Электрический ток в газах

Электрический ток в металлах

Электрический ток в металлах – это упорядоченное движение электронов под действием электрического поля. Опыты показывают, что при протекании тока по металлическому проводнику переноса вещества не происходит, следовательно, ионы металла не принимают участия в переносе электрического заряда.

Хорошая электропроводность металлов объясняется высокой концентрацией свободных электронов, равной по порядку величины числу атомов в единице объема.

Предположение о том, что за электрический ток в металлах ответственны электроны, возникло значительно раньше опытов Толмена и Стюарта. Еще в 1900 году немецкий ученый П. Друде на основании гипотезы о существовании свободных электронов в металлах создал электронную теорию проводимости металлов. Эта теория получила развитие в работах голландского физика Х. Лоренца и носит название классической электронной теории. Согласно этой теории, электроны в металлах ведут себя как электронный газ, во многом похожий на идеальный газ. Электронный газ заполняет пространство между ионами, образующими кристаллическую решетку металла.

Ионы, образующие решетку, так и электроны участвуют в тепловом движении. Ионы совершают тепловые колебания вблизи положений равновесия – узлов кристаллической решетки. Свободные электроны движутся хаотично и при своем движении сталкиваются с ионами решетки. В результате таких столкновений устанавливается термодинамическое равновесие между электронным газом и решеткой.

При наложении внешнего электрического поля в металлическом проводнике кроме теплового движения электронов возникает их упорядоченное движение (дрейф), то есть электрический ток.

Сила тока в металлах изменяется прямо пропорционально напряжению в соответствие с законом Ома, поэтому вольт-амперная характеристика представляет собой прямую линию: чем больше напряжение, тем большая сила тока протекает через металлический проводник.

При увеличении температуры, ионы в узлах кристаллической решетки начинают колебаться сильнее, следовательно, электронам остается меньшее пространство для движения. Поэтому с увеличением температуры сопротивление металлов повышается.

Особенности прохождения электрического тока в металлах нашли широкое применение металлических проводников в быту и технике. Металлические проводники применяются при передаче электрического тока от источника к потребителю, при получении электрического тока в генераторах, в нагревательных элементах.

Электрический ток в вакууме

Откачивая газ из сосуда, можно довести его до такой концентрации, при которой все молекулы успевают пролететь от одной стенки сосуда к другой, ни разу не испытав соударений друг с другом. Такое состояние газа называют вакуумом. Проводимость межэлектронного промежутка в вакууме можно обеспечить только с помощью введения в трубку источника заряженных частиц.

Чаще всего действие такого источника заряженных частиц основано на свойстве тел, нагретых до высокой температуры, испускать электроны. Этот процесс называется термоэлектронной эмиссией. Его можно рассматривать как испарение электронов с поверхности металла.

Явление термоэлектронной эмиссии приводит к тому, что нагретый металлический электрод в отличие от холодного непрерывно испускает электроны. Электроны образуют вокруг электрода электронное облако. Электрод при этом заряжается положительно, и под влиянием электрического поля заряженного облака электроны из облака частично возвращаются на электрод. Различие между горячим и холодным электродами, впаянными в сосуд, из которого откачан воздух, приводит к односторонней проводимости электрического тока между ними.

При подключении электродов к источнику тока между ними возникает электрическое поле. Если положительный полюс источника тока соединить с холодным электродом (анодом), а отрицательный – с нагретым (катодом), то напряженность электрического поля направлена к нагретому электроду. Под действием этого поля электроны частично покидают электронное облако и движутся к холодному электроду.

Вольт-амперная характеристика тока в вакууме является нелинейной, т.к. свободные электроны, образующие ток в пространстве, испускаются одним из электродов в ограниченном количестве. Кроме того, на движение электронов существенное влияние оказывает поле пространственного заряда электронного облака у катода.

Чем выше напряжение между анодом и катодом, тем меньше пространственный заряд электронного облака и тем большее количество электронов достигает анода, следовательно, тем больше и сила тока в лампе. Если катод не покрыт оксидным слоем, то при достаточно большом напряжении все электроны, покинувшие катод, попадают на анод и при дальнейшем увеличении напряжения сила тока не меняется: ток достигает насыщения. Если повысить температуру, то катод будет покидать большее число электронов. Электронное облако вокруг катода станет более плотным. Ток насыщения наступит при большем напряжении между анодом и катодом, и сила тока насыщения возрастает.

С повышением температуры внутри трубки сопротивление будет уменьшаться.

Односторонняя проводимость, т.е. возможность проводить ток только в одном направлении, используется в электронных приборах: диодах (с двумя электродами), триодах (с тремя электродами), многоэлектродных лампах (четыре и более электродов). Такие приборы предназначены для преобразования энергии постоянного тока в энергию электрических колебаний и применяются в радиотехнике, радиосвязи.

В электронно-лучевых трубках формируются узкие электронные пучки, управляемые электрическими и магнитными полями. Эти пучки используются для формирования визуального изображения сигнала и применяются в осциллографах, телевизорах, дисплеях.

Электрический ток в газах

При обычных условиях газы почти полностью состоят из нейтральных молекул и, следовательно, являются диэлектриками. Изолирующие свойства газов объясняются отсутствием в них свободных электрических зарядов: атомы и молекулы газов в естественном состоянии являются нейтральными.

Вследствие нагревания или воздействия излучением часть атомов ионизируется – распадается на положительно заряженные ионы и электроны. В газе могут образовываться и отрицательные ионы, которые появляются благодаря присоединению электронов к нейтральным атомам.Ионизация газов при нагревании объясняется тем, что по мере нагревания молекулы движутся быстрее. При этом некоторые молекулы начинают двигаться так быстро, что часть из них при столкновениях распадается, превращаясь в ионы.

Отрицательный заряд переносится в основном не отрицательными ионами, а электронами. В газах сочетается электронная проводимость с ионной.

После прекращения действия ионизатора газ перестает быть проводником. Ток прекращается после того, как все ионы и электроны достигнут электродов. Кроме того, при сближении электрона и положительно заряженного иона они могут вновь образовать нейтральный атом. Такой процесс называется рекомбинацией заряженных частиц.

Процесс протекания электрического тока через газ называется газовым разрядом.

Различают несамостоятельный и самостоятельный газовые разряды.

При нулевом напряжении сила тока равна нулю: заряженные частицы совершают лишь тепловое движение.При небольшом напряжении сила тока также мала: часть положительных ионов и электронов в процессесвоего движения находят друг друга и рекомбинируют.С повышением напряжения свободные заряды развивают всё большую скорость. Поэтому всёбольшая часть заряженных частиц достигает электродов, и сила тока возрастает (участок OA).При определённой величине напряжения (точка A) скорость движения зарядов становитсянастолько большой, что рекомбинация вообще не успевает происходить. С этого момента всезаряженные частицы, образованные под действием ионизатора, достигают электродов, и токдостигает насыщения — сила тока перестаёт меняться с увеличением напряжения.Так будет происходить вплоть до некоторой точки B.После прохождения точки B сила тока при увеличении напряжения резко возрастает — начинается самостоятельный разряд. Заряженные частицы газа движутся от столкновения к столкновению; в промежутках между столкновениями они разгоняются электрическим полем, увеличивая свою кинетическуюэнергию. И вот, когда напряжение становится достаточно большим (точка B), электроны за время свободного пробега достигают таких энергий, что при соударении с нейтральными атомами ионизируют их.

Самостоятельный газовый разряд может быть тлеющим (при низких давлениях), коронным и искровым (при атмосферном давлении), дуговым.

Тлеющий разряд используют в трубках для реклам. Красное свечение происходит при наполнении трубки неоном. Положительный столб в аргоне имеет синевато-зеленоватый цвет. В лампах дневного света используют разряд в парах ртути. Важнейшее применение тлеющий разряд получил в газовых лазерах.

С коронным разрядом приходится считаться, имея дело с высоким напряжением. При наличии выступающих частей или очень тонких проводов может начаться коронный разряд. Это приводит к утечке электроэнергии.

Примером искрового разряда является молния. Искровой разряд возникает, когда мощность источника тока недостаточна для поддержания дугового или тлеющего разряда.

Дуговой разряд – мощный источник света, его используют в прожекторах, проекционных аппаратах и киноаппаратах. В металлургии широко применяют электропечи, в которых источником теплоты служит дуговой разряд. Дуговой разряд используют также для сварки металлов.