno dall'altro da uno strato d'aria.
Tuttavia, sotto l'influenza alta temperatura, grandi differenze di potenziale e altri motivi, i gas, come i conduttori liquidi, sono ionizzati, cioè in essi compaiono in grandi quantità particelle di molecole di gas che, essendo portatrici di elettricità, facilitano il passaggio della corrente elettrica attraverso il gas.
Ma allo stesso tempo la ionizzazione di un gas differisce dalla ionizzazione di un liquido conduttore. Se in un liquido una molecola si disintegra in due parti cariche, allora nei gas, sotto l'influenza della ionizzazione, gli elettroni vengono sempre separati da ciascuna molecola e uno ione rimane sotto forma di una parte caricata positivamente della molecola.
Una volta cessata la ionizzazione, il gas cesserà di essere conduttivo, mentre un liquido rimane sempre conduttore di corrente elettrica. Di conseguenza, la conducibilità del gas è un fenomeno temporaneo, dipendente dall'azione di cause esterne.
Tuttavia, ce n'è un altro chiamato scarica dell'arco o semplicemente un arco elettrico. Il fenomeno dell'arco elettrico fu scoperto all'inizio del XIX secolo dal primo ingegnere elettrico russo V.V. Petrov.
V.V. Petrov, attraverso numerosi esperimenti, scoprì che tra due carboni collegati a una fonte di corrente, avviene una scarica elettrica continua attraverso l'aria, accompagnata da una luce intensa. Nei suoi scritti, V.V. Petrov ha scritto che in questo caso “la pace oscura può essere illuminata in modo abbastanza brillante”. È così che è stata ottenuta per la prima volta la luce elettrica, che è stata praticamente applicata da un altro ingegnere elettrico russo Pavel Nikolaevich Yablochkov.
La candela Yablochkov, il cui funzionamento si basa sull'uso di un arco elettrico, fece a quei tempi una vera rivoluzione nell'ingegneria elettrica.
La scarica ad arco viene utilizzata ancora oggi come sorgente luminosa, ad esempio nei faretti e negli apparecchi di proiezione. L'elevata temperatura della scarica dell'arco ne consente l'utilizzo. Attualmente i forni ad arco, alimentati da una corrente molto elevata, vengono utilizzati in numerosi settori: per la fusione di acciaio, ghisa, ferroleghe, bronzo, ecc. E nel 1882, N.N. Benardos utilizzò per la prima volta una scarica ad arco per tagliare e saldare il metallo.
Nei tubi della luce a gas, nelle lampade fluorescenti, negli stabilizzatori di tensione, i cosiddetti scarica di gas incandescente.
Una scarica a scintilla viene utilizzata per misurare grandi differenze di potenziale utilizzando un traferro sferico, i cui elettrodi sono due sfere metalliche con una superficie lucida. Le sfere vengono allontanate e ad esse viene applicata una differenza di potenziale misurata. Quindi le palline vengono avvicinate fino a quando una scintilla salta tra di loro. Conoscendo il diametro delle sfere, la distanza tra loro, la pressione, la temperatura e l'umidità dell'aria, trovare la differenza di potenziale tra le sfere utilizzando apposite tabelle. Questo metodo può misurare differenze di potenziale dell'ordine di decine di migliaia di volt con una precisione di pochi punti percentuali.
CORRENTE ELETTRICA NEI GAS
Conducibilità indipendente e non indipendente dei gas. IN stato naturale i gas non conducono corrente elettrica, cioè sono dielettrici. Ciò può essere facilmente verificato utilizzando una semplice corrente se il circuito è interrotto da un traferro.
Le proprietà isolanti dei gas sono spiegate dal fatto che gli atomi e le molecole dei gas nel loro stato naturale sono particelle neutre e prive di carica. Da qui è chiaro che per rendere un gas conduttivo, è necessario in un modo o nell'altro introdurre o creare in esso portatori di carica liberi: particelle cariche. In questo caso sono possibili due casi: o queste particelle cariche vengono create dall'azione di qualche fattore esterno o introdotte nel gas dall'esterno - conduttività non indipendente, oppure vengono create nel gas dall'azione del campo elettrico stesso esistente tra gli elettrodi - conduttività indipendente.
Nella figura sopra, il galvanometro nel circuito mostra che non c'è corrente nonostante la tensione applicata. Ciò indica l'assenza di conduttività dei gas in condizioni normali.
Riscaldiamo ora il gas nell'intervallo 1-2 a una temperatura molto elevata introducendovi un bruciatore acceso. Il galvanometro indicherà la comparsa di corrente, quindi, ad alte temperature, la proporzione delle molecole di gas neutro si scompone in ioni positivi e negativi. Questo fenomeno si chiama ionizzazione gas 
Se dirigi un flusso d'aria da un piccolo ventilatore nell'intercapedine del gas e metti una fiamma ionizzante nel percorso del flusso, all'esterno dell'intercapedine, il galvanometro mostrerà una certa corrente. 
Ciò significa che gli ioni non scompaiono istantaneamente, ma si muovono insieme al gas. Tuttavia, man mano che aumenta la distanza tra la fiamma e l'intercapedine 1-2, la corrente si indebolisce gradualmente fino a scomparire. In questo caso, gli ioni con carica opposta tendono ad avvicinarsi l'uno all'altro sotto l'influenza della forza di attrazione elettrica e, dopo essersi incontrati, si riuniscono in una molecola neutra. Questo processo si chiama ri combinazione ioni.
Il riscaldamento di un gas ad alta temperatura non è l'unico modo per ionizzare le molecole o gli atomi del gas. Gli atomi neutri o le molecole di gas possono essere ionizzati anche sotto l'influenza di altri fattori.
La conduttività ionica ha una serie di caratteristiche. Pertanto, spesso gli ioni positivi e negativi non sono singole molecole ionizzate, ma gruppi di molecole attaccate a un elettrone negativo o positivo. Per questo motivo, sebbene la carica di ciascun ione sia uguale a una o due, raramente di più, cariche elementari, le loro masse possono differire significativamente dalle masse dei singoli atomi e molecole. In questo modo gli ioni gassosi differiscono notevolmente dagli ioni elettrolitici, che rappresentano sempre determinati gruppi di atomi. A causa di questa differenza, le leggi di Faraday, così caratteristiche della conduttività degli elettroliti, non si applicano alla conduttività ionica dei gas.
La seconda differenza, anch'essa molto importante, tra la conducibilità ionica dei gas e la conducibilità ionica degli elettroliti è che per i gas non viene rispettata la legge di Ohm: la caratteristica corrente-tensione ha più natura complessa. La caratteristica corrente-tensione dei conduttori (compresi gli elettroliti) ha la forma di una retta inclinata (proporzionalità di I e U); per i gas ha forma variata.
In particolare, nel caso di conducibilità non autosostenuta, per piccoli valori di U il grafico appare come una linea retta, cioè La legge di Ohm rimane approssimativamente in vigore; All’aumentare di U la curva si piega con una certa tensione e si trasforma in una linea retta orizzontale. 
Ciò significa che a partire da una certa tensione la corrente rimane costante nonostante l'aumento della tensione. Questo valore di corrente costante e indipendente dalla tensione viene chiamato corrente di saturazione.
Non è difficile comprendere il significato dei risultati ottenuti. Inizialmente, all'aumentare della tensione, aumenta il numero di ioni che attraversano la sezione trasversale di scarica, ad es. La corrente I aumenta perché gli ioni in un campo più forte si muovono a una velocità maggiore. Tuttavia, non importa quanto velocemente gli ioni si muovono, il numero di essi che passano attraverso questa sezione per unità di tempo non può essere maggiore del numero totale di ioni creati nella scarica per unità di tempo da fattori ionizzanti esterni.
Gli esperimenti dimostrano però che se, dopo aver raggiunto la corrente di saturazione nel gas, la tensione continua ad aumentare notevolmente, allora l'andamento della caratteristica corrente-tensione viene improvvisamente interrotto. A una tensione sufficientemente elevata, la corrente aumenta bruscamente. 
Il salto attuale mostra che il numero di ioni è immediatamente aumentato bruscamente. La ragione di ciò è stessa campo elettrico: conferisce velocità così elevate ad alcuni ioni, ad es. così tanta energia che quando tali ioni entrano in collisione con molecole neutre, queste ultime si spezzano in ioni. Numero totale Gli ioni sono ora determinati non dal fattore ionizzante, ma dall'azione del campo stesso, che può esso stesso sostenere la necessaria ionizzazione: la conduttività da non indipendente diventa indipendente. Il fenomeno descritto dell'improvvisa comparsa di conduttività indipendente, che ha la natura di una rottura del gap di gas, non è l'unica, sebbene molto importante, forma di comparsa di conduttività indipendente.
Scarica della scintilla. Con un'intensità di campo sufficientemente elevata (circa 3 MV/m), tra gli elettrodi appare una scintilla elettrica, che ha l'aspetto di un canale di avvolgimento brillantemente luminoso che collega entrambi gli elettrodi. Il gas vicino alla scintilla si riscalda fino a raggiungere una temperatura elevata e si espande improvvisamente, provocando la comparsa di onde sonore e si sente un caratteristico suono scoppiettante.
Si chiama la forma descritta di scarica di gas scarica di scintilla o rottura di scintille di gas. Quando si verifica una scarica a scintilla, il gas perde improvvisamente le sue proprietà dielettriche e diventa un buon conduttore. L'intensità del campo alla quale avviene la rottura della scintilla del gas ha un valore diverso per i diversi gas e dipende dal loro stato (pressione, temperatura). Maggiore è la distanza tra gli elettrodi, maggiore è la tensione necessaria tra loro affinché avvenga la scissione del gas. Questa tensione si chiama calo di tensione.
Sapendo come la tensione di rottura dipende dalla distanza tra gli elettrodi di una determinata forma, è possibile misurare la tensione sconosciuta lungo la lunghezza massima della scintilla. Su questo si basa il dispositivo di un voltmetro a scintilla per alte tensioni grossolane. 
È costituito da due sfere metalliche montate sui supporti 1 e 2, il 2° supporto con la sfera può avvicinarsi o allontanarsi dal primo utilizzando una vite. Le sfere sono collegate a una fonte di corrente, la cui tensione deve essere misurata, e avvicinate finché non appare una scintilla. Misurando la distanza con la scala del cavalletto si può dare una stima approssimativa della tensione lungo la lunghezza della scintilla (esempio: con un diametro della sfera di 5 cm e una distanza di 0,5 cm, la tensione di rottura è di 17,5 kV, e con una distanza di 5 cm - 100 kV).
Il verificarsi di una rottura è spiegato come segue: in un gas c'è sempre un certo numero di ioni ed elettroni che derivano da cause casuali. Tuttavia, il loro numero è così piccolo che il gas praticamente non conduce elettricità. Con un'intensità di campo sufficientemente elevata, l'energia cinetica accumulata dallo ione nell'intervallo tra due collisioni può diventare sufficiente per ionizzare una molecola neutra in seguito alla collisione. Di conseguenza, si formano un nuovo elettrone negativo e un residuo carico positivamente, uno ione. 
L'elettrone libero 1, quando entra in collisione con una molecola neutra, la divide nell'elettrone 2 e in uno ione positivo libero. Gli elettroni 1 e 2, dopo un'ulteriore collisione con molecole neutre, le dividono nuovamente in elettroni 3 e 4 e ioni positivi liberi, ecc.
Questo processo di ionizzazione si chiama ionizzazione da impatto, e il lavoro necessario per rimuovere un elettrone da un atomo - lavoro di ionizzazione. Il lavoro di ionizzazione dipende dalla struttura dell'atomo ed è quindi diverso per i diversi gas.
Gli elettroni e gli ioni formati sotto l'influenza della ionizzazione per impatto aumentano il numero di cariche nel gas e, a loro volta, entrano in movimento sotto l'influenza di un campo elettrico e possono produrre la ionizzazione per impatto di nuovi atomi. Pertanto, il processo si rafforza e la ionizzazione nel gas raggiunge rapidamente un valore molto elevato. Il fenomeno è simile a una valanga di neve, motivo per cui è stato chiamato questo processo valanga ionica.
La formazione di una valanga ionica è il processo di rottura della scintilla e la tensione minima alla quale si verifica una valanga ionica è la tensione di rottura.
Pertanto, durante una rottura della scintilla, la ragione della ionizzazione del gas è la distruzione di atomi e molecole durante le collisioni con gli ioni (ionizzazione da impatto).
Fulmine. Un fenomeno naturale bello e pericoloso: il fulmine, è una scarica di scintilla nell'atmosfera.
Già a metà del XVIII secolo si prestava attenzione alla somiglianza esterna del fulmine con una scintilla elettrica. È stato suggerito che le nubi temporalesche trasportano grandi cariche elettriche e che il fulmine sia una scintilla gigantesca, non diversa se non nelle dimensioni dalla scintilla tra le sfere di una macchina elettrica. Ciò fu sottolineato, ad esempio, dal fisico e chimico russo Mikhail Vasilyevich Lomonosov (1711-65), che, insieme ad altre questioni scientifiche, si occupò dell'elettricità atmosferica.
Ciò fu dimostrato nell'esperienza del 1752-53. Lomonosov e lo scienziato americano Benjamin Franklin (1706-90), che lavorarono contemporaneamente e indipendentemente l'uno dall'altro.
Lomonosov costruì una "macchina del tuono" - un condensatore situato nel suo laboratorio e caricato con l'elettricità atmosferica attraverso un filo, la cui estremità fu portata fuori dalla stanza e sollevata su un palo alto. Durante un temporale le scintille potrebbero essere estratte manualmente dal condensatore.
Franklin, durante un temporale, fece volare un aquilone su una corda dotata di una punta di ferro; all'estremità della corda era legata la chiave della porta. Quando la corda si bagnò e divenne conduttrice di corrente elettrica, Franklin poté estrarre scintille elettriche dalla chiave, caricare bottiglie di Leida ed eseguire altri esperimenti effettuati con una macchina elettrica (va notato che tali esperimenti sono estremamente pericolosi, poiché i fulmini possono colpire gli aquiloni e allo stesso tempo grandi cariche passeranno attraverso il corpo dello sperimentatore nella Terra. Ci sono stati casi così tristi nella storia della fisica. Così, G. V. Richman, che lavorò insieme a Lomonosov, morì nel 1753 a San Pietroburgo).
Pertanto, è stato dimostrato che le nuvole temporalesche sono effettivamente altamente cariche di elettricità.
Parti diverse di una nube temporalesca portano cariche di segni diversi. Molto spesso, la parte inferiore della nuvola (riflessa verso la Terra) è caricata negativamente e la parte superiore è caricata positivamente. Pertanto, se due nuvole si avvicinano l'una all'altra con parti caricate in modo opposto, tra di loro lampeggia un fulmine. Tuttavia, una scarica di fulmini può verificarsi in altri modi. Passando sopra la Terra, una nube temporalesca crea grandi cariche indotte sulla sua superficie, e quindi la nuvola e la superficie terrestre formano due piastre di un grande condensatore. La differenza di potenziale tra la nuvola e la Terra raggiunge valori enormi, misurati in centinaia di milioni di volt, e nell'aria appare un forte campo elettrico. Se la forza di questo campo diventa sufficientemente grande, potrebbe verificarsi un guasto, ad es. fulmine che colpisce la Terra. Allo stesso tempo, i fulmini a volte colpiscono le persone e provocano incendi.
Secondo numerosi studi effettuati sui fulmini, la carica della scintilla è caratterizzata dai seguenti numeri approssimativi: tensione (U) tra la nube e la Terra 0,1 GV (gigavolt);
intensità di corrente (I) in un fulmine 0,1 MA (megaampere);
durata del fulmine (t) 1 μs (microsecondo);
Il diametro del canale luminoso è di 10-20 cm.
Il tuono che si verifica dopo un fulmine ha la stessa origine del crepitio prodotto dalla scintilla di un laboratorio. Vale a dire, l'aria all'interno del canale del fulmine diventa molto calda e si espande, motivo per cui si formano le onde sonore. Queste onde, riflesse da nuvole, montagne, ecc., spesso creano un lungo eco: tuoni.
Scarica corona. Il verificarsi di una valanga ionica non porta sempre ad una scintilla, ma può anche causare una scarica di altro tipo: una scarica a corona.
Stendiamo un filo metallico ab, del diametro di diversi decimi di millimetro, su due alti supporti isolanti e colleghiamolo al polo negativo di un generatore che produce una tensione di diverse migliaia di volt. Porteremo il secondo polo del generatore sulla Terra. Il risultato è una sorta di condensatore, le cui piastre sono il filo e le pareti della stanza, che, ovviamente, comunicano con la Terra. 
Il campo in questo condensatore è molto disomogeneo e la sua intensità vicino a un filo sottile è molto elevata. Aumentando gradualmente la tensione e osservando il filo al buio, si può notare che ad una certa tensione, in prossimità del filo appare un debole bagliore (corona), che ricopre il filo su tutti i lati; è accompagnato da un sibilo e da un leggero crepitio. Se un galvanometro sensibile è collegato tra il filo e la sorgente, quindi con l'apparizione di un bagliore, il galvanometro mostra una corrente notevole che scorre dal generatore attraverso i fili al filo e da esso attraverso l'aria della stanza alle pareti; tra il filo e le pareti viene trasferito dagli ioni formatisi nella stanza per ionizzazione da impatto. Pertanto, il bagliore dell'aria e la comparsa di corrente indicano una forte ionizzazione dell'aria sotto l'influenza di un campo elettrico. Una scarica corona può verificarsi non solo in prossimità del filo, ma anche sulla punta e in generale in prossimità di eventuali elettrodi, in prossimità dei quali si forma un campo disomogeneo molto intenso.
Applicazione della scarica corona. Purificazione elettrica del gas (precipitatori elettrici). Un recipiente pieno di fumo diventa improvvisamente completamente trasparente se vi vengono introdotti elettrodi metallici affilati collegati a una macchina elettrica e tutte le particelle solide e liquide si depositano sugli elettrodi. La spiegazione dell'esperimento è la seguente: non appena la corona si accende nel filo, l'aria all'interno del tubo diventa altamente ionizzata. Gli ioni di gas si attaccano alle particelle di polvere e le caricano. Poiché all'interno del tubo è presente un forte campo elettrico, le particelle di polvere caricate si spostano sotto l'influenza del campo verso gli elettrodi, dove si depositano.
Contatori di particelle. Un contatore di particelle Geiger-Müller è costituito da un piccolo cilindro metallico dotato di una finestra ricoperta da un foglio e da un sottile filo metallico teso lungo l'asse del cilindro e isolato da esso. Il misuratore è collegato a un circuito contenente una sorgente di corrente la cui tensione è di diverse migliaia di volt. La tensione viene scelta come necessaria per la comparsa di una scarica corona all'interno del misuratore. 
Quando un elettrone in rapido movimento entra nel contatore, quest'ultimo ionizza le molecole di gas all'interno del contatore, facendo diminuire leggermente la tensione necessaria per accendere la corona. Nel misuratore si verifica una scarica e nel circuito appare una debole corrente a breve termine. Per rilevarlo, viene introdotta nel circuito una resistenza molto elevata (diversi megaohm) e in parallelo ad essa viene collegato un elettrometro sensibile. Ogni volta che un elettrone veloce colpisce il contatore, il foglio dell'elettrometro si piega.
Tali contatori consentono di registrare non solo gli elettroni veloci, ma anche, in generale, qualsiasi particella carica e in rapido movimento in grado di produrre ionizzazione attraverso collisioni. I moderni contatori rilevano facilmente l'ingresso anche di una sola particella al loro interno e consentono quindi di verificare con assoluta affidabilità e chiarissima chiarezza che le particelle elementari cariche esistono realmente in natura.
Parafulmine. Si stima che nell’atmosfera dell’intero globo si verifichino contemporaneamente circa 1.800 temporali, producendo una media di circa 100 fulmini al secondo. E sebbene la probabilità che un individuo venga colpito da un fulmine sia trascurabile, i fulmini causano comunque molti danni. Basti sottolineare che attualmente circa la metà degli incidenti che avvengono sulle grandi linee elettriche sono causati dai fulmini. Pertanto, la protezione contro i fulmini è un compito importante.
Lomonosov e Franklin non solo spiegarono la natura elettrica dei fulmini, ma indicarono anche come costruire un parafulmine per proteggersi dai fulmini. Un parafulmine è un lungo filo, la cui estremità superiore è affilata e rinforzata sopra il punto più alto dell'edificio protetto. L'estremità inferiore del filo è collegata ad una lamiera e la lamiera è sepolta nella terra a livello dell'acqua del suolo. Durante un temporale, sulla Terra compaiono grandi cariche indotte e sulla superficie terrestre appare un grande campo elettrico. La sua tensione è molto elevata in prossimità di conduttori taglienti, per cui all'estremità del parafulmine si accende una scarica corona. Di conseguenza, le cariche indotte non possono accumularsi sull'edificio e non si verificano fulmini. Nei casi in cui si verifica un fulmine (e questi casi sono molto rari), colpisce il parafulmine e le cariche penetrano nella Terra senza causare danni all'edificio.
In alcuni casi, la scarica corona di un parafulmine è così forte che sulla punta appare un bagliore chiaramente visibile. Questo bagliore a volte appare vicino ad altri oggetti appuntiti, ad esempio alle estremità degli alberi delle navi, alle cime degli alberi affilati, ecc. Questo fenomeno fu notato diversi secoli fa e provocò orrore superstizioso tra i marinai che non ne capirono la vera essenza.
Arco elettrico. Nel 1802, il fisico russo V.V. Petrov (1761-1834) scoprì che se si attaccano due pezzi ai poli di una grande batteria elettrica carbone e, portando i carboni a contatto, allontanateli leggermente, si formerà una fiamma viva tra le estremità dei carboni, e le estremità dei carboni stessi diventeranno incandescenti, emettendo una luce abbagliante.
Il dispositivo più semplice per produrre un arco elettrico è costituito da due elettrodi, per i quali è meglio non prendere carbone, ma barre appositamente realizzate ottenute pressando una miscela di grafite, fuliggine e leganti. La fonte attuale può essere una rete di illuminazione, nella quale è incluso un reostato per sicurezza.
Forzando la combustione di un arco a corrente costante in gas compresso (20 atm), è stato possibile portare la temperatura dell'estremità dell'elettrodo positivo a 5900°C, cioè alla temperatura superficiale del sole. Una colonna di gas e vapori, che ha una buona conduttività elettrica e attraverso la quale scorre una carica elettrica, ha una temperatura ancora più elevata. Il bombardamento energetico di questi gas e vapori da parte di elettroni e ioni, spinti dal campo elettrico dell'arco, porta la temperatura dei gas nella colonna a 6000-7000°C. Una ionizzazione così forte del gas è possibile solo grazie al fatto che il catodo dell'arco emette molti elettroni che, con i loro impatti, ionizzano il gas nello spazio di scarica. Una forte emissione di elettroni dal catodo è assicurata dal fatto che il catodo ad arco stesso viene riscaldato ad una temperatura molto elevata (da 2200 a 3500°C). Quando i carboni vengono messi in contatto per accendere l'arco, quasi tutto il calore Joule della corrente che passa attraverso i carboni viene rilasciato nel punto di contatto, che ha una resistenza molto elevata. Pertanto, le estremità dei carboni diventano molto calde e questo è sufficiente perché si scoppi un arco tra di loro quando si allontanano. Successivamente il catodo dell'arco viene mantenuto riscaldato dalla corrente stessa che attraversa l'arco. Ruolo principale In questo gioca un ruolo il bombardamento del catodo da parte degli ioni positivi che lo colpiscono.
La caratteristica corrente-tensione dell'arco è assolutamente unica. In una scarica ad arco, all'aumentare della corrente, la tensione ai terminali dell'arco diminuisce, cioè l'arco ha una caratteristica corrente-tensione decrescente.
Applicazione della scarica ad arco. Illuminazione. A causa dell'elevata temperatura, gli elettrodi dell'arco emettono una luce abbagliante (il bagliore della colonna dell'arco è più debole, poiché l'emissività del gas è piccola), e quindi l'arco elettrico è una delle migliori fonti di luce. Consuma solo circa 3 watt per candela ed è decisamente più economica delle migliori lampade a incandescenza. L'arco elettrico fu utilizzato per la prima volta per l'illuminazione nel 1875 dall'ingegnere-inventore russo P.N. Yablochkin (1847-1894) e ricevette il nome di “luce russa” o “luce del nord”. Saldatura. Un arco elettrico viene utilizzato per saldare parti metalliche. Le parti da saldare fungono da elettrodo positivo; toccandoli con carbone collegato al polo negativo della sorgente di corrente, si crea un arco tra i corpi e il carbone, fondendo il metallo. Arco di mercurio. Di grande interesse è l'arco di mercurio che brucia in un tubo di quarzo, la cosiddetta lampada al quarzo. In questa lampada, la scarica dell'arco non avviene nell'aria, ma in un'atmosfera di vapori di mercurio, per la quale una piccola quantità di mercurio viene introdotta nella lampada e l'aria viene pompata all'esterno. La luce dell’arco di mercurio è estremamente ricca di raggi ultravioletti, che hanno forti effetti chimici e fisiologici. Per poter sfruttare questa radiazione, la lampada non è realizzata in vetro, che assorbe fortemente i raggi UV, ma in quarzo fuso. Le lampade al mercurio sono ampiamente utilizzate anche nel trattamento di varie malattie ricerca scientifica come una forte fonte di radiazioni ultraviolette.
È stata utilizzata la fonte delle informazioni Libro di testo elementare fisica sotto
a cura dell'accademico G.S. Landsberg (vol.2). Mosca, casa editrice “Nauka”, 1985.
Completato da MARKIDONOV TIMUR, Irkutsk.
In natura non esistono dielettrici assoluti. Il movimento ordinato delle particelle - portatrici di carica elettrica - cioè della corrente, può essere causato in qualsiasi ambiente, ma ciò richiede condizioni speciali. Vedremo qui come avvengono i fenomeni elettrici nei gas e come un gas può trasformarsi da un ottimo dielettrico in un ottimo conduttore. Saremo interessati alle condizioni in cui si verifica la corrente elettrica nei gas, nonché alle caratteristiche che la caratterizzano.
Proprietà elettriche dei gas
Un dielettrico è una sostanza (mezzo) in cui la concentrazione di particelle - portatori liberi di carica elettrica - non raggiunge alcun valore significativo, per cui la conduttività è trascurabile. Tutti i gas sono buoni dielettrici. Le loro proprietà isolanti sono utilizzate ovunque. Ad esempio, in qualsiasi interruttore, il circuito si apre quando i contatti vengono portati in una posizione tale da formare un traferro tra di loro. Anche i cavi nelle linee elettriche sono isolati gli uni dagli altri da uno strato d'aria.
L'unità strutturale di qualsiasi gas è una molecola. Consiste in nuclei atomici e nuvole elettroniche, cioè è una raccolta cariche elettriche, distribuiti in qualche modo nello spazio. A causa delle peculiarità della sua struttura, una molecola di gas può essere polarizzata sotto l'influenza di un campo elettrico esterno. La stragrande maggioranza delle molecole che compongono un gas sono elettricamente neutre in condizioni normali, poiché le cariche in esse contenute si annullano a vicenda.
Se ad un gas viene applicato un campo elettrico, le molecole assumeranno un orientamento dipolare, occupando una posizione spaziale che compensa l'effetto del campo. Le particelle cariche presenti nel gas, sotto l'influenza delle forze di Coulomb, inizieranno a muoversi: ioni positivi - verso il catodo, ioni negativi ed elettroni - verso l'anodo. Tuttavia, se il campo ha un potenziale insufficiente, non si crea un unico flusso diretto di cariche, e si può piuttosto parlare di correnti individuali, così deboli da dover essere trascurate. Il gas si comporta come un dielettrico.
Pertanto, affinché si verifichi la corrente elettrica nei gas, sono necessarie un'elevata concentrazione di portatori di carica liberi e la presenza di un campo.
Ionizzazione
Il processo di aumento a valanga del numero di cariche libere in un gas è chiamato ionizzazione. Di conseguenza, un gas in cui è presente una quantità significativa di particelle cariche viene chiamato ionizzato. È in tali gas che viene creata una corrente elettrica.
Il processo di ionizzazione è associato a una violazione della neutralità delle molecole. Come risultato della rimozione di un elettrone compaiono ioni positivi; l’aggiunta di un elettrone ad una molecola porta alla formazione di uno ione negativo. Inoltre, il gas ionizzato contiene molti elettroni liberi. Gli ioni positivi e soprattutto gli elettroni sono i principali portatori di carica durante la corrente elettrica nei gas.
La ionizzazione avviene quando una certa quantità di energia viene impartita a una particella. Pertanto, l'elettrone esterno nella molecola, dopo aver ricevuto questa energia, può lasciare la molecola. Le collisioni reciproche di particelle cariche con particelle neutre portano all'espulsione di nuovi elettroni e il processo assume un carattere simile a una valanga. Aumenta anche l'energia cinetica delle particelle, il che favorisce notevolmente la ionizzazione.
Da dove viene l’energia spesa per eccitare la corrente elettrica nei gas? La ionizzazione dei gas ha diverse fonti di energia, in base alle quali vengono solitamente denominate le sue tipologie.
- Ionizzazione mediante campo elettrico. In questo caso, l'energia potenziale del campo viene convertita in energia cinetica delle particelle.
- Ionizzazione termica. Anche un aumento della temperatura porta alla formazione grande quantità spese gratuite.
- Fotoionizzazione. L'essenza di questo processo è che i quanti trasmettono energia agli elettroni radiazioni elettromagnetiche- fotoni, se hanno una frequenza sufficientemente elevata (ultravioletti, raggi X, quanti gamma).
- La ionizzazione per impatto risulta dalla conversione dell'energia cinetica delle particelle in collisione nell'energia di separazione degli elettroni. Insieme alla ionizzazione termica, funge da fattore principale nell'eccitazione della corrente elettrica nei gas.
Ogni gas è caratterizzato da un certo valore di soglia: l'energia di ionizzazione necessaria affinché un elettrone si stacchi dalla molecola, superando la barriera di potenziale. Questo valore per il primo elettrone varia da diversi volt a due decine di volt; Per rimuovere il successivo elettrone da una molecola è necessaria più energia e così via.
Va tenuto presente che contemporaneamente alla ionizzazione nel gas, avviene il processo inverso: ricombinazione, cioè il ripristino di molecole neutre sotto l'influenza delle forze attrattive di Coulomb.
Scarica di gas e sue tipologie
Pertanto, la corrente elettrica nei gas è causata dal movimento ordinato di particelle cariche sotto l'influenza di un campo elettrico ad esse applicato. La presenza di tali cariche, a sua volta, è possibile a causa di vari fattori di ionizzazione.
Pertanto, la ionizzazione termica richiede temperature significative, ma una fiamma libera in connessione con alcuni processi chimici favorisce la ionizzazione. Anche a una temperatura relativamente bassa in presenza di una fiamma, viene registrata la comparsa di una corrente elettrica nei gas e l'esperimento con la conduttività del gas facilita la verifica. È necessario posizionare la fiamma di un bruciatore o di una candela tra le piastre di un condensatore carico. Il circuito precedentemente aperto a causa del traferro nel condensatore si chiuderà. Un galvanometro collegato al circuito indicherà la presenza di corrente.
Elettricità nei gas è chiamata scarica di gas. Bisogna tenere presente che per mantenere la stabilità della scarica l'azione dello ionizzatore deve essere costante, poiché a causa della costante ricombinazione il gas perde le sue proprietà elettricamente conduttive. Alcuni portatori di corrente elettrica nei gas - gli ioni - vengono neutralizzati sugli elettrodi, altri - gli elettroni - quando raggiungono l'anodo vengono diretti al "più" della sorgente di campo. Se il fattore ionizzante cessa di agire, il gas tornerà immediatamente ad essere un dielettrico e la corrente si fermerà. Tale corrente, dipendente dall'azione di uno ionizzatore esterno, è chiamata scarica non autosufficiente.
Le peculiarità del passaggio della corrente elettrica attraverso i gas sono descritte da una speciale dipendenza della corrente dalla tensione: la caratteristica corrente-tensione.
Consideriamo lo sviluppo di una scarica di gas sul grafico della dipendenza corrente-tensione. Quando la tensione aumenta fino a un certo valore U 1, la corrente aumenta in proporzione ad essa, cioè la legge di Ohm è soddisfatta. Aumenta l'energia cinetica, e quindi la velocità delle cariche nel gas, e questo processo supera la ricombinazione. A valori di tensione da U 1 a U 2, questa relazione è violata; quando viene raggiunto U2, tutti i portatori di carica raggiungono gli elettrodi senza avere il tempo di ricombinarsi. Vengono utilizzate tutte le cariche gratuite e un ulteriore aumento della tensione non porta ad un aumento della corrente. Questo tipo di movimento delle cariche è chiamato corrente di saturazione. Pertanto, possiamo dire che la corrente elettrica nei gas è dovuta anche alle peculiarità del comportamento del gas ionizzato in campi elettrici di varia intensità.
Quando la differenza di potenziale tra gli elettrodi raggiunge un certo valore U 3 , la tensione diventa sufficiente affinché il campo elettrico provochi una ionizzazione del gas a valanga. L'energia cinetica degli elettroni liberi è già sufficiente per la ionizzazione per impatto delle molecole. La loro velocità nella maggior parte dei gas è di circa 2000 km/s e superiore (si calcola utilizzando la formula approssimativa v=600 Ui, dove Ui è il potenziale di ionizzazione). In questo momento si verifica la rottura del gas e si verifica un aumento significativo della corrente a causa della fonte di ionizzazione interna. Pertanto, tale scarico è chiamato indipendente.
La presenza di uno ionizzatore esterno in questo caso non ha più alcun ruolo nel mantenimento della corrente elettrica nei gas. Scarico indipendente in condizioni diverse e a varie caratteristiche La sorgente del campo elettrico può avere determinate caratteristiche. Esistono tipi di autoscarica come bagliore, scintilla, arco e corona. Vedremo brevemente come si comporta la corrente elettrica nei gas, per ciascuno di questi tipi.
Per avviare l'autoscarica è sufficiente una differenza di potenziale compresa tra 100 (o anche meno) e 1000 volt. Pertanto, una scarica a bagliore, caratterizzata da un basso valore di corrente (da 10 -5 A a 1 A), avviene a pressioni non superiori a pochi millimetri mercurio.
In un tubo con gas rarefatto ed elettrodi freddi, la scarica luminescente che si forma assomiglia ad un sottile cordone luminoso tra gli elettrodi. Se continui a pompare gas dal tubo, il cavo verrà lavato via e, a pressioni di decimi di millimetro di mercurio, il bagliore riempirà quasi completamente il tubo. Non c'è bagliore vicino al catodo, nel cosiddetto spazio catodico oscuro. Il resto è chiamato colonna positiva. In questo caso i principali processi che garantiscono l'esistenza della scarica sono localizzati proprio nello spazio oscuro del catodo e nell'area ad esso adiacente. Qui, le particelle di gas cariche vengono accelerate, espellendo gli elettroni dal catodo.
In una scarica a bagliore, la causa della ionizzazione è l'emissione di elettroni dal catodo. Gli elettroni emessi dal catodo producono la ionizzazione per impatto delle molecole di gas, gli ioni positivi risultanti causano un'emissione secondaria dal catodo e così via. Il bagliore di una colonna positiva è dovuto principalmente al rilascio di fotoni da parte delle molecole di gas eccitate e diversi gas sono caratterizzati da un bagliore di un certo colore. La colonna positiva partecipa alla formazione della scarica luminescente solo come sezione del circuito elettrico. Se avvicini gli elettrodi, puoi far sparire la colonna positiva, ma la scarica non si fermerà. Tuttavia, riducendo ulteriormente la distanza tra gli elettrodi, la scarica luminescente non può più esistere.
È da notare che per questo tipo di corrente elettrica nei gas la fisica di alcuni processi non è stata ancora del tutto chiarita. Ad esempio, rimane poco chiara la natura delle forze che provocano un'espansione della regione sulla superficie del catodo che prende parte alla scarica all'aumentare della corrente.
Scarica della scintilla
La rottura della scintilla ha una natura pulsata. Si verifica a pressioni vicine alla normale pressione atmosferica, nei casi in cui la potenza della sorgente del campo elettrico è insufficiente per mantenere una scarica stazionaria. L'intensità del campo è elevata e può raggiungere 3 MV/m. Il fenomeno è caratterizzato da un forte aumento della corrente elettrica di scarica nel gas, allo stesso tempo la tensione diminuisce molto rapidamente e la scarica si interrompe. Quindi la differenza potenziale aumenta di nuovo e l'intero processo si ripete.
Con questo tipo di scarica si formano canali di scintilla a breve termine, la cui crescita può iniziare da qualsiasi punto tra gli elettrodi. Ciò è dovuto al fatto che la ionizzazione da impatto avviene in modo casuale nei luoghi in cui questo momentoè concentrato il maggior numero di ioni. Vicino al canale della scintilla, il gas si riscalda rapidamente e subisce un'espansione termica, provocando onde acustiche. Pertanto, la scarica di una scintilla è accompagnata da un suono scoppiettante, nonché dal rilascio di calore e da un bagliore luminoso. Nel canale della scintilla si generano processi di ionizzazione della valanga alta pressione e temperature fino a 10mila gradi e oltre.
L'esempio più eclatante di una scarica di scintilla naturale è il fulmine. Il diametro del canale principale della scintilla del fulmine può variare da pochi centimetri a 4 metri e la lunghezza del canale può raggiungere i 10 km. La forza attuale raggiunge i 500mila ampere e la differenza potenziale tra una nube temporalesca e la superficie della Terra raggiunge un miliardo di volt.
Il fulmine più lungo, lungo 321 km, è stato osservato nel 2007 in Oklahoma, negli Stati Uniti. Il detentore del record per la durata più lunga è stato il fulmine registrato nel 2012 nelle Alpi francesi: è durato oltre 7,7 secondi. Quando viene colpita da un fulmine, l'aria può riscaldarsi fino a 30mila gradi, ovvero 6 volte superiore alla temperatura della superficie visibile del Sole.
Nei casi in cui la potenza della sorgente del campo elettrico è sufficientemente elevata, la scarica a scintilla si sviluppa in una scarica ad arco.
Questo tipo di autoscarica è caratterizzato da un'elevata densità di corrente e da una tensione bassa (inferiore a quella di una scarica a bagliore). La distanza di rottura è breve a causa della vicinanza degli elettrodi. La scarica viene avviata dall'emissione di un elettrone dalla superficie del catodo (per gli atomi di metallo il potenziale di ionizzazione è piccolo rispetto alle molecole di gas). Durante un guasto, tra gli elettrodi si creano le condizioni sotto le quali il gas conduce una corrente elettrica e si verifica una scarica di scintilla, che chiude il circuito. Se la potenza della sorgente di tensione è sufficientemente elevata, le scariche di scintilla si trasformano in un arco elettrico stabile.
La ionizzazione durante una scarica ad arco raggiunge quasi il 100%, la corrente è molto elevata e può variare da 10 a 100 ampere. A pressione atmosferica l'arco può riscaldarsi fino a 5-6mila gradi e il catodo fino a 3mila gradi, il che porta ad un'intensa emissione termoionica dalla sua superficie. Il bombardamento dell'anodo con elettroni porta alla distruzione parziale: su di esso si forma una depressione, un cratere con una temperatura di circa 4000 °C. Un aumento della pressione comporta un aumento ancora maggiore delle temperature.
Quando gli elettrodi vengono separati, la scarica dell'arco rimane stabile fino ad una certa distanza, il che rende possibile combatterla in quelle zone delle apparecchiature elettriche dove è dannosa a causa della corrosione e della bruciatura dei contatti che provoca. Si tratta di dispositivi come alta tensione e interruttori automatici, contattori e altri. Uno dei metodi per combattere gli archi che si verificano quando i contatti si aprono è l'uso di camere di soppressione dell'arco basate sul principio dell'allungamento dell'arco. Vengono utilizzati anche molti altri metodi: bypassare i contatti, utilizzare materiali con un elevato potenziale di ionizzazione e così via.
Lo sviluppo di una scarica corona avviene a pressione atmosferica normale in campi nettamente disomogenei vicino a elettrodi con un'ampia curvatura superficiale. Questi possono essere guglie, alberi, fili, vari elementi di apparecchiature elettriche che hanno forma complessa e persino capelli umani. Un elettrodo di questo tipo è chiamato elettrodo corona. I processi di ionizzazione e, di conseguenza, il bagliore del gas avvengono solo vicino ad esso.
Una corona può formarsi sia sul catodo (corona negativa) quando viene bombardato da ioni, sia sull'anodo (corona positiva) a seguito della fotoionizzazione. La corona negativa, in cui il processo di ionizzazione in seguito all'emissione termica è diretto lontano dall'elettrodo, è caratterizzata da un bagliore uniforme. Nella corona positiva si possono osservare delle stelle filanti: linee luminose di configurazione spezzata che possono trasformarsi in canali di scintilla.
Un esempio di scarica corona in condizioni naturali si verificano sulle punte di alti alberi, sulle cime degli alberi e così via. Si formano in condizioni di elevata intensità del campo elettrico nell'atmosfera, spesso prima di un temporale o durante una bufera di neve. Inoltre, sono stati registrati sulla pelle degli aerei catturati in una nuvola di cenere vulcanica.
La scarica corona sui cavi della linea elettrica porta a significative perdite di elettricità. Ad alte tensioni, una scarica a corona può trasformarsi in una scarica ad arco. Si combatte in vari modi, ad esempio aumentando il raggio di curvatura dei conduttori.
Corrente elettrica nei gas e nel plasma
Un gas completamente o parzialmente ionizzato si chiama plasma ed è considerato il quarto stato della materia. In generale il plasma è elettricamente neutro, poiché la carica totale delle particelle che lo costituiscono è zero. Questo lo distingue da altri sistemi di particelle cariche, come i fasci di elettroni.
In condizioni naturali, il plasma si forma, di regola, a temperature elevate a causa della collisione di atomi di gas ad alta velocità. La stragrande maggioranza della materia barionica nell’Universo si trova nello stato di plasma. Queste sono stelle, parte della materia interstellare, gas intergalattico. Anche la ionosfera terrestre è un plasma rarefatto e debolmente ionizzato.
Il grado di ionizzazione è caratteristica importante le proprietà conduttive del plasma dipendono da questo. Il grado di ionizzazione è definito come il rapporto tra il numero di atomi ionizzati e il numero totale di atomi per unità di volume. Più il plasma è ionizzato, maggiore è la sua conduttività elettrica. Inoltre, è caratterizzato da un'elevata mobilità.
Vediamo, quindi, che i gas che conducono corrente elettrica all'interno del canale di scarica non sono altro che plasma. Pertanto, le scariche a bagliore e corona sono esempi di plasma freddo; un canale di scintilla di un fulmine o un arco elettrico sono esempi di plasma caldo, quasi completamente ionizzato.
Corrente elettrica nei metalli, liquidi e gas: differenze e somiglianze
Consideriamo le caratteristiche che caratterizzano una scarica di gas rispetto alle proprietà della corrente in altri mezzi.
Nei metalli la corrente è il movimento diretto di elettroni liberi, che non comporta cambiamenti chimici. Conduttori di questo tipo sono detti conduttori del primo tipo; Questi includono, oltre ai metalli e alle leghe, il carbone, alcuni sali e ossidi. Si distinguono per la conduttività elettronica.
I conduttori del secondo tipo sono elettroliti, cioè liquidi soluzione acquosa alcali, acidi e sali. Il passaggio di corrente è associato ad un cambiamento chimico nell'elettrolita: l'elettrolisi. Gli ioni di una sostanza disciolta nell'acqua, sotto l'influenza di una differenza di potenziale, si muovono in direzioni opposte: cationi positivi - al catodo, anioni negativi - all'anodo. Il processo è accompagnato dal rilascio di gas o dalla deposizione di uno strato metallico sul catodo. I conduttori del secondo tipo sono caratterizzati da conduttività ionica.
Per quanto riguarda la conduttività dei gas, è, in primo luogo, temporanea e, in secondo luogo, presenta segni di somiglianza e differenza con ciascuno di essi. Pertanto, la corrente elettrica sia negli elettroliti che nei gas è una deriva di particelle con carica opposta dirette verso elettrodi opposti. Tuttavia, mentre gli elettroliti sono caratterizzati da una conduttività puramente ionica, in una scarica di gas con una combinazione di elettronica e tipi ionici conduttività, il ruolo principale spetta agli elettroni. Un'altra differenza tra la corrente elettrica nei liquidi e nei gas è la natura della ionizzazione. In un elettrolita, le molecole di un composto disciolto si dissociano in acqua, ma in un gas le molecole non collassano, ma perdono solo elettroni. Pertanto, una scarica di gas, come una corrente nei metalli, non è associata a cambiamenti chimici.
Anche la corrente nei liquidi e nei gas è diversa. La conduttività degli elettroliti generalmente obbedisce alla legge di Ohm, ma durante una scarica di gas non viene osservata. La caratteristica corrente-tensione dei gas è molto più complessa, associata alle proprietà del plasma.
Vanno inoltre menzionate le caratteristiche generali e peculiari della corrente elettrica nei gas e nel vuoto. Il vuoto è un dielettrico quasi perfetto. "Quasi" - perché nel vuoto, nonostante l'assenza (più precisamente, una concentrazione estremamente bassa) di portatori di carica liberi, è possibile anche una corrente. Ma i potenziali trasportatori sono già presenti nel gas; devono solo essere ionizzati. I portatori di carica vengono introdotti nel vuoto dalla sostanza. Di norma ciò avviene attraverso il processo di emissione di elettroni, ad esempio quando il catodo viene riscaldato (emissione termoionica). Ma anche dentro vari tipi le emissioni di scarico di gas, come abbiamo visto, giocano ruolo importante.
Applicazione delle scariche di gas nella tecnologia
Gli effetti dannosi di alcuni scarichi sono già stati brevemente discussi in precedenza. Ora prestiamo attenzione ai benefici che apportano nell'industria e nella vita di tutti i giorni.
La scarica a bagliore viene utilizzata nell'ingegneria elettrica (stabilizzatori di tensione) e nella tecnologia di rivestimento (metodo di spruzzatura catodica, basato sul fenomeno della corrosione del catodo). In elettronica viene utilizzato per produrre fasci di ioni ed elettroni. I campi di applicazione ampiamente noti della scarica a bagliore sono le lampade fluorescenti e le cosiddette lampade a risparmio energetico e i tubi decorativi a scarica di gas al neon e argon. Inoltre, la scarica a bagliore viene utilizzata nella spettroscopia.
La scarica a scintilla viene utilizzata nei fusibili e nei metodi di scarica elettrica per la lavorazione di precisione dei metalli (taglio a scintilla, perforazione e così via). Ma è meglio conosciuto per il suo utilizzo nelle candele per motori a combustione interna e nel elettrodomestici(stufe a gas).
La scarica ad arco, utilizzata per la prima volta nell'illuminotecnica nel 1876 (candela Yablochkov - "luce russa"), serve ancora come sorgente luminosa, ad esempio nei dispositivi di proiezione e nei potenti proiettori. Nell'ingegneria elettrica, l'arco viene utilizzato nei raddrizzatori al mercurio. Inoltre, viene utilizzato nella saldatura elettrica, nel taglio dei metalli e nei forni elettrici industriali per la fusione di acciaio e leghe.
La scarica corona viene utilizzata nei precipitatori elettrici per la purificazione del gas ionico, nei contatori di particelle, nei parafulmini e nei sistemi di condizionamento dell'aria. La scarica corona funziona anche nelle fotocopiatrici e nelle stampanti laser, dove carica e scarica un tamburo fotosensibile e trasferisce la polvere dal tamburo alla carta.
Pertanto, gli scarichi di gas di tutti i tipi trovano di più ampia applicazione. La corrente elettrica nei gas viene utilizzata con successo ed efficacia in molti campi della tecnologia.
Questo è un breve riassunto.
Il lavoro sulla versione completa continua
Conferenza2 1
Corrente nei gas
1. Disposizioni generali
Definizione: Si chiama il fenomeno della corrente elettrica che passa attraverso i gas scarico di gas.
Il comportamento dei gas dipende fortemente dai suoi parametri, come temperatura e pressione, e questi parametri cambiano abbastanza facilmente. Pertanto, il flusso di corrente elettrica nei gas è più complesso che nei metalli o nel vuoto.
I gas non obbediscono alla legge di Ohm.
2. Ionizzazione e ricombinazione
Gas a condizioni normali, è costituito da molecole praticamente neutre, quindi conduce estremamente male la corrente elettrica. Tuttavia, sotto influenze esterne, un elettrone può essere strappato via da un atomo e appare uno ione carico positivamente. Inoltre, un elettrone può attaccarsi a un atomo neutro e formare uno ione carico negativamente. In questo modo è possibile ottenere un gas ionizzato, cioè plasma.
A influenze esterne includono il riscaldamento, l'irradiazione con fotoni energetici, il bombardamento con altre particelle e campi forti, cioè le stesse condizioni necessarie per l’emissione elementare.
Un elettrone in un atomo si trova in un pozzo di potenziale e per sfuggire da lì l'atomo deve ricevere energia aggiuntiva, chiamata energia di ionizzazione.
|
Sostanza |
Energia di ionizzazione, eV |
|
Atomo di idrogeno |
13,59 |
|
Molecola di idrogeno |
15,43 |
|
Elio |
24,58 |
|
atomo di ossigeno |
13,614 |
|
molecola di ossigeno |
12,06 |
Insieme al fenomeno della ionizzazione si osserva anche il fenomeno della ricombinazione, cioè la combinazione di un elettrone e uno ione positivo per formare un atomo neutro. Questo processo avviene con il rilascio di energia pari all'energia di ionizzazione. Questa energia può essere utilizzata per radiazioni o riscaldamento. Il riscaldamento locale del gas porta ad una variazione locale della pressione. Il che a sua volta porta all'apparenza onde sonore. Pertanto, la scarica di gas è accompagnata da effetti luminosi, termici e acustici.
3. Caratteristiche corrente-tensione di una scarica di gas.
SU fasi inizialiè necessario uno ionizzatore esterno.
Nella sezione OAW la corrente esiste sotto l'influenza di uno ionizzatore esterno e raggiunge rapidamente la saturazione quando tutte le particelle ionizzate partecipano alla formazione della corrente. Se si rimuove lo ionizzatore esterno, la corrente si interrompe.
Questo tipo di scarico è chiamato scarico di gas non autosufficiente. Quando si tenta di aumentare la tensione nel gas, compaiono valanghe di elettroni e la corrente aumenta a una tensione quasi costante, chiamata tensione di accensione (IC).
Da questo momento in poi la scarica diventa indipendente e non c'è più bisogno di uno ionizzatore esterno. Il numero di ioni può diventare così grande che la resistenza dello spazio interelettrodico diminuisce e la tensione (VSD) diminuisce di conseguenza.
Quindi, nello spazio interelettrodico, l'area in cui passa la corrente inizia a restringersi e la resistenza aumenta, e quindi la tensione (MU) aumenta.
Quando provi ad aumentare la tensione, il gas diventa completamente ionizzato. La resistenza e la tensione scendono a zero e la corrente aumenta molte volte. Il risultato è una scarica ad arco (EF).
La caratteristica corrente-tensione mostra che il gas non obbedisce affatto alla legge di Ohm.
4. Processi in gas
Processi che possono portano alla formazione delle valanghe di elettroni mostrate sull'immagine.
Questi sono gli elementi della teoria qualitativa di Townsend.
5. Scarica a incandescenza.
A basse pressioni e a basse tensioni si può osservare questa scarica.
K – 1 (spazio Aston scuro).
1 – 2 (pellicola catodica luminosa).
2 – 3 (spazio Crookes scuro).
3 – 4 (primo bagliore del catodo).
4 – 5 (spazio di Faraday oscuro)
5 – 6 (colonna dell'anodo positivo).
6 – 7 (spazio oscuro dell'anodo).
7 – A (bagliore anodico).
Se si rende mobile l'anodo, è possibile regolare la lunghezza della colonna positiva senza praticamente modificare le dimensioni della regione K – 5.
Nelle aree scure, le particelle accelerano e acquistano energia; nelle aree luminose si verificano processi di ionizzazione e ricombinazione.
Argomenti del codificatore dell'Esame di Stato Unificato: portatori di cariche elettriche libere nei gas.
In condizioni ordinarie, i gas sono costituiti da atomi o molecole elettricamente neutri; Non ci sono quasi costi gratuiti nei gas. Quindi i gas sono dielettrici- la corrente elettrica non li attraversa.
Abbiamo detto “quasi nessuno” perché infatti i gas e, in particolare, l'aria contengono sempre una certa quantità di particelle cariche libere. Appaiono come risultato degli effetti ionizzanti delle radiazioni delle sostanze radioattive che compongono la crosta terrestre, delle radiazioni ultraviolette e dei raggi X del Sole, nonché dei raggi cosmici - flussi di particelle ad alta energia che penetrano nell'atmosfera terrestre dall'esterno spazio. Successivamente torneremo su questo fatto e ne discuteremo l'importanza, ma per ora noteremo solo che in condizioni normali la conduttività dei gas, causata dalla quantità “naturale” di cariche libere, è trascurabile e può essere ignorata.
L'azione degli interruttori nei circuiti elettrici si basa sulle proprietà isolanti del traferro (Fig. 1). Per aprire, ad esempio, è sufficiente una piccola fessura d'aria in un interruttore della luce circuito elettrico nella tua stanza.
Riso. 1 chiave
È tuttavia possibile creare le condizioni in cui si forma una corrente elettrica nello spazio gassoso. Consideriamo la seguente esperienza.
Carichiamo le piastre del condensatore ad aria e colleghiamole a un galvanometro sensibile (Fig. 2, a sinistra). A temperatura ambiente e con aria non troppo umida, il galvanometro non mostrerà alcuna corrente apprezzabile: il nostro traferro, come abbiamo detto, non è un conduttore di elettricità.
Riso. 2. La comparsa di corrente nell'aria
Ora portiamo un bruciatore o la fiamma di una candela nello spazio tra le piastre del condensatore (Fig. 2, a destra). Appare la corrente! Perché?
Spese gratuite per il gas
La presenza di corrente elettrica tra le piastre del condensatore significa che nell'aria sotto l'influenza di una fiamma è apparsa spese gratuite. Quali esattamente?
L'esperienza dimostra che la corrente elettrica nei gas è il movimento ordinato di particelle cariche tre tipi. Questo elettroni, ioni positivi E ioni negativi.
Scopriamo come possono apparire queste cariche nel gas.
All'aumentare della temperatura di un gas, le vibrazioni termiche delle sue particelle - molecole o atomi - diventano più intense. La collisione delle particelle l'una contro l'altra raggiunge una forza tale da iniziare ionizzazione- decadimento delle particelle neutre in elettroni e ioni positivi (Fig. 3).
Riso. 3. Ionizzazione
Grado di ionizzazioneè il rapporto tra il numero di particelle di gas decaduto e il numero totale iniziale di particelle. Ad esempio, se il grado di ionizzazione è uguale a , ciò significa che le particelle di gas originali si sono scomposte in ioni positivi ed elettroni.
Il grado di ionizzazione del gas dipende dalla temperatura e aumenta notevolmente con la temperatura. Per l'idrogeno, ad esempio, a una temperatura inferiore, il grado di ionizzazione non supera , e a una temperatura superiore, il grado di ionizzazione è vicino a (cioè l'idrogeno è quasi completamente ionizzato (un gas parzialmente o completamente ionizzato è chiamato plasma)).
Oltre all’alta temperatura, ci sono altri fattori che causano la ionizzazione del gas.
Li abbiamo già menzionati di passaggio: si tratta di radiazioni radioattive, ultravioletti, raggi X e raggi gamma, particelle cosmiche. Viene chiamato qualsiasi fattore che causa la ionizzazione di un gas ionizzatore.
Pertanto, la ionizzazione non avviene da sola, ma sotto l'influenza di uno ionizzatore.
Allo stesso tempo avviene il processo inverso: ri combinazione, cioè la riunificazione di un elettrone e uno ione positivo in una particella neutra (Fig. 4).
Riso. 4. Ricombinazione
Il motivo della ricombinazione è semplice: è l'attrazione di Coulomb di elettroni e ioni con carica opposta. Correndo l'uno verso l'altro sotto l'influenza di forze elettriche, si incontrano e sono in grado di formare un atomo neutro (o una molecola, a seconda del tipo di gas).
A intensità costante dell'azione dello ionizzatore, si stabilisce un equilibrio dinamico: il numero medio di particelle che decadono nell'unità di tempo è uguale al numero medio di particelle ricombinanti (in altre parole, la velocità di ionizzazione è uguale alla velocità di ricombinazione). l'azione dello ionizzatore viene aumentata (ad esempio, aumentando la temperatura), quindi l'equilibrio dinamico si sposterà dalla parte della ionizzazione e la concentrazione di particelle cariche nel gas aumenterà. Al contrario, se si spegne lo ionizzatore, la ricombinazione inizierà a prevalere e le cariche libere gradualmente scompariranno completamente.
Quindi, ioni positivi ed elettroni compaiono nel gas come risultato della ionizzazione. Da dove viene il terzo tipo di carica: gli ioni negativi? È molto semplice: un elettrone può colpire un atomo neutro e attaccarsi ad esso! Questo processo è mostrato in Fig. 5 .
Riso. 5. L'aspetto di uno ione negativo
Gli ioni negativi così formati parteciperanno alla creazione di corrente insieme agli ioni positivi e agli elettroni.
Dimissioni non autosufficienti
Se non c'è campo elettrico esterno, le cariche libere si comportano in modo caotico movimento termico insieme alle particelle di gas neutro. Ma quando viene applicato un campo elettrico, inizia il movimento ordinato delle particelle cariche. corrente elettrica nel gas.
Riso. 6. Dimissioni non autosufficienti
Nella fig. 6 vediamo tre tipi di particelle cariche che si formano nel gap gassoso sotto l'azione di uno ionizzatore: ioni positivi, ioni negativi ed elettroni. Una corrente elettrica in un gas si forma a seguito del contromovimento di particelle cariche: ioni positivi - all'elettrodo negativo (catodo), elettroni e ioni negativi - all'elettrodo positivo (anodo).
Gli elettroni, colpendo l'anodo positivo, vengono diretti attraverso il circuito verso il "più" della sorgente di corrente. Gli ioni negativi cedono un elettrone in più all'anodo e, diventando particelle neutre, ritornano nel gas; anche l'elettrone dato all'anodo si precipita verso il “più” della sorgente. Gli ioni positivi, arrivando al catodo, prendono da lì gli elettroni; il conseguente deficit di elettroni al catodo viene immediatamente compensato dal loro apporto dalla sorgente “meno”. Come risultato di questi processi, nel circuito esterno si verifica un movimento ordinato di elettroni. Questa è la corrente elettrica registrata dal galvanometro.
Il processo descritto mostrato in Fig. 6, chiamato non autoscarica nel gas. Perché dipendente? Pertanto, per mantenerlo, è necessario il funzionamento costante dello ionizzatore. Rimuoviamo lo ionizzatore e la corrente si fermerà, poiché il meccanismo che garantisce la comparsa di cariche libere nell'intercapedine del gas scomparirà. Lo spazio tra l'anodo e il catodo diventerà nuovamente un isolante.
Caratteristiche corrente-tensione della scarica di gas
La dipendenza della corrente attraverso il traferro dalla tensione tra anodo e catodo (il cosiddetto caratteristica corrente-tensione della scarica di gas) è mostrato in Fig. 7.
Riso. 7. Caratteristiche corrente-tensione della scarica di gas
A tensione zero, l'intensità della corrente è naturalmente pari a zero: le particelle cariche eseguono solo movimento termico, non esiste movimento ordinato tra gli elettrodi.
Quando la tensione è bassa, anche la corrente è bassa. Il fatto è che non tutte le particelle cariche sono destinate a raggiungere gli elettrodi: alcuni ioni positivi ed elettroni si trovano e si ricombinano durante il loro movimento.
All’aumentare della tensione, le cariche libere si sviluppano sempre più velocemente e diminuiscono le possibilità che uno ione positivo e un elettrone si incontrino e si ricombinino. Pertanto, una parte crescente delle particelle cariche raggiunge gli elettrodi e la corrente aumenta (sezione ).
A un certo valore di tensione (punto), la velocità del movimento della carica diventa così elevata che la ricombinazione non ha il tempo di verificarsi. Da ora in poi Tutto le particelle cariche formate sotto l'azione dello ionizzatore raggiungono gli elettrodi e la corrente raggiunge la saturazione- vale a dire, la forza attuale cessa di cambiare con l'aumentare della tensione. Ciò accadrà fino a un certo punto.
Autoscarica
Dopo aver superato il punto, la forza della corrente aumenta bruscamente con l'aumentare della tensione: il categoria indipendente. Ora scopriremo di cosa si tratta.
Le particelle di gas cariche si spostano da una collisione all'altra; negli intervalli tra gli urti vengono accelerati dal campo elettrico, aumentando la loro energia cinetica. E così, quando la tensione diventa sufficientemente grande (quello stesso punto), gli elettroni nel loro percorso libero raggiungono energie tali che quando collidono con gli atomi neutri li ionizzano! (Utilizzando le leggi di conservazione della quantità di moto e dell'energia, si può dimostrare che sono gli elettroni (non gli ioni) accelerati da un campo elettrico ad avere la massima capacità di ionizzare gli atomi.)
Il cosidetto Ionizzazione per impatto elettronico. Anche gli elettroni espulsi dagli atomi ionizzati vengono accelerati dal campo elettrico e si scontrano con nuovi atomi, ionizzandoli e generando nuovi elettroni. Come risultato della valanga di elettroni risultante, il numero di atomi ionizzati aumenta rapidamente, di conseguenza anche l'intensità della corrente aumenta rapidamente.
Il numero di cariche gratuite diventa così grande che scompare la necessità di uno ionizzatore esterno. Puoi semplicemente rimuoverlo. Di conseguenza vengono ora generate particelle cariche libere interno processi che si verificano nel gas: ecco perché lo scarico è chiamato indipendente.
Se il gap di gas è sotto alta tensione, non è necessario lo ionizzatore per l'autoscarica. È sufficiente avere un solo elettrone libero nel gas e inizierà la valanga di elettroni sopra descritta. E ci sarà sempre almeno un elettrone libero!
Ricordiamo ancora una volta che nel gas, anche in condizioni normali, è presente una certa quantità “naturale” di cariche libere, dovute alla radiazione radioattiva ionizzante della crosta terrestre, alla radiazione ad alta frequenza del Sole e ai raggi cosmici. Abbiamo visto che a basse tensioni la conduttività del gas causata da queste cariche libere è trascurabile, ma ora - ad alte tensioni - esse genereranno una valanga di nuove particelle, dando origine ad una scarica indipendente. Accadrà, come si suol dire, guasto gap di gas.
L'intensità di campo richiesta per la decomposizione dell'aria secca è di circa kV/cm. In altre parole, affinché la scintilla possa saltare tra gli elettrodi separati da un centimetro d'aria, è necessario applicare loro una tensione di kilovolt. Immagina la tensione necessaria per sfondare diversi chilometri d'aria! Ma sono proprio questi guasti che si verificano durante un temporale: questi sono fulmini, a te ben noti.