Лекция 18

1.

Электрический ток в газах и жидкостях
1. Электрический ток в газах.
1.1. Несамостоятельный и самостоятельный разряды.
1.2. Виды самостоятельного разряда.
1.3. Понятие о плазме.
2. Электрический ток в жидкостях.
2.1. Законы Фарадея.

2.

1. Электрический ток в газах.
1.1. Несамостоятельный и самостоятельный разряды
Газовый разряд − это прохождение электрического тока через газы.
Параметры газового разряда
1) химический состав газа;
2) температура и давление;
3) размеры, конфигурация и материал электродов;
4) приложенное к электродам напряжение;
5) плотность газа.
В обычных условиях газ − это диэлектрик, он состоит из
нейтральных атомов и молекул и не содержит свободных носителей
электрического тока.
Газ-проводник − это ионизированный газ (обладает электронноионной проводимостью).

3.

1.1. Несамостоятельный и самостоятельный разряды
Воздух – диэлектрик: в линиях электропередач, в воздушных
конденсаторах, в контактных выключателях.
Воздух − проводник при возникновении: молнии, электрической
искры, сварочной дуги.
Газовый разряд может принимать разнообразные формы. Некоторые
виды разряда сопровождаются свечением и звуковыми эффектами −
шипением, шорохами или треском.
Несамостоятельный газовый разряд:
действием внешних ионизаторов.
существует
только
под
Самостоятельный газовый разряд: сохраняется после прекращения
действия внешнего ионизатора.

4.

1.1. Несамостоятельный и самостоятельный разряды
Вольтамперная характеристика
газового разряда
ОА: выполняется закон Ома.
АВ: сила тока растет медленно.
ВС: ток насыщения (ионы и
электроны, созданные внешним
ионизатором достигают электродов.
СЕ: внешний ионизатор действует,
разряд самостоятельный. Если в
точке С отключить ионизатор, то
разряд несамостоятельный.

5.

1.2. Виды самостоятельного разряда
Механизм образования самостоятельного разряда.
При больших напряжениях между электродами ток растет (CD и DE).
Возникающие электроны, ускоряются полем и сталкиваются с
нейтральными молекулами, в результате образуются вторичные
электроны и положительные ионы. Вторичные электроны вновь
ионизируют молекулы, общее количество электронов и ионов растет
лавинообразно (ток на участке CD увеличивается). Этот процесс
называют ударной ионизацией.
Наряду с ударной ионизацией возможны следующие процессы
образования электронов: выбивание ионами и фотонами из катода;
поглощение фотона молекулами и т.д. Таким образом происходит
«воспроизводство» электронных лавин.
В зависимости от давления газа, конфигурации электродов и
параметров внешней цепи существует четыре типа самостоятельных
разрядов: тлеющий; искровой; дуговой; коронный.

6.

1.2. Виды самостоятельного разряда
Тлеющий разряд. Возникает при низких давлениях в вакуумных
трубках длиной 30÷50 см, при напряжение несколько сотен вольт и
давлении 5,3÷6,7 кПа и ниже в виде светящегося извилистого шнура
красноватого цвета, идущего от катода к аноду.
Применение тлеющего разряда
1. В газосветных трубках для светящихся
надписей и реклам.
2. В лампах дневного света с нанесенными на внутреннюю поверхность
люминофорами, спектр свечения люминофоров близок к спектру
солнечного излучения.
3. Для катодного напыления металлов. Вещество катода в тлеющем
разряде вследствие бомбардировки положительными ионами, сильно
нагреваясь, переходит в парообразное состояние. Помещая вблизи
катода различные предметы, их можно покрыть равномерным слоем
металла.

7.

1.2. Виды самостоятельного разряда
Искровой разряд. Возникает при напряженностях поля (~3 ·106 В/м) в
газе, находящемся под давлением порядка атмосферного. Искра имеет
вид ярко светящегося тонкого канала, сложным образом изогнутого и
разветвленного.
В природных условиях
искровой разряд
наблюдается в виде
молнии.
Механизм возникновения разряда
Возникновению канала искры предшествует появление
слабосветящихся скоплений ионизованного газа − стримеров.
Стримеры возникают в результате образования электронных лавин
(ударная ионизация, фотонная ионизация). Выделяется большое
количества энергии, газ нагревается до температуры примерно 104 К и
начинает светиться. Быстрый нагрев газа ведет к повышению давления
и возникновению ударных волн (звуковые эффекты − раскаты грома).

8.

1.2. Виды самостоятельного разряда
Применение искрового разряда
1.Искровые разрядники (двигатели): воспламенение горючей
смеси и предохранения электрических линий передачи от
перенапряжений.
2.Электроискровая точная обработка металлов (резание,
сверление).
3.Искровые счетчики в спектральном анализе (регистрация
заряженных частиц).

9.

1.2. Виды самостоятельного разряда
Дуговой разряд. Если после получения искрового разряда от мощного
источника постепенно уменьшать расстояние между электродами, то
разряд из прерывистого становится непрерывным, возникает дуга.
Ток при дуговом разряде резко
увеличивается, достигая десятков и
сотен ампер, а напряжение на
разрядном промежутке падает до
нескольких десятков вольт.
Механизм разряда.
1. Термоэлектронная эмиссия с поверхности катода.
2. Термическая ионизация молекул в межэлектродном промежутке.

10.

1.2. Виды самостоятельного разряда
Применение дугового разряда
1. Сварка и резка металлов.
2. Получения высококачественных сталей (дуговая печь).
3. Освещение (прожекторы, проекционная аппаратура).
4. В медицине − источник ультрафиолетового излучения (дуга в
ртутном паре: кварцевая лампа).
5. Ртутные выпрямители переменного тока: дуговой разряд
низкого давления в парах ртути.

11.

1.2. Виды самостоятельного разряда
Коронный разряд. Возникает в сильном неоднородном электрическом
поле при высоких давлениях газа (порядка атмосферного).
Такое поле можно получить между двумя
электродами, поверхность одного из которых
обладает большой кривизной (тонкая проволочка,
острие).
Вид разряда. Когда электрическое поле вблизи
электрода с большой кривизной достигает
примерно 3∙106 В/м, вокруг него возникает
свечение, имеющее вид оболочки или короны.
Вредное действие короны вокруг проводов высоковольтных линий
передач проявляется в возникновении вредных токов утечки.

12.

1.2. Виды самостоятельного разряда
Применение коронного разряда.
1. Электрофильтры: очистка промышленных газов от примесей.
Газ, подвергаемый очистке, движется
снизу вверх в
вертикальном цилиндре, по оси которого расположена
коронирующая проволока. Ионы, имеющиеся в большом
количестве во внешней части короны, оседают на частицах
примеси и увлекаются полем к внешнему некоронирующему
электроду и на нем оседают.
2. Нанесении порошковых и лакокрасочных покрытий.

13.

. 1.3. Понятие о плазме
Плазма − сильно ионизованный газ, в котором концентрации
положительных и отрицательных зарядов практически одинаковы.
Встречается в природе: ионосфера - слабо ионизированная плазма;
Солнце - полностью ионизированная плазма;
искусственная плазма - в газоразрядных лампах.
Плазма – наиболее распространенное состояние
вещества во Вселенной. Основной источник
энергии излучения звезд – термоядерные реакции
синтеза, протекающие в недрах звезд при
огромных температурах.
Степень ионизации плазмы (α) − отношение числа ионизованных
частиц к полному их числу в единице объема плазмы.
Свойства плазмы.
1. Высокая электропроводность
2.Сильное взаимодействие с внешними электрическими и магнитными
полями.

14.

3. Понятие о плазме
Классификации видов плазмы
По степени ионизации.
1. Слабая: α − доли процента.
2. Умеренная: α − несколько процентов.
3. Полностью ионизированная: α − 100 %.
По температуре.
1. Низкотемпературная: T < 100 000 К.
2. Высокотемпературная: T > 100 000 К.
В околоземном пространстве
слабоионизованная плазма находится в
радиационных поясах и ионосфере Земли.
С процессами, происходящими в этой
плазме, связаны такие явления, как
магнитные бури, нарушения дальней
радиосвязи и полярные сияния.

15. 2. Электрический ток в жидкостях. 2.1. Законы Фарадея

Жидкости по степени электропроводности делятся на:
1. диэлектрики (дистиллированная вода);
2. проводники (электролиты);
3. полупроводники (расплавленные соли).
Электролит − это проводящая жидкость.
Электропроводимость электролитов:
1. ионная; 2. электронная.
Применение электролиза.
1.Получение
чистых
металлов
(очистка
от
примесей).
2.Гальваностегия − получение покрытий на металле (никелирование,
хромирование и т.д. ).
3. Гальванопластика − получение отслаиваемых покрытий ( рельефных
копий).

16.

2. Электрический ток в жидкостях. 2.1. Законы Фарадея
Физика процесса
Положительно заряженные анионы под
действием электрического поля
перемещаются к отрицательному катоду, а
отрицательно заряженные катионы − к
положительному аноду.
На аноде отрицательные ионы отдают лишние электроны
(окислительная реакция )
На катоде положительные ионы получают недостающие электроны
(восстановительная реакция )

17.

2. Электрический ток в жидкостях. 2.1. Законы Фарадея
Законы электролиза
Первый закон Фарадея: масса, выделившегося на электроде
вещества, равна произведению заряда q на электрохимический
эквивалент вещества k.
(I – сила тока; t – время).
m k q k I t
Второй закон Фарадея: определение
электрохимического эквивалента вещества.
μ – молярная масса;
z – валентность ионов;
F = 96,5 кКл/моль – постоянная Фарадея
k
F z