Электрический ток в плазме

Электрический ток в плазме

В обычных условиях газ – это диэлектрик, т.е. он состоит из нейтральных атомов и молекул и не содержит свободных носителей эл.тока.
Воздух является диэлектриком в линиях электропередач, в воздушных конденсаторах, в контактных выключателях.

При нагревании газа или действии на него ионизаторов (рентгеновских, радиоактивных или ультрафиолетовых лучей) газ ионизируется и становится электропроводным.
В газе в результате столкновений на высоких скоростях появляются свободные заряженные частицы: ионы и электроны.

Ионизированный газ обладает электронно-ионной проводимостью.
Воздух является проводником при возникновении молнии, электрической искры, при возникновении сварочной дуги.

Если ионизированный газ находится в электрическом поле, то в газе возникает упорядоченное движение заряженных частиц, и при достижении напряжения пробоя в газе происходит электрический газовый разряд.

Газовый разряд – это электрический ток в ионизированных газах. Носителями зарядов являются положительные ионы и электроны.

Газ перестает быть проводником, если ионизация газа прекращается. Электроны и положительные ионы в газе, встречаясь, могут образовать нейтральные атомы.

Явление воссоединения противоположно заряженных частиц в газе называется рекомбинацией заряженных частиц.

Существует самостоятельный и несамостоятельный газовый разряд.

Несамостоятельный газовый разряд – возникает при действии на газ внешнего ионизатора, когда электрический ток разряда достигает насыщения, здесь электропроводность газа вызвана лишь действием ионизатора. Если действие ионизатора прекратить , то прекратится и разряд.

Самостоятельный газовый разряд – возникает при увеличении разности потенциалов между электродами до напряжения пробоя, тогда газовый разряд продолжается и после прекращения действия внешнего ионизатора за счет ионов и электронов, возникающих в результате ударной ионизации, возникает электронная лавина.

Несамостоятельный газовый разряд может переходить в самостоятельный газовый разряд при Ua = Uпробоя.
Электрический пробой газа – процесс перехода несамостоятельного газового разряда в самостоятельный.

Самостоятельный газовый разряд бывает 4-х типов:

1. Тлеющий разряд – возникает при низких давлениях (до нескольких мм рт.ст.).
Тлеющий разряд при пониженном давлении можно наблюдать в рекламных газосветных трубках, лампах дневного света, газовых лазерах.

С понижением давления в газах возрастает длина свободного пробега электронов и ионов. При достаточно низком давлении возникает электрический разряд. При разряде газ в трубке светится, оставаясь холодным.
При небольшом разряжении воздуха в трубке между электродами появляется разряд в виде светящейся змейки. Если газ разрядить сильнее, то начинает светиться трубка. Цвет зависит от газа, наполняющего трубку. При этом часть разрядного пространства заполняется плазмой.

2. Искровой разряд – возникает при нормальном давлении и высокой напряженности электрического поля (около 3х10 6 В/м). Искровой разряд быстро гаснет и вспыхивает вновь. Примером такого разряда является молния. Длительность разряда молнии очень ммала (10 -6 с), но сила тока и напряжение огромны (5х10 5 А, 10 9 В).

3. Коронный разряд – возникает при нормальном атмосферном давлении в неоднородных электрических полях, внешне напоминает корону, можно увидеть на острых выступающих частях, например мачтах кораблей, в электрофильтрах, при утечке энергии.

4. Дуговой разряд – возникает при низком напряжении между электродами ( около 50 В), ток разряда очень сильный, а температура достигает 4000 о С.

Применение электрической дуги: первоначально – свеча Яблочкова, дуговая электросварка, мощные прожекторы, проекционная киноаппаратура.

Плазма

Плазма – это четвертое агрегатное состояние вещества с высокой степенью ионизации за счет столкновения молекул на большой скорости при высокой температуре.

Плазма встречается:
ионосфера – слабо ионизированная плазма,
Солнце – полностью ионизированная плазма;
пламя – ионизированный газ, состоит из нейтральных атомов, положительных ионов и электронов; является как бы смесьью трех газов: атоного, ионного и электронного;
искусственная плазма – в газоразрядных лампах.

Низкотемпературная – при температурах меньше 100 000К (пример – пламя);
высокотемпературная – при температурах больше 100 000К (пример – Солнце).

Основные свойства плазмы:

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

любое вещество находится в состоянии плазмы.

Интересно:
Плазма – это основное состояние вещества во Вселенной.
Радиационные пояса Земли представляют собой плазму.
.

Электрический ток в различных средах – Класс!ная физика

Теория электрической Вселенной. Часть 3: Электрические свойства плазмы

Плазма имеет очень специфические физические свойства. Она не является ни изолятором (имеющим очень высокое сопротивление), подобно неионизированному газу, ни суперпроводником (не имеющего сопротивления вообще). Тем не менее, она имеет довольно хорошую проводимость, даже лучше, чем у меди и золота. Обычно электрическое сопротивление плазмы составляет около 30 Ом. [21] Для сравнения: типичный импеданс [22] меди варьируется в пределах от 300 до 600 Ом. [23]

Электрический ток, в т.ч. и ток плазмы, возникает между двумя телами, имеющими различные электрические заряды. В этом случае позитивно заряженное тело (принимающее электроны с целью балансирования заряда) называют «анодом», а негативно заряженное тело (отдающее электроны) — «катодом».

Если разность потенциалов достаточно высока, расстояние между двумя электродами (анодом и катодом) достаточно мало и газ в среде достаточно плотен, то газ ионизируется (то есть разделение заряда высвобождает электроны). Затем начинается балансирование зарядов между двумя телами путем перехода электронов от катода к аноду, или позитивных ионов от анода к катоду (или обоими способами). Это очень распространённое явление. Например, его можно наблюдать в люминесцентных лампах и плазменных шарах.

В плазменных шарах плазменные нити (т.е. потоки электронов и позитивных ионов) тянутся от центрального электрода к стеклу — внешнему электроду — для того, чтобы сбалансировать разницу зарядов. Запомните этот пример, поскольку это очень хорошая аналогия того, что происходит в звёздном пространстве и даже в галактических масштабах.

Плазма проявляет различные виды разряда в зависимости от плотности проходящего через неё тока (ампер на квадратный метр). При слабом токе происходит «тёмный разряд», что означает отсутствие видимого излучения и света. Это то, что, например, происходит с тёмными астероидами, тёмными звёздами или в межзвёздном пространстве (как мы увидим в следующей главе при рассмотрении масштабируемости плазмы). Через плазму просто проходит очень слабый ток, чтобы заставить её светиться.

Когда плотность тока увеличивается, плазма начинает светиться. Это можно наблюдать в люминесцентных лампах, в кометах (т.е. светящихся астероидах) или в солнечной короне. Это называют «тлеющим разрядом» .

При дальнейшем усилении электрического тока плазма приобретает форму«дугового разряда», выражающегося во внезапных и мощных электрические разрядах. Это то, что можно наблюдать в молниях или при дуговой сварке. Это также тот самый феномен, который мы наблюдали в упомянутом выше плазменном шаре. Ещё это может происходить в кометах, приводя к их взрывному свечению и/или разрушению, как это случилось с известной кометой Шумейкера-Леви [24] и другими кометами. На рисунке изображены три вида разрядов плазмы.

Итак, плазма может проявлять три вида разрядов, в зависимости от плотности протекающего через неё тока.

Очень интересным свойством плазмы является её масштабируемость. Это означает, что плазма проявляет схожие характеристики вне зависимости от масштаба: как в лаборатории, так и в космосе. Фактически плазму можно наблюдать в широком диапазоне расстояний, а не только на атомарном уровне. Этот диапазон начинается на 10 -10 метрах в диаметре и доходит до галактического масштаба, который для нашего Млечного Пути составляет примерно 10 20 метров в диаметре.

Это означает, что плазма простирается в линейных размерах на 30 порядков. Она имеет схожие свойства во всем диапазоне (т.е. от 10 -10 до 10 20 метров). Рисунок выше иллюстрирует это сходство между микроскопической плазмой (на атомарном уровне) и макроскопической плазмой (в масштабе Солнечной системы).

Благодаря такой широкой масштабируемости космологи имеют возможность проводить наблюдения, формулировать гипотезы и, самое главное, проверять их в лабораториях (т.е. на микроскопическом уровне) и по методу аналогии применять их результаты к плазме, существующей в гораздо более крупном масштабе (космические феномены, например). С этой точки зрения, лабораторные эксперименты над плазмой, примененные к космическим феноменам, схожи с испытаниями самолётов или изучением естественного турбулентного потока в аэродинамической трубе на моделях меньшего масштаба с последующим применением результатов на реальных объектах.

Эта возможность проводить проверки позволяет выдвигать гипотезы и проверять теории в различных практических экспериментах, что является очень важным аспектом научного метода, как было сказано философом Карлом Поппером:

Критерием научного статуса теории является её фальсифицируемость, опровержимость, или проверяемость

[21]: Demidov, B. A. et al., ‘Anomalous Resistance And Microwave Radiation From A Plasma In A Strong Electric Field’, Soviet Physics (август 1965 г.) 21(2)

[22]: Импеданс является формой сопротивления. Чем он выше, тем ниже проводимость.

[23]: Cebik, L. B., ‘Some (Old) Notes on Home-Brew Parallel Transmission Lines’, QSL.

[24]: Мы рассмотрим это событие детальнее в главе 18: «Кометы или астероиды?»

Комментарий: Читайте все переведенные главы из книги Пьерра Лескодро (Pierre Lescaudron) «Земные изменения и взаимосвязь между человеком и космосом» (Earth Changes and the Human Cosmic Connection), и другие интересные статьи, имеющие отношение к этой же тематике:

Pierre Lescaudron

Пьерр Лескодро (M.Sc, MBA) родился в 1972 г. в Тулузе, Франция. Он сделал карьеру в административном руководстве, консалтинге и обучении аспирантов высокотехнологичных областей науки и промышленности.

Позже он стал редактором SOTT.net, исполнив свою заветную мечту изучать науку, технологию и историю.

Ему особенно нравится «связывать различные факты в единое целое» и сочетать области науки, которые традиционно считаются несвязанными между собой.

Электрический ток в газах. Типы самостоятельного разряда. Плазма.

Электрический ток в газах

1. Газы в обычных условиях—диэлектрики. Воздух исполь­зуют в технике как изолятор: а) в линиях электропередач; б) между обкладками воздушных конденсаторов; в) в контактах выключателей.

2. При определенных условиях газы — проводники: молния, электрическая искра, дуга при сварке. Процесс протекания тока через газ называетсягазовым разрядом. Свободные заряды (ионы обоих знаков и электроны) возникают в газах только в процессе ионизации.

Ионизация газов Ионизацию вызывают:

1. Высокая температура.
2. Ультрафиолетовые лучи.
3. Рентгеновские лучи, γ – лучи и т. п.

Ионизация осуществляется при условии: еЕλ > W ионизации, где λ — длина свободного пробега заряженных частиц.

Рекомбинация. Вследствие рекомбинации для поддержания длительного тока необходима постоянная ионизация.

Несамостоятельный и самостоятельный разряды

ОА — только часть заряженных час­тиц доходит до электродов, частьрекомбинирует;

АВ—ток почти не увеличивается (ток насыщения);

ВС — самостоятельный разряд.

Типы самостоятельного разряда. Техническое применение

1. Тлеющий разряд. Применяется в газосветных трубках, неоновых лампах, циф­ровых индикаторах, лампах дневного света, ртутных лампах низкого давления.

При определенных давлениях анодный столб распадается на отдельные слои, разделенные темными промежутками (страты).

Причиной ионизации газа в тлеющем разряде является ударная ионизация и выбивание электронов из катода положительными ионами.

2. Дуговой разряд. Применяется в ртутных лампах высокого давления, источниках света, при сварке металлов, в электроплавильных печах, при электролизе расплавов, в электропечах.

3. Коронный разряд Высокая напряженность. Используют в электрофиль­трах для очистки газов от при­месей твердых частиц. Применяется в счетчиках заряженных частиц Гейгера-Мюллера. Громоотвод. Отрица­тельное явление: вызывает утеч­ку энергии на высоковольтных линиях.

4. Искровой разряд Высокое напряжение. Применяется при обработке металлов.

Молния: U=10 8 В , I=10 5 А ,

продолжительность 10 -6 с ,

диаметр канала 10 – 20 см .

Плазма

Частично или полностью ионизованный газ назы­вается плазмой. Наиболее распространенное состояние вещества в природе:

1. Низкотемпературная плазма: Т 5 К.
2. Высокотемпературная плазма: Т>10 5 К.

Можно наблюдать: пламя костра, рекламные газовые трубки, медицинские кварцевые лампы. Большое значение: получение термоядерной реакции.

Электрический ток в газах

Урок 61. Физика 10 класс ФГОС

В данный момент вы не можете посмотреть или раздать видеоурок ученикам

Чтобы получить доступ к этому и другим видеоурокам комплекта, вам нужно добавить его в личный кабинет, приобрев в каталоге.

Получите невероятные возможности

Конспект урока “Электрический ток в газах”

Сегодня мы с вами поговорим об электрическом токе в газах. Как вы знаете, газы при нормальных условиях не проводят электрический ток, то есть являются диэлектриками. Убедиться в этом просто. Возьмём электрометр, присоединённый к пластинам заряженного плоского конденсатора. При комнатной температуре и достаточно сухом воздухе конденсатор разряжается очень-очень медленно. Это обусловлено тем, что газы состоят из нейтральных атомов или молекул. Однако при определённых условиях газы, в том числе и воздух, становятся проводниками. Например, если мы нагреем пламенем спиртовки или свечи, воздушный промежуток между дисками, то, как видим, электрометр начинает разряжаться. То есть через воздух проходит электрический ток. Вывод очевиден: в воздушном промежутке между дисками появились свободные носители электрического заряда.

Процесс прохождения электрического тока через газ называют газовым разрядом.

Объясним результаты рассмотренного опыта. Нагревание газа пламенем приводит к образованию свободных электронов и положительно заряженных ионов. Процесс, в результате которого некоторые атомы (или молекулы) газа теряют электроны и превращаются в положительно заряженные ионы, называют ионизацией газа.

Минимальное значение энергии, необходимой для отрыва электрона от атома, называют энергией ионизации атома, которая измеряется работой против сил притяжения электрона ядром атома:

Для примера, давайте с вами определим минимальную скорость, которой должен обладать электрон, чтобы он смог ионизировать атом водорода, если потенциал ионизации последнего равен 13,5 В.

Наряду с ионизацией может происходить присоединение образовавшихся при отрыве электронов к нейтральным атомам (молекулам) газа. Это приводит к образованию отрицательно заряженных ионов. Под действием электрического поля в газе возникает направленное движение положительно заряженных ионов к отрицательному электроду (катоду) и направленное движение электронов и отрицательно заряженных ионов к положительному электроду (аноду). Таким образом, носителями электрического заряда в ионизированных газах являются положительно и отрицательно заряженные ионы и свободные электроны. Следовательно, проводимость газов — ионно-электронная.

Если убрать пламя, то электрический ток исчезнет, то есть воздух между дисками опять станет диэлектриком. Это обусловлено тем, что при столкновении положительно заряженного иона с электроном они образуют нейтральный атом газа. Ионы разных знаков при столкновениях также превращаются в нейтральные атомы. Эти процессы называют рекомбинацией ионов.

Таким образом, для того, чтобы в газе появились свободные носители электрического заряда, его атомы необходимо ионизировать. Это можно осуществить нагреванием газа до высокой температуры, воздействием на газ ультрафиолетовым, рентгеновским, радиоактивным излучениями и так далее.

Внешние воздействия, в результате которых происходит ионизация газа, называют ионизаторами. А разряд, возникающий в результате ионизации газа под действием внешнего ионизатора, называют несамостоятельным.

Давайте изучим вольтамперную характеристику разряда в газе. Для этого воспользуемся стеклянной трубкой с двумя электродами, к которым приложено напряжение. При небольшом напряжении между электродами незначительное количество образовавшихся ионов и электронов достигает электродов, создавая электрический ток. Большинство ионов рекомбинируют, не успевая достигнуть электродов. При увеличении напряжения между электродами возрастает количество заряженных частиц, достигших электродов, то есть сила тока увеличивается. При этом сила тока прямо пропорциональна приложенному напряжению, то есть выполняется закон Ома.

При дальнейшем повышении напряжения пропорциональность нарушается. И начиная с некоторого значения напряжения все носители электрического заряда, образовавшиеся под действием ионизатора, достигают электродов не успев рекомбинировать. При этом сила тока принимает максимальное значение и не зависит от приложенного напряжения.

Напомним, что электрический ток, сила которого не зависит от напряжения, называют током насыщения.

При достаточно высоком напряжении свободные электроны под действием электрического поля ускоряются и приобретают кинетическую энергию, достаточную для ионизации атомов (молекул) газа при соударении с ними. Процесс отрыва от атома газа одного или нескольких электронов, вызванный столкновением с этими атомами свободных электронов, называют ионизацией электронным ударом.

Возникшие в результате ударной ионизации свободные электроны ускоряются электрическим полем и вызывают ионизацию новых частиц. Такие свободные электроны являются вторичным ионизатором. Это ведёт к лавинообразному нарастанию числа вторичных свободных электронов и положительно заряженных ионов, а значит, и к увеличению силы разрядного тока.

Однако сам разряд всё ещё остаётся несамостоятельным, так как после прекращения действия внешнего ионизатора он продолжается только до тех пор, пока отрицательно заряженные ионы и все электроны (первичные и вторичные) не достигнут анода, а положительно заряженные ионы — катода.

Но в ряде случаев газовый разряд может существовать и после прекращения действия внешнего ионизатора. В этом случае имеющееся между электродами сильное электрическое поле является причиной сохранения газового разряда, который называют самостоятельным.

Для возникновения самостоятельного разряда недостаточно наличия одного лишь процесса ударной ионизации. Для поддержания разряда необходимо, чтобы в газе постоянно возникали носители электрического заряда без действия внешнего ионизатора. При движении положительно заряженных ионов к катоду их кинетическая энергия под действием поля увеличивается. Если энергия ионов достаточно велика, то при ударе о катод они могут выбивать с его поверхности электроны. Этот процесс называют вторичной электронной эмиссией («эмиссия» означает «испускание»). Также при бомбардировке положительно заряженными ионами катода происходит его нагревание и возникает термоэлектронная эмиссией. В результате этих процессов в газе создаётся значительное число свободных электронов.

В зависимости от напряжённости электрического поля, давления газа, формы и вещества электродов различают несколько видов самостоятельного газового разряда: тлеющий, дуговой, коронный и искровой.

Тлеющий разряд широко используют в различных газосветных трубках, применяемых для световой рекламы и декораций, лампах дневного света и неоновых лампах.

Дуговой разряд является мощным источником света. Его используют в осветительных установках, для сварки и резки металлов, электролиза расплавов и так далее.

В 1802 г. профессор физики Петербургской медико-химической академии Василий Владимирович Петров установил, что если присоединить к полюсам большой электрической батареи два кусочка древесного угля, привести их в соприкосновение, а затем слегка раздвинуть на небольшое расстояние, то между концами углей образуется яркое пламя — электрическая дуга, — а сами концы углей раскаляются добела, испуская ослепительный свет.

Впервые электрическая дуга была применена в 1876 г. русским инженером Павлом Николаевичем Яблочковым для уличного освещения.

Коронный разряд возникает вблизи заострённой части проводника при атмосферном давлении под действием сильно неоднородного электрического поля. Он сопровождается слабым свечением, напоминающим корону, и характерным потрескиванием.

Искровой разряд наблюдают при высоком напряжении. Он со провождается ярким свечением газа, звуковым эффектом, который создаётся резким повышением давления. Примером искрового разряда в природе служит молния. Интересно, что извилистый вид молнии объясняется тем, что электрический разряд проходит через участки воздуха, имеющие наименьшее сопротивление. А такие участки расположены в воздухе случайным образом.

Для закрепления материала, решим с вами небольшую задачу. В газоразрядной трубке между плоскими электродами площадью 10 см 2 , расположенными на расстоянии 10 см друг от друга, сила тока насыщения равна 1,0 мкА. Разряд несамостоятельный. Какое число элементарных зарядов обоих знаков создаётся ежесекундно в 1,0 см 3 газа?

В заключение урока отметим, что при достаточно высоких температурах или под действием электромагнитного излучения происходит ионизация газа. Полностью или частично ионизированный газ, в котором концентрация положительных и отрицательных зарядов практически совпадает, называют плазмой.

Плазма является четвёртым агрегатным состояниям вещества и самым распространённым состоянием вещества во Вселенной (около 99 %).

В зависимости от степени ионизации различают частично ионизированную и полностью ионизированную плазму.

А в зависимости от скорости хаотического движения заряженных частиц различают холодную (T 5 К) и горячую (Т > 10 6 К) плазму. Примером холодной плазмы является плазма, образующаяся при всех видах электрического разряда в газах.

Звёзды представляют собой гигантские сгустки горячей плазмы. Плазма заполняет космическое пространство между звёздами и галактиками. Правда плотность плазмы в космическом пространстве очень мала, в среднем всего одна частица на кубический сантиметр.

Из-за большой подвижности заряженные частицы плазмы легко перемещаются под действием электрических и магнитных полей. Поэтому любое нарушение электрической нейтральности отдельных областей плазмы, вызванное скоплением частиц одного знака заряда, быстро ликвидируется. Поэтому, независимо от способа получения, плазма в целом является электрически нейтральной.

Отметим, что с ростом числа ионизированных атомов проводимость плазмы увеличивается. А полностью ионизированная плазма по своей проводимости приближается к сверхпроводникам.

III. Основы электродинамики

Тестирование онлайн

Электрический ток в жидкостях

Как известно, химически чистая (дистиллированная) вода является плохим проводником. Однако при растворении в воде различных веществ (кислот, щелочей, солей и др.) раствор становится проводником, из-за распада молекул вещества на ионы. Это явление называется электролитической диссоциацией, а сам раствор электролитом, способным проводить ток.

В отличие от металлов и газов прохождение тока через электролит сопровождается химическими реакциями на электродах, что приводит к выделению на них химических элементов, входящих в состав электролита.

Первый закон Фарадея: масса вещества, выделяющегося на каком-либо из электродов, прямо пропорциональна заряду, прошедшему через электролит

Электрохимический эквивалент вещества – табличная величина.

Второй закон Фарадея:

Протекание тока в жидкостях сопровождается выделением теплоты. При этом выполняется закон Джоуля-Ленца.

Электрический ток в металлах

При прохождении тока металлы нагреваются. В результате чего ионы кристаллической решетки начинают колебаться с большей амплитудой вблизи положений равновесия. В результате этого поток электронов чаще соударяется с кристаллической решеткой, а следовательно возрастает сопротивление их движению. При увеличении температуры растет сопротивление проводника.

Каждое вещество характеризуется собственным температурным коэффициентом сопротивления – табличная величина. Существуют специальные сплавы, сопротивление которых практически не изменяется при нагревании, например манганин и константан.

Явление сверхпроводимости. При температурах близких к абсолютному нулю (-273 0 C) удельное сопротивление проводника скачком падает до нуля. Сверхпроводимость – микроскопический квантовый эффект.

Применение электрического тока в металлах

Лампа накаливания производит свет за счет электрического тока, протекающего по нити накала. Материал нити накала имеет высокую температуру плавления (например, вольфрам), так как она разогревается до температуры 2500 – 3250К. Нить помещена в стеклянную колбу с инертным газом.

Электрический ток в газах

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.

В “рекламной” неоновой трубке протекает тлеющий разряд. Светящийся газ представляет собой “живую плазму”.

Между электродами сварочного аппарата возникает дуговой разряд.

Дуговой разряд горит в ртутных лампах – очень ярких источниках света.

Искровой разряд наблюдаем в молниях. Здесь напряженность электрического поля достигает пробивного значения. Сила тока около 10 МА!

Для коронного разряда характерно свечение газа, образуя “корону”, окружающую электрод. Коронный разряд – основной источник потерь энергии высоковольтных линий электропередачи.

Электрический ток в вакууме

А возможно ли распространение электрического тока в вакууме (от лат. vacuum – пустота)? Поскольку в вакууме нет свободных носителей зарядов, то он является идеальным диэлектриком. Появление ионов привело бы к исчезновению вакуума и получению ионизированного газа. Но вот появление свободных электронов обеспечит протекание тока через вакуум. Как получить в вакууме свободные электроны? С помощью явления термоэлектронной эмиссии – испускания веществом электронов при нагревании.

Вакуумный диод, триод, электронно-лучевая трубка (в старых телевизорах) – приборы, работа которых основана на явлении термоэлектронной эмиссии. Основной принцип действия: наличие тугоплавкого материала, через который протекает ток – катод, холодный электрод, собирающий термоэлектроны – анод.

Физика. 10 класс

Конспект урока

Физика, 10 класс

Урок 35. Электрический ток в вакууме и газах

Перечень вопросов, рассматриваемых на уроке:

1) особенности протекания электрического тока в вакууме и газах;

2) газовый разряд;

3) рекомбинация, ионизация;

4) самостоятельный разряд и несамостоятельный разряды;

6) зависимость силы тока от напряжения;

7) зависимость силы тока от внешних условий.

Глоссарий по теме:

Термоэлектронная эмиссия – явление испускания электронов нагретыми металлами.

Катодные лучи – это испускаемые катодом потоки электронов, движущиеся в вакууме.

Электрический ток газах или газовый разряд – это процесс прохождения электрического тока через газ.

Ионизация – это распад атомов и молекул на ионы.

Рекомбинация – это образование из ионов нейтральных атомов и молекул.

Самостоятельный разряд – это разряд, происходящий в газе без внешнего ионизатора.

Несамостоятельный разряд – это разряд, происходящий в газе только под влиянием внешнего ионизатора.

Плазма – это частично или полностью ионизированный газ.

Основная и дополнительная литература по теме урока:

Г.Я. Мякишев., Б.Б.Буховцев., Н.Н.Сотский. Физика.10 класс. Учебник для общеобразовательных организаций М.: Просвещение, 2017. – С. 372-375, 380-385.

Рымкевич А.П. Сборник задач по физике. 10-11 класс М.: Дрофа,2009.

Фортов В. Е., Храпак А. Г., Якубов И. Т. Физика неидеальной плазмы. Издательство: Физматлит, 2010 г.

Теоретический материал для самостоятельного изучения

Вакуум является идеальным диэлектриком. Чтобы в вакууме мог проходить электрический ток, в нем необходимо предварительно «создать» некоторую концентрацию свободных носителей заряда, это осуществляется с помощью явления термоэлектронной эмиссии. Термоэлектронная эмиссия – явление испускания веществом электронов при нагревании. Вакуумные приборы, работа которых основана на явлении термоэлектронной эмиссии, называются электронными лампами (вакуумный диод, электронно-лучевая трубка).

Электрический ток в газах, другими словами газовый разряд, – это совокупность электрических, оптических и тепловых явлений, возникающих при протекании электрического тока через вещество, находящееся в газообразном состоянии. Когда газ находится в своем обычном состоянии, он является диэлектриком. Чтобы протекание тока стало возможным, необходимо создать подходящие для этого условия, т. е. ионизировать газ. Ионизация происходит в результате воздействия:

1) космических лучей;

2) рентгеновского излучения;

3) ультрафиолетового излучения;

4) высокой температуры;

5) электрического поля.

Все газовые разряды делятся на 2 вида:

К самостоятельным относятся: искровой, дуговой, тлеющий и коронный разряды.

Электронно-лучевые трубки находят широкое применение в осциллографах, дисплеях компьютеров, радиолокаторах, медицинской аппаратуре.

Плазма – это частично или полностью ионизированный газ. В целом плазма является электрически нейтральной системой.

Частицы плазмы легко перемещаются под воздействием электрических и магнитных полей. Поэтому любое нарушение электрической нейтральности отдельных областей плазмы быстро ликвидируется, и нейтральность плазмы восстанавливается. Проводимость плазмы увеличивается по мере роста степени её ионизации.

При высоких температурах проводимость полностью ионизированной плазмы приближается к сверхпроводимости.

Примеры и разбор решения заданий:

1. Выберите правильный ответ.

Электронная пушка создаёт пучок электронов в стеклянной вакуумной камере. Все электроны, покинувшие катод пушки, ударяются в экран электронно-лучевой трубки. Если увеличить ускоряющее напряжение в пушке в 2 раза, то сила тока, идущего в вакууме через трубку.

1. 1 не изменится;
2. возрастёт примерно в раза;
3. возрастёт примерно в 2 раза;
4. возрастёт примерно в 4 раза.

Правильный вариант: 1) не изменится;

Подсказка: вспомните определение тока насыщения в вакууме.

1. Решите задачу: «Скорость электрона при выходе с поверхности катода, покрытого оксидом бария, уменьшилась в 2 раза. Работа выхода электрона из оксида бария равна 1,6·10 -19 Дж. Найдите скорость электрона до выхода из катода и после выхода из катода».

Теория Электрической Вселенной. Часть 7: Межзвездная плазма. Электрический ток в плазме Поиск по сайту

Теория Электрической Вселенной. Часть 7: Межзвездная плазма. Электрический ток в плазме

иллюстрация 1. Ток Биркеланда, протекающий через “пустое” межзвездное пространство

До недавнего времени космос считался полностью пустым, идеальным вакуумом. Этой точки зрения все еще придерживаются в широких научных кругах, хотя это и не совсем верно. Космос не пустой. Он заполнен плазмой. Эта космическая плазма состоит главным образом из очень легких молекул: ионов гелия, водорода и электронов, и их концентрация составляет приблизительно одну (ионизированную) частица на каждый кубический сантиметр. Для сравнения, концентрация воздуха в атмосфере составляет приблизительно 1013 частиц на кубический сантиметр.

На иллюстрации 1 изображен ток Биркеланда, пересекающий световые годы ‘пустого’ космоса, демонстрирующий тот факт, что очень низкая концентрация космической плазмы не препятствует возникновению электрических явлений. Помните эксперимент Милликена и то, как электромагнитная сила, созданная одним единственным электроном, повлияла на большую часть окружающего его пространства? В космических масштабах электрические свойства космической плазмы позволяют электрическим токам течь между небесными телами, поскольку плазма является очень хорошим проводником. Это позволяет иметь место электрическим взаимодействиям между поверхностью небесного тела и внешним слоем его двойной прослойки, а также взаимодействиям внутри нее.

Согласно Хэннесу Альфвену (Hannes Alfven) и Джеймсу Маккэнни (James McCanney), плазма в космосе практически нейтральна или лишь немного позитивна. Однако, есть некоторые разногласия по поводу электрического заряда (полярности) солнечного ветра. В то время как официальное теория утверждает, что солнечный ветер электрически нейтрален, британский математик и геофизик Сидни Чепмен (Sydney Chapman) заявил ещё в 1930, что солнечный ветер состоит из положительно заряженной плазмы. Совсем недавно физик Луис Альварес (Luis Alvarez) утверждал, что солнечный ветер проявляет полностью положительный электрический заряд. Жан Мартен Менье (Jean Martin Meunier) также заявляет, что солнечный ветер не является электрически нейтральным и объясняет это следующим образом:

Солнечный ветер как таковой имеет положительный заряд; он состоит из гораздо большего количества протонов h+, чем электронов. Почему? Потому что электроны выбрасываются в галактическое пространство солнечным ультрафиолетом, гамма и X-лучами со скоростью 10,000 – 300,000 км/с (эффект Комптона). Следствие: солнечный ветер (скоростью 300-900 км/с) является потоком протонов, стремящийся уравновесить потерю электронов.

Электрический ток в плазме

Помните плазменный шар и светящиеся нити, соединяющие центральный электрод и внешний пластиковый слой шара? Это – типичный разряд плазменного тока. Но почему плазма принимает такую нитевидную форму? Чтобы понять этот феномен, мы должны вспомнить курс физики средней школы, а точнее – урок об электромагнетизме и о том, как электромагнитное поле генерируется электрическим током.

Иллюстрация 2: магнитное поле, генерируемое током, текущим по проводу

На иллюстрации 2 мы видим, что электрический ток (красные стрелки) в проводе (синий и желтый) производит перпендикулярные ему магнитные витки (черные круговые стрелки). Подобным образом и ток в плазме будет генерировать перпендикулярные магнитные витки. Однако, в отличие от твердого медного провода, плазма в большинстве случаев текуча. По этой причине магнитные витки придают плазмовым разрядам форму нитей (иллюстрация 3). Таким образом, магнитное поле придает форму току, генерирующему это самое поле. С этой точки зрения, электрический ток в плазме создает магнитное поле, которое служит для его направления или “стягивания”.Другими словами происходит сжатие проводящей электрической нити магнитными силами. Эти нитевидные плазменные токи называются токами Биркеланда.

Линии магнитного поля “стягивают” ток Биркеланда в длинную нить

Теперь, когда мы знаем как ведет себя единичная нить плазменного тока, или ток Биркеланда, давайте посмотрим, что происходит в случае двух расположенных рядом плазменных нитей, как показано на иллюстрации 4. Для начала, магнитные поля, генерируемые каждой нитью, притягиваются друг к другу и стремятся к слиянию. Эти электромагнитные взаимодействия заставляют нити сближаться друг с другом (в верхней части). Затем вращающиеся магнитные поля заставляют нити обвиваться одна вокруг другой (в нижней части). Это называется плазменным вихрем.

Иллюстрация 4: электромагнитное взаимодействие приводит к сближению и скручиванию пары спирально формирующихся нитей, также известное как “плазменный вихрь”

Заметьте, что сначала две нити притягиваются друг к другу магнитными силами, но как только они достаточно сблизились, сила отталкивания отталкивает их друг от друга. В плазме происходит притяжение частиц друг к другу силой Лоренца, что приводит к ее сжатию. Но затем сжатие прерывается увеличением давления газа в плазме. Притяжение и отталкивание действуют совместно, создаваяочень стабильную структуру, в которой нити держатся на определенном расстоянии друг от друга. Они и не сливаются, и не разъединяются.

Держите это скрученные формы и вращающиеся движения в уме, поскольку в дальнейших статьях мы столкнемся с многочисленными случаями их возникновения в природе (например вихри, ураганы, формы галактик, хвосты комет, солнечные ветры, вращение звезд и планет и т.д.). К примеру, Энтони Перрат (Anthony Peratt) использовал эффект скручивания плазменных нитей, наблюдаемый в лабораторных условия, чтобы объяснить формирование галактик.

Иллюстрация 5: симуляция формирования галактики с помощью суперкомпьютера Энтони Перратом, основывающаяся на взаимодействии заряженных частиц.