Temi USA codificatore : portatori di cariche elettriche libere nei gas.
In condizioni ordinarie, i gas sono costituiti da atomi o molecole elettricamente neutri; Non ci sono quasi costi gratuiti nei gas. Quindi i gas sono dielettrici- la corrente elettrica non li attraversa.
Abbiamo detto "quasi nessuna" perché infatti nei gas e, in particolare, nell'aria, è sempre presente una certa quantità di particelle cariche libere. Appaiono come risultato dell'effetto ionizzante delle radiazioni delle sostanze radioattive che le compongono la crosta terrestre, radiazioni ultraviolette e raggi X del Sole, nonché raggi cosmici - flussi di particelle ad alta energia che penetrano nell'atmosfera terrestre da spazio. Ritorneremo più avanti su questo fatto e ne discuteremo l'importanza, ma per ora noteremo solo che in condizioni normali la conduttività dei gas, causata dalla quantità "naturale" di cariche libere, è trascurabile e può essere ignorata.
L'azione degli interruttori nei circuiti elettrici si basa sulle proprietà isolanti del traferro (Fig. 1). Ad esempio, una piccola fessura d'aria in un interruttore della luce è sufficiente per aprire un circuito elettrico nella tua stanza.
Riso. 1 chiave
È possibile, tuttavia, creare condizioni tali per cui nella fessura del gas apparirà una corrente elettrica. Consideriamo la seguente esperienza.
Carichiamo le piastre del condensatore ad aria e le colleghiamo a un galvanometro sensibile (Fig. 2, a sinistra). A temperatura ambiente e con aria non troppo umida, il galvanometro non mostrerà una corrente apprezzabile: il nostro traferro, come abbiamo detto, non è un conduttore di elettricità.
Riso. 2. La presenza di corrente nell'aria
Ora portiamo la fiamma di un bruciatore o di una candela nello spazio tra le armature del condensatore (Fig. 2, a destra). Appare la corrente! Perché?
Spese gratuite in un gas
Il verificarsi di corrente elettrica tra le piastre del condensatore significa che nell'aria sotto l'influenza della fiamma è apparsa spese gratuite. Che cosa esattamente?
L'esperienza mostra che la corrente elettrica nei gas è un movimento ordinato di particelle cariche. tre tipi . Questo elettroni, ioni positivi E ioni negativi.
Vediamo come possono presentarsi queste cariche in un gas.
All'aumentare della temperatura del gas, le vibrazioni termiche delle sue particelle - molecole o atomi - diventano più intense. Gli impatti delle particelle l'una contro l'altra raggiungono una forza tale che ionizzazione- decadimento delle particelle neutre in elettroni e ioni positivi (Fig. 3).
Riso. 3. Ionizzazione
Grado di ionizzazioneè il rapporto tra il numero di particelle di gas decaduto e il numero totale iniziale di particelle. Ad esempio, se il grado di ionizzazione è , ciò significa che le particelle di gas originali sono decadute in ioni ed elettroni positivi.
Il grado di ionizzazione del gas dipende dalla temperatura e aumenta notevolmente con il suo aumento. Per l'idrogeno, ad esempio, a una temperatura inferiore al grado di ionizzazione non supera , e a una temperatura superiore il grado di ionizzazione è vicino a (cioè, l'idrogeno è quasi completamente ionizzato (il gas parzialmente o completamente ionizzato è chiamato plasma)).
Oltre all’alta temperatura, ci sono altri fattori che causano la ionizzazione del gas.
Li abbiamo già menzionati di sfuggita: si tratta di radiazioni radioattive, ultravioletti, raggi X e gamma, particelle cosmiche. Viene chiamato qualsiasi fattore che causa la ionizzazione di un gas ionizzatore.
Pertanto, la ionizzazione non avviene da sola, ma sotto l'influenza di uno ionizzatore.
Allo stesso tempo, il processo inverso ri combinazione, cioè la riunione di un elettrone e di uno ione positivo in una particella neutra (Fig. 4).
Riso. 4. Ricombinazione
Il motivo della ricombinazione è semplice: è l'attrazione di Coulomb di elettroni e ioni con carica opposta. Correndo l'uno verso l'altro sotto l'azione delle forze elettriche, si incontrano e hanno l'opportunità di formare un atomo neutro (o una molecola, a seconda del tipo di gas).
A intensità costante dell'azione dello ionizzatore, si stabilisce un equilibrio dinamico: il numero medio di particelle che decadono nell'unità di tempo è uguale al numero medio di particelle ricombinanti (in altre parole, la velocità di ionizzazione è uguale alla velocità di ricombinazione). di ionizzazione e la concentrazione di particelle cariche nel gas aumenterà. Al contrario, se si spegne lo ionizzatore, la ricombinazione inizierà a prevalere e le cariche gratuite scompariranno gradualmente e completamente.
Quindi, ioni positivi ed elettroni compaiono nel gas come risultato della ionizzazione. Da dove viene il terzo tipo di cariche: gli ioni negativi? Molto semplice: un elettrone può volare in un atomo neutro e unirsi ad esso! Questo processo è mostrato in Fig. 5 .
Riso. 5. L'aspetto di uno ione negativo
Gli ioni negativi così formati parteciperanno alla creazione della corrente insieme agli ioni positivi e agli elettroni.
Non autoscarica
Se non c'è campo elettrico esterno, le cariche libere eseguono un movimento termico caotico insieme alle particelle di gas neutro. Ma quando viene applicato un campo elettrico, inizia il movimento ordinato delle particelle cariche. corrente elettrica nel gas.
Riso. 6. Dimissione non autosostenuta
Nella fig. 6 vediamo tre tipi di particelle cariche che si formano nel gap gassoso sotto l'azione di uno ionizzatore: ioni positivi, ioni negativi ed elettroni. Una corrente elettrica in un gas si forma a seguito del movimento imminente di particelle cariche: ioni positivi - all'elettrodo negativo (catodo), elettroni e ioni negativi - all'elettrodo positivo (anodo).
Gli elettroni, cadendo sull'anodo positivo, vengono inviati lungo il circuito al "più" della sorgente di corrente. Gli ioni negativi donano un elettrone in più all'anodo e, divenuti particelle neutre, ritornano nel gas; anche l'elettrone dato all'anodo si precipita verso il “più” della sorgente. Gli ioni positivi, arrivando al catodo, prendono da lì gli elettroni; la conseguente carenza di elettroni al catodo viene immediatamente compensata dal loro apporto dal “meno” della sorgente. Come risultato di questi processi, nel circuito esterno si verifica un movimento ordinato di elettroni. Questa è la corrente elettrica registrata dal galvanometro.
Il processo descritto in Fig. 6 è chiamato dimissione non autosostenuta nel gas. Perché dipendente? Pertanto, per mantenerlo, è necessaria l'azione costante dello ionizzatore. Rimuoviamo lo ionizzatore e la corrente si fermerà, poiché il meccanismo che garantisce la comparsa di cariche libere nell'intercapedine del gas scomparirà. Lo spazio tra l'anodo e il catodo diventerà nuovamente un isolante.
Caratteristica volt-ampere della scarica di gas
La dipendenza dell'intensità di corrente attraverso il traferro dalla tensione tra anodo e catodo (il cosiddetto caratteristica corrente-tensione della scarica di gas) è mostrato in Fig. 7.
Riso. 7. Caratteristica volt-ampere della scarica di gas
A tensione zero, l'intensità della corrente, ovviamente, è pari a zero: le particelle cariche eseguono solo movimento termico, non esiste movimento ordinato tra gli elettrodi.
Con una tensione ridotta, anche la corrente è ridotta. Il fatto è che non tutte le particelle cariche sono destinate a raggiungere gli elettrodi: alcuni ioni positivi ed elettroni nel processo del loro movimento si trovano e si ricombinano.
Con l'aumentare della tensione, tutto si sviluppa con cariche libere grande velocità, e minore è la probabilità che lo ione positivo e l'elettrone si incontrino e si ricombinino. Ecco perché tutto la maggior parte le particelle cariche raggiungono gli elettrodi e l'intensità della corrente aumenta (grafico).
Ad un certo valore di tensione (punto ), la velocità di carica diventa così elevata che la ricombinazione non ha il tempo di avvenire. Da ora in poi Tutto le particelle cariche formate sotto l'azione dello ionizzatore raggiungono gli elettrodi e la corrente raggiunge la saturazione- Vale a dire, la forza attuale cessa di cambiare con l'aumentare della tensione. Ciò continuerà fino a un certo punto.
autoscarica
Dopo aver superato il punto, la forza della corrente aumenta bruscamente all'aumentare della tensione - inizia scarico indipendente. Ora scopriremo di cosa si tratta.
Le particelle di gas cariche si spostano da una collisione all'altra; tra le collisioni accelerano campo elettrico, aumentando la sua energia cinetica. E ora, quando la tensione diventa abbastanza grande (quello stesso punto), gli elettroni nel loro percorso libero raggiungono energie tali che quando entrano in collisione con atomi neutri, li ionizzano! (Utilizzando le leggi di conservazione della quantità di moto e dell'energia, si può dimostrare che sono gli elettroni (e non gli ioni) accelerati da un campo elettrico ad avere la massima capacità di ionizzare gli atomi.)
Il cosidetto Ionizzazione per impatto elettronico. Gli elettroni espulsi dagli atomi ionizzati vengono anche accelerati dal campo elettrico e colpiscono nuovi atomi, ionizzandoli e generando nuovi elettroni. Come risultato della valanga di elettroni che emerge, il numero di atomi ionizzati aumenta rapidamente, di conseguenza anche l'intensità della corrente aumenta rapidamente.
Il numero di cariche libere diventa così grande che viene eliminata la necessità di uno ionizzatore esterno. Può essere semplicemente rimosso. Come risultato vengono ora generate particelle cariche libere interno processi che si verificano nel gas: ecco perché lo scarico è chiamato indipendente.
Se il gap del gas è inferiore alta tensione, non è necessario alcuno ionizzatore per l'autoscarica. È sufficiente trovare un solo elettrone libero nel gas e inizierà la valanga di elettroni sopra descritta. E ci sarà sempre almeno un elettrone libero!
Ricordiamo ancora una volta che nel gas, anche in condizioni normali, è presente una certa quantità "naturale" di cariche libere, dovute alla radiazione radioattiva ionizzante della crosta terrestre, alla radiazione ad alta frequenza del Sole e ai raggi cosmici. Abbiamo visto che a basse tensioni la conduttività del gas causata da queste cariche libere è trascurabile, ma ora - ad alta tensione - daranno origine ad una valanga di nuove particelle, dando origine ad una scarica indipendente. Accadrà come dicono guasto gap di gas.
L'intensità del campo richiesta per scomporre l'aria secca è di circa kV/cm. In altre parole, affinché la scintilla possa saltare tra gli elettrodi separati da un centimetro d'aria, è necessario applicare loro una tensione di kilovolt. Immagina quale tensione è necessaria per sfondare diversi chilometri d'aria! Ma sono proprio questi guasti che si verificano durante un temporale: questi sono i fulmini a te ben noti.
Estratto di fisica
sul tema:
"Corrente elettrica nei gas".
Corrente elettrica nei gas.
1. Scarica elettrica nei gas.
Tutti i gas allo stato naturale non conducono elettricità. Ciò può essere visto dalla seguente esperienza:
Prendiamo un elettrometro a cui sono collegati i dischi di un condensatore piatto e carichiamolo. A temperatura ambiente, se l'aria è sufficientemente secca, il condensatore non si scarica in modo evidente: la posizione dell'ago dell'elettrometro non cambia. È necessario notare una diminuzione dell'angolo di deviazione dell'ago dell'elettrometro a lungo. Ciò dimostra che la corrente elettrica nell'aria tra i dischi è molto piccola. Questa esperienza dimostra che l'aria è un cattivo conduttore di corrente elettrica.
Modifichiamo l'esperimento: riscaldiamo l'aria tra i dischi con la fiamma di una lampada ad alcool. Quindi l'angolo di deflessione dell'indice dell'elettrometro diminuisce rapidamente, ad es. la differenza di potenziale tra i dischi del condensatore diminuisce: il condensatore si scarica. Di conseguenza, l'aria riscaldata tra i dischi è diventata un conduttore e al suo interno si stabilisce una corrente elettrica.
Le proprietà isolanti dei gas sono spiegate dal fatto che non contengono cariche elettriche libere: gli atomi e le molecole dei gas nel loro stato naturale sono neutri.
2. Ionizzazione dei gas.
L'esperienza di cui sopra mostra che le particelle cariche compaiono nei gas sotto l'influenza dell'alta temperatura. Sorgono come risultato della scissione di uno o più elettroni dagli atomi di gas, a seguito della quale compaiono uno ione positivo ed elettroni al posto di un atomo neutro. Parte degli elettroni formati possono essere catturati da altri atomi neutri e quindi appariranno più ioni negativi. Viene chiamata la scomposizione delle molecole di gas in elettroni e ioni positivi ionizzazione dei gas.
Riscaldare un gas ad alta temperatura non lo è l'unico modo ionizzazione di molecole o atomi di un gas. La ionizzazione del gas può avvenire sotto l'influenza di varie interazioni esterne: forte riscaldamento del gas, raggi X, raggi a, b e g derivanti dal decadimento radioattivo, raggi cosmici, bombardamento di molecole di gas da parte di elettroni o ioni in rapido movimento. Vengono chiamati i fattori che causano la ionizzazione del gas ionizzatori. La caratteristica quantitativa del processo di ionizzazione è intensità di ionizzazione, misurato dal numero di coppie di particelle cariche di segno opposto che compaiono in un'unità di volume di gas per unità di tempo.
La ionizzazione di un atomo richiede il dispendio di una certa energia: l'energia di ionizzazione. Per ionizzare un atomo (o una molecola), è necessario compiere un lavoro contro le forze di interazione tra l'elettrone espulso e il resto delle particelle dell'atomo (o della molecola). Questo lavoro è chiamato lavoro di ionizzazione A i . Il valore del lavoro di ionizzazione dipende da natura chimica stato gassoso ed energetico di un elettrone espulso in un atomo o in una molecola.
Dopo lo spegnimento dello ionizzatore, il numero di ioni nel gas diminuisce nel tempo e alla fine gli ioni scompaiono del tutto. La scomparsa degli ioni è spiegata dal fatto che ioni ed elettroni partecipano al movimento termico e quindi entrano in collisione tra loro. Quando uno ione positivo e un elettrone si scontrano, possono riunirsi in un atomo neutro. Allo stesso modo, quando uno ione positivo e uno negativo entrano in collisione, lo ione negativo può cedere il suo elettrone in eccesso allo ione positivo ed entrambi gli ioni si trasformeranno in atomi neutri. Questo processo di neutralizzazione reciproca degli ioni viene chiamato ricombinazione ionica. Quando uno ione positivo e un elettrone o due ioni si ricombinano, viene rilasciata una certa energia, pari all'energia spesa per la ionizzazione. Parzialmente viene emesso sotto forma di luce, e quindi la ricombinazione degli ioni è accompagnata da luminescenza (luminescenza della ricombinazione).
Nei fenomeni di scarica elettrica nei gas, la ionizzazione degli atomi per impatto degli elettroni gioca un ruolo importante. Questo processo consiste nel fatto che un elettrone in movimento con sufficiente energia cinetica ne elimina uno o più elettroni atomici quando si scontra con un atomo neutro, a seguito del quale l'atomo neutro si trasforma in uno ione positivo e compaiono nuovi elettroni il gas (di questo parleremo più avanti).
La tabella seguente fornisce le energie di ionizzazione di alcuni atomi.
3. Meccanismo di conducibilità elettrica dei gas.
Il meccanismo di conduttività del gas è simile al meccanismo di conduttività delle soluzioni elettrolitiche e delle fusioni. In assenza di un campo esterno, le particelle cariche, come le molecole neutre, si muovono in modo casuale. Se gli ioni e gli elettroni liberi si trovano in un campo elettrico esterno, entrano in movimento diretto e creano una corrente elettrica nei gas.
Pertanto, la corrente elettrica in un gas è un movimento diretto di ioni positivi verso il catodo e di ioni negativi ed elettroni verso l'anodo. Corrente completa in un gas è costituito da due flussi di particelle cariche: un flusso diretto all'anodo e un flusso diretto al catodo.
La neutralizzazione delle particelle cariche avviene sugli elettrodi, come nel caso del passaggio di corrente elettrica attraverso soluzioni e fusioni di elettroliti. Nei gas invece non si verifica alcun rilascio di sostanze sugli elettrodi, come nel caso delle soluzioni elettrolitiche. Gli ioni del gas, avvicinandosi agli elettrodi, conferiscono loro le loro cariche, si trasformano in molecole neutre e si diffondono nuovamente nel gas.
Un'altra differenza nella conduttività elettrica dei gas ionizzati e delle soluzioni (fusioni) di elettroliti è che la carica negativa durante il passaggio della corrente attraverso i gas viene trasferita principalmente non da ioni negativi, ma da elettroni, sebbene anche la conduttività dovuta a ioni negativi possa svolgere un ruolo certo ruolo.
Pertanto, nei gas, la conduttività elettronica, simile alla conduttività dei metalli, si combina con la conduttività ionica, simile alla conduttività soluzione acquosa e l'elettrolito si scioglie.
4. Scarico di gas non autonomo.
Il processo di passaggio di una corrente elettrica attraverso un gas è chiamato scarica di gas. Se la conduttività elettrica del gas viene creata da ionizzatori esterni, viene chiamata la corrente elettrica che si genera in esso scarico di gas non autosufficiente. Con la cessazione dell'azione degli ionizzatori esterni cessa la scarica non autosostenuta. Una scarica di gas non autosufficiente non è accompagnata da incandescenza.
Di seguito è riportato un grafico della dipendenza dell'intensità della corrente dalla tensione per una scarica non autosostenuta in un gas. Per tracciare il grafico è stato utilizzato un tubo di vetro con due elettrodi metallici saldati nel vetro. La catena è assemblata come mostrato nella figura seguente.
Ad una certa tensione arriva un momento in cui tutte le particelle cariche formate nel gas dallo ionizzatore in un secondo raggiungono contemporaneamente gli elettrodi. Un ulteriore aumento della tensione non può più portare ad un aumento del numero di ioni trasportati. La corrente raggiunge la saturazione (sezione orizzontale del grafico 1).
5. Scarico del gas indipendente.
Viene chiamata scarica elettrica in un gas che persiste dopo la cessazione dell'azione di uno ionizzatore esterno scarico gas indipendente. Per la sua attuazione è necessario che, a seguito della scarica stessa, nel gas si formino continuamente cariche libere. La principale fonte della loro comparsa è la ionizzazione da impatto delle molecole di gas.
Se, dopo aver raggiunto la saturazione, continuiamo ad aumentare la differenza di potenziale tra gli elettrodi, l'intensità della corrente con una tensione sufficientemente elevata aumenterà notevolmente (grafico 2).
Ciò significa che nel gas compaiono ulteriori ioni, che si formano a causa dell'azione dello ionizzatore. L'intensità della corrente può aumentare centinaia e migliaia di volte e il numero di particelle cariche che compaiono durante il processo di scarica può diventare così grande che non è più necessario uno ionizzatore esterno per mantenere la scarica. Pertanto lo ionizzatore può ora essere rimosso.
Quali sono le ragioni del forte aumento della corrente alle alte tensioni? Consideriamo una qualsiasi coppia di particelle cariche (uno ione positivo e un elettrone) formata a causa dell'azione di uno ionizzatore esterno. L'elettrone libero che appare in questo modo inizia a muoversi verso l'elettrodo positivo - l'anodo, e lo ione positivo - verso il catodo. Nel suo percorso l'elettrone incontra ioni e atomi neutri. Negli intervalli tra due collisioni successive, l'energia dell'elettrone aumenta a causa del lavoro delle forze del campo elettrico.
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Maggiore è la differenza di potenziale tra gli elettrodi, maggiore è l'intensità del campo elettrico. L'energia cinetica di un elettrone prima della collisione successiva è proporzionale all'intensità del campo e al percorso libero dell'elettrone: MV 2 /2=eEl. Se l'energia cinetica di un elettrone supera il lavoro A i necessario per ionizzare un atomo (o molecola) neutro, cioè MV 2 >A i , quindi quando un elettrone collide con un atomo (o una molecola), viene ionizzato. Di conseguenza, invece di un elettrone, compaiono due elettroni (che attaccano l'atomo e vengono strappati dall'atomo). A loro volta, ricevono energia nel campo e ionizzano gli atomi in arrivo, ecc. Di conseguenza, il numero di particelle cariche aumenta rapidamente e si verifica una valanga di elettroni. Il processo descritto si chiama Ionizzazione per impatto elettronico.
Ma la sola ionizzazione per impatto elettronico non può garantire il mantenimento di una carica indipendente. Dopotutto, tutti gli elettroni che nascono in questo modo si muovono verso l'anodo e, una volta raggiunto l'anodo, "escono dal gioco". Per mantenere la scarica è necessaria l'emissione di elettroni dal catodo ("emissione" significa "emissione"). L’emissione di elettroni può essere dovuta a diversi motivi.
Gli ioni positivi formati durante la collisione di elettroni con atomi neutri, quando si muovono verso il catodo, acquisiscono una grande energia cinetica sotto l'azione del campo. Quando ioni così veloci colpiscono il catodo, gli elettroni vengono eliminati dalla superficie del catodo.
Inoltre, il catodo può emettere elettroni se riscaldato ad alta temperatura. Questo processo si chiama emissione termoionica. Può essere considerato come l'evaporazione degli elettroni dal metallo. In molte sostanze solide l'emissione termoionica avviene a temperature alle quali l'evaporazione della sostanza stessa è ancora piccola. Tali sostanze vengono utilizzate per la fabbricazione di catodi.
Durante l'autoscarica, il catodo può essere riscaldato bombardandolo con ioni positivi. Se l'energia degli ioni non è troppo alta, non si verifica alcuna espulsione di elettroni dal catodo e gli elettroni vengono emessi a causa dell'emissione termoionica.
6. Vari tipi di autoscarica e loro applicazione tecnica.
A seconda delle proprietà e dello stato del gas, della natura e della posizione degli elettrodi, nonché della tensione applicata agli elettrodi, diversi tipi rango indipendente. Consideriamone alcuni.
UN. Scarico fumante.
Una scarica luminescente si osserva nei gas a basse pressioni dell'ordine di diverse decine di millimetri di mercurio e meno. Se consideriamo un tubo con una scarica a bagliore, possiamo vedere che le parti principali di una scarica a bagliore sono catodo dello spazio oscuro, lontano da lui negativo O bagliore ardente, che gradualmente passa nella regione spazio oscuro di Faraday. Queste tre regioni costituiscono la parte catodica della scarica, seguita dalla parte luminosa principale della scarica, che ne determina le proprietà ottiche e viene chiamata colonna positiva.
Il ruolo principale nel mantenimento della scarica luminescente è svolto dalle prime due regioni della sua parte catodica. tratto caratteristico Questo tipo di scarica è un forte calo del potenziale vicino al catodo, che è associato ad un'elevata concentrazione di ioni positivi al confine delle regioni I e II, a causa della velocità relativamente bassa degli ioni al catodo. Nello spazio oscuro del catodo si verifica una forte accelerazione di elettroni e ioni positivi, che espellono gli elettroni dal catodo. Nella regione del bagliore incandescente, gli elettroni producono un'intensa ionizzazione da impatto delle molecole di gas e perdono la loro energia. Qui si formano ioni positivi necessari per mantenere la scarica. L'intensità del campo elettrico in questa regione è bassa. Il bagliore fumante è causato principalmente dalla ricombinazione di ioni ed elettroni. La lunghezza dello spazio oscuro del catodo è determinata dalle proprietà del gas e del materiale del catodo.
Nella regione della colonna positiva, la concentrazione di elettroni e ioni è approssimativamente la stessa e molto elevata, il che porta ad un'elevata conduttività elettrica della colonna positiva e ad una leggera caduta di potenziale in essa. Il bagliore della colonna positiva è determinato dal bagliore delle molecole di gas eccitate. Vicino all'anodo c'è ancora un relativamente cambiamento improvviso potenziale associato al processo di generazione di ioni positivi. In alcuni casi, la colonna positiva si suddivide in aree luminose separate - strati, separati da spazi oscuri.
La colonna positiva non gioca un ruolo significativo nel mantenimento della scarica luminescente; pertanto, al diminuire della distanza tra gli elettrodi del tubo, la lunghezza della colonna positiva diminuisce e può scomparire del tutto. Diversa la situazione per quanto riguarda la lunghezza dello spazio oscuro del catodo, che non cambia quando gli elettrodi si avvicinano. Se gli elettrodi sono così vicini che la distanza tra loro diventa inferiore alla lunghezza dello spazio oscuro del catodo, la scarica luminescente nel gas si interromperà. Gli esperimenti dimostrano che, a parità di altre condizioni, la lunghezza d dello spazio oscuro del catodo è inversamente proporzionale alla pressione del gas. Di conseguenza, a pressioni sufficientemente basse, gli elettroni espulsi dal catodo dagli ioni positivi attraversano il gas quasi senza collisioni con le sue molecole, formando elettronico, O raggi catodici .
La scarica a bagliore viene utilizzata nei tubi della luce a gas, nelle lampade fluorescenti, negli stabilizzatori di tensione, per ottenere fasci di elettroni e ioni. Se nel catodo viene praticata una fessura, stretti fasci ionici la attraversano nello spazio dietro il catodo, spesso chiamato raggi del canale. fenomeno ampiamente utilizzato sputtering del catodo, cioè. distruzione della superficie del catodo sotto l'azione di ioni positivi che la colpiscono. Frammenti ultramicroscopici del materiale catodico volano in tutte le direzioni lungo linee rette e ricoprono la superficie dei corpi (soprattutto dielettrici) posti in un tubo con uno strato sottile. In questo modo vengono realizzati specchi per numerosi dispositivi, un sottile strato di metallo viene applicato alle fotocellule al selenio.
B. Scarica corona.
Una scarica corona si verifica a pressione normale in un gas in un campo elettrico altamente disomogeneo (ad esempio, vicino a picchi o fili di linee ad alta tensione). In una scarica a corona, la ionizzazione del gas e il suo bagliore si verificano solo vicino agli elettrodi della corona. Nel caso della corona catodica (corona negativa), gli elettroni che causano la ionizzazione per impatto delle molecole di gas vengono espulsi dal catodo quando viene bombardato con ioni positivi. Se l'anodo è corona (corona positiva), la nascita degli elettroni avviene a causa della fotoionizzazione del gas vicino all'anodo. L'effetto corona è un fenomeno dannoso, accompagnato da dispersioni di corrente e perdita di energia elettrica. Per ridurre l'effetto corona, il raggio di curvatura dei conduttori viene aumentato e la loro superficie è resa il più liscia possibile. Con una tensione sufficientemente elevata tra gli elettrodi, la scarica corona si trasforma in una scintilla.
Ad una tensione maggiore, la scarica corona sulla punta assume la forma di linee luminose che emanano dalla punta e si alternano nel tempo. Queste linee, avendo una serie di pieghe e pieghe, formano una specie di pennello, per cui tale scarico viene chiamato carpale .
Una nube temporalesca carica induce cariche elettriche di segno opposto sulla superficie terrestre sottostante. Sulle punte si accumula una carica particolarmente grande. Pertanto, prima di un temporale o durante un temporale, spesso ai margini e angoli acuti gli oggetti tenuti in alto, coni di luce simili a pennelli brillano. Fin dall'antichità questo bagliore è stato chiamato fuochi di Sant'Elmo.
Soprattutto spesso gli alpinisti diventano testimoni di questo fenomeno. A volte anche non solo gli oggetti metallici, ma anche le estremità dei capelli sulla testa sono decorati con piccole nappe luminose.
L'effetto corona deve essere considerato quando si ha a che fare con l'alta tensione. Se ci sono parti sporgenti o fili molto sottili, può iniziare la scarica corona. Ciò si traduce in una perdita di potenza. Maggiore è la tensione della linea ad alta tensione, più spessi dovrebbero essere i fili.
C. Scarica della scintilla.
La scarica della scintilla ha l'aspetto di canali-filamenti ramificati a zigzag luminosi che penetrano nello spazio di scarica e scompaiono, sostituiti da nuovi. Gli studi hanno dimostrato che i canali della scarica della scintilla iniziano a crescere a volte dall'elettrodo positivo, a volte da quello negativo e talvolta da qualche punto tra gli elettrodi. Ciò è spiegato dal fatto che la ionizzazione da impatto nel caso di una scarica di scintilla non avviene sull'intero volume di gas, ma attraverso i singoli canali che passano in quei luoghi in cui la concentrazione di ioni si è rivelata accidentalmente la più alta. La scarica della scintilla è accompagnata dal rilascio un largo numero calore, bagliore luminoso di gas, crepitio o tuono. Tutti questi fenomeni sono causati da valanghe di elettroni e ioni che si verificano nei canali delle scintille e portano ad un enorme aumento della pressione, che raggiunge i 10 7 ¸10 8 Pa, e un aumento della temperatura fino a 10.000 °C.
Un tipico esempio di scarica a scintilla è il fulmine. canale principale la cerniera ha un diametro compreso tra 10 e 25 cm e la lunghezza di una cerniera può raggiungere diversi chilometri. La corrente massima di un impulso di fulmine raggiunge decine e centinaia di migliaia di ampere.
Con una piccola lunghezza dello spazio di scarica, la scarica della scintilla provoca una distruzione specifica dell'anodo, chiamata erosione. Questo fenomeno è stato utilizzato nel metodo dell'elettroscintilla per il taglio, la perforazione e altri tipi di lavorazione di precisione dei metalli.
Lo spinterometro viene utilizzato come dispositivo di protezione dalle sovratensioni nelle linee di trasmissione elettrica (ad esempio linee telefoniche). Se una forte corrente a breve termine passa vicino alla linea, nei fili di questa linea vengono indotte tensioni e correnti che possono distruggere l'impianto elettrico e essere pericolose per la vita umana. Per evitare ciò si utilizzano fusibili speciali, costituiti da due elettrodi curvi, di cui uno collegato alla linea e l'altro collegato a terra. Se il potenziale della linea rispetto al suolo aumenta notevolmente, tra gli elettrodi si verifica una scarica di scintilla che, insieme all'aria da essa riscaldata, si alza, si allunga e si rompe.
Infine, una scintilla elettrica viene utilizzata per misurare grandi differenze di potenziale utilizzando gap della palla, i cui elettrodi sono due sfere metalliche con una superficie lucida. Le sfere vengono allontanate e ad esse viene applicata una differenza di potenziale misurata. Quindi le palline vengono riunite finché una scintilla non salta tra di loro. Conoscendo il diametro delle sfere, la distanza tra loro, la pressione, la temperatura e l'umidità dell'aria, rilevano la differenza di potenziale tra le sfere secondo apposite tabelle. Con questo metodo è possibile misurare con una precisione di diversi punti percentuali una differenza di potenziale dell'ordine di decine di migliaia di volt.
D. Scarica dell'arco.
La scarica ad arco fu scoperta da V. V. Petrov nel 1802. Questa scarica è una delle forme di scarica di gas, che avviene con un'elevata densità di corrente e una tensione relativamente bassa tra gli elettrodi (dell'ordine di diverse decine di volt). La causa principale della scarica dell'arco è l'intensa emissione di termoelettroni da parte di un catodo caldo. Questi elettroni vengono accelerati da un campo elettrico e producono la ionizzazione per impatto delle molecole di gas, grazie alla quale la resistenza elettrica del gap di gas tra gli elettrodi è relativamente piccola. Se riduciamo la resistenza del circuito esterno, aumentiamo la corrente di scarica dell'arco, la conduttività del traferro aumenterà così tanto che la tensione tra gli elettrodi diminuisce. Pertanto, si dice che la scarica dell'arco abbia una caratteristica corrente-tensione in diminuzione. A pressione atmosferica la temperatura del catodo raggiunge i 3000 °C. Gli elettroni, bombardando l'anodo, creano al suo interno una rientranza (cratere) e lo riscaldano. La temperatura del cratere è di circa 4000 °C, e ad alte pressioni atmosferiche raggiunge i 6000-7000 °C. La temperatura del gas nel canale di scarica dell'arco raggiunge i 5000-6000 °C, per cui al suo interno si verifica un'intensa ionizzazione termica.
In alcuni casi, si osserva una scarica ad arco anche a una temperatura del catodo relativamente bassa (ad esempio, in una lampada ad arco al mercurio).
Nel 1876, P. N. Yablochkov utilizzò per la prima volta un arco elettrico come sorgente luminosa. Nella "candela Yablochkov", i carboni erano disposti in parallelo e separati da uno strato curvo, e le loro estremità erano collegate da un "ponte di accensione" conduttivo. Quando la corrente è stata accesa, il ponte di accensione si è bruciato e si è formato un arco elettrico tra i carboni. Mentre i carboni bruciavano, lo strato isolante evaporava.
La scarica ad arco viene utilizzata ancora oggi come fonte di luce, ad esempio nei proiettori e nei proiettori.
Calore la scarica ad arco consente di utilizzarlo per il forno ad arco del dispositivo. Attualmente, i forni ad arco alimentati da una corrente molto elevata vengono utilizzati in numerosi settori: per la fusione di acciaio, ghisa, ferroleghe, bronzo, produzione di carburo di calcio, ossido di azoto, ecc.
Nel 1882, N. N. Benardos utilizzò per la prima volta una scarica ad arco per tagliare e saldare il metallo. La scarica tra un elettrodo di carbonio fisso e il metallo riscalda la giunzione di due lamiere (o piastre) e le salda. Benardos utilizzava lo stesso metodo per tagliare lastre di metallo e praticarvi dei fori. Nel 1888, N. G. Slavyanov migliorò questo metodo di saldatura sostituendo l'elettrodo di carbonio con uno di metallo.
La scarica ad arco ha trovato applicazione in un raddrizzatore al mercurio, che converte una corrente elettrica alternata in una corrente continua.
E. Plasma.
Il plasma è un gas parzialmente o completamente ionizzato in cui le densità delle cariche positive e negative sono quasi le stesse. Pertanto, il plasma nel suo insieme è un sistema elettricamente neutro.
La caratteristica quantitativa del plasma è il grado di ionizzazione. Il grado di ionizzazione del plasma a è il rapporto tra la concentrazione in volume delle particelle cariche e la concentrazione in volume totale delle particelle. A seconda del grado di ionizzazione, il plasma viene suddiviso in debolmente ionizzato(a è frazioni di percentuale), parzialmente ionizzato (a dell'ordine di pochi percento) e completamente ionizzato (a è vicino al 100%). Plasma debolmente ionizzato condizioni naturali sono gli strati superiori dell'atmosfera: la ionosfera. Il sole, le stelle calde e alcune nubi interstellari sono plasma completamente ionizzato che si forma ad alte temperature.
Energie medie vari tipi le particelle che compongono il plasma possono differire notevolmente l'una dall'altra. Pertanto il plasma non può essere caratterizzato da un unico valore di temperatura T; Distinguere tra la temperatura degli elettroni T e, la temperatura degli ioni Ti (o temperature degli ioni, se ci sono diversi tipi di ioni nel plasma) e la temperatura degli atomi neutri T a (componente neutro). Tale plasma è chiamato non isotermico, a differenza del plasma isotermico, in cui le temperature di tutti i componenti sono le stesse.
Il plasma si divide anche in ad alta temperatura (T i »10 6 -10 8 K e oltre) e a bassa temperatura!!! (Ti<=10 5 К). Это условное разделение связано с особой влажностью высокотемпературной плазмы в связи с проблемой осуществления управляемого термоядерного синтеза.
Il plasma ha una serie di proprietà specifiche, che ci permettono di considerarlo come uno speciale quarto stato della materia.
A causa dell'elevata mobilità delle particelle di plasma cariche, si muovono facilmente sotto l'influenza di campi elettrici e magnetici. Pertanto, qualsiasi violazione della neutralità elettrica delle singole regioni del plasma, causata dall'accumulo di particelle dello stesso segno di carica, viene rapidamente eliminata. I campi elettrici risultanti muovono le particelle cariche finché non viene ripristinata la neutralità elettrica e il campo elettrico diventa zero. A differenza di un gas neutro, tra le cui molecole esistono forze a corto raggio, tra le particelle di plasma cariche esistono forze di Coulomb che diminuiscono in modo relativamente lento con la distanza. Ogni particella interagisce immediatamente con un gran numero di particelle circostanti. Per questo motivo, insieme al movimento termico caotico, le particelle del plasma possono partecipare a vari movimenti ordinati. Vari tipi di oscillazioni e onde vengono facilmente eccitate in un plasma.
La conduttività del plasma aumenta all'aumentare del grado di ionizzazione. Ad alte temperature, un plasma completamente ionizzato si avvicina ai superconduttori nella sua conduttività.
Il plasma a bassa temperatura viene utilizzato nelle sorgenti luminose a scarica di gas - nei tubi luminosi per iscrizioni pubblicitarie, nelle lampade fluorescenti. Una lampada a scarica di gas viene utilizzata in molti dispositivi, ad esempio nei laser a gas: sorgenti di luce quantistica.
Il plasma ad alta temperatura viene utilizzato nei generatori magnetoidrodinamici.
Recentemente è stato creato un nuovo dispositivo, la torcia al plasma. Il plasmatron crea potenti getti di plasma denso a bassa temperatura, ampiamente utilizzati in vari campi della tecnologia: per tagliare e saldare metalli, perforare pozzi in rocce dure, ecc.
Elenco della letteratura utilizzata:
1) Fisica: Elettrodinamica. 10-11 celle: libro di testo. per l'approfondimento della fisica / G. Ya. Myakishev, A. Z. Sinyakov, B. A. Slobodskov. - 2a edizione - M.: Drofa, 1998. - 480 p.
2) Corso di fisica (in tre volumi). T.II. elettricità e magnetismo. Proc. manuale per gli istituti tecnici. / Detlaf A.A., Yavorsky B. M., Milkovskaya L. B. Izd. 4°, rivisto. - M.: Scuola superiore, 1977. - 375 p.
3) Elettricità./E. G. Kalashnikov. Ed. "Scienza", Mosca, 1977.
4) Fisica./B. B. Bukhovtsev, Yu. L. Klimontovich, G. Ya. Myakishev. 3a edizione, riveduta. – M.: Illuminismo, 1986.
In condizioni normali i gas non conducono elettricità perché le loro molecole sono elettricamente neutre. Ad esempio, l'aria secca è un buon isolante, come abbiamo potuto verificare con l'aiuto dei più semplici esperimenti di elettrostatica. Tuttavia, l'aria e altri gas diventano conduttori di corrente elettrica se in essi vengono creati ioni in un modo o nell'altro.
Riso. 100. L'aria diventa conduttrice di corrente elettrica se viene ionizzata
L'esperimento più semplice che illustra la conduttività dell'aria durante la sua ionizzazione da parte di una fiamma è mostrato in Fig. 100: La carica sulle piastre, che permane a lungo, scompare rapidamente quando si introduce un fiammifero acceso nello spazio tra le piastre.
Scarica di gas. Il processo di passaggio di una corrente elettrica attraverso un gas è solitamente chiamato scarica di gas (o scarica elettrica in un gas). Gli scarichi di gas si dividono in due tipologie: indipendenti e non autosufficienti.
Categoria non autosufficiente. Una scarica in un gas è detta non autosufficiente se è necessaria una fonte esterna per mantenerla.
ionizzazione. Gli ioni in un gas possono formarsi sotto l'influenza di alte temperature, raggi X e radiazioni ultraviolette, radioattività, raggi cosmici, ecc. In tutti questi casi, uno o più elettroni vengono rilasciati dal guscio elettronico di un atomo o di una molecola. Di conseguenza, nel gas compaiono ioni positivi ed elettroni liberi. Gli elettroni rilasciati possono unirsi ad atomi o molecole neutre, trasformandoli in ioni negativi.
Ionizzazione e ricombinazione. Oltre ai processi di ionizzazione nel gas si verificano anche processi di ricombinazione inversa: quando si combinano, ioni positivi e negativi o ioni positivi ed elettroni formano molecole o atomi neutri.
La variazione della concentrazione ionica nel tempo, dovuta a una fonte costante di processi di ionizzazione e ricombinazione, può essere descritta come segue. Supponiamo che la sorgente di ionizzazione crei ioni positivi per unità di volume di gas per unità di tempo e lo stesso numero di elettroni. Se nel gas non è presente corrente elettrica e si può trascurare la fuga di ioni dal volume considerato dovuta alla diffusione, l'unico meccanismo per ridurre la concentrazione degli ioni sarà la ricombinazione.
La ricombinazione avviene quando uno ione positivo incontra un elettrone. Il numero di tali incontri è proporzionale sia al numero di ioni che al numero di elettroni liberi, cioè proporzionale a . Pertanto, la diminuzione del numero di ioni per unità di volume per unità di tempo può essere scritta come , dove a è un valore costante chiamato coefficiente di ricombinazione.
Con la validità delle ipotesi introdotte, l'equazione di bilancio degli ioni in un gas può essere scritta nella forma
Non risolveremo questa equazione differenziale in modo generale, ma considereremo alcuni casi particolari interessanti.
Innanzitutto notiamo che i processi di ionizzazione e ricombinazione dopo un certo tempo dovrebbero compensarsi a vicenda e nel gas si stabilirà una concentrazione costante, si può vedere che a
La concentrazione di ioni stazionaria è tanto maggiore quanto più potente è la sorgente di ionizzazione e quanto più piccolo è il coefficiente di ricombinazione a.
Dopo aver spento lo ionizzatore, la diminuzione della concentrazione di ioni è descritta dall'equazione (1), in cui è necessario prendere come valore iniziale la concentrazione
Riscrivendo questa equazione nella forma dopo l'integrazione, otteniamo
Il grafico di questa funzione è mostrato in Fig. 101. Si tratta di un'iperbole i cui asintoti sono l'asse del tempo e la retta verticale. Naturalmente solo la porzione dell'iperbole corrispondente ai valori ha significato fisico. Qualsiasi quantità è proporzionale alla prima potenza della valore istantaneo di questa grandezza.
Riso. 101. La diminuzione della concentrazione di ioni nel gas dopo aver spento la fonte di ionizzazione
Conduzione non autonoma. Il processo di diminuzione della concentrazione di ioni dopo la cessazione dell'azione dello ionizzatore viene notevolmente accelerato se il gas si trova in un campo elettrico esterno. Attirando elettroni e ioni sugli elettrodi, il campo elettrico può annullare molto rapidamente la conduttività elettrica del gas in assenza di uno ionizzatore.
Per comprendere le leggi di una scarica non autosostenuta, consideriamo per semplicità il caso in cui la corrente in un gas ionizzato da una sorgente esterna scorre tra due elettrodi piatti paralleli tra loro. In questo caso, gli ioni e gli elettroni si trovano in un campo elettrico uniforme di intensità E, pari al rapporto tra la tensione applicata agli elettrodi e la distanza tra loro.
Mobilità degli elettroni e degli ioni. Con una tensione applicata costante, nel circuito viene stabilita una certa intensità di corrente costante 1. Ciò significa che gli elettroni e gli ioni in un gas ionizzato si muovono a velocità costanti. Per spiegare questo fatto, dobbiamo supporre che oltre alla forza di accelerazione costante del campo elettrico, gli ioni e gli elettroni in movimento siano influenzati da forze di resistenza che aumentano con l'aumentare della velocità. Queste forze descrivono l'effetto medio delle collisioni di elettroni e ioni con atomi neutri e molecole di gas. Attraverso le forze della resistenza
vengono stabilite velocità medie costanti di elettroni e ioni, proporzionali all'intensità E del campo elettrico:
I coefficienti di proporzionalità sono chiamati mobilità degli elettroni e degli ioni. Le mobilità degli ioni e degli elettroni hanno valori diversi e dipendono dal tipo di gas, dalla sua densità, dalla temperatura, ecc.
La densità di corrente elettrica, cioè la carica trasportata da elettroni e ioni per unità di tempo attraverso un'unità di area, è espressa in termini di concentrazione di elettroni e ioni, delle loro cariche e della velocità del movimento stazionario
Quasi neutralità. In condizioni normali, un gas ionizzato nel suo insieme è elettricamente neutro, o, come si dice, quasi neutro, perché in piccoli volumi contenenti un numero relativamente piccolo di elettroni e ioni, la condizione di neutralità elettrica può essere violata. Ciò significa che la relazione
Densità di corrente a scarica non autosostenuta. Per ottenere la legge sulla variazione della concentrazione dei portatori di corrente nel tempo durante una scarica non autosostenuta in un gas, è necessario, insieme ai processi di ionizzazione da parte di una fonte esterna e ricombinazione, tenere conto del fuga di elettroni e ioni verso gli elettrodi. Il numero di particelle che escono per unità di tempo per area dell'elettrodo dal volume è uguale a La velocità di diminuzione della concentrazione di tali particelle, si ottiene dividendo questo numero per il volume di gas tra gli elettrodi. Pertanto nella forma verrà scritta l'equazione di bilancio al posto della (1) in presenza di corrente
Per stabilire il regime, quando da (8) si ottiene
L'equazione (9) consente di trovare la dipendenza della densità di corrente a regime in una scarica non autosostenuta dalla tensione applicata (o dall'intensità del campo E).
Due casi limite sono direttamente visibili.
Legge di Ohm. A bassa tensione, quando nell'equazione (9) possiamo trascurare il secondo termine a destra, dopo di che otteniamo le formule (7), abbiamo
La densità di corrente è proporzionale all'intensità del campo elettrico applicato. Pertanto, per una scarica di gas non autosufficiente in campi elettrici deboli, la legge di Ohm è soddisfatta.
Corrente di saturazione. A una bassa concentrazione di elettroni e ioni nell'equazione (9), possiamo trascurare il primo (quadratico in termini dei termini sul lato destro. In questa approssimazione, il vettore di densità di corrente è diretto lungo l'intensità del campo elettrico e la sua modulo
non dipende dalla tensione applicata. Questo risultato è valido per forti campi elettrici. In questo caso si parla di corrente di saturazione.
Entrambi i casi limite considerati possono essere studiati senza fare riferimento all'equazione (9). Tuttavia, in questo modo è impossibile tracciare come, all'aumentare della tensione, avvenga il passaggio dalla legge di Ohm ad una dipendenza non lineare della corrente dalla tensione.
Nel primo caso limite, quando la corrente è molto piccola, il meccanismo principale per rimuovere elettroni e ioni dalla regione di scarica è la ricombinazione. Pertanto, per la concentrazione stazionaria, si può usare l'espressione (2), che, quando si tiene conto della (7), dà immediatamente la formula (10). Nel secondo caso limite, invece, la ricombinazione viene trascurata. In un forte campo elettrico, gli elettroni e gli ioni non hanno il tempo di ricombinarsi sensibilmente durante il volo da un elettrodo all'altro se la loro concentrazione è sufficientemente bassa. Quindi tutti gli elettroni e gli ioni generati dalla sorgente esterna raggiungono gli elettrodi e la densità di corrente totale è pari a È proporzionale alla lunghezza della camera di ionizzazione, poiché il numero totale di elettroni e ioni prodotti dallo ionizzatore è proporzionale a I.
Studio sperimentale della scarica di gas. Le conclusioni della teoria dello scarico di gas non autosufficiente sono confermate da esperimenti. Per studiare una scarica in un gas è conveniente utilizzare un tubo di vetro con due elettrodi metallici. Il circuito elettrico di tale installazione è mostrato in fig. 102. Mobilità
elettroni e ioni dipendono fortemente dalla pressione del gas (inversamente proporzionale alla pressione), quindi è conveniente effettuare esperimenti a pressione ridotta.
Nella fig. 103 mostra la dipendenza della corrente I nel tubo dalla tensione applicata agli elettrodi del tubo. La ionizzazione nel tubo può essere creata, ad esempio, mediante raggi X o raggi ultravioletti o utilizzando un preparato radioattivo debole. È essenziale soltanto che la sorgente ionica esterna rimanga invariata.
Riso. 102. Schema di un impianto per lo studio di una scarica di gas
Riso. 103. Caratteristica sperimentale corrente-tensione di una scarica di gas
Nella sezione, l'intensità della corrente dipende in modo non lineare dalla tensione. A partire dal punto B la corrente raggiunge la saturazione e rimane costante per un certo tratto, tutto ciò è coerente con le previsioni teoriche.
Autoclassificazione. Tuttavia, nel punto C, la corrente ricomincia ad aumentare, dapprima lentamente, poi molto bruscamente. Ciò significa che nel gas è apparsa una nuova fonte interna di ioni. Se ora rimuoviamo la fonte esterna, la scarica nel gas non si ferma, cioè passa da una scarica non autosufficiente ad una indipendente. Con l'autoscarica, la formazione di nuovi elettroni e ioni avviene a seguito di processi interni al gas stesso.
Ionizzazione per impatto elettronico. L'aumento di corrente durante il passaggio da una scarica non autosostenuta a una scarica indipendente avviene come una valanga e si chiama rottura elettrica del gas. La tensione alla quale si verifica la rottura è chiamata tensione di accensione. Dipende dal tipo di gas e dal prodotto della pressione del gas per la distanza tra gli elettrodi.
I processi nel gas responsabili dell'aumento a valanga dell'intensità di corrente con l'aumento della tensione applicata sono associati alla ionizzazione di atomi o molecole neutri del gas da parte di elettroni liberi accelerati dal campo elettrico fino a un livello sufficiente
grandi energie. L'energia cinetica di un elettrone prima della successiva collisione con un atomo o una molecola neutra è proporzionale all'intensità del campo elettrico E e al percorso libero dell'elettrone X:
Se questa energia è sufficiente per ionizzare un atomo o una molecola neutra, cioè supera il lavoro di ionizzazione
quindi quando un elettrone si scontra con un atomo o una molecola, vengono ionizzati. Il risultato sono due elettroni invece di uno. Essi, a loro volta, vengono accelerati da un campo elettrico e ionizzano gli atomi o le molecole che incontrano sul loro cammino, ecc. Il processo si sviluppa come una valanga e viene chiamato valanga di elettroni. Il meccanismo di ionizzazione descritto è chiamato ionizzazione per impatto elettronico.
Una prova sperimentale che la ionizzazione degli atomi di gas neutri avviene principalmente a causa dell'impatto degli elettroni e non degli ioni positivi è stata fornita da J. Townsend. Prese una camera di ionizzazione sotto forma di un condensatore cilindrico, il cui elettrodo interno era un sottile filo metallico teso lungo l'asse del cilindro. In una tale camera, il campo elettrico in accelerazione è altamente disomogeneo e il ruolo principale nella ionizzazione è svolto dalle particelle che entrano nella regione del campo più forte vicino al filamento. L'esperienza dimostra che a parità di tensione tra gli elettrodi, la corrente di scarica è maggiore quando il potenziale positivo è applicato al filamento e non al cilindro esterno. È in questo caso che tutti gli elettroni liberi che creano corrente passano necessariamente attraverso la regione del campo più forte.
Emissione di elettroni dal catodo. Una scarica autosostenuta può essere stazionaria solo se nel gas compaiono costantemente nuovi elettroni liberi, poiché tutti gli elettroni che compaiono nella valanga raggiungono l'anodo e vengono eliminati dal gioco. Nuovi elettroni vengono espulsi dal catodo da ioni positivi che, quando si muovono verso il catodo, vengono accelerati anche dal campo elettrico e acquisiscono energia sufficiente per questo.
Il catodo può emettere elettroni non solo come risultato del bombardamento ionico, ma anche in modo indipendente, quando viene riscaldato ad alta temperatura. Questo processo è chiamato emissione termoionica e può essere considerato come una sorta di evaporazione degli elettroni dal metallo. Di solito si verifica a tali temperature, quando l'evaporazione del materiale catodico stesso è ancora piccola. Nel caso di una scarica di gas autosostenuta, il catodo viene solitamente riscaldato senza
filamento, come nei tubi elettronici, ma dovuto al rilascio di calore quando bombardato da ioni positivi. Pertanto, il catodo emette elettroni anche quando l'energia degli ioni non è sufficiente per eliminare gli elettroni.
Una scarica autosostenuta in un gas avviene non solo a seguito della transizione da una scarica non autosufficiente con aumento di tensione e rimozione di una fonte di ionizzazione esterna, ma anche con l'applicazione diretta di una tensione superiore alla tensione di soglia di accensione. La teoria mostra che la più piccola quantità di ioni, che sono sempre presenti in un gas neutro, anche solo a causa del fondo radioattivo naturale, è sufficiente per innescare la scarica.
A seconda delle proprietà e della pressione del gas, della configurazione degli elettrodi e della tensione applicata agli elettrodi, sono possibili diversi tipi di autoscarica.
Scarico fumante. A basse pressioni (decimi e centesimi di millimetro di mercurio), nel tubo si osserva una scarica luminescente. Per accendere una scarica luminescente è sufficiente una tensione di diverse centinaia o addirittura decine di volt. Nella scarica luminescente si possono distinguere quattro regioni caratteristiche. Questi sono lo spazio oscuro del catodo, il bagliore fumante (o negativo), lo spazio oscuro di Faraday e la colonna luminosa positiva che occupa la maggior parte dello spazio tra l'anodo e il catodo.
Le prime tre regioni si trovano vicino al catodo. È qui che si verifica un forte calo del potenziale, associato a una grande concentrazione di ioni positivi al confine dello spazio oscuro del catodo e al bagliore fumante. Gli elettroni accelerati nella regione dello spazio oscuro del catodo producono un'intensa ionizzazione da impatto nella regione del bagliore. Il bagliore fumante è dovuto alla ricombinazione di ioni ed elettroni in atomi o molecole neutre. La colonna positiva della scarica è caratterizzata da una leggera caduta di potenziale e da un bagliore causato dal ritorno degli atomi o delle molecole eccitate del gas allo stato fondamentale.
Scarica corona. A pressioni relativamente elevate nel gas (dell'ordine della pressione atmosferica), in prossimità delle sezioni appuntite del conduttore, dove il campo elettrico è fortemente disomogeneo, si osserva una scarica, la cui regione luminosa ricorda una corona. La scarica della corona a volte si verifica in condizioni naturali sulle cime degli alberi, sugli alberi delle navi, ecc. ("Fuochi di Sant'Elmo"). La scarica corona deve essere considerata nell'ingegneria dell'alta tensione quando questa scarica si verifica attorno ai fili delle linee elettriche ad alta tensione e porta a perdite di potenza. La scarica corona trova un'utile applicazione pratica nei precipitatori elettrostatici per la pulizia dei gas industriali dalle impurità di particelle solide e liquide.
Con un aumento della tensione tra gli elettrodi, la scarica corona si trasforma in una scintilla con una completa rottura dello spazio tra gli elettrodi
elettrodi. Ha la forma di un raggio di luminosi canali ramificati a zigzag, che penetrano istantaneamente nello spazio di scarico e si sostituiscono in modo stravagante. La scarica della scintilla è accompagnata dal rilascio di una grande quantità di calore, da un brillante bagliore bianco-bluastro e da un forte crepitio. Può essere osservato tra le sfere della macchina elettroforica. Un esempio di scarica a scintilla gigante è il fulmine naturale, in cui l'intensità della corrente raggiunge 5-105 A e la differenza di potenziale è 109 V.
Poiché la scarica della scintilla avviene a pressione atmosferica (e superiore), la tensione di accensione è molto elevata: in aria secca, con una distanza tra gli elettrodi di 1 cm, è di circa 30 kV.
Arco elettrico. Un tipo specifico di scarica di gas indipendente praticamente importante è un arco elettrico. Quando due elettrodi di carbonio o metallo entrano in contatto, nel punto di contatto viene rilasciata una grande quantità di calore a causa dell'elevata resistenza di contatto. Di conseguenza, inizia l'emissione termoionica e quando gli elettrodi vengono allontanati tra loro, un arco brillantemente luminoso si forma da un gas altamente ionizzato e ben conduttivo. La forza attuale anche in un piccolo arco raggiunge diversi ampere e in un grande arco - diverse centinaia di ampere con una tensione di circa 50 V. L'arco elettrico è ampiamente utilizzato nella tecnologia come potente fonte di luce, nei forni elettrici e per la saldatura elettrica . un debole campo ritardante con una tensione di circa 0,5 V. Questo campo impedisce agli elettroni lenti di raggiungere l'anodo. Gli elettroni vengono emessi dal catodo K riscaldato dalla corrente elettrica.
Nella fig. 105 mostra la dipendenza dell'intensità di corrente nel circuito anodico dalla tensione di accelerazione ottenuta in questi esperimenti. Questa dipendenza ha un carattere non monotono con massimi a tensioni multiple di 4,9 V.
Discretezza dei livelli di energia atomica. Questa dipendenza della corrente dalla tensione può essere spiegata solo dalla presenza di stati stazionari discreti negli atomi di mercurio. Se l'atomo non avesse stati stazionari discreti, cioè la sua energia interna potesse assumere qualsiasi valore, allora a qualsiasi energia degli elettroni potrebbero verificarsi collisioni anelastiche, accompagnate da un aumento dell'energia interna dell'atomo. Se esistono stati discreti, le collisioni degli elettroni con gli atomi possono essere solo elastiche, purché l'energia degli elettroni sia insufficiente per trasferire l'atomo dallo stato fondamentale allo stato eccitato più basso.
Durante le collisioni elastiche, l'energia cinetica degli elettroni praticamente non cambia, poiché la massa dell'elettrone è molto inferiore alla massa dell'atomo di mercurio. In queste condizioni, il numero di elettroni che raggiungono l'anodo aumenta monotonicamente all'aumentare della tensione. Quando la tensione di accelerazione raggiunge 4,9 V, le collisioni degli elettroni con gli atomi diventano anelastiche. L'energia interna degli atomi aumenta bruscamente e l'elettrone perde quasi tutta la sua energia cinetica a seguito dell'urto.
Inoltre, il campo ritardante non consente agli elettroni lenti di raggiungere l'anodo e la corrente diminuisce bruscamente. Non svanisce solo perché alcuni elettroni raggiungono la griglia senza subire collisioni anelastiche. Il secondo e i successivi massimi dell'intensità di corrente si ottengono perché a tensioni multiple di 4,9 V, gli elettroni nel loro percorso verso la rete possono subire diverse collisioni anelastiche con gli atomi di mercurio.
Quindi, l'elettrone acquisisce l'energia necessaria per l'urto anelastico solo dopo aver attraversato una differenza di potenziale di 4,9 V. Ciò significa che l'energia interna degli atomi di mercurio non può cambiare di una quantità inferiore a eV, il che dimostra la discretezza dello spettro energetico di un atomo. La validità di questa conclusione è confermata anche dal fatto che ad una tensione di 4,9 V la scarica inizia a brillare: gli atomi eccitati durante la fase spontanea
le transizioni allo stato fondamentale emettono luce visibile, la cui frequenza coincide con quella calcolata dalla formula
Negli esperimenti classici di Frank e Hertz, il metodo dell'impatto elettronico determinava non solo i potenziali di eccitazione, ma anche i potenziali di ionizzazione di un numero di atomi.
Fornisci un esempio di un esperimento elettrostatico che dimostri che l'aria secca è un buon isolante.
Dove vengono utilizzate le proprietà isolanti dell'aria in ingegneria?
Che cos'è uno scarico di gas non autosufficiente? In quali condizioni funziona?
Spiegare perché la velocità di diminuzione della concentrazione dovuta alla ricombinazione è proporzionale al quadrato della concentrazione di elettroni e ioni. Perché queste concentrazioni possono essere considerate uguali?
Perché non ha senso che la legge della concentrazione decrescente espressa dalla formula (3) introduca il concetto di tempo caratteristico, largamente utilizzato per processi a decadimento esponenziale, sebbene in entrambi i casi i processi continuino, in generale, per un tempo infinitamente lungo? tempo?
Perché pensi che siano scelti segni opposti nelle definizioni di mobilità nelle formule (4) per elettroni e ioni?
In che modo l'intensità della corrente in una scarica di gas non autosufficiente dipende dalla tensione applicata? Perché il passaggio dalla legge di Ohm alla corrente di saturazione avviene all'aumentare della tensione?
La corrente elettrica in un gas è trasportata sia dagli elettroni che dagli ioni. Tuttavia, a ciascuno degli elettrodi arrivano cariche di un solo segno. Come si accorda questo con il fatto che in tutte le sezioni di un circuito in serie la corrente è la stessa?
Perché gli elettroni e non gli ioni positivi svolgono il ruolo più importante nella ionizzazione del gas in una scarica dovuta a collisioni?
Descrivere le caratteristiche dei vari tipi di scarico di gas indipendente.
Perché i risultati degli esperimenti di Frank e Hertz testimoniano la discretezza dei livelli energetici degli atomi?
Descrivere i processi fisici che avvengono nel tubo a scarica di gas negli esperimenti di Frank e Hertz all'aumentare della tensione di accelerazione.
Una corrente elettrica è un flusso causato dal movimento ordinato di particelle caricate elettricamente. Il movimento delle cariche viene considerato come la direzione della corrente elettrica. La corrente elettrica può essere a breve e a lungo termine.
Il concetto di corrente elettrica
Durante una scarica di fulmine può verificarsi una corrente elettrica, chiamata a breve termine. E per mantenere la corrente a lungo, è necessario disporre di un campo elettrico e di portatori di carica elettrica gratuiti.
Un campo elettrico è creato da corpi caricati diversamente. L'intensità di corrente è il rapporto tra la carica trasferita attraverso la sezione trasversale del conduttore in un intervallo di tempo e questo intervallo di tempo. Si misura in ampere.
Riso. 1. Formula attuale
Corrente elettrica nei gas
Le molecole di gas non conducono elettricità in condizioni normali. Sono isolanti (dielettrici). Tuttavia, se le condizioni ambientali cambiano, i gas possono diventare conduttori di elettricità. Come risultato della ionizzazione (durante il riscaldamento o sotto l'azione di radiazioni radioattive), nei gas si forma una corrente elettrica, che viene spesso sostituita dal termine "scarica elettrica".
Scarichi di gas autosostenuti e non autosostenuti
Le scariche in un gas possono essere autosufficienti e non autosufficienti. La corrente inizia ad esistere quando compaiono le tariffe gratuite. Esistono scariche non autosufficienti finché su di esse agisce una forza esterna, cioè uno ionizzatore esterno. Cioè, se lo ionizzatore esterno smette di funzionare, la corrente si interrompe.
Una scarica indipendente di corrente elettrica nei gas esiste anche dopo la terminazione dello ionizzatore esterno. Le scariche indipendenti in fisica sono divise in silenziose, fumanti, ad arco, a scintilla, a corona.
- Tranquillo - il più debole degli scarichi indipendenti. La forza attuale è molto piccola (non più di 1 mA). Non è accompagnato da fenomeni sonori o luminosi.
- Fumante - se si aumenta la tensione in una scarica silenziosa, si passa al livello successivo - a una scarica luminescente. In questo caso appare un bagliore accompagnato dalla ricombinazione. Ri combinazione - il processo di ionizzazione inversa, l'incontro di un elettrone e uno ione positivo. È utilizzato nelle lampade battericide e di illuminazione.
Riso. 2. Scarica a incandescenza
- Arco - l'intensità di corrente varia da 10 A a 100 A. In questo caso la ionizzazione è quasi al 100%. Questo tipo di scarica si verifica, ad esempio, durante il funzionamento di una saldatrice.
Riso. 3. Scarica dell'arco
- scintillante - può essere considerato uno dei tipi di scarica ad arco. Durante tale scarica, una certa quantità di elettricità fluisce in un tempo molto breve.
- scarica corona – la ionizzazione delle molecole avviene in prossimità di elettrodi con piccoli raggi di curvatura. Questo tipo di carica si verifica quando l'intensità del campo elettrico cambia drasticamente.
Cosa abbiamo imparato?
Di per sé, gli atomi e le molecole di un gas sono neutri. Si caricano se esposti all'esterno. Parlando brevemente della corrente elettrica nei gas, si tratta di un movimento diretto di particelle (ioni positivi al catodo e ioni negativi all'anodo). È anche importante che quando il gas viene ionizzato, le sue proprietà conduttive migliorano.
Il significato delle fiabe nella vita umana
Ognuno ha la sua prima e più preferita fiaba. Una favola che portiamo nel cuore per tutta la vita. E ognuno è diverso. E perché? Qual è il significato più profondo qui?
In ogni fiaba che leggiamo, puoi trovare sia un elenco completo dei problemi umani, sia modi e mezzi per risolverli. La scelta subconscia di una fiaba riflette i problemi dei momenti personali nella vita di una persona, le sue aspirazioni e convinzioni. Il famoso psicologo americano Eric Berne già a metà del XX secolo sosteneva che con l'aiuto delle fiabe è persino possibile programmare il futuro di un bambino.
Le fiabe non sono così semplici come sembrano a prima vista: sono come una torta a strati. Nell'infanzia vediamo il primo strato, è il più comprensibile, e con l'età scopriamo il significato più profondo del piano investito in una fiaba. E più breve è il racconto, maggiore è la quantità di informazioni investite in esso. E in questo caso, i genitori hanno bisogno delle fiabe non meno dei loro figli.
Ad esempio, propongo di analizzare la fiaba "Gingerbread Man". Tutti, voi, ricordate bene come l'omino di pan di zenzero scappa di casa per vedere il mondo. Certo, ha un grande senso dell'avventura. Per caratteristiche caratteriali, è energico, socievole, piuttosto attivo, mobile, vivace, ha un buon carattere e un desiderio illimitato di imparare qualcosa di interessante, sconosciuto. Tipo di temperamento: piuttosto sanguigno.
Sulla strada verso avventure inesplorate, incontra diversi personaggi che diventano per lui un ostacolo. Ma Kolobok sa come negoziare con tutti: è riuscito a convincere anche l'eroe più negativo di una fiaba a lasciarlo andare. Nel corso del tempo, essendo già sicuro di sé, come personalità matura, il viaggiatore perde la vigilanza, la fiducia in se stesso, l'insolenza sopprime processi psicologici come l'attenzione e l'osservazione - e, con l'aiuto dell'inganno, la Volpe lo mangia.
Questa trama del racconto si trova nei racconti di molti popoli del mondo. È istruttivo perché porta con sé la saggezza delle persone, che viene tramandata di generazione in generazione dagli antenati ai futuri discendenti.
Quali lezioni si possono imparare da questa fiaba e cosa insegnare al bambino raccontandola:
1) Non perdere il senso di autocontrollo. Puoi sempre trovare una via d'uscita dalla situazione e resistere a chi offende: chiama gli amici per chiedere aiuto, mostra astuzia. Dopotutto, Kolobok avrebbe potuto essere mangiato dalla Lepre se il nostro eroe non avesse imbrogliato: "Dai, ti canterò una canzone!" O, tuttavia, semplicemente scappare, questo è ciò che faceva ogni volta Gingerbread Man, cantando una canzone.
2) Non fidarti della prima persona che incontri. Nella vita ci sono persone diverse, entrambe benevoli e viceversa. Per ogni evenienza, bisogna essere sempre pronti a tutto, perché non sempre le persone cattive chiariscono direttamente e francamente: "Ti mangerò!" La maggior parte, in relazione a te, può comportarsi come un astuto gallinaccio, cullare la tua vigilanza con adulazione e gentilezza abilmente giocata; quindi vale la pena stare molto attenti a svelare le intenzioni delle persone.
3) Scegli la strada giusta nella vita. Vale la pena parlare con il bambino alla fine. Dopotutto, l'omino di pan di zenzero è stato preparato con lo scopo appropriato, il nonno e la nonna hanno riposto le loro speranze in lui e il nostro eroe dispettoso ha rovinato la vita a se stesso e a loro. Ogni persona ha le proprie capacità, questo è un segno dello scopo di ciascuno in questo mondo. Secondo questi segni e la vocazione dell'anima, le persone, di regola, cercano di scegliere la propria professione, tipo di attività, occupazione. E, naturalmente, facendo la giusta scelta della professione, una persona sarà in grado di realizzare i suoi talenti nella vita e, con i suoi successi, portare grandi benefici a se stesso, alla sua famiglia e alla società, oltre a trarre piacere dalle sue attività professionali. affermarti.
Di conseguenza:
- Non abbiate fretta di rifiutare. Quando ti viene chiesto di “raschiare la canna”, e sai che non c'è niente, grattalo comunque. La nonna aveva abbastanza farina per Kolobok ...
- Non lasciare i bambini incustoditi. Dopotutto, l'omino di pan di zenzero non è altro che un bambino che, non appena la nonna si è voltata, è saltato giù dal davanzale della finestra ed è andato nella foresta!
- Non dimenticare la tua infanzia. Perché il protagonista del racconto ha deciso così sconsideratamente di intraprendere un'avventura? Probabilmente perché si sentiva piuttosto triste a giacere da solo sul davanzale della finestra. Pertanto, non dovresti affrettarti a rimproverare il bambino per la disobbedienza, ma piuttosto ricordare come tu stesso una volta volevi sentirti "adulto e indipendente" da bambino, dicendo: "Io stesso!"
Raccomandazioni per i genitori
- Non cercare di sostituire la lettura di una fiaba con la visione di cartoni animati. Anche se sei occupato, trova il tempo per leggere con la tua famiglia o prima di andare a letto. 15 minuti al giorno non sono molti per mostrare dal vivo ed emozionalmente una fiaba a tuo figlio, ma sono molto importanti per il suo sviluppo psicologico.
- Prima di leggere una fiaba sconosciuta a tuo figlio o tua figlia, percorrila rapidamente con gli occhi. Nelle interpretazioni moderne si può trovare, ad esempio: "... e lo fece in mille piccoli pezzi". Questo è troppo. Pertanto, in questo caso, puoi sostituire questa fiaba con un'altra, o sostituire alcune delle azioni dei personaggi principali con azioni più morbide che non riflettono manifestazioni di aggressività e negativismo vario, perché il bambino può formarsi un'opinione che solo il male e la crudeltà può essere forte e ragionevole.
- I bambini dovrebbero sapere e capire che nella vita c'è, oltre al lato “esterno”, “interno” (il principale significato educativo della fiaba). Parla con tuo figlio di come dovrebbe comportarsi in tali situazioni. E ancora meglio, se il bambino è stato recentemente colpevole di qualcosa, scegli la fiaba appropriata in base a questa situazione con copertura del momento istruttivo ed educativo.