Kateri delci ustvarjajo električni tok v plinih. Uvod

Povzetek o fiziki

na temo:

"Električni tok v plinih."

Električni tok v plinih.

1. Električna razelektritev v plinih.

Vsi plini noter naravno stanje ne prevajajo električnega toka. Kot je razvidno iz naslednjih izkušenj:

Vzemimo elektrometer s pritrjenimi diski ploščatega kondenzatorja in ga napolnimo. Pri sobni temperaturi, če je zrak dovolj suh, se kondenzator ne izprazni opazno - položaj igle elektrometra se ne spremeni. Če želite opaziti zmanjšanje kota odklona igle elektrometra, morate dolgo časa. To kaže, da elektrika v zraku med diski je zelo malo. Ta izkušnja kaže, da je zrak slab prevodnik električnega toka.

Poskus prilagodimo: zrak med diskoma segrejemo s plamenom alkoholne svetilke. Nato se kot odklona igle elektrometra hitro zmanjša, tj. potencialna razlika med ploščama kondenzatorja se zmanjša - kondenzator se izprazni. Posledično je segret zrak med diski postal prevodnik in v njem se vzpostavi električni tok.

Izolacijske lastnosti plinov so razložene z dejstvom, da nimajo prostih električnih nabojev: atomi in molekule plinov v svojem naravnem stanju so nevtralni.

2. Ionizacija plinov.

Zgoraj opisane izkušnje kažejo, da se v plinih pod vplivom visoke temperature pojavijo nabiti delci. Nastanejo zaradi ločitve enega ali več elektronov od atomov plina, zaradi česar se namesto nevtralnega atoma pojavijo pozitivni ion in elektroni. Nekatere od nastalih elektronov lahko ujamejo drugi nevtralni atomi, nato pa se pojavi več negativnih ionov. Imenuje se razpad molekul plina na elektrone in pozitivne ione ionizacija plinov.

Segrevanje plina na visoko temperaturo ni edina pot ionizacija plinskih molekul ali atomov. Ionizacija plina se lahko pojavi pod vplivom različnih zunanjih interakcij: močno segrevanje plina, rentgenski žarki, a-, b- in g-žarki, ki izhajajo iz radioaktivnega razpada, kozmičnih žarkov, obstreljevanja plinskih molekul s hitro premikajočimi se elektroni ali ioni. Dejavniki, ki povzročajo ionizacijo plina, se imenujejo ionizatorji. Kvantitativna značilnost ionizacijskega procesa je intenzivnost ionizacije, merjeno s številom parov nabitih delcev nasprotnega predznaka, ki nastanejo v prostorninski enoti plina na časovno enoto.

Ionizacija atoma zahteva porabo določene energije - ionizacijske energije. Za ionizacijo atoma (ali molekule) je potrebno opraviti delo proti interakcijskim silam med izbitim elektronom in preostalimi delci atoma (ali molekule). To delo imenujemo ionizacijsko delo A i. Količina ionizacijskega dela je odvisna od kemijske narave plina in energijskega stanja izbitega elektrona v atomu ali molekuli.

Ko ionizator preneha delovati, se število ionov v plinu sčasoma zmanjša in sčasoma ioni popolnoma izginejo. Izginotje ionov je razloženo z dejstvom, da ioni in elektroni sodelujejo pri toplotnem gibanju in zato trčijo drug ob drugega. Ko pozitivni ion in elektron trčita, se lahko ponovno združita v nevtralni atom. Podobno lahko, ko pozitivni in negativni ion trčita, negativni ion odda svoj odvečni elektron pozitivnemu ionu in oba iona postaneta nevtralna atoma. Ta proces medsebojne nevtralizacije ionov se imenuje rekombinacija ionov. Ko se pozitivni ion in elektron ali dva iona rekombinirata, se sprosti določena energija, enaka energiji, porabljeni za ionizacijo. Delno se oddaja v obliki svetlobe, zato rekombinacijo ionov spremlja sijaj (rekombinacijski sijaj).

Pri pojavih električne razelektritve v plinih ima pomembno vlogo ionizacija atomov z udarci elektronov. Ta proces je sestavljen iz dejstva, da gibajoči se elektron z zadostno kinetično energijo ob trku z nevtralnim atomom iz njega izloči enega ali več atomskih elektronov, zaradi česar se nevtralni atom spremeni v pozitiven ion in pojavijo se novi elektroni. v plinu (o tem bomo razpravljali kasneje).

Spodnja tabela prikazuje ionizacijske energije nekaterih atomov.

3. Mehanizem električne prevodnosti plinov.

Mehanizem prevodnosti plinov je podoben mehanizmu prevodnosti raztopin in talin elektrolitov. V odsotnosti zunanjega polja se nabiti delci, tako kot nevtralne molekule, gibljejo kaotično. Če se ioni in prosti elektroni znajdejo v zunanjem električnem polju, potem se začnejo premikati smerno in ustvarjajo električni tok v plinih.

Električni tok v plinu torej predstavlja usmerjeno gibanje pozitivnih ionov proti katodi, negativnih ionov in elektronov pa proti anodi. Skupni tok v plinu je sestavljen iz dveh tokov nabitih delcev: toka, ki gre proti anodi, in toka, usmerjenega proti katodi.

Nevtralizacija nabitih delcev se pojavi na elektrodah, tako kot pri prehodu električnega toka skozi raztopine in taline elektrolitov. Vendar pa v plinih ne prihaja do sproščanja snovi na elektrodah, kot je to v primeru raztopin elektrolitov. Plinski ioni, ki se približajo elektrodam, jim dajo svoje naboje, se spremenijo v nevtralne molekule in difundirajo nazaj v plin.

Druga razlika v električni prevodnosti ioniziranih plinov in raztopin elektrolitov (talin) je v tem, da negativnega naboja, ko tok teče skozi pline, ne prenašajo predvsem negativni ioni, temveč elektroni, čeprav ima lahko vlogo tudi prevodnost zaradi negativnih ionov.

Tako plini združujejo elektronsko prevodnost, podobno kot pri kovinah, z ionsko prevodnostjo, podobno prevodnosti vodne raztopine in taline elektrolitov.

4. Nesamovzdrževalna plinska razelektritev.

Postopek prehajanja električnega toka skozi plin imenujemo plinska razelektritev. Če električno prevodnost plina ustvarijo zunanji ionizatorji, se električni tok, ki nastane v njem, imenuje nevzdržen izpust plina. S prenehanjem delovanja zunanjih ionizatorjev preneha tudi nesamostojna razelektritev. Nesamovzdržne plinske razelektritve ne spremlja sijaj plina.

Spodaj je graf odvisnosti toka od napetosti med nesamostojno razelektritvijo v plinu. Za izris grafa je bila uporabljena steklena cev z dvema kovinskima elektrodama, zaprtima v steklu. Veriga je sestavljena, kot je prikazano na spodnji sliki.

Pri določeni napetosti pride trenutek, ko vsi nabiti delci, ki jih ionizator tvori v plinu na sekundo, dosežejo elektrode v istem času. Nadaljnje povečanje napetosti ne more več povzročiti povečanja števila prenesenih ionov. Tok doseže nasičenost (vodoravni del grafa 1).

5. Samostojni izpust plina.

Imenuje se električna razelektritev v plinu, ki traja, potem ko zunanji ionizator preneha delovati neodvisno odvajanje plina. Za njegovo izvedbo je potrebno, da se zaradi samega praznjenja v plinu nenehno tvorijo prosti naboji. Glavni vir njihovega nastanka je udarna ionizacija molekul plina.

Če po doseženi nasičenosti še naprej povečujemo potencialno razliko med elektrodama, bo jakost toka pri dovolj visoki napetosti začela strmo naraščati (graf 2).

To pomeni, da se v plinu pojavijo dodatni ioni, ki nastanejo zaradi delovanja ionizatorja. Moč toka se lahko poveča sto in tisočkrat, število nabitih delcev, ki nastanejo med procesom praznjenja, pa lahko postane tako veliko, da zunanji ionizator ne bo več potreben za vzdrževanje praznjenja. Zato lahko ionizator zdaj odstranite.

Kakšni so razlogi za močno povečanje toka pri visokih napetostih? Vzemimo katerikoli par nabitih delcev (pozitivni ion in elektron), ki nastane zaradi delovanja zunanjega ionizatorja. Prosti elektron, ki se pojavi na ta način, se začne premikati na pozitivno elektrodo - anodo, pozitivni ion pa na katodo. Na svoji poti elektron naleti na ione in nevtralne atome. V intervalih med dvema zaporednima trkoma se energija elektrona poveča zaradi dela sil električnega polja.

Večja kot je potencialna razlika med elektrodama, večja je električna poljska jakost. Kinetična energija elektrona pred naslednjim trkom je sorazmerna poljski jakosti in povprečni prosti poti elektrona: MV 2 /2=eEl. Če kinetična energija elektrona presega delo A i, ki ga je treba opraviti za ionizacijo nevtralnega atoma (ali molekule), tj. MV 2 >A i, potem ko elektron trči z atomom (ali molekulo), se ionizira. Posledično se namesto enega elektrona pojavita dva (eden, ki udari v atom, in tisti, ki se iztrga iz atoma). Ti pa prejmejo energijo v polju in ionizirajo prihajajoče atome itd. Posledično se število nabitih delcev hitro poveča in nastane elektronski plaz. Opisani postopek se imenuje ionizacija z udarom elektronov.

Toda sama ionizacija z udarcem elektronov ne more zagotoviti vzdrževanja neodvisnega naboja. Vsi tako ustvarjeni elektroni se namreč pomikajo proti anodi in, ko dosežejo anodo, »izločijo iz igre«. Za ohranitev razelektritve morajo biti elektroni oddani iz katode ("emisija" pomeni "emisija"). Emisija elektronov je lahko posledica več razlogov.

Pozitivni ioni, ki nastanejo med trki elektronov z nevtralnimi atomi, ko se premikajo proti katodi, pod vplivom polja pridobijo visoko kinetično energijo. Ko tako hitri ioni zadenejo katodo, se elektroni izbijejo s površine katode.

Poleg tega lahko katoda oddaja elektrone, ko se segreje na visoke temperature. Ta proces se imenuje termionska emisija. Lahko si ga predstavljamo kot izhlapevanje elektronov iz kovine. V mnogih trdnih snoveh se termionska emisija pojavi pri temperaturah, pri katerih je izhlapevanje same snovi še vedno majhno. Takšne snovi se uporabljajo za izdelavo katod.

Med samopraznjenjem lahko pride do segrevanja katode zaradi njenega obstreljevanja s pozitivnimi ioni. Če energija ionov ni previsoka, potem elektroni ne izbijejo iz katode in se elektroni oddajajo zaradi termionske emisije.

6. Različne vrste samopraznjenja in njihove tehnične uporabe.

Odvisno od lastnosti in stanja plina, narave in lokacije elektrod ter napetosti, ki se uporablja za elektrode, različne vrste neodvisno odvajanje. Poglejmo si jih nekaj.

A. Žareča razelektritev.

Žarečo razelektritev opazimo v plinih pri nizki pritiski reda velikosti nekaj deset milimetrov živega srebra ali manj. Če upoštevamo cev z žarilno razelektritvijo, lahko vidimo, da so glavni deli žarilne razelektritve katodni temni prostor, močno oddaljena od njega negativno, oz tleči sij, ki se postopoma seli v območje Faradayev temni prostor. Ta tri področja tvorijo katodni del razelektritve, ki mu sledi glavni svetlobni del razelektritve, ki ga definira optične lastnosti in poklical pozitivni stolpec.

Glavno vlogo pri vzdrževanju žarečega praznjenja igrata prvi dve regiji njegovega katodnega dela. Značilna lastnost ta vrsta izpusta je oster padec potencial v bližini katode, kar je povezano z visoko koncentracijo pozitivnih ionov na meji regij I in II, zaradi relativno nizke hitrosti gibanja ionov v bližini katode. V katodnem temnem prostoru pride do močnega pospeška elektronov in pozitivnih ionov, ki izbijajo elektrone iz katode. V območju tlečega žarenja elektroni povzročijo intenzivno udarno ionizacijo plinskih molekul in izgubijo svojo energijo. Tu nastajajo pozitivni ioni, potrebni za vzdrževanje razelektritve. Električna poljska jakost v tem območju je nizka. Sijaj nastane predvsem zaradi rekombinacije ionov in elektronov. Obseg katodnega temnega prostora določajo lastnosti plina in materiala katode.

V območju pozitivnega stolpca je koncentracija elektronov in ionov približno enaka in zelo visoka, kar povzroči visoko električno prevodnost pozitivnega stolpca in rahel padec potenciala v njem. Sijaj pozitivnega stolpca je določen s sijem vzbujenih molekul plina. V bližini anode se ponovno opazi razmeroma ostra sprememba potenciala, povezana s procesom generiranja pozitivnih ionov. V nekaterih primerih se pozitivni stolpec razdeli na ločena svetleča področja - plasti, ločeni s temnimi prostori.

Pozitivni stolpec nima pomembne vloge pri vzdrževanju žarilne razelektritve, zato se, ko se razdalja med elektrodama cevi zmanjša, dolžina pozitivnega stolpca zmanjša in lahko popolnoma izgine. Drugače je z dolžino katodnega temnega prostora, ki se ne spremeni, ko se elektrodi približujeta druga drugi. Če se elektrodi tako približata, da razdalja med njima postane manjša od dolžine katodnega temnega prostora, se bo žarilna razelektritev v plinu ustavila. Eksperimenti kažejo, da je pri drugih enakih pogojih dolžina d katodnega temnega prostora obratno sorazmerna s tlakom plina. Zato pri dovolj nizkih tlakih elektroni, ki jih pozitivni ioni izbijejo iz katode, prehajajo skozi plin skoraj brez trkov z njegovimi molekulami in tvorijo elektronski, oz katodni žarki .

Žarilna razelektritev se uporablja v plinskih svetlobnih ceveh, fluorescenčnih sijalkah, napetostnih stabilizatorjih ter za proizvodnjo elektronskih in ionskih žarkov. Če je v katodi narejena reža, se pogosto imenujejo ozki ionski žarki kanalni tramovi.Široko uporabljen pojav katodno razprševanje, tj. uničenje površine katode pod vplivom pozitivnih ionov, ki jo zadenejo. Ultramikroskopski drobci katodnega materiala letijo v vse smeri v ravnih črtah in s tanko plastjo prekrivajo površino teles (zlasti dielektrikov), ki so nameščena v cevi. Na ta način izdelujejo zrcala za številne naprave, na fotocelice iz selena pa nanesejo tanko plast kovine.

B. Koronska razelektritev.

Do koronske razelektritve pride, ko normalen pritisk v plinu, ki se nahaja v zelo nehomogenem električnem polju (na primer v bližini konic ali žic visokonapetostnih vodov). Med koronsko razelektritvijo pride do ionizacije plina in sijaja le v bližini koronskih elektrod. V primeru katodne korone (negativna korona) so elektroni, ki povzročijo udarno ionizacijo plinskih molekul, izločeni iz katode, ko so obstreljeni s pozitivnimi ioni. Če je anoda koronarna (pozitivna korona), pride do tvorbe elektronov zaradi fotoionizacije plina v bližini anode. Korona je škodljiv pojav, ki ga spremlja uhajanje toka in izguba električne energije. Da bi zmanjšali koronsko poškodbo, je polmer ukrivljenosti vodnikov povečan, njihova površina pa je čim bolj gladka. Pri dovolj visoki napetosti med elektrodama se koronska razelektritev spremeni v iskrico.

Pri povečani napetosti ima koronska razelektritev na konici obliko svetlobnih črt, ki izhajajo iz konice in se spreminjajo v času. Te črte, ki imajo številne zavoje in zavoje, tvorijo podobo čopiča, zaradi česar se tak izcedek imenuje karpalnega .

Naelektren nevihtni oblak inducira električne naboje nasprotnega predznaka na površini Zemlje pod seboj. Posebno velik naboj se nabere na konicah. Zato pred ali med nevihto na konicah in ostrih vogalih visoko dvignjenih predmetov pogosto utripajo rese podobni stožci svetlobe. Že od antičnih časov so ta sij imenovali ognji svetega Elma.

Plezalci so še posebej pogosto priča temu pojavu. Včasih niso le kovinski predmeti, ampak tudi konice las na glavi okrašene z majhnimi svetlečimi resicami.

Pri visoki napetosti je treba upoštevati koronsko razelektritev. Če so štrleči deli ali zelo tanke žice, lahko pride do koronske razelektritve. To vodi do uhajanja električne energije. Višja kot je napetost visokonapetostnega voda, debelejše morajo biti žice.

C. Iskrica.

Iskričasti izpust ima videz svetlih cik-cak razvejanih niti - kanalov, ki prodrejo skozi izpustno režo in izginejo, nadomestijo jih nove. Raziskave so pokazale, da začnejo kanali za iskrico rasti, včasih iz pozitivne elektrode, včasih iz negativne in včasih iz neke točke med elektrodama. To je razloženo z dejstvom, da se ionizacija z udarcem v primeru iskre ne pojavi v celotnem volumnu plina, temveč skozi posamezne kanale, ki potekajo na tistih mestih, kjer se koncentracija ionov slučajno izkaže za najvišjo. Iskrico spremlja sproščanje velika količina toplota, svetel sij plina, prasketanje ali grmenje. Vse te pojave povzročajo plazovi elektronov in ionov, ki nastanejo v kanalih iskre in vodijo do velikega povečanja tlaka, ki doseže 10 7 ¸ 10 8 Pa, in povišanja temperature do 10.000 ° C.

Tipičen primer iskričaste razelektritve je strela. Glavni kanal strele ima premer od 10 do 25 cm, dolžina strele pa lahko doseže več kilometrov. Največja tokovna moč impulza strele doseže desetine in stotine tisoč amperov.

Ko je razelektritvena reža kratka, povzroči iskričasta razelektritev specifično destrukcijo anode, imenovano erozija. Ta pojav je bil uporabljen pri metodi električne iskre pri rezanju, vrtanju in drugih vrstah natančne obdelave kovin.

Iskrišče se uporablja kot prenapetostna zaščita v električnih prenosnih vodih (na primer telefonskih linijah). Če v bližini voda teče močan kratkotrajni tok, se v žicah tega voda inducirajo napetosti in tokovi, ki lahko uničijo električno napeljavo in so nevarni za življenje ljudi. Da bi se temu izognili, se uporabljajo posebne varovalke, sestavljene iz dveh ukrivljenih elektrod, od katerih je ena povezana z linijo, druga pa ozemljena. Če se potencial voda glede na tla močno poveča, pride med elektrodama do iskre, ki se skupaj z zrakom, ki ga segreje, dvigne, podaljša in prekine.

Nazadnje se električna iskra uporablja za merjenje velikih potencialnih razlik z uporabo odvodnik kroglic, katerega elektrodi sta dve kovinski krogli s polirano površino. Kroglice se odmaknejo in nanje se uporabi izmerjena potencialna razlika. Nato se krogli približujeta, dokler med njima ne preskoči iskrica. Če poznate premer kroglic, razdaljo med njimi, tlak, temperaturo in vlažnost zraka, poiščite potencialno razliko med kroglicami s pomočjo posebnih tabel. Ta metoda lahko izmeri potencialne razlike reda desettisočev voltov z natančnostjo nekaj odstotkov.

D. Obločna razelektritev.

Obločno razelektritev je leta 1802 odkril V. V. Petrov. Ta razelektritev je ena od oblik plinske razelektritve, ki se izvaja pri visoki gostoti toka in relativno nizki napetosti med elektrodama (reda nekaj deset voltov). Glavni vzrok obločne razelektritve je intenzivna emisija termoelektronov iz vroče katode. Ti elektroni pospešujejo električno polje in proizvajajo udarno ionizacijo plinskih molekul, zaradi česar električni upor Plinska reža med elektrodama je relativno majhna. Če zmanjšate upor zunanjega tokokroga in povečate tok praznjenja obloka, se prevodnost plinske reže toliko poveča, da se napetost med elektrodama zmanjša. Zato pravijo, da ima obločna razelektritev padajočo tokovno-napetostno karakteristiko. pri zračni tlak Temperatura katode doseže 3000 °C. Elektroni bombardirajo anodo, v njej ustvarijo vdolbino (krater) in jo segrejejo. Temperatura kraterja je okoli 4000 °C, pri visokih zračnih tlakih pa doseže 6000-7000 °C. Temperatura plina v obločnem razelektritvenem kanalu doseže 5000-6000 °C, zato v njem pride do intenzivne toplotne ionizacije.

V nekaterih primerih opazimo obločno razelektritev pri relativno nizki temperaturi katode (na primer v živosrebrni obločni žarnici).

Leta 1876 je P. N. Yablochkov prvi uporabil električni lok kot vir svetlobe. V "sveči Yablochkov" so bili premogi razporejeni vzporedno in ločeni z ukrivljeno plastjo, njihovi konci pa so bili povezani s prevodnim "vžigalnim mostom". Ko je bil tok vklopljen, je vžigalni most pregorel in med premogom je nastal električni oblok. Ko je premog gorel, je izolacijska plast izhlapela.

Obločna razelektritev se še danes uporablja kot vir svetlobe, na primer v reflektorjih in projekcijskih napravah.

Toplota obločna razelektritev omogoča uporabo za gradnjo obločne peči. Trenutno so obločne peči, ki jih poganja tok, zelo velika moč, se uporabljajo v številnih panogah: za taljenje jekla, litega železa, ferozlitin, brona, proizvodnjo kalcijevega karbida, dušikovega oksida itd.

Leta 1882 je N. N. Benardos prvič uporabil obločno razelektritev za rezanje in varjenje kovin. Razelektritev med stacionarno ogljikovo elektrodo in kovino segreje spoj dveh kovinskih listov (ali plošč) in ju zvari. Benardos je uporabil isto metodo za rezanje kovinskih plošč in vanje naredil luknje. Leta 1888 je N. G. Slavyanov izboljšal to metodo varjenja in zamenjal ogljikovo elektrodo s kovinsko.

Obločna razelektritev je našla uporabo v živosrebrnem usmerniku, ki pretvarja izmenični električni tok v enosmerni.

E. Plazma.

Plazma je delno ali popolnoma ioniziran plin, v katerem sta gostoti pozitivnih in negativnih nabojev skoraj enaki. Tako je plazma kot celota električno nevtralen sistem.

Kvantitativna značilnost plazme je stopnja ionizacije. Stopnja ionizacije plazme a je razmerje med prostorninsko koncentracijo nabitih delcev in skupno prostorninsko koncentracijo delcev. Glede na stopnjo ionizacije se plazma deli na šibko ionizirana(a je del odstotka), delno ioniziran (a je reda velikosti nekaj odstotkov) in popolnoma ioniziran (a je blizu 100 %). Šibko ionizirana plazma v naravne razmere so zgornje plasti atmosfere – ionosfera. Sonce, vroče zvezde in nekateri medzvezdni oblaki so popolnoma ionizirana plazma, ki nastane pri visokih temperaturah.

Povprečne energije različne vrste delci, ki sestavljajo plazmo, se lahko med seboj bistveno razlikujejo. Zato plazme ni mogoče označiti z eno samo temperaturno vrednostjo T; razlikovati elektronska temperatura T e, ionska temperatura T i (oz. ionske temperature, če plazma vsebuje ione več vrst) in temperatura nevtralnih atomov T a (nevtralna komponenta). Takšna plazma se imenuje neizotermna, v nasprotju z izotermno plazmo, v kateri so temperature vseh komponent enake.

Plazmo delimo tudi na visokotemperaturno (T i » 10 6 -10 8 K in več) in nizkotemperaturno!!! (Ti<=10 5 К). Это условное разделение связано с особой влажностью высокотемпературной плазмы в связи с проблемой осуществления управляемого термоядерного синтеза.

Plazma ima vrsto specifičnih lastnosti, zaradi katerih jo lahko obravnavamo kot posebno četrto agregatno stanje.

Zaradi svoje visoke mobilnosti se nabiti delci plazme zlahka premikajo pod vplivom električnih in magnetnih polj. Zato se vsakršna kršitev električne nevtralnosti posameznih območij plazme, ki jo povzroči kopičenje delcev enakega predznaka naboja, hitro odpravi. Nastala električna polja premikajo nabite delce, dokler se električna nevtralnost ne vzpostavi in ​​električno polje postane nič. Za razliko od nevtralnega plina, med molekulami katerega delujejo sile kratkega dosega, med nabitimi delci plazme delujejo Coulombove sile, ki z razdaljo relativno počasi upadajo. Vsak delec interagira z velikim številom okoliških delcev hkrati. Zaradi tega lahko skupaj s kaotičnim toplotnim gibanjem delci plazme sodelujejo v različnih urejenih gibanjih. V plazmi zlahka vzbudimo različne vrste nihanj in valov.

Prevodnost plazme se povečuje z večanjem stopnje ionizacije. Pri visokih temperaturah se popolnoma ionizirana plazma po prevodnosti približa superprevodnikom.

Nizkotemperaturna plazma se uporablja v virih svetlobe na principu praznjenja v plinu - v svetlobnih ceveh za reklamne napise, v fluorescenčnih sijalkah. Plinske žarnice se uporabljajo v številnih napravah, na primer v plinskih laserjih - kvantnih virih svetlobe.

Visokotemperaturna plazma se uporablja v magnetohidrodinamičnih generatorjih.

Pred kratkim je bila ustvarjena nova naprava - plazmatron. Plazemski gorilnik ustvarja močne curke goste nizkotemperaturne plazme, ki se pogosto uporabljajo na različnih področjih tehnologije: za rezanje in varjenje kovin, vrtanje vrtin v trdih kamninah itd.

Seznam uporabljene literature:

1) Fizika: Elektrodinamika. 10-11 razredi: učbenik. za poglobljeni študij fizike/G. Y. Myakishev, A. Z. Sinyakov, B. A. Slobodskov. – 2. izdaja – M.: Bustard, 1998. – 480 str.

2) Tečaj fizike (v treh zvezkih). T. II. Elektrika in magnetizem. Učbenik priročnik za fakultete./Detlaf A.A., Yavorsky B.M., Milkovskaya L.B. Ed. 4., popravljeno – M.: Višja šola, 1977. – 375 str.

3) Elektrika./E. G. Kalašnikov. Ed. "Znanost", Moskva, 1977.

4) Fizika./B. B. Bukhovtsev, Yu. L. Klimontovich, G. Ya. Myakishev. 3. izdaja, popravljena. – M.: Izobraževanje, 1986.

Teme šifranta enotnega državnega izpita: nosilci prostih električnih nabojev v plinih.

V običajnih pogojih so plini sestavljeni iz električno nevtralnih atomov ali molekul; Brezplačnih nabojev pri plinih skorajda ni. Zato so plini dielektriki- električni tok ne prehaja skozi njih.

Rekli smo »skoraj nič«, ker pravzaprav plini in zlasti zrak vedno vsebujejo določeno količino prostih nabitih delcev. Pojavijo se kot posledica ionizirajočih učinkov sevanja radioaktivnih snovi, ki sestavljajo zemeljsko skorjo, ultravijoličnega in rentgenskega sevanja sonca, pa tudi kozmičnih žarkov - tokov visokoenergijskih delcev, ki prodirajo v zemeljsko atmosfero iz zunanjega okolja. prostora. Kasneje se bomo vrnili k temu dejstvu in razpravljali o njegovem pomenu, vendar bomo za zdaj le opozorili, da je v normalnih pogojih prevodnost plinov, ki jo povzroča "naravna" količina prostih nabojev, zanemarljiva in jo lahko zanemarimo.

Delovanje stikal v električnih tokokrogih temelji na izolacijskih lastnostih zračne reže (slika 1). Na primer, majhna zračna reža v stikalu za luči je dovolj, da odpre električni krog v vaši sobi.

riž. 1 ključ

Možno pa je ustvariti pogoje, pri katerih se v plinski reži pojavi električni tok. Poglejmo naslednjo izkušnjo.

Napolnimo plošče zračnega kondenzatorja in jih povežimo z občutljivim galvanometrom (slika 2, levo). Pri sobni temperaturi in ne preveč vlažnem zraku galvanometer ne bo pokazal opaznega toka: naša zračna reža, kot smo rekli, ni prevodnik električnega toka.

riž. 2. Pojav toka v zraku

Sedaj prinesimo plamen gorilnika ali sveče v režo med ploščama kondenzatorja (slika 2, desno). Tok se pojavi! Zakaj?

Brezplačna polnjenja plina

Pojav električnega toka med ploščama kondenzatorja pomeni, da se je v zraku pod vplivom plamena pojavil brezplačni stroški. Katere točno?

Izkušnje kažejo, da je električni tok v plinih urejeno gibanje nabitih delcev tri vrste. to elektroni, pozitivnih ionov in negativni ioni.

Ugotovimo, kako se ti naboji lahko pojavijo v plinu.

Ko se temperatura plina poveča, postanejo toplotne vibracije njegovih delcev – molekul ali atomov – intenzivnejše. Trčenje delcev drug ob drugega doseže takšno silo, da se začne ionizacija- razpad nevtralnih delcev na elektrone in pozitivne ione (slika 3).

riž. 3. Ionizacija

Stopnja ionizacije je razmerje med številom razpadlih delcev plina in skupnim začetnim številom delcev. Na primer, če je stopnja ionizacije enaka, potem to pomeni, da so prvotni delci plina razpadli na pozitivne ione in elektrone.

Stopnja ionizacije plina je odvisna od temperature in s temperaturo močno narašča. Za vodik na primer pri nižji temperaturi stopnja ionizacije ne presega , pri višji temperaturi pa je stopnja ionizacije blizu (to pomeni, da je vodik skoraj popolnoma ioniziran (delno ali popolnoma ioniziran plin se imenuje plazma)).

Poleg visoke temperature obstajajo tudi drugi dejavniki, ki povzročajo ionizacijo plina.

Mimogrede smo jih že omenili: to so radioaktivno sevanje, ultravijolično sevanje, rentgenski žarki in žarki gama, kozmični delci. Vsak tak dejavnik, ki povzroči ionizacijo plina, se imenuje ionizator.

Tako se ionizacija ne pojavi sama od sebe, ampak pod vplivom ionizatorja.

Hkrati se zgodi obraten proces - rekombinacija, to je ponovna združitev elektrona in pozitivnega iona v nevtralni delec (slika 4).

riž. 4. Rekombinacija

Razlog za rekombinacijo je preprost: to je Coulombova privlačnost nasprotno nabitih elektronov in ionov. Pod vplivom električnih sil hitijo drug proti drugemu, se srečajo in lahko tvorijo nevtralni atom (ali molekulo, odvisno od vrste plina).

Pri konstantni intenzivnosti delovanja ionizatorja se vzpostavi dinamično ravnovesje: povprečno število delcev, ki razpadejo na enoto časa, je enako povprečnemu številu rekombiniranih delcev (z drugimi besedami, stopnja ionizacije je enaka hitrosti rekombinacije). poveča se delovanje ionizatorja (na primer s povišanjem temperature), potem se dinamično ravnovesje premakne na stran ionizacije in koncentracija nabitih delcev v plinu se poveča. Nasprotno, če izklopite ionizator, bo začela prevladovati rekombinacija in prosti naboji bodo postopoma popolnoma izginili.

Torej se pozitivni ioni in elektroni pojavijo v plinu kot posledica ionizacije. Od kod prihaja tretja vrsta naboja – negativni ioni? Zelo preprosto je: elektron lahko zadene nevtralni atom in se pritrdi nanj! Ta postopek je prikazan na sl. 5.

riž. 5. Pojav negativnega iona

Tako nastali negativni ioni bodo skupaj s pozitivnimi ioni in elektroni sodelovali pri ustvarjanju toka.

Nesamostojno praznjenje

Če zunanjega električnega polja ni, so prosti naboji podvrženi kaotičnemu toplotnemu gibanju skupaj z nevtralnimi delci plina. Ko pa se uporabi električno polje, se začne urejeno gibanje nabitih delcev - električni tok v plinu.

riž. 6. Nesamostojna razelektritev

Na sl. 6 vidimo tri vrste nabitih delcev, ki nastanejo v plinski reži pod delovanjem ionizatorja: pozitivni ioni, negativni ioni in elektroni. Električni tok v plinu nastane kot posledica nasprotnega gibanja nabitih delcev: pozitivnih ionov - do negativne elektrode (katode), elektronov in negativnih ionov - do pozitivne elektrode (anode).

Elektroni, ki zadenejo pozitivno anodo, se skozi vezje usmerijo na "plus" tokovnega vira. Negativni ioni oddajo dodatni elektron anodi in se, ko postanejo nevtralni delci, vrnejo v plin; elektron, ki je dan anodi, prav tako hiti v "plus" vira. Pozitivni ioni, ki pridejo na katodo, od tam vzamejo elektrone; nastali primanjkljaj elektronov na katodi se takoj kompenzira z njihovo dostavo tja iz "minus" vira. Zaradi teh procesov pride do urejenega gibanja elektronov v zunanjem vezju. To je električni tok, ki ga zabeleži galvanometer.

Opisani postopek, prikazan na sl. 6, imenovano nesamopraznjenje v plinu. Zakaj odvisen? Zato je za njegovo vzdrževanje potrebno stalno delovanje ionizatorja. Odstranimo ionizator - in tok se bo ustavil, saj bo mehanizem, ki zagotavlja pojav prostih nabojev v plinski reži, izginil. Prostor med anodo in katodo bo spet postal izolator.

Tokovno-napetostne karakteristike plinske razelektritve

Odvisnost toka skozi plinsko režo od napetosti med anodo in katodo (t.i. tokovno-napetostna karakteristika plinske razelektritve) je prikazano na sl. 7.

riž. 7. Tokovno-napetostne karakteristike razelektritve plina

Pri ničelni napetosti je jakost toka naravno enaka nič: nabiti delci izvajajo samo toplotno gibanje, med elektrodama ni urejenega gibanja.

Ko je napetost nizka, je nizek tudi tok. Dejstvo je, da ni usojeno, da vsi nabiti delci dosežejo elektrode: nekateri pozitivni ioni in elektroni se med gibanjem najdejo in rekombinirajo.

Ko napetost narašča, se prosti naboji razvijajo hitreje in hitreje, manj pa je možnosti, da se pozitivni ion in elektron srečata in rekombinirata. Zato vedno večji del nabitih delcev doseže elektrode in tok se poveča (odsek ).

Pri določeni vrednosti (točki) napetosti postane hitrost gibanja naboja tako visoka, da se rekombinacija sploh ne pojavi. Od zdaj naprej Vse nabiti delci, ki nastanejo pod delovanjem ionizatorja, dosežejo elektrode in tok doseže nasičenost- jakost toka se namreč neha spreminjati z naraščajočo napetostjo. To se bo dogajalo do določene točke.

Samopraznjenje

Po prehodu točke se jakost toka močno poveča z naraščajočo napetostjo - samostojna kategorija. Zdaj bomo ugotovili, kaj je.

Nabiti delci plina se premikajo od trka do trka; v intervalih med trki jih pospeši električno polje, kar poveča njihovo kinetično energijo. In tako, ko napetost postane dovolj velika (ta ista točka), dosežejo elektroni med svojo prosto potjo takšne energije, da jih ob trku z nevtralnimi atomi ionizirajo! (Z uporabo zakonov o ohranitvi gibalne količine in energije je mogoče pokazati, da imajo elektroni (ne ioni), pospešeni z električnim poljem, največjo sposobnost ionizacije atomov.)

Tako imenovani ionizacija z elektronskim udarom. Elektrone, izbite iz ioniziranih atomov, prav tako pospeši električno polje in trčijo ob nove atome, ki jih sedaj ionizirajo in ustvarjajo nove elektrone. Zaradi nastalega elektronskega plazu hitro narašča število ioniziranih atomov, posledično hitro narašča tudi jakost toka.

Število brezplačnih polnjenj postane tako veliko, da izgine potreba po zunanjem ionizatorju. Lahko ga enostavno odstranite. Posledično nastanejo prosti nabiti delci notranji procesi, ki se pojavljajo v plinu - zato se praznjenje imenuje neodvisno.

Če je plinska reža pod visoko napetostjo, potem za samopraznjenje ni potreben ionizator. Dovolj je, da je v plinu samo en prost elektron, in začel se bo zgoraj opisani elektronski plaz. In vedno bo vsaj en prost elektron!

Še enkrat spomnimo, da je v plinu tudi v normalnih pogojih določena »naravna« količina prostih nabojev, ki so posledica ionizirajočega radioaktivnega sevanja zemeljske skorje, visokofrekvenčnega sevanja Sonca in kozmičnih žarkov. Videli smo, da je pri nizkih napetostih prevodnost plina, ki jo povzročajo ti prosti naboji, zanemarljiva, zdaj pa - pri visokih napetostih - bodo ustvarili plaz novih delcev, kar bo povzročilo neodvisno razelektritev. Zgodilo se bo, kot pravijo, zlomiti se plinska vrzel.

Poljska jakost, potrebna za preboj suhega zraka, je približno kV/cm. Z drugimi besedami, da med elektrodama, ki sta ločeni s centimetrom zraka, preskoči iskra, je treba nanje pripeljati kilovoltno napetost. Predstavljajte si napetost, ki je potrebna za preboj več kilometrov zraka! Toda ravno takšne okvare se zgodijo med nevihto - to so vam dobro znane strele.

Nastane z usmerjenim gibanjem prostih elektronov in da v tem primeru ne pride do sprememb v snovi, iz katere je prevodnik.

Takšni prevodniki, v katerih prehod električnega toka ne spremljajo kemične spremembe v njihovi snovi, se imenujejo prevodniki prve vrste. Sem spadajo vse kovine, premog in številne druge snovi.

Toda v naravi obstajajo tudi prevodniki električnega toka, v katerih med prehodom toka prihaja do kemičnih pojavov. Ti vodniki se imenujejo prevodniki druge vrste. Sem spadajo predvsem različne raztopine kislin, soli in alkalij v vodi.

Če v stekleno posodo nalijete vodo in dodate nekaj kapljic žveplove kisline (ali kakšne druge kisline ali alkalije), nato pa vzamete dve kovinski plošči in nanju povežete vodnike, te plošče spustite v posodo in priključite vir toka na druge konce vodnikov skozi stikalo in ampermeter, potem se bo plin sprostil iz raztopine in se bo nadaljeval neprekinjeno, dokler je tokokrog zaprt, ker zakisana voda je res prevodnik. Poleg tega se bodo plošče začele pokrivati ​​s plinskimi mehurčki. Ti mehurčki se nato odlomijo s plošč in izstopijo.

Ko gre električni tok skozi raztopino, pride do kemičnih sprememb, ki povzročijo sproščanje plina.

Prevodnike druge vrste imenujemo elektroliti, pojav, ki se pojavi v elektrolitu, ko skozenj teče električni tok, pa je.

Kovinske plošče, potopljene v elektrolit, imenujemo elektrode; ena od njih, povezana s pozitivnim polom tokovnega vira, se imenuje anoda, druga, povezana z negativnim polom, pa se imenuje katoda.

Kaj določa prehod električnega toka v tekočem prevodniku? Izkazalo se je, da v takih raztopinah (elektroliti) molekule kisline (alkalije, sol) pod vplivom topila (v tem primeru vode) razpadejo na dve komponenti in En delec molekule ima pozitiven električni naboj, drugi pa negativnega.

Delce molekule, ki imajo električni naboj, imenujemo ioni. Ko kislino, sol ali alkalijo raztopimo v vodi, se v raztopini pojavi veliko število pozitivnih in negativnih ionov.

Zdaj bi moralo postati jasno, zakaj je električni tok šel skozi raztopino, saj je med elektrodama, povezanima z virom toka, nastala napetost, z drugimi besedami, izkazalo se je, da je ena od njih pozitivno nabita, druga pa negativno. Pod vplivom te potencialne razlike so se proti negativni elektrodi - katodi začeli mešati pozitivni ioni, proti anodi pa negativni ioni.

Tako je kaotično gibanje ionov postalo urejeno nasprotno gibanje negativnih ionov v eno smer in pozitivnih v drugo. Ta proces prenosa naboja predstavlja pretok električnega toka skozi elektrolit in poteka, dokler obstaja potencialna razlika med elektrodama. Z izginotjem potencialne razlike se tok skozi elektrolit ustavi, urejeno gibanje ionov je moteno in spet se začne kaotično gibanje.

Kot primer si oglejmo pojav elektrolize pri prehodu električnega toka skozi raztopino bakrovega sulfata CuSO4 z bakrenimi elektrodami, spuščenimi vanj.

Pojav elektrolize, ko tok teče skozi raztopino bakrovega sulfata: C - posoda z elektrolitom, B - vir toka, C - stikalo

Tu bo prišlo tudi do nasprotnega gibanja ionov do elektrod. Pozitivni ion bo bakrov ion (Cu), negativni ion pa bo ion kislinskega ostanka (SO4). Bakrovi ioni se bodo ob stiku s katodo izpraznili (pripeli manjkajoče elektrone), to pomeni, da se bodo pretvorili v nevtralne molekule čistega bakra in odložili na katodo v obliki tanke (molekularne) plasti.

Negativni ioni, ki dosežejo anodo, se tudi izpraznijo (oddajo odvečne elektrone). Toda hkrati vstopijo v kemično reakcijo z bakrom anode, zaradi česar se kislemu ostanku SO4 doda bakrova molekula Cu in nastane molekula bakrovega sulfata CuS O4, ki se vrne nazaj do elektrolita.

Ker je ta kemični proces dolgotrajen, se baker nalaga na katodo in se sprosti iz elektrolita. V tem primeru elektrolit namesto molekul bakra, ki so šle na katodo, prejme nove molekule bakra zaradi raztapljanja druge elektrode - anode.

Enak postopek se zgodi, če namesto bakrenih vzamemo cinkove elektrode, elektrolit pa je raztopina cinkovega sulfata ZnSO4. Cink se bo tudi prenesel z anode na katodo.

torej razlika med električnim tokom v kovinskih in tekočih prevodnikih je v tem, da so v kovinah nosilci naboja samo prosti elektroni, to je negativni naboj, medtem ko ga v elektrolitih prenašajo nasprotno nabiti delci snovi - ioni, ki se gibljejo v nasprotnih smereh. Zato pravijo, da Elektroliti kažejo ionsko prevodnost.

Pojav elektrolize je leta 1837 odkril B. S. Jacobi, ki je izvedel številne poskuse raziskav in izboljšav kemičnih tokovnih virov. Jacobi je ugotovil, da je ena od elektrod, postavljena v raztopino bakrovega sulfata, postala prevlečena z bakrom, ko je skozi njo stekel električni tok.

Ta pojav se imenuje galvanizacija, zdaj najde izjemno široko praktično uporabo. En primer tega je prevleka kovinskih predmetov s tanko plastjo drugih kovin, na primer nikljanje, pozlačenje, posrebrenje itd.

Plini (vključno z zrakom) v normalnih pogojih ne prevajajo električnega toka. Na primer, goli, ki visijo vzporedno drug z drugim, se znajdejo drug od drugega izolirani s plastjo zraka.

Vendar pa se pod vplivom visoke temperature, velikih potencialnih razlik in drugih razlogov plini, tako kot tekoči prevodniki, ionizirajo, to pomeni, da se v njih v velikih količinah pojavijo delci plinskih molekul, ki kot nosilci električne energije olajšajo prehod električnega toka. tok skozi plin.

Toda hkrati se ionizacija plina razlikuje od ionizacije tekočega prevodnika. Če v tekočini molekula razpade na dva nabita dela, potem se v plinih pod vplivom ionizacije elektroni vedno ločijo od vsake molekule in ostane ion v obliki pozitivno nabitega dela molekule.

Ko se ionizacija plina ustavi, ta ne bo več prevoden, medtem ko tekočina vedno ostane prevodnik električnega toka. Posledično je prevodnost plinov začasen pojav, odvisen od delovanja zunanjih vzrokov.

Vendar pa obstaja še en imenovan obločna razelektritev ali preprosto električni oblok. Pojav električnega obloka je v začetku 19. stoletja odkril prvi ruski elektrotehnik V. V. Petrov.

V. V. Petrov je s številnimi poskusi odkril, da med dvema ogljema, povezanima z virom toka, poteka neprekinjena električna razelektritev skozi zrak, ki jo spremlja močna svetloba. V. V. Petrov je v svojih spisih zapisal, da je v tem primeru "temni mir mogoče osvetliti precej svetlo." Tako je bila prvič pridobljena električna svetloba, ki jo je praktično uporabil drugi ruski elektroinženir Pavel Nikolajevič Jabločkov.

Sveča Yablochkov, katere delovanje temelji na uporabi električnega obloka, je v tistih časih naredila pravo revolucijo v elektrotehniki.

Obločna razelektritev se še danes uporablja kot vir svetlobe, na primer v reflektorjih in projekcijskih napravah. Visoka temperatura obločnega praznjenja omogoča uporabo za. Trenutno se obločne peči, ki jih napaja zelo visok tok, uporabljajo v številnih panogah: za taljenje jekla, litega železa, ferozlitin, brona itd. Leta 1882 je N. N. Benardos prvič uporabil obločno razelektritev za rezanje in varjenje kovin.

V plinsko-svetlobnih ceveh, fluorescenčnih sijalkah, stabilizatorjih napetosti, ti žareča plinska razelektritev.

Iskričasta razelektritev se uporablja za merjenje velikih potencialnih razlik z uporabo kroglične reže, katere elektrodi sta dve kovinski krogli s polirano površino. Kroglice se odmaknejo in nanje se uporabi izmerjena potencialna razlika. Nato se krogli približujeta, dokler med njima ne preskoči iskrica. Če poznate premer kroglic, razdaljo med njimi, tlak, temperaturo in vlažnost zraka, poiščite potencialno razliko med kroglicami s pomočjo posebnih tabel. Ta metoda lahko izmeri potencialne razlike reda desettisočev voltov z natančnostjo nekaj odstotkov.

V naravi ni absolutnih dielektrikov. Urejeno gibanje delcev - nosilcev električnega naboja - to je tok, lahko povzročimo v katerem koli okolju, vendar so za to potrebni posebni pogoji. Tukaj si bomo ogledali, kako se v plinih pojavljajo električni pojavi in ​​kako se lahko plin iz zelo dobrega dielektrika pretvori v zelo dober prevodnik. Zanimalo nas bo, v kakšnih pogojih se pojavi električni tok v plinih in kakšne so njegove značilnosti.

Električne lastnosti plinov

Dielektrik je snov (medij), v kateri koncentracija delcev - prostih nosilcev električnega naboja - ne doseže pomembne vrednosti, zaradi česar je prevodnost zanemarljiva. Vsi plini so dobri dielektriki. Njihove izolacijske lastnosti se uporabljajo povsod. Na primer, v katerem koli stikalu se vezje odpre, ko so kontakti postavljeni v takšen položaj, da se med njimi oblikuje zračna reža. Žice v električnih vodih so med seboj izolirane tudi z zračno plastjo.

Strukturna enota katerega koli plina je molekula. Sestavljen je iz atomskih jeder in elektronskih oblakov, torej je skupek električnih nabojev, ki so na nek način porazdeljeni v prostoru. Zaradi posebnosti svoje zgradbe se lahko molekula plina polarizira pod vplivom zunanjega električnega polja. Velika večina molekul, ki sestavljajo plin, je v normalnih pogojih električno nevtralnih, saj se naboji v njih medsebojno izničijo.

Če na plin uporabimo električno polje, bodo molekule prevzele dipolno orientacijo in zavzele prostorski položaj, ki kompenzira učinek polja. Nabiti delci, prisotni v plinu, se bodo pod vplivom Coulombovih sil začeli premikati: pozitivni ioni - proti katodi, negativni ioni in elektroni - proti anodi. Če pa polje nima zadostnega potenciala, ne nastane en sam usmerjen tok nabojev, temveč lahko govorimo o posameznih tokovih, ki so tako šibki, da jih je treba zanemariti. Plin se obnaša kot dielektrik.

Tako je za pojav električnega toka v plinih potrebna visoka koncentracija prostih nosilcev naboja in prisotnost polja.

Ionizacija

Proces plazovitega naraščanja števila prostih nabojev v plinu imenujemo ionizacija. V skladu s tem se plin, v katerem je prisotna znatna količina nabitih delcev, imenuje ioniziran. V takšnih plinih nastane električni tok.

Proces ionizacije je povezan s kršitvijo nevtralnosti molekul. Kot posledica odstranitve elektrona nastanejo pozitivni ioni, dodatek elektrona k molekuli povzroči nastanek negativnega iona. Poleg tega ionizirani plin vsebuje veliko prostih elektronov. Pozitivni ioni in predvsem elektroni so glavni nosilci naboja med električnim tokom v plinih.

Ionizacija se pojavi, ko se delcu prenese določena količina energije. Tako lahko zunanji elektron v molekuli, ko prejme to energijo, zapusti molekulo. Medsebojni trki nabitih delcev z nevtralnimi povzročijo izbijanje novih elektronov, proces pa dobi plazovit značaj. Poveča se tudi kinetična energija delcev, kar močno spodbuja ionizacijo.

Od kod prihaja energija, porabljena za vzbujanje električnega toka v plinih? Ionizacija plinov ima več energijskih virov, po katerih se običajno imenujejo njene vrste.

1. Ionizacija z električnim poljem. V tem primeru se potencialna energija polja pretvori v kinetično energijo delcev.
2. Toplotna ionizacija. Povišanje temperature povzroči tudi nastanek velikega števila prostih nabojev.
3. Fotoionizacija. Bistvo tega procesa je, da energijo posredujejo elektronom kvanti elektromagnetnega sevanja - fotoni, če imajo dovolj visoko frekvenco (ultravijolični, rentgenski, gama kvanti).
4. Udarna ionizacija je posledica pretvorbe kinetične energije trkajočih se delcev v energijo ločevanja elektronov. Skupaj s toplotno ionizacijo služi kot glavni dejavnik pri vzbujanju električnega toka v plinih.

Za vsak plin je značilna določena mejna vrednost - ionizacijska energija, ki je potrebna, da se elektron odcepi od molekule in premaga potencialno oviro. Ta vrednost za prvi elektron se giblje od nekaj voltov do dve desetini voltov; Za odstranitev naslednjega elektrona iz molekule je potrebna večja energija in tako naprej.

Upoštevati je treba, da hkrati z ionizacijo v plinu pride do obratnega procesa - rekombinacije, to je obnove nevtralnih molekul pod vplivom Coulombovih privlačnih sil.

Plinski izpust in njegove vrste

Torej električni tok v plinih nastane zaradi urejenega gibanja nabitih delcev pod vplivom električnega polja, ki se nanje nanaša. Prisotnost takih nabojev pa je možna zaradi različnih ionizacijskih dejavnikov.

Tako toplotna ionizacija zahteva visoke temperature, vendar odprt plamen v povezavi z določenimi kemičnimi procesi spodbuja ionizacijo. Že pri sorazmerno nizki temperaturi ob prisotnosti plamena se zabeleži pojav električnega toka v plinih, eksperimentiranje s prevodnostjo plina pa omogoča enostavno preverjanje tega. Plamen gorilnika ali sveče je treba postaviti med plošče napolnjenega kondenzatorja. Tokokrog, ki je bil prej odprt zaradi zračne reže v kondenzatorju, se bo zaprl. Galvanometer, priključen na vezje, bo pokazal prisotnost toka.

Električni tok v plinih imenujemo plinska razelektritev. Upoštevati je treba, da mora biti za ohranitev stabilnosti praznjenja delovanje ionizatorja konstantno, saj zaradi stalne rekombinacije plin izgubi svoje električno prevodne lastnosti. Nekateri nosilci električnega toka v plinih - ioni - se nevtralizirajo na elektrodah, drugi - elektroni - ko dosežejo anodo, se usmerijo na "plus" vira polja. Če ionizirajoči faktor preneha delovati, bo plin takoj spet postal dielektrik in tok se bo ustavil. Takšen tok, odvisen od delovanja zunanjega ionizatorja, imenujemo nesamovzdržna razelektritev.

Posebnosti prehoda električnega toka skozi pline opisuje posebna odvisnost toka od napetosti - tokovno-napetostna karakteristika.

Razmislimo o razvoju plinske razelektritve na grafu odvisnosti toka od napetosti. Ko se napetost poveča na določeno vrednost U 1, se tok poveča sorazmerno z njo, to pomeni, da je Ohmov zakon izpolnjen. Poveča se kinetična energija in s tem hitrost nabojev v plinu, ta proces pa prehiti rekombinacijo. Pri vrednostih napetosti od U 1 do U 2 je to razmerje kršeno; ko je dosežen U2, vsi nosilci naboja dosežejo elektrode, ne da bi imeli čas za rekombinacijo. Uporabijo se vsi brezplačni naboji, nadaljnje povečanje napetosti pa ne povzroči povečanja toka. Ta vrsta gibanja nabojev se imenuje tok nasičenja. Tako lahko rečemo, da je električni tok v plinih tudi posledica posebnosti obnašanja ioniziranega plina v električnih poljih različnih jakosti.

Ko potencialna razlika na elektrodah doseže določeno vrednost U 3, postane napetost tolikšna, da električno polje povzroči plazovito ionizacijo plina. Kinetična energija prostih elektronov je že dovolj za udarno ionizacijo molekul. Njihova hitrost je v večini plinov okoli 2000 km/s in več (izračunamo jo po približni formuli v=600 Ui, kjer je Ui ionizacijski potencial). V tem trenutku pride do razpada plina in zaradi notranjega ionizacijskega vira pride do znatnega povečanja toka. Zato se tak izpust imenuje neodvisen.

Prisotnost zunanjega ionizatorja v tem primeru ne igra več vloge pri vzdrževanju električnega toka v plinih. Samovzdrževalna razelektritev pod različnimi pogoji in z različnimi značilnostmi vira električnega polja ima lahko določene značilnosti. Obstajajo takšne vrste samopraznjenja, kot so žarenje, iskra, oblok in korona. Ogledali si bomo, kako se električni tok obnaša v plinih, na kratko za vsako od teh vrst.

Potencialna razlika od 100 (ali celo manj) do 1000 voltov zadostuje za sprožitev samopraznjenja. Zato se žareča razelektritev, za katero je značilna nizka vrednost toka (od 10 -5 A do 1 A), pojavi pri tlakih, ki niso višji od nekaj milimetrov živega srebra.

V cevi z redkim plinom in hladnimi elektrodami je razelektritev, ki nastane, videti kot tanka žareča vrvica med elektrodama. Če nadaljujete s črpanjem plina iz cevi, se vrvica izpere in pri tlaku desetink milimetra živega srebra sij skoraj v celoti napolni cev. V bližini katode ni sijaja - v tako imenovanem temnem katodnem prostoru. Preostanek se imenuje pozitivni stolpec. V tem primeru so glavni procesi, ki zagotavljajo obstoj razelektritve, lokalizirani ravno v temnem katodnem prostoru in na območju, ki meji nanj. Tu se nabiti delci plina pospešijo in izbijejo elektrone iz katode.

Pri žareči razelektritvi je vzrok ionizacije emisija elektronov s katode. Elektroni, ki jih oddaja katoda, povzročijo udarno ionizacijo plinskih molekul, nastali pozitivni ioni povzročijo sekundarno emisijo iz katode itd. Sijaj pozitivnega stebra je predvsem posledica sproščanja fotonov s strani vzbujenih molekul plina, za različne pline pa je značilen sij določene barve. Pozitivni stolpec sodeluje pri nastanku žarilne razelektritve le kot del električnega tokokroga. Če elektrodi približate, lahko pozitivni stolpec izgine, vendar se razelektritev ne bo ustavila. Vendar pa z nadaljnjim zmanjšanjem razdalje med elektrodama razelektritev ne more obstajati.

Vedeti je treba, da za to vrsto električnega toka v plinih fizika nekaterih procesov še ni povsem razjasnjena. Na primer, narava sil, ki povzročajo širjenje območja na površini katode, ki sodeluje pri praznjenju, ko se tok povečuje, ostaja nejasna.

Iskrica

Razpad iskre ima impulzno naravo. Pojavi se pri tlakih blizu normalnega atmosferskega tlaka, v primerih, ko je moč vira električnega polja nezadostna za vzdrževanje stacionarne razelektritve. Moč polja je visoka in lahko doseže 3 MV/m. Za pojav je značilno močno povečanje praznjenja električnega toka v plinu, hkrati pa napetost izjemno hitro pade in praznjenje se ustavi. Nato se potencialna razlika spet poveča in celoten proces se ponovi.

Pri tej vrsti praznjenja nastanejo kratkotrajni kanali iskre, katerih rast se lahko začne s katere koli točke med elektrodama. To je posledica dejstva, da udarna ionizacija poteka naključno na mestih, kjer je trenutno koncentrirano največje število ionov. V bližini kanala iskre se plin hitro segreje in doživi toplotno ekspanzijo, kar povzroči akustične valove. Zato iskrico spremlja prasketanje, pa tudi sproščanje toplote in svetel sij. Procesi lavinske ionizacije ustvarjajo visoke tlake in temperature v kanalu iskre do 10 tisoč stopinj in več.

Najbolj presenetljiv primer naravnega iskričnega praznjenja je strela. Premer glavnega kanala iskre strele je lahko od nekaj centimetrov do 4 m, dolžina kanala pa lahko doseže 10 km. Moč toka doseže 500 tisoč amperov, potencialna razlika med nevihtnim oblakom in površino Zemlje pa doseže milijardo voltov.

Najdaljši udar strele, dolg 321 km, so opazili leta 2007 v Oklahomi v ZDA. Rekorder po najdaljšem trajanju je bila strela, ki so jo leta 2012 zabeležili v francoskih Alpah – trajala je dobrih 7,7 sekunde. Ob udaru strele se lahko zrak segreje do 30 tisoč stopinj, kar je 6-krat več od temperature vidne površine Sonca.

V primerih, ko je moč vira električnega polja dovolj velika, se iskrična razelektritev razvije v obločno razelektritev.

Za to vrsto samopraznjenja je značilna visoka gostota toka in nizka (manj kot žareča razelektritev) napetost. Razdalja preboja je kratka zaradi neposredne bližine elektrod. Razelektritev se sproži z emisijo elektrona s površine katode (pri kovinskih atomih je ionizacijski potencial majhen v primerjavi z molekulami plina). Med okvaro se med elektrodama ustvarijo pogoji, pod katerimi plin prevaja električni tok, in pride do iskre, ki sklene tokokrog. Če je moč vira napetosti dovolj visoka, se iskričaste razelektritve spremenijo v stabilen električni oblok.

Ionizacija med praznjenjem obloka doseže skoraj 100%, tok je zelo visok in se lahko giblje od 10 do 100 amperov. Pri atmosferskem tlaku se lahko lok segreje do 5-6 tisoč stopinj, katoda pa do 3 tisoč stopinj, kar vodi do intenzivnega termionskega sevanja z njegove površine. Obstreljevanje anode z elektroni povzroči delno uničenje: na njej nastane vdolbina - krater s temperaturo okoli 4000 °C. Povišanje tlaka povzroči še večje povišanje temperatur.

Ko sta elektrodi ločeni, ostane obločna razelektritev stabilna do določene razdalje, kar omogoča boj proti njej na tistih področjih električne opreme, kjer je škodljiva zaradi korozije in izgorelosti kontaktov, ki jo povzroča. To so naprave, kot so visokonapetostni in odklopniki, kontaktorji in drugi. Eden od načinov boja proti oblokom, ki nastanejo ob odpiranju kontaktov, je uporaba dušilnih komor, ki temeljijo na principu raztezanja obloka. Uporabljajo se tudi številne druge metode: obvod kontaktov, uporaba materialov z visokim ionizacijskim potencialom ipd.

Razvoj koronske razelektritve se pojavi pri normalnem atmosferskem tlaku v močno nehomogenih poljih v bližini elektrod z veliko površinsko ukrivljenostjo. To so lahko kroglice, drogovi, žice, različni elementi električne opreme, ki imajo zapleteno obliko, in celo človeški lasje. Takšna elektroda se imenuje koronska elektroda. Ionizacijski procesi in s tem plinski sij potekajo le v njegovi bližini.

Korona lahko nastane tako na katodi (negativna korona), ko je obstreljena z ioni, kot na anodi (pozitivna korona) kot posledica fotoionizacije. Za negativno korono, pri kateri je proces ionizacije kot posledica toplotne emisije usmerjen stran od elektrode, je značilen enakomeren sij. V pozitivni koroni lahko opazimo strimerje - svetleče črte prelomljene konfiguracije, ki se lahko spremenijo v kanale iskre.

Primer koronske razelektritve v naravnih razmerah so tiste, ki se pojavljajo na konicah visokih jamborov, krošnjah dreves itd. Nastanejo pri visoki električni poljski jakosti v ozračju, pogosto pred nevihto ali med snežnim viharjem. Poleg tega so bili posneti na koži letal, ujetih v oblak vulkanskega pepela.

Koronska razelektritev na daljnovodih vodi do znatnih izgub električne energije. Pri visokih napetostih se lahko koronska razelektritev spremeni v obločno razelektritev. Z njim se borimo na različne načine, na primer s povečanjem polmera ukrivljenosti prevodnikov.

Električni tok v plinih in plazmi

Popolnoma ali delno ioniziran plin se imenuje plazma in velja za četrto agregatno stanje. Na splošno je plazma električno nevtralna, saj je skupni naboj njenih sestavnih delcev enak nič. To ga razlikuje od drugih sistemov nabitih delcev, kot so elektronski žarki.

V naravnih pogojih plazma praviloma nastane pri visokih temperaturah zaradi trka atomov plina pri visokih hitrostih. Velika večina barionske snovi v vesolju je v stanju plazme. To so zvezde, del medzvezdne snovi, medgalaktični plin. Tudi zemeljska ionosfera je redka, šibko ionizirana plazma.

Stopnja ionizacije je pomembna lastnost plazme – od nje so odvisne njene prevodne lastnosti. Stopnja ionizacije je opredeljena kot razmerje med številom ioniziranih atomov in skupnim številom atomov na enoto prostornine. Bolj ko je plazma ionizirana, večja je njena električna prevodnost. Poleg tega je značilna visoka mobilnost.

Vidimo torej, da plini, ki prevajajo električni tok znotraj razelektritvenega kanala, niso nič drugega kot plazma. Tako sta žareča in koronska razelektritev primera hladne plazme; kanal iskre strele ali električni oblok sta primera vroče, skoraj popolnoma ionizirane plazme.

Električni tok v kovinah, tekočinah in plinih - razlike in podobnosti

Oglejmo si značilnosti, ki so značilne za plinsko razelektritev v primerjavi z lastnostmi toka v drugih medijih.

V kovinah je tok usmerjeno gibanje prostih elektronov, ki ne povzroča kemičnih sprememb. Vodniki te vrste se imenujejo vodniki prve vrste; Sem spadajo poleg kovin in zlitin še premog, nekatere soli in oksidi. Odlikuje jih elektronska prevodnost.

Prevodniki druge vrste so elektroliti, to je tekoče vodne raztopine alkalij, kislin in soli. Prehod toka je povezan s kemično spremembo elektrolita - elektrolizo. Ioni snovi, raztopljene v vodi, se pod vplivom potencialne razlike premikajo v nasprotnih smereh: pozitivni kationi - do katode, negativni anioni - do anode. Proces spremlja sproščanje plina ali odlaganje kovinske plasti na katodo. Za prevodnike druge vrste je značilna ionska prevodnost.

Kar zadeva prevodnost plinov, je, prvič, začasna, in drugič, ima znake podobnosti in razlike z vsakim od njih. Tako je električni tok v elektrolitih in plinih odnašanje nasprotno nabitih delcev, usmerjenih proti nasprotnim elektrodam. Medtem ko je za elektrolite značilna čisto ionska prevodnost, pri plinski razelektritvi s kombinacijo elektronske in ionske vrste prevodnosti vodilna vloga pripada elektronom. Druga razlika med električnim tokom v tekočinah in plinih je narava ionizacije. V elektrolitu molekule raztopljene spojine disociirajo v vodi, v plinu pa se molekule ne sesedejo, ampak le izgubijo elektrone. Zato plinska razelektritev, tako kot tok v kovinah, ni povezana s kemičnimi spremembami.

Tudi tok v tekočinah in plinih je drugačen. Prevodnost elektrolitov je na splošno podrejena Ohmovemu zakonu, vendar med plinsko razelektritvijo tega ne opazimo. Tokovno-napetostna karakteristika plinov je veliko bolj zapletena, povezana z lastnostmi plazme.

Omeniti je treba tudi splošne in posebnosti električnega toka v plinih in v vakuumu. Vakuum je skoraj popoln dielektrik. "Skoraj" - ker je v vakuumu kljub odsotnosti (natančneje, izjemno nizki koncentraciji) prostih nosilcev naboja možen tudi tok. Toda potencialni nosilci so že prisotni v plinu, le ionizirati jih je treba. Nosilci naboja se vnesejo v vakuum iz snovi. Praviloma se to zgodi s procesom oddajanja elektronov, na primer pri segrevanju katode (termionska emisija). Toda pri različnih vrstah plinskih izpustov ima emisija, kot smo videli, pomembno vlogo.

Uporaba plinskih razelektritev v tehnologiji

O škodljivosti nekaterih izpustov smo že na kratko govorili zgoraj. Bodimo zdaj pozorni na prednosti, ki jih prinašajo v industriji in vsakdanjem življenju.

Žarilna razelektritev se uporablja v elektrotehniki (stabilizatorji napetosti) in v tehnologiji nanašanja prevlek (metoda katodnega razprševanja, ki temelji na pojavu katodne korozije). V elektroniki se uporablja za proizvodnjo ionskih in elektronskih žarkov. Splošno znana področja uporabe žarilne razelektritve so fluorescentne in tako imenovane varčne sijalke ter dekorativne neonske in argonove cevi. Poleg tega se žareča razelektritev uporablja v spektroskopiji.

Iskrica se uporablja v varovalkah in pri metodah električne razelektritve za natančno obdelavo kovin (iskrenje, vrtanje itd.). Najbolj znan pa je po uporabi v svečkah za motorje z notranjim zgorevanjem in v gospodinjskih aparatih (plinske peči).

Obločna razelektritev, ki je bila prvič uporabljena v svetlobni tehniki že leta 1876 (sveča Yablochkov - "ruska luč"), še vedno služi kot vir svetlobe - na primer v projekcijskih napravah in močnih reflektorjih. V elektrotehniki se oblok uporablja v živosrebrnih usmernikih. Poleg tega se uporablja pri električnem varjenju, rezanju kovin in industrijskih električnih pečeh za taljenje jekla in zlitin.

Koronska razelektritev se uporablja v električnih filtrih za čiščenje ionskih plinov, v števcih delcev, v strelovodih in v klimatskih sistemih. Koronska razelektritev deluje tudi v fotokopirnih strojih in laserskih tiskalnikih, kjer polni in prazni fotoobčutljiv boben in prah prenaša iz bobna na papir.

Tako najdejo plinske razelektritve vseh vrst najširšo uporabo. Električni tok v plinih se uspešno in učinkovito uporablja na številnih področjih tehnike.

V normalnih pogojih plini ne prevajajo elektrike, ker so njihove molekule električno nevtralne. Na primer, suh zrak je dober izolator, kar smo lahko preverili s pomočjo najpreprostejših poskusov v elektrostatiki. Zrak in drugi plini pa postanejo prevodniki električnega toka, če se v njih tako ali drugače ustvarjajo ioni.

riž. 100. Zrak postane prevodnik električnega toka, če je ioniziran

Najenostavnejši poskus, ki ponazarja prevodnost zraka med njegovo ionizacijo s plamenom, je prikazan na sl. 100: naboj na ploščah, ki traja dolgo časa, hitro izgine, ko v prostor med ploščama vstavimo prižgano vžigalico.

Izpust plina. Postopek prehajanja električnega toka skozi plin običajno imenujemo plinska razelektritev (ali električna razelektritev v plinu). Plinske razelektritve delimo na dve vrsti: samovzdrževalne in nesamovzdrževalne.

Nesamostojen izpust. Razelektritev v plinu se imenuje nesamovzdrževalna, če je za njeno vzdrževanje potreben zunanji vir

ionizacija. Ioni v plinu lahko nastanejo pod vplivom visokih temperatur, rentgenskega in ultravijoličnega sevanja, radioaktivnosti, kozmičnih žarkov itd. V vseh teh primerih se iz elektronske ovojnice atoma ali molekule sprosti en ali več elektronov. Posledično se v plinu pojavijo pozitivni ioni in prosti elektroni. Sproščeni elektroni se lahko pritrdijo na nevtralne atome ali molekule in jih spremenijo v negativne ione.

Ionizacija in rekombinacija. Poleg ionizacijskih procesov v plinu potekajo tudi procesi povratne rekombinacije: pozitivni in negativni ioni ali pozitivni ioni in elektroni z medsebojnim povezovanjem tvorijo nevtralne molekule ali atome.

Spremembo koncentracije ionov skozi čas zaradi stalnega vira ionizacijskih in rekombinacijskih procesov lahko opišemo na naslednji način. Predpostavimo, da ionizacijski vir ustvari pozitivne ione in enako število elektronov na prostorninsko enoto plina na časovno enoto. Če v plinu ni električnega toka in lahko zanemarimo odmik ionov iz obravnavanega volumna zaradi difuzije, bo edini mehanizem za zmanjšanje koncentracije ionov rekombinacija.

Rekombinacija se pojavi, ko se pozitivni ion sreča z elektronom. Število takih srečanj je sorazmerno tako s številom ionov kot s številom prostih elektronov, torej sorazmerno s . Zato lahko zmanjšanje števila ionov na enoto prostornine na enoto časa zapišemo v obliki , kjer je a konstantna vrednost, imenovana rekombinacijski koeficient.

Če so vnesene predpostavke veljavne, bo enačba bilance za ione v plinu zapisana v obliki

Te diferencialne enačbe ne bomo reševali v splošni obliki, ampak bomo obravnavali nekaj zanimivih posebnih primerov.

Najprej ugotavljamo, da bi se morali procesi ionizacije in rekombinacije čez nekaj časa medsebojno kompenzirati in v plinu se bo vzpostavila stalna koncentracija; vidimo, da ko

Močnejši kot je ionizacijski vir in nižji kot je rekombinacijski koeficient a, večja je stacionarna koncentracija ionov.

Po izklopu ionizatorja je zmanjšanje koncentracije ionov opisano z enačbo (1), v kateri morate vzeti kot začetno vrednost koncentracije

Če prepišemo to enačbo v obliki, ki jo dobimo po integraciji

Graf te funkcije je prikazan na sl. 101. To je hiperbola, katere asimptote so časovna os in navpična ravna črta. Seveda ima samo del hiperbole, ki ustreza vrednostim, fizični pomen. Upoštevajte počasno naravo zmanjšanja koncentracije s časom v primerjavi z eksponentnimi procesi upadanja, ki jih pogosto srečamo v fiziki in se realizirajo, ko je hitrost upadanja katere koli količine sorazmerna s prvo potenco trenutne vrednosti te količine.

riž. 101. Zmanjšanje koncentracije ionov v plinu po izklopu ionizacijskega vira

Nesamoprevodnost. Proces zmanjševanja koncentracije ionov po prenehanju delovanja ionizatorja se znatno pospeši, če je plin v zunanjem električnem polju. Z vlečenjem elektronov in ionov na elektrode lahko električno polje brez ionizatorja zelo hitro zmanjša električno prevodnost plina na nič.

Da bi razumeli zakone nesamovzdržne razelektritve, si poenostavimo primer, ko tok v plinu, ioniziranem z zunanjim virom, teče med dvema ravnima elektrodama, vzporednima druga drugi. V tem primeru so ioni in elektroni v enotnem električnem polju z intenziteto E, ki je enaka razmerju napetosti, ki se uporablja za elektrode, in razdalje med njimi.

Mobilnost elektronov in ionov. Pri konstantni dovedeni napetosti se v tokokrogu vzpostavi določena konstantna jakost toka 1. To pomeni, da se elektroni in ioni v ioniziranem plinu gibljejo s stalnimi hitrostmi. Da bi pojasnili to dejstvo, moramo predpostaviti, da so poleg stalne pospeševalne sile električnega polja gibljivi ioni in elektroni podvrženi silam upora, ki naraščajo z naraščajočo hitrostjo. Te sile opisujejo povprečni učinek trkov elektronov in ionov z nevtralnimi atomi in molekulami plina. Zahvaljujoč silam odpora

V povprečju se vzpostavijo konstantne hitrosti elektronov in ionov, sorazmerne z jakostjo električnega polja E:

Proporcionalni koeficienti se imenujejo mobilnost elektronov in ionov. Mobilnosti ionov in elektronov imajo različne vrednosti in so odvisne od vrste plina, njegove gostote, temperature itd.

Gostota električnega toka, to je naboj, ki ga elektroni in ioni prenesejo na enoto časa skozi enoto površine, je izražena s koncentracijo elektronov in ionov, njihovimi naboji in hitrostjo enakomernega gibanja.

Kvazinevtralnost. V običajnih pogojih je ioniziran plin kot celota električno nevtralen ali, kot pravijo, kvazinevtralen, ker je v majhnih količinah, ki vsebujejo relativno majhno število elektronov in ionov, lahko pogoj električne nevtralnosti kršen. To pomeni, da je odnos zadovoljen

Gostota toka med nesamovzdržno razelektritvijo. Za pridobitev zakona za spremembo koncentracije nosilcev toka skozi čas med nesamovzdržno razelektritvijo v plinu je treba poleg procesov ionizacije z zunanjim virom in rekombinacije upoštevati tudi uhajanje elektronov in ionov na elektrode. Število delcev na enoto časa na površino elektrode iz volumna je enako Hitrost padanja koncentracije takih delcev dobimo tako, da to število delimo s prostornino plina med elektrodama. Zato bo ravnotežna enačba namesto (1) ob prisotnosti toka zapisana v obliki

Za vzpostavitev režima, ko iz (8) dobimo

Enačba (9) nam omogoča, da poiščemo odvisnost stacionarne gostote toka med nesamovzdržno razelektritvijo od uporabljene napetosti (ali od poljske jakosti E).

Takoj sta vidna dva omejevalna primera.

Ohmov zakon. Pri nizki napetosti, ko lahko v enačbi (9) drugi člen na desni strani zanemarimo, po čemer dobimo formule (7) in imamo

Gostota toka je sorazmerna z jakostjo uporabljenega električnega polja. Tako je za nesamovzdržno plinsko razelektritev v šibkih električnih poljih Ohmov zakon izpolnjen.

Tok nasičenja. Pri nizki koncentraciji elektronov in ionov v enačbi (9) lahko prvega (kvadratnega glede na člene na desni strani) zanemarimo.V tem približku je vektor gostote toka usmerjen vzdolž električne poljske jakosti in njegov modul

ni odvisen od uporabljene napetosti. Ta rezultat velja za močna električna polja. V tem primeru govorimo o nasičenem toku.

Oba obravnavana mejna primera je mogoče preučiti brez uporabe enačbe (9). Vendar na ta način ni mogoče izslediti, kako z naraščajočo napetostjo pride do prehoda iz Ohmovega zakona v nelinearno odvisnost toka od napetosti.

V prvem mejnem primeru, ko je tok zelo majhen, je glavni mehanizem za odstranjevanje elektronov in ionov iz območja razelektritve rekombinacija. Zato lahko za stacionarno koncentracijo uporabimo izraz (2), ki ob upoštevanju (7) takoj da formulo (10). V drugem omejevalnem primeru je, nasprotno, rekombinacija zanemarjena. V močnem električnem polju se elektroni in ioni med letom od ene elektrode do druge nimajo časa opazno rekombinirati, če je njihova koncentracija dovolj nizka. Nato vsi elektroni in ioni, ki jih ustvari zunanji vir, dosežejo elektrode in skupna gostota toka je enaka Sorazmerna je z dolžino ionizacijske komore, saj je skupno število elektronov in ionov, ki jih proizvede ionizator, sorazmerno z I.

Eksperimentalna študija plinske razelektritve. Sklepi teorije nesamovzdržne plinske razelektritve so potrjeni z eksperimenti. Za preučevanje razelektritve v plinu je priročno uporabiti stekleno cev z dvema kovinskima elektrodama. Električni diagram takšne napeljave je prikazan na sl. 102. Mobilnost

elektroni in ioni so močno odvisni od tlaka plina (obratno sorazmerno s tlakom), zato je priročno izvajati poskuse pri znižanem tlaku.

Na sl. Na sliki 103 je prikazana odvisnost jakosti toka I v cevi od napetosti, ki se uporablja za elektrode cevi.Ionizacijo v cevi lahko ustvarimo na primer z rentgenskimi ali ultravijoličnimi žarki ali z uporabo šibkega radioaktivnega zdravila. Bistveno je le, da zunanji vir ionov ostane nespremenjen.Linearni odsek tokovno-napetostne karakteristike OA ustreza območju uporabnosti Ohmovega zakona.

riž. 102. Namestitveni diagram za preučevanje izpusta plina

riž. 103. Eksperimentalne tokovno-napetostne karakteristike plinske razelektritve

V odseku je jakost toka nelinearno odvisna od napetosti. Od točke B tok doseže nasičenost in ostane konstanten na določenem območju.Vse to ustreza teoretičnim napovedim.

Neodvisno odvajanje. Toda v točki C začne tok spet naraščati, najprej počasi, nato pa zelo močno. To pomeni, da se je v plinu pojavil nov, notranji vir ionov. Če sedaj odstranimo zunanji vir, se razelektritev v plinu ne ustavi, tj. razelektritev preide iz nesamovzdržne v samovzdrževalno. Med samopraznjenjem pride do tvorbe novih elektronov in ionov kot posledica notranjih procesov v samem plinu.

Ionizacija z elektronskim udarom. Povečanje toka pri prehodu iz nesamovzdržne razelektritve v samovzdržujočo se pojavi kot plaz in se imenuje električni preboj plina. Napetost, pri kateri pride do okvare, se imenuje napetost vžiga. Odvisno je od vrste plina in produkta tlaka plina in razdalje med elektrodama.

Procesi v plinu, ki so odgovorni za plazovito povečanje jakosti toka z naraščajočo uporabljeno napetostjo, so povezani z ionizacijo nevtralnih atomov ali molekul plina s prostimi elektroni, ki jih električno polje pospeši v zadostni meri.

visoke energije. Kinetična energija elektrona pred naslednjim trkom z nevtralnim atomom ali molekulo je sorazmerna z električno poljsko jakostjo E in povprečno prosto potjo elektrona X:

Če ta energija zadostuje za ionizacijo nevtralnega atoma ali molekule, tj. presega delo ionizacije

takrat, ko elektron trči z atomom ali molekulo, sta ionizirana. Posledično se namesto enega elektrona pojavita dva. Ti pa so pospešeni z električnim poljem in ionizirajo atome ali molekule, ki jih srečajo na svoji poti, itd. Proces se razvija kot plaz in se imenuje elektronski plaz. Opisani mehanizem ionizacije imenujemo ionizacija z elektronskim udarom.

Eksperimentalni dokaz, da do ionizacije nevtralnih plinskih atomov pride predvsem zaradi udarcev elektronov, ne pa pozitivnih ionov, je podal J. Townsend. Vzel je ionizacijsko komoro v obliki cilindričnega kondenzatorja, katerega notranja elektroda je bila tanka kovinska nit, raztegnjena vzdolž osi valja. V taki komori je pospeševalno električno polje zelo nehomogeno, glavno vlogo pri ionizaciji pa imajo delci, ki padejo v območje najmočnejšega polja v bližini filamenta. Izkušnje kažejo, da je pri enaki napetosti med elektrodama razelektritveni tok večji, če je pozitiven potencial priključen na žarilno nitko in ne na zunanji valj. V tem primeru gredo vsi prosti elektroni, ki ustvarjajo tok, nujno skozi območje najmočnejšega polja.

Emisija elektronov s katode. Samovzdrževalna razelektritev je lahko stacionarna le, če se v plinu nenehno pojavljajo novi prosti elektroni, saj vsi elektroni, ki nastanejo v plazu, dosežejo anodo in so izločeni iz igre. Nove elektrone iz katode izbijejo pozitivni ioni, ki jih električno polje pri gibanju proti katodi prav tako pospeši in pridobi za to dovolj energije.

Katoda lahko oddaja elektrone ne le zaradi bombardiranja z ioni, ampak tudi neodvisno, ko se segreje na visoko temperaturo. Ta proces imenujemo termionska emisija in ga lahko obravnavamo kot neke vrste izhlapevanje elektronov iz kovine. Običajno se pojavi pri temperaturah, ko je izhlapevanje samega katodnega materiala še majhno. Pri samostojni plinski razelektritvi se katoda običajno ne segreje

filament, kot v vakuumskih elektronkah, vendar zaradi sproščanja toplote, ko je obstreljen s pozitivnimi ioni. Zato katoda oddaja elektrone, tudi če energija ionov ne zadošča za izbijanje elektronov.

Samovzdržna razelektritev v plinu se pojavi ne samo kot posledica prehoda iz nesamovzdržne z naraščajočo napetostjo in odstranitvijo zunanjega vira ionizacije, temveč tudi z neposredno uporabo napetosti, ki presega mejno napetost vžiga. . Teorija kaže, da za vžig razelektritve zadostuje zelo majhna količina ionov, ki so vedno prisotni v nevtralnem plinu, že zaradi naravnega radioaktivnega ozadja.

Odvisno od lastnosti in tlaka plina, konfiguracije elektrod in napetosti na elektrodah so možne različne vrste samopraznjenja.

Žareča razelektritev. Pri nizkih tlakih (desetinke in stotinke milimetra živega srebra) v cevi opazimo žarečo razelektritev. Za vžig žarilne razelektritve zadostuje napetost nekaj sto ali celo deset voltov. V žareči razelektritvi lahko ločimo štiri značilne regije. To so katodni temni prostor, žareči (ali negativni) sij, Faradayev temni prostor in žareči pozitivni stolpec, ki zavzema večino prostora med anodo in katodo.

Prve tri regije se nahajajo v bližini katode. Tu pride do močnega padca potenciala, povezanega z visoko koncentracijo pozitivnih ionov na meji katodnega temnega prostora in tlečim sijem. Elektroni, pospešeni v območju katodnega temnega prostora, povzročijo intenzivno udarno ionizacijo v območju tlečega sija. Sijaj nastane zaradi rekombinacije ionov in elektronov v nevtralne atome ali molekule. Za stolpec pozitivne razelektritve je značilen rahel padec potenciala in sij, ki ga povzroči vrnitev vzbujenih atomov ali molekul plina v osnovno stanje.

Koronska razelektritev. Pri razmeroma visokih tlakih v plinu (reda atmosferskega tlaka) se v bližini koničastih odsekov prevodnika, kjer je električno polje zelo nehomogeno, opazi razelektritev, katere svetlobno območje spominja na koron. Koronska razelektritev se včasih pojavi naravno na krošnjah dreves, ladijskih jamborih itd. ("Ogenj sv. Elma"). Koronsko razelektritev je treba upoštevati pri visokonapetostni tehniki, ko se ta razelektritev pojavlja okoli žic visokonapetostnih daljnovodov in vodi do izgub električne energije. Koronska razelektritev najde koristno praktično uporabo v električnih filtrih za čiščenje industrijskih plinov iz nečistoč trdnih in tekočih delcev.

Ko se napetost med elektrodama poveča, se koronska razelektritev spremeni v iskrico s popolnim razpadom reže med

elektrode. Videti je kot kup svetlih cikcakasto razvejanih kanalov, ki takoj prebijejo izpustno režo in se muhasto zamenjajo. Iskrico spremlja sproščanje velike količine toplote, svetel modrikasto bel sij in močno prasketanje. Opazujemo ga lahko med kroglicami elektroforskega stroja. Primer velikanske iskre je naravna strela, kjer tok doseže 5-105 A, potencialna razlika pa 109 V.

Ker do iskre pride pri atmosferskem (in višjem) tlaku, je vžigalna napetost zelo visoka: v suhem zraku z razdaljo med elektrodama 1 cm je približno 30 kV.

Električni lok. Posebna praktično pomembna vrsta neodvisne plinske razelektritve je električni oblok. Ko dve ogljikovi ali kovinski elektrodi prideta v stik na mestu njunega stika, se zaradi velikega kontaktnega upora sprosti velika količina toplote. Posledično se začne termionska emisija in ko se elektrodi odmakneta, se med njima pojavi močno žareč lok visoko ioniziranega, visoko prevodnega plina. Moč toka tudi v majhnem loku doseže nekaj amperov, v velikem loku pa nekaj sto amperov pri napetosti približno 50 V. Električni lok se pogosto uporablja v tehnologiji kot močan vir svetlobe, v električnih pečeh in za električno varjenje . šibko zaviralno polje z napetostjo približno 0,5 V. To polje preprečuje počasnim elektronom, da bi dosegli anodo. Iz katode K, ki jo segreva električni tok, se oddajajo elektroni.

Na sl. Slika 105 prikazuje odvisnost toka v anodnem krogu od pospeševalne napetosti, dobljene v teh poskusih.Ta odvisnost ima nemonoton značaj z maksimumi pri napetostih, večkratnikih 4,9 V.

Diskretnost nivojev atomske energije. To odvisnost toka od napetosti je mogoče pojasniti le s prisotnostjo diskretnih stacionarnih stanj v atomih živega srebra. Če atom ne bi imel diskretnih stacionarnih stanj, to je, da bi njegova notranja energija lahko prevzela poljubne vrednosti, potem bi se lahko pojavili neelastični trki, ki jih spremlja povečanje notranje energije atoma, pri kateri koli energiji elektronov. Če obstajajo diskretna stanja, potem so lahko trki elektronov z atomi elastični le, dokler energija elektronov ne zadošča za prenos atoma iz osnovnega stanja v najnižje vzbujeno.

Med elastičnimi trki se kinetična energija elektronov praktično ne spremeni, saj je masa elektrona veliko manjša od mase atoma živega srebra. Pod temi pogoji se število elektronov, ki dosežejo anodo, monotono povečuje z naraščajočo napetostjo. Ko pospeševalna napetost doseže 4,9 V, postanejo trki med elektroni in atomi neelastični. Notranja energija atomov se skokovito poveča, elektron pa zaradi trka izgubi skoraj vso svojo kinetično energijo.

Zavorno polje prav tako ne dovoljuje počasnim elektronom, da preidejo na anodo in jakost toka se močno zmanjša. Ne izgine samo zato, ker nekateri elektroni dosežejo mrežo brez neelastičnih trkov. Drugi in naslednji tokovni maksimumi so pridobljeni, ker lahko pri napetostih, ki so večkratniki 4,9 V, elektroni na poti do mreže doživijo več neelastičnih trkov z atomi živega srebra.

Torej dobi elektron potrebno energijo za neelastični trk šele po prehodu skozi potencialno razliko 4,9 V. To pomeni, da se notranja energija atomov živega srebra ne more spremeniti za manj kot eV, kar dokazuje diskretnost energijskega spektra atom. Veljavnost tega sklepa potrjuje tudi dejstvo, da pri napetosti 4,9 V začne razelektritev svetiti: vzbujeni atomi s spontanim

prehajajo v osnovno stanje, oddajajo vidno svetlobo, katere frekvenca sovpada s frekvenco, izračunano po formuli

V klasičnih poskusih Franka in Hertza so bili z metodo udarca elektronov določeni ne le vzbujevalni potenciali, temveč tudi ionizacijski potenciali številnih atomov.

Navedite primer poskusa iz elektrostatike, iz katerega lahko sklepamo, da je suh zrak dober izolator.

Kje so izolacijske lastnosti zraka, ki se uporablja v tehniki?

Kaj je nesamovzdrževalna plinska razelektritev? Pod kakšnimi pogoji se pojavi?

Pojasnite, zakaj je hitrost padanja koncentracije zaradi rekombinacije sorazmerna s kvadratom koncentracije elektronov in ionov. Zakaj lahko te koncentracije štejemo za enake?

Zakaj ni smiselno, da zakon padajoče koncentracije, izražen s formulo (3), uvede koncept karakterističnega časa, ki se pogosto uporablja za eksponentno upadajoče procese, čeprav se v obeh primerih procesi na splošno nadaljujejo neskončno dolgo?

Zakaj so po vašem mnenju v definicijah gibljivosti v formulah (4) za elektrone in ione izbrani nasprotni predznaki?

Kako je jakost toka pri nesamovzdržni plinski razelektritvi odvisna od uporabljene napetosti? Zakaj pride do prehoda iz Ohmovega zakona v tok nasičenja z naraščajočo napetostjo?

Električni tok v plinu izvajajo tako elektroni kot ioni. Vendar vsaka elektroda prejme naboje samo enega predznaka. Kako je to skladno z dejstvom, da je jakost toka enaka v vseh delih serijskega vezja?

Zakaj imajo pri razelektritvi zaradi trkov največjo vlogo pri ionizaciji plina elektroni in ne pozitivni ioni?

Opišite značilnosti različnih vrst samostojnega praznjenja plina.

Zakaj rezultati poskusov Franka in Hertza kažejo na diskretnost ravni atomske energije?

Opišite fizikalne procese, ki se pojavljajo v cevi s praznim plinom v poskusih Franka in Hertza z naraščajočo pospeševalno napetostjo.