Uslovi za protok električne struje u gasovima. Električna struja u plinovima: definicija, karakteristike i zanimljive činjenice

AT normalnim uslovima plinovi ne provode struju jer su njihovi molekuli električno neutralni. Na primjer, suhi zrak je dobar izolator, što možemo provjeriti uz pomoć najjednostavnijih eksperimenata na 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 ostaje dugo vremena, brzo nestaje kada se upaljena šibica unese 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 dvije vrste: nezavisna i nesamoodrživa.

Nesamodovoljna kategorija. 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 mogu spojiti neutralne atome ili molekule, pretvarajući ih u negativne ione.

Ionizacija i rekombinacija. Uz procese jonizacije u gasu, javljaju se i procesi obrnute rekombinacije: kada se kombinuju, pozitivni i negativni joni ili pozitivni joni i elektroni formiraju neutralne molekule ili atome.

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

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

Pod validnošću uvedenih pretpostavki, jednadžba ravnoteže za jone u gasu može se napisati u obliku

Nećemo to riješiti diferencijalna jednadžba in opšti pogled, i razmotrite 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 pri

Stacionarna koncentracija jona je veća, što je izvor ionizacije moćniji i što je manji koeficijent rekombinacije a.

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 vertikalna linija. fizičko značenje ima samo dio hiperbole koji odgovara vrijednostima.Primjećujemo sporu prirodu opadanja koncentracije s vremenom u poređenju sa procesima eksponencijalnog raspada koji se često susreću u fizici, a koji se ostvaruju kada brzina pada neke veličine proporcionalna je prvoj potenciji trenutne vrijednosti ove veličine.

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

Ne-samoprovodenje. Proces smanjenja koncentracije jona nakon prestanka djelovanja ionizatora značajno se ubrzava ako se plin nalazi u vanjskom električnom polju. Povlačenjem elektrona i jona na elektrode, električno polje može vrlo brzo poništiti električnu provodljivost plina 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 jačine E, jednakoj 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 na pokretne ione i elektrone utiču sile otpora koje se povećavaju sa povećanjem brzine. Ove sile opisuju prosječan učinak sudara elektrona i jona s neutralnim atomima i molekulama plina. Kroz sile otpora

postavljen u prosjeku konstantne brzine elektrona i jona, proporcionalno jačini E električnog polja:

Koeficijenti proporcionalnosti nazivaju se pokretljivosti elektrona i jona. Pokretljivosti jona i elektrona imaju 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 se kaže, kvazineutralan, jer u malim količinama koje sadrže relativno mali broj elektrona i jona, uvjet električne neutralnosti može biti narušen. To znači da je odnos

Gustina struje pri nesamoodrživom pražnjenju. Da bi se dobio zakon promjene koncentracije nosilaca struje s vremenom pri nesamoodrživom pražnjenju u plinu, potrebno je, uz procese jonizacije vanjskim izvorom i rekombinacije, uzeti u obzir i bijeg elektrona i jona na elektrode. Broj čestica koje izlaze u jedinici vremena po površini elektrode iz zapremine je jednak Brzini smanjenja koncentracije takvih čestica, dobijamo dijeljenjem ovog broja 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) omogućava da se pronađe zavisnost gustine struje u stacionarnom stanju u nesamoodrživom pražnjenju o primenjenom naponu (ili o jačini polja E).

Dva granična slučaja su vidljiva direktno.

Ohmov zakon. Pri niskom naponu, kada u jednačini (9) možemo zanemariti drugi član na desnoj strani, nakon čega dobijamo formule (7), 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), možemo zanemariti prvu (kvadratnu u smislu članova na desnoj strani. U ovoj aproksimaciji vektor gustine struje je usmjeren duž jakosti električnog polja, a njegova 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 istražiti bez pozivanja na jednačinu (9). Međutim, na ovaj način je nemoguće pratiti kako, kako se napon povećava, dolazi do prelaska sa Ohmovog zakona na nelinearnu zavisnost struje od napona.

U prvom graničnom slučaju, kada je struja vrlo mala, glavni mehanizam za uklanjanje elektrona i jona iz područja pražnjenja je rekombinacija. Stoga se za stacionarnu koncentraciju može koristiti izraz (2), koji, kada se uzme 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 formirani od vanjskog izvora dospiju do elektroda i ukupna gustina struje je jednaka Proporcionalna je dužini jonizacijske komore, jer ukupan broj proizvodi jonizator elektrona i jona u proporciji sa 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 krug 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 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 preparata. Bitno je samo da vanjski izvor jona ostane nepromijenjen.

Rice. 102. Šema instalacije za proučavanje gasnog pražnjenja

Rice. 103. Eksperimentalna strujno-naponska karakteristika plinskog pražnjenja

U sekciji, jačina struje je nelinearno zavisna od napona. Počevši od tačke B, struja dostiže zasićenje i ostaje konstantna na određenom rastojanju.Sve je to u skladu sa teorijskim predviđanjima.

Self rank. 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, tada se pražnjenje u plinu ne zaustavlja, tj. prelazi iz nesamoodrživog pražnjenja u neovisno. Kod samopražnjenja dolazi do stvaranja novih elektrona i iona kao rezultat unutarnjih procesa u samom plinu.

Ionizacija udarom elektrona. Povećanje struje tokom prelaska iz nesamoodrživog pražnjenja u nezavisno javlja se 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 plinu odgovorni za lavinsko povećanje jačine struje s povećanjem primijenjenog napona povezani su s jonizacijom neutralnih atoma ili molekula plina slobodnim elektronima ubrzanim električnim poljem do dovoljne vrijednosti.

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

Ako je ova 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, pojavljuju se dva elektrona umjesto jednog. 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 do jonizacije neutralnih atoma gasa dolazi 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 ubrzavajuće električno polje je izrazito nehomogeno, a glavnu ulogu u ionizaciji imaju čestice koje ulaze u područje najjačeg polja u blizini filamenta. Iskustvo pokazuje da je za isti napon 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 se pojavljuju 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 ionskog bombardiranja, već i samostalno, kada se zagrije na visoke temperature. Ovaj proces se naziva termoionska emisija, može se smatrati vrstom isparavanja elektrona iz metala. Obično se to događa na takvim temperaturama, kada je isparavanje samog materijala katode još uvijek malo. U slučaju samoodrživog plinskog pražnjenja, katoda se obično zagrijava bez

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 pri direktnoj primjeni napona koji premašuje napon praga paljenja. Teorija pokazuje da je najmanja količina jona, koji su uvijek prisutni u neutralnom plinu, makar samo zbog prirodne radioaktivne pozadine, dovoljna da zapali pražnjenje.

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

Tinjajući iscjedak. 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 žarnom pražnjenju mogu se razlikovati četiri karakteristična područja. To su tamni katodni prostor, sjajni (ili negativni) sjaj, Faradejev tamni prostor i svijetleći pozitivni stup koji zauzima većinu prostora između anode i katode.

Prve tri regije nalaze se u blizini katode. Ovde se to dešava oštar pad potencijal, povezan s velikom koncentracijom pozitivnih iona na granici tamnog prostora katode i sjaja. Elektroni ubrzani u području tamnog prostora katode proizvode intenzivnu udarnu ionizaciju u području sjaja. Tinjajući sjaj nastaje zbog rekombinacije iona i elektrona u neutralne atome ili molekule. Pozitivan stupac 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 jako nehomogeno, uočava se pražnjenje čije svetlosno područje podseća na koronu. Korona pražnjenje se ponekad javlja u vivo na krošnjama drveća, brodskim jarbolima itd. („Vatre Sv. Elma“). Koronsko pražnjenje se mora uzeti u obzir u visokonaponskoj tehnici kada se ovo pražnjenje javlja oko žica visokonaponskih dalekovoda i dovodi do gubitaka struje. Korisno praktična upotreba koronsko pražnjenje se nalazi u elektrostatičkim filtrima za čišćenje industrijskih plinova od nečistoća čvrstih i tekućih čestica.

S povećanjem napona između elektroda, koronsko pražnjenje se pretvara u iskru s potpunim razbijanjem jaza između

elektrode. Ima oblik snopa svijetlih cik-cak razgranatih kanala, koji trenutno prodiru u pražnjenje i hirovito zamjenjuju jedan drugog. Varničko pražnjenje je praćeno oslobađanjem velike količine topline, svijetlim plavkasto-bijelim sjajem i jakim pucketanjem. Može se posmatrati između kuglica elektrofor mašine. Primjer divovskog iskrišta je prirodna munja, gdje jačina struje doseže 5-105 A, a potencijalna razlika je 109 V.

Budući da se varničko pražnjenje događa pri atmosferskom (i višem) pritisku, napon paljenja je vrlo visok: na 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 ugljenične ili metalne elektrode dođu u kontakt na mjestu njihovog kontakta, veliki broj topline zbog velikog otpora na kontakt. Kao rezultat, počinje termoionska emisija, a kada se elektrode razdvoje između njih, jarko svijetleći luk nastaje iz visoko ioniziranog, dobro provodnog 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. Elektrone emituje katoda K zagrijana električnom strujom.

Na sl. Na slici 105 prikazana je zavisnost jačine struje u anodnom kolu od napona ubrzanja dobijenog u ovim eksperimentima.Ova zavisnost ima nemonotonski karakter sa maksimumima pri naponima višestrukim 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.

Tijekom 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 sa atomima 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 dođu do anode, a struja naglo opada. Ne nestaje samo zato što neki od elektrona dođu do mreže bez neelastičnih sudara. Drugi i sljedeći maksimumi jačine struje 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 neelastičan sudar tek nakon što prođe kroz potencijalnu razliku od 4,9 V. To znači da se unutrašnja energija atoma žive ne može promijeniti za iznos manji od eV, što dokazuje diskretnost energetskog spektra jednog atom. Tačnost ovog zaključka potvrđuje i činjenica da pri naponu od 4,9 V pražnjenje počinje da sija: pobuđeni atomi tokom spontanog

prelazi na emitovanje osnovnog stanja vidljivo svetlo, čija se frekvencija poklapa s onom izračunatom po formuli

U klasičnim eksperimentima Franka i Hertza, metoda elektronskog udara određivala je ne samo ekscitacijske potencijale, već i jonizacijske potencijale određenog broja atoma.

Navedite primjer elektrostatičkog eksperimenta koji pokazuje da je suhi zrak dobar izolator.

Gdje su izolacijska svojstva zraka koji se koriste u inženjerstvu?

Šta je nesamoodrživo plinsko pražnjenje? Pod kojim uslovima radi?

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) uvodi koncept karakterističnog vremena, koji se široko koristi za eksponencijalno opadajuće procese, iako se u oba slučaja procesi nastavljaju, općenito govoreći, beskonačno dugo vrijeme?

Što mislite zašto su u definicijama mobilnosti u formulama (4) za elektrone i ione izabrani suprotni predznaci?

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

Struja u gasu obavljaju i elektroni i joni. Međutim, na svaku od elektroda dolazi naelektrisanje samo jednog znaka. Kako se to slaže s činjenicom da je u svim dijelovima serijskog kola jačina struje ista?

Zašto elektroni umjesto pozitivnih jona igraju najveću ulogu u ionizaciji plina u pražnjenju uslijed sudara?

Opišite karakteristike razne vrste nezavisno pražnjenje gasa.

Zašto rezultati eksperimenata Franka i Hertza svjedoče o diskretnosti energetskih nivoa atoma?

Opišite fizičke procese koji se odvijaju u cijevi za plinsko pražnjenje u eksperimentima Franka i Hertza kada se poveća napon ubrzanja.

Ovo je kratak sažetak.

Rad na punoj verziji se nastavlja

Predavanje2 1

Struja u gasovima

1. Opšte odredbe

definicija: Fenomen prolaska električne struje u gasovima naziva se gasno pražnjenje.

Ponašanje gasova u velikoj meri zavisi od njegovih parametara, kao što su temperatura i pritisak, i ti se parametri prilično lako menjaju. Stoga je tok električne struje u plinovima složeniji nego u metalima ili u vakuumu.

Gasovi ne poštuju Ohmov zakon.

2. Ionizacija i rekombinacija

Gas se u normalnim uslovima sastoji od praktično neutralnih molekula, stoga je izuzetno loš provodnik električne struje. Međutim, pod vanjskim utjecajima, elektron se može odvojiti od atoma i pojavljuje se pozitivno nabijeni ion. Osim toga, elektron se može pridružiti neutralnom atomu i formirati negativno nabijeni ion. Tako je moguće dobiti jonizovani gas, tj. plazma.

Spoljašnji utjecaji uključuju zagrijavanje, zračenje energetskim fotonima, bombardiranje drugim česticama i jaka polja, tj. isti uslovi koji su neophodni za elementarnu emisiju.

Elektron u atomu se nalazi u potencijalnoj bušotini, a da bi pobjegao odatle, potrebno je atomu prenijeti dodatnu energiju, koja se zove energija ionizacije.

Supstanca	Energija jonizacije, eV
atom vodonika	13,59
Molekul vodonika	15,43
Helijum	24,58
atom kiseonika	13,614
molekul kiseonika	12,06

Uz fenomen jonizacije, uočava se i fenomen rekombinacije, tj. spajanje elektrona i pozitivnog jona da bi se formirao neutralni atom. Ovaj proces se odvija uz oslobađanje energije jednake energiji jonizacije. Ova energija se može koristiti za zračenje ili grijanje. Lokalno zagrijavanje plina dovodi do lokalne promjene tlaka. Što opet dovodi do pojave zvučnih talasa. Dakle, plinsko pražnjenje je praćeno svjetlosnim, toplinskim i bučnim efektima.

3. CVC gasnog pražnjenja.

Na početnim fazama potrebno je djelovanje vanjskog ionizatora.

U BAW sekciji, struja postoji pod dejstvom eksternog jonizatora i brzo dostiže zasićenje kada sve jonizovane čestice učestvuju u generisanju struje. Ako uklonite vanjski jonizator, struja prestaje.

Ova vrsta pražnjenja naziva se nesamoodrživo plinsko pražnjenje. Kada pokušate da povećate napon u gasu, pojavljuju se elektronske lavine, a struja raste skoro na konstantan napon, koji se naziva napon paljenja (BC).

Od ovog trenutka pražnjenje postaje nezavisno i nema potrebe za vanjskim jonizatorom. Broj iona može postati toliko velik da se otpor međuelektrodnog razmaka smanjuje i, shodno tome, napon (SD) pada.

Zatim, u međuelektrodnom razmaku, područje prolaska struje počinje da se sužava, a otpor raste i, posljedično, raste napon (DE).

Kada pokušate povećati napon, plin postaje potpuno joniziran. Otpor i napon padaju na nulu, a struja raste mnogo puta. Ispada lučno pražnjenje (EF).

CVC pokazuje da gas uopšte ne poštuje Ohmov zakon.

4. Procesi u gasu

procesi koji mogu dovode do stvaranja elektronskih lavina na slici.

Ovo su elementi Townsendove kvalitativne teorije.

5. Svjetleće pražnjenje.

Pri niskim pritiscima i niskim naponima ovo pražnjenje se može uočiti.

K - 1 (tamni Aston prostor).

1 - 2 (svetleći katodni film).

2 – 3 (tamni Crookes prostor).

3 - 4 (prvi sjaj katode).

4 – 5 (tamni Faradejev prostor)

5 - 6 (stub pozitivne anode).

6 – 7 (anodni tamni prostor).

7 - A (anoda sjaj).

Ako se anoda napravi pokretnom, tada se dužina pozitivnog stupa može podesiti, praktično bez promjene veličine područja K-5.

U tamnim područjima čestice se ubrzavaju i energija se akumulira; u svijetlim područjima dolazi do procesa jonizacije i rekombinacije.

Teme USE kodifikatora: 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 jonizujućeg djelovanja zračenja radioaktivnih tvari koje čine zemljine kore, ultraljubičasto i rendgensko zračenje Sunca, kao i kosmičke zrake - tokovi visokoenergetskih čestica koji iz svemira prodiru u Zemljinu atmosferu. 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 (sl. 1). Na primjer, mali zračni razmak u prekidaču svjetla dovoljan je da otvori električni krug u vašoj sobi.

Rice. 1 ključ

Moguće je, međutim, stvoriti takve uvjete pod kojima će se električna struja pojaviti 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 primjetnu struju: naš zračni zazor, kao što smo rekli, nije provodnik struje.

Rice. 2. Pojava struje u vazduhu

Sada unesimo plamen plamenika ili svijeće u razmak između ploča kondenzatora (slika 2, desno). Current se pojavljuje! Zašto?

Besplatna doplata na plin

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

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

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

Kako temperatura plina raste, termalne vibracije njegovih čestica - molekula ili atoma - postaju intenzivnije. Udarci čestica jedne o druge dostižu takvu silu da 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 jonizacije , onda to znači da su se originalne čestice plina raspale na pozitivne ione i elektrone.

Stepen jonizacije gasa zavisi od temperature i naglo raste sa njenim porastom. Za vodonik, na primjer, na temperaturi ispod stepena jonizacije ne prelazi , a na temperaturi iznad stepena jonizacije je blizu (odnosno, vodonik je skoro potpuno jonizovan (djelimično ili potpuno jonizovani gas se naziva plazma)).

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

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

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

Istovremeno, obrnuti proces rekombinacija, odnosno ponovno spajanje 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 djelovanjem električnih sila, oni se susreću i dobivaju priliku da formiraju 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 pojačava (na primjer, temperatura se povećava), tada će se dinamička ravnoteža pomjeriti u smjer ionizacije, a koncentracija nabijenih čestica u plinu će se povećati. Naprotiv, ako isključite ionizator, tada će rekombinacija početi prevladavati, a besplatni naboji će postupno potpuno nestati.

Dakle, pozitivni ioni i elektroni se pojavljuju u plinu kao rezultat ionizacije. Odakle dolazi treća vrsta naboja - negativni joni? Vrlo jednostavno: elektron može uletjeti u neutralni atom i pridružiti mu se! 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.

Nesamopražnjenje

Ako ne postoji vanjsko električno polje, slobodni naboji obavljaju haotično toplinsko kretanje 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 nadolazećeg kretanja nabijenih čestica: pozitivni ioni - do negativne elektrode (katode), elektrona i negativnih iona - do pozitivne elektrode (anode).

Elektroni, koji padaju na pozitivnu anodu, šalju se duž kruga do "plus" izvora struje. Negativni ioni doniraju dodatni elektron anodi i, postavši neutralne čestice, vraćaju se u plin; elektron dat anodi takođe juri ka “plusu” izvora. Pozitivni ioni, dolazeći na katodu, uzimaju elektrone odatle; rezultirajući nedostatak elektrona na katodi se odmah nadoknađuje njihovom dopremanjem tamo iz “minusa” izvora. Kao rezultat ovih procesa dolazi do uređenog kretanja elektrona u vanjskom kolu. Ovo je električna struja koju bilježi galvanometar.

Proces opisan na sl. 6 se zove nesamoodrživo pražnjenje u gasu. Zašto zavisna? Stoga je za njegovo održavanje potrebno stalno djelovanje 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.

Volt-amperska karakteristika gasnog pražnjenja

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

Rice. 7. Volt-amperska karakteristika gasnog pražnjenja

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

Uz mali napon, jakost struje je također mala. Činjenica je da nisu sve nabijene čestice predodređene da dođu do elektroda: neki od pozitivnih iona i elektrona u procesu njihovog kretanja nalaze se i rekombiniraju.

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

Pri određenoj vrijednosti napona (tačka ), brzina punjenja postaje toliko velika 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. Ovo će se nastaviti do određene tačke.

samopražnjenje

Nakon prolaska tačke, jačina struje naglo raste s povećanjem napona - počinje nezavisno pražnjenje. 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. A sada, kada napon postane dovoljno velik (ta ista tačka), elektroni tokom svog slobodnog puta dostižu takve energije da kada se sudare sa neutralnim atomima, ioniziraju ih! (Upotrebom zakona održanja impulsa i energije, može se pokazati da elektroni (a ne ioni) ubrzani električnim poljem imaju maksimalnu sposobnost ioniziranja atoma.)

tzv jonizacija elektronskim udarom. Elektroni izbačeni iz ioniziranih atoma također se ubrzavaju električnim poljem i udaraju u nove atome, ionizirajući ih sada i stvarajući nove elektrone. Kao rezultat nove elektronske lavine, broj ioniziranih atoma se brzo povećava, zbog čega se jakost struje također brzo povećava.

Broj besplatnih punjenja postaje toliko velik da je eliminirana potreba za vanjskim jonizatorom. Može se jednostavno ukloniti. Slobodne nabijene čestice sada se stvaraju kao rezultat 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 pronaći samo jedan slobodan elektron u gasu i počinje gore opisana lavina elektrona. 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 zemljine kore, visokofrekventnog zračenja Sunca i kosmičkih zraka. Videli smo da je pri niskim naponima provodljivost gasa izazvana ovim slobodnim naelektrisanjem zanemarljiva, ali sada - na visokom naponu - oni će dovesti do lavine novih čestica, dovodeći do nezavisnog pražnjenja. Biće kako kažu slom gasni jaz.

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

Električna struja je tok koji je uzrokovan uređenim kretanjem električno nabijenih čestica. Kretanje naelektrisanja uzima se kao smjer električne struje. Električna struja može biti kratkotrajna i dugotrajna.

Koncept električne struje

Prilikom pražnjenja groma može doći do električne struje, koja se naziva kratkotrajna. A da bi se struja održala dugo vremena, potrebno je imati električno polje i slobodne električne nosače naboja.

Električno polje stvaraju različito nabijena tijela. Jačina struje je omjer naboja prenesenog kroz poprečni presjek provodnika u vremenskom intervalu prema ovom vremenskom intervalu. Mjeri se u amperima.

Rice. 1. Trenutna formula

Električna struja u plinovima

Molekuli gasa ne provode električnu energiju u normalnim uslovima. Oni su izolatori (dielektrici). Međutim, ako promijenite uslove okruženje, tada plinovi mogu postati provodnici električne energije. Kao rezultat ionizacije (pri zagrijavanju ili pod djelovanjem radioaktivnog zračenja) u plinovima nastaje električna struja, koja se često zamjenjuje terminom "električno pražnjenje".

Samoodrživa i nesamoodrživa plinska pražnjenja

Pražnjenja u gasu mogu biti samoodrživa i nesamoodrživa. Struja počinje da postoji kada se pojave besplatne naknade. Nesamoodrživa pražnjenja postoje sve dok na njih djeluje vanjska sila, odnosno vanjski jonizator. To jest, ako vanjski ionizator prestane raditi, struja prestaje.

Nezavisno pražnjenje električne struje u plinovima postoji čak i nakon prestanka rada vanjskog ionizatora. Nezavisna pražnjenja u fizici se dijele na tiha, tinjajuća, lučna, iskra, korona.

• Tiho - najslabiji od nezavisnih pražnjenja. Snaga struje u njemu je vrlo mala (ne više od 1 mA). Nije praćen zvučnim ili svjetlosnim pojavama.
• Tinjajući - ako povećate napon u tihom pražnjenju, prelazi se na sljedeći nivo - u užareno pražnjenje. U ovom slučaju pojavljuje se sjaj, koji je praćen rekombinacijom. Rekombinacija - proces reverzne jonizacije, susret elektrona i pozitivnog jona. Koristi se u baktericidnim i rasvjetnim lampama.

Rice. 2. Svjetleće pražnjenje

• Arc - jačina struje se kreće od 10 A do 100 A. U ovom slučaju, jonizacija je skoro 100%. Ova vrsta pražnjenja se javlja, na primjer, tokom rada aparata za zavarivanje.

Rice. 3. Lučno pražnjenje

• pjenušava - može se smatrati jednim od tipova lučnog pražnjenja. Tokom takvog pražnjenja za vrlo kratko vrijeme teče određena količina električne energije.
• koronsko pražnjenje – jonizacija molekula se dešava u blizini elektroda sa malim radijusima zakrivljenosti. Ova vrsta naboja nastaje kada se jakost električnog polja dramatično promijeni.

Šta smo naučili?

Sami po sebi, atomi i molekuli gasa su neutralni. Nabijaju se kada su izloženi van. Govoreći ukratko o električnoj struji u gasovima, radi se o usmerenom kretanju čestica (pozitivnih jona ka katodi i negativnih jona ka anodi). Takođe je važno da se kada se gas jonizuju poboljšaju njegova provodljiva svojstva.

ELEKTRIČNA STRUJA U GASOVIMA

Nezavisna i nesamoodrživa provodljivost gasova. AT prirodno stanje gasovi ne provode električnu struju, tj. su dielektrici. To se lako može provjeriti jednostavnom strujom, ako je strujni krug prekinut zračnim rasporom.

Izolacijska svojstva plinova objašnjavaju se činjenicom da su atomi i molekuli plinova u svom prirodnom stanju neutralne nenabijene čestice. Iz ovoga je jasno da je, da bi se plin učinio provodljivim, potrebno na ovaj ili onaj način u njega uvesti ili stvoriti u njemu slobodne nosioce naboja - nabijene čestice. U ovom slučaju moguća su dva slučaja: ili te nabijene čestice nastaju djelovanjem nekog vanjskog faktora ili se unose u plin izvana - nesamoodrživo provođenje, ili nastaju u plinu djelovanjem samo električno polje koje postoji između elektroda - samovodljivost.

Na prikazanoj slici, galvanometar u kolu ne pokazuje struju uprkos primijenjenom naponu. Ovo ukazuje na odsustvo provodljivosti gasova u normalnim uslovima.

Zagrijmo sada plin u intervalu 1-2 na vrlo visoku temperaturu uvodeći u njega upaljeni gorionik. Galvanometar će pokazati pojavu struje, pa se na visokoj temperaturi udio neutralnih molekula plina razlaže na pozitivne i negativne ione. Takav fenomen se zove jonizacija gas.

Ako se mlaz zraka iz malog puhala usmjeri u plinski otvor, a ionizirajući plamen se postavi na putanju mlaza, izvan otvora, tada će galvanometar pokazati određenu struju.

To znači da joni ne nestaju trenutno, već se kreću zajedno sa gasom. Međutim, kako se rastojanje između plamena i razmaka 1-2 povećava, struja postepeno slabi, a zatim nestaje. U ovom slučaju, suprotno nabijeni ioni imaju tendenciju da se približe jedni drugima pod utjecajem sile električne privlačnosti i, kada se sretnu, ponovo se ujedine u neutralnu molekulu. Takav proces se zove rekombinacija joni.

Zagrijavanje plina na visoku temperaturu nije jedini način da se ioniziraju molekuli ili atomi plina. Neutralni atomi ili molekuli gasa takođe mogu biti jonizovani pod uticajem drugih faktora.

Jonska provodljivost ima niz karakteristika. Dakle, često pozitivni i negativni ioni nisu pojedinačni jonizovani molekuli, već grupe molekula vezanih za negativan ili pozitivan elektron. Zbog toga, iako je naboj svakog jona jednak jednom ili dva, rijetko veći od broja elementarnih naboja, njihove mase se mogu značajno razlikovati od masa pojedinačnih atoma i molekula. Po tome se joni gasa značajno razlikuju od jona elektrolita, koji uvek predstavljaju određene grupe atoma. Zbog ove razlike, Faradejevi zakoni, koji su tako karakteristični za provodljivost elektrolita, ne vrijede za ionsku provodljivost plinova.

Druga, takođe vrlo važna, razlika između jonske provodljivosti gasova i jonske provodljivosti elektrolita je u tome što se za gasove ne poštuje Ohmov zakon: strujno-naponska karakteristika je složenija. Strujna naponska karakteristika vodiča (uključujući elektrolite) ima oblik nagnute ravne linije (proporcionalnost I i U), za plinove ima različite oblike.

Konkretno, u slučaju nesamoodržive provodljivosti, za male vrijednosti U, graf ima oblik prave linije, tj. Ohmov zakon približno ostaje važeći; kako se U povećava, kriva se savija od određenog naprezanja i prelazi u horizontalnu pravu liniju.

To znači da počevši od određenog napona, struja ostaje konstantna uprkos povećanju napona. Ova konstantna, naponski nezavisna vrijednost struje naziva se struja zasićenja.

Nije teško razumjeti značenje dobijenih rezultata. U početku, kako se napon povećava, povećava se broj jona koji prolaze kroz poprečni presjek pražnjenja; struja I raste, jer jona u više jako polje kreće se većom brzinom. Međutim, bez obzira na to koliko brzo se joni kreću, broj njih koji prolaze kroz ovu dionicu u jedinici vremena ne može biti veći od ukupnog broja jona stvorenih u pražnjenju u pražnjenju u jedinici vremena od strane vanjskog jonizujućeg faktora.

Eksperimenti pokazuju, međutim, da ako nakon postizanja struje zasićenja u plinu nastavimo značajno povećavati napon, onda se tok strujno-naponske karakteristike naglo poremeti. Pri dovoljno visokom naponu struja naglo raste.

Trenutni skok pokazuje da se broj jona odmah naglo povećao. Razlog tome je samo električno polje: ono daje tako velike brzine nekim ionima, tj. tako veliku energiju da kada se takvi ioni sudare s neutralnim molekulima, potonji se raspadaju na ione. Ukupan broj jone sada ne određuje jonizujući faktor, već djelovanje samog polja, koje samo po sebi može podržati neophodnu ionizaciju: provodljivost od nesamoodržive postaje neovisna. Opisani fenomen iznenadnog nastupa nezavisne provodljivosti, koji ima karakter propadanja gasnog jaza, nije jedini, iako veoma važan, oblik nastanka nezavisne provodljivosti.

Iskreni pražnjenje. Pri dovoljno visokoj jakosti polja (oko 3 MV / m) između elektroda se pojavljuje električna iskra, koja ima oblik svijetlećeg vijugavog kanala koji povezuje obje elektrode. Plin u blizini iskre se zagrijava do visoke temperature i naglo se širi, uzrokujući zvučni talasi, i čujemo karakterističan prasak.

Opisani oblik gasnog pražnjenja naziva se iskre ili gasna varnica. Kada dođe do varničnog pražnjenja, gas naglo gubi svoja dielektrična svojstva i postaje dobar provodnik. Jačina polja pri kojoj dolazi do proboja iskre plina ima različitu vrijednost za različite plinove i ovisi o njihovom stanju (pritisak, temperatura). Što je veća udaljenost između elektroda, to je veći napon između njih neophodan za početak proboja iskre plina. Ova napetost se zove probojni napon.

Znajući kako napon proboja ovisi o udaljenosti između elektroda bilo kojeg određenog oblika, moguće je izmjeriti nepoznati napon duž maksimalne dužine iskre. Ovo je osnova za uređaj voltmetra iskri za grube visoke napone.

Sastoji se od dvije metalne kuglice pričvršćene na stupove 1 i 2, 2. stup sa loptom može se zavrtnjem približiti ili odmaknuti od prve. Kuglice se spajaju na izvor struje čiji napon treba izmjeriti i spajaju se dok se ne pojavi iskra. Mjerenjem udaljenosti pomoću skale na postolju može se dati gruba procjena napona po dužini iskre (primjer: kod kuglice prečnika 5 cm i udaljenosti od 0,5 cm, probojni napon je 17,5 kV, i na udaljenosti od 5 cm - 100 kV).

Pojava sloma se objašnjava na sljedeći način: u plinu uvijek postoji određeni broj jona i elektrona koji proizlaze iz slučajnih uzroka. Međutim, njihov broj je toliko mali da plin praktički ne provodi električnu energiju. Pri dovoljno velikoj jačini polja, kinetička energija koju ion akumulira u intervalu između dva sudara može postati dovoljna da ionizira neutralni molekul tokom sudara. Kao rezultat, formiraju se novi negativni elektron i pozitivno nabijeni ostatak, ion.

Slobodni elektron 1, prilikom sudara sa neutralnom molekulom, dijeli ga na elektron 2 i slobodni pozitivni ion. Elektroni 1 i 2, nakon daljnjeg sudara s neutralnim molekulima, ponovo ih dijele na elektrone 3 i 4 i slobodne pozitivne ione, itd.

Ovaj proces jonizacije se zove udarna jonizacija, i rad koji treba uložiti da bi se proizvelo odvajanje elektrona od atoma - rad na jonizaciji. Rad ionizacije ovisi o strukturi atoma i stoga je različit za različite plinove.

Elektroni i ioni koji nastaju pod uticajem udarne jonizacije povećavaju broj naelektrisanja u gasu, a zauzvrat se pokreću pod dejstvom električnog polja i mogu proizvesti udarnu ionizaciju novih atoma. Tako se proces pojačava, a jonizacija u gasu brzo dostiže veoma visoku vrednost. Fenomen je sličan lavini, pa je ovaj proces nazvan jonska lavina.

Formiranje ionske lavine je proces proboja iskre, a minimalni napon pri kojem dolazi do ionske lavine je probojni napon.

Dakle, u slučaju proboja iskre uzrok ionizacije plina je uništavanje atoma i molekula u sudarima s ionima (udarna ionizacija).

Munja. Prekrasna i nesigurna prirodna pojava - munja - je iskre u atmosferi.

Već sredinom 18. veka pažnja je bila posvećena spoljašnjoj sličnosti munje sa električnom varnicom. Pretpostavlja se da grmljavinski oblaci nose velike električne naboje i da je munja ogromna iskra, koja se ne razlikuje od iskre između kuglica električne mašine osim po veličini. Na to je, na primer, ukazao ruski fizičar i hemičar Mihail Vasiljevič Lomonosov (1711-65), koji se, uz druga naučna pitanja, bavio atmosferskim elektricitetom.

To je dokazano iskustvom iz 1752-53. Lomonosov i američki naučnik Benjamin Franklin (1706-90), koji su radili istovremeno i nezavisno jedan od drugog.

Lomonosov je napravio „mašinu za gromove“ – kondenzator koji se nalazio u njegovoj laboratoriji i punio se atmosferskim elektricitetom preko žice, čiji je kraj iznet iz prostorije i podignut na visoki stub. Tokom grmljavine, varnice su se mogle ukloniti iz kondenzatora ručno.

Frenklin je tokom grmljavine lansirao zmaja na uzicu, koja je bila opremljena gvozdenim vrhom; ključ od vrata bio je vezan za kraj uzice. Kada se struna smočila i postala provodnik električne struje, Frenklin je uspeo da izvuče električne iskre iz ključa, napuni Leyden staklenke i uradi druge eksperimente napravljene električnom mašinom (Treba napomenuti da su takvi eksperimenti izuzetno opasni, jer munje može pogoditi zmije, a u isto vrijeme će veliki naboji proći kroz tijelo eksperimentatora do Zemlje. Bilo je takvih tužnih slučajeva u historiji fizike: G. V. Richman, koji je radio zajedno sa Lomonosovom, umro je 1753. u St. Petersburg).

Tako se pokazalo da su grmljavinski oblaci zaista jako nabijeni električnom energijom.

Različiti dijelovi grmljavinskog oblaka nose naboje različitih znakova. Najčešće je donji dio oblaka (reflektiran na Zemlju) negativno nabijen, a gornji pozitivno. Stoga, ako se dva oblaka približe jedan drugom sa suprotno nabijenim dijelovima, tada munja skače između njih. Međutim, do pražnjenja groma može doći i na druge načine. Prolazeći preko Zemlje, grmljavinski oblak stvara velika indukovana naelektrisanja na svojoj površini, pa stoga oblak i Zemljina površina formiraju dve ploče velikog kondenzatora. Razlika potencijala između oblaka i Zemlje dostiže ogromne vrijednosti, mjerene u stotinama miliona volti, a u zraku nastaje jako električno polje. Ako se intenzitet ovog polja učini dovoljno velikim, može doći do sloma, tj. grom koji udara u zemlju. Istovremeno, grom ponekad pogodi ljude i izazove požar.

Prema brojnim studijama rađenim o munjama, varničko punjenje karakterišu sledeći približni brojevi: napon (U) između oblaka i Zemlje je 0,1 GV (gigavolt);

jačina struje (I) u munjama 0,1 MA (megaamper);

trajanje munje (t) 1 µs (mikrosekunda);

prečnik svetlosnog kanala je 10-20 cm.

Grmljavina koja se javlja nakon munje ima isto porijeklo kao i pucketanje kada skoči laboratorijska iskra. Naime, vazduh unutar kanala groma se jako zagreva i širi, zbog čega nastaju zvučni talasi. Ovi talasi, reflektovani od oblaka, planina, itd., često stvaraju dugu jeku - udare groma.

Corona discharge. Pojava jonske lavine ne dovodi uvijek do iskre, ali može uzrokovati i drugačiju vrstu pražnjenja - koronsko pražnjenje.

Ispružimo na dva visoka izolacijska nosača metalnu žicu ab, promjera nekoliko desetina milimetra, i spojimo je na negativni pol generatora, koji daje napon od nekoliko hiljada volti. Drugi pol generatora ćemo odvesti na Zemlju. Dobijate neku vrstu kondenzatora, čije su ploče žica i zidovi prostorije, koji, naravno, komuniciraju sa Zemljom.

Polje u ovom kondenzatoru je vrlo neujednačeno, a njegov intenzitet u blizini tanke žice je vrlo visok. Postepenim povećanjem napona i promatranjem žice u mraku, može se primijetiti da se pri poznatom naponu u blizini žice pojavljuje slab sjaj (kruna), koji pokriva žicu sa svih strana; praćeno je šištanjem i blagim pucketanjem. Ako je između žice i izvora spojen osjetljivi galvanometar, tada s pojavom sjaja galvanometar pokazuje primjetnu struju koja teče od generatora duž žica do žice i od njega kroz zrak prostorije do zidova, između žice i zidova prenose joni koji nastaju u prostoriji usled udarne jonizacije. Dakle, sjaj zraka i pojava struje ukazuju na jaku ionizaciju zraka pod djelovanjem električnog polja. Koronsko pražnjenje se može pojaviti ne samo u blizini žice, već i blizu vrha i općenito blizu bilo koje elektrode, u blizini kojih se formira vrlo jako nehomogeno polje.

Primjena koronskog pražnjenja. Električno čišćenje plina (električni filteri). Posuda ispunjena dimom odjednom postaje potpuno prozirna ako se u nju uvedu oštre metalne elektrode spojene na električnu mašinu, a na elektrode će se taložiti sve čvrste i tekuće čestice. Objašnjenje iskustva je sljedeće: čim se korona zapali, zrak unutar cijevi se snažno ionizira. Gasni joni se lijepe za čestice prašine i pune ih. Budući da unutar cijevi djeluje jako električno polje, nabijene čestice prašine se pod djelovanjem polja kreću do elektroda, gdje se talože.

Counters elementarne čestice . Geiger-Muller-ov brojač elementarnih čestica sastoji se od malog metalnog cilindra opremljenog prozorom prekrivenim folijom i tankom metalnom žicom razvučenom duž ose cilindra i izoliranom od nje. Brojač je spojen na kolo koje sadrži izvor struje, čiji je napon jednak nekoliko hiljada volti. Napon se bira neophodan za pojavu koronskog pražnjenja unutar brojača.

Kada elektron koji se brzo kreće uđe u brojač, ovaj drugi ionizira molekule plina unutar brojača, uzrokujući da se napon potreban za paljenje korone donekle smanji. U brojaču dolazi do pražnjenja, a u krugu se pojavljuje slaba kratkotrajna struja. Da bi se to otkrilo, u kolo se uvodi vrlo veliki otpor (nekoliko megaoma) i paralelno s njim je spojen osjetljivi elektrometar. Svaki put kada brzi elektron udari u unutrašnjost brojača, listovi elektrometra će se pognuti.

Takvi brojači omogućavaju registraciju ne samo brzih elektrona, već općenito bilo koje nabijene, brzo pokretne čestice koje mogu proizvesti ionizaciju putem sudara. Moderni brojači mogu lako otkriti čak i jednu česticu koja ih udara i stoga omogućavaju da se sa potpunom sigurnošću i vrlo jasnoćom provjeri da elementarne nabijene čestice zaista postoje u prirodi.

gromobran. Procjenjuje se da se oko 1800 grmljavina istovremeno javlja u atmosferi cijele zemaljske kugle, koje u prosjeku daju oko 100 munja u sekundi. I premda je vjerovatnoća da bude pogođena gromom bilo koje osobe zanemarljiva, ipak grom nanosi mnogo štete. Dovoljno je istaći da je trenutno oko polovine svih nesreća na velikim dalekovodima uzrokovano gromovima. Stoga je zaštita od groma važan zadatak.

Lomonosov i Franklin nisu samo objasnili električnu prirodu munje, već su ukazali i na to kako napraviti gromobran koji štiti od udara groma. Gromobran je duga žica čiji je gornji kraj naoštren i ojačan iznad najviše tačke zaštićenog objekta. Donji kraj žice spojen je na metalni lim, a lim je zakopan u zemlju na nivou vode u tlu. Tokom grmljavine, na Zemlji se pojavljuju veliki inducirani naboji i veliko električno polje se pojavljuje blizu površine Zemlje. Njegov intenzitet je vrlo visok u blizini oštrih provodnika, pa se stoga na kraju gromobrana pali koronsko pražnjenje. Kao rezultat toga, inducirani naboji se ne mogu akumulirati na zgradi i ne dolazi do munje. U onim slučajevima kada se grom ipak pojavi (a takvi su slučajevi vrlo rijetki), ona udari u gromobran i naboji odlaze u Zemlju bez oštećenja zgrade.

U nekim slučajevima, koronsko pražnjenje iz gromobrana je toliko snažno da se na vrhu pojavljuje jasno vidljiv sjaj. Takav se sjaj ponekad pojavljuje u blizini drugih šiljastih predmeta, na primjer, na krajevima brodskih jarbola, oštrih krošnji drveća itd. Ovaj fenomen je primijećen prije nekoliko stoljeća i izazvao je praznovjerni užas nautičara koji nisu razumjeli njegovu pravu suštinu.

Električni luk. Godine 1802. ruski fizičar V.V. Petrov (1761-1834) je otkrio da ako dva komada električne energije pričvrstite na stupove velike električne baterije ugalj i, dovodeći ugljeve u kontakt, lagano ih razdvojite, tada će se između krajeva ugljeva formirati sjajan plamen, a krajevi samih ugljeva će zasvijetliti bijelo, emitujući blistavu svjetlost.

Najjednostavniji uređaj za proizvodnju električnog luka sastoji se od dvije elektrode, za koje je bolje uzeti ne drveni ugljen, već posebno izrađene šipke dobivene prešanjem mješavine grafita, čađe i veziva. Kao izvor struje može poslužiti rasvjetna mreža, u koju je radi sigurnosti uključen reostat.

Prisiljavanjem luka da gori konstantnom strujom u komprimiranom plinu (20 atm), bilo je moguće dovesti temperaturu kraja pozitivne elektrode na 5900°C, tj. do površinske temperature sunca. Još višu temperaturu ima stup plinova i para, koji ima dobru električnu provodljivost, kroz koji prolazi električni naboj. Energetsko bombardovanje ovih gasova i para elektronima i jonima, vođeno električnim poljem luka, dovodi temperaturu gasova u stubu na 6000-7000°C. Ovako jaka ionizacija plina moguća je samo zbog činjenice da katoda luka emituje mnogo elektrona, koji svojim udarima joniziraju plin u prostoru pražnjenja. Jaka elektronska emisija sa katode je obezbeđena činjenicom da se sama lučna katoda zagreva na veoma visoku temperaturu (od 2200 do 3500°C). Kada se ugalj dovede u kontakt kako bi se zapalio luk, skoro sva džulova toplota struje koja prolazi kroz ugalj oslobađa se na kontaktnoj tački, koja je imala vrlo visok otpor. Stoga su krajevi ugljeva vrlo vrući, a to je dovoljno da između njih izbije luk kada se razdvoje. U budućnosti, katoda luka održava se u zagrijanom stanju samom strujom koja prolazi kroz luk. Glavnu ulogu u tome igra bombardiranje katode pozitivnim ionima koji padaju na nju.

Strujna naponska karakteristika luka ima potpuno neobičan karakter. Kod lučnog pražnjenja, kako se struja povećava, napon na lučnim stezaljkama opada, tj. luk ima opadajuću strujno-naponsku karakteristiku.

Primjena lučnog pražnjenja. Osvetljenje. Zbog visoke temperature lučne elektrode emituju zasljepljujuću svjetlost (sjaj stuba luka je slabiji, jer je emisivnost gasa mala), pa je električni luk jedan od najbolji izvori Sveta. Troši samo oko 3 vata po kandeli i znatno je ekonomičniji od najboljih žarulja sa žarnom niti. Električni luk je prvi put upotrijebio za rasvjetu 1875. godine ruski inženjer-pronalazač P.N. Yablochkin (1847-1894) i nazvan je „rusko svjetlo“ ili „sjeverno svjetlo“. Zavarivanje. Za zavarivanje metalnih dijelova koristi se električni luk. Dijelovi koji se zavaruju služe kao pozitivna elektroda; dodirujući ih ugljem spojenim na negativni pol izvora struje, između tijela i uglja se dobija luk koji topi metal. živin luk. Od velikog interesa je živin luk koji gori u kvarcnoj cijevi, tzv kvarcna lampa. U ovoj lampi, lučno pražnjenje se ne događa u zraku, već u atmosferi živine pare, za koju se mala količina žive unosi u lampu, a zrak se ispumpava. Svetlost živinog luka izuzetno je bogata ultraljubičastim zracima, koji imaju jaku hemijsku i fiziološko djelovanje. Da bi se ovo zračenje moglo iskoristiti, lampa nije napravljena od stakla koje jako upija UV zračenje, već od topljenog kvarca. Živine lampe se široko koriste u liječenju raznih bolesti, kao i u naučno istraživanje kao jak izvor ultraljubičastog zračenja.

Kao izvor informacija korišten je osnovni udžbenik fizike pod

uredio akademik G.S. Landsberg (tom 2). Moskva, Nauka izdavačka kuća, 1985.

Izradio MARKIDONOV TIMUR, Irkutsk.