Электрический ток в плазме – физика явлений, как она есть

Плазма – виды, свойства и параметры

Плазмой называется четвертое агрегатное состояние вещества — сильно ионизированный газ, в котором электроны, а также положительно и отрицательно заряженные ионы, практически полностью уравновешивают электрические заряды друг друга. В результате, если попробовать вычислить суммарный заряд в любом малом объеме плазмы, он окажется равен нулю. Данная особенность отличает плазму от электронных и ионных пучков. Это свойство плазмы называется квазинейтральностью.

Соответственно (исходя из определения) плазма характеризуется, в зависимости от отношения количества заряженных частиц в ее объеме к полному количеству составляющих ее частиц, степенью ионизации:

слабоионизированная плазма (доля процента объема частиц ионизировано) ;

умеренноионизированная плазма (несколько процентов объема частиц ионизировано) ;

сильноионизированная (почти 100% частиц объема газа ионизировано).

Виды плазмы — высокотемпературная и газоразрядная

Плазма бывает высокотемпературной и газоразрядной. Первая возникает только в условиях высокой температуры, вторая — при разряде в газе. Как известно, вещество может пребывать в одном из четырех агрегатных состояний: первое — твердое, второе — жидкое, третье — газообразное. А поскольку сильно нагретый газ переходит в следующее состояние — в состояние плазмы, поэтому именно плазма и считается четвертым агрегатным состоянием вещества.

Подвижные частицы газа в объеме плазмы обладают электрическим зарядом, следовательно есть все условия для того, чтобы плазма могла проводить электрический ток. В обычных условиях стационарная плазма экранирует постоянное внешнее электрическое поле, ибо в таком случае внутри ее объема происходит пространственное разделение электрических зарядов. Но так как заряженные частицы плазмы пребывают в условиях определенной, отличной от абсолютного нуля, температуры, есть минимальное расстояние, когда в масштабе меньше него квазинейтральность нарушается.

В ускоряющем электрическом поле заряженные частицы газоразрядной плазмы обладают различными средними кинетическими энергиями. Получается, что температура электронного газа отличается от температуры ионного газа внутри плазмы, поэтому газоразрядная плазма не является равновесной, и называется неравновесной или неизотермической плазмой.

С убыванием числа заряженных частиц газоразрядной плазмы в ходе их рекомбинации, новые заряженные частицы тут же образуются в процессе ударной ионизации электронами, ускоряемыми электрическим полем. Но стоит приложенное электрическое поле отключить — тут же исчезает газоразрядная плазма.

Высокотемпературная плазма — это изотермическая или равновесная плазма. В такой плазме убыль числа заряженных частиц из-за их рекомбинации восполняется благодаря термической ионизации. Это происходит при определенной температуре. Средние кинетические энергии частиц входящих в состав плазмы здесь равны. Из высокотемпературной плазмы (при температуре в десятки миллионов градусов) состоят звезды и Солнце.

Чтобы плазма могла начать существовать, необходима некоторая минимальная плотность заряженных частиц в ее объеме. Физика плазмы определяет это число из неравенства L>>D. Линейный размер заряженных частиц L много больше дебаевского радиуса экранирования D, представляющего собой расстояние, на котором происходит экранирование кулоновского поля любого заряда плазмы.

Свойства плазмы

Говоря об определяющих свойствах плазмы, следует упомянуть:

высокую степень ионизации газа (максимум — полная ионизация);

нулевой полный заряд плазмы;

сильное взаимодействие с электрическим и магнитным полями;

высокая частота (порядка 100 МГц) колебаний электронов внутри плазмы, приводящая к вибрации всего объема плазмы;

коллективное взаимодействие огромного числа заряженных частиц (а не парами, как обычном газе).

Знания об особенностях физических свойств плазмы позволяют ученым не только получать информацию о межзвездном пространстве (как раз и заполненным в основном плазмой), но дают основание рассчитывать на перспективы установок управляемого термоядерного синтеза (на базе высокотемпературной плазмы из дейтерия и трития).

Низкотемпературная плазма (с температурой менее 100000 К) уже сегодня находит применение в ракетных двигателях, газовых лазерах, термоэлектронных преобразователях и МГД-генераторах, преобразующих тепловую энергию в электрическую. В плазмотронах получают низкотемпературную плазму для сварки металлов и для химической промышленности, где галогениды инертных газов невозможно получить иными способами.

Если Вам понравилась эта статья, поделитесь ссылкой на неё в социальных сетях. Это сильно поможет развитию нашего сайта!

Подписывайтесь на наш канал в Telegram!

Читайте также:  ТОП 15 способов, как правильно хранить чеснок в домашних условиях

Просто пройдите по ссылке и подключитесь к каналу.

Не пропустите обновления, подпишитесь на наши соцсети:

Плазма. Свойства и получение. Применение и отличие. Особенности

Плазма – это ионизированный газ, содержащий электроны, а так же положительно и отрицательно заряженные ионы. Она является одним из четырех основных агрегатных состояний веществ.

Физическое объяснение плазмы и способы ее получения

Традиционно утверждалось, что существует 3 основных агрегатных состояний веществ. Они могут быть жидкими, твердыми и газообразными. Об этом говорили ученые с самого начала существования известной науки. С развитием технологий и научных наблюдений было установлено четвертое состояние веществ, именуемое плазмой. Обычно она возникает в результате сильного нагрева. Процесс ее образования выглядит следующим образом. Любое твердое вещество при очень сильном нагреве сначала плавится, после чего переходит в газообразное состояние, при продолжении температурного воздействия осуществляется его дальнейшее распадение на свободные атомы. От продолжающегося повышения температуры осуществляется отделение электронов, а также положительно и отрицательно заряженных ионов. В результате получается ионизированный газ, являющийся плазмой.

Впервые о плазме заговорил английский физик сэр Уильям Крикс в 1879 году. Предложенная им концепция активно развивалась и совершенствовалась, что наблюдается и сегодня. Существуют различные предположения, которые указывают на то, что плазма была открыта намного раньше. Об этом можно судить даже по древнему утверждению о существовании четырех стихий: земля, вода, воздух и огонь. Они тесно переплетаются с современным трактованием 4 агрегатных состояний: твердое, жидкое, газообразное и плазменное. В определенных смыслах можно вполне сопоставить плазму и огонь.

Помимо получения плазмы в результате термической обработки вещества, его также можно выделить проводя бомбардировку газа быстрыми заряженными частицами. Для этого проводится облучение радиоактивными веществами. В таких случаях осуществляется выработка низкотемпературной плазмы.

Также была разработана технология получения газоразрядной плазмы. Для этого через газ пропускается электрический ток, вызывающий его ионизацию. Ионизированные частицы переносят ток, что приводит к их дальнейшему разрушению. Получаемая в результате электрического воздействия плазма менее эффективна в плане сохранения жизнедеятельности, чем образованная от термической обработки. Это связано с меньшим нагревом и высокой скоростью охлаждения частиц, так как они постоянно контактируют с другими ионами, не получившими необходимого нагрева.

Более сложный способ ее образования заключается в сильном сжатии вещества. Подобные методы воздействия приводят к сходу атомов со своих орбит. Возникающие в результате отдельные положительно и отрицательно заряженные частицы приобретают определенные свойства, которые могут применяться в различных сферах при обработке материалов.

Свойства плазмы

Главным свойством плазмы является высокая электрическая проводимость, значительно превосходящая прочие агрегатные состояния веществ. При этом суммарный электрический заряд равен нулю. Плазма подвержена влиянию магнитного поля. Под его воздействием она способна концентрировать струю, что позволяет проводить контроль движения газа.

Также для плазмы характерно корректирование взаимодействия. У обычного газа происходит сталкивание частиц по двое, а в случае с плазмой электроны сталкиваются чаще и крупными группами.

Свойства плазмы могут отличаться в зависимости от ее разновидности. По термическим свойствам ее разделяют на 2 вида:
  • Низкотемпературная.
  • Высокотемпературная.

Для низкотемпературной плазмы характерен нагрев менее чем до 1 млн. Кельвинов. Высокотемпературный газ имеет температуру как минимум 1 млн. Кельвинов. Последняя разновидность плазмы принимает участие в термоядерном синтезе.

Проявление плазмы в природе

Считается, что 99% Вселенной представлено плазмой. Любая звезда состоит именно из ионизированного газа. Впервые об этом начали задумываться наблюдая за Солнцем. Исходящий от него ветер является ничем иным, как плазмой.

Наблюдать плазму можно и в ионосфере. Визуально этот эффект можно заметить рассмотрев пример полярного сияния. Оно образовывается в результате облучения азота и кислорода солнечным излучением. Конечно, пример с полярным сиянием не столь удачный, поскольку данное явление можно увидеть только в определенных участках местности, малодоступной для большинства людей. Более частым проявлением природной плазмы, которое встречается везде, является момент удара молнии. Электрический искровой разряд, появляющийся в грозу, это и есть сильно ионизирующий газ.

Читайте также:  Шкаф для встраиваемой духовки - виды, варианты и инструкция!

Раньше считалось, что огонь это тоже разновидность плазмы, но это утверждение в корне неверно. Для плазмы характерна температура от 8000 градусов. Самое мощное пламя даже при обдуве кислородом не может нагреваться выше 4000 градусов.

Отличие плазмы от газов

На первый взгляд может показаться, что плазма и газ это довольно взаимосвязанные агрегатные состояния, которые можно объединить в одно понятие. Все же существует ряд особенностей, позволяющие их разделить. В первую очередь можно отметить электрическую проводимость. У газа она крайне мала. Ярким примером будет воздух. Сам по себе он отличный диэлектрик, поэтому по нему электрический заряд не передается. Стоит его довести до состояния плазмы, как ситуация кардинально меняется, ведь по ней заряд передается вполне эффективно.

Также плазму от газов отличает однородность частиц. Для газов характерно, что в их структуре присутствуют подобные друг к другу составляющие. Они постоянно двигаются и взаимодействуют между собой на сравнительно небольшом расстоянии. В случае же с плазмой в ней есть как минимум 2-3, а то и больше вида частиц. В ее составе наблюдаются электроны, ионы и нейтральные частицы. Их свойства отличаются между собой. У них может быть разная скорость или температура. Именно по этой причине для плазмы характерна неустойчивость и сложность управления, поскольку многие ее составляющие действуют отличительно от прочих.

Где применяется плазма

В последнее время появилось довольно много приборов, устройство которых предусматривает работу где применяется плазма. Впервые ионизированные газы начали использоваться при создании светотехники. Ярким тому примером станут газоразрядные лампы. Принцип действия таких лампочек заключается в передаче электрического тока через газ заключенный в колбе. В результате наблюдается ионизация с получением ультрафиолетового излучения. Последнее поглощается люминофором, что и вызывает его свечение в видимом для человеческого глаза диапазоне.

Особо востребованной технологией является плазменная резка. Таким оборудованием создается разогретая струя, способная плавить металлы и практически все вещества, встречаемые на ее пути. Обычно такое оборудование превращает в ионизированный газ обыкновенную воду. Сначала она испаряется, после чего под воздействием электрического тока из нее формируется плазменный пучок.

Принцип плазмы может применяться для осуществления передачи данных на расстояние. В связи с этим проводится активная разработка плазменных антенн. Данная идея запатентована еще в 1919 году, но так и не была полноценно применена вплоть до начало XXI века. Технические наработки испытания такого оборудования дают основание полагать, что эта технология придет на замену привычного для всех wi-fi соединения. Она обладает большей скоростью передачи данных, а также возможностью действия в большом радиусе. Проводимость плазмы превышает проводимость серебра, которое является одним из лучших твердых веществ для передачи зарядов.

Также в промышленности началось внедрение технологии напыления расплавленного материала под воздействием плазменной струи. Металл, или другой материал, расплавляется, после чего подается на струю в плазму. В результате он распыляется, дополняя струю. После этого взаимодействия с плазмой прекращается, и материал оседает на требуемых поверхностях в виде тонкого покрытия. Этот метод позволяет провести обработку гораздо быстрее, чем в случае с электрохимическим методом.

Применение плазмы в научном проекте Токамак

Всемирно известный научный проект Токамак, являющийся сокращением полного названия тороидальная камера с магнитными катушками – это установка для магнитного удержания плазмы. Она разработана с целью поддержания условий для проведения управляемого термоядерного синтеза. Впервые эта установка была построена в 1954 году, после успеха проведенных испытаний, в мире было создано более 200 ее копий, где осуществляются исследования и сегодня.

Особенность данного проекта заключается в обеспечении контроля ионизированного газа. В Токамаке плазма удерживается с помощью магнитного поля. Такой способ применяется, поскольку создать ограждение стенками для предотвращения утечки плазмы невозможно. Любое вещество при контакте с ней расплавляется. Чтобы магнитное поле могло подействовать ионизирующий газ, через него пропускают электрический ток. Он обеспечивает создание электрического поля. Также прохождение тока активизирует набор высокой температуры.

Читайте также:  Труба для электропроводки: гладкие ПНД, пластиковые, гофрированные трубы для проводки электрики, кабеля

Исследование плазмы, позволят реализовать идею контролируемого термоядерного синтеза. Как следствие удастся создать высокоэффективные электростанции, работающие значительно безопаснее атомных, и не создающих вредного выброса в атмосферу.

Электрический ток в плазме – физика явлений, как она есть

Электрик в доме

Энциклопедия об электричестве от А до Я

Найдите лучшего мастера или фирму в своем городе


Красота физических явлений порой завораживает

Многие из нас видели красивейшие электрические шары, внутри которых от центрального ядра ток по «воздуху» перемещается к стенкам. Зрелище завораживающее. Наверняка многим было интересно, какие процессы протекают внутри, и как создается такая красота.

Данный шар называется плазменным, и, соответственно, протекает электрический ток в плазме. Что это такое мы подробно расскажем в данной статье.

  • Плазма – четвертое состояние вещества Что такое плазма
  • Межзвездная плазма
      Поведение электрического тока в плазме
  • Плазменный шар у вас дома

    Что такое плазма

    В принципе, плазма — это вещество в высокоионизированном состоянии, которое соответствует ряду дополнительных условий. Известно, что не только в газах, но и в твердых веществах есть множество свободных электронов, которые могут наблюдаться в качестве плазмы.

    По своей сути, плазма — это квазинейтральный газ нейтральных и заряженных частиц, ведущих себя коллективно. Это означает, что нейтральные молекулы взаимодействуют только путем столкновений. Таким образом, их поведение зависит от поведения ближайших молекул. Движение заряженных частиц может создавать области с более высокой или низкой концентрацией отрицательного и положительного заряда. Через электромагнитное взаимодействие эти области влияют на движение других заряженных частиц, находящихся на больших расстояниях. Это происходит потому, что электростатические силы намного сильнее и продолжительнее, чем сила взаимодействия между атомами и молекулами.

    Плотность электрически заряженных частиц в плазме должна быть достаточно высокой, чтобы электромагнитные взаимодействия доминировали при столкновении между нейтральными атомами и молекулами. Отсюда и возникает специфическое движение плазмы.

    Под коллективным поведением понимается движение, которое зависит не только от условий близости, но и от условий нахождения на больших расстояниях. Таким образом, плазма обладает уникальным свойством — воздействие на себя. Это движение ясно наблюдается в природных явлениях, например, в солнечных извержениях.

    Устройство плазмотрона

    Устройство плазмотрона для резки металла представлено следующими конструктивными элементами:

    1. Электрод/катод со вставкой из циркония или гафния – металлов с высокой термоэлектронной эмиссией
    2. Сопло для плазмотрона, обычно изолированное от катода
    3. Механизм для закручивания плазмообразующего газа

    Сопла и катоды – это основные расходные материалы плазмотронов. При толщине обрабатываемого металла до 10 мм одного комплекта расходных материалов бывает достаточно для одной рабочей смены – восьми часов работы. Сопла и катоды плазмотронов, как правило, изнашиваются с одинаковой интенсивностью, поэтому их замену можно организовать одновременно.

    Несвоевременная замена расходников может оказать большое влияние на качество реза: например, при нарушении геометрии сопла может возникнуть эффект косого реза, или на поверхности реза будут возникать волны. Износ катода выражается в постепенном выгорании гафниевой вставки, выработка которой в объёме более 2 мм способствует пригоранию катода и перегреванию плазмотрона. Таким образом, несвоевременная замена изношенных расходных материалов влечёт за собой более скорый износ и остальных комплектующих плазмотронов.

    Для защиты плазмотрона от брызг расплавленного металла и металлической пыли в процессе работы, на него надевают специальный кожух, который необходимо время от времени снимать и очищать от загрязнений. Отказ от использования защитного кожуха приводит к риску негативного влияния вышеуказанных загрязнений на качество работы плазмотрона и даже к его поломке. Кроме очистки кожуха, время от времени стоит чистить и сам плазмотрон.

    Узнать больше о технологии плазменной резки вы сможете, посмотрев следующее видео:

    Получение плазмы

    Способ создания плазмы путем обычного нагрева один из самых распространенных. Чтобы получить плазму термическим путем нужно нагреть газ до температур в сотни тысяч градусов.

    Читайте также:  Теплые и сияющие: желтые кухни — 54 фото интерьеров

    Общепринятым способом получения плазмы в условиях лаборатории является использование электрического разряда. Этот метод применяется в технических устройствах. Газовый разряд является газовым промежутком с разностью потенциалов. В промежутке появляются заряженные частицы, движущиеся в электрическом поле. Для поддержания тока нужно, чтобы отрицательно заряженный электрод испускал электроны в плазму. Эмиссия электронов обеспечивается различными способами: термоэмиссия, кратковолновое излучение, например рентгеновскими лучами. Разряд, который создается внешними источниками называется несамостоятельным.

    Самостоятельные разряды: искровой, тлеющий и дуговой. При развитии искрового разряда появляются искровые каналы. Примером искрового разряда является молния. Дуговой разряд возникает в воздухе между накаленными стержнями.

    Холодные и тлеющие разряды создаются в специальной разрядной трубке при высоких напряжениях и низких давлениях.

    Достоинства и недостатки

    Итак, каковы преимущества МГД генераторов:

    • Это огромная мощность при небольших размерах установки (доходит до нескольких мегаватт).
    • Полное отсутствие вращающихся деталей, а, значит, нет потерь на трение.
    • МГД генератор – объемная установка. Почему? Во-первых, объемные процессы, которые протекают в генераторе, уменьшают наличие нежелательных процессов поверхностного типа, к примеру, снижено загрязнение, минимум токов утечек и так далее. Во-вторых, больше объем – больше мощность машины.
    • Из предыдущего следует, что чем больше МГД генератор, тем выше коэффициент полезного действия, тем меньше вредных выбросов из установки.
    • В свое время был достигнут достаточно серьезный показатель экономии и эффективности, когда магнитогидродинамический агрегат соединили с котельной. Эффект оказался тройным. После сжигания газа или другого энергоносителя в топке котла, отработанные газы (они ионизированные) поступали в генератор, который вырабатывал электрический ток, далее газы поступали на парогенератор ТЭЦ, дополнительно нагревая воду или пар для отопления. Необходимо отметить, что в те времена коэффициент полезного действия такой комбинации составлял 65%, и это по сравнению с традиционным КПД старых котельных 50%.
    • И, конечно, магнитогидродинамические генераторы являются установками передвижными. А это, как показывает жизнь, иногда очень важно.

    Плазменная энергия изменяет мир

    Плазма характеризует материю, которая находится на высоком стабильном уровне энергии. При контакте с твердыми материалами, например, металлами, энергия плазмы попадает на поверхность и изменяет важнейшие свойства.

    В производстве это свойство используется для целенаправленного изменения исходных свойств материала. Предварительная обработка плазменной энергией способствует регулируемому повышению адгезионной способности поверхностей.

    Благодаря плазма энергии в промышленных масштабах появилась возможность использовать новые материалы: экологически безопасные клеи и лаки, не содержащие растворителей. Многие химические технологии обработки материалов заменяются плазменной обработкой.

    Плазменная обработка проста в применении и активно используется во всех областях промышленности: транспорте, автомобилестроении, потребительских товарах, упаковочной технике, производстве электроники, текстиле, бионауке, новых формах энергии, косметологии и эстетической медицине.

    RosInvest.Com

    Плазменная энергетика имеет довольно редкое распространение в мире, и пока еще такие генераторы используется скорее как экспериментальная установка, однако они является хорошей альтернативой многих видов энергоресурсов. Как известно, при работе тепловых электростанций основной проблемой является повышение КПД, которое обычно во многих случаях не достигает и 40%. Это связано главным образом со вторым законом термодинамики (Т1-Т2)/Т1, где Т1 – это температура, которая подводится к рабочему телу, пару или газу, Т2 – температура, отводимого тепла от отработавшего пара или газа. В этом уравнении Т2 никак не может быть ниже температуры окружающего воздуха, обычно это значение равно 27 °С. Таким образом, чтобы решить проблему резкого повышения КПД необходимо внедрить новые типы энергетических установок. Одним из условий работы этих установок является требование возможности осуществления преобразования энергии при значительно высоких температурах рабочего тела, достигающим предельных температур сжигания органического топлива. Такими энергоустановками являются магнитогидродинамические генераторы или МГД-генераторы. Впервые экспериментальные МГД-генераторы были сконструированы в 1959 году в США, мощность генератора составляла всего 11,5кВт. Тогда использовался опыт ракетной техники, при котором получали высокотемпературные продукты сгорания. Добавляя в них небольшое количество щелочесодержащих элементов, эти продукты сгорания становились электропроводными, то есть превращались в низкотемпературную плазму. Данная плазма, при температуре в начале цикла порядка 2700°С служит рабочим телом МГД-генератора преобразуя тепловую энергию в электрическую. Для этого плазму с огромной скоростью, порядка 1000 м/сек., прогоняют через канал, который помещен в сильное магнитное поле. Плазма, взаимодействуя с магнитным полем, преобразует кинетическую энергию в электрическую. КПД МГД-генераторов достигает 50-60%.

    Читайте также:  Фитосветильники для растений: виды и особенности монтажа

    Эксперименты, проведенные в 1961 году в Советском Союзе на первом малом МГД-генераторе, показали перспективность этого направления развития энергетики. А в 1971 году была продемонстрированная возможность выработки электроэнергии при помощи МГД-генераторов больших мощностей. За рубежом также велись исследования и разработки в этом направлении. Но их модели МГД-генераторов больше похожи на ракетные двигатели и работают непродолжительное время.

    В России на базе Рязанской ГРЭС, в настоящее время работает головной энергоблок с МГД-генератором мощностью 500 МВт. При этом мощность самого МГД-генератора составляет 300 МВт., а паротурбинная часть, оснащенная турбиной К-300-200, имеет мощность 315 МВт. таким образом, имея установленную мощность более 610 МВт., МГД-энергоблок выдает в систему 500 МВт. Такая разница связанна с большим расходом энергии на собственные нужды МГД-генератора. КПД МГД-генератора более 45%, пр этом расход топлива составляет около 270г/(кВт-ч). В качестве топлива МГД-энергоблок использует природный газ и твердое топливо. Для работы Рязанской МГД-электростанции был создан сверхпроводящий магнит, самый большой в мире. Ученым пришлось решать проблему несовместимого соседства раскаленной плазмы и сверхнизкого космического холода. Две температуры: плазмы в 2800°С и жидкого гелия в -269°С разделяет всего лишь тонкая стена МГД-канала!

    Разумеется, для создания такой техники нужны были и новейшие разработки в области технологий, которые были взяты в основном из атомной и космической техники. Кроме того был разработан ряд новых материалов, который дает возможность использования МГД-электростанций в более широких масштабах. Например, МГД-генераторы можно использовать в совместном цикле энергопроизводства на тепловых электростанциях, данный вид самый простой способ применения МГД-генераторов. Можно использовать МГД-генераторы на инертном газе на атомных электростанциях. Развитие этого способа зависит от наличия ядерных реакторов имеющих температуру рабочего тела более 1800°С. И наконец, МГД-генераторы на жидком металле, которые можно применять как в атомной энергетике, так и на специальных энергоустановках относительно небольшой мощности. Кроме этого МГД-генераторы с успехом могут использоваться в качестве аварийных и резервных источников питания в энергосистемах, а также как бортовые источники питания космической техники, и различных устройств, которые требуют большие мощности на небольшой временной интервал, к этому числу можно отнести питание электроподогрева больших аэродинамических труб.

    К сожалению после пика плазменной энергетики в 70-х годах прошлого века и значительные ее преимущества, МГД-электростанции не нашли достойное применение вплоть до наших дней. Однако ученые не сдаются и ведут разработки в этом направлении. Уже сейчас новые веяния позволяют создавать МГД-генераторы на водородной плазме с применением нанотехнологий.

    Как сделать МГД-генератор своими руками

    Давайте рассмотрим вопрос, можно ли сделать МГД генератор своими руками? В принципе, ничего сложного нет, ведь теоретически схема и технология работы установки известна. Вот самый простой МГД генератор.

    Для его изготовления потребуется плексигласовый брусок прямоугольного сечения вот с такими размерами: 120х26х18 миллиметров. В бруске необходимо сделать сквозное отверстие диаметром 12 мм. Внутрь отверстия устанавливаются две пластинки или из меди, или из латуни. Обратите внимание, что сечение полосок должно быть сегментным. Они соединяются клеммами.

    Материалы по теме

    Состояние плазмы – наиболее распространенная форма вещества, на которую приходиться около 99% массы всей Вселенной. Вещество любой звезды – это сгусток высокотемпературной плазмы. Помимо звезд, существует и межзвездная низкотемпературная плазма, которая заполняет космическое пространство.

    Ярчайшим примером является ионосфера Земли, которая представляет собой смесь нейтральных газов (кислорода и азота), а также сильно ионизированного газа. Ионосфера образуется как следствие облучения газа солнечным излучением. Взаимодействие же космического излучения с ионосферой приводит к полярному сиянию.

    Читайте также:  Электроконвекторы отопления: видео-инструкция по монтажу своими руками, особенности отопительных изделий для частного дома, как выбрать, цена, фото

    На Земле плазму можно наблюдать в момент удара молнии. Электрический искровой заряд, протекающий в атмосфере, сильно ионизирует газ на своем пути, образуя тем самым плазму. Следует о плазма, как набор отдельных заряженных частиц, образуется при температурах более 8 000 градусов Цельсия. По этой причине утверждение, что огонь (температура которого не превышает 4 000 градусов) – это плазма – лишь популярное заблуждение.

    Экскурсии

    Онлайн-выставка. Изобретая велосипед

    Онлайн-выставка. Водяной компьютер

    Онлайн-выставка. Пилотируемый корабль «Восток»

    Онлайн-выставка. Паровоз типа 1−4−2 серии ИС

    Онлайн-выставка. Самоходный аппарат «Луноход-1»

    Физика. 10 класс

    Конспект урока

    Физика, 10 класс

    Урок 35. Электрический ток в вакууме и газах

    Перечень вопросов, рассматриваемых на уроке:

    1) особенности протекания электрического тока в вакууме и газах;

    2) газовый разряд;

    3) рекомбинация, ионизация;

    4) самостоятельный разряд и несамостоятельный разряды;

    6) зависимость силы тока от напряжения;

    7) зависимость силы тока от внешних условий.

    Глоссарий по теме:

    Термоэлектронная эмиссия – явление испускания электронов нагретыми металлами.

    Катодные лучи – это испускаемые катодом потоки электронов, движущиеся в вакууме.

    Электрический ток газах или газовый разряд – это процесс прохождения электрического тока через газ.

    Ионизация – это распад атомов и молекул на ионы.

    Рекомбинация – это образование из ионов нейтральных атомов и молекул.

    Самостоятельный разряд – это разряд, происходящий в газе без внешнего ионизатора.

    Несамостоятельный разряд – это разряд, происходящий в газе только под влиянием внешнего ионизатора.

    Плазма – это частично или полностью ионизированный газ.

    Основная и дополнительная литература по теме урока:

    Г.Я. Мякишев., Б.Б.Буховцев., Н.Н.Сотский. Физика.10 класс. Учебник для общеобразовательных организаций М.: Просвещение, 2017. – С. 372-375, 380-385.

    Рымкевич А.П. Сборник задач по физике. 10-11 класс М.: Дрофа,2009.

    Фортов В. Е., Храпак А. Г., Якубов И. Т. Физика неидеальной плазмы. Издательство: Физматлит, 2010 г.

    Теоретический материал для самостоятельного изучения

    Вакуум является идеальным диэлектриком. Чтобы в вакууме мог проходить электрический ток, в нем необходимо предварительно «создать» некоторую концентрацию свободных носителей заряда, это осуществляется с помощью явления термоэлектронной эмиссии. Термоэлектронная эмиссия – явление испускания веществом электронов при нагревании. Вакуумные приборы, работа которых основана на явлении термоэлектронной эмиссии, называются электронными лампами (вакуумный диод, электронно-лучевая трубка).

    Электрический ток в газах, другими словами газовый разряд, – это совокупность электрических, оптических и тепловых явлений, возникающих при протекании электрического тока через вещество, находящееся в газообразном состоянии. Когда газ находится в своем обычном состоянии, он является диэлектриком. Чтобы протекание тока стало возможным, необходимо создать подходящие для этого условия, т. е. ионизировать газ. Ионизация происходит в результате воздействия:

    1) космических лучей;

    2) рентгеновского излучения;

    3) ультрафиолетового излучения;

    4) высокой температуры;

    5) электрического поля.

    Все газовые разряды делятся на 2 вида:

    К самостоятельным относятся: искровой, дуговой, тлеющий и коронный разряды.

    Электронно-лучевые трубки находят широкое применение в осциллографах, дисплеях компьютеров, радиолокаторах, медицинской аппаратуре.

    Плазма – это частично или полностью ионизированный газ. В целом плазма является электрически нейтральной системой.

    Частицы плазмы легко перемещаются под воздействием электрических и магнитных полей. Поэтому любое нарушение электрической нейтральности отдельных областей плазмы быстро ликвидируется, и нейтральность плазмы восстанавливается. Проводимость плазмы увеличивается по мере роста степени её ионизации.

    При высоких температурах проводимость полностью ионизированной плазмы приближается к сверхпроводимости.

    Примеры и разбор решения заданий:

    1. Выберите правильный ответ.

    Электронная пушка создаёт пучок электронов в стеклянной вакуумной камере. Все электроны, покинувшие катод пушки, ударяются в экран электронно-лучевой трубки. Если увеличить ускоряющее напряжение в пушке в 2 раза, то сила тока, идущего в вакууме через трубку.

    1. 1 не изменится;
    2. возрастёт примерно в раза;
    3. возрастёт примерно в 2 раза;
    4. возрастёт примерно в 4 раза.

    Правильный вариант: 1) не изменится;

    Подсказка: вспомните определение тока насыщения в вакууме.

    1. Решите задачу: «Скорость электрона при выходе с поверхности катода, покрытого оксидом бария, уменьшилась в 2 раза. Работа выхода электрона из оксида бария равна 1,6·10 -19 Дж. Найдите скорость электрона до выхода из катода и после выхода из катода».
    Читайте также:  Трёхфазная система электроснабжения

    Электрический ток в жидкостях — теория, электролиз

    То, что жидкости могут отлично проводить электрическую энергию, знают абсолютно все. И также общеизвестным фактом является то, что все проводники по своему типу делятся на несколько подгрупп. Предлагаем рассмотреть в нашей статье, как электрический ток в жидкостях, металлах и прочих полупроводниках проводится, а также законы электролиза и его виды.

    Теория электролиза

    Чтобы было легче понять, о чем идет речь, предлагаем начать с теории, электричество, если мы рассматриваем электрический заряд, как своего рода жидкость, стало известным уже более 200 лет. Заряды состоят из отдельных электронов, но те, настолько малы, что любой большой заряд ведет себя как непрерывного течения, жидкость.

    Как и тела твердого типа, жидкие проводники могут быть трех типов:

    • полупроводниками (селен, сульфиды и прочие);
    • диэлектиками (щелочные растворы, соли и кислоты);
    • проводниками (скажем, в плазме).

    Процесс, при котором происходит растворение электролитов и распадение ионов под воздействием электрического молярного поля, называется диссоциация. В свою очередь, доля молекул, которые распались на ионы, либо распавшихся ионов в растворенном веществе, полностью зависит от физических свойств и температуры в различных проводниках и расплавах. Обязательно нужно помнить, что ионы могут рекомбинироваться или вновь объединиться. Если условия не будут меняться, то количество распавшихся ионов и объединившихся будет равно пропорциональным.

    В электролитах проводят энергию ионы, т.к. они могут являться и положительно заряженными частицами, и отрицательно. Во время подключения жидкости (или точнее, сосуда с жидкостью к сети питания), начнется движение частиц к противоположным зарядам (положительные ионы начнут притягиваться к катодам, а отрицательные – к анодам). В этом случае, энергию транспортируют непосредственно, ионы, поэтому проводимость такого типа называется – ионной.

    Во время этого типа проводимости, ток переносят ионы, и на электродах выделяются вещества, которые являются составляющими электролитов. Если рассуждать с точки зрения химии, то происходит окисление и восстановление. Таким образом, электрический ток в газах и жидкостях транспортируется при помощи электролиза.

    Законы физики и ток в жидкостях

    Электричество в наших домах и технике, как правило, не передается в металлических проволоках,. В металле электроны могут переходить от атома к атому, и, таким образом нести отрицательный заряд.

    Как жидкости, они приводятся в виде электрического напряжения, известного как напряжение, изменяемом в единицах – вольт, в честь итальянского ученого Алессандро Вольта.

    Также, электрический ток течет от высокого напряжения в низкое напряжение и измеряется в единицах, известных как ампер, названных по имени Андре-Мари Ампера. И согласно теории и формулы, если увеличить напряжение тока, то его сила также увеличится пропорционально. Это соотношение известно как закон Ома. Как пример, виртуальная ампермерная характеристика ниже.

    Рисунок: зависимость тока от напряжения

    Закон Ома (с дополнительными подробностями относительно длины и толщины проволоки), как правило, является одним из первых вещей, преподаваемых в классах, изучающих физику, многие студенты и преподаватели поэтому рассматривают электрический ток в газах и жидкостях как основной закон в физике.

    Для того чтобы увидеть своими глазами движение зарядов, нужно приготовить колбу с соленой водой, плоские прямоугольные электроды и источники питания, также понадобится ампермерная установка, при помощи которой будет проводиться энергия от сети питания к электродам.

    Рисунок: Ток и соль

    Пластины, которые выступают проводниками необходимо опустить в жидкость, и включить напряжение. После этого начнется хаотичное перемещение частиц, но как после возникновения магнитного поля между проводниками, этот процесс упорядочится.

    Как только ионы начнут меняться зарядами и объединяться, аноды станут катодами, а катоды – анодами. Но здесь нужно учитывать и электрическое сопротивление. Конечно, не последнюю роль играет теоретическая кривая, но основное влияние – это температура и уровень диссоциации (зависит от того, какие носители будут выбраны), а также выбран переменный ток или постоянный. Завершая это опытное исследование, Вы можете обратить внимание, что на твердых телах (металлических пластинах), образовался тончайший слой соли.

    Читайте также:  Сумасшедший дизайн роскошного дивана

    Электролиз и вакуум

    Электрический ток в вакууме и жидкостях – это достаточно сложный вопрос. Дело в том, что в таких средах полностью отсутствуют заряды в телах, а значит, это диэлектрик. Иными словами, наша цель – это создание условий, для того, чтобы атом электрона мог начать свое движение.

    Для того нужно использовать модульное устройство, проводники и металлические пластины, а далее действовать, как и в методе выше.

    Проводники и вакуум Характеристика тока в вакууме

    Применение электролиза

    Этот процесс применяется практически во всех сферах жизни. Даже самые элементарные работы подчас требуют вмешательства электрического тока в жидкостях, скажем,

    При помощи этого простого процесса происходит покрытие твердых тел тончайшим слоем какого-либо металла, например, никелирование иди хромирование Т.е. это один из возможных способов борьбы с коррозийными процессами. Подобные технологии используются в изготовлении трансформаторов, счетчиков и прочих электрических приборов.

    Надеемся, наше обоснование ответило на все вопросы, которые возникают, изучая явление электрический ток в жидкостях. Если нужны более качественные ответы, то советуем посетить форум электриков, там Вас с радостью проконсультируют бесплатно.

    III. Основы электродинамики

    Тестирование онлайн

    Электрический ток в жидкостях

    Как известно, химически чистая (дистиллированная) вода является плохим проводником. Однако при растворении в воде различных веществ (кислот, щелочей, солей и др.) раствор становится проводником, из-за распада молекул вещества на ионы. Это явление называется электролитической диссоциацией, а сам раствор электролитом, способным проводить ток.

    В отличие от металлов и газов прохождение тока через электролит сопровождается химическими реакциями на электродах, что приводит к выделению на них химических элементов, входящих в состав электролита.

    Первый закон Фарадея: масса вещества, выделяющегося на каком-либо из электродов, прямо пропорциональна заряду, прошедшему через электролит

    Электрохимический эквивалент вещества – табличная величина.

    Второй закон Фарадея:

    Протекание тока в жидкостях сопровождается выделением теплоты. При этом выполняется закон Джоуля-Ленца.

    Электрический ток в металлах

    При прохождении тока металлы нагреваются. В результате чего ионы кристаллической решетки начинают колебаться с большей амплитудой вблизи положений равновесия. В результате этого поток электронов чаще соударяется с кристаллической решеткой, а следовательно возрастает сопротивление их движению. При увеличении температуры растет сопротивление проводника.

    Каждое вещество характеризуется собственным температурным коэффициентом сопротивления – табличная величина. Существуют специальные сплавы, сопротивление которых практически не изменяется при нагревании, например манганин и константан.

    Явление сверхпроводимости. При температурах близких к абсолютному нулю (-273 0 C) удельное сопротивление проводника скачком падает до нуля. Сверхпроводимость – микроскопический квантовый эффект.

    Применение электрического тока в металлах

    Лампа накаливания производит свет за счет электрического тока, протекающего по нити накала. Материал нити накала имеет высокую температуру плавления (например, вольфрам), так как она разогревается до температуры 2500 – 3250К. Нить помещена в стеклянную колбу с инертным газом.

    Электрический ток в газах

    Газы в естественном состоянии не проводят электричества (являются диэлектриками), так как состоят из электрически нейтральных атомов и молекул. Проводником может стать ионизированный газ, содержащий электроны, положительные и отрицательные ионы.

    Ионизация может возникать под действием высоких температур, различных излучений (ультрафиолетового, рентгеновского, радиоактивного), космических лучей, столкновения частиц между собой.

    Ионизированное состояние газа получило название плазмы. В масштабах Вселенной плазма – наиболее распространенное агрегатное состояние вещества. Из нее состоят Солнце, звезды, верхние слои атмосферы.

    Прохождение электрического тока через газ называется газовым разрядом.

    В “рекламной” неоновой трубке протекает тлеющий разряд. Светящийся газ представляет собой “живую плазму”.

    Между электродами сварочного аппарата возникает дуговой разряд.

    Дуговой разряд горит в ртутных лампах – очень ярких источниках света.

    Искровой разряд наблюдаем в молниях. Здесь напряженность электрического поля достигает пробивного значения. Сила тока около 10 МА!

    Для коронного разряда характерно свечение газа, образуя “корону”, окружающую электрод. Коронный разряд – основной источник потерь энергии высоковольтных линий электропередачи.

    Читайте также:  Укладка лаг на бетонный пол

    Электрический ток в вакууме

    А возможно ли распространение электрического тока в вакууме (от лат. vacuum – пустота)? Поскольку в вакууме нет свободных носителей зарядов, то он является идеальным диэлектриком. Появление ионов привело бы к исчезновению вакуума и получению ионизированного газа. Но вот появление свободных электронов обеспечит протекание тока через вакуум. Как получить в вакууме свободные электроны? С помощью явления термоэлектронной эмиссии – испускания веществом электронов при нагревании.

    Вакуумный диод, триод, электронно-лучевая трубка (в старых телевизорах) – приборы, работа которых основана на явлении термоэлектронной эмиссии. Основной принцип действия: наличие тугоплавкого материала, через который протекает ток – катод, холодный электрод, собирающий термоэлектроны – анод.

    Электрический ток в жидкостях: применение

    «Физика – 10 класс»

    Каковы носители электрического тока в вакууме?
    Каков характер их движения?

    Жидкости, как и твёрдые тела, могут быть диэлектриками, проводниками и полупроводниками. К диэлектрикам относится дистиллированная вода, к проводникам — растворы и расплавы электролитов: кислот, щелочей и солей. Жидкими полупроводниками являются расплавленный селен, расплавы сульфидов и др.

    Электролитическая диссоциация.

    При растворении электролитов под влиянием электрического поля полярных молекул воды происходит распад молекул электролитов на ионы.

    Распад молекул на ионы под влиянием электрического поля полярных молекул воды называется электролитической диссоциацией.

    Степень диссоциации — доля в растворённом веществе молекул, распавшихся на ионы.

    Степень диссоциации зависит от температуры, концентрации раствора и электрических свойств растворителя.

    С увеличением температуры степень диссоциации возрастает и, следовательно, увеличивается концентрация положительно и отрицательно заряженных ионов.

    Ионы разных знаков при встрече могут снова объединиться в нейтральные молекулы.

    При неизменных условиях в растворе устанавливается динамическое равновесие, при котором число молекул, распадающихся за секунду на ионы, равно числу пар ионов, которые за то же время вновь объединяются в нейтральные молекулы.

    Ионная проводимость.

    Носителями заряда в водных растворах или расплавах электролитов являются положительно и отрицательно заряженные ионы.

    Если сосуд с раствором электролита включить в электрическую цепь, то отрицательные ионы начнут двигаться к положительному электроду — аноду, а положительные — к отрицательному — катоду. В результате по цепи пойдёт электрический ток.

    Проводимость водных растворов или расплавов электролитов, которая осуществляется ионами, называют ионной проводимостью.

    Жидкости могут обладать и электронной проводимостью. Такой проводимостью обладают, например, жидкие металлы.

    Электролиз. При ионной проводимости прохождение тока связано с переносом вещества. На электродах происходит выделение веществ, входящих в состав электролитов. На аноде отрицательно заряженные ионы отдают свои лишние электроны (в химии это называется окислительной реакцией), а на катоде положительные ионы получают недостающие электроны (восстановительная реакция).

    Жидкости могут обладать и электронной проводимостью. Такой проводимостью обладают, например, жидкие металлы.

    Процесс выделения на электроде вещества, связанный с окислительновосстановительными реакциями, называют электролизом.

    От чего зависит масса вещества, выделяющегося за определённое время? Очевидно, что масса m выделившегося вещества равна произведению массы m0i одного иона на число Ni ионов, достигших электрода за время Δt:

    Масса иона m0i равна:

    где М — молярная (или атомная) масса вещества, a NA — постоянная Авогадро, т. е. число ионов в одном моле.

    Число ионов, достигших электрода, равно:

    где Δq = IΔt — заряд, прошедший через электролит за время Δt; q0i — заряд иона, который определяется валентностью n атома: q0i = пе (е — элементарный заряд). При диссоциации молекул, например КВr, состоящих из одновалентных атомов (n = 1), возникают ионы К + и Вr – . Диссоциация молекул медного купороса ведёт к появлению двухзарядных ионов Си 2+ и SO 2- 4 (n = 2). Подставляя в формулу (16.3) выражения (16.4) и (16.5) и учитывая, что Δq = IΔt, a q0i = nе, получаем

    Читайте также:  Современный дизайн беседки с мангалом и барбекю: примеры и варианты исполнения, отзывы

    Закон Фарадея.

    Обозначим через k коэффициент пропорциональности между массой m вещества и зарядом Δq = IΔt, прошедшим через электролит:

    где F = eNA = 9,65 • 10 4 Кл/моль — постоянная Фарадея.

    Коэффициент k зависит от природы вещества (значений М и n). Согласно формуле (16.6) имеем

    Закон электролиза Фарадея:

    Масса вещества, выделившегося на электроде за время Δt. при прохождении электрического тока, пропорциональна силе тока и времени.

    Это утверждение, полученное теоретически, впервые было установлено экспериментально Фарадеем.

    Величину k в формуле (16.8) называют электрохимическим эквивалентом данного вещества и выражают в килограммах на кулон (кг/Кл).

    Из формулы (16.8) видно, что коэффициент к численно равен массе вещества, выделившегося на электродах, при переносе ионами заряда, равного 1 Кл.

    Электрохимический эквивалент имеет простой физический смысл. Так как M/NA = m0i и еn = q0i, то согласно формуле (16.7) k = rn0i/q0i, т. е. k — отношение массы иона к его заряду.

    Измеряя величины m и Δq, можно определить электрохимические эквиваленты различных веществ.

    Убедиться в справедливости закона Фарадея можно на опыте. Соберём установку, показанную на рисунке (16.25). Все три электролитические ванны заполнены одним и тем же раствором электролита, но токи, проходящие через них, различны. Обозначим силы токов через I1, I2, I3. Тогда I1 = I2 + I3. Измеряя массы m1, m2, m3 веществ, выделившихся на электродах в разных ваннах, можно убедиться, что они пропорциональны соответствующим силам токов I1, I2, I3.

    Определение заряда электрона.

    Формулу (16.6) для массы выделившегося на электроде вещества можно использовать для определения заряда электрона. Из этой формулы вытекает, что модуль заряда электрона равен:

    Зная массу m выделившегося вещества при прохождении заряда IΔt, молярную массу М, валентность п атомов и постоянную Авогадро NA, можно найти значение модуля заряда электрона. Оно оказывается равным e = 1,6 • 10 -19 Кл.

    Именно таким путём и было впервые в 1874 г. получено значение элементарного электрического заряда.

    Применение электролиза. Электролиз широко применяют в технике для различных целей. Электролитическим способом покрывают поверхность одного металла тонким слоем другого (никелирование, хромирование, позолота и т. п.). Это прочное покрытие защищает поверхность от коррозии. Если обеспечить хорошее отслаивание электролитического покрытия от поверхности, на которую осаждается металл (этого достигают, например, нанося на поверхность графит), то можно получить копию с рельефной поверхности.

    Процесс получения отслаиваемых покрытий — гальванопластика — был разработан русским учёным Б. С. Якоби (1801—1874), который в 1836 г. применил этот способ для изготовления полых фигур для Исаакиевского собора в Санкт-Петербурге.

    Раньше в полиграфической промышленности копии с рельефной поверхности (стереотипы) получали с матриц (оттиск набора на пластичном материале), для чего осаждали на матрицы толстый слой железа или другого вещества. Это позволяло воспроизвести набор в нужном количестве экземпляров.

    При помощи электролиза осуществляют очистку металлов от примесей. Так, полученную из руды неочищенную медь отливают в форме толстых листов, которые затем помещают в ванну в качестве анодов. При электролизе медь анода растворяется, примеси, содержащие ценные и редкие металлы, выпадают на дно, а на катоде оседает чистая медь.

    При помощи электролиза получают алюминий из расплава бокситов. Именно этот способ получения алюминия сделал его дешёвым и наряду с железом самым распространённым в технике и быту.

    С помощью электролиза получают электронные платы, служащие основой всех электронных изделий. На диэлектрик наклеивают тонкую медную пластину, на которую наносят особой краской сложную картину соединяющих проводов. Затем пластину помещают в электролит, где вытравливаются не закрытые краской участки медного слоя. После этого краска смывается, и на плате появляются детали микросхемы.

    Источник: «Физика – 10 класс», 2014, учебник Мякишев, Буховцев, Сотский

    Электрический ток в различных средах – Физика, учебник для 10 класса – Класс!ная физика

  • Рейтинг
    ( Пока оценок нет )
    Понравилась статья? Поделиться с друзьями:
    Добавить комментарий

    ;-) :| :x :twisted: :smile: :shock: :sad: :roll: :razz: :oops: :o :mrgreen: :lol: :idea: :grin: :evil: :cry: :cool: :arrow: :???: :?: :!: