lek8


Чтобы посмотреть этот PDF файл с форматированием и разметкой, скачайте файл и откройте на своем компьютере.
1 8. ЭЛЕКТРИЧЕСКИЙ ТОК В ЭЛЕКТРОЛИТАХ И ГАЗАХ 8.1. Электрический ток в электролитах. 8.2. Явление ионизации и рекомбинации в газах 8.3. Несамостоятельный газовый разряд 8.4. Самос тоятельный газовый разряд 8.5. Типы разрядов 8.6. Применение газового разряда 8.7. Понятие о плазме 8.1. ЭЛЕКТРИЧЕСКИЙ ТОК В ЭЛЕКТРОЛИТАХ Электролиты – водные растворы соле й, кислот, щелочей. Они являются пр о во д никами второго рода. Расщепление нейтральной молекулы на положительные и отрицательные и о ны в результате взаимодействия растворенного вещества с растворителем называе т ся электролитической диссоциацией . Пример: NaC l ↔ Na + + Cl – . Процесс образования нейтральной молекулы при столкновении положител ь ного и отрицательного ионов называется рекомбинацией молизацией . Причины электролитической диссоциации : - тепловое движение полярных молекул растворенного вещества, - вза имодействие этих молекул с полярными мол е кулами растворителя поле мол е кул H 2 O , окружа ю щих полярную молекулу, ослабляет связь между и о нами этой молекулы. После разрыва молекулы на ионы диполи растворителя обволакивают их, образуя сальватную оболочку , с ильно затрудняющую движение ионов. 2 Во внешнем электрическом поле происходит упорядоченное движение ионов, т.е. возникает электрический ток. Электрическое поле создается электродами: п о ложительным анодом и отрицател ь ным катодом. Положительн ые ионы – катионы ионы металлов и ионы водорода движу т ся к катоду. Отрицательные ионы – анионы ионы кислотных остатков и гидр о ксильной гру п пы движутся к аноду. Электрический ток в электролитах сопровождается явлением электролиза – выделением на элек тродах составных частей растворенных веществ или других в е ществ, являющихся результатом вторичных реакций на электродах. Для явления электролиза справедливы два закона Фарадея. Первый закон Фарадея : масса M вещества, выделившегося на электродах, прямо проп орциональна электрическому заряду Q , прошедшему через электролит. где k – электрохимический эквивалент. Второ й закон Фарадея : электрохимический эквивалент вещества k пропо р цион а лен отношению молярной массы A ионов этого вещества к их валентности z . где F = 96486,7 Кл / моль – число Фарадея. 8.2. Закон Ома для электролитов П лотность тока: где q + , q - – заряд положительного и отрицательного иона, соответственно, _ n + , n - – концентрация _ положительных и отрицательных ионов, соответственно. где z + , z – – валентность _ положительных и отрицательных ионов, соответстве н но. Для упрощения расчетов, учитывая, что в электролите происхо дит диссоци а ция нейтральной молекулы, примем: Ускорение ионов в электрическом поле происходит до тех пор, пока электр и ческая сила не станет равной силе трения. Закон Стокса: 3 где η – коэффициент вязкости среды, r + – радиус положительного иона  сальватной оболочки. Введем – подвижность положительных ионов, численно равная скорости положительных ионов пр и Е = 1 Вм. → – подвижность отрицательных ионов. Из уравнения 2 следует, что, поскольку – закон Ома для электролитов в дифференци альной форме. – удельная проводимость электролита. При увеличении температуры подвижность ионов растет. Следовательно, с о противление электролитов уменьшается отличие от металлов, у которых с ростом те м пера туры сопротивление увеличивается. 8.2. ТОК В ГАЗАХ 8.2.1. Явление ионизации и рекомбинации в газах В нормальном состоянии газы состоят из электрически нейтрал ь ных молекул и атомов, и, следовательно, не могут проводить электрич е ский ток. Поэтому газы явля ются хорошими электрическими изолят о рами. Напомню, что окружающий нас воздух является хорошим и с а мым дешѐвым диэлектриком , и его изолирующие свойства широко и с пользуются в различных устройствах высокого напряжения ЛЭП, подстанциях , электростатических г е н ераторах и др.. Проделаем опыт: разорвѐм цепь источника тока , т.е. создадим в ней возду ш ный промежуток. Если включить в такую разорванную цепь гальванометр, то он пок а жет отсутствие электрического тока. Поднесѐм к воздушному промежутку пламя газовой горел ки. В пламени происходят интенсивные химические процессы, за счѐт энергии которых о т дельные атомы могут возбуждаться и ионизироваться. Образующиеся в пл а мени горелки ионы и электроны переходят в во з бужденный промежуток , и под действием приложенной к нему р азности потенциалов начинают дв и гаться к электродам; в ц е пи появляется ток. 4 Процесс ионизации заключается в том, что под действием высокой температуры или некоторых лучей молекулы газа теряют электроны , и тем самым превращаю т ся в положительные ионы. Таким образом, в результате происходит освобождение электронов из атомов и молекул, которые могут присоединиться к нейтральным молекулам или атомам, превращая их в отрицательные ионы. Ионы и свободные эле к троны делают газ проводн и ком электричества. Ионизация га за может происходить под действием коротковолнового излучения – ультрафиолетовых, рентгеновски х и гамма - лучей, а также аль фа, бета - и космич е ских лучей. Установлено, что в нормальных условиях газы, например воздух, обл а дают электрической проводимостью, но очень ничтожной. Эта пр о водимость вызвана излучением радиоактивных веществ, имеющихся на поверхности земли, а также космическими лучами, приходящими из мировых глубин. О д нако равн о весная концентрация ионов в воздухе не превышает нескольких десятков пар ио нов в кубическом сантиметре. Для того, чтобы воздух стал заметно проводить электрический ток, его надо подвергнуть воздействию интенсивных ион и заторов. Итак, при ионизации газовых молекул под действием внешнего и с точника из молекулы обычно вырывается один электрон , и остаѐтся положительный молек у лярный ион с зарядом е + , т.е. образуется пара – положительный ион и электрон. Вырвавшийся электрон обычно пр и сое диняется к какой - либо другой молекуле и образует отрицательный молекулярный ион с зарядом е – , опять о бразуется пара – положительный и отрицательный ионы. Оба типа ионов одновалентны  ), им е ют одинаковую концентрацию n , но несколько различные подви ж ности и Под действием внешнего электри ческого поля эти ионы начинают двигаться , и во з никает электрический ток . Электрический ток, возникающий в процессе ионизации газа – ток в г а зах – это встречный поток и о нов и свободных электронов . Наряду с термином © ионизация ª часто употребляют термин © гене рация ª , характеризующий тот же самый процесс образования носителей зарядов в г а зе . Одновременно с процессом ионизации идѐт обратный процесс р е комбинации ( иначе – м о лизации ) . Рекомбинация – это нейтрализация при встрече разноименных ионов или воссоединение иона и электр о на в нейтральную молекулу атом. Факторы, под действием которых возникает ионизация в газе, назыв а ют внешними ионизаторами , а возникающая при этом проводимость н а зывается несамостоятельной проводим о стью . При данной мощности внешнего ионизато ра в объѐме газа устанавливается равновесное состояние , при котором число пар ионов, возникающих под действ и ем ионизатора за одну секунду в единице объѐма , равно числу пар рекомбинирова в ших ионов. При этом скорость ионизации равна скорости рекомб и нации : . (3 ) 5 Таким образом, ионизованный газ способен проводить ток. Явление прохо ж дения электрического тока через газ называется газовым разрядом . Газовые разр я ды можно разделить на два вида: несамостоятельный и самостоятел ь ный . 8.3 . Несам остоятельный газовый разряд Несамостоятельным газовым разрядом называется такой разряд, кот о рый, возникнув при наличии электрического поля, может существовать только под действием внешнего иониз а тора. Рассмотрим физические процессы, имеющие место при несам остоятельном г а зовом ра зряде. Введем ряд обозначений: о бозначим ч е рез число молекул газа в исследуемом объеме V . Концентрация молекул Часть молекул иониз и рована. Обозначим число ионов одн о го знака через N ; их концентрация Далее, обозначим через ∆ n i – число пар ионов, возникающих под действием иониз а тора за одну с е кунду в единице объема газа. Наряду с процессом ионизации в газе происходит рекомбинация ионов. Вер о ятность встречи двух ион ов разных знаков пропорциональна как числу полож и тельных, так и числу отриц а тельных ионов, а эти числа, в свою очередь, равны n . Следовательно, число пар ионов , р е комбинирующих за секунду в единице объема, пропорци о нально n 2 : (4 ) г де r – коэффициент рекомбинации. В состоянии равновесия число возникающих ионов в единице объема равно числу р е комбинирующих: . (5 ) Отсюда для равновесной концентрации ионов числа пар ионов в единице об ъ ема получается сл е дующее вы ражение: . (6 ) Схема эксперимента с газоразрядной трубкой изображена на р и с унке . 6 Проанализируем далее действие электрического поля на процессы в иониз о ванных газах. Подадим постоянное напряжение на электроды. Положительные и о ны б удут направляться к отрицательному электроду, а отрицательные заряды – к положительному электроду. Таким образом, часть носителей из газоразрядного промежутка будет уходить к электродам в цепи возник нет эле к трический ток. Пусть из единицы объема уходит е жесекундно ∆ n j пар ионов. Теперь условие ра в новесия можно предст а вить в виде (7 ) 1 . Рассмотрим случай слабого поля : В цепи будет протекать сл а бый ток . Плотность тока по величине пропорциональна концентрации н о сителей n , заряду q , переносимому каждым носителем и скорости направленного движения положительных и отрицательных ионов и : . (8 ) Скорость направленного движения ионов выражается чер ез по д вижность и напряженность электрич е ского поля : . (9 ) Подвижность – физическая величина, численно равная скорости направле н ного движения ионов в газе под действием поля с напряже н н остью 1 Вм . На основании 8  для плотности тока имеем: (10 ) В слабом поле   равновесная концентрация ра в на: . Подставим это выражение в 8.2.7: (11 ) В последн ем выражении множитель при не зависит от напр я женности. Обозначив его через σ , мы получим закон Ома в диффере н циальной форме : (12 ) где – удельная электропроводность. Вывод : в случае с лабых электрических полей ток при несамосто я тельном разряде подч и няется закону Ома. 2 . Рассмотрим сильное поле . В этом случае и т. е. все генерируемые ионы уходят из газоразрядного промежутка под действием эл ектр и ческого поля. Это объясняется тем, что за время, требующееся иону, чтобы прол е теть в сильном поле от одного электрода к другому, ионы не у с певают сколько - нибудь заметно рекомбинировать. Поэтому все ионы, производимые ионизаторо м, уч а ствуют в создании тока и уходят на электроды. А так как число , генерируемых ионизат о ром ионов в единицу времени ∆ n i , не зависит от напряженности поля, то плотность тока будет определяться только величиной ∆ n i и не будет з а висеть от . 7 Другими словами, с дальнейшим увеличением приложенного напряжения ток пер е стает расти и остается постоя н ным . Максимальное значение тока, при котором все образующиеся ионы ух о дят к электродам, носит н а звание тока насыщения . Дальнейшее увеличение напр яженности поля ведет к образованию лав и ны электронов, когда возникшие под действием ионизатора электроны прио б ретают на длине свободного пробега от столкновения до столкновения эне р гию, достаточную для ионизации молекул газа ударная ионизация. Возни к ши е при этом вторичные электроны, разогнавшись, в свою очередь, произв о дят ионизацию и т. д. – происходит лавинообразное размножение первичных ионов и электронов , созданных внешним ионизатором и усиление разрядн о го тока . На рисунке изображен процесс образов ания лавины. Полученные результаты можно изобразить графически рисунок 8.3 в виде вольтамперной характеристики несамостоятельного газов о го разряда. 8 Вывод : для несамостоятельного разряда при малых плотностях тока, т.е. к о гда основную роль в исчезновении зарядов из газоразрядного промежутка играет пр о цесс рекомбинации, имеет место закон Ома ( ) ; при больших полях ( ) закон Ома не выполняется – наступает явление насыщения, а при полях превышающих – возникает лавина зарядов, обуславливающая значительное ув е личение плотности тока. 8.4. Самостоятельный газовый разряд Рассмотренный выше процесс возникновения и образования лавин за счет ударной ионизации не утрачивает характера н есамостоятельного разряда, т.к. в сл у чае прекращения действия внешнего ионизатора разряд б ы стро исчезает. Однако возникновение и образование лавины зарядов не ограничивается пр о цессом ударной ионизации. При дальнейшем , сравнительно небольшом увеличении нап ряжения , на электродах газоразрядного промежутка , положительные ионы пр и обретают большую энергию и, ударяясь о катод, выбивают из него электроны, пр о исходит вторичная электронная эмиссия . Возникшие свободные электроны на пути к ан о ду производят ударную ион изацию молекул газа. Положительные ионы на пути к катоду при электрических полях сами ионизируют м о лекулы газа. Если каждый выбитый с катода электрон способен ускоряться и производить ударную ионизацию молекул газа, то разряд будет поддерживаться и после пр е кращ е ния воздействия внешнего ионизатора. Напряжение, при котором развивается самостоятельный разряд, называется напр я жением замыкания. На основании сказанного , самостоятельным разрядом будем называть т а кой газовый разряд, в котор ом носители тока возникают в результате тех пр о цессов в газе, которые обусловлены приложенным к газу напряжением. Т.е. данный разряд продолжается и после прекр а щения действия ионизатора. Когда межэлектродный промежуток перекрывается полностью проводящей га зоразрядной плазмой, наступает его пробой . Напряжение, при котором происх о дит пробой межэлектродного промежутка, называется пробивным н а пряжением . А соответствующая напряженность электрического поля носит название пробивная напряже н ность. Рассмотрим услови я возникновения и поддержания самостоятельного ра з ряда. При больших напряжениях между электродами газового пром е жутка ток сильно возрастает. Это происходит вследствие того, что возникающие под действ и ем внешнего ионизатора электроны, сильно у с коренные элек трическим полем, сталкиваются с нейтральными молекулами газа и ионизируют их . В результате эт о го образуются вторичные электроны и положительные ионы ( процесс 1 на рис у н ке . Положительные ионы движутся к катоду, а электроны – к аноду. Вторичные эле к троны вн овь ионизируют молекулы газа, и, следовательно, общее количество электронов и ионов будет возрастать по мере продвижения электронов к аноду л а винообразно. Это и является причиной увеличения электрического тока. Описа н ный процесс называется ударной ионизац и ей. 9 Однако ударная ионизация под действием электронов недостаточна для по д держания разряда при удалении внешнего ионизатора. Для этого необходимо, чт о бы электронные лавины © воспроизводились ª , т.е. чтобы в газе под действием к а ких - то процессов возникали новые электроны. Это следующие пр о цессы:  ускоренные электрическим полем положительные ионы, ударяясь о катод, выбивают из него электр о ны  процесс 2 );  положительные ионы, сталкиваясь с молекулами газа, переводят их в во з бужденное состояние; переход таких мо лекул в основное состояние сопровождае т ся испусканием фотонов  процесс 3 );  фотон, поглощенный нейтральной молекулой, ионизирует ее, происходит процесс ф о тонной ионизации молекул  процесс 4 );  выбивание электронов из катода под действием фотонов  пр о цесс 5 ); наконец, при значительных напряжениях между электродами газового пром е жутка наступает момент, когда положительные ионы, обладающие меньшей дл и ной свободного пробега, чем электроны, приобретают энергию, дост а точную для ионизации молекул газа  процесс 6 , и к отрицательной пластине устремляются ионные лавины. Когда во з никают, кроме электронных лавин, еще и ионные, сила тока растет уже практически без увеличения н а пряжения. 8.5. Типы разрядов В зависимости от давления газа, конфигурации электродов и пар а метр ов внешней цепи существует четыре типа самостоятельных разр я дов: 1. Т леющий разряд; 2. И скровой разряд; 3. Д уговой разряд; 4. К оронный разряд. 1 . Тлеющий разряд возникает при низких давлениях. Его можно наблюдать в стеклянной трубке с впаянными у концов плоскими мета л лическими электродами. Вблизи катода располагается тонкий светящийся слой, называемый катодной св е тящейся пленкой 2. 10 Между катодом и пленкой находится астоново темное простра н ство 1 . Справа от светящейся пленки помещается слабо светящийся слой, называемый к а тодным темным пространством 3 . Этот слой переходит в светящуюся о б ласть, которую называют тлеющим свечением 4 , с тлеющим пространством граничит тѐмный промежуток – фарадеево тѐмное пространство 5 . Все перечисленные слои образуют катодную часть тлеющего р азряда. Вся остальная часть трубки з а полнена святящимся газом. Эту часть называют положител ь ным столбом 6 . При понижении давления катодная часть разряда и фарадеево тѐмное пр о странство увеличивается, а положительный столб укорачивае т ся. Измерения пока зали, что почт и все падения потенциала приходя тся на первые три участка разряда астоново темное пространство, катодная святящаяся плѐнка и катодное тѐмное пятно. Эту часть напряжения , приложенного к трубке, называют катодным п а дением потенциала . В област и тлеющего свечения потенциал не изменяется – здесь н а пряженность поля равна нулю. Наконец , в фарадеевом тѐмном пр о странстве и положительном столбе п о тенциал медленно растѐт. Такое распределение потенциала вызвано образованием в катодном темном пространст ве положительного пространственного заряда, обусловленного пов ы шенной конце н трацией положительных ионов. Положительные ионы, ускоренные катодным падением потенциала, бомба р дируют катод и выбивают из него электроны. В астоновом темном пр о странстве эти элект роны, пролетевшие без столкновений в область катодного тѐмного простра н ства, имеют большую энергию, вследствие чего они чаще ионизируют молекулы, чем возб у ждают. Т.е. интенсивность свечения газа уменьшается, но зато образуется много электронов и положитель ных ионов. Образовавшиеся ионы в начале имеют очень малую скорость и потому в катодном тѐмном пространстве создаѐтся пол о жительный пространственный заряд, что и пр иводит к перераспределению поте н циала вдоль трубки и к возникновению катодного падения потенц и а ла. 11 Электроны, возникшие в катодном тѐмном пространстве, проникают в о б ласть тлеющего свечения, которая характеризуется высокой концентрацией электронов и положительных ионов коленарным пр о странственным зарядом, близким к нулю плазма. Поэтому напряженн ость поля здесь очень мала. В области тлеющего св е чения идѐт инте н сивный процесс рекомбинации, сопровождающийся излучением выделяющейся при этом энергии. Таким образом, тлеющее свечение есть , в осно в ном , свечение реко м бинации. Из области тлеющего свечения в фарадеево тѐмное пространство электроны и ионы проникают за счѐт диффузии. Вероятность рекомбинации здесь сильно пад а ет, т.к. концентрация заряженных частиц нев е лика. Поэтому в фарадеевом тѐмном пространстве имеется поле. Увлекаемые этим полем электроны накапливают эне р гию и часто в конце концов возникают условия, необх о димые для существования плазмы. Положительный столб представляет собой газоразрядную плазму. Он в ы полняет роль проводника, соединяющего анод с катодными частями разряда. Св е чение положител ьного столба вызвано, в основном, переходами возбужденных м о лекул в основное состояние. 2 . Искровой разряд возникает в газе обычно при давлениях порядка атмосфе р ного. Он характеризуется прерывистой формой. По внешнему виду искровой ра з ряд представляет собо й пучок ярких зигзагообразных р азветвляющихся тонких п о лос, мгновенно пронизывающих разрядный промежуток, быстро гаснущих и пост о янно сменяющих друг друга. Эти полоски называют искровыми канал а ми . Т газа = 10 000 К ~ 40 см I = 10 0 кА t = 10 – 4 c l ~ 10 км После того, как разрядный промежуток ©пробитª искровым каналом, сопр о тивление его становится малым, через канал проходит кра т ковременный импульс тока большой силы, в течение которого на ра з рядный промежуток приходится лишь не значительное напряжение. Е с ли мощность источника не очень велика, то после э того импульса тока разряд прекращается. Напряжение между электродами начин а ет повышаться до прежнего значения, и пробой газа повторяется с образованием нового искрового ка н а ла. В е стественных природных условиях искровой разряд наблюдается в виде молнии. На рисунке изображен пример искрового разряда – молния, продолж и тельностью 0,2 ÷ 0,3 с силой тока 10 4 – 10 5 А, длиной 20 км рисунок 8.7. 12 3. Дуговой разряд . Если после получения искрового разряда от мощного и с точника постепенно уменьшать расстояние между электродами, то разряд из пр е рывистого становится непрерывным , возникает новая форма газового разряда, н а зываемая дуг о вым разрядом . I ~ 10 3 А При этом то к резко увеличивается, достигая десятков и сотен ампер, а напр я жение на разрядном промежутке падает до нескольких д е сятков вольт. Согласно В. Ф. Л иткевичу  1872 – 1951 , дуговой разряд подде р живается , главным образом, за счет термоэлектронной эмиссии с пов ерхности катода. На практике – это сварка, мощные д у говые печи. 4 . Коронный разряд возникает в сильном неоднородном электрическом поле при сравнительно высоких давлениях газа порядка атмосферного. Т а кое поле можно получить между двумя электродами, повер хность одного из которых обл а дает большой кривизной тонкая проволочка, ос т рие . Наличие второго электрода необязательна , но его роль могут играть ближа й шие , окружающие заземленные металлические предметы. Когда эл ектрическое п о ле вблизи электрода с большой кривизной достигает примерно 3∙10 6 Вм , вокруг н е 13 го возникает свечение, имеющее вид оболочки или короны, откуда и произошло название з а ряда. а б в Кистеобразные формы коронного разряда в атмосферном воздухе. Острие с гиперболической вершиной р а диус кривизны 1,5 мм: а – потенциал острия 25 кВ, стримерная корона; б – потенциал острия  25 кВ, отр и цательная корона в импульс ном режиме; в – потенциал острия  60 кВ, отрицательная корона в н епр е рывном режиме В зависимости от знака корониру ю щего электрода различают отрицательную или положительную корону. • Коронирует катод – отрицательная корона: электроны выбиваются из катода при его бомбардировке положительными ионами. Электроны вызывают уд арную ион и зацию молекул газа. • Коронирует анод – положительная корона: электроны рождаются вследствие ф о тоионизации газа вблизи анода. Применение коронного разряда : молниеотводы, электрофильтры, нанесение красок в к о ронном разряде. Вредное действие: ради опомехи; возникновение на проводах высоковольтных ЛЭП приводит к утечке тока для снижения утечки высоковольтные провода делают большего диаметра.

Приложенные файлы

  • pdf 18814043
    Размер файла: 776 kB Загрузок: 0

Добавить комментарий