Искровой разряд. Присоединим шаровые электроды к батарее
конденсаторов и начнем заряжать конденсаторы при помощи электрической
машины. По мере заряжения конденсаторов будет увеличиваться разность
потенциалов между электродами, а следовательно, будет увеличиваться
напряженность поля в газе. Пока напряженность поля невелика, в газе нельзя
заметить никаких изменений. Однако при достаточной напряженности поля
(около 30000 в/см) между электродами появляется электрическая искра,
имеющая вид ярко светящегося извилистого канала, соединяющего оба
электрода. Газ вблизи искры нагревается до высокой температуры и внезапно
расширяется, отчего возникают звуковые волны, и мы слышим характерный
треск. Конденсаторы в этой установке добавлены для того, чтобы сделать
искру более мощной и, следовательно, более эффектной.
Описанная форма газового разряда носит название искрового разряда, или
искрового пробоя газа. При наступлении искрового разряда газ внезапно,
скачком, утрачивает свои изолирующие свойства и становится хорошим
проводником. Напряженность поля, при которой наступает искровой пробой
газа, имеет различное значение у разных газов и зависит от их состояния
(давления, температуры).
При заданном напряжении между электродами напряженность поля тем меньше, чем дальше электроды друг от друга. Поэтому, чем больше расстояние между электродами, тем большее напряжение между ними необходимо для наступления искрового пробоя газа. Это напряжение называется напряжением пробоя.
Возникновение пробоя объясняется следующим образом. В газе всегда есть
некоторое количество ионов и электронов, возникающих от случайных причин.
Обычно, однако, число их настолько мало, что газ практически не проводит
электричества. При сравнительно небольших значениях напряженности поля, с
какими мы встречаемся при изучении несамостоятельной проводимости газов,
соударения ионов, движущихся в электрическом поле, с нейтральными
молекулами газа происходят так же, как соударения упругих шаров. При каждом
соударении движущаяся частица передает покоящейся часть своей кинетической
энергии, и обе частицы после удара разлетаются, но никаких внутренних
изменений в них не происходит. Однако при достаточной напряженности поля
кинетическая энергия, накопленная ионом в промежутке между двумя
столкновениями может сделаться достаточной, чтобы ионизировать нейтральную
молекулу при столкновении. В результате образуется новый отрицательный
электрон и положительно заряженный остаток – ион. Такой процесс ионизации
называют ударной ионизацией, а ту работу, которую нужно затратить, чтобы
произвести отрывание электрона от атома, - работой ионизации. Величина
работы ионизации зависит от строения атома и поэтому различна для разных
газов.
Образовавшиеся под влиянием ударной ионизации электроны и ионы увеличивают число зарядов в газе, причем в свою очередь они приходят в движение под действием электрического поля и могут произвести ударную ионизацию новых атомов. Таким образом, этот процесс «усиливает сам себя», и ионизация в газе быстро достигает очень большой величины. Все явления вполне аналогично снежной лавине в горах, для зарождения которой бывает достаточно ничтожного комка снега. Поэтому и описанный процесс был назван ионной лавиной. Образование ионной лавины и есть процесс искрового пробоя, а то минимальное напряжение, при котором возникает ионная лавина, есть напряжение пробоя. Мы видим, что при искровом пробое причина ионизации газа заключается в разрушении атомов и молекул при соударениях с ионами.
Одним из природных представителей искрового разряда является молния – красивая и не безопасная.
Коронный разряд. Возникновение ионной лавины не всегда приводит к искре, а может вызвать и разряд другого типа – коронный разряд.
Натянем на двух высоких изолирующих подставках металлическую проволоку
AB диаметром в несколько десятых миллиметра и соединим ее с отрицательным
полюсом генератора, дающего напряжение в несколько тысяч вольт, например,
хорошей электрической машине. Второй полюс генератора отведем к Земле. Мы
получим своеобразный конденсатор, обкладками которого являются наша
проволока и стены комнаты, которые, конечно, сообщаются с Землей. Поле в
этом конденсаторе весьма неоднородно, и напряженность его очень велика
вблизи тонкой проволоки. Повышая постепенно напряжение и наблюдая за
проволокой в темноте, можно заметить, что при известном напряжении возле
проволоки появляется слабое свечение («корона»), охватывающее со всех
сторон проволоку; оно сопровождается шипящим звуком и легким
потрескиванием. Если между проволокой и источником включен чувствительный
гальванометр, то с появлением свечения гальванометр показывает заметный
ток, идущий от генератора по проводам к проволоке и от нее по воздуху
комнаты к стенам, соединенным с другим полюсом генератора. Ток в воздухе
между проволокой AB и стенами переносится ионами, образовавшимися в воздухе
благодаря ударной ионизации. Таким образом, свечение воздуха и появление
тока указывают на сильную ионизацию воздуха по действием электрического
поля.
Коронный разряд может возникнуть не только у проволоки, но и у острия и вообще у всех электродов, возле которых образуется очень сильное неоднородное поле.
Применение коронного разряда
1) Электрическая очистка газов (электрофильтры). Сосуд,
наполненный дымом, внезапно делается совершенно прозрачным, если внести в
него острые металлические электроды, соединенные с электрической машиной.
Внутри стеклянной трубки содержатся два электрода: металлический цилиндр и
висящая по его оси тонка металлическая проволока. Электроды присоединены к
электрической машине. Если продувать через трубку струю дыма (или пыли) и
привести в действие машину, то, как только напряжение сделается достаточным
для образования короны, выходящая струя воздуха станет совершенно чистой и
прозрачной, и все твердые и жидкие частицы, содержащиеся в газе, будут
осаждаться на электродах.
Объяснение опыта заключается в следующем. Как только у проволоки зажигается корона, воздух внутри трубки сильно ионизируется. Газовые ионы, соударяясь с частицами пыли, «прилипают» к последним и заряжают их. Так как внутри трубки действует сильное электрическое поле, то заряженные частицы движутся под действием поля к электродам, где и оседают. Описанное явление находит себе в настоящее время техническое применение для очистки промышленных газов в больших объемах от твердых и жидких примесей.
2) Счетчики элементарных частиц. Коронный разряд лежит в основе действия чрезвычайно важных физических приборов: так называемых счетчиков элементарных частиц (электронов, а также других элементарных частиц, которые образуются при радиоактивных превращениях). Один из типов счетчика (счетчик Гейгера – Мюллера) показан на рис 1.
Он состоит из небольшого металлического цилиндра A, снабженного окошком, и тонкой металлической проволоки натянутой оп оси цилиндра и изолированной от него. Счетчик включают в цепь, содержащую источник напряжения В в несколько тысяч вольт. Напряжение выбирают таким, чтобы оно было только немного меньше «критического», т. е. Необходимого для зажигания коронного разряда внутри счетчика. При попадании в счетчик быстро движущегося электрона последний ионизует молекулы газа внутри счетчика, отчего напряжение, необходимое для зажигания короны, несколько понижается. В счетчике возникает разряд, а в цепи появляется слабый кратковременный ток.
Возникающий в счетчике ток настолько слаб, что обычным гальванометром его обнаружить трудно. Однако его можно сделать вполне заметным, если в цепь ввести очень большое сопротивление R и параллельно ему присоединить чувствительный электрометр E. При возникновении в цепи тока I на концах сопротивления создается напряжение U, равное по закону Ома U=IxR. Если выбрать величину сопротивления R очень большой (много миллионов ом), однако значительно меньшей, чем сопротивление самого электрометра, то даже очень слабый ток вызовет заметное напряжение. Поэтому при каждом попадании быстрого электрона внутрь счетчика листочек электрометра будет давать отброс.
Подобные счетчики позволяют регистрировать не только быстрые электроны, но и вообще любые заряженные, быстро движущиеся частички, способные производить ионизацию газа путем соударений. Современные счетчики легко обнаруживают попадание в них даже одной частицы и позволяют, поэтому с полной достоверностью и очень большой наглядностью убедиться, что в природе действительно существуют элементарные частички.
Электрическая дуга. В 1802 г. В. В. Петров установил, что если присоединить к полюсам большой электролитической батареи два кусочка древесного угля и, приведя угли в соприкосновение, слегка их разделить, то между концами углей образуется яркое пламя, а сами концы углей раскаляются добела. Испуская ослепительный свет (электрическая дуга). Это явление семь лет спустя независимо наблюдал английский химик Дэви, который предложил в честь Вольта назвать эту дугу «вольтовой».
Обычно осветительная сеть питается током переменного направления.
Дуга, однако, горит устойчивее, если через нее пропускают ток постоянного
направления, так что один из ее электродов является все время положительным
(анод), а другой отрицательным (катод). Между электродами находится столб
раскаленного газа, хорошо проводящего электричество. В обычных дугах этот
столб испускает значительно меньше света, нежели раскаленные угли.
Положительный уголь, имея более высокую температуру, сгорает быстрее
отрицательного. Вследствие сильной возгонки угля на нем образуется
углубление – положительный кратер, являющийся самой горячей частью
электродов. Температура кратера в воздухе при атмосферном давлении доходит
до 4000 (C.
Дуга может гореть и между металлическими электродами (железо, медь и т. д.). При этом электроды плавятся и быстро испаряются, на что расходуется много тепла. Поэтому температура кратера металлического электрода обычно ниже, чем угольного (2000-2500 (C).
Заставляя гореть дугу между угольными электродами в сжатом газе
(около 20 атм), удалось довести температуру положительного кратера до 5900
(C, т. е. до температуры поверхности Солнца. При этом условии наблюдалось
плавление угля.
Еще более высокой температурой обладает столб газов и паров, чрез
который идет электрический разряд. Энергичная бомбардировка этих газов и
паров электронами и ионами, подгоняемыми электрическим полем дуги, доводит
температуру газов в столбе до 6000-7000 (. Поэтому в столбе дуги почти все
известные вещества плавятся и обращаются в пар, и делаются возможными
многие химические реакции, которые не идут при более низких температурах.
Нетрудно, например, расплавить в пламени дуги тугоплавкие фарфоровые
палочки.
Для поддержания дугового разряда нужно небольшое напряжение: дуга
хорошо горит при напряжении на ее электродах 40-45 в. Ток в дуге довольно
значителен. Так, например, даже в небольшой дуге, идет ток около 5 А, а в
больших дугах, употребляющихся в промышленности, ток достигает сотен ампер.
Это показывает, что сопротивление дуги невелико; следовательно, и
светящийся газовый столб хорошо проводит электрический ток.
Такая сильная ионизация газа возможна только благодаря тому, что
катод дуги испускает очень много электронов, которые своими ударами
ионизуют газ в разрядном пространстве. Сильная электронная эмиссия с катода
обеспечивается тем, что катод дуги сам накален до очень высокой температуры
(от 2200( до 3500(C в зависимости от материала). Когда для зажигания дуги
мы в начале приводим угли в соприкосновение, то в месте контакта,
обладающем очень большим сопротивление, выделяется почти все джоулево тепло
проходящего через угли тока. Поэтому концы углей сильно разогреваются, и
этого достаточно для того, чтобы при их раздвижении между ними вспыхнула
дуга. В дальнейшем катод дуги поддерживается в накаленном состоянии самим
током, проходящие через дугу. Главную роль в этом играет бомбардировка
катода падающими на него положительными ионами.
Применение дугового разряда
Вследствие высокой температуры электроды дуги испускают ослепительный
свет, и поэтому электрическая дуга является одним из лучших источников
света. Она потребляет всего около 0,3 ватта на каждую свечу и является
значительно более экономичной. Нежели наилучшие лампы накаливания.
Электрическая дуга впервые была использована для освещения П. Н. Яблочковым
в 1875 г. и получила название «русского света», или «северного света».
Электрическая дуга также применяется для сварки металлических деталей
(дуговая электросварка). В настоящее время электрическую дугу очень широко
применяют в промышленных электропечах. В мировой промышленности около 90%
инструментальной стали и почти все специальные стали выплавляются в
электрических печах.
Большой интерес представляет ртутная дуга, горящая в кварцевой трубке, так называемая кварцевая лампа. В этой лампе дуговой разряд происходит не в воздухе, а в атмосфере ртутного пара, для чего в лампу вводят небольшое количество ртути, а воздух выкачивают. Свет ртутной дуги чрезвычайно богат невидимыми ультрафиолетовыми лучами, обладающими сильным химическим и физиологическим действием. Ртутные лампы широко применяют при лечении разнообразных болезней («искусственное горное солнце»), а также при научных исследованиях как сильный источник ультрафиолетовых лучей.
Тлеющий разряд. Кроме искры, короны и дуги, существует еще одна форма
самостоятельного разряда в газах – так называемый тлеющий разряд. Для
получения этого типа разряда удобно использовать стеклянную трубку длинной
около полуметра, содержащую два металлических электрода. Присоединим
электроды к источнику постоянного тока с напряжение в несколько тысяч вольт
(годится электрическая машина) и будем постепенно откачивать из трубки
воздух. При атмосферном давлении газ внутри трубки остается темным, так как
приложенное напряжение в несколько тысяч вольт недостаточно для того, чтобы
пробить длинный газовый промежуток. Однако когда давление газа достаточно
понизится, в трубке вспыхивает светящийся разряд. Он имеет вид тонкого
шнура (в воздухе – малинового цвета, в других газах – других цветов),
соединяющий оба электрода. В этом состоянии газовый столб хорошо проводит
электричество.
При дальнейшей откачен светящийся шнур размывается и расширяется, и
свечение заполняет почти всю трубке. Различают следующие две части разряда:
1) несветящуюся часть, прилегающую к катоду, получившую название темного
катодного пространства; 2) светящийся столб газа, заполняющий всю остальную
часть трубки, вплоть до самого анода. Эта часть разряда носит название
положительного столба.
А работает это вот как. При тлеющем разряде газ хорошо проводит
электричество, а значит, в газе все время поддерживается сильная ионизация.
При этом в отличие от дугового разряда катод все время остается холодным.
Почему же в этом случае происходит образование ионов?
Падение потенциала или напряжения на каждом сантиметре длины газового
столба в тлеющем разряде очень различно в разных частях разряда.
Получается, что почти все падение потенциала приходится на темное
пространство. Разность потенциалов, существующая между катодом и ближайшей
к нему границей пространства, называют катодным падением потенциала. Оно
измеряется сотнями, а в некоторых случаях и тысячами вольт. Весь разряд
оказывается существует за счет этого катодного падения.
Значение катодного падения заключается в том, что положительные ионы,
пробегая эту большую разность потенциалов, приобретают большую скорость.
Так как катодное падение сосредоточено в тонком слое газа, то здесь почти
не происходит соударений ионов с газовыми атомами, и по этому, проходя
через область катодного падения, ионы приобретают очень большую
кинетическую энергию. Вследствие этого при соударении с катодом они
выбивают из него некоторое количество электронов, которые начинают
двигаться к аноду. Проходя через темное пространство, электроны в свою
очередь ускоряются катодным падением потенциала и при соударения с газовыми
атомами в более удаленной части разряда производят ионизацию ударом.
Возникающие при этом положительные ионы опять ускоряются катодным падением
и выбивают из катода новые электроны и т. д. Таким образом все повторяется
до тех пор пока на электродах есть напряжение.
Значит мы видим, что причинами ионизации газа в тлеющем разряде являются ударная ионизация и выбивание электронов с катода положительными ионами.
Такой разряд используют в основном для освещения. Применяется в люминесцентных лампа.
Д О К Л А Д
на тему: «ВИДЫ РАЗРЯДОВ И ИХ ПРИМЕНЕНИЕ»
Выполнил: Шутов Е.Ю.
10 А класс
Проверил:
НОВОСИБИРСК
1999
-----------------------
A
B
Рис. 1
R