5 просмотров
Рейтинг статьи
1 звезда2 звезды3 звезды4 звезды5 звезд
Загрузка...

Процесс ионизации газов

4.Электрический ток в газах. Способы ионизации газов.

Способы ионизации газов

В обычных условиях газы являются хорошими диэлектриками.

Электрические свойства газов связаны в первую очередь с ионизацией молекул или атомов.

Способы ионизации молекул и атомов:

1. Нагревание. При температурах начиная с нескольких тыс. градусов всякий газ частично ионизуется и превращается в плазму. Плазма это полностью или частично ионизированный газ.

2. Воздействие электромагнитного излучения:

3. Воздействие заряженных частиц: альфа-, бета-частиц, космического излучения.

4. Электронный удар

При электрическом разряде движущийся электрон соударяется с нейтральным атомами и выбивает из них него один или несколько атомных электронов, в результате чего нейтральный атом превращается в положительный ион, а в газе появляются новые электроны.

5. Захват электронов. При ионизации часть образовавшихся электронов может быть захвачена другими нейтральными атомами, и тогда появятся еще и отрицательные ионы.

Количественные характеристики ионизации газов

Интенсивность ионизации — число пар противоположных по знаку заряженных частиц, возникающих в единице объема газа за единицу времени. Ионизация атома требует затраты определенной энергии.

Работа ионизации — работа против сил взаимодействия между вырываемым

электроном и остальными частицами атома (или молекулы).

Ионизация зависит от

1). химической природы газа;

2). энергетического состояния вырываемого электрона в атоме или молекуле.

Рекомбинация ионов

После прекращения действия ионизатора количество ионов в газе с течением времени уменьшается и, в конце концов, ионы исчезают вовсе. Причины – тепловое движение: 1). положительные ионы и электроны соударяются друг с другом и образуют нейтральный атом.

2). отрицательный ион может отдать свой избыточный электрон положительному иону и оба иона превратятся в нейтральные атомы. Этот процесс взаимной нейтрализации ионов называется рекомбинацией ионов. При рекомбинации освобождается, равная энергии, затраченной на ионизацию. Частично она излучается в виде света, и поэтому рекомбинация ионов сопровождается свечением (свечение рекомбинации).

Механизм электропроводности газов

Механизм проводимости газов похож на механизм проводимости растворов и расплавов электролитов. При отсутствии внешнего поля заряженные частицы, как и нейтральные молекулы движутся хаотически. Если ионы и свободные электроны оказываются во внешнем электрическом поле, то они приходят в направленное движение и создают электрический ток в газах.

Таким образом, электрический ток в газе представляет собой направленное движение положительных ионов к катоду, а отрицательных ионов и электронов к аноду. Полный ток в газе складывается из двух потоков заряженных частиц: потока, идущего к аноду, и потока, направленного к катоду.

На электродах происходит нейтрализация заряженных частиц, как и при прохождении электрического тока через растворы и расплавы электролитов.

Особенности электропроводности газов

1.В газах отсутствует выделение веществ на электродах (в отличие от электролитов). Газовые ионы, подойдя к электродам, отдают им свои заряды, превращаются в нейтральные молекулы и диффундируют обратно в газ.

2. При прохождении тока через газы заряд переносится в основном электронами (более подвижны). В газах сочетается: электронная проводимость (металлы), с ионной проводимостью (растворы и расплавы электролитов).

Электрический разряд в газах

Газовый разряд – процесс прохождения электрического тока через газ. Существует множество видов электрического разряда в газе. Вид газового разряда обусловлен:

.исходным состоянием газа (состав, давление и т. д.),

.внешним воздействием на газ,

.формой, материалом и расположением электродов,

.геометрией возникающего в газе электрического поля и т. п.

Законы прохождения электрического тока в газе сложнее, чем в металлах и электролитах.

Несамостоятельный газовый разряд – разряд при котором электропроводность газа создается внешними ионизаторами.

Самостоятельный газовый разряд – разряд, сохраняющийся после прекращения действия внешнего ионизатора.

Типы самостоятельного разряда

В зависимости от свойств и состояния газа, характера и расположения

электродов, а также от приложенного к электродам напряжения возникают

различные виды самостоятельного разряда:

1.Тлеющий разряд. 2.Коронный разряд. 3.Искровой разряд. 4.Дуговой разряд. 5.Плазма.

Тут вы можете оставить комментарий к выбранному абзацу или сообщить об ошибке.

Электропроводность газов

Газы в нормальном состоянии являются хорошими диэлектриками (например чистый, неионизированный воздух). Однако, если газы содержат в себе влагу с примесью органических и неорганических частиц и при этом они ионизированы, то они проводят электричество.

Во всех газах еще до воздействия на них электрического напряжения всегда имеется некоторое количество электрически заряженных частиц — электронов и ионов, которые находятся в беспорядочном тепловом движении. Это могут быть заряженные частицы газа, а также заряженные частицы твердых и жидких веществ — примесей, находящихся, например, в воздухе.

Образование электрически заряженных частиц в газообразных диэлектриках вызывается ионизацией газа внешними источниками энергии (внешними ионизаторами) : космическими и солнечными лучами, радиоактивными излучениями Земли и др.

Электропроводимость газов зависит главным образом от степени их ионизации, которая может быть осуществлена различными способами. В основном ионизация газов осуществляется в результате отщепления электронов от нейтральной молекулы газа.

Выделившийся из молекулы газа электрон перемешается в междумолекулярном пространстве газа, и здесь в зависимости от рода газа он может сохранить относительно долго «самостоятельность» своего движения (например, в таких газах, кик водород H2, азот N2 ) или, наоборот, быстро проникнуть в нейтральную молекулу, превратив ее в отрицательный ион (например, в кислороде).

Наибольший эффект ионизации газов достигается путем облучения их рентгеновыми, катодными лучами или лучами, испускаемыми радиоактивными веществами.

Атмосферный воздух летом весьма интенсивно ионизируется под влиянием солнечных лучей. Влага, находящаяся в воздухе, конденсируется на его ионах, образуя мельчайшие капельки воды, заряженные электричеством. В конечном итоге из отдельных электрически заряженных капелек воды образуются грозовые тучи, сопровождаемые молниями, т. с. электрическими разрядами атмосферного электричества.

Процесс ионизации газа внешними ионизаторами заключается в том, что они сообщают часть энергии атомам газа. При этом валентные электроны приобретают дополнительную энергию и отделяются от своих атомов, которые превращаются в положительно заряженные частицы — положительные ионы .

Образовавшиеся свободные электроны могут длительно сохранять самостоятельность движения в газе (например, в водороде, азоте) или через некоторое время они присоединяются к электрически нейтральным атомам и молекулам газа, превращая их в отрицательно заряженные ионы .

Появление электрически заряженных частиц в газе может быть также вызвано выходом электронов с поверхности металлических электродов при их нагревании или воздействии на них лучистой энергии. Находясь в беспорядочном тепловом движении, некоторая часть противоположно заряженных (электронов) и положительно заряженных (ионов) частиц воссоединяется друг с другом и образует электрически нейтральные атомы и молекулы газа. Этот процесс называется восстановлением или рекомбинацией .

Если между металлическими электродами (диски, шары) заключить какой-то объем газа, то при приложении к электродам электрического напряжения на заряженные частицы в газе будут действовать электрические силы — напряженности электрического поля .

Под действием этих сил электроны у и ионы будут перемещаться от одного электрода к другому, создавая электрический ток в газе .

Ток в газе будет тем больше, чем разного диэлектрика больше заряженных частиц образуется в нем в единицу времени и чем большую скорость приобретают они под действием сил электрического поля.

Ясно, что с повышением напряжения, приложенного к данному объему газа, электрические силы, действующие на электроны и ионы, увеличиваются. При этом скорость заряженных частиц, а следовательно, и ток в газе возрастают.

Изменение величины тока в зависимости от напряжения, приложенного к объему газа, выражается графически в виде кривой, называемой вольтамперной характеристикой .

Вольтамперная характеристика для газообразного диэлектрика

Вольтамперная характеристика показывает, что в области слабых электрических полей, когда электрические силы, действующие на заряженные частицы, относительно невелики (область I на графике), ток в газе возрастает пропорционально величине приложенного напряжения. В этой области изменение тока происходит согласно закону Ома.

С дальнейшим ростом напряжения (область II) пропорциональность между током и напряжением нарушается. В этой области ток проводимости не зависит от напряжения. Здесь происходит накопление энергии заряженными частицами газа — электронами и ионами.

С дальнейшим же повышением напряжения (область III) скорость заряженных частиц резко возрастает, вследствие чего происходят частые соударения их с нейтральными частицами газа. При этих упругих соударениях электроны и ионы передают часть накопленной ими энергии нейтральным частицам газа. В результате электроны отделяются от своих атомов. При этом образуются новые электрически заряженные частицы: свободные электроны и ионы.

Ввиду того что летящие заряженные частицы соударяются с атомами и молекулами газа очень часто, образование новых электрически заряженных частиц происходит весьма интенсивно. Этот процесс называется ударной ионизацией газа .

В области ударной ионизации (область III на рисунке) ток в газе интенсивно возрастает при малейшем повышении напряжения. Процесс ударной ионизации в газообразных диэлектриках сопровождается резким уменьшением величины удельного объемного сопротивления газа и возрастанием тангенса угла диэлектрических потерь.

Естественно, что газообразные диэлектрики могут использоваться при напряжениях, меньших тех значений, при которых возникает процесс ударной ионизации. В этом случае газы являются очень хорошими диэлектриками, у которых удельное объемное сопротивление очень велико (1020 ом х см), а тангенс угла диэлектрических потерь очень мал ( tg δ ≈ 10 — 6 ). Поэтому газы, в частности воздух, используются в качестве диэлектриков в образцовых конденсаторах, газонаполненных кабелях и высоковольтных выключателях.

Читать еще:  ООО «Газпром межрегионгаз Смоленск»

Роль газа ка диэлектрика в электроизоляционных конструкциях

В любой изоляционной конструкции в качестве элемента изоляции присутствует в той или иной мере воздух или какой-либо иной газ. Провода воздушных линий (ВЛ), шины распределительных устройств, выводы трансформаторов и различных аппаратов высокого напряжения отделены друг от друга промежутками, единственной изолирующей средой в которых является воздух.

Нарушение электрической прочности таких конструкций может произойти как путем пробоя диэлектрика, из которого изготовлены изоляторы, так и в результате разряда в воздухе или вдоль поверхности диэлектрика.

В отличие от пробоя изолятора, который приводит к полному выходу его из строя, разряд вдоль поверхности обычно повреждением не сопровождается. Следовательно, если изоляционную конструкцию выполнить таким образом, чтобы напряжение перекрытия по поверхности или разрядные напряжения в воздухе были меньше пробивных напряжений изоляторов, то фактическая электрическая прочность таких конструкций будет определяться электрической прочностью воздуха.

В указанных выше случаях воздух имеет значение как естественная газовая среда, в которой находятся изоляционные конструкции. Наряду с этим воздух или иной газ часто применяется в качестве одного из основных изоляционных материалов при выполнении изоляции кабелей, конденсаторов, трансформаторов и других электрических аппаратов.

Для обеспечения надежной и безаварийной работы изоляционных конструкций необходимо знать, как влияют на электрическую прочность газа различные факторы, такие, как форма и длительность действия напряжения, температура и давление газа, характер электрического поля и т. п.

Лекция 15

1.Общие положения

Определение: Явление прохождения электрического тока в газах называется газовым разрядом

Поведение газов сильно зависит от его параметров, таких как температура и давление, причем эти параметры достаточно легко меняются. Поэтому, протекание электрического тока в газах является более сложным, чем в металлах или в вакууме.

Газы не подчиняются закону Ома.

2.Ионизация и рекомбинация

Газ, находящийся при нормальных условиях, состоит практически из нейтральных молекул, поэтому, крайне плохо проводит электрический ток. Однако при внешних воздействиях от атома может оторваться электрон и появляется положительно заряженный ион. Кроме того, электрон может присоединиться к нейтральному атому и образовать отрицательно заряженный ион. Таким образом, можно получить ионизованный газ, т.е. плазму.

К внешним воздействиям относятся нагрев, облучение энергичным фотоном, бомбардировка другими частицами и сильные поля, т.е. те же условия, которые необходимы для элементарной эмиссии.

Электрон в атоме находится в потенциальной яме, и чтобы вырваться оттуда, необходимо атому сообщить дополнительную энергию, которая называется энергией ионизации.

ВеществоЭнергия ионизации, эВ
Атом водорода13,59
Молекула водорода15,43
Гелий24,58
Атом кислорода13,614
Молекула кислорода12,06

Наряду с явлением ионизации наблюдается и явление рекомбинации, т.е. объединение электрона и положительного иона в нейтральный атом. Данный процесс происходит с выделением энергии, равной энергии ионизации. Эта энергия может пойти на излучение или на нагрев. Локальный нагрев газа приводит к локальному изменению давления, что в свою очередь приводит к появлению звуковых волн. Таким образом, газовый разряд сопровождается световыми, тепловыми и шумовыми эффектами.

3.ВАХ газового разряда

На начальных стадиях необходимо действие внешнего ионизатора.

На участке ОАВ ток существует под действием внешнего ионизатора и быстро выходит на насыщение, когда все ионизованные частицы участвуют в образовании тока. Если убрать внешний ионизатор, то ток прекращается.

Данный вид разряда называется несамостоятельным газовым разрядом. При попытке увеличить напряжение в газе появляются лавины электронов, и ток растет практически при постоянном напряжении, которое называется напряжением зажигания (ВС).

С этого момента разряд становится самостоятельным и отпадает необходимость внешнего ионизатора. Число ионов может стать столь большим, что сопротивление межэлектродного промежутка уменьшится и соответственно упадет напряжение (СД).

Затем в межэлектродном промежутке область прохождения тока начинает сужаться, и сопротивление растет, а следовательно, растет напряжение (ДЕ).

При попытке увеличить напряжение газ становится полностью ионизованным. Сопротивление и напряжение падает до нуля, и ток вырастает во много раз. Получается дуговой разряд (ЕF).

ВАХ показывает, что газ совершенно не подчиняется закону Ома.

4.Процессы в газе

Процессы, которые могут привести к образованию лавин электронов показаны на рисунке.

Это элементы качественной теории Таунсенда.

5.Тлеющий разряд

При низких давлениях и небольших напряжениях можно наблюдать этот разряд.

К – 1 (темное астоново пространство).

1 – 2 (светящаяся катодная пленка).

2 – 3 (темное круксово пространство).

3 – 4 (первое катодное свечение).

4 – 5 (темное фарадеево пространство)

5 – 6 (положительный анодный столб).

6 – 7 (анодное темное пространство).

7 – А (анодное свечение).

Если сделать анод подвижным, то длину положительного столба можно регулировать, практически не меняя размеры области К – 5.

В темных областях происходит разгон частиц и набор энергии, в светлых происходят процессы ионизации и рекомбинации.

Используется в светящихся газоразрядных трубках.

6.Искровой разряд

Наблюдается в однородных полях.

7.Коронный разряд

Проявляется в сильно неоднородных полях (на остриях).

8.Дуговой разряд

Большие токи, малое напряжение,

Сечения процессов ионизации и возбуждения УФ излучения при столкновениях электронов, ионов и фотонов с атомами и молекулами атмосферных газов. Справочник

Авакян С.В., Ильин Р.Н., Лавров В.М., Огурцов Г.Н.

Редактор: Авакян Сергей Вазгенович С. В.

Построение оптических моделей верхних атмосферных планет, анализ и интерпретация результатов космических экспериментов предполагают детальное знание всех основных процессов ионизации, возбуждения и излучения атмосферных газов. В справочнике последовательно изложены сведения о таких процессах применительно к ультрафиолетовому излучению газов планетных атмосфер. Приведены оригинальные и рекомендованные сечения элементарных процессов взаимодействия квантов, электронов, протонов, атомов водорода и ионов гелия с оценкой их точности. Справочник предназначен для специалистов в области физики плазмы, геофизики, астрономии, планетологии, аэрономии, физики ионосферы, спектроскопии, физики атомных столкновений и космической техники.

Использование материалов ЭБ РФФИ

Воспроизведение материалов из ЭБ в любой форме требует письменного разрешения РФФИ. Пользователи вправе в индивидуальном порядке использовать материалы, находящиеся на сайте РФФИ, для некоммерческого использования.

Пользователь обязуется не осуществлять (и не пытаться получить) доступ к каким-либо материалам ЭБ иным способом, кроме как через интерфейс Сайта.

Пользователь обязуется не воспроизводить, не дублировать, не копировать, не продавать, не осуществлять торговые операции и не перепродавать материалы ЭБ для каких-либо целей.

Другие произведения в разделе:

НазваниеАвторРубрикаНомер грантаТекст
1А. И. Ларкин. Собрание трудов. Том 2Ларкин А.И.физика и астрономия09-02-07039-д
2АТОМ-М : Алгоритмы и программы для исследования атомных и молекулярных процессовАмусья М.Я.
и др.
физика и астрономия16-12-00041
3Адаптивная коррекция атмосферных искажений оптических изображений на основе искусственного опорного источникаБольбасова Л.А., Лукин В.П.физика и астрономия11-08-07003-д
4Адаптивные методы обработки спекл-модулированных оптических полейКульчин Ю.Н.
и др.
физика и астрономия09-02-07016
5Адсорбция, адсорбенты и адсорбционные процессы в нанопористых материалахнет данныхфизика и астрономия, химия и науки о материалах11-03-07023
  • Книги, изданные при поддержке РФФИ
  • Вестник РФФИ, издание на русском языке
  • Вестник РФФИ, издание на английском языке
  • Вестник РФФИ. Гуманитарные и общественные науки
  • Научно-популярные статьи и фотоматериалы
  • Аннотированные отчеты по проектам РФФИ

© 1992–2020, Российский фонд фундаментальных исследований

Россия, 119334, Москва, Ленинский проспект, 32а, 20-21 этаж
Телефон для справок: +7 (499) 941-01-15

Ионизация в газах

Суть ионизации заключается в разделении атома на положительный ион и электрон. Больший интерес для электроники представляет ионизация газа, который находится в электрическом поле. Понятие ионизации газа представляет собой появление в газе заряженных частиц – молекул, называемых газовыми ионами, под воздействием различных внешних взаимодействий. Наибольшее влияние оказывают такие внешние агенты как рентгеновские лучи, лучи радия, сильный нагрев газа.

Вызывают ионизацию, например приборы, называемые ионизаторами.

Количественной характеристикой ионизации является интенсивность ионизации, которая измеряется количеством пар противоположных по знаку частиц, возникающих в единице объёма газа за единицу времени.

Механизм ионизации в газах заключается в следующем: нейтральные атомы и молекулы содержат одинаковое количество положительного электричества в виде центральных ядер и отрицательного – в виде электронов, окружающих эти ядра. Под воздействием различных причин электрон может быть вырван, и молекула, которая остаётся, приобретает положительный заряд. А вырванный электрон не остаётся свободным, он захватывается одной или несколькими нейтральными молекулами и сообщает им отрицательный заряд. В итоге получается пара противоположно заряженных ионов. Для того, чтобы электрон оторвался от атома ему необходимо затратить определённую энергию – энергию ионизации. Эта энергия различна для разных веществ и зависит от строения атома.

Каждый молекулярный ион, который образовался, притягивает нейтральные молекулы, и тем самым образует целый ионный комплекс. Ионы противоположных знаков, при столкновении друг с другом, нейтрализуют друг друга, в результате чего опять получаются исходные нейтральные молекулы –такой процесс называется рекомбинацией. При рекомбинации электрона и положительного иона высвобождается определённая энергия, которая равна энергии, затраченной на ионизацию.

Так что в стационарных условиях, в ионизированном газе количество ионов определяется подвижным равновесием между количеством ионов, которые доставляются ионизатором, и количеством ионов, которые исчезают вследствие рекомбинации.

После того, как прекращается действие ионизатора количество ионов в газе с течением времени становится всё меньше, и в конце концов практически сводится к нулю. Это объясняется тем, что электроны и ионы принимают участие в тепловом движении и поэтому соударяются друг с другом. В результате столкновения электрона и положительного иона они воссоединяются в нейтральный атом. А когда сталкиваются положительный и отрицательные ионы, последний в свою очередь может отдать положительному иону свой собственный избыточный электрон и оба иона станут нейтральными молекулами.

В естественном состоянии газы не проводят электричества. Если поместить изолированное заряженное тело в сухой атмосферный воздух, например заряженный электрометр с хорошей изоляцией, то заряд электрометра останется практически неизменным долгий период времени.

Для ионизации газов необходимы высокие температуры, например, для водорода этот показатель составляет 6000 К. Такой тип ионизации газов распространен преимущественно в звездах.

Физика. 10 класс

§ 36. Электрический ток в газах. Плазма

Газы при нормальных условиях не проводят электрический ток, т. е. являются диэлектриками. Это обусловлено тем, что газы состоят из нейтральных атомов (молекул). Однако при определённых условиях газы, в том числе и воздух, становятся проводниками. При каких условиях это возможно?

Природа электрического тока в газах. Проведём опыт и убедимся, что электрическая проводимость газа (воздуха) может изменяться. Два металлических диска, заряженных разноимёнными зарядами и расположенных на некотором расстоянии друг от друга, соединим с электрометром ( рис. 204 ). Стрелка электрометра при этом отклонится на некоторый угол. Электрометр не разряжается, значит, при небольшой разности потенциалов между дисками воздух не проводит электрический ток.

Повторим опыт, нагревая пламенем (спиртовки, свечи) воздушный промежуток между дисками. Электрометр разряжается, т. е. через воздух проходит электрический ток ( рис. 205 ).

Вывод очевиден: в воздушном промежутке между дисками появились свободные носители электрического заряда.

Если убрать пламя, то электрический ток исчезнет, т. е. воздух между дисками опять станет диэлектриком.

Объясним результаты рассмотренного опыта. Нагревание газа пламенем приводит к образованию свободных электронов и положительно заряженных ионов, т. е. к ионизации газа.

Для отрыва электрона от атома (молекулы) необходима энергия, минимальное значение которой называют энергией ионизации атома (молекулы). Наряду с ионизацией может происходить присоединение образовавшихся при отрыве электронов к нейтральным атомам (молекулам) газа. Это приводит к образованию отрицательно заряженных ионов.

Под действием электрического поля в газе возникает направленное движение положительно заряженных ионов к отрицательному электроду (катоду) и направленное движение электронов и отрицательно заряженных ионов к положительному электроду (аноду). В ионизированном газе возникает электрический ток, который называют газовым разрядом.

Таким образом, носители электрического заряда в ионизированных газах — положительно и отрицательно заряженные ионы и свободные электроны, а проводимость газов является ионно-электронной.

Если устранить внешнее воздействие (в данном случае нагревание пламенем), электрический ток в газе прекращается. Это обусловлено тем, что при столкновении положительно заряженного иона с электроном они образуют нейтральный атом (молекулу) газа. Ионы противоположных знаков при столкновении также превращаются в нейтральные атомы (молекулы) — рекомбинируют. При рекомбинации освобождается энергия, равная энергии, затраченной на ионизацию.

Таким образом, чтобы в газе появились свободные носители электрического заряда, его атомы (молекулы) необходимо ионизировать. Это можно осуществить нагреванием газа до высокой температуры, воздействием на газ ультрафиолетовым, рентгеновским, радиоактивным излучениями и др.

Внешние воздействия, в результате которых происходит ионизация, называют ионизаторами. Разряд, возникающий в результате ионизации газа под действием ионизатора, называют несамостоятельным.

Процесс ионизации газов

Газы являются диэлектриками, если они находятся в обычных физических условиях. В этом случае газы состоят в основном из нейтральных атомов и молекул, а заряженные частицы (электроны, ионы), имеющиеся в некотором объеме газа лишь в незначительном количестве, не могут образовать заметного тока. Однако из нейтральных молекул и атомов могут образоваться заряженные частицы — ионы, если по каким-либо причинам число электронов в них изменится: этот процесс носит название ионизации. Ионизованный газ является проводником.

Если направить струю воздуха в газовый промежуток ,а на пути струи, вне промежутка, поместить ионизующее пламя, то гальванометр покажет некоторый ток.

Ионизация происходит под действием космических лучей, рентгеновского и ультрафиолетового излучения, высокой температуры, электрического поля.

Опыт показывает, что перечисленные ионизующие факторы сами по себе не могут вызывать значительного роста числа заряженных частиц в единице объема, тем более, что наряду с ионизацией идет обратный процесс образования нейтральных молекул и атомов, называемый рекомбинацией.

Электропроводность газа, возникшая в результате внешнего ионизующего воздействия, называется несамостоятельной. Если внешний ионизующий фактор перестает действовать, то в силу рекомбинации электропроводность газа исчезает. Наибольшее значение имеет ионизация атомов и молекул газа, вызываемая столкновением их с быстродвижущимися электронами. При таком столкновении энергия движущегося электрона частично или полностью передается нейтральному атому или молекуле.

Определения ионизации газов.

При достаточной энергии удара от нейтрального атома или молекулы отрывается один или несколько электронов, вместо нейтрального атома или молекулы появляются положительные ионы. Возможно также сцепление электрона с нейтральным атомом или молекулой, что приводит к образованию отрицательного иона. Процесс образования ионов при столкновении нейтральных атомов и молекул с быстродвижущимися электронами называется ударной ионизацией.

В результате ионизации количество электронов увеличивается, это приводит к росту числа столкновений и, следовательно, к еще большему увеличению числа заряженных частиц.

В ионизованном состоянии газ является проводником. Электропроводность газа, поддерживаемая благодаря ударной ионизации действием внешнего электрического поля, называется самостоятельным разрядом.

Различают несколько видов самостоятельного разряда в газе: тихий, тлеющий, искровой, дуговой.

Тихий разряд возникает при относительно больших давлениях газа (например, атмосферном), когда поле в разрядном промежутке между электродами очень неравномерно из-за малого радиуса кривизны электродов.

Тихий разряд обычно наблюдается около электродов в тех местах, где напряженность электрического поля достигает некоторого значения, называемого критическим для данного газа, и сопровождается свечением — короной.

При передаче электрической энергии на высоком напряжении вокруг проводов линии нередко можно наблюдать (особенно в сырую погоду) тихий (коронный) разряд, который приносит вред, вызывая, в частности, дополнительные потери энергии.

Рис. 1 Вольт-амперная характеристика лампы тлеющего разряда.

Тлеющий разряд. При низких давлениях (около 1 мм рт. ст.) в длинной стеклянной трубке можно получить тлеющий разряд, если между электродами, расположенными у ее концов, приложить напряжение в несколько сот вольт. Различные газы при тлеющем разряде дают свечение разного цвета. Благодаря этому лампы тлеющего разряда применяются в декоративных целях

Зависимость тока в лампе тлеющего разряда от напряжения между электродами (вольт-амперная характеристика) нелинейная, причем в некотором интервале изменения тока напряжение остается постоянным (участок БВ на рис. 1). На этом рисунке точка А характеристики соответствует зажиганию прибора, точка В — началу дугового разряда. Газоразрядные приборы тлеющего разряда используются для стабилизации напряжения.

Искровой разряд возникает между холодными электродами при большом внутреннем сопротивлении источника питания. Ионизация газа, начавшаяся под действием электрического поля, приобретает лавинообразный характер, в результате чего газовый промежуток становится проводящим, и между электродами проскакивает искра. При этом резко уменьшается сопротивление газового промежутка.

По расстоянию между электродами, при котором возникает пробой воздуха, можно судить о величине напряжения между электродами. На этой основе для измерения очень высоких напряжений применяются шаровые разрядники.

При большой мощности источника питания искровой разряд может перейти в дуговой, более устойчивый самостоятельный разряд в газе при атмосферном или повышенном давлении.

Такого рода разряд носит название электрической дуги или дуги Петрова, так как впервые наблюдался в 1803 г. профессором В. В. Петровым. Характерной особенностью дугового разряда является то, что он сопровождается ослепительным свечением и сильным нагреванием электродов (до 3000° С и более).

Световое действие электрической дуги используется для специального освещения (прожекторы, проекционные аппараты), а тепловое действие — для сварки и плавления металлов.

Электрическая дуга, возникающая при выключении электрических установок — явление нежелательное, так как ее тепловое действие разрушает контакты отключающих аппаратов (рубильников, контакторов, выключателей). Поэтому приходится принимать специальные меры, в результате чего выключающие аппараты значительно усложняются, увеличиваются их размеры.

Процесс ионизации газов

1.1.4. Ионизация воздуха

Аэроионизация является одним из важных факторов воздействия окружающей среды на живые организмы, на состояние их здоровья как в условиях открытой атмосферы, так и при нахождении человека и животных в замкнутых помещениях.

Воздух является наиболее активной компонентой взаимодействия организмов с окружающей средой через механизм газового обмена. Вместе с последним происходит обмен электрическими зарядами, которые переносятся ионами газов, заряженными молекулами или аэрозольными частицами.

Ионизация воздуха — процесс превращения нейтральных атомов и молекул газов и других компонентов воздушной среды в ионы — электрически заряженные частицы, несущие положительный или отрицательный заряд ( рис. 1.1.4.1 ).

Рис. 1.1.4.1. Процесс ионизации

Ионы в воздухе могут образовываться вследствие как естественной, так и искусственной ионизации. Естественная ионизация происходит повсеместно в результате постоянного воздействия различного вида излучений (космического, ультрафиолетового, ионизирующего) и атмосферного электричества.

Искусственная ионизация воздуха создается в результате деятельности человека и может быть нежелательной, как продукт тех или иных технологических процессов, либо целенаправленно создаваемой, например, при помощи аэроионизаторов для компенсации аэроионной недостаточности или для лечебных целей.

Очевидно, что для реализации этой цели требуются соответствующие средства измерений и контроля параметров ионизации. Физическими характеристиками ионов являются их электрическая подвижность и заряд (положительной или отрицательной полярности).

Подвижность иона — это отношение средней скорости его дрейфа в направлении электрического поля к напряженности последнего. Подвижность обычно выражается в см 2 /(с × В). По значениям подвижности ионы воздуха делятся условно на два диапазона: легкие ионы и остальные ионы, характеризующиеся меньшей подвижностью.

Легкие ионы — это ионы, у которых носителями заряда являются атомы, молекулы и комплексы молекул (т.е. собственно аэроионы). Граница подвижностей, отделяющая диапазон легких ионов от остальных, по данным разных авторов, составляет (0,5±0,3)см 2 /(с × В).

К остальным ионам относятся: средние, тяжелые, ионы Ланжевена и ультратяжелые (иногда в литературе они называются «псевдоаэроионами», т.к. у них носителями заряда являются высокодисперсные аэрозольные частицы, в том числе и микроорганизмы).

Средние, тяжелые и ионы Ланжевена имеют границы диапазонов подвижности, соответственно: 0,5—0,01, 0,01—0,001, 0,001—0,0002 см 2 /(с × В), а подвижность ультратяжелых аэроионов — менее 0,0002 см 2 /(с × В).

Очевидно, что наряду с возникновением аэроионов происходит их непрерывное исчезновение — деионизация воздуха. Факторами, определяющими деионизацию, являются:

  • рекомбинация легких аэроионов разных полярностей;
  • взаимодействие их с аэрозольными частицами и с различными предметами (в помещении);
  • осаждение и рекомбинация на различных фильтрах и в системах очистки воздуха.

Основной величиной, характеризующей ионизованность воздуха, является полярная объемная плотность электрического заряда (ПОПЭЗ), равная количеству электрического заряда ионов положительной или отрицательной полярности в единице объема воздуха.

ПОПЭЗ в Международной системе единиц (СИ) выражается в единицах Кл/м 3 . 1 Кл/м 3 — это очень большая величина. На практике удобнее использовать дольную единицу 1 пКл/м 3 = 10 -12 Кл/м 3 . Ранее для измерений ПОПЭЗ традиционно использовалась внесистемная единица измерения: 1 элементарный заряд, содержащийся в 1 см 3 воздуха: 1 эл. зар. / см 3 = 0,16 пКл/м 3 .

Для легких ионов ПОПЭЗ, выраженная в единицах эл. зар./см 3 , численно совпадает с их счетной концентрацией (числом ионов в единице объема, выражаемой в см 3 ). Для других ионов это не соблюдается, так как заряд иона может быть более 1 эл. зар.

Нормируемыми параметрами ионизированности воздуха являются:

  • р — концентрация легких ионов (количество в 1 см 3 воздуха);
  • П — показатель полярности, равный отношению разности концентраций положительных р + и отрицательных р — легких ионов к их сумме.

Показатель полярности может изменяться от минус 1 до плюс 1. При равенстве количества положительных и отрицательных ионов показатель полярности равен нулю. Часто удобнее вместо показателя полярности применять коэффициент униполярности — У, равный отношению концентрации положительных аэроионов к концентрации аэроионов противоположной полярности.

Влияние аэроионов на живые организмы многосторонне. При недостаточной и избыточной концентрациях аэроионов оно может быть неблагоприятным, а при оптимальных концентрациях ионов отрицательной полярности — стимулирующим. Зонами, воспринимающими аэроионы в организме, являются органы дыхания и кожа.

Основными механизмами ответных реакций организма на воздействие аэроионов являются нервно-рефлекторный, электрогуморалъный, адаптационный и катализирующий.

Нервно-рефлекторный механизм проявляется в воздействии аэроионов на нервные центры, изменении их функционального состояния и далее через них — воздействии на весь организм. Первичным звеном воздействия аэроионов через органы дыхания является мембрана рецепторов рефлексогенной зоны верхних дыхательных путей.

Электрогуморальный механизм, т.е. обмен электрическими зарядами под влиянием аэроионов через органы дыхания, происходит в следующей последовательности: аэроионы воздуха — альвеолы легких — венозная кровь— артериальная кровь— ткани— венозная кровь — ионы выдыхаемого воздуха, т.е. этот обмен идет в двух направлениях. При вдыхании происходит легочный электрообмен — перенос заряда через альвеолы легких от вдыхаемого воздуха к венозной крови и тканевый обмен через стенки капилляров между артериальной кровью и клетками органов, в том числе мозга.

Положительные аэроионы увеличивают содержание серотонина в слизистой оболочке дыхательных путей, крови и тканях за счет его выхода из тканевых депо. Отрицательные аэроионы снижают содержания серотонина в тканях, ускоряя его ферментативное расщепление. Широкий спектр действия серотонина, как биологически активного вещества, приводит к многостороннему воздействию ионизированного воздуха на организм.

Кроме того, аэроионизация, как один из элементов эволюционного экологического развития человека, влияет на защитно-приспособительные реакции (адаптационный механизм) организма.

В местностях с чистым воздухом в 1см 3 находится в среднем 1000 легких ионов (в горах до 3000). В городах с загрязненной атмосферой их число уменьшается до 400 -100 в 1 см 3 .

В настоящее время нормированы параметры только легких ионов. Подход, применяемый к нормированию оптимальных концентраций легких ионов, основан на том, что для нормального функционирования организма необходимо обеспечить нужное количество заряда, которое вдыхается за сутки в естественных условиях.

Профилактической и гигиенической считается концентрация легких ионов от 103 до 104 в см 3 , соответствующая их содержанию в чистом воздухе.

Для нормализации (коррекции) аэроионного состава воздуха помещений для животных необходима хорошо работающая система вентиляции, а также приборы для аэроионизации воздуха. Компенсацию аэроионной недостаточности нельзя проводить в сильно запыленных помещениях.

Аэроионизацию животноводческих помещений чаще проводят с помощью коронно-разрядных ионизаторов типа люстр Чижевского, антенного ионизатора системы НИЛ, аэроионизаторов ЛВИ, АФ-2 и АФ-3, радиоизотопных ионизаторов и др.

Для профилактики заболеваний и повышения продуктивности животных и птиц рекомендуют следующие концентрации легких отрицательных ионов и оптимальные режимы ионизации:

  • в профилакториях для телят ежедневно по 6-8 ч — 200-250 тыс. ионов/см 3 ;
  • в коровниках в течение 15-20 дней по 5-8 ч в сутки (концентрация ионов та же);
  • в помещениях для быков-производителей ежедневно в течение двух месяцев по 8-10 ч в сутки (концентрация ионов та же). После каждого периода ионизации для крупного рогатого скота (КРС) делают перерыв на 20-30 дней;
  • в помещениях для поросят-сосунов — 300-400 тыс. ионов/см 3 ;
  • для поросят-отъемышей — концентрация та же;
  • для свиней — 400-500 тыс. ионов/см 3 ;

Аэроионизацию проводят в течение 3-4 недель по два получасовых сеанса в сутки. Сеансы аэроионизации для свиней повторяют через один месяц; в птичниках для выращивания цыплят яичных пород до 60-суточного возраста — 25 тыс. ионов/см 3 ; продолжительность сеанса в сутки 1-3 ч с перерывом 1 ч. Через каждые 5 дней проводят ионизацию с перерывом 5 дней; в помещениях для кур-несушек — 10-25 тыс. ионов/см 3 . Ионизацию проводят по 4-8 ч в сутки в течение месяца с паузами той же продолжительности.

При проектировании и строительстве помещений для животных наряду с системами вентиляции и обогрева (например, локального для поросят) следует предусматривать монтаж ионизационных установок.

Основным методом измерения ПОПЭЗ аэроионов является аспирационный метод. На этом методе основана работа практически всех аэроионометрических приборов — счетчиков, спектрометров, анализаторов аэроионов и измерителей электропроводности воздуха.

Концентрацию аэроионов в помещениях для животных можно измерять переносными или портативными счетчиками легких ионов, например, АСИ-2, АИ-1, Сапфир-ЗК, МАС-01.

Электрический ток в газах

Газы (в том числе и воздух) при обычных условиях не проводят электрический ток. Только под действием высокой температуры, большой разности потенциалов, рентгеновских лучей, ультрафиолетовых лучей, космических лучей, радиоактивного излучения и некоторых других причин газы ионизируются и становятся проводниками. Если прекращается действие причины, вызывающей ионизацию газа, то он перестает проводить электрический ток (в отличие от электролитов, которые всегда являются проводниками электрического тока).

Ионизация газа отличается от ионизации жидкого проводника. В жидкости молекула распадается на две заряженные части, а в газе происходит отделение электронов от молекул (рис. 1) (при этом молекулы превращаются в положительно заряженные ионы).

Рисунок 1. Процесс ионизации газа — распад нейтральных частиц на электроны и положительные ионы

Одним из видов прохождения электрического тока через газ является электрический разряд. Примеров электрических разрядов можно привести очень много: искра, образующаяся при разрыве электрической цепи, молния, пробой газового разрядника и т. д. Все эти разряды кратковременны.

Существует и другой вид разряда в газах — это так называемый дуговой разряд.

Рисунок 1. Дуговой разряд

Явление дугового разряда было открыто выдающимся русским ученым-электротехником В. В. Петровым. Суть этого явления заключается в том, что между двумя угольными стержнями, соединенными с источником электрической энергии, возникает непрерывный электрический разряд, сопровождаемый ярким светом и большим выделением тепла. Свойство дуг создавать яркий свет раньше использовался в прожекторах, киноаппаратуре и т. д. Благодаря большому выделению тепла электрическая дуга применяется в электрометаллургии.

Следует отметить, что электрическая дуга является простейшим генератором низкотемпературной плазмы. Плазма не обязательно связана с огромными температурами и сложнейшими установками. Электрическая дуга, молния, свечение неоновых реклам и даже пламя обычной свечи — все это различные виды низкотемпературной плазмы. Генераторы низкотемпературной плазмы называются плазматронами. Плазматрон позволяет практически любой газ нагреть до температуры 7000—10 000° С при помощи электрической дуги постоянного или переменного тока. Плазматроны находят все более широкое применение в химической и горнорудной промышленности, металлургии и в других отраслях народного хозяйства.

На явлении проводимости газов при ионизации основано устройство многих радио- и электротехнических приборов: ртутных ламп, газотронов, тиратронов, газовых разрядников, газовых стабилизаторов напряжения, газосветных трубок и др.

ПОНРАВИЛАСЬ СТАТЬЯ? ПОДЕЛИСЬ С ДРУЗЬЯМИ В СОЦИАЛЬНЫХ СЕТЯХ!

Ссылка на основную публикацию
ВсеИнструменты
Adblock
detector
×
×