Особенности процесса ионизации газа при сварочных работах
Технология высоких напряжений и ионизация газа — взаимосвязанные процессы. Если рассматривать процесс с точки зрения природного явления, он происходит при разрядах молнии и ультрафиолетовом излучении, а в искусственном исполнении — при работе электродов (будь то сварка или электродуговой переплав металла) около высоковольтной ЛЭП. Чаще всего с этим явлением сталкиваются при сварных работах как обычной электросваркой, так и аргонодуговой.
Процесс ионизации газов, в зависимости от интенсивности, оказывает влияние на диэлектрические свойства защитной атмосферы и нередко ухудшает качество сварного соединения, поэтому стоит обратить на него особое внимание. Он аналогичен диссоциации электролита, реагирующего с растворителем, в результате чего освобождаются ионы. При ионизации этот же процесс активизируется либо при попадании в электрическое поле, либо при нагревании — это то, чем ионизация газов отличается от диссоциации электролитов.
Оба явления достаточно изучены, чтобы использовать их в бытовых целях, а также минимизировать оказываемое ими негативное влияние. В научной практике для контроля над атомными процессами используется ионизация газа, прибор же, основанный на этом принципе, называется детектором ионизации.
Особенности процесса 
Важно! Если количество свободных электронов и катионов незначительно, а потенциал тока невысок, ионизация молекул газа не возникнет, и газ останется диэлектриком
Разберем подробнее, как происходит ионизация газа. По сути, каждый газ является диэлектриком (при нормальном давлении и температуре), поскольку заряд его молекулы нейтральный. Частицы находятся в постоянном хаотичном движении: ударяются друг о друга, отталкиваются, продолжая столкновение дальше. Чем больше концентрация молекул, тем чаще происходят столкновения (выше давление), но хаотичность от этого не меняется. И только при появлении электрического поля (направленное движение электронов) в перемещении заряженных частиц появляется направление. Каким образом?
Освежим курс химии и вспомним, какие частицы вызывают ионизацию газа. Молекула этого вещества рассматривается как электрический диполь. При попадании под «бомбардировку» электронами отдельные диполи распадаются, образуя положительно заряженные частицы — ионы (катионы, у которых недостает одного электрона) и свободный электрон. Первые движутся к катоду, вторые — к аноду, образуя электрический поток. При повышении напряженности количество «разорванных» молекул (диполей) будет увеличиваться в геометрической прогрессии, пока процесс станет не лавинообразным. И как результат — диэлектрик проводит электрический ток в газах — ионизация газов достигает своей апогейной фазы.
Виды ионизации в газах
При постоянной подаче газа и тока, первый можно перевести в новое агрегатное состояние — плазму. Момент, когда происходит проход тока через газ, называется разрядом, по определению он может делиться на 4 типа:
- Дуговой — плазма представлена дугой. Возникает при более низком напряжении, высокой плотности тока, чем при тлеющем разряде. Источником столба являются электроны, подаваемые через электрод. Этот тип используется при сварочных работах.
- Тлеющий — явление можно наблюдать в специально созданных условиях разреженного газа. При определенном напряжении (невысоком, поскольку атмосфера разряжена) ток проходит сквозь плазму, что характеризуется появлением света. Цвет зависит от типа газа. Используется в светотехнике (неон).
- Искровой — аналог тлеющего разряда, но происходит в обычных условиях (при высоком напряжении). Разряд сопровождается треском. Этот тип используется в двигателях внутреннего сгорания.
- Коронный — назван по фигурной форме. Объясняется она возникновением разряда в поле с мощной, но неоднородной напряженностью. В результате образуется градиент: там, где напряженность больше — усиливается свечение. Применяется в оргтехнике, воздушных ионизаторах, производстве озона.
Поскольку этот процесс зависит от различных параметров, то он подразделяется на 2 вида ионизации в газах:
- Объемная — появление ионов непосредственно в самом газе. Образование частиц также имеет свой характер и подразделяется на 4 группы:
- Ударная ионизация в газах — появление катодов в результате соударения нейтрального атома или молекулы электроном.
- Ступенчатая — для «выбивания» частицы из нейтрального атома нужно действие второго электрона, поскольку первый приводит его лишь в возбужденное состояние.
- Фотопроцесс ионизации запускают фотоны, но их мощность излучения должна быть больше мощности поглощения нейтральными атомами. Возможна ступенчатая ионизация.
- Термическая ионизация газа — появляется в результате нагрева газа до очень высоких температур в момент, когда соударение атомов освобождает электроны.
- Поверхностная — излучение ионов поверхностью электрода, появляется за счет:
- Бомбардировки катода катионами.
- Фотоэмиссии — облучения катода лучистой энергией.
- Термоэлектронной эмиссии — нагрева катода.
- Электрического поля, подаваемого на катод.
Процесс изменения состояния газа инертен, он происходит в течение времени, на него влияют такие параметры, как напряжение, тип газа. Для расчета приращения тока за счет ионизации, а также последующего определения соотношения интенсивности и давления, используется такое понятие как коэффициент ионизации газов. Переход в состояние плазмы возможен, только если степень ионизации газа достигнет нужного предела (т. е. количество заряженных частиц будет превышать число общих).
Ионизация газа возникает под действием сторонних сил и зависит от объема газа и силы тока. Процесс отрыва электрона и его возврат называется ионизация и рекомбинация газов. Поскольку движение +/- ионов противоположно, наряду с разрушением, происходят восстановление диполей и возврат нейтрально заряженных частиц.
Применение в сварочных работах
Важно! При работе с аргонодуговой сваркой при подключении обратной полярности нельзя сильно нагревать аргон, поскольку осуществляется переход в состояние плазмы
Чтобы исключить появление нежелательной фазы, нужно знать, при каком условии происходит ионизация газа во время сварочных работ. Появляется она независимо от режимов, в которых проводятся работы, но большую опасность представляет для обратной полярности. Здесь мы имеем дело с ионизацией газа пламенем. Разогретый свыше 2400 °С газ начинает превращаться в плазму. Это агрегатное состояние меняет свои характеристики, превращая газ из защитной атмосферы в активную струю, используемую для резки металла. Энергия ионизации газов изменяется при регулировании температуры разогрева газа (как правило, используется аргон).
Заключение
Широкое применение получила ионизация газа: прибор для измерения, основанный на этом принципе, используется в современных телескопах, лазерных установках, приборах для подсчета атомных частиц — все это позволяет проводить сложнейшие опыты, изготавливать медицинское и другое оборудование. Потенциал ионизации газов еще полностью не раскрыт и проходит свою стадию изучения.
Источник
Способы ионизации газов примеры
| Явление ионизации и рекомбинации в газах |   |
| Щелкните по ссылке » Электрический ток в газах «, чтобы ознакомиться с презентацией раздела в формате PowerPoint. Для возврата к данной странице закройте окно программы PowerPoint. | |
| В нормальном состоянии газы состоят из электрически нейтральных молекул и атомов, и, следовательно, не могут проводить электрический ток. Поэтому газы являются хорошими электрическими изоляторами. Напомню, что окружающий нас воздух является хорошим и самым дешёвым диэлектриком, и его изолирующие свойства широко используются в различных устройствах высокого напряжения (ЛЭП, подстанциях, электростатических генераторах и др.). Проделаем опыт: разорвём цепь источника тока, т.е. создадим в ней воздушный промежуток. Если включить в такую разорванную цепь гальванометр, то он покажет отсутствие электрического тока. Поднесём к воздушному промежутку пламя газовой горелки. В пламени происходят интенсивные химические процессы, за счёт энергии которых отдельные атомы могут возбуждаться и ионизироваться. Образующиеся в пламени горелки ионы и электроны переходят в возбужденный промежуток, и под действием приложенной к нему разности потенциалов начинают двигаться к электродам; в цепи появляется ток. Процесс ионизации заключается в том, что под действием высокой температуры или некоторых лучей молекулы газа теряют электроны, и тем самым превращаются в положительные ионы. Таким образом, в результате происходит освобождение электронов из атомов и молекул, которые могут присоединиться к нейтральным молекулам или атомам, превращая их в отрицательные ионы. Ионы и свободные электроны делают газ проводником электричества. Ионизация газа может происходить под действием коротковолнового излучения – ультрафиолетовых, рентгеновских и гамма-лучей, а также альфа-, бета- и космических лучей. Установлено, что в нормальных условиях газы, например воздух, обладают электрической проводимостью, но очень ничтожной. Эта проводимость вызвана излучением радиоактивных веществ, имеющихся на поверхности земли, а также космическими лучами, приходящими из мировых глубин. Однако равновесная концентрация ионов в воздухе не превышает нескольких десятков пар ионов в кубическом сантиметре. Для того, чтобы воздух стал заметно проводить электрический ток, его надо подвергнуть воздействию интенсивных ионизаторов. Итак, при ионизации газовых молекул под действием внешнего источника из молекулы обычно вырывается один электрон, и остаётся положительный молекулярный ион с зарядом е + , т.е. образуется пара – положительный ион и электрон. Вырвавшийся электрон обычно присоединяется к какой-либо другой молекуле и образует отрицательный молекулярный ион с зарядом е – , опять образуется пара – положительный и отрицательный ионы. Оба типа ионов одновалентны ( Электрический ток, возникающий в процессе ионизации газа – ток в газах – это встречный поток ионов и свободных электронов. Наряду с термином «ионизация» часто употребляют термин «генерация», характеризующий тот же самый процесс образования носителей зарядов в газе. Одновременно с процессом ионизации идёт обратный процесс рекомбинации (иначе – молизации). Рекомбинация – это нейтрализация при встрече разноименных ионов или воссоединение иона и электрона в нейтральную молекулу (атом). Факторы, под действием которых возникает ионизация в газе, называют внешними ионизаторами, а возникающая при этом проводимость называется несамостоятельной проводимостью. При данной мощности внешнего ионизатора в объёме газа устанавливается равновесное состояние, при котором число пар ионов, возникающих под действием ионизатора за одну секунду в единице объёма, равно числу пар рекомбинировавших ионов. При этом скорость ионизации равна скорости рекомбинации: Таким образом, ионизованный газ способен проводить ток. Явление прохождения электрического тока через газ называется газовым разрядом. Газовые разряды можно разделить на два вида: несамостоятельный и самостоятельный. Источник ИОНИЗАЦИЯ ГАЗОВные молекулы (т. н. рекомбинация ионов). Таким образом в стационарных условиях количество ионов в ионизированном газе определяется подвижным равновесием между числом ионов, доставляемых ионизатором, и числом ионов, исчезающих вследствие рекомбинации. Следующ. простой опыт может служить иллюстрацией того, что электропроводность газа обусловлена появлением в нем заряженных носителей электричества. Между двумя металлическими пластинками горит маленькое пламя (рис. 1); над этими пластинками располагается небольшой металлический диск О, заряженный и соединен. с электроскопом. Под действием пламени в воздухе образуется большое количество ионов, которые потоком нагретого воздуха под- Рис — *- нимаются вверх и быстро разряжают диск. Листочки электроскопа спадают. Стоит однако между пластинками А и В возбудить достаточно интенсивное электрическое поле, зарядивши одну +, а другую—электричеством, и разряжение диска мгновенно прекращается. Причина в том, что -(-заряженная пластинка притягивает к себе из проходящего потока воздуха все —заряженные ионы, а —заряженная пластинка притягивает все + заряженные ионы. Если же, воспользовавшись аналогично устроенным прибором, мы станем измерять силу тока ионизации в газе между пластинками в зависимости от разности потенциалов между этими пластинками, то • получим следующий ° результат. Первона- * чально при малых * разностях потенциа-и лов сила тока возрастает прямо пропорционально разности потенциалов (закон Ома); при увеличении разности потенциалов возрастание силы тока становится более медленным, и наконец устанавливается некоторая постоянная сила тока, которая не зависит от дальнейшего увеличения потенциала. Это—т. н. ток насыщения, установление к-рого объясняется тем, что ионизатор в единицу времени создает ровно столько ионов, сколько их «высасывают» заряженные пластинки. Явление это имеет огромное значение для теории измерений рентгеновских лучей и лучей радиоактивных веществ, т. к. ток насыщения является мерой интенсивности ионизатора. При очень сильных электрических полях сила тока вновь начинает возрастать и притом весьма быстро (рис. 2). Объясняется это тем, что первично возникшие ионы под действием весьма интенсивного электрического поля приобретают такую большую скорость, что они в свою очередь ока- ¥ Ударна енизац X/ он Haci щення Потенциал Рисунок 2. зываются в состоянии при столкновениях разрушать молекулы, создавая новые ионы; последние опять-таки ускоряются электрическим полем и тоже создают новые ионы и т. д. Таким путем образуется та лавина ионов, к-рая обусловливает внезапное сильное увеличение электропроводности газа, за к-рым при дальнейшем увеличении электрического поля может последовать электрический пробой газа; разряд при этом приобретает форму искры. Описанное явление носит название ударной И. Простейший способ получения ударной И. состоит в том, что заряжают острие, напр. соединяя его с полюсом электростатической машины. Электрическое поле вокруг острия чрезвычайно неравномерно, а непосредственно у самого острия изменяется настолько быстро, что электрическая сила, пропорциональная градиенту потенциала, оказывается весьма значительной. Вследствие этого немногочисленные ионы, всегда имеющиеся в воздухе, получают такое ускорение, что они могут возбуждать ударную ионизацию. При этом ионы противоположного знака тотчас поглощаются острием, к-рое т. о. всегда окружено лишь ионами, имеющими заряд одинакового с ним знака. Эти последние отталкиваются от острия и, увлекая за собой вследствие внутреннего трения молекулы воздуха, образуют тот ионный ветер, к-рым пользуются в электромедицине в виде т. н. статического душа. Из свойств ионов следует упомянуть их способность конденсировать на себе пары, а также резко выраженную способность к адсорпции. Воздух, лишенный пыли и ионов, может быть значительно пересыщен парами. Если ионизировать такой воздух, то тотчас происходит конденсация паров; каждый ион служит тем центром, около которого конденсируется капелька. Такая конденсация паров на ионах играет выдающуюся роль в физике атмосферы, где большое количество ионов создается преимущественно ультрафиолетовым излучением солнца.—Адсорпция ионов за последнее время широко используется в промышленности и сан. технике для электрической очистки газов. Если в сосуд, наполненный дымом, внести острие, соединенное с полюсом электростатической машины, то дым сразу оседает. Это объясняется тем, что ионы, в изобилии возникающие на острие в результате ударной ионизации, адсорбируются твердыми частицами дыма; при этом частицы, получившие таким путем противоположные заряды, слипаются, образуя столь значительные комки, что они под действием силы тяжести оседают вниз. Практически однако современным очистительным устройствам придают форму цилиндрического конденсатора; очищаемый газ поступает в трубу, по оси которой натянута тонкая проволока. Между трубой и проволокой создается весьма интенсивное электрическое поле постоянного направления, под влиянием к-рого возникают ударная И. и последующее заряжение взвешенных частиц. Очищение при этом обусловлено не столько образованием комков и их падением вниз, сколько осаждением заряженных ча- стиц на стенках, к к-рым эти частицы притягиваются..Санит.-гиг. значение подобных устройств совершенно очевидно. Особенно велика их роль на производствах хим. характера. Каким количеством посторонних, в большинстве случаев чрезвычайно вредных ингредиентов насыщают воздух большие производства, можно видеть из следующего примера: одно из самых больших электрических очистительных устройств в мире установлено в Испании на заводе, имеющем дело с обработкой свинца. Очистка газов на этом заводе дает ежедневно 12.000 кг твердого осадка, к-рый на 90% состоит из свинца.—И. г. применяется в наст, время и в медицине. Например, ионизированным воздухом пользуются при лечении tbc, и результаты, описанные различными авторами, представляют значительный интерес. Лит.: Хвольсон О., Курс физики, т. V, гл. X (составл. А. Афанасьевым), Берлин, 1923; Thorn-s о n J . а. Т Ь о m s о n G., Conduction of electricity through gases, Cambridge, 1928; Townsend J., Die Ionisation der Gase (Hndb. d. Radiologie, nrsg. v. E. Marx, B. I, Lpz., 1920). • ■ i 3. Шпольекпй. Большая медицинская энциклопедия . 1970 . ПолезноеСмотреть что такое «ИОНИЗАЦИЯ ГАЗОВ» в других словарях:Ионизация газов в атмосфере — происходит, например, при грозовых разрядах. Оказывает влияние на физиологическую активность организмов и активность поведения животных (при увеличении количества положительных ионов). Экологический словарь. Алма Ата: «Наука». Б.А. Быков. 1983 … Экологический словарь ИОНИЗАЦИЯ — ИОНИЗАЦИЯ, ионизации, мн. нет, жен. 1. Образование или возбуждение ионов в какой нибудь среде (физ.). Ионизация газов. 2. Введение в организм лекарственных веществ посредством ионов, возбуждаемых электрическим током в этих веществах (мед.).… … Толковый словарь Ушакова ИОНИЗАЦИЯ — образование положит. и отрицат. ионов и свободных эл нов из электрически нейтральных атомов и молекул. Термином «И.» обозначают как элементарный акт (И. атома, молекулы), так и совокупность множества таких актов (И. газа, жидкости). Ионизация в… … Физическая энциклопедия ИОНИЗАЦИЯ — ИОНИЗАЦИЯ, и, жен. (спец.). Образование ионов в какой н. среде. И. газов. | прил. ионизационный, ая, ое. Толковый словарь Ожегова. С.И. Ожегов, Н.Ю. Шведова. 1949 1992 … Толковый словарь Ожегова Ионизация — образование положительных и отрицательных ионов (См. Ионы) и свободных электронов из электрически нейтральных атомов и молекул. Термином «И.» обозначают как элементарный акт (И. атома, молекулы), так и совокупность множества таких актов… … Большая советская энциклопедия Ионизация — Энергия ионизации некоторых чистых химических элементов. На пиках находятся инертные газы. Ионизация эндотермический процесс образования ионов из нейтральных … Википедия Газов очистка — выделение из промышленных газов содержащихся в них примесей. Очистку газов производят с целью дальнейшего использования самого газа или содержащихся в нём примесей; выбрасываемые в атмосферу промышленные газы очищают с целью охраны… … Большая советская энциклопедия ионизация — физ. превращение нейтральных атомов или молекул в ионы; происходит под влиянием хим. процессов, под действием ионизирующих активных излучений, высоких температур и др. причин. Новый словарь иностранных слов. by EdwART, , 2009. ионизация физ.… … Словарь иностранных слов русского языка ИОНИЗАЦИЯ — процесс превращения атомов (молекул) в ионы. И. газов (их превращение в положит. ионы) происходит при поглощении эл. магн. излучения (фотоионизация), нагревании (термич. И.), столкновении частиц с электронами или ускоренными частицами (ударная… … Естествознание. Энциклопедический словарь Аэродинамика разреженных газов — раздел механики газов, в котором для описания движения газов необходимо учитывать их молекулярное строение. Методы А. р. г. широко применяют при определении аэродинамического нагрева (См. Аэродинамический нагрев) приземляющихся… … Большая советская энциклопедия Источник | |
), имеют одинаковую концентрацию n, но несколько различные подвижности 
и 
Под действием внешнего электрического поля эти ионы начинают двигаться, и возникает электрический ток.
