Anong mga particle ang lumikha ng electric current sa mga gas. Panimula
Abstrak ng pisika
sa paksa ng:
"Electric current sa mga gas".
Agos ng kuryente sa mga gas.
1. Ang paglabas ng kuryente sa mga gas.
Lahat ng gas ay pumasok natural na estado huwag mag-conduct ng kuryente. Ito ay makikita mula sa sumusunod na karanasan:
Kumuha tayo ng isang electrometer na may mga disk ng isang flat capacitor na nakakabit dito at singilin ito. Sa temperatura ng silid, kung ang hangin ay sapat na tuyo, ang kapasitor ay hindi kapansin-pansing naglalabas - ang posisyon ng karayom ng electrometer ay hindi nagbabago. Upang mapansin ang pagbaba sa anggulo ng paglihis ng electrometer needle, kinakailangan ito matagal na panahon. Ito ay nagpapakita na kuryente sa hangin sa pagitan ng mga disk ay napakaliit. Ipinapakita ng karanasang ito na ang hangin ay isang mahinang conductor ng electric current.
Baguhin natin ang eksperimento: painitin natin ang hangin sa pagitan ng mga disc na may siga ng isang lampara ng alkohol. Pagkatapos ang anggulo ng pagpapalihis ng electrometer pointer ay mabilis na bumababa, i.e. ang potensyal na pagkakaiba sa pagitan ng mga disk ng kapasitor ay bumababa - ang kapasitor ay pinalabas. Dahil dito, ang pinainit na hangin sa pagitan ng mga disc ay naging isang konduktor, at ang isang electric current ay itinatag sa loob nito.
Ang mga katangian ng insulating ng mga gas ay ipinaliwanag sa pamamagitan ng ang katunayan na walang mga libreng singil sa kuryente sa kanila: ang mga atomo at molekula ng mga gas sa kanilang natural na estado ay neutral.
2. Ionization ng mga gas.
Ang karanasan sa itaas ay nagpapakita na ang mga sisingilin na particle ay lumilitaw sa mga gas sa ilalim ng impluwensya ng mataas na temperatura. Lumilitaw ang mga ito bilang resulta ng paghihiwalay ng isa o higit pang mga electron mula sa mga atomo ng gas, bilang isang resulta kung saan lumilitaw ang isang positibong ion at mga electron sa halip na isang neutral na atom. Ang bahagi ng nabuong mga electron ay maaaring makuha ng iba pang mga neutral na atomo, at pagkatapos ay mas maraming negatibong ion ang lilitaw. Ang pagkasira ng mga molekula ng gas sa mga electron at mga positibong ion ay tinatawag ionization ng mga gas.
Ang pag-init ng gas sa isang mataas na temperatura ay hindi ang tanging paraan ionization ng mga molecule o atoms ng isang gas. Maaaring mangyari ang ionization ng gas sa ilalim ng impluwensya ng iba't ibang mga panlabas na pakikipag-ugnayan: malakas na pag-init ng gas, x-ray, a-, b- at g-ray na nagmumula sa radioactive decay, cosmic rays, pambobomba ng mga molekula ng gas sa pamamagitan ng mabilis na paglipat ng mga electron o ion. Ang mga salik na nagdudulot ng gas ionization ay tinatawag mga ionizer. Ang quantitative na katangian ng proseso ng ionization ay intensity ng ionization, sinusukat sa pamamagitan ng bilang ng mga pares ng mga naka-charge na particle sa tapat ng sign na lumilitaw sa isang unit volume ng gas bawat unit time.
Ang ionization ng isang atom ay nangangailangan ng paggasta ng isang tiyak na enerhiya - ang enerhiya ng ionization. Upang ma-ionize ang isang atom (o molekula), kinakailangan na gumawa ng trabaho laban sa mga puwersa ng pakikipag-ugnayan sa pagitan ng inilabas na elektron at ng natitirang mga particle ng atom (o molekula). Ang gawaing ito ay tinatawag na gawain ng ionization A i. Ang halaga ng gawain ng ionization ay nakasalalay sa kemikal na katangian ng gas at ang estado ng enerhiya ng inilabas na elektron sa atom o molekula.
Matapos ang pagwawakas ng ionizer, ang bilang ng mga ion sa gas ay bumababa sa paglipas ng panahon at sa kalaunan ang mga ion ay mawawala nang buo. Ang pagkawala ng mga ion ay ipinaliwanag sa pamamagitan ng katotohanan na ang mga ion at mga electron ay lumahok sa thermal motion at samakatuwid ay nagbanggaan sa isa't isa. Kapag ang isang positibong ion at isang elektron ay nagbanggaan, maaari silang magsamang muli sa isang neutral na atom. Sa parehong paraan, kapag nagbanggaan ang isang positibo at negatibong ion, maaaring ibigay ng negatibong ion ang labis na elektron nito sa positibong ion, at ang parehong mga ion ay magiging mga neutral na atomo. Ang prosesong ito ng mutual neutralization ng mga ions ay tinatawag rekombinasyon ng ion. Kapag ang isang positibong ion at isang elektron o dalawang ion ay muling pinagsama, isang tiyak na enerhiya ang ilalabas, katumbas ng enerhiya na ginugol sa ionization. Bahagyang, ito ay ibinubuga sa anyo ng liwanag, at samakatuwid ang recombination ng mga ions ay sinamahan ng luminescence (luminescence of recombination).
Sa mga phenomena ng electric discharge sa mga gas, ang ionization ng mga atom sa pamamagitan ng mga epekto ng elektron ay may mahalagang papel. Ang prosesong ito ay binubuo sa katotohanan na ang isang gumagalaw na electron na may sapat na kinetic energy ay nagpapatumba ng isa o higit pang mga atomic na electron mula dito kapag ito ay bumangga sa isang neutral na atom, bilang isang resulta kung saan ang neutral na atom ay nagiging positibong ion, at ang mga bagong electron ay lumilitaw sa ang gas (ito ay tatalakayin sa ibang pagkakataon).
Ang talahanayan sa ibaba ay nagbibigay ng ionization energies ng ilang mga atomo.
3. Mekanismo ng electrical conductivity ng mga gas.
Ang mekanismo ng kondaktibiti ng gas ay katulad ng mekanismo ng kondaktibiti ng mga solusyon sa electrolyte at natutunaw. Sa kawalan ng panlabas na field, ang mga sisingilin na particle, tulad ng mga neutral na molekula, ay gumagalaw nang random. Kung ang mga ions at libreng electron ay matatagpuan ang kanilang mga sarili sa isang panlabas na electric field, pagkatapos ay sila ay dumating sa itinuro na paggalaw at lumikha ng isang electric current sa mga gas.
Kaya, ang electric current sa isang gas ay isang nakadirekta na paggalaw ng mga positibong ion sa katod, at mga negatibong ion at electron sa anode. Ang kabuuang kasalukuyang sa gas ay binubuo ng dalawang stream ng mga sisingilin na particle: ang stream na papunta sa anode at ang stream na nakadirekta sa cathode.
Ang neutralisasyon ng mga sisingilin na particle ay nangyayari sa mga electrodes, tulad ng sa kaso ng pagpasa ng electric current sa pamamagitan ng mga solusyon at natutunaw ng mga electrolyte. Gayunpaman, sa mga gas ay walang paglabas ng mga sangkap sa mga electrodes, tulad ng kaso sa mga solusyon sa electrolyte. Ang mga ion ng gas, na lumalapit sa mga electrodes, ay binibigyan sila ng kanilang mga singil, nagiging mga neutral na molekula at nagkakalat pabalik sa gas.
Ang isa pang pagkakaiba sa elektrikal na kondaktibiti ng mga ionized na gas at mga solusyon (natutunaw) ng mga electrolyte ay ang negatibong singil sa panahon ng pagpasa ng kasalukuyang sa pamamagitan ng mga gas ay inililipat pangunahin hindi sa pamamagitan ng mga negatibong ion, ngunit sa pamamagitan ng mga electron, bagaman ang kondaktibiti dahil sa mga negatibong ion ay maaari ring maglaro ng isang tiyak na tungkulin.
Kaya, sa mga gas, ang electronic conductivity, katulad ng conductivity ng mga metal, ay pinagsama sa ionic conductivity, katulad ng conductivity. may tubig na solusyon at natutunaw ang electrolyte.
4. Non-self-sustained gas discharge.
Ang proseso ng pagdaan ng electric current sa pamamagitan ng gas ay tinatawag na gas discharge. Kung ang elektrikal na kondaktibiti ng gas ay nilikha ng mga panlabas na ionizer, kung gayon ang electric current na lumalabas dito ay tinatawag hindi nakakapagpatuloy sa sarili na paglabas ng gas. Sa pagwawakas ng pagkilos ng mga panlabas na ionizer, humihinto ang di-self-sustained discharge. Ang paglabas ng gas na hindi nakakapagpatuloy sa sarili ay hindi sinasamahan ng glow ng gas.
Nasa ibaba ang isang graph ng pag-asa ng kasalukuyang lakas sa boltahe para sa isang di-self-sustained discharge sa isang gas. Ang isang glass tube na may dalawang metal electrodes na ibinebenta sa salamin ay ginamit upang i-plot ang graph. Ang kadena ay binuo tulad ng ipinapakita sa figure sa ibaba.
Sa isang tiyak na boltahe, darating ang isang sandali kung saan ang lahat ng mga sisingilin na particle na nabuo sa gas ng ionizer sa isang segundo ay umaabot sa mga electrodes sa parehong oras. Ang isang karagdagang pagtaas sa boltahe ay hindi na maaaring humantong sa isang pagtaas sa bilang ng mga transported ions. Ang kasalukuyang umabot sa saturation (pahalang na seksyon ng graph 1).
5. Independiyenteng paglabas ng gas.
Ang isang electric discharge sa isang gas na nagpapatuloy pagkatapos ng pagwawakas ng pagkilos ng isang panlabas na ionizer ay tinatawag independiyenteng paglabas ng gas. Para sa pagpapatupad nito, kinakailangan na bilang resulta ng paglabas mismo, ang mga libreng singil ay patuloy na nabuo sa gas. Ang pangunahing pinagmumulan ng kanilang paglitaw ay ang epekto ng ionization ng mga molekula ng gas.
Kung, pagkatapos maabot ang saturation, patuloy naming pinapataas ang potensyal na pagkakaiba sa pagitan ng mga electrodes, kung gayon ang kasalukuyang lakas sa isang sapat na mataas na boltahe ay tataas nang husto (graph 2).
Nangangahulugan ito na lumilitaw ang mga karagdagang ion sa gas, na nabuo dahil sa pagkilos ng ionizer. Ang kasalukuyang lakas ay maaaring tumaas ng daan-daan at libu-libong beses, at ang bilang ng mga naka-charge na particle na lumilitaw sa panahon ng proseso ng paglabas ay maaaring maging napakalaki na ang isang panlabas na ionizer ay hindi na kailangan upang mapanatili ang discharge. Samakatuwid, ang ionizer ay maaari na ngayong alisin.
Ano ang mga dahilan para sa matalim na pagtaas sa kasalukuyang lakas sa mataas na boltahe? Isaalang-alang natin ang anumang pares ng mga sisingilin na particle (isang positibong ion at isang elektron) na nabuo dahil sa pagkilos ng isang panlabas na ionizer. Ang libreng elektron na lumilitaw sa ganitong paraan ay nagsisimulang lumipat patungo sa positibong elektrod - ang anode, at ang positibong ion - patungo sa katod. Sa kanyang paraan, ang elektron ay nakakatugon sa mga ion at neutral na mga atomo. Sa pagitan ng dalawang sunud-sunod na banggaan, ang enerhiya ng electron ay tumataas dahil sa gawain ng mga puwersa ng electric field.
 |
Kung mas malaki ang potensyal na pagkakaiba sa pagitan ng mga electrodes, mas malaki ang lakas ng electric field. Ang kinetic energy ng isang electron bago ang susunod na banggaan ay proporsyonal sa lakas ng field at sa libreng landas ng electron: MV 2 /2=eEl. Kung ang kinetic energy ng isang electron ay lumampas sa gawain A i na kailangang gawin upang ma-ionize ang isang neutral na atom (o molekula), i.e. MV 2 >A i , pagkatapos kapag ang isang electron ay bumangga sa isang atom (o molekula), ito ay ionized. Bilang resulta, sa halip na isang elektron, dalawang electron ang lilitaw (pag-atake sa atom at napunit sa atom). Sila, sa turn, ay tumatanggap ng enerhiya sa field at nag-ionize ng mga paparating na atomo, atbp. Bilang resulta, ang bilang ng mga sisingilin na particle ay mabilis na tumataas, at isang electron avalanche ang lumitaw. Ang inilarawan na proseso ay tinatawag electron impact ionization.
Ngunit ang ionization sa pamamagitan ng epekto ng elektron lamang ay hindi makakasiguro sa pagpapanatili ng isang independiyenteng singil. Sa katunayan, pagkatapos ng lahat, ang lahat ng mga electron na lumabas sa ganitong paraan ay lumipat patungo sa anode at, sa pag-abot sa anode, "bumaba sa laro." Upang mapanatili ang discharge ay nangangailangan ng paglabas ng mga electron mula sa katod ("paglabas" ay nangangahulugang "paglabas"). Ang paglabas ng isang elektron ay maaaring dahil sa ilang mga kadahilanan.
Ang mga positibong ion ay nabuo sa panahon ng banggaan ng mga electron na may mga neutral na atomo, kapag lumilipat patungo sa katod, nakakakuha ng isang malaking kinetic energy sa ilalim ng pagkilos ng field. Kapag ang gayong mabilis na mga ion ay tumama sa katod, ang mga electron ay natatanggal mula sa ibabaw ng katod.
Bilang karagdagan, ang katod ay maaaring maglabas ng mga electron kapag pinainit sa isang mataas na temperatura. Ang prosesong ito ay tinatawag na thermionic emission. Maaari itong ituring bilang ang pagsingaw ng mga electron mula sa metal. Sa maraming solid substance, ang thermionic emission ay nangyayari sa mga temperatura kung saan maliit pa rin ang evaporation ng substance mismo. Ang mga naturang sangkap ay ginagamit para sa paggawa ng mga cathode.
Sa panahon ng self-discharge, ang katod ay maaaring magpainit sa pamamagitan ng pagbobomba nito ng mga positibong ion. Kung ang enerhiya ng mga ions ay hindi masyadong mataas, pagkatapos ay walang katok sa labas ng mga electron mula sa katod at mga electron ay ibinubuga dahil sa thermionic emission.
6. Iba't ibang uri ng self-discharge at ang kanilang teknikal na aplikasyon.
Depende sa mga katangian at estado ng gas, ang kalikasan at lokasyon ng mga electrodes, pati na rin sa boltahe na inilapat sa mga electrodes, iba't ibang uri malayang ranggo. Isaalang-alang natin ang ilan sa mga ito.
A. Nauusok na discharge.
Ang isang glow discharge ay sinusunod sa mga gas sa mababang presyon ng pagkakasunud-sunod ng ilang sampu ng millimeters ng mercury at mas kaunti. Kung isasaalang-alang natin ang isang tubo na may glow discharge, makikita natin na ang mga pangunahing bahagi ng glow discharge ay katod Madilim na Space, malayo sa kanya negatibo o umaapoy na liwanag, na unti-unting dumadaan sa rehiyon faraday madilim na espasyo. Ang tatlong rehiyon na ito ay bumubuo sa katod na bahagi ng discharge, na sinusundan ng pangunahing maliwanag na bahagi ng discharge, na tumutukoy dito. optical properties at tinawag positibong hanay.
Ang pangunahing papel sa pagpapanatili ng glow discharge ay nilalaro ng unang dalawang rehiyon ng bahagi ng cathode nito. katangian na tampok ang ganitong uri ng discharge ay matalim na patak potensyal na malapit sa katod, na nauugnay sa isang mataas na konsentrasyon ng mga positibong ion sa hangganan ng mga rehiyon I at II, dahil sa medyo mababang bilis ng mga ion malapit sa katod. Sa madilim na espasyo ng cathode, mayroong isang malakas na acceleration ng mga electron at positive ions, na nagpapaalis ng mga electron mula sa cathode. Sa rehiyon ng kumikinang na glow, ang mga electron ay gumagawa ng matinding epekto ng ionization ng mga molekula ng gas at nawawala ang kanilang enerhiya. Dito, nabuo ang mga positibong ion, na kinakailangan upang mapanatili ang paglabas. Ang lakas ng patlang ng kuryente sa rehiyong ito ay mababa. Ang nagbabagang glow ay pangunahing sanhi ng recombination ng mga ions at electron. Ang haba ng madilim na espasyo ng cathode ay tinutukoy ng mga katangian ng materyal na gas at katod.
Sa rehiyon ng positibong haligi, ang konsentrasyon ng mga electron at ion ay humigit-kumulang pareho at napakataas, na humahantong sa isang mataas na electrical conductivity ng positibong column at isang bahagyang pagbaba ng potensyal dito. Ang glow ng positive column ay tinutukoy ng glow ng excited na mga molekula ng gas. Malapit sa anode, ang isang medyo matalim na pagbabago sa potensyal ay muling sinusunod, na nauugnay sa proseso ng pagbuo ng mga positibong ion. Sa ilang mga kaso, ang positibong hanay ay nahahati sa magkakahiwalay na mga lugar na kumikinang - sapin, pinaghihiwalay ng mga madilim na espasyo.
Ang positibong haligi ay hindi gumaganap ng isang makabuluhang papel sa pagpapanatili ng glow discharge; samakatuwid, habang ang distansya sa pagitan ng mga electrodes ng tubo ay bumababa, ang haba ng positibong haligi ay bumababa at maaari itong mawala nang buo. Ang sitwasyon ay naiiba sa haba ng madilim na espasyo ng cathode, na hindi nagbabago kapag ang mga electrodes ay lumalapit sa isa't isa. Kung ang mga electrodes ay napakalapit na ang distansya sa pagitan ng mga ito ay nagiging mas mababa kaysa sa haba ng madilim na espasyo ng cathode, kung gayon ang paglabas ng glow sa gas ay titigil. Ipinakikita ng mga eksperimento na, ang iba pang mga bagay ay pantay, ang haba d ng madilim na espasyo ng cathode ay inversely proportional sa presyon ng gas. Dahil dito, sa sapat na mababang presyon, ang mga electron na natanggal sa cathode ng mga positibong ion ay dumadaan sa gas na halos walang banggaan sa mga molekula nito, na bumubuo. elektroniko, o cathode ray .
Ang glow discharge ay ginagamit sa mga gas-light tubes, fluorescent lamp, voltage stabilizer, upang makakuha ng mga electron at ion beam. Kung ang isang hiwa ay ginawa sa cathode, pagkatapos ay ang mga makitid na ion beam ay dumaan dito sa puwang sa likod ng katod, madalas na tinatawag mga sinag ng channel. malawakang ginagamit na kababalaghan cathode sputtering, ibig sabihin. pagkasira ng ibabaw ng katod sa ilalim ng pagkilos ng mga positibong ion na tumatama dito. Ang mga ultramicroscopic na fragment ng materyal na cathode ay lumilipad sa lahat ng direksyon kasama ang mga tuwid na linya at tinatakpan ang ibabaw ng mga katawan (lalo na ang mga dielectric) na inilagay sa isang tubo na may manipis na layer. Sa ganitong paraan, ang mga salamin ay ginawa para sa isang bilang ng mga aparato, isang manipis na layer ng metal ay inilapat sa selenium photocells.
b. Paglabas ng Corona.
Ang corona discharge ay nangyayari kapag normal na presyon sa isang gas sa isang napaka-inhomogeneous na electric field (halimbawa, malapit sa mga spike o mga wire ng mataas na boltahe na linya). Sa isang corona discharge, ang gas ionization at ang glow nito ay nangyayari lamang malapit sa corona electrodes. Sa kaso ng cathode corona (negatibong corona), ang mga electron na nagdudulot ng epekto ng ionization ng mga molekula ng gas ay na-knock out sa cathode kapag binomba ito ng mga positibong ion. Kung ang anode ay corona (positibong corona), kung gayon ang kapanganakan ng mga electron ay nangyayari dahil sa photoionization ng gas malapit sa anode. Ang Corona ay isang mapanganib na kababalaghan, na sinamahan ng kasalukuyang pagtagas at pagkawala ng elektrikal na enerhiya. Upang mabawasan ang corona, ang radius ng curvature ng mga conductor ay nadagdagan, at ang kanilang ibabaw ay ginawa nang makinis hangga't maaari. Sa isang sapat na mataas na boltahe sa pagitan ng mga electrodes, ang paglabas ng corona ay nagiging isang spark.
Sa tumaas na boltahe, ang paglabas ng corona sa dulo ay may anyo ng mga linyang liwanag na nagmumula sa dulo at nagpapalit-palit sa oras. Ang mga linyang ito, na mayroong isang serye ng mga kinks at bends, ay bumubuo ng isang uri ng brush, bilang isang resulta kung saan ang naturang paglabas ay tinatawag na carpal .
Ang isang naka-charge na thundercloud ay nag-uudyok ng mga electric charge ng kabaligtaran na palatandaan sa ibabaw ng Earth sa ilalim nito. Ang isang partikular na malaking singil ay naipon sa mga tip. Samakatuwid, bago ang isang bagyo o sa panahon ng isang bagyo, ang mga cone ng liwanag na tulad ng mga brush ay madalas na sumisikat sa mga punto at matutulis na sulok ng mga matataas na bagay. Mula noong sinaunang panahon, ang glow na ito ay tinawag na apoy ng St. Elmo.
Lalo na madalas ang mga umaakyat ay nagiging saksi ng hindi pangkaraniwang bagay na ito. Minsan kahit na hindi lamang mga bagay na metal, kundi pati na rin ang mga dulo ng buhok sa ulo ay pinalamutian ng maliliit na maliwanag na tassel.
Ang paglabas ng Corona ay dapat isaalang-alang kapag nakikitungo sa mataas na boltahe. Kung may mga nakausli na bahagi o napakanipis na mga wire, maaaring magsimula ang paglabas ng corona. Nagreresulta ito sa pagtagas ng kuryente. Kung mas mataas ang boltahe ng linya ng mataas na boltahe, dapat na mas makapal ang mga wire.
C. Spark discharge.
Ang spark discharge ay may hitsura ng maliwanag na zigzag branching filament-channel na tumagos sa discharge gap at nawawala, na pinapalitan ng mga bago. Ipinakita ng mga pag-aaral na ang mga channel ng spark discharge ay nagsisimulang lumaki minsan mula sa positibong elektrod, minsan mula sa negatibo, at minsan mula sa ilang punto sa pagitan ng mga electrodes. Ito ay ipinaliwanag sa pamamagitan ng ang katunayan na ang epekto ng ionization sa kaso ng isang spark discharge ay nangyayari hindi sa buong dami ng gas, ngunit sa pamamagitan ng mga indibidwal na channel na dumadaan sa mga lugar kung saan ang konsentrasyon ng ion ay hindi sinasadyang naging pinakamataas. Ang paglabas ng spark ay sinamahan ng paglabas isang malaking bilang init, maliwanag na glow ng gas, kaluskos o kulog. Ang lahat ng mga phenomena na ito ay sanhi ng mga electron at ion avalanches na nangyayari sa mga spark channel at humahantong sa isang malaking pagtaas ng presyon, na umaabot sa 10 7 ¸10 8 Pa, at pagtaas ng temperatura hanggang 10,000 °C.
Ang isang tipikal na halimbawa ng isang spark discharge ay kidlat. Ang pangunahing channel ng kidlat ay may diameter na 10 hanggang 25 cm, at ang haba ng kidlat ay maaaring umabot ng ilang kilometro. Ang pinakamataas na agos ng pulso ng kidlat ay umaabot sa sampu at daan-daang libong amperes.
Sa maliit na haba ng discharge gap, ang spark discharge ay nagiging sanhi ng isang tiyak na pagkasira ng anode, na tinatawag na pagguho. Ang hindi pangkaraniwang bagay na ito ay ginamit sa electrospark na paraan ng pagputol, pagbabarena at iba pang mga uri ng precision metal processing.
Ang spark gap ay ginagamit bilang isang surge protector sa mga electrical transmission lines (hal. mga linya ng telepono). Kung ang isang malakas na panandaliang kasalukuyang pumasa malapit sa linya, kung gayon ang mga boltahe at mga alon ay sapilitan sa mga wire ng linyang ito, na maaaring sirain ang pag-install ng kuryente at mapanganib sa buhay ng tao. Upang maiwasan ito, ginagamit ang mga espesyal na piyus, na binubuo ng dalawang curved electrodes, ang isa ay konektado sa linya at ang isa ay pinagbabatayan. Kung ang potensyal ng linya na may kaugnayan sa lupa ay tumataas nang malaki, kung gayon ang isang paglabas ng spark ay nangyayari sa pagitan ng mga electrodes, na, kasama ang hangin na pinainit nito, ay tumataas, humahaba at masira.
Panghuli, ginagamit ang isang electric spark upang sukatin ang malalaking potensyal na pagkakaiba gamit agwat ng bola, na ang mga electrodes ay dalawang bolang metal na may makintab na ibabaw. Ang mga bola ay pinaghiwalay, at ang isang nasusukat na potensyal na pagkakaiba ay inilapat sa kanila. Pagkatapos ay pinagsasama-sama ang mga bola hanggang sa isang spark ang tumalon sa pagitan nila. Alam ang diameter ng mga bola, ang distansya sa pagitan ng mga ito, ang presyon, temperatura at halumigmig ng hangin, nahanap nila ang potensyal na pagkakaiba sa pagitan ng mga bola ayon sa mga espesyal na talahanayan. Ang pamamaraang ito ay maaaring gamitin upang sukatin, sa loob ng ilang porsyento, ang mga potensyal na pagkakaiba sa pagkakasunud-sunod ng sampu-sampung libong volts.
D. Paglabas ng arko.
Ang arc discharge ay natuklasan ni V. V. Petrov noong 1802. Ang paglabas na ito ay isa sa mga anyo ng paglabas ng gas, na nangyayari sa isang mataas na kasalukuyang density at isang medyo mababang boltahe sa pagitan ng mga electrodes (sa pagkakasunud-sunod ng ilang sampu-sampung volts). Ang pangunahing sanhi ng paglabas ng arko ay ang matinding paglabas ng mga thermoelectron sa pamamagitan ng isang mainit na katod. Ang mga electron na ito ay bumibilis electric field at gumawa ng epekto ionization ng mga molekula ng gas, dahil sa kung saan paglaban sa kuryente ang gas gap sa pagitan ng mga electrodes ay medyo maliit. Kung bawasan natin ang paglaban ng panlabas na circuit, dagdagan ang kasalukuyang paglabas ng arko, kung gayon ang kondaktibiti ng gas gap ay tataas nang labis na ang boltahe sa pagitan ng mga electrodes ay bumababa. Samakatuwid, ang arc discharge ay sinasabing may bumabagsak na kasalukuyang-boltahe na katangian. Sa presyon ng atmospera ang temperatura ng cathode ay umabot sa 3000 °C. Ang mga electron, na binomba ang anode, ay lumikha ng isang recess (crater) dito at pinainit ito. Ang temperatura ng bunganga ay humigit-kumulang 4000 °C, at sa mataas na presyon ng hangin umabot ito sa 6000-7000 °C. Ang temperatura ng gas sa arc discharge channel ay umabot sa 5000-6000 °C, kaya ang matinding thermal ionization ay nangyayari dito.
Sa ilang mga kaso, ang isang arc discharge ay sinusunod din sa isang medyo mababang temperatura ng cathode (halimbawa, sa isang mercury arc lamp).
Noong 1876, unang ginamit ni P. N. Yablochkov ang isang electric arc bilang pinagmumulan ng ilaw. Sa "kandila ng Yablochkov", ang mga uling ay nakaayos nang magkatulad at pinaghiwalay ng isang hubog na layer, at ang kanilang mga dulo ay konektado sa pamamagitan ng isang conductive na "ignition bridge". Kapag ang kasalukuyang ay nakabukas, ang ignition bridge ay nasunog at isang electric arc ang nabuo sa pagitan ng mga uling. Habang nasusunog ang mga uling, ang insulating layer ay sumingaw.
Ang arc discharge ay ginagamit bilang pinagmumulan ng liwanag kahit ngayon, halimbawa, sa mga searchlight at projector.
Init Pinapayagan ka ng arc discharge na gamitin ito para sa arc furnace ng device. Sa kasalukuyan, ang mga electric arc furnaces ay napaka malaking lakas, ay ginagamit sa isang bilang ng mga industriya: para sa smelting ng bakal, cast iron, ferroalloys, bronze, ang produksyon ng calcium carbide, nitrogen oxide, atbp.
Noong 1882, unang gumamit si N. N. Benardos ng arc discharge para sa pagputol at pagwelding ng metal. Ang discharge sa pagitan ng fixed carbon electrode at metal ay nagpapainit sa junction ng dalawang metal sheet (o plates) at hinangin ang mga ito. Ginamit ni Benardos ang parehong paraan upang putulin ang mga metal na plato at gumawa ng mga butas sa mga ito. Noong 1888, pinahusay ni N. G. Slavyanov ang pamamaraang ito ng hinang sa pamamagitan ng pagpapalit ng carbon electrode sa isang metal.
Ang arc discharge ay nakahanap ng aplikasyon sa isang mercury rectifier, na nagko-convert ng isang alternating electric current sa isang direktang kasalukuyang.
E. Plasma.
Ang plasma ay isang bahagyang o ganap na naka-ionize na gas kung saan ang mga densidad ng mga positibo at negatibong singil ay halos pareho. Kaya, ang plasma sa kabuuan ay isang electrically neutral na sistema.
Ang quantitative na katangian ng plasma ay ang antas ng ionization. Ang antas ng plasma ionization a ay ang ratio ng dami ng konsentrasyon ng mga sisingilin na particle sa kabuuang dami ng konsentrasyon ng mga particle. Depende sa antas ng ionization, ang plasma ay nahahati sa mahina ang ionized(a ay mga fraction ng isang porsyento), bahagyang na-ionize (a ng pagkakasunud-sunod ng ilang porsyento) at ganap na na-ionize (a ay malapit sa 100%). Mahinang ionized na plasma natural na kondisyon ay ang mga itaas na layer ng atmospera - ang ionosphere. Ang araw, maiinit na bituin, at ilang interstellar cloud ay ganap na naka-ionize na plasma na nabubuo sa mataas na temperatura.
Katamtamang enerhiya iba't ibang uri ang mga particle na bumubuo sa plasma ay maaaring magkaiba nang malaki sa isa't isa. Samakatuwid, ang plasma ay hindi maaaring makilala ng isang solong halaga ng temperatura T; makilala elektronikong temperatura T e, temperatura ng ion T i (o mga temperatura ng ion, kung mayroong ilang uri ng mga ion sa plasma) at temperatura ng mga neutral na atomo T a (neutral na bahagi). Ang nasabing plasma ay tinatawag na non-isothermal, sa kaibahan sa isothermal plasma, kung saan ang mga temperatura ng lahat ng mga bahagi ay pareho.
Ang plasma ay nahahati din sa mataas na temperatura (T i »10 6 -10 8 K at higit pa) at mababang temperatura!!! (T i<=10 5 К). Это условное разделение связано с особой влажностью высокотемпературной плазмы в связи с проблемой осуществления управляемого термоядерного синтеза.
Ang plasma ay may ilang partikular na katangian, na nagpapahintulot sa amin na isaalang-alang ito bilang isang espesyal na ikaapat na estado ng bagay.
Dahil sa mataas na kadaliang mapakilos ng mga sisingilin na mga particle ng plasma, madali silang lumipat sa ilalim ng impluwensya ng mga electric at magnetic field. Samakatuwid, ang anumang paglabag sa elektrikal na neutralidad ng mga indibidwal na rehiyon ng plasma, na sanhi ng akumulasyon ng mga particle ng parehong pag-sign ng singil, ay mabilis na naalis. Ang mga nagreresultang electric field ay naglilipat ng mga naka-charge na particle hanggang sa maibalik ang electrical neutrality at ang electric field ay maging zero. Sa kaibahan sa isang neutral na gas, sa pagitan ng kung saan ang mga molekula ay may mga short-range na pwersa, sa pagitan ng mga sisingilin na mga particle ng plasma ay mayroong mga puwersa ng Coulomb na medyo mabagal na bumaba sa distansya. Ang bawat particle ay agad na nakikipag-ugnayan sa isang malaking bilang ng mga nakapaligid na particle. Dahil dito, kasama ang magulong thermal motion, ang mga particle ng plasma ay maaaring lumahok sa iba't ibang ordered motions. Ang iba't ibang uri ng mga oscillations at wave ay madaling nasasabik sa isang plasma.
Ang kondaktibiti ng plasma ay tumataas habang tumataas ang antas ng ionization. Sa mataas na temperatura, ang isang ganap na ionized na plasma ay lumalapit sa mga superconductor sa conductivity nito.
Ang mababang temperatura na plasma ay ginagamit sa mga pinagmumulan ng ilaw na naglalabas ng gas - sa mga makinang na tubo para sa mga inskripsiyon sa advertising, sa mga fluorescent lamp. Ang isang lampara sa paglabas ng gas ay ginagamit sa maraming mga aparato, halimbawa, sa mga laser ng gas - mga pinagmumulan ng ilaw ng quantum.
Ang mataas na temperatura na plasma ay ginagamit sa magnetohydrodynamic generators.
Isang bagong device, ang plasma torch, ay ginawa kamakailan. Ang plasmatron ay lumilikha ng makapangyarihang mga jet ng siksik na mababang temperatura na plasma, na malawakang ginagamit sa iba't ibang larangan ng teknolohiya: para sa pagputol at pagwelding ng mga metal, pagbabarena ng mga balon sa matitigas na bato, atbp.
Listahan ng ginamit na panitikan:
1) Physics: Electrodynamics. 10-11 cell: aklat-aralin. para sa malalim na pag-aaral ng pisika / G. Ya. Myakishev, A. Z. Sinyakov, B. A. Slobodskov. - 2nd edition - M.: Drofa, 1998. - 480 p.
2) Kurso sa pisika (sa tatlong volume). T. II. kuryente at magnetismo. Proc. manual para sa mga teknikal na kolehiyo. / Detlaf A.A., Yavorsky B. M., Milkovskaya L. B. Izd. Ika-4, binago. - M.: Higher School, 1977. - 375 p.
3) Kuryente./E. G. Kalashnikov. Ed. "Science", Moscow, 1977.
4) Physics./B. B. Bukhovtsev, Yu. L. Klimontovich, G. Ya. Myakishev. 3rd edition, nirebisa. – M.: Enlightenment, 1986.
Mga paksa ng USE codifier: mga carrier ng libreng singil sa kuryente sa mga gas.
Sa ilalim ng mga ordinaryong kundisyon, ang mga gas ay binubuo ng mga atomo o molekula na neutral sa kuryente; Halos walang libreng singil sa mga gas. Samakatuwid ang mga gas ay dielectrics- ang electric current ay hindi dumadaan sa kanila.
Sinabi namin na "halos wala" dahil sa katunayan, sa mga gas at, sa partikular, sa hangin, palaging may isang tiyak na halaga ng libreng sisingilin na mga particle. Lumilitaw ang mga ito bilang isang resulta ng ionizing effect ng radiation mula sa mga radioactive substance na bumubuo sa crust ng lupa, ultraviolet at x-ray radiation mula sa araw, pati na rin ang mga cosmic ray - mga daloy ng mga high-energy na particle na tumagos sa kapaligiran ng mundo mula sa kalawakan. . Mamaya ay babalik tayo sa katotohanang ito at tatalakayin ang kahalagahan nito, ngunit sa ngayon ay mapapansin lamang natin na sa ilalim ng normal na mga kondisyon ang conductivity ng mga gas, na sanhi ng "natural" na halaga ng mga libreng singil, ay bale-wala at maaaring balewalain.
Ang pagkilos ng mga switch sa mga de-koryenteng circuit ay batay sa mga katangian ng insulating ng air gap (fig. 1). Halimbawa, ang isang maliit na puwang ng hangin sa isang switch ng ilaw ay sapat na upang buksan ang isang de-koryenteng circuit sa iyong silid.
kanin. 1 susi
Posible, gayunpaman, na lumikha ng mga ganitong kondisyon kung saan lilitaw ang isang electric current sa gas gap. Isaalang-alang natin ang sumusunod na karanasan.
Sinisingil namin ang mga plato ng air capacitor at ikinonekta ang mga ito sa isang sensitibong galvanometer (Larawan 2, kaliwa). Sa temperatura ng silid at hindi masyadong mahalumigmig na hangin, ang galvanometer ay hindi magpapakita ng isang kapansin-pansing kasalukuyang: ang aming agwat ng hangin, tulad ng sinabi namin, ay hindi isang konduktor ng kuryente.
kanin. 2. Ang paglitaw ng kasalukuyang sa hangin
Ngayon dalhin natin ang apoy ng isang burner o isang kandila sa puwang sa pagitan ng mga plato ng kapasitor (Larawan 2, sa kanan). Lumilitaw ang kasalukuyang! Bakit?
Libreng singil sa isang gas
Ang paglitaw ng isang electric current sa pagitan ng mga plato ng condenser ay nangangahulugan na sa hangin sa ilalim ng impluwensya ng apoy ay lumitaw walang bayad. Ano ba talaga?
Ipinapakita ng karanasan na ang electric current sa mga gas ay isang ordered movement ng charged particles. tatlong uri. Ito mga electron, mga positibong ion At mga negatibong ion.
Tingnan natin kung paano maaaring lumitaw ang mga singil na ito sa isang gas.
Habang tumataas ang temperatura ng gas, ang mga thermal vibrations ng mga particle nito - mga molekula o atomo - ay nagiging mas matindi. Ang mga epekto ng mga particle laban sa isa't isa ay umaabot sa gayong puwersa na ionization- pagkabulok ng mga neutral na particle sa mga electron at positive ions (Fig. 3).
kanin. 3. Ionization
Degree ng ionization ay ang ratio ng bilang ng mga nabubulok na particle ng gas sa kabuuang paunang bilang ng mga particle. Halimbawa, kung ang antas ng ionization ay , nangangahulugan ito na ang orihinal na mga particle ng gas ay nabulok sa mga positibong ion at electron.
Ang antas ng gas ionization ay nakasalalay sa temperatura at tumataas nang husto sa pagtaas nito. Para sa hydrogen, halimbawa, sa isang temperatura sa ibaba ng antas ng ionization ay hindi lalampas sa , at sa isang temperatura sa itaas ng antas ng ionization ay malapit sa (iyon ay, ang hydrogen ay halos ganap na ionized (bahagyang o ganap na ionized gas ay tinatawag na plasma)).
Bilang karagdagan sa mataas na temperatura, may iba pang mga kadahilanan na nagiging sanhi ng gas ionization.
Nabanggit na natin ang mga ito sa pagpasa: ito ay radioactive radiation, ultraviolet, X-ray at gamma ray, mga cosmic particle. Anumang salik na nagiging sanhi ng ionization ng isang gas ay tinatawag ionizer.
Kaya, ang ionization ay hindi nangyayari sa kanyang sarili, ngunit sa ilalim ng impluwensya ng isang ionizer.
Kasabay nito, ang reverse na proseso recombination, iyon ay, ang muling pagsasama ng isang electron at isang positibong ion sa isang neutral na particle (Larawan 4).
kanin. 4. Recombination
Ang dahilan para sa recombination ay simple: ito ay ang Coulomb attraction ng oppositely charged electron at ions. Nagmamadali patungo sa isa't isa sa ilalim ng pagkilos ng mga de-koryenteng pwersa, nakakatugon sila at nakakakuha ng pagkakataon na bumuo ng isang neutral na atom (o molekula - depende sa uri ng gas).
Sa isang pare-parehong intensity ng pagkilos ng ionizer, ang isang dynamic na equilibrium ay naitatag: ang average na bilang ng mga particle na nabubulok sa bawat yunit ng oras ay katumbas ng average na bilang ng mga recombining particle (sa madaling salita, ang ionization rate ay katumbas ng recombination rate). ang pagkilos ng ionizer ay pinalakas (halimbawa, ang temperatura ay tumaas), pagkatapos ay ang dynamic na balanse ay lilipat sa direksyon ng ionization, at ang konsentrasyon ng mga sisingilin na particle sa gas ay tataas. Sa kabaligtaran, kung i-off mo ang ionizer, magsisimulang manginig ang recombination, at unti-unting mawawala ang mga libreng singil.
Kaya, ang mga positibong ions at electron ay lumilitaw sa gas bilang isang resulta ng ionization. Saan nagmula ang ikatlong uri ng mga singil - mga negatibong ion? Napakasimple: ang isang elektron ay maaaring lumipad sa isang neutral na atom at sumali dito! Ang prosesong ito ay ipinapakita sa Fig. 5 .
kanin. 5. Ang hitsura ng isang negatibong ion
Ang mga negatibong ion na nabuo sa ganitong paraan ay lalahok sa paglikha ng kasalukuyang kasama ng mga positibong ion at mga electron.
Non-self discharge
Kung walang panlabas na electric field, ang mga libreng singil ay nagsasagawa ng magulong thermal motion kasama ng mga neutral na particle ng gas. Ngunit kapag ang isang electric field ay inilapat, ang iniutos na paggalaw ng mga sisingilin na particle ay nagsisimula - electric current sa gas.
kanin. 6. Non-self-sustained discharge
Sa fig. 6 nakikita natin ang tatlong uri ng mga sisingilin na particle na nagmumula sa gas gap sa ilalim ng pagkilos ng isang ionizer: positive ions, negative ions at electron. Ang isang electric current sa isang gas ay nabuo bilang isang resulta ng paparating na paggalaw ng mga sisingilin na particle: mga positibong ion - sa negatibong elektrod (cathode), mga electron at negatibong mga ion - sa positibong elektrod (anode).
Ang mga electron, na bumabagsak sa positibong anode, ay ipinadala sa kahabaan ng circuit sa "plus" ng kasalukuyang pinagmulan. Ang mga negatibong ion ay nag-donate ng dagdag na elektron sa anode at, sa pagiging neutral na mga particle, bumalik sa gas; ang elektron na ibinigay sa anode ay nagmamadali din sa "plus" ng pinagmulan. Ang mga positibong ion, na dumarating sa katod, kumuha ng mga electron mula doon; ang nagresultang kakulangan ng mga electron sa cathode ay agad na nabayaran ng kanilang paghahatid doon mula sa "minus" ng pinagmulan. Bilang resulta ng mga prosesong ito, ang isang nakaayos na paggalaw ng mga electron ay nangyayari sa panlabas na circuit. Ito ang electric current na naitala ng galvanometer.
Ang prosesong inilarawan sa Fig. 6 ang tinatawag non-self-sustained discharge sa gas. Bakit umaasa? Samakatuwid, upang mapanatili ito, ang patuloy na pagkilos ng ionizer ay kinakailangan. Alisin natin ang ionizer - at ang kasalukuyang ay titigil, dahil ang mekanismo na nagsisiguro sa paglitaw ng mga libreng singil sa gas gap ay mawawala. Ang puwang sa pagitan ng anode at katod ay muling magiging isang insulator.
Volt-ampere na katangian ng paglabas ng gas
Ang pag-asa ng kasalukuyang lakas sa pamamagitan ng gas gap sa boltahe sa pagitan ng anode at cathode (ang tinatawag na kasalukuyang-boltahe na katangian ng paglabas ng gas) ay ipinapakita sa Fig. 7.
kanin. 7. Volt-ampere na katangian ng paglabas ng gas
Sa zero boltahe, ang kasalukuyang lakas, siyempre, ay katumbas ng zero: ang mga sisingilin na particle ay gumaganap lamang ng thermal na paggalaw, walang iniutos na paggalaw sa pagitan ng mga electrodes.
Sa isang maliit na boltahe, ang kasalukuyang lakas ay maliit din. Ang katotohanan ay hindi lahat ng sisingilin na mga particle ay nakatakdang makarating sa mga electrodes: ang ilan sa mga positibong ion at electron sa proseso ng kanilang paggalaw ay nahahanap ang isa't isa at muling pinagsama.
Habang tumataas ang boltahe, ang mga libreng singil ay nagkakaroon ng higit na bilis, at ang mas maliit na pagkakataon na ang isang positibong ion at isang elektron ay kailangang magtagpo at muling magsama. Samakatuwid, ang pagtaas ng bahagi ng mga sisingilin na particle ay umaabot sa mga electrodes, at ang kasalukuyang lakas ay tumataas (seksyon ).
Sa isang tiyak na halaga ng boltahe (punto), ang bilis ng pagsingil ay nagiging napakataas na ang recombination ay walang oras na mangyari. Simula ngayon Lahat ang mga sisingilin na particle na nabuo sa ilalim ng pagkilos ng ionizer ay umaabot sa mga electrodes, at kasalukuyang umabot sa saturation- Ibig sabihin, ang kasalukuyang lakas ay huminto sa pagbabago sa pagtaas ng boltahe. Ito ay magpapatuloy hanggang sa isang tiyak na punto.
pagpapalabas sa sarili
Matapos maipasa ang punto, ang kasalukuyang lakas ay tumataas nang husto sa pagtaas ng boltahe - nagsisimula independiyenteng paglabas. Ngayon ay malalaman natin kung ano ito.
Ang mga naka-charge na particle ng gas ay lumipat mula sa banggaan patungo sa banggaan; sa mga pagitan sa pagitan ng mga banggaan, pinabilis sila ng isang electric field, pinatataas ang kanilang kinetic energy. At ngayon, kapag ang boltahe ay naging sapat na malaki (sa parehong punto), ang mga electron sa panahon ng kanilang libreng landas ay umaabot sa gayong mga enerhiya na kapag sila ay bumangga sa mga neutral na atomo, sila ay nag-ionize sa kanila! (Gamit ang mga batas ng konserbasyon ng momentum at enerhiya, maipapakita na ito ay mga electron (at hindi mga ion) na pinabilis ng isang electric field na may pinakamataas na kakayahang mag-ionize ng mga atom.)
Ang tinatawag na electron impact ionization. Ang mga electron na na-knock out sa mga ionized na atom ay pinabilis din ng electric field at tinatamaan ang mga bagong atom, na nag-ionize sa kanila ngayon at bumubuo ng mga bagong electron. Bilang resulta ng umuusbong na electron avalanche, ang bilang ng mga ionized atoms ay mabilis na tumataas, bilang isang resulta kung saan ang kasalukuyang lakas ay mabilis ding tumataas.
Ang bilang ng mga libreng singil ay nagiging napakalaki na ang pangangailangan para sa isang panlabas na ionizer ay inalis. Maaari itong alisin lamang. Ang mga free charged na particle ay namumunga na ngayon bilang resulta ng panloob mga prosesong nagaganap sa gas - kaya't ang discharge ay tinatawag na independent.
Kung ang gas gap ay nasa ilalim ng mataas na boltahe, kung gayon walang ionizer ang kailangan para sa self-discharge. Ito ay sapat na upang makahanap lamang ng isang libreng elektron sa gas, at ang inilarawan sa itaas na electron avalanche ay magsisimula. At palaging magkakaroon ng kahit isang libreng elektron!
Alalahanin nating muli na sa isang gas, kahit na sa ilalim ng normal na mga kondisyon, mayroong isang tiyak na "natural" na halaga ng mga libreng singil, dahil sa ionizing radioactive radiation ng crust ng lupa, high-frequency radiation mula sa Araw, at mga cosmic ray. Nakita namin na sa mababang boltahe ang kondaktibiti ng gas na dulot ng mga libreng singil na ito ay bale-wala, ngunit ngayon - sa isang mataas na boltahe - sila ay magbibigay ng pagtaas sa isang avalanche ng mga bagong particle, na nagreresulta sa isang independiyenteng paglabas. Mangyayari ito tulad ng sinasabi nila pagkasira gap ng gas.
Ang lakas ng field na kinakailangan para masira ang tuyong hangin ay humigit-kumulang kV/cm. Sa madaling salita, upang ang isang spark ay tumalon sa pagitan ng mga electrodes na pinaghihiwalay ng isang sentimetro ng hangin, ang isang kilovolt boltahe ay dapat ilapat sa kanila. Isipin kung anong boltahe ang kailangan para makalusot ng ilang kilometro ng hangin! Ngunit ito ay tiyak na mga breakdown na nangyayari sa panahon ng isang bagyo - ito ay kidlat na kilala mo.
Ito ay nabuo sa pamamagitan ng direktang paggalaw ng mga libreng electron at sa kasong ito walang mga pagbabago sa sangkap kung saan ginawa ang konduktor ay hindi nangyayari.
Ang ganitong mga konduktor, kung saan ang pagpasa ng isang electric current ay hindi sinamahan ng mga pagbabago sa kemikal sa kanilang sangkap, ay tinatawag na konduktor ng unang uri. Kabilang dito ang lahat ng mga metal, karbon at ilang iba pang mga sangkap.
Ngunit mayroon ding mga naturang conductor ng electric current sa kalikasan, kung saan nangyayari ang mga kemikal na phenomena sa panahon ng pagpasa ng kasalukuyang. Ang mga konduktor na ito ay tinatawag konduktor ng pangalawang uri. Kabilang dito ang pangunahing iba't ibang mga solusyon sa tubig ng mga acid, salts at alkalis.
Kung magbuhos ka ng tubig sa isang sisidlan ng salamin at magdagdag ng ilang patak ng sulfuric acid (o ilang iba pang acid o alkali) dito, at pagkatapos ay kumuha ng dalawang metal plate at ikabit ang mga conductor sa kanila sa pamamagitan ng pagbaba ng mga plate na ito sa sisidlan, at kumonekta sa isang kasalukuyang pinagmulan sa iba pang mga dulo ng mga konduktor sa pamamagitan ng isang switch at isang ammeter, pagkatapos ay ilalabas ang gas mula sa solusyon, at ito ay magpapatuloy hanggang sa sarado ang circuit. Ang acidified na tubig ay talagang isang konduktor. Bilang karagdagan, ang mga plato ay magsisimulang matakpan ng mga bula ng gas. Pagkatapos ang mga bula na ito ay lalayo sa mga plato at lalabas.
Kapag ang isang electric current ay dumaan sa solusyon, nangyayari ang mga pagbabago sa kemikal, bilang isang resulta kung saan ang gas ay inilabas.
Ang mga konduktor ng pangalawang uri ay tinatawag na mga electrolyte, at ang kababalaghan na nangyayari sa electrolyte kapag ang isang electric current ay dumaan dito.
Ang mga metal plate na inilubog sa electrolyte ay tinatawag na mga electrodes; ang isa sa kanila, na konektado sa positibong poste ng kasalukuyang pinagmulan, ay tinatawag na anode, at ang isa pa, na konektado sa negatibong poste, ay tinatawag na katod.
Ano ang sanhi ng pagdaan ng electric current sa isang likidong konduktor? Lumalabas na sa mga naturang solusyon (electrolytes), ang mga molekula ng acid (alkalis, salts) sa ilalim ng pagkilos ng isang solvent (sa kasong ito, tubig) ay nabubulok sa dalawang bahagi, at ang isang particle ng molekula ay may positibong singil sa kuryente, at ang isa ay negatibo.
Ang mga particle ng isang molekula na may electric charge ay tinatawag na ions. Kapag ang isang acid, asin o alkali ay natunaw sa tubig, ang isang malaking bilang ng parehong positibo at negatibong mga ion ay lilitaw sa solusyon.
Ngayon ay dapat na maging malinaw kung bakit ang isang electric current ay dumaan sa solusyon, dahil sa pagitan ng mga electrodes na konektado sa kasalukuyang pinagmulan, ito ay nilikha, sa madaling salita, ang isa sa kanila ay naging positibong sisingilin at ang isa ay negatibo. Sa ilalim ng impluwensya ng potensyal na pagkakaiba na ito, ang mga positibong ion ay nagsimulang lumipat patungo sa negatibong elektrod - ang katod, at mga negatibong ion - patungo sa anode.
Kaya, ang magulong paggalaw ng mga ions ay naging isang ordered counter-movement ng mga negatibong ion sa isang direksyon at positibo sa isa pa. Ang proseso ng paglilipat ng singil na ito ay bumubuo sa daloy ng electric current sa pamamagitan ng electrolyte at nangyayari hangga't may potensyal na pagkakaiba sa mga electrodes. Sa pagkawala ng potensyal na pagkakaiba, ang kasalukuyang sa pamamagitan ng electrolyte ay humihinto, ang maayos na paggalaw ng mga ion ay nabalisa, at ang magulong paggalaw ay muling pumasok.
Bilang isang halimbawa, isaalang-alang ang kababalaghan ng electrolysis kapag ang isang electric current ay dumaan sa isang solusyon ng copper sulphate CuSO4 na may mga tansong electrodes na ibinaba dito.
Ang kababalaghan ng electrolysis kapag ang kasalukuyang ay dumadaan sa isang solusyon ng tansong sulpate: C - sisidlan na may electrolyte, B - kasalukuyang pinagmulan, C - switch
Magkakaroon din ng counter na paggalaw ng mga ion sa mga electrodes. Ang positibong ion ay magiging tanso (Cu) ion, at ang negatibong ion ay magiging acid residue (SO4) ion. Ang mga ion ng tanso, sa pakikipag-ugnay sa katod, ay ipapalabas (ilakip ang mga nawawalang mga electron sa kanilang sarili), ibig sabihin, sila ay magiging mga neutral na molekula ng purong tanso, at idineposito sa katod sa anyo ng pinakamanipis (molekular) na layer.
Ang mga negatibong ion, na nakarating sa anode, ay pinalabas din (nagbibigay ng labis na mga electron). Ngunit sa parehong oras, pumasok sila sa isang kemikal na reaksyon na may tanso ng anode, bilang isang resulta kung saan ang isang molekula ng tanso Cu ay nakakabit sa acidic na nalalabi SO4 at isang molekula ng tansong sulpate CuS O4 ay nabuo, na ibinalik. bumalik sa electrolyte.
Dahil ang proseso ng kemikal na ito ay tumatagal ng mahabang panahon, ang tanso ay idineposito sa katod, na inilabas mula sa electrolyte. Sa kasong ito, sa halip na ang mga molecule ng tanso na napunta sa katod, ang electrolyte ay tumatanggap ng mga bagong molecule ng tanso dahil sa paglusaw ng pangalawang elektrod - ang anode.
Ang parehong proseso ay nangyayari kung ang zinc electrodes ay kinuha sa halip ng mga tanso, at ang electrolyte ay isang solusyon ng zinc sulfate ZnSO4. Ang zinc ay ililipat din mula sa anode patungo sa katod.
kaya, pagkakaiba sa pagitan ng electric current sa mga metal at liquid conductor ay namamalagi sa katotohanan na sa mga metal lamang ang mga libreng electron, ibig sabihin, mga negatibong singil, ang mga tagadala ng singil, habang sa mga electrolyte ito ay dinadala ng magkasalungat na sisingilin na mga particle ng bagay - mga ion na gumagalaw sa magkasalungat na direksyon. Kaya't sinasabi nila iyon Ang mga electrolyte ay may ionic conductivity.
Ang kababalaghan ng electrolysis ay natuklasan noong 1837 ni B. S. Jacobi, na nagsagawa ng maraming eksperimento sa pag-aaral at pagpapabuti ng kasalukuyang mga mapagkukunan ng kemikal. Natagpuan ni Jacobi na ang isa sa mga electrodes na inilagay sa isang solusyon ng tansong sulpate, kapag ang isang electric current ay dumaan dito, ay natatakpan ng tanso.
Ang kababalaghang ito ay tinatawag electroplating, nakakahanap ng napakalawak na praktikal na aplikasyon ngayon. Ang isang halimbawa nito ay ang patong ng mga bagay na metal na may manipis na layer ng iba pang mga metal, i.e. nickel plating, gilding, silver plating, atbp.
Ang mga gas (kabilang ang hangin) ay hindi nagdadala ng kuryente sa ilalim ng normal na mga kondisyon. Halimbawa, ang hubo't hubad, na sinuspinde na kahanay sa isa't isa, ay nakahiwalay sa isa't isa sa pamamagitan ng isang layer ng hangin.
Gayunpaman, sa ilalim ng impluwensya ng mataas na temperatura, isang malaking potensyal na pagkakaiba, at iba pang mga kadahilanan, ang mga gas, tulad ng mga likidong conductor, ay nag-ionize, ibig sabihin, ang mga particle ng mga molekula ng gas ay lumilitaw sa mga ito sa malaking bilang, na, bilang mga carrier ng kuryente, ay nag-aambag sa pagpasa. ng electric current sa pamamagitan ng gas.
Ngunit sa parehong oras, ang ionization ng isang gas ay naiiba mula sa ionization ng isang likidong konduktor. Kung ang isang molekula ay nahahati sa dalawang bahagi na sinisingil sa isang likido, kung gayon sa mga gas, sa ilalim ng pagkilos ng ionization, ang mga electron ay palaging nahihiwalay mula sa bawat molekula at ang isang ion ay nananatili sa anyo ng isang positibong sisingilin na bahagi ng molekula.
Ang isa ay dapat lamang na itigil ang ionization ng gas, dahil ito ay tumigil sa pagiging conductive, habang ang likido ay palaging nananatiling isang conductor ng electric current. Dahil dito, ang kondaktibiti ng isang gas ay isang pansamantalang kababalaghan, depende sa pagkilos ng mga panlabas na sanhi.
Gayunpaman, may isa pang tinatawag paglabas ng arko o isang electric arc lang. Ang kababalaghan ng isang electric arc ay natuklasan sa simula ng ika-19 na siglo ng unang Russian electrical engineer na si V. V. Petrov.
Ang V. V. Petrov, na gumagawa ng maraming mga eksperimento, ay natuklasan na sa pagitan ng dalawang uling na konektado sa isang kasalukuyang pinagmumulan, ang isang tuluy-tuloy na paglabas ng kuryente ay nangyayari sa hangin, na sinamahan ng isang maliwanag na ilaw. Sa kanyang mga akda, isinulat ni V. V. Petrov na sa kasong ito, "ang madilim na kapayapaan ay maaaring maliwanag na maliwanag." Kaya sa unang pagkakataon ay nakuha ang electric light, na praktikal na inilapat ng isa pang Russian electrical scientist na si Pavel Nikolaevich Yablochkov.
Ang "Yablochkov's Candle", na ang trabaho ay batay sa paggamit ng isang electric arc, ay gumawa ng isang tunay na rebolusyon sa electrical engineering noong mga araw na iyon.
Ang arc discharge ay ginagamit bilang pinagmumulan ng liwanag kahit ngayon, halimbawa, sa mga searchlight at projector. Ang mataas na temperatura ng arc discharge ay nagpapahintulot na magamit ito para sa . Sa kasalukuyan, ang mga arc furnace na pinapagana ng napakataas na agos ay ginagamit sa maraming industriya: para sa pagtunaw ng bakal, cast iron, ferroalloys, bronze, atbp. At noong 1882, unang gumamit si N. N. Benardos ng arc discharge para sa pagputol at pagwelding ng metal.
Sa mga gas-light tubes, fluorescent lamp, boltahe stabilizer, upang makakuha ng mga electron at ion beam, ang tinatawag na paglabas ng glow gas.
Ginagamit ang spark discharge upang sukatin ang malalaking potensyal na pagkakaiba gamit ang isang ball gap, ang mga electrodes kung saan ay dalawang metal na bola na may makintab na ibabaw. Ang mga bola ay pinaghiwalay, at ang isang nasusukat na potensyal na pagkakaiba ay inilapat sa kanila. Pagkatapos ay pinagsasama-sama ang mga bola hanggang sa isang spark ang tumalon sa pagitan nila. Alam ang diameter ng mga bola, ang distansya sa pagitan ng mga ito, ang presyon, temperatura at halumigmig ng hangin, nahanap nila ang potensyal na pagkakaiba sa pagitan ng mga bola ayon sa mga espesyal na talahanayan. Ang pamamaraang ito ay maaaring gamitin upang sukatin, sa loob ng ilang porsyento, ang mga potensyal na pagkakaiba sa pagkakasunud-sunod ng sampu-sampung libong volts.
Walang ganap na dielectrics sa kalikasan. Ang iniutos na paggalaw ng mga particle - mga carrier ng electric charge - iyon ay, kasalukuyang, ay maaaring sanhi sa anumang daluyan, ngunit nangangailangan ito ng mga espesyal na kondisyon. Isasaalang-alang natin dito kung paano nagpapatuloy ang mga electrical phenomena sa mga gas at kung paano mababago ang isang gas mula sa isang napakahusay na dielectric sa isang napakahusay na konduktor. Magiging interesado kami sa mga kondisyon kung saan ito lumitaw, at din sa kung anong mga tampok ang electric current sa mga gas ay nailalarawan.
Mga elektrikal na katangian ng mga gas
Ang isang dielectric ay isang sangkap (medium) kung saan ang konsentrasyon ng mga particle - mga libreng carrier ng isang electric charge - ay hindi umabot sa anumang makabuluhang halaga, bilang isang resulta kung saan ang conductivity ay bale-wala. Ang lahat ng mga gas ay mahusay na dielectrics. Ang kanilang mga insulating properties ay ginagamit sa lahat ng dako. Halimbawa, sa anumang circuit breaker, ang pagbubukas ng circuit ay nangyayari kapag ang mga contact ay dinala sa isang posisyon na ang isang air gap ay bumubuo sa pagitan nila. Ang mga wire sa mga linya ng kuryente ay nakahiwalay din sa isa't isa ng isang air layer.
Ang yunit ng istruktura ng anumang gas ay isang molekula. Binubuo ito ng atomic nuclei at electron clouds, iyon ay, ito ay isang koleksyon ng mga electric charge na ipinamamahagi sa espasyo sa ilang paraan. Ang isang molekula ng gas ay maaaring dahil sa mga kakaibang istraktura nito o maging polarized sa ilalim ng pagkilos ng isang panlabas na electric field. Ang karamihan sa mga molekula na bumubuo sa isang gas ay neutral sa kuryente sa ilalim ng normal na mga kondisyon, dahil ang mga singil sa mga ito ay magkakansela sa isa't isa.
Kung ang isang electric field ay inilapat sa gas, ang mga molekula ay ipapalagay ang isang dipole orientation, na sumasakop sa isang spatial na posisyon na nagbabayad para sa epekto ng patlang. Ang mga sisingilin na particle na naroroon sa gas sa ilalim ng impluwensya ng mga puwersa ng Coulomb ay magsisimulang gumalaw: mga positibong ion - sa direksyon ng katod, mga negatibong ion at mga electron - patungo sa anode. Gayunpaman, kung ang patlang ay may hindi sapat na potensyal, ang isang solong nakadirekta na daloy ng mga singil ay hindi mangyayari, at ang isa ay maaaring magsalita ng hiwalay na mga alon, napakahina na dapat silang pabayaan. Ang gas ay kumikilos tulad ng isang dielectric.
Kaya, para sa paglitaw ng isang electric current sa mga gas, isang mataas na konsentrasyon ng mga carrier ng libreng bayad at ang pagkakaroon ng isang patlang ay kinakailangan.
Ionization
Ang proseso ng isang mala-avalanche na pagtaas sa bilang ng mga libreng singil sa isang gas ay tinatawag na ionization. Alinsunod dito, ang isang gas kung saan mayroong isang malaking halaga ng mga sisingilin na mga particle ay tinatawag na ionized. Nasa ganitong mga gas na nalikha ang isang electric current.
Ang proseso ng ionization ay nauugnay sa isang paglabag sa neutralidad ng mga molekula. Bilang resulta ng detatsment ng isang electron, lumilitaw ang mga positibong ion, ang attachment ng isang elektron sa isang molekula ay humahantong sa pagbuo ng isang negatibong ion. Bilang karagdagan, mayroong maraming mga libreng electron sa isang ionized gas. Ang mga positibong ion at lalo na ang mga electron ay ang pangunahing tagapagdala ng singil para sa electric current sa mga gas.
Ang ionization ay nangyayari kapag ang isang tiyak na halaga ng enerhiya ay ibinibigay sa isang particle. Kaya, ang isang panlabas na elektron sa komposisyon ng isang molekula, na natanggap ang enerhiya na ito, ay maaaring umalis sa molekula. Ang magkakasamang banggaan ng mga sisingilin na mga particle na may mga neutral ay humahantong sa pagkatok sa mga bagong electron, at ang proseso ay tumatagal ng isang karakter na parang avalanche. Ang kinetic energy ng mga particle ay tumataas din, na lubos na nagtataguyod ng ionization.
Saan nagmumula ang enerhiya na ginugol sa paggulo ng electric current sa mga gas? Ang ionization ng mga gas ay may ilang mga mapagkukunan ng enerhiya, ayon sa kung saan kaugalian na pangalanan ang mga uri nito.
- Ionization sa pamamagitan ng isang electric field. Sa kasong ito, ang potensyal na enerhiya ng field ay na-convert sa kinetic energy ng mga particle.
- Thermal ionization. Ang pagtaas ng temperatura ay humahantong din sa pagbuo ng isang malaking bilang ng mga libreng singil.
- Photoionization. Ang kakanyahan ng prosesong ito ay ang mga electron ay binibigyan ng enerhiya ng electromagnetic radiation quanta - mga photon, kung mayroon silang sapat na mataas na dalas (ultraviolet, x-ray, gamma quanta).
- Ang epekto ng ionization ay ang resulta ng conversion ng kinetic energy ng nagbabanggaan na mga particle sa enerhiya ng electron detachment. Kasama ng thermal ionization, nagsisilbi itong pangunahing kadahilanan sa paggulo ng electric current sa mga gas.
Ang bawat gas ay nailalarawan sa pamamagitan ng isang tiyak na halaga ng threshold - ang enerhiya ng ionization na kinakailangan para sa isang electron na humiwalay mula sa isang molekula, na malampasan ang isang potensyal na hadlang. Ang halagang ito para sa unang electron ay umaabot mula sa ilang volts hanggang dalawang sampu ng volts; mas maraming enerhiya ang kailangan upang matanggal ang susunod na elektron mula sa molekula, at iba pa.
Dapat itong isaalang-alang na kasabay ng ionization sa gas, ang reverse na proseso ay nangyayari - recombination, iyon ay, ang pagpapanumbalik ng mga neutral na molekula sa ilalim ng pagkilos ng Coulomb forces of attraction.
Paglabas ng gas at mga uri nito
Kaya, ang electric current sa mga gas ay dahil sa iniutos na paggalaw ng mga sisingilin na particle sa ilalim ng pagkilos ng isang electric field na inilapat sa kanila. Ang pagkakaroon ng naturang mga singil, sa turn, ay posible dahil sa iba't ibang mga kadahilanan ng ionization.
Kaya, ang thermal ionization ay nangangailangan ng makabuluhang temperatura, ngunit ang isang bukas na apoy na may kaugnayan sa ilang mga proseso ng kemikal ay nag-aambag sa ionization. Kahit na sa isang medyo mababang temperatura sa pagkakaroon ng isang apoy, ang hitsura ng isang electric current sa mga gas ay naitala, at ang pag-eksperimento sa gas conductivity ay ginagawang madali upang i-verify ito. Kinakailangan na ilagay ang apoy ng isang burner o kandila sa pagitan ng mga plato ng isang sisingilin na kapasitor. Ang circuit na dating bukas dahil sa air gap sa capacitor ay magsasara. Ang isang galvanometer na konektado sa circuit ay magpapakita ng pagkakaroon ng kasalukuyang.
Ang electric current sa mga gas ay tinatawag na gas discharge. Dapat tandaan na upang mapanatili ang katatagan ng paglabas, ang pagkilos ng ionizer ay dapat na pare-pareho, dahil dahil sa patuloy na recombination, ang gas ay nawawala ang mga electrically conductive properties nito. Ang ilang mga carrier ng electric current sa mga gas - ions - ay neutralized sa mga electrodes, ang iba - electron - pagkuha sa anode, ay ipinadala sa "plus" ng field source. Kung ang ionizing factor ay huminto sa paggana, ang gas ay agad na magiging isang dielectric muli, at ang kasalukuyang ay titigil. Ang naturang kasalukuyang, na nakasalalay sa pagkilos ng isang panlabas na ionizer, ay tinatawag na isang di-nakapagpapanatiling paglabas.
Ang mga tampok ng pagpasa ng electric current sa pamamagitan ng mga gas ay inilarawan ng isang espesyal na pag-asa ng kasalukuyang lakas sa boltahe - ang kasalukuyang-boltahe na katangian.
Isaalang-alang natin ang pagbuo ng isang paglabas ng gas sa graph ng kasalukuyang-boltahe na pag-asa. Kapag ang boltahe ay tumaas sa isang tiyak na halaga U 1, ang kasalukuyang pagtaas sa proporsyon dito, iyon ay, ang batas ng Ohm ay natutupad. Ang kinetic energy ay tumataas, at samakatuwid ay ang bilis ng mga singil sa gas, at ang prosesong ito ay nauuna sa recombination. Sa mga halaga ng boltahe mula U 1 hanggang U 2, ang relasyon na ito ay nilabag; kapag naabot ang U 2, ang lahat ng mga carrier ng singil ay umaabot sa mga electrodes nang hindi nagkakaroon ng oras upang muling pagsamahin. Ang lahat ng mga libreng singil ay kasangkot, at ang karagdagang pagtaas sa boltahe ay hindi humahantong sa pagtaas ng kasalukuyang. Ang likas na katangian ng paggalaw ng mga singil ay tinatawag na saturation current. Kaya, maaari nating sabihin na ang electric current sa mga gas ay dahil din sa mga kakaibang katangian ng pag-uugali ng isang ionized gas sa mga electric field ng iba't ibang lakas.
Kapag ang potensyal na pagkakaiba sa mga electrodes ay umabot sa isang tiyak na halaga U 3 , ang boltahe ay nagiging sapat para sa electric field na magdulot ng mala-avalanche na ionization ng gas. Ang kinetic energy ng mga libreng electron ay sapat na para sa impact ionization ng mga molecule. Kasabay nito, ang kanilang bilis sa karamihan ng mga gas ay humigit-kumulang 2000 km / s at mas mataas (ito ay kinakalkula ng tinatayang formula v=600 U i, kung saan ang U i ay ang potensyal ng ionization). Sa sandaling ito, ang isang gas breakdown ay nangyayari at isang makabuluhang pagtaas sa kasalukuyang nangyayari dahil sa isang panloob na pinagmulan ng ionization. Samakatuwid, ang naturang paglabas ay tinatawag na independyente.
Ang pagkakaroon ng isang panlabas na ionizer sa kasong ito ay hindi na gumaganap ng isang papel sa pagpapanatili ng isang electric current sa mga gas. Ang isang self-sustained discharge sa ilalim ng iba't ibang mga kondisyon at may iba't ibang mga katangian ng pinagmulan ng electric field ay maaaring magkaroon ng ilang mga tampok. Mayroong mga uri ng self-discharge tulad ng glow, spark, arc at corona. Titingnan natin kung paano kumikilos ang electric current sa mga gas, sa madaling sabi para sa bawat isa sa mga uri na ito.
Ang isang potensyal na pagkakaiba mula sa 100 (at mas mababa pa) hanggang 1000 volts ay sapat na upang simulan ang isang self-discharge. Samakatuwid, ang isang glow discharge, na nailalarawan sa pamamagitan ng isang mababang kasalukuyang lakas (mula 10 -5 A hanggang 1 A), ay nangyayari sa mga presyon na hindi hihigit sa ilang milimetro ng mercury.
Sa isang tubo na may bihirang gas at malamig na mga electrodes, ang lumalabas na glow discharge ay mukhang isang manipis na luminous cord sa pagitan ng mga electrodes. Kung ipagpapatuloy natin ang pagbomba ng gas palabas ng tubo, ang filament ay mahuhugasan, at sa mga presyon ng ikasampu ng milimetro ng mercury, halos ganap na napupuno ng glow ang tubo. Ang glow ay wala malapit sa cathode - sa tinatawag na dark cathode space. Ang natitira ay tinatawag na positibong haligi. Sa kasong ito, ang mga pangunahing proseso na tinitiyak ang pagkakaroon ng discharge ay naisalokal nang tumpak sa madilim na puwang ng katod at sa rehiyon na katabi nito. Dito, ang mga sisingilin na mga particle ng gas ay pinabilis, na nagpapalabas ng mga electron mula sa katod.
Sa isang glow discharge, ang sanhi ng ionization ay electron emission mula sa cathode. Ang mga electron na ibinubuga ng katod ay gumagawa ng epekto ng ionization ng mga molekula ng gas, ang mga umuusbong na positibong ion ay nagdudulot ng pangalawang paglabas mula sa katod, at iba pa. Ang glow ng positibong haligi ay higit sa lahat dahil sa pag-urong ng mga photon sa pamamagitan ng nasasabik na mga molekula ng gas, at ang iba't ibang mga gas ay nailalarawan sa pamamagitan ng glow ng isang tiyak na kulay. Ang positibong column ay nakikibahagi sa pagbuo ng isang glow discharge lamang bilang isang seksyon ng electrical circuit. Kung pinaglalapit mo ang mga electrodes, maaari mong makamit ang pagkawala ng positibong haligi, ngunit hindi titigil ang paglabas. Gayunpaman, na may karagdagang pagbawas sa distansya sa pagitan ng mga electrodes, hindi maaaring umiral ang glow discharge.
Dapat pansinin na para sa ganitong uri ng electric current sa mga gas, ang pisika ng ilang mga proseso ay hindi pa ganap na naipaliwanag. Halimbawa, ang likas na katangian ng mga puwersa na nagdudulot ng pagtaas sa kasalukuyang upang palawakin ang lugar sa ibabaw ng cathode na nakikibahagi sa paglabas ay nananatiling hindi maliwanag.
paglabas ng spark
May pulsed character ang Spark breakdown. Ito ay nangyayari sa mga pressure na malapit sa normal na atmospheric, sa mga kaso kung saan ang kapangyarihan ng pinagmumulan ng electric field ay hindi sapat upang mapanatili ang isang nakatigil na discharge. Sa kasong ito, ang lakas ng field ay mataas at maaaring umabot sa 3 MV/m. Ang kababalaghan ay nailalarawan sa pamamagitan ng isang matalim na pagtaas sa discharge electric current sa gas, sa parehong oras ang boltahe ay bumaba nang napakabilis, at ang paglabas ay huminto. Pagkatapos ang potensyal na pagkakaiba ay tataas muli, at ang buong proseso ay paulit-ulit.
Sa ganitong uri ng discharge, ang mga panandaliang spark channel ay nabuo, ang paglago nito ay maaaring magsimula mula sa anumang punto sa pagitan ng mga electrodes. Ito ay dahil sa ang katunayan na ang epekto ionization ay nangyayari nang random sa mga lugar kung saan ang pinakamalaking bilang ng mga ion ay kasalukuyang puro. Malapit sa spark channel, ang gas ay mabilis na uminit at sumasailalim sa thermal expansion, na nagiging sanhi ng mga acoustic wave. Samakatuwid, ang paglabas ng spark ay sinamahan ng pagkaluskos, pati na rin ang pagpapalabas ng init at isang maliwanag na glow. Ang mga proseso ng Avalanche ionization ay bumubuo ng matataas na presyon at temperatura hanggang 10,000 degrees at higit pa sa spark channel.
Ang pinakakapansin-pansing halimbawa ng natural na spark discharge ay kidlat. Ang diameter ng pangunahing channel ng kidlat ng kidlat ay maaaring mula sa ilang sentimetro hanggang 4 m, at ang haba ng channel ay maaaring umabot sa 10 km. Ang magnitude ng kasalukuyang umabot sa 500 libong amperes, at ang potensyal na pagkakaiba sa pagitan ng thundercloud at ibabaw ng Earth ay umabot sa isang bilyong volts.
Ang pinakamahabang kidlat na may haba na 321 km ay naobserbahan noong 2007 sa Oklahoma, USA. Ang may hawak ng record para sa tagal ay kidlat, na naitala noong 2012 sa French Alps - tumagal ito ng higit sa 7.7 segundo. Kapag tinamaan ng kidlat, ang hangin ay maaaring uminit hanggang 30 libong degrees, na 6 na beses na mas mataas kaysa sa temperatura ng nakikitang ibabaw ng Araw.
Sa mga kaso kung saan ang kapangyarihan ng pinagmumulan ng electric field ay sapat na malaki, ang spark discharge ay bubuo sa isang arc discharge.
Ang ganitong uri ng self-sustained discharge ay nailalarawan sa pamamagitan ng mataas na kasalukuyang density at mababa (mas mababa sa glow discharge) boltahe. Ang distansya ng pagkasira ay maliit dahil sa kalapitan ng mga electrodes. Ang paglabas ay pinasimulan sa pamamagitan ng paglabas ng isang electron mula sa ibabaw ng katod (para sa mga metal na atom, ang potensyal ng ionization ay maliit kumpara sa mga molekula ng gas). Sa panahon ng pagkasira sa pagitan ng mga electrodes, ang mga kondisyon ay nilikha kung saan ang gas ay nagsasagawa ng isang electric current, at isang spark discharge ay nangyayari, na nagsasara ng circuit. Kung ang kapangyarihan ng pinagmumulan ng boltahe ay sapat na malaki, ang mga spark discharge ay nagiging isang matatag na electric arc.
Ang ionization sa panahon ng isang arc discharge ay umabot sa halos 100%, ang kasalukuyang lakas ay napakataas at maaaring saklaw mula 10 hanggang 100 amperes. Sa presyon ng atmospera, ang arko ay may kakayahang magpainit hanggang sa 5-6 na libong degree, at ang katod - hanggang sa 3 libong degree, na humahantong sa matinding thermionic emission mula sa ibabaw nito. Ang pambobomba ng anode na may mga electron ay humahantong sa bahagyang pagkawasak: isang recess ay nabuo dito - isang bunganga na may temperatura na halos 4000 ° C. Ang pagtaas ng presyon ay nagdudulot ng mas malaking pagtaas sa temperatura.
Kapag nag-dilute ng mga electrodes, ang arc discharge ay nananatiling matatag hanggang sa isang tiyak na distansya, na ginagawang posible na harapin ito sa mga bahagi ng mga de-koryenteng kagamitan kung saan ito ay nakakapinsala dahil sa kaagnasan at pagkasunog ng mga contact na dulot nito. Ito ang mga device tulad ng high-voltage at automatic switch, contactor at iba pa. Ang isa sa mga paraan upang labanan ang arko na nangyayari kapag ang mga contact ay nakabukas ay ang paggamit ng mga arc chute batay sa prinsipyo ng arc extension. Maraming iba pang mga pamamaraan ang ginagamit din: shunting contact, gamit ang mga materyales na may mataas na potensyal na ionization, at iba pa.
Ang pag-unlad ng isang paglabas ng corona ay nangyayari sa normal na presyon ng atmospera sa matinding hindi magkakatulad na mga patlang malapit sa mga electrodes na may malaking kurbada ng ibabaw. Ang mga ito ay maaaring mga spers, mast, wire, iba't ibang elemento ng mga de-koryenteng kagamitan na may kumplikadong hugis, at maging ang buhok ng tao. Ang nasabing elektrod ay tinatawag na corona electrode. Ang mga proseso ng ionization at, nang naaayon, ang glow ng gas ay nagaganap malapit lamang dito.
Ang corona ay maaaring mabuo pareho sa katod (negatibong korona) kapag ito ay binomba ng mga ion, at sa anode (positibo) bilang resulta ng photoionization. Ang negatibong korona, kung saan ang proseso ng ionization ay nakadirekta palayo sa elektrod bilang isang resulta ng thermal emission, ay nailalarawan sa pamamagitan ng isang pantay na glow. Sa positibong korona, maaaring maobserbahan ang mga streamer - maliwanag na linya ng sirang configuration na maaaring maging mga spark channel.
Ang isang halimbawa ng paglabas ng corona sa mga natural na kondisyon ay ang mga nangyayari sa mga dulo ng matataas na palo, mga tuktok ng puno, at iba pa. Nabubuo ang mga ito sa isang mataas na lakas ng electric field sa atmospera, madalas bago ang bagyo o sa panahon ng snowstorm. Bilang karagdagan, ang mga ito ay naayos sa balat ng sasakyang panghimpapawid na nahulog sa isang ulap ng abo ng bulkan.
Ang paglabas ng Corona sa mga wire ng mga linya ng kuryente ay humahantong sa malaking pagkawala ng kuryente. Sa isang mataas na boltahe, ang isang paglabas ng corona ay maaaring maging isang arko. Ito ay nakipaglaban sa iba't ibang paraan, halimbawa, sa pamamagitan ng pagtaas ng radius ng curvature ng mga konduktor.
Agos ng kuryente sa mga gas at plasma
Ang isang ganap o bahagyang ionized na gas ay tinatawag na plasma at itinuturing na pang-apat na estado ng bagay. Sa kabuuan, ang plasma ay electrically neutral, dahil ang kabuuang singil ng mga constituent particle nito ay zero. Ito ay nakikilala ito mula sa iba pang mga sistema ng mga sisingilin na particle, tulad ng, halimbawa, mga electron beam.
Sa ilalim ng mga natural na kondisyon, ang plasma ay nabuo, bilang panuntunan, sa mataas na temperatura dahil sa banggaan ng mga atom ng gas sa mataas na bilis. Ang karamihan ng baryonic matter sa Uniberso ay nasa estado ng plasma. Ito ay mga bituin, bahagi ng interstellar matter, intergalactic gas. Ang ionosphere ng daigdig ay isa ring rarefied, mahinang ionized plasma.
Ang antas ng ionization ay isang mahalagang katangian ng isang plasma; ang conductive properties nito ay nakasalalay dito. Ang antas ng ionization ay tinukoy bilang ang ratio ng bilang ng mga ionized na atom sa kabuuang bilang ng mga atom sa bawat unit volume. Kung mas ionized ang plasma, mas mataas ang electrical conductivity nito. Bilang karagdagan, mayroon itong mataas na kadaliang kumilos.
Nakikita natin, samakatuwid, na ang mga gas na nagsasagawa ng kuryente sa loob ng discharge channel ay walang iba kundi plasma. Kaya, ang glow at corona discharges ay mga halimbawa ng malamig na plasma; isang lightning spark channel o isang electric arc ay mga halimbawa ng isang mainit, halos ganap na ionized na plasma.
Agos ng kuryente sa mga metal, likido at gas - pagkakaiba at pagkakatulad
Isaalang-alang natin ang mga tampok na nagpapakilala sa paglabas ng gas kumpara sa mga katangian ng kasalukuyang sa ibang media.
Sa mga metal, ang kasalukuyang ay ang direktang paggalaw ng mga libreng electron na hindi nangangailangan ng mga pagbabago sa kemikal. Ang mga konduktor ng ganitong uri ay tinatawag na mga konduktor ng unang uri; kabilang dito, bilang karagdagan sa mga metal at haluang metal, karbon, ilang asin at oksido. Ang mga ito ay nakikilala sa pamamagitan ng electronic conductivity.
Ang mga conductor ng pangalawang uri ay mga electrolyte, iyon ay, mga likidong may tubig na solusyon ng alkalis, acids at salts. Ang pagpasa ng kasalukuyang ay nauugnay sa isang kemikal na pagbabago sa electrolyte - electrolysis. Ang mga ion ng isang sangkap na natunaw sa tubig, sa ilalim ng pagkilos ng isang potensyal na pagkakaiba, ay gumagalaw sa magkasalungat na direksyon: mga positibong cation - sa katod, negatibong mga anion - sa anode. Ang proseso ay sinamahan ng gas evolution o deposition ng isang metal layer sa cathode. Ang mga conductor ng pangalawang uri ay nailalarawan sa pamamagitan ng ionic conductivity.
Kung tungkol sa conductivity ng mga gas, ito ay, una, pansamantala, at pangalawa, mayroon itong mga palatandaan ng pagkakapareho at pagkakaiba sa bawat isa sa kanila. Kaya, ang electric current sa parehong electrolytes at gas ay isang drift ng magkasalungat na sisingilin na mga particle na nakadirekta patungo sa kabaligtaran ng mga electrodes. Gayunpaman, habang ang mga electrolyte ay nailalarawan sa pamamagitan ng purong ionic conductivity, sa isang gas discharge na may kumbinasyon ng mga electronic at ionic na uri ng conductivity, ang nangungunang papel ay nabibilang sa mga electron. Ang isa pang pagkakaiba sa pagitan ng electric current sa mga likido at gas ay ang likas na katangian ng ionization. Sa isang electrolyte, ang mga molekula ng isang dissolved compound ay naghihiwalay sa tubig, ngunit sa isang gas, ang mga molekula ay hindi nasira, ngunit nawawala lamang ang mga electron. Samakatuwid, ang paglabas ng gas, tulad ng kasalukuyang sa mga metal, ay hindi nauugnay sa mga pagbabago sa kemikal.
Ang kasalukuyang sa mga likido at gas ay hindi rin pareho. Ang conductivity ng electrolytes sa kabuuan ay sumusunod sa batas ng Ohm, ngunit hindi ito sinusunod sa panahon ng paglabas ng gas. Ang katangian ng volt-ampere ng mga gas ay may mas kumplikadong katangian na nauugnay sa mga katangian ng plasma.
Dapat ding banggitin ang pangkalahatan at natatanging katangian ng electric current sa mga gas at sa vacuum. Ang vacuum ay isang halos perpektong dielectric. "Halos" - dahil sa vacuum, sa kabila ng kawalan (mas tiyak, isang napakababang konsentrasyon) ng mga carrier ng libreng bayad, posible rin ang isang kasalukuyang. Ngunit ang mga potensyal na carrier ay naroroon na sa gas, kailangan lamang nilang ma-ionize. Ang mga charge carrier ay dinadala sa vacuum mula sa matter. Bilang isang patakaran, ito ay nangyayari sa proseso ng paglabas ng elektron, halimbawa, kapag ang katod ay pinainit (thermionic emission). Ngunit, tulad ng nakita natin, ang paglabas ay may mahalagang papel din sa iba't ibang uri ng mga discharge ng gas.
Ang paggamit ng mga discharge ng gas sa teknolohiya
Ang mga nakakapinsalang epekto ng ilang discharges ay napag-usapan na sa itaas. Ngayon bigyang-pansin natin ang mga benepisyong dulot ng mga ito sa industriya at sa pang-araw-araw na buhay.
Ang glow discharge ay ginagamit sa electrical engineering (voltage stabilizers), sa coating technology (cathode sputtering method batay sa phenomenon ng cathode corrosion). Sa electronics, ginagamit ito upang makagawa ng mga ion at electron beam. Ang isang kilalang lugar ng aplikasyon para sa glow discharges ay fluorescent at tinatawag na mga matipid na lamp at pampalamuti neon at argon discharge tubes. Bilang karagdagan, ang glow discharge ay ginagamit sa at sa spectroscopy.
Ang spark discharge ay ginagamit sa mga piyus, sa mga electroerosive na pamamaraan ng precision metal processing (spark cutting, drilling, at iba pa). Ngunit ito ay pinakamahusay na kilala para sa paggamit ng mga panloob na combustion engine sa mga spark plug at mga gamit sa bahay (gas stoves).
Ang arc discharge, na unang ginamit sa teknolohiya ng pag-iilaw noong 1876 (kandila ni Yablochkov - "Russian light"), ay nagsisilbi pa ring pinagmumulan ng liwanag - halimbawa, sa mga projector at makapangyarihang mga spotlight. Sa electrical engineering, ang arko ay ginagamit sa mga mercury rectifier. Sa karagdagan, ito ay ginagamit sa electric welding, metal cutting, pang-industriya electric furnaces para sa bakal at haluang metal smelting.
Ang paglabas ng Corona ay nakakahanap ng aplikasyon sa mga electrostatic precipitator para sa pagdalisay ng ion gas, sa mga elementary particle counter, sa mga lightning rod, sa mga air conditioning system. Gumagana rin ang corona discharge sa mga copier at laser printer, kung saan sinisingil at pinalalabas nito ang photosensitive drum at inililipat ang pulbos mula sa drum patungo sa papel.
Kaya, ang mga discharge ng gas ng lahat ng uri ay malawakang ginagamit. Matagumpay at epektibong ginagamit ang electric current sa mga gas sa maraming larangan ng teknolohiya.
Sa ilalim ng normal na mga kondisyon, ang mga gas ay hindi nagsasagawa ng kuryente dahil ang kanilang mga molekula ay neutral sa kuryente. Halimbawa, ang tuyong hangin ay isang mahusay na insulator, dahil maaari nating i-verify sa tulong ng pinakasimpleng mga eksperimento sa electrostatics. Gayunpaman, ang hangin at iba pang mga gas ay nagiging conductor ng electric current kung ang mga ion ay nilikha sa kanila sa isang paraan o iba pa.
kanin. 100. Ang hangin ay nagiging conductor ng electric current kung ito ay ionized
Ang pinakasimpleng eksperimento na naglalarawan ng conductivity ng hangin sa panahon ng ionization nito sa pamamagitan ng apoy ay ipinapakita sa Fig. 100: Ang singil sa mga plato, na nananatili sa loob ng mahabang panahon, ay mabilis na nawawala kapag ang isang naiilawan na posporo ay ipinakilala sa espasyo sa pagitan ng mga plato.
Paglabas ng gas. Ang proseso ng pagdaan ng electric current sa pamamagitan ng gas ay karaniwang tinatawag na gas discharge (o isang electric discharge sa isang gas). Ang mga discharge ng gas ay nahahati sa dalawang uri: independiyente at hindi nakakapagpapanatili sa sarili.
Kategorya na hindi sapat sa sarili. Ang paglabas sa isang gas ay tinatawag na hindi nakapagpapatibay sa sarili kung ang isang panlabas na mapagkukunan ay kinakailangan upang mapanatili ito.
ionization. Ang mga ion sa isang gas ay maaaring lumitaw sa ilalim ng impluwensya ng mataas na temperatura, X-ray at ultraviolet radiation, radyaktibidad, cosmic ray, atbp. Sa lahat ng mga kasong ito, isa o higit pang mga electron ang inilalabas mula sa shell ng elektron ng isang atom o molekula. Bilang resulta, lumilitaw ang mga positibong ion at libreng elektron sa gas. Ang mga inilabas na electron ay maaaring sumali sa mga neutral na atomo o molekula, na nagiging mga negatibong ion.
Ionization at recombination. Kasabay ng mga proseso ng ionization sa gas, nangyayari rin ang mga reverse recombination na proseso: kapag pinagsama, ang mga positibo at negatibong ion o positibong mga ion at mga electron ay bumubuo ng mga neutral na molekula o atomo.
Ang pagbabago sa konsentrasyon ng ion sa oras, dahil sa patuloy na pinagmumulan ng mga proseso ng ionization at recombination, ay maaaring ilarawan bilang mga sumusunod. Ipagpalagay natin na ang pinagmumulan ng ionization ay lumilikha ng mga positibong ion bawat yunit ng dami ng gas bawat yunit ng oras at ang parehong bilang ng mga electron. Kung walang electric current sa gas at ang pagtakas ng mga ion mula sa isinasaalang-alang na dami dahil sa pagsasabog ay maaaring mapabayaan, kung gayon ang tanging mekanismo para sa pagbawas ng konsentrasyon ng ion ay recombination.
Ang recombination ay nangyayari kapag ang isang positibong ion ay nakakatugon sa isang elektron. Ang bilang ng mga naturang pagpupulong ay proporsyonal sa parehong bilang ng mga ion at bilang ng mga libreng electron, iyon ay, proporsyonal sa . Samakatuwid, ang pagbaba sa bilang ng mga ion kada yunit ng volume kada yunit ng oras ay maaaring isulat bilang , kung saan ang a ay isang pare-parehong halaga na tinatawag na recombination coefficient.
Sa ilalim ng bisa ng mga ipinakilalang pagpapalagay, ang balanse equation para sa mga ion sa isang gas ay maaaring isulat sa anyo
Hindi namin lulutasin ang differential equation na ito sa pangkalahatang paraan, ngunit isaalang-alang ang ilang kawili-wiling mga espesyal na kaso.
Una sa lahat, tandaan namin na ang mga proseso ng ionization at recombination pagkatapos ng ilang oras ay dapat magbayad sa bawat isa at ang isang pare-parehong konsentrasyon ay maitatag sa gas, makikita na sa
Ang nakatigil na konsentrasyon ng ion ay mas malaki, mas malakas ang ionization source at mas maliit ang recombination coefficient a.
Pagkatapos patayin ang ionizer, ang pagbaba sa konsentrasyon ng ion ay inilalarawan ng equation (1), kung saan kinakailangang kunin bilang paunang halaga ng konsentrasyon
Ang muling pagsusulat ng equation na ito sa anyo pagkatapos ng pagsasama, makuha namin
Ang graph ng function na ito ay ipinapakita sa Fig. 101. Ito ay isang hyperbola, ang mga asymptotes kung saan ay ang axis ng oras at ang patayong tuwid na linya. Siyempre, ang bahagi lamang ng hyperbola na tumutugma sa mga halaga ay may pisikal na kahulugan. anumang dami ay proporsyonal sa unang kapangyarihan ng agarang halaga ng dami na ito.
kanin. 101. Ang pagbaba sa konsentrasyon ng mga ions sa gas pagkatapos patayin ang pinagmulan ng ionization
Non-self conduction. Ang proseso ng pagpapababa ng konsentrasyon ng mga ions pagkatapos ng pagwawakas ng pagkilos ng ionizer ay makabuluhang pinabilis kung ang gas ay nasa isang panlabas na electric field. Sa pamamagitan ng paghila ng mga electron at ions papunta sa mga electrodes, ang electric field ay maaaring napakabilis na mapawalang-bisa ang electrical conductivity ng gas sa kawalan ng isang ionizer.
Upang maunawaan ang mga batas ng isang di-nakapagpapatuloy na paglabas, isaalang-alang natin para sa pagiging simple ang kaso kapag ang kasalukuyang sa isang gas na na-ionize ng isang panlabas na pinagmumulan ay dumadaloy sa pagitan ng dalawang flat electrodes na parallel sa isa't isa. Sa kasong ito, ang mga ions at electron ay nasa isang pare-parehong electric field ng lakas E, katumbas ng ratio ng boltahe na inilapat sa mga electrodes sa distansya sa pagitan nila.
Ang kadaliang mapakilos ng mga electron at ion. Sa isang pare-parehong inilapat na boltahe, ang isang tiyak na pare-pareho ang kasalukuyang lakas 1 ay itinatag sa circuit. Nangangahulugan ito na ang mga electron at ion sa isang ionized gas ay gumagalaw sa pare-pareho ang bilis. Upang ipaliwanag ang katotohanang ito, dapat nating ipagpalagay na bilang karagdagan sa patuloy na pagpapabilis ng puwersa ng electric field, ang mga gumagalaw na ions at electron ay apektado ng mga puwersa ng paglaban na tumataas sa pagtaas ng bilis. Inilalarawan ng mga puwersang ito ang karaniwang epekto ng mga banggaan ng mga electron at ion na may neutral na mga atomo at mga molekula ng gas. Sa pamamagitan ng mga puwersa ng paglaban
Ang average na pare-pareho na bilis ng mga electron at ion ay itinatag, proporsyonal sa lakas E ng electric field:
Ang mga coefficient ng proporsyonalidad ay tinatawag na electron at ion mobility. Ang mga kadaliang mapakilos ng mga ions at electron ay may iba't ibang mga halaga at nakasalalay sa uri ng gas, density nito, temperatura, atbp.
Ang densidad ng electric current, ibig sabihin, ang singil na dinadala ng mga electron at ions sa bawat yunit ng oras sa pamamagitan ng isang unit area, ay ipinahayag sa mga tuntunin ng konsentrasyon ng mga electron at ions, ang kanilang mga singil at ang bilis ng steady motion.
Quasi-neutrality. Sa ilalim ng normal na mga kondisyon, ang isang ionized gas sa kabuuan ay electrically neutral, o, gaya ng sinasabi nila, quasi-neutral, dahil sa maliliit na volume na naglalaman ng medyo maliit na bilang ng mga electron at ions, ang kondisyon ng electrical neutrality ay maaaring lumabag. Nangangahulugan ito na ang relasyon
Kasalukuyang density sa di-self-sustained discharge. Upang makuha ang batas ng pagbabago sa konsentrasyon ng kasalukuyang mga carrier na may oras sa panahon ng isang di-self-sustained discharge sa isang gas, kinakailangan, kasama ang mga proseso ng ionization ng isang panlabas na mapagkukunan at recombination, upang isaalang-alang ang pagtakas ng mga electron at ion sa mga electrodes. Ang bilang ng mga particle na umaalis sa bawat yunit ng oras sa bawat lugar na elektrod mula sa lakas ng tunog ay katumbas ng Ang rate ng pagbaba sa konsentrasyon ng naturang mga particle, nakukuha natin sa pamamagitan ng paghahati ng numerong ito sa dami ng gas sa pagitan ng mga electrodes. Samakatuwid, ang balanse equation sa halip na (1) sa pagkakaroon ng kasalukuyang ay isusulat sa form
Upang maitatag ang rehimen, kapag mula sa (8) nakuha namin
Ginagawang posible ng equation (9) na mahanap ang dependence ng steady-state current density sa isang non-self-sustained discharge sa inilapat na boltahe (o sa field strength E).
Dalawang limitadong kaso ang direktang nakikita.
Batas ni Ohm. Sa mababang boltahe, kapag sa equation (9) maaari nating pabayaan ang pangalawang termino sa kanang bahagi, pagkatapos nito makuha natin ang mga formula (7), mayroon tayong
Ang kasalukuyang density ay proporsyonal sa lakas ng inilapat na electric field. Kaya, para sa isang di-self-sustaining gas discharge sa mahinang electric field, ang batas ng Ohm ay nasiyahan.
Kasalukuyang saturation. Sa mababang konsentrasyon ng mga electron at ions sa equation (9), maaari nating pabayaan ang una (quadratic sa mga tuntunin ng mga termino sa kanang bahagi. Sa pagtatantya na ito, ang kasalukuyang density vector ay nakadirekta sa kahabaan ng lakas ng electric field, at nito modulus
ay hindi nakasalalay sa inilapat na boltahe. Ang resulta na ito ay wasto para sa malalakas na electric field. Sa kasong ito, pinag-uusapan natin ang kasalukuyang saturation.
Parehong itinuturing na naglilimita sa mga kaso ay maaaring imbestigahan nang hindi tumutukoy sa equation (9). Gayunpaman, sa ganitong paraan imposibleng masubaybayan kung paano, habang tumataas ang boltahe, ang paglipat mula sa batas ng Ohm sa isang hindi linear na pag-asa ng kasalukuyang sa boltahe ay nangyayari.
Sa unang paglilimita ng kaso, kapag ang kasalukuyang ay napakaliit, ang pangunahing mekanismo para sa pag-alis ng mga electron at ions mula sa discharge na rehiyon ay recombination. Samakatuwid, para sa nakatigil na konsentrasyon, maaaring gamitin ang expression (2), na, kapag (7) ay isinasaalang-alang, agad na nagbibigay ng formula (10). Sa pangalawang kaso ng paglilimita, sa kabaligtaran, ang recombination ay napapabayaan. Sa isang malakas na electric field, ang mga electron at ion ay walang oras upang kapansin-pansing muling pagsasama-sama sa panahon ng paglipad mula sa isang electrode patungo sa isa pa kung ang kanilang konsentrasyon ay sapat na mababa. Pagkatapos ang lahat ng mga electron at ion na nabuo ng panlabas na mapagkukunan ay umaabot sa mga electrodes at ang kabuuang kasalukuyang density ay katumbas ng Ito ay proporsyonal sa haba ng silid ng ionization, dahil ang kabuuang bilang ng mga electron at ion na ginawa ng ionizer ay proporsyonal sa I.
Pang-eksperimentong pag-aaral ng paglabas ng gas. Ang mga konklusyon ng teorya ng non-self-sustaining gas discharge ay kinumpirma ng mga eksperimento. Upang pag-aralan ang isang discharge sa isang gas, ito ay maginhawang gumamit ng isang glass tube na may dalawang metal electrodes. Ang electrical circuit ng naturang pag-install ay ipinapakita sa fig. 102. Mobility
Ang mga electron at ions ay lubos na nakadepende sa presyon ng gas (inversely proportional sa pressure), kaya maginhawang magsagawa ng mga eksperimento sa pinababang presyon.
Sa fig. Ipinapakita ng 103 ang pag-asa ng kasalukuyang I sa tubo sa boltahe na inilapat sa mga electrodes ng tubo. Ang ionization sa tubo ay maaaring malikha, halimbawa, sa pamamagitan ng x-ray o ultraviolet rays, o sa pamamagitan ng paggamit ng mahinang radioactive na paghahanda. Mahalaga lamang na ang panlabas na pinagmulan ng ion ay nananatiling hindi nagbabago.
kanin. 102. Diagram ng isang installation para sa pag-aaral ng gas discharge
kanin. 103. Pang-eksperimentong kasalukuyang-boltahe na katangian ng isang paglabas ng gas
Sa seksyon, ang kasalukuyang lakas ay hindi linearly na umaasa sa boltahe. Simula sa punto B, ang kasalukuyang umabot sa saturation at nananatiling pare-pareho sa ilang distansya. Ang lahat ng ito ay pare-pareho sa mga teoretikal na hula.
Ranggo sa sarili. Gayunpaman, sa punto C, ang kasalukuyang ay nagsisimulang tumaas muli, sa una ay dahan-dahan, at pagkatapos ay napakalinaw. Nangangahulugan ito na ang isang bago, panloob na pinagmumulan ng mga ion ay lumitaw sa gas. Kung aalisin natin ngayon ang panlabas na pinagmumulan, kung gayon ang paglabas sa gas ay hindi titigil, ibig sabihin, ito ay pumasa mula sa isang di-nakapagpapatuloy na paglabas sa isang independyente. Sa isang self-discharge, ang pagbuo ng mga bagong electron at ions ay nangyayari bilang isang resulta ng mga panloob na proseso sa gas mismo.
Ionization sa pamamagitan ng epekto ng elektron. Ang pagtaas ng kasalukuyang sa panahon ng paglipat mula sa isang di-self-sustained discharge sa isang independiyenteng isa ay nangyayari tulad ng isang avalanche at tinatawag na electrical breakdown ng gas. Ang boltahe kung saan nangyayari ang pagkasira ay tinatawag na boltahe ng pag-aapoy. Depende ito sa uri ng gas at sa produkto ng presyon ng gas at ang distansya sa pagitan ng mga electrodes.
Ang mga proseso sa gas na responsable para sa pagtaas ng tulad ng avalanche sa kasalukuyang lakas na may pagtaas ng inilapat na boltahe ay nauugnay sa ionization ng mga neutral na atom o molekula ng gas sa pamamagitan ng mga libreng electron na pinabilis ng electric field sa isang sapat na.
malalaking enerhiya. Ang kinetic energy ng isang electron bago ang susunod na banggaan sa isang neutral na atom o molekula ay proporsyonal sa lakas ng electric field E at ang libreng landas ng electron X:
Kung ang enerhiya na ito ay sapat upang ionize ang isang neutral na atom o molekula, ibig sabihin, ay lumampas sa gawain ng ionization
pagkatapos kapag ang isang electron ay bumangga sa isang atom o molekula, sila ay ionized. Ang resulta ay dalawang electron sa halip na isa. Ang mga ito naman, ay pinabilis ng isang electric field at nag-ionize ng mga atom o molekula na nakatagpo sa kanilang daan, atbp. Ang proseso ay bubuo tulad ng isang avalanche at tinatawag na isang electron avalanche. Ang inilarawan na mekanismo ng ionization ay tinatawag na electron impact ionization.
Isang eksperimental na patunay na ang ionization ng neutral na mga atom ng gas ay nangyayari pangunahin dahil sa mga epekto ng mga electron, at hindi ng mga positibong ion, ay ibinigay ni J. Townsend. Kumuha siya ng isang ionization chamber sa anyo ng isang cylindrical capacitor, ang panloob na elektrod na kung saan ay isang manipis na metal thread na nakaunat sa kahabaan ng axis ng silindro. Sa gayong silid, ang accelerating electric field ay lubos na hindi homogenous, at ang pangunahing papel sa ionization ay nilalaro ng mga particle na pumapasok sa rehiyon ng pinakamalakas na field malapit sa filament. Ipinapakita ng karanasan na para sa parehong boltahe sa pagitan ng mga electrodes, mas malaki ang discharge current kapag ang positibong potensyal ay inilapat sa filament at hindi sa panlabas na silindro. Sa kasong ito na ang lahat ng mga libreng electron na lumilikha ng kasalukuyang kinakailangang dumaan sa rehiyon ng pinakamalakas na larangan.
Paglabas ng mga electron mula sa katod. Ang isang self-sustained discharge ay maaari lamang maging hindi gumagalaw kung ang mga bagong libreng electron ay patuloy na lumilitaw sa gas, dahil ang lahat ng mga electron na lumilitaw sa avalanche ay umaabot sa anode at tinanggal mula sa laro. Ang mga bagong electron ay na-knock out sa cathode ng mga positibong ion, na, kapag lumilipat patungo sa katod, ay pinabilis din ng electric field at nakakakuha ng sapat na enerhiya para dito.
Ang katod ay maaaring maglabas ng mga electron hindi lamang bilang isang resulta ng pambobomba ng ion, kundi pati na rin nang nakapag-iisa, kapag ito ay pinainit sa isang mataas na temperatura. Ang prosesong ito ay tinatawag na thermionic emission, maaari itong ituring bilang isang uri ng pagsingaw ng mga electron mula sa metal. Kadalasan ito ay nangyayari sa gayong mga temperatura, kapag ang pagsingaw ng materyal na katod mismo ay maliit pa rin. Sa kaso ng isang self-sustained gas discharge, ang katod ay karaniwang pinainit nang wala
filament, tulad ng sa mga vacuum tubes, ngunit dahil sa paglabas ng init kapag binomba ng mga positibong ion. Samakatuwid, ang katod ay naglalabas ng mga electron kahit na ang enerhiya ng mga ions ay hindi sapat upang patumbahin ang mga electron.
Ang isang self-sustained discharge sa isang gas ay nangyayari hindi lamang bilang isang resulta ng isang paglipat mula sa isang di-self-sustaining isa na may pagtaas sa boltahe at ang pag-alis ng isang panlabas na pinagmulan ng ionization, ngunit din sa direktang paggamit ng isang boltahe na lumampas sa boltahe ng threshold ng ignisyon. Ang teorya ay nagpapakita na ang pinakamaliit na halaga ng mga ions, na laging naroroon sa isang neutral na gas, kung dahil lamang sa natural na radioactive background, ay sapat na upang mag-apoy sa discharge.
Depende sa mga katangian at presyon ng gas, ang pagsasaayos ng mga electrodes, at ang boltahe na inilapat sa mga electrodes, ang iba't ibang uri ng self-discharge ay posible.
Nauusok na discharge. Sa mababang presyon (sampu at daan-daang millimeter ng mercury), ang isang glow discharge ay sinusunod sa tubo. Upang mag-apoy ng glow discharge, sapat na ang boltahe ng ilang daan o kahit sampu-sampung volts. Apat na katangian na rehiyon ang maaaring makilala sa glow discharge. Ito ang dark cathode space, ang glow (o negatibong) glow, ang Faraday dark space, at ang luminous positive column na sumasakop sa karamihan ng espasyo sa pagitan ng anode at cathode.
Ang unang tatlong rehiyon ay matatagpuan malapit sa katod. Dito nangyayari ang isang matalim na pagbaba sa potensyal, na nauugnay sa isang malaking konsentrasyon ng mga positibong ion sa hangganan ng madilim na espasyo ng cathode at ang nagbabagang glow. Ang mga electron na pinabilis sa rehiyon ng cathode dark space ay gumagawa ng matinding epekto ng ionization sa glow region. Ang nagbabagang glow ay dahil sa recombination ng mga ions at electron sa neutral atoms o molecules. Ang positibong column ng discharge ay nailalarawan sa pamamagitan ng bahagyang pagbaba sa potensyal at isang glow na dulot ng pagbabalik ng mga excited na atom o molekula ng gas sa ground state.
Paglabas ng Corona. Sa medyo mataas na presyon sa gas (sa pagkakasunud-sunod ng presyur sa atmospera), malapit sa matulis na mga seksyon ng konduktor, kung saan ang electric field ay malakas na inhomogeneous, isang discharge ay sinusunod, ang makinang na rehiyon kung saan ay kahawig ng isang korona. Minsan nangyayari ang paglabas ng Corona sa mga natural na kondisyon sa tuktok ng mga puno, palo ng barko, atbp. ("Mga apoy ni St. Elmo"). Ang paglabas ng corona ay dapat isaalang-alang sa high voltage engineering kapag ang discharge na ito ay nangyayari sa paligid ng mga wire ng mataas na boltahe na mga linya ng kuryente at humantong sa pagkawala ng kuryente. Ang paglabas ng Corona ay nakakahanap ng isang kapaki-pakinabang na praktikal na aplikasyon sa mga electrostatic precipitator para sa paglilinis ng mga pang-industriyang gas mula sa mga impurities ng solid at liquid particle.
Sa pagtaas ng boltahe sa pagitan ng mga electrodes, ang paglabas ng corona ay nagiging isang spark na may kumpletong pagkasira ng agwat sa pagitan
mga electrodes. Ito ay may anyo ng isang sinag ng maliwanag na zigzag na sumasanga na mga channel, na agad na tumagos sa discharge gap at kakaibang pinapalitan ang isa't isa. Ang paglabas ng spark ay sinamahan ng pagpapalabas ng isang malaking halaga ng init, isang maliwanag na mala-bughaw na puting glow at malakas na pagkaluskos. Maaari itong maobserbahan sa pagitan ng mga bola ng electrophore machine. Ang isang halimbawa ng isang higanteng paglabas ng spark ay natural na kidlat, kung saan ang kasalukuyang lakas ay umabot sa 5-105 A, at ang potensyal na pagkakaiba ay 109 V.
Dahil ang spark discharge ay nangyayari sa atmospheric (at mas mataas) na presyon, ang boltahe ng pag-aapoy ay napakataas: sa tuyong hangin, na may distansya sa pagitan ng mga electrodes na 1 cm, ito ay tungkol sa 30 kV.
Electric arc. Ang isang tiyak na praktikal na mahalagang uri ng independiyenteng paglabas ng gas ay isang electric arc. Kapag ang dalawang carbon o metal na electrodes ay nagkadikit, ang malaking halaga ng init ay inilabas sa punto ng kanilang pakikipag-ugnay dahil sa mataas na paglaban sa pakikipag-ugnay. Bilang isang resulta, ang thermionic emission ay nagsisimula, at kapag ang mga electrodes ay inilipat sa pagitan ng mga ito, isang maliwanag na maliwanag na arko ang bumangon mula sa isang mataas na ionized, well-conducting gas. Ang kasalukuyang lakas kahit na sa isang maliit na arko ay umabot sa ilang amperes, at sa isang malaking arko - ilang daang amperes sa boltahe na humigit-kumulang 50 V. Ang electric arc ay malawakang ginagamit sa teknolohiya bilang isang malakas na pinagmumulan ng ilaw, sa mga electric furnace at para sa electric welding . isang mahinang retarding field na may boltahe na humigit-kumulang 0.5 V. Pinipigilan ng field na ito ang mabagal na mga electron na maabot ang anode. Ang mga electron ay ibinubuga ng cathode K na pinainit ng electric current.
Sa fig. Ipinapakita ng 105 ang pagdepende ng kasalukuyang lakas sa anode circuit sa accelerating na boltahe na nakuha sa mga eksperimentong ito. Ang dependence na ito ay may hindi monotonic na karakter na may maxima sa mga boltahe na maramihang 4.9 V.
Discreteness ng mga antas ng atomic energy. Ang pag-asa ng kasalukuyang sa boltahe ay maipaliwanag lamang sa pamamagitan ng pagkakaroon ng mga discrete stationary states sa mga mercury atoms. Kung ang atom ay walang mga discrete stationary states, ibig sabihin, ang panloob na enerhiya nito ay maaaring tumagal sa anumang mga halaga, kung gayon ang hindi nababanat na banggaan, na sinamahan ng pagtaas ng panloob na enerhiya ng atom, ay maaaring mangyari sa anumang electron energies. Kung mayroong mga discrete state, kung gayon ang mga banggaan ng mga electron na may mga atomo ay maaari lamang maging nababanat, hangga't ang enerhiya ng mga electron ay hindi sapat upang ilipat ang atom mula sa ground state patungo sa pinakamababang excited na estado.
Sa panahon ng nababanat na banggaan, ang kinetic energy ng mga electron ay halos hindi nagbabago, dahil ang mass ng isang electron ay mas mababa kaysa sa mass ng isang mercury atom. Sa ilalim ng mga kondisyong ito, ang bilang ng mga electron na umaabot sa anode ay tumataas nang monotonically sa pagtaas ng boltahe. Kapag ang accelerating boltahe ay umabot sa 4.9 V, ang mga banggaan ng mga electron na may mga atom ay nagiging hindi nababanat. Ang panloob na enerhiya ng mga atomo ay biglang tumaas, at ang elektron ay nawawala ang halos lahat ng kinetic energy nito bilang resulta ng banggaan.
Ang retarding field ay hindi rin pinapayagan ang mabagal na mga electron na maabot ang anode, at ang kasalukuyang bumababa nang husto. Ito ay hindi naglalaho lamang dahil ang ilan sa mga electron ay umabot sa grid nang hindi nakakaranas ng hindi nababanat na banggaan. Ang pangalawa at kasunod na maxima ng kasalukuyang lakas ay nakukuha dahil sa mga boltahe na multiple ng 4.9 V, ang mga electron sa kanilang daan patungo sa grid ay maaaring makaranas ng ilang inelastic na banggaan sa mga mercury atoms.
Kaya, ang electron ay nakakakuha ng enerhiya na kinakailangan para sa hindi nababanat na banggaan lamang pagkatapos na dumaan sa isang potensyal na pagkakaiba na 4.9 V. Nangangahulugan ito na ang panloob na enerhiya ng mga mercury atoms ay hindi maaaring magbago ng isang halaga na mas mababa sa eV, na nagpapatunay ng discreteness ng spectrum ng enerhiya ng isang atom. Ang bisa ng konklusyon na ito ay kinumpirma din ng katotohanan na sa isang boltahe ng 4.9 V ang paglabas ay nagsisimulang lumiwanag: nasasabik na mga atomo sa panahon ng kusang
ang mga transition sa ground state ay naglalabas ng nakikitang liwanag, ang dalas ng kung saan ay tumutugma sa kinakalkula ng formula
Sa mga klasikal na eksperimento nina Frank at Hertz, tinutukoy ng paraan ng epekto ng elektron hindi lamang ang mga potensyal na paggulo, kundi pati na rin ang mga potensyal na ionization ng isang bilang ng mga atom.
Magbigay ng halimbawa ng isang electrostatic experiment na nagpapakita na ang dry air ay isang magandang insulator.
Nasaan ang mga katangian ng insulating ng hangin na ginagamit sa engineering?
Ano ang hindi nakakapagpatuloy na paglabas ng gas? Sa ilalim ng anong mga kondisyon ito tumatakbo?
Ipaliwanag kung bakit ang rate ng pagbaba ng konsentrasyon dahil sa recombination ay proporsyonal sa parisukat ng konsentrasyon ng mga electron at ion. Bakit maaaring ituring na pareho ang mga konsentrasyong ito?
Bakit walang katuturan para sa batas ng pagbaba ng konsentrasyon na ipinahayag ng pormula (3) na ipakilala ang konsepto ng katangian ng oras, na malawakang ginagamit para sa mga proseso ng exponentially nabubulok, bagama't sa parehong mga kaso ang mga proseso ay nagpapatuloy, sa pangkalahatan, para sa isang walang katapusan na haba oras?
Sa iyong palagay, bakit pinili ang magkasalungat na mga palatandaan sa mga kahulugan ng mobility sa mga formula (4) para sa mga electron at ion?
Paano nakadepende sa inilapat na boltahe ang kasalukuyang lakas sa isang non-self-sustaining gas discharge? Bakit nangyayari ang paglipat mula sa batas ng Ohm sa kasalukuyang saturation sa pagtaas ng boltahe?
Ang electric current sa isang gas ay isinasagawa ng parehong mga electron at ions. Gayunpaman, ang mga singil ng isang tanda lamang ay dumarating sa bawat isa sa mga electrodes. Paano ito sumasang-ayon sa katotohanan na sa lahat ng mga seksyon ng isang serye ng circuit ang kasalukuyang lakas ay pareho?
Bakit ang mga electron sa halip na mga positibong ion ay gumaganap ng pinakamalaking papel sa gas ionization sa isang discharge dahil sa mga banggaan?
Ilarawan ang mga katangiang katangian ng iba't ibang uri ng independiyenteng paglabas ng gas.
Bakit ang mga resulta ng mga eksperimento nina Frank at Hertz ay nagpapatotoo sa discreteness ng mga antas ng enerhiya ng mga atom?
Ilarawan ang mga pisikal na proseso na nagaganap sa gas discharge tube sa mga eksperimento nina Frank at Hertz kapag ang accelerating boltahe ay tumaas.