Електричний струм в газах

Газ складається з електрично-нейтральних молекул і в нормальних умовах є добрим ізолятором. Наелектризоване тіло в сухому повітрі зберігає свій заряд практично довгий час. Гази стають електропро­відними внаслідок іонізації їх під дією зовнішніх збудників. При цьому їх молекули перетворюються в позитивні іони. Електрон, який відщепився від нейтральної молекули, стикаючись з іншою нейтраль­ною молекулою, може з'єднатись з нею й утворити негативний іон. Можлива також і багатократна іонізація.

Щоб іонізувати атом (молекулу), треба виконати роботу іонізації проти сил взаємодії електрона з іншими частинками атома (молекули). Ця робота вимірюється в електрон-вольтах, залежить від хімічної природи газу й енергетичного стану електрона в атомі (молекулі). Зовнішні збудники, або джерела енергії, які спричинюють іонізацію газу, називаються іонізаторами. Добрими іонізаторами є ультрафіолетові, рентгенівські, радіоактивні й космічні промені, по­лум'я, хімічні реакції тощо.

Іонізація газу можлива також під дією прискорених електронів та іонів (ударна іонізація). Останні повинні мати достатню кінетичну енергію для здійснення ударної іонізації. Електрони та іони звичайно прискорюються під дією електричного поля.

Проходження електричного струму через газ називається газовим розрядом. Залежно від механізму іонізації газу розрізняють несамо­стійний і самостійний газові розряди.

Несамостійний газовий розряд не підтримує сам себе і відбу­вається під впливом зовнішнього іонізатора. Якщо іонізатор перестає діяти, то розряд припиняється.

Самостійний газовий розряд підтримує сам себе і зберігається після припинення дії зовнішнього іонізатора, тобто під час розряду весь час утворюються вільні заряджені частинки. Вони можуть вини­кати внаслідок ударної іонізації.

Напруга запалювання в самостійному газовому розряді залежить від хімічної природи газу, домішок, тиску, відстані між електродами, матеріалу катода тощо. Тому деякі види самостійних газових розрядів відрізняються один від одного і за характером фізичних процесів, що відбуваються в газорозрядній трубці, і за зовнішнім виглядом.

Тліючий розряд. Цей розряд відбувається при зниженому тиску. Такий розряд можна утворити в скляній трубці з впаяними електро­дами, з якої насосом відкачують повітря. Спочатку відбувається невидимий тихий розряд. При тиску близько Па внаслідок ударної іонізації з'являються перехідні форми від несамостійного розряду до самостійного. Тліючий газовий розряд має широке застосування. Його викори­стовують у сигнальних неонових лампах, у лампах денного світла, для катодного розпилювання металів тощо.

Китичний розряд. Такий розряд виникає в повітрі під впливом сильного електричного поля, коли відбувається ударна іонізація газу. Його можна спостерігати під час грози на вістрях громовідводів, антен, щоглах кораблів тощо. Оскільки біля вістря електричне поле неоднорідне, то розряд має вигляд китиці.

Коронний розряд виникає між провідниками, які перебувають під високою напругою в атмосфері. При цьому біля провідника виникає світіння у вигляді оболонки або корони, яка оточує провідник, ї китичний, і коронний розряди відбуваються в дуже неоднорідному електричному полі, при напрузі між провідниками, меншій від пробивної. Коронний розряд можна спостерігати біля кондукторів електрофорної машини, якщо вони розведені на велику відстань. Його можна утворити навколо дротини, розміщеної по осі порожнистого циліндра, якщо між нею і циліндром напруженість електричного поля велика.

Взагалі коронний розряд виникає і при позитивному потенціалі дротини (позитивна корона), і при її негативному потенціалі (нега­тивна корона), а також при змінній напрузі між провідниками. За межами негативної корони будуть іони тільки одного знака - негативні. Якщо ж корона позитивна, то за її межами будуть позитивні іони. На цьому принципі грунтується дія електрофільтрів для очищення промислових газів від домішок на заводах, що вироб­ляють сірчану кислоту, на заводах кольорової металургії тощо, а також фільтрів, які застосовують для очищення доменних газів.

Виникнення корони біля провідників високовольтних ліній елек­тропередачі - явище небажане: витрачається енергія на іонізацію повітря. Тому провідники високовольтних ліній роблять товстими або трубчастими.

Під впливом електричного поля атмосферних зарядів корона може з'явитися на щоглах кораблів, верхівках дерев і висотних будівель.

Іскровий розряд виникає при високій напрузі (напруга пробою) в атмосферному повітрі між двома електродами такої форми, що електричне поле між ними мало відрізняється від однорідного (на­приклад, між великими кулями, плоскими електродами із закруг­леними краями). При цьому повітряний проміжок пробивається іскрою у вигляді яскравого зигзагоподібного тонкого каналу з розгалуженнями. В іскрових каналах відбувається інтенсивний процес іонізації, нагрівання газу (до 100 000 К) і зростання тиску до сотень атмосфер. Тому іскровий розряд супроводиться звуковим ефектом (тріском, громом). Блискавка в повіт­рі є прикладом іскрового розряду - Максимальний струм блискавки досягає десятків і сотень амперів.

У твердих і рідких діелектриках іскра руйнує саму речовину, і термін “пробій” тут має буквальне значення. Якщо розрядний проміжок малий, то іскра спричи­нює місцеве руйнування металу (ерозію). На цьому і грунтується електроіскровий метод обробки металів (різання, свердління, поверхнева обробка).

Дуговий розряд відбувається при малій напрузі і великому струмі. Якщо після появи електричної іскри (під потужного джерела) поступово зменшувати відстань між елект­родами, то виникає світний стовп газу у вигляді дуги. При цьому струм різко зростає, а напруга на розрядному проміжку спадає до кількох десятків вольтів.

Дуговий розряд можна утворити, минувши стадію іскри. Якщо обидва електроди зблизити до їх дотикання, то в контакті створюється великий опір, а тому виділяється багато тепла і електроди розжарю­ються. Якщо тепер розвести електроди на певну відстань, то між ними виникає електрична дуга. Так уперше в В.В. Петров добув електричну дугу між двома вугільними електродами за допомогою батареї гальванічних елементів. Тепер використовують електроди із пресованого порошкоподібного графіту і в'яжучих речовин.

Важливими є практичні застосування електричної дуги. З часів П.М. Яблочкова електричну дугу використовують як джере­ло світла; за почином Є.О. Патона її використовують для електрозварювання, плавлення і різання металів.

Дата добавления: 2015-10-26