Transcript Електричний струм у газах

Електричний струм
у газах
• За звичайних умов гази майже цілком
складаються з нейтральних атомів або
молекул і, отже, є діелектриками
• Внаслідок
нагрівання
або
дії
ультрафіолетового, рентгенівського чи
радіоактивного проміння частина атомів
йонізується – розпадається на позитивні
йони й електрони
• В
газах
поєднується
електронна
провідність,
подібна
до
провідності
металів, з йонною провідністю, подібною
до провідності водних розчинів і розплавів
електролітів
• Процес проходження електричного струму
через газ називають газовим розрядом
• Якщо електропровівдність у газі виникає
під дією йонізаторів, а з віддаленням
останніх припиняється, то має місце
несамостійний розряд.
• Самостійним називають розряд у газах,
який зберігається й після припинення дії
зовнішнього йонізатора

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.
Зварювання й різання
металів
 Виплавка сталі високої
якості (дугова піч)
 Освітлення
(прожектори,
проекціна апаратура)
 Кварцові
лампи
–
потужне
джерело
ультрафіолетового
випромінювання


Поблизу провідника з великою кривизною поверхні
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.


У давнину - це явище одержало
святого Ельма.
назву вогнів

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.
Очищення 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.
•
Іскровий розряд виникає, якщо через газовий проміжок за
короткий час протікає обмежена кількість електрики.
•
Іскровий розряд розвивається поступово
•
Цей процес відбувається при великих напругах електричного
поля (≈3·106 В/м) у газі
Блискавка – це іскровий розряд електростатичного
заряду купчастих хмар, який супроводжується яскравим
спалахом і різким звуком (громом).
Розряд
блискавки
характеризується
великим
струмом, температура при цьому доходить до 300000
градусів (це в 6 разів більше ніж температура поверхні
Сонця), швидкість переміщення блискавки близько 100
тисяч кілометрів за секунду.
Дерево, при ударі блискавки, розщеплюється і може
навіть спалахнути. Пряме потрапляння блискавки для
людини зазвичай закінчується смертю. За статистикою, в
світі від блискавки щорічно гине близько 3000 осіб.
блискавка є природною і дуже потужною...
«фабрикою» азотних добрив. Кожен її
спалах утворює півтори-дві тонни окису
За рік на поверхню
разом з
Блискавка є азоту.
природною
і дуже землі
потужною...
«фабрикою»
дощами випадають сотні мільйонів тонн
азотних добрив.
Кожен її спалах утворює півтори-дві тонни
зв’язаного азоту. Він стимулює і підтримує
окису азоту. життя
За рікрослин,
на поверхню
разом з дощами
бо добре землі
і швидко
засвоюється
ними.тонн
Уже зв’язаного
через кілька годин
випадають сотні
мільйонів
азоту. Він стимулює
після підживлення азот знаходять у складі
і підтримує життя
рослин, бо добре і швидко засвоюється
білків листя рослин.
ними.
Людина навчилася штучно створювати
лінійну блискавку в лабораторних умовах, і
тепер вона їй вірно служить. Блискавка ріже
Людина навчилася
штучно створювати лінійну блискавку в
і з’єднує метали, очима блискавок шукають
лабораторних скарби
умовах,
і тепер
вона
їй вірно
служить. Блискавка
в земних
надрах,
блискавки
рухають
механізми.
ріже і з’єднує різні
метали,
блискавки рухають різні механізми.
Останнім часом блискавку примусили
Останнім часом
блискавку примусили повертати життя
повертати життя людині. Приєднуючи
людині.
Приєднуючи
електроди
до тіла хворого, лікарі
електроди
до тіла хворого,
лікарі дають
розряд
електричного
струму
дають імпульсивний
імпульсивний
розряд
електричного
струму
напругою 2500–4000 вольтів, і згасле було
напругою
2500–4000 вольтів, і згасле було серце
серце починає працювати.
починає працювати.
Найголовніше
–
щоб
уникнути блискавки – не бігайте
під час грози! Взагалі не
вирушайте
відпочивати
на
природу, якщо метеорологічні
прогнози віщують грозу.
Якщо гроза застигла вас у лісі, не ховайтеся під високими
деревами, особливо під соснами, дубами й тополями. Знайдіть
галявину з невисокими кущами й перечекайте там.
У степу або полі не лягайте на землю. Таким чином ви
підставляєте все своє тіло електричному струму. Знайдіть ярок,
канаву чи якусь яму, сядьте навпочіпки, обхопивши ноги
руками. Не варто в цей час займатися спортом просто неба.
Будь-які металеві предмети відкладіть убік і відійдіть від них як
найдалі.
Небезпечним
місцем
є
водойми і річки. Під час грози
не плавайте на човні –
найвищим предметом на воді
будете саме ви. Сховайтеся від
негоди у долині, подалі від
води.
Не
розбивайте
намет на відкритому березі
річки.
Якщо негода застала вас
у машині, не залишайте її.
Закрийте
вікна й опустіть
антену радіоприймача. До речі, у
поїзд блискавка влучити не може
– швидше за все, вона обере
електричні проводи.
Ще
більше
несподіванок
і
неприємностей може принести кульова
блискавка. Якщо вона потрапляє в
приміщення, не хапайтеся за металеві
предмети; не тікайте від неї, зберігайте
спокій – не рухайтесь; не намагайтеся
вигнати її з приміщення якимось
предметом.
Тліючий розряд
Тліючий розряд спостерігається лише при низьких тисках.
Для збудження тліючого розряду напруга між електродами
повинна складати всього лише кілька сотень вольтів, а іноді
й менше.
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, йонізують молекули газу. Услід за цим позитивні
йони, що утворюються, спрямовуються до катода і
вибивають із нього все нові електрони. Таким чином, знову
відбувається йонізація і т. ін. Безперервність цих процесів
дозволяє підтримувати тліючий розряд.
Виготовлення світних трубок для реклам, ламп денного
світла, напилювання металів.
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.
Кольори тліючих розрядів у
різних газах
Неон
Аргон
Криптон
Ксенон
Зроблене в 1802 році в Петербурзі Василем Володимировичем
Петровим відкриття електричної дуги є тим вкладом російської науки у
світову культуру, якому людство в першу чергу зобов’язане одним із свої
видатних досягнень – електричному зварюванню.
Василь Володимирович Петров народився 8 (19) липня 1761 року у місті
Обояни Курської губернії в родині священика. Початкову освіту отримав
вдома і в церковно-приходській школі. Потім навчався в Харківському
колегіумі, після закінчення якого в 1785 році вступив до Петербурзької
учительської гімназії. Після закінчення трирічного терміну навчання у
гімназії В.В. Петров отримав призначення на посаду учителя фізики і
математики в Барнаулі, у 1793 р. був переведений у Медико-хірургічне
училище у Петербург, яке у 1795 році було реорганізовано у Медикохірургічну академію. У Петербурзі Петров пропрацював 41 рік – до
кінця життя (1834 р.). Тут він створив великий фізичний кабінет, у свій
час одну із кращих фізичних лабораторій світу.
Будучи високоосвіченою людиною, він володів багатьма мовами,
уважно стежив за іноземною літературою і підтримував зв'язок з
європейськими вченими. Прекрасний експериментатор і педагог Петров
у 1801 році був призначений ординарним професором Медикохірургічної академії, у 1803 році – обраний членом-кореспондентом
Петербурзької академії наук, а у 1807 р. – академіком.
Відкриття В.В. Петровим електродугового розряду стало можливим
завдяки створенню джерела постійного електричного струму. У 1799 р.
А. Вольт в Італії вперше у світі побудував джерело електричного струму
"вольтів стовп", який складався з різнорідних тонких металевих дисків
(мідь + цинк, срібло + цинк), перекладених паперовими прокладками,
змоченими водним розчином нашатирю. Через рік, у 1800 р., В.В.
Петров у Петербурзі виготовив "вольтові стовпи" різного розміру, а
через два роки він уже працював з найбільшим у світі, раніше
небаченим "вольтовим стовпом", що складався з 4200 мідних і цинкових
дисків. Цей "стовп", або батарея, як називав її В.В. Петров, була
найбільш могутнім джерелом електричного струму у свій час.
З цією батареєю він з великою майстерністю і працьовитістю провів
безліч різних дослідів, результати яких опубліковані в книзі "Известия о
Гальвани-Вольтовских опытах", виданої в 1803 р. Вперше в світі В.В.
Петров у 1802 р. спостерігав дуговий розряд від побудованого ним
надпотужного "вольтового стовпа". Він відзначив, що дуговий розряд є
джерелом надзвичайно яскравого світла, придатного для освітлення.
Проводячи досліди з електродами із різних металів, В.В. Петров
отримав таке яскраве полум’я, „от котрого сии металлы иногда
мгновенно расплавляются, сгорают также с пламенем какого-нибудь
цвета и превращаются в оксид”,
а „когда тонкая железная проволка... сообщенная с одним полюсом
огромной баттереи, будет употреблена для опыта... и поднесена к
углю..., то между ними является также большое или меньше яркое
пламя, от котрого... конец проволки, почти во мгновение ока, краснеет
скоро расплавляется и начинает гореть с пламенем и расбрасыванием
весьма
многих
искр
по
различным
направлениям”.
У повідомленні академіка В.В. Петрова про перший розплав металів
електричною дугою міститься не лише інформація про можливість
такого розплаву, але і описується явище дуги, яке ми спостерігаємо при
зварюванні металів. Свої праці він писав лише російською мовою –
„...наипаче для пользы тех читателей, которые живут в отдаленных от
обоих столиц местах и которые не имели случая приобрести нужного
понятия о сих предметах». Якби ця праця, за відгуками вчених, була
написана латиною або іншою іноземною мовою, вона дала б автору
почесне місце поруч з видатними європейськими вченими того часу.
Але В.В. Петров був істинним патріотом і вірним сином свого народу.
Спроби закордонних істориків фізики приписати відкриття електричної
дуги англійському вченому Г.Деві помилкове та історично невірне. Свої
досліди електричної дуги Деві опублікував в Лондоні в 1812 році в книзі
„Элементы философии химии” („Elements ot Chemical Philosophy”),
майже на 10 років пізніше опублікованих робіт В.В. Петрова.
До моменту відкриття дугового розряду електротехніка починала лише
створюватися, електротехнічної промисловості не існувало. Для
практичного застосування дугового розряду, насамперед, не вистачало
прийнятних джерел струму для живлення дуги, досить потужних, не
складних та надійних в експлуатації і, які давали недорогу електричну
енергію.
Крім джерел струму, була необхідна різна електрична апаратура:
вимикачі, регулятори, вимірювальні прилади, електричні проводи, кабелі
та
ін.,
а
вони
у
той
час
також
були
відсутні.
Від відкриття В.В. Петрова до найважливішого його технічного
застосування – винаходу М.М. Бенардосом дугового зварювання –
пройшло близько 80 років. Відкриття Петрова значно випередило свій
час.
Способи використання дуги В.В. Петрова для цілей промислового
нагрівання і зварювання отримали подальший розвиток в працях М.Г.
Славянова, В.П. Нікітіна, Є.О. Патона, Б.Є. Патона та інших.
В.В. Петров не тільки дослідив нове фізичне явище – електричну дугу,
але і показав можливість її практичного використання для освітлення та
розплаву металів.
Уже в середині XVII ст. звернули увагу на зовнішню
схожість блискавки з електричною іскрою. Висловлювали
припущення, що грозові хмари несуть у собі значні
електричні заряди і що блискавка є гігантська іскра, яка
нічим, крім розмірів, не відрізняється від іскри між
кулями електричної машини. Про це говорив, наприклад,
М. В. Ломоносов, який поряд з іншими науковими
питаннями вивчав атмосферну електрику.
Це довели на досліді (в 1752–1753 рр.) М. В. Ломоносов
і Франклін, які працювали одночасно і незалежно один
від одного.
Ломоносов збудував «громову машину» – конденсатор,
який був у його лабораторії і заряджався атмосферною
електрикою за допомогою проводу, кінець якого був
виведений з приміщення і піднятий на високій жердині.
Під час грози з конденсатора можна було рукою добувати
іскри.
Франклін під час грози пустив на мотузку змія, на якому
було залізне вістря; до нижнього кінця мотузка був
прив’язаний дверний ключ. Коли мотузок намок і став
провідником електричного струму, Франклін зміг добути з
ключа електричні іскри, зарядити лейденські банки і
проробити інші досліди, що робляться з електричною
машиною.
Слід зауважити, що такі досліди надзвичайно небезпечні,
бо блискавка може вдарити в змія, і при цьому великі
заряди пройдуть через тіло експериментатора в землю. В
історії фізики були такі сумні випадки. Так загинув,
наприклад, у 1753 р. у Петербурзі професор Ріхман, який
працював разом з Ломоносовим.
Корабель російського мореплавця Олексія Ілліча Чирикова
пізньої осені плив по північних вод Тихого океану. Моряки
поверталися додому після чудового плавання - вони
відкрили берега Аляски.
Зворотний шлях був дуже тяжкий. Настала осінь з частими
бурями і штормами. Кораблі в ті часи, приблизно двісті
років тому, були вітрильні, крихкі - не те що нинішні
громадини, тихоокеанські теплоходи, - і вітри носили
вітрильники по хвилях, кидали, крутили як хотіли!
І ось розігралася така буря, який не запам'ятали навіть
бувалі, старі моряки. Загибель здавалася неминучою. Сили
моряків виснажилися, вони вже не в змозі були чинити опір
натиску скаженого розбурханої стихії.
І раптом на щоглах спалахнули довгі язики полум'я!
Побачивши їх, змучені люди впали на коліна, дякуючи долі
за щасливе позбавлення від смерті. Тому що ці вогні - добрі
вісники, і вони означали, що негода вщухає!
Моряки всіх країн і всіх часів бачили ці язики полум'я на
щоглах. Про них згадують мореплавці Стародавньої Греції,
про них говорять моряки Христофора Колумба, який
відкрив Америку, і супутники знаменитого Фердинанда
Магеллана, які зробили перше кругосвітнє плавання і
довели, що наша Земля - куля.
«Перед тим як зникнути, - розповідає один з товаришів
Магеллана, - світіння спалахнуло так яскраво, що ми,
можна сказати, були засліплені.
Ми подумали, що тепер загинемо,
але вітер стих в ту ж саму мить».
Траплялося, вогники спалахували на всіх щоглах, потім
скочувалися вниз, бігали по палубі, стрибали, скакали, при
цьому хоча і влаштовували відчайдушний безлад, але нікого
не кривдили. Вони просто вели себе на кораблі, як
расшалівшіеся діти.
Ці вогні - теж розряди атмосферної електрики, але тільки
тихі, невинні. Вони й справді віщували кінець бурі, так що
моряки недарма раділи їх появи.
Спалахують вогники не тільки в море, але і на суші, під час
бур і снігових завірюх. Спалахують вони завжди на високих
предметах-на шпилях будівель, на верхівках дерев. Їх
називають вогнями святого Ельма. Це назва пішла з
середньовічної Італії, де вогники часто спалахували на
високих шпилях церкви Святого Ельма, покровителя
моряків.
Вогники ці не дарма вважають добрими вісниками, тому що
такі розряди поглинають удари блискавок і свідчать про
швидке закінчення бурі.
В 1858 німецький механік і винахідник Генріх Гейслер
(1814 - 1879) виготовив першу лампу тліючого розряду
(ЛТР), придатну як для лабораторних експериментів, так і
для цілей утилітарного та декоративного освітлення. Такі
лампи отримали назву «трубок Гейслера».
Через 40 років після винаходу Гейслера співробітник
Edison Electric Light Company Даніель Мур (1869-1926)
повернувся до цієї технології і запропонував зовсім нову
лампу. Не знайшовши підтримки керівника (на думку
Едісона, лампа Мура була менш зручною в порівнянні з
лампами розжарювання), він залишив компанію Едісона і
створив власну Moore Electrical Company, яка протягом
ряду років успішно займалася виробництвом ламп Мура.
Лампа Мура являла собою цілу установку, до її складу
входила не тільки сама лампа і джерело електроживлення,
але і система, яка підтримувала незмінним тиск газу в
лампі. Лампу виготовляли безпосередньо на місці
експлуатації, збираючи її зі скляних труб діаметром
близько двох дюймів і довжиною до 10 футів.
Максимальна довжина лампи сягала 250 футів. Після
монтажу з трубки відкачувався повітря, і під невеликим
тиском її заповнювали азотом, що давали в тліючому
розряду золотисто-жовте свічення, або вуглекислим газом
(біле свічення). Електричний струм протікав між
електродами, упаяними по обох кінцях. Напруга живлення
могло досягати 25 кВ при струмі до 150 мА.
Лампи Мура вироблялися для комерційного застосування
до 1910 року. У Петербурзі експлуатувалися щонайменше
дві подібні установки, одна з яких - у Ленінградському
електротехнічному інституті (ЛЕТІ) - діяла до 1948 року).