Pogoji za pretok električnega toka v plinih. Električni tok v plinih: definicija, značilnosti in zanimivosti

AT normalne razmere 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 iz elektrostatike. 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 ostane 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: neodvisne in nesamostojne.

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

ionizacija. Ioni v plinu lahko nastanejo pod vplivom visokih temperatur, rentgenskih žarkov in ultravijolično sevanje, radioaktivnost, kozmični žarki itd. V vseh teh primerih se en ali več elektronov sprosti iz elektronske ovojnice atoma ali molekule. Posledično se v plinu pojavijo pozitivni ioni in prosti elektroni. Sproščeni elektroni se lahko pridružijo nevtralnim atomom ali molekulam in jih spremenijo v negativne ione.

Ionizacija in rekombinacija. Skupaj s procesi ionizacije v plinu potekajo tudi procesi povratne rekombinacije: pozitivni in negativni ioni ali pozitivni ioni in elektroni, ki se povezujejo med seboj, tvorijo nevtralne molekule ali atome.

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

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

Ob veljavnosti uvedenih predpostavk lahko enačbo bilance za ione v plinu zapišemo v obliki

Ne bomo rešili diferencialna enačba v splošni pogled in razmislite o nekaterih zanimivih posebnih primerih.

Najprej ugotavljamo, da bi se morali procesi ionizacije in rekombinacije čez nekaj časa medsebojno kompenzirati in v plinu se bo vzpostavila konstantna koncentracija; vidi se, da pri

Stacionarna koncentracija ionov je tem večja, čim močnejši je vir ionizacije in čim manjši je rekombinacijski koeficient a.

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

Če to enačbo prepišemo v obliki po integraciji, dobimo

Graf te funkcije je prikazan na sl. 101. Je hiperbola, katere asimptoti sta časovna os in navpičnica. Seveda, fizični pomen ima samo del hiperbole, ki ustreza vrednostim. Upoštevajte počasno naravo upadanja koncentracije s časom v primerjavi s procesi eksponentnega upadanja, ki jih pogosto srečamo v fiziki in se uresničijo, ko je stopnja upadanja 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 bistveno pospeši, če je plin v zunanjem električnem polju. Z vlečenjem elektronov in ionov na elektrode lahko električno polje zelo hitro izniči električno prevodnost plina v odsotnosti ionizatorja.

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

Mobilnost elektronov in ionov. Pri konstantni napetosti se v tokokrogu vzpostavi določena konstantna jakost toka 1. To pomeni, da se elektroni in ioni v ioniziranem plinu gibljejo s konstantnimi hitrostmi. Da bi pojasnili to dejstvo, moramo predpostaviti, da poleg stalne pospeševalne sile električno polje na premikajoče se ione in elektrone delujejo sile upora, ki naraščajo z naraščajočo hitrostjo. Te sile opisujejo povprečni učinek trkov elektronov in ionov z nevtralnimi atomi in molekulami plina. Skozi sile odpora

nastavite v povprečju konstantne hitrosti elektroni in ioni, sorazmerni z jakostjo E električnega polja:

Koeficienti sorazmernosti se imenujejo mobilnost elektronov in ionov. Gibljivosti ionov in elektronov imajo različne pomene in so odvisne od vrste plina, njegove gostote, temperature itd.

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

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

Gostota toka pri nesamostojni razelektritvi. Da bi dobili zakon o spreminjanju koncentracije tokovnih nosilcev s časom med nesamostojno razelektritvijo v plinu, je treba poleg procesov ionizacije z zunanjim virom in rekombinacije upoštevati tudi uhajanje elektronov in ionov na elektrode. Število delcev, ki zapustijo na enoto časa na površino elektrode iz prostornine, 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 določitev načina, ko iz (8) dobimo

Enačba (9) omogoča iskanje odvisnosti stacionarne gostote toka v nesamostojni razelektritvi od uporabljene napetosti (ali od poljske jakosti E).

Neposredno sta vidna dva omejevalna primera.

Ohmov zakon. Pri nizki napetosti, ko lahko drugi člen na desni strani zanemarimo v enačbi (9), po kateri dobimo formule (7), 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 zanemarimo prvo (kvadratno glede na člene na desni strani. V tem približku je vektor gostote toka usmerjen vzdolž električne poljske jakosti, njegova 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 raziskati brez sklicevanja na enačbo (9). Vendar pa na ta način ni mogoče izslediti, kako z naraščanjem napetosti 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 tvori zunanji vir, dosežejo elektrode in skupna gostota toka je enaka Je sorazmerna z dolžino ionizacijske komore, saj skupno število ki jih proizvaja ionizator elektronov in ionov v sorazmerju 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 tokokrog takšne instalacije 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. 103 prikazuje odvisnost 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 pripravka. Bistveno je le, da zunanji vir ionov ostane nespremenjen.

riž. 102. Diagram naprave za preučevanje izpusta plina

riž. 103. Eksperimentalna tokovno-napetostna karakteristika plinske razelektritve

V odseku je jakost toka nelinearno odvisna od napetosti. Začenši s točko B doseže tok nasičenost in ostane konstanten na določenem odseku.Vse to je v skladu s teoretičnimi napovedmi.

Self rang. 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 zdaj zunanji vir odstranimo, se razelektritev v plinu ne ustavi, torej preide iz nesamostojne razelektritve v samostojno. Pri samopraznjenju pride do tvorbe novih elektronov in ionov kot posledica notranjih procesov v samem plinu.

Ionizacija z udarom elektronov. Povečanje toka pri prehodu iz nesamostojne razelektritve v neodvisno se pojavi kot plaz in se imenuje električni razpad 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 napetostjo, so povezani z ionizacijo nevtralnih atomov ali molekul plina s prostimi elektroni, ki jih električno polje pospeši na zadostno

velike energije. Kinetična energija elektrona pred naslednjim trkom z nevtralnim atomom ali molekulo je sorazmerna z jakostjo električnega polja E in 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 pojavita dva elektrona. Ti pa se pospešijo z električnim poljem in ionizirajo atome ali molekule, ki jih srečajo na poti itd. Proces se razvija kot plaz in se imenuje plaz elektronov. Opisani mehanizem ionizacije imenujemo ionizacija z elektronskim udarom.

Eksperimentalni dokaz, da do ionizacije nevtralnih plinskih atomov pride predvsem zaradi udarcev elektronov in ne 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 pridejo v območje najmočnejšega polja v bližini filamenta. Izkušnje kažejo, da je pri enaki napetosti med elektrodama razelektritveni tok večji, če se pozitivni potencial napaja 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. Samovzdrževana razelektritev je lahko stacionarna le, če se v plinu nenehno pojavljajo novi prosti elektroni, saj vsi elektroni, ki se pojavijo 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 samo kot rezultat ionskega bombardiranja, ampak tudi neodvisno, ko se segreje na visoka temperatura. Ta proces se imenuje termionska emisija, lahko ga obravnavamo kot neke vrste izhlapevanje elektronov iz kovine. Običajno se pojavi pri takšnih temperaturah, ko je izhlapevanje samega katodnega materiala še majhno. V primeru samozadostne plinske razelektritve se katoda običajno segreva brez

žarilno nitko, kot v vakuumskih elektronkah, vendar zaradi sproščanja toplote ob bombardiranju s pozitivnimi ioni. Zato katoda oddaja elektrone, tudi če energija ionov ne zadošča za izbijanje elektronov.

Samovzdržna razelektritev v plinu nastane ne le kot posledica prehoda iz nesamovzdržne s povečanjem napetosti in odstranitvijo zunanjega ionizacijskega vira, temveč tudi z neposredno uporabo napetosti, ki presega vžig mejna napetost. Teorija kaže, da najmanjša količina ionov, ki so vedno prisotni v nevtralnem plinu, že zaradi naravnega radioaktivnega ozadja zadostuje za vžig razelektritve.

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

Tleči izcedek. pri nizki pritiski(desetinke in stotinke milimetra živega srebra) je v cevi opaziti žarečo razelektritev. Za vžig žarilne razelektritve zadostuje napetost nekaj sto ali celo deset voltov. V žarilni razelektritvi lahko ločimo štiri značilne regije. To so temni katodni prostor, sijoči (ali negativni) sij, Faradayev temni prostor in svetlobni pozitivni stolpec, ki zaseda večino prostora med anodo in katodo.

Prve tri regije se nahajajo v bližini katode. Tukaj se to zgodi oster padec potencial, povezan z visoko koncentracijo pozitivnih ionov na meji katodnega temnega prostora in sijaj sijaj. Elektroni, pospešeni v območju katodnega temnega prostora, povzročijo intenzivno udarno ionizacijo v območju žarenja. Tleči sij je posledica rekombinacije ionov in elektronov v nevtralne atome ali molekule. Za pozitivni stolpec 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) v bližini koničastih odsekov prevodnika, kjer je električno polje močno nehomogeno, opazimo razelektritev, katere svetlobno območje spominja na koron. Koronska razelektritev se včasih pojavi v vivo na krošnjah dreves, ladijskih jamborih ipd. (»ognji sv. Elma«). Koronsko razelektritev je treba upoštevati v visokonapetostni tehniki, ko se ta razelektritev pojavi okoli žic visokonapetostnih daljnovodov in vodi do izgub moči. Uporabno praktično uporabo koronsko razelektritev najdemo v elektrofiltrih za čiščenje industrijskih plinov iz primesi trdnih in tekočih delcev.

S povečanjem napetosti med elektrodama se koronska razelektritev spremeni v iskro s popolnim razpadom reže med

elektrode. Ima obliko žarka svetlih cik-cak razvejanih kanalov, ki takoj prodrejo v izpustno režo in se muhasto zamenjujejo. 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 znaša 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, veliko število toplote zaradi visoke kontaktne odpornosti. Posledično se začne termionska emisija in ko se elektrodi med seboj odmakneta, nastane močno svetleč lok iz visoko ioniziranega, dobro 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. Elektrone oddaja katoda K, segreta z električnim tokom.

Na sl. 105 prikazuje odvisnost jakosti toka v anodnem krogu od pospeševalne napetosti, pridobljene v teh poskusih.Ta odvisnost ima nemonoton značaj z maksimumi pri napetostih, večkratnih 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, 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 stanje.

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 elektronov z atomi neelastični. Notranja energija atomov se skokovito poveča, elektron pa zaradi trka izgubi skoraj vso svojo kinetično energijo.

Zavorno polje tudi ne dovoljuje počasnim elektronom, da dosežejo anodo, tok pa se močno zmanjša. Ne izgine le zato, ker nekateri elektroni dosežejo mrežo brez neelastičnih trkov. Drugi in naslednji maksimumi jakosti toka so doseženi, ker lahko pri napetostih, ki so večkratniki 4,9 V, elektroni na poti do mreže doživijo več neelastičnih trkov z atomi živega srebra.

Torej elektron pridobi energijo, potrebno 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 razelektritev začne svetiti: vzbujeni atomi med spontanim

prehodi v osnovno stanje oddajajo vidna svetloba, katere frekvenca sovpada s tisto, izračunano po formuli

V klasičnih poskusih Franka in Hertza je metoda udarca elektronov določila ne le vzbujalne potenciale, temveč tudi ionizacijske potenciale številnih atomov.

Navedite primer elektrostatičnega poskusa, ki dokazuje, da je suh zrak dober izolator.

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

Kaj je nesamovzdrževalna plinska razelektritev? Pod kakšnimi pogoji poteka?

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 bi zakon padajoče koncentracije, izražen s formulo (3), uvedel koncept karakterističnega časa, ki se pogosto uporablja za eksponentno upadajoče procese, čeprav v obeh primerih procesi trajajo na splošno neskončno dolgo čas?

Kaj mislite, zakaj so v definicijah mobilnosti 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?

Elektrika v plinu izvajajo tako elektroni kot ioni. Vendar pa na vsako od elektrod pridejo naboji samo enega predznaka. Kako se to ujema z dejstvom, da je v vseh odsekih serijskega vezja jakost toka enaka?

Zakaj imajo pri razelektritvi zaradi trkov največjo vlogo pri ionizaciji plina elektroni namesto pozitivnih ionov?

Opišite značilnosti različne vrste neodvisno odvajanje plina.

Zakaj rezultati poskusov Franka in Hertza pričajo o diskretnosti energijskih ravni atomov?

Opišite fizikalne procese, ki se dogajajo v plinski cevi v poskusih Franka in Hertza, ko se pospeševalna napetost povečuje.

To je kratek povzetek.

Delo na polni različici se nadaljuje

Predavanje2 1

Tok v plinih

1. Splošne določbe

definicija: Pojav prehajanja električnega toka v plinih se imenuje izpust plina.

Obnašanje plinov je močno odvisno od njegovih parametrov, kot sta temperatura in tlak, in ti parametri se zlahka spreminjajo. Zato je pretok električnega toka v plinih bolj zapleten kot v kovinah ali v vakuumu.

Plini ne upoštevajo Ohmovega zakona.

2. Ionizacija in rekombinacija

Plin je v normalnih pogojih sestavljen iz praktično nevtralnih molekul, zato je izredno slab prevodnik električnega toka. Vendar pa lahko pod zunanjimi vplivi elektron odstopi od atoma in pojavi se pozitivno nabit ion. Poleg tega se lahko elektron pridruži nevtralnemu atomu in tvori negativno nabit ion. Tako je mogoče dobiti ioniziran plin, tj. plazma.

Zunanji vplivi vključujejo segrevanje, obsevanje z energijskimi fotoni, obstreljevanje z drugimi delci in močna polja, t.j. enaki pogoji, ki so potrebni za elementarno emisijo.

Elektron v atomu je v potencialni jami in da bi pobegnil od tam, je potrebno atomu predati dodatno energijo, ki ji pravimo ionizacijska energija.

Snov	Energija ionizacije, eV
atom vodika	13,59
Molekula vodika	15,43
Helij	24,58
atom kisika	13,614
molekula kisika	12,06

Ob pojavu ionizacije opazimo tudi pojav rekombinacije, tj. združitev elektrona in pozitivnega iona, da nastane nevtralni atom. Ta proces poteka s sproščanjem energije, ki je enaka ionizacijski energiji. To energijo lahko uporabimo za sevanje ali ogrevanje. Lokalno segrevanje plina povzroči lokalno spremembo tlaka. Kar posledično vodi do pojava zvočnih valov. Tako plinsko razelektritev spremljajo svetlobni, toplotni in hrupni učinki.

3. CVC plinske razelektritve.

Na začetnih fazah potrebno je delovanje zunanjega ionizatorja.

V odseku BAW tok obstaja pod delovanjem zunanjega ionizatorja in hitro doseže nasičenost, ko vsi ionizirani delci sodelujejo pri generaciji toka. Če odstranite zunanji ionizator, se tok ustavi.

Ta vrsta razelektritve se imenuje nesamostojna plinska razelektritev. Ko poskušate povečati napetost v plinu, se pojavijo plazovi elektronov in tok se poveča skoraj na konstantna napetost, ki se imenuje napetost vžiga (BC).

Od tega trenutka postane razelektritev neodvisna in ni več potrebe po zunanjem ionizatorju. Število ionov lahko postane tako veliko, da se zmanjša upor medelektrodne reže in s tem pade napetost (SD).

Nato se v medelektrodni reži območje prehoda toka začne zožiti, upor pa se poveča in posledično se poveča napetost (DE).

Ko poskušate povečati napetost, postane plin popolnoma ioniziran. Upor in napetost padeta na nič, tok pa večkrat naraste. Izkaže se obločna razelektritev (EF).

CVC kaže, da plin sploh ne upošteva Ohmovega zakona.

4. Procesi v plinu

procesov, ki lahko povzročijo nastanek elektronskih plazov na sliki.

To so elementi Townsendove kvalitativne teorije.

5. Žareča razelektritev.

Pri nizkih tlakih in nizkih napetostih lahko opazimo to razelektritev.

K - 1 (temen Astonov prostor).

1 - 2 (svetleči katodni film).

2 – 3 (temen Crookesov prostor).

3 - 4 (prvi sij katode).

4 – 5 (temen Faradayev prostor)

5 - 6 (pozitivna anodna kolona).

6 – 7 (anodno temen prostor).

7 - A (anodni sijaj).

Če je anoda premična, se lahko prilagodi dolžina pozitivnega stolpca, praktično brez spreminjanja velikosti področja K-5.

V temnih območjih se delci pospešujejo in energija akumulira, v svetlih pa pride do ionizacijskih in rekombinacijskih procesov.

Teme kodifikatorja USE: 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 je dejansko v plinih in zlasti v zraku vedno določena količina prostih nabitih delcev. Pojavijo se kot posledica ionizirajočega učinka sevanja radioaktivnih snovi, ki sestavljajo zemeljska skorja, ultravijolično in rentgensko sevanje Sonca, pa tudi kozmični žarki - tokovi visokoenergijskih delcev, ki prodirajo v Zemljino atmosfero iz vesolja. 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 takšne pogoje, pod katerimi se bo v plinski reži pojavil električni tok. Poglejmo naslednjo izkušnjo.

Plošče zračnega kondenzatorja napolnimo in jih povežemo 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 pa pripeljimo plamen gorilnika ali sveče v režo med ploščama kondenzatorja (slika 2, desno). Pojavi se tok! Zakaj?

Brezplačna polnjenja plina

Pojav električnega toka med kondenzatorskimi ploščami pomeni, da se v zraku pod vplivom plamena brezplačni stroški. Kaj natanko?

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

Poglejmo, kako se ti naboji lahko pojavijo v plinu.

Ko se temperatura plina poveča, postanejo toplotne vibracije njegovih delcev – molekul ali atomov – intenzivnejše. Udarci delcev drug ob drugega dosežejo takšno silo, da 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 , potem to pomeni, da so prvotni delci plina razpadli na pozitivne ione in elektrone.

Stopnja ionizacije plina je odvisna od temperature in z njenim naraščanjem močno narašča. Za vodik, na primer, pri temperaturi pod stopnjo ionizacije ne presega , pri temperaturi nad stopnjo ionizacije pa je 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, temveč pod vplivom ionizatorja.

Hkrati pa obratni 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 dobijo priložnost, da 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). se okrepi delovanje ionizatorja (npr. poviša se temperatura), potem se dinamično ravnovesje premakne v smer ionizacije in koncentracija nabitih delcev v plinu se poveča. Nasprotno, če izklopite ionizator, bo začela prevladovati rekombinacija in brezplačni naboji bodo postopoma popolnoma izginili.

Torej se pozitivni ioni in elektroni pojavijo v plinu kot posledica ionizacije. Od kod prihaja tretja vrsta nabojev - negativni ioni? Zelo preprosto: elektron lahko prileti v nevtralni atom in se mu pridruži! 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.

Brez samopraznjenja

Če zunanjega električnega polja ni, prosti naboji izvajajo kaotično toplotno gibanje skupaj z nevtralnimi delci plina. Ko pa se uporabi električno polje, se začne urejeno gibanje nabitih delcev - električni tok v plinu.

riž. 6. Nesamostojno praznjenje

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 prihajajočega gibanja nabitih delcev: pozitivnih ionov - do negativne elektrode (katode), elektronov in negativnih ionov - do pozitivne elektrode (anode).

Elektroni, ki padejo na pozitivno anodo, se pošljejo vzdolž tokokroga na "plus" tokovnega vira. Negativni ioni oddajo dodaten elektron anodi in se, ko postanejo nevtralni delci, vrnejo v plin; elektron, dan anodi, prav tako hiti v "plus" vira. Pozitivni ioni, ki pridejo na katodo, od tam vzamejo elektrone; nastalo pomanjkanje elektronov na katodi se takoj kompenzira z njihovo dostavo tja iz "minusa" vira. Zaradi teh procesov pride do urejenega gibanja elektronov v zunanjem vezju. To je električni tok, ki ga zabeleži galvanometer.

Postopek, opisan na sl. 6 se imenuje nesamostojno praznjenje 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.

Volt-amperska karakteristika praznjenja plina

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

riž. 7. Volt-amperska karakteristika plinske razelektritve

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

Pri majhni napetosti je tudi tok majhen. Dejstvo je, da niso vsi nabiti delci usojeni, da pridejo do elektrod: nekateri pozitivni ioni in elektroni v procesu njihovega gibanja najdejo drug drugega in se rekombinirajo.

Ko napetost narašča, se prosti naboji vedno hitreje razvijajo in manjša je možnost, da se pozitivni ion in elektron srečata in rekombinirata. Zato vedno večji del nabitih delcev doseže elektrode in jakost toka se poveča (odsek ).

Pri določeni vrednosti napetosti (točka ) postane hitrost naboja tako visoka, da do rekombinacije sploh ne pride čas. 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 nadaljevalo do določene točke.

samopraznjenje

Po prehodu točke se moč toka močno poveča z naraščajočo napetostjo - začne se neodvisno odvajanje. 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 zdaj, ko napetost postane dovolj velika (ta ista točka), elektroni med svojo prosto potjo dosežejo 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 (in 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 zadenejo nove atome, jih zdaj ionizirajo in ustvarijo nove elektrone. Zaradi nastajajočega elektronskega plazu hitro narašča število ioniziranih atomov, posledično hitro narašča tudi jakost toka.

Število brezplačnih polnjenj postane tako veliko, da odpade potreba po zunanjem ionizatorju. Lahko se enostavno odstrani. Prosti nabiti delci se zdaj sprožijo kot rezultat notranji procesi, ki se dogajajo v plinu - zato se praznjenje imenuje neodvisno.

Če je plinska reža pod visoko napetostjo, potem za samopraznjenje ni potreben ionizator. Dovolj je, da v plinu najdemo le en prosti 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 bodo - pri visoki napetosti - povzročili plaz novih delcev, kar bo povzročilo neodvisno razelektritev. Zgodilo se bo, kot pravijo, zlomiti se plinska vrzel.

Poljska jakost, potrebna za razgradnjo 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, kakšna napetost je potrebna za preboj več kilometrov zraka! Toda ravno takšne okvare se zgodijo med nevihto - to so vam dobro znane strele.

Električni tok je tok, ki nastane zaradi urejenega gibanja električno nabitih delcev. Gibanje nabojev je vzeto kot smer električnega toka. Električni tok je lahko kratkotrajen in dolgotrajen.

Pojem električnega toka

Med razelektritvijo strele lahko nastane električni tok, ki ga imenujemo kratkotrajni. In za dolgotrajno vzdrževanje toka je potrebno imeti električno polje in proste nosilce električnega naboja.

Električno polje ustvarjajo različno naelektrena telesa. Jakost toka je razmerje med nabojem, prenesenim skozi presek prevodnika v časovnem intervalu, in tem časovnim intervalom. Meri se v amperih.

riž. 1. Trenutna formula

Električni tok v plinih

Molekule plina v normalnih pogojih ne prevajajo elektrike. So izolatorji (dielektriki). Vendar, če spremenite pogoje okolju, potem lahko plini postanejo prevodniki elektrike. Kot posledica ionizacije (pri segrevanju ali pod delovanjem radioaktivno sevanje) v plinih nastane električni tok, ki se pogosto nadomesti z izrazom "električna razelektritev".

Samovzdržne in nesamovzdržne plinske razelektritve

Izpusti v plinu so lahko samovzdrževalni in nesamovzdrževalni. Tok začne obstajati, ko se pojavijo brezplačni stroški. Nesamostojna razelektritev obstaja, dokler nanjo deluje zunanja sila, to je zunanji ionizator. To pomeni, da če zunanji ionizator preneha delovati, se tok ustavi.

Samostojna razelektritev električnega toka v plinih obstaja tudi po prenehanju delovanja zunanjega ionizatorja. Neodvisne razelektritve v fiziki delimo na tihe, tleče, obločne, iskrične, koronske.

• Tih - najšibkejši od neodvisnih izpustov. Trenutna jakost v njem je zelo majhna (ne več kot 1 mA). Ne spremljajo ga zvočni ali svetlobni pojavi.
• Tlenje - če povečate napetost pri tihi razelektritvi, gre na naslednjo stopnjo - na žarečo razelektritev. V tem primeru se pojavi sij, ki ga spremlja rekombinacija. Rekombinacija - reverzni ionizacijski proces, srečanje elektrona in pozitivnega iona. Uporablja se v baktericidnih in svetilkah.

riž. 2. Žareča razelektritev

• Lok - jakost toka se giblje od 10 A do 100 A. V tem primeru je ionizacija skoraj 100%. Ta vrsta praznjenja se pojavi na primer med delovanjem varilnega stroja.

riž. 3. Obločna razelektritev

• peneče - se lahko šteje za eno od vrst obločnega praznjenja. Med takim odvajanjem za zelo kratek čas teče določena količina električne energije.
• koronska razelektritev – ionizacija molekul se pojavi v bližini elektrod z majhnimi radiji ukrivljenosti. Ta vrsta naboja se pojavi, ko se jakost električnega polja močno spremeni.

Kaj smo se naučili?

Sami po sebi so atomi in molekule plina nevtralni. Naelektrijo se, ko so izpostavljeni zunanjim vplivom. Če na kratko govorimo o električnem toku v plinih, je to usmerjeno gibanje delcev (pozitivnih ionov na katodo in negativnih ionov na anodo). Pomembno je tudi, da se ob ionizaciji plina izboljšajo njegove prevodne lastnosti.

ELEKTRIČNI TOK V PLINIH

Neodvisna in nesamostojna prevodnost plinov. AT naravno stanje plini ne prevajajo električnega toka, tj. so dielektriki. To je mogoče zlahka preveriti s preprostim tokom, če je tokokrog prekinjen z zračno režo.

Izolacijske lastnosti plinov so razložene z dejstvom, da so atomi in molekule plinov v svojem naravnem stanju nevtralni nenabiti delci. Iz tega je jasno, da je za prevodnost plina potrebno na tak ali drugačen način vanj vnesti ali ustvariti proste nosilce naboja - nabite delce. V tem primeru sta možna dva primera: ali ti nabiti delci nastanejo z delovanjem nekega zunanjega dejavnika ali pa jih vnesemo v plin od zunaj - nesamostojna prevodnost ali pa nastanejo v plinu z delovanjem samo električno polje, ki obstaja med elektrodama – samozadostna prevodnost.

Na prikazani sliki galvanometer v vezju ne kaže toka kljub uporabljeni napetosti. To kaže na odsotnost prevodnosti plinov v normalnih pogojih.

Segrejmo zdaj plin v intervalu 1-2 na zelo visoko temperaturo tako, da vanj vstavimo prižgan gorilnik. Galvanometer bo pokazal pojav toka, zato se pri visoki temperaturi delež nevtralnih molekul plina razgradi na pozitivne in negativne ione. Takšen pojav se imenuje ionizacija plin.

Če curek zraka iz majhnega puhala usmerimo v plinsko režo in na pot curka, zunaj reže, postavimo ionizirajoči plamen, bo galvanometer pokazal določen tok.

To pomeni, da ioni ne izginejo takoj, ampak se premikajo skupaj s plinom. Ko pa se razdalja med plamenom in režo 1-2 poveča, tok postopoma oslabi in nato izgine. V tem primeru se nasprotno nabiti ioni pod vplivom sile električne privlačnosti približajo drug drugemu in se ob srečanju ponovno združijo v nevtralno molekulo. Tak postopek se imenuje rekombinacija ioni.

Segrevanje plina na visoko temperaturo ni edini način za ionizacijo molekul ali atomov plina. Nevtralni atomi ali molekule plina se lahko ionizirajo tudi pod vplivom drugih dejavnikov.

Ionska prevodnost ima številne značilnosti. Tako pozitivni in negativni ioni pogosto niso posamezne ionizirane molekule, temveč skupine molekul, vezanih na negativni ali pozitivni elektron. Zaradi tega, čeprav je naboj vsakega iona enak enemu ali dvema, redko več kot število elementarnih nabojev, se lahko njihove mase bistveno razlikujejo od mas posameznih atomov in molekul. V tem se plinski ioni bistveno razlikujejo od elektrolitskih ionov, ki vedno predstavljajo določene skupine atomov. Zaradi te razlike Faradayevi zakoni, ki so tako značilni za prevodnost elektrolitov, ne veljajo za ionsko prevodnost plinov.

Druga, prav tako zelo pomembna razlika med ionsko prevodnostjo plinov in ionsko prevodnostjo elektrolitov je v tem, da se pri plinih ne upošteva Ohmov zakon: tokovno-napetostna karakteristika je bolj zapletena. Tokovno-napetostna karakteristika prevodnikov (vključno z elektroliti) ima obliko nagnjene ravne črte (sorazmernost I in U), za pline ima različne oblike.

Zlasti v primeru nesamovzdržne prevodnosti ima graf za majhne vrednosti U obliko ravne črte, tj. Ohmov zakon približno ostaja veljaven; ko se U poveča, se krivulja zaradi določene napetosti upogne in preide v vodoravno ravno črto.

To pomeni, da od določene napetosti tok ostane konstanten kljub povečanju napetosti. Ta konstantna, od napetosti neodvisna vrednost toka se imenuje tok nasičenja.

Pomena dobljenih rezultatov ni težko razumeti. Na začetku, ko se napetost poveča, se poveča število ionov, ki prehajajo skozi presek razelektritve; tok I se poveča, ker je ionov več močno polje premika z večjo hitrostjo. Ne glede na to, kako hitro se ioni gibljejo, število le-teh, ki gredo skozi ta odsek na časovno enoto, ne more biti večje od skupnega števila ionov, ki jih zunanji ionizirajoči faktor ustvari v razelektritvi v razelektritvi na časovno enoto.

Poskusi pa kažejo, da če po doseženem toku nasičenja v plinu še naprej močno povečujemo napetost, se potek tokovno-napetostne karakteristike nenadoma zmoti. Pri dovolj veliki napetosti se tok močno poveča.

Trenutni skok kaže, da se je število ionov takoj močno povečalo. Razlog za to je električno polje samo: nekaterim ionom daje tako visoke hitrosti, tj. tako veliko energijo, da ob trku takih ionov z nevtralnimi molekulami le-te razpadejo na ione. Skupno število ionov zdaj ne določa ionizacijski faktor, ampak delovanje samega polja, ki lahko samo podpira potrebno ionizacijo: prevodnost iz nesamovzdržne postane neodvisna. Opisani pojav nenadnega nastopa samostojne prevodnosti, ki ima naravo razpada plinske reže, ni edina, čeprav zelo pomembna oblika nastopa samostojne prevodnosti.

Iskrica. Pri dovolj visoki poljski jakosti (približno 3 MV / m) se med elektrodama pojavi električna iskra, ki ima obliko svetlo žarečega vijugastega kanala, ki povezuje obe elektrodi. Plin v bližini iskre se segreje na visoko temperaturo in se nenadoma razširi, kar povzroči zvočni valovi, in slišimo značilen pok.

Opisana oblika plinske razelektritve se imenuje praznjenje iskre ali plinska iskra. Ko pride do iskre, plin nenadoma izgubi svoje dielektrične lastnosti in postane dober prevodnik. Poljska jakost, pri kateri pride do iskričnega preboja plina, ima različno vrednost za različne pline in je odvisna od njihovega stanja (tlak, temperatura). Večja kot je razdalja med elektrodama, večja napetost med njima je potrebna za nastanek iskričnega razpada plina. Ta napetost se imenuje prebojna napetost.

Če vemo, kako je prebojna napetost odvisna od razdalje med elektrodama katere koli posebne oblike, je možno izmeriti neznano napetost vzdolž največje dolžine iskre. To je osnova za napravo iskričnega voltmetra za grobe visoke napetosti.

Sestavljen je iz dveh kovinskih kroglic, pritrjenih na stebričkih 1 in 2, 2. stebriček s kroglico se lahko z vijakom približa ali odmakne od prvega. Kroglice priključimo na vir toka, katerega napetost merimo, in jih približamo, dokler se ne pojavi iskra. Z merjenjem razdalje s skalo na stojalu lahko podamo grobo oceno napetosti po dolžini iskre (primer: pri premeru krogle 5 cm in razdalji 0,5 cm je prebojna napetost 17,5 kV, in z razdaljo 5 cm - 100 kV).

Pojav okvare je razložen na naslednji način: v plinu je vedno določeno število ionov in elektronov, ki nastanejo zaradi naključnih vzrokov. Vendar je njihovo število tako majhno, da plin praktično ne prevaja električnega toka. Pri dovolj visoki poljski jakosti lahko kinetična energija, ki jo ion akumulira v intervalu med dvema trkoma, postane zadostna za ionizacijo nevtralne molekule med trkom. Posledično nastaneta nov negativni elektron in pozitivno nabit ostanek, ion.

Prosti elektron 1 ob trku z nevtralno molekulo le-to razcepi na elektron 2 in prosti pozitivni ion. Elektrona 1 in 2 ob nadaljnjem trčenju z nevtralnimi molekulami le-te spet razcepita na elektrona 3 in 4 ter proste pozitivne ione itd.

Ta proces ionizacije se imenuje udarna ionizacija, in delo, ki ga je treba porabiti, da se elektron odcepi od atoma - ionizacijsko delo. Ionizacijsko delo je odvisno od zgradbe atoma in je zato različno za različne pline.

Elektroni in ioni, ki nastanejo pod vplivom udarne ionizacije, povečajo število nabojev v plinu, nato pa se pod delovanjem električnega polja sprožijo in lahko povzročijo udarno ionizacijo novih atomov. Tako se proces ojača, ionizacija v plinu pa hitro doseže zelo visoko vrednost. Pojav je podoben plazu, zato se je ta proces imenoval ionski plaz.

Nastanek ionskega plazu je proces preboja iskre, najmanjša napetost, pri kateri nastane ionski plaz, pa je prebojna napetost.

Tako je v primeru iskričnega razpada vzrok ionizacije plina uničenje atomov in molekul pri trkih z ioni (udarna ionizacija).

Strela. Lep in nevaren naravni pojav - strela - je iskrica v ozračju.

Že sredi 18. stoletja so bili pozorni na zunanjo podobnost strele z električno iskro. Predlagano je bilo, da nevihtni oblaki nosijo velike električne naboje in da je strela ogromna iskra, ki se ne razlikuje od iskre med kroglami električnega stroja, razen po velikosti. Na to je opozarjal na primer ruski fizik in kemik Mihail Vasiljevič Lomonosov (1711-65), ki se je poleg drugih znanstvenih vprašanj ukvarjal z atmosfersko elektriko.

To so dokazale izkušnje iz let 1752-53. Lomonosov in ameriški znanstvenik Benjamin Franklin (1706-90), ki sta delovala sočasno in neodvisno drug od drugega.

Lomonosov je zgradil "gromovni stroj" - kondenzator, ki je bil v njegovem laboratoriju in je bil napolnjen z atmosfersko elektriko skozi žico, katere konec je bil izvlečen iz sobe in dvignjen na visok drog. Med nevihto bi lahko ročno odstranili iskre iz kondenzatorja.

Franklin je med nevihto spustil zmaja na vrvici, ki je bila opremljena z železno konico; na koncu vrvice je bil privezan ključ od vrat. Ko se je vrvica zmočila in postala prevodnik električnega toka, je Franklinu uspelo iz ključa izvabiti električne iskre, napolniti Leydenove kozarce in izvesti druge poskuse z električnim strojem (Treba je opozoriti, da so takšni poskusi izjemno nevarni, saj strela lahko udarijo kače, hkrati pa bodo veliki naboji prešli skozi telo eksperimentatorja na Zemljo.V zgodovini fizike so bili tako žalostni primeri, kot je GV Richman, ki je delal skupaj z Lomonosovim, umrl leta 1753 v St. Petersburg).

Tako se je pokazalo, da so nevihtni oblaki res močno naelektreni.

Različni deli nevihtnega oblaka nosijo naboje različnih predznakov. Najpogosteje je spodnji del oblaka (odbit od Zemlje) negativno nabit, zgornji del pa pozitivno. Če se torej dva oblaka približata drug drugemu z nasprotno nabitimi deli, potem strela skoči med njima. Vendar lahko do razelektritve strele pride tudi na druge načine. Ob prehodu nad Zemljo ustvari nevihtni oblak na njeni površini velike inducirane naboje, zato oblak in Zemljina površina tvorita dve plošči velikega kondenzatorja. Potencialna razlika med oblakom in Zemljo doseže ogromne vrednosti, merjene v stotinah milijonov voltov, v zraku pa nastane močno električno polje. Če je intenzivnost tega polja dovolj velika, lahko pride do okvare, tj. strela udari v zemljo. Hkrati strele včasih udarijo v ljudi in povzročijo požare.

Glede na številne študije o streli je naboj iskre označen z naslednjimi približnimi številkami: napetost (U) med oblakom in Zemljo je 0,1 GV (gigavolta);

jakost toka (I) v streli 0,1 MA (megaamper);

trajanje strele (t) 1 µs (mikrosekunda);

premer svetlobnega kanala je 10-20 cm.

Grmenje, ki nastane po strelu, ima enak izvor kot pokanje ob preskoku laboratorijske iskre. Zrak znotraj kanala strele se namreč močno segreje in razširi, zato nastanejo zvočni valovi. Ti valovi, ki se odbijajo od oblakov, gora itd., pogosto ustvarijo dolg odmev - grom.

Koronska razelektritev. Pojav ionskega plazu ne vodi vedno do iskrenja, ampak lahko povzroči tudi drugačno razelektritev - koronsko razelektritev.

Na dva visoka izolacijska nosilca napnemo kovinsko žico ab s premerom nekaj desetink milimetra in jo povežemo z negativnim polom generatorja, ki daje napetost nekaj tisoč voltov. Drugi pol generatorja bomo popeljali na Zemljo. Dobiš nekakšen kondenzator, katerega plošče so žica in stene prostora, ki seveda komunicirajo z Zemljo.

Polje v tem kondenzatorju je zelo neenakomerno, njegova intenziteta v bližini tanke žice pa je zelo visoka. S postopnim povečevanjem napetosti in opazovanjem žice v temi lahko opazimo, da se pri znani napetosti v bližini žice pojavi šibek sij (krona), ki pokriva žico z vseh strani; spremljata ga piskajoči zvok in rahlo prasketanje. Če je med žico in virom priključen občutljiv galvanometer, potem s pojavom sijaja galvanometer pokaže opazen tok, ki teče od generatorja vzdolž žic do žice in od njega skozi zrak prostora do sten, med žico in stenami prenašajo ioni, ki nastanejo v prostoru zaradi udarne ionizacije. Tako sijaj zraka in pojav toka kažeta na močno ionizacijo zraka pod delovanjem električnega polja. Koronska razelektritev se lahko pojavi ne le v bližini žice, ampak tudi v bližini konice in na splošno v bližini katere koli elektrode, v bližini katere nastane zelo močno nehomogeno polje.

Uporaba koronske razelektritve. Električno čiščenje plinov (električni filtri). Posoda, napolnjena z dimom, nenadoma postane popolnoma prozorna, če vanjo vstavimo ostre kovinske elektrode, povezane z električnim strojem, na elektrodah pa se odložijo vsi trdni in tekoči delci. Razlaga poskusa je naslednja: takoj ko se korona vžge, je zrak v cevi močno ioniziran. Plinski ioni se lepijo na prašne delce in jih naelektrijo. Ker znotraj cevi deluje močno električno polje, se nabiti prašni delci pod delovanjem polja premaknejo do elektrod, kjer se usedejo.

Števci elementarni delci . Geiger-Mullerjev števec osnovnih delcev je sestavljen iz majhnega kovinskega valja, opremljenega z okencem, prekritim s folijo, in tanko kovinsko žico, razpeto vzdolž osi valja in izolirano od nje. Števec je priključen na vezje, ki vsebuje tokovni vir, katerega napetost je enaka nekaj tisoč voltov. Napetost je izbrana tako, da se znotraj števca pojavi koronska razelektritev.

Ko hitro premikajoči se elektron vstopi v števec, slednji ionizira molekule plina znotraj števca, zaradi česar se napetost, potrebna za vžig korone, nekoliko zmanjša. V števcu pride do razelektritve in v tokokrogu se pojavi šibek kratkotrajni tok. Da ga zaznamo, v vezje vnesemo zelo velik upor (nekaj megaohmov) in vzporedno z njim povežemo občutljiv elektrometer. Vsakič, ko hitri elektron zadene notranjost števca, se listi elektrometra upognejo.

Takšni števci omogočajo registracijo ne le hitrih elektronov, ampak na splošno vseh nabitih, hitro gibajočih se delcev, ki lahko povzročijo ionizacijo s trki. Sodobni števci z lahkoto zaznajo, da je vanje vstopil že en sam delec in tako s popolno gotovostjo in zelo veliko jasnostjo preverijo, da elementarni nabiti delci v naravi res obstajajo.

strela. Ocenjuje se, da se v atmosferi celotnega sveta hkrati pojavi okoli 1800 neviht, ki v povprečju povzročijo okoli 100 strel na sekundo. In čeprav je verjetnost, da bo strela zadela vsakega posameznika, zanemarljiva, kljub temu strela povzroči veliko škode. Dovolj je poudariti, da je trenutno približno polovica vseh nesreč na velikih daljnovodih posledica strele. Zato je zaščita pred strelo pomembna naloga.

Lomonosov in Franklin nista le pojasnila električne narave strele, ampak sta tudi poudarila, kako zgraditi strelovod, ki ščiti pred udarom strele. Strelovod je dolga žica, katere zgornji konec je nabrušen in utrjen nad najvišjo točko varovanega objekta. Spodnji konec žice je povezan s kovinsko pločevino, pločevina pa je zakopana v zemljo na nivoju talne vode. Med nevihto se na Zemlji pojavijo veliki inducirani naboji in v bližini Zemljine površine se pojavi veliko električno polje. Njegova intenzivnost je zelo visoka v bližini ostrih vodnikov, zato se na koncu strelovoda vžge koronska razelektritev. Posledično se inducirani naboji ne morejo kopičiti na zgradbi in ne pride do strele. V tistih primerih, ko se strela vseeno pojavi (in takšni primeri so zelo redki), udari v strelovod in naboji gredo v Zemljo, ne da bi poškodovali zgradbo.

V nekaterih primerih je koronska razelektritev iz strelovoda tako močna, da se na konici pojavi jasno viden sij. Tak sij se včasih pojavi v bližini drugih koničastih predmetov, na primer na koncih ladijskih jamborov, ostrih krošnjah dreves itd. Ta pojav je bil opažen pred nekaj stoletji in je povzročil vraževerno grozo navigatorjev, ki niso razumeli njegovega pravega bistva.

Električni lok. Leta 1802 je ruski fizik V.V. Petrov (1761-1834) je ugotovil, da če na pole velike električne baterije pritrdite dva kosa elektrike oglje in ko pripeljete premog v stik, ga rahlo potisnite narazen, nato se bo med koncema premoga oblikoval svetel plamen, konci premoga pa bodo svetili belo in oddajali slepečo svetlobo.

Najenostavnejša naprava za izdelavo električnega obloka je sestavljena iz dveh elektrod, za katere je bolje vzeti ne oglje, temveč posebej izdelane palice, pridobljene s stiskanjem mešanice grafita, saj in veziva. Kot vir toka lahko služi svetlobno omrežje, v katerem je za varnost vključen reostat.

S prisilnim gorenjem obloka pri konstantnem toku v stisnjenem plinu (20 atm) je bilo mogoče temperaturo konca pozitivne elektrode dvigniti na 5900 °C, tj. na površinsko temperaturo sonca. Še višjo temperaturo ima steber plinov in hlapov, ki ima dobro električno prevodnost, skozi katerega prehaja električni naboj. Energijsko obstreljevanje teh plinov in hlapov z elektroni in ioni, ki jih poganja električno polje obloka, dvigne temperaturo plinov v stolpcu na 6000-7000 °C. Tako močna ionizacija plina je možna le zaradi dejstva, da obločna katoda oddaja veliko elektronov, ki s svojimi udarci ionizirajo plin v razelektritvenem prostoru. Močna emisija elektronov iz katode je zagotovljena s tem, da je sama katoda obloka segreta na zelo visoko temperaturo (od 2200 do 3500 °C). Ko pridejo premog v stik, da se vžge oblok, se skoraj vsa Joulova toplota toka, ki teče skozi premog, sprosti na kontaktni točki, ki je imela zelo velik upor. Zato so konci oglja zelo segreti in to je dovolj, da med odmikom med njimi nastane lok. V prihodnosti se katoda loka vzdržuje v segretem stanju s samim tokom, ki teče skozi lok. Glavno vlogo pri tem igra obstreljevanje katode s pozitivnimi ioni, ki padajo nanjo.

Tokovno-napetostna karakteristika obloka ima povsem svojevrsten značaj. Pri obločni razelektritvi se z naraščanjem toka napetost na sponkah obloka zmanjša, tj. oblok ima padajočo tokovno-napetostno karakteristiko.

Uporaba obločnega praznjenja. Razsvetljava. Zaradi visoke temperature obločne elektrode oddajajo bleščečo svetlobo (sijaj stebra obloka je šibkejši, saj je emisijska sposobnost plina majhna), zato je električni oblok ena izmed najboljši viri Sveta. Porabi le okoli 3 vate na kandelo in je bistveno bolj varčna od najboljših žarnic z žarilno nitko. Električni oblok je leta 1875 za osvetlitev prvič uporabil ruski inženir-izumitelj P.N. Yablochkin (1847-1894) in so ga imenovali "Ruska luč" ali "Severna luč". Varjenje. Za varjenje kovinskih delov se uporablja električni oblok. Deli, ki jih je treba zvariti, služijo kot pozitivna elektroda; če se jih dotaknemo s premogom, povezanim z negativnim polom tokovnega vira, med telesi in premogom nastane lok, ki tali kovino. živosrebrni lok. Zelo zanimiv je živosrebrni oblok, ki gori v kvarčni cevi, tako imenovani kvarčna svetilka. V tej svetilki se obločna razelektritev ne pojavi v zraku, temveč v atmosferi živosrebrnih hlapov, za katero se v svetilko vnese majhna količina živega srebra, zrak pa se izčrpa. Svetloba živosrebrnega loka je izjemno bogata z ultravijoličnimi žarki, ki imajo močno kemično in fiziološko delovanje. Da bi to sevanje lahko izkoristili, svetilka ni izdelana iz stekla, ki močno absorbira UV sevanje, temveč iz taljenega kremena. Živosrebrne žarnice se pogosto uporabljajo pri zdravljenju različnih bolezni, pa tudi pri znanstvena raziskava kot močan vir ultravijoličnega sevanja.

Kot vir informacij je bil uporabljen osnovni učbenik fizike pod

uredil akademik G.S. Landsberg (zv. 2). Moskva, založba Nauka, 1985.

Izdelal MARKIDONOV TIMUR, Irkutsk.