Koje čestice stvaraju električnu struju u plinovima. Uvod

Sažetak o fizici

na temu:

"Električna struja u gasovima."

Električna struja u plinovima.

1. Električno pražnjenje u plinovima.

Svi gasovi unutra prirodno stanje ne provode električnu struju. Kao što se može vidjeti iz sljedećeg iskustva:

Uzmimo elektrometar sa pričvršćenim diskovima ravnog kondenzatora i napunimo ga. Na sobnoj temperaturi, ako je zrak dovoljno suh, kondenzator se ne isprazni primjetno - položaj igle elektrometra se ne mijenja. Da biste primijetili smanjenje kuta otklona igle elektrometra, trebate dugo vrijeme. Ovo pokazuje to struja u zraku između diskova je vrlo malo. Ovo iskustvo pokazuje da je zrak loš provodnik električne struje.

Modificirajmo eksperiment: zagrijmo zrak između diskova plamenom alkoholne lampe. Tada se ugao otklona igle elektrometra brzo smanjuje, tj. potencijalna razlika između diskova kondenzatora se smanjuje - kondenzator se prazni. Posljedično, zagrijani zrak između diskova postao je provodnik i u njemu se uspostavlja električna struja.

Izolacijska svojstva plinova objašnjavaju se činjenicom da nemaju slobodne električne naboje: atomi i molekuli plinova u svom prirodnom stanju su neutralni.

2. Ionizacija gasova.

Gore opisano iskustvo pokazuje da se nabijene čestice pojavljuju u plinovima pod utjecajem visoke temperature. Nastaju zbog odvajanja jednog ili više elektrona od atoma plina, uslijed čega se umjesto neutralnog atoma pojavljuju pozitivni ion i elektroni. Neki od rezultirajućih elektrona mogu biti zarobljeni drugim neutralnim atomima, a tada će se pojaviti još negativnih iona. Razlaganje molekula plina na elektrone i pozitivne ione naziva se jonizacija gasova.

Zagrijavanje plina na visoku temperaturu nije jedini način jonizacija gasnih molekula ili atoma. Jonizacija plina može nastati pod utjecajem različitih vanjskih interakcija: jakog zagrijavanja plina, x-zrake, a-, b- i g-zraci koji nastaju radioaktivnim raspadom, kosmičkim zracima, bombardovanjem molekula gasa elektronima ili jonima koji se brzo kreću. Faktori koji uzrokuju jonizaciju gasa se nazivaju jonizatori. Kvantitativna karakteristika procesa jonizacije je intenzitet jonizacije, mjereno brojem parova naelektrisanih čestica suprotnog predznaka koje nastaju u jedinici zapremine gasa u jedinici vremena.

Ionizacija atoma zahtijeva utrošak određene energije - energije ionizacije. Da bi se ionizirao atom (ili molekul), potrebno je izvršiti rad protiv sila interakcije između izbačenog elektrona i preostalih čestica atoma (ili molekula). Ovaj rad se naziva rad jonizacije A i. Količina rada ionizacije ovisi o kemijskoj prirodi plina i energetskom stanju izbačenog elektrona u atomu ili molekuli.

Nakon što ionizator prestane da radi, broj jona u gasu se vremenom smanjuje i na kraju ioni potpuno nestaju. Nestanak jona objašnjava se činjenicom da ioni i elektroni učestvuju u toplotnom kretanju i stoga se sudaraju jedni s drugima. Kada se pozitivni ion i elektron sudare, mogu se ponovo ujediniti u neutralni atom. Slično, kada se sudare pozitivni i negativni ion, negativni ion može predati svoj višak elektrona pozitivnom jonu i oba iona će postati neutralni atomi. Ovaj proces međusobne neutralizacije jona naziva se rekombinacija jona. Kada se pozitivni ion i elektron ili dva jona rekombinuju, oslobađa se određena energija, jednaka energiji utrošenoj na ionizaciju. Djelomično se emituje u obliku svjetlosti, pa je stoga rekombinacija jona praćena sjajem (rekombinacijski sjaj).

U pojavama električnog pražnjenja u plinovima važnu ulogu igra ionizacija atoma udarima elektrona. Ovaj proces se sastoji u tome što elektron koji se kreće s dovoljno kinetičke energije, prilikom sudara s neutralnim atomom, izbacuje iz njega jedan ili više atomskih elektrona, uslijed čega se neutralni atom pretvara u pozitivan ion i pojavljuju se novi elektroni. u gasu (o tome će biti reči kasnije).

Tabela ispod daje energije jonizacije nekih atoma.

3. Mehanizam električne provodljivosti gasova.

Mehanizam provodljivosti gasova sličan je mehanizmu provodljivosti rastvora i talina elektrolita. U nedostatku vanjskog polja, nabijene čestice, poput neutralnih molekula, kreću se haotično. Ako se ioni i slobodni elektroni nađu u vanjskom električnom polju, tada se počinju kretati u smjeru i stvaraju električnu struju u plinovima.

Dakle, električna struja u plinu predstavlja usmjereno kretanje pozitivnih jona prema katodi, a negativnih jona i elektrona prema anodi. Ukupna struja u gasu sastoji se od dva toka naelektrisanih čestica: toka koji ide ka anodi i toka usmerenog ka katodi.

Neutralizacija nabijenih čestica nastaje na elektrodama, kao kod prolaska električne struje kroz otopine i taline elektrolita. Međutim, u plinovima nema oslobađanja tvari na elektrodama, kao što je slučaj u otopinama elektrolita. Gasni joni, koji se približavaju elektrodama, daju im naboj, pretvaraju se u neutralne molekule i difundiraju natrag u plin.

Druga razlika u električnoj provodljivosti joniziranih plinova i otopina elektrolita (rastopa) je u tome što negativni naboj kada struja prolazi kroz plinove prvenstveno ne nose negativni joni, već elektroni, iako provodljivost zbog negativnih jona također može igrati ulogu.

Dakle, gasovi kombinuju elektronsku provodljivost, sličnu onoj metala, sa ionskom provodljivošću, sličnom provodljivosti vodeni rastvori i topi se elektrolit.

4. Nesamoodrživo plinsko pražnjenje.

Proces prolaska električne struje kroz plin naziva se plinsko pražnjenje. Ako električnu provodljivost plina stvaraju vanjski jonizatori, tada se električna struja koja nastaje u njemu naziva neodrživo pražnjenje gasa. Prestankom djelovanja vanjskih ionizatora prestaje nesamoodrživo pražnjenje. Nesamoodrživo plinsko pražnjenje nije praćeno plinskim sjajem.

Ispod je grafikon zavisnosti struje od napona tokom nesamoodrživog pražnjenja u gasu. Za crtanje grafikona korištena je staklena cijev s dvije metalne elektrode zapečaćene u staklu. Lanac je sastavljen kao što je prikazano na donjoj slici.

Pri određenom naponu dolazi trenutak u kojem sve nabijene čestice koje ionizator u sekundi formira u plinu u isto vrijeme stignu do elektroda. Daljnji porast napona više ne može dovesti do povećanja broja prenesenih jona. Struja dostiže zasićenje (horizontalni dio grafikona 1).

5. Samostalno plinsko pražnjenje.

Zove se električno pražnjenje u plinu koje traje nakon što vanjski ionizator prestane raditi nezavisno pražnjenje gasa. Za njegovu implementaciju potrebno je da se kao rezultat samog pražnjenja u plinu kontinuirano formiraju slobodni naboji. Glavni izvor njihovog nastanka je udarna jonizacija molekula gasa.

Ako, nakon postizanja zasićenja, nastavimo povećavati razliku potencijala između elektroda, tada će jačina struje na dovoljno visokom naponu početi naglo rasti (grafikon 2).

To znači da se u plinu pojavljuju dodatni ioni koji nastaju djelovanjem ionizatora. Jačina struje se može povećati stotinama i hiljadama puta, a broj naelektrisanih čestica nastalih tokom procesa pražnjenja može postati toliko velik da vanjski jonizator više neće biti potreban za održavanje pražnjenja. Stoga se ionizator sada može ukloniti.

Koji su razlozi naglog povećanja struje pri visokim naponima? Razmotrimo bilo koji par nabijenih čestica (pozitivni ion i elektron) nastalih djelovanjem vanjskog ionizatora. Slobodni elektron koji se pojavi na ovaj način počinje se kretati prema pozitivnoj elektrodi - anodi, a pozitivni ion - ka katodi. Na svom putu, elektron nailazi na jone i neutralne atome. U intervalima između dva uzastopna sudara, energija elektrona raste zbog rada sila električnog polja.

Što je veća razlika potencijala između elektroda, to je veća jačina električnog polja. Kinetička energija elektrona prije sljedećeg sudara proporcionalna je jačini polja i srednjem slobodnom putu elektrona: MV 2 /2=eEl. Ako kinetička energija elektrona premašuje rad A i koji se mora obaviti da bi se ionizirao neutralni atom (ili molekul), tj. MV 2 >A i, onda kada se elektron sudari sa atomom (ili molekulom), on je jonizovan. Kao rezultat, umjesto jednog elektrona pojavljuju se dva (jedan koji udara u atom i jedan koji je istrgnut iz atoma). Oni, zauzvrat, primaju energiju u polju i ioniziraju nadolazeće atome, itd. Kao rezultat toga, broj nabijenih čestica se brzo povećava i dolazi do lavine elektrona. Opisani proces se zove jonizacija udarom elektrona.

Ali samo jonizacija udarom elektrona ne može osigurati održavanje nezavisnog naboja. Zaista, svi elektroni nastali na ovaj način kreću se prema anodi i, kada stignu do anode, „eliminiraju se iz igre“. Da bi se održalo pražnjenje, elektroni se moraju emitovati sa katode („emisija“ znači „emisija“). Emisija elektrona može biti uzrokovana nekoliko razloga.

Pozitivni ioni koji nastaju prilikom sudara elektrona sa neutralnim atomima, kada se kreću prema katodi, pod uticajem polja dobijaju visoku kinetičku energiju. Kada tako brzi ioni udare u katodu, elektroni se izbacuju s površine katode.

Osim toga, katoda može emitovati elektrone kada se zagrije na visoke temperature. Ovaj proces se zove termoionsku emisiju. Može se zamisliti kao isparavanje elektrona iz metala. U mnogim čvrstim materijama, termoelektrična emisija se javlja na temperaturama na kojima je isparavanje same supstance još uvek malo. Takve tvari se koriste za izradu katoda.

Prilikom samopražnjenja može doći do zagrijavanja katode zbog njenog bombardiranja pozitivnim jonima. Ako energija jona nije previsoka, elektroni se ne izbacuju iz katode i elektroni se emituju zbog termoionske emisije.

6. Razne vrste samopražnjenja i njihove tehničke primjene.

U zavisnosti od svojstava i stanja gasa, prirode i položaja elektroda, kao i od napona primenjenog na elektrode, različite vrste nezavisno pražnjenje. Pogledajmo neke od njih.

A. Sjajno pražnjenje.

U gasovima se opaža usijano pražnjenje na niske pritiske reda veličine nekoliko desetina milimetara žive ili manje. Ako razmotrimo cijev sa usijanim pražnjenjem, možemo vidjeti da su glavni dijelovi usijanog pražnjenja katodni tamni prostor, oštro udaljena od njega negativan, ili tinjajući sjaj, koja postepeno prelazi u područje Faradejev tamni prostor. Ova tri područja čine katodni dio pražnjenja, nakon čega slijedi glavni svijetleći dio pražnjenja, koji ga definira optička svojstva i pozvao pozitivna kolona.

Glavnu ulogu u održavanju usijanog pražnjenja imaju prva dva područja njegovog katodnog dijela. Karakteristična karakteristika ova vrsta pražnjenja je oštar pad potencijal u blizini katode, koji je povezan sa visokom koncentracijom pozitivnih jona na granici regiona I i II, zbog relativno male brzine kretanja jona u blizini katode. U tamnom prostoru katode dolazi do snažnog ubrzanja elektrona i pozitivnih iona, izbijajući elektrone iz katode. U području tinjajućeg sjaja, elektroni proizvode intenzivnu udarnu ionizaciju molekula plina i gube energiju. Ovdje se formiraju pozitivni ioni, neophodni za održavanje pražnjenja. Jačina električnog polja u ovoj regiji je niska. Sjaj je uglavnom uzrokovan rekombinacijom jona i elektrona. Opseg tamnog prostora katode određen je svojstvima plina i materijala katode.

U području pozitivnog stupa koncentracija elektrona i jona je približno ista i vrlo visoka, što uzrokuje visoku električnu provodljivost pozitivnog stupca i blagi pad potencijala u njemu. Sjaj pozitivnog stupca određen je sjajem pobuđenih molekula plina. U blizini anode, opet se opaža relativno oštra promjena potencijala, povezana s procesom generiranja pozitivnih jona. U nekim slučajevima, pozitivni stub se raspada u odvojene svijetleće oblasti - slojevi, odvojene tamnim prostorima.

Pozitivni stupac ne igra značajnu ulogu u održavanju usijanog pražnjenja, stoga, kada se razmak između elektroda cijevi smanji, dužina pozitivnog stupca se smanjuje i može potpuno nestati. Drugačija je situacija sa dužinom tamnog prostora katode, koja se ne menja kada se elektrode približavaju jedna drugoj. Ako se elektrode približe toliko da razmak između njih postane manji od dužine tamnog prostora katode, tada će usijano pražnjenje u plinu prestati. Eksperimenti pokazuju da je, pod jednakim ostalim uslovima, dužina d tamnog prostora katode obrnuto proporcionalna pritisku gasa. Posljedično, pri dovoljno niskim pritiscima, elektroni izbačeni iz katode pozitivnim ionima prolaze kroz plin gotovo bez sudara s njegovim molekulima, formirajući elektronski, ili katodne zrake .

Svjetleće pražnjenje se koristi u plinskim svjetlosnim cijevima, fluorescentnim lampama, stabilizatorima napona i za proizvodnju snopa elektrona i jona. Ako se na katodi napravi prorez, uski snopovi jona, koji se često nazivaju kanalne zrake.Široko korišteni fenomen katodno raspršivanje, tj. uništavanje površine katode pod djelovanjem pozitivnih iona koji je udaraju. Ultramikroskopski fragmenti katodnog materijala lete u svim pravcima u ravnim linijama i tankim slojem prekrivaju površinu tijela (posebno dielektrika) smještenih u cijevi. Na ovaj način se prave ogledala za niz uređaja, a na selenske fotoćelije se nanosi tanak sloj metala.

B. Corona discharge.

Korona pražnjenje nastaje kada normalan pritisak u plinu koji se nalazi u vrlo nehomogenom električnom polju (na primjer, u blizini vrhova ili žica visokonaponskih vodova). Tokom koronskog pražnjenja, jonizacija gasa i sjaj se javljaju samo u blizini koronskih elektroda. U slučaju katodne korone (negativna korona), elektroni koji uzrokuju udarnu ionizaciju molekula plina izbijaju se iz katode kada su bombardirani pozitivnim ionima. Ako je anoda koronizirana (pozitivna korona), tada dolazi do stvaranja elektrona zbog fotojonizacije plina u blizini anode. Korona je štetna pojava praćena curenjem struje i gubitkom električne energije. Da bi se smanjilo oštećenje korone, radijus zakrivljenosti provodnika se povećava, a njihova površina čini što glatkijom. Pri dovoljno visokom naponu između elektroda, koronsko pražnjenje se pretvara u iskri.

Pri povećanom naponu, koronsko pražnjenje na vrhu poprima oblik svjetlosnih linija koje izlaze iz vrha i izmjenjuju se u vremenu. Ove linije, koje imaju niz nabora i zavoja, čine privid četke, zbog čega se takvo pražnjenje naziva karpal .

Nabijeni grmljavinski oblak indukuje električne naboje suprotnog predznaka na površini Zemlje ispod sebe. Posebno veliko punjenje se nakuplja na vrhovima. Stoga, prije ili za vrijeme grmljavinske oluje, češeri svjetlosti poput resica često bljeskaju na vrhovima i oštrim uglovima visoko podignutih objekata. Od davnina se ovaj sjaj naziva vatrama Svetog Elma.

Posebno često su penjači svjedoci ovog fenomena. Ponekad su ne samo metalni predmeti, već i vrhovi kose na glavi ukrašeni malim svjetlećim resicama.

Korona pražnjenje se mora uzeti u obzir kada se radi o visokom naponu. Ako postoje izbočeni dijelovi ili vrlo tanke žice, može doći do koronskog pražnjenja. To dovodi do curenja struje. Što je veći napon visokonaponske linije, to bi žice trebale biti deblje.

C. Iskreni pražnjenje.

Varničko pražnjenje ima izgled svijetlih cik-cak razgranatih niti-kanala koji prodiru u pražnjenje i nestaju, zamjenjujući ih novima. Istraživanja su pokazala da kanali varničnog pražnjenja počinju da rastu, ponekad sa pozitivne elektrode, ponekad iz negativne, a ponekad iz neke tačke između elektroda. To se objašnjava činjenicom da se ionizacija udarom u slučaju iskričnog pražnjenja ne događa u cijeloj zapremini plina, već kroz pojedinačne kanale koji prolaze na onim mjestima u kojima se koncentracija jona slučajno pokaže najvišom. Varničko pražnjenje je praćeno oslobađanjem velika količina toplina, sjajni gasni sjaj, pucketanje ili grmljavina. Sve ove pojave uzrokovane su elektronskim i jonskim lavinama koje se javljaju u iskričnim kanalima i dovode do ogromnog povećanja pritiska, koji dostiže 10 7 ¸ 10 8 Pa, i povećanja temperature do 10 000 °C.

Tipičan primjer varničnog pražnjenja je munja. Glavni kanal groma ima prečnik od 10 do 25 cm, a dužina munje može doseći i nekoliko kilometara. Maksimalna jačina struje impulsa munje doseže desetine i stotine hiljada ampera.

Kada je pražnjenje kratak, pražnjenje iskre uzrokuje specifično uništenje anode, tzv. erozija. Ova pojava je korištena u električnoj varničkoj metodi rezanja, bušenja i drugih vrsta precizne obrade metala.

Iskrište se koristi kao zaštita od prenapona u električnim dalekovodima (na primjer, telefonskim linijama). Ako jaka kratkotrajna struja prođe blizu linije, tada se u žicama ovog voda induciraju naponi i struje, koje mogu uništiti električnu instalaciju i opasne su po ljudski život. Da bi se to izbjeglo, koriste se posebni osigurači koji se sastoje od dvije zakrivljene elektrode, od kojih je jedna spojena na liniju, a druga uzemljena. Ako se potencijal linije u odnosu na tlo uvelike poveća, tada se između elektroda javlja iskre, koje se zajedno sa zrakom zagrijanim njome diže, produžuje i prekida.

Konačno, električna iskra se koristi za mjerenje velikih potencijalnih razlika odvodnik lopte, čije su elektrode dvije metalne kuglice uglačane površine. Kuglice se pomiču i na njih se primjenjuje izmjerena razlika potencijala. Zatim se kuglice zbližavaju dok između njih ne preskoči iskra. Poznavajući promjer kuglica, udaljenost između njih, pritisak, temperaturu i vlažnost zraka, pomoću posebnih tablica pronađite potencijalnu razliku između kuglica. Ova metoda može mjeriti potencijalne razlike reda desetina hiljada volti sa tačnošću od nekoliko procenata.

D. Lučno pražnjenje.

Lučno pražnjenje otkrio je V. V. Petrov 1802. godine. Ovo pražnjenje je jedan od oblika plinskog pražnjenja, koji se izvodi pri velikoj gustoći struje i relativno niskom naponu između elektroda (reda nekoliko desetina volti). Glavni uzrok lučnog pražnjenja je intenzivna emisija termoionskih elektrona iz vruće katode. Ovi elektroni se ubrzavaju električno polje i proizvode udarnu jonizaciju molekula gasa, zbog čega električni otpor Gasni jaz između elektroda je relativno mali. Ako smanjite otpor vanjskog kruga i povećate struju pražnjenja luka, tada će se vodljivost plinskog jaza povećati toliko da se napon između elektroda smanjuje. Stoga kažu da lučno pražnjenje ima opadajuću strujno-naponsku karakteristiku. At atmosferski pritisak Temperatura katode dostiže 3000 °C. Elektroni bombardiraju anodu, stvarajući u njoj udubljenje (krater) i zagrijavajući je. Temperatura kratera je oko 4000 °C, a pri visokim vazdušnim pritiscima dostiže 6000-7000 °C. Temperatura gasa u kanalu lučnog pražnjenja dostiže 5000-6000 °C, pa se u njemu javlja intenzivna termička jonizacija.

U nekim slučajevima, lučno pražnjenje se opaža na relativno niskoj temperaturi katode (na primjer, u živinoj lučnoj lampi).

Godine 1876. P. N. Yablochkov je prvi koristio električni luk kao izvor svjetlosti. U „Svijeći Jabločkova“ ugljevi su bili raspoređeni paralelno i odvojeni zakrivljenim slojem, a njihovi krajevi su bili povezani provodljivim „mostom za paljenje“. Kada je struja uključena, most za paljenje je izgorio i između uglja se stvorio električni luk. Kako je ugalj gorio, izolacijski sloj je ispario.

Lučno pražnjenje se i danas koristi kao izvor svjetlosti, na primjer u reflektorima i projekcijskim uređajima.

Toplota lučno pražnjenje omogućava da se koristi za izgradnju lučne peći. Trenutno su lučne peći na struju vrlo velika snaga, koriste se u brojnim industrijama: za topljenje čelika, livenog gvožđa, ferolegura, bronce, proizvodnju kalcijum karbida, azot oksida itd.

Godine 1882. N. N. Benardos je prvi put koristio lučno pražnjenje za rezanje i zavarivanje metala. Pražnjenje između stacionarne karbonske elektrode i metala zagrijava spoj dva metalna lima (ili ploče) i zavari ih. Benardos je koristio istu metodu za rezanje metalnih ploča i pravljenje rupa u njima. Godine 1888. N. G. Slavyanov je poboljšao ovu metodu zavarivanja, zamijenivši ugljičnu elektrodu metalnom.

Lučno pražnjenje je našlo primjenu u živinom ispravljaču, koji pretvara naizmjeničnu električnu struju u jednosmjernu.

E. Plazma.

Plazma je djelomično ili potpuno ionizirani plin u kojem su gustoće pozitivnih i negativnih naboja gotovo jednake. Dakle, plazma je kao cjelina električno neutralan sistem.

Kvantitativna karakteristika plazme je stepen jonizacije. Stepen jonizacije plazme a je omjer volumne koncentracije nabijenih čestica i ukupne zapreminske koncentracije čestica. U zavisnosti od stepena jonizacije, plazma se deli na slabo jonizovan(a je dio procenta), djelomično ionizirana (a je reda veličine nekoliko posto) i potpuno ionizirana (a je blizu 100%). Slabo jonizovana plazma u prirodni uslovi su gornji slojevi atmosfere – jonosfera. Sunce, vruće zvijezde i neki međuzvjezdani oblaci su potpuno jonizirana plazma koja se formira na visokim temperaturama.

Prosječne energije razne vrstečestice koje čine plazmu mogu se značajno razlikovati jedna od druge. Stoga se plazma ne može okarakterisati jednom temperaturnom vrijednošću T; razlikovati temperatura elektrona T e, temperatura jona T i (ili temperature jona ako plazma sadrži jone nekoliko tipova) i temperatura neutralnih atoma T a (neutralna komponenta). Takva plazma se naziva ne-izotermna, za razliku od izotermne plazme, u kojoj su temperature svih komponenti iste.

Plazma se takođe deli na visokotemperaturnu (T i » 10 6 -10 8 K i više) i niskotemperaturnu!!! (Ti<=10 5 К). Это условное разделение связано с особой влажностью высокотемпературной плазмы в связи с проблемой осуществления управляемого термоядерного синтеза.

Plazma ima niz specifičnih svojstava, što nam omogućava da je smatramo posebnim četvrtim stanjem materije.

Zbog svoje velike pokretljivosti, nabijene čestice plazme lako se kreću pod utjecajem električnog i magnetskog polja. Stoga se brzo otklanja svako narušavanje električne neutralnosti pojedinih područja plazme uzrokovano akumulacijom čestica istog znaka naboja. Rezultirajuća električna polja pomiču nabijene čestice sve dok se električna neutralnost ne uspostavi i električno polje ne postane nula. Za razliku od neutralnog plina, između čijih molekula postoje sile kratkog dometa, Kulonove sile djeluju između nabijenih čestica plazme, koje se relativno sporo smanjuju s rastojanjem. Svaka čestica je u interakciji s velikim brojem okolnih čestica odjednom. Zbog toga, uz haotično termalno kretanje, čestice plazme mogu učestvovati u različitim uređenim kretanjima. U plazmi se lako pobuđuju različite vrste oscilacija i talasa.

Provodljivost plazme raste kako se stepen jonizacije povećava. Na visokim temperaturama, potpuno jonizovana plazma se po svojoj vodljivosti približava supravodnicima.

Plazma niske temperature koristi se u izvorima svjetlosti na plinsko pražnjenje - u svjetlećim cijevima za reklamne natpise, u fluorescentnim lampama. Lampe s plinskim pražnjenjem koriste se u mnogim uređajima, na primjer, u plinskim laserima - kvantnim izvorima svjetlosti.

Visokotemperaturna plazma se koristi u magnetohidrodinamičkim generatorima.

Nedavno je stvoren novi uređaj - plazmatron. Plazma gorionik stvara snažne mlazove guste niskotemperaturne plazme, koji se široko koriste u različitim oblastima tehnologije: za rezanje i zavarivanje metala, bušenje bunara u tvrdim stijenama itd.

Spisak korišćene literature:

1) Fizika: Elektrodinamika. 10-11 razred: udžbenik. za dubinski studij fizike/G. Y. Myakishev, A. Z. Sinyakov, B. A. Slobodskov. – 2. izdanje – M.: Drfa, 1998. – 480 str.

2) Kurs fizike (u tri toma). T. II. Elektricitet i magnetizam. Udžbenik priručnik za fakultete./Detlaf A.A., Yavorsky B.M., Milkovskaya L.B. Ed. 4., revidirano – M.: Viša škola, 1977. – 375 str.

3) Struja./E. G. Kalašnjikov. Ed. "Nauka", Moskva, 1977.

4) Fizika./B. B. Bukhovtsev, Yu. L. Klimontovich, G. Ya. Myakishev. 3. izdanje, revidirano. – M.: Obrazovanje, 1986.

Teme kodifikatora Jedinstvenog državnog ispita: nosioci besplatnih električnih naboja u plinovima.

U normalnim uslovima, gasovi se sastoje od električno neutralnih atoma ili molekula; U gasovima gotovo da i nema besplatnih naknada. Stoga su gasovi dielektrika- električna struja ne prolazi kroz njih.

Rekli smo „skoro nikakav“ jer u stvari, u gasovima, a posebno u vazduhu, uvek postoji određena količina slobodnih naelektrisanih čestica. Pojavljuju se kao rezultat jonizujućih efekata zračenja radioaktivnih supstanci koje čine Zemljinu koru, ultraljubičastog i rendgenskog zračenja Sunca, kao i kosmičkih zraka - tokova visokoenergetskih čestica koje prodiru u Zemljinu atmosferu iz spoljašnje sredine. prostor. Kasnije ćemo se vratiti na ovu činjenicu i raspravljati o njenoj važnosti, ali za sada ćemo samo napomenuti da je u normalnim uslovima provodljivost gasova, uzrokovana „prirodnim“ iznosom slobodnih naelektrisanja, zanemarljiva i može se zanemariti.

Djelovanje prekidača u električnim krugovima zasniva se na izolacijskim svojstvima zračnog raspora (slika 1). Na primjer, mali zračni razmak u prekidaču svjetla dovoljan je da otvori električni krug u vašoj sobi.

Rice. 1 ključ

Međutim, moguće je stvoriti uslove pod kojima se električna struja pojavljuje u plinskom procjepu. Razmotrimo sljedeće iskustvo.

Napunimo ploče zračnog kondenzatora i spojimo ih na osjetljivi galvanometar (slika 2, lijevo). Na sobnoj temperaturi i ne previše vlažnom zraku, galvanometar neće pokazati nikakvu primjetnu struju: naš zračni otvor, kao što smo rekli, nije provodnik električne energije.

Rice. 2. Pojava struje u vazduhu

Sada unesite plamen gorionika ili svijeće u razmak između ploča kondenzatora (slika 2, desno). Pojavljuje se struja! Zašto?

Besplatna doplata za plin

Pojava električne struje između ploča kondenzatora znači da se u zraku pod utjecajem plamena pojavio besplatne naknade. Koje tačno?

Iskustvo pokazuje da je električna struja u plinovima uređeno kretanje nabijenih čestica tri vrste. Ovo elektrona, pozitivni joni I negativni joni.

Hajde da shvatimo kako se ova naelektrisanja mogu pojaviti u gasu.

Kako temperatura plina raste, toplinske vibracije njegovih čestica - molekula ili atoma - postaju sve intenzivnije. Sudar čestica jedne o drugu dostiže takvu silu da počinje jonizacija- raspad neutralnih čestica na elektrone i pozitivne jone (slika 3).

Rice. 3. Ionizacija

Stepen jonizacije je odnos broja raspadnutih čestica gasa i ukupnog početnog broja čestica. Na primjer, ako je stupanj ionizacije jednak , onda to znači da su se originalne čestice plina razbile na pozitivne ione i elektrone.

Stepen jonizacije gasa zavisi od temperature i naglo raste sa temperaturom. Za vodonik, na primjer, na temperaturi ispod, stepen ionizacije ne prelazi , a na temperaturi iznad, stepen ionizacije je blizu (to jest, vodonik je skoro potpuno jonizovan (djelimično ili potpuno ionizirani plin se naziva plazma)).

Pored visoke temperature, postoje i drugi faktori koji uzrokuju jonizaciju gasa.

Već smo ih usput spomenuli: to su radioaktivno zračenje, ultraljubičasto, rendgensko i gama zračenje, kosmičke čestice. Svaki takav faktor koji izaziva jonizaciju gasa naziva se jonizator.

Dakle, jonizacija se ne dešava sama od sebe, već pod uticajem jonizatora.

Istovremeno se dešava i obrnuti proces - rekombinacija, odnosno ponovno ujedinjenje elektrona i pozitivnog jona u neutralnu česticu (slika 4).

Rice. 4. Rekombinacija

Razlog za rekombinaciju je jednostavan: to je Kulonova privlačnost suprotno nabijenih elektrona i jona. Jureći jedni prema drugima pod utjecajem električnih sila, oni se susreću i mogu formirati neutralni atom (ili molekulu, ovisno o vrsti plina).

Pri konstantnom intenzitetu djelovanja ionizatora uspostavlja se dinamička ravnoteža: prosječan broj čestica koje se raspadaju po jedinici vremena jednak je prosječnom broju rekombinirajućih čestica (drugim riječima, brzina ionizacije je jednaka brzini rekombinacije). djelovanje ionizatora se povećava (na primjer, povećanjem temperature), tada će se dinamička ravnoteža pomjeriti na stranu ionizacije, a koncentracija nabijenih čestica u plinu će se povećati. Naprotiv, ako isključite ionizator, rekombinacija će početi prevladavati, a besplatni naboji će postupno potpuno nestati.

Dakle, pozitivni ioni i elektroni se pojavljuju u plinu kao rezultat ionizacije. Odakle dolazi treći tip naboja - negativni joni? Vrlo je jednostavno: elektron može pogoditi neutralni atom i vezati se za njega! Ovaj proces je prikazan na sl. 5 .

Rice. 5. Pojava negativnog jona

Tako formirani negativni ioni će učestvovati u stvaranju struje zajedno sa pozitivnim jonima i elektronima.

Nesamoodrživo pražnjenje

Ako ne postoji vanjsko električno polje, slobodni naboji podliježu haotičnom toplinskom kretanju zajedno s neutralnim česticama plina. Ali kada se primeni električno polje, počinje uređeno kretanje naelektrisanih čestica - električna struja u gasu.

Rice. 6. Nesamoodrživo pražnjenje

Na sl. Na slici 6 vidimo tri vrste nabijenih čestica koje nastaju u plinskom procjepu pod djelovanjem jonizatora: pozitivni ioni, negativni ioni i elektroni. Električna struja u plinu nastaje kao rezultat suprotnog kretanja nabijenih čestica: pozitivni ioni - do negativne elektrode (katode), elektrona i negativnih iona - do pozitivne elektrode (anode).

Elektroni, udarajući u pozitivnu anodu, usmjeravaju se kroz strujni krug na "plus" izvora struje. Negativni joni daju dodatni elektron anodi i, postajući neutralne čestice, vraćaju se u gas; elektron dat anodi takođe juri ka “plusu” izvora. Pozitivni joni, koji dolaze na katodu, uzimaju elektrone odatle; nastali deficit elektrona na katodi se odmah nadoknađuje njihovom isporukom tamo iz „minus” izvora. Kao rezultat ovih procesa dolazi do uređenog kretanja elektrona u vanjskom kolu. Ovo je električna struja koju bilježi galvanometar.

Opisani proces prikazan na sl. 6, zv nesamopražnjenje u gasu. Zašto zavisna? Stoga je za njegovo održavanje neophodan stalan rad ionizatora. Uklonimo ionizator - i struja će stati, jer će mehanizam koji osigurava pojavu slobodnih naboja u plinskom jazu nestati. Prostor između anode i katode ponovo će postati izolator.

Strujno-naponske karakteristike gasnog pražnjenja

Ovisnost struje kroz plinski zazor od napona između anode i katode (tzv. strujno-naponska karakteristika gasnog pražnjenja) prikazan je na sl. 7.

Rice. 7. Strujno-naponske karakteristike gasnog pražnjenja

Pri nultom naponu, jačina struje je prirodno nula: nabijene čestice vrše samo termičko kretanje, nema uređenog kretanja između elektroda.

Kada je napon nizak, niska je i struja. Činjenica je da nisu sve nabijene čestice predodređene da dođu do elektroda: neki pozitivni ioni i elektroni pronalaze jedni druge i rekombinuju se tokom svog kretanja.

Kako se napon povećava, slobodni naboji se razvijaju sve brže i manje su šanse da se pozitivni ion i elektron sretnu i rekombinuju. Stoga sve veći dio nabijenih čestica dospijeva do elektroda, a struja raste (presjek ).

Pri određenoj vrijednosti napona (tački), brzina kretanja naboja postaje toliko visoka da rekombinacija uopće nema vremena da se dogodi. Od sada Sve naelektrisane čestice nastale pod dejstvom ionizatora dospevaju do elektroda, i struja dostiže zasićenje- naime, jačina struje prestaje da se menja sa povećanjem napona. To će se dogoditi do određene tačke.

Samopražnjenje

Nakon prolaska tačke, jačina struje naglo raste s povećanjem napona - nezavisna kategorija. Sada ćemo shvatiti šta je to.

Nabijene čestice plina se kreću od sudara do sudara; u intervalima između sudara ubrzava ih električno polje, povećavajući njihovu kinetičku energiju. I tako, kada napon postane dovoljno velik (ta ista tačka), elektroni tokom svog slobodnog puta postižu takve energije da ih pri sudaru sa neutralnim atomima jonizuju! (Upotrebom zakona održanja impulsa i energije, može se pokazati da elektroni (ne ioni) ubrzani električnim poljem imaju maksimalnu sposobnost ioniziranja atoma.)

tzv jonizacija elektronskim udarom. Elektroni izbačeni iz joniziranih atoma također se ubrzavaju električnim poljem i sudaraju se s novim atomima, sada ih ionizirajući i stvarajući nove elektrone. Kao rezultat nastale lavine elektrona, broj ioniziranih atoma se brzo povećava, zbog čega se jakost struje također brzo povećava.

Broj besplatnih punjenja postaje toliko velik da nestaje potreba za vanjskim jonizatorom. Možete ga jednostavno ukloniti. Kao rezultat, sada se stvaraju slobodne nabijene čestice interni procesi koji se dešavaju u gasu - zato se pražnjenje naziva nezavisnim.

Ako je plinski jaz pod visokim naponom, tada nije potreban ionizator za samopražnjenje. Dovoljno je imati samo jedan slobodan elektron u gasu i lavina elektrona koja je gore opisana će početi. I uvijek će postojati barem jedan slobodan elektron!

Podsjetimo još jednom da u plinu, čak i pod normalnim uvjetima, postoji određena „prirodna“ količina slobodnih naelektrisanja, zbog jonizujućeg radioaktivnog zračenja iz zemljine kore, visokofrekventnog zračenja Sunca i kosmičkih zraka. Videli smo da je pri niskim naponima provodljivost gasa izazvana ovim slobodnim naelektrisanjem zanemarljiva, ali sada - pri visokim naponima - oni će generisati lavinu novih čestica, što dovodi do nezavisnog pražnjenja. Desiće se, kako kažu, slom gasni jaz.

Jačina polja potrebna za razgradnju suhog zraka je približno kV/cm. Drugim riječima, da bi iskra skočila između elektroda razdvojenih centimetrom zraka, na njih se mora primijeniti kilovoltni napon. Zamislite koliki je napon potreban da se probije nekoliko kilometara zraka! Ali upravo se takvi kvarovi dešavaju tokom grmljavine - to su munje, vama dobro poznate.

Nastaje usmjerenim kretanjem slobodnih elektrona i da u tom slučaju ne dolazi do promjena u tvari od koje je provodnik napravljen.

Takvi provodnici kod kojih prolaz električne struje nije praćen hemijskim promjenama u njihovoj tvari nazivaju se provodnici prve vrste. To uključuje sve metale, ugalj i niz drugih tvari.

Ali u prirodi postoje i provodnici električne struje u kojima se tokom prolaska struje javljaju hemijske pojave. Ovi provodnici se nazivaju provodnici druge vrste. To uglavnom uključuje različite otopine kiselina, soli i lužina u vodi.

Ako u staklenu posudu sipate vodu i dodate nekoliko kapi sumporne kiseline (ili neke druge kiseline ili lužine), a zatim uzmete dvije metalne ploče i spojite na njih provodnike, spuštajući te ploče u posudu, i spojite izvor struje na druge krajeve provodnika kroz sklopku i ampermetar, tada će se gas osloboditi iz rastvora, i nastaviće se neprekidno sve dok je strujni krug zatvoren jer zakiseljena voda je zaista provodnik. Osim toga, ploče će početi da se prekrivaju mjehurićima plina. Ovi mjehurići će tada odlomiti ploče i izaći.

Kada električna struja prođe kroz otopinu, dolazi do kemijskih promjena koje rezultiraju oslobađanjem plina.

Provodniki druge vrste nazivaju se elektroliti, a pojava koja se javlja u elektrolitu kada kroz njega prolazi električna struja je.

Metalne ploče umočene u elektrolit nazivaju se elektrodama; jedan od njih, spojen na pozitivni pol izvora struje, naziva se anoda, a drugi, spojen na negativni pol, naziva se katoda.

Šta određuje prolazak električne struje u tekućem provodniku? Ispada da se u takvim rastvorima (elektroliti) molekuli kiseline (alkalije, soli) pod uticajem rastvarača (u ovom slučaju vode) razlažu na dve komponente, i Jedna čestica molekule ima pozitivan električni naboj, a druga negativna.

Čestice molekula koje imaju električni naboj nazivaju se joni. Kada se kiselina, sol ili alkalija otopi u vodi, u otopini se pojavljuje veliki broj pozitivnih i negativnih jona.

Sada bi trebalo postati jasno zašto je električna struja prošla kroz otopinu, jer se između elektroda spojenih na izvor struje stvorio napon, drugim riječima, ispostavilo se da je jedna od njih pozitivno, a druga negativno. Pod uticajem ove potencijalne razlike, pozitivni ioni su se počeli mešati prema negativnoj elektrodi - katodi, a negativni ioni - prema anodi.

Tako je haotično kretanje jona postalo uređeno suprotno kretanje negativnih jona u jednom pravcu i pozitivnih u drugom. Ovaj proces prijenosa naboja predstavlja protok električne struje kroz elektrolit i događa se sve dok postoji razlika potencijala na elektrodama. S nestankom razlike potencijala, struja kroz elektrolit prestaje, uređeno kretanje iona se poremeti i ponovo počinje haotično kretanje.

Kao primjer, razmotrimo fenomen elektrolize pri propuštanju električne struje kroz otopinu bakar sulfata CuSO4 sa bakrenim elektrodama spuštenim u njega.

Fenomen elektrolize kada struja prolazi kroz rastvor bakar sulfata: C - posuda sa elektrolitom, B - izvor struje, C - prekidač

Ovdje će također doći do suprotnog kretanja jona prema elektrodama. Pozitivni ion će biti ion bakra (Cu), a negativni ion će biti ion kiselog ostatka (SO4). Ioni bakra u kontaktu sa katodom će se isprazniti (priključujući nedostajuće elektrone), odnosno pretvoriće se u neutralne molekule čistog bakra, i taložiće se na katodu u obliku tankog (molekularnog) sloja.

Negativni ioni, koji dođu do anode, također se ispuštaju (odustavljaju višak elektrona). Ali u isto vrijeme, oni ulaze u kemijsku reakciju s bakrom anode, zbog čega se kiselom ostatku SO4 dodaje molekul bakra Cu i formira se molekul bakrenog sulfata CuS O4, koji se vraća nazad na elektrolit.

Pošto ovaj hemijski proces traje dugo, bakar se taloži na katodi, oslobađajući se iz elektrolita. U ovom slučaju, elektrolit, umjesto molekula bakra koji su otišli na katodu, prima nove molekule bakra zbog rastvaranja druge elektrode - anode.

Isti proces se događa ako se umjesto bakrenih uzmu cink elektrode, a elektrolit je otopina cink sulfata Zn SO4. Cink će se također prenositi sa anode na katodu.

dakle, razlika između električne struje u metalima i tekućim provodnicima leži u tome što su u metalima nosioci naboja samo slobodni elektroni, odnosno negativni naboji, dok ga u elektrolitima nose suprotno nabijene čestice tvari - joni koji se kreću u suprotnim smjerovima. Zato to kažu Elektroliti pokazuju ionsku provodljivost.

Fenomen elektrolize otkrio je 1837. B. S. Jacobi, koji je izveo brojne eksperimente na istraživanju i poboljšanju izvora kemijske struje. Jacobi je otkrio da je jedna od elektroda smještena u otopini bakar sulfata postala obložena bakrom kada je električna struja prošla kroz nju.

Ovaj fenomen se zove galvanizacija, sada nalazi izuzetno široku praktičnu primjenu. Jedan primjer za to je premazivanje metalnih predmeta tankim slojem drugih metala, npr. niklovanje, pozlaćivanje, posrebrivanje itd.

Gasovi (uključujući vazduh) ne provode električnu struju u normalnim uslovima. Na primjer, gole, koje su obješene paralelno jedna uz drugu, nađu se izolirane jedna od druge slojem zraka.

Međutim, pod uticajem visoke temperature, velikih potencijalnih razlika i drugih razloga, gasovi, poput provodnika tečnosti, ioniziraju se, odnosno u njima se pojavljuju u velikim količinama čestice molekula gasa, koje, budući da su nosioci električne energije, olakšavaju prolaz električne energije. struja kroz gas.

Ali u isto vrijeme, ionizacija plina se razlikuje od ionizacije tekućeg vodiča. Ako se u tečnosti molekul raspadne na dva naelektrisana dela, onda se u gasovima pod uticajem jonizacije uvek odvajaju elektroni od svakog molekula i ion ostaje u obliku pozitivno naelektrisanog dela molekula.

Jednom kada jonizacija gasa prestane, on će prestati da bude provodljiv, dok tečnost uvek ostaje provodnik električne struje. Posljedično, provodljivost plina je privremena pojava, ovisno o djelovanju vanjskih uzroka.

Međutim, postoji još jedan koji se zove lučno pražnjenje ili jednostavno električni luk. Fenomen električnog luka otkrio je početkom 19. veka prvi ruski elektroinženjer V. V. Petrov.

V.V. Petrov je kroz brojne eksperimente otkrio da između dva uglja povezana na izvor struje dolazi do neprekidnog električnog pražnjenja kroz zrak, praćenog jakom svjetlošću. V. V. Petrov je u svojim spisima napisao da se u ovom slučaju „mračni mir može osvetliti prilično jarko“. Tako je prvo dobijeno električno svjetlo, koje je praktično primijenio drugi ruski elektroinženjer Pavel Nikolajevič Jabločkov.

Svijeća Yablochkov, čiji se rad temelji na korištenju električnog luka, napravila je pravu revoluciju u elektrotehnici tih dana.

Lučno pražnjenje se i danas koristi kao izvor svjetlosti, na primjer u reflektorima i projekcijskim uređajima. Visoka temperatura lučnog pražnjenja omogućava njegovu upotrebu. Trenutno se lučne peći, napajane jakom strujom, koriste u brojnim industrijama: za topljenje čelika, livenog gvožđa, ferolegura, bronce itd. A 1882. godine, N.N. Benardos je prvi put koristio lučno pražnjenje za rezanje i zavarivanje metala.

U gasno-svetlosnim cevima, fluorescentnim lampama, stabilizatorima napona, tzv užarenog gasnog pražnjenja.

Varničko pražnjenje se koristi za mjerenje velikih potencijalnih razlika pomoću kugličnog razmaka, čije su elektrode dvije metalne kuglice s poliranom površinom. Kuglice se pomiču i na njih se primjenjuje izmjerena razlika potencijala. Zatim se kuglice zbližavaju dok između njih ne preskoči iskra. Poznavajući promjer kuglica, udaljenost između njih, pritisak, temperaturu i vlažnost zraka, pomoću posebnih tablica pronađite potencijalnu razliku između kuglica. Ova metoda može mjeriti potencijalne razlike reda desetina hiljada volti sa tačnošću od nekoliko procenata.

U prirodi ne postoje apsolutni dielektrici. Uređeno kretanje čestica - nosilaca električnog naboja - odnosno struje, može biti uzrokovano u bilo kojoj sredini, ali za to su potrebni posebni uslovi. Ovdje ćemo pogledati kako se električni fenomeni javljaju u plinovima i kako se plin može transformirati iz vrlo dobrog dielektrika u vrlo dobar provodnik. Zanimaće nas pod kojim uslovima nastaje električna struja u gasovima, kao i po kojim karakteristikama se ona karakteriše.

Električna svojstva plinova

Dielektrik je tvar (medij) u kojoj koncentracija čestica - slobodnih nosilaca električnog naboja - ne dostiže značajnu vrijednost, zbog čega je provodljivost zanemarljiva. Svi gasovi su dobri dielektrici. Njihova izolacijska svojstva koriste se svuda. Na primjer, u bilo kojem prekidaču, krug se otvara kada se kontakti dovedu u takav položaj da se između njih formira zračni jaz. Žice u dalekovodima također su izolovane jedna od druge zračnim slojem.

Strukturna jedinica svakog gasa je molekul. Sastoji se od atomskih jezgara i elektronskih oblaka, odnosno, to je skup električnih naboja raspoređenih na neki način u prostoru. Zbog posebnosti svoje strukture, molekula plina može biti polarizirana pod utjecajem vanjskog električnog polja. Ogromna većina molekula koji sačinjavaju plin je električno neutralna u normalnim uvjetima, budući da se naboji u njima međusobno poništavaju.

Ako se na plin primjenjuje električno polje, molekuli će poprimiti dipolnu orijentaciju, zauzimajući prostorni položaj koji kompenzira učinak polja. Nabijene čestice prisutne u gasu, pod uticajem Kulonovih sila, počeće da se kreću: pozitivni joni - prema katodi, negativni ioni i elektroni - prema anodi. Međutim, ako polje nema dovoljan potencijal, ne nastaje jedan usmjereni tok naelektrisanja, već se prije može govoriti o pojedinačnim strujama, toliko slabim da ih treba zanemariti. Plin se ponaša kao dielektrik.

Dakle, za nastanak električne struje u plinovima potrebna je visoka koncentracija slobodnih nosilaca naboja i prisustvo polja.

Ionizacija

Proces lavinskog povećanja broja slobodnih naelektrisanja u gasu naziva se jonizacija. Prema tome, plin u kojem je prisutna značajna količina nabijenih čestica naziva se jonizirani. U takvim plinovima se stvara električna struja.

Proces ionizacije povezan je s kršenjem neutralnosti molekula. Kao rezultat uklanjanja elektrona pojavljuju se pozitivni ioni; dodavanje elektrona molekuli dovodi do stvaranja negativnog jona. Osim toga, jonizirani plin sadrži mnogo slobodnih elektrona. Pozitivni joni, a posebno elektroni su glavni nosioci naboja tokom električne struje u gasovima.

Ionizacija nastaje kada se čestici prenese određena količina energije. Dakle, vanjski elektron u molekulu, primivši ovu energiju, može napustiti molekul. Međusobni sudari nabijenih čestica s neutralnim dovode do izbacivanja novih elektrona, a proces poprima lavinski karakter. Povećava se i kinetička energija čestica, što uvelike podstiče jonizaciju.

Odakle potječe energija koja se troši na pobuđivanje električne struje u plinovima? Ionizacija gasova ima nekoliko izvora energije, prema kojima se obično nazivaju njene vrste.

1. Ionizacija električnim poljem. U tom slučaju potencijalna energija polja se pretvara u kinetičku energiju čestica.
2. Termička ionizacija. Povećanje temperature također dovodi do stvaranja velikog broja besplatnih naboja.
3. Fotojonizacija. Suština ovog procesa je da se energija elektronima predaje kvantima elektromagnetnog zračenja - fotonima, ako imaju dovoljno visoku frekvenciju (ultraljubičasto, rendgensko zračenje, gama kvanti).
4. Udarna ionizacija je rezultat pretvaranja kinetičke energije sudarajućih čestica u energiju razdvajanja elektrona. Uz termičku ionizaciju, služi kao glavni faktor u pobuđivanju električne struje u plinovima.

Svaki plin karakterizira određena granična vrijednost - energija ionizacije potrebna da se elektron odvoji od molekula, prevazilazeći potencijalnu barijeru. Ova vrijednost za prvi elektron kreće se od nekoliko volti do dva desetina volti; Da bi se uklonio sljedeći elektron iz molekule, potrebno je više energije itd.

Treba uzeti u obzir da se istovremeno sa jonizacijom u gasu dešava i obrnuti proces - rekombinacija, odnosno obnavljanje neutralnih molekula pod uticajem Kulonovih privlačnih sila.

Plinsko pražnjenje i njegove vrste

Dakle, električna struja u plinovima je uzrokovana uređenim kretanjem nabijenih čestica pod utjecajem električnog polja primijenjenog na njih. Prisutnost takvih naboja, zauzvrat, moguća je zbog različitih faktora ionizacije.

Dakle, termička jonizacija zahtijeva značajne temperature, ali otvoreni plamen u vezi s određenim hemijskim procesima potiče jonizaciju. Čak i pri relativno niskoj temperaturi u prisustvu plamena, bilježi se pojava električne struje u plinovima, a eksperiment s provodljivošću plina olakšava to da se provjeri. Između ploča napunjenog kondenzatora potrebno je postaviti plamen plamenika ili svijeće. Krug koji je prethodno bio otvoren zbog zračnog raspora u kondenzatoru će se zatvoriti. Galvanometar spojen na strujni krug pokazat će prisutnost struje.

Električna struja u plinovima naziva se plinsko pražnjenje. Mora se imati na umu da, da bi se održala stabilnost pražnjenja, djelovanje ionizatora mora biti konstantno, jer uslijed stalne rekombinacije plin gubi svoja elektroprovodljiva svojstva. Neki nosioci električne struje u plinovima - ioni - neutraliziraju se na elektrodama, drugi - elektroni - kada stignu do anode, usmjeravaju se na "plus" izvora polja. Ako ionizirajući faktor prestane djelovati, plin će odmah ponovo postati dielektrik i struja će prestati. Takva struja, ovisna o djelovanju vanjskog ionizatora, naziva se nesamoodrživo pražnjenje.

Osobitosti prolaska električne struje kroz plinove opisane su posebnom ovisnošću struje o naponu - strujno-naponskom karakteristikom.

Razmotrimo razvoj plinskog pražnjenja na grafu ovisnosti strujnog napona. Kada se napon poveća na određenu vrijednost U 1, struja raste proporcionalno tome, odnosno ispunjen je Ohmov zakon. Povećava se kinetička energija, a time i brzina naelektrisanja u gasu, a ovaj proces nadmašuje rekombinaciju. Pri vrijednostima napona od U 1 do U 2, ovaj odnos je narušen; kada se dostigne U2, svi nosioci naboja stižu do elektroda bez vremena da se rekombinuju. Koriste se sva besplatna punjenja, a daljnji porast napona ne dovodi do povećanja struje. Ova vrsta kretanja naelektrisanja naziva se struja zasićenja. Dakle, možemo reći da je električna struja u plinovima također posljedica posebnosti ponašanja joniziranog plina u električnim poljima različite jačine.

Kada razlika potencijala na elektrodama dostigne određenu vrijednost U 3 , napon postaje dovoljan da električno polje izazove lavinu ionizaciju plina. Kinetička energija slobodnih elektrona je već dovoljna za udarnu ionizaciju molekula. Njihova brzina u većini gasova je oko 2000 km/s i više (izračunava se po približnoj formuli v=600 Ui, gde je Ui potencijal jonizacije). U ovom trenutku dolazi do kvara gasa i značajnog povećanja struje zbog unutrašnjeg izvora jonizacije. Stoga se takvo pražnjenje naziva neovisnim.

Prisustvo vanjskog ionizatora u ovom slučaju više ne igra ulogu u održavanju električne struje u plinovima. Samoodrživo pražnjenje pod različitim uslovima i sa različitim karakteristikama izvora električnog polja može imati određene karakteristike. Postoje takve vrste samopražnjenja kao što su sjaj, iskra, luk i korona. Pogledat ćemo kako se električna struja ponaša u plinovima, ukratko za svaku od ovih vrsta.

Razlika potencijala od 100 (ili čak manje) do 1000 volti dovoljna je za pokretanje samopražnjenja. Stoga se užareno pražnjenje, koje karakterizira niska vrijednost struje (od 10 -5 A do 1 A), javlja pri pritiscima ne većim od nekoliko milimetara žive.

U cijevi s razrijeđenim plinom i hladnim elektrodama, usijano pražnjenje koje se formira izgleda kao tanak užareni kabel između elektroda. Ako nastavite pumpati plin iz cijevi, kabel će se isprati, a pri pritiscima od desetinki milimetra žive, sjaj ispunjava cijev gotovo u potpunosti. Nema sjaja u blizini katode - u takozvanom tamnom katodnom prostoru. Ostatak se naziva pozitivnim stupcem. U ovom slučaju, glavni procesi koji osiguravaju postojanje pražnjenja lokalizirani su upravo u tamnom katodnom prostoru iu području uz njega. Ovdje se nabijene čestice plina ubrzavaju, izbacujući elektrone iz katode.

Kod užarenog pražnjenja uzrok ionizacije je emisija elektrona sa katode. Elektroni koje emituje katoda proizvode udarnu ionizaciju molekula plina, rezultirajući pozitivni ioni uzrokuju sekundarnu emisiju iz katode, itd. Sjaj pozitivnog stupca uglavnom je posljedica oslobađanja fotona od strane pobuđenih molekula plina, a različite plinove karakterizira sjaj određene boje. Pozitivni stub učestvuje u formiranju usijanog pražnjenja samo kao deo električnog kola. Ako približite elektrode, možete učiniti da pozitivni stupac nestane, ali pražnjenje neće prestati. Međutim, s daljnjim smanjenjem udaljenosti između elektroda, svjetleće pražnjenje ne može postojati.

Treba napomenuti da za ovu vrstu električne struje u plinovima fizika nekih procesa još nije u potpunosti razjašnjena. Na primjer, ostaje nejasna priroda sila koje uzrokuju širenje područja na površini katode koje sudjeluje u pražnjenju kako se struja povećava.

Iskreni pražnjenje

Proboj varnica ima pulsirajuću prirodu. Javlja se pri pritiscima blizu normalnog atmosferskog pritiska, u slučajevima kada je snaga izvora električnog polja nedovoljna za održavanje stacionarnog pražnjenja. Jačina polja je velika i može doseći 3 MV/m. Pojavu karakterizira naglo povećanje električne struje pražnjenja u plinu, pri čemu napon izuzetno brzo opada i pražnjenje prestaje. Tada se potencijalna razlika ponovo povećava i cijeli proces se ponavlja.

Kod ovog tipa pražnjenja formiraju se kratkotrajni kanali iskri, čiji rast može početi iz bilo koje točke između elektroda. To je zbog činjenice da se udarna jonizacija dešava nasumično na mjestima gdje je trenutno koncentrisan najveći broj jona. U blizini kanala iskri, plin se brzo zagrijava i doživljava toplinsko širenje, uzrokujući akustične valove. Stoga je pražnjenje iskre praćeno pucketanjem, kao i oslobađanjem topline i jarkim sjajem. Procesi lavinske jonizacije stvaraju visoke pritiske i temperature u kanalu iskri do 10 hiljada stepeni i više.

Najupečatljiviji primjer prirodnog iskrišta je munja. Prečnik glavnog kanala munje može biti od nekoliko centimetara do 4 m, a dužina kanala može doseći 10 km. Snaga struje dostiže 500 hiljada ampera, a potencijalna razlika između grmljavinskog oblaka i površine Zemlje dostiže milijardu volti.

Najduži udar groma, dug 321 km, primijećen je 2007. godine u Oklahomi, SAD. Rekorder po najdužem trajanju bila je munja zabilježena 2012. godine u francuskim Alpima - trajala je preko 7,7 sekundi. Kada ga udari grom, zrak se može zagrijati do 30 hiljada stepeni, što je 6 puta više od temperature vidljive površine Sunca.

U slučajevima kada je snaga izvora električnog polja dovoljno velika, pražnjenje iskre se razvija u lučno pražnjenje.

Ovaj tip samopražnjenja karakterizira velika gustina struje i nizak (manji od usijanog pražnjenja) napon. Razmak proboja je kratak zbog neposredne blizine elektroda. Pražnjenje se pokreće emisijom elektrona sa površine katode (za atome metala potencijal jonizacije je mali u poređenju sa molekulima gasa). Prilikom kvara stvaraju se uvjeti između elektroda pod kojima plin provodi električnu struju i dolazi do pražnjenja iskre, zatvarajući krug. Ako je snaga izvora napona dovoljno velika, iskre se pretvaraju u stabilan električni luk.

Ionizacija tokom lučnog pražnjenja dostiže skoro 100%, struja je vrlo visoka i može se kretati od 10 do 100 ampera. Pri atmosferskom pritisku, luk se može zagrijati do 5-6 hiljada stepeni, a katoda - do 3 hiljade stepeni, što dovodi do intenzivne termoionske emisije sa njegove površine. Bombardiranje anode elektronima dovodi do djelomičnog uništenja: na njoj se formira udubljenje - krater s temperaturom od oko 4000 °C. Povećanje pritiska povlači još veće povećanje temperature.

Kada su elektrode odvojene, lučno pražnjenje ostaje stabilno do određene udaljenosti, što omogućava borbu protiv njega u onim područjima električne opreme gdje je štetno zbog korozije i izgaranja kontakata koje uzrokuje. To su uređaji kao što su visokonaponski i prekidači, kontaktori i drugi. Jedna od metoda suzbijanja lukova koji nastaju kada su kontakti otvoreni je korištenje komora za gašenje luka po principu izduženja luka. Koriste se i mnoge druge metode: zaobilaženje kontakata, korištenje materijala s visokim potencijalom jonizacije i tako dalje.

Razvoj koronskog pražnjenja događa se pri normalnom atmosferskom tlaku u oštro nehomogenim poljima u blizini elektroda s velikom zakrivljenošću površine. To mogu biti tornjevi, jarboli, žice, razni elementi električne opreme koji imaju složen oblik, pa čak i ljudska kosa. Takva elektroda se naziva korona elektroda. Samo u njegovoj blizini odvijaju se procesi jonizacije i, shodno tome, sjaj gasa.

Korona se može formirati i na katodi (negativna korona) kada je bombardovana jonima, i na anodi (pozitivna korona) kao rezultat fotojonizacije. Negativna korona, u kojoj je proces ionizacije kao posljedica toplinske emisije usmjeren od elektrode, karakterizira ravnomjeran sjaj. U pozitivnoj koroni mogu se uočiti strimeri - svjetleće linije izlomljene konfiguracije koje se mogu pretvoriti u kanale iskri.

Primjer koronskog pražnjenja u prirodnim uvjetima su oni koji se javljaju na vrhovima visokih jarbola, krošnjama drveća i tako dalje. Nastaju pri velikoj jačini električnog polja u atmosferi, često prije grmljavine ili mećave. Osim toga, zabilježeni su na koži aviona uhvaćenih u oblaku vulkanskog pepela.

Koronsko pražnjenje na žicama dalekovoda dovodi do značajnih gubitaka električne energije. Pri visokim naponima, koronsko pražnjenje može se pretvoriti u lučno pražnjenje. Bori se na različite načine, na primjer, povećanjem radijusa zakrivljenosti provodnika.

Električna struja u plinovima i plazmi

Potpuno ili djelomično jonizirani plin naziva se plazma i smatra se četvrtim agregatnim stanjem materije. Općenito, plazma je električno neutralna, jer je ukupni naboj njenih sastavnih čestica nula. Ovo ga razlikuje od drugih sistema naelektrisanih čestica, kao što su elektronski snopovi.

U prirodnim uslovima, plazma nastaje, po pravilu, na visokim temperaturama usled sudara atoma gasa pri velikim brzinama. Ogromna većina barionske materije u Univerzumu je u stanju plazme. To su zvijezde, dio međuzvjezdane materije, međugalaktički plin. Zemljina jonosfera je također rijetka, slabo jonizirana plazma.

Stepen jonizacije je važna karakteristika plazme - od toga zavise njena provodna svojstva. Stepen jonizacije se definiše kao odnos broja jonizovanih atoma i ukupnog broja atoma po jedinici zapremine. Što je plazma jonizovanija, to je veća njena električna provodljivost. Osim toga, karakterizira ga visoka mobilnost.

Vidimo, dakle, da plinovi koji provode električnu struju unutar kanala pražnjenja nisu ništa drugo do plazma. Stoga su sjajna i koronska pražnjenja primjeri hladne plazme; kanal za iskru munje ili električni luk su primjeri vruće, gotovo potpuno jonizirane plazme.

Električna struja u metalima, tekućinama i plinovima - razlike i sličnosti

Razmotrimo karakteristike koje karakterišu gasno pražnjenje u poređenju sa svojstvima struje u drugim medijima.

U metalima je struja usmjereno kretanje slobodnih elektrona, koje ne povlači za sobom kemijske promjene. Provodnici ovog tipa nazivaju se provodnici prve vrste; To uključuje, pored metala i legura, ugljen, neke soli i okside. Odlikuje ih elektronska provodljivost.

Provodnici drugog tipa su elektroliti, odnosno tekući vodeni rastvori lužina, kiselina i soli. Prolazak struje povezan je s kemijskom promjenom elektrolita - elektrolizom. Ioni tvari otopljene u vodi, pod utjecajem razlike potencijala, kreću se u suprotnim smjerovima: pozitivni kationi - ka katodi, negativni anioni - anodi. Proces je praćen oslobađanjem plina ili taloženjem metalnog sloja na katodi. Provodnike drugog tipa karakterizira jonska provodljivost.

Što se tiče vodljivosti plinova, ona je, prvo, privremena, a drugo, ima znakove sličnosti i razlike sa svakim od njih. Dakle, električna struja i u elektrolitima i u plinovima je drift suprotno nabijenih čestica usmjerenih prema suprotnim elektrodama. Međutim, dok elektrolite karakterizira čisto jonska provodljivost, u plinskom pražnjenju, uz kombinaciju elektronske i ionske provodljivosti, vodeća uloga pripada elektronima. Druga razlika između električne struje u tekućinama i plinovima je priroda ionizacije. U elektrolitu se molekuli otopljenog spoja disociraju u vodi, ali u plinu se molekuli ne kolabiraju, već samo gube elektrone. Stoga, plinsko pražnjenje, poput struje u metalima, nije povezano s kemijskim promjenama.

Struja u tečnostima i gasovima je takođe različita. Provodljivost elektrolita općenito je podložna Ohmovom zakonu, ali se ne primjećuje tokom pražnjenja u plinu. Strujna naponska karakteristika plinova je mnogo složenija, povezana sa svojstvima plazme.

Treba pomenuti i opšte i karakteristične karakteristike električne struje u gasovima i vakuumu. Vakum je gotovo savršen dielektrik. "Skoro" - jer je u vakuumu, unatoč odsustvu (tačnije, izuzetno niskoj koncentraciji) slobodnih nosača naboja, moguća i struja. Ali potencijalni nosioci su već prisutni u gasu; samo ih treba jonizirati. Nosači naboja se unose u vakuum iz supstance. U pravilu se to dešava kroz proces elektronske emisije, na primjer kada se katoda zagrije (termionska emisija). Ali u raznim vrstama plinskih pražnjenja, emisija, kao što smo vidjeli, igra važnu ulogu.

Primjena plinskih pražnjenja u tehnici

Štetni efekti određenih pražnjenja su već ukratko razmotreni gore. Sada obratimo pažnju na prednosti koje oni donose u industriji iu svakodnevnom životu.

Užareno pražnjenje se koristi u elektrotehnici (stabilizatori napona) i u tehnologiji prevlačenja (metoda katodnog raspršivanja, bazirana na fenomenu katodne korozije). U elektronici se koristi za proizvodnju jonskih i elektronskih zraka. Nadaleko poznata područja primjene svjetlećeg pražnjenja su fluorescentne i takozvane energetski efikasne sijalice i ukrasne neonske i argonske cijevi za plinsko pražnjenje. Osim toga, žarenje se koristi u spektroskopiji.

Varničko pražnjenje se koristi u osiguračima i u metodama električnog pražnjenja za preciznu obradu metala (sječenje varnicom, bušenje i tako dalje). Ali najpoznatiji je po upotrebi u svjećicama za motore s unutarnjim sagorijevanjem i u kućanskim aparatima (plinske peći).

Lučno pražnjenje, koje je prvi put korišteno u tehnologiji rasvjete davne 1876. godine (svijeća Yablochkov - „rusko svjetlo“), još uvijek služi kao izvor svjetlosti - na primjer, u projekcijskim uređajima i snažnim reflektorima. U elektrotehnici, luk se koristi u živinim ispravljačima. Osim toga, koristi se u elektro zavarivanju, rezanju metala i industrijskim električnim pećima za topljenje čelika i legura.

Koronsko pražnjenje se koristi u električnim taložnicima za prečišćavanje jonskog gasa, u brojačima čestica, u gromobranima i u sistemima klimatizacije. Koronsko pražnjenje radi i u fotokopir aparatima i laserskim štampačima, gde puni i prazni fotoosetljivi bubanj i prenosi prah sa bubnja na papir.

Dakle, plinska pražnjenja svih vrsta nalaze najširu primjenu. Električna struja u gasovima se uspešno i efikasno koristi u mnogim oblastima tehnologije.

U normalnim uvjetima, plinovi ne provode električnu energiju jer su njihovi molekuli električno neutralni. Na primjer, suhi zrak je dobar izolator, što bismo mogli provjeriti uz pomoć najjednostavnijih eksperimenata u elektrostatici. Međutim, zrak i drugi plinovi postaju provodnici električne struje ako se u njima stvaraju ioni na ovaj ili onaj način.

Rice. 100. Vazduh postaje provodnik električne struje ako je jonizovan

Najjednostavniji eksperiment koji ilustruje provodljivost vazduha tokom njegove jonizacije plamenom prikazan je na Sl. 100: naboj na pločama, koji traje dugo, brzo nestaje kada se upaljena šibica ubaci u prostor između ploča.

Ispuštanje gasa. Proces prolaska električne struje kroz plin obično se naziva plinsko pražnjenje (ili električno pražnjenje u plinu). Plinska pražnjenja se dijele na dva tipa: samoodrživa i nesamoodrživa.

Nezavisno pražnjenje. Pražnjenje u plinu se naziva nesamoodrživim ako je potreban vanjski izvor za njegovo održavanje

jonizacija. Joni u gasu mogu nastati pod uticajem visokih temperatura, rendgenskog i ultraljubičastog zračenja, radioaktivnosti, kosmičkih zraka itd. U svim ovim slučajevima, jedan ili više elektrona se oslobađa iz elektronske ljuske atoma ili molekula. Kao rezultat, u plinu se pojavljuju pozitivni ioni i slobodni elektroni. Oslobođeni elektroni mogu se vezati za neutralne atome ili molekule, pretvarajući ih u negativne ione.

Ionizacija i rekombinacija. Uz procese jonizacije, u plinu se javljaju i procesi obrnute rekombinacije: povezivanjem jedni s drugima, pozitivni i negativni joni ili pozitivni ioni i elektroni formiraju neutralne molekule ili atome.

Promjena koncentracije jona tokom vremena, zbog stalnog izvora procesa jonizacije i rekombinacije, može se opisati na sljedeći način. Pretpostavimo da izvor ionizacije stvara pozitivne ione i isti broj elektrona po jedinici zapremine gasa u jedinici vremena. Ako u plinu nema električne struje i može se zanemariti odstupanje iona iz razmatranog volumena zbog difuzije, tada će jedini mehanizam za smanjenje koncentracije jona biti rekombinacija.

Rekombinacija se događa kada se pozitivni ion sretne s elektronom. Broj takvih susreta je proporcionalan i broju jona i broju slobodnih elektrona, odnosno proporcionalan . Stoga se smanjenje broja jona po jedinici volumena u jedinici vremena može zapisati u obliku , gdje je a konstantna vrijednost koja se naziva koeficijent rekombinacije.

Ako su uvedene pretpostavke validne, jednadžba ravnoteže za jone u plinu će biti zapisana u obliku

Ovu diferencijalnu jednačinu nećemo rješavati u općem obliku, već ćemo razmotriti neke zanimljive posebne slučajeve.

Prije svega, napominjemo da bi se procesi ionizacije i rekombinacije nakon nekog vremena trebali međusobno kompenzirati i u plinu će se uspostaviti konstantna koncentracija; može se vidjeti da kada

Što je moćniji izvor ionizacije i manji koeficijent rekombinacije a, to je veća stacionarna koncentracija jona.

Nakon isključivanja ionizatora, smanjenje koncentracije jona opisano je jednadžbom (1), u kojoj je potrebno uzeti kao početnu vrijednost koncentracije

Prepisivanjem ove jednačine u obliku nakon integracije dobijamo

Grafikon ove funkcije prikazan je na sl. 101. To je hiperbola čije su asimptote vremenska os i okomita ravna linija. Naravno, samo dio hiperbole koji odgovara vrijednostima ima fizičko značenje. Obratite pažnju na sporu prirodu pada koncentracije s vremenom u poređenju sa procesima eksponencijalnog raspada koji se često susreću u fizici, a koji se ostvaruju kada je brzina smanjenja bilo koje veličine proporcionalna prvom stepenu trenutne vrijednosti ove veličine.

Rice. 101. Smanjenje koncentracije jona u gasu nakon gašenja izvora jonizacije

Ne-samoprovodljivost. Proces smanjenja koncentracije jona nakon prestanka rada ionizatora značajno se ubrzava ako je plin u vanjskom električnom polju. Povlačenjem elektrona i jona na elektrode, električno polje može vrlo brzo smanjiti električnu provodljivost plina na nulu u odsustvu ionizatora.

Da bismo razumjeli zakone nesamoodrživog pražnjenja, razmotrimo radi jednostavnosti slučaj kada struja u plinu ioniziranom vanjskim izvorom teče između dvije ravne elektrode paralelne jedna s drugom. U ovom slučaju, joni i elektroni su u jednoličnom električnom polju intenziteta E, jednakog omjeru napona primijenjenog na elektrode i udaljenosti između njih.

Mobilnost elektrona i jona. Sa konstantnim primijenjenim naponom u kolu se uspostavlja određena konstantna jačina struje 1. To znači da se elektroni i ioni u joniziranom plinu kreću konstantnom brzinom. Da bismo objasnili ovu činjenicu, moramo pretpostaviti da su pored konstantne sile ubrzanja električnog polja, pokretni ioni i elektroni podložni silama otpora koje rastu sa povećanjem brzine. Ove sile opisuju prosječan učinak sudara elektrona i jona s neutralnim atomima i molekulama plina. Zahvaljujući snagama otpora

U prosjeku se uspostavljaju konstantne brzine elektrona i jona, proporcionalne jakosti električnog polja E:

Koeficijenti proporcionalnosti nazivaju se pokretljivosti elektrona i jona. Mobilnost jona i elektrona imaju različite vrijednosti i zavise od vrste plina, njegove gustine, temperature itd.

Gustoća električne struje, odnosno naboj koji elektroni i joni prenose u jedinici vremena kroz jediničnu površinu, izražava se koncentracijom elektrona i jona, njihovim nabojima i brzinom ravnomjernog kretanja

Kvazineutralnost. U normalnim uvjetima, ionizirani plin u cjelini je električno neutralan, ili, kako kažu, kvazineutralan, jer u malim količinama koje sadrže relativno mali broj elektrona i iona, uvjet električne neutralnosti može biti narušen. To znači da je relacija zadovoljena

Gustina struje tokom nesamoodrživog pražnjenja. Za dobijanje zakona za promenu koncentracije nosilaca struje tokom vremena tokom nesamoodrživog pražnjenja u gasu, potrebno je, uz procese jonizacije eksternim izvorom i rekombinacije, uzeti u obzir i bijeg elektrona i jona na elektrode. Broj čestica u jedinici vremena po površini elektrode iz zapremine je jednak .. Stopu smanjenja koncentracije takvih čestica dobijamo tako što ovaj broj podelimo sa zapreminom gasa između elektroda. Stoga će jednačina ravnoteže umjesto (1) u prisustvu struje biti zapisana u obliku

Za uspostavljanje režima, kada iz (8) dobijamo

Jednačina (9) nam omogućava da pronađemo zavisnost gustine struje u stacionarnom stanju tokom nesamoodrživog pražnjenja od primenjenog napona (ili od jačine polja E).

Odmah su vidljiva dva ograničavajuća slučaja.

Ohmov zakon. Pri niskom naponu, kada se u jednačini (9) drugi član na desnoj strani može zanemariti, nakon čega dobijamo formule (7) i imamo

Gustoća struje je proporcionalna jačini primijenjenog električnog polja. Dakle, za nesamoodrživo plinsko pražnjenje u slabim električnim poljima, Ohmov zakon je zadovoljen.

Struja zasićenja. Pri niskoj koncentraciji elektrona i jona u jednačini (9) može se zanemariti prvi (kvadratičan u smislu članova na desnoj strani), u ovoj aproksimaciji vektor gustine struje je usmjeren duž jakosti električnog polja, a njegov modul

ne zavisi od primenjenog napona. Ovaj rezultat vrijedi za jaka električna polja. U ovom slučaju govorimo o struji zasićenja.

Oba razmatrana granična slučaja mogu se proučavati bez pribjegavanja jednadžbi (9). Međutim, na ovaj način je nemoguće pratiti kako se s povećanjem napona događa prijelaz sa Ohmovog zakona na nelinearnu ovisnost struje od napona.

U prvom graničnom slučaju, kada je struja vrlo mala, glavni mehanizam za uklanjanje elektrona i jona iz područja pražnjenja je rekombinacija. Dakle, za stacionarnu koncentraciju možemo koristiti izraz (2), koji, uzimajući u obzir (7), odmah daje formulu (10). U drugom graničnom slučaju, naprotiv, rekombinacija se zanemaruje. U jakom električnom polju, elektroni i ioni nemaju vremena da se primjetno rekombinuju tokom leta od jedne elektrode do druge, ako je njihova koncentracija dovoljno niska. Tada svi elektroni i ioni koje generira vanjski izvor dospiju do elektroda i ukupna gustina struje je jednaka Proporcionalna je dužini jonizacijske komore, budući da je ukupan broj elektrona i jona proizvedenih ionizatorom proporcionalan I.

Eksperimentalno proučavanje gasnog pražnjenja. Zaključci teorije nesamoodrživog pražnjenja plina potvrđeni su eksperimentima. Za proučavanje pražnjenja u plinu, prikladno je koristiti staklenu cijev s dvije metalne elektrode. Električni dijagram takve instalacije prikazan je na sl. 102. Mobilnost

elektroni i ioni jako zavise od pritiska gasa (obrnuto proporcionalno pritisku), pa je zgodno izvoditi eksperimente pri smanjenom pritisku.

Na sl. Na slici 103 prikazana je ovisnost jačine struje I u cijevi od napona primijenjenog na elektrode cijevi.Jonizacija u cijevi može se stvoriti, na primjer, rendgenskim ili ultraljubičastim zracima ili upotrebom slabog radioaktivnog lijeka. Bitno je samo da vanjski izvor jona ostane nepromijenjen.Linearni presjek OA strujno-naponske karakteristike odgovara opsegu primjenjivosti Ohmovog zakona.

Rice. 102. Instalacioni dijagram za proučavanje gasnog pražnjenja

Rice. 103. Eksperimentalne strujno-naponske karakteristike gasnog pražnjenja

U dijelu, jačina struje nelinearno ovisi o naponu. Počevši od tačke B, struja dostiže zasićenje i ostaje konstantna na određenom području.Sve to odgovara teorijskim predviđanjima.

Nezavisno pražnjenje. Međutim, u tački C struja ponovo počinje da raste, prvo polako, a zatim veoma naglo. To znači da se u gasu pojavio novi, unutrašnji izvor jona. Ako sada uklonimo vanjski izvor, pražnjenje u plinu ne prestaje, tj. pražnjenje prelazi iz nesamoodrživog u samoodrživo. Prilikom samopražnjenja dolazi do stvaranja novih elektrona i jona kao rezultat unutrašnjih procesa u samom plinu.

Ionizacija elektronskim udarom. Povećanje struje tokom prelaska iz nesamoodrživog pražnjenja u samoodrživo se dešava poput lavine i naziva se električnim slomom gasa. Napon pri kojem dolazi do sloma naziva se napon paljenja. To ovisi o vrsti plina i o umnošku tlaka plina i udaljenosti između elektroda.

Procesi u gasu odgovorni za lavinsko povećanje jačine struje sa povećanjem primenjenog napona povezani su sa jonizacijom neutralnih atoma ili molekula gasa slobodnim elektronima ubrzanim električnim poljem do dovoljno

visoke energije. Kinetička energija elektrona prije sljedećeg sudara s neutralnim atomom ili molekulom proporcionalna je jakosti električnog polja E i srednjem slobodnom putu elektrona X:

Ako je ta energija dovoljna da ionizira neutralni atom ili molekulu, tj. premašuje rad ionizacije

onda kada se elektron sudari sa atomom ili molekulom, oni bivaju jonizovani. Kao rezultat, umjesto jednog elektrona pojavljuju se dva. Oni se, pak, ubrzavaju električnim poljem i ioniziraju atome ili molekule koji se nađu na svom putu, itd. Proces se razvija poput lavine i naziva se lavina elektrona. Opisani mehanizam ionizacije naziva se jonizacija udarom elektrona.

Eksperimentalni dokaz da se jonizacija neutralnih atoma gasa dešava uglavnom zbog udara elektrona, a ne pozitivnih jona, dao je J. Townsend. Uzeo je jonizacijsku komoru u obliku cilindričnog kondenzatora, čija je unutrašnja elektroda bila tanka metalna nit rastegnuta duž ose cilindra. U takvoj komori ubrzano električno polje je izrazito nehomogeno, a glavnu ulogu u ionizaciji imaju čestice koje padaju u područje najjačeg polja u blizini filamenta. Iskustvo pokazuje da je pri istom naponu između elektroda struja pražnjenja veća kada se pozitivni potencijal primjenjuje na nit, a ne na vanjski cilindar. U tom slučaju svi slobodni elektroni koji stvaraju struju nužno prolaze kroz područje najjačeg polja.

Emisija elektrona sa katode. Samoodrživo pražnjenje može biti stacionarno samo ako se u plinu stalno pojavljuju novi slobodni elektroni, budući da svi elektroni koji nastaju u lavini stignu do anode i eliminiraju se iz igre. Novi elektroni izbijaju se iz katode pozitivnim ionima, koji se, krećući se prema katodi, također ubrzavaju električnim poljem i dobivaju dovoljno energije za to.

Katoda može emitovati elektrone ne samo kao rezultat bombardiranja jonima, već i samostalno kada se zagrije na visoku temperaturu. Ovaj proces se naziva termoionska emisija i može se smatrati vrstom isparavanja elektrona iz metala. Obično se javlja na temperaturama kada je isparavanje samog materijala katode još uvijek malo. U slučaju samoodrživog plinskog pražnjenja, katoda se obično ne zagrijava

filament, kao u vakuumskim cijevima, ali zbog oslobađanja topline kada se bombardira pozitivnim jonima. Stoga katoda emituje elektrone čak i kada je energija jona nedovoljna da izbaci elektrone.

Samoodrživo pražnjenje u plinu nastaje ne samo kao rezultat prijelaza sa nesamoodrživog s povećanjem napona i uklanjanjem vanjskog izvora jonizacije, već i direktnom primjenom napona koji prelazi prag napona paljenja. . Teorija pokazuje da je za paljenje pražnjenja dovoljna vrlo mala količina jona, koji su uvijek prisutni u neutralnom plinu, makar samo zbog prirodne radioaktivne pozadine.

U zavisnosti od svojstava i pritiska gasa, konfiguracije elektroda i napona primenjenog na elektrode, moguće su različite vrste samopražnjenja.

Sjajno pražnjenje. Pri niskim pritiscima (desetinke i stotinke milimetra žive) u cijevi se opaža užareno pražnjenje. Za paljenje usijanog pražnjenja dovoljan je napon od nekoliko stotina ili čak desetina volti. U svjetlećem pražnjenju mogu se razlikovati četiri karakteristična područja. To su katodni tamni prostor, sjajni (ili negativni) sjaj, Faradejev tamni prostor i užareni pozitivni stup, koji zauzima najveći dio prostora između anode i katode.

Prve tri regije nalaze se u blizini katode. Ovdje dolazi do oštrog pada potencijala, povezanog s visokom koncentracijom pozitivnih iona na granici tamnog prostora katode i tinjajućeg sjaja. Elektroni ubrzani u području tamnog prostora katode proizvode intenzivnu udarnu ionizaciju u području tinjajućeg sjaja. Sjaj je uzrokovan rekombinacijom iona i elektrona u neutralne atome ili molekule. Stub pozitivnog pražnjenja karakterizira blagi pad potencijala i sjaj uzrokovan povratkom pobuđenih atoma ili molekula plina u osnovno stanje.

Corona discharge. Pri relativno visokim pritiscima u gasu (reda atmosferskog pritiska), u blizini šiljastih preseka provodnika, gde je električno polje veoma nehomogeno, uočava se pražnjenje čije svetlosno područje podseća na koronu. Koronsko pražnjenje se ponekad prirodno javlja na krošnjama drveća, brodskim jarbolima itd. („Vatra Svetog Elma“). Korona pražnjenje se mora uzeti u obzir u visokonaponskoj tehnologiji, kada se ovo pražnjenje javlja oko žica visokonaponskih dalekovoda i dovodi do gubitaka električne energije. Koronsko pražnjenje nalazi korisnu praktičnu primenu u električnim taložnicima za prečišćavanje industrijskih gasova od nečistoća čvrstih i tečnih čestica.

Kako se napon između elektroda povećava, koronsko pražnjenje se pretvara u varničko pražnjenje sa potpunim razbijanjem jaza između

elektrode. Izgleda kao gomila svijetlih cik-cak razgranatih kanala, koji trenutno probijaju prazninu i hirovito zamjenjuju jedni druge. Varničko pražnjenje je praćeno oslobađanjem velike količine topline, svijetlim plavkasto-bijelim sjajem i jakim pucketanjem. Može se posmatrati između kuglica elektrofor mašine. Primjer gigantskog iskrenog pražnjenja je prirodna munja, gdje jačina struje doseže 5-105 A, a razlika potencijala dostiže 109 V.

Budući da se varničko pražnjenje događa pri atmosferskom (i višem) pritisku, napon paljenja je vrlo visok: u suhom zraku s razmakom između elektroda od 1 cm iznosi oko 30 kV.

Električni luk. Specifičan praktično važan tip nezavisnog gasnog pražnjenja je električni luk. Kada dvije ugljične ili metalne elektrode dođu u kontakt na mjestu njihovog kontakta, oslobađa se velika količina topline zbog visokog kontaktnog otpora. Kao rezultat, počinje termoionska emisija i kada se elektrode razdvoje, između njih se pojavljuje svijetli luk visoko ioniziranog, visoko provodljivog plina. Jačina struje čak iu malom luku doseže nekoliko ampera, au velikom luku - nekoliko stotina ampera pri naponu od oko 50 V. Električni luk se široko koristi u tehnici kao snažan izvor svjetlosti, u električnim pećima i za električno zavarivanje . slabo usporavajuće polje sa naponom od oko 0,5 V. Ovo polje sprečava spore elektrone da dođu do anode. Elektroni se emituju sa katode K koja se zagreva električnom strujom.

Na sl. Na slici 105 prikazana je zavisnost struje u anodnom kolu od napona ubrzanja dobijenog u ovim eksperimentima.Ova zavisnost ima nemonotoni karakter sa maksimumima pri naponima koji su višestruki od 4,9 V.

Diskretnost nivoa atomske energije. Ova zavisnost struje od napona može se objasniti samo prisustvom diskretnih stacionarnih stanja u atomima žive. Ako atom nije imao diskretna stacionarna stanja, tj. njegova unutrašnja energija bi mogla poprimiti bilo koju vrijednost, tada bi se neelastični sudari, praćeni povećanjem unutrašnje energije atoma, mogli dogoditi pri bilo kojoj energiji elektrona. Ako postoje diskretna stanja, onda sudari elektrona sa atomima mogu biti samo elastični, sve dok je energija elektrona nedovoljna za prelazak atoma iz osnovnog stanja u najniže pobuđeno stanje.

Tokom elastičnih sudara, kinetička energija elektrona se praktički ne mijenja, jer je masa elektrona mnogo manja od mase atoma žive. U ovim uslovima, broj elektrona koji stižu do anode monotono raste sa povećanjem napona. Kada ubrzavajući napon dostigne 4,9 V, sudari elektrona i atoma postaju neelastični. Unutrašnja energija atoma naglo raste, a elektron gubi gotovo svu svoju kinetičku energiju kao rezultat sudara.

Polje usporavanja također ne dozvoljava sporim elektronima da prođu do anode i jakost struje naglo opada. Ne nestaje samo zato što neki elektroni dođu do mreže bez neelastičnih sudara. Drugi i sljedeći strujni maksimumi su dobiveni jer pri naponima koji su višestruki od 4,9 V, elektroni na putu do mreže mogu doživjeti nekoliko neelastičnih sudara s atomima žive.

Dakle, elektron dobija energiju potrebnu za neelastični sudar tek nakon što prođe kroz potencijalnu razliku od 4,9 V. To znači da se unutrašnja energija atoma žive ne može promeniti za iznos manji od eV, što dokazuje diskretnost energetskog spektra atom. Ispravnost ovog zaključka potvrđuje i činjenica da pri naponu od 4,9 V pražnjenje počinje da sija: pobuđeni atomi sa spontanim

prelaze u osnovno stanje, emituju vidljivu svjetlost, čija se frekvencija poklapa s onom izračunatom po formuli

U klasičnim eksperimentima Franka i Hertza, metodom elektronskog udara određivani su ne samo potencijali ekscitacije, već i potencijali ionizacije određenog broja atoma.

Navedite primjer eksperimenta u elektrostatici iz kojeg možemo zaključiti da je suhi zrak dobar izolator.

Gdje su izolacijska svojstva zraka korištena u tehnologiji?

Šta je nesamoodrživo plinsko pražnjenje? Pod kojim uslovima nastaje?

Objasnite zašto je brzina smanjenja koncentracije zbog rekombinacije proporcionalna kvadratu koncentracije elektrona i iona. Zašto se ove koncentracije mogu smatrati istim?

Zašto nema smisla da zakon opadanja koncentracije izražen formulom (3) uvede pojam karakterističnog vremena, koji se široko koristi za eksponencijalno opadajuće procese, iako se u oba slučaja procesi nastavljaju, općenito govoreći, neograničeno?

Zašto su, po Vašem mišljenju, odabrani suprotni predznaci u definicijama mobilnosti u formulama (4) za elektrone i ione?

Kako jačina struje u nesamoodrživom plinskom pražnjenju ovisi o primijenjenom naponu? Zašto dolazi do prijelaza sa Ohmovog zakona na struju zasićenja s povećanjem napona?

Električnu struju u plinu provode i elektroni i joni. Međutim, svaka elektroda prima naboje samo jednog znaka. Kako je to u skladu s činjenicom da je jačina struje ista u svim dijelovima serijskog kola?

Zašto elektroni, a ne pozitivni ioni, igraju najveću ulogu u ionizaciji plina u pražnjenju uslijed sudara?

Opišite karakteristične karakteristike različitih tipova nezavisnog gasnog pražnjenja.

Zašto rezultati Frankovih i Hertzovih eksperimenata ukazuju na diskretnost nivoa atomske energije?

Opišite fizičke procese koji se odvijaju u cijevi s plinskim pražnjenjem u eksperimentima Franka i Hertza s povećanjem napona ubrzanja.