Электрический ток в жидкостях: применение

Что такое газ?

Поток электричества, то есть электрический ток, может существовать не только в металлах, электролитах и расплавах, он может быть также и в газах. Что из себя представляет газ? Это одно из фазовых состояний вещества, когда молекулы газа свободны и хаотичны в своём движении, когда объем вещества можно сжать, когда вещество подвижно и т.д. Газ состоит из молекул, а молекулы в свою очередь обычно состоят из атомов. В итоге каждая такая молекула газа представляет из себя электрический диполь.

Вот такое собрание электрических диполей в виде молекул газа не обязано в своём составе иметь ни свободные электроны, ни свободные ионы, однако всё-таки некоторое их незначительное количество имеется. Газ является в своём обычном состоянии диэлектриком, то есть он представляет из себя изолятор, изолирует лучше чем проводит ток.

Мы с вами дышим атмосферным воздухом, который представляет из себя смесь газов, большая часть которого молекулы азота N₂ (78,09 % объёма). Водяной пар, как впрочем и любой другой также являются газами. Газы нас окружают повсюду. Каждое вещество при определённом давлении и температуре находится в устойчивой газовой фазе.

В технических устройствах и приборах специально создаются условия отличные от нормальных, для существования вещества в газовой фазе. Нормальные условия — это обычное атмосферное давление и температура от 0° до 20°C, в зависимости от технической сферы применения. В люминесцентных лампах находится газ, но его условия отличаются от нормальных, там разряженный газ, так как давление ниже атмосферного. Баллон с пропаном или кислородом содержит в себе «газ», но он сжиженный, в сжатом виде, давление там выше одной атмосферы, оно может быть 16-200 атмосфер. Всё, что выше одной атмосферы — это сжиженный газ, а всё что ниже — разряженный газ. Это искусственно создаваемые условия техническими средствами.

В зависимости от температуры, давления в объёме газа и от свойств вещества газа — он будет иметь различные свойства по проводимости электричества, а также по условиям ионизации.

Ионная проводимость

Электролитическая диссоциация — это процесс распадения молекул электролитов на ионы под действием электрического поля полярных молекул воды. Степенью диссоциации называется доля молекул распавшихся на ионы в растворенном веществе.

Степень диссоциации будет зависеть от различных факторов: температура, концентрация раствора, свойства растворителя. При увеличении температуры, степень диссоциации тоже будет увеличиваться.

После того как молекулы разделились на ионы, они движутся хаотично. При этом два иона разных знаков могут рекомбинироваться, то есть снова объединиться в нейтральные молекулы. При отсутствии внешних изменений в растворе должно установиться динамическое равновесие. При нем число молекул которое распалось на ионы за единицу времени, будет равняться числу молекул, которые снова объединятся.

Носителями зарядов в водных растворах и расплавах электролитов будут являться ионы. Если сосуд с раствором или расплавом включить в цепь, то положительно заряженные ионы начнут двигаться к катоду, а отрицательные – к аноду. В результате этого движения возникнет электрический ток. Данный вид проводимости называют ионной проводимостью.

Помимо ионной проводимости в жидкостях может обладать и электронной проводимостью. Такой тип проводимости свойственен, например, жидким металлам.  Как отмечалось выше, при ионной проводимости прохождение тока связано с переносом вещества.

Электрический ток в металлах, жидкостях и газах – различия и сходство

Рассмотрим особенности, которыми характеризуется газовый разряд в сравнении со свойствами тока в других средах.

В металлах ток – это направленное движение свободных электронов, не влекущее за собой химических изменений. Проводники такого типа называют проводниками первого рода; к ним относятся, кроме металлов и сплавов, уголь, некоторые соли и оксиды. Их отличает электронная проводимость.

Проводники второго рода – это электролиты, то есть жидкие водные растворы щелочей, кислот и солей. Прохождение тока сопряжено с химическим изменением электролита – электролизом. Ионы вещества, растворенного в воде, под действием разности потенциалов перемещаются в противоположные стороны: положительные катионы – к катоду, отрицательные анионы – к аноду. Процесс сопровождается выделением газа либо отложением слоя металла на катоде. Проводникам второго рода присуща ионная проводимость.

Что касается проводимости газов, то она, во-первых, временная, во-вторых, имеет признаки сходства и различия с каждым из них. Так, электрический ток и в электролитах, и в газах – это направленный к противоположным электродам дрейф разноименно заряженных частиц. Однако в то время как электролиты характеризуются чисто ионной проводимостью, в газовом разряде при сочетании электронного и ионного типов проводимости ведущая роль принадлежит электронам. Еще одно различие электрического тока в жидкостях и в газах состоит в природе ионизации. В электролите молекулы растворенного соединения диссоциируют в воде, в газе же молекулы не разрушаются, а только теряют электроны. Поэтому газовый разряд, как и ток в металлах, не связан с химическими изменениями.

Неодинакова также и физика электрического тока в жидкостях и газах. Проводимость электролитов в целом подчиняется закону Ома, а при газовом разряде он не соблюдается. Вольт-амперная характеристика газов имеет гораздо более сложный характер, связанный со свойствами плазмы.

Следует упомянуть и об общих и отличительных чертах электрического тока в газах и в вакууме. Вакуум – это почти идеальный диэлектрик. «Почти» – потому что в вакууме, несмотря на отсутствие (точнее, чрезвычайно малую концентрацию) свободных носителей заряда, тоже возможен ток. Но в газе потенциальные носители уже присутствуют, их только необходимо ионизировать. В вакуум носители заряда вносятся из вещества. Как правило, это происходит в процессе электронной эмиссии, например при нагревании катода (термоэлектронная эмиссия). Но и в различных типах газовых разрядов эмиссия, как мы видели, играет важную роль.

Применение газовых разрядов

Искровой разряд используется в технике в системе зажигания двигателей внутреннего сгорания. Катушка зажигания дает напряжение 12-15 тысяч вольт. Это достаточно, чтобы между электродами свечи возникла искра для зажигания горючей смеси.

Разновидностью искрового разряда является молния.

Дуговой разряд применяется в качестве мощных источников света (прожекторов), в электроплавильных печах, для электросварки, для ультрафиолетовых излучателей.

Тлеющий разряд используется в рекламных газоразрядных трубках, в лампах дневного света, цифровых индикаторах.

В природе свечение разряженных газов наблюдается в виде полярного сияния.

Коронный разряд используется в электрофильтрах для очистки газов от примесей твердых частиц, в работе молниеотвода. В ЛЭП приводит к утечке электроэнергии.

В природе «корона» возникает иногда под действием атмосферного электричества на ветках деревьев, верхушках молниеотводов, мачт кораблей (огни святого Эльма).

Несамостоятельный и самостоятельный ток

Описанный кратко механизм возникновения тока в газах под воздействием внешнего поля представляет собой несамостоятельный разряд. После снятия внешнего воздействия электроток в газообразном веществе исчезает. Чтобы исследовать зависимости силы тока от напряжения, предстоит использовать стеклянную трубку, в которую впаяны электроды.

Если начать воздействовать на это устройство с помощью ионизатора, например, рентгеновского излучения, то в газе каждую секунду будет появляться некоторое количество пар свободных частиц с определенным зарядом. При отсутствии на клеммах электродов напряжения сила тока окажется равной нулю. Создав небольшую разницу потенциалов, можно заставить заряженные частицы упорядочено перемещаться, что приведет к появлению газового разряда.

Коэффициент вязкости – формулы, виды и размерность величины

Но из-за рекомбинации не все образованные в результате процесса ионизации ионы смогут дойти до электродов. Часть этих частиц приобретет нейтральный заряд. При увеличении разности потенциалов число заряженных ионов и электронов будет возрастать. При достижении определенного напряжения все заряженные частицы доберутся до электродов. Это позволяет говорить о том, что электроток достиг насыщения.

В результате вольт-амперная характеристика при появлении несамостоятельного тока становится нелинейной. Говоря проще, закон Ома в газах работает лишь при небольшой разнице потенциалов.

Если после достижения насыщения тока продолжить увеличивать напряжение на электродах, то при большой разнице потенциалов его сила начнет стремительно возрастать. Это связано с тем, что в газообразном веществе образуются дополнительные заряженные частицы сверх тех, что появляются под воздействием ионизатора. В определенный момент необходимость использования внешнего поля для поддержания разряда отпадет.

В ситуации, когда кинетическая энергия электронов превышает показатель энергии Wi, наблюдается ионизация молекул. При этом основную работу в образовании самостоятельного разряда выполняют электроны. В физике принято выделять 4 вида самостоятельного тока:

Тлеющий. Создается в газообразных веществах при низком давлении (около 1,33 Па). Тлеющий разряд может быть получен при сравнительно небольшом напряжении. Используется он в газовых лампах, например, в неоновых. Применение различных инертных газов позволяет добиться свечения определенного цвета.
Искровой. Появляется при постепенном повышении напряжения. В природе искровой разряд наблюдается в виде молнии.
Дуговой. Если после возникновения искрового разряда продолжить снижать сопротивление электроцепи, то сила тока в искре начнет быстро увеличиваться. В результате возникнет дуговой разряд.
Коронный. Наблюдается при высоком давлении под воздействием неоднородного электрополя.

Газовый разряд и его типы

Итак, электрический ток в газах обусловлен упорядоченным движением заряженных частиц под действием приложенного к ним электрического поля. Наличие таких зарядов, в свою очередь, возможно благодаря различным факторам ионизации.

Так, термоионизация требует значительных температур, но открытое пламя в связи с некоторыми химическими процессами способствует ионизации. Даже при сравнительно невысокой температуре в присутствии пламени фиксируется появление в газах электрического тока, и опыт с проводимостью газа позволяет легко в этом убедиться. Надо поместить пламя горелки или свечи между обкладками заряженного конденсатора. Цепь, разомкнутая прежде из-за воздушного зазора в конденсаторе, замкнется. Включенный в цепь гальванометр покажет наличие тока.

Электрический ток в газах называется газовым разрядом. Нужно иметь в виду, что для поддержания стабильности разряда действие ионизатора должно быть постоянным, так как из-за постоянной рекомбинации газ теряет электропроводящие свойства. Одни носители электрического тока в газах – ионы – нейтрализуются на электродах, другие – электроны, — попадая на анод, направляются к «плюсу» источника поля. Если ионизирующий фактор перестанет действовать, газ немедленно снова станет диэлектриком, и ток прекратится. Такой ток, зависимый от действия внешнего ионизатора, называется несамостоятельным разрядом.

Особенности прохождения электрического тока через газы описываются особой зависимостью силы тока от напряжения – вольт-амперной характеристикой.

Рассмотрим развитие газового разряда на графике вольт-амперной зависимости. При повышении напряжения до некоторого значения U₁ ток нарастает пропорционально ему, то есть выполняется закон Ома. Возрастает кинетическая энергия, а следовательно, и скорость зарядов в газе, и этот процесс опережает рекомбинацию. При значениях напряжения от U₁ до U₂ такое соотношение нарушается; при достижении U₂ все носители зарядов достигают электродов, не успевая рекомбинировать. Все свободные заряды задействованы, и дальнейшее повышение напряжения не приводит к увеличению силы тока. Такой характер движения зарядов называется током насыщения. Таким образом, можно сказать, что электрический ток в газах обусловлен также особенностями поведения ионизированного газа в электрических полях различной напряженности.

Когда разность потенциалов на электродах достигает определенного значения U₃, напряжение становится достаточным, чтобы электрическое поле вызвало лавинообразную ионизацию газа. Кинетической энергии свободных электронов уже хватает для ударной ионизации молекул. Скорость их при этом в большинстве газов составляет около 2000 км/с и выше (она рассчитывается по приближенной формуле v=600 U_i, где U_i – ионизационный потенциал). В этот момент происходит пробой газа и существенное возрастание тока за счет внутреннего источника ионизации. Поэтому такой разряд называется самостоятельным.

Наличие внешнего ионизатора в данном случае уже не играет роли для поддержания в газах электрического тока. Самостоятельный разряд в разных условиях и при различных характеристиках источника электрического поля может иметь те или иные особенности. Выделяют такие типы самостоятельного разряда, как тлеющий, искровой, дуговой и коронный. Мы рассмотрим, как ведет себя электрический ток в газах, кратко для каждого из этих типов.

Квантовая ионизация

Основная статья: Фотоэффект

В 1887 году Генрих Герц установил, что под действием света из тела могут вырываться электроны — было открыто явление фотоэффекта. Это не согласовывалось с волновой теорией света — она не смогла объяснить законы фотоэффекта и наблюдаемое разделение энергии в спектре электромагнитного излучения. В 1900 году Макс Планк установил, что тело может поглощать или испускать электромагнитную энергию только специальными порциями, квантами. Это дало теоретическую основу для объяснения явлений фотоэффекта.
Чтобы объяснить явления фотоэффекта, в 1905 году Альберт Эйнштейн выдвинул гипотезу про существование фотонов как частиц света, что позволяет объяснить квантовую теорию — фотоны, которые способны поглощаться или излучаться как целое одним электроном, придают ему достаточную кинетическую энергию для преодоления силы тяготения электрона к ядру — возникает квантовая ионизация.

Ионизация газов

Прежде всего нас интересует ионизация газов под действием электрического поля, но при этом не стоит забывать о том, что в газах возможна термическая ионизация под действием высокой температуры (теплового излучения).

Немного о процессе ионизации сказано выше. Каждый газ имеет своё пороговое значение напряжённости электрического поля, при котором происходит ионизация. Дело в том, что для того, чтобы разорвать диполь, необходимо вырвать электрическим полем хотя бы один электрон. Тогда диполь становится неустойчивым и распадается на атомы, а так как им недостаёт электронов, то соответственно получаются катионы (+q).

Положительные ионы начинают двигаться под действием кулоновских сил в сторону катода, а освободившиеся электроны в сторону анода. Образуется электрический поток, то есть ток. Так как энергия катионов в газе и вырванных уже свободных электронов высокая, происходят взаимные столкновения вновь образованных свободных носителей зарядов (катионы и электроны) со связанными в диполи атомами молекул газа. Это в свою очередь вызывает дальнейшую ещё большую ионизацию, новая партия опять атакует оставшиеся диполи, что приводит к появлению ещё большей партии свободных зарядов обоих типов.

Этот процесс растёт в геометрически и называется геометрической прогрессией, также именуют его лавинообразным и цепной реакцией. Имеется ли предел такой лавине? Прежде всего он ограничен количеством участвующего газа, который может находится в некотором закрытом объёме пространства (запаянная колба). Следующее препятствие — это мощность источника электрического поля. Кроме мощности лавинообразная ионизация может быть ограничена разностью потенциалов источника тока.

Если обычный газ, не подвергнутый ионизации, имеет лишь незначительное количество свободных носителей зарядов, а источник электрического тока имеет недостаточный потенциал для лавинообразной ионизации, тогда газ ведёт себя как обычный диэлектрик и проявляет изолирующие свойства больше, чем проводящие. Электрический ток в газе в этом случае имеется, но он незначительный.

Когда обычный газ подвергается ионизации любым из способов, то его проводящие свойства значительно улучшаются. В газе происходит разряд. Вполне возможно создать такие условия, что этот разряд будет существовать стабильно, а значит мы получим некоторый устойчивый ток в газе.

Газовые разряды

В зависимости от условий, в которых находится газ, а также от характеристик источника тока, в газу могут происходит разряды разных типов, каждый из которых имеет свои особенности.

Дуговой разряд: представляет собой электрический пробой газа, которой в дальнейшем становится постоянным плазменным разрядом — дугой, образуется электрическая дуга. Дуговой разряд характеризуется более низким напряжением, чем тлеющий разряд. Поддерживается в основном за счёт термоэлектронной эмиссии, когда из электродов высвобождаются электроны. Старое название такой дуги «вольтова дуга». Отличительной особенностью такой дуги является высокая плотность тока и низкое напряжение, которое ограничено источником тока. Для того, чтобы создать такую дугу, электроды сближаются, происходит пробой, а затем они раздвигаются. Дуговой разряд используется в сварке, в плазменной резке, в электроэрозионной обработке.

Тлеющий разряд: представляет собой ток в ионизированном газе, а точнее сказать в низкотемпературной плазме. Тлеющий разряд образуется при прохождении тока через разряженный газ. Как только напряжение превосходит определённое значение, газ в колбе ионизирует и происходит свечение. Это уже по сути электрический ток не столько в газе, сколько в плазме. Цвет свечения газа (плазмы) зависит от вещества газа. Каждый газ излучает свой спектр видимого света. На этом основано использование яркой неоновой рекламы. Достаточно несколько сотен вольт напряжения источника, чтобы ионизировать газ и вызвать в нем тлеющий разряд. В аналитической химии, свойство газа излучать свой определённый спектр света используется для определения неизвестного состава газа. Это метод спектроскопии.

Искровой разряд: происходит при обычных условиях, при обычном атмосферном давлении, точно также как и тлеющий разряд происходит в следствие ионизации газа, но при высоком напряжении, в отличии от дугового разряда, где в первую очередь важна высокая плотность тока. Искровой разряд сопровождается характерным треском. Поджиг искрового разряда происходит как результат пробоя диэлектрика — газа. Например, такой разряд используется в свечах зажигания двигателей внутреннего сгорания. Для электрического пробоя в сухом воздухе необходима разность потенциалов из расчёта 3 кВ (3000 Вольт) на 1 мм воздушного зазора, соответственно для пробоя промежутка в 50 мм потребуется напряжение источника в 150 кВ.

Коронный разряд: происходит в сильном электрическом поле с высокой напряжённостью, достаточной, чтобы вызвать ионизацию газа (или жидкости). Электрическое поле при этом бывает не однородным, где-то напряжённость значительно больше. Образуется градиент (различие) потенциалов поля и там где потенциал больше, ионизация газа идёт сильнее, интенсивнее, затем поток ионов доходит до другой части поля, тем самым образуя поток электричества. В результате образуется коронный газовый разряд причудливых форм, в зависимости от геометрии проводников — источников напряжённости поля. Коронный разряд можно увидеть вблизи изоляторов высоковольтных линий, также он применяется в быту и промышленности, например в ксерокопировании, воздушные ионизаторы, в системах кондиционирования воздуха, производство озона.

Электрический ток в газах используется в настоящее время очень широко. Практически в каждом доме есть люминесцентные лампы, в которых происходит тлеющий разряд, на производствах, в гаражах, используется электрическая сварка с помощью дугового разряда, двигатели автомобилей работают благодаря искровому разряду, некоторые применяют ионизаторы и имеют лазерные принтеры, где используется коронный разряд.

Дата: 16.05.2015

Энергия для процесса

Вода не является хорошим проводником, хотя она, безусловно, позволит протекать через нее электрическому току, поэтому опасно эксплуатировать электроприбор вблизи воды.

Соль при расплавлении становится хорошим проводником, но этого можно добиться и растворением ее в воде.

На примере поваренной соли видно что такое ионизация. Однако это один из видов ионизации, который может быть определен как процесс, в котором один или несколько электронов удаляются из атома или молекулы, чтобы создать ион, или процесс, в котором ионное твердое вещество, такое как соль, диссоциирует на его компонентные ионы при растворении в растворе.

Когда атом находится на своем нормальном энергетическом уровне, говорят, что он находится в основном состоянии. В этот момент электроны занимают свои нормальные орбитальные структуры. Между электроном и положительно заряженным ядром, в котором находятся протоны, всегда существует высокая степень притяжения. Энергия, необходимая для перехода электрона на более высокую орбиталь увеличивает общую энергию атома, который находится в возбужденном состоянии.

Возбужденное состояние атома – это просто шаг на пути к его ионизации путем удаления электрона. “Шаг” является подходящей метафорой, потому что электроны не просто дрейфуют вдоль континуума от одного энергетического уровня к другому, как человек поднимается по лестнице. Они делают дискретные шаги, как человек взбирается по лестнице или трапу. Это один из ключевых принципов квантовой механики, передовой области физики, которая также имеет многочисленные приложения к химии. Подобно тому, как говорится о внезапном изменении как о “квантовом скачке”, электроны совершают квантовые скачки с одного энергетического уровня на другой.

Из-за высокого притяжения между электроном и ядром первый удаляемый электрон находится на самой внешней орбите. Это количество энергии называется первой энергией ионизации. Удалить второй электрон будет значительно сложнее, так как теперь атом является катионом, а положительный заряд протонов в ядре больше отрицательного заряда электронов. Следовательно, энергия, необходимая для удаления второго электрона намного выше, чем первая.

Теория плазмы

В школьном курсе химии очень много времени уделяют растворам и частицам, которые в них находятся. Эти заряженные частицы имеют уникальные свойства и обуславливают многие физические и химические характеристики тех или иных систем «растворённое вещество — растворитель». Однако ионы (заряженные частицы в растворе) существуют не только в водной среде.

Как выяснилось, и газ может ионизироваться и образовывать атомы с положительным или отрицательным зарядом. Произойти это может в процессе выбивания электрона из атома сторонними силами. Вылетевший электрон может также врезаться в какой-либо другой атом и «выбить» другой электрон. Но может происходить и обратная ситуация: электрон может влететь в ион и снова образовать нейтральный атом. И все эти процессы постоянно происходят в плазме. Она достаточно нестабильна в отсутствии сторонних сил, поддерживающих её.

Получают плазму в основном очень простым способом, доступным каждому из нас дома: пропусканием газа через электрическую дугу высокого напряжения. Чем больше температура дуги, тем более нагретую плазму мы получаем на выходе. Чем выше напряжение на её контактах, тем более ионизированный газ получается после.

Плазму также можно разделить на несколько видов. О том, какой бывает плазма (ионизированный газ), вы узнаете из следующего раздела.