Іонізація газів

Департамент освіти і науки

Запорізької обласної держадміністрації

ДНЗ «Бердянський центр професійно-технічної освіти»

Реферат

З фізики

На тему: «Електричні розряди в газах»

Підготувала учениця групи П-25

Ольга Іванченко

Бердянськ, 2014

План:

1 Іонізація, газів

2. Самостійний розряд.

3. Типи самостійних газових розрядів.

3.1. Іскровий розряд.

3.2. Дуговий розряд.

3.3. Тліючий розряд.

3.4. Коронний розряд.

Іонізація газів

За звичайних умов (не занадто високі температури; тиски, близькі до атмосферного) гази складаються з нейтральних атомів і молекул і не містять вільних зарядів (електронів та іонів). Тому струм вони не проводять, іншими словами, є ізоляторами. Наприклад, якщо в сухе атмосферне повітря помістити заряджений електрометр із доброю ізоляцією, то його заряд довго залишається незмінним.

Щоб газ почав проводити електричний струм, потрібно створити в ньому вільні носії заряду, тобто заряджені частинки. Цей процес називається іонізацією газу. При цьому в газі відбувається розщеплення нейтральних атомів і молекул на іони і вільні електрони.

Іонізувати газ можна двома шляхами:

1) заряджені частинки вносяться в газ ззовні або створюються дією якого-небудь зовнішнього фактора;

2) заряджені частинки створюються в газі дією електричного поля.

У залежності від способу іонізації електропровідність газів (розряд у газах) називається несамостійною (1) і самостійною (2).

Під дією іонізатора з електронної оболонки атома або молекули виривається один або кілька електронів. Атом (або молекула) перетворюється на позитивний іон (катіон), і утворюються вільні електрони. Вони, у свою чергу, приєднуються до нейтральних молекул і атомів, перетворюючи їх на негативні іони (аніони). Таким чином, в іонізованому газі Містяться катіони, аніони і вільні електрони.

Часто катіони та аніони являють собою не з'єднані іонізовані молекули, а групи молекул, що «прилипли» до негативного або позитивного іона. Тому їхня маса набагато більша, ніж маса окремого атома або молекули.

Для опису іонної провідності не можна використовувати ані закони Фарадея, ані закон Ома.

Закони Фарадея для газів утрачають зміст у силу того, що в розчинах електролітів частинки являють собою або певні атоми, або певні групи атомів, а в газах конгломерати частинок можуть бути якими завгодно.

Закон Ома для газів виконується тільки при малих напругах. Тоді, як і у випадку провідників, що підкоряються законові Ома, залежність сили струму від напруги (тобто вольтамперна характеристика) для них матиме вигляд:

Зі збільшенням напруги вольтамперна характеристика для газів набуває складнішого вигляду:

Проаналізуємо цю криву.

На ділянці ОА (малі напруги) графік показує, що сила струму пропорційна напрузі. На цьому проміжку відбувається збільшення кількості іонів, що проходять за одиницю часу через перетин розряду, а отже, збільшується і сила струму, оскільки швидкість заряджених частинок зростає з посиленням поля. Але незалежно від швидкості руху, кількість частинок, що проходить через розряд за одиницю часу, не може бути більшою за кількість частинок, що утвориться в газі під впливом іонізатора. Ця величина і визначає значення струму насичення. Наведемо приклад розрахунку струму насичення (I_нас). Нехай іонізатор створює за 1 секунду 2 мільйони пар іонів, кожен із яких має заряд 1,5·10^-19 Кл. Тоді величина струму насичення дорівнюватиме найбільшому зарядові, що проходить через газ за 1 секунду:

Як бачимо, величина струму насичення залежить від іонізуючої здатності іонізатора, а не від напруги.

Трапляються випадки, коли струму насичення немає. Це відбувається, якщо іонізуюча здатність іонізатора настільки велика, що навіть при великих напругах електричне поле не встигає відводити всі утворені іони. Подібну картину ми можемо спостерігати в розчинах електролітів, коли швидкість утворення іонів у результаті електричної дисоціації дуже велика.

Іонізаторами газів можуть виступати різні зовнішні впливи. Наприклад, у результаті сильного нагрівання швидкість молекул зростає, і їхні зіткнення стають настільки сильними, що вони розбиваються на іони. Таким чином, іонізатором виступає сильне нагрівання. Крім того, іонізувати газ може короткохвильове електромагнітне випромінювання (УФ, рентгенівське, у-випромінювання), корпускулярне випромінювання (потоки електронів, протонів, а-частинок) тощо.

Для того щоб вибити з молекули або атома один електрон, треба витратити певну енергію, необхідну для здійснення роботи іонізації — роботи проти сил взаємодії між електроном, що виривається, та іншими частинками атома або молекули. Вона називається енергією іонізації. Зазвичай її значення коливається для різних атомів у межах від 4 до 25 еВ. Величина роботи іонізації залежить від хімічної природи газу й енергетичного стану електрона, що виривається, в атомі або молекулі.

Процес іонізації має кількісну характеристику — інтенсивність іонізації. Вона вимірюється числом пар іонів, протилежних за знаком, що виникають в одиниці об'єму газу за одиницю часу.

У газах одночасно з процесом іонізації протікає конкурентний процес — рекомбінація. Він полягає в тому, що позитивні і негативні іони (або позитивні іони й електрони) при зіткненні з'єднуються між собою. При цьому утворюються нейтральні атоми або молекули. Процес рекомбінації відбувається тим інтенсивніше, чим більше іонів виникає в процесі іонізації. Якщо припинити дію іонізатора, то незабаром кількість іонів у газі зменшуватиметься і зрештою іони зникнуть практично повністю.

При рекомбінації частинок вивільняється певна енергія, що дорівнює енергії, витраченій на іонізацію. Частково вона випромінюється у вигляді світла, тому рекомбінація іонів супроводжується свіченням (свічення рекомбінації).

Електропровідність газів ніколи не дорівнює нулю, тобто вільні заряди в газі є завжди. Іонізаторами в цьому випадку є випромінювання радіоактивних речовин, що є на поверхні Землі, і космічне випромінювання. Інтенсивність іонізації під впливом цих факторів невелика. Але навіть така незначна електропровідність призводить до серйозних наслідків, наприклад витоку зарядів наелектризованих тіл навіть при добрій їх ізоляції.

Date: 2015-07-27; view: 1190; Нарушение авторских прав