Obezbeđuje električnu struju u gasovima. Električna struja u plinovima: definicija, karakteristike i zanimljive činjenice
Struja u gasovima u normalnim uslovima je nemoguće. Odnosno, pri atmosferskoj vlažnosti, pritisku i temperaturi u gasu nema nosilaca naboja. Ovo svojstvo gasa, posebno vazduha, koristi se u nadzemnim dalekovodima i relejnim prekidačima za pružanje električne izolacije.
Ali pod određenim uslovima, struja se može posmatrati u gasovima. Hajde da sprovedemo eksperiment. Za to nam je potreban elektrometar zračnog kondenzatora i spojne žice. Prvo, spojimo elektrometar na kondenzator. Zatim prenosimo naboj na ploče kondenzatora. Elektrometar će pokazati prisustvo ovog istog naboja. Zračni kondenzator će neko vrijeme zadržati punjenje. Odnosno, između njegovih ploča neće biti struje. Ovo sugerira da zrak između ploča kondenzatora ima dielektrična svojstva.
Slika 1 - Napunjeni kondenzator spojen na elektrometar
Zatim unesite plamen svijeće u razmak između ploča. U ovom slučaju, vidjet ćemo da će elektrometar pokazati smanjenje naboja na pločama kondenzatora. To jest, struja teče u procjepu između ploča. Zašto se ovo dešava?
Slika 2 – Ubacivanje svijeće u otvor između ploča napunjenog kondenzatora
U normalnim uslovima, molekuli gasa su električno neutralni. I nisu u stanju da obezbede struju. Ali kako temperatura raste, dolazi do takozvane jonizacije plina i on postaje provodnik. U plinu se pojavljuju pozitivni i negativni ioni.
Da bi se elektron uklonio iz atoma gasa, mora se raditi protiv Kulonovih sila. Za to je potrebna energija. Atom prima ovu energiju sa porastom temperature. Pošto je kinetička energija toplotnog kretanja direktno proporcionalna temperaturi gasa. Zatim, s njegovim povećanjem, molekuli i atomi dobijaju dovoljno energije da se pri sudaru elektroni otrgnu od atoma. Takav atom postaje pozitivan ion. Odvojeni elektron se može vezati za drugi atom i on će postati negativni ion.
Kao rezultat toga, pozitivni i negativni ioni, kao i elektroni, pojavljuju se u procjepu između ploča. Svi oni počinju da se kreću pod uticajem polja koje stvaraju naelektrisanja na pločama kondenzatora. Pozitivni joni se kreću prema katodi. Negativni ioni i elektroni teže anodi. Dakle, struja se obezbeđuje u vazdušnom rasporu.
Zavisnost struje od napona ne poštuje Ohmov zakon u svim oblastima. U prvom odeljku, ovo je tačno: sa povećanjem napona povećava se broj jona, a samim tim i struja. Nadalje, u drugom dijelu dolazi do zasićenja, odnosno s povećanjem napona, struja se ne povećava. Zato što je koncentracija jona maksimalna i novi se jednostavno pojavljuju niotkuda.
Slika 3 - strujno-naponska karakteristika zračnog raspora
U trećem dijelu, povećanje struje se opet uočava s povećanjem napona. Ovaj dio se naziva samopražnjenje. To jest, jonizatori trećih strana više nisu potrebni za održavanje struje u plinu. To se događa zbog činjenice da elektroni na visokom naponu primaju dovoljno energije da sami izbace druge elektrone iz atoma. Ovi elektroni, zauzvrat, nokautiraju druge, itd. Proces se odvija poput lavine. A glavnu provodljivost u plinu osiguravaju elektroni.
IN normalnim uslovima gasovi su dielektrici, jer sastoje se od neutralnih atoma i molekula i nemaju dovoljno slobodnih naelektrisanja.Gasovi postaju provodnici samo kada su na neki način jonizovani. Proces ionizacije plinova uključuje uklanjanje jednog ili više elektrona iz atoma iz nekog razloga. Kao rezultat, umjesto neutralnog atoma, pozitivni ion I elektron.
Razlaganje molekula na ione i elektrone naziva se jonizacija gasa.
Neki od rezultirajućih elektrona mogu biti zarobljeni drugim neutralnim atomima, a zatim negativno nabijenih jona.
Dakle, u jonizovanom gasu postoje tri vrste nosilaca naboja: elektroni, pozitivni ioni i negativni.
Uklanjanje elektrona iz atoma zahtijeva utrošak određene količine energije - energija jonizacije W i. Energija jonizacije zavisi od hemijske prirode gasa i energetskog stanja elektrona u atomu. Dakle, za uklanjanje prvog elektrona iz atoma dušika potrebna je energija 14,5 eV, za uklanjanje drugog elektrona - 29,5 eV, a za uklanjanje trećeg - 47,4 eV.
Faktori koji uzrokuju jonizaciju gasa se nazivaju jonizatori.
Postoje tri vrste jonizacije: toplotna jonizacija, fotojonizacija i udarna jonizacija.
Termička jonizacija nastaje kao rezultat sudara atoma ili molekula plina na visokoj temperaturi ako kinetička energija relativnog kretanja čestica u sudaru premašuje energiju vezanja elektrona u atomu.
Fotojonizacija nastaje pod utjecajem elektromagnetnog zračenja (ultraljubičastog, rendgenskog ili γ-zračenja), kada se energija potrebna za odvajanje elektrona od atoma na njega prenosi kvantom zračenja.
Ionizacija elektronskim udarom(ili udarna jonizacija) je stvaranje pozitivno nabijenih jona kao rezultat sudara atoma ili molekula s brzim elektronima visoke kinetičke energije.
Proces ionizacije plina uvijek prati suprotan proces redukcije neutralnih molekula iz suprotno nabijenih jona zbog njihove električne privlačnosti. Ovaj fenomen se zove rekombinacija. Prilikom rekombinacije oslobađa se energija jednaka energiji utrošenoj na jonizaciju. To može uzrokovati, na primjer, žarenje plina.
Ako je djelovanje ionizatora nepromijenjeno, tada se u ioniziranom plinu uspostavlja dinamička ravnoteža, u kojoj se isti broj molekula obnavlja u jedinici vremena dok se raspadaju na ione. U tom slučaju koncentracija nabijenih čestica u joniziranom plinu ostaje nepromijenjena. Ako se djelovanje ionizatora zaustavi, tada će rekombinacija početi dominirati nad ionizacijom i broj iona će se brzo smanjiti na gotovo nulu. Shodno tome, prisustvo naelektrisanih čestica u gasu je privremena pojava (dok jonizator radi).
U nedostatku vanjskog polja, nabijene čestice se kreću haotično.
Ispuštanje gasa
Kada se jonizovani gas stavi u električno polje, električne sile počinju da deluju na slobodna naelektrisanja i ona se kreću paralelno sa naponskim linijama: elektroni i negativni joni ka anodi, pozitivni joni ka katodi (slika 1). Na elektrodama se ioni pretvaraju u neutralne atome, dajući ili prihvatajući elektrone, čime se dovršava krug. U gasu nastaje električna struja.
Električna struja u plinovima- ovo je usmjereno kretanje jona i elektrona.
Električna struja u plinovima se naziva gasno pražnjenje.
Ukupna struja u gasu sastoji se od dva toka naelektrisanih čestica: toka koji ide ka katodi i toka usmerenog ka anodi.
Gasovi kombinuju elektronsku provodljivost, sličnu onoj metala, sa ionskom provodljivošću, sličnom provodljivosti vodeni rastvori ili se topi elektrolit.
Dakle, provodljivost gasova ima jonsko-elektronskog karaktera.
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, rendgenskih zraka i ultraljubičasto zračenje, radioaktivnost, kosmičke zrake, itd. U svim ovim slučajevima, jedan ili više elektrona se oslobađaju iz elektronske ljuske atoma ili molekula. Kao rezultat, u plinu se pojavljuju pozitivni ioni i slobodni elektroni. Oslobođeni elektroni se mogu 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 konstantnog 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
Nećemo odlučivati o ovome diferencijalna jednadžba V opšti pogled, ali pogledajmo 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. Predstavlja hiperbolu čije su asimptote vremenska os i okomita linija. fizičko značenje ima samo dio hiperbole koji odgovara vrijednostima. Obratite pažnju na sporu prirodu pada koncentracije tokom vremena u poređenju sa procesima eksponencijalnog raspada koji se često susreću u fizici, a koji se ostvaruju kada je brzina smanjenja bilo koje veličine proporcionalno 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 pored konstantne sile ubrzanja električno polje pokretni ioni i elektroni podložni su 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
postavljeni su u prosjeku konstantne brzine elektrona i jona, proporcionalno jakosti električnog polja E:
Koeficijenti proporcionalnosti nazivaju se pokretljivosti elektrona i jona. Pokretljivosti jona i elektrona su različita značenja i zavise od vrste gasa, 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 jednadžbi (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 ući u trag kako se s povećanjem napona događa prijelaz sa Ohmovog zakona na nelinearnu ovisnost struje o naponu.
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 generirani vanjskim izvorom dospiju do elektroda i ukupna gustina struje je jednaka Proporcionalna je dužini jonizacijske komore, jer puni broj elektroni i ioni proizvedeni ionizatorom proporcionalni su 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 zavisnost 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 dio strujno-naponske karakteristike OA 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 visoke temperature. 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. At niske pritiske(desetine i stotinke milimetra žive) u cijevi se uočava usijano 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. Ovde se to dešava oštar pad potencijal povezan 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. Korisno praktična upotreba koronsko pražnjenje se nalazi u električnim taložnicima za pročišćavanje industrijskih plinova od nečistoća čvrstih i tekućih 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 svom 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
prelazi na emitovanje osnovnog stanja vidljivo svetlo, 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 opadajuće koncentracije, izražen formulom (3), uvede koncept karakterističnog vremena, koji se široko koristi za eksponencijalno opadajuće procese, iako se u oba slučaja procesi nastavljaju, općenito govoreći, za beskonačno dugo?
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 razne vrste nezavisno pražnjenje gasa.
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.
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.
- Ionizacija električnim poljem. U tom slučaju potencijalna energija polja se pretvara u kinetičku energiju čestica.
- Termička jonizacija. Povećanje temperature također dovodi do stvaranja velikog broja besplatnih naboja.
- Fotojonizacija. Suština ovaj proces je da se energija elektronima prenosi kvantima elektromagnetnog zračenja – fotonima, ako imaju dovoljno visoku frekvenciju (ultraljubičasto, rendgensko, gama kvanti).
- 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 ionizacija zahtijeva značajne temperature, ali otvoren plamen zbog nekih hemijski procesi podstiče 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. Nezavisno pražnjenje u 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 zove pozitivni stupac. 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 ovog trenutka koncentrati najveći broj joni. U blizini kanala iskri, plin se brzo zagrijava i doživljava toplinsko širenje, što uzrokuje akustični talasi. Stoga je pražnjenje iskre praćeno pucketanjem, kao i oslobađanjem topline i jarkim sjajem. Procesi lavine jonizacije stvaraju se u kanalu iskri visokog pritiska i temperaturama do 10 hiljada stepeni i više.
Najupečatljiviji primjer prirodnog iskrenog pražnjenja je munja. Prečnik glavnog kanala za varničenje 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 visoka, iskri 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. At atmosferski pritisak 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 složenog oblika, 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 prirodni uslovi javljaju se 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. Oni se bore protiv njega Različiti putevi, 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 iskre 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 provodnicima 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. Joni 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.
Vrijedi spomenuti opće i karakteristične karakteristike električna struja u gasovima iu 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 ulogu važnu ulogu.
Primjena plinskih pražnjenja u tehnici
O štetnih efekata određene kategorije su već ukratko razmotrene 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. Široko poznata područja primjene svjetlećeg pražnjenja su fluorescentne i takozvane energetski efikasne sijalice i ukrasne neonske i argonske cijevi za pražnjenje u plinu. 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 ionsko prečišćavanje plinova, u metrima elementarne čestice, u gromobranima, u sistemima klimatizacije. Koronsko pražnjenje radi i u fotokopir aparatima i laserskim štampačima, gdje puni i prazni fotoosjetljivi bubanj i prenosi prah iz bubnja na papir.
Dakle, plinovitih pražnjenja svih vrsta nalaze najviše široka primena. Električna struja u gasovima se uspešno i efikasno koristi u mnogim oblastima tehnologije.
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 da je električna struja u zraku između diskova vrlo mala. 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 slobodnog električnog naboja: 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 provodljivosti metala, sa ionskom provodljivošću, sličnom vodljivosti vodenih rastvora i talina elektrolita.
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.