Уравнение электрического тока в газе

Электрический ток в газах и в вакууме

Содержание:

Газы в естественном состоянии не проводят электричества (являются диэлектриками), так как состоят из электрически нейтральных атомов и молекул. Проводником может стать ионизированный газ, содержащий электроны, положительные и отрицательные ионы.

Ионизация может возникать под действием высоких температур, различных излучений (ультрафиолетового, рентгеновского, радиоактивного), космических лучей, столкновения частиц между собой.

Ионизированное состояние газа получило название плазмы. В масштабах Вселенной плазма — наиболее распространенное агрегатное состояние вещества. Из нее состоят Солнце, звезды, верхние слои атмосферы.

Прохождение электрического тока через газ называется газовым разрядом.

На странице -> решение задач по физике собраны решения задач и заданий с решёнными примерами по всем темам физики.

Электрический ток в газах и в вакууме

При обычных условиях газы плохие проводники тока. Для повышения проводимости можно газ либо нагреть, либо облучать разного рода лучами: ультрафиолетовыми, рентгеновскими и т.д. Ток в газах — это направленное движение ионов и свободных электронов, при этом ток в газах называют РАЗРЯДОМ. Газ, в котором большая часть атомов или молекул, ионизирована, называется ПЛАЗМОЙ. Различают разряды: ТИХИЙ, ИСКРОВОЙ, ДУГОВОЙ.

Ионизация газа. Ионная и электронная проводимость газа

Все газы в обычных условиях являются хорошими изоляторами, однако в ограниченном пространстве газы, в том числе воздух, можно сделать проводниками. Для этого нужно искусственно создать в них подвижные носители зарядов, т. е. ионизировать молекулы газа.

Показать это можно с помощью следующего опыта. Возьмем большой плоский конденсатор (рис. 20.1), раздвинем его пластины и присоединим их к источнику напряжения в несколько тысяч вольт. Чувствительный гальванометр покажет нам, что тока в цепи нет, хотя между пластинами имеется электрическое поле. Это означает, что в воздухе между пластинами свободных зарядов или совсем нет, или так мало, что гальванометр не реагирует на их перемещение. Дальше мы увидим, что правильным является второе утверждение.

Поставим между пластинами горящую свечу или направим туда пучок рентгеновских лучей. При этом стрелка гальванометра отклонится, т. е. в цепи пойдет ток. Значит, в воздухе произошла ионизация молекул (появились подвижные носители зарядов). Если убрать ионизатор, то ток быстро исчезает, так как воздух между пластинами опять становится изолятором. На основании опытов подобного рода было установлено, что ионизаторами газа могут быть: высокая температура, рентгеновские лучи, ультрафиолетовые лучи, лучи и т. д.

В газе, наряду с ионизацией всегда протекает и обратный процесс — рекомбинация ионов, т. е. образование нейтральных молекул из ионов газа. (Подумайте, почему при непрерывном действии ионизатора и отсутствии электрического поля в газе устанавливается подвижное равновесие между ионизацией молекул и рекомбинацией ионов.)

В единице объема газа находится тем больше подвижных носителей зарядов, чем интенсивнее ионизатор, т. е. чем больше ионов он создает за единицу времени. При ионизации от молекулы газа отрывается один из валентных электронов. Часть таких электронов присоединяется к нейтральным молекулам газа, образуя отрицательные ионы, а часть остается в свободном состоянии. Таким образом, подвижными носителями заряда в ионизированном газе являются свободные электроны и ионы (как положительные, так и отрицательные). Поэтому проводимость ионизированного газа оказывается частично ионной и частично электронной. (Подумайте, чем отличается ионизация в газе от ионизации в электролите.)

Зависимость силы тока в газе от напряжения

Повышая напряжение U на пластинах конденсатора и измеряя гальванометром силу тока l (рис. 20.1), можно получить зависимость силы тока в газе от напряжения (т. е. вольт-амперную характеристику газового промежутка) при действии постоянного ионизатора (рис. 20.2). На этом графике видно, что только при небольших напряжениях ток в газе подчиняется закону Ома. Выясним, чем это объясняется.

Когда напряжение между пластинами невелико, носители тока под действием электрического поля движутся медленно и в большинстве случаев успевают рекомбинировать, не дойдя до пластин.

При увеличении напряжения растет скорость движения ионов под действием поля, а вероятность их рекомбинации уменьшается. Поэтому за единицу времени все больше ионов успевает дойти до пластин и нейтрализоваться на них, т. е. ток усиливается (участок графика АВ на рис. 20.2). Итак, на этом участке ток возрастает за счет ослабления рекомбинации подвижных носителей зарядов в газе.

Если напряжение на пластинах будет и далее повышаться, то наступит момент, когда рекомбинация носителей тока практически совсем прекратится, а сила тока достигнет наибольшего значения I_н, которое от напряжения уже не зависит (участок ВС на графике рис. 20.2). Действительно, при отсутствии рекомбинации до пластин доходят все подвижные носители зарядов, которые успевает создавать ионизатор. Поэтому увеличение напряжения больше уже не может усиливать ток. Отметим, что для увеличения силы тока в этом случае нужно увеличивать интенсивность ионизатора. Такой токе газе, величина которого не зависит от напряжения, называют током насыщения.

Следовательно, на участке характеристики ВС (рис. 20.2) закон Ома неприменим. Заметим еще, что ионы, разряжающиеся на обкладках, снова превращаются в нейтральные молекулы того газа, из которого они образовались. Это означает, что химического действия ток в газе не создает и законы Фарадея к нему неприменимы.

При достаточно высоком напряжении, когда напряженность поля между пластинами достигает десятков тысяч вольт на сантиметр, свободные электроны, двигаясь под действием сил поля, приобретают на длине свободного пробега столь большую кинетическую энергию, что при столкновениях с молекулами газа отрывают от них электроны, т. е. ионизируют молекулы. Такое явление называют ударной ионизацией. В результате ударной ионизации количество носителей тока в газовом промежутке между электродами увеличивается и ток быстро возрастает (участок CD на графике рис. 20.2).

Электрический разряд в газе при атмосферном давлении

Разряд в газе, который происходит только при действии постороннего ионизатора, называют несамостоятельным. Этот разряд называют еще тихим (он обнаруживается только с помощью измерительных приборов). Разряд в газе, который может происходить без действия постороннего ионизатора, называют самостоятельным.

Как было показано выше, носителями тока в газе являются свободные электроны и ноны. Между тем при прохождении тока через газ ионы разряжаются у электродов, превращаясь в нейтральные атомы и молекулы, а электроны поглощаются положительным электродом. Кроме того, часть носителей тока ещё исчезает при рекомбинации. Следовательно, для поддержания тока в газе необходимо каким-то образом восполнять непрерывную убыль носителей тока. При несамостоятельном разряде, как мы уже знаем, это делает посторонний ионизатор. При самостоятельном же разряде эту роль выполняет сам ток.

Существует несколько механизмов образования новых носителей тока в газе. Один из них — ударная ионизация, о которой говорилось в предыдущем параграфе. Рассмотрим более подробно, в каком случае она возникает.

Вспомним, что для удаления электрона с зарядом е из точки поля с потенциалом за пределы поля надо выполнить работу против сил этого поля. Следовательно, чтобы ионизировать молекулу газа, нужно выполнить некоторую работу которую можно выразить соотношением

(20.1)

Потенциал называют потенциалом ионизации атома или молекулы. Его величина зависит от рода атомов и молекул.

Чтобы свободный электрон при столкновении с молекулой газа мог ее ионизировать, кинетическая энергия электрона перед его ударом о молекулу должна быть больше или равна работе ионизации т. е.

(20.2)

Эту энергию электрон должен приобрести под действием сил внешнего электрического поля в газе на пути свободного пробега так как после каждого столкновения с молекулой электрон теряет скорость своего направленного движения вдоль поля и начинает новый разбег. Действующая на электрон сила равна (где — напряженность поля), а путь электрона равен поэтому

(20.3)

где — масса электрона, a — его скорость перед ударом о молекулу.

Поскольку длина свободного пробега электрона при атмосферном давлении мала, то для возникновения ударной ионизации поле в газе должно иметь большую напряженность Поэтому ударная ионизация при атмосферном давлении наступает лишь при достаточно высоком напряжении.

Если постепенно увеличивать напряжение на электродах (рис. 20.1), то при некотором его значении напряженность поля станет достаточной для возникновения ударной ионизации. Число столкновений, приводящих к ударной ионизации, вначале невелико, но растет с увеличением напряжения.

Вторичные электроны, образующиеся при ударной ионизации, ускоряются полем и тоже принимают в ней участие. Наконец, при определенном напряжении на электродах каждый электрон, прежде чем исчезнуть, вызовет ионизацию хотя бы одной (в среднем) молекулы газа и образует хотя бы один новый свободный электрон. Тогда разряд в газе не только сможет поддерживать себя самостоятельно, но процесс ударной ионизации может принять лавинный характер. В этом случае лавинное умножение носителей приведет к быстрому возрастанию тока и возникновению электрического пробоя газа. Для начала такого самостоятельного разряда достаточно нескольких свободных электронов, которые всегда есть в газе.

Заметим, что ионы при столкновении с молекулами газа тоже могут вызывать ударную ионизацию.

Рассмотрим другие механизмы образования носителей тока при самостоятельном разряде.

При высокой температуре отрицательного электрода с него происходит термоэлектронная эмиссия, создающая значительное число свободных электронов в газе. Далее, положительно заряженные ионы газа притягиваются к отрицательному электроду, и если их кинетическая энергия достаточно велика, то при ударе об электрод они могут выбивать из него электроны. Это явление называют вторичной электронной эмиссией.

При холодном катоде и нормальном давлении вторичная эмиссия в газе возникает только при высоком напряжении. Если же катод накален, то самостоятельный разряд будет происходить и при небольшом напряжении на электродах. Примером такого разряда является электрическая дуга, открытая в 1802 г. русским физиком В. В. Петровым.

Соединим последовательно с реостатом два угольных электрода (А и К, см. рис. 20.3) и включим их в сеть с напряжением порядка 100 В. Сблизив угли до соприкосновения, мы замкнем цепь и увидим, что концы углей накаляются, так как сопротивление цепи в этом месте наибольшее. После этого раздвинем электроды. Ток продолжает идти через воздух, а между углями появляется светящаяся дуга. Концы углей при этом раскаляются еще сильнее и испускают ослепительный свет. На. аноде образуется углубление, а катод заостряется (рис. 20.4). Заметим, что дугу можно получить и между металлическими электродами.

Высокая температура электродов (анода порядка 4000°С, катода около 3000°С) поддерживается непрерывной бомбардировкой их поверхности заряженными частицами воздуха. Ток в дуге достигает десятков и сотен ампер (его величина ограничивается реостатом).

Важную роль в образовании подвижных носителей зарядов в дуге играет ее собственное излучение, которое ионизирует газ. Сопротивление газового промежутка при дуговом разряде, как и при любом самостоятельном разряде, зависит от величины тока. Поэтому закон Ома к дуговому разряду неприменим. Итак, дуговым называется разряд в газе, происходящий при раскаленном катоде или при высоком напряжении между электродами. Электрическая дуга широко используется в технике: например, в дуговых электропечах, при электролизе для получения алюминия, для электросварки, в качестве мощного источника света в прожекторах и т. д.

Искровым называют прерывистый разряд в газе, происходящий при высоком напряжении, достаточном для образования лавинного пробоя. Большая сила тока в момент образования искры снижает напряжение на электродах, и разряд прекращается. Через некоторое время напряжение на электродах поднимается, и разряд вновь возобновляется. Эти разряды следуют друг за другом очень быстро и для глаза сливаются в одну искру, которая имеет вид зигзагообразных светящихся линий, соединяющих электроды. Заметим, что при большой мощности источника тока искровой разряд может перейти в. дуговой.

Искра представляет собой тонкий ветвистый шнур сильно ионизированного газа. Благодаря высокой электропроводности этого шнура через него проходит очень большой ток. Газ в шнуре разогревается до очень высоких температур и ярко светится. Резкое повышение давления, вызванное разогревом газа, создает звуковой эффект.

Примером грандиозного .искрового разряда в Природе является молния. Напряжение между Землей и тучей во время грозы достигает нескольких сотен миллионов вольт, а сила тока в молнии превышает 100 000 А. Извилистый вид молнии объясняется тем, что разряд проходит через участки воздуха с наименьшим сопротивлением, а они расположены в газе случайным образом.

Кистевой и коронный разряды происходят в газе, когда ударная ионизация возникает не во всем пространстве, занятом полем, а лишь вблизи электродов или проводов, где напряженность поля наиболее высокая. Лавины затухают, достигая областей с более низкой напряженностью. Эти разряды протекают при напряжении, несколько меньшем того, которое необходимо для возникновения искры. Кистевой разряд получается, когда один электрод сделан в виде диска, а другой — в виде острия. Кистевой разряд имеет вид светящегося пучка, соединяющего острие с пластиной. Коронный разряд возникает около проводов, находящихся под высоким напряжением. Он сопровождается слабым свечением и характерным треском. При этом ионы, находящиеся в воздухе, вблизи провода, разряжаются на нем, вызывая утечку энергии, передаваемой по проводам. Поэтому корона на проводах высоковольтных передач — явление вредное. Полезное применение коронный разряд находит в электрофильтрах для очистки топочных газов, загрязняющих воздух мельчайшими частицами угля, и т. д.

Электрический разряд в разреженных газах. Газосветные трубки и лампы дневного света

Из сравнения формул (20.2) и (20.3) видно, что при самостоятельной проводимости газа должно выполняться соотношение

(20.4)

т. е. при увеличении длины свободного пробега электронов можно получить самостоятельную проводимость газа при меньшей напряженности поля Е, т. е. при более низком напряжении. Таким образом, при разрежении газа его проводимость должна возрастать. Этот вывод подтверждается следующим опытом.

Берут стеклянную трубку с двумя впаянными электродами и отверстием А для откачивания воздуха (рис. 20.5). Затем электроды присоединяют к источнику напряжения в несколько тысяч вольт. Если теперь через отверстие А откачивать из трубки воздух насосом, то при достаточно маленьком давлении воздух в трубке начинает светиться. Это означает, что в воздухе возник самостоятельный разряд. Свободные электроны в трубке появляются вследствие вторичной эмиссии на катоде, о поверхность которого ударяются ионы.

Характер свечения воздуха меняется в зависимости от степени разрежения. Сначала между электродами появляются лиловые шнуры, а затем начинает светиться весь воздух в трубке розоватым светом. Заполняя трубку различными газами и пропуская через них ток, можно увидеть, что каждый газ (разреженный) имеет свой собственный цвет свечения. Например, аргон светится синим светом, неон — красным и т. д.

Разряд в разреженном газе, сопровождающийся свечением, называют тлеющим. Тлеющий разряд испускает не особенно яркое свечение. Выделение тепловой энергии в газовом промежутке при тлеющем разряде невелико, и светящийся газ остается холодным. Тлеющий разряд используется для устройства газосветных трубок, которые широко применяются в световых рекламах.

Для освещения помещений часто используют лампы дневного света, представляющие собой газосветные трубки, стенки которых покрыты специальным составом — люминофором. Люминофор светится под действием излучения разреженного газа, возникающего при прохождении тока в лампе. Люминофор поглощает главным образом невидимое излучение, а сам испускает световое излучение, по составу близкое видимому излучению Солнца. Внутри ламп дневного света находятся разреженный инертный газ и пары ртути. Схема включения лампы показана на рис. 20.6.

Если замкнуть цепь, то ток идет через стартер и накаливает электроды внутри лампы, с которых возникает термоэлектронная эмиссия. При этом в лампе начинается самостоятельный разряд и высокая температура электродов поддерживается током в лампе, а стартер автоматически размыкается.

Излучение и поглощение энергии атомом

Различное свечение газов при тлеющем разряде объясняет теория Бора, которая была создана в 1913 г. Еще до появления этой теории было установлено, что видимое излучение создают молекулы и атомы.

Н. Бор предположил, что электрон в атоме может двигаться вокруг ядра не по любой орбите, а только по дозволенным орбитам, каждой из которых соответствует определенная энергия атома. Правило отбора этих орбит будет дано дальше (§ 35.15). Когда электрон движется по одной из дозволенных орбит, энергия атома остается неизменной. Наименьшая возможная энергия имеется у атома в том случае, когда электрон движется по ближайшей к ядру разрешенной орбите. Это состояние атома называют нормальным или основным. Оно может сохраняться сколь угодно долгое время.

Когда электрон находится на любой другой дозволенной орбите атома, состояние атома называют возбужденным. При этом энергия атома тем больше, чем на более далекой от ядра орбите находится электрон. В возбужденном состоянии атом долго находиться не может, и через короткое время (около 10 -8 с) электрон перескакивает на более близкую к ядру орбиту. Возможные переходы электрона с одной стационарной орбиты на другую в атоме водорода схематически показаны на рис. 20.7.

Для того чтобы атом перешел из нормального состояния в возбужденное, ему нужно передать вполне определенную порцию энергии, которую называют квантом. При этом чем больший квант энергии поглощает атом, тем дальше от ядра оказывается новая орбита электрона.

Таким образом, атом переходит из основного состояния в возбужденное только под влиянием внешних воздействий, способных передать ему нужную порцию энергии. Таким воздействием может быть столкновение атома с электроном, ионом или с другим атомом. При поглощении энергии излучения атом тоже переходит в возбужденное состояние. Когда затем атом переходит из возбужденного состояния в основное, он сам создает электромагнитное излучение определенной длины волны, уносящее выделенную атомом энергию. Чем больше энергии выделяет атом, тем короче электромагнитная волна (§ 28.3).

Так как электромагнитное излучение в определенном интервале длин волн является видимым светом, цвет которого определяется длиной волны, то при переходе атомов в основное состояние может возникать световое излучение разных цветов. Поскольку изменение энергии при переходе в основное состояние атомов определенного вида, например атомов водорода, одинаково, то набор цветов излучения для этих атомов один и тот же. Оказывается, набор цветов излучения у атомов определенного химического элемента всегда отличен от набора цветов излучения атомов другого элемента. Все эти вопросы подробнее будут изложены в §§ 35.15 и 35.16.

При тлеющем разряде столкновения атомов с электронами и ионами возбуждают атомы газа, и он начинает светиться определенным цветом, зависящим от природы газа.

Катодные лучи

В § 20.4 говорилось, что разрежение газа уменьшает его электрическое сопротивление. Однако при очень малых давлениях (порядка тысячных долей мм рт. ст.) увеличение разрежения газа приводит к росту его сопротивления. Свечение газа в трубке при этом почти исчезает, но светится с зеленоватым оттенком стекло трубки, которое расположено напротив катода. Описанное явление объясняют следующим образом.

Когда молекул газа в трубке остается мало, столкновения электронов с молекулами становятся редкими. Этим и объясняется прекращение свечения газа. При высоком вакууме большинство электронов и ионов без столкновений пролетают весь промежуток между электродами. Скорость движения положительных ионов в трубке перед ударом о катод при этом достигает 10 5 м/с. Ударяясь о катод, они выбивают из него электроны, которые движутся прямолинейно по перпендикуляру к поверхности катода со скоростью порядка 10 8 м/с. При ударе о стекло они возбуждают его молекулы, и оно начинает светиться. Пучок электронов, летящих прямолинейно от катода при высоком вакууме в трубке, называют катодными лучами.

Итак, стекло трубки светится в том месте, на которое попадают катодные лучи. Заметим, что столкновения электронов с молекулами газа, остающегося в трубке, должны происходить обязательно, так как в этом случае будут получаться ионы, вызывающие вторичную электронную эмиссию из катода. Если молекул газа в трубке совсем не будет или окажется слишком мало, то ток в трубке исчезнет, так как полный вакуум не пропускает ток (является идеальным изолятором). Если катодные лучи являются потоком электронов, то они должны отклоняться в электрическом и магнитном полях так, как должны отклоняться движущиеся отрицательные заряды (§ 22.9). Такое отклонение действительно наблюдается (рис. 20.8).

Катодные лучи вызывают свечение многих веществ, они обладают также механическим и тепловым действием. Заметим, что именно изучение свойств катодных лучей привело к открытию электронов и позволило определить их заряд и массу.

В трубках с сильно разреженным газом можно наблюдать следующее интересное явление. Если в катоде трубки просверлить отверстия (каналы), то можно проследить за движением положительных ионов газа за катодом (рис. 20.9). При включении такой трубки в цепь за катодом появляются лучи, которые называют анодными или каналовыми. Они являются потоком положительных ионов того газа, который остался в трубке. Свойства анодных лучей похожи на свойства катодных лучей, но в магнитном и электрическом полях они отклоняются значительно меньше, чем электроны (и в обратную сторону).

Понятие о плазме

Вспомним, что газ, в котором нет подвижных носителей зарядов (свободных электронов и ионов), является диэлектриком, а ионизированный газ — проводник, хотя в целом он электрически нейтрален, так как содержит равные количества положительных и отрицательных зарядов, являющихся носителями тока. Газ, в котором значительная часть атомов или молекул ионизирована, называют плазмой.

Итак, плазмой называют вещество в таком состоянии, когда оно в целом электрически нейтрально, но содержит равные количества свободных положительных и отрицательных зарядов. Если в плазме встречаются нейтральные атомы или молекулы, то ее называют частично ионизированной. Когда же все молекулы или атомы вещества ионизированы, то плазму называют полностью ионизированной.

При температуре порядка 20 000—30 000 К любое вещество представляет собой полностью ионизированную плазму. Это наиболее распространенное состояние вещества в природе. Солнце и другие звезды, в которых сосредоточено почти все вещество Вселенной, представляют собой гигантские сгустки высокотемпературной плазмы.

Из частично ионизированной плазмы состоят верхние слои атмосферы (ионосфера). Такого рода плазма, но в очень сильно разреженном состоянии рассеяна и в космическом пространстве. Примером частично ионизированной плазмы является также газ, через который проходит электрический ток.

Электрический ток в вакууме

Выше говорилось, что полный вакуум является идеальным изолятором. Для того чтобы через пространство, в котором создан высокий вакуум, пошел ток, нужно искусственно ввести в это пространство свободные электроны. Это можно сделать с помощью термоэлектронной эмиссии, помещая в вакуум металлическую проволоку, которую можно включать в электрическую цепь.

Пример такого устройства был изображен на рис. 18.2. Когда для опыта берут пустотную лампу накаливания, то электроны с раскаленной нити вылетают в вакуум. Если между нитью накала К и электродом А создать электрическое поле, заставляющее двигаться электроны к электроду А, то цепь замыкается и в вакууме течет ток. В этом случае свободные электроны движутся в вакууме беспрепятственно и за счет работы сил поля получают кинетическую энергию. Если напряжение между электродами на рис. 18.2 равно U, то работа сил поля по перемещению электрона между электродами К и А выражается формулой

Поскольку за счет этой работы электроны приобретают кинетическую энергию, получаем

(20.5)

Здесь — масса, — скорость и — заряд электрона. Напряжение в этом случае называют разгоняющим напряжением. Масса электрона очень мала, поэтому движением электронов в вакууме можно легко управлять.

Двухэлектродная лампа (диод)

На управлении движением свободных электронов в вакууме с помощью электрического поля основано устройство электронных ламп, которые по внешнему виду похожи на лампу, изображенную на рис. 18.2.

Простейшую электронную лампу с двумя электродами называют двухэлектродной лампой или диодом. Одним ее электродом является вольфрамовая проволочка, концы которой выведены из лампы. Это позволяет накаливать проволочку током от батареи накала Б_н (рис. 20.10, а). Внутри лампы создается высокий вакуум.

При накаливании проволочки К, которая служит катодом лампы, происходит термоэлектронная эмиссия и в лампе появляются свободные электроны. Второй электрод лампы A является анодом. Его можно соединять с катодом К через анодную батарею Б_a. Заметим, что анод имеет один вывод из лампы, таким образом, диод имеет всего три вывода для включения в цепь.

Когда анодная батарея отключена, а катод накален, то свободные электроны, находящиеся внутри лампы, держатся в непосредственной близости от катода и создают отрицательный пространственный заряд, который называют электронным облаком. При постоянной температуре накала катода у его поверхности существует подвижное равновесие между электронами, испаряющимися из катода и оседающими на нем (объясните, почему). Это означает, что количество свободных электронов в пространственном заряде лампы остается постоянным. Чтобы увеличить пространственный заряд, необходимо повысить температуру накала.

Включим теперь анодную батарею так, чтобы анод лампы был соединен с ее отрицательным полюсом, а катод — с положительным. Тогда электрическое поле внутри лампы будет смещать электроны к катоду и пространственный заряд в лампе несколько уменьшится, а тока в анодной цепи не будет. Это можно установить с помощью гальванометра G.

Соединим с анодом лампы положительный полюс батареи Б_а, а с катодом — ее отрицательный полюс (рис. 20.10, а). В этом случае поле в лампе будет перемещать электроны по направлению к аноду, т. е. через лампу пойдет ток, и стрелка гальванометра отклонится.

Таким образом, электронные лампы замечательны тем, что они пропускают ток только в одном направлении. Этим обусловлено важнейшее применение диода в технике для выпрямления переменного тока.

Вольтамперную характеристику диода, снятую при постоянной температуре накала катода, называют анодной характеристикой (рис. 20.10, б). Вначале ток в лампе растет с ростом анодного напряжения, что объясняется рассасыванием электронного облака около катода и уменьшением оседания электронов из облака на катоде. При дальнейшем увеличении напряжения, когда электронное облако полностью рассосется, все вылетевшие с катода электроны будут попадать на анод, и сила тока в лампе перестанет расти, т. е. достигается ток насыщения I_н. Его величина будет тем больше, чем выше температура накала катода. Из изложенного выше следует, что закон Ома к электронным лампам неприменим.

Для увеличения термоэлектронной эмиссии катод лампы покрывают слоем окислов бария и стронция. Работа выхода при этом резко снижается и эмиссия возрастает на несколько порядков. Такой катод называют оксидным. Заметим, что максимальный ток, на который рассчитан диод, обычно значительно меньше тока насыщения.

В современных лампах вместо батареи накала катод подогревают переменным током при определенном напряжении. Катод делают более массивным, и поэтому его температура накала остается постоянной. Схематическое изображение лампы с подогреваемым катодом показано на рис. 20.11.

Трехэлектродная лампа (триод)

Одним из очень важных положительных качеств электронных ламп является практическая безынерционность их работы. Объясняется это тем, что электроны являются самыми легкими подвижными носителями тока и даже при очень быстрых изменениях напряжения на электродах ток в лампе столь же быстро успевает изменяться.

В электронной лампе удобно управлять током с помощью дополнительного электрода, который помещают между катодом и анодом и называют сеткой. Сетку располагают близко к катоду, и поэтому даже при небольшом напряжении, подаваемом между сеткой и катодом, в зазоре между ними создается сильное электрическое поле, оказывающее сильное влияние на анодный ток лампы.

Обычно сетку изготавливают в виде проволочной спирали, навитой с небольшим зазором вокруг катода. Анод делают в форме сплошной цилиндрической поверхности, охватывающей сетку и катод. Электронную лампу с сеткой называют трехэлектродной лампой или триодом (рис. 20.12, а). Условное изображение триода показано на рис. 20.12, б (А — анод, К — катод, С — сетка). При отсутствии заряда на сетке в анодной цепи лампы течет определенный ток, создаваемый анодной батареей. Если на сетку подать отрицательное напряжение (т. е. ее потенциал станет ниже, чем у катода), то между сеткой и катодом появится поле, которое будет тормозить движение свободных электронов к аноду. Преодолеть это тормозящее действие поля и пролететь сквозь сетку к аноду смогут только те электроны, которые обладают достаточной кинетической энергией; остальные электроны будут отброшены полем к катоду. В результате ток в анодной цепи резко упадет, а при достаточно низком потенциале сетки ток совсем прекратится (рис. 20.13, а).

Наименьшее напряжение между сеткой и катодом, при котором ток в лампе прекращается, называют запирающим напряжением (U_з). Если сеточное напряжение меньше запирающего, то в анодной цепи будет идти ток (рис. 20.13, б), и при изменениях сеточного напряжения на небольшую величину ток будет сильно изменяться. На рис. 20.13, в показана зависимость анодного тока лампы I_а от сеточного напряжения U_c (сеточная характеристика лампы).

Таким образом, электронную лампу можно использовать для усиления электрических сигналов. На рис. 20.14 изображена схема усилителя. На сетку лампы подается постоянное напряжение U_см от батареи смещения Б_см и переменное напряжение U_сигн, которое необходимо усилить. Для каждого значения напряжения на сетке U_с = U_см + U_сигн на сеточной характеристике (рис. 20.15, а) можно найти соответствующее значение анодного тока и получить его график (рис. 20.15, в); изменения анодного тока повторяют изменения напряжения на сетке U_сигн (рис. 20.15, б, в). Пропорционально анодному току изменяется напряжение на сопротивлении нагрузки U_н= I_аR_н (рис. 20.15, г), причем изменения этого напряжения могут в десятки и даже сотни раз превосходить вызвавшие их изменения сеточного напряжения.

Анодный ток в лампе изменяется пропорционально сеточному напряжению, если напряжение на сетке U_с не выходит за пределы линейного участка сеточной характеристики (рис. 20.13, в). Если потенциал сетки окажется положительным относительно катода, то приращения анодного тока будут уже непропорциональны приращениям U_с (т. е. электрические сигналы при усилении будут искажаться). Кроме того, электроны частично начнут оседать на сетке, создавая ток в цепи сетки и нагружая источник сигнала. Это также приводит к искажению принятых сигналов. Такт: образом, потенциал сетки всегда должен оставаться отрицательным относительно катода. Для этого в цепь сетки включают батарею смещения (Б_см на рис. 20.14), которая создает отрицательное смещение U_cм на сетке (рис. 20.15).

Электронно-лучевая трубка

Для получения изображений на экране с помощью пучка электронов в осциллографах, телевизорах, радиолокационных установках и других электронных приборах используют электронно-лучевую трубку. Такая трубка представляет собой герметически закрытую стеклянную колбу с широким дном, из которой удален газ (рис. 20.16, а). В узкой части трубки расположена электронная пушка (рис. 20.16, б), которая создает электронный луч. Электронная пушка состоит из подогреваемого катода и управляющего электрода, который действует подобно сетке в триоде.

При подогреве катода происходит термоэлектронная эмиссия. Электроны летят к аноду и по пути проходят через отверстие в управляющем электроде, который имеет форму полого цилиндра. Управляющий электрод позволяет регулировать число электронов, прилетающих к аноду, и помогает собирать их в узкий пучок, который и называют электронным лучом. Анод представляет собой несколько дисков с отверстиями. Эти диски помещаются в полый металлический цилиндр. Такое устройство анода тоже помогает фокусировке электронного луча на дне колбы. Заметим, что дно колбы является экраном.

Менаду анодом и катодом трубки создается напряжение в несколько тысяч вольт. Поле между анодом и катодом разгоняет электроны до больших скоростей; поэтому, когда электроны, пролетев колбу, ударяются об экран, покрытый люминофором, последний начинает светиться — на экране возникает светлое пятнышко.

Управлять движением электронного луча в трубке можно с помощью дополнительного поперечного электрического поля, создаваемого отклоняющими пластинами. Для этого в трубку помещают две пары таких пластин, расположенных во взаимно перпендикулярных плоскостях (см. рис. 20.16, а). Поле одной пары пластин отклоняет электронный луч в горизонтальном направлении, поле второй пары — в вертикальном направлении. Таким способом можно перемещать светлое пятнышко в любое место экрана электронно-лучевой трубки. Заметим, что управлять электронным лучом можно и с помощью магнитных полей, создаваемых двумя катушками. Такое управление лучом используется в трубках телевизоров.

Электронно-лучевая трубка — главная деталь электронного осциллографа, который используется для изучения быстропротекающих процессов.

В осциллографе с электростатическим управлением на отклоняющие пластины, которые смещают электронный луч в горизонтальном направлении, подают напряжение, изменяющееся равномерно от нуля до максимума, а затем резким скачком спадающее до нуля. Когда напряжение достигает максимума, луч гасится, напряжение скачком спадает до нуля и луч возвращается в левую часть экрана. После этого весь описанный процесс повторяется снова, т. е. луч вновь проходит весь экран, гаснет, опять проходит экран и т. д. Напряжение, перемещающее луч в горизонтальном направлении, называют напряжением развертки, а создающий это напряжение блок — генератором развертки.

Если на вторые отклоняющие пластины, смещающие луч по экрану в вертикальном направлении, не подано напряжение, то на экране будет видна горизонтальная прямая линия. Если же на пластины вертикального отклонения подать изменяющееся напряжение, то луч, следуя изменениям напряжения, прочертит на экране его график — осциллограмму. В осциллографе имеется усилитель для предварительного усиления малых исследуемых напряжений.

С помощью осциллографа можно изучать и быстрые механические процессы, например механические колебания. Для этого пользуются датчиками, превращающими механические колебания в электрические, например пьезокристаллами, провода от которых присоединяют ко входу усилителя вертикального отклонения осциллографа, и получают осциллограмму механических колебаний.

Услуги по физике:

Лекции по физике:

Присылайте задания в любое время дня и ночи в ➔

Официальный сайт Брильёновой Натальи Валерьевны преподавателя кафедры информатики и электроники Екатеринбургского государственного института.

Все авторские права на размещённые материалы сохранены за правообладателями этих материалов. Любое коммерческое и/или иное использование кроме предварительного ознакомления материалов сайта natalibrilenova.ru запрещено. Публикация и распространение размещённых материалов не преследует за собой коммерческой и/или любой другой выгоды.

Сайт предназначен для облегчения образовательного путешествия студентам очникам и заочникам по вопросам обучения . Наталья Брильёнова не предлагает и не оказывает товары и услуги.

Электрический ток в газах

Средняя оценка: 4.1

Всего получено оценок: 932.

Средняя оценка: 4.1

Всего получено оценок: 932.

Электрическим током называют поток, который обусловлен упорядоченным движением электрически заряженных частиц. Движение зарядов принято за направление электрического тока. Электрический ток может быть кратковременным и долговременным.

Понятие электрического тока

При грозовом разряде может возникнуть электрический ток, который называют кратковременным. А для поддержания тока в течение длительного времени необходимо наличие электрического поля и свободных носителей электрического заряда.

Электрическое поле создают тела, заряженные разноименно. Силой тока называют отношение заряда, переносимое через поперечное сечение проводника за интервал времени, к этому интервалу времени. Измеряется она в Амперах.

Электрический ток в газах

Молекулы газа в обычных условиях не проводят электрический ток. Они являются изоляторами (диэлектриками). Однако, если изменить условия окружающей среды, то газы могут стать проводниками электричества. В результате ионизации (при нагреве или под действием радиоактивного излучения) возникает электрический ток в газах, который часто заменяют термином «электрический разряд».

Самостоятельные и несамостоятельные газовые разряды

Разряды в газе могут быть самостоятельными и несамостоятельными. Ток начинает существовать, когда появляются свободные заряды. Несамостоятельные разряды существуют пока на него действует сила извне, то есть внешний ионизатор. То есть, если внешний ионизатор перестал действовать, то и ток прекращается.

Самостоятельный разряд электрического тока в газах существует даже после прекращения действия внешнего ионизатора. Самостоятельные разряды в физике подразделяются на тихий, тлеющий, дуговой, искровой, коронный.

• Тихий– самый слабый из самостоятельных разрядов. Сила тока в нем очень мала (не более 1 мА). Он не сопровождается звуковыми или световыми явлениями.
• Тлеющий– если увеличить напряжение в тихом разряде, он переходит на следующий уровень – в тлеющий разряд. В этом случае появляется свечение, которое сопровождается рекомбинацией. Рекомбинация– обратный процесс ионизации, встреча электрона и положительного иона. Применяется в бактерицидных и осветительных лампах.

Что мы узнали?

Сами по себе атомы и молекулы газа нейтральны. Они заряжаются при воздействии извне. Если говорить кратко об электрическом токе в газах, то он представляет собой направленное движение частиц (положительных ионов к катоду и отрицательных ионов к аноду). Также важным является, что при ионизации газа, его проводящие свойства улучшаются.

Токи в газах

Вы будете перенаправлены на Автор24

Условия существования токов в газах

Газ, в котором нет заряженных частиц, не является проводником электрического тока (он изолятор). Газ будет проводником только в том случае, если возникнут носители электрических зарядов (свободные электроны и ионы), то есть газ будет ионизирован. Положительные ионы могут быть однозарядными и многозарядными, это зависит от количества потерянных электронов. Отрицательные ионы, обычно однозарядны, образованы присоединением одного электрона к атому.

Так, необходимо существование постороннего фактора ионизации, не связанного с наличием электрического поля для того, чтобы газ являлся проводником. Это может быть, например, высокая температура, излучение, столкновения атомов газа с быстро движущимися элементарными частицами. Надо отметить, что и в нормальных условиях газы, например воздух, имеют электрическую проводимость, правда, весьма малую. Эта проводимость вызвана излучением радиоактивных веществ, которые присутствуют на поверхности Земли, и космическими лучами, которые приходят на планету из пространства. В том случае, если напряжённость поля мала, то течение тока через газ останавливается практически сразу, как перестает работать внешний фактор ионизации. Подобный ток называют несамостоятельным.

Ионизацию газа, которая появляется как результат вырывания электронов из молекул и атомов самого газа называют объемной ионизацией. Кроме объемной ионизации выделяют поверхностную ионизацию. При таком типе ионизации, ионы и электроны попадают в газ со стенок сосуда, в котором он находится. Или с поверхности тел, которые в газ помещаются.

После того, как прекращает действовать ионизирующий фактор, положительные и отрицательные ионы газа объединяются и образуют нейтральные молекулы. Этот процесс носит название — рекомбинация. В результате рекомбинации проводимость газа возвращается к первоначальному значению. При этом проводимость газа уменьшается постепенно.

В том случае, когда напряженность поля довольно большая, то само поле может вызывать ионизацию газа, при которой газ становится проводником. В таких условиях ток называют самостоятельным. Универсальной зависимости силы самостоятельного тока от напряжения не выявлено. Все определяют конкретные условия. Сила самостоятельного тока может и увеличиваться и уменьшаться с ростом напряжения.

Готовые работы на аналогичную тему

Процесс прохождения электрического тока через газы называют газовым разрядом. Основными типами газового разряда являются:

Несамостоятельный газовый разряд (несамостоятельный ток)

Допустим, что газ, который находится между электродами, постоянно ионизируется. Пусть $N$ — концентрация зарядов каждого знака (или число пар ионов каждого знака), тогда $<(\frac