Elektrischer Strom in Gasen wird oft genannt. Elektrische Eigenschaften von Gasen. Elektrischer Strom in Gasen und Plasma

Themen des USE-Kodifikators: Träger freier elektrischer Ladungen in Gasen.

Unter normalen Bedingungen bestehen Gase aus elektrisch neutralen Atomen oder Molekülen; Bei Gasen gibt es fast keine kostenlosen Abgaben. Daher sind Gase Dielektrika- sie werden nicht von elektrischem Strom durchflossen.

Wir sagten "fast keine", weil in Gasen und insbesondere in der Luft tatsächlich immer eine gewisse Menge freier geladener Teilchen vorhanden ist. Sie entstehen durch die ionisierende Wirkung der Strahlung radioaktiver Substanzen, aus denen die Erdkruste besteht, der Ultraviolett- und Röntgenstrahlung der Sonne sowie der kosmischen Strahlung - Ströme hochenergetischer Teilchen, die aus dem Weltraum in die Erdatmosphäre eindringen . Später werden wir auf diese Tatsache zurückkommen und ihre Bedeutung erörtern, aber vorerst wollen wir nur anmerken, dass unter normalen Bedingungen die Leitfähigkeit von Gasen, verursacht durch die „natürliche“ Menge an freien Ladungen, vernachlässigbar ist und vernachlässigt werden kann.

Die Wirkungsweise von Schaltern in Stromkreisen beruht auf den isolierenden Eigenschaften des Luftspalts ( Bild 1). Beispielsweise reicht ein kleiner Luftspalt in einem Lichtschalter aus, um einen Stromkreis in Ihrem Zimmer zu öffnen.

Reis. 1 Schlüssel

Es ist jedoch möglich, solche Bedingungen zu schaffen, unter denen ein elektrischer Strom im Gasspalt auftritt. Betrachten wir die folgende Erfahrung.

Wir laden die Platten des Luftkondensators auf und verbinden sie mit einem empfindlichen Galvanometer (Abb. 2, links). Bei Raumtemperatur und nicht zu feuchter Luft zeigt das Galvanometer keinen merklichen Strom: Unser Luftspalt ist, wie gesagt, kein elektrischer Leiter.

Reis. 2. Das Auftreten von Strom in der Luft

Bringen wir nun die Flamme eines Brenners oder einer Kerze in den Spalt zwischen den Platten des Kondensators (Abb. 2, rechts). Strom erscheint! Wieso den?

Kostenlose Gebühren in einem Gas

Das Auftreten eines elektrischen Stroms zwischen den Platten des Kondensators bedeutet, dass in der Luft unter dem Einfluss der Flamme erschien kostenlose Gebühren. Was für?

Die Erfahrung zeigt, dass elektrischer Strom in Gasen eine geordnete Bewegung geladener Teilchen ist. drei Arten. Das Elektronen, positive Ionen und negative Ionen.

Mal sehen, wie diese Ladungen in einem Gas erscheinen können.

Mit steigender Gastemperatur werden die thermischen Schwingungen seiner Teilchen – Moleküle oder Atome – intensiver. Die Stöße von Partikeln gegeneinander erreichen eine solche Kraft, dass Ionisation- Zerfall neutraler Teilchen in Elektronen und positive Ionen (Abb. 3).

Reis. 3. Ionisation

Grad der Ionisierung ist das Verhältnis der Anzahl der zerfallenen Gasteilchen zur Gesamtzahl der anfänglichen Teilchen. Beträgt der Ionisationsgrad beispielsweise , bedeutet dies, dass die ursprünglichen Gasteilchen in positive Ionen und Elektronen zerfallen sind.

Der Grad der Gasionisation hängt von der Temperatur ab und steigt mit deren Anstieg stark an. Für Wasserstoff zum Beispiel überschreitet bei einer Temperatur unter dem Ionisierungsgrad nicht , und bei einer Temperatur darüber ist der Ionisierungsgrad nahe (d. h. Wasserstoff ist fast vollständig ionisiert (teilweise oder vollständig ionisiertes Gas heißt Plasma)).

Neben hohen Temperaturen gibt es noch andere Faktoren, die eine Gasionisation verursachen.

Wir haben sie schon am Rande erwähnt: Das sind radioaktive Strahlung, Ultraviolett-, Röntgen- und Gammastrahlen, kosmische Teilchen. Jeder solche Faktor, der die Ionisierung eines Gases verursacht, wird als bezeichnet Ionisator.

Die Ionisation erfolgt also nicht von selbst, sondern unter dem Einfluss eines Ionisators.

Gleichzeitig der umgekehrte Vorgang Rekombination, also die Wiedervereinigung eines Elektrons und eines positiven Ions zu einem neutralen Teilchen (Abb. 4).

Reis. 4. Rekombination

Der Grund für die Rekombination ist einfach: Es ist die Coulomb-Anziehung von entgegengesetzt geladenen Elektronen und Ionen. Unter Einwirkung elektrischer Kräfte stürmen sie aufeinander zu, treffen aufeinander und erhalten die Möglichkeit, ein neutrales Atom (oder Molekül - je nach Art des Gases) zu bilden.

Bei konstanter Intensität der Ionisatorwirkung stellt sich ein dynamisches Gleichgewicht ein: Die durchschnittliche Anzahl der pro Zeiteinheit zerfallenden Teilchen ist gleich der durchschnittlichen Anzahl der rekombinierenden Teilchen (mit anderen Worten, die Ionisationsrate ist gleich der Rekombinationsrate). Wird die Ionisatorwirkung verstärkt (z. B. wird die Temperatur erhöht), verschiebt sich das dynamische Gleichgewicht in Richtung der Ionisierung und die Konzentration geladener Teilchen im Gas steigt. Im Gegenteil, wenn Sie den Ionisator ausschalten, setzt sich die Rekombination durch und die kostenlosen Ladungen verschwinden allmählich vollständig.

Als Ergebnis der Ionisierung erscheinen also positive Ionen und Elektronen im Gas. Woher kommt die dritte Ladungsart - negative Ionen? Ganz einfach: Ein Elektron kann in ein neutrales Atom fliegen und sich ihm anschließen! Dieser Vorgang ist in Abb. 5 .

Reis. 5. Das Auftreten eines negativen Ions

Die auf diese Weise gebildeten negativen Ionen beteiligen sich zusammen mit positiven Ionen und Elektronen an der Erzeugung des Stroms.

Nicht-Selbstentladung

Wenn kein externes elektrisches Feld vorhanden ist, führen freie Ladungen zusammen mit neutralen Gasteilchen eine chaotische thermische Bewegung aus. Aber wenn ein elektrisches Feld angelegt wird, beginnt die geordnete Bewegung geladener Teilchen - elektrischer Strom in Gas.

Reis. 6. Nicht selbsterhaltende Entladung

Auf Abb. 6 sehen wir drei Arten von geladenen Teilchen, die unter der Wirkung eines Ionisators im Gasspalt entstehen: positive Ionen, negative Ionen und Elektronen. Ein elektrischer Strom in einem Gas entsteht durch die entgegenkommende Bewegung geladener Teilchen: positive Ionen - zur negativen Elektrode (Kathode), Elektronen und negative Ionen - zur positiven Elektrode (Anode).

Elektronen, die auf die positive Anode fallen, werden entlang des Stromkreises zum "Plus" der Stromquelle gesendet. Negative Ionen geben ein zusätzliches Elektron an die Anode ab und kehren, nachdem sie zu neutralen Teilchen geworden sind, in das Gas zurück; Das an die Anode abgegebene Elektron eilt ebenfalls zum „Plus“ der Quelle. Positive Ionen, die zur Kathode kommen, nehmen von dort Elektronen auf; der daraus resultierende Elektronenmangel an der Kathode wird sofort durch deren Lieferung aus dem „Minus“ der Quelle dorthin kompensiert. Als Ergebnis dieser Prozesse findet im äußeren Stromkreis eine geordnete Bewegung der Elektronen statt. Dies ist der vom Galvanometer aufgezeichnete elektrische Strom.

Der in Abb. 6 wird aufgerufen nicht selbsterhaltende Entladung im Benzin. Warum abhängig? Um es aufrechtzuerhalten, ist daher die ständige Wirkung des Ionisators erforderlich. Entfernen wir den Ionisator - und der Strom hört auf, da der Mechanismus, der das Auftreten freier Ladungen im Gasspalt sicherstellt, verschwindet. Der Raum zwischen Anode und Kathode wird wieder zu einem Isolator.

Volt-Ampere-Charakteristik der Gasentladung

Die Abhängigkeit der Stromstärke durch den Gasspalt von der Spannung zwischen Anode und Kathode (sog Strom-Spannungs-Charakteristik der Gasentladung) ist in Abb. 7.

Reis. 7. Volt-Ampere-Charakteristik der Gasentladung

Bei Nullspannung ist die Stromstärke natürlich gleich Null: Geladene Teilchen führen nur eine thermische Bewegung aus, es gibt keine geordnete Bewegung zwischen den Elektroden.

Bei kleiner Spannung ist auch die Stromstärke klein. Tatsache ist, dass nicht alle geladenen Teilchen dazu bestimmt sind, zu den Elektroden zu gelangen: Einige der positiven Ionen und Elektronen finden sich während ihrer Bewegung und rekombinieren.

Je höher die Spannung, desto schneller entwickeln sich freie Ladungen, und desto geringer ist die Chance, dass sich ein positives Ion und ein Elektron treffen und rekombinieren. Daher erreicht ein zunehmender Teil der geladenen Teilchen die Elektroden und die Stromstärke nimmt zu (Abschnitt ).

Bei einem bestimmten Spannungswert (Punkt ) wird die Ladungsgeschwindigkeit so hoch, dass die Rekombination überhaupt keine Zeit hat. Von diesem Moment an alle geladene Teilchen, die unter der Wirkung des Ionisators gebildet werden, erreichen die Elektroden und Strom erreicht Sättigung- Die Stromstärke ändert sich nämlich nicht mehr mit zunehmender Spannung. Dies wird bis zu einem gewissen Punkt fortgesetzt.

Selbstentladung

Nach Passieren des Punktes steigt die Stromstärke mit steigender Spannung stark an - beginnt selbstständige Entlastung. Jetzt werden wir herausfinden, was es ist.

Geladene Gasteilchen bewegen sich von Kollision zu Kollision; In den Pausen zwischen den Kollisionen werden sie durch ein elektrisches Feld beschleunigt, wodurch sich ihre kinetische Energie erhöht. Und jetzt, wenn die Spannung groß genug wird (genau an diesem Punkt), erreichen die Elektronen während ihrer freien Bahn solche Energien, dass sie, wenn sie mit neutralen Atomen kollidieren, diese ionisieren! (Unter Verwendung der Gesetze der Impuls- und Energieerhaltung kann gezeigt werden, dass Elektronen (und nicht Ionen), die durch ein elektrisches Feld beschleunigt werden, die maximale Fähigkeit haben, Atome zu ionisieren.)

Die sogenannte Elektronenstoßionisation. Aus ionisierten Atomen herausgeschlagene Elektronen werden ebenfalls durch das elektrische Feld beschleunigt und treffen auf neue Atome, ionisieren diese nun und erzeugen neue Elektronen. Durch die entstehende Elektronenlawine steigt die Zahl der ionisierten Atome schnell an, wodurch auch die Stromstärke schnell ansteigt.

Die Anzahl der kostenlosen Ladungen wird so groß, dass die Notwendigkeit eines externen Ionisators entfällt. Es kann einfach entfernt werden. Als Ergebnis werden nun freie geladene Teilchen erzeugt intern im Gas ablaufenden Prozesse - deshalb heißt die Entladung unabhängig.

Wenn der Gasspalt unter Hochspannung steht, wird kein Ionisator zur Selbstentladung benötigt. Es genügt, nur ein freies Elektron im Gas zu finden, und die oben beschriebene Elektronenlawine beginnt. Und es wird immer mindestens ein freies Elektron geben!

Erinnern wir uns noch einmal daran, dass in einem Gas auch unter normalen Bedingungen eine gewisse „natürliche“ Menge an freien Ladungen aufgrund der ionisierenden radioaktiven Strahlung der Erdkruste, der hochfrequenten Strahlung der Sonne und der kosmischen Strahlung vorhanden ist. Wir haben gesehen, dass bei niedrigen Spannungen die durch diese freien Ladungen verursachte Leitfähigkeit des Gases vernachlässigbar ist, aber jetzt – bei einer hohen Spannung – werden sie eine Lawine neuer Teilchen hervorrufen, was zu einer unabhängigen Entladung führt. Es wird passieren, wie sie sagen abbauen Gasspalt.

Die zum Abbau trockener Luft erforderliche Feldstärke beträgt etwa kV/cm. Mit anderen Worten: Damit zwischen den Elektroden, die einen Zentimeter Luft voneinander entfernt sind, ein Funke überspringt, muss eine Kilovolt-Spannung an sie angelegt werden. Stellen Sie sich vor, welche Spannung benötigt wird, um mehrere Kilometer Luft zu durchbrechen! Aber genau solche Pannen gibt es bei einem Gewitter – das sind Blitze, die Ihnen bestens bekannt sind.

Physik abstrakt

zum Thema:

"Elektrischer Strom in Gasen".

Elektrischer Strom in Gasen.

1. Elektrische Entladung in Gasen.

Alle Gase in ihrem natürlichen Zustand leiten keinen Strom. Das sieht man an folgender Erfahrung:

Nehmen wir ein Elektrometer mit daran befestigten Scheiben eines flachen Kondensators und laden es auf. Bei Raumtemperatur, wenn die Luft trocken genug ist, entlädt sich der Kondensator nicht merklich - die Position der Elektrometernadel ändert sich nicht. Es dauert lange, bis eine Abnahme des Ablenkwinkels der Elektrometernadel bemerkt wird. Dies zeigt, dass der elektrische Strom in der Luft zwischen den Scheiben sehr klein ist. Diese Erfahrung zeigt, dass Luft ein schlechter Leiter für elektrischen Strom ist.

Modifizieren wir das Experiment: Erhitzen wir die Luft zwischen den Scheiben mit der Flamme einer Spirituslampe. Dann nimmt der Auslenkwinkel des Elektrometerzeigers schnell ab, d.h. die Potentialdifferenz zwischen den Scheiben des Kondensators nimmt ab - der Kondensator wird entladen. Folglich ist die erwärmte Luft zwischen den Scheiben zu einem Leiter geworden, und ein elektrischer Strom wird darin aufgebaut.

Die isolierenden Eigenschaften von Gasen erklären sich aus der Tatsache, dass sie keine freien elektrischen Ladungen enthalten: Die Atome und Moleküle von Gasen sind in ihrem natürlichen Zustand neutral.

2. Ionisierung von Gasen.

Die obige Erfahrung zeigt, dass geladene Teilchen in Gasen unter dem Einfluss hoher Temperatur auftreten. Sie entstehen durch die Abspaltung eines oder mehrerer Elektronen aus Gasatomen, wodurch anstelle eines neutralen Atoms ein positives Ion und Elektronen erscheinen. Ein Teil der gebildeten Elektronen kann von anderen neutralen Atomen eingefangen werden, und dann erscheinen mehr negative Ionen. Der Zerfall von Gasmolekülen in Elektronen und positive Ionen wird genannt Ionisierung von Gasen.

Das Erhitzen eines Gases auf eine hohe Temperatur ist nicht die einzige Möglichkeit, Gasmoleküle oder Atome zu ionisieren. Gasionisation kann unter dem Einfluss verschiedener äußerer Wechselwirkungen auftreten: starke Erwärmung des Gases, Röntgenstrahlen, a-, b- und g-Strahlen, die durch radioaktiven Zerfall entstehen, kosmische Strahlung, Beschuss von Gasmolekülen durch sich schnell bewegende Elektronen oder Ionen. Die Faktoren, die eine Gasionisation verursachen, werden genannt Ionisatoren. Das quantitative Merkmal des Ionisationsprozesses ist Ionisationsintensität, gemessen durch die Anzahl von Paaren geladener Teilchen mit entgegengesetztem Vorzeichen, die in einer Volumeneinheit Gas pro Zeiteinheit auftreten.

Die Ionisation eines Atoms erfordert den Aufwand einer bestimmten Energie - der Ionisationsenergie. Um ein Atom (oder Molekül) zu ionisieren, muss gegen die Wechselwirkungskräfte zwischen dem ausgestoßenen Elektron und den übrigen Teilchen des Atoms (oder Moleküls) gearbeitet werden. Diese Arbeit wird Ionisationsarbeit A i genannt. Der Wert der Ionisationsarbeit hängt von der chemischen Natur des Gases und dem Energiezustand des ausgestoßenen Elektrons im Atom oder Molekül ab.

Nach Beendigung des Ionisators nimmt die Anzahl der Ionen im Gas mit der Zeit ab und schließlich verschwinden die Ionen ganz. Das Verschwinden von Ionen wird dadurch erklärt, dass Ionen und Elektronen an thermischen Bewegungen teilnehmen und daher miteinander kollidieren. Wenn ein positives Ion und ein Elektron kollidieren, können sie sich wieder zu einem neutralen Atom vereinigen. Auf die gleiche Weise kann das negative Ion sein überschüssiges Elektron an das positive Ion abgeben, wenn ein positives und ein negatives Ion kollidieren, und beide Ionen werden zu neutralen Atomen. Dieser Vorgang der gegenseitigen Neutralisierung von Ionen wird als bezeichnet Ionenrekombination. Wenn ein positives Ion und ein Elektron oder zwei Ionen rekombinieren, wird eine bestimmte Energie freigesetzt, die der für die Ionisierung aufgewendeten Energie entspricht. Teilweise wird es in Form von Licht emittiert, weshalb die Rekombination von Ionen von Lumineszenz (Lumineszenz der Rekombination) begleitet wird.

Bei den Phänomenen der elektrischen Entladung in Gasen spielt die Ionisierung von Atomen durch Elektronenstöße eine wichtige Rolle. Dieser Prozess besteht darin, dass ein sich bewegendes Elektron mit ausreichender kinetischer Energie ein oder mehrere Atomelektronen herausschlägt, wenn es mit einem neutralen Atom kollidiert, wodurch sich das neutrale Atom in ein positives Ion verwandelt und neue Elektronen erscheinen das Gas (dies wird später besprochen).

Die folgende Tabelle gibt die Ionisierungsenergien einiger Atome an.

3. Mechanismus der elektrischen Leitfähigkeit von Gasen.

Der Mechanismus der Gasleitfähigkeit ähnelt dem Mechanismus der Leitfähigkeit von Elektrolytlösungen und Schmelzen. In Abwesenheit eines externen Feldes bewegen sich geladene Teilchen wie neutrale Moleküle zufällig. Befinden sich Ionen und freie Elektronen in einem äußeren elektrischen Feld, so geraten sie in gerichtete Bewegung und erzeugen in Gasen einen elektrischen Strom.

Somit ist der elektrische Strom in einem Gas eine gerichtete Bewegung positiver Ionen zur Kathode und negativer Ionen und Elektronen zur Anode. Der Gesamtstrom im Gas setzt sich aus zwei Strömen geladener Teilchen zusammen: dem zur Anode gehenden Strom und dem zur Kathode gerichteten Strom.

An den Elektroden erfolgt die Neutralisation geladener Teilchen, wie beim Durchgang von elektrischem Strom durch Lösungen und Schmelzen von Elektrolyten. Bei Gasen kommt es jedoch nicht zu einer Freisetzung von Stoffen an den Elektroden, wie dies bei Elektrolytlösungen der Fall ist. Gasionen, die sich den Elektroden nähern, geben ihnen ihre Ladung, verwandeln sich in neutrale Moleküle und diffundieren zurück in das Gas.

Ein weiterer Unterschied in der elektrischen Leitfähigkeit von ionisierten Gasen und Lösungen (Schmelzen) von Elektrolyten besteht darin, dass die negative Ladung beim Stromdurchgang durch Gase hauptsächlich nicht durch negative Ionen, sondern durch Elektronen übertragen wird, obwohl auch die Leitfähigkeit durch negative Ionen eine Rolle spielen kann bestimmte Rolle.

So kombinieren Gase elektronische Leitfähigkeit, ähnlich der Leitfähigkeit von Metallen, mit ionischer Leitfähigkeit, ähnlich der Leitfähigkeit von wässrigen Lösungen und Elektrolytschmelzen.

4. Nicht selbsterhaltende Gasentladung.

Als Gasentladung bezeichnet man den Vorgang, bei dem elektrischer Strom durch ein Gas geleitet wird. Wenn die elektrische Leitfähigkeit des Gases durch externe Ionisatoren erzeugt wird, wird der darin entstehende elektrische Strom genannt nicht selbsterhaltende Gasentladung. Mit Beendigung der Wirkung externer Ionisatoren hört die nicht selbsterhaltende Entladung auf. Eine nicht selbsterhaltende Gasentladung wird nicht von einem Gasglimmen begleitet.

Unten ist ein Diagramm der Abhängigkeit der Stromstärke von der Spannung für eine nicht selbsterhaltende Entladung in einem Gas dargestellt. Ein Glasröhrchen mit zwei in das Glas gelöteten Metallelektroden wurde verwendet, um den Graphen aufzuzeichnen. Die Kette wird wie in der Abbildung unten gezeigt zusammengebaut.

Ab einer bestimmten Spannung erreichen alle vom Ionisator in einer Sekunde im Gas gebildeten geladenen Teilchen gleichzeitig die Elektroden. Eine weitere Erhöhung der Spannung kann nicht mehr zu einer Erhöhung der Anzahl der transportierten Ionen führen. Der Strom erreicht die Sättigung (horizontaler Abschnitt von Diagramm 1).

5. Unabhängige Gasentladung.

Eine elektrische Entladung in einem Gas, die nach Beendigung der Wirkung eines externen Ionisators bestehen bleibt, wird als bezeichnet unabhängige Gasentladung. Für seine Durchführung ist es erforderlich, dass durch die Entladung selbst ständig freie Ladungen im Gas gebildet werden. Die Hauptquelle ihres Auftretens ist die Stoßionisation von Gasmolekülen.

Wenn wir nach Erreichen der Sättigung die Potentialdifferenz zwischen den Elektroden weiter erhöhen, steigt die Stromstärke bei ausreichend hoher Spannung stark an (Grafik 2).

Dies bedeutet, dass zusätzliche Ionen im Gas erscheinen, die durch die Wirkung des Ionisators gebildet werden. Die Stromstärke kann hundert- und tausendfach ansteigen und die Anzahl geladener Teilchen, die während der Entladung auftreten, kann so groß werden, dass kein externer Ionisator mehr benötigt wird, um die Entladung aufrechtzuerhalten. Daher kann der Ionisator jetzt entfernt werden.

Was sind die Gründe für den starken Anstieg der Stromstärke bei hohen Spannungen? Betrachten wir ein beliebiges Paar geladener Teilchen (ein positives Ion und ein Elektron), das durch die Wirkung eines externen Ionisators gebildet wird. Das so entstehende freie Elektron beginnt sich in Richtung der positiven Elektrode – der Anode – und das positive Ion – in Richtung der Kathode zu bewegen. Auf seinem Weg trifft das Elektron auf Ionen und neutrale Atome. In den Intervallen zwischen zwei aufeinanderfolgenden Stößen steigt die Energie des Elektrons aufgrund der Arbeit der elektrischen Feldkräfte an.

Je größer die Potentialdifferenz zwischen den Elektroden ist, desto größer ist die elektrische Feldstärke. Die kinetische Energie eines Elektrons vor dem nächsten Stoß ist proportional zur Feldstärke und der freien Weglänge des Elektrons: MV 2 /2=eEl. Wenn die kinetische Energie eines Elektrons die Arbeit A i übersteigt, die verrichtet werden muss, um ein neutrales Atom (oder Molekül) zu ionisieren, d.h. MV 2 > A i , dann wird ein Elektron, wenn es mit einem Atom (oder Molekül) kollidiert, ionisiert. Infolgedessen erscheinen anstelle eines Elektrons zwei Elektronen (die das Atom angreifen und aus dem Atom herausgerissen werden). Diese wiederum erhalten im Feld Energie und ionisieren die ankommenden Atome usw. Dadurch steigt die Zahl der geladenen Teilchen rapide an und es entsteht eine Elektronenlawine. Der beschriebene Prozess wird aufgerufen Elektronenstoßionisation.

Aber die Ionisierung durch Elektronenstoß allein kann die Aufrechterhaltung einer unabhängigen Ladung nicht gewährleisten. Denn alle so entstehenden Elektronen bewegen sich auf die Anode zu und „fallen aus dem Spiel“, wenn sie die Anode erreichen. Um die Entladung aufrechtzuerhalten, ist die Emission von Elektronen aus der Kathode erforderlich ("Emission" bedeutet "Emission"). Die Emission eines Elektrons kann mehrere Ursachen haben.

Positive Ionen, die während der Kollision von Elektronen mit neutralen Atomen gebildet werden, erhalten bei der Bewegung in Richtung der Kathode unter Einwirkung des Feldes eine große kinetische Energie. Wenn solch schnelle Ionen auf die Kathode treffen, werden Elektronen von der Kathodenoberfläche herausgeschlagen.

Außerdem kann die Kathode Elektronen emittieren, wenn sie auf eine hohe Temperatur erhitzt wird. Dieser Vorgang wird aufgerufen Glühemission. Es kann als Verdampfung von Elektronen aus dem Metall betrachtet werden. Bei vielen festen Stoffen tritt thermionische Emission bei Temperaturen auf, bei denen die Verdampfung des Stoffes selbst noch gering ist. Solche Substanzen werden zur Herstellung von Kathoden verwendet.

Während der Selbstentladung kann die Kathode erhitzt werden, indem sie mit positiven Ionen beschossen wird. Wenn die Ionenenergie nicht zu hoch ist, werden Elektronen nicht aus der Kathode herausgeschlagen und Elektronen werden aufgrund von thermionischer Emission emittiert.

6. Verschiedene Arten der Selbstentladung und ihre technische Anwendung.

Je nach Eigenschaften und Zustand des Gases, Art und Lage der Elektroden sowie der an den Elektroden anliegenden Spannung treten verschiedene Arten der Selbstentladung auf. Betrachten wir einige davon.

A. Schwelender Ausfluss.

Eine Glimmentladung wird in Gasen bei niedrigen Drücken in der Größenordnung von mehreren zehn Millimetern Quecksilbersäule und darunter beobachtet. Wenn wir eine Röhre mit einer Glimmentladung betrachten, sehen wir, dass die Hauptbestandteile einer Glimmentladung sind Kathode Dunkelraum, weit weg von ihm Negativ oder schwelendes Glühen, die allmählich in das Gebiet übergeht Faradayscher dunkler Raum. Diese drei Bereiche bilden den Kathodenteil der Entladung, gefolgt vom leuchtenden Hauptteil der Entladung, der seine optischen Eigenschaften bestimmt und genannt wird positive Spalte.

Die Hauptrolle bei der Aufrechterhaltung der Glimmentladung spielen die ersten beiden Bereiche ihres Kathodenteils. Ein charakteristisches Merkmal dieser Art von Entladung ist ein starker Abfall des Potentials in der Nähe der Kathode, der aufgrund der relativ geringen Geschwindigkeit der Ionen in der Nähe der Kathode mit einer hohen Konzentration positiver Ionen an der Grenze der Bereiche I und II verbunden ist. Im Kathoden-Dunkelraum gibt es eine starke Beschleunigung von Elektronen und positiven Ionen, wodurch Elektronen aus der Kathode herausgeschlagen werden. Im Bereich des Glühens erzeugen Elektronen eine intensive Stoßionisation von Gasmolekülen und verlieren ihre Energie. Hier werden positive Ionen gebildet, die zur Aufrechterhaltung der Entladung notwendig sind. Die elektrische Feldstärke in diesem Bereich ist gering. Das Schwelglühen wird hauptsächlich durch die Rekombination von Ionen und Elektronen verursacht. Die Länge des Kathodendunkelraums wird durch die Eigenschaften des Gases und des Kathodenmaterials bestimmt.

Im Bereich der positiven Säule ist die Konzentration von Elektronen und Ionen etwa gleich und sehr hoch, was eine hohe elektrische Leitfähigkeit der positiven Säule und einen leichten Potentialabfall in ihr bewirkt. Das Leuchten der positiven Säule wird durch das Leuchten angeregter Gasmoleküle bestimmt. In der Nähe der Anode wird wiederum eine relativ starke Änderung des Potentials beobachtet, die mit dem Prozess der Erzeugung positiver Ionen verbunden ist. In einigen Fällen zerfällt die positive Säule in separate leuchtende Bereiche - Schichten, durch dunkle Zwischenräume getrennt.

Die positive Säule spielt keine wesentliche Rolle bei der Aufrechterhaltung der Glimmentladung; daher verringert sich die Länge der positiven Säule, wenn der Abstand zwischen den Elektroden der Röhre abnimmt, und sie kann vollständig verschwinden. Anders verhält es sich mit der Länge des Kathodendunkelraums, die sich bei Annäherung der Elektroden nicht ändert. Wenn die Elektroden so nahe beieinander liegen, dass der Abstand zwischen ihnen kleiner wird als die Länge des Kathodendunkelraums, dann hört die Glimmentladung im Gas auf. Experimente zeigen, dass unter sonst gleichen Bedingungen die Länge d des Kathodendunkelraums umgekehrt proportional zum Gasdruck ist. Folglich passieren Elektronen, die von positiven Ionen aus der Kathode herausgeschlagen werden, bei ausreichend niedrigen Drücken das Gas fast ohne Kollisionen mit seinen Molekülen und bilden sich elektronisch, oder Kathodenstrahlen .

Glimmentladung wird in Gaslichtröhren, Leuchtstofflampen, Spannungsstabilisatoren verwendet, um Elektronen- und Ionenstrahlen zu erhalten. Wenn in der Kathode ein Schlitz gemacht wird, treten schmale Ionenstrahlen durch ihn hindurch in den Raum hinter der Kathode, der oft genannt wird Kanalstrahlen. weit verbreitetes Phänomen Kathodenzerstäubung, d.h. Zerstörung der Kathodenoberfläche unter Einwirkung positiver Ionen, die darauf treffen. Ultramikroskopisch kleine Fragmente des Kathodenmaterials fliegen entlang gerader Linien in alle Richtungen und bedecken die Oberfläche von Körpern (insbesondere Dielektrika), die in einem Rohr angeordnet sind, mit einer dünnen Schicht. Auf diese Weise werden Spiegel für eine Reihe von Geräten hergestellt, eine dünne Metallschicht wird auf Selen-Fotozellen aufgebracht.

b. Corona-Entladung.

Eine Koronaentladung tritt bei Normaldruck in einem Gas in einem stark inhomogenen elektrischen Feld auf (z. B. in der Nähe von Spitzen oder Drähten von Hochspannungsleitungen). Bei einer Koronaentladung treten die Gasionisation und ihr Leuchten nur in der Nähe der Koronaelektroden auf. Bei der Kathodenkorona (negative Korona) werden Elektronen, die eine Stoßionisation von Gasmolekülen verursachen, aus der Kathode herausgeschlagen, wenn sie mit positiven Ionen beschossen wird. Wenn die Anode Korona (positive Korona) ist, erfolgt die Geburt von Elektronen aufgrund der Photoionisation des Gases in der Nähe der Anode. Korona ist ein schädliches Phänomen, das von Kriechströmen und Verlust elektrischer Energie begleitet wird. Um die Korona zu reduzieren, wird der Krümmungsradius der Leiter vergrößert und ihre Oberfläche so glatt wie möglich gemacht. Bei ausreichend hoher Spannung zwischen den Elektroden geht die Koronaentladung in einen Funken über.

Bei erhöhter Spannung nimmt die Koronaentladung an der Spitze die Form von Lichtlinien an, die von der Spitze ausgehen und sich zeitlich abwechseln. Diese Linien mit einer Reihe von Knicken und Biegungen bilden eine Art Bürste, wodurch eine solche Entladung genannt wird Handwurzel .

Eine geladene Gewitterwolke induziert elektrische Ladungen mit entgegengesetztem Vorzeichen auf der Erdoberfläche darunter. An den Spitzen sammelt sich eine besonders große Ladung an. Daher blitzen vor einem Gewitter oder während eines Gewitters oft Lichtkegel wie Pinsel an den Spitzen und scharfen Ecken hoch erhabener Objekte auf. Seit der Antike wird dieses Leuchten die Feuer von St. Elmo genannt.

Besonders oft werden Kletterer Zeugen dieses Phänomens. Manchmal werden sogar nicht nur Metallgegenstände, sondern auch die Haarspitzen auf dem Kopf mit kleinen leuchtenden Quasten verziert.

Beim Umgang mit Hochspannung muss eine Koronaentladung berücksichtigt werden. Bei hervorstehenden Teilen oder sehr dünnen Drähten kann eine Koronaentladung beginnen. Dies führt zu Leistungsverlusten. Je höher die Spannung der Hochspannungsleitung, desto dicker sollten die Drähte sein.

C. Funkenentladung.

Die Funkenentladung hat das Aussehen von hellen, zickzackförmig verzweigten Filamentkanälen, die den Entladungsspalt durchdringen und verschwinden, wobei sie durch neue ersetzt werden. Studien haben gezeigt, dass die Kanäle der Funkenentladung manchmal von der positiven Elektrode, manchmal von der negativen und manchmal von einem Punkt zwischen den Elektroden aus zu wachsen beginnen. Dies erklärt sich aus der Tatsache, dass die Stoßionisation bei einer Funkenentladung nicht über das gesamte Gasvolumen erfolgt, sondern durch einzelne Kanäle, die an den Stellen verlaufen, an denen die Ionenkonzentration zufällig am höchsten war. Eine Funkenentladung wird von der Freisetzung einer großen Wärmemenge, einem hellen Gasglühen, Knistern oder Donner begleitet. All diese Phänomene werden durch Elektronen- und Ionenlawinen verursacht, die in Funkenkanälen auftreten und zu einem enormen Druckanstieg auf 10 7 ¸10 8 Pa und einem Temperaturanstieg auf bis zu 10.000 °C führen.

Ein typisches Beispiel für eine Funkenentladung ist ein Blitz. Der Hauptblitzkanal hat einen Durchmesser von 10 bis 25 cm und die Blitzlänge kann mehrere Kilometer erreichen. Der maximale Strom eines Blitzimpulses erreicht Zehn- und Hunderttausende von Ampere.

Bei einer geringen Länge der Entladungsstrecke bewirkt die Funkenentladung eine gezielte Zerstörung der Anode, sog Erosion. Dieses Phänomen wurde beim Elektrofunkenverfahren zum Schneiden, Bohren und anderen Arten der Präzisionsmetallverarbeitung genutzt.

Die Funkenstrecke dient als Überspannungsschutz in elektrischen Übertragungsleitungen (z. B. Telefonleitungen). Wenn in der Nähe der Leitung ein starker Kurzzeitstrom fließt, werden in den Drähten dieser Leitung Spannungen und Ströme induziert, die die elektrische Installation zerstören können und für Menschenleben gefährlich sind. Um dies zu vermeiden, werden spezielle Sicherungen verwendet, die aus zwei gekrümmten Elektroden bestehen, von denen eine mit der Leitung verbunden und die andere geerdet ist. Wenn das Potential der Leitung gegenüber Masse stark ansteigt, kommt es zwischen den Elektroden zu einer Funkenentladung, die zusammen mit der von ihr erwärmten Luft aufsteigt, sich verlängert und bricht.

Schließlich wird ein elektrischer Funke verwendet, um große Potentialunterschiede zu messen Ball Lücke, dessen Elektroden zwei Metallkugeln mit polierter Oberfläche sind. Die Kugeln werden auseinander bewegt und mit einer gemessenen Potentialdifferenz beaufschlagt. Dann werden die Kugeln zusammengebracht, bis ein Funke zwischen ihnen überspringt. Sie kennen den Durchmesser der Kugeln, den Abstand zwischen ihnen, den Druck, die Temperatur und die Luftfeuchtigkeit und finden anhand spezieller Tabellen die Potentialdifferenz zwischen den Kugeln. Dieses Verfahren kann verwendet werden, um Potentialunterschiede in der Größenordnung von Zehntausenden Volt bis auf wenige Prozent zu messen.

D. Bogenentladung.

Die Bogenentladung wurde 1802 von V. V. Petrov entdeckt. Diese Entladung ist eine der Formen der Gasentladung, die bei einer hohen Stromdichte und einer relativ niedrigen Spannung zwischen den Elektroden (in der Größenordnung von mehreren zehn Volt) auftritt. Die Hauptursache der Bogenentladung ist die intensive Emission von Thermoelektronen durch eine Glühkathode. Diese Elektronen werden durch ein elektrisches Feld beschleunigt und erzeugen eine Stoßionisation von Gasmolekülen, wodurch der elektrische Widerstand des Gasspalts zwischen den Elektroden relativ klein ist. Wenn wir den Widerstand des externen Stromkreises verringern, den Strom der Bogenentladung erhöhen, steigt die Leitfähigkeit des Gasspalts so stark an, dass die Spannung zwischen den Elektroden abnimmt. Daher wird gesagt, dass die Bogenentladung eine fallende Strom-Spannungs-Charakteristik hat. Bei Atmosphärendruck erreicht die Kathodentemperatur 3000 °C. Elektronen, die die Anode bombardieren, erzeugen darin eine Vertiefung (Krater) und erhitzen sie. Die Temperatur des Kraters beträgt etwa 4000 °C und erreicht bei hohem Luftdruck 6000-7000 °C. Die Temperatur des Gases im Lichtbogenentladungskanal erreicht 5000-6000 °C, so dass darin eine intensive thermische Ionisation auftritt.

In einigen Fällen wird auch bei relativ niedriger Kathodentemperatur (z. B. bei einer Quecksilberbogenlampe) eine Bogenentladung beobachtet.

1876 ​​verwendete P. N. Yablochkov erstmals einen Lichtbogen als Lichtquelle. Bei der "Yablochkov-Kerze" waren die Kohlen parallel angeordnet und durch eine gekrümmte Schicht getrennt, und ihre Enden waren durch eine leitfähige "Zündbrücke" verbunden. Beim Einschalten des Stroms brannte die Zündbrücke durch und zwischen den Kohlen bildete sich ein Lichtbogen. Als die Kohlen brannten, verdampfte die Isolierschicht.

Die Bogenentladung wird auch heute noch als Lichtquelle verwendet, beispielsweise in Suchscheinwerfern und Projektoren.

Die hohe Temperatur der Lichtbogenentladung macht es möglich, sie für den Bau eines Lichtbogenofens zu verwenden. Gegenwärtig werden Lichtbogenöfen, die mit sehr hoher Stromstärke betrieben werden, in einer Reihe von Industrien eingesetzt: zum Schmelzen von Stahl, Gusseisen, Ferrolegierungen, Bronze, zur Herstellung von Calciumcarbid, Stickstoffoxid usw.

1882 verwendete N. N. Benardos erstmals eine Lichtbogenentladung zum Schneiden und Schweißen von Metall. Die Entladung zwischen einer festen Kohleelektrode und Metall erwärmt die Verbindungsstelle zweier Bleche (oder Platten) und verschweißt sie. Benardos verwendete die gleiche Methode, um Metallplatten zu schneiden und Löcher in sie zu bohren. 1888 verbesserte N. G. Slavyanov diese Schweißmethode, indem er die Kohlenstoffelektrode durch eine Metallelektrode ersetzte.

Die Bogenentladung hat in einem Quecksilbergleichrichter Anwendung gefunden, der einen elektrischen Wechselstrom in einen Gleichstrom umwandelt.

E. Plasma.

Plasma ist ein teilweise oder vollständig ionisiertes Gas, in dem die Dichten positiver und negativer Ladungen nahezu gleich sind. Somit ist Plasma als Ganzes ein elektrisch neutrales System.

Das quantitative Merkmal von Plasma ist der Ionisierungsgrad. Der Plasmaionisationsgrad a ist das Verhältnis der Volumenkonzentration geladener Teilchen zur Gesamtvolumenkonzentration der Teilchen. Je nach Ionisationsgrad wird Plasma unterteilt in schwach ionisiert(a ist Bruchteile von einem Prozent), teilweise ionisiert (a in der Größenordnung von einigen Prozent) und vollständig ionisiert (a ist nahe 100 %). Schwach ionisiertes Plasma unter natürlichen Bedingungen sind die oberen Schichten der Atmosphäre - die Ionosphäre. Die Sonne, heiße Sterne und einige interstellare Wolken sind vollständig ionisiertes Plasma, das sich bei hohen Temperaturen bildet.

Die durchschnittlichen Energien verschiedener Arten von Teilchen, aus denen ein Plasma besteht, können erheblich voneinander abweichen. Daher kann Plasma nicht durch einen einzigen Temperaturwert T charakterisiert werden; Unterscheiden Sie zwischen der Elektronentemperatur T e , der Ionentemperatur T i (bzw. Ionentemperaturen, wenn mehrere Arten von Ionen im Plasma vorhanden sind) und der Temperatur neutraler Atome T a (Neutralkomponente). Ein solches Plasma wird als nicht-isotherm bezeichnet, im Gegensatz zum isothermen Plasma, bei dem die Temperaturen aller Komponenten gleich sind.

Plasma wird auch in Hochtemperatur (T i »10 6 -10 8 K und mehr) und Niedertemperatur unterteilt!!! (T i<=10 5 К). Это условное разделение связано с особой влажностью высокотемпературной плазмы в связи с проблемой осуществления управляемого термоядерного синтеза.

Plasma hat eine Reihe spezifischer Eigenschaften, die uns erlauben, es als einen besonderen vierten Aggregatzustand zu betrachten.

Aufgrund der hohen Mobilität geladener Plasmateilchen bewegen sie sich leicht unter dem Einfluss elektrischer und magnetischer Felder. Daher wird jede Verletzung der elektrischen Neutralität einzelner Bereiche des Plasmas, die durch die Ansammlung von Teilchen mit gleichem Ladungszeichen verursacht wird, schnell beseitigt. Die resultierenden elektrischen Felder bewegen geladene Teilchen, bis die elektrische Neutralität wiederhergestellt ist und das elektrische Feld Null wird. Im Gegensatz zu einem neutralen Gas, zwischen dessen Molekülen kurzreichweitige Kräfte wirken, wirken zwischen geladenen Plasmateilchen Coulomb-Kräfte, die relativ langsam mit der Entfernung abnehmen. Jedes Teilchen interagiert sofort mit einer großen Anzahl umgebender Teilchen. Aus diesem Grund können Plasmateilchen zusammen mit chaotischer thermischer Bewegung an verschiedenen geordneten Bewegungen teilnehmen. In einem Plasma werden leicht verschiedene Arten von Schwingungen und Wellen angeregt.

Die Plasmaleitfähigkeit steigt mit zunehmendem Ionisationsgrad. Bei hohen Temperaturen nähert sich ein vollständig ionisiertes Plasma in seiner Leitfähigkeit Supraleitern an.

Niedertemperaturplasma wird in Gasentladungslichtquellen verwendet - in Leuchtröhren für Werbeaufschriften, in Leuchtstofflampen. Eine Gasentladungslampe wird in vielen Geräten verwendet, beispielsweise in Gaslasern - Quantenlichtquellen.

Hochtemperaturplasma wird in magnetohydrodynamischen Generatoren verwendet.

Kürzlich wurde ein neues Gerät entwickelt, der Plasmabrenner. Das Plasmatron erzeugt leistungsstarke Strahlen aus dichtem Niedertemperaturplasma, die in verschiedenen Technologiebereichen weit verbreitet sind: zum Schneiden und Schweißen von Metallen, Bohren von Brunnen in Hartgestein usw.

Liste der verwendeten Literatur:

1) Physik: Elektrodynamik. 10-11 Zellen: Lehrbuch. zur Vertiefung in Physik / G. Ya. Myakishev, A. Z. Sinyakov, B. A. Slobodskov. - 2. Auflage - M.: Drofa, 1998. - 480 S.

2) Physikkurs (in drei Bänden). T.II. Elektrizität und Magnetismus. Proz. Handbuch für Fachhochschulen. / Detlaf A.A., Yavorsky B. M., Milkovskaya L. B. Izd. 4., überarbeitet. - M.: Höhere Schule, 1977. - 375 p.

3) Strom./E. G. Kalaschnikow. Ed. "Wissenschaft", Moskau, 1977.

4) Physik./B. B. Bukhovtsev, Yu. L. Klimontovich, G. Ya. Myakishev. 3. Auflage, überarbeitet. – M.: Aufklärung, 1986.

ELEKTRISCHER STROM IN GASE

Unabhängige und autarke Leitfähigkeit von Gasen. Gase leiten in ihrem natürlichen Zustand keinen Strom, d.h. sind Dielektrika. Dies kann leicht mit einem einfachen Strom überprüft werden, wenn der Stromkreis durch einen Luftspalt unterbrochen ist.

Die isolierenden Eigenschaften von Gasen erklären sich aus der Tatsache, dass die Atome und Moleküle von Gasen in ihrem natürlichen Zustand neutrale, ungeladene Teilchen sind. Daraus wird deutlich, dass es, um ein Gas leitfähig zu machen, auf die eine oder andere Weise notwendig ist, freie Ladungsträger - geladene Teilchen - einzuführen oder darin zu erzeugen. In diesem Fall sind zwei Fälle möglich: Entweder werden diese geladenen Teilchen durch die Einwirkung eines externen Faktors erzeugt oder von außen in das Gas eingeführt - nicht selbsttragende Leitung, oder sie werden im Gas durch die Einwirkung von erzeugt das elektrische Feld selbst, das zwischen den Elektroden besteht - selbsterhaltende Leitung.

In der gezeigten Abbildung zeigt das Galvanometer in der Schaltung trotz angelegter Spannung keinen Strom. Dies zeigt das Fehlen der Leitfähigkeit von Gasen unter normalen Bedingungen an.

Erhitzen wir nun das Gas im Intervall 1-2 auf eine sehr hohe Temperatur, indem wir einen brennenden Brenner hineinführen. Das Galvanometer zeigt das Auftreten eines Stroms an, daher zerfällt der Anteil der neutralen Gasmoleküle bei hoher Temperatur in positive und negative Ionen. Ein solches Phänomen wird genannt Ionisation Gas.

Wenn ein Luftstrahl von einem kleinen Gebläse in den Gasspalt gerichtet wird und eine ionisierende Flamme auf den Weg des Strahls außerhalb des Spalts gelegt wird, zeigt das Galvanometer einen bestimmten Strom an.

Das bedeutet, dass die Ionen nicht sofort verschwinden, sondern sich mit dem Gas mitbewegen. Wenn jedoch der Abstand zwischen der Flamme und dem Spalt 1-2 zunimmt, wird der Strom allmählich schwächer und verschwindet dann. In diesem Fall neigen entgegengesetzt geladene Ionen dazu, sich unter dem Einfluss der elektrischen Anziehungskraft anzunähern und sich beim Aufeinandertreffen wieder zu einem neutralen Molekül zu vereinen. Ein solcher Vorgang wird aufgerufen Rekombination Ionen.

Das Erhitzen eines Gases auf eine hohe Temperatur ist nicht die einzige Möglichkeit, die Moleküle oder Atome eines Gases zu ionisieren. Neutrale Atome oder Moleküle eines Gases können auch unter dem Einfluss anderer Faktoren ionisiert werden.

Die Ionenleitfähigkeit hat eine Reihe von Merkmalen. Daher sind positive und negative Ionen oft keine einzelnen ionisierten Moleküle, sondern Gruppen von Molekülen, die an ein negatives oder positives Elektron gebunden sind. Aus diesem Grund ist die Ladung jedes Ions zwar gleich eins oder zwei, selten mehr als die Anzahl der Elementarladungen, aber ihre Massen können sich erheblich von den Massen einzelner Atome und Moleküle unterscheiden. Darin unterscheiden sich Gasionen deutlich von Elektrolytionen, die immer bestimmte Atomgruppen darstellen. Aufgrund dieses Unterschieds gelten die für die Leitfähigkeit von Elektrolyten so charakteristischen Faradayschen Gesetze nicht für die Ionenleitfähigkeit von Gasen.

Der zweite, ebenfalls sehr wichtige Unterschied zwischen der Ionenleitfähigkeit von Gasen und der Ionenleitfähigkeit von Elektrolyten besteht darin, dass das Ohmsche Gesetz für Gase nicht eingehalten wird: Die Strom-Spannungs-Kennlinie ist komplexer. Die Strom-Spannungs-Kennlinie von Leitern (einschließlich Elektrolyten) hat die Form einer geneigten Geraden (Proportionalität von I und U), bei Gasen hat sie eine Vielzahl von Formen.

Insbesondere bei nicht selbsterhaltender Leitfähigkeit hat der Graph für kleine Werte von U die Form einer geraden Linie, d.h. Das Ohmsche Gesetz bleibt näherungsweise gültig; mit zunehmendem U krümmt sich die Kurve ab einer bestimmten Spannung und geht in eine horizontale Gerade über.

Das bedeutet, dass ab einer bestimmten Spannung der Strom trotz Spannungserhöhung konstant bleibt. Dieser konstante, spannungsunabhängige Stromwert wird als Strom bezeichnet Sättigungsstrom.

Es ist nicht schwierig, die Bedeutung der erhaltenen Ergebnisse zu verstehen. Wenn die Spannung ansteigt, nimmt anfänglich die Anzahl der Ionen zu, die den Entladungsquerschnitt passieren; der Strom I steigt, weil sich die Ionen in einem stärkeren Feld mit höherer Geschwindigkeit bewegen. Unabhängig davon, wie schnell sich die Ionen bewegen, kann die Anzahl von ihnen, die diesen Abschnitt pro Zeiteinheit passieren, nicht größer sein als die Gesamtzahl der Ionen, die in der Entladung pro Zeiteinheit durch den externen Ionisierungsfaktor erzeugt werden.

Experimente zeigen jedoch, dass wenn wir nach Erreichen des Sättigungsstroms im Gas die Spannung weiter deutlich erhöhen, der Verlauf der Strom-Spannungs-Kennlinie plötzlich gestört wird. Bei ausreichend hoher Spannung steigt der Strom stark an.

Der aktuelle Sprung zeigt, dass die Anzahl der Ionen sofort stark angestiegen ist. Der Grund dafür ist das elektrische Feld selbst: Es verleiht einigen Ionen so hohe Geschwindigkeiten, d.h. eine so große Energie, dass, wenn solche Ionen mit neutralen Molekülen kollidieren, letztere in Ionen zerfallen. Die Gesamtzahl der Ionen wird nun nicht mehr durch den Ionisationsfaktor bestimmt, sondern durch die Wirkung des Feldes selbst, das selbst die notwendige Ionisation unterstützen kann: von nicht selbsterhaltender Leitung wird unabhängig. Das beschriebene Phänomen des plötzlich einsetzenden Eigenleitvermögens, das den Charakter eines Gasspaltdurchbruchs hat, ist nicht die einzige, wenn auch sehr wichtige Form des Einsetzens des Eigenleitvermögens.

Funkenentladung. Bei ausreichend hoher Feldstärke (ca. 3 MV / m) erscheint zwischen den Elektroden ein elektrischer Funke, der die Form eines hell leuchtenden gewundenen Kanals hat, der beide Elektroden verbindet. Das Gas in der Nähe des Funkens wird auf eine hohe Temperatur erhitzt und dehnt sich plötzlich aus, wodurch Schallwellen entstehen und wir ein charakteristisches Knistern hören.

Die beschriebene Form der Gasentladung wird genannt Funkenentladung oder Gasfunken. Bei einer Funkenentladung verliert das Gas plötzlich seine dielektrischen Eigenschaften und wird zu einem guten Leiter. Die Feldstärke, bei der es zu einem Funkendurchschlag eines Gases kommt, hat für verschiedene Gase einen unterschiedlichen Wert und hängt von deren Zustand (Druck, Temperatur) ab. Je größer der Abstand zwischen den Elektroden ist, desto größer ist die Spannung zwischen ihnen, damit ein Funkendurchbruch des Gases einsetzt. Diese Spannung heißt Die Spannung unterbrechen.

Wenn man weiß, wie die Durchbruchspannung vom Abstand zwischen den Elektroden einer bestimmten Form abhängt, ist es möglich, die unbekannte Spannung entlang der maximalen Länge des Funkens zu messen. Dies ist die Grundlage für das Gerät eines Funkenvoltmeters für grobe Hochspannungen.

Es besteht aus zwei Metallkugeln, die an den Pfosten 1 und 2 befestigt sind, der 2. Pfosten mit der Kugel kann sich dem ersten mit einer Schraube nähern oder von ihm entfernen. Die Kugeln werden an eine Stromquelle angeschlossen, deren Spannung gemessen werden soll, und sie werden zusammengebracht, bis ein Funke entsteht. Durch Abstandsmessung mit einer Skala am Stativ kann man die Spannung entlang der Funkenlänge grob abschätzen (Beispiel: bei einem Kugeldurchmesser von 5 cm und einem Abstand von 0,5 cm beträgt die Durchschlagsspannung 17,5 kV, und in einem Abstand von 5 cm - 100 kV).

Das Auftreten des Zusammenbruchs wird folgendermaßen erklärt: In einem Gas gibt es immer eine bestimmte Anzahl von Ionen und Elektronen, die aus zufälligen Ursachen entstehen. Ihre Anzahl ist jedoch so gering, dass das Gas praktisch keinen Strom leitet. Bei ausreichend hoher Feldstärke kann die vom Ion im Intervall zwischen zwei Stößen angesammelte kinetische Energie ausreichen, um ein neutrales Molekül während des Stoßes zu ionisieren. Als Ergebnis werden ein neues negatives Elektron und ein positiv geladener Rest, ein Ion, gebildet.

Ein freies Elektron 1 spaltet beim Zusammenstoß mit einem neutralen Molekül dieses in ein Elektron 2 und ein freies positives Ion. Die Elektronen 1 und 2 spalten diese bei weiterer Kollision mit neutralen Molekülen wieder in die Elektronen 3 und 4 und freie positive Ionen und so weiter.

Diesen Ionisationsprozess nennt man Stoßionisation, und die Arbeit, die aufgewendet werden muss, um ein Elektron von einem Atom abzulösen - Ionisationsarbeit. Die Ionisationsarbeit hängt von der Struktur des Atoms ab und ist daher für verschiedene Gase unterschiedlich.

Die unter dem Einfluss der Stoßionisation gebildeten Elektronen und Ionen erhöhen die Anzahl der Ladungen im Gas und werden ihrerseits unter der Einwirkung eines elektrischen Feldes in Bewegung versetzt und können eine Stoßionisation neuer Atome erzeugen. Dadurch verstärkt sich der Prozess selbst und die Ionisation im Gas erreicht schnell einen sehr hohen Wert. Das Phänomen ähnelt einer Lawine, daher wurde dieser Vorgang genannt Ionen Lawine.

Die Bildung einer Ionenlawine ist der Vorgang des Funkendurchbruchs, und die Mindestspannung, bei der eine Ionenlawine auftritt, ist die Durchbruchspannung.

Ursache der Gasionisation ist also im Falle eines Funkendurchschlags die Zerstörung von Atomen und Molekülen bei Stößen mit Ionen (Stoßionisation).

Blitz. Ein schönes und unsicheres Naturphänomen - Blitze - ist eine Funkenentladung in der Atmosphäre.

Bereits Mitte des 18. Jahrhunderts wurde auf die äußerliche Ähnlichkeit des Blitzes mit einem elektrischen Funken geachtet. Es wurde vermutet, dass Gewitterwolken große elektrische Ladungen tragen und dass Blitze ein gigantischer Funke sind, der sich nicht von dem Funken zwischen den Kugeln einer elektrischen Maschine unterscheidet, außer in der Größe. Darauf wies beispielsweise der russische Physiker und Chemiker Michail Wassiljewitsch Lomonossow (1711-65) hin, der sich neben anderen wissenschaftlichen Fragen mit atmosphärischer Elektrizität befasste.

Dies wurde durch die Erfahrung von 1752-53 bewiesen. Lomonosov und der amerikanische Wissenschaftler Benjamin Franklin (1706-90), die gleichzeitig und unabhängig voneinander arbeiteten.

Lomonosov baute eine "Donnermaschine" - einen Kondensator, der sich in seinem Labor befand und durch einen Draht mit atmosphärischer Elektrizität aufgeladen wurde, dessen Ende aus dem Raum genommen und an einer hohen Stange angehoben wurde. Während eines Gewitters könnten Funken aus dem Kondensator von Hand entfernt werden.

Franklin startete während eines Gewitters einen Drachen an einer Schnur, die mit einer Eisenspitze ausgestattet war; Am Ende der Schnur war ein Türschlüssel befestigt. Als die Saite nass wurde und elektrischen Strom leitete, war Franklin in der Lage, elektrische Funken aus dem Schlüssel zu extrahieren, Leyden-Krüge aufzuladen und andere Experimente mit einer elektrischen Maschine durchzuführen (Es sei darauf hingewiesen, dass solche Experimente äußerst gefährlich sind, da Blitze kann Schlangen treffen, und gleichzeitig werden große Ladungen durch den Körper des Experimentators zur Erde gelangen. Es gab so traurige Fälle in der Geschichte der Physik: G. V. Richman, der mit Lomonosov zusammenarbeitete, starb 1753 in St. Petersburg).

Damit wurde gezeigt, dass Gewitterwolken tatsächlich stark elektrisch aufgeladen sind.

Verschiedene Teile einer Gewitterwolke tragen Ladungen mit unterschiedlichen Vorzeichen. Meistens ist der untere Teil der Wolke (zur Erde reflektiert) negativ geladen und der obere positiv geladen. Wenn sich also zwei Wolken mit entgegengesetzt geladenen Teilen nähern, springt ein Blitz zwischen ihnen hin und her. Blitzentladungen können jedoch auch auf andere Weise auftreten. Beim Überfliegen der Erde erzeugt eine Gewitterwolke große induzierte Ladungen auf ihrer Oberfläche, und daher bilden die Wolke und die Erdoberfläche zwei Platten eines großen Kondensators. Die Potentialdifferenz zwischen der Wolke und der Erde erreicht enorme Werte, gemessen in Hunderten von Millionen Volt, und in der Luft entsteht ein starkes elektrisches Feld. Wenn die Intensität dieses Feldes ausreichend groß gemacht wird, dann kann ein Zusammenbruch auftreten, d.h. Blitz, der die Erde trifft. Gleichzeitig trifft ein Blitz manchmal Menschen und verursacht Brände.

Gemäß zahlreichen Blitzstudien ist die Funkenladung durch die folgenden ungefähren Zahlen gekennzeichnet: Die Spannung (U) zwischen der Wolke und der Erde beträgt 0,1 GV (Gigavolt);

Stromstärke (I) bei Blitz 0,1 MA (Megaampere);

Blitzdauer (t) 1 µs (Mikrosekunde);

der Durchmesser des Leuchtkanals beträgt 10-20 cm.

Der Donner, der nach einem Blitz auftritt, hat denselben Ursprung wie das Knacken, wenn ein Laborfunke überspringt. Die Luft im Inneren des Blitzkanals wird nämlich stark erhitzt und ausgedehnt, weshalb Schallwellen entstehen. Diese Wellen, die von Wolken, Bergen usw. reflektiert werden, erzeugen oft ein langes Echo - Donnerschläge.

Corona-Entladung. Das Auftreten einer Ionenlawine führt nicht immer zu einem Funken, sondern kann auch eine andere Art von Entladung hervorrufen – eine Koronaentladung.

Spannen wir einen Metalldraht ab mit einem Durchmesser von einigen Zehntel Millimetern auf zwei hochisolierende Stützen und verbinden ihn mit dem Minuspol eines Generators, der eine Spannung von mehreren tausend Volt liefert. Wir werden den zweiten Pol des Generators zur Erde bringen. Sie erhalten eine Art Kondensator, dessen Platten der Draht und die Wände des Raums sind, die natürlich mit der Erde kommunizieren.

Das Feld in diesem Kondensator ist sehr ungleichmäßig und seine Intensität in der Nähe eines dünnen Drahtes ist sehr hoch. Indem man die Spannung allmählich erhöht und den Draht im Dunkeln beobachtet, kann man feststellen, dass bei einer bekannten Spannung ein schwaches Leuchten (Krone) in der Nähe des Drahtes erscheint und den Draht von allen Seiten bedeckt; es wird von einem Zischen und einem leichten Knistern begleitet. Wenn ein empfindliches Galvanometer zwischen dem Draht und der Quelle angeschlossen ist, zeigt das Galvanometer beim Auftreten eines Glühens einen merklichen Stromfluss vom Generator entlang der Drähte zum Draht und von dort durch die Raumluft zu den Wänden. zwischen dem Draht und den Wänden wird durch Ionen übertragen, die im Raum durch Stoßionisation gebildet werden. So weisen das Leuchten der Luft und das Auftreten einer Strömung auf eine starke Ionisierung der Luft unter Einwirkung eines elektrischen Feldes hin. Eine Koronaentladung kann nicht nur in der Nähe des Drahtes auftreten, sondern auch in der Nähe der Spitze und im Allgemeinen in der Nähe von Elektroden, in deren Nähe ein sehr starkes inhomogenes Feld gebildet wird.

Anwendung der Koronaentladung. Elektrische Gasreinigung (Elektrofilter). Ein mit Rauch gefülltes Gefäß wird plötzlich vollständig durchsichtig, wenn scharfe Metallelektroden, die mit einer elektrischen Maschine verbunden sind, hineingeführt werden, und alle festen und flüssigen Partikel werden sich auf den Elektroden ablagern. Die Erklärung für das Erlebnis lautet wie folgt: Sobald die Korona gezündet wird, wird die Luft im Inneren der Röhre stark ionisiert. Gasionen haften an Staubpartikeln und laden diese auf. Da innerhalb der Röhre ein starkes elektrisches Feld wirkt, bewegen sich die geladenen Staubpartikel unter dem Einfluss des Feldes zu den Elektroden, wo sie sich absetzen.

Elementarteilchenzähler. Der Geiger-Müller-Elementarteilchenzähler besteht aus einem kleinen Metallzylinder, der mit einem mit Folie bedeckten Fenster und einem dünnen Metalldraht ausgestattet ist, der entlang der Zylinderachse gespannt und von ihm isoliert ist. Der Zähler ist mit einem Stromkreis verbunden, der eine Stromquelle enthält, deren Spannung mehrere tausend Volt beträgt. Die Spannung wird so gewählt, dass sie für das Auftreten einer Koronaentladung im Zähler erforderlich ist.

Wenn ein sich schnell bewegendes Elektron in den Zähler eintritt, ionisiert letzteres die Gasmoleküle im Inneren des Zählers, wodurch die zum Zünden der Korona erforderliche Spannung etwas abnimmt. Im Zähler tritt eine Entladung auf und im Stromkreis tritt ein schwacher Kurzzeitstrom auf. Um es zu erkennen, wird ein sehr großer Widerstand (mehrere Megaohm) in den Stromkreis eingeführt und ein empfindliches Elektrometer parallel dazu geschaltet. Jedes Mal, wenn ein schnelles Elektron auf die Innenseite des Zählers trifft, biegen sich die Platten des Elektrometers.

Solche Zähler ermöglichen es, nicht nur schnelle Elektronen zu registrieren, sondern allgemein alle geladenen, sich schnell bewegenden Teilchen, die durch Stöße Ionisation erzeugen können. Moderne Zähler können problemlos auch nur ein einzelnes auf sie treffendes Teilchen detektieren und ermöglichen so mit absoluter Sicherheit und sehr großer Klarheit den Nachweis, dass es in der Natur tatsächlich geladene Elementarteilchen gibt.

Blitzableiter. Es wird geschätzt, dass etwa 1800 Gewitter gleichzeitig in der Atmosphäre des gesamten Globus auftreten, die im Durchschnitt etwa 100 Blitze pro Sekunde geben. Und obwohl die Wahrscheinlichkeit, dass eine einzelne Person vom Blitz getroffen wird, vernachlässigbar ist, richten Blitze dennoch großen Schaden an. Es genügt, darauf hinzuweisen, dass derzeit etwa die Hälfte aller Unfälle in großen Stromleitungen durch Blitze verursacht werden. Blitzschutz ist daher eine wichtige Aufgabe.

Lomonosov und Franklin erklärten nicht nur die elektrische Natur des Blitzes, sondern wiesen auch darauf hin, wie man einen Blitzableiter baut, der vor einem Blitzeinschlag schützt. Der Blitzableiter ist ein langer Draht, dessen oberes Ende über dem höchsten Punkt des geschützten Gebäudes angespitzt und verstärkt wird. Das untere Ende des Drahts ist mit einem Metallblech verbunden, und das Blech wird auf der Höhe des Bodenwassers im Boden vergraben. Während eines Gewitters erscheinen große induzierte Ladungen auf der Erde und ein großes elektrisches Feld erscheint nahe der Erdoberfläche. Seine Intensität ist in der Nähe von scharfen Leitern sehr hoch, und daher wird am Ende des Blitzableiters eine Koronaentladung gezündet. Dadurch können sich keine induzierten Ladungen auf dem Gebäude ansammeln und es kommt nicht zu Blitzen. In den Fällen, in denen immer noch ein Blitz auftritt (und solche Fälle sind sehr selten), trifft er den Blitzableiter und die Ladungen gehen zur Erde, ohne das Gebäude zu beschädigen.

In einigen Fällen ist die Koronaentladung des Blitzableiters so stark, dass an der Spitze ein deutlich sichtbares Leuchten auftritt. Ein solches Leuchten erscheint manchmal in der Nähe anderer spitzer Objekte, beispielsweise an den Enden von Schiffsmasten, scharfen Baumwipfeln usw. Dieses Phänomen wurde vor mehreren Jahrhunderten bemerkt und verursachte den abergläubischen Schrecken der Seefahrer, die sein wahres Wesen nicht verstanden.

Lichtbogen. 1802 entdeckte der russische Physiker V.V. Petrov (1761-1834) stellte fest, dass, wenn zwei Holzkohlestücke an den Polen einer großen elektrischen Batterie befestigt und die Kohlen in Kontakt gebracht und leicht auseinander bewegt werden, sich zwischen den Enden der Kohlen und der Kohle eine helle Flamme bildet Die Enden der Kohlen selbst werden weißglühend und geben ein blendendes Licht ab.

Das einfachste Gerät zur Erzeugung eines Lichtbogens besteht aus zwei Elektroden, für die es besser ist, keine Holzkohle zu verwenden, sondern speziell hergestellte Stäbe, die durch Pressen einer Mischung aus Graphit, Ruß und Bindemitteln erhalten werden. Als Stromquelle kann ein Beleuchtungsnetz dienen, in dem zur Sicherheit ein Rheostat enthalten ist.

Indem der Lichtbogen gezwungen wurde, bei einem konstanten Strom in einem komprimierten Gas (20 atm) zu brennen, war es möglich, die Temperatur des Endes der positiven Elektrode auf 5900°C zu bringen, d.h. zur Oberflächentemperatur der Sonne. Eine noch höhere Temperatur besitzt eine elektrisch gut leitende Säule aus Gasen und Dämpfen, durch die eine elektrische Ladung hindurchtritt. Energiebeschuss dieser Gase und Dämpfe durch Elektronen und Ionen, angetrieben durch das elektrische Feld des Lichtbogens, bringt die Temperatur der Gase in der Säule auf 6000–7000°C. Eine so starke Gasionisation ist nur möglich, weil die Bogenkathode viele Elektronen emittiert, die mit ihren Stößen das Gas im Entladungsraum ionisieren. Eine starke Elektronenemission von der Kathode wird dadurch gewährleistet, dass die Bogenkathode selbst auf eine sehr hohe Temperatur (von 2200 bis 3500 °C) erhitzt wird. Wenn Kohlen in Kontakt gebracht werden, um den Lichtbogen zu zünden, wird fast die gesamte Joulesche Wärme des durch die Kohlen fließenden Stroms an der Kontaktstelle freigesetzt, die einen sehr hohen Widerstand hat. Daher sind die Enden der Kohlen sehr heiß, und dies reicht aus, damit beim Auseinanderbewegen ein Lichtbogen zwischen ihnen ausbricht. In der Zukunft wird die Kathode des Lichtbogens durch den Strom selbst, der durch den Lichtbogen fließt, in einem erhitzten Zustand gehalten. Die Hauptrolle spielt dabei der Beschuss der Kathode durch darauf fallende positive Ionen.

Die Strom-Spannungs-Charakteristik des Lichtbogens hat einen ganz besonderen Charakter. Bei einer Bogenentladung nimmt mit zunehmendem Strom die Spannung an den Bogenenden ab, d.h. der Lichtbogen hat eine fallende Strom-Spannungs-Kennlinie.

Anwendung einer Bogenentladung. Beleuchtung. Aufgrund der hohen Temperatur geben die Lichtbogenelektroden blendendes Licht ab (das Leuchten der Lichtbogensäule ist schwächer, da der Emissionsgrad des Gases klein ist), und daher ist der Lichtbogen eine der besten Lichtquellen. Sie verbraucht nur etwa 3 Watt pro Candela und ist deutlich sparsamer als die besten Glühlampen. Der Lichtbogen wurde erstmals 1875 von dem russischen Ingenieur und Erfinder P.N. Jablotschkin (1847-1894) und wurde „Russisches Licht“ oder „Nordlicht“ genannt. Schweißen. Ein Lichtbogen wird zum Schweißen von Metallteilen verwendet. Als positive Elektrode dienen die zu schweißenden Teile; Wenn man sie mit Kohle berührt, die mit dem Minuspol der Stromquelle verbunden ist, entsteht ein Lichtbogen zwischen den Körpern und der Kohle, der das Metall schmilzt. Quecksilberbogen. Von großem Interesse ist ein in einem Quarzrohr brennender Quecksilberbogen, die sogenannte Quarzlampe. Bei dieser Lampe erfolgt die Bogenentladung nicht in Luft, sondern in einer Atmosphäre aus Quecksilberdampf, wozu eine kleine Menge Quecksilber in die Lampe eingebracht und die Luft abgepumpt wird. Das Licht des Quecksilberbogens ist extrem reich an ultravioletten Strahlen, die starke chemische und physiologische Wirkungen haben. Um diese Strahlung nutzen zu können, besteht die Lampe nicht aus Glas, das UV-Strahlung stark absorbiert, sondern aus Quarzglas. Quecksilberlampen werden häufig bei der Behandlung verschiedener Krankheiten sowie in der wissenschaftlichen Forschung als starke Quelle ultravioletter Strahlung eingesetzt.

Als Informationsquelle diente das elementare Lehrbuch der Physik

herausgegeben von Akademiker G.S. Landsberg (Bd. 2). Moskau, Verlag Nauka, 1985.

Hergestellt von MARKIDONOV TIMUR, Irkutsk.

Es entsteht durch die gerichtete Bewegung freier Elektronen und dass dabei keine Veränderungen in der Substanz, aus der der Leiter besteht, auftreten.

Solche Leiter, bei denen der Durchgang eines elektrischen Stroms nicht mit chemischen Veränderungen in ihrer Substanz einhergeht, werden als bezeichnet Dirigenten der ersten Art. Dazu gehören alle Metalle, Kohle und eine Reihe weiterer Stoffe.

Aber auch in der Natur gibt es solche Stromleiter, bei denen beim Stromdurchgang chemische Phänomene auftreten. Diese Dirigenten heißen Dirigenten der zweiten Art. Dazu gehören hauptsächlich verschiedene Lösungen in Wasser von Säuren, Salzen und Laugen.

Wenn Sie Wasser in ein Glasgefäß gießen und ein paar Tropfen Schwefelsäure (oder eine andere Säure oder Lauge) hinzufügen, dann zwei Metallplatten nehmen und Leiter daran befestigen, indem Sie diese Platten in das Gefäß absenken, und einen Strom anschließen Quelle zu den anderen Enden der Leiter über einen Schalter und ein Amperemeter, dann wird Gas aus der Lösung freigesetzt und es wird kontinuierlich fortgesetzt, bis der Stromkreis geschlossen ist. angesäuertes Wasser ist in der Tat ein Leiter. Außerdem beginnen sich die Platten mit Gasblasen zu bedecken. Dann lösen sich diese Blasen von den Platten und kommen heraus.

Wenn ein elektrischer Strom durch die Lösung fließt, treten chemische Veränderungen auf, wodurch Gas freigesetzt wird.

Leiter der zweiten Art werden Elektrolyte genannt, und das Phänomen, das im Elektrolyten auftritt, wenn ein elektrischer Strom durch ihn fließt, ist es.

In den Elektrolyten getauchte Metallplatten werden als Elektroden bezeichnet; Eine davon, die mit dem Pluspol der Stromquelle verbunden ist, wird Anode genannt, und die andere, die mit dem Minuspol verbunden ist, wird Kathode genannt.

Was verursacht den Durchgang von elektrischem Strom in einem flüssigen Leiter? Es stellt sich heraus, dass sich in solchen Lösungen (Elektrolyten) Säuremoleküle (Laugen, Salze) unter Einwirkung eines Lösungsmittels (in diesem Fall Wasser) in zwei Komponenten zersetzen und Ein Teilchen des Moleküls hat eine positive elektrische Ladung und das andere eine negative.

Die elektrisch geladenen Teilchen eines Moleküls werden Ionen genannt. Wenn eine Säure, ein Salz oder eine Lauge in Wasser gelöst wird, erscheint eine große Anzahl sowohl positiver als auch negativer Ionen in der Lösung.

Nun sollte klar werden, warum ein elektrischer Strom durch die Lösung floss, denn zwischen den an die Stromquelle angeschlossenen Elektroden entstand dieser, d.h. eine davon erwies sich als positiv und die andere als negativ. Unter dem Einfluss dieser Potentialdifferenz begannen sich positive Ionen in Richtung der negativen Elektrode – der Kathode – und negative Ionen – in Richtung der Anode zu bewegen.

So ist aus der chaotischen Ionenbewegung eine geordnete Gegenbewegung negativer Ionen in die eine und positiver Ionen in die andere Richtung geworden. Dieser Ladungstransferprozess stellt den Fluss von elektrischem Strom durch den Elektrolyten dar und findet statt, solange eine Potentialdifferenz zwischen den Elektroden besteht. Mit dem Verschwinden der Potentialdifferenz hört der Strom durch den Elektrolyten auf, die geordnete Bewegung der Ionen wird gestört und die chaotische Bewegung setzt wieder ein.

Betrachten Sie als Beispiel das Phänomen der Elektrolyse, wenn ein elektrischer Strom durch eine Lösung aus Kupfersulfat CuSO4 mit darin abgesenkten Kupferelektroden geleitet wird.

Das Phänomen der Elektrolyse, wenn Strom durch eine Kupfersulfatlösung fließt: C - Gefäß mit Elektrolyt, B - Stromquelle, C - Schalter

Es wird auch eine Gegenbewegung von Ionen zu den Elektroden geben. Das positive Ion ist das Kupferion (Cu) und das negative Ion ist das Säurerestion (SO4). Kupferionen werden beim Kontakt mit der Kathode entladen (binden die fehlenden Elektronen an sich), d.h. sie verwandeln sich in neutrale Moleküle aus reinem Kupfer und werden auf der Kathode in Form der dünnsten (molekularen) Schicht abgeschieden.

Negative Ionen, die die Anode erreicht haben, werden ebenfalls entladen (geben überschüssige Elektronen ab). Gleichzeitig gehen sie jedoch mit dem Kupfer der Anode eine chemische Reaktion ein, wodurch ein Molekül Kupfer Cu an den sauren Rest SO4 gebunden wird und ein Molekül Kupfersulfat CuSO4 entsteht, das zurückgeführt wird zurück zum Elektrolyt.

Da dieser chemische Prozess lange dauert, lagert sich Kupfer an der Kathode ab, das aus dem Elektrolyten freigesetzt wird. In diesem Fall erhält der Elektrolyt anstelle der zur Kathode gewanderten Kupfermoleküle durch die Auflösung der zweiten Elektrode - der Anode - neue Kupfermoleküle.

Der gleiche Vorgang tritt auf, wenn anstelle von Kupferelektroden Zinkelektroden verwendet werden und der Elektrolyt eine Lösung von Zinksulfat ZnSO4 ist. Zink wird auch von der Anode zur Kathode übertragen.

Auf diese Weise, Unterschied zwischen elektrischem Strom in Metallen und flüssigen Leitern liegt darin, dass in Metallen nur freie Elektronen, also negative Ladungen, Ladungsträger sind, während sie in Elektrolyten von entgegengesetzt geladenen Materieteilchen getragen werden - Ionen, die sich in entgegengesetzte Richtungen bewegen. Deshalb sagen sie das Elektrolyte haben Ionenleitfähigkeit.

Das Phänomen der Elektrolyse wurde 1837 von B. S. Jacobi entdeckt, der zahlreiche Experimente zur Untersuchung und Verbesserung chemischer Stromquellen durchführte. Jacobi fand, dass eine der in eine Kupfersulfatlösung gelegten Elektroden, wenn ein elektrischer Strom hindurchfließt, mit Kupfer bedeckt wird.

Dieses Phänomen heißt Galvanik, findet jetzt eine extrem breite praktische Anwendung. Ein Beispiel hierfür ist das Beschichten von Metallgegenständen mit einer dünnen Schicht anderer Metalle, also Vernickeln, Vergolden, Versilbern etc.

Gase (einschließlich Luft) leiten unter normalen Bedingungen keinen Strom. Beispielsweise nackt, parallel zueinander aufgehängt, durch eine Luftschicht voneinander isoliert.

Unter dem Einfluss hoher Temperaturen, einer großen Potentialdifferenz und aus anderen Gründen ionisieren Gase jedoch wie flüssige Leiter, d.h. Partikel von Gasmolekülen treten in großer Zahl in ihnen auf, die als Stromträger zum Durchgang beitragen von elektrischem Strom durch das Gas.

Aber gleichzeitig unterscheidet sich die Ionisation eines Gases von der Ionisation eines flüssigen Leiters. Wenn in einer Flüssigkeit ein Molekül in zwei geladene Teile zerfällt, dann werden in Gasen unter Einwirkung der Ionisation immer Elektronen von jedem Molekül getrennt und ein Ion bleibt in Form eines positiv geladenen Teils des Moleküls zurück.

Man muss nur die Ionisation des Gases stoppen, da es aufhört, leitend zu sein, während die Flüssigkeit immer ein Leiter des elektrischen Stroms bleibt. Folglich ist die Leitfähigkeit eines Gases ein vorübergehendes Phänomen, das von der Einwirkung äußerer Faktoren abhängt.

Es gibt jedoch noch einen anderen namens Bogenentladung oder nur ein Lichtbogen. Das Phänomen eines Lichtbogens wurde Anfang des 19. Jahrhunderts vom ersten russischen Elektroingenieur V. V. Petrov entdeckt.

V. V. Petrov entdeckte bei zahlreichen Experimenten, dass zwischen zwei an eine Stromquelle angeschlossenen Holzkohlen eine kontinuierliche elektrische Entladung durch die Luft auftritt, begleitet von einem hellen Licht. In seinen Schriften schrieb V. V. Petrov, dass in diesem Fall "der dunkle Frieden ziemlich hell erleuchtet werden kann". So wurde zum ersten Mal elektrisches Licht erhalten, das von einem anderen russischen Elektrowissenschaftler, Pavel Nikolaevich Yablochkov, praktisch angewendet wurde.

"Yablochkov's Candle", dessen Arbeit auf der Verwendung eines elektrischen Lichtbogens basiert, machte damals eine echte Revolution in der Elektrotechnik.

Die Bogenentladung wird auch heute noch als Lichtquelle verwendet, beispielsweise in Suchscheinwerfern und Projektoren. Die hohe Temperatur der Bogenentladung ermöglicht den Einsatz für . Gegenwärtig werden Lichtbogenöfen, die mit sehr hoher Stromstärke betrieben werden, in einer Reihe von Industrien eingesetzt: zum Schmelzen von Stahl, Gusseisen, Ferrolegierungen, Bronze usw. Und 1882 verwendete N. N. Benardos erstmals eine Lichtbogenentladung zum Schneiden und Schweißen von Metall.

In Gaslichtröhren, Leuchtstofflampen, Spannungsstabilisatoren, um Elektronen- und Ionenstrahlen zu erhalten, die sog Glühgasentladung.

Eine Funkenentladung wird verwendet, um große Potentialunterschiede mit einer Kugelfunkenstrecke zu messen, deren Elektroden zwei Metallkugeln mit polierter Oberfläche sind. Die Kugeln werden auseinander bewegt und mit einer gemessenen Potentialdifferenz beaufschlagt. Dann werden die Kugeln zusammengebracht, bis ein Funke zwischen ihnen überspringt. Sie kennen den Durchmesser der Kugeln, den Abstand zwischen ihnen, den Druck, die Temperatur und die Luftfeuchtigkeit und finden anhand spezieller Tabellen die Potentialdifferenz zwischen den Kugeln. Dieses Verfahren kann verwendet werden, um Potentialunterschiede in der Größenordnung von Zehntausenden Volt bis auf wenige Prozent zu messen.

Unter normalen Bedingungen sind Gase Dielektrika, weil. bestehen aus neutralen Atomen und Molekülen, und sie haben nicht genügend freie Ladungen Gase werden erst dann zu Leitern, wenn sie irgendwie ionisiert werden. Der Prozess der Ionisation von Gasen besteht darin, dass unter dem Einfluss irgendwelcher Gründe ein oder mehrere Elektronen vom Atom gelöst werden. Als Ergebnis wird anstelle eines neutralen Atoms positives Ion und Elektron.

Der Zerfall von Molekülen in Ionen und Elektronen wird genannt Gasionisation.

Ein Teil der gebildeten Elektronen kann von anderen neutralen Atomen eingefangen werden und erscheint dann negativ geladene Ionen.

Es gibt also drei Arten von Ladungsträgern in einem ionisierten Gas: Elektronen, positive Ionen und negative.

Die Trennung eines Elektrons von einem Atom erfordert den Aufwand einer bestimmten Energie - Ionisationsenergie W ich . Die Ionisierungsenergie hängt von der chemischen Natur des Gases und dem Energiezustand des Elektrons im Atom ab. Für die Ablösung des ersten Elektrons vom Stickstoffatom wird also eine Energie von 14,5 eV aufgewendet, und für die Ablösung des zweiten Elektrons - 29,5 eV, für die Ablösung des dritten - 47,4 eV.

Die Faktoren, die eine Gasionisation verursachen, werden genannt Ionisatoren.

Es gibt drei Arten der Ionisation: thermische Ionisation, Photoionisation und Stoßionisation.

Thermische Ionisierung entsteht durch Kollision von Atomen oder Molekülen eines Gases bei hoher Temperatur, wenn die kinetische Energie der Relativbewegung der kollidierenden Teilchen die Bindungsenergie eines Elektrons in einem Atom übersteigt.

Photoionisation entsteht unter dem Einfluss elektromagnetischer Strahlung (Ultraviolett-, Röntgen- oder γ-Strahlung), wenn die Energie, die notwendig ist, um ein Elektron von einem Atom abzulösen, durch ein Strahlungsquant auf dieses übertragen wird.

Ionisation durch Elektronenstoß(oder Stoßionisation) ist die Bildung positiv geladener Ionen durch Kollisionen von Atomen oder Molekülen mit schnellen Elektronen mit hoher kinetischer Energie.

Der Prozess der Gasionisierung wird immer von dem entgegengesetzten Prozess der Rückgewinnung neutraler Moleküle aus entgegengesetzt geladenen Ionen aufgrund ihrer elektrischen Anziehung begleitet. Dieses Phänomen heißt Rekombination. Während der Rekombination wird Energie freigesetzt, die gleich der für die Ionisierung aufgewendeten Energie ist. Dies kann beispielsweise Gasglühen verursachen.

Bei unveränderter Wirkung des Ionisators stellt sich im ionisierten Gas ein dynamisches Gleichgewicht ein, bei dem pro Zeiteinheit so viele Moleküle wiederhergestellt werden, wie sie in Ionen zerfallen. In diesem Fall bleibt die Konzentration geladener Teilchen im ionisierten Gas unverändert. Wenn jedoch die Wirkung des Ionisators gestoppt wird, beginnt die Rekombination die Ionisierung zu überwiegen, und die Anzahl der Ionen nimmt schnell auf fast Null ab. Folglich ist das Vorhandensein geladener Teilchen in einem Gas ein vorübergehendes Phänomen (solange der Ionisator in Betrieb ist).

In Abwesenheit eines äußeren Feldes bewegen sich geladene Teilchen zufällig.

Gasentladung

Wenn ein ionisiertes Gas in ein elektrisches Feld gebracht wird, beginnen elektrische Kräfte auf freie Ladungen zu wirken und sie driften parallel zu den Spannungslinien: Elektronen und negative Ionen - zur Anode, positive Ionen - zur Kathode (Abb. 1) . An den Elektroden werden Ionen durch Abgabe oder Aufnahme von Elektronen zu neutralen Atomen und schließen so den Stromkreis. Im Gas wird ein elektrischer Strom erzeugt.

Elektrischer Strom in Gasen ist die gerichtete Bewegung von Ionen und Elektronen.

Elektrischer Strom in Gasen heißt Gasentladung.

Der Gesamtstrom im Gas setzt sich aus zwei Strömen geladener Teilchen zusammen: dem zur Kathode gehenden Strom und dem zur Anode gerichteten Strom.

In Gasen ist die elektronische Leitfähigkeit, ähnlich der Leitfähigkeit von Metallen, mit der Ionenleitfähigkeit, ähnlich der Leitfähigkeit von wässrigen Lösungen oder Elektrolytschmelzen, kombiniert.

So hat die Leitfähigkeit von Gasen ionenelektronischer Charakter.