Самостоятельная и несамостоятельная проводимость газов

Самостоятельная и несамостоятельная проводимость газов. В естественном состоянии  газы не проводят электрического тока, т.е. являются диэлектриками. В этом легко убедиться с помощью  простого тока, если цепь прервана воздушным  промежутком.

Изолирующие свойства газов объясняются тем, что атомы и молекулы газов  в естест-венном состоянии являются нейтральными незаряженными частицами. Отсюда ясно, что для того, чтобы сделать газ проводящим, нужно тем или иным способом внести в него или соз-дать в нем свободные носители заряда – заряженные частицы. При этом возможны два слу-чая: либо эти заряженные частицы создаются действием какого-нибудь внешнего фактора или вводятся в газ извне – несамостоятельная проводимость, либо они создаются в газе дей-ствием самого электрического поля, существующего между электродами – самостоятельная проводимость.

В приведенном  опыте изначально гальванометр в  цепи показывает отсутствие тока несмотря на приложенное напряжение. Это свидетельствует об отсутствии проводимости газов в обычных условиях. Нагреем теперь газ в промежутке 1-2 до очень высокой температуры, внеся в него зажженную горелку. Гальванометр укажет появление тока, следовательно при высокой температуре доля нейтральных молекул газа распадается на положительные и отрицательные ионы. Такое явление называется ионизацией газа.

Если  направить в газовый промежуток струю воздуха от маленькой воздуходувки, и на пути струи, вне промежутка, поместить ионизующее пламя, то гальванометр покажет некоторый ток. Это значит, что ионы не исчезают мгновенно, а  перемещаются вместе с газом. Однако при увеличении расстояния между  пламенем и промежутком 1-2 ток постепенно ослабевает, а затем исчезает. При  этом разноименно заряженные ионы стремятся  сблизиться под влиянием силы электрического притяжения и при встрече вновь  воссоединяются в нейтральную молекулу. Такой процесс носит название рекомбинации ионов.

Ионная  проводимость имеет рад особенностей. Так, нередко положительные и  отрица-тельные ионы представляют собой не единичные ионизированные молекулы, а группы молекул, прилипших к отрицательному или положительному электрону. Благодаря этому, хотя заряд каждого иона равен одному-двум, редко большему числу элементарных зарядов, массы их могут значительно отличаться от масс отдельных атомов и молекул. Этом газовые ионы существенно отличаются от ионов электролитов, представляющих всегда определенные группы атомов. В силу этого различия при ионной проводимости газов не имеют место законы Фарадея, столь характерные для проводимости электролитов.

Второе, также очень важное, отличие ионной проводимости газов от ионной проводимости электролитов состоит в том, что  для газов не соблюдается закон  Ома: вольтамперная характеристика имеет более сложный характер. Вольтамперная характеристика проводников (в том числе и электролитов) имеет вид наклонной прямой (пропорциональность I и U), для газов она имеет разнообразную  форму.

В частности, 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.

Нетрудно  понять смысл полученных результатов. Вначале с ростом напряжения увели-чивается число ионов, проходящих через сечение разряда, т.е. увеличивается ток I, ибо ионы в более сильном поле движется с большей скоростью. Однако, как бы быстро не двигались ионы, число их, проходящее через это сечение за единицу времени, не может быть больше, чем общее число ионов, создаваемых в разряде в разряде в единице времени внешними ио-низирующим фактором.

Опыты показывают, однако, что если после  достижения тока насыщения в газе продолжать значительно повышать напряжение, то ход вольтамперной характеристики внезапно нарушается. При достаточно большом напряжении ток резко  возрастает.

Скачок  тока показывает, что число ионов  сразу резко возросло. Причиной этого  является само электрическое поле: оно сообщает некоторым ионам  столь большие скорости, т.е. столь  большую энергию, что при соударении таких ионов с нейтральными молекулами последние разбиваются на ионы. Общее  число ионов определяется теперь не ионизирующим фактором, а действием  самого поля, которое может само поддерживать необходимую ионизацию: проводимость из несамостоятельной становится самостоятельной. Описанное явление внезапного возникновения самостоятельной проводимости, имеющее характер пробоя газового промежутка, - не единственная, хотя и весьма важная, форма возникновения само-стоятельной проводимости.

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.

Описанная форма газового разряда носит  название искрового разряда или  искрового пробоя газа. При наступлении  искрового разряда газ внезапно утрачивает свои диэлектрические свойства и становится хорошим проводником. Напряженность поля, при которой  наступает искровой пробой газа, имеет  различное значение у разных газов  и зависит от их состояния (давления, температуры). Чем больше расстояние между электродами, тем большее  напряжение между ними необходимо для  наступления искрового пробоя газа. Это напряже-ние называется напряжением пробоя.

Молния.Красивое и небезопасное явление природы – молния – представляет собой искровой разряд в атмосфере. Уже в середине 18-го века обратили внимание на внешнее сходство молнии с электрической искрой. Высказалось предположение, что грозовые облака несут в себе большие электрические заряды и что молния есть гигантская искра, ничем, кроме размеров, не отличающаяся от искры между шарами электрической машины. На это указывал, например, рус-ский физик и химик Михаил Васильевич Ломоносов (1711-1765), наряду с другими научными вопросами занимавшийся атмосферным электричеством.

Это было доказано на опыте 1752-53 г.г. Ломоносовым  и американским ученым Бенджамином Франклином (1706-90), работавшими одновременно и независимо друг от друга.

Ломоносов построил «громовую машину» - конденсатор, находившийся в его лаборатории  и заряжавшийся атмосферным электричеством посредством провода, конец которого был выведен из помещения и  поднят на высоком шесте. Во время  грозы из конденсатора можно было рукой извлекать искры.

Франклин  во время грозы пустил на бечевке  змея, который был снабжен железным острием; к концу бечевки был  привязан дверной ключ. Когда бечевка намокла и сделалась про-водником электрического тока, Франклин смог извлечь из ключа электрические искры, зарядить лейденские банки и проделать другие опыты, производимые с электрической машиной (Следует отметить, что такие опыты чрезвычайно опасны, так как молния может ударить в змей, и при этом большие заряды пройдут через тело экспериментатора в Землю. В истории физики были такие печальные случаи. Так погиб в 1753 г. в Петербурге Г.В. Рихман, работавший вместе с Ломоносовым).

Таким образом, было показано, что грозовые облака действительно сильно заряжены электричеством.

Разные  части грозового облака несут  заряды различных знаков. Чаще всего  нижняя часть облака (отраженная к  Земле) бывает заряжена отрицательно, а верхняя – положительно. Поэтому, если два облака сближаются разноименно  заряженными частями, то между ни-ми проскакивает молния. Однако грозовой разряд может произойти и иначе. Проходя над Землей, грозовое облако создает на ее поверхности большие индуцированные заряды, и по-этому облако и поверхность Земли образуют две обкладки большого конденсатора. Разность потенциалов между облаком и Землей достигает огромных значений, измеряемых сотнями миллионов воль, и воздухе возникает сильное электрическое поле. Если напряженность этого поля делается достаточно большой, то может произойти пробой, т.е. молния, ударяющая в Землю. При этом молния иногда поражает людей и вызывает пожары.

Согласно  многочисленным исследованиям, произведенным  над молнией, искровой за-ряд характеризуется следующими примерными числами: напряжение (U) между облаком и Землей 0,1 ГВ (гигавольт); Землей 0,1 ГВ (гигавольт); сила тока (I) в молнии 0,1 МА (мегаампер); продолжительность молнии (t) 1 мкс (микросекунда); диаметр светящегося канала 10-20 см.

Гром, возникающий  после молнии, имеет такое же происхождение, как и треск при про-скакивании лабораторной искры. Именно, воздух внутри канала молнии сильно разогревается и расширяется, отчего и возникают звуковые волны. Эти волны, отражаясь от облаков, гор, и т.п., часто создают длительное эхо – громовые раскаты.

Электрическая дуга. В 1802 году русский физик В.В. Петров (1761-1834) установил, что если присоединить к полюсам большой электрической батареи два кусочка древесного угля и, приведя угли в соприкосновение, слегка их раздвинуть, то между концами углей об-разуется яркое пламя, а сами концы углей раскалятся добела, испуская ослепительный свет.

Простейший  прибор получения электрической  дуги состоит из двух электродов, в  каче-стве которых лучше брать не древесный уголь, а специально изготавливаемые стержни, по-лучаемые прессованием смеси графита, сажи и связующих веществ. Источником тока может служить осветительная сеть, в которую для безопасности включается реостат.

Заставляя гореть дугу при постоянном токе в  сжатом газе (20 атм), удалось довести температуру конца положительного электрода до 5900°С, т.е. до температуры поверхности солнца. Еще более высокой температурой обладает столб газов и паров, обладающий хоро-шей электрической проводимостью, через который идет электрический заряд. Энергичная бомбардировка этих газов и паров электронами и ионами, подгоняемыми электрическим по-лем дуги, доводит температуру газов в столбе до 6000-7000°С. Такая сильная ионизация газа возможна только благодаря тому, что катод дуги испускает очень много электронов, которые своими ударами ионизирую газ в разрядном пространстве. Сильная электронная эмиссия с катода обеспечивается тем, что катод дуги сам накален до очень высокой температуры (от 2200 до 3500°С). Когда для зажигания дуги угли приводятся в соприкосновение, то в месте контакта, обладавшем очень большим сопротивлением, выделяется почти все джоулево теп-ло проходящего через угли тока. Поэтому концы углей сильно разогреваются, и этого доста-точно для того, чтобы при их раздвижении между ними вспыхнула дуга. В дальнейшем катод дуги поддерживается в накаленном состоянии самим током, проходящим через дугу. Глав-ную роль в этом играет бомбардировка катода падающими на него положительными ионами.

Вольтамперная характеристика дуги носит совершенно своеобразный характер. В дуго-вом разряде при увеличении тока напряжение на зажимах дуги уменьшается, т.е. дуга имеет падающую вольтамперную характеристику.

Применение  дугового разряда.Освещение. Вследствие высокой температуры электроды дуги испускают ослепительный свет (свечение столба дуги слабее, так как излучающая способность газа мала), и поэтому электрическая дуга является одним из лучших источников света. Она потребляет всего около 3 Вт на канделу и является значительно более эко-номичной, нежели наилучшие лампы накаливания. Электрическая дуга впервые была ис-пользована для освещения в 1875 году русским инженером-изобретателем П.Н. Яблочкиным (1847-1894) и получила название «русского света» или «северного света». Сварка. Электри-ческая дуга применяется для сварки металлических деталей. Свариваемые детали служат по-ложительным электродом; касаясь их углем, соединенным с отрицательным полюсом источ-ника тока, получают между телами и углем дугу, плавящую металл. Ртутная дуга. Большой интерес представляет ртутная дуга, горящая в кварцевой трубке, так называемая кварцевая лампа. В этой лампе дуговой разряд происходит не в воздухе, а в атмосфере ртутного пара, для чего в лампу вводят небольшое количество ртути, а воздух откачивают. Свет ртутной дуги чрезвычайно богат ультрафиолетовыми лучами, обладающими сильным химическим и физиологическим действием. Чтобы можно было использовать это излучение, лампу делают не из стекла, которое сильно поглощает УФО, а из плавленого кварца. Ртутные лампы широ-ко используют при лечении разнообразных болезней, а также при научных исследованиях как сильный источник ультрафиолетового излучения.