Навчання

Випадкові матеріали

Всі матеріали

Пірит (залізний колчедан): фізичні та магічні властивості. Застосування мінералу в промисловості

Мало хто знає, що пірить і залізний колчедан - це дві різні назви одного і того ж мінералу. Цей камінь має ще одне прізвисько: «собаче золото». Чим цікавий мінерал? Які фізичні та магічні властивості він має? Про це розповість наша стаття.

Будова атмосфери Землі

Атмосфера нашої планети - це повітряна оболонка землі, що захищає поверхню від смертельного впливу на все живе ультрафіолетових променів Сонця. Крім цього атмосфера перешкоджає проникненню з космосу пилу і метеоритів.

Будова атмосфери Землі

Іонна кристалічна решітка

Тверді речовини існують у кристалічному та аморфному стані і переважно мають кристалічну будову. Воно відрізняється правильним місцем розташування частинок в точно певних точках, характеризується періодичною повторюваністю в об'ємному, тривимірному просторі. Якщо подумки з'єднати ці точки прямими - отримаємо просторовий каркас, який і називають кристалічною решіткою. Поняття «кристалічна решітка» належить до геометричного образу, який описує тривимірну періодичність у розміщенні молекул (атомів, іонів) у кристалічному просторі.

Іонна кристалічна решітка

Все про фермент пепсин

У цій статті мова піде про незамінний фермент, що знаходиться в шлунку у кожного ссавця, включаючи людину. Будуть розглянуті загальні відомості про фермент пепсин, інформація про його ізомери і роль речовини в процесах травлення.

Все про фермент пепсин

Карбонат, гідроксид і гідрокарбонат кальцію

Кальцій... Що вам про нього відомо? «» Це метал «», - тільки і дадуть відповідь багато. А які з'єднання кальцію існують? При цьому питанні всі почнуть чесати в потилиці. Так, негусто знань про останні, та й про сам кальцій теж. Гаразд, про нього поговоримо потім, а сьогодні давайте розберемо хоча б три його сполуки - карбонат, гідроксид і гідрокарбонат кальцію.

Карбонат, гідроксид і гідрокарбонат кальцію

Тонка кишка: візьме з їжі все

Саме тут організм бере з їжі все, ну, майже все. Тут відбувається ретельна і цілеспрямована хімічна обробка різних поживних речовин. Тут вирішується, чи засвоїться з'їдене. Здогадалися, що це за місце таке незвичайне? Так, таку роль у нашому тілі відіграє саме тонка кишка.

Тонка кишка: візьме з їжі все

Стрижнева коренева система: будова і приклади

Перебуваючи під землею і залишаючись абсолютно невидимим, корінь утворює цілі системи, які безпосередньо залежать від середовища проживання. При необхідності тип може видозмінюватися, щоб забезпечити рослину всім необхідним для зростання і розвитку.

Стрижнева коренева система: будова і приклади

Електричний струм у газах: визначення, особливості та цікаві факти

У природі не існує абсолютних діелектриків. Впорядкований рух частинок - носіїв електричного заряду, - тобто струм, можна викликати в будь-якому середовищі, однак для цього необхідні особливі умови. Ми розглянемо тут, як протікають електричні явища в газах і як газ можна з дуже хорошого діелектрика перетворити на дуже хороший провідник. Нас буде цікавити, за яких умов виникає, а також якими особливостями характеризується електричний струм у газах.

Електричні властивості газів

Діелектрик - це речовина (середовище), в якій концентрація частинок - вільних носіїв електричного заряду - не досягає скільки-небудь значущої величини, внаслідок чого провідність зневажливо мала. Всі гази - хороші діелектрики. Їх ізолюючі властивості використовуються повсюдно. Наприклад, у будь-якому вимикачі розмикання ланцюга відбувається, коли контакти приводяться в таке положення, щоб між ними утворився повітряний зазор. Дроти в лініях електропередач також ізолюються один від одного повітряним шаром.

Структурною одиницею будь-якого газу є молекула. Вона складається з атомних ядер і електронних хмар, тобто являє собою сукупність електричних зарядів, деяким чином розподілених у просторі. Молекула газу може бути електричним діполем внаслідок особливостей своєї будови або поляризуватися під дією зовнішнього електричного поля. Переважна більшість молекул, що складають газ, в звичайних умовах електрично нейтральні, оскільки заряди в них компенсують один одного.

Якщо додати до газу електричне поле, молекули приймуть дипольну орієнтацію, займаючи просторове положення, що компенсує вплив поля. Присутні в газі заряджені частинки під дією кулонівських сил почнуть рух: позитивні іони - в напрямку катода, негативні іони та електрони - до аноду. Однак якщо поле має недостатній потенціал, єдиний спрямований потік зарядів не виникає, і можна говорити швидше про окремі струми, настільки слабких, що ними слід знехтувати. Газ поводиться як діелектрик.

Таким чином, для виникнення електричного струму в газах необхідна велика концентрація вільних носіїв заряду і присутність поля.

Іонізація

Процес лавиноподібного збільшення числа вільних зарядів в газі називають іонізацією. Відповідно, газ, в якому присутня значна кількість заряджених частинок, називається іонізованим. Саме в таких газах створюється електричний струм.

Процес іонізації пов'язаний з порушенням нейтральності молекул. Внаслідок відриву електрона виникають позитивні іони, приєднання електрона до молекули призводить до утворення негативного іона. Крім того, в іонізованому газі багато вільних електронів. Позитивні іони і особливо електрони - головні носії заряду при електричному струмі в газах.

Іонізація відбувається, коли частинці повідомляється деяка кількість енергії. Так, зовнішній електрон у складі молекули, отримавши цю енергію, може покинути молекулу. Взаємні зіткнення заряджених частинок з нейтральними призводять до вибивання нових електронів, і процес приймає лавиноподібний характер. Кінетична енергія частинок також зростає, що значно сприяє іонізації.

Звідки береться енергія, що витрачається на збудження в газах електричного струму? Іонізація газів має кілька джерел енергії, відповідно яким прийнято іменувати і її типи.

  1. Іонізація електричним полем. У цьому випадку потенційна енергія поля перетворюється на кінетичну енергію частинок.
  2. Термоіонізація. Підвищення температури також веде до утворення великої кількості вільних зарядів.
  3. Фотоіонізація. Суть цього процесу в тому, що енергію електронам повідомляють кванти електромагнітного випромінювання - фотони, якщо вони мають досить високу частоту (ультрафіолетові, рентгенівські, гамма-кванти).
  4. Ударна іонізація є результатом перетворення кінетичної енергії стикаються частинок в енергію відриву електрону. Поряд з термоіонізацією, вона служить основним фактором збудження в газах електричного струму.

Кожен газ характеризується певною пороговою величиною - енергією іонізації, необхідною для того, щоб електрон міг відірватися від молекули, подолавши потенційний бар'єр. Ця величина для першого електрону становить від декількох вольт до двох десятків вольт; для відриву наступного електрону від молекули потрібно більше енергії і так далі.

Слід враховувати, що одночасно з іонізацією в газі протікає зворотний процес - рекомбінація, тобто відновлення нейтральних молекул під дією кулонівських сил тяжіння.

Газовий розряд і його типи

Отже, електричний струм у газах обумовлений впорядкованим рухом заряджених частинок під дією доданого до них електричного поля. Наявність таких зарядів, у свою чергу, можлива завдяки різним факторам іонізації.

Так, термоіонізація вимагає значних температур, але відкрите полум'я у зв'язку з деякими хімічними процесами сприяє іонізації. Навіть при порівняно невисокій температурі в присутності полум'я фіксується поява в газах електричного струму, і досвід з провідністю газу дозволяє легко в цьому переконатися. Треба помістити полум'я пальника або свічки між обкладками зарядженого конденсатора. Ланцюг, розімкнутий раніше через повітряний зазор в конденсаторі, замкнеться. Включений у ланцюг гальванометр покаже наявність струму.

Електричний струм у газах називається газовим розрядом. Потрібно мати на увазі, що для підтримки стабільності розряду дія іонізатора має бути постійною, оскільки через постійну рекомбінацію газ втрачає електропровідні властивості. Одні носії електричного струму в газах - іони - нейтралізуються на електродах, інші - електрони, - потрапляючи на анод, прямують до «плюсу» джерела поля. Якщо іонізуючий фактор перестане діяти, газ негайно знову стане діелектриком, і струм припиниться. Такий струм, залежний від дії зовнішнього іонізатора, називається несамостійним розрядом.

Особливості проходження електричного струму через гази описуються особливою залежністю сили струму від напруги - вольт-амперною характеристикою.

Розглянемо розвиток газового розряду на графіку вольт-амперної залежності. При підвищенні напруги до деякого значення U1 струм наростає пропорційно йому, тобто виконується закон Ома. Зростає кінетична енергія, а отже, і швидкість зарядів в газі, і цей процес випереджає рекомбінацію. При значеннях напруги від U1 до U2 таке співвідношення порушується; при досягненні U2 всі носії зарядів досягають електродів, не встигаючи рекомбінувати. Всі вільні заряди задіяні, і подальше підвищення напруги не призводить до збільшення сили струму. Такий характер руху зарядів називається струмом насичення. Таким чином, можна сказати, що електричний струм в газах обумовлений також особливостями поведінки іонізованого газу в електричних полях різної напруженості.

Коли різність потенціалів на електродах досягає певного значення U3, напруга стає достатньою, щоб електричне поле викликало лавиноподібну іонізацію газу. Кінетичної енергії вільних електронів вже вистачає для ударної іонізації молекул. Швидкість їх при цьому в більшості газів становить близько 2000 км/с і вище (вона розраховується за наближеною формулою v = 600 Ui, де Ui - іонізаційний потенціал). У цей момент відбувається пробій газу і істотне зростання струму за рахунок внутрішнього джерела іонізації. Тому такий розряд називається самостійним.

Наявність зовнішнього іонізатора в даному випадку вже не відіграє ролі для підтримки в газах електричного струму. Самостійний розряд в різних умовах і при різних характеристиках джерела електричного поля може мати ті чи інші особливості. Виділяють такі типи самостійного розряду, як тліючий, іскровий, дуговий і коронний. Ми розглянемо, як поводиться електричний струм у газах, коротко для кожного з цих типів.

Тліючий розряд

У розрідженому газі достатньо різниці потенціалів від 100 (і навіть менше) до 1000 вольт для збудження самостійного розряду. Тому тліючий розряд, що характеризується малим значенням сили струму (від 10-5 А до 1 А), виникає при тисках не більше декількох міліметрів ртутного стовпа.

У трубці з розрідженим газом і холодними електродами формується тліючий розряд виглядає як тонкий шнур, що світиться між електродами. Якщо продовжити відкачування газу з трубки, буде спостерігатися розмивання шнура, а при тисках в десяті частки міліметрів ртутного стовпа свічення заповнює трубку практично повністю. Світіння відсутнє поблизу катода - в так званому темному катодному просторі. Інша частина називається позитивним стовпчиком. При цьому головні процеси, що забезпечують існування розряду, локалізуються саме в темному катодному просторі і в прилеглій до нього області. Тут відбувається прискорення заряджених частинок газу, що вибивають з катода електрони.

При тліючому розряді причиною іонізації є електронна емісія з катода. Випущені катодом електрони виробляють ударну іонізацію молекул газу, що виникають позитивні іони викликають вторинну емісію з катода і так далі. Світіння позитивного стовпа пов'язане переважно з віддачею фотонів збудженими молекулами газу, і для різних газів характерне світіння певного кольору. Позитивний стовп бере участь у формуванні тліючого розряду тільки в якості ділянки електричного ланцюга. Якщо зближувати електроди, можна домогтися зникнення позитивного стовпа, але при цьому розряд не припиниться. Однак з подальшим скороченням відстані між електродами тліючий розряд не зможе існувати.

Необхідно зазначити, що для даного типу електричного струму в газах фізика деяких процесів ще не прояснена повністю. Наприклад, поки залишається неясною природа сил, що викликають при збільшенні струму розширення на поверхні катода області, яка бере участь у розряді.

Розряд іскрів

Шукровий пробій має імпульсний характер. Він виникає при тисках, близьких до нормального атмосферного, у випадках, коли потужності джерела електричного поля недостатньо для підтримки стаціонарного розряду. Напруженість поля при цьому велика і може досягати 3 МВ/м. Явище характеризується різким зростанням розрядного електричного струму в газі, одночасно напруга надзвичайно швидко падає, і розряд припиняється. Далі знову зростає різність потенціалів, і весь процес повторюється.

При цьому типі розряду формуються короткочасні іскрові канали, зростання яких може починатися з будь-якої точки між електродами. Це пов'язано з тим, що ударна іонізація відбувається випадковим чином в місцях, де в даний момент концентрується найбільша кількість іонів. Поблизу іскрового каналу газ швидко нагрівається і відчуває теплове розширення, що викликає акустичні хвилі. Тому іскровий розряд супроводжується тріском, а також виділенням теплоти і яскравим світінням. Процеси лавинної іонізації породжують в іскровому каналі високі тиску і температури до 10 тисяч градусів і вище.

Найяскравішим прикладом природного іскрового розряду служить блискавка. Діаметр головного іскрового каналу блискавки може становити від декількох сантиметрів до 4 м, а довжина каналу сягати 10 км. Величина сили струму доходить до 500 тис. ампер, а різність потенціалів між грозовою хмарою і поверхнею Землі досягає мільярда вольт.

Найдовша блискавка протяжністю 321 км спостерігалася 2007 року в Оклахомі, США. Рекордсменом за тривалістю стала блискавка, зафіксована 2012 року у Французьких Альпах - вона тривала понад 7,7 секунди. При ударі блискавки повітря може розігрітися до 30 тисяч градусів, що в 6 разів перевищує температуру видимої поверхні Сонця.

У тих випадках, коли потужність джерела електричного поля досить велика, іскровий розряд розвивається в дуговій.

Дуговий розряд

Цей вид самостійного розряду характеризується великою щільністю струму і малим (менше, ніж при тліючому розряді) напругою. Дистанція пробою невелика завдяки близькому розташуванню електродів. Розряд ініціюється випусканням електрона з поверхні катода (для атомів металів потенціал іонізації невеликий порівняно з молекулами газів). Під час пробою між електродами створюються умови, при яких газ проводить електричний струм, і виникає іскровий розряд, що замикає ланцюг. Якщо потужність джерела напруги досить велика, іскрові розряди переходять у стійку електричну дугу.

Іонізація при дуговому розряді досягає майже 100%, сила струму дуже велика і може становити від 10 до 100 ампер. При атмосферному тиску дуга здатна нагріватися до 5-6 тисяч градусів, а катод - до 3 тисяч градусів, що призводить до інтенсивної термоелектронної емісії з його поверхні. Бомбардування аноду електронами призводить до часткового руйнування: на ньому утворюється поглиблення - кратер з температурою близько 4000 ° C. Збільшення тиску тягне за собою ще більше зростання температур.

При розведенні електродів дуговий розряд залишається стійким до деякої відстані, що дозволяє боротися з ним на тих ділянках електрообладнання, де він шкідливий через викликану ним корозію і вигоряння контактів. Це такі пристрої, як високовольтні і автоматичні вимикачі, контактори та інші. Одним з методів боротьби з дугою, що виникає при розмиканні контактів, є використання дугогасних камер, заснованих на принципі подовження дуги. Застосовуються і багато інших методів: шунтування контактів, використання матеріалів з високим потенціалом іонізації тощо.

Коронний розряд

Розвиток коронного розряду відбувається при нормальному атмосферному тиску в різко неоднорідних полях у електродів, що володіють великою кривизною поверхні. Це можуть бути шпилі, щогли, дроти, різні елементи електрообладнання, що мають складну форму, і навіть волосся людини. Такий електрод називається короніруючим. Іонізаційні процеси і, відповідно, світіння газу мають місце тільки поблизу нього.

Корона може формуватися як на катоді (негативна корона) при бомбардуванні його іонами, так і на аноді (позитивна) в результаті фотоіонізації. Негативна корона, в якій іонізаційний процес як наслідок термоемісії спрямований від електрода, характеризується рівним світінням. У позитивній короні можуть спостерігатися стримери - лінії ламаної конфігурації, які можуть перетворитися на іскрові канали.

Прикладом коронного розряду в природних умовах є вогні святого Ельма, що виникають на вістрях високих щогл, верхівках дерев і так далі. Утворюються вони при великій напруженості електричного поля в атмосфері, часто перед грозою або під час хуртовини. Крім того, їх фіксували на обшивці літаків, що потрапили в хмару вулканічного попелу.

Коронний розряд на проводах ЛЕП веде до значних втрат електроенергії. При великій напрузі коронний розряд може переходити в дуговий. Боротьбу з ним ведуть різними способами, наприклад, шляхом збільшення радіусу кривизни провідників.

Електричний струм у газах і плазма

Повністю або частково іонізований газ називається плазмою і вважається четвертим агрегатним станом речовини. Загалом плазма електрично нейтральна, оскільки сумарний заряд складових її частинок дорівнює нулю. Це відрізняє її від інших систем заряджених частинок, таких як, наприклад, електронні пучки.

У природних умовах плазма утворюється, як правило, при високих температурах внаслідок зіткнення атомів газу на великих швидкостях. Переважна частина баріонної матерії у Всесвіті перебуває в стані плазми. Це зірки, частина міжзоряної речовини, міжгалактичний газ. Земна іоносфера також являє собою розріджену слабо іонізовану плазму.

Ступінь іонізації є важливою характеристикою плазми - від неї залежать провідні властивості. Ступінь іонізації визначається як відношення кількості іонізованих атомів до загальної кількості атомів в одиниці обсягу. Чим сильніше іонізована плазма, тим вища її електропровідність. Крім того, їй притаманна висока рухливість.

Ми бачимо, таким чином, що гази, які проводять електричний струм, в межах каналу розряду являють собою не що інше, як плазму. Так, тліючий і коронний розряди - це приклади холодної плазми; іскровий канал блискавки або електрична дуга - приклади гарячої, практично повністю іонізованої плазми.

Електричний струм у металах, рідинах і газах - відмінності і схожість

Розглянемо особливості, якими характеризується газовий розряд порівняно з властивостями струму в інших середовищах.

У металах струм - це спрямований рух вільних електронів, що не тягне за собою хімічних змін. Провідники такого типу називають провідниками першого роду; до них належать, крім металів і сплавів, вугілля, деякі солі та оксиди. Їх відрізняє електронна провідність.

Провідники другого роду - це електроліти, тобто рідкі водні розчини лужів, кислот і солей. Проходження струму пов'язане з хімічною зміною електроліту - електролізом. Іони речовини, розчиненої у воді, під дією різниці потенціалів переміщуються в протилежні сторони: позитивні катіони - до катода, негативні аніони - до аноду. Процес супроводжується виділенням газу або відкладенням шару металу на катоді. Провідникам другого роду притаманна іонна провідність.

Що стосується провідності газів, то вона, по-перше, тимчасова, по-друге, має ознаки схожості і відмінності з кожним з них. Так, електричний струм і в електролітах, і в газах - це спрямований до протилежних електродів дрейф різноіменно заряджених частинок. Однак у той час як електроліти характеризуються суто іонною провідністю, в газовому розряді при поєднанні електронного та іонного типів провідної провідна роль належить електронам. Ще одна відмінність електричного струму в рідинах і в газах полягає в природі іонізації. В електроліті молекули розчиненого сполуки дисоціюють у воді, в газі ж молекули не руйнуються, а тільки втрачають електрони. Тому газовий розряд, як і струм у металах, не пов'язаний з хімічними змінами.

Неодінакова також і фізика електричного струму в рідинах і газах. Провідність електролітів в цілому підпорядковується закону Ома, а при газовому розряді він не дотримується. Вольт-амперна характеристика газів має набагато складніший характер, пов'язаний з властивостями плазми.

Слід згадати і про загальні та відмінні риси електричного струму в газах і у вакуумі. Вакуум - це майже ідеальний діелектрик. «Майже» - тому що у вакуумі, незважаючи на відсутність (точніше, надзвичайно малу концентрацію) вільних носіїв заряду, теж можливий струм. Але в газі потенційні носії вже присутні, їх тільки необхідно іонізувати. У вакуум носії заряду вносяться з речовини. Як правило, це відбувається в процесі електронної емісії, наприклад при нагріванні катода (термоелектронна емісія). Але і в різних типах газових розрядів емісія, як ми бачили, відіграє важливу роль.

Застосування газових розрядів у техніці

Про шкідливий вплив тих чи інших розрядів коротко мова вже йшла вище. Тепер звернемо увагу на користь, яку вони приносять у промисловості і в побуті.

Тліючий розряд застосовують в електротехніці (стабілізатори напруги), в технології нанесення покриттів (метод катодного розпилення, заснований на явищі корозії катода). В електроніці його використовують для отримання іонних та електронних пучків. Широко відомою областю застосування тліючого розряду є люмінесцентні і так звані економічні лампи і декоративні неонові та аргонові газорозрядні трубки. Крім того, тліючий розряд застосовують в газових лазерах і в спектроскопії.

Іскровий розряд знаходить застосування в запобіжниках, в електроерозійних методах точної обробки металів (іскрова різка, звірення і так далі). Але найбільш відомий він завдяки використанню в свічках запалювання двигунів внутрішнього згоряння і в побутовій техніці (газові плити).

Дуговий розряд, будучи вперше використаний в освітлювальній техніці ще в 1876 році (свічка Яблучкова - «російське світло»), досі служить як джерело світла - наприклад, в проекційних апаратах і потужних прожекторах. В електротехніці дуга використовується в ртутних випрямниках. Крім того, вона застосовується в електрозварюванні, в різанні металу, в промислових електропечах для виплавки сталі і сплавів.

Коронний розряд знаходить застосування в електрофільтрах для іонного очищення газів, в лічильниках елементарних частинок, в блискавковідводах, в системах кондиціонування повітря. Також коронний розряд працює в копіювальних апаратах і лазерних принтерах, де за допомогою його проводиться заряд і розрядка світлочутливого барабана і перенесення порошку з барабана на папір.

Таким чином, газові розряди всіх типів знаходять найширше застосування. Електричний струм в газах успішно і ефективно використовується в багатьох областях техніки.

Правильний шестикутник: чим він цікавий і як його побудувати

Чи є поблизу Вас олівець? Погляньте-но на його переріз - він являє собою правильний шестикутник або, як його ще називають, гексагон. Таку форму має також переріз гайки, поле гексагональних шахів, кристалічна решітка деяких складних молекул вуглецю (наприклад, графіт), сніжинка, бджолині соти та інші об'єкти. Гігантський правильний шестикутник був недавно виявлений в атмосфері Сатурна. Чи не здається дивним настільки часте використання природою для своїх творінь конструкцій саме цієї форми? Давайте розглянемо цю фігуру детальніше.

Правильний шестикутник: чим він цікавий і як його побудувати

Температура плавлення - у кожного своя

Як відомо, будь-яка речовина може перебувати в газоподібному, твердому та рідкому стані, причому може переходити з одного стану в інший. Досить згадати воду. Зазвичай при позитивних температурах це рідина, при негативних - тверда речовина, а при високих температурах вона переходить в пар, тобто в газоподібний стан. Перетворення речовини з твердої на рідкий стан називається плавленням, а температура, при якій цей процес відбувається - температурою плавлення.

Температура плавлення - у кожного своя

Модуль упругості - що це таке? Визначення модуля упругості для матеріалів

Модуль упругості - це фізична величина, яка характеризує пружну поведінку матеріалу при додатку до нього зовнішньої сили в конкретному напрямку. Під пружною поведінкою матеріалу мається на увазі його деформація в упругій області.

Модуль упругості - що це таке? Визначення модуля упругості для матеріалів
Image