Виды Газовых Разрядов Реферат

Виды Газовых Разрядов Реферат.rar
Закачек 2790
Средняя скорость 3316 Kb/s

реферат физика1.docx

Газы в естественном состоянии не проводят электричества. Если поместить в сухом атмосферном воздухе хорошо изолированное заряженное тело, например заряженный электрометр с хорошей изоляцией, то заряд электрометра долгое время практически остается неизменным.

Однако, подвергая газ различным внешним воздействиям, можно вызвать в нем электропроводность. Так, например, помещая вблизи заряженного электрометра пламя горелки, можно видеть, что заряд электрометра быстро уменьшается. Мы сообщили газу электропроводность, создавая в нем высокую температуру. Если бы вместо пламени горелки мы поместили вблизи электрометра подходящий источник света, мы также наблюдали бы утечку зарядов с электрометра.

Это показывает, что в газах под влиянием высокой температуры и различных излучений появляются заряженные частицы. Они возникают потому, что от атомов газа отщепляется один или несколько электронов, в результате чего вместо нейтрального атома возникают положительный ион и электроны. Часть образовавшихся электронов может быть при этом захвачена другими нейтральными атомами, и тогда появятся еще и отрицательные ионы.

Отрыв электрона от атома (ионизация атома) требует затраты определенной энергии — энергии ионизации. Она зависит от строения атома и поэтому различна для разных веществ.

После прекращения действия ионизатора число ионов в газе с течением времени уменьшается и конце концов ионы исчезают вовсе. Исчезновение ионов объясняется тем, что ионы и электроны участвуют в тепловом движении и поэтому соударяются друг с другом. При столкновении положительного иона и электрона они воссоединяются в нейтральный атом. Точно так же при столкновении положительного и отрицательного ионов отрицательный ион может отдать свой избыточный электрон положительному иону и оба они превратятся в нейтральные атомы. Это процесс взаимной ионизации ионов называется рекомбинацией ионов.

При рекомбинации положительного иона и электрона или двух ионов высвобождается определенная энергия, равная энергии, затраченной на ионизацию. Она излучается в виде света, и поэтому рекомбинация ионов сопровождается свечением (свечение рекомбинации). Если концентрация положительных и отрицательных ионов велика, то и число ежесекундно происходящих актов рекомбинации будет большим, и свечение рекомбинации может быть очень сильным. Излучение света при рекомбинации является одной из причин свечения многих форм газового разряда.

Ионизация электронными ударами.

В явлениях электрического разряда в газах большую роль играет ионизация атомов электронными ударами. Процесс заключается в том, что движущийся электрон, обладающий достаточной кинетической энергией, при соударении с нейтральным атомом выбивает из него один или несколько атомных электронов, в результате чего нейтральный атом превращается в положительный ион, а в газе появляются новые электроны.

Схема типичного опыта для изучения ионизации электронными ударами показана на рис. 1 (опыты Джеймса Франка и Густава Герца). Исследуемый газ при давлении порядка 0,1 — 0,01 мм рт.ст. вводится в стеклянную трубку, которая сначала откачивается до высокого вакуума (для удаления других газов). Трубка имеет накаливаемый катод К, сетку С и коллектор ионов Кл. На сетку подается положительный ( относительно катода) потенциал, который можно изменять при помощи делителя напряжения Д1 и измерять вольтметром V. На коллектор ионов накладывается отрицательный потенциал, на 0,5 — 1,0 В больший, чем потенциал катода. Эта небольшая разность потенциалов снимается с делителя напряжения Д2, положительный конец которого соединен с катодом.

Расстояние катод-сетка в таких трубках делают значительно меньшим, чем расстояние сетка-коллектор, и подбирают давление газа так, чтобы средняя длина свободного пробега электронов в газе была больше расстояния между сеткой и катодом. Поэтому электроны, испущенные катодом, движутся в пространстве катод-сетка практически без соударений, и если разность потенциалов (выраженная в вольтах), между сеткой и катодом равна U , то каждый электрон приобретает кинетическую энергию (выраженную в электронвольтах). Электроны, ускоренные сеткой, испытывают затем соударения с атомами газа в пространстве между сеткой и коллектором.

Так как потенциал коллектора ниже, чем потенциал катода, то в отсутствии ионизации все электроны тормозятся, не долетая до коллектора, и поэтому ток через гальванометр равен нулю. Если, однако, постепенно повышать разность потенциалов U между сеткой и катодом , то, когда энергия электронов сделается равной энергии ионизации, то в пространстве сетка — коллектор появятся положительный ионы. Поэтому, измеряя наименьший потенциал сетки U, при котором впервые появляется ток коллектора, можно найти энергию ионизацию атомов исследуемого газа.

Метод Франка и Герца не является единственным методом измерения энергии ионизации. Она может быть определена также из исследования линейчатых спектров свечения разреженных газов и паров, причем с довольно большой точностью. Значения энергии ионизации, найденные по спектрам, хорошо совпадают с ее значениями, определенными методом электронных ударов.

В таблице даны значения энергии ионизации некоторых атомов.

Га́зовый разря́д — совокупность электрических, оптических и тепловых явлений,возникающих при протекании электрического тока через вещество, находящееся в газообразном состоянии. Обычно протекание тока становится возможным только после достаточной ионизации газа и образования плазмы. Ионизация происходит за счёт столкновений электронов, ускорившихся в электромагнитном поле, с атомами газа. При этом возникает лавинное увеличение числа заряженных частиц, поскольку в процессе ионизации образуются новые электроны, которые тоже после ускорения начинают участвовать в соударениях с атомами, вызывая их ионизацию. Для возникновения и поддержания газового разряда требуется существование электрического поля, так как плазма может существовать только если электроны приобретают во внешнем поле энергию, достаточную для ионизации атомов, и количество образованных ионов превышает число рекомбинировавших ионов.

Если для существования газового разряда необходима дополнительная ионизация за счёт внешних источников (например, при помощи ионизирующих излучений), то газовый разряд называется несамостоятельным (такие разряды используются в счётчиках Гейгера).

Для осуществления газового разряда применяют как постоянные во времени, так и переменные электрические поля.

Несамостоятельный газовый разряд.

Процесс прохождения электрического тока через газ называется газовым разрядом. Если электропроводность газа создается внешними ионизаторами, то электрический ток, возникающий в нем, называется несамостоятельным газовым разрядом. С прекращением действия внешних ионизаторов несамостоятельный разряд прекращается. Несамостоятельный газовый разряд не сопровождается свечением газа.

Ниже изображен график зависимости силы тока от напряжения при несамостоятельном разряде в газе. Для построения графика использовалась стеклянная трубка с двумя впаянными в стекло металлическими электродами. Цепь собрана как показано на рисунке ниже.

Самостоятельный газовый разряд.

Электрический разряд в газе, сохраняющийся после прекращения действия внешнего ионизатора, называется самостоятельным газовым разрядом. Для его осуществления необходимо, чтобы в результате самого разряда в газе непрерывно образовывались свободные заряды. Основным источником их возникновения является ударная ионизация молекул газа.

Если после достижения насыщения продолжать увеличивать разность потенциалов между электродами, то сила тока при достаточно большом напряжении станет резко возрастать (график 2).

Это означает, что в газе появляются дополнительные ионы, которые образуются за счет действия ионизатора. Сила тока может возрасти в сотни и тысячи раз, а число заряженных частиц, возникающих в процессе разряда, может стать таким большим, что внешний ионизатор будет уже не нужен для поддержания разряда. Поэтому ионизатор теперь можно убрать.

Газы при нормальных условиях состоят из электрических нейтральных атомов и молекул и по этой причине не проводят электричества. Газ становится проводником, когда некоторая часть его молекул ионизируется, т.е. произойдет расщепление нейтральных атомов и молекул на положительные и отрицательные ионы и свободные электроны – такие газы называют ионизированными. Ионы в газах могут возникать под действием ионизаторов
(возбудители ионизации) – высокой температуры, рентгеновских и ультрафиолетовых лучей, радиоактивного излучения, а также в результате столкновения атомов газа с электронами и атомными частицами и т.д.

Впрочем, и в нормальных условиях газы, например воздух, обладают электрической проводимостью, хотя и весьма ничтожной. Эта проводимость вызвана излучением радиоактивных веществ, имеющихся на поверхности Земли, а также космическими лучами.

Систематическое излучение электрических токов и разрядов в газах было начато лишь в конце 19 века. Была установлена природа газового разряда в различных условиях. Газовым разрядом называется прохождение электрического тока через газы. Однако ввиду сложности этих явлений, точной количественной теории их не существует до настоящего времени.
Ионизация газа, возникающая в результате вырывания электронов из молекул и атомов самого газа, называется объемной ионизацией, т.к. источники ионов здесь распределены в объеме, который занимает газ. Помимо объемной ионизации существует поверхностная ионизация. При такой ионизации ионы или электроны поступают в газ со стенок сосуда, в котором он заключен, или с поверхности тел, вносимых в газ. Например, источником электронов могут служить раскаленные тела (термоэлектронная эмиссия) или поверхности металлов, освещаемые ультрафиолетовыми и прочими коротковолновыми электромагнитными излучениями (фотоэлектрический эффект).

Для того чтобы выбить из молекулы (атома) один электрон, необходимо затратить определенную энергию. Минимальное значение такой энергии называется энергией ионизации молекулы (атома), ее значение для атомов различных веществ лежат в пределах 4[pic]25эВ.

Одновременно с процессом ионизации газа всегда идет и обратный процесс – процесс рекомбинации.

Газы по большей мере состоят из нейтральных молекул. Однако если часть молекул газов ионизируется, газ проводит электрический ток. Есть два основных способа ионизации в газах:

Термическая ионизация — ионизация, при которой необходимую энергию для отрыва электрона от атома дают столкновения между атомами вследствие повышения температуры;

Ионизация электрическим полем — ионизация вследствие получения значения напряжения внутреннего электрического поля выше предельного значения. Из этого следует отрыв электронов от атомов газа.

Коронный разряд – когда вследствие высокой напряженности на острие электрода начинает развиваться лавинный процесс, но вследствие быстрого уменьшения напряженности поля по мере удаления от ост­рия эта лавина не достигает анода.

Молния – вид искрового разряда. Токи 10 4 — 5·10 5 А, напря- жение 10 8 — 10 9 В, длительность мкс., заряд 0,1 – 200 Кл. Быстрое и сильное разо­гревание воздуха в зоне разряда приводит к возникновению ударной звуковой волны – грома.

Дуговой разряд – при низком сопротивлении цепи искровой разряд переходит в дуговой, который протекает при высоких токах в десятки и сотни ампер.

Понятие о плазме

Известны три состояния вещества – твердое, жидкое и газооб­разное. Плазма – это четвертое состояние вещества и притом наибо­лее распространенное в природе. Солнце и звезды представляют со­бой сгустки плазмы. Ионосфера Земли также представляет собой плазму (на высоте от 60 до 20000 км).

Плазмой называется частично или полностью ионизованный газ, в котором плотности положительных и отрицательных зарядов практически одинаковы. Плазма в целом электронейтральна. Однако это не исключает возможности локального нарушения зарядового равновесия в течение небольших промежутков времени. Появление избытка или недостатка того или иного вида зарядов приводит к возникновению сильных электрических полей, способствующих восстановлению зарядового равновесия.

Наличие в плазме заряженных частиц приводит к радикальному отличию этого состояния вещества от газообразного. Это дает основание называть плазму четвертым состоянием вещества. Свойства плазмы определяются долей заряженных частиц в её составе, т.е. степенью ионизации (степень ионизации α – это отношение числа ио­низированных частиц к полному их количеству в единице объёма плазмы).

Различают: слабоионизированную (α ≃нескольким долям процента), умеренно ионизированную (α ≃нескольким процентам) и полностью ионизированную плазму (α ≃ 100%). Слабоионизированная плазма наблюдается в ио­носфере. Полностью ионизированная высокотемпературная – на Солнце и звездах.

В лабораторных и промышленных условиях плазма создается. большей частью, в газовых разрядах.

Важное свойство плазмы – квазинейтральность. Способы получения плазмы — термический, газоразрядный и фотоионизаци­онный. При температуре t ≥ 10000 0 C вещество существует в виде плазмы.

Примеры наблюдения и использования плазмы

— молния, северное сияние, искра короткого замыкания;

— люминесцентные лампы, газоразрядные трубки рекламы, магнито-гидродинамические генераторы (МГД – генераторы) для прямого преоб-разования тепловой энергии в электрическую, и, нако­нец, возможность осуществления термоядерной реакции синтеза ядер водорода.


Статьи по теме