Как сделать ионизированный газ

Обновлено: 05.07.2024

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.

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.

Исторически исследование электрического тока в газах и в вакууме оказалось для развития физики чрезвычайно важным, и вместе с тем оно обогатило технику исключительно ценными применениями. Догадка об атомном строении электричества, возникшая на основе фарадеевых законов электролиза, выросла в уверенность именно благодаря исследованиям электрических явлений в газах. А когда атомное строение электричества было доказано на опыте, то началось быстрое развитие электронной физики.

Подобно току в электролитах, электрический ток в газах обусловлен перемещением ионов в направлении поля. Однако в газах наряду с ионами большую роль в явлениях электрического тока играют также свободные электроны. Глубокое отличие тока в газах от тока в электролитах состоит в том, что ток в газах, вообще говоря, не сопровождается электролизом. Это означает, что при ионизации газов не происходит распада молекул на обычные химические ионы. В отличие от растворов ионизация газов не связана непременно с электролитической диссоциацией молекул. Ионизация здесь имеет совершенно иной характер. Опыт показывает, что даже такие газы, как гелий, неон, аргон, молекулы которых состоят всего из одного атома, могут быть ионизированы и в ионизированном состоянии они приобретают электропроводность.

нейтральной молекулы на некоторую величину, которую и называют энергией сродства к электрону.

Установлено, что при определенных условиях образуются отрицательно заряженные газовые ионы: и др. Однако число образующихся отрицательных ионов обычно невелико. В инертных газах — в аргоне, неоне, гелии, криптоне, ксеноне — и в азоте отрицательные ионы не возникают. При разряде в газах значительно большую роль играют положительные газовые ионы. Так, в воздухе образуются положительные ионы

Чтобы отщепить электрон от нейтральной молекулы или атома и превратить их, таким образом, в положительный ион, необходимо затратить определенную энергию, которую называют энергией ионизации. Обе величины — энергию ионизации и энергию сродства к электрону — принято измерять той разностью потенциалов проходя которую в электрическом поле электрон приобретает указанную энергию:

Эти потенциалы называют потенциалом ионизации и потенциалом сродства к электрону. Потенциал ионизации обычно составляет несколько вольт. Положительным сродством к электрону обладают немногие вещества.

Значения этих величин для некоторых веществ указаны в приводимых здесь двух таблицах.

Напомним (стр. 38), что работу, производимую зарядом 1 электрона при прохождении разности потенциалов в 1 в, часто принимают в качестве единицы энергии.

Потенциалы сродства к электрону

Очевидно, что числовые значения ионизационных потенциалов и потенциалов сродства к электрону, приведенные в помещенных выше таблицах, можно рассматривать также как величины энергии ионизации и энергии сродства к электрону, выраженные в электрон-вольтах.

Ионизация, вызываемая соударением молекул в их тепловом движении, — термоионизация — становится заметной только при весьма высоких температурах — для нормального давления при температурах порядка Например, как показывают вычисления, водород и азот термически ионизированы на 50% при температурах соответственно и (в случае давления в одну атмосферу). Та же степень ионизации в 50% достигается у паров железа, меди и серебра при температуре 10 500—11 000° (также в случае давления в одну атмосферу).

Пламя (в связи с химическими процессами в нем) даже при невысокой температуре вызывает существенную ионизацию газа. Это легко обнаружить, внося пламя горелки, или свечи, или даже просто тлеющую лучину в воздушное пространство между обкладками заряженного конденсатора (рис. 152). Проводящая цепь, для которой зазор в конденсаторе являлся местом разрыва, при приближении пламени оказывается замкнутой, и гальванометр, включенный в цепь последовательно с аккумуляторной батареей, показывает наличие тока проводимости.

Посредством аналогичного опыта легко обнаруживается ионизация газа, вызываемая при нормальной температуре и нормальном давлении рентгеновыми лучами, радиоактивным излучением или ультрафиолетовыми лучами. При этом пучок лучей, выделенных посредством диафрагмы, направляют в газовый зазор между обкладками конденсатора, заряженного от высоковольтной батареи, или вообще в газовый зазор между электродами (рис. 153).

Рис. 152. Опыт, показывающий ионизирующее действие пламени.

Рис. 153. Опыт, показывающий ионизирующее действие рентгеновых лучей.

Конечно, было бы совершенно неправильно представлять себе ионизацию под действием хотя бы самых сильных ионизаторов в виде бурного процесса, охватывающего сразу все молекулы газа. Процесс отщепления электронов охватывает далеко не все молекулы, а только немногие из них. Сильнейший ионизатор — соль радия, взятая в количестве 1 миллиграмма, в 1 сек. может вызвать в ближайших слоях воздуха на каждые 100 миллионов молекул образование только одного иона.

Следует также иметь в виду, что при ионизации газов, так же как и при электролитической диссоциации растворов, параллельное процессом ионизации безостановочно протекает процесс молизации — воссоединения (рекомбинации) ионов и электронов в нейтральные молекулы.

Если удалить ионизатор, то процесс рекомбинации ионов немедленно, в течение долей секунды, уничтожит почти все свободные ионы. Поэтому при нормальных условиях газ проводит электричество только под действием ионизатора и быстро теряет электропроводность, если ионизатор устранен.

При прохождении электрического тока через газ на электродах наблюдаются совершенно иные явления, чем при токе в электролитах. Благодаря малой вязкости газов подвижность газовых ионов в тысячи раз больше подвижности ионов в электролитах. Подвижность ионов у большинства двухатомных газов равна Поэтому при большой напряженности электрического поля в разрядном промежутке газовые ионы приобретают весьма большую скорость

движения. Ударяясь с этой большой скоростью о поверхность электрода, они выбивают из металла электроны. Электроны, выбитые из анода, тут же снова улавливаются анодом, тогда как электроны, выбитые из катода, отбрасываются полем катода в глубину разрядного промежутка и увеличивают здесь электропроводность газа. Таким образом, поверхность катода, бомбардируемого положительными ионами газа, становится источником ионизации газа.

Подвижность свободных электронов в газе во много раз больше, чем подвижность газовых ионов. Поэтому электроны под действием поля приобретают особенно большую скорость движения. Ударяясь о встречные молекулы, эти разогнанные полем электроны ионизируют молекулы газа.

Пробегая разность потенциалов в вольт, электрон приобретает энергию, равную эргов.

Если электрон проходит разность потенциалов без соударения с атомами, то его кинетическая энергия будет равна работе электрических сил, следовательно,

Из этого соотношения, зная массу электрона и напряжение пробегаемое электроном (без потери энергии на соударения), легко вычислить приобретаемую электроном скорость:

Так как электрон в 1840 раз легче атома водорода, то, следовательно,

Учитывая, что находим:

Подставляя в эту формулу величины ионизационных потенциалов, приведенные в помещенной выше таблице, мы видим, что электрон ионизирует газовые молекулы, когда скорость его движения достигает примерно т. е. в тысячу раз превышает скорость артиллерийского снаряда дальнобойного орудия.

Приведенная ниже таблица, рассчитанная по формуле (1), показывает, какие огромные скорости приобретает электрон, пробежав (без потери энергии на соударения) сравнительно небольшие разности потенциалов

Для весьма больших разностей потенциалов, когда скорость электронов становится близкой к скорости света, в приведенный нами расчет должна быть введена поправка на зависимость массы электрона от скорости (§ 77). Если ввести эту поправку, то обнаруживается, что ни при какой разности потенциалов скорость электрона не может стать равной скорости света.

Казалось бы, что, подобно электронам, и положительные ионы, разогнанные полем, сталкиваясь с нейтральными частицами газа, также должны вызывать ионизацию газа. Но в действительности при относительно небольших энергиях порядка десятков электрон-вольт (и даже при энергиях в сотни и тысячи электрон-вольт) соударения положительных ионов с частицами газа непосредственно не приводят к ионизации газа. Это существенное различие бомбардировки частиц газа электронами и положительными ионами (при указанных энергиях) объясняется совокупностью ряда причин и в особенности тем, что отщепляемый электрон отталкивается электроном, столкнувшимся с частицей газа, и, наоборот, притягивается положительным ионом. Сказывается также и то, что для электрона длина свободного пробега больше, чем для иона. Если представлять себе дело так, что положительный ион, разогнанный полем, испытывает соударения с периферическим электроном нейтральной частицы, то в этом случае условия для отщепления электрона становятся особенно неблагоприятными: в связи с большим различием масс энергия, отдаваемая электрону при упругом ударе, мала. Ионизация при соударении ионов с частицами газа зависит от химической природы столкнувшихся частиц; такие соударения являются, собственно, элементарным актом химической реакции.

Положение в корне меняется при очень больших энергиях бомбардирующих частиц (порядка миллионов электрон-вольт, т.е. энергий, характерных для явлений радиоактивности). В этом случае ионы оказываются более эффективными ионизаторами газа, чем электроны.

Однако и в явлениях разряда положительные ионы высвобождают электроны, но не из частиц газа, а из металла; бомбардируя поверхность катода, они, как уже упоминалось, вырывают из катода электроны.

В нашей современной жизни использование процессов горения с целью получения больше энергии, сжигание различных видов топлив, играет большую роль в энергетике, в металлургической и других отраслях промышленности. Так, 70% всей энергии, вырабатываемой в настоящее время в мире, получается в результате сжигания органических топлив.

От сюда следует ,что актуальны усилия, направленные на оптимизацию процесса горения, с целью повышения к.п.д. энергетических агрегатов, снижения количества вредных выбросов с продуктами горения.

Электрический заряд является одним из способов увеличения энтальпии продуктов сгорания различных топлив.

На основе изучения особенностей воздействия на горение электрических полей, возможно создание новых способов управления процессами горения в энергетических и технологических агрегатах, обеспечивающих снижение расхода топлива, уменьшение вредных выбросов в атмосферу, интенсификацию процесса горения- с одной стороны, и повышение эффективности средств пожарной обороны, снижение расхода огнегасящих веществ — с другой.

Суть теоретических исследований о влиянии каталитического воздействия озона на процесс сжигания газового топлива заключается в том,

что кулоновские силы рвут сгустки одноименно заряженных молекул кислорода и газа с интенсивным перемешиванием.

Сжигание топлива (доменный и природный газ) можно интенсифицировать при подаче на горение ионизированного воздуха. Ионизация воздуха может быть достигнута в тлеющем, искровом или дуговом разрядах. Любой разряд — это прохождение тока через газ. Технология интенсификации горения содержит в себе подготовку окислителя к сжиганию, которая состоит в том, что перед подачей окислителя на сжигание его пропускают через неоднородное стационарное электрическое поле. При этом происходит образование атомарного кислорода, который является наиболее сильным окислителем, чем молекулярный. Таким образом, при прохождении окислителя через неоднородное стационарное электрическое поле он активизируется, т.е. становится более реакционно-способным. Это приводит к более быстрой реакции горения любого топлива: твердого, жидкого, газообразного, к более полному сгоранию горючей составляющей топлива, к возможности сжигания топлива при меньшем, чем обычно, коэффициенте избытка воздуха.

При изучении влияния электрических полей на характеристики распространения пламени можно выделить два случая :

а) наложение электрического поля с целью максимально возможного повышения энтальпии пламени ;

б) распространение пламени в электрических полях характеризуемых высокой напряженностью , но малой силой тока .

Влияние электрических полей на процесс распространения пламени можно наглядно пояснить следующим образом ( см. рис.1):

рис.1. Варианты наложения электрического поля.

поток электронов, а положительные ионы получат дополнительное количество движения по ходу потока .

Таким образом, создаются предпосылки для определения влияния имеющихся в пламени заряженных частиц на кинетику химических реакций, так как повышение температуры пламени за счет преобразования электрической энергии в тепловую исключено, а влияние ионного ветра можно учесть , меняя знак электрического заряда на единственном электроде-горелке.

С точки зрения тепловой теории эффект ионного ветра объясняется тем, что положительные ионы , увлекая за собой массу раскаленных газов при наложении поля по рис.1а , приближают зону с более высокой температурой к горелке , в результате чего создаются условия для более интенсивного теплообмена между раскаленными продуктами сгорания и свежей горючей месью . Это в свою очередь вызывает ускорение реакции и смещение фронта пламени ближе к горелке. При наложении поля по рис.1б зона с более высокой температурой будет смещаться вверх , так как ионы увлекут за собой к катоду нейтральную массу раскаленных газов. Теплообмен со свежей смесью в этом случае ухудшится, развитие горения замедлится и фронт пламени увеличит поверхность горения.

При наложении заряда на горелку возможные изменения поверхности горения S_к и высоты внутреннего конуса h_к , происходящие за счет электрического взаимодействия положительных ионов с зарядом на горелке , могут быть объяснены так же. как и влияние поля. Однако эффект изменения S_к окажется значительно слабее.

рис.2. Уменьшение высоты пламени городского газа; постоянное электрическое поле.
Многочисленные наблюдения показывают, что при наложении на газо-воздушное пламя продольного электрического поля высота пламени уменьшается , что видно из графика ( рис.2).

Уменьшение высоты пламени под действием электрического поля происходит вне зависимости от его направления. Однако геометрия пламени зависит от метода наложения на пламя электрического поля.

Изменение формы пламени, а следовательно и площади его поверхности может изменить общую скорость процесса сгорания, а отсюда и скорость распространения пламени. Кроме того, любое изменение кривизны фронта пламени может изменить нормальную скорость пламени : она увеличится, если фронт пламени обращен вогнутостью к несгоревшим газам , и уменьшится, если он обращен к ним выпуклостью . Это объясняется различной теплопередачей и диффузией радикалов в криволинейных фронах пламени."

После ряда экспериментов было установлено, что максимум ионизации соответствует фронту пламени , где протекают химические процессы, причем концентрация заряженных частиц резко падает по выходе в зону продуктов сгорания , хотя в этой зоне и наблюдается максимальная температура горения.

При наложении электрического поля пламя под действием ионного ветра будет плотней прилегать к тепловоспринимающей поверхности , в результате чего скорость ее нагрева увеличивается. Электрическое поле улучшает условия теплообмена при любом расположении тепловос-принимающей поверхности.

Электрическое поле влияет на стабилизацию пламени, что препятствует такому негативному явлению, как отрыв пламени.

Это видно по графику (рис.3).

рис.3. Стабилизация пламени электрическим полем при переменной скорости потока.

1- отрицательный потенциал на горелке;

2- положительный потенциал на горелке.

Для безопасной работы котельные установки, работающие на газообразном топливе, оборудуют специальными автоматическими устройствами . Назначение этих устройств состоит в том, чтобы быстро отключить поступление газа в топку , если по какой-то причине пламя погасло и предотвратить возможный взрыв. Для такого рода задачи разработаны многие системы автоматического регулирования , различащиеся как по принципу работы , так и по конструктивному выполнению. Некоторое распространение получили системы , включающие чувствительные датчики контроля процесса горения по ионизации пламени . Пример схемы такой системы представлен на рис.4.

рис.4.Электрическая схема прибора контроля за горением , основанная на измерении проводимости пламени.

2- электрод, 3- изолятор, 4- реле тепловой нагрузки РТП.

Двойной триод включен таким образом, что при работе одной его половины вторая оказывается запертой. Когда пламя замыкает цепь горелка- электрод , напряжение постоянного тока , снимаемое с сопротивления R₂, отрицательным полюсом подается через пламя на сетку левой половины двойного триода и запирает ее. Правая половина лампы в это время работает, и реле отсечки газа , включенное в анодную цепь этой половины , находится под током . При гашении пламени цепь отрицательного смещения на сетке левого триода рвется и в его анодной цепи течет ток. Напряжение, снимаемое с R₃ положительным полюсом подается на катод, а отрицательным — на сетку правого триода. Правый триод запирается и обесточивает реле. В результате доступ газа в установку прекращается.

Таким образом, при сжигании газа в виде ионизированной смеси ,что возможно при воздействии на нее электрическим полем или ионизированным заранее воздухом, происходит следующее — мгновенно в любой точке этого газа начинают действовать силы отталкивания.

За счет повышения температуры горения факела значительно усиливается его светимость. И нагрев поверхности уже происходит за счет излучения не только в инфракрасном, но и в видимом и ультрафиолетовом спектре. Световая энергия со скоростью света 300 км/с. распространяется, поглощается поверхностью, частично многократно отражается и за счет этого происходит мгновенный, более сильный нагрев поверхности.При этом стабилизируется процесс самого горения, что обеспечивает эффективную и достаточно безопасную работу горелочных устройств.

Ионизация газа — это процесс образования ионов из нейтральных частиц. Ионизация образуется от соударения в процессе теплового движения или ионизация газа в воздухе.

Что такое ионизация газа Аэроионы

Чистые, сухие газы не содержат свободных зарядов и являются диэлектриками. При различных внешних воздействиях электроны легко отрываются от атомов газа, образуя таким образом положительные ионы. Оторвавшиеся электроны в значительной части остаются в свободном состоянии, в меньшей — присоединяются к другим атомам, образуя отрицательные ионы.

Происходит ионизация газа. В результате ионизации газ делается хотя и плохим, но проводником электрического тока. Ионизация газа происходит при нагревании (см. рис. 2), соударении его частиц, поглощении фотонов ультрафиолетового излучения и т. п.

Соударяясь в процессе теплового движения, электроны и положительные ионы могут вновь соединяться в нейтральные частицы. Это называется рекомбинацией ионов. Если ионизирующий агент действует с постоянной интенсивностью, то в газе устанавливается динамическое равновесие между количеством ионов и электронов, вновь образующихся и рекомбинирующихся в единицу времени.

В результате количество ионов, содержащихся в единице объема газа, или их концентрация, остается постоянным. Если интенсивность ионизирующего агента повышается, увеличивается и концентрация ионов и электронов. Если действие ионизирующего агента прекращается, то газ постепенно возвращается к исходному состоянию.

Ионизация газа в воздухе

В воздухе и других газах, которые находятся в естественных природных условиях, всегда имеется небольшое количество свободных электронов, а также ионов обоих знаков, образовавшихся вследствие ионизирующего действия природных факторов: ультрафиолетовой части солнечного излучения, космического излучения, излучения радиоактивных веществ, находящихся в земной коре, и т. д.

Обычно они присоединяются к нейтральным молекулам или группам молекул и образуют сложные газовые ионы обоих знаков. В воздухе ионы образуются также при распыливании воды (это называется баллоэлектрическим эффектом), например при падении дождя, около водопадов, фонтанов и т. п. Ионы образуются также (путем вторичной ионизации) при атмосферных электрических разрядах (грозовые молнии).

Газовые ионы, в свою очередь, могут присоединяться к различным взвешенным в газе частицам вещества (пылинки частицы дыма) или мельчайшим капелькам водяного пара и т. п.

Находящиеся в атмосфере газовые ионы называются аэроионами и разделяются на легкие и тяжелые. Легкими аэроионами называются газовые ионы, простые или сложные. Масса их невелика, а подвижность относительно высокая. Тяжелыми аэроионами называются газовые ионы, связанные с твердыми частицами или частицами влаги.

Эти ионы имеют значительно большую массу и меньшую подвижность. Концентрация аэроионов в воздухе зависит от различных метеорологических условий и все время меняется. В среднем в 1 см 3 городского воздуха содержится несколько сотен легких и до нескольких десятков тысяч тяжелых аэроионов. В чистом загородном воздухе количество легких аэроионов увеличивается до нескольких тысяч, а тяжелых снижается почти до нуля.

Легкие и преимущественно отрицательные аэроионы являются положительным гигиеническим фактором. Тяжелые аэроионы действуют вредно на организм. В настоящее время в качестве оздоровительного, а иногда и лечебного мероприятия применяется искусственная аэроионизация воздуха с помощью приборов, называемых аэроионизаторами.

Образование тока в газе вторичная ионизация

Ионизация газа, происходящая под влиянием внешних воздействий, называется первичной ионизацией. Если в газе, в котором поддерживается первичная ионизация, образовать электрическое поле, то под действием сил поля ионы и электроны придут в направленное движение. Движение двух встречных потоков положительных и отрицательных ионов и электронов образует электрический ток в газе. Достигая электродов, ионы нейтрализуют свои заряды путем присоединения (на катоде) или отдачи (на аноде) электронов и таким образом поддерживают ток во внешней цепи.

Образование тока в газе при ионизации его путем нагревания можно показать на опыте (рис. 2). Воздух, находящийся между пластинами Р воздушного конденсатора, подключенного к батарее Б, будучи нагрет пламенем спиртовой горелки, делается токопроводящим. Ток между пластинами отмечается чувствительным гальванометром Г.

Если напряжение, приложенное к электродам невелико, невысока и ско рость перемещения ионов, то только часть из числа пар ионов, образующих ся в единицу времени, достигает электродов и, отдавая свои заряды, образует ток в цепи, остальные ионы рекомбинируются. При увеличении напряжения эта часть ионов будет возрастать, соответственно возрастает и сила тока, однако только до тех пор, пока все ионы, образующиеся в единицу времени, не будут достигать электродов. Ток при этом, несмотря на увеличение напряжения, больше возрастать не будет. Этот ток называется током насыщения. Величина I_н тока насыщения прямо пропорциональна заряду е иона, числу N ионов одного знака, образующихся в единицу времени (1 сек) в единице объема (1 см 3 ) газа, и объему V газа между электродами:

l_н=eNV.

Это поясняется схемой, которая показывает, что ионы в газе двигаются двумя встречными потоками, но через любое сечение газа в единицу времени проходит NV зарядов (например, для среднего сечения аb это будет два потока, каждый по NV/2 ионов).

Ионы (или электроны), двигающиеся в газе, испытывают столкновения с окружающими их неионизированными частицами газа, поэтому средняя скорость поступательного движения аэроионов относительно невелика. Эта скорость прямо пропорциональна напряженности поля и зависит от строения иона.

Скорость движения ионов в газе

Подвижность (скорость при напряженности поля 1 в/см) аэроионов указана в таблице.

Масса электрона в тысячи раз меньше массы аэроиона, поэтому скорости движения электронов значительно выше.

При небольших скоростях движения соударение ионов и электронов с неионизированными частицами газа вызывает только изменение направления движения частиц (упругое рассеяние).

Вследствие значительного расстояния между молекулами в газе и при достаточно высокой напряженности поля электроны могут разгоняться до скоростей, при которых их кинетическая энергия может оказаться достаточной, чтобы вызвать неупругое соударение, в результате которого происходит ионизация частицы газа. Это явление называется вторичной ионизацией или ионизацией путем соударения.

Разность потенциалов, при которой должен быть ускорен электрон для осуществления ионизации путем соударения, называется ионизационным потенциалом е — заряд электрона) должна быть равна работе Л_и, которую надо совершить, чтобы оторвать электрон от атома данного газа:

Е_э = φ_иe = А _и,

откуда φ_и = А_и/е ,

где А_и выражена в электрон-вольтах. Итак, ионизационный потенциал численно равен отношению работы по ионизации атома данного газа к заряду электрона.

Наименьший ионизационный потенциал соответствует отрыву внешних электронов.

Ионизационный потенциал внутренних электронов в несколько раз выше. Во многих случаях учитывается некоторый средний потенциал. Например, средний ионизационный потенциал воздуха принимается равным 34 в (это означает, что для образования одной пары ионов в воздухе в среднем необходимо затратить энергию 34 эв).

При достаточно сильном электрическом поле электроны ускоряются до высоких энергий. Сталкиваясь с нейтральными молекулами или атомами газа, электроны расщепляют их и образуют новые ионы и свободные электроны, которые в свою очередь ускоряются силами электрического поля и производят новую ионизацию, и т. д. Ионизация газа лавинообразно нарастает. Соответственно нарастает и сила тока или интенсивность электрического разряда. На рис. 236, а схематически изображено быстрое нарастание количества электронов и ионов в газе в результате последовательных столкновений с частицами газа. На рис. 3 , б показана фотография ионных лавин, образованных единичными электронами.

Во вторичной ионизации принимают участие также и ионы обоих знаков, но в связи с малой подвижностью значение их в этом процессе незначительно.

Построим график зависимости силы тока I в газе от напряжения U, приложенного между двумя пластинами воздушного конденсатора С . При постоянном расстоянии между пластинами напряженность поля прямо пропорциональна приложенному напряжению. В связи с малой силой тока она измеряется косвенно по падению напряжения на достаточно большом, включенном последовательно в цепь сопротивлении R, кото рое измеряется электрометром Э. Напряжение на пластинах регулируется потенциометром П и измеряется по разности показаний вольтметра В и электрометра Э.

Вначале в области первичной ионизации ток с увеличением напряжен ности поля возрастает , пока не достиг нет величины тока насыщения I_н (с увеличением напряженности поля ток насыщения может незначительно возрастать за счет повышения скорости движения ионов) — участок а в.

При определенной величине напряженности поля в газе начинается вторичная ионизация путем соударения. Количество ионов, образующихся в единицу времени, быстро нарастает. Соответственно возрастает и сила тока, что отражается на графике значительным и неравномерным подъемом кривой (участок ВС).

Электрический ток в газе

Электрический ток в газе, особенно значительный по величине, сопровождается свечением газа, звуковыми явлениями (шипением, треском), образованием в воздухе озона и окислов азота и т. п. Совокупность этих явлений, включая и само образование тока, называется электрическим разрядом в газе. Свечение связано с возбуждением атомов и молекул газа, происходящим при соударении их с электронами (или ионами) с высокой кинетической энергией, но недостаточной для ионизации. Звуковые явления связаны с местным нагреванием газа, происходящим при столкновении частиц. В связи с этим частицы газа приходят в движение, которое при определенных условиях является источником звука.

Разряд обусловленный первичной ионизацией, происходящей под действием внешних воздействий, называется несамостоятельным разрядом, так как с прекращением первичной ионизации газа он также прекращается. Разряд, происходящий под действием вторичной ионизации (ионизации путем соударения) называется самостоятельным разрядом в газе, так как он может продолжаться за счет вторично образующихся ионов, т. е. независимо от первичной ионизации.

Плазменный динамик

После подключения источника электрического звукового сигнала (к смартфону) и правильного регулирования настроек акустической системы чтобы получить стабильное пламя и хорошее качество звука, можно включить мелодию. Выбранная песня слышна непосредственно из электрической дуги! Разнообразные звуки играют в плазме между электродами!

Конечно это не громкий динамик большой мощности, потому что музыка, выходящая из пламени, имеет громкость сравнимую с той что воспроизводится со слабенького мобильного телефона. Кроме того играемая музыка не имеет басов, ей не хватает низких частот. Это связано с тем, что мембрана в данном случае представляет собой небольшое плазменное пламя и не способна воспроизводить звуки требующие больших движений диафрагмы (перемещение большого количества воздуха). Плазменный громкоговоритель воспроизводит прекрасно высокие тона, потому что он характеризуется низкой инерцией мембраны: пламя легко передает быстрые вибрации в воздух.

Плазма производит звук благодаря своей модуляции. Генератор ШИМ, в зависимости от входного электрического аудиосигнала, сокращает или удлиняет параметры выходного сигнала на постоянной частоте и, следовательно, вызывает концентрацию или истончение плазмы, что приводит к уплотнению и разбавлению воздуха. Таким образом создается акустическая волна, которая по определению представляет собой структуру плотности и давления в упругой среде (воздухе). Эта волна достигая наших ушей и позволяет слышать музыку, воспроизводимую с телефона.

Плазма и огонь

Продолжая опыты, не отключая мобильный телефон или не меняя параметры электрической дуги, поместим свечу в плазму. Она быстро загорается и сгорает. Остается лишь короткая электрическая дуга, которая подает напряжение от электродов к пламени. Пламя свечи кажется ярче. Музыка продолжает воспроизводиться, на этот раз главным образом через пламя свечи.

Мгновенное зажигание фитиля свечки происходит потому, что плазма имеет очень высокую температуру – порядка нескольких тысяч градусов Цельсия. Осветление пламени вызвано дополнительным нагревом атомов углерода за счет очень высокой температуры плазмы. Из этого можно сделать вывод, что нормальное пламя горения имеет свойства подобные плазме, и то, что оно проводит электричество. Оно также может быть модулировано, что позволяет воспроизводить звук.

Огонь имеет много общих черт с плазмой и подвержен тем же явлениям, однако мы не можем окончательно рассматривать его как плазму, потому что он слишком холодный. (Это спорный вопрос – разные физики занимают различные позиции).

Взаимодействие плазмы с магнитом

Чтобы изучить другое свойство плазмы, нужна стабильная электрическая дуга: для этого выключаем стабильный звуковой сигнал из генератора. Затем прихватив ферритовый магнит плоскогубцами, медленно приближаем его к пламени плазмы и наблюдаем реакцию плазмы на наличие магнитного поля различной полярности. Каждый раз, независимо от полюса который приближаем к электрической дуге, оно пригибается к магниту, чтобы быть как можно ближе к магнитному полю.

Это говорит о том, что плазма состоит из частиц восприимчивых к магнитным взаимодействиям и в то же время проводящим электричество. Из этого можно сделать вывод, что плазма представляет собой облако, состоящее из электронов и ионов. Эти заряды, генерирующие собственное электромагнитное поле, притягиваются магнитным полем и изгибают пламя вдоль линии его поля.

Плазма и ионизация газа в лампе

Наблюдая плазменное пламя мы видим, что оно излучает фиолетовый свет и генерирует много тепла – электрические разрядники горят. Чтобы узнать об ионизации других газов с помощью высокого напряжения, к электродам плазменного динамика присоединяем спираль из флуоресцентной лампочки.

Когда электрическая дуга соединяется с концами спирали, видно белый свет с теплым или более холодным спектром, идентичным нормальному функционированию лампы.

Ионизация газа в люминесцентной лампе убеждает в том, что разные газы могут излучать разный свет. Это позволяет сделать вывод о том что плазма, возникающая в разных условиях, может иметь другие свойства, среди прочего, цвета испускаемого света, температуры или области возникновения.

Плазма и лестница Иакова

Во время работы плазменного динамика видно, что электрическая дуга согнута. Чтобы узнать о следующем свойстве плазмы, нужно соединить два провода, образованные вместе в форме V, но разделенные на несколько миллиметров друг от друга. Затем задайте правильные параметры дуги без воспроизведения музыки. После правильной активации новых электродов на их концах появляется небольшая дуга которая быстро перемещается вверх и увеличивается по длине, а затем ломается. Ситуация повторяется много раз.

Анализируя это явление заключаем, что плазма подвергается явлению конвекции, т. е. перемещает теплые массы воздуха, вызванные разницей плотности. Плазма по-прежнему ведет себя как газ и обладает другими свойствами одновременно. Она может проводить электричество и содержит много энергии, которую дает окружающей среде по-разному. Все наблюдения подтверждают, что плазма представляет собой сильно ионизированный газ.

После длительной работы ионофона можно почувствовать запах воздуха, как после грозы. Это характерная особенность озона, создаваемого электрической дугой. Плазма, в зависимости от окружающей среды в которой она присутствует, может вызывать различные химические реакции.

В аэробной среде она выполняет синтез кислорода в озон, в соответствии с уравнением 3O2 > 2O3. Это позволяет узнать про еще одно необычное свойство четвертого состояния агрегации. Озон является ядовитым газом и обладает сильными асептическими и токсичными свойствами. Поэтому будьте осторожны во время эксперимента и проводите их в хорошо проветриваемом помещении.

Читайте также: