Електричний струм в газах

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

Електричний струм в газах

1. Іонізація газів

1. За звичайних умов (не занадто високі температури; тиски, близькі до атмосферного) гази складаються з нейтральних атомів і молекул і не містять вільних зарядів (електронів та іонів). Тому струм вони не проводять, іншими словами, є ізоляторами. Наприклад, якщо в сухе атмосферне повітря помістити заряджений електрометр із доброю ізоляцією, то його заряд довго залишається незмінним.

Щоб газ почав проводити електричний струм, потрібно створити в ньому вільні носії заряду, тобто заряджені частинки. Цей процес називається іонізацією газу. При цьому в газі відбувається розщеплення нейтральних атомів і молекул на іони і вільні електрони.

Іонізувати газ можна двома шляхами:

1) заряджені частинки вносяться в газ ззовні або створюються дією якого-небудь зовнішнього фактора;

2) заряджені частинки створюються в газі дією електричного поля.

У залежності від способу іонізації електропровідність газів (розряд у газах) називається несамостійною (1) і самостійною (2).

Під дією іонізатора з електронної оболонки атома або молекули виривається один або кілька електронів. Атом (або молекула) перетворюється на позитивний іон (катіон), і утворюються вільні електрони. Вони, у свою чергу, приєднуються до нейтральних молекул і атомів, перетворюючи їх на негативні іони (аніони). Таким чином, в іонізованому газі Містяться катіони, аніони і вільні електрони.

Часто катіони та аніони являють собою не з'єднані іонізовані молекули, а групи молекул, що «прилипли» до негативного або позитивного іона. Тому їхня маса набагато більша, ніж маса окремого атома або молекули.

Для опису іонної провідності не можна використовувати ані закони Фарадея, ані закон Ома.

Закони Фарадея для газів утрачають зміст у силу того, що в розчинах електролітів частинки являють собою або певні атоми, або певні групи атомів, а в газах конгломерати частинок можуть бути якими завгодно.

Закон Ома для газів виконується тільки при малих напругах. Тоді, як і у випадку провідників, що підкоряються законові Ома, залежність сили струму від напруги (тобто вольтамперна характеристика) для них матиме вигляд:

Зі збільшенням напруги вольтамперна характеристика для газів набуває складнішого вигляду:

Проаналізуємо цю криву.

На ділянці ОА (малі напруги) графік показує, що сила струму пропорційна напрузі. На цьому проміжку відбувається збільшення кількості іонів, що проходять за одиницю часу через перетин розряду, а отже, збільшується і сила струму, оскільки швидкість заряджених частинок зростає з посиленням поля. Але незалежно від швидкості руху, кількість частинок, що проходить через розряд за одиницю часу, не може бути більшою за кількість частинок, що утвориться в газі під впливом іонізатора. Ця величина і визначає значення струму насичення. Наведемо приклад розрахунку струму насичення (Iнас). Нехай іонізатор створює за 1 секунду 2 мільйони пар іонів, кожен із яких має заряд 1,5·10-19 Кл. Тоді величина струму насичення дорівнюватиме найбільшому зарядові, що проходить через газ за 1 секунду:

Як бачимо, величина струму насичення залежить від іонізуючої здатності іонізатора, а не від напруги.

Трапляються випадки, коли струму насичення немає. Це відбувається, якщо іонізуюча здатність іонізатора настільки велика, що навіть при великих напругах електричне поле не встигає відводити всі утворені іони. Подібну картину ми можемо спостерігати в розчинах електролітів, коли швидкість утворення іонів у результаті електричної дисоціації дуже велика.

Іонізаторами газів можуть виступати різні зовнішні впливи. Наприклад, у результаті сильного нагрівання швидкість молекул зростає, і їхні зіткнення стають настільки сильними, що вони розбиваються на іони. Таким чином, іонізатором виступає сильне нагрівання. Крім того, іонізувати газ може короткохвильове електромагнітне випромінювання (УФ, рентгенівське, у-випромінювання), корпускулярне випромінювання (потоки електронів, протонів, а-частинок) тощо.

Для того щоб вибити з молекули або атома один електрон, треба витратити певну енергію, необхідну для здійснення роботи іонізації - роботи проти сил взаємодії між електроном, що виривається, та іншими частинками атома або молекули. Вона називається енергією іонізації. Зазвичай її значення коливається для різних атомів у межах від 4 до 25 еВ. Величина роботи іонізації залежить від хімічної природи газу й енергетичного стану електрона, що виривається, в атомі або молекулі.

Процес іонізації має кількісну характеристику - інтенсивність іонізації. Вона вимірюється числом пар іонів, протилежних за знаком, що виникають в одиниці об'єму газу за одиницю часу.

У газах одночасно з процесом іонізації протікає конкурентний процес - рекомбінація. Він полягає в тому, що позитивні і негативні іони (або позитивні іони й електрони) при зіткненні з'єднуються між собою. При цьому утворюються нейтральні атоми або молекули. Процес рекомбінації відбувається тим інтенсивніше, чим більше іонів виникає в процесі іонізації. Якщо припинити дію іонізатора, то незабаром кількість іонів у газі зменшуватиметься і зрештою іони зникнуть практично повністю.

При рекомбінації частинок вивільняється певна енергія, що дорівнює енергії, витраченій на іонізацію. Частково вона випромінюється у вигляді світла, тому рекомбінація іонів супроводжується свіченням (свічення рекомбінації).

Електропровідність газів ніколи не дорівнює нулю, тобто вільні заряди в газі є завжди. Іонізаторами в цьому випадку є випромінювання радіоактивних речовин, що є на поверхні Землі, і космічне випромінювання. Інтенсивність іонізації під впливом цих факторів невелика. Але навіть така незначна електропровідність призводить до серйозних наслідків, наприклад витоку зарядів наелектризованих тіл навіть при добрій їх ізоляції.

2. Самостійний розряд

іонізація газ розряд фізичний

Самостійним розрядом у газі називають такий розряд, що зберігається після припинення дії зовнішнього іонізуючого фактора.

Самостійний розряд виникає в газі за певних умов. Якщо напругу між електродами постійно підвищувати, то у певний момент сила струму різко зросте.

Такий стрибок кривої пояснюється таким фактом: число іонів у газі різко зростає, тому що зі збільшенням напруги поле передає іонам настільки велику енергію, що при зіткненні таких іонів із нейтральними молекулами останні розбиваються на іони та електрони. При цьому загальна кількість іонів буде визначатися дією самого поля. Цей процес називається ударною іонізацією.

Але однієї тільки ударної іонізації для підтримки розряду буде недостатньо, якщо усунути зовнішній іонізатор. Необхідно, щоб у газі постійно протікали процеси, що призводять до виникнення нових електронів.

Як правило, під дією електричного поля катіони прискорюються до такого ступеня, що здатні вибити електрони з катода при зіткненні з ним. Це один зі шляхів утворення вільних електронів. Інший шлях включає кілька етапів. Спочатку катіони зіштовхуються з нейтральними молекулами газу, після чого останні переходять у збуджений стан. Повертаючись до стаціонарного стану, збуджена молекула випускає фотон. Фотони, що виникають у такий спосіб, здатні іонізувати молекули газу (фотонна іонізація молекул). Крім того, можливим є вибивання електронів із катода під дією фотонів.

3. Типи самостійних газових розрядів

Тип самостійного газового розряду насамперед залежить від властивостей і стану газу, а також від конфігурації електродів і прикладеної до них напруги. Усього існує 4 типи самостійного розряду: іскровий, дуговий, тліючий і коронний

4. Іскровий розряд

Іскровий розряд виникає, якщо через газовий проміжок за короткий час протікає обмежена кількість електрики. Цей процес відбувається при великих напругах електричного поля (?3·106 В/м) у газі, тиск якого близький до атмосферного.

Іскровий розряд розвивається поступово. Для його пояснення користуються стримерною теорією. Відповідно до неї, виникненню каналу іскри (яскраво сяючого, розгалуженого і вигнутого) передує утворення стримера - сильно іонізованого провідного каналу, що виникає з окремих потоків електронів.

Це відбувається в такий спосіб. При досить високій напруженості електричного поля вільний електрон встигає прискоритися до енергії, достатньої для іонізації атомів, якщо вони зустрічаються електронові на шляху, меншому за довжину його вільного пробігу. У результаті з'являються лавини електронів та іонізованих атомів. Ці лавини, наздоганяючи одна одну, утворюють провідні містки зі стримерів, уздовж яких і проходять великі кількості електронів, що утворюють канали іскрового розряду.

Свічення газу при іскровому розряді відбувається за рахунок виділення великої кількості енергії й нагрівання газу в іскровому проміжку до дуже високої температури (близько 104 К). Нагрівання газу відбувається швидко, тому різко зростає і тиск газу, що призводить до виникнення ударних хвиль. Це є причиною появи різних звукових ефектів при іскровому розряді: від неголосного потріскування в слабких розрядах до гуркотів грому при спалахах блискавки. Слід зауважити, що блискавка - це також іскровий розряд, що виникає або між двома грозовими хмарами, або між хмарою та землею.

Іскровий розряд широко застосовується як у техніці (запалення горючої суміші у двигунах внутрішнього згоряння, іскрові розрядники для запобігання перенапруження ліній електропередачі), так і на виробництві (електроіскрова точна обробка металів). Крім того, він використовується в спектральному аналізі для реєстрації заряджених частинок.

5. Дуговий розряд

Дуговий розряд виникає між електродами, що контактують між собою, якщо їх почати повільно віддаляти один від одного, коли вони підключені до потужного джерела струму. Нагрітий світний газ ніби «провисає» між електродами, тому явище й одержало назву дугового розряду.

При виникненні дугового розряду сила струму зростає до сотень амперів, а напруга на розрядному проміжку падає до декількох десятків вольтів. Завдяки потокові електронів, що випускаються нагрітим катодом, підтримується висока провідність між електродами дуги. Цьому також сприяє і термічна іонізація газу, коли атоми втрачають електрони, зіштовхуючись один з одним, і стають носіями електричного струму.

На практиці дуговий розряд можна одержати, минаючи стадію іскри. Для цього електроди зближають до зіткнення. При цьому вони сильно розжарюються струмом. Потім їх розводять і одержують електричну дугу. Зазвичай температура катода сягає 4000 К (атм. тиск). Якщо розглянути цей процес на прикладі вугільних електродів, то з часом вугільний катод загострюється, а на аноді з'являється кратер - заглиблення в найгарячішому місці дуги.

Застосування дугового розряду широке й різноманітне. Так, ним користуються при зварюванні й різанні металів, при виплавці сталі високої якості (дугова піч) і для освітлення (прожектори, проекційна апаратура). Існують дугові лампи з ртутними електродами у кварцових балонах, де дуговий розряд виникає в ртутній парі при викачаному повітрі. У такий спосіб влаштовані кварцові лампи. Справа в тому, що дуга, яка виникає в ртутній парі, є потужним джерелом ультрафіолетового випромінювання. Той самий заряд, але при низьких тисках, застосовується в ртутних випрямлячах для випрямлення змінного струму.

6. Тліючий розряд

Тліючий розряд спостерігається тільки при низьких тисках (десяті й соті частки мм рт. ст.). Для збудження тліючого розряду напруга між електродами повинна складати всього лише кілька сотень вольтів, а іноді й менше.

На практиці тліючий розряд можна одержати, якщо до електродів, впаяних у скляну трубку, прикласти напругу. Поступово викачуючи повітря, можна спостерігати тліючий розряд у вигляді світної звивистої нитки, що простягнулася від катода до анода. Якщо тиск знижувати і далі, то нитка ставатиме дедалі товщою, поки нарешті вся трубка, крім ділянки біля катода, не буде заповнена однорідним свіченням, що зветься додатним стовпом.

Позитивний стовп не впливає на підтримку розряду. Це відбувається в інших частинах трубки. На навколокатодному несвітловому проміжку (катодному темному просторі) відбувається сильне прискорення заряджених частинок (електронів і катіонів), що стають здатними вибивати електрони з катода Електрони, що вилітають, іонізують молекули газу. Услід за цим позитивні іони, що утворюються, спрямовуються до катода і вибивають із нього все нові електрони. Таким чином, знову відбувається іонізація і т. ін. Безперервність цих процесів дозволяє підтримувати тліючий розряд.

Якщо продовжувати викачувати із трубки повітря, то при тисках приблизно 1,3 Па свічення газу слабшає, але починають світитися стінки трубки. Природа цього свічення така. При низьких тисках імовірність того, що електрон зіштовхнеться з молекулою газу, дуже мала. Набагато частіше відбуваються зіткнення електронів зі стінками трубки. Вдаряючись об скло, електрони викликають свічення. Це явище називають катодолюмінесценцією.

Тліючий розряд широко використовується в багатьох областях техніки, але найактивніше - у виготовленні світних трубок для реклам, ламп денного світла і при напилюванні металів.

При виготовленні світних трубок немаловажну роль відіграє той факт, що кожен газ має специфічний колір позитивного стовпа. Якщо трубку наповнити неоном, то свічення має червоний колір, якщо аргоном - синювато-зелений.

Катодне напилювання металів здійснюють, поміщаючи різні предмети поблизу катода. Речовина катода сильно нагрівається в тліючому розряді та переходить у газоподібний стан. Тоді всі предмети, що знаходяться поблизу, вкриваються рівномірним шаром того металу, із якого виготовлений катод.

7. Коронний розряд

Поблизу провідника з великою кривизною поверхні (наприклад, вістря) спостерігається високовольтний електричний розряд. Тиск при цьому досить високий, а поле поблизу провідника - неоднорідне. Коли напруженість поля поблизу вістря сягає 30 кВ/см, то навколо нього виникає свічення у вигляді корони, що й дало назву розрядові - коронний.

Корона може бути позитивною та негативною. Це залежить від знака електрода, на якому виникає розряд (коронізуючого електрода). Знак корони визначає спосіб утворення електронів, що викликають іонізацію молекул газу. Так, у випадку негативної корони електрони вибиваються з катода під дією позитивних іонів. Якщо корона позитивна, то газ іонізується аніонами, а сама іонізація відбувається поблизу анода.

Напруженість поля при коронному розряді досить висока (близько 3·106В/м), тому іонізація відбувається при атмосферних тисках. З віддаленням від поверхні провідника напруженість швидко зменшується. Тому іонізація і пов'язане з нею свічення газу спостерігається в обмеженій ділянці простору.

Під час грози хмари, заряджені певним чином, здатні індукувати під собою електричні заряди протилежного знака. Дуже великий заряд накопичується біля Поверхонь високого ступеня кривизни, особливо на вістрях. Тому перед грозою 1 під час неї на гострих вершинах високо піднятих предметів можна спостерігати конуси світла, схожі на пензлики. У давнину це явище одержало назву вогнів святого Ельма. Часто свідками цього явища стають альпіністи, коли навіть неметалічні предмети й кінчики волосся на голові прикрашаються маленькими пензликами.

Коронний розряд, що виникає навколо дротів високовольтних ліній, може призводити до виникнення струмів витоку. Щоб цього уникнути, дроти високовольтних ліній роблять дуже товстими. Крім того, переривчастий коронний розряд може викликати радіоперешкоди.

Коронний розряд широко використовується при очищенні промислових газів від домішок. Агрегати, що використовуються для цього, називаються електрофільтрами. Принцип їхньої дії такий. Рухаючись вгору в циліндрі, по осі якого розташовується коронуючий дріт, домішки газу, що очищається, укрупнюються. На них осідають іони зовнішньої частини корони, які притягають частинки домішок до зовнішнього некоронуючого електроду. У результаті цього домішки осаджуються, а газ очищається.

На цьому ж принципі ґрунтується застосування коронного розряду для нанесення порошкових і лакофарбових покриттів.

8. Електричний струм в промисловості

Енергія є основою життя людського суспільства, і його прогресивний розвиток пов"язаний з безпосереднім зростанням енергоспоживання. Це споживання зросло протягом XX ст. більш ніж у 100 разів.

На порозі третього тисячоліття людство все більше усвідомлює свою відповідальність за збереження довкілля, за чистоту нашої планети. Науково-технічний прогрес, підвищення комфортності життя і пов "язане з ним зростання енергоспоживання - об" єктивні речі. Але це зовсім не означає, що вони мають досягатися будь-якою ціною. Використання лише традиційних джерел енергії (нафти, газу, ядерного палива) руйнує і забруднює землю, водні ресурси й повітря. Разом з тим, понад 1 кВт на кожний квадратний метр щосекунди постійно забезпечує нам удень світло невичерпного, екологічно бездоганного і загальнодоступного природного джерела - Сонця.

Досягнення світової технології вже зараз дають змогу використовувати його для вироблення електроенергії, вартість якої наближається до традиційної. Поряд інтенсивно розвиваються в багатьох країнах також вітроенергетика й енергетика біомаси, які споріднені сонячній. Сьогодні, без сумніву, основною економічною проблемою у світі є енергетична криза. Соціально-економічний розвиток кожної країни, зокрема України, залежить від теперішнього і майбутнього стану її енергетики.

Електроенергетика впливає не тільки на розвиток господарства, а й на територіальну організацію продуктивних сил. Будівництво потужних ліній електропередач дає змогу освоювати паливні ресурси незалежно від віддаленості районів споживання Розвиток електронного транспорту розширює територіальні межі цієї галузі промисловості. Достатня кількість електроенергії притягує до себе виробництво електросталі. алюмінію та інших кольорових металів, в яких частка паливно-енергетичних витрат у собівартості готової продукції значно більша порівняно з традиційними галузями промисловості. У ряді районів України (Донбас, Придніпров"я) електроенергетика визначає виробничу спеціалізацію їх, є основою формування територіально-виробничих комплексів.

9. Зростання ролі енергетики в сучасному народному господарстві

Енергетика - основа розвитку господарства. Вона забезпечує технологічні процеси в промисловості, дає тепло і світло людям. Як енергоносії людство використовувало мускульну силу, деревину, рушійну сиоди енергію Сонця тощо. В наш час основними енергоносіями стали вуглеводи і сполуки (нафта, газ, вугілля) та ядерне паливо. Як альтернативні джерела майбутнього розглядається енергія Сонця, геотермічна енергія Землі, водень, термоядерна енергія.

Енергозабезпечення світу станом на початок 90-х років за розмірами споживання становило 11 млрд тонн умовного палива (т.у.п.) у вугільному еквіваленті.

Найбільші енергоспоживачі: США - 25% енергоспоживання світу, Росія - близько10%, Китай - 9%, Японія - 5,5%, ФРН - 7,3%. Енергоспоживання України (близько 3%) співмірне з показниками Великобританії, Франції, Канади та Індії.

Споживання енергії в світі особливо швидко зростало в другій половині XX ст. У цей період енергетика розвивалася випереджаючими темпами, енергомісткість виробництва (тобто затрати палива та електроенергії на одиницю продукції) на перших етапах НТР була високою. На межі 80-90-х років темпи приросту енергоспоживання знизилися - світ ступив на шлях впровадження енергозберігаючих технологій, тобто технологій, які забезпечують зниження енерговитрат.

Протягом XX ст. істотно змінилася структура паливно-енергетичного балансу світового господарства.

Якщо в першій половині XX ст. в енергобалансі світового господарства перважало вугілля і мали важливе значення дрова, то в останні десятиліть; провідну роль відіграють нафта і газ. Кілька десятиліть на їх частку припадали 3/5 обсягу енергоспоживання. Вважають, що на початку XXI ст. їх частка знизиться, водночас збереже значення споживання вугілля і дещо збільшиться ролі ядерної енергетики і нетрадиційних (альтернативних) джерел енергії.

Рівень розвитку електроенергетики - один з найважливіших показників науково-технічного прогресу. Обсяги виробництва електроенергії та її виробництво на душу населення опосередковано визначають економічний потенціал та економічний рівень розвитку тієї чи іншої країни.

Особливості подання електричного струму до об'єктів народного господарства

Споживачі електроенергії існують всюди. Виробляється ж вона в порівняно деяких місцях, близьких до джерел паливних і гідроресурсів. Тому виникає необхідність передачі електроенергії на відстані, що досягають іноді сотень кілометрів.

Але передача електроенергії на великі відстані зв"язана з помітними втратами. Справа в тому, що, проходячи по лініях електропередачі, струм нагріває їх. Відповідно до закону Джоуля - Ленца, енергія, що витрачається на нагрівання проводів лінії, визначається формулою

Q=I2Rt

де R - опір лінії.

При великій довжині лінії передача енергії може стати взагалі економічно невигідною.

Для зменшення втрат можна, звичайно, йти по шляху зменшення опору R лінії за допомогою збільшення площі поперечного перерізу проводів. Але для зменшення R, приміром, у 100 разів потрібно збільшити масу проводу також у 100 разів. Зрозуміло, що не можна допустити такої великої витрати дорогого кольорового металу, не говорячи вже про труднощів закріплення важких проводів на високих щоглах і т. п.

Тому втрати енергії в лінії знижують іншим шляхом: зменшенням струму в лінії. Наприклад, зменшення струму в 10 разів зменшує кількість тепла, що виділився в провідниках, у 100 разів, тобто досягається той же ефект, що і від сторазового обваження проводу.

Тому що потужність струму пропорційна добутку сили струму на напругу, то для збереження переданої потужності потрібно підвищити напруга в лінії передачі. Причому, чим довша лінія передачі, тим вигідніше використовувати більш високу напругу. Так, наприклад, у високовольтній лінії передачі Волзька ГЕС - Москва використовують напругу в 500 кв. Тим часом генератори перемінного струму будують на напруги, що не перевищують 16-20 кв., тому що більш висока напруга зажадала би прийняття більш складних спеціальних мір для ізоляції обмоток і інших частин генераторів.

Тому на великих електростанціях ставлять підвищувальні трансформатори. Трансформатор збільшує напругу в лінії в стільки ж раз, у скільки зменшує силу струму. Втрати потужності при цьому невеликі.

Для безпосереднього використання електроенергії в двигунах електропривода верстатів, в освітлювальній мережі і для інших цілей напруга на кінцях лінії потрібно понизити. Це досягається за допомогою понижуючих трансформаторів. Причому звичайне зниження напруги і відповідно збільшення сили струму відбувається в кілька етапів. На кожнім етапі напруга стає усе менше, а територія, охоплювана електричною мережею, - усе ширше. Схема передачі і розподілу електроенергії приведена на малюнку.

Електричні станції ряду областей країни з "єднані високовольтними лініями передач, утворити загальну електромережу, до якої приєднані споживачі. Таке об" єднання називається енергосистемою. Енергосистема забезпечує безперебійність подачі енергії споживачам не залежно від їхнього місця розташування.

10. Вплив електроенергетики на розміщення галузей народного господарства

Електроенергетика впливає не тільки на розвиток господарства, а й на територіальну організацію продуктивних сил. Будівництво потужних ліній електропередач дає змогу освоювати паливні ресурси незалежно від віддаленості районів споживання Розвиток електронного транспорту розширює територіальні межі цієї галузі промисловості. Достатня кількість електроенергії притягує до собі виробництво електросталі. алюмінію та інших кольорових металів, у яких частка паливно-енергетичних витрат у собівартості готової продукції значно більша порівняно з традиційними галузями промисловості. У ряді районів України (Донбас, Придніпров"я) електроенергетика визначає виробничу спеціалізацію їх, є основою формування територіально-виробничих комплексів.

У розвитку й розміщенні електроенергетики в Україні визначальними є принципи: концентрації виробництва електроенергії шляхом будівництва великих районних електростанцій, які використовують дешеве паливо й гідроенергоресурси; комбінування виробництва електроенергії і тепла з метою теплопостачання міст та індустріальних центрів; широкого освоєння гідроенергоресурсів з урахуванням комплексного розв"язання завдань електроенергетики, транспорту, водопостачання, іригації та рибництва; випереджального розвитку атомної енергетики, особливо в районах з напруженим паливно-енергетичним балансом.

Розміщення електроенергетики залежить переважливо від наявності паливно-енергетичних ресурсів і споживачів електроенергії. Нині майже третина електроенергії виробляється в районах споживання і понад 2/3 - у районах її виробництва. Поки що місце для будівництва ДРЕС вибирають, враховуючи зручність транспортування палива й електроенергії та екологічну обстановку. Якщо вчені розробляють високоефективні методи транспортування електроенергії на великі відстані, те ДРЕС будуватимуться переважно в східних районах України.

Размещено на Allbest.ru