Прохождение электрического тока через газы. Прохождение электрического тока через разреженные газы

В обычных условиях газ - это диэлектрик, т.е. состоит из нейтральных атомов и молекул и не содержит свободных носителей эл.тока. Газ-проводник - это ионизированный газ. Ионизированный газ обладает электронно-ионной проводимостью.

Воздух является диэлектриком в линиях электропередач, в воздушных конденсаторах, в контактных выключателях.

Воздух является проводником при возникновении молнии, электрической искры, при возникновении сварочной дуги.

Ионизация газа - это распад нейтральных атомов или молекул на положительные ионы и электроны путем отрыва электронов от атомов. Ионизация происходит при нагревании газа или воздействия излучений (УФ, рентген, радиоактивное) и объясняется распадом атомов и молекул при столкновениях на высоких скоростях.

Газовый разряд - это эл.ток в ионизированных газах. Носителями зарядов являются положительные ионы и электроны. Газовый разряд наблюдается в газоразрядных трубках (лампах) при воздействии электрического или магнитного поля.

Рис. 1

Рекомбинация заряженных частиц

Газ перестает быть проводником, если ионизация прекращается, это происходит в следствие рекомбинации (воссоединения противоположно заряженных частиц).

Рис. 2

Существует самостоятельный и несамостоятельный газовый разряд.

Несамостоятельный электрический разряд. Опыт показывает, что две разноименно заряженные пластины, разделенные слоем воздуха, не разряжаются.

Обычно вещество в газообразном состоянии является изолятором, так как атомы или молекулы, из которых оно состоит, содержат одинаковое число отрицательных и положительных электрических зарядов и в целом нейтральны.

Внесем в пространство между пластинами пламя спички или спиртовки рис 3.

Рис. 3

При этом электрометр начнет быстро разряжаться. Следовательно, воздух под действием пламени стал проводником. При вынесении пламени из пространства между пластинами разряд электрометра прекращается. Такой же результат можно получить, облучая пластины светом электрической дуги. Эти опыты доказывают, что газ может стать проводником электрического тока.

Явление прохождения электрического тока через газ, наблюдаемое только при условии какого-либо внешнего воздействия, называется несамостоятельным электрическим разрядом.

Термическая ионизация. Нагревание газа делает его проводником электрического тока, потому что часть атомов или молекул газа превращается в заряженные ионы.

Для отрыва электрона от атома необходимо совершить работу против сил кулоновского притяжения между положительно заряженным ядром и отрицательным электроном. Процесс отрыва электрона от атома называется ионизацией атома. Минимальная энергия, которую необходимо затратить для отрыва электрона от атома или молекулы, называется энергией связи.

Электрон может быть оторван от атома при соударении двух атомов, если их кинетическая энергия превышает энергию связи электрона. Кинетическая энергия теплового движения атомов или молекул прямо пропорциональна абсолютной температуре, поэтому с повышением температуры газа увеличивается число соударений атомов или молекул, сопровождающихся ионизацией.

Процесс возникновения свободных электронов и положительных ионов в результате столкновений атомов и молекул газа при высокой температуре называется термической ионизацией.

Плазма. Газ, в котором значительная часть атомов или молекул ионизована, называется плазмой. Степень термической ионизации плазмы зависит от температуры. Например, при температуре 10 000 К ионизовано меньше 10 % общего числа атомов водорода, при температуре выше 20 000 К водород практически полностью ионизован.

Электроны и ионы плазмы могут перемещаться под действием электрического поля. Таким образом, при низких температурах газ является изолятором, при высоких температурах превращается в плазму и становится проводником электрического тока.

Фотоионизация. Энергия, необходимая для отрыва электрона от атома или молекулы, может быть передана светом. Ионизация атомов или молекул под действием света называется фотоионизацией.

Самостоятельный электрический разряд. При увеличении напряженности электрического поля до некоторого определенного значения, зависящего от природы газа и его давления, в газе возникает электрический ток и без воздействия внешних ионизаторов. Явление прохождения через газ электрического тока, не зависящего от действия внешних ионизаторов, называется самостоятельным электрическим разрядом.

В воздухе при атмосферном давлении самостоятельный электрический разряд возникает при напряженности электрического поля, равной примерно

Основной механизм ионизации газа при самостоятельном электрическом разряде -- ионизация атомов и молекул вследствие ударов электрона.

Ионизация электронным ударом. Ионизация электронным ударом становится возможной тогда, когда электрон при свободном пробеге приобретет кинетическую энергию, превышающую энергию связи W электрона с атомом.

Кинетическая энергия W к электрона, приобретаемая под действием электрического поля напряженностью, равна работе сил электрического поля:

W к = Fl = eEl,

где l -- длина свободного пробега.

Отсюда приближенное условие начала ионизации электронным ударом имеет вид

Энергия связи электронов в атомах и молекулах обычно выражается в электронволътах (эВ). 1 эВ равен работе, которую совершает электрическое поле при перемещении электрона (или другой частицы, обладающей элементарным зарядом) между точками поля, напряжение между которыми равно 1 В:

Энергия ионизации атома водорода, например, равна 13,6 эВ.

Механизм самостоятельного разряда. Развитие самостоятельного электрического разряда в газе протекает следующим образом. Свободный электрон под действием электрического поля приобретает ускорение. Если напряженность электрического поля достаточно велика, электрон при свободном пробеге настолько увеличивает кинетическую энергию, что при соударении с молекулой ионизует ее.

Первый электрон, вызвавший ионизацию молекулы, и второй электрон, освобожденный в результате ионизации, под действием электрического поля приобретают ускорение в направлении от катода к аноду. Каждый из них при следующих соударениях освобождает еще по одному электрону и общее число свободных электронов становится равным четырем. Затем таким же образом оно увеличивается до 8, 16, 32, 64 и т. д. Число свободных электронов, движущихся от катода к аноду, нарастает лавинообразно до тех пор, пока они не достигнут анода рис. 4.

Рис. 4

Положительные ионы, возникшие в газе, движутся под действием электрического поля от анода к катоду. При ударах положительных ионов о катод и под действием света, излучаемого в процессе разряда, с катода могут освобождаться новые электроны. Эти электроны в свою очередь разгоняются электрическим полем и создают новые электронно-ионные лавины, поэтому процесс может продолжаться непрерывно.

Концентрация ионов в плазме по мере развития самостоятельного разряда увеличивается, а электрическое сопротивление разрядного промежутка уменьшается. Сила тока в цепи самостоятельного разряда обычно определяется лишь внутренним сопротивлением источника тока и электрическим сопротивлением других элементов цепи.

Искровой разряд. Молния. Если источник тока не способен поддерживать самостоятельный электрический разряд в течение длительного времени, то происходящий самостоятельный разряд называется искровым разрядом. Искровой разряд прекращается через короткий промежуток времени после начала разряда в результате значительного уменьшения напряжения. Примеры искрового разряда -- искры, возникающие при расчесывании волос, разделении листов бумаги, разряде конденсатора.

Самостоятельный электрический разряд представляют собой и молнии, наблюдаемые во время грозы. Сила тока в канале молнии достигает 10 000--20 000 А, длительность импульса тока составляет несколько десятков микросекунд. Самостоятельный электрический разряд между грозовым облаком и Землей после нескольких ударов молнии сам собою прекращается, так как большая часть избыточных электрических зарядов в грозовом облаке нейтрализуется электрическим током, протекающим по плазменному каналу молнии (рис. 5).

Рис. 6

При увеличении силы тока в канале молнии происходит нагревание плазмы до температуры свыше 10 000 К. Изменения давления в плазменном канале молнии при увеличении силы тока и прекращении разряда вызывают звуковые явления, называемые громом.

Тлеющий разряд. При понижении давления газа в разрядном промежутке разрядный канал становится более широким, а затем светящейся плазмой оказывается равномерно заполнена вся разрядная трубка. Этот вид самостоятельного электрического разряда в газах называется тлеющим разрядом (рис. 7).

Рис. 7

Электрическая дуга. Если сила тока в самостоятельном газовом разряде очень велика, то удары положительных ионов и электронов могут вызвать разогревание катода и анода. С поверхности катода при высокой температуре происходит эмиссия электронов, обеспечивающая поддержание самостоятельного разряда в газе. Длительный самостоятельный электрический разряд в газах, поддерживающийся за счет термоэлектронной эмиссии с катода, называется дуговым разрядом (рис. 8).

Рис. 8

Коронный разряд. В сильно неоднородных электрических полях, образующихся, например, между острием и плоскостью или между проводом и плоскостью (линия электропередачи), возникает самостоятельный разряд особого вида, называемый коронным разрядом. При коронном разряде ионизация электронным ударом происходит лишь вблизи одного из электродов, в области с высокой напряженностью электрического поля.

Применение электрических разрядов. Удары электронов, разгоняемых электрическим полем, приводят не только к ионизации атомов и молекул газа, но и к возбуждению атомов и молекул, сопровождающемуся излучением света. Световое излучение плазмы самостоятельного электрического разряда широко используется в народном хозяйстве и в быту. Это лампы дневного света и газоразрядные лампы уличного, освещения, электрическая дуга в кинопроекционном аппарате и ртутно-кварцевые лампы, применяемые в больницах и поликлиниках. Высокая температура плазмы дугового разряда позволяет применять его для резки и сварки металлических конструкций, для плавки металлов. С помощью искрового разряда ведется обработка деталей из самых твердых материалов.

Электрический разряд в газах бывает и нежелательным явлением, с которым в технике необходимо бороться. Так, например, коронный электрический разряд с проводов высоковольтных линий электропередач приводит к бесполезным потерям электроэнергии. Возрастание этих потерь с увеличением напряжения ставит предел на пути дальнейшего увеличения напряжения в линии электропередач, тогда как для уменьшения потерь энергии на нагревание проводов такое повышение весьма желательно.

В обычных условиях газы не проводят электрический ток, так как их молекулы электрически нейтральны. Например, сухой воздух - это хороший изолятор, в чем мы могли убедиться с помощью самых простых опытов по электростатике. Однако воздух и другие газы становятся проводниками электрического тока, если в них тем или иным способом создать ионы.

Рис. 100. Воздух становится проводником электрического тока, если его ионизировать

Простейший опыт, иллюстрирующий проводимость воздуха при его ионизации пламенем показан на рис. 100: заряд на пластинах, сохраняющийся в течение длительного времени, быстро исчезает при внесении зажженной спички в пространство между пластинами.

Газовый разряд. Процесс прохождения электрического тока через газ обычно называют газовым разрядом (или электрическим разрядом в газе). Газовые разряды подразделяются на два вида: самостоятельные и несамостоятельные.

Несамостоятельный разряд. Разряд в газе называют несамостоятельным, если для его поддержания необходим внешний источник

ионизации. Ионы в газе могут возникать под действием высоких температур, рентгеновского и ультрафиолетового излучения, радиоактивности, космических лучей и т. д. Во всех этих случаях происходит освобождение одного или нескольких электронов из электронной оболочки атома или молекулы. В результате в газе появляются положительные ионы и свободные электроны. Освободившиеся электроны могут присоединяться к нейтральным атомам или молекулам, превращая их в отрицательные ионы.

Ионизация и рекомбинация. Наряду с процессами ионизации в газе происходят и обратные процессы рекомбинации: соединяясь между собой, положительные и отрицательные ионы или положительные ионы и электроны образуют нейтральные молекулы или атомы.

Изменение со временем концентрации ионов, обусловленное постоянным источником ионизации и процессами рекомбинации, можно описать следующим образом. Допустим, что источник ионизации создает в единице объема газа за единицу времени положительных ионов и такое же число электронов. Если в газе нет электрического тока и можно пренебречь уходом ионов из рассматриваемого объема из-за диффузии, то единственным механизмом уменьшения концентрации ионов будет рекомбинация.

Рекомбинация происходит при встрече положительного иона с электроном. Число таких встреч пропорционально как числу ионов, так и числу свободных электронов, т. е. пропорционально . Поэтому убыль числа ионов в единице объема в единицу времени может быть записана в виде , где а - постоянная величина, называемая коэффициентом рекомбинации.

При справедливости введенных предположений уравнение баланса ионов в газе запишется в виде

Мы не будем решать это дифференциальное уравнение в общем виде, а рассмотрим некоторые интересные частные случаи.

Прежде всего отметим, что процессы ионизации и рекомбинации через некоторое время должны скомпенсировать друг друга и в газе установится постоянная концентрация видно, что при

Стационарная концентрация ионов тем больше, чем мощнее источник ионизации и чем меньше коэффициент рекомбинации а.

После выключения ионизатора убывание концентрации ионов описывается уравнением (1), в котором нужно положить принять в качестве начального значения концентрации

Переписав это уравнение в виде после интегрирования получаем

График этой функции показан на рис. 101. Он представляет собой гиперболу, асимптотами которой являются ось времени и вертикальная прямая Разумеется, физический смысл имеет лишь участок гиперболы, соответствующий значениям Отметим медленный характер убывания концентрации со временем в сравнении с часто встречающимися в физике процессами экспоненциального затухания, которые реализуются, когда скорость убывания какой-либо величины пропорциональна первой степени мгновенного значения этой величины.

Рис. 101. Убывание концентрации ионов в газе после выключения источника ионизации

Несамостоятельная проводимость. Процесс спадания концентрации ионов после прекращения действия ионизатора значительно ускоряется, если газ находится во внешнем электрическом поле. Вытягивая электроны и ионы на электроды, электрическое поле может очень быстро обратить в нуль электропроводность газа в отсутствие ионизатора.

Для уяснения закономерностей несамостоятельного разряда рассмотрим для простоты случай, когда ток в ионизуемом внешним источником газе течет между двумя плоскими электродами, параллельными друг другу. В этом случае ионы и электроны находятся в однородном электрическом поле напряженности Е, равной отношению приложенного к электродам напряжения к расстоянию между ними.

Подвижность электронов и ионов. При постоянном приложенном напряжении в цепи устанавливается некоторая постоянная сила тока 1. Это значит, что электроны и ионы в ионизованном газе движутся с постоянными скоростями. Чтобы объяснить этот факт, нужно считать, что кроме постоянной ускоряющей силы электрического поля на движущиеся ионы и электроны действуют силы сопротивления, растущие с увеличением скорости. Эти силы описывают усредненный эффект столкновений электронов и ионов с нейтральными атомами и молекулами газа. Благодаря силам сопротивления

устанавливаются в среднем постоянные скорости электронов и ионов, пропорциональные напряженности Е электрического поля:

Коэффициенты пропорциональности называются подвижностями электрона и иона. Подвижности ионов и электронов имеют разные значения и зависят от сорта газа, его плотности, температуры и т. д.

Плотность электрического тока т. е. заряд, переносимый электронами и ионами за единицу времени через единичную площадку, выражается через концентрацию электронов и ионов их заряды и скорости установившегося движения

Квазинейтральность. В обычных условиях ионизованный газ в целом электронейтрален, или, как говорят, квазинейтрален, ибо в малых объемах, содержащих сравнительно небольшое число электронов и ионов, условие электронейтральности может и нарушаться. Это значит, что выполняется соотношение

Плотность тока при несамостоятельном разряде. Чтобы получить закон изменения со временем концентрации носителей тока при несамостоятельном разряде в газе, нужно наряду с процессами ионизации внешним источником и рекомбинации учесть также уход электронов и ионов на электроды. Число частиц, уходящих в единицу времени на электрод площади из объема равно Скорость убывания концентрации таких частиц мы получим, разделив это число на объем газа между электродами. Поэтому уравнение баланса вместо (1) при наличии тока запишется в виде

Для установления режима, когда из (8) получаем

Уравнение (9) позволяет найти зависимость плотности установившегося тока при несамостоятельном разряде от приложенного напряжения (или от напряженности поля Е).

Два предельных случая видны непосредственно.

Закон Ома. При низком напряжении, когда в уравнении (9) можно пренебречь вторым слагаемым в правой части, после чего получаем формулы (7) при этом имеем

Плотность тока пропорциональна напряженности приложенного электрического поля. Таким образом, для несамостоятельного газового разряда в слабых электрических полях выполняется закон Ома.

Ток насыщения. При низкой концентрации электронов и ионов в уравнении (9) можно пренебречь первым (квадратичным по слагаемым в правой части. В этом приближении вектор плотности тока направлен вдоль напряженности электрического поля, а его модуль

не зависит от приложенного напряжения. Этот результат справедлив для сильных электрических полей. В этом случае говорят о токе насыщения.

Оба рассмотренных предельных случая можно исследовать и не обращаясь к уравнению (9). Однако таким путем нельзя проследить, как при увеличении напряжения происходит переход от закона Ома к нелинейной зависимости тока от напряжения.

В первом предельном случае, когда ток очень мал, основной механизм удаления электронов и ионов из области разряда - это рекомбинация. Поэтому для стационарной концентрации можно воспользоваться выражением (2), что при учете (7) немедленно дает формулу (10). Во втором предельном случае, наоборот, пренебрегается рекомбинацией. В сильном электрическом поле электроны и ионы не успевают сколько-нибудь заметно рекомбинировать за время пролета от одного электрода до другого, если концентрация их достаточно мала. Тогда все образуемые внешним источником электроны и ионы достигают электродов и полная плотность тока равна Она пропорциональна длине ионизационной камеры, поскольку полное число производимых ионизатором электронов и ионов пропорционально I.

Экспериментальное изучение газового разряда. Выводы теории несамостоятельного газового разряда подтверждаются экспериментами. Для исследования разряда в газе удобно использовать стеклянную трубку с двумя металлическими электродами. Электрическая схема такой установки показана на рис. 102. Подвижности

электронов и ионов сильно зависят от давления газа (обратно пропорционально давлению), поэтому опыты удобно проводить при пониженном давлении.

На рис. 103 представлена зависимость силы тока I в трубке от приложенного к электродам трубки напряжения Ионизацию в трубке можно создать, например, рентгеновскими или ультрафиолетовыми лучами либо с помощью слабого радиоактивного препарата. Существенно только, чтобы внешний источник ионов оставался неизменным Линейный участок ОА вольт-амперной характеристики соответствует области применимости закона Ома.

Рис. 102. Схема установки для изучения газового разряда

Рис. 103. Экспериментальная вольт-амперная характеристика газового разряда

На участке сила тока нелинейно зависит от напряжения. Начиная с точки В ток достигает насыщения и остается постоянным на некотором участке Все это соответствует теоретическим предсказаниям.

Самостоятельный разряд. Однако в точке С снова начинается возрастание тока, сначала медленное, а затем очень резкое. Это означает, что в газе появился новый, внутренний источник ионов. Если теперь убрать внешний источник, то разряд в газе не прекращается, т. е. из несамостоятельного разряд переходит в самостоятельный. При самостоятельном разряде образование новых электронов и ионов происходит в результате внутренних процессов в самом газе.

Ионизация электронным ударом. Нарастание тока при переходе от несамостоятельного разряда к самостоятельному происходит лавинообразно и называется электрическим пробоем газа. Напряжение, при котором происходит пробой, называется напряжением зажигания. Оно зависит от рода газа и от произведения давления газа на расстояние между электродами.

Процессы в газе, ответственные за лавинообразное нарастание силы тока при увеличении приложенного напряжения, связаны с ионизацией нейтральных атомов или молекул газа свободными электронами, разогнанными электрическим полем до достаточно

больших энергий. Кинетическая энергия электрона перед очередным столкновением с нейтральным атомом или молекулой пропорциональна напряженности электрического поля Е и длине свободного пробега электрона X:

Если эта энергия достаточна для того, чтобы ионизовать нейтральный атом или молекулу, т. е. превосходит работу ионизации

то при столкновении электрона с атомом или молекулой происходит их ионизация. В результате вместо одного электрона возникают два. Они в свою очередь разгоняются электрическим полем и ионизуют встречающиеся на их пути атомы или молекулы и т. д. Процесс развивается лавинообразно и называется электронной лавиной. Описанный механизм ионизации называется ионизацией электронным ударом.

Экспериментальное доказательство того, что ионизация нейтральных атомов газа происходит в основном благодаря ударам электронов, а не положительных ионов, было дано Дж. Таунсендом. Он брал ионизационную камеру в виде цилиндрического конденсатора, внутренним электродом которого служила тонкая металлическая нить, натянутая по оси цилиндра. В такой камере ускоряющее электрическое поле сильно неоднородно, и основную роль в ионизации играют частицы, которые попадают в область наиболее сильного поля вблизи нити. Опыт показывает, что при одном и том же напряжении между электродами ток разряда больше в том случае, когда положительный потенциал подается на нить, а не на внешний цилиндр. Именно в этом случае все создающие ток свободные электроны обязательно проходят через область наиболее сильного поля.

Эмиссия электронов из катода. Самостоятельный разряд может быть стационарным лишь при условии постоянного появления в газе новых свободных электронов, так как все возникающие в лавине электроны достигают анода и выбывают из игры. Новые электроны выбиваются из катода положительными ионами, которые при движении к катоду также ускоряются электрическим полем и приобретают достаточную для этого энергию.

Катод может испускать электроны не только в результате бомбардировки ионами, но и самостоятельно, при нагревании его до высокой температуры. Такой процесс называется термоэлектронной эмиссией, его можно рассматривать как своего рода испарение электронов из металла. Обычно оно происходит при таких температурах, когда испарение самого материала катода еще мало. В случае самостоятельного газового разряда катод обычно разогревается не

нитью накала, как в электронных лампах, а из-за выделения теплоты при бомбардировке его положительными ионами. Поэтому катод испускает электроны даже тогда, когда энергия ионов недостаточна для выбивания электронов.

Самостоятельный разряд в газе возникает не только в результате перехода от несамостоятельного при повышении напряжения и удалении внешнего источника ионизации, но и при непосредственном приложении напряжения, превышающего пороговое напряжение зажигания. Теория показывает, что для зажигания разряда достаточно самого незначительного количества ионов, которые всегда присутствуют в нейтральном газе хотя бы из-за естественного радиоактивного фона.

В зависимости от свойств и давления газа, конфигурации электродов и приложенного к электродам напряжения возможны различные виды самостоятельного разряда.

Тлеющий разряд. При низких давлениях (десятые и сотые доли миллиметра ртутного столба) в трубке наблюдается тлеющий разряд. Для зажигания тлеющего разряда достаточно напряжения в несколько сотен или даже десятков вольт. В тлеющем разряде можно выделить четыре характерные области. Это темное катодное пространство, тлеющее (или отрицательное) свечение, фарадеево темное пространство и светящийся положительный столб, занимающий большую часть пространства между анодом и катодом.

Первые три области находятся вблизи катода. Именно здесь происходит резкое падение потенциала, связанное с большой концентрацией положительных ионов на границе катодного темного пространства и тлеющего свечения. Электроны, ускоренные в области катодного темного пространства, производят в области тлеющего свечения интенсивную ударную ионизацию. Тлеющее свечение обусловлено рекомбинацией ионов и электронов в нейтральные атомы или молекулы. Для положительного столба разряда характерно незначительное падение потенциала и свечение, вызываемое возвращением возбужденных атомов или молекул газа в основное состояние.

Коронный разряд. При сравнительно высоких давлениях в газе (порядка атмосферного) вблизи заостренных участков проводника, где электрическое поле сильно неоднородно, наблюдается разряд, светящаяся область которого напоминает корону. Коронный разряд иногда возникает в естественных условиях на верхушках деревьев, корабельных мачтах и т. п. («огни святого Эльма»). С коронным разрядом приходится считаться в технике высоких напряжений, когда этот разряд возникает вокруг проводов высоковольтных линий электропередачи и приводит к потерям электроэнергии. Полезное практическое применение коронный разряд находит в электрофильтрах для очистки промышленных газов от примесей твердых и жидких частиц.

При увеличении напряжения между электродами коронный разряд переходит в искровой с полным пробоем промежутка между

электродами. Он имеет вид пучка ярких зигзагообразных разветвляющихся каналов, мгновенно пронизывающих разрядный промежуток и прихотливо сменяющих друг друга. Искровой разряд сопровождается выделением большого количества теплоты, ярким голубовато-белым свечением и сильным потрескиванием. Его можно наблюдать между шариками электрофорной машины. Пример гигантского искрового разряда - естественная молния, где сила тока достигает 5-105 А, а разность потенциалов - 109 В.

Поскольку искровой разряд происходит при атмосферном (и более высоком) давлении, то напряжение зажигания весьма велико: в сухом воздухе при расстоянии между электродами 1 см оно составляет около 30 кВ.

Электрическая дуга. Специфическим практически важным видом самостоятельного газового разряда является электрическая дуга. При соприкосновении двух угольных или металлических электродов в месте их контакта выделяется большое количество теплоты из-за большого сопротивления контакта. В результате начинается термоэлектронная эмиссия и при раздвижении электродов между ними возникает ярко светящаяся дуга из сильно ионизованного хорошо проводящего газа. Сила тока даже в небольшой дуге достигает нескольких ампер, а в большой дуге - нескольких сотен ампер при напряжении порядка 50 В. Электрическая дуга широко применяется в технике как мощный источник света, в электропечах и для электросварки. слабое задерживающее поле с напряжением около 0,5 В. Это поле препятствует попаданию на анод медленных электронов. Электроны испускаются катодом К, подогреваемым электрическим током.

На рис. 105 показана полученная в этих опытах зависимость силы тока в анодной цепи от ускоряющего напряжения Эта зависимость имеет немонотонный характер с максимумами при напряжениях кратных 4,9 В.

Дискретность уровней энергии атома. Объяснить такую зависимость тока от напряжения можно лишь наличием у атомов ртути дискретных стационарных состояний. Если бы дискретных стационарных состояний у атома не было, т. е. его внутренняя энергия могла бы принимать любые значения, то неупругие столкновения, сопровождающиеся увеличением внутренней энергии атома, могли бы происходить при любых энергиях электронов. Если же дискретные состояния есть, то столкновения электронов с атомами могут быть только упругими, пока энергия электронов недостаточна для перевода атома из основного состояния в наинизшее возбужденное.

При упругих столкновениях кинетическая энергия электронов практически не меняется, так как масса электрона много меньше массы атома ртути. В этих условиях число электронов, достигающих анода, монотонно увеличивается с ростом напряжения. Когда ускоряющее напряжение достигает значения 4,9 В, столкновения электронов с атомами становятся неупругими. Внутренняя энергия атомов скачком увеличивается, а электрон в результате соударения теряет почти всю свою кинетическую энергию.

Задерживающее поле не пропускает также медленные электроны к аноду и сила тока резко уменьшается. Она не обращается в нуль лишь потому, что часть электронов достигает сетки, не испытав неупругих соударений. Второй и последующие максимумы силы тока получаются потому, что при напряжениях, кратных 4,9 В, электроны на пути к сетке могут испытать несколько неупругих столкновений с атомами ртути.

Итак, необходимую для неупругого соударения энергию электрон приобретает только после прохождения разности потенциалов 4,9 В. Это означает, что внутренняя энергия атомов ртути не может измениться на величину, меньшую эВ, что и доказывает дискретность энергетического спектра атома. Справедливость этого вывода подтверждается еще и тем, что при напряжении 4,9 В разряд начинает светиться: возбужденные атомы при спонтанных

переходах в основное состояние излучают видимый свет, частота которого совпадает с вычисленной по формуле

В классических опытах Франка и Герца методом электронного удара были определены не только потенциалы возбуждения, но и ионизационные потенциалы ряда атомов.

Приведите пример опыта по электростатике, из которого можно сделать вывод о том, что сухой воздух - это хороший изолятор.

Где в технике используются изолирующие свойства воздуха?

Что такое несамостоятельный газовый разряд? При каких условиях он протекает?

Поясните, почему скорость убывания концентрации, обусловленная рекомбинацией, пропорциональна квадрату концентрации электронов и ионов. Почему эти концентрации можно считать одинаковыми?

Почему для закона убывания концентрации, выражаемого формулой (3), не имеет смысла вводить понятие характерного времени, широко используемого для экспоненциально затухающих процессов, хотя и в том и в другом случае процессы продолжаются, вообще говоря, бесконечно долго?

Как по-вашему, почему в определениях подвижностей в формулах (4) для электронов и ионов выбраны противоположные знаки?

Как сила тока при несамостоятельном газовом разряде зависит от приложенного напряжения? Почему с ростом напряжения происходит переход от закона Ома к току насыщения?

Электрический ток в газе осуществляется как электронами, так и ионами. Однако на каждый из электродов приходят заряды лишь одного знака. Как это согласуется с тем, что во всех участках последовательной цепи сила тока одинакова?

Почему в ионизации газа в разряде из-за соударений наибольшую роль играют электроны, а не положительные ионы?

Опишите характерные признаки различных видов самостоятельного газового разряда.

Почему результаты опытов Франка и Герца свидетельствуют о дискретности уровней энергии атомов?

Опишите физические процессы, происходящие в газоразрядной трубке в опытах Франка и Герца, при повышении ускоряющего напряжения.

Электрический ток в металлах

Металлы являются хорошими проводниками электричества. Это обусловлено их внутренним строением. У всех металлов внешние валентные электроны слабо связаны с ядром, и при объединении атомов в кристаллическую решетку эти электроны становятся общими, принадлежащими всему куску металла.

Носителями заряда в металлах являются электроны .

Электроны в металлах при помещении их в электрическое поле движутся с постоянной средней скоростью, пропорциональной напряженности поля.

Зависимость сопротивления проводника от температуры

При повышении температуры у электронов проводимости увеличивается скорость теплового движения, что приводит к увеличению частоты столкновений с ионами кристаллической решетки и, тем самым, к росту сопротивления.

Сверхпроводимость - явление резкого уменьшения до нуля сопротивления проводника при охлаждении до критической температуры (зависящей от рода вещества).

Сверхпроводимость - это квантовый эффект. Объясняется он тем, что при низких температурах макроскопическое число электронов ведут себя как единый объект. Они не могут обмениваться с кристаллической решеткой порциями энергии, меньшими их энергии связи, поэтому рассеивания тепловой энергии не происходит, что и означает отсутствие сопротивления.

Такое объединение электронов возможно при образовании ими бозонных (куперовских) пар - коррелированного состояния электронов с противоположными спинами и импульсами.

Эффект Мейснера - вытеснение магнитного поля из сверхпроводника. Внутри проводника в сверхпроводящем состоянии циркулируют незатухающие токи, создающие магнитное поле, противоположное внешнему. Сильное магнитное поле разрушает сверхпроводимость.

Электрический ток в жидкостях

Электролитами принято называть проводящие среды, в которых протекание электрического тока сопровождается переносом вещества

Достигнув катода, ионы меди нейтрализуются избыточными электронами катода и превращаются в нейтральные атомы, оседающие на катоде. Ионы хлора, достигнув анода, отдают по одному электрону. Хлор выделяется на аноде в виде пузырьков.

Закон электролиза был экспериментально установлен английским физиком М. Фарадеем в 1833 году (закон Фарадея )

m - масса выделившегося в результате электролиза чистого вещества

k - электрохимический эквивалент вещества

Здесь N A - постоянная Авогадро, M = m 0 N A - молярная масса вещества,
F = eN A =96485 Кл/моль - постоянная Фарадея

Постоянная Фарадея численно равна заряду, который необходимо пропустить через электролит для выделения на электроде одного моля одновалентного вещества

Закон Фарадея для электролиза

Электрический ток в газах

При обычных условиях все газы являются диэлектриками, то есть не проводят электрического тока. Этим свойством объясняется, например, широкое использование воздуха в качестве изолирующего вещества. Принцип действия выключателей и рубильников как раз и основан на том, что размыкая их металлические контакты, мы создаем между ними прослойку воздуха, не проводящую ток.

Однако при определенных условиях газы могут становиться проводниками. Например, пламя, внесенное в пространство между двумя металлическими дисками (см. рисунок), приводит к тому, что гальванометр отмечает появление тока. Отсюда следует вывод: пламя, то есть газ, нагретый до высокой температуры, является проводником электрического тока.

Нагревание - не единственный способ превращения газа в проводник. Вместо пламени можно использовать ультрафиолетовое или рентгеновское излучение, а также поток альфа-частиц или электронов. Опытами установлено, что действие любой из этих причин приводит к ионизации молекул газа.

Прохождение тока через газы называют газовым разрядом. Только что мы рассмотрели пример так называемого несамостоятельного разряда. Он так называется потому, что для его поддержания требуется какой-либо ионизатор - пламя, излучение или поток заряженных частиц. Опыты показывают, что если ионизатор устранить, то ионы и электроны вскоре воссоединяются (говорят: рекомбинируют), вновь образуя электронейтральные молекулы. В результате газ перестает проводить ток, то есть становится диэлектриком.

Самостоятельная и несамостоятельная проводимость газов

Для того чтобы сделать газ проводящим, нужно тем или иным способом внести в него или создать в нем свободные носители заряда - заряженные частицы. При этом возможны два случая: либо эти заряженные частицы создаются действием какого-нибудь внешнего фактора или вводятся в газ извне - несамостоятельная проводимость, либо они создаются в газе действием самого электрического поля, существующего между электродами - самостоятельная проводимость.

В случае несамостоятельной проводимости, при небольших значениях U график имеет вид прямой, т.е. закон Ома приближенно сохраняет силу; с ростом U кривая загибается с некоторого напряжения и переходит в горизонтальную прямую.

Это означает, что начиная с некоторого напряжения, ток сохраняет постоянное значение, несмотря на увеличение напряжения. Это постоянное, не зависящее от напряжения значение силы тока называют током насыщения.

Несамостоятельный газовый разряд - разряд, существующий только под действием внешних ионизаторов.

При увеличении напряжения возникает ударная ионизация - явление выбивания электронов из нейтральных молекул - число носителей заряда увеличивается лавинообразно. Возникает самостоятельный разряд.

Самостоятельный газовый разряд - разряд, существующий после удаления внешних ионизаторов.

Процессы, влияющие на проводимость газов

Термическая ионизация - при столкновении нейтральных атомов происходит выбивание электронов и превращение атомов в положительные ионы
Ионизация излучением (фотоионизация) - распад атома на электрон и положительный ион под действием света
Ионизация электронным ударом - выбивание ускоренным электроном из атома электрона с образованием положительного иона
Вторичная электронная эмиссия с катода - выбивание положительными ионами электронов из катода
Термоэлектронная эмиссия - излучение нагретым металлом электронов

Тлеющий разряд: При давлении газа в несколько десятых миллиметра ртутного столба разряд имеет типичный вид, схематически изображённый на рис. Это ток в ионизированном газе, а точнее сказать в низкотемпературной плазме. Тлеющий разряд образуется при прохождении тока через разряженный газ. Как только напряжение превосходит определённое значение, газ в колбе ионизирует и происходит свечение. Это уже по сути электрический ток не столько в газе, сколько в плазме. Цвет свечения газа (плазмы) зависит от вещества газа.

Искровой разряд: При достаточно большой напряженности поля (около 3 МВ/м) между электродами появляется электрическая искра, имеющая вид ярко светящегося извилистого канала, соединяющего оба электрода. Газ вблизи искры нагревается до высокой температуры и внезапно расширяется, отчего возникают звуковые волны, и мы слышим характерный треск. Происходит при обычных условиях, при обычном атмосферном давлении, точно также как и тлеющий разряд происходит в следствие ионизации газа, но при высоком напряжении, в отличии от дугового разряда, где в первую очередь важна высокая плотность тока.

Коронный разряд: происходит в сильном электрическом поле с высокой напряжённостью, достаточной, чтобы вызвать ионизацию газа (или жидкости). Электрическое поле при этом бывает не однородным, где-то напряжённость значительно больше. Образуется градиент (различие) потенциалов поля и там где потенциал больше, ионизация газа идёт сильнее, интенсивнее, затем поток ионов доходит до другой части поля, тем самым образуя поток электричества. В результате образуется коронный газовый разряд причудливых форм, в зависимости от геометрии проводников — источников напряжённости поля.

Дуговой разряд: представляет собой электрический пробой газа, которой в дальнейшем становится постоянным плазменным разрядом — дугой, образуется электрическая дуга. Дуговой разряд характеризуется более низким напряжением, чем тлеющий разряд. Поддерживается в основном за счёт термоэлектронной эмиссии, когда из электродов высвобождаются электроны. Старое название такой дуги «вольтовая дуга». Отличительной особенностью такой дуги является высокая плотность тока и низкое напряжение, которое ограничено источником тока. Для того, чтобы создать такую дугу, электроды сближаются, происходит пробой, а затем они раздвигаются.

На мысль о корпускулярном строении электричества наводили также результаты, полученные при изучении электрических явлений в газах. Прохождение электричества через газы и связанные с этим процессом явления наблюдали в лабораторных условиях еще в середине XVIII века. Однако систематически эти явления начали изучать значительно позже, в середине XIX века.

В 1838 году Фарадей, рассматривая прохождение электричества через разреженный газ, установил, что свечение, сопровождающее такой разряд, имеет определенную структуру. Теорию этого явления Фарадей не разработал, но указал, что результаты таких наблюдений в будущем «окажут на теорию учения об электричестве значительно большее влияние, чем мы можем себе представить в настоящее время ».

Начиная с 50-х годов, после того как Генрих Гейслер (1814-1879) стал изготовлять газоразрядные трубки (носящие его имя), изучение разрядов в газах пошло интенсивнее. В 1858-1859 годах. Юлиус Плюккер (1801-1861), исследуя электрический разряд в таких трубках, открыл существование «катодных лучей». Он заметил, что если катод сделан в виде острия, то свечение имеет форму шнура, отходящего от катода. Этот «шнур» отклонялся магнитным полем. Плюккер пришел к заключению, что это поток заряженных частиц, летящих от катода к аноду. Он заметил также, что стекло возле катода начинало светиться.

Исследования ряда физиков подтвердили установленные Плюккером факты и дополнили их новыми. О природе этих частиц единого мнения не существовало. Так, например, Уильям Крукс (1832-1919) пришел к мнению, что катодные лучи являются потоком особых отрицательно заряженных частиц и представляют собой некое четвертое состояние материи. Другие же считали, что катодные лучи – это поток обычных частиц (атомов или молекул), несущих электрический заряд.

Молекулярной гипотезе Крукса о природе катодных лучей противостояла волновая гипотеза, поддерживаемая немецкими учеными Видеманом, Гольдштейном и Ленардом. Герц, который находился еще под влиянием теории Гельмгольца, допускавшей существование не только поперечных, но и продольных электромагнитных волн, также считал катодные лучи продольными волнами в эфире. Однако Герцу не удалось добиться отклонения катодных лучей при прохождении ими электростатического поля. В 1892 году он показал, что катодные лучи могут проникать сквозь тонкие пластинки алюминия.

Используя это открытие, Филипп Ленард (1862-1947) вывел эти лучи из трубки, заменив участок стеклянной трубки перед катодом металлической фольгой, достаточно прочной, чтобы выдержать атмосферное давление.

Однако волновая гипотеза несовместима с тем фактом, что катодные лучи отклоняются магнитом, потому что на световые волны магнитное поле не действует. Как молекулярная гипотеза Крукса, так и волновая гипотеза Гольдштейна оказались неудовлетворительными. Чтобы выйти из этого затруднения, нужны были дополнительные экспериментальные данные.

Зарождение электроники

Они были получены молодым физиком Жаном Перреном (1870-1942), работавшим тогда с Липпманом в лаборатории Эколь нормаль в Париже. Перрен поместил внутри разрядной трубки перед катодом закрытый металлический цилиндр с небольшим отверстием против катода на расстоянии 10 см от него и соединил цилиндр с электроскопом. При работе трубки пучок катодных лучей проникал в цилиндр, причем цилиндр всегда оказывался заряженным отрицательно. Для проверки достаточно было отклонить магнитом катодные лучи так, чтобы они не проникали в цилиндр, и сразу электроскоп, присоединенный к цилиндру, оказывался незаряженным.

Отсюда можно было сделать вывод: катодные лучи - это отрицательные электрические заряды, так что их материальная природа представляется значительно более вероятной, чем волновая.

Это был 1895 год. В этот год родилась электроника.

К 80-м годам было окончательно выяснено, что газы не являются абсолютными изоляторами и, хотя и слабо, проводят электрический ток; проводимость их можно увеличить, подвергнув, например, нагреванию. Было высказано мнение, что, подобно проводимости электролитов, проводимость газов объясняется наличием заряженных частиц ионов.

Такую точку зрения подробно развил в 1882 году Вильгельм Гизе . Согласно его теории, в газах всегда имеется некоторое количество заряженных частичек, образующихся в результате деления молекул на положительные и отрицательные частицы-ионы, которые, так же как и в жидкостях, проводят электричество. Однако в обычных условиях таких ионов в газах очень мало. При более высоких температурах их число увеличивается и проводимость повышается.

К этой теории присоединился и английский физик Артур Шустер (1851-1934), который считал, что частицы газов – ионы – всегда несут определенный электрический заряд. Продолжая свои исследования, Шустер попробовал проверить эту теорию на опыте и одновременно определить отношения заряда к массе таких ионов. Для этого он решил использовать явление отклонения катодных лучей в магнитном поле. Зная напряженность магнитного поля, разность потенциалов и, измерив отклонение катодных лучей в магнитном поле, можно вычислить отношение заряда к массе для катодных частиц. Такой эксперимент и проделал Шустер, получивший, что e/m = 10^(11) Кл/кг.

Этот результат показался Шустеру сомнительным. Он полагал, что отношение e/m в катодных лучах должно быть по порядку величины равно отношению e/m для иона водорода, подсчитанному из данных электролиза, т. е. порядка 10^(8) Кл/кг. «... Я мог отсюда заключить , – пишет Шустер, – что или количество электричества, переносимое при разряде в газах, значительно больше переносимого ионами при электролизе, или что масса его «носителя» гораздо меньше ». Однако Шустер такого заключения в свое время не сделал. Его исследования были опубликованы в 1890 году, но не обратили на себя внимания.

Наконец, была высказана и гипотеза о том, что ток проводимости осуществляется в результате движения дискретных зарядов. Эта идея принадлежала Фехнеру, а затем была развита Вебером.

Первоначально Вебер не обсуждал вопрос о связи «атомов электричества» с атомами веществ, но затем ему пришлось приписать электрическим частицам массу. Это было сделано в период дискуссии с Гельмгольцем об отношении его теории к закону сохранения энергии. В 1871 г. он писал, что с «каждым весомым ионом связан электрический атом ».

Применяя указанную гипотезу, Вебер пытался объяснить ряд явлений, связанных с электрическим током, в том числе выделение током тепла в проводниках, термоэлектричество, явление Пельтье и др. При этом ему удалось предвосхитить ряд положений, установленных позже в электронной теории.

Заряженные частицы вещества, называемые Лоренцем ионами, вызывают в окружающей их среде, т. е. в эфире, особое состояние, которое определяется значениями напряженности электрического Е и магнитного Н полей. Заряженная частица должна испытывать действие силы, которая зависит от значений Е и Н в точке ее нахождения, а также и от скорости ее движения. Эта сила получила название сила Лоренца.

Непосредственно применять уравнение Лоренца для описания электромагнитных процессов в макроскопических масштабах в случае наличия среды нельзя. Величины Е и Н изменяют свои значения уже на расстоянии атомных размеров и притом чрезвычайно быстро, так что доступные измерению значения электрических и магнитных полей представляют собой средние значения этих величин. Поэтому, чтобы иметь возможность применять уравнения Лоренца для макроскопических полей, их нужно усреднить. Для случая неподвижных сред, получаются обычные уравнения Максвелла. В случае, когда среда обладает магнитными свойствами, усреднение уравнений Лоренца более сложно, но и тогда для неподвижных сред приходим к уравнениям Максвелла. Для случая же, когда среда движется как целое, усреднение уравнений Лоренца приводит к новым уравнениям, их Лоренц считает уравнениями для движущихся сред.

Нужно отметить, что разработка Лоренцем электронной теории в значительной степени была обусловлена попыткой создать электродинамику движущихся сред. Этим и обусловлено название его главного труда «Опыт теории электрических и оптических явлений в движущихся телах ».

Первым серьезным успехом новой теории было объяснение открытого в 1896 году Питером Зееманом (1865-1943) явления расщепления спектральных линий в магнитном поле. Первоначальная установка Зеемана не была снабжена достаточно точной аппаратурой, и Зееман заметил, только, что спектральные линии расширяются, если источник света помещен в магнитное поле. Узнав результаты первого опыта Зеемана, Лоренц объяснил их, исходя из теории электронов. При этом он предсказал, что спектральные линии в опыте Зеемана должны не просто расширяться, но разделяться на две или на три в зависимости от направления, в котором производится наблюдение по отношению к направлению магнитного поля. Лоренц также определил, что эти линии должны быть определенным образом поляризованы, Последующие экспериментальные исследования подтвердили выводы Лоренца и, таким образом, явились подтверждением электронной теории.

Вскоре после создания электронной теории была развита электронная теория металлов. Немецкий физик Пауль Друде (1863-1906) полагал, что электроны, находящиеся в металле, являются свободными и ведут себя подобно атомам идеального газа. Эта гипотеза дала ему возможность, применив методы кинетической теории газов к электронам внутри металла, построить электронную теорию металлов, которая была далее разработана Лоренцем в 1904-1907 годах.

Новые результаты были получены также при применении электронной теории для объяснения магнитных свойств тел. Развитие представлений об электронах поставило на очередь задачу рассмотреть явление парамагнетизма и диамагнетизма с точки зрения этой теории.

Впервые электронную теорию диамагнетизма начал разрабатывать английский ученый Джозеф Лармор (1957-1942), который одновременно с Лоренцем участвовал в построении общей теории электронов. Лармор объяснил явления диамагнетизма, рассматривая движение электронов в веществе, учитывая при этом действие внешнего магнитного поля (прецессия Лармора).

В 1905 году Поль Ланжевен (1872-1946) развил более подробную и строгую электронную теорию диамагнетизма и парамагнетизма. Электронная теория ферромагнетизма была разработана в 1907 Пьером Вейсом (1865-1940).

Конец XIX века в истории физики отмечен рядом принципиальных открытий, которые вызвали научную революцию во взглядах физиков. Важнейшими из них были открытие электрона и установление зависимости его массы от скорости, а затем открытие радиоактивности. Следует отметить открытие фотоэффекта и его законов, а также открытие рентгеновских лучей. Последние два открытия помимо собственного значения для развития представлений о физических явлениях сыграли существенную роль как в открытии электрона и электромагнитной массы, так и в открытии радиоактивности.

В 1895 году Вильгельм Конрад Рентген (1845-1923) открыл лучи, получившие название рентгеновских. Открытие чрезвычайно заинтересовало ученых и вызвало широкую дискуссию об их природе. Быстро был выяснен ряд свойств этих необычных лучей: способность проходить через светоне-проницаемые тела, ионизировать газы и др., но природа самих лучей оставалась неясной.

Рентген высказал гипотезу о том, что лучи представляют собой продольные электромагнитные волны. Существовала гипотеза о корпускулярной природе этих лучей. С другой стороны, уже очень скоро после открытия Рентгена было высказано предположение, что эти лучи являются электромагнитными волнами, имеющими вид хаотически следующих друг за другом электромагнитных импульсов.

Однако все попытки обнаружить волновые свойства лучей Рентгена, например наблюдать их дифракцию, долгое время были безуспешными, пока немецкому физику Максу Феликсу Теодору Лауэ (1979-1960) не пришла идея использовать вместо дифракционной решетки кристалл и попытаться обнаружить дифракцию рентгеновских лучей от кристаллической решетки (опыт впервые был произведен только в 1925 году).

Открытие рентгеновских лучей способствовало исследованиям электропроводности газов и изучению катодных лучей.

Джозеф Джон Томсон (1856-1940) и Эрнест Резерфорд (1871-1937) установили, что под действием облучения рентгеновскими лучами газ сильно повышает свою электропроводность, сохраняя некоторое время это свойство и после прекращения облучения. Однако если газ, подвергнутый облучению рентгеновскими лучами, пропустить через вату, то он немедленно теряет приобретенное свойство. Этот факт подтверждал предположение, что проводниками электричества в газах являются заряженные частички, образующиеся в результате действия рентгеновских лучей. Что это за частички, каков их заряд и масса – эти вопросы встали перед Томсоном. Для исследования этих вопросов Томсон, решил изучить свойства катодных лучей, которые как он считал, также являются потоком заряженных частиц, и провел целую серию экспериментальных исследований по измерению отношения заряда к массе для катодных частиц. Эти исследования и привели его к открытию электрона.

Открытие электрона

Заинтересовавшись открытием Рентгена, английские ученые Джозеф Джон Томсон (1856-1940) и Эрнест Резерфорд (1871-1937) установили, что под действием облучения рентгеновскими лучами газ сильно повышает свою электропроводность, сохраняя некоторое время это свойство и после прекращения облучения. Однако если газ, подвергнутый облучению рентгеновскими лучами, пропустить через вату, то он немедленно теряет приобретенное свойство. Этот факт подтверждал предположение, что проводниками электричества в газах являются заряженные частички, образующиеся в результате действия рентгеновских лучей. Что это за частички, каков их заряд и масса – эти вопросы встали перед Томсоном.

Для исследования этих вопросов Томсон, решил изучить свойства катодных лучей, которые как он считал, также являются потоком заряженных частиц, и провел целую серию экспериментальных исследований по измерению отношения заряда к массе для катодных частиц. Эти исследования и привели его к открытию электрона.

В 1897 году Томсон опубликовал первые результаты по определению отношения заряда к массе катодных лучей. Для измерения отношения заряда к массе катодных частичек он применил два метода. Первый заключался в измерении заряда и кинетической энергии, переносимых катодными лучами за один и тот же промежуток времени. Для измерения электрического заряда пучок катодных лучей направлялся в фарадеев цилиндр (полый металлический цилиндр, имеющий небольшое отверстие в одном из оснований и соединенный с электрометром). Кинетическая энергия пучка катодных лучей определялась по измерению температуры внутри фарадеева цилиндра с помощью помещенного туда термоэлемента, который нагревался при попадании в него этих лучей. Измеряя далее отклонение этого пучка лучей в магнитном поле, имеющем направление, перпендикулярное лучу, Томсон и определил отношение заряда к массе.

Другой метод, который использовал Томсон для определения отношения e /m , был основан на одновременном действии электрического и магнитного полей на пучок катодных лучей. Томсон воздействовал на такой пучок электрическим и магнитным полями, направленными взаимно перпендикулярно и перпендикулярно пучку. Подбирая величину электрического поля так, чтобы действие его компенсировалось действием магнитного поля, и измеряя затем отклонения этого пучка при наличии только одного магнитного поля той же напряженности, Томсон определил отношение заряда к массе.

Томсон получил, что среднее значение для e/m равно 1,76·10^11 Кл/кг. Из опытов Томсона следовало, что катодные лучи, бесспорно, являются потоком заряженных частиц, заряд и масса которых остаются одними и теми же при использовании различных газов и разных материалов катода. Если принять, что заряд катодных частиц равен заряду водородного иона, определенного из электролиза, то масса этих частиц во много раз меньше массы самого малого атома – атома водорода. Таким образом, напрашивался вывод о существовании заряженных частиц, имеющих значительно меньшую массу, чем масса атома, и входящих как составные части в атомы всех элементов. Такие частицы Томсон предложил назвать «корпускулами». Эти корпускулы, как утверждал он, входят в состав всех атомов элементов.

Независимо от Томсона значение величины e/m для катодных лучей определил Вальтер Кауфман (1871-1947). Измеряя отклонение пучка катодных лучей в магнитном поле и, зная разность потенциалов между катодом и анодом, Кауфман вычислил величину e/m, порядок которой получился таким же, как и у Томсона. Однако Кауфман в первой своей работе не сделал выводов, какие сделал Томсон. Он писал, что факт постоянства e/m для различных металлов и газов и значительное отклонение этой величины от отношения заряда к массе ионов, вычисленных из явления электролиза, очень трудно объяснить. Вскоре Томсон определил отношение заряда к массе для заряженных частиц, получаемых при освещении ультрафиолетовыми лучами поверхности металла, т. е. использовал явление фотоэффекта.

Явление фотоэффекта впервые наблюдал Герц , который заметил, что электрическая искра проскакивает через искровой промежуток при меньшей разности потенциалов, если он освещается ультрафиолетовым светом. Последующие опыты показали также, что заряженный проводник заметно теряет свой заряд, если он освещается ультрафиолетовыми лучами.

В 1888 году явление фотоэффекта исследовал Александр Григорьевич Столетов (1836-1896). Он установил, что фотоэффект может иметь место и при малых потенциалах, и разработал классический метод наблюдения этого явления.

Установка Столетова представляла собой металлическую пластинку С, которая освещалась через сетку лучами от электрической дуги А. Пластинка и сетка были включены в цепь, содержащую гальваническую батарею В и гальванометр. Если на сетку подавалось положительное напряжение, а на пластинку – отрицательное, то при освещении последней по цепи протекал ток. Используя рассмотренный метод исследования, Столетов установил ряд важных закономерностей. Так, он показал, что фототок имеет место только в том случае, если на освещаемую пластинку подается отрицательный потенциал; что величина тока пропорциональна световому потоку, падающему на пластину; что существует ток насыщения; что для получения фототока нужно осветить прибор ультрафиолетовыми лучами, и т. д.

Для измерения отношения e/m у фотоэлектронов Томсон использовал простейший фотоэлемент, состоящий из металлической пластинки и металлической сетки, включенных в цепь с батареей и гальванометром. Пластинка и сетка помещались в сосуд, из которого выкачивался воздух. Стенка сосуда, через которую освещалась металлическая пластинка, была изготовлена из кварца. Освещая пластинку светом, содержащим ультрафиолетовые лучи, Томсон наблюдал, как обычно, появление фототока, регистрируемого гальванометром. Если теперь поместить весь прибор в магнитное поле, направление которого перпендикулярно направлению фототока, то при определенной величине напряженности поля фототок прекратится. Это, очевидно, имеет место тогда, когда под действием магнитного поля заряженные частицы поворачиваются, не успев достигнуть сетки, и ток, следовательно, прекращается. Зная расстояние между пластинкой и сеткой, разность потенциалов между ними, а также измерив критическую напряженность магнитного поля, при котором ток прекращается, Томсон определил значение e /m . При этом он получил величину, примерно совпадающую с величиной e/m , полученной им для катодных лучей.

Важнейшим открытием в физике конца XIX в. было открытие радиоактивности, которое помимо своего общего принципиального значения сыграло важную роль в развитии представлений об электроне. Толчком к открытию радиоактивности было изучение рентгеновских лучей.

В 1896 году Антуан Анри Беккерель (1852-1908), пытаясь обнаружить рентгеновские лучи, испускаемые, по его мнению, различного рода веществами после того, как они освещались солнечным светом, открыл, что кристалл урановой соли является непрерывным источником какого-то излучения, которое может проходить через светонепроницаемые экраны и вызывать почернение фотопластинки.

Мария Склодовская-Кюри (1867-1934), занявшись исследованием нового явления, пришла к выводу, что в урановых рудах присутст-вуют вещества, обладающие также свойством излучения, названного ею радиоактивным. В результате упорного труда Марии и Пьеру Кюри (1859-1906) удалось выделить из урановых руд новый элемент (1898), который обладал радиоактивностью гораздо большей, чем уран. Этот элемент был назван радием.

Исследованием вновь открытых явлений занялись многие физики. Перед ними встали два вопроса.
Во-первых, это вопрос о природе радиоактивного излучения. Уже через короткое время после открытия Беккереля стало ясно, что радиоактивное излучение неоднородно и содержит три компонента, которые получили название альфа , бета и гамма -лучей. При этом оказалось, что альфа - и бета -лучи являются потоками соответственно положительно и отрицательно заряженных частиц. Природа гамма -излучения была выяснена позже, хотя довольно рано высказывалось мнение, что оно представляет собой электромагнитное излучение.

Второй вопрос, возникший в связи с исследованием радиоактивного излучения, был более трудным и заключался в определении источника энергии, которую несут эти лучи. Вначале было высказано предположение, что энергия излучения при радиоактивном распаде берется из вне, из окружающего радиоактивное вещество пространства. Однако эта гипотеза вызвала много возражений. Гипотеза о том, что источник энергии радиоактивного излучения нужно искать внутри самого радиоактивного вещества, казалась более убедительной. Но вопрос о том, что это за энергия, находящаяся внутри атома, которая освобождается при его распаде и выделяется вместе с излучением, был неясен, как и вообще вопрос о механизме самого радиоактивного распада, а первые теории, возникшие для решения этого вопроса, нельзя было считать убедительными.

Похожая информация.

Опыт показывает, что две разноименно заряженные пластины, разделенные слоем воздуха, не разряжаются.

Обычно вещество в газообразном состоянии является изолятором, так как атомы или молекулы, из которых оно состоит, содержат одинаковое число отрицательных

и положительных электрических зарядов и в целом нейтральны.

Внесем в пространство между пластинами пламя спички или спиртовки (рис. 164). При этом электрометр начнет быстро разряжаться. Следовательно, воздух под действием пламени стал проводником. При вынесении пламени из пространства между пластинами разряд электрометра прекращается. Такой же результат можно получить, облучая пластины светом электрической дуги. Эти опыты доказывают, что газ может стать проводником электрического тока.

Термическая ионизация.

Нагревание газа делает его проводником электрического тока, потому что часть атомов или молекул газа превращается в заряженные ионы.

Газ, в котором значительная часть атомов или молекул ионизована, называется плазмой.

Степень термической ионизации плазмы зависит от температуры. Например, при температуре 10 000 К ионизовано меньше 10% общего числа атомов водорода, при температуре выше 20 000 К водород практически полностью ионизован.

Фотоионизация.

Энергия, необходимая для отрыва электрона от атома или молекулы, может быть передана светом. Ионизация

атомов или молекул под действием света называется фотоионизацией.

Самостоятельный электрический разряд.

При увеличении напряженности электрического поля до некоторого определенного значения, зависящего от природы газа и его давления, в газе возникает электрический ток и без воздействия внешних ионизаторов. Явление прохождения через газ электрического тока, не зависящего от действия внешних ионизаторов, называется самостоятельным электрическим разрядом.

Основной механизм ионизации газа при самостоятельном электрическом разряде - ионизация атомов и молекул вследствие ударов электрона.

Ионизация электронным ударом.

Ионизация электронным ударом становится возможной тогда, когда электрон при свободном пробеге приобретет кинетическую энергию, превышающую энергию связи электрона с атомом.

Кинетическая энергия электрона, приобретаемая под действием электрического поля напряженностью Е, равна работе сил электрического поля:

где - длина свободного пробега.

Отсюда приближенное условие начала ионизации электронным ударом имеет вид

Энергия связи электронов в атомах и молекулах обычно выражается в электронвольтах (эВ). 1 эВ равен работе, которую совершает электрическое поле при перемещении электрона (или другой частицы, обладающей элементарным зарядом) между точками поля, напряжение между которыми равно 1 В:

Энергия ионизации атома водорода, например, равна 13,6 эВ.

Механизм самостоятельного разряда.

Развитие самостоятельного электрического разряда в газе протекает следующим образом. Свободный электрон под действием электрического поля приобретает ускорение. Если напряженность электрического поля достаточно велика, электрон при свободном пробеге настолько увеличивает кинетическую энергию, что при соударении с молекулой ионизует ее.

равным четырем. Затем таким же образом оно увеличивается до 8, 16, 32, 64 и т. д. Число свободных электронов, движущихся от катода к аноду, нарастает лавинообразно до тех пор, пока они не достигнут анода (рис. 165).

Искровой разряд. Молния.

Если источник тока не способен поддерживать самостоятельный электрический разряд в течение длительного времени, то происходящий самостоятельный разряд называется искровым разрядом. Искровой разряд прекращается через короткий промежуток времени после начала разряда в результате значительного уменьшения напряжения. Примеры искрового разряда - искры, возникающие при расчесывании волос, разделении листов бумаги, разряде конденсатора.

Самостоятельный электрический разряд представляют собой и молнии, наблюдаемые во время грозы. Сила тока в канале молнии достигает , длительность импульса тока составляет несколько десятков микросекунд. Самостоятельный электрический разряд между грозовым облаком и Землей после нескольких ударов молнии сам собою прекращается, так как ббльшая часть избыточных электрических зарядов в грозовом облаке нейтрализуется электрическим током, протекающим по плазменному каналу молнии (рис. 166).

При увеличении силы тока в канале молнии происходит нагревание плазмы до температуры свыше Изменения давления в плазменном канале молнии при увеличении силы тока и прекращении разряда вызывают звуковые явления, называемые громом.

Тлеющий разряд.

При понижении давления газа в разрядном промежутке разрядный канал становится более широким, а затем светящейся плазмой оказывается равномерно заполнена вся разрядная трубка. Этот вид самостоятельного электрического разряда в газах называется тлеющим разрядом (рис. 167).

Электрическая дуга.

Если сила тока в самостоятельном газовом разряде очень велика, то удары положительных ионов и электронов могут вызвать разогревание катода и анода. С поверхности катода при высокой температуре происходит эмиссия электронов, обеспечивающая поддержание самостоятельного разряда в газе. Длительный самостоятельный электрический разряд в газах, поддерживающийся за счет термоэлектронной эмиссии с катода, называется дуговым разрядом (рис. 168).

Коронный разряд.

В сильно неоднородных электрических полях, образующихся, например, между острием и плоскостью или между проводом и плоскостью (линия электропередачи), возникает самостоятельный разряд особого вида, называемый коронным разрядом. При коронном разряде ионизация электронным ударом происходит лишь вблизи одного из электродов, в области с высокой напряженностью электрического поля.

Применение электрических разрядов.

Удары электронов, разгоняемых электрическим полем, приводят не только к ионизации атомов и молекул газа, но и к

возбуждению атомов и молекул, сопровождающемуся излучением света. Световое излучение плазмы самостоятельного электрического разряда широко используется в народном хозяйстве и в быту. Это лампы дневного света и газоразрядные лампы уличного освещения, электрическая дуга в кинопроекционном аппарате и ртутно-кварцевые лампы, применяемые в больницах и поликлиниках.

Высокая температура плазмы дугового разряда позволяет применять его для резки и сварки металлических конструкций, для плавки металлов. С помощью искрового разряда ведется обработка деталей из самых твердых материалов.

Допустим, что изучаемый газ заключен в сосуд С с двумя электродами, к которым прикладывается разность потенциалов Электрическое поле между электродами можно изменять, перемещая движок потенциометра замыкающего батарею (рис. III.42). Если в газе нет свободных зарядов (положительных или отрицательных ионов или электронов), то в цепи гальванометра тока не будет. Заметим, что в газах всегда будет находиться некоторое количество зарядов, так как газ ионизируется как при неизбежных тепловых столкновениях молекул, так и под действием различных излучений, в частности,

от радиоактивных веществ. Однако одновременно с процессом ионизации, т. е. разделения нейтральных молекул на заряженные ионы, в газе происходит и обратный процесс молизации или рекомбинации, т. е. соединения ионов в нейтральные молекулы. В равновесном состоянии газов оба эти. процесса уравновешиваются: число ежесекундно ионизирующихся молекул равно числу нейтральных молекул, вновь образовавшихся из ионов за то же время.

Если на газ внешнего ионизирующего воздействия не оказывается, то естественная концентрация ионов в нем будет очень малой, и ток через газ практически не обнаруживается. Вызвать заметный электрический ток в газе (так называемый газовый разряд) можно, если: 1) при помощи постороннего воздействия (ионизатора) непрерывно разбивать нейтральные молекулы газа на ионы и тем самым увеличивать концентрацию свободных зарядов в газе. Это можно сделать, подвергая газ интенсивному облучению потоком быстрых частиц (электронов и др.), ультрафиолетовыми, рентгеновскими лучами, лучами радиоактивных веществ, а также повышая температуру газа, чтобы увеличить интенсивность ионизации при тепловых столкновениях. В этом случае вместе с прекращением действия внешнего ионизатора прекращается и ток через газы; такая проводимость газа называется несамостоятельной; 2) приложить настолько большую разность потенциалов, чтобы имеющиеся в газе ионы, разгоняясь в электрическом поле, приобретали энергии, достаточные для ионизации нейтральных молекул при столкновениях с ними. В этом случае каждый ион при одном столкновении вызывает появление двух или нескольких ионов; эти ионы в свою очередь разгоняются в поле и разбивают нейтральные молекулы на ионы. Таким образом, число ионов в газе быстро растет, и газ приобретает заметную проводимость; такая проводимость называется самостоятельной.

Следует различать два вида столкновений между частицами, в частности между ионами, электронами и нейтральными молекулами. При одних столкновениях частицы не испытывают никаких внутренних изменений, а только обмениваются кинетическими энергиями движения. Такие столкновения называются упругими; сумма кинетических энергий частиц до и после удара остается постоянной.

При других - неупругих - столкновениях атомы и молекулы испытывают изменения в своем строении; происходит переход кинетической энергии соударяющихся частиц в потенциальную энергию взаимодействия составных частей этих атомов и молекул - ядер и вращающихся вокруг них электронов. Такой процесс называется возбуждением атомов или молекул; при обратном переходе в нормальное состояние поглощенная энергия возвращается в виде энергии излучения. Наконец, при неупругих столкновениях возможно также

изменение состава атомов и молекул; в частности нейтральная молекула может быть разбита на два иона или от атома может быть оторван электрон и т. д. Ионизация газов при соударениях является, результатом неупругих столкновений.

Для проводимости газов при некоторых условиях (в частности при малых давлениях газа в сосуде) заметное значение имеет выбивание электронов с поверхности катода при падении на него положительных ионов. Каждый такой ион может освободить из катода несколько электронов в зависимости от энергии, приобретенной им в электрическом поле, а также - от работы выхода электрона из вещества катода. Освобожденные из катода электроны, подхваченные электрическим полем, могут на пути к аноду вызвать ионизацию газа; кроме того, этот упорядоченный поток электронов составляет некоторую (иногда значительную) долю всего тока, протекающего через газ:

Если сила тока, проходящая через газы, мала и не может быть непосредственно обнаружена гальванометром то прибегают к косвенным методам. В частности, как это показано на рис. III.42, в цепь последовательно с газовым промежутком включается резистор с сопротивлением порядка десятков и сотен миллионов ом. На концах этого резистора образуется разность потенциалов которую измеряют, например, ламповым вольтметром, не замыкающим концы этого резистора. Тогда, зная и измерив можно рассчитать силу тока через газ Например, если , то

Электрический ток в газах и жидкостях

Электрический ток в газах

Носители заряда: электроны, положительные ионы, отрицательные ионы.

Носители заряда возникают в газе в результате ионизации: вследствие облучения газа, либо столкновений частиц нагретого газа друг с другом.

Ионизация электронным ударом.

E – направление поля;

l – длина свободного пробега между двумя последовательными столкновениями электрона с атомами газа.

A_=eEl\geq W – условие ионизации

W – энергия ионизации, т.е. энергия, необходимая для того, чтобы вырвать из атома электрон

Число электронов увеличивается в геометрической прогрессии, в результате возникает электронная лавина, а следовательно разряд в газе.

Электрический ток в жидкости

Жидкости так же, как и твердые тела могут быть диэлектриками, проводниками и полупроводниками. К числу диэлектриков относится дистиллированная вода, к проводникам – растворы электролитов: кислот, щелочей, солей и расплавы металлов. Жидкими полупроводниками являются расплавленный селен, расплавы сульфидов.

При растворении электролитов под влиянием электрического поля полярных молекул воды происходит распад молекул электролитов на ионы. Например, CuSO_ \rightarrow Cu^ +SO^ _ .

Наряду с диссоциацией идет обратный процесс – рекомбинация , т.е. объединение ионов противоположных знаков в нейтральные молекулы.

Носителями электричества в растворах электролитов являются ионы. Такая проводимость называется ионной .

Если в ванну с раствором электролита поместить электроды и пустить ток, то отрицательные ионы будут двигаться к положительному электроду, а положительные – к отрицательному.

На аноде (положительном электроде) отрицательно заряженные ионы отдают лишние электроны (окислительная реакция), а на катоде (отрицательном электроде) положительные ионы получают недостающие электроны (восстановительная реакция).

Определение. Процесс выделения на электродах веществ, связанный с окислительно-восстановительными реакциями называется электролизом.

Законы Фарадея

I. Масса вещества, которая выделяется на электроде, прямо пропорциональна заряду, протекшему через электролит:

k – электрохимический эквивалент вещества.

q=I\Delta t , тогда

\frac – химический эквивалент вещества;

\mu – молярная масса;

Электрохимические эквиваленты веществ пропорциональны химическим.

F – постоянная Фарадея;

Объединенный закон электролиза

Подставим k в выражение для m (I закон Фарадея), получаем:

Физический смысл электрохимического эквивалента.

Электрохимический эквивалент равен отношению массы иона к его заряду:

Заниматься у Натальи Львовны я начал с середины января, сразу после новогодних каникул. До начала занятий, были пробные экзамены по физике, а также подготовка к экзамену в школе, но результат был 60-70 баллов, при этом я получал отличные оценки по предмету. Занятия с Натальей Львовной проходили плодотворно и интересно, с этим репетитором я смог расширить свои знания по физике, а также закрепить школьную программу. Пройдя весенние интенсивы, я вышел на экзамен уверенным в своем результате. Получив 85 баллов, я смог поступить в желаемый ВУЗ с 1 волной. Хочу еще раз отблагодарить репетитора, который помог мне приблизиться к своим целям, сдать единый государственный экзамен на нужные баллы, поступить в вуз и начать обучение будущей профессии.

Наталья Львовна замечательный репетитор по физике, который превосходно подготовит вас к ЕГЭ.

Пришла к ней не с нулевыми знаниями, но хорошими их назвать нельзя. Хоть я и начала заниматься с января, мы успели пройти все темы на дополнительных занятиях.

Каждая тема была разобрана и были прорешаны все типы задач, которые могли встретиться на экзамене.

И действительно, на ЕГЭ я не столкнулась с трудностями в решении задач и написала экзамен на 94 балла.

Очень советую этого преподавателя!

Моя дочь Полина училась в школе с «гуманитарным уклоном». Основными предметами с первого класса для неё были иностранные языки. Но, когда встал вопрос выбора профессии, дочь захотела поступать в технический ВУЗ. Очевидно, что школьная программа — не резиновая, и не удивительно, что при 8 учебных часах иностранных языков у неё был только один урок физики в неделю. Пришлось срочно искать решение. Нам повезло – мы нашли прекрасного репетитора.
Наталья Львовна в полной мере смогла подготовить Полину к экзамену. Для нашей гуманитарной школы 85 баллов по физике – это прекрасный результат. Мы очень благодарны — Наталья Львовна – прекрасный педагог и чуткий человек. Индивидуальный подход к каждому даже на групповых занятиях – это то, что хотелось бы отметить в первую очередь. Мы надеемся на поступление в ВУЗ мечты.

ЭЛЕКТРИЧЕСКИЙ ТОК В ГАЗАХ

В обычных условиях газ — это диэлектрик, т.е. он состоит из нейтральных атомов и молекул и не содержит свободных носителей эл.тока.
Газ-проводник — это ионизированный газ. Ионизированный газ обладает электронно-ионной проводимостью.

— это распад нейтральных атомов или молекул на положительные ионы и электроны путем отрыва электронов от атомов. Ионизация происходит при нагревании газа или воздействия излучений (УФ, рентген, радиоактивное) и объясняется распадом атомов и молекул при столкновениях на высоких скоростях.

— это эл.ток в ионизированных газах.
Носителями зарядов являются положительные ионы и электроны. Газовый разряд наблюдается в газоразрядных трубках (лампах) при воздействии электрического или магнитного поля.

Рекомбинация заряженных частиц

— газ перестает быть проводником, если ионизация прекращается, это происходит в следствие рекомбинации (воссоединения противоположно заряженных частиц).

Существует самостоятельный и несамостоятельный газовый разряд.

Несамостоятельный газовый разряд

— если действие ионизатора прекратить, то прекратится и разряд.

Когда разряд достигает насыщения — график становится горизонтальным. Здесь электропроводность газа вызвана лишь действием ионизатора.

Самостоятельный газовый разряд

— в этом случае газовый разряд продолжается и после прекращения действия внешнего ионизатора за счет ионов и электронов, возникших в результате ударной ионизации (= ионизации эл. удара); возникает при увеличении разности потенциалов между электродами (возникает электронная лавина).
Несамостоятельный газовый разряд может переходить в самостоятельный газовый разряд при Ua = Uзажигания.

Электрический пробой газа

— процесс перехода несамостоятельного газового разряда в самостоятельный.

Самостоятельный газовый разряд бывает 4-х типов:

1. тлеющий — при низких давлениях(до нескольких мм рт.ст.) -наблюдается в газосветных трубках и газовых лазерах.
2. искровой — при нормальном давлении и высокой напряженности электрического поля (молния — сила тока до сотен тысяч ампер).
3. коронный — при нормальном давлении в неоднородном электрическом поле (на острие).
4. дуговой — большая плотность тока, малое напряжение между электродами (температура газа в канале дуги -5000-6000 градусов Цельсия); наблюдается в прожекторах, проекционной киноаппаратуре.

Эти разряды наблюдаются:

тлеющий — в лампах дневного света;
искровой — в молниях;
коронный — в электрофильтрах, при утечке энергии;
дуговой — при сварке, в ртутных лампах.

— это четвертое агрегатное состояние вещества с высокой степенью ионизации за счет столкновения молекул на большой скорости при высокой температуре; встречается в природе: ионосфера — слабо ионизированная плазма, Солнце — полностью ионизированная плазма; искусственная плазма — в газоразрядных лампах.

Низкотемпературная — при температурах меньше 100 000К;
высокотемпературная — при температурах больше 100 000К.

Основные свойства плазмы:

— высокая электропроводность
— сильное взаимодействие с внешними электрическими и магнитными полями.

При температуре

любое вещество находится в состоянии плазмы.

Интересно, что 99% вещества во Вселенной — плазма.

Другие страницы по теме «Электричество» за 10-11 класс:

class-fizika.narod.ru

Законы электрического тока в газах

Официальный сайт АНО ДО Центра «Логос», г.Глазов

ГОТОВИМСЯ К УРОКУ

Электрический ток в различных средах немного о физике:

Электрическим током называют всякое упорядоченное движение электрических зарядов. Электрический ток может проходить через различные вещества при определенных условиях. Одним из условий возникновения электрического тока является наличие свободных зарядов, способных двигаться под действием электрического поля.

Поэтому в этом разделе мы попытаемся установить, какие частицы, переносят электрический заряд в различных средах.

Электрический ток в металлах.

Металлы состоят из положительно заряженных ионов, находящихся в узлах кристаллической решетки и совокупности свободных электронов. Вне электрического поля свободные электроны движутся хаотически, подобно молекулам идеального газа, а потому рассматриваются в классической электронной теории как электронный газ .

Под действием внешнего электрического поля меняется характер движения свободных электронов внутри металла. Электроны, продолжая хаотичные движения, вместе с тем смещаются в направлении действия сил электрического поля.

Следовательно, электрический ток в металлах — это упорядоченное движение электронов.

Сила тока в металлическом проводнике определяется по формуле:

где I — сила тока в проводнике, e — модуль заряда электрона, n 0 — концентрация электронов проводимости, — средняя скорость упорядоченного движения электронов, S

Плотность тока проводимости численно равна заряду, проходящему за 1с через единицу площади поверхности, перпендикулярной направлению тока.

где j — плотность тока.

У большинства металлов практически каждый атом ионизирован. А так как концентрация электронов проводимости одновалентного металла равна

где N a — постоянная Авогадро, A — атомная масса металла, ρ — плотность металла,

то получаем что концентрация определяется в пределах 10 28 — 10 29 м -3 .

Закон Ома для однородного участка цепи:

где U — напряжение на участке, R — сопротивление участка.

Для однородного участка цепи:

где ρ У — удельное сопротивление проводника, l — длина проводника, S — площадь поперечного сечения проводника.

Удельное сопротивление проводника зависит от температуры и эта зависимость выражается соотношением:

где ρ оу — удельное сопротивление металлического проводника при температуре Т =273К, α — термический коэффициент сопротивления, ∆Т = Т — Т о — изменение температуры.

Вольт-амперная характеристика металлов.

Сила тока в проводниках по закону Ома прямо пропорциональна напряжению. Такая зависимость имеет место для проводников со строго заданным сопротивлением (для резисторов ).

Тангенс угла наклона графика равен проводимости проводника. Проводимостью называется величина, обратная сопротивлению

Но так как сопротивление металлов зависит от температуры, то вольт-амперная характеристика металлов не является линейной.

Электрический ток в растворах и расплавах электролитов.

Явление распада молекул солей, щелочей и кислот в воде на ионы противоположных знаков называют электролитической диссоциацией. Полученные в следствие распада ионы служат носителями заряда в жидкости, а сама жидкость становятся проводником.

Вне электрического поля ионы движутся хаотически. Под действием внешнего электрического поля ионы, продолжая хаотичные движения, вместе с тем смещаются в направлении действия сил электрического поля: катионы к катоду, анионы — к аноду.

Следовательно, электрический ток в растворах (расплавах) электролитов — это направленное перемещение ионов обоих знаков в противоположных направлениях.

Прохождение электрического тока через раствор электролита всегда сопровождается выделением на электродах веществ, входящих в его состав. Это явление называют электролизом .

При движении внутри электролитов ионы взаимодействуют с молекулами воды и другими ионами, т.е. электролиты оказывают некоторое противодействие движению, а, следовательно, обладают сопротивлением. Электрическое сопротивление электролитов зависит от концентрации ионов, величины заряда иона, от скорости движения ионов обоих знаков.

Сопротивление электролитов так же определяется по формуле:

где ρ У — удельное сопротивление электролита, l — длина жидкого проводника, S — площадь поперечного сечения жидкого проводника.

При увеличении температуры электролита уменьшается его вязкость, что ведет к увеличению скорости движения ионов. Т.е. при повышении температуры сопротивление электролита уменьшается.

1. Масса вещества, выделяемого на электроде, прямо пропорциональна электрическому заряду, прошедшему через электролит.

где m — масса вещества, выделяющегося на электроде, k — электрохимический эквивалент, q — заряд, прошедший через электролит.

2. Электрохимический эквивалент вещества прямо пропорционален его химическому эквиваленту.

где М — молярная масса вещества, F- постоянная Фарадея, z — валентность иона.

постоянная Фарадея численно равна заряду, который должен пройти через электролит, чтобы выделить из него массу вещества, численно равную химическому эквиваленту.

Объединенный закон Фарадея.

Электрический ток в газах.

При нормальных условиях газы состоят из нейтральных молекул, а поэтому являются диэлектриками. Так как для получения электрического тока необходимо наличие заряженных частиц, то молекулы газа следует ионизировать (оторвать электроны от молекул). Для ионизации молекул необходимо затратить энергию — энергию ионизации , количество которой зависит от рода вещества. Так, энергия ионизации минимальна для атомов щелочных металлов, максимальна — для инертных газов.

Ионизировать молекулы можно при нагревании газа, при облучении его различного рода лучами. Благодаря дополнительной энергии возрастает скорость движения молекул, нарастает интенсивность их теплового движения и при соударении отдельные молекулы теряют электроны, превращаясь в положительно заряженные ионы.

Электроны, оторвавшись от молекулы могут присоединятся к нейтральным молекулам, образуя при этом отрицательно заряженные ионы.

Следовательно, при ионизации появляются три типа носителей зарядов: положительные ионы, отрицательные ионы и электроны.

Под действием внешнего электрического поля ионы обоих знаков и электроны движутся в направлении действия сил электрического поля: положительные ионы к катоду, отрицательные ионы и электроны — к аноду. Т.е. электрический ток в газах — это упорядоченное движение ионов и электронов под действием электрического поля.

Вольт- амперная характеристика газов.

Зависимость силы тока от напряжения выражена кривой ОАВС.

На участке графика ОА сила тока подчиняется закону Ома. При малом напряжении сила тока мала, т.к. ионы двигаясь с малыми скоростями рекомбинируют, не достигая электродов. При увеличении напряжения между электродами скорость направленного движения электронов и ионов возрастает, поэтому большая часть заряженных частиц достигает электродов, а, следовательно возрастает сила тока.

При определенном значении напряжения U 1 все ионы имеют достаточные скорости и, не рекомбинируя, достигают электродов. Ток становится максимально возможным и не зависит от дальнейшего увеличения напряжения до значения U 2 . Такой ток называют током насыщения , и ему соответствует участок графика АВ.

При напряжении U 2 в несколько тысяч вольт скорость электронов, возникающих при ионизации молекул, а следовательно, их кинетическая энергия значительно увеличиваются. И когда кинетическая энергия достигает значения энергии ионизации, электроны, сталкиваясь с нейтральными молекулами, ионизируют их. Дополнительная ионизация приводит к лавинообразному увеличению количества заряженных частиц, а следовательно и к значительному увеличению силы тока без воздействия внешнего ионизатора. Прохождение электрического тока без воздействия внешнего ионизатора называют самостоятельным разрядом . Такая зависимость выражена участком графика АС.

Электрический ток в вакууме.

В вакууме отсутствуют заряженные частиц, а следовательно, он является диэлектриком. Т.е. необходимо создать определенные условия, которые помогут получить заряженные частицы.

Свободные электроны есть в металлах. При комнатной температуре они не могут покинуть металл, т. к. удерживаются в нем силами кулоновского притяжения со стороны положительных ионов. Для преодоления этих сил электрону необходимо затратить определенную энергию, которая называется работой выхода . Энергию, большую или равную работе выхода, электроны могут получить при разогреве металла до высоких температур.

При нагревании металла количество электронов с кинетической энергией, большей работы выхода, увеличивается, поэтому из металла вылетает большее количество электронов. Испускание электронов из металлов при его нагревании называют термоэлектронной эмиссией . Для осуществления термоэлектронной эмиссии в качестве оного из электродов используют тонкую проволочную нить из тугоплавкого металла (нить накала). Подключенная к источнику тока нить раскаляется и с ее поверхности вылетают электроны. Вылетевшие электроны попадают в электрическое поле между двумя электродами и начинают двигаться направленно, создавая электрический ток.

Явление термоэлектронной эмиссии лежит в основе принципа действия электронных ламп: вакуумного диода, вакуумного триода .

Вакуумный диод Вакуумный триод

Вольт-амперная характеристика вакуумного диода.

Зависимость силы тока от напряжения выражена кривой ОАВС D .

При испускании электронов катод приобретает положительный заряд и поэтому удерживает возле себя электроны. При отсутствии электрического поля между катодом и анодом, вылетевшие электроны образуют у катода электронное облако.

По мере увеличения напряжения между анодом и катодом большее количество электронов устремляется к аноду, а следовательно сила тока увеличивается. Эта зависимость выражена участком графика ОАВ. Участок АВ является характеризует прямую зависимость силы тока от напряжения, т.е. в интервале напряжений U 1 — U 2 выполняется закон Ома.

Нелинейная зависимость на участке ВС D объясняется тем, что число электронов, устремляющихся к аноду, стает больше числа электронов, вылетающих с катода.

При достаточно большом значении напряжения U 3 все электроны, вылетающие с катода, достигают анода, и электрический ток достигает насыщения.

Так же в качестве источника заряженных частиц можно использовать радиоактивный препарат, испускающий α-частицы.Под действием сил электрического поля α-частицы будут двигаться, т.е. возникнет электрический ток.

Таким образом, электрический ток в вакууме может быть создан упорядоченным движением любых заряженных частиц (электронов, ионов) .

Электрический ток в полупроводниках.

Полупроводники — вещества, удельное сопротивление которых убывает с увеличением температуры и зависит от наличия примесей и изменения освещенности. Удельное сопротивление проводников при комнатной температуре находится в интервале от 10 -3 до 10 7 Ом · м. Типичными представителями полупроводников являются кристаллы германия и кремния.

В этих кристаллах атомы соединены между собой ковалентной связью. При нагревании ковалентная связь нарушается, атомы ионизируются. Это обуславливает возникновение свободных электронов и «дырок»- вакантных положительных мест с недостающим электроном.

При этом электроны соседних атомов могут занимать вакантные места, образуя «дырку» в соседнем атоме. Таким образом не только электроны, но и «дырки» могут перемещаться по кристаллу. При помещении такого кристалла в электрическое поле электроны и дырки придут в упорядоченное движение — возникнет электрический ток.

В чистом кристалле электрический ток создается равным количеством электронов и «дырок». Проводимость, обусловленную движением свободных электронов и равного им количества «дырок» в полупроводниковом кристалле без примесей, называют собственной проводимостью полупроводника .

При повышении температуры собственная проводимость полупроводника увеличивается, т.к. увеличивается число свободных электронов и «дырок».

Проводимость проводников зависит от наличия примесей. Примеси бывают донорные и акцепторные. Донорная примесь — примесь с большей валентностью. Например, для четырехвалентного кремния донорной примесью является пятивалентный мышьяк. Четыре валентных электрона атома мышьяка участвуют в создании ковалентной связи, а пятый станет электроном проводимости.

При нагревании нарушается ковалентная связь, возникают дополнительные электроны проводимости и «дырки». Поэтому в кристалле количество свободных электронов преобладает над количеством «дырок». Проводимость такого проводника является электронной, полупроводник является полупроводником n -типа . Электроны являются основными носителями заряда, «дырки» — неосновными .

Акцепторная примесь — примесь с меньшей валентностью. Например, для четырехвалентного кремния акцепторной примесью является трехвалентный индий. Три валентных электрона атома индия участвуют в создании ковалентной связи с тремя атомами кремния, а на месте четвертой незавершенной ковалентной связи образуется «дырка».

При нагревании нарушается ковалентная связь, возникают дополнительные электроны проводимости и «дырки». Поэтому в кристалле количество «дырок» преобладает над количеством свободных электронов. Проводимость такого проводника является дырочной, полупроводник является полупроводником p -типа . «Дырки» являются основными носителями заряда, электроны — неосновными .

При контакте полупроводников p- типа и n -типа через границу происходит диффузия электронов из n -области в p- область и «дырок» из p- области в n -область. Это приводит к возникновению запирающего слоя, препятствующего дальнейшей диффузии. p-n переход обладает односторонней проводимостью.

При подключении p-n перехода к источнику тока так, чтобы p- область была соединена с положительным полюсом, а n-область — с отрицательным полюсом, появляется движение основных носителей зарядов через контактный слой. Этот способ подключения называют включением в прямом направлении.

При подключении p-n перехода к источнику тока так, чтобы p- область была соединена с отрицательным полюсом, а n-область — с положительным полюсом, толщина запирающего слоя увеличивается, и движение основных носителей зарядов через контактный слой прекращается, но может иметь место движение неосновных зарядов через контактный слой. Этот способ подключения называют включением в обратном направлении.

Принцип действия полупроводникового диода основан на свойстве односторонней проводимости p-n перехода. Основное применение полупроводникового диода — выпрямитель тока.

Вольт-амперная характеристика полупроводникового диода.

Зависимость силы тока от напряжения выражена кривой АОВ.

Ветвь ОВ соответствует пропускному направлению тока, когда ток создается основными носителями зарядов, и при увеличении напряжения сила тока возрастает. Ветвь АО соответствует току, созданному неосновными носителями зарядов, и значения силы тока невелики.