Тема 4. ЭЛЕКТРИЧЕСКИЙ ТОК В ГАЗАХ.

1) Ионизация газа.

2) Зависимость тока в газах от напряжения.

3) Различные виды разрядов в газах при атмосферном давлении.

4) Ток в газах при пониженном давлении.

5) Излучение и поглощение энергии атомами.

6) Катодные лучи и их свойства.

7) Двухэлектродная лампа. Диод

8) Трехэлектродная электронная лампа. Триод.

 

1. Ионизация газа.

Если на электроды подать напряжение и между электродами находится воздух в обычном состоянии, то тока в цепи практически не будет, т.к. в обычном состоянии воздух является диэлектриком. Для того, что бы газ стал проводником тока необходимо увеличить концентрацию свободных носителей заряда. Для этого атомам и молекулам газа необходимо сообщить дополнительную энергию, в результате нагревания или за счет какого-либо вида излучения. Такой источник дополнительной энергии называется ИОНИЗАТОРОМ. Если атомам и молекулам сообщить дополнительную энергию, то их скорость хаотического движения увеличивается, столкновения становятся чаще и сильнее. При таких столкновениях происходит обмен энергиями, в результате которого атомы могут терять электроны или приобретать, превращаясь в соответствующие ионы (+), (-); .

Т.о. из нейтральных атомов и молекул образуются положительно и отрицательно заряженные ионы и свободные электроны. Такой процесс называется ИОНИЗАЦИЕЙ. Заряды противоположного знака, притягиваясь, могут соединяться, образуя нейтральные атомы и молекулы – такой процесс называется РЕКОМБИНАЦИЕЙ. Т.о. одновременно с процессом ионизации происходит и обратный процесс – рекомбинация. Поэтому при постоянно работающем ионизаторе при условии, если его мощность не меняется, концентрация свободных носителей заряда становится примерно одинаковой. Если при работающем ионизаторе на электроды подать напряжение, то начнется направленное движение двух потоков: положительных ионов к катоду, отрицательных ионов – к аноду. Ток в газах представляет собой направленное движение ионов обоих знаков и электронов.

2. Зависимость тока в газах от напряжения.

Выясним, какой зависимости находится сила тока в газах от напряжения при постоянной мощности ионизатора. Если напряжение на электродах равно 0, при работающем ионизаторе сила тока равна 0. По мере увеличения напряжения скорость направленного движения двух встречных потоков зарядов противоположного знака будет увеличиваться, время их взаимодействия будет уменьшаться, будет уменьшаться и вероятность их рекомбинации, а кол-во зарядов, доходящих до соответствующих электродов будет увеличиваться, будет увеличиваться и сила тока (отрезок ОА)

При определенных напряжениях вероятность рекомбинации зарядов приближается к 0, при этом сила тока в газе достигает максимальной величины, и при дальнейшем увеличении напряжения сила тока меняться не будет. Такой ток в газах называется током НАСЫЩЕНИЯ (отрезок АВ). Если при таких напряжениях убрать ионизатор, то ток в газах становится = 0, такой разряд в газах называется НЕСАМОСТОЯТЕЛЬНЫМ. Если продолжать увеличивать напряжение, то будет увеличиваться совершаемая работа электрическим полем при перемещении заряда на длине свободного пробега. За счет этой работы будет увеличиваться кинетическая энергия электронов и при определенном значении ее электроны сталкиваясь с нейтральными атомами, могут вызвать ионизацию, в результате которой появляются дополнительные электроны и положительные ионы. Электроны второго поколения могут вызвать ионизацию. Процесс ионизации протекает лавинообразно, в результате концентрация зарядов резко возрастает, резко увеличивается и сила тока (отрезок ВС). Если сейчас убрать ионизатор, то ток будет продолжать идти. Такой разряд называется САМОСТОЯТЕЛЬНЫМ, который в данном случае является ИСКРОВЫМ. Поддерживается самостоятельный разряд положительными ионами газа, которые, сталкиваясь с катодом, выбивают из него электроны, которые являются родоначальниками нового искрового заряда.

3. Различные виды разрядов в газах при атмосферном давлении.

Электрический ток в газах называется РАЗРЯДОМ. Проходит ток в газах по- разному: отсюда существуют разные виды разрядов: 1- искровой, 2 – дуговой, 3 – коронный, 4 – кистевой.

1. искровой. Можно получить при холодных электродах, но высоком напряжении. Возникает искровой разряд при ионизации атомов, молекул воздуха, заряженными частицами. Сопровождается этот разряд свечением и характерным потрескиванием.

2. Дуговой. Такой разряд можно получить при сравнительно низком напряжении, но очень высокой температуре электродов. Дуговой разряд сопровождается ярким свечением и используется как мощный источник света, поэтому его используют при сварке, плавке металлов.

3. Коронный. Такой разряд можно получить вблизи проводов высокого напряжения. Ионизация воздуха происходит за счет сильного электрического поля, сопровождается голубоватым свечением и характерным шипением. Корона на проводах линий электропередач – явление вредное, т.к. происходит потеря электроэнергии.

4. Кистевой. Можно получить при высоком напряжении между двумя электродами. Один из которых – плоский, а другой – заостренный. Представляет собой кистевой разряд несколько искровых, происходящих одновременно.

4.Ток в газах при пониженном давлении.

Если на электроды трубки подать напряжение и при этом давление в трубке равно атмосферному, то тока в цепи не будет. Если с помощью насоса откачивать воздух их трубки, то плотность будет уменьшаться, среднее расстояние между атомами и молекулами будет увеличиваться, будет увеличиваться и длина свободного пробега электронов. Т.к. электрическое поле совершает работу над электроном на длине свободного пробега, то эта работа будет увеличиваться, т.о. увеличивается и кинетическая энергия электронов. При определенном значении кинетической энергии электроны, сталкиваясь с нейтральными атомами, могут вызвать их ионизацию, в результате которой появляются дополнительные заряды, которые в свою очередь вызывают дальнейшую ионизацию, в результате концентрация зарядов в трубке возрастает, сопротивление току уменьшается и по цепи идет ток. Прохождение тока в газах сопровождается свечением, поэтому воздух в трубке будет светиться. Цвет свечения зависит от рода газа внутри трубки. Это используют в газосветных (рекламных) трубках. Аналогичное явление происходит и в лампах дневного света.

5. Излучение и поглощение энергии атомами.

Объясним, почему газ при прохождении через него тока светится и почему разные газы дают разный цвет свечения. Для этого воспользуемся постулатами датского ученого Нильса Бора.

1.Постулат: электроны в атомах могут вращаться по оболочкам строго определенного радиуса, при этом обладая строго определенным значением энергии.

2. Постулат: электрон, вращающийся по любой из разрешенных оболочек энергии не поглощает и не излучает.

3. Постулат: электроны могут переходить с одной разрешенной оболочки на другую, при этом атом либо излучает квант энергии, либо поглощает, численно равный разности энергий электрона на этих оболочках. Если электрон переходит на оболочку большего радиуса, то атом поглощает квант энергии.

Такое состояние атомов называется ВОЗБУЖДЕННЫМ.

При переходе электронов на оболочку меньшего радиуса, атом излучает квант энергии.

Электромагнитные волны определенных частот вызывают в глазах человека зрительные ощущения, причем разных частот, разные цветовые ощущения. Прохождения тока в газах сопровождается возбуждением атомов, поэтому сопровождается свечением. Т.к. атомы разных химических элементов дают разное по частотам излучение, отсюда и разный цвет свечения.

6. Катодные лучи и их свойства.

Если продолжать откачивать воздух из трубки, то длина свободного пробега электронов будет увеличиваться, вероятность ударной ионизации будет уменьшаться, будет уменьшаться и яркость свечения газа. При сравнительно низком давлении вблизи катода появляется темное пространство, которое увеличивается по мере уменьшения давления в газах. При давлении порядка 0,01 мм. рт.ст. свечение в трубке прекращается, но ток продолжает идти, объясняется это тем, что при таком давлении длина свободного пробега электронов примерно одного порядка с расстоянием между электродами, и вероятность ионизации близка к 0. В результате редких процессов ионизации образуются положительные ионы, которые, двигаясь к аноду, разгоняются электрическим полем до больших значений кинетической энергии и, сталкиваясь с катодом, выбивают из него электроны, которые в виде направленного пучка двигаются к аноду. Такой направленный поток электронов от катода к аноду назвали КАТОДНЫМИ ЛУЧАМИ. Катодные лучи обладают энергией. При взаимодействия с веществом - эту энергию они могут отдавать. Если это люминесцирующее вещество, то оно начинает светиться (экран телевизора). Поверхности других веществ за счет этой энергии могут разогреваться до очень высокой температуры, плавиться, поэтому катодные лучи используются для плавки, сварки и резки веществ. Катодные лучи хорошо реагируют на электрические и магнитные поля, поэтому с помощью таких полей катодный луч можно фокусировать, менять его траекторию движения в любом направлении. Это свойство катодных лучей используется для получения видимых изображений на экране трубки.

 

7. Двухэлектродная лампа. Диод

 

Двухэлектродная лампа (Диод) состоит из баллона, внутри которого создан технический вакуум. В баллон впаивают два электрода, один из которых в виде спирали и называется катодом, форма другого электрода может быть любой и называться анодом. Катод является источником электронов, электроны появляются в баллоне в результате термоэлектронной эмиссии с поверхности катода.

Анод в лампе служит для управления потоком электронов, летящих от катода к аноду.

Принцип работы:

Если через нить накала катода пропустить ток от батареи накала (Б_Н), то катод разогреется, и с его поверхности будет происходить термоэлектронная эмиссия, в результате которой вблизи катода образуется электронное облачко. Подадим на анод положительный потенциал. Анод создает ускоряющее электрическое поле, и электроны из этого облачка устремляются к аноду, образуя анодный ток. Если напряжение на аноде увеличить, то анодный ток будет увеличиваться, а плотность электронного облачка будет уменьшаться. При определенном напряжении облачко вблизи катода исчезает, это означает, что все электроны, вылетающие с катода, не задерживаясь, устремляются к аноду. Анодный ток при этом достигает наибольшей величины и дальше от напряжения зависеть не будет. Такой ток называется током НАСЫЩЕНИЯ. Подадим на анод отрицательный потенциал, анодный ток идти не будет. Т.о. двухэлектродная электронная лампа диод обладает явно выраженной односторонней проводимостью, т.е. пропускает ток только в одном направлении, а именно в том случае, когда на аноде ( + ), поэтому такие лампы в электрорадиотехнике используются, как выпрямители переменного тока.

8. Трехэлектродная электронная лампа. Триод.

 

Трехэлектродная электронная лампа - триод отличается от диода тем, что между катодом и анодом ближе к катоду впаивают третий электрод, названный управляющей сеткой. Катод и анод в триоде выполняют те же функции, что и в диоде.

Выясним роль сетки: если на анод подать положительный потенциал, а напряжение на сетке равно 0, то практически заметного влияния на величину анодного тока сетка не оказывает и лампа работает в режиме диода. Если на сетку подать положительный потенциал, то сетка вблизи катода создает дополнительно ускоряющее поле и анодный ток лампы увеличивается. Если на сетку подать отрицательный потенциал, то сетка вблизи катода создает тормозящее электрическое поле, в результате анодный ток уменьшается. На сетку можно подать такой отрицательный потенциал, при котором анодный ток станет равным 0. При небольших изменениях напряжения на сетке анодный ток меняется в значительной степени, поэтому такие лампы используются в качестве усилителей переменного тока.