Электрический ток в газах. Плазма

физики МБОУСОШ №17 г. Рязани
Тулюпа Ираида Борисовна

из нейтральных атомов)
Этим свойством объясняется широкое использование воздуха в качестве

изолирующего вещества.
Принцип действия выключателей и рубильников: размыкая их металлические контакты, мы создаем между ними прослойку воздуха, не проводящую ток.

Газы - диэлектрики

Пламя, внесенное в пространство между двумя металлическими дисками, приводит к

тому, что гальванометр отмечает появление тока.
Отсюда следует: газ, нагретый до высокой темпера-туры, является проводником электрического тока.

Электрический ток в газах представляет собой упорядоченное движение свободных электронов и положительных ионов

атома,

называется энергией ионизации

Ионизация газа

Ионизация – процесс расщепления атомов на положительные ионы и электроны

Виды ионизации газа: - электронный удар - термическая ионизация - фотоионизация - радиоактивность

Ионизаторы – источники, вызывающие ионизацию газа




Ионизаторы газа: - пламя (высокая температура) - рентгеновское, ультрафиоле-товое, гамма – излучения - источники быстрых заряжен-ных частиц (катодные лучи)

+

объединения электронов и ионов в нейтральные атомы – рекомбинация
В

процессе рекомбинации газ снова приобретает диэлектрические свойства
Таким образом электрические свойства газов сильно зависят от действия внешних ионизаторов

Рекомбинация газа

в газе газовые разряды делятся на два вида.

газовый разряд
Несамостоятельный газовый разряд –

явление протекания электрического тока через газ под воздействием внешнего ионизатора.
Ток прекращается после окончания действия ионизатора

газовый разряд
Самостоятельный газовый разряд – процесс протекания электрического

тока в газе, происходящий при отсутствии постоянно действующего внешнего ионизатора.
Заряженные частицы в газе создаются под действием электрического поля, существующего между электродами

газового разряда
1. Тлеющий разряд
Условия возникновения:
низкие давления

(доли мм рт.ст.)
высокая напряженность электрического поля

Техническое применение:
- в лампах дневного света
в рекламе: неоновые лампы, рекламные трубки
в медицине: ртутные ультрафиолетовые лампы
на производстве, в быту: неоновые лампы (индикация и стабилизация напряжения)
в исследованиях: газовые лазеры

Положительные ионы, ударяясь о катод, вызывают вторичную электронную эмиссию

При увеличении напряжения между электродами трубки, заполненной газом, энергия движущихся ионов и электронов возрастает, возникает явление выбивания ионами из нейтральных молекул электронов – ударная ионизация, которая приводит к лавинному увеличению числа носителей заряда и резкому возрастанию тока
Такой разряд не нуждается в действии ионизатора

I

U

в различных газах
Гелий
Неон
Аргон
Криптон
Ксенон

газового разряда
2. Дуговой разряд
Условия возникновения:
Большая сила тока

(10 -100 А при малой напряженности электрического поля)

Техническое применение
Дуговые ртутные лампы, источники света: прожектора.
Сварка и резка металлов.
Получение инструментальной стали (90%) в дуговых печах

если к полюсам большой электрической батареи присоединить два кусочка угля

и привести их в соприкосновение а затем раздвинуть, то между концами углей образуется яркое пламя, а сами концы углей раскаляются добела, испуская ослепительный свет.
Электрическая дуга является мощным источником тепла, света, ультрафиолетового излучения

При атмосферном давлении температура катода приблизительно равна 3900 К.
По мере горения дуги катод заостряется, а на аноде образуется углубление — кратер - являющийся наиболее горячим местом дуги.

В.В. Петров
(1761-1834)

газового разряда
3.Коронный разряд
Условия возникновения:
Атмосферное и

более высокое давление
Сильное неоднородное электрическое поле, напряжённость = 3000000 В/м

Техническое применение:
Электроочистительные фильтры газовых смесей
Медицина
Счетчики элементарных частиц: позволяют любые заряженные, быстро движущиеся частицы

Из-за огромной напряженности электрического поля прилежащий воздух ионизируется и происходит стекание заряда в виде маленьких искр, образующих корону

ключе
Коронный разряд на линии электропередач
приводит к потере электроэнергии
Коронный разряд

на концах мачт
«Огни Святого Эльма»

Коронный разряд
на острие громоотвода

Молния ударяет в громоотвод и заряды уходят в Землю, не причиняя вреда зданию.

газового разряда
4. Искровой разряд
Условия возникновения:
Высокое

напряжение до 109 В при атмосферном давлении
Разряд имеет вид светящегося канала с разветвлениями
Разряд длится в течение 10-7 с.

Техническое применение:
Используется при обработке металлов, в системе зажигания двигателей внутреннего сгорания.

Кратковременная искра - пробой газа, обусловленный ионизацией молекул сильным электрическим полем

грозовым облаком и Землей

Искровой разряд в ДВС применяется

для воспламенения горючей смеси
Для образования мощной искры на свечу зажигания подается напряжение 20 – 30 кВ

Газ вблизи искры нагревается до высокой температуры и внезапно расширяется, отчего возникают звуковые волны, и мы слышим характерный треск.

Искровой разряд в ДВС

Искровой разряд на трансформаторе Тесла

Искра в виде ярко светящегося тонкого со сложным образом изогнутого и разветвленного канала (стримера)

термин "плазма" был использован в 1923 г. американскими физиками Ленгмюром

и Тонксом, которые стали с его помощью обозначать особое состояние ионизированного газа.
Плазма- наиболее распространенное состояние вещества во Вселенной (99% вещества)

В природе известны 4 состояния вещества

газообразное

твердое

жидкое

плазма

плазмы.
Плазма - сильно ионизированный газ, в котором концентрации положительных

и отрицательных зарядов практически одинаковы (в целом плазма нейтральна)

1. В зависимости от степени ионизации
Слабо ионизированная (ионизированы доли % молекул)
Умеренно ионизированная (ионизировано несколько % молекул)
Полностью ионизированная
2. В зависимости от скорости движения заряженных частиц
Низкотемпературная (T<105 К)
Высокотемпературная (T>105 К)

частицами, движущимися к Земле из области околоземного космического пространства, называемой

плазменным слоем.
Проекция плазменного слоя вдоль геомагнитных силовых линий на земную атмосферу имеет форму колец, окружающих северный и южный магнитные полюса

Полярные сияния

электропроводность. При высокой t°плазма приближается к сверхпроводникам
Сильное взаимодействие с электрическим

и магнитным полями
Каждая заряженная частица плазмы взаимодействует с большим числом заряженных частиц
Свечение

Эти свойства определяют качественное своеобразие плазмы, позволяющее считать ее особым, четвертым состоянием вещества.

Свойства плазмы

плазма
В светотехнике в газоразрядных лампах, освещающих улицы, и лампах дневного

света, используемых в помещениях.
В газоразрядных приборах: выпрямителях электрического тока, стабилизаторах напряжения, плазменных усилителях и генераторах сверхвысоких частот (СВЧ), счётчиках космических частиц.
В газовых лазерах – квантовых источниках света
В плазмотронах для резки, сварки металлов.
В плазменных двигателях в космических кораблях
В магнитогидродинамических электростанциях.

долгоживущую горячую плазму высокой плотности.
При достижении определенных параметров

плазмы в ней начинается термоядерная реакция синтеза ядер гелия из изотопов водорода (дейтерия и трития).
Первый токамак был разработан в Институте атомной энергии имени Курчатова в Москве и продемонстрирован в1968 в Новосибирске.
Токамак считается наиболее перспективным устройством для осуществления управляемого термоядерного синтеза.

Центральной задачей физики плазмы является проблема управляемого термоядерного синтеза

Токамак представляет полый тор, на который намотан проводник, образующий магнитное поле.
Основное магнитное поле в камере-ловушке, содержащей горячую плазму, создается тороидальными магнитными катушками.