In condizioni normali i gas non conducono elettricità perché le loro molecole sono elettricamente neutre. Ad esempio, l'aria secca è un buon isolante, come abbiamo potuto verificare con i più semplici esperimenti sull'elettrostatica. Tuttavia, l'aria e altri gas diventano conduttori di corrente elettrica se in essi vengono creati ioni in un modo o nell'altro.
Riso. 100. L'aria diventa un conduttore di corrente elettrica se è ionizzata
L'esperimento più semplice che illustra la conduttività dell'aria durante la sua ionizzazione da parte di una fiamma è mostrato in Fig. 100: La carica sulle lastre, che permane a lungo, scompare rapidamente quando un fiammifero acceso viene introdotto nello spazio tra le lastre.
Scarico del gas. Il processo di passaggio di una corrente elettrica attraverso un gas è solitamente chiamato scarica di gas (o scarica elettrica in un gas). Gli scarichi di gas si dividono in due tipologie: indipendenti e non autosufficienti.
Categoria non autosufficiente. Una scarica in un gas è chiamata non autosufficiente se è necessaria una fonte esterna per mantenerla.
ionizzazione. Gli ioni in un gas possono formarsi sotto l'influenza di alte temperature, raggi X e radiazioni ultraviolette, radioattività, raggi cosmici, ecc. In tutti questi casi, uno o più elettroni vengono rilasciati dal guscio elettronico di un atomo o di una molecola. Di conseguenza, nel gas compaiono ioni positivi ed elettroni liberi. Gli elettroni rilasciati possono unire atomi o molecole neutri, trasformandoli in ioni negativi.
Ionizzazione e ricombinazione. Insieme ai processi di ionizzazione nel gas, si verificano anche processi di ricombinazione inversa: quando combinati, ioni positivi e negativi o ioni positivi ed elettroni formano molecole o atomi neutri.
La variazione della concentrazione ionica nel tempo, dovuta a una fonte costante di processi di ionizzazione e ricombinazione, può essere descritta come segue. Supponiamo che la sorgente di ionizzazione crei ioni positivi per unità di volume di gas per unità di tempo e lo stesso numero di elettroni. Se non c'è corrente elettrica nel gas e si può trascurare la fuoriuscita di ioni dal volume considerato per diffusione, allora l'unico meccanismo per ridurre la concentrazione di ioni sarà la ricombinazione.
La ricombinazione avviene quando uno ione positivo incontra un elettrone. Il numero di tali incontri è proporzionale sia al numero di ioni che al numero di elettroni liberi, cioè proporzionale a . Pertanto, la diminuzione del numero di ioni per unità di volume per unità di tempo può essere scritta come , dove a è un valore costante chiamato coefficiente di ricombinazione.
Sotto la validità delle ipotesi introdotte, l'equazione di bilancio per gli ioni in un gas può essere scritta nella forma
Non risolveremo questa equazione differenziale in modo generale, ma considereremo alcuni interessanti casi speciali.
Innanzitutto notiamo che i processi di ionizzazione e ricombinazione dopo qualche tempo dovrebbero compensarsi a vicenda e si stabilirà una concentrazione costante nel gas, si può vedere che a
La concentrazione ionica stazionaria è maggiore, più potente è la sorgente di ionizzazione e minore è il coefficiente di ricombinazione a.
Dopo aver spento lo ionizzatore, la diminuzione della concentrazione di ioni è descritta dall'equazione (1), in cui è necessario prendere come valore iniziale della concentrazione
Riscrivendo questa equazione nella forma dopo l'integrazione, otteniamo
Il grafico di questa funzione è mostrato in Fig. 101. Si tratta di un'iperbole, i cui asintoti sono l'asse del tempo e la retta verticale.Naturalmente, ha significato fisico solo la porzione dell'iperbole corrispondente ai valori.qualsiasi grandezza è proporzionale alla prima potenza del valore istantaneo di questa grandezza.
Riso. 101. La diminuzione della concentrazione di ioni nel gas dopo aver spento la sorgente di ionizzazione
Non autoconduzione. Il processo di diminuzione della concentrazione di ioni dopo la cessazione dell'azione dello ionizzatore viene notevolmente accelerato se il gas si trova all'esterno campo elettrico. Tirando elettroni e ioni sugli elettrodi, il campo elettrico può annullare molto rapidamente la conduttività elettrica del gas in assenza di uno ionizzatore.
Per comprendere le leggi di una scarica non autosufficiente, consideriamo per semplicità il caso in cui la corrente in un gas ionizzato da una sorgente esterna scorre tra due elettrodi piatti paralleli tra loro. In questo caso, gli ioni e gli elettroni si trovano in un campo elettrico uniforme di intensità E, pari al rapporto tra la tensione applicata agli elettrodi e la distanza tra loro.
Mobilità di elettroni e ioni. Con una tensione applicata costante, nel circuito viene stabilita una certa intensità di corrente costante 1. Ciò significa che gli elettroni e gli ioni in un gas ionizzato si muovono a velocità costanti. Per spiegare questo fatto, dobbiamo supporre che oltre alla costante forza di accelerazione del campo elettrico, gli ioni e gli elettroni in movimento siano influenzati da forze di resistenza che aumentano con l'aumentare della velocità. Queste forze descrivono l'effetto medio delle collisioni di elettroni e ioni con atomi neutri e molecole di gas. Attraverso le forze della resistenza
si stabiliscono velocità medie costanti di elettroni e ioni, proporzionali all'intensità E del campo elettrico:
I coefficienti di proporzionalità sono chiamati mobilità degli elettroni e degli ioni. Le mobilità di ioni ed elettroni hanno significati diversi e dipendono dal tipo di gas, dalla sua densità, temperatura, ecc.
La densità di corrente elettrica, cioè la carica trasportata da elettroni e ioni per unità di tempo attraverso un'area unitaria, è espressa in termini di concentrazione di elettroni e ioni, le loro cariche e la velocità del moto stazionario
Quasi neutralità. In condizioni normali, un gas ionizzato nel suo insieme è elettricamente neutro, o, come si dice, quasi neutro, perché in piccoli volumi contenenti un numero relativamente piccolo di elettroni e ioni, la condizione di neutralità elettrica può essere violata. Ciò significa che la relazione
Densità di corrente a scarica non autosostenuta. Per ottenere la legge del cambiamento della concentrazione dei portatori di corrente nel tempo durante una scarica non autosostenuta in un gas, è necessario, insieme ai processi di ionizzazione da parte di una fonte esterna e ricombinazione, tenere conto del fuga di elettroni e ioni verso gli elettrodi. Il numero di particelle che escono per unità di tempo per area elettrodo dal volume è uguale al tasso di diminuzione della concentrazione di tali particelle, otteniamo dividendo questo numero per il volume di gas tra gli elettrodi. Pertanto, l'equazione di bilancio invece di (1) in presenza di corrente verrà scritta nella forma
Per stabilire il regime, quando da (8) si ottiene
L'equazione (9) consente di trovare la dipendenza della densità di corrente stazionaria in una scarica non autosostenuta dalla tensione applicata (o dall'intensità di campo E).
Due casi limite sono direttamente visibili.
Legge di Ohm. A bassa tensione, quando nell'equazione (9) possiamo trascurare il secondo termine a destra, dopodiché otteniamo le formule (7), abbiamo
La densità di corrente è proporzionale all'intensità del campo elettrico applicato. Pertanto, per una scarica di gas non autosufficiente in campi elettrici deboli, la legge di Ohm è soddisfatta.
Corrente di saturazione. A bassa concentrazione di elettroni e ioni nell'equazione (9), possiamo trascurare il primo (quadratico in termini di termini sul lato destro. In questa approssimazione, il vettore di densità di corrente è diretto lungo l'intensità del campo elettrico e il suo modulo
non dipende dalla tensione applicata. Questo risultato è valido per forti campi elettrici. In questo caso si parla di corrente di saturazione.
Entrambi i casi limite considerati possono essere esaminati senza fare riferimento all'equazione (9). Tuttavia, in questo modo è impossibile tracciare come, all'aumentare della tensione, avvenga il passaggio dalla legge di Ohm ad una dipendenza non lineare della corrente dalla tensione.
Nel primo caso limite, quando la corrente è molto piccola, il meccanismo principale per rimuovere elettroni e ioni dalla regione di scarica è la ricombinazione. Pertanto, per la concentrazione stazionaria, si può usare l'espressione (2) che, tenuto conto della (7), dà immediatamente la formula (10). Nel secondo caso limite, invece, la ricombinazione è trascurata. In un forte campo elettrico, gli elettroni e gli ioni non hanno il tempo di ricombinarsi sensibilmente durante il volo da un elettrodo all'altro se la loro concentrazione è sufficientemente bassa. Quindi tutti gli elettroni e gli ioni formati dalla sorgente esterna raggiungono gli elettrodi e la densità di corrente totale è pari a È proporzionale alla lunghezza della camera di ionizzazione, poiché numero totale prodotto dallo ionizzatore di elettroni e ioni in proporzione a I.
Studio sperimentale della scarica di gas. Le conclusioni della teoria della scarica di gas non autosufficiente sono confermate da esperimenti. Per studiare una scarica in un gas è conveniente utilizzare un tubo di vetro con due elettrodi metallici. Schema elettrico una tale configurazione è mostrata in Fig. 102. Mobilità
elettroni e ioni dipendono fortemente dalla pressione del gas (inversamente proporzionale alla pressione), quindi è conveniente effettuare esperimenti a pressione ridotta.
Sulla fig. 103 mostra la dipendenza della corrente I nel tubo dalla tensione applicata agli elettrodi del tubo La ionizzazione nel tubo può essere creata, ad esempio, dai raggi X o dai raggi ultravioletti, oppure utilizzando un debole preparato radioattivo. È solo essenziale che la sorgente ionica esterna rimanga invariata.
Riso. 102. Schema di un impianto per lo studio di una scarica di gas
Riso. 103. Caratteristica sperimentale corrente-tensione di una scarica di gas
Nella sezione, l'intensità della corrente dipende in modo non lineare dalla tensione. Partendo dal punto B, la corrente raggiunge la saturazione e rimane costante per una certa distanza, il tutto in accordo con le previsioni teoriche.
Auto rango. Tuttavia, nel punto C, la corrente ricomincia ad aumentare, dapprima lentamente e poi molto bruscamente. Ciò significa che nel gas è apparsa una nuova fonte interna di ioni. Se ora rimuoviamo la fonte esterna, allora la scarica nel gas non si ferma, cioè passa da una scarica non autosufficiente a una indipendente. Con un'autoscarica, la formazione di nuovi elettroni e ioni avviene a seguito di processi interni al gas stesso.
Ionizzazione per impatto elettronico. L'aumento di corrente durante il passaggio da una scarica non autosostenuta a una indipendente avviene come una valanga e si chiama rottura elettrica del gas. La tensione alla quale si verifica la rottura è chiamata tensione di accensione. Dipende dal tipo di gas e dal prodotto della pressione del gas per la distanza tra gli elettrodi.
I processi nel gas responsabili dell'aumento simile a una valanga dell'intensità della corrente con l'aumento della tensione applicata sono associati alla ionizzazione di atomi neutri o molecole del gas da parte di elettroni liberi accelerati dal campo elettrico a una quantità sufficiente
grandi energie. L'energia cinetica di un elettrone prima della successiva collisione con un atomo o una molecola neutri è proporzionale all'intensità del campo elettrico E e al percorso libero dell'elettrone X:
Se questa energia è sufficiente per ionizzare un atomo o una molecola neutra, cioè supera il lavoro di ionizzazione
poi quando un elettrone si scontra con un atomo o una molecola, vengono ionizzati. Di conseguenza, appaiono due elettroni invece di uno. A loro volta, vengono accelerati da un campo elettrico e ionizzano gli atomi o le molecole incontrati lungo il loro cammino, ecc. Il processo si sviluppa come una valanga ed è chiamato valanga di elettroni. Il meccanismo di ionizzazione descritto è chiamato ionizzazione per impatto elettronico.
Una prova sperimentale che la ionizzazione degli atomi di gas neutri avviene principalmente a causa degli impatti degli elettroni, e non degli ioni positivi, è stata data da J. Townsend. Prese una camera di ionizzazione sotto forma di un condensatore cilindrico, il cui elettrodo interno era un sottile filo metallico teso lungo l'asse del cilindro. In una tale camera, il campo elettrico in accelerazione è altamente disomogeneo e il ruolo principale nella ionizzazione è svolto dalle particelle che entrano nella regione del campo più forte vicino al filamento. L'esperienza mostra che a parità di tensione tra gli elettrodi, la corrente di scarica è maggiore quando il potenziale positivo è applicato al filamento e non al cilindro esterno. È in questo caso che tutti gli elettroni liberi che creano corrente passano necessariamente attraverso la regione del campo più forte.
Emissione di elettroni dal catodo. Una scarica autosostenuta può essere stazionaria solo sotto la condizione aspetto permanente nel gas di nuovi elettroni liberi, poiché tutti gli elettroni derivanti dalla valanga raggiungono l'anodo e vengono eliminati dal gioco. Nuovi elettroni vengono espulsi dal catodo da ioni positivi che, muovendosi verso il catodo, vengono anch'essi accelerati dal campo elettrico e acquisiscono energia sufficiente per questo.
Il catodo può emettere elettroni non solo come risultato del bombardamento ionico, ma anche indipendentemente, quando viene riscaldato ad alta temperatura. Questo processo è chiamato emissione termoionica, può essere considerato come una sorta di evaporazione degli elettroni dal metallo. Di solito si verifica a tali temperature, quando l'evaporazione del materiale catodico stesso è ancora piccola. Nel caso di una scarica di gas autosostenuta, il catodo viene solitamente riscaldato senza
filamento, come nei tubi a vuoto, ma a causa del rilascio di calore quando bombardato da ioni positivi. Pertanto, il catodo emette elettroni anche quando l'energia degli ioni è insufficiente per abbattere gli elettroni.
Una scarica autosostenuta in un gas si verifica non solo a seguito di una transizione da una non autosufficiente con un aumento di tensione e la rimozione di una sorgente di ionizzazione esterna, ma anche con l'applicazione diretta di una tensione superiore al tensione di soglia di accensione. La teoria mostra che la più piccola quantità di ioni, che sono sempre presenti in un gas neutro, se non altro per il fondo radioattivo naturale, è sufficiente per innescare la scarica.
A seconda delle proprietà e della pressione del gas, della configurazione degli elettrodi e della tensione applicata agli elettrodi, diversi tipi rango indipendente.
Scarico fumante. A basse pressioni(decimi e centesimi di millimetro colonna di mercurio) si osserva una scarica luminescente nel tubo. Per accendere una scarica luminescente è sufficiente una tensione di diverse centinaia o addirittura decine di volt. Si possono distinguere quattro regioni caratteristiche nella scarica luminescente. Questi sono lo spazio del catodo oscuro, il bagliore (o negativo), lo spazio oscuro di Faraday e la colonna luminosa positiva che occupa la maggior parte dello spazio tra l'anodo e il catodo.
Le prime tre regioni si trovano vicino al catodo. È qui che si verifica un forte calo del potenziale, associato a una grande concentrazione di ioni positivi al confine dello spazio oscuro del catodo e al bagliore ardente. Gli elettroni accelerati nella regione dello spazio oscuro del catodo producono un'intensa ionizzazione da impatto nella regione del bagliore. Il bagliore fumante è dovuto alla ricombinazione di ioni ed elettroni in atomi o molecole neutri. La colonna positiva della scarica è caratterizzata da una leggera caduta di potenziale e da un bagliore causato dal ritorno allo stato fondamentale di atomi o molecole eccitate del gas.
Scarica corona. A pressioni relativamente elevate nel gas (dell'ordine della pressione atmosferica), in prossimità delle sezioni appuntite del conduttore, dove il campo elettrico è fortemente disomogeneo, si osserva una scarica la cui regione luminosa ricorda una corona. La scarica a corona a volte si verifica in vivo sulle cime degli alberi, alberi delle navi, ecc. ("Fuochi di Sant'Elmo"). La scarica a corona deve essere considerata nell'ingegneria dell'alta tensione quando questa scarica si verifica attorno ai fili delle linee elettriche ad alta tensione e porta a perdite di potenza. La scarica a corona trova un'utile applicazione pratica nei precipitatori elettrostatici per la pulizia gas industriali da impurità di particelle solide e liquide.
Con un aumento della tensione tra gli elettrodi, la scarica a corona si trasforma in una scintilla con una completa rottura dello spazio tra
elettrodi. Ha la forma di un raggio di luminosi canali ramificati a zigzag, che penetrano istantaneamente nello spazio di scarica e si sostituiscono capricciosamente l'un l'altro. La scarica della scintilla è accompagnata dal rilascio di una grande quantità di calore, un bagliore bianco-bluastro brillante e un forte scoppiettio. Può essere osservato tra le sfere della macchina dell'elettroforo. Un esempio di scarica di scintilla gigante è il fulmine naturale, dove la forza attuale raggiunge 5-105 A e la differenza potenziale è 109 V.
Poiché la scarica della scintilla avviene a pressione atmosferica (e superiore), la tensione di accensione è molto alta: in aria secca, con una distanza tra gli elettrodi di 1 cm, è di circa 30 kV.
Arco elettrico. Un tipo specifico praticamente importante di scarica di gas indipendente è un arco elettrico. Quando due elettrodi di carbonio o metallo entrano in contatto, una grande quantità di calore viene rilasciata nel punto di contatto a causa dell'elevata resistenza di contatto. Di conseguenza, inizia l'emissione termoionica e quando gli elettrodi vengono allontanati tra di loro, un arco luminoso nasce da un gas altamente ionizzato e ben conduttore. La forza attuale anche in un piccolo arco raggiunge diversi ampere e in un arco grande - diverse centinaia di ampere a una tensione di circa 50 V. L'arco elettrico è ampiamente utilizzato nella tecnologia come potente fonte di luce, nei forni elettrici e per la saldatura elettrica . un debole campo ritardante con una tensione di circa 0,5 V. Questo campo impedisce agli elettroni lenti di raggiungere l'anodo. Gli elettroni vengono emessi dal catodo K riscaldato dalla corrente elettrica.
Sulla fig. 105 mostra la dipendenza dell'intensità di corrente nel circuito anodico dalla tensione di accelerazione ottenuta in questi esperimenti.Questa dipendenza ha un carattere non monotono con massimi a tensioni multiple di 4,9 V.
Discretezza dei livelli di energia atomica. Questa dipendenza della corrente dalla tensione può essere spiegata solo dalla presenza di stati stazionari discreti negli atomi di mercurio. Se l'atomo non avesse stati stazionari discreti, cioè il suo Energia interna potrebbe assumere qualsiasi valore, quindi collisioni anelastiche, accompagnate da un aumento dell'energia interna dell'atomo, potrebbero verificarsi a qualsiasi energia dell'elettrone. Se ci sono stati discreti, allora le collisioni di elettroni con atomi possono essere solo elastiche, fintanto che l'energia degli elettroni è insufficiente per trasferire l'atomo dallo stato fondamentale allo stato eccitato più basso.
Durante le collisioni elastiche, l'energia cinetica degli elettroni praticamente non cambia, poiché la massa di un elettrone è molto inferiore alla massa di un atomo di mercurio. In queste condizioni, il numero di elettroni che raggiungono l'anodo aumenta in modo monotono con l'aumentare della tensione. Quando la tensione di accelerazione raggiunge 4,9 V, le collisioni di elettroni con atomi diventano anelastiche. L'energia interna degli atomi aumenta bruscamente e l'elettrone perde quasi tutta la sua energia cinetica a causa della collisione.
Il campo ritardante inoltre non consente agli elettroni lenti di raggiungere l'anodo e la corrente diminuisce bruscamente. Non svanisce solo perché alcuni degli elettroni raggiungono la griglia senza subire collisioni anelastiche. Il secondo e i successivi massimi dell'intensità di corrente si ottengono perché a tensioni multiple di 4,9 V, gli elettroni nel loro percorso verso la griglia possono subire diverse collisioni anelastiche con gli atomi di mercurio.
Quindi, l'elettrone acquisisce l'energia necessaria per l'urto anelastico solo dopo aver attraversato una differenza di potenziale di 4,9 V. Ciò significa che l'energia interna degli atomi di mercurio non può cambiare di una quantità inferiore a eV, il che dimostra la discretezza dello spettro energetico di un atomo. La validità di questa conclusione è confermata anche dal fatto che a una tensione di 4,9 V la scarica inizia a brillare: atomi eccitati durante
le transizioni allo stato fondamentale emettono luce visibile, la cui frequenza coincide con quella calcolata dalla formula
Negli esperimenti classici di Frank e Hertz, il metodo dell'impatto elettronico determinava non solo i potenziali di eccitazione, ma anche i potenziali di ionizzazione di un certo numero di atomi.
Fai un esempio di un esperimento elettrostatico che dimostri che l'aria secca è un buon isolante.
Dove sono le proprietà isolanti dell'aria utilizzate in ingegneria?
Cos'è una scarica di gas non autosufficiente? In quali condizioni funziona?
Spiega perché la velocità di diminuzione della concentrazione dovuta alla ricombinazione è proporzionale al quadrato della concentrazione di elettroni e ioni. Perché queste concentrazioni possono essere considerate uguali?
Perché non ha senso che la legge della concentrazione decrescente espressa dalla formula (3) introduca il concetto di tempo caratteristico, ampiamente utilizzato per i processi a decadimento esponenziale, sebbene in entrambi i casi i processi continuino, in generale, per un tempo infinitamente lungo? tempo?
Perché pensi che i segni opposti siano scelti nelle definizioni di mobilità nelle formule (4) per elettroni e ioni?
In che modo l'intensità di corrente in una scarica di gas non autosufficiente dipende dalla tensione applicata? Perché il passaggio dalla legge di Ohm alla corrente di saturazione avviene all'aumentare della tensione?
La corrente elettrica in un gas è trasportata sia da elettroni che da ioni. Tuttavia, cariche di un solo segno arrivano a ciascuno degli elettrodi. In che modo ciò concorda con il fatto che in tutte le sezioni di un circuito in serie l'intensità di corrente è la stessa?
Perché nella ionizzazione del gas in una scarica dovuta a collisioni grande ruolo giocano gli elettroni, non gli ioni positivi?
Descrivere caratteristiche vari tipi di scarico del gas indipendente.
Perché i risultati degli esperimenti di Frank e Hertz testimoniano la discretezza dei livelli energetici degli atomi?
Descrivere processi fisici che si verificano nel tubo a scarica di gas negli esperimenti di Frank e Hertz, con un aumento della tensione di accelerazione.
Non ci sono dielettrici assoluti in natura. Il movimento ordinato delle particelle - portatori di carica elettrica - cioè corrente, può essere provocato in qualsiasi mezzo, ma ciò richiede condizioni speciali. Considereremo qui come procedono i fenomeni elettrici nei gas e come un gas può essere trasformato da un ottimo dielettrico in un ottimo conduttore. Saremo interessati alle condizioni in cui si presenta, e anche a quali caratteristiche è caratterizzata la corrente elettrica nei gas.
Proprietà elettriche dei gas
Un dielettrico è una sostanza (mezzo) in cui la concentrazione di particelle - portatrici libere di carica elettrica - non raggiunge alcun valore significativo, per cui la conducibilità è trascurabile. Tutti i gas sono buoni dielettrici. Le loro proprietà isolanti sono utilizzate ovunque. Ad esempio, in qualsiasi interruttore, l'apertura del circuito avviene quando i contatti vengono portati in una posizione tale da formare tra loro un traferro. Anche i fili nelle linee elettriche sono isolati l'uno dall'altro da uno strato d'aria.
L'unità strutturale di qualsiasi gas è una molecola. Consiste di nuclei atomici e nuvole di elettroni, cioè è un insieme di cariche elettriche distribuite nello spazio in qualche modo. Una molecola di gas può essere dovuta alle peculiarità della sua struttura o essere polarizzata sotto l'azione 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 al 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 - in direzione del catodo, ioni negativi ed elettroni - verso l'anodo. Tuttavia, se il campo ha un potenziale insufficiente, non si verifica un unico flusso diretto di cariche, e si può piuttosto parlare di correnti separate, così deboli che dovrebbero essere trascurate. Il gas si comporta come un dielettrico.
Pertanto, per il verificarsi di una corrente elettrica nei gas, sono richieste un'elevata concentrazione di portatori di carica liberi e la presenza di un campo.
Ionizzazione
Il processo di aumento simile a una 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 è 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 del distacco di un elettrone, compaiono ioni positivi, l'attaccamento di un elettrone a una molecola porta alla formazione di uno ione negativo. Inoltre, ci sono molti elettroni liberi in un gas ionizzato. Gli ioni positivi e soprattutto gli elettroni sono i principali portatori di carica per la corrente elettrica nei gas.
La ionizzazione si verifica quando una certa quantità di energia viene impartita a una particella. Pertanto, un elettrone esterno nella composizione di una molecola, avendo ricevuto questa energia, può lasciare la molecola. Le collisioni reciproche di particelle cariche con quelle neutre portano all'eliminazione di nuovi elettroni e il processo assume un carattere simile a una valanga. Anche l'energia cinetica delle particelle aumenta, il che favorisce notevolmente la ionizzazione.
Da dove viene l'energia spesa per l'eccitazione della corrente elettrica nei gas? La ionizzazione dei gas ha diverse fonti di energia, secondo le quali è consuetudine nominarne i tipi.
- Ionizzazione da un campo elettrico. In questo caso, l'energia potenziale del campo viene convertita nell'energia cinetica delle particelle.
- Ionizzazione termica. Un aumento della temperatura porta anche alla formazione di un gran numero di cariche libere.
- Fotoionizzazione. L'essenza di questo processo è che i quanti impartiscono energia agli elettroni radiazioni elettromagnetiche- i fotoni, se hanno una frequenza sufficientemente elevata (ultravioletti, raggi X, gamma quanti).
- La ionizzazione da impatto è il risultato della conversione dell'energia cinetica delle particelle in collisione nell'energia del distacco di elettroni. Insieme alla ionizzazione termica, funge da fattore principale nell'eccitazione della corrente elettrica nei gas.
Ogni gas è caratterizzato da un determinato valore di soglia, l'energia di ionizzazione necessaria affinché un elettrone si stacchi da una molecola, superando una potenziale barriera. Questo valore per il primo elettrone varia da alcuni volt a due decine di volt; è necessaria più energia per staccare l'elettrone successivo dalla molecola, e così via.
Va tenuto presente che contemporaneamente alla ionizzazione nel gas si verifica il processo inverso: la ricombinazione, ovvero il ripristino di molecole neutre sotto l'azione delle forze di attrazione di Coulomb.
Scarico gassoso e sue tipologie
Quindi, la corrente elettrica nei gas è dovuta al movimento ordinato di particelle cariche sotto l'azione di un campo elettrico loro 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 dovuta ad 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 rende facile verificarlo. 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 mostrerà la presenza di corrente.
La corrente elettrica nei gas è chiamata scarica di gas. Va tenuto 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 - ioni - vengono neutralizzati sugli elettrodi, altri - elettroni - arrivando all'anodo, vengono inviati al "più" della sorgente di campo. Se il fattore ionizzante cessa di funzionare, il gas diventerà immediatamente di nuovo un dielettrico e la corrente cesserà. Tale corrente, dipendente dall'azione di uno ionizzatore esterno, è chiamata scarica non autosufficiente.
Le caratteristiche del passaggio della corrente elettrica attraverso i gas sono descritte da una speciale dipendenza dell'intensità di corrente dalla tensione: la caratteristica corrente-tensione.
Consideriamo lo sviluppo di una scarica di gas sul grafico della dipendenza corrente-tensione. Quando la tensione sale a un certo valore U 1, la corrente aumenta in proporzione ad essa, cioè la legge di Ohm è soddisfatta. L'energia cinetica aumenta, e quindi la velocità delle cariche nel gas, e questo processo precede la ricombinazione. A valori di tensione da U 1 a U 2, questa relazione viene violata; quando viene raggiunto l'U 2, tutti i portatori di carica raggiungono gli elettrodi senza avere il tempo di ricombinarsi. Tutto spese gratuite sono impegnati e un ulteriore aumento della tensione non porta ad un aumento dell'intensità di corrente. Questa natura del movimento delle cariche è chiamata corrente di saturazione. Pertanto, possiamo dire che la corrente elettrica nei gas è anche dovuta alle peculiarità del comportamento di un 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 perché il campo elettrico provochi una ionizzazione a valanga del gas. L'energia cinetica degli elettroni liberi è già sufficiente per la ionizzazione da impatto delle molecole. Allo stesso tempo, la loro velocità nella maggior parte dei gas è di circa 2000 km / se superiore (è calcolata dalla formula approssimativa v=600 U i , dove U i è il potenziale di ionizzazione). In questo momento si verifica una rottura del gas e si verifica un aumento significativo della corrente a causa di una fonte di ionizzazione interna. Pertanto, tale scarico è chiamato indipendente.
La presenza di uno ionizzatore esterno in questo caso non gioca più un ruolo nel mantenere una corrente elettrica nei gas. Autoscarica dentro condizioni diverse e a varie caratteristiche sorgente del campo elettrico può avere determinate caratteristiche. Esistono tipi di autoscarica come bagliore, scintilla, arco e corona. Vedremo come si comporta la corrente elettrica nei gas, brevemente per ciascuno di questi tipi.
Una differenza di potenziale da 100 (e anche meno) a 1000 volt è sufficiente per avviare un'autoscarica. Pertanto, una scarica luminescente, caratterizzata da una bassa intensità di corrente (da 10 -5 A a 1 A), si verifica a pressioni non superiori a pochi millimetri di mercurio.
In un tubo con un gas rarefatto ed elettrodi freddi, la scarica luminescente emergente sembra un sottile cavo luminoso tra gli elettrodi. Se continuiamo a pompare il gas fuori dal tubo, il filamento verrà lavato via e, a pressioni di decimi di millimetro di mercurio, il bagliore riempirà quasi completamente il tubo. Il bagliore è assente vicino al catodo, nel cosiddetto spazio del catodo oscuro. Il resto è chiamato la colonna positiva. In questo caso, i principali processi che assicurano l'esistenza della scarica sono localizzati proprio nello spazio del catodo oscuro e nella regione ad esso adiacente. Qui, le particelle di gas cariche vengono accelerate, eliminando 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 emergenti provocano l'emissione secondaria dal catodo e così via. Il bagliore della colonna positiva è dovuto principalmente al rinculo dei fotoni da parte delle molecole di gas eccitate, e diversi gas sono caratterizzati dal bagliore di un certo colore. La colonna positiva partecipa alla formazione di una scarica luminescente solo come sezione circuito elettrico. Se avvicini gli elettrodi, puoi ottenere la scomparsa della colonna positiva, ma la scarica non si fermerà. Tuttavia, con un'ulteriore riduzione della distanza tra gli elettrodi, la scarica luminescente non può esistere.
Va notato che per questo tipo di corrente elettrica nei gas, la fisica di alcuni processi non è stata ancora completamente chiarita. Ad esempio, la natura delle forze che causano un aumento della corrente per espandere l'area sulla superficie del catodo che prende parte alla scarica rimane poco chiara.
scarica di scintille
La rottura della scintilla ha un carattere pulsato. Si verifica a pressioni vicine alla normale atmosferica, nei casi in cui la potenza della sorgente del campo elettrico non è sufficiente a mantenere una scarica stazionaria. In questo caso l'intensità di campo è elevata e può raggiungere i 3 MV/m. Il fenomeno è caratterizzato da un forte aumento della corrente elettrica di scarica nel gas, allo stesso tempo la tensione scende molto rapidamente e la scarica si interrompe. Quindi la differenza di 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 in luoghi in cui il numero più grande ioni. Vicino al canale della scintilla, il gas si riscalda rapidamente e subisce un'espansione termica, che provoca onde acustiche. Pertanto, la scarica della scintilla è accompagnata da scoppiettio, nonché dal rilascio di calore e da un bagliore luminoso. I processi di ionizzazione a valanga si generano nel canale della scintilla alte pressioni e temperature fino a 10mila gradi e oltre.
L'esempio più eclatante di una scarica di scintille naturale è il fulmine. Il diametro del canale principale della scintilla del fulmine può variare da pochi centimetri a 4 m e la lunghezza del canale può raggiungere i 10 km. L'entità della corrente raggiunge i 500mila ampere e la differenza di potenziale tra una nuvola temporalesca e la superficie terrestre raggiunge un miliardo di volt.
Il fulmine più lungo con una lunghezza di 321 km è stato osservato nel 2007 in Oklahoma, USA. Il detentore del record per la durata 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, che è 6 volte superiore alla temperatura della superficie visibile del Sole.
Nei casi in cui la potenza della sorgente del campo elettrico è sufficientemente grande, la scarica della scintilla si sviluppa in una scarica ad arco.
Questo tipo di scarica autosostenuta è caratterizzato da un'elevata densità di corrente e da una bassa tensione (inferiore alla scarica a bagliore). La distanza di rottura è piccola 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 una rottura tra gli elettrodi, si creano le condizioni in cui 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 grande, le scariche di scintille si trasformano in un arco elettrico stabile.
La ionizzazione durante una scarica ad arco raggiunge quasi il 100%, la forza attuale è molto elevata e può variare da 10 a 100 ampere. A pressione atmosferica l'arco è in grado di riscaldarsi fino a 5-6mila gradi e il catodo - fino a 3mila gradi, il che porta a un'intensa termica emissione elettronica dalla sua superficie. Il bombardamento dell'anodo con elettroni porta alla parziale distruzione: su di esso si forma una rientranza - un cratere con una temperatura di circa 4000 ° C. Un aumento della pressione provoca un aumento ancora maggiore della temperatura.
Quando si diluiscono gli elettrodi, la scarica dell'arco rimane stabile fino a una certa distanza, il che consente di affrontarla in quelle parti dell'apparecchiatura elettrica dove è dannosa a causa della corrosione e dell'esaurimento dei contatti da essa causati. Si tratta di dispositivi come interruttori ad alta tensione e automatici, contattori e altri. Uno dei metodi per contrastare l'arco che si genera all'apertura dei contatti è l'utilizzo di paracadute basati sul principio dell'estensione dell'arco. Vengono utilizzati anche molti altri metodi: contatti di derivazione, utilizzo di materiali con un alto potenziale di ionizzazione e così via.
Lo sviluppo di una scarica a corona si verifica alla normale pressione atmosferica in campi nettamente disomogenei vicino agli elettrodi con una grande curvatura della superficie. Questi possono essere guglie, alberi, fili, vari elementi di apparecchiature elettriche che hanno forma complessa e persino capelli umani. Tale elettrodo è chiamato elettrodo corona. I processi di ionizzazione e, di conseguenza, il bagliore del gas avvengono solo vicino ad esso.
La corona può formarsi sia sul catodo (corona negativa) quando viene bombardato da ioni, sia sull'anodo (positivo) per effetto della fotoionizzazione. La corona negativa, in cui il processo di ionizzazione viene allontanato dall'elettrodo a causa dell'emissione termica, è caratterizzata da un bagliore uniforme. Nella corona positiva si possono osservare stelle filanti: linee luminose di una configurazione spezzata che possono trasformarsi in canali di scintille.
Un esempio di scarica corona in condizioni naturali sono quelli che sorgono sulle punte di alberi alti, cime degli alberi e così via. Si formano ad un'elevata intensità di campo elettrico nell'atmosfera, spesso prima di un temporale o durante una tempesta di neve. Inoltre, sono stati fissati sulla pelle degli aerei caduti in una nuvola di cenere vulcanica.
La scarica a corona sui fili delle linee elettriche porta a significative perdite di elettricità. Ad alta tensione, una scarica corona può trasformarsi in un 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 è chiamato plasma ed è considerato il quarto stato della materia. Nel complesso, il plasma è elettricamente neutro, poiché la carica totale delle particelle che lo costituiscono è nulla. Questo lo distingue da altri sistemi di particelle cariche, come, ad esempio, i fasci di elettroni.
In condizioni naturali, il plasma si forma, di norma, ad alte temperature a causa della collisione di atomi di gas ad alta velocità. La stragrande maggioranza della materia barionica nell'Universo è allo stato di plasma. Queste sono stelle, parte della materia interstellare, gas intergalattico. Anche la ionosfera terrestre è un plasma rarefatto, debolmente ionizzato.
Il grado di ionizzazione è caratteristica importante plasma - le proprietà conduttive dipendono da esso. 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, ha un'elevata mobilità.
Vediamo, quindi, che i gas che conducono l'elettricità 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 scintille di fulmini o un arco elettrico sono esempi di un plasma caldo, quasi completamente ionizzato.
Corrente elettrica in metalli, liquidi e gas - differenze e somiglianze
Consideriamo le caratteristiche che caratterizzano la scarica del 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. I conduttori di questo tipo sono chiamati conduttori del primo tipo; questi includono, oltre a metalli e leghe, carbone, alcuni sali e ossidi. Si distinguono per la conduttività elettronica.
I conduttori del secondo tipo sono elettroliti, cioè soluzioni acquose liquide di alcali, acidi e sali. Il passaggio di corrente è associato a un cambiamento chimico nell'elettrolita - elettrolisi. Gli ioni di una sostanza disciolta in acqua, sotto l'azione di una potenziale differenza, si muovono in direzioni opposte: cationi positivi - al catodo, anioni negativi - all'anodo. Il processo è accompagnato dallo sviluppo 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. Quindi, la corrente elettrica sia negli elettroliti che nei gas è una deriva di particelle caricate in modo opposto 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 conduzione, il ruolo principale appartiene 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 si scompongono, ma perdono solo elettroni. Pertanto, la scarica di gas, come la corrente nei metalli, non è associata a cambiamenti chimici.
Anche la corrente nei liquidi e nei gas non è la stessa. La conducibilità degli elettroliti nel suo insieme obbedisce alla legge di Ohm, ma non viene osservata durante una scarica di gas. La caratteristica corrente-tensione dei gas ha molto di più natura complessa associato alle proprietà del plasma.
Vanno anche menzionate le caratteristiche generali e distintive 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 gratuiti, è possibile anche una corrente. Ma i potenziali vettori sono già presenti nel gas, devono solo essere ionizzati. I portatori di carica vengono portati nel vuoto dalla materia. Di norma, ciò si verifica nel processo di emissione di elettroni, ad esempio quando il catodo viene riscaldato (emissione termoionica). Ma anche in vari tipi di scarichi gassosi, come abbiamo visto, l'emissione gioca ruolo importante.
L'uso degli scarichi di gas nella tecnologia
Gli effetti dannosi di alcuni scarichi sono già stati brevemente discussi in precedenza. Ora prestiamo attenzione ai vantaggi che portano nell'industria e nella vita di tutti i giorni.
La scarica luminescente viene utilizzata nell'ingegneria elettrica (stabilizzatori di tensione), nella tecnologia di rivestimento (metodo di sputtering catodico basato sul fenomeno della corrosione catodica). In elettronica, viene utilizzato per produrre fasci di ioni ed elettroni. Un noto campo di applicazione delle scariche luminose sono le lampade fluorescenti e le cosiddette lampade economiche e i tubi decorativi a scarica al neon e all'argon. Inoltre, la scarica luminescente viene utilizzata nella e nella spettroscopia.
La scarica a scintilla viene utilizzata nei fusibili, nei metodi elettroerosivi di lavorazione dei metalli di precisione (taglio a scintilla, perforazione e così via). Ma è meglio conosciuto per il suo utilizzo nelle candele dei motori a combustione interna e nei elettrodomestici(stufe a gas).
La scarica ad arco, utilizzata per la prima volta nella tecnologia dell'illuminazione nel 1876 (la candela di Yablochkov - "luce russa"), funge ancora da fonte di luce, ad esempio nei proiettori e nei potenti faretti. Nell'ingegneria elettrica, l'arco viene utilizzato nei raddrizzatori al mercurio. Inoltre, viene utilizzato nella saldatura elettrica, nel taglio dei metalli, nei forni elettrici industriali per la fusione di acciaio e leghe.
La scarica a corona trova applicazione nei precipitatori elettrostatici per la purificazione di gas ionici, nei contatori di particelle elementari, nei parafulmini, negli impianti di condizionamento. La scarica corona funziona anche in fotocopiatrici e stampanti laser, dove carica e scarica il 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 molte aree della tecnologia.
È formato dal movimento diretto di elettroni liberi e che in questo caso non si verificano cambiamenti nella sostanza da cui è costituito il conduttore.
Vengono chiamati tali conduttori, in cui il passaggio di una corrente elettrica non è accompagnato da cambiamenti chimici nella loro sostanza conduttori di prima specie. Questi includono tutti i metalli, il carbone e una serie di altre sostanze.
Ma esistono anche tali conduttori di corrente elettrica in natura, in cui si verificano fenomeni chimici durante il passaggio della corrente. Questi conduttori sono chiamati conduttori del secondo tipo. Questi includono principalmente varie soluzioni in acqua di acidi, sali e alcali.
Se si versa dell'acqua in un recipiente di vetro e si aggiungono alcune gocce di acido solforico (o qualche altro acido o alcali), quindi si prendono due piastre di metallo e si attaccano loro dei conduttori abbassando queste piastre nel recipiente e si collega una corrente fonte alle altre estremità dei conduttori attraverso un interruttore e un amperometro, quindi il gas verrà rilasciato dalla soluzione e continuerà continuamente fino alla chiusura del circuito. l'acqua acidificata è davvero un conduttore. Inoltre, le piastre inizieranno a ricoprirsi di bolle di gas. Quindi queste bolle si staccheranno dai piatti e usciranno.
Quando una corrente elettrica passa attraverso la soluzione, si verificano cambiamenti chimici, a seguito dei quali viene rilasciato gas.
I conduttori del secondo tipo sono chiamati elettroliti, e il fenomeno che si verifica nell'elettrolita quando viene attraversato da una corrente elettrica lo è.
Le piastre metalliche immerse nell'elettrolita sono chiamate elettrodi; uno di essi, connesso al polo positivo della sorgente di corrente, è detto anodo, e l'altro, connesso al polo negativo, è detto catodo.
Cosa provoca il passaggio di corrente elettrica in un conduttore liquido? Si scopre che in tali soluzioni (elettroliti), le molecole acide (alcali, sali) sotto l'azione di un solvente (in questo caso acqua) si decompongono in due componenti e una particella della molecola ha una carica elettrica positiva e l'altra negativa.
Le particelle di una molecola che hanno una carica elettrica sono chiamate ioni. Quando un acido, un sale o un alcali viene disciolto in acqua, nella soluzione compare un gran numero di ioni positivi e negativi.
Ora dovrebbe essere chiaro il motivo per cui una corrente elettrica è passata attraverso la soluzione, perché tra gli elettrodi collegati alla sorgente di corrente si è creata, in altre parole, uno di essi si è rivelato carico positivamente e l'altro negativamente. Sotto l'influenza di questa differenza di potenziale, gli ioni positivi iniziarono a muoversi verso l'elettrodo negativo - il catodo e gli ioni negativi - verso l'anodo.
Così, il movimento caotico degli ioni è diventato un contro-movimento 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 si verifica 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 disturbato e il movimento caotico riprende.
Ad esempio, si consideri il fenomeno dell'elettrolisi quando una corrente elettrica viene fatta passare attraverso una soluzione di solfato di rame CuSO4 con elettrodi di rame calati 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
Ci sarà anche un movimento contrario di ioni verso gli elettrodi. Lo ione positivo sarà lo ione rame (Cu) e lo ione negativo sarà lo ione residuo acido (SO4). Gli ioni di rame, a contatto con il catodo, verranno scaricati (attaccando a se stessi gli elettroni mancanti), cioè si trasformeranno in molecole neutre di rame puro e si depositeranno sul catodo sotto forma dello strato (molecolare) più sottile.
Anche gli ioni negativi, avendo raggiunto l'anodo, vengono scaricati (cedendo gli 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 attaccata al residuo acido SO4 e si forma una molecola di solfato di rame CuS O4, che viene restituita torniamo all'elettrolito.
Perché questo processo chimico è a lungo, quindi il rame viene depositato sul catodo, che viene rilasciato dall'elettrolita. In questo caso, invece delle molecole di rame che sono andate al catodo, l'elettrolita riceve nuove molecole di rame a causa della dissoluzione del secondo elettrodo, l'anodo.
Lo stesso processo si verifica se vengono presi elettrodi di zinco invece di quelli di rame e l'elettrolita è una soluzione di solfato di zinco ZnSO4. Lo zinco sarà anche trasferito dall'anodo al catodo.
Così, differenza tra corrente elettrica nei metalli e nei conduttori liquidi sta nel fatto che nei metalli solo gli elettroni liberi, cioè le cariche negative, sono portatori di carica, mentre negli elettroliti è trasportato da particelle di materia con carica opposta - ioni che si muovono in direzioni opposte. Perciò lo dicono gli elettroliti hanno conduttività ionica.
Il fenomeno dell'elettrolisi fu scoperto nel 1837 da B. S. Jacobi, che condusse numerosi esperimenti di ricerca e miglioramento fonti chimiche attuale. Jacobi scoprì che uno degli elettrodi posti in una soluzione di solfato di rame, quando viene attraversato da una corrente elettrica, è ricoperto di rame.
Questo fenomeno è chiamato galvanica, trova ora 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 (inclusa l'aria) non conducono elettricità in condizioni normali. Ad esempio, i nudi, essendo sospesi paralleli tra loro, sono isolati l'uno dall'altro da uno strato d'aria.
Tuttavia, sotto l'influenza dell'alta temperatura, una grande differenza di potenziale e altri motivi, i gas, come i conduttori liquidi, si ionizzano, cioè in essi compaiono particelle di molecole di gas in gran numero che, essendo portatori di elettricità, contribuiscono al passaggio di corrente elettrica attraverso il gas.
Ma allo stesso tempo, la ionizzazione di un gas differisce dalla ionizzazione di un conduttore liquido. Se una molecola si divide in due parti cariche in un liquido, allora nei gas, sotto l'azione della ionizzazione, gli elettroni vengono sempre separati da ciascuna molecola e uno ione rimane sotto forma di una parte caricata positivamente della molecola.
Basta arrestare la ionizzazione del gas, in quanto cessa di essere conduttivo, mentre il liquido rimane sempre conduttore di corrente elettrica. Di conseguenza, la conducibilità di un gas è un fenomeno temporaneo, dipendente dall'azione di cause esterne.
Tuttavia, ce n'è un altro chiamato scarica ad arco o solo 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, facendo numerosi esperimenti, lo scoprì tra due carbone, collegato a una fonte di corrente, c'è 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 luminoso". Quindi per la prima volta è stata ottenuta la luce elettrica, che è stata praticamente applicata da un altro scienziato elettrico russo Pavel Nikolaevich Yablochkov.
"Yablochkov's Candle", il cui lavoro si basa sull'uso di un arco elettrico, ha fatto una vera rivoluzione nell'ingegneria elettrica in quei giorni.
La scarica ad arco viene utilizzata come fonte di luce ancora oggi, ad esempio, nei proiettori e nei proiettori. Calore scarica ad arco consente di utilizzarlo per . Attualmente i forni ad arco alimentati da una corrente molto elevata sono utilizzati in numerose industrie: 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.
In tubi a gas, lampade fluorescenti, stabilizzatori di tensione, per ottenere fasci di elettroni e ioni, i cosiddetti scarica di gas incandescente.
Una scarica di scintilla viene utilizzata per misurare grandi differenze di potenziale utilizzando un gap sferico, i cui elettrodi sono due sfere metalliche con una superficie levigata. Le sfere vengono allontanate e ad esse viene applicata una differenza di potenziale misurata. Quindi le palline vengono unite finché una scintilla non salta tra di loro. Conoscendo il diametro delle palline, la distanza tra loro, la pressione, la temperatura e l'umidità dell'aria, trovano la differenza di potenziale tra le palline secondo apposite tabelle. Questo metodo può essere utilizzato per misurare, con una precisione di pochi punti percentuali, differenze di potenziale dell'ordine di decine di migliaia di volt.
Facciamo il seguente esperimento.
immagine
Attacchiamo un elettrometro ai dischi di un condensatore piatto. Successivamente, carichiamo il condensatore. A temperature normali e aria secca, il condensatore si scarica molto lentamente. Da ciò possiamo concludere che la corrente nell'aria tra i dischi è molto piccola.
Pertanto, in condizioni normali, il gas è un dielettrico. Se ora riscaldiamo l'aria tra le piastre del condensatore, l'ago dell'elettrometro si avvicinerà rapidamente allo zero e, di conseguenza, il condensatore si scaricherà. Ciò significa che nel gas riscaldato viene stabilita una corrente elettrica e tale gas sarà un conduttore.
Corrente elettrica nei gas
La scarica di gas è il processo di corrente che passa attraverso un gas. Per esperienza si può vedere che con l'aumentare della temperatura aumenta la conducibilità dell'aria. Oltre al riscaldamento, la conducibilità di un gas può essere aumentata in altri modi, ad esempio mediante l'azione della radiazione.
In condizioni normali, i gas sono composti principalmente da atomi e molecole neutri, e quindi sono dielettrici. Quando agiamo su un gas con radiazioni o lo riscaldiamo, alcuni degli atomi iniziano a decadere in ioni positivi ed elettroni - ionizzano. La ionizzazione del gas si verifica a causa del fatto che quando viene riscaldata, la velocità delle molecole e degli atomi aumenta molto fortemente e quando si scontrano tra loro si decompongono in ioni.
Conducibilità del gas
La conduzione nei gas è effettuata principalmente da elettroni. Due tipi di conducibilità sono combinati nei gas: elettronica e ionica. A differenza delle soluzioni elettrolitiche, nei gas, la formazione di ioni avviene o per riscaldamento o per azione di ionizzatori esterni - radiazione, mentre nelle soluzioni elettrolitiche la formazione di ioni è causata dall'indebolimento dei legami intermolecolari.
Se ad un certo punto lo ionizzatore interrompe il suo effetto sul gas, anche la corrente si interromperà. In questo caso, ioni ed elettroni caricati positivamente possono nuovamente unirsi - ricombinarsi. Se non c'è campo esterno, le particelle cariche scompariranno solo a causa della ricombinazione.
Se l'azione dello ionizzatore non viene interrotta, si stabilirà un equilibrio dinamico. In uno stato di equilibrio dinamico, il numero di coppie di particelle appena formate (ioni ed elettroni) sarà uguale al numero di coppie che scompaiono, a causa della ricombinazione.
Estratto di fisica
sul tema di:
"Corrente elettrica nei gas".
Corrente elettrica nei gas.
1. Scarica elettrica nei gas.
Tutti i gas dentro stato naturale non conducono elettricità. Questo può essere visto dalla seguente esperienza:
Prendiamo un elettrometro con i dischi di un condensatore piatto collegati ad esso e carichiamolo. A temperatura ambiente, se l'aria è sufficientemente secca, il condensatore non si scarica in modo evidente: la posizione dell'ago dell'elettrometro non cambia. Ci vuole molto tempo per notare una diminuzione dell'angolo di deflessione dell'ago dell'elettrometro. Ciò dimostra che la corrente elettrica nell'aria tra i dischi è molto piccola. Questa esperienza dimostra che l'aria è un cattivo conduttore di corrente elettrica.
Modifichiamo l'esperimento: riscaldiamo l'aria tra i dischi con la fiamma di una lampada ad alcool. Quindi l'angolo di deflessione del puntatore dell'elettrometro diminuisce rapidamente, ad es. la differenza di potenziale tra i dischi del condensatore diminuisce: il condensatore si scarica. Di conseguenza, l'aria riscaldata tra i dischi è diventata un conduttore e in essa si stabilisce una corrente elettrica.
Le proprietà isolanti dei gas sono spiegate dal fatto che in essi non ci sono cariche elettriche libere: gli atomi e le molecole dei gas nel loro stato naturale sono neutri.
2. Ionizzazione dei gas.
L'esperienza di cui sopra mostra che le particelle cariche compaiono nei gas sotto l'influenza dell'alta temperatura. Nascono come risultato della scissione di uno o più elettroni dagli atomi di gas, a seguito della quale appaiono uno ione positivo ed elettroni invece di un atomo neutro. Parte degli elettroni formati può essere catturata da altri atomi neutri, quindi appariranno più ioni negativi. Viene chiamata la scomposizione delle molecole di gas in elettroni e ioni positivi ionizzazione dei gas.
Il riscaldamento di un gas ad alta temperatura non è l'unico modo per ionizzare molecole o atomi di gas. La ionizzazione del gas può avvenire sotto l'influenza di varie interazioni esterne: forte riscaldamento del gas, raggi X, raggi a, b e g derivanti dal decadimento radioattivo, raggi cosmici, bombardamento di molecole di gas da parte di elettroni o ioni in rapido movimento. Vengono chiamati i fattori che causano la ionizzazione del gas ionizzatori. La caratteristica quantitativa del processo di ionizzazione è intensità di ionizzazione, misurato dal numero di coppie di particelle cariche di segno opposto che appaiono in un'unità di volume di gas per unità di tempo.
La ionizzazione di un atomo richiede il dispendio di una certa energia, l'energia di ionizzazione. Per ionizzare un atomo (o molecola), è necessario lavorare contro le forze di interazione tra l'elettrone espulso e il resto delle particelle dell'atomo (o molecola). Questo lavoro è chiamato lavoro di ionizzazione A i . Il valore del lavoro di ionizzazione dipende dalla natura chimica del gas e dallo stato energetico dell'elettrone espulso nell'atomo o nella molecola.
Dopo la cessazione dello ionizzatore, il numero di ioni nel gas diminuisce nel tempo e alla fine gli ioni scompaiono del tutto. La scomparsa degli ioni è spiegata dal fatto che sono coinvolti ioni ed elettroni moto termico e quindi si scontrano tra loro. Quando uno ione positivo e un elettrone entrano in collisione, possono riunirsi in un atomo neutro. Allo stesso modo, quando uno ione positivo e uno negativo si scontrano, lo ione negativo può cedere il suo elettrone in eccesso allo ione positivo, ed entrambi gli ioni si trasformeranno in atomi neutri. Questo processo di mutua neutralizzazione degli ioni è chiamato ricombinazione ionica. Quando uno ione positivo e un elettrone o due ioni si ricombinano, viene rilasciata una certa energia, pari all'energia spesa per la ionizzazione. In parte, viene emesso sotto forma di luce, e quindi la ricombinazione di ioni è accompagnata da luminescenza (luminescenza di ricombinazione).
Nei fenomeni di scarica elettrica nei gas, la ionizzazione degli atomi per impatto di elettroni gioca un ruolo importante. Questo processo consiste nel fatto che un elettrone in movimento, che ha sufficiente energia cinetica, ne mette fuori combattimento uno o più elettroni atomici, a seguito della quale l'atomo neutro si trasforma in uno ione positivo e nel gas compaiono nuovi elettroni (di questo parleremo più avanti).
La tabella seguente fornisce le energie di ionizzazione di alcuni atomi.
3. Meccanismo di conducibilità elettrica dei gas.
Il meccanismo di conducibilità del gas è simile al meccanismo di conduttività delle soluzioni elettrolitiche e si scioglie. In assenza di un campo esterno, le particelle cariche, come le molecole neutre, si muovono in modo casuale. Se gli ioni e gli elettroni liberi si trovano in un campo elettrico esterno, entrano in movimento diretto e creano una corrente elettrica nei gas.
Pertanto, la corrente elettrica in un gas è un movimento diretto di ioni positivi al catodo e ioni negativi ed elettroni all'anodo. La corrente totale nel gas è composta da due flussi di particelle cariche: il flusso diretto all'anodo e il flusso diretto al catodo.
La neutralizzazione delle particelle cariche avviene sugli elettrodi, come nel caso del passaggio di corrente elettrica attraverso soluzioni e fusioni di elettroliti. Tuttavia, nei gas non c'è rilascio di sostanze sugli elettrodi, come avviene nelle soluzioni elettrolitiche. Gli ioni di gas, avvicinandosi agli elettrodi, danno loro la carica, si trasformano in molecole neutre e si diffondono nuovamente nel gas.
Un'altra differenza nella conduttività elettrica dei gas ionizzati e delle soluzioni (fusi) di elettroliti è che la carica negativa durante il passaggio della corrente attraverso i gas viene trasferita principalmente non da ioni negativi, ma da elettroni, sebbene anche la conducibilità dovuta a ioni negativi possa svolgere un ruolo determinato ruolo.
Pertanto, nei gas, la conducibilità elettronica, simile alla conduttività dei metalli, è combinata con la conducibilità ionica, simile alla conducibilità soluzione acquosa e l'elettrolita si scioglie.
4. Scarica di gas non autosostenuta.
Il processo di passaggio di una corrente elettrica attraverso un gas è chiamato scarica di gas. Se la conduttività elettrica del gas viene creata da ionizzatori esterni, viene chiamata la corrente elettrica che si forma in esso scarico di gas non autosufficiente. Con la cessazione dell'azione degli ionizzatori esterni cessa la scarica non autosostenuta. Una scarica di gas non autosufficiente non è accompagnata da un bagliore di gas.
Di seguito è riportato un grafico della dipendenza dell'intensità di corrente dalla tensione per una scarica non autosostenuta in un gas. Per tracciare il grafico è stato utilizzato un tubo di vetro con due elettrodi metallici saldati nel vetro. La catena è assemblata come mostrato nella figura sottostante.
Ad una certa tensione, arriva un momento in cui tutte le particelle cariche formate nel gas dallo ionizzatore in un secondo raggiungono gli elettrodi nello stesso tempo. Un ulteriore aumento della tensione non può più portare ad un aumento del numero di ioni trasportati. La corrente raggiunge la saturazione (sezione orizzontale del grafico 1).
5. Scarico gas indipendente.
Viene chiamata una scarica elettrica in un gas che persiste dopo la cessazione dell'azione di uno ionizzatore esterno scarico gas autonomo. Per la sua realizzazione è necessario che, per effetto della scarica stessa, si formino continuamente cariche libere nel gas. La fonte principale del loro verificarsi è la ionizzazione dell'impatto delle molecole di gas.
Se, dopo aver raggiunto la saturazione, continuiamo ad aumentare la differenza di potenziale tra gli elettrodi, allora l'intensità della corrente a una tensione sufficientemente elevata aumenterà bruscamente (grafico 2).
Ciò significa che nel gas compaiono ulteriori ioni, che si formano a causa dell'azione dello ionizzatore. La forza attuale può aumentare centinaia e migliaia di volte e il numero di particelle cariche che appaiono durante il processo di scarica può diventare così grande che non è più necessario uno ionizzatore esterno per mantenere la scarica. Pertanto, lo ionizzatore può ora essere rimosso.
Quali sono le ragioni del forte aumento dell'intensità di corrente ad alte tensioni? Consideriamo una qualsiasi coppia di particelle cariche (uno ione positivo e un elettrone) formata a causa dell'azione di uno ionizzatore esterno. L'elettrone libero che appare in questo modo inizia a muoversi verso l'elettrodo positivo - l'anodo, e lo ione positivo - verso il catodo. Sulla sua strada, l'elettrone incontra ioni e atomi neutri. Negli intervalli tra due collisioni successive, l'energia dell'elettrone aumenta a causa del lavoro delle forze del campo elettrico.
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Maggiore è la differenza di potenziale tra gli elettrodi, maggiore è l'intensità del campo elettrico. L'energia cinetica di un elettrone prima della collisione successiva è proporzionale all'intensità del campo e al percorso libero dell'elettrone: MV 2 /2=eEl. Se l'energia cinetica di un elettrone supera il lavoro A i che deve essere compiuto per ionizzare un atomo (o molecola) neutro, cioè MV 2 >A i , quindi quando un elettrone collide con un atomo (o molecola), viene ionizzato. Di conseguenza, invece di un elettrone, compaiono due elettroni (che attaccano l'atomo e vengono strappati dall'atomo). A loro volta, ricevono energia nel campo e ionizzano gli atomi in arrivo, ecc. Di conseguenza, il numero di particelle cariche aumenta rapidamente e si verifica una valanga di elettroni. Il processo descritto è chiamato ionizzazione per impatto elettronico.
Ma la ionizzazione per impatto elettronico da sola non può garantire il mantenimento di una carica indipendente. Dopotutto, infatti, tutti gli elettroni che si formano in questo modo si muovono verso l'anodo e, una volta raggiunto l'anodo, "escono dal gioco". Per mantenere la scarica è necessaria l'emissione di elettroni dal catodo ("emissione" significa "emissione"). L'emissione di un elettrone può essere dovuta a diversi motivi.
Gli ioni positivi formati durante la collisione di elettroni con atomi neutri, quando si spostano verso il catodo, acquisiscono una grande energia cinetica sotto l'azione del campo. Quando tali ioni veloci colpiscono il catodo, gli elettroni vengono espulsi dalla superficie del catodo.
Inoltre, il catodo può emettere elettroni se riscaldato ad alta temperatura. Questo processo è chiamato emissione termoionica. Può essere considerato come l'evaporazione degli elettroni dal metallo. In molte sostanze solide, l'emissione termoionica avviene a temperature alle quali l'evaporazione della sostanza stessa è ancora piccola. Tali sostanze sono utilizzate per la fabbricazione di catodi.
Durante l'autoscarica, il catodo può essere riscaldato bombardandolo con ioni positivi. Se l'energia degli ioni non è troppo alta, allora non c'è eliminazione degli elettroni dal catodo e gli elettroni vengono emessi a causa dell'emissione termoionica.
6. Vari tipi di autoscarica e loro applicazione tecnica.
A seconda delle proprietà e dello stato del gas, della natura e della posizione degli elettrodi, nonché della tensione applicata agli elettrodi, si verificano vari tipi di autoscarica. Consideriamo alcuni di loro.
UN. Scarico fumante.
Si osserva una scarica luminescente nei gas a basse pressioni dell'ordine di diverse decine di millimetri di mercurio e meno. Se consideriamo un tubo con una scarica luminescente, possiamo vedere che le parti principali di una scarica luminescente sono catodo Spazio oscuro, lontano da lui negativo O bagliore ardente, che passa gradualmente nella regione spazio oscuro di Faraday. Queste tre regioni formano la parte catodica della scarica, seguita dalla parte luminosa principale della scarica, che ne determina le proprietà ottiche ed è chiamata colonna positiva.
Il ruolo principale nel mantenere la scarica luminescente è svolto dalle prime due regioni della sua parte catodica. tratto caratteristico Questo tipo di scarica è un brusco calo del potenziale vicino al catodo, che è associato ad un'alta concentrazione di ioni positivi al confine delle regioni I e II, a causa della velocità relativamente bassa degli ioni al catodo. Nello spazio oscuro del catodo, c'è una forte accelerazione di elettroni e ioni positivi, che elimina gli elettroni dal catodo. Nella regione del bagliore incandescente, gli elettroni producono un'intensa ionizzazione da impatto delle molecole di gas e perdono la loro energia. Qui si formano ioni positivi, necessari per mantenere la scarica. L'intensità del campo elettrico in questa regione è bassa. Il bagliore fumante è causato principalmente dalla ricombinazione di ioni ed elettroni. La lunghezza dello spazio oscuro del catodo è determinata dalle proprietà del gas e del materiale del catodo.
Nella regione della colonna positiva, la concentrazione di elettroni e ioni è approssimativamente la stessa e molto alta, il che porta ad un'elevata conduttività elettrica della colonna positiva e ad un leggero calo di potenziale in essa. Il bagliore della colonna positiva è determinato dal bagliore delle molecole di gas eccitate. Vicino all'anodo si osserva nuovamente un cambiamento relativamente netto del potenziale, che è associato al processo di generazione di ioni positivi. In alcuni casi, la colonna positiva si scompone in aree luminose separate - strati, separati da spazi oscuri.
La colonna positiva non svolge un ruolo significativo nel mantenimento della scarica luminescente, pertanto, al diminuire della distanza tra gli elettrodi del tubo, la lunghezza della colonna positiva diminuisce e può scomparire del tutto. La situazione è diversa con la lunghezza dello spazio oscuro del catodo, che non cambia quando gli elettrodi si avvicinano l'uno all'altro. Se gli elettrodi sono così vicini che la distanza tra loro diventa inferiore alla lunghezza dello spazio oscuro del catodo, la scarica luminescente nel gas si interromperà. Gli esperimenti mostrano che, a parità di altre condizioni, la lunghezza d dello spazio oscuro del catodo è inversamente proporzionale alla pressione del gas. Di conseguenza, a pressioni sufficientemente basse, gli elettroni espulsi dal catodo da ioni positivi passano attraverso il gas quasi senza collisioni con le sue molecole, formando elettronico, O raggi catodici .
La scarica luminescente viene utilizzata nei tubi a luce gassosa, nelle lampade fluorescenti, negli stabilizzatori di tensione, per ottenere fasci di elettroni e ioni. Se viene praticata una fessura nel catodo, allora stretti fasci ionici lo attraversano nello spazio dietro il catodo, spesso chiamato raggi del canale. fenomeno ampiamente diffuso polverizzazione catodica, cioè. distruzione della superficie del catodo sotto l'azione di ioni positivi che lo colpiscono. Frammenti ultramicroscopici del materiale catodico volano in tutte le direzioni lungo linee rette e ricoprono la superficie dei corpi (soprattutto dielettrici) posti in un tubo con uno strato sottile. In questo modo vengono realizzati specchi per una serie di dispositivi, un sottile strato di metallo viene applicato alle fotocellule al selenio.
B. Scarica corona.
Una scarica corona si verifica quando pressione normale in un gas in un campo elettrico molto disomogeneo (ad esempio vicino a punte o fili di linee ad alta tensione). In una scarica corona, la ionizzazione del gas e il suo bagliore si verificano solo vicino agli elettrodi corona. Nel caso della corona catodica (corona negativa), gli elettroni che causano la ionizzazione per impatto delle molecole di gas vengono espulsi dal catodo quando viene bombardato con ioni positivi. Se l'anodo è corona (corona positiva), la nascita degli elettroni avviene a causa della fotoionizzazione del gas vicino all'anodo. Corona è un fenomeno dannoso, accompagnato da perdite e perdite di corrente energia elettrica. Per ridurre la corona, il raggio di curvatura dei conduttori viene aumentato e la loro superficie viene resa il più liscia possibile. A una tensione sufficientemente elevata tra gli elettrodi, la scarica corona si trasforma in una scintilla.
A una tensione maggiore, la scarica corona sulla punta assume la forma di linee luminose emanate dalla punta e che si alternano nel tempo. Queste linee, avendo una serie di nodi e curve, formano una specie di pennello, per cui tale scarico è chiamato carpale .
Una nuvola temporalesca carica induce sulla superficie terrestre al di sotto di essa cariche elettriche segno opposto. Una carica particolarmente elevata si accumula sulle punte. Pertanto, prima di un temporale o durante un temporale, i coni di luce simili a pennelli si accendono spesso sulle punte e sugli angoli acuti di oggetti molto sollevati. Sin dai tempi antichi, questo bagliore è stato chiamato i fuochi di Sant'Elmo.
Soprattutto spesso gli scalatori diventano testimoni di questo fenomeno. A volte anche non solo oggetti di metallo, ma anche le estremità dei capelli sulla testa sono decorate con piccole nappe luminose.
La scarica a corona deve essere considerata quando si ha a che fare con l'alta tensione. Se ci sono parti sporgenti o fili molto sottili, può iniziare la scarica a corona. Ciò si traduce in una perdita di potenza. Maggiore è la tensione della linea ad alta tensione, più spessi dovrebbero essere i fili.
C. Scarica di scintille.
La scarica della scintilla ha l'aspetto di filamenti-canali ramificati a zigzag luminosi che penetrano nello spazio di scarica e scompaiono, sostituiti da nuovi. Gli studi hanno dimostrato che i canali della scarica della scintilla iniziano a crescere a volte dall'elettrodo positivo, a volte dal negativo e talvolta da un punto tra gli elettrodi. Ciò è spiegato dal fatto che la ionizzazione da impatto nel caso di una scarica di scintilla non avviene sull'intero volume di gas, ma attraverso i singoli canali che passano in quei punti in cui la concentrazione di ioni si è rivelata accidentalmente la più alta. Una scarica di scintille è accompagnata dal rilascio di una grande quantità di calore, un bagliore luminoso di gas, scoppiettio o tuono. Tutti questi fenomeni sono causati da valanghe di elettroni e ioni che si verificano nei canali di scintilla e portano a un enorme aumento della pressione, che raggiunge i 10 7 ¸10 8 Pa, e un aumento della temperatura fino a 10.000 °C.
Un tipico esempio di scarica di scintille è il fulmine. Il canale principale del fulmine ha un diametro da 10 a 25 cm e la lunghezza del fulmine può raggiungere diversi chilometri. La corrente massima di un impulso di fulmine raggiunge decine e centinaia di migliaia di ampere.
Con una piccola lunghezza dello spazio di scarica, la scarica della scintilla provoca una specifica distruzione dell'anodo, chiamata erosione. Questo fenomeno è stato utilizzato nel metodo elettrospark di taglio, perforazione e altri tipi di lavorazione dei metalli di precisione.
Lo spinterometro viene utilizzato come protezione da sovratensione nelle linee di trasmissione elettrica (ad esempio, in linee telefoniche). Se una forte corrente a breve termine passa vicino alla linea, nei fili di questa linea vengono indotte tensioni e correnti che possono distruggere l'impianto elettrico e sono pericolose per la vita umana. Per evitare ciò vengono utilizzati fusibili speciali, costituiti da due elettrodi ricurvi, uno dei quali è collegato alla linea e l'altro è collegato a terra. Se il potenziale della linea rispetto al suolo aumenta notevolmente, si verifica una scarica di scintilla tra gli elettrodi che, insieme all'aria da essa riscaldata, si alza, si allunga e si spezza.
Infine, una scintilla elettrica viene utilizzata per misurare grandi differenze di potenziale utilizzando divario palla, i cui elettrodi sono due sfere metalliche dalla superficie levigata. Le sfere vengono allontanate e ad esse viene applicata una differenza di potenziale misurata. Quindi le palline vengono unite finché una scintilla non salta tra di loro. Conoscendo il diametro delle palline, la distanza tra loro, la pressione, la temperatura e l'umidità dell'aria, trovano la differenza di potenziale tra le palline secondo apposite tabelle. Questo metodo può essere utilizzato per misurare, con una precisione di pochi punti percentuali, differenze di potenziale dell'ordine di decine di migliaia di volt.
D. Scarica ad arco.
La scarica ad arco fu scoperta da V. V. Petrov nel 1802. Questa scarica è una delle forme di scarica gassosa, che si verifica con un'elevata densità di corrente e una tensione relativamente bassa tra gli elettrodi (dell'ordine di diverse decine di volt). La causa principale della scarica ad arco è l'intensa emissione di termoelettroni da parte di un catodo caldo. Questi elettroni sono accelerati da un campo elettrico e producono ionizzazione da impatto delle molecole di gas, a causa della quale resistenza elettrica il gap di gas tra gli elettrodi è relativamente piccolo. Se riduciamo la resistenza del circuito esterno, aumentiamo la corrente della scarica dell'arco, la conducibilità del gap di gas aumenterà così tanto che la tensione tra gli elettrodi diminuisce. Pertanto, si dice che la scarica dell'arco abbia una caratteristica corrente-tensione decrescente. A pressione atmosferica, la temperatura del catodo raggiunge i 3000 °C. Gli elettroni, bombardando l'anodo, vi creano un incavo (cratere) e lo riscaldano. La temperatura del cratere è di circa 4000 °C, e ad alte pressioni atmosferiche raggiunge i 6000-7000 °C. La temperatura del gas nel canale di scarica dell'arco raggiunge i 5000-6000 °C, quindi in esso si verifica un'intensa ionizzazione termica.
In un certo numero di casi, si osserva anche una scarica ad arco a una temperatura catodica relativamente bassa (ad esempio, in una lampada ad arco al mercurio).
Nel 1876, P. N. Yablochkov usò per la prima volta un arco elettrico come fonte di luce. Nella "candela Yablochkov", i carboni erano disposti in parallelo e separati da uno strato curvo, e le loro estremità erano collegate da un "ponte di accensione" conduttivo. Quando la corrente è stata attivata, il ponte di accensione si è bruciato e si è formato un arco elettrico tra i carboni. Mentre i carboni bruciavano, lo strato isolante evaporava.
La scarica ad arco viene utilizzata come fonte di luce ancora oggi, ad esempio, nei proiettori e nei proiettori.
L'elevata temperatura della scarica dell'arco ne consente l'utilizzo per la costruzione di un forno ad arco. Attualmente i forni ad arco alimentati da una corrente molto elevata sono utilizzati in numerose industrie: per la fusione di acciaio, ghisa, ferroleghe, bronzo, produzione di carburo di calcio, ossido di azoto, ecc.
Nel 1882, NN Benardos utilizzò per la prima volta una scarica ad arco per tagliare e saldare il metallo. La scarica tra un elettrodo di carbonio fisso e il metallo riscalda la giunzione di due lamiere (o piastre) e le salda. Benardos ha utilizzato lo stesso metodo per tagliare lastre di metallo e praticare dei fori. Nel 1888 N. G. Slavyanov migliorò questo metodo di saldatura sostituendo l'elettrodo di carbonio con uno di metallo.
La scarica ad arco ha trovato applicazione in un raddrizzatore al mercurio, che converte una corrente elettrica alternata in una corrente continua.
E. Plasma.
Il plasma è un gas parzialmente o completamente ionizzato in cui le densità delle cariche positive e negative sono quasi le stesse. Pertanto, il plasma nel suo insieme è un sistema elettricamente neutro.
La caratteristica quantitativa del plasma è il grado di ionizzazione. Il grado di ionizzazione del plasma a è il rapporto tra la concentrazione volumetrica delle particelle cariche e la concentrazione volumetrica totale delle particelle. A seconda del grado di ionizzazione, il plasma è suddiviso in debolmente ionizzato(a è frazioni di percentuale), parzialmente ionizzato (a dell'ordine di pochi percento) e completamente ionizzato (a è vicino al 100%). Il plasma debolmente ionizzato in condizioni naturali sono gli strati superiori dell'atmosfera: la ionosfera. Il sole, le stelle calde e alcune nubi interstellari sono plasma completamente ionizzato che si forma ad alte temperature.
Le energie medie dei vari tipi di particelle che compongono un plasma possono differire significativamente l'una dall'altra. Pertanto, il plasma non può essere caratterizzato da un singolo valore di temperatura T; Distinguere tra la temperatura degli elettroni Te, la temperatura degli ioni Ti (o le temperature degli ioni, se ci sono diversi tipi di ioni nel plasma) e la temperatura degli atomi neutri Ta (componente neutro). Tale plasma è chiamato non isotermico, in contrasto con il plasma isotermico, in cui le temperature di tutti i componenti sono le stesse.
Il plasma è anche diviso in alta temperatura (T i »10 6 -10 8 K e oltre) e bassa temperatura!!! (Ti<=10 5 К). Это условное разделение связано с особой влажностью высокотемпературной плазмы в связи с проблемой осуществления управляемого термоядерного синтеза.
Il plasma ha una serie di proprietà specifiche, che ci consentono di considerarlo come uno speciale quarto stato della materia.
A causa dell'elevata mobilità delle particelle di plasma cariche, si muovono facilmente sotto l'influenza di campi elettrici e magnetici. Pertanto, qualsiasi violazione della neutralità elettrica delle singole regioni del plasma, causata dall'accumulo di particelle dello stesso segno di carica, viene rapidamente eliminata. I campi elettrici risultanti spostano le particelle cariche finché non viene ripristinata la neutralità elettrica e il campo elettrico diventa zero. A differenza di un gas neutro, tra le cui molecole ci sono forze a corto raggio, tra particelle di plasma cariche ci sono forze di Coulomb che diminuiscono relativamente lentamente con la distanza. Ogni particella interagisce immediatamente con un gran numero di particelle circostanti. A causa di ciò, insieme al movimento termico caotico, le particelle di plasma possono partecipare a vari movimenti ordinati. Vari tipi di oscillazioni e onde sono facilmente eccitati in un plasma.
La conduttività del plasma aumenta all'aumentare del grado di ionizzazione. Ad alte temperature, un plasma completamente ionizzato si avvicina ai superconduttori nella sua conduttività.
Il plasma a bassa temperatura viene utilizzato nelle sorgenti luminose a scarica di gas - nei tubi luminosi per le iscrizioni pubblicitarie, nelle lampade fluorescenti. Una lampada a scarica di gas viene utilizzata in molti dispositivi, ad esempio nei laser a gas, sorgenti di luce quantistica.
Il plasma ad alta temperatura viene utilizzato nei generatori magnetoidrodinamici.
Recentemente è stato creato un nuovo dispositivo, la torcia al plasma. Il plasmatron crea potenti getti di plasma denso a bassa temperatura, ampiamente utilizzato in vari campi della tecnologia: per tagliare e saldare metalli, perforare pozzi in rocce dure, ecc.
Elenco della letteratura utilizzata:
1) Fisica: Elettrodinamica. 10-11 celle: libro di testo. per lo studio approfondito della fisica / G. Ya Myakishev, A. Z. Sinyakov, B. A. Slobodskov. - 2a edizione - M.: Drofa, 1998. - 480 p.
2) Corso di fisica (in tre volumi). T.II. elettricità e magnetismo. Proc. manuale per gli istituti tecnici. / Detlaf A.A., Yavorsky B. M., Milkovskaya L. B. Izd. 4°, rivisto. - M .: Scuola superiore, 1977. - 375 p.
3) Elettricità./E. G. Kalashnikov. ed. "Scienza", Mosca, 1977.
4) Fisica./B. B. Bukhovtsev, Yu L. Klimontovich, G. Ya Myakishev. 3a edizione, riveduta. – M.: Illuminismo, 1986.