गैसों में विद्युत प्रवाह की घटना। परिचय

सामान्य परिस्थितियों में, गैसें डाइलेक्ट्रिक्स होती हैं, क्योंकि। तटस्थ परमाणुओं और अणुओं से मिलकर बनता है, और उनके पास पर्याप्त संख्या में मुक्त शुल्क नहीं होते हैं। गैसें तभी संवाहक बनती हैं जब वे किसी तरह आयनित होती हैं। गैसों के आयनीकरण की प्रक्रिया इस तथ्य में निहित है कि किसी भी कारण से परमाणु से एक या एक से अधिक इलेक्ट्रॉन अलग हो जाते हैं। नतीजतन, एक तटस्थ परमाणु के बजाय, सकारात्मक आयनऔर इलेक्ट्रॉन.

आयनों और इलेक्ट्रॉनों में अणुओं के टूटने को कहा जाता है गैस आयनीकरण.

गठित इलेक्ट्रॉनों का हिस्सा अन्य तटस्थ परमाणुओं द्वारा कब्जा कर लिया जा सकता है, और फिर प्रकट हो सकता है ऋणात्मक आवेशित आयन.

इस प्रकार, आयनित गैस में तीन प्रकार के आवेश वाहक होते हैं: इलेक्ट्रॉन, धनात्मक आयन और ऋणात्मक।

एक परमाणु से एक इलेक्ट्रॉन को अलग करने के लिए एक निश्चित ऊर्जा खर्च करने की आवश्यकता होती है - आयनीकरण ऊर्जा वूमैं । आयनीकरण ऊर्जा गैस की रासायनिक प्रकृति और परमाणु में इलेक्ट्रॉन की ऊर्जा अवस्था पर निर्भर करती है। तो, नाइट्रोजन परमाणु से पहले इलेक्ट्रॉन की टुकड़ी के लिए, 14.5 eV की ऊर्जा खर्च की जाती है, और दूसरे इलेक्ट्रॉन की टुकड़ी के लिए - 29.5 eV, तीसरे की टुकड़ी के लिए - 47.4 eV।

गैस आयनीकरण का कारण बनने वाले कारक कहलाते हैं आयनकारक.

आयनीकरण तीन प्रकार के होते हैं: थर्मल आयनीकरण, फोटोआयनीकरण और प्रभाव आयनीकरण।

थर्मल आयनीकरणउच्च तापमान पर गैस के परमाणुओं या अणुओं के टकराव के परिणामस्वरूप होता है, यदि टकराने वाले कणों की सापेक्ष गति की गतिज ऊर्जा एक परमाणु में एक इलेक्ट्रॉन की बाध्यकारी ऊर्जा से अधिक हो जाती है।

फोटोआयनीकरणविद्युत चुम्बकीय विकिरण (पराबैंगनी, एक्स-रे या γ-विकिरण) के प्रभाव में होता है, जब एक परमाणु से एक इलेक्ट्रॉन को अलग करने के लिए आवश्यक ऊर्जा विकिरण क्वांटम द्वारा इसे स्थानांतरित कर दी जाती है।

इलेक्ट्रॉन प्रभाव द्वारा आयनीकरण(या प्रभाव आयनीकरण) उच्च गतिज ऊर्जा के साथ तेज इलेक्ट्रॉनों के साथ परमाणुओं या अणुओं के टकराव के परिणामस्वरूप सकारात्मक रूप से चार्ज किए गए आयनों का निर्माण है।

गैस आयनीकरण की प्रक्रिया हमेशा विपरीत रूप से आवेशित आयनों से उनके विद्युत आकर्षण के कारण तटस्थ अणुओं की पुनर्प्राप्ति की विपरीत प्रक्रिया के साथ होती है। इस घटना को कहा जाता है पुनर्संयोजन. पुनर्संयोजन के दौरान, आयनीकरण पर खर्च की गई ऊर्जा के बराबर ऊर्जा जारी की जाती है। यह पैदा कर सकता है, उदाहरण के लिए, गैस चमक।

यदि आयनकार की क्रिया अपरिवर्तित रहती है, तो आयनित गैस में गतिशील संतुलन स्थापित हो जाता है, जिसमें आयनों में क्षय होने पर प्रति इकाई समय में जितने अणु बहाल होते हैं। इस मामले में, आयनित गैस में आवेशित कणों की सांद्रता अपरिवर्तित रहती है। यदि, हालांकि, आयनकार की क्रिया को रोक दिया जाता है, तो आयनीकरण पर पुनर्संयोजन प्रबल होना शुरू हो जाएगा, और आयनों की संख्या तेजी से घटकर लगभग शून्य हो जाएगी। नतीजतन, एक गैस में आवेशित कणों की उपस्थिति एक अस्थायी घटना है (जब तक आयनकार काम कर रहा है)।

बाहरी क्षेत्र की अनुपस्थिति में, आवेशित कण बेतरतीब ढंग से चलते हैं।

गैस निर्वहन

जब एक आयनित गैस को में रखा जाता है विद्युत क्षेत्रविद्युत बल मुक्त आवेशों पर कार्य करना शुरू करते हैं, और वे तनाव की रेखाओं के समानांतर बहते हैं: इलेक्ट्रॉन और ऋणात्मक आयन - एनोड की ओर, धनात्मक आयन - कैथोड की ओर (चित्र 1)। इलेक्ट्रोड पर, आयन इलेक्ट्रॉनों को दान या स्वीकार करके तटस्थ परमाणुओं में बदल जाते हैं, जिससे सर्किट पूरा हो जाता है। गैस में विद्युत धारा उत्पन्न होती है।

गैसों में विद्युत धाराआयनों और इलेक्ट्रॉनों की निर्देशित गति है।

गैसों में विद्युत धारा कहलाती है गैस निर्वहन.

गैस में कुल धारा आवेशित कणों की दो धाराओं से बनी होती है: कैथोड में जाने वाली धारा और एनोड की ओर निर्देशित धारा।

गैसों में, इलेक्ट्रॉनिक चालकता, धातुओं की चालकता के समान, आयनिक चालकता के साथ संयुक्त होती है, जो जलीय घोल या इलेक्ट्रोलाइट पिघलने की चालकता के समान होती है।

इस प्रकार, गैसों की चालकता है आयन-इलेक्ट्रॉनिक वर्ण.

प्रकृति में कोई पूर्ण डाइलेक्ट्रिक्स नहीं हैं। कणों की क्रमबद्ध गति - विद्युत आवेश के वाहक - अर्थात धारा, किसी भी माध्यम में हो सकती है, लेकिन इसके लिए विशेष परिस्थितियों की आवश्यकता होती है। हम यहां इस बात पर विचार करेंगे कि गैसों में विद्युत परिघटनाएं कैसे आगे बढ़ती हैं और कैसे एक गैस को एक बहुत अच्छे ढांकता हुआ से एक बहुत अच्छे कंडक्टर में बदला जा सकता है। हम उन परिस्थितियों में रुचि लेंगे जिनके तहत यह उत्पन्न होता है, और यह भी कि गैसों में विद्युत प्रवाह किन विशेषताओं की विशेषता है।

गैसों के विद्युत गुण

एक ढांकता हुआ एक पदार्थ (माध्यम) है जिसमें कणों की सांद्रता - एक विद्युत आवेश के मुक्त वाहक - किसी भी महत्वपूर्ण मूल्य तक नहीं पहुँचते हैं, जिसके परिणामस्वरूप चालकता नगण्य होती है। सभी गैसें अच्छे डाइलेक्ट्रिक्स हैं। उनके इन्सुलेट गुण हर जगह उपयोग किए जाते हैं। उदाहरण के लिए, किसी भी सर्किट ब्रेकर में, सर्किट का उद्घाटन तब होता है जब संपर्कों को ऐसी स्थिति में लाया जाता है कि उनके बीच एक एयर गैप बन जाता है। विद्युत लाइनों में तार भी एक वायु परत द्वारा एक दूसरे से पृथक होते हैं।

किसी भी गैस की संरचनात्मक इकाई एक अणु होती है। यह मिश्रण है परमाणु नाभिकऔर इलेक्ट्रॉनिक बादल, यानी यह एक संग्रह है विद्युत शुल्कअंतरिक्ष में किसी तरह वितरित। एक गैस अणु इसकी संरचना की ख़ासियत के कारण हो सकता है या बाहरी विद्युत क्षेत्र की कार्रवाई के तहत ध्रुवीकृत हो सकता है। गैस बनाने वाले अधिकांश अणु सामान्य परिस्थितियों में विद्युत रूप से तटस्थ होते हैं, क्योंकि उनमें आवेश एक दूसरे को रद्द कर देते हैं।

यदि गैस पर एक विद्युत क्षेत्र लागू किया जाता है, तो अणु एक द्विध्रुवीय अभिविन्यास ग्रहण करेंगे, जो एक स्थानिक स्थिति पर कब्जा कर लेता है जो क्षेत्र के प्रभाव की भरपाई करता है। कूलम्ब बलों के प्रभाव में गैस में मौजूद आवेशित कण गति करना शुरू कर देंगे: सकारात्मक आयन - कैथोड की दिशा में, नकारात्मक आयन और इलेक्ट्रॉन - एनोड की ओर। हालाँकि, यदि क्षेत्र में अपर्याप्त क्षमता है, तो आवेशों का एक निर्देशित प्रवाह नहीं होता है, और कोई अलग-अलग धाराओं की बात कर सकता है, इतना कमजोर कि उन्हें उपेक्षित किया जाना चाहिए। गैस एक ढांकता हुआ की तरह व्यवहार करती है।

इस प्रकार, घटना के लिए विद्युत प्रवाहगैसों में, मुक्त आवेश वाहकों की उच्च सांद्रता और एक क्षेत्र की उपस्थिति की आवश्यकता होती है।

आयनीकरण

गैस में मुक्त आवेशों की संख्या में हिमस्खलन जैसी वृद्धि की प्रक्रिया को आयनीकरण कहा जाता है। तदनुसार, एक गैस जिसमें महत्वपूर्ण मात्रा में आवेशित कण होते हैं, आयनित कहलाते हैं। ऐसी गैसों में विद्युत धारा उत्पन्न होती है।

आयनीकरण प्रक्रिया अणुओं की तटस्थता के उल्लंघन से जुड़ी है। एक इलेक्ट्रॉन की टुकड़ी के परिणामस्वरूप, सकारात्मक आयन दिखाई देते हैं, एक अणु के लिए एक इलेक्ट्रॉन के लगाव से एक नकारात्मक आयन का निर्माण होता है। इसके अलावा, एक आयनित गैस में कई मुक्त इलेक्ट्रॉन होते हैं। गैसों में विद्युत प्रवाह के लिए धनात्मक आयन और विशेष रूप से इलेक्ट्रॉन मुख्य आवेश वाहक होते हैं।

आयनीकरण तब होता है जब किसी कण को एक निश्चित मात्रा में ऊर्जा प्रदान की जाती है। इस प्रकार, एक अणु की संरचना में एक बाहरी इलेक्ट्रॉन, इस ऊर्जा को प्राप्त करने के बाद, अणु को छोड़ सकता है। आवेशित कणों के तटस्थ कणों के साथ परस्पर टकराव से नए इलेक्ट्रॉनों की दस्तक होती है, और इस प्रक्रिया में लगता है हिमस्खलन चरित्र. कणों की गतिज ऊर्जा भी बढ़ जाती है, जो आयनीकरण को बहुत बढ़ावा देती है।

गैसों में विद्युत धारा के उत्तेजन पर व्यय की गई ऊर्जा कहाँ से आती है? गैसों के आयनीकरण में ऊर्जा के कई स्रोत होते हैं, जिनके अनुसार इसके प्रकारों को नाम देने की प्रथा है।

आयनीकरण विद्युत क्षेत्र. इस स्थिति में, क्षेत्र की स्थितिज ऊर्जा कणों की गतिज ऊर्जा में परिवर्तित हो जाती है।
थर्मल आयनीकरण। तापमान में वृद्धि से बड़ी संख्या में मुक्त शुल्क भी बनते हैं।
फोटोआयनीकरण। इस प्रक्रिया का सार यह है कि क्वांटा इलेक्ट्रॉनों को ऊर्जा प्रदान करता है विद्युत चुम्बकीय विकिरण- फोटॉन, यदि उनके पास पर्याप्त उच्च आवृत्ति (पराबैंगनी, एक्स-रे, गामा क्वांटा) है।
प्रभाव आयनीकरण, टकराने वाले कणों की गतिज ऊर्जा को इलेक्ट्रॉन पृथक्करण की ऊर्जा में बदलने का परिणाम है। थर्मल आयनीकरण के साथ, यह गैसों में विद्युत प्रवाह के उत्तेजना में मुख्य कारक के रूप में कार्य करता है।

प्रत्येक गैस को एक निश्चित थ्रेशोल्ड मान की विशेषता होती है - एक संभावित अवरोध पर काबू पाने के लिए एक अणु से एक इलेक्ट्रॉन को तोड़ने के लिए आवश्यक आयनीकरण ऊर्जा। पहले इलेक्ट्रॉन के लिए यह मान कई वोल्ट से लेकर दो दसियों वोल्ट तक होता है; अणु से अगले इलेक्ट्रॉन को अलग करने के लिए अधिक ऊर्जा की आवश्यकता होती है, इत्यादि।

यह ध्यान में रखा जाना चाहिए कि एक साथ गैस में आयनीकरण के साथ, रिवर्स प्रक्रिया होती है - पुनर्संयोजन, अर्थात, कूलम्ब आकर्षण बलों की कार्रवाई के तहत तटस्थ अणुओं की बहाली।

गैस डिस्चार्ज और उसके प्रकार

तो, गैसों में विद्युत प्रवाह उन पर लागू विद्युत क्षेत्र की क्रिया के तहत आवेशित कणों की क्रमबद्ध गति के कारण होता है। ऐसे आवेशों की उपस्थिति, बदले में, विभिन्न आयनीकरण कारकों के कारण संभव है।

इस प्रकार, थर्मल आयनीकरण के लिए महत्वपूर्ण तापमान की आवश्यकता होती है, लेकिन कुछ रासायनिक प्रक्रियाओं के संबंध में एक खुली लौ आयनीकरण में योगदान करती है। लौ की उपस्थिति में अपेक्षाकृत कम तापमान पर भी, गैसों में विद्युत प्रवाह की उपस्थिति दर्ज की जाती है, और गैस चालकता के साथ प्रयोग से इसे सत्यापित करना आसान हो जाता है। एक आवेशित संधारित्र की प्लेटों के बीच एक बर्नर या मोमबत्ती की लौ को रखना आवश्यक है। कैपेसिटर में एयर गैप के कारण पहले खुला सर्किट बंद हो जाएगा। सर्किट से जुड़ा एक गैल्वेनोमीटर करंट की उपस्थिति दिखाएगा।

गैसों में विद्युत प्रवाह को गैस डिस्चार्ज कहा जाता है। यह ध्यान में रखा जाना चाहिए कि निर्वहन की स्थिरता बनाए रखने के लिए, आयनकार की क्रिया स्थिर होनी चाहिए, क्योंकि निरंतर पुनर्संयोजन के कारण, गैस अपने विद्युत प्रवाहकीय गुणों को खो देती है। गैसों में विद्युत प्रवाह के कुछ वाहक - आयन - इलेक्ट्रोड पर निष्प्रभावी होते हैं, अन्य - इलेक्ट्रॉनों - एनोड में जाने से, क्षेत्र स्रोत के "प्लस" में भेजे जाते हैं। यदि आयनीकरण कारक काम करना बंद कर देता है, तो गैस तुरंत फिर से ढांकता हुआ हो जाएगी, और करंट बंद हो जाएगा। बाहरी आयोनाइजर की क्रिया पर निर्भर इस तरह के करंट को नॉन-सेल्फ-सस्टेनिंग डिस्चार्ज कहा जाता है।

गैसों के माध्यम से विद्युत प्रवाह के पारित होने की विशेषताएं वोल्टेज पर वर्तमान ताकत की एक विशेष निर्भरता द्वारा वर्णित हैं - वर्तमान-वोल्टेज विशेषता।

आइए हम वर्तमान-वोल्टेज निर्भरता के ग्राफ पर गैस डिस्चार्ज के विकास पर विचार करें। जब वोल्टेज एक निश्चित मान U 1 तक बढ़ जाता है, तो उसके अनुपात में करंट बढ़ता है, यानी ओम का नियम पूरा होता है। गतिज ऊर्जा बढ़ती है, और इसलिए गैस में आवेशों का वेग, और यह प्रक्रिया पुनर्संयोजन से आगे है। यू 1 से यू 2 के वोल्टेज मूल्यों पर, इस संबंध का उल्लंघन किया जाता है; जब यू 2 पहुंच जाता है, तो सभी चार्ज वाहक पुनर्संयोजन के लिए समय के बिना इलेक्ट्रोड तक पहुंच जाते हैं। सभी मुफ्त शुल्क शामिल हैं, और वोल्टेज में और वृद्धि से करंट में वृद्धि नहीं होती है। आवेशों की गति की इस प्रकृति को संतृप्ति धारा कहा जाता है। इस प्रकार, हम कह सकते हैं कि गैसों में विद्युत प्रवाह विभिन्न शक्तियों के विद्युत क्षेत्रों में आयनित गैस के व्यवहार की ख़ासियत के कारण भी होता है।

जब इलेक्ट्रोड में संभावित अंतर पहुंच जाता है निश्चित मूल्ययू 3, विद्युत क्षेत्र के लिए गैस के हिमस्खलन जैसे आयनीकरण का कारण बनने के लिए वोल्टेज पर्याप्त हो जाता है। अणुओं के प्रभाव आयनीकरण के लिए मुक्त इलेक्ट्रॉनों की गतिज ऊर्जा पहले से ही पर्याप्त है। इसी समय, अधिकांश गैसों में उनकी गति लगभग 2000 किमी / सेकंड और अधिक होती है (इसकी गणना अनुमानित सूत्र v=600 U i द्वारा की जाती है, जहां U i आयनीकरण क्षमता है)। इस समय, एक गैस टूटना होता है और एक आंतरिक आयनीकरण स्रोत के कारण वर्तमान में उल्लेखनीय वृद्धि होती है। इसलिए, इस तरह के निर्वहन को स्वतंत्र कहा जाता है।

इस मामले में एक बाहरी आयनकार की उपस्थिति अब गैसों में विद्युत प्रवाह को बनाए रखने में कोई भूमिका नहीं निभाती है। सेल्फ डिस्चार्ज अलग-अलग स्थितियांऔर विद्युत क्षेत्र के स्रोत की विभिन्न विशेषताओं के साथ, इसमें कुछ विशेषताएं हो सकती हैं। स्व-निर्वहन इस प्रकार के होते हैं जैसे चमक, चिंगारी, चाप और कोरोना। हम देखेंगे कि विद्युत धारा गैसों में कैसे व्यवहार करती है, संक्षेप में इनमें से प्रत्येक प्रकार के लिए।

100 (और उससे भी कम) से 1000 वोल्ट तक का संभावित अंतर स्व-निर्वहन आरंभ करने के लिए पर्याप्त है। इसलिए, कम वर्तमान ताकत (10 -5 ए से 1 ए तक) की विशेषता वाला एक चमक निर्वहन, पारा के कुछ मिलीमीटर से अधिक नहीं के दबाव में होता है।

एक दुर्लभ गैस और ठंडे इलेक्ट्रोड के साथ एक ट्यूब में, उभरता हुआ चमक निर्वहन इलेक्ट्रोड के बीच एक पतली चमकदार कॉर्ड की तरह दिखता है। यदि हम गैस को ट्यूब से बाहर पंप करना जारी रखते हैं, तो फिलामेंट धुल जाएगा, और पारा के दसवें मिलीमीटर के दबाव पर, चमक ट्यूब को लगभग पूरी तरह से भर देती है। कैथोड के पास चमक अनुपस्थित है - तथाकथित डार्क कैथोड स्पेस में। शेष को धनात्मक स्तंभ कहा जाता है। इस मामले में, निर्वहन के अस्तित्व को सुनिश्चित करने वाली मुख्य प्रक्रियाएं अंधेरे कैथोड स्थान और उसके आस-पास के क्षेत्र में सटीक रूप से स्थानीयकृत होती हैं। यहां, आवेशित गैस कणों को त्वरित किया जाता है, कैथोड से इलेक्ट्रॉनों को बाहर निकालता है।

एक चमक निर्वहन में, आयनीकरण का कारण कैथोड से इलेक्ट्रॉन उत्सर्जन है। कैथोड द्वारा उत्सर्जित इलेक्ट्रॉन गैस अणुओं के प्रभाव आयनीकरण का उत्पादन करते हैं, उभरते हुए सकारात्मक आयन कैथोड से द्वितीयक उत्सर्जन का कारण बनते हैं, और इसी तरह। सकारात्मक स्तंभ की चमक मुख्य रूप से उत्तेजित गैस अणुओं द्वारा फोटॉन की पुनरावृत्ति के कारण होती है, और विभिन्न गैसों को एक निश्चित रंग की चमक की विशेषता होती है। धनात्मक स्तंभ केवल विद्युत परिपथ के एक भाग के रूप में ग्लो डिस्चार्ज के निर्माण में भाग लेता है। यदि आप इलेक्ट्रोड को एक साथ करीब लाते हैं, तो आप सकारात्मक स्तंभ के गायब होने को प्राप्त कर सकते हैं, लेकिन निर्वहन बंद नहीं होगा। हालांकि, इलेक्ट्रोड के बीच की दूरी में और कमी के साथ, चमक निर्वहन मौजूद नहीं हो सकता है।

यह ध्यान दिया जाना चाहिए कि के लिए इस प्रकार केगैसों में विद्युत प्रवाह, कुछ प्रक्रियाओं की भौतिकी अभी तक पूरी तरह से स्पष्ट नहीं हुई है। उदाहरण के लिए, डिस्चार्ज में भाग लेने वाले कैथोड सतह पर क्षेत्र का विस्तार करने के लिए वर्तमान में वृद्धि करने वाले बलों की प्रकृति स्पष्ट नहीं है।

स्पार्क डिस्चार्ज

स्पार्क ब्रेकडाउन में एक स्पंदित चरित्र होता है। यह सामान्य वायुमंडलीय के करीब दबाव में होता है, ऐसे मामलों में जहां विद्युत क्षेत्र स्रोत की शक्ति स्थिर निर्वहन बनाए रखने के लिए पर्याप्त नहीं है। इस मामले में, क्षेत्र की ताकत अधिक है और 3 एमवी / मी तक पहुंच सकती है। घटना को गैस में निर्वहन विद्युत प्रवाह में तेज वृद्धि की विशेषता है, साथ ही वोल्टेज बहुत तेज़ी से गिरता है, और निर्वहन बंद हो जाता है। फिर संभावित अंतर फिर से बढ़ जाता है, और पूरी प्रक्रिया दोहराई जाती है।

इस प्रकार के निर्वहन के साथ, अल्पकालिक स्पार्क चैनल बनते हैं, जिनमें से वृद्धि इलेक्ट्रोड के बीच किसी भी बिंदु से शुरू हो सकती है। यह इस तथ्य के कारण है कि प्रभाव आयनीकरण उन स्थानों पर बेतरतीब ढंग से होता है जहां इस पलआयनों की सबसे बड़ी सांद्रता। स्पार्क चैनल के पास, गैस तेजी से गर्म होती है और थर्मल विस्तार से गुजरती है, जो ध्वनिक तरंगों का कारण बनती है। इसलिए, स्पार्क डिस्चार्ज क्रैकिंग के साथ-साथ गर्मी की रिहाई और एक उज्ज्वल चमक के साथ होता है। हिमस्खलन आयनीकरण प्रक्रियाएं स्पार्क चैनल में 10 हजार डिग्री और अधिक तक उच्च दबाव और तापमान उत्पन्न करती हैं।

प्राकृतिक स्पार्क डिस्चार्ज का सबसे महत्वपूर्ण उदाहरण बिजली है। बिजली के मुख्य स्पार्क चैनल का व्यास कुछ सेंटीमीटर से लेकर 4 मीटर तक हो सकता है, और चैनल की लंबाई 10 किमी तक पहुंच सकती है। करंट का परिमाण 500 हजार एम्पीयर तक पहुँच जाता है, और एक वज्र और पृथ्वी की सतह के बीच संभावित अंतर एक अरब वोल्ट तक पहुँच जाता है।

321 किमी की लंबाई के साथ सबसे लंबी बिजली 2007 में अमेरिका के ओक्लाहोमा में देखी गई थी। अवधि के लिए रिकॉर्ड धारक बिजली था, जो 2012 में फ्रेंच आल्प्स में दर्ज किया गया था - यह 7.7 सेकंड से अधिक समय तक चला। बिजली गिरने पर हवा 30 हजार डिग्री तक गर्म हो सकती है, जो सूर्य की दृश्य सतह के तापमान से 6 गुना अधिक है।

ऐसे मामलों में जहां विद्युत क्षेत्र के स्रोत की शक्ति काफी बड़ी होती है, स्पार्क डिस्चार्ज एक आर्क डिस्चार्ज में विकसित होता है।

इस प्रकार के स्व-निरंतर निर्वहन को उच्च वर्तमान घनत्व और कम (चमक निर्वहन से कम) वोल्टेज की विशेषता है। इलेक्ट्रोड की निकटता के कारण ब्रेकडाउन दूरी छोटी है। डिस्चार्ज कैथोड सतह से एक इलेक्ट्रॉन के उत्सर्जन से शुरू होता है (धातु परमाणुओं के लिए, गैस अणुओं की तुलना में आयनीकरण क्षमता कम होती है)। इलेक्ट्रोड के बीच टूटने के दौरान, ऐसी स्थितियां बनती हैं जिसके तहत गैस विद्युत प्रवाह का संचालन करती है, और एक स्पार्क डिस्चार्ज होता है, जो सर्किट को बंद कर देता है। यदि वोल्टेज स्रोत की शक्ति काफी बड़ी है, तो स्पार्क डिस्चार्ज एक स्थिर विद्युत चाप में बदल जाता है।

एक चाप निर्वहन के दौरान आयनीकरण लगभग 100% तक पहुंच जाता है, वर्तमान ताकत बहुत अधिक है और 10 से 100 एम्पीयर तक हो सकती है। वायुमंडलीय दबाव में, चाप 5-6 हजार डिग्री तक गर्म करने में सक्षम है, और कैथोड - 3 हजार डिग्री तक, जिससे इसकी सतह से तीव्र ऊष्मीय उत्सर्जन होता है। इलेक्ट्रॉनों के साथ एनोड की बमबारी से आंशिक विनाश होता है: इस पर एक अवकाश बनता है - लगभग 4000 डिग्री सेल्सियस के तापमान वाला एक गड्ढा। दबाव में वृद्धि से तापमान में और भी अधिक वृद्धि होती है।

इलेक्ट्रोड को पतला करते समय, आर्क डिस्चार्ज एक निश्चित दूरी तक स्थिर रहता है, जिससे बिजली के उपकरणों के उन हिस्सों में इससे निपटना संभव हो जाता है, जहां यह जंग और इसके कारण होने वाले संपर्कों के जलने के कारण हानिकारक होता है। ये हाई वोल्टेज और . जैसे डिवाइस हैं सर्किट तोड़ने वाले, संपर्ककर्ता और अन्य। चाप का मुकाबला करने के तरीकों में से एक, जो संपर्क खोलते समय होता है, चाप विस्तार के सिद्धांत के आधार पर चाप च्यूट का उपयोग होता है। कई अन्य तरीकों का भी उपयोग किया जाता है: संपर्कों को अलग करना, उच्च आयनीकरण क्षमता वाली सामग्री का उपयोग करना, और इसी तरह।

कोरोना डिस्चार्ज का विकास सामान्य वायुमंडलीय दबाव में तेजी से होता है अमानवीय क्षेत्रसतह की एक बड़ी वक्रता वाले इलेक्ट्रोड के लिए। ये स्पीयर, मास्ट, वायर, विद्युत उपकरण के विभिन्न तत्व हो सकते हैं जिनमें जटिल आकारऔर यहां तक कि मानव बाल भी। ऐसे इलेक्ट्रोड को कोरोना इलेक्ट्रोड कहा जाता है। आयनीकरण प्रक्रियाएँ और, तदनुसार, गैस की चमक उसके पास ही होती है।

कोरोना का गठन कैथोड (नकारात्मक कोरोना) दोनों पर हो सकता है जब यह आयनों के साथ बमबारी करता है, और एनोड (पॉजिटिव) पर फोटोयनाइजेशन के परिणामस्वरूप होता है। नकारात्मक कोरोना, जिसमें थर्मल उत्सर्जन के परिणामस्वरूप आयनीकरण प्रक्रिया को इलेक्ट्रोड से दूर निर्देशित किया जाता है, एक समान चमक की विशेषता है। सकारात्मक कोरोना में, स्ट्रीमर देखे जा सकते हैं - टूटे हुए विन्यास की चमकदार रेखाएं जो स्पार्क चैनलों में बदल सकती हैं।

कोरोना डिस्चार्ज का एक उदाहरण स्वाभाविक परिस्थितियांवे हैं जो ऊंचे मस्तूलों, ट्रीटॉप्स आदि की युक्तियों पर उत्पन्न होते हैं। वे वातावरण में एक उच्च विद्युत क्षेत्र की ताकत पर बनते हैं, अक्सर गरज के साथ या बर्फ के तूफान के दौरान। इसके अलावा, वे विमान की त्वचा पर तय किए गए थे जो ज्वालामुखी राख के बादल में गिर गए थे।

बिजली लाइनों के तारों पर कोरोना डिस्चार्ज होने से बिजली का काफी नुकसान होता है। उच्च वोल्टेज पर, एक कोरोना डिस्चार्ज एक चाप में बदल सकता है। वे उससे लड़ते हैं विभिन्न तरीके, उदाहरण के लिए, कंडक्टरों की वक्रता त्रिज्या को बढ़ाकर।

गैसों और प्लाज्मा में विद्युत प्रवाह

एक पूर्ण या आंशिक रूप से आयनित गैस को प्लाज्मा कहा जाता है और इसे पदार्थ की चौथी अवस्था माना जाता है। कुल मिलाकर, प्लाज्मा विद्युत रूप से तटस्थ होता है, क्योंकि इसके घटक कणों का कुल आवेश होता है शून्य. यह इसे आवेशित कणों की अन्य प्रणालियों से अलग करता है, जैसे, उदाहरण के लिए, इलेक्ट्रॉन बीम।

प्राकृतिक परिस्थितियों में, उच्च गति पर गैस परमाणुओं के टकराने के कारण उच्च तापमान पर, एक नियम के रूप में, प्लाज्मा बनता है। ब्रह्मांड में बेरियोनिक पदार्थ का विशाल बहुमत प्लाज्मा की अवस्था में है। ये तारे हैं, इंटरस्टेलर मैटर का हिस्सा, इंटरगैलेक्टिक गैस। पृथ्वी का आयनमंडल भी एक दुर्लभ, कमजोर आयनित प्लाज्मा है।

आयनीकरण की डिग्री प्लाज्मा की एक महत्वपूर्ण विशेषता है, इसके प्रवाहकीय गुण इस पर निर्भर करते हैं। आयनीकरण की डिग्री को आयनित परमाणुओं की संख्या और प्रति इकाई आयतन में परमाणुओं की कुल संख्या के अनुपात के रूप में परिभाषित किया गया है। प्लाज्मा जितना अधिक आयनित होता है, उसकी विद्युत चालकता उतनी ही अधिक होती है। इसके अलावा, इसमें उच्च गतिशीलता है।

इसलिए, हम देखते हैं कि डिस्चार्ज चैनल के भीतर बिजली का संचालन करने वाली गैसें प्लाज्मा के अलावा और कुछ नहीं हैं। इस प्रकार, चमक और कोरोना डिस्चार्ज ठंडे प्लाज्मा के उदाहरण हैं; एक बिजली की चिंगारी चैनल या एक विद्युत चाप एक गर्म, लगभग पूरी तरह से आयनित प्लाज्मा के उदाहरण हैं।

धातुओं, तरल पदार्थों और गैसों में विद्युत प्रवाह - अंतर और समानताएं

आइए हम उन विशेषताओं पर विचार करें जो अन्य मीडिया में वर्तमान के गुणों की तुलना में गैस निर्वहन की विशेषता रखते हैं।

धातुओं में, करंट मुक्त इलेक्ट्रॉनों की निर्देशित गति है जिसमें रासायनिक परिवर्तन नहीं होते हैं। इस प्रकार के संवाहकों को प्रथम प्रकार का संवाहक कहा जाता है; इनमें धातुओं और मिश्र धातुओं के अलावा, कोयला, कुछ लवण और ऑक्साइड शामिल हैं। वे इलेक्ट्रॉनिक चालकता द्वारा प्रतिष्ठित हैं।

दूसरी तरह के कंडक्टर इलेक्ट्रोलाइट्स हैं, यानी क्षार, एसिड और लवण के तरल जलीय घोल। करंट का मार्ग इलेक्ट्रोलाइट - इलेक्ट्रोलिसिस में एक रासायनिक परिवर्तन से जुड़ा है। पानी में घुले पदार्थ के आयन, संभावित अंतर की कार्रवाई के तहत, विपरीत दिशाओं में चलते हैं: सकारात्मक धनायन - कैथोड को, ऋणात्मक आयन - एनोड को। प्रक्रिया कैथोड पर गैस के विकास या धातु की परत के जमाव के साथ होती है। दूसरी तरह के कंडक्टरों को आयनिक चालकता की विशेषता है।

जहां तक गैसों की चालकता का संबंध है, यह सबसे पहले, अस्थायी है, और दूसरी बात, इसमें उनमें से प्रत्येक के साथ समानता और अंतर के संकेत हैं। तो, इलेक्ट्रोलाइट्स और गैसों दोनों में विद्युत प्रवाह विपरीत इलेक्ट्रोड की ओर निर्देशित विपरीत आवेशित कणों का बहाव है। हालांकि, जबकि इलेक्ट्रोलाइट्स को विशुद्ध रूप से आयनिक चालकता की विशेषता होती है, इलेक्ट्रॉनिक और आयनिक प्रकार की चालकता के संयोजन के साथ गैस डिस्चार्ज में, प्रमुख भूमिका इलेक्ट्रॉनों की होती है। तरल पदार्थ और गैसों में विद्युत प्रवाह के बीच एक और अंतर आयनीकरण की प्रकृति है। एक इलेक्ट्रोलाइट में, एक भंग यौगिक के अणु पानी में अलग हो जाते हैं, लेकिन एक गैस में, अणु टूटते नहीं हैं, लेकिन केवल इलेक्ट्रॉनों को खो देते हैं। इसलिए, धातुओं में करंट की तरह गैस डिस्चार्ज, रासायनिक परिवर्तनों से जुड़ा नहीं है।

द्रवों और गैसों में धारा भी समान नहीं होती है। इलेक्ट्रोलाइट्स की चालकता समग्र रूप से ओम के नियम का पालन करती है, लेकिन यह गैस के निर्वहन के दौरान नहीं देखी जाती है। गैसों की वोल्ट-एम्पीयर विशेषता में प्लाज्मा के गुणों से जुड़ा एक अधिक जटिल चरित्र होता है।

जनरल का भी जिक्र होना चाहिए विशिष्ठ सुविधाओंगैसों और निर्वात में विद्युत प्रवाह। वैक्यूम लगभग पूर्ण ढांकता हुआ है। "लगभग" - क्योंकि निर्वात में, मुक्त आवेश वाहकों की अनुपस्थिति (अधिक सटीक, एक अत्यंत कम सांद्रता) के बावजूद, एक करंट भी संभव है। लेकिन संभावित वाहक पहले से ही गैस में मौजूद हैं, उन्हें केवल आयनित करने की आवश्यकता है। आवेश वाहकों को द्रव्य से निर्वात में लाया जाता है। एक नियम के रूप में, यह इलेक्ट्रॉन उत्सर्जन की प्रक्रिया में होता है, उदाहरण के लिए, जब कैथोड को गर्म किया जाता है (थर्मिओनिक उत्सर्जन)। लेकिन में भी विभिन्न प्रकार केगैस डिस्चार्ज में, जैसा कि हमने देखा है, उत्सर्जन एक महत्वपूर्ण भूमिका निभाता है।

प्रौद्योगिकी में गैस डिस्चार्ज का उपयोग

हे हानिकारक प्रभावकुछ श्रेणियों पर पहले ही संक्षेप में ऊपर चर्चा की जा चुकी है। अब आइए उन लाभों पर ध्यान दें जो वे उद्योग में और रोजमर्रा की जिंदगी में लाते हैं।

ग्लो डिस्चार्ज का उपयोग इलेक्ट्रिकल इंजीनियरिंग (वोल्टेज स्टेबलाइजर्स) में, कोटिंग तकनीक (कैथोड जंग की घटना के आधार पर कैथोड स्पटरिंग विधि) में किया जाता है। इलेक्ट्रॉनिक्स में, इसका उपयोग आयन और इलेक्ट्रॉन बीम बनाने के लिए किया जाता है। ग्लो डिस्चार्ज के लिए आवेदन का एक प्रसिद्ध क्षेत्र फ्लोरोसेंट और तथाकथित किफायती लैंप और सजावटी नियॉन और आर्गन डिस्चार्ज ट्यूब हैं। इसके अलावा, ग्लो डिस्चार्ज का उपयोग स्पेक्ट्रोस्कोपी में और उसमें किया जाता है।

स्पार्क डिस्चार्ज का उपयोग फ़्यूज़ में, सटीक धातु प्रसंस्करण (स्पार्क कटिंग, ड्रिलिंग, और इसी तरह) के इलेक्ट्रोरोसिव तरीकों में किया जाता है। लेकिन यह आंतरिक दहन इंजन के स्पार्क प्लग में इसके उपयोग के लिए सबसे अच्छी तरह से जाना जाता है घरेलू उपकरण(गैस स्टोव)।

आर्क डिस्चार्ज, पहली बार 1876 की शुरुआत में प्रकाश प्रौद्योगिकी में उपयोग किया जा रहा था (याब्लोचकोव की मोमबत्ती - "रूसी प्रकाश"), अभी भी एक प्रकाश स्रोत के रूप में कार्य करता है - उदाहरण के लिए, प्रोजेक्टर और शक्तिशाली स्पॉटलाइट में। इलेक्ट्रिकल इंजीनियरिंग में चाप का उपयोग पारा रेक्टिफायर में किया जाता है। इसके अलावा, इसका उपयोग इलेक्ट्रिक वेल्डिंग, मेटल कटिंग, स्टील और मिश्र धातु गलाने के लिए औद्योगिक इलेक्ट्रिक भट्टियों में किया जाता है।

कोरोना डिस्चार्ज मीटर में, आयन गैस शुद्धिकरण के लिए इलेक्ट्रोस्टैटिक प्रीसिपिटेटर में आवेदन पाता है प्राथमिक कण, बिजली की छड़ों में, एयर कंडीशनिंग सिस्टम में। कोरोना डिस्चार्ज कॉपियर और लेजर प्रिंटर में भी काम करता है, जहां यह फोटोसेंसिटिव ड्रम को चार्ज और डिस्चार्ज करता है और पाउडर को ड्रम से पेपर में ट्रांसफर करता है।

इस प्रकार, सभी प्रकार के गैस निर्वहन व्यापक रूप से उपयोग किए जाते हैं। प्रौद्योगिकी के कई क्षेत्रों में गैसों में विद्युत प्रवाह सफलतापूर्वक और प्रभावी ढंग से उपयोग किया जाता है।

सामान्य परिस्थितियों में, गैसें बिजली का संचालन नहीं करती हैं क्योंकि उनके अणु विद्युत रूप से तटस्थ होते हैं। उदाहरण के लिए, शुष्क हवा एक अच्छा इन्सुलेटर है, जैसा कि हम इलेक्ट्रोस्टैटिक्स पर सबसे सरल प्रयोगों की मदद से सत्यापित कर सकते हैं। हालाँकि, हवा और अन्य गैसें विद्युत प्रवाह की संवाहक बन जाती हैं यदि उनमें किसी न किसी तरह से आयन बनते हैं।

चावल। 100. आयनित होने पर वायु विद्युत धारा की चालक बन जाती है

ज्वाला द्वारा आयनन के दौरान वायु की चालकता को दर्शाने वाला सबसे सरल प्रयोग चित्र में दिखाया गया है। 100: प्लेटों पर लगे आवेश, जो लंबे समय तक बना रहता है, प्लेटों के बीच की जगह में एक जली हुई माचिस की तीली डालने पर जल्दी गायब हो जाता है।

गैस का निर्वहन।गैस के माध्यम से विद्युत प्रवाह को पारित करने की प्रक्रिया को आमतौर पर गैस डिस्चार्ज (या गैस में विद्युत निर्वहन) कहा जाता है। गैस डिस्चार्ज को दो प्रकारों में विभाजित किया जाता है: स्वतंत्र और गैर-आत्मनिर्भर।

गैर-आत्मनिर्भर श्रेणी।यदि गैस को बनाए रखने के लिए किसी बाहरी स्रोत की आवश्यकता होती है, तो गैस में एक निर्वहन को गैर-आश्रित कहा जाता है।

आयनीकरण गैस में आयन उच्च तापमान, एक्स-रे और पराबैंगनी विकिरण, रेडियोधर्मिता, ब्रह्मांडीय किरणों आदि के प्रभाव में उत्पन्न हो सकते हैं। इन सभी मामलों में, एक या एक से अधिक इलेक्ट्रॉनों को मुक्त किया जाता है इलेक्ट्रॉन कवचपरमाणु या अणु। नतीजतन, गैस में सकारात्मक आयन और मुक्त इलेक्ट्रॉन दिखाई देते हैं। जारी किए गए इलेक्ट्रॉन तटस्थ परमाणुओं या अणुओं में शामिल हो सकते हैं, उन्हें नकारात्मक आयनों में बदल सकते हैं।

आयनीकरण और पुनर्संयोजन।गैस में आयनीकरण की प्रक्रियाओं के साथ, रिवर्स पुनर्संयोजन प्रक्रियाएं भी होती हैं: एक दूसरे के साथ जुड़कर, सकारात्मक और नकारात्मक आयन या सकारात्मक आयन और इलेक्ट्रॉन तटस्थ अणु या परमाणु बनाते हैं।

आयनीकरण और पुनर्संयोजन प्रक्रियाओं के निरंतर स्रोत के कारण समय के साथ आयन सांद्रता में परिवर्तन को निम्नानुसार वर्णित किया जा सकता है। आइए मान लें कि आयनीकरण स्रोत प्रति यूनिट समय में गैस की प्रति इकाई मात्रा और इलेक्ट्रॉनों की समान संख्या में सकारात्मक आयन बनाता है। यदि गैस में कोई विद्युत प्रवाह नहीं है और प्रसार के कारण माना मात्रा से आयनों के पलायन की उपेक्षा की जा सकती है, तो आयन एकाग्रता को कम करने का एकमात्र तंत्र पुनर्संयोजन होगा।

पुनर्संयोजन तब होता है जब एक सकारात्मक आयन एक इलेक्ट्रॉन से मिलता है। ऐसी बैठकों की संख्या आयनों की संख्या और मुक्त इलेक्ट्रॉनों की संख्या दोनों के समानुपाती होती है, अर्थात आनुपातिक होती है। इसलिए, प्रति इकाई समय में प्रति इकाई आयतन में आयनों की संख्या में कमी को इस प्रकार लिखा जा सकता है, जहाँ a एक स्थिर मान है जिसे पुनर्संयोजन गुणांक कहा जाता है।

प्रस्तुत मान्यताओं की वैधता के तहत, गैस में आयनों के लिए संतुलन समीकरण के रूप में लिखा जा सकता है

हम इस अवकल समीकरण को हल नहीं करेंगे सामान्य दृष्टि से, और कुछ दिलचस्प विशेष मामलों पर विचार करें।

सबसे पहले, हम ध्यान दें कि कुछ समय बाद आयनीकरण और पुनर्संयोजन की प्रक्रियाएं एक दूसरे को क्षतिपूर्ति करनी चाहिए और गैस में एक निरंतर एकाग्रता स्थापित की जाएगी, यह देखा जा सकता है कि

स्थिर आयन सांद्रता जितनी अधिक होती है, आयनीकरण स्रोत उतना ही अधिक शक्तिशाली होता है और पुनर्संयोजन गुणांक जितना छोटा होता है।

आयनकार को बंद करने के बाद, आयन सांद्रता में कमी को समीकरण (1) द्वारा वर्णित किया जाता है, जिसमें एकाग्रता के प्रारंभिक मूल्य के रूप में लेना आवश्यक है।

एकीकरण के बाद इस समीकरण को फिर से लिखने पर, हम प्राप्त करते हैं

इस फ़ंक्शन का ग्राफ अंजीर में दिखाया गया है। 101. यह एक अतिपरवलय है जिसके अनंतस्पर्शी समय अक्ष और ऊर्ध्वाधर रेखा हैं। भौतिक अर्थमूल्यों के अनुरूप हाइपरबोला का केवल एक खंड है। भौतिक विज्ञान में अक्सर सामने आने वाली घातीय क्षय की प्रक्रियाओं की तुलना में समय के साथ एकाग्रता में कमी की धीमी प्रकृति पर ध्यान दें, जो तब महसूस होती हैं जब एक मात्रा में कमी की दर होती है इस मात्रा के तात्क्षणिक मान की प्रथम घात के समानुपाती होता है।

चावल। 101. आयनन स्रोत को बंद करने के बाद गैस में आयनों की सांद्रता में कमी

गैर-स्व चालन।यदि गैस बाहरी विद्युत क्षेत्र में है, तो आयनकार की क्रिया की समाप्ति के बाद आयनों की सांद्रता को कम करने की प्रक्रिया में काफी तेजी आती है। इलेक्ट्रोड पर इलेक्ट्रॉनों और आयनों को खींचकर, विद्युत क्षेत्र एक आयनाइज़र की अनुपस्थिति में गैस की विद्युत चालकता को बहुत तेज़ी से समाप्त कर सकता है।

एक गैर-स्व-स्थायी निर्वहन की नियमितताओं को समझने के लिए, आइए सरलता के लिए उस मामले पर विचार करें जब एक बाहरी स्रोत द्वारा आयनित गैस में धारा एक दूसरे के समानांतर दो फ्लैट इलेक्ट्रोड के बीच प्रवाहित होती है। इस मामले में, आयन और इलेक्ट्रॉन शक्ति E के एक समान विद्युत क्षेत्र में होते हैं, जो इलेक्ट्रोड पर लागू वोल्टेज के अनुपात के बराबर होता है।

इलेक्ट्रॉनों और आयनों की गतिशीलता।निरंतर लागू वोल्टेज के साथ, सर्किट में एक निश्चित निरंतर वर्तमान शक्ति 1 स्थापित होती है। इसका मतलब है कि आयनित गैस में इलेक्ट्रॉन और आयन स्थिर गति से चलते हैं। इस तथ्य की व्याख्या करने के लिए, हमें यह मान लेना चाहिए कि विद्युत क्षेत्र के निरंतर त्वरण बल के अलावा, गतिमान आयन और इलेक्ट्रॉन प्रतिरोध बलों से प्रभावित होते हैं जो बढ़ती गति के साथ बढ़ते हैं। ये बल तटस्थ परमाणुओं और गैस अणुओं के साथ इलेक्ट्रॉनों और आयनों के टकराव के औसत प्रभाव का वर्णन करते हैं। प्रतिरोध की ताकतों के माध्यम से

इलेक्ट्रॉनों और आयनों के औसत स्थिर वेग स्थापित होते हैं, जो विद्युत क्षेत्र की ताकत E के समानुपाती होते हैं:

आनुपातिकता के गुणांक को इलेक्ट्रॉन और आयन गतिशीलता कहा जाता है। आयनों और इलेक्ट्रॉनों की गतिशीलता है विभिन्न अर्थऔर यह गैस के प्रकार, उसके घनत्व, तापमान आदि पर निर्भर करता है।

विद्युत धारा घनत्व, अर्थात्, एक इकाई क्षेत्र के माध्यम से प्रति इकाई समय में इलेक्ट्रॉनों और आयनों द्वारा किया गया आवेश, इलेक्ट्रॉनों और आयनों की सांद्रता, उनके आवेशों और स्थिर गति की गति के रूप में व्यक्त किया जाता है।

अर्ध-तटस्थता।सामान्य परिस्थितियों में, पूरी तरह से एक आयनित गैस विद्युत रूप से तटस्थ होती है, या, जैसा कि वे कहते हैं, अर्ध-तटस्थ, क्योंकि अपेक्षाकृत कम संख्या में इलेक्ट्रॉनों और आयनों वाले छोटे संस्करणों में, विद्युत तटस्थता की स्थिति का उल्लंघन किया जा सकता है। इसका मतलब है कि संबंध

गैर-निरंतर निर्वहन पर वर्तमान घनत्व।गैस में एक गैर-स्व-निरंतर निर्वहन के दौरान समय के साथ वर्तमान वाहक की एकाग्रता में परिवर्तन के कानून को प्राप्त करने के लिए, बाहरी स्रोत और पुनर्संयोजन द्वारा आयनीकरण की प्रक्रियाओं के साथ-साथ, खाते में भी लेना आवश्यक है इलेक्ट्रॉनों और आयनों का इलेक्ट्रोड में पलायन। आयतन से प्रति इकाई समय प्रति क्षेत्र इलेक्ट्रोड छोड़ने वाले कणों की संख्या के बराबर है ऐसे कणों की सांद्रता में कमी की दर, हम इस संख्या को इलेक्ट्रोड के बीच गैस की मात्रा से विभाजित करके प्राप्त करते हैं। अत: धारा की उपस्थिति में (1) के स्थान पर सन्तुलन समीकरण को रूप में लिखा जाएगा

शासन स्थापित करने के लिए, जब (8) से हम प्राप्त करते हैं

समीकरण (9) लागू वोल्टेज (या क्षेत्र की ताकत ई) पर एक गैर-स्व-निरंतर निर्वहन में स्थिर-राज्य वर्तमान घनत्व की निर्भरता को खोजना संभव बनाता है।

दो सीमित मामले सीधे दिखाई दे रहे हैं।

ओम का नियम।कम वोल्टेज पर, जब समीकरण (9) में हम दाईं ओर के दूसरे पद की उपेक्षा कर सकते हैं, जिसके बाद हम सूत्र (7) प्राप्त करते हैं, हमारे पास है

वर्तमान घनत्व लागू विद्युत क्षेत्र की ताकत के समानुपाती होता है। इस प्रकार, कमजोर विद्युत क्षेत्रों में एक गैर-स्व-स्थायी गैस निर्वहन के लिए, ओम का नियम संतुष्ट होता है।

संतृप्ति वर्तमान।समीकरण (9) में इलेक्ट्रॉनों और आयनों की कम सांद्रता पर, हम पहले वाले की उपेक्षा कर सकते हैं (दाईं ओर की शर्तों के संदर्भ में द्विघात। इस सन्निकटन में, वर्तमान घनत्व वेक्टर विद्युत क्षेत्र की ताकत के साथ निर्देशित होता है, और इसकी मापांक

लागू वोल्टेज पर निर्भर नहीं करता है। यह परिणाम मजबूत विद्युत क्षेत्रों के लिए मान्य है। इस मामले में, हम संतृप्ति धारा की बात करते हैं।

दोनों को सीमित करने वाले मामलों की जांच समीकरण (9) का हवाला दिए बिना की जा सकती है। हालांकि, इस तरह से यह पता लगाना असंभव है कि जैसे-जैसे वोल्टेज बढ़ता है, ओम के नियम से वोल्टेज पर करंट की नॉनलाइनियर निर्भरता में संक्रमण कैसे होता है।

पहले सीमित मामले में, जब करंट बहुत छोटा होता है, तो डिस्चार्ज क्षेत्र से इलेक्ट्रॉनों और आयनों को हटाने का मुख्य तंत्र पुनर्संयोजन होता है। इसलिए, स्थिर एकाग्रता के लिए, अभिव्यक्ति (2) का उपयोग किया जा सकता है, जो, (7) को ध्यान में रखते हुए, तुरंत सूत्र (10) देता है। दूसरे सीमित मामले में, इसके विपरीत, पुनर्संयोजन की उपेक्षा की जाती है। एक मजबूत विद्युत क्षेत्र में, इलेक्ट्रॉनों और आयनों के पास एक इलेक्ट्रोड से दूसरे इलेक्ट्रोड में उड़ान के समय ध्यान देने योग्य रूप से पुनर्संयोजन करने का समय नहीं होता है, यदि उनकी एकाग्रता पर्याप्त रूप से कम है। तब बाहरी स्रोत द्वारा उत्पन्न सभी इलेक्ट्रॉन और आयन इलेक्ट्रोड तक पहुंचते हैं और कुल वर्तमान घनत्व बराबर होता है यह आयनीकरण कक्ष की लंबाई के समानुपाती होता है, क्योंकि आयनाइज़र द्वारा उत्पादित इलेक्ट्रॉनों और आयनों की कुल संख्या I के समानुपाती होती है।

गैस डिस्चार्ज का प्रायोगिक अध्ययन।गैर-स्व-स्थायी गैस निर्वहन के सिद्धांत के निष्कर्षों की पुष्टि प्रयोगों द्वारा की जाती है। गैस में डिस्चार्ज का अध्ययन करने के लिए, दो धातु इलेक्ट्रोड के साथ एक ग्लास ट्यूब का उपयोग करना सुविधाजनक है। ऐसी स्थापना का विद्युत सर्किट अंजीर में दिखाया गया है। 102. गतिशीलता

इलेक्ट्रॉन और आयन दृढ़ता से गैस के दबाव (दबाव के व्युत्क्रमानुपाती) पर निर्भर करते हैं, इसलिए कम दबाव पर प्रयोग करना सुविधाजनक होता है।

अंजीर पर। 103 ट्यूब के इलेक्ट्रोड पर लागू वोल्टेज पर ट्यूब में वर्तमान I की निर्भरता को दर्शाता है। ट्यूब में आयनीकरण बनाया जा सकता है, उदाहरण के लिए, एक्स-रे या पराबैंगनी किरणेया एक कमजोर रेडियोधर्मी दवा के साथ। केवल यह आवश्यक है कि बाहरी आयन स्रोत अपरिवर्तित रहे।

चावल। 102. गैस डिस्चार्ज का अध्ययन करने के लिए स्थापना का आरेख

चावल। 103. गैस डिस्चार्ज की प्रायोगिक वर्तमान-वोल्टेज विशेषता

खंड में, वर्तमान ताकत वोल्टेज पर गैर-रैखिक रूप से निर्भर है। बिंदु B से शुरू होकर, धारा संतृप्ति तक पहुँचती है और कुछ दूरी तक स्थिर रहती है।यह सब सैद्धांतिक भविष्यवाणियों के अनुरूप है।

स्व रैंक।हालाँकि, बिंदु C पर, धारा फिर से बढ़ने लगती है, पहले धीरे-धीरे, और फिर बहुत तेज़ी से। इसका मतलब है कि गैस में आयनों का एक नया, आंतरिक स्रोत दिखाई दिया है। यदि हम अब बाहरी स्रोत को हटा दें, तो गैस में निर्वहन बंद नहीं होता है, अर्थात, यह एक गैर-स्वस्थ निर्वहन से एक स्वतंत्र में गुजरता है। स्व-निर्वहन के साथ, नए इलेक्ट्रॉनों और आयनों का निर्माण गैस में ही आंतरिक प्रक्रियाओं के परिणामस्वरूप होता है।

इलेक्ट्रॉन प्रभाव द्वारा आयनीकरण।एक गैर-स्व-निरंतर निर्वहन से एक स्वतंत्र में संक्रमण के दौरान वर्तमान में वृद्धि हिमस्खलन की तरह होती है और इसे गैस का विद्युत टूटना कहा जाता है। जिस वोल्टेज पर ब्रेकडाउन होता है उसे इग्निशन वोल्टेज कहा जाता है। यह गैस के प्रकार और गैस के दबाव के गुणनफल और इलेक्ट्रोड के बीच की दूरी पर निर्भर करता है।

गैस में प्रक्रियाएं जो कि बढ़ते लागू वोल्टेज के साथ हिमस्खलन जैसी वर्तमान ताकत में वृद्धि के लिए जिम्मेदार हैं, विद्युत क्षेत्र द्वारा पर्याप्त रूप से त्वरित मुक्त इलेक्ट्रॉनों द्वारा गैस के तटस्थ परमाणुओं या अणुओं के आयनीकरण से जुड़ी हैं।

बड़ी ऊर्जा। एक तटस्थ परमाणु या अणु के साथ अगली टक्कर से पहले एक इलेक्ट्रॉन की गतिज ऊर्जा विद्युत क्षेत्र की ताकत E और इलेक्ट्रॉन X के मुक्त पथ के समानुपाती होती है:

यदि यह ऊर्जा एक तटस्थ परमाणु या अणु को आयनित करने के लिए पर्याप्त है, अर्थात, आयनीकरण के कार्य से अधिक है

फिर जब कोई इलेक्ट्रॉन किसी परमाणु या अणु से टकराता है, तो वे आयनित हो जाते हैं। परिणाम एक के बजाय दो इलेक्ट्रॉन हैं। वे, बदले में, एक विद्युत क्षेत्र द्वारा त्वरित होते हैं और उनके रास्ते में आने वाले परमाणुओं या अणुओं आदि को आयनित करते हैं। यह प्रक्रिया हिमस्खलन की तरह विकसित होती है और इसे इलेक्ट्रॉन हिमस्खलन कहा जाता है। वर्णित आयनीकरण तंत्र को इलेक्ट्रॉन प्रभाव आयनीकरण कहा जाता है।

एक प्रायोगिक प्रमाण कि तटस्थ गैस परमाणुओं का आयनीकरण मुख्य रूप से इलेक्ट्रॉनों के प्रभाव के कारण होता है, न कि सकारात्मक आयनों के कारण, जे टाउनसेंड द्वारा दिया गया था। उन्होंने एक बेलनाकार संधारित्र के रूप में एक आयनीकरण कक्ष लिया, जिसका आंतरिक इलेक्ट्रोड सिलेंडर की धुरी के साथ फैला एक पतली धातु का धागा था। ऐसे कक्ष में, त्वरित विद्युत क्षेत्र अत्यधिक अमानवीय होता है, और आयनीकरण में मुख्य भूमिका कणों द्वारा निभाई जाती है जो फिलामेंट के पास सबसे मजबूत क्षेत्र के क्षेत्र में प्रवेश करते हैं। अनुभव से पता चलता है कि इलेक्ट्रोड के बीच समान वोल्टेज के लिए, डिस्चार्ज करंट अधिक होता है जब सकारात्मक क्षमता फिलामेंट पर लागू होती है न कि बाहरी सिलेंडर पर। यह इस मामले में है कि सभी मुक्त इलेक्ट्रॉन जो वर्तमान बनाते हैं, आवश्यक रूप से सबसे मजबूत क्षेत्र के क्षेत्र से गुजरते हैं।

कैथोड से इलेक्ट्रॉनों का उत्सर्जन।एक आत्मनिर्भर निर्वहन तभी स्थिर हो सकता है जब गैस में नए मुक्त इलेक्ट्रॉन लगातार दिखाई दें, क्योंकि हिमस्खलन में दिखाई देने वाले सभी इलेक्ट्रॉन एनोड तक पहुंच जाते हैं और खेल से समाप्त हो जाते हैं। नए इलेक्ट्रॉनों को कैथोड से सकारात्मक आयनों द्वारा खटखटाया जाता है, जो कैथोड की ओर बढ़ने पर, विद्युत क्षेत्र द्वारा भी त्वरित होते हैं और इसके लिए पर्याप्त ऊर्जा प्राप्त करते हैं।

कैथोड न केवल आयन बमबारी के परिणामस्वरूप इलेक्ट्रॉनों का उत्सर्जन कर सकता है, बल्कि स्वतंत्र रूप से भी, जब इसे उच्च तापमान पर गर्म किया जाता है। इस प्रक्रिया को थर्मोनिक उत्सर्जन कहा जाता है, इसे धातु से इलेक्ट्रॉनों का एक प्रकार का वाष्पीकरण माना जा सकता है। आमतौर पर यह ऐसे तापमान पर होता है, जब कैथोड सामग्री का वाष्पीकरण अभी भी छोटा होता है। एक स्व-निरंतर गैस निर्वहन के मामले में, कैथोड को आमतौर पर बिना गर्म किया जाता है

फिलामेंट, जैसा कि वैक्यूम ट्यूब में होता है, लेकिन सकारात्मक आयनों के साथ बमबारी करने पर गर्मी की रिहाई के कारण। इसलिए, कैथोड इलेक्ट्रॉनों का उत्सर्जन करता है, भले ही आयनों की ऊर्जा इलेक्ट्रॉनों को बाहर निकालने के लिए अपर्याप्त हो।

गैस में एक स्व-निरंतर निर्वहन न केवल बढ़ते वोल्टेज और दूर जाने के साथ एक गैर-स्व-निरंतर निर्वहन से संक्रमण के परिणामस्वरूप होता है वाह्य स्रोतआयनीकरण, लेकिन इग्निशन थ्रेशोल्ड वोल्टेज से अधिक वोल्टेज के प्रत्यक्ष अनुप्रयोग के साथ भी। सिद्धांत से पता चलता है कि आयनों की सबसे छोटी मात्रा, जो हमेशा एक तटस्थ गैस में मौजूद होती है, यदि केवल प्राकृतिक रेडियोधर्मी पृष्ठभूमि के कारण, निर्वहन को प्रज्वलित करने के लिए पर्याप्त है।

गैस के गुणों और दबाव, इलेक्ट्रोड के विन्यास और इलेक्ट्रोड पर लागू वोल्टेज के आधार पर, विभिन्न प्रकार के स्व-निर्वहन संभव हैं।

सुलगनेवाला निर्वहन।पर कम दबाव(पारा के एक मिलीमीटर का दसवां और सौवां हिस्सा) ट्यूब में एक चमक निर्वहन देखा जाता है। ग्लो डिस्चार्ज को प्रज्वलित करने के लिए, कई सौ या दसियों वोल्ट का वोल्टेज पर्याप्त होता है। ग्लो डिस्चार्ज में चार विशिष्ट क्षेत्रों को प्रतिष्ठित किया जा सकता है। ये डार्क कैथोड स्पेस, ग्लो (या नेगेटिव) ग्लो, फैराडे डार्क स्पेस और ल्यूमिनस पॉजिटिव कॉलम हैं जो एनोड और कैथोड के बीच के अधिकांश स्थान पर कब्जा कर लेते हैं।

पहले तीन क्षेत्र कैथोड के पास स्थित हैं। यह यहां है कि क्षमता में तेज गिरावट आती है, कैथोड अंधेरे स्थान की सीमा पर सकारात्मक आयनों की एक बड़ी एकाग्रता और सुलगती चमक के साथ जुड़ा हुआ है। कैथोड डार्क स्पेस के क्षेत्र में त्वरित इलेक्ट्रॉन चमक क्षेत्र में तीव्र प्रभाव आयनीकरण उत्पन्न करते हैं। सुलगती चमक आयनों और इलेक्ट्रॉनों के तटस्थ परमाणुओं या अणुओं में पुनर्संयोजन के कारण होती है। डिस्चार्ज के सकारात्मक स्तंभ को क्षमता में मामूली गिरावट और गैस के उत्तेजित परमाणुओं या अणुओं की जमीनी अवस्था में लौटने के कारण होने वाली चमक की विशेषता है।

कोरोना डिस्चार्ज।गैस में अपेक्षाकृत उच्च दबाव पर (वायुमंडलीय दबाव के क्रम में), कंडक्टर के नुकीले वर्गों के पास, जहां विद्युत क्षेत्र अत्यधिक अमानवीय है, एक निर्वहन देखा जाता है, जिसका चमकदार क्षेत्र एक कोरोना जैसा दिखता है। कोरोना डिस्चार्ज कभी-कभी होता है विवोट्रीटॉप्स, शिप मास्ट आदि पर ("सेंट एल्मो की आग")। हाई वोल्टेज इंजीनियरिंग में कोरोना डिस्चार्ज पर विचार किया जाना चाहिए जब यह डिस्चार्ज हाई वोल्टेज बिजली लाइनों के तारों के आसपास होता है और बिजली की हानि होती है। उपयोगी प्रायोगिक उपयोगसफाई के लिए इलेक्ट्रोस्टैटिक प्रीसिपिटेटर में कोरोना डिस्चार्ज पाया जाता है औद्योगिक गैसेंठोस और तरल कणों की अशुद्धियों से।

इलेक्ट्रोड के बीच वोल्टेज में वृद्धि के साथ, कोरोना डिस्चार्ज एक चिंगारी में बदल जाता है, जिसके बीच की खाई पूरी तरह से टूट जाती है

इलेक्ट्रोड। इसमें चमकीले ज़िगज़ैग ब्रांचिंग चैनलों के एक बीम का रूप होता है, जो तुरंत डिस्चार्ज गैप को भेदता है और एक दूसरे को बदल देता है। स्पार्क डिस्चार्ज के साथ बड़ी मात्रा में गर्मी, एक चमकदार नीली-सफेद चमक और मजबूत क्रैकिंग की रिहाई होती है। इसे इलेक्ट्रोफोर मशीन की गेंदों के बीच देखा जा सकता है। एक विशाल स्पार्क डिस्चार्ज का एक उदाहरण प्राकृतिक बिजली है, जहां वर्तमान ताकत 5-105 ए तक पहुंचती है, और संभावित अंतर 109 वी है।

चूंकि स्पार्क डिस्चार्ज वायुमंडलीय (और उच्च) दबाव पर होता है, इग्निशन वोल्टेज बहुत अधिक होता है: शुष्क हवा में, 1 सेमी के इलेक्ट्रोड के बीच की दूरी के साथ, यह लगभग 30 केवी है।

इलेक्ट्रिक आर्क।व्यावहारिक रूप से विशिष्ट महत्वपूर्ण दृश्यस्व-गैस निर्वहन एक विद्युत चाप है। जब दो कार्बन या धातु इलेक्ट्रोड उनके संपर्क के बिंदु पर संपर्क में आते हैं, एक बड़ी संख्या कीउच्च संपर्क प्रतिरोध के कारण गर्मी। नतीजतन, थर्मोनिक उत्सर्जन शुरू होता है, और जब इलेक्ट्रोड उनके बीच अलग हो जाते हैं, तो अत्यधिक आयनित, अच्छी तरह से संचालन गैस से एक चमकदार चमकदार चाप उत्पन्न होता है। एक छोटे चाप में भी वर्तमान ताकत कई एम्पीयर तक पहुंचती है, और एक बड़े चाप में - लगभग 50 वी के वोल्टेज पर कई सौ एम्पीयर। इलेक्ट्रिक आर्क का व्यापक रूप से एक शक्तिशाली प्रकाश स्रोत के रूप में, बिजली की भट्टियों में और इलेक्ट्रिक वेल्डिंग के लिए प्रौद्योगिकी में उपयोग किया जाता है। . लगभग 0.5 V के वोल्टेज के साथ एक कमजोर मंदक क्षेत्र। यह क्षेत्र धीमे इलेक्ट्रॉनों को एनोड तक पहुंचने से रोकता है। विद्युत धारा द्वारा गर्म किए गए कैथोड K द्वारा इलेक्ट्रॉनों का उत्सर्जन होता है।

अंजीर पर। 105 इन प्रयोगों में प्राप्त त्वरित वोल्टेज पर एनोड सर्किट में वर्तमान ताकत की निर्भरता को दर्शाता है। इस निर्भरता में 4.9 V के वोल्टेज मल्टीपल पर मैक्सिमा के साथ एक गैर-मोनोटोनिक चरित्र है।

परमाणु ऊर्जा स्तरों की विसंगति।वोल्टेज पर करंट की इस निर्भरता को पारा परमाणुओं में असतत स्थिर अवस्थाओं की उपस्थिति से ही समझाया जा सकता है। यदि परमाणु में कोई असतत स्थिर अवस्था नहीं होती, अर्थात, इसकी आंतरिक ऊर्जाकोई भी मूल्य ले सकता है, तो परमाणु की आंतरिक ऊर्जा में वृद्धि के साथ, किसी भी इलेक्ट्रॉन ऊर्जा पर अकुशल टकराव हो सकता है। यदि असतत अवस्थाएँ हैं, तो परमाणुओं के साथ इलेक्ट्रॉनों का टकराव केवल लोचदार हो सकता है, जब तक कि इलेक्ट्रॉनों की ऊर्जा परमाणु को जमीनी अवस्था से सबसे कम उत्तेजित अवस्था में स्थानांतरित करने के लिए अपर्याप्त है।

लोचदार टकराव के दौरान, इलेक्ट्रॉनों की गतिज ऊर्जा व्यावहारिक रूप से नहीं बदलती है, क्योंकि इलेक्ट्रॉन का द्रव्यमान पारा परमाणु के द्रव्यमान से बहुत कम होता है। इन शर्तों के तहत, बढ़ते वोल्टेज के साथ एनोड तक पहुंचने वाले इलेक्ट्रॉनों की संख्या एकरस रूप से बढ़ जाती है। जब त्वरित वोल्टेज 4.9 V तक पहुँच जाता है, तो परमाणुओं के साथ इलेक्ट्रॉनों का टकराव बेलोचदार हो जाता है। परमाणुओं की आंतरिक ऊर्जा अचानक बढ़ जाती है, और टकराव के परिणामस्वरूप इलेक्ट्रॉन अपनी लगभग सभी गतिज ऊर्जा खो देता है।

मंदक क्षेत्र भी धीमे इलेक्ट्रॉनों को एनोड तक नहीं पहुंचने देता है, और धारा तेजी से घटती है। यह केवल इसलिए गायब नहीं होता है क्योंकि कुछ इलेक्ट्रॉन बिना लोचदार टकराव का अनुभव किए ग्रिड तक पहुंच जाते हैं। वर्तमान ताकत की दूसरी और बाद की अधिकतमता प्राप्त की जाती है क्योंकि वोल्टेज पर जो 4.9 V के गुणक होते हैं, ग्रिड के रास्ते में इलेक्ट्रॉनों को पारा परमाणुओं के साथ कई अकुशल टकराव का अनुभव हो सकता है।

इसलिए, इलेक्ट्रॉन 4.9 V के संभावित अंतर से गुजरने के बाद ही अकुशल टक्कर के लिए आवश्यक ऊर्जा प्राप्त करता है। इसका मतलब है कि पारा परमाणुओं की आंतरिक ऊर्जा eV से कम मात्रा में नहीं बदल सकती है, जो एक के ऊर्जा स्पेक्ट्रम की विसंगति को साबित करता है परमाणु। इस निष्कर्ष की वैधता की पुष्टि इस तथ्य से भी होती है कि 4.9 V के वोल्टेज पर डिस्चार्ज चमकने लगता है: सहज के दौरान उत्तेजित परमाणु

जमीनी अवस्था में संक्रमण दृश्य प्रकाश का उत्सर्जन करता है, जिसकी आवृत्ति सूत्र द्वारा गणना के साथ मेल खाती है

फ्रैंक और हर्ट्ज़ के शास्त्रीय प्रयोगों में, इलेक्ट्रॉन प्रभाव विधि ने न केवल उत्तेजना क्षमता को निर्धारित किया, बल्कि कई परमाणुओं की आयनीकरण क्षमता भी निर्धारित की।

इलेक्ट्रोस्टैटिक प्रयोग का एक उदाहरण दें जो दर्शाता है कि शुष्क हवा एक अच्छा इन्सुलेटर है।

इंजीनियरिंग में उपयोग की जाने वाली हवा के इन्सुलेट गुण कहां हैं?

एक गैर आत्मनिर्भर गैस निर्वहन क्या है? यह किन परिस्थितियों में चलता है?

बताएं कि पुनर्संयोजन के कारण सांद्रता में कमी की दर इलेक्ट्रॉनों और आयनों की सांद्रता के वर्ग के समानुपाती क्यों होती है। इन सांद्रता को समान क्यों माना जा सकता है?

विशेषता समय की अवधारणा को पेश करने के लिए सूत्र (3) द्वारा व्यक्त घटती एकाग्रता के नियम का कोई मतलब क्यों नहीं है, जो व्यापक रूप से घातीय रूप से क्षय करने वाली प्रक्रियाओं के लिए उपयोग किया जाता है, हालांकि दोनों ही मामलों में प्रक्रियाएं जारी रहती हैं, आम तौर पर, असीम रूप से लंबे समय तक समय?

आपको क्या लगता है कि इलेक्ट्रॉनों और आयनों के लिए सूत्र (4) में गतिशीलता की परिभाषा में विपरीत संकेतों को क्यों चुना जाता है?

गैर-स्व-स्थायी गैस निर्वहन में वर्तमान ताकत लागू वोल्टेज पर कैसे निर्भर करती है? बढ़ते वोल्टेज के साथ ओम के नियम से संतृप्ति धारा में संक्रमण क्यों होता है?

गैस में विद्युत प्रवाह इलेक्ट्रॉनों और आयनों दोनों द्वारा किया जाता है। हालाँकि, प्रत्येक इलेक्ट्रोड पर केवल एक चिन्ह का आवेश आता है। यह इस तथ्य से कैसे सहमत है कि एक श्रृंखला सर्किट के सभी वर्गों में वर्तमान ताकत समान है?

टकराव के कारण डिस्चार्ज में गैस आयनीकरण में सकारात्मक आयनों के बजाय इलेक्ट्रॉन सबसे बड़ी भूमिका क्यों निभाते हैं?

वर्णन करना विशेषताएँ विभिन्न प्रकारस्वतंत्र गैस निर्वहन।

फ्रैंक और हर्ट्ज़ के प्रयोगों के परिणाम परमाणुओं के ऊर्जा स्तरों की विसंगति की गवाही क्यों देते हैं?

वर्णन करना शारीरिक प्रक्रियाएंत्वरक वोल्टेज में वृद्धि के साथ फ्रैंक और हर्ट्ज़ के प्रयोगों में गैस-डिस्चार्ज ट्यूब में होता है।

विषय कोडिफायर का उपयोग करें : गैसों में मुक्त विद्युत आवेशों के वाहक।

सामान्य परिस्थितियों में, गैसों में विद्युत रूप से तटस्थ परमाणु या अणु होते हैं; गैसों में लगभग कोई निःशुल्क शुल्क नहीं होता है। इसलिए गैसें हैं पारद्युतिक- इनमें से विद्युत प्रवाह नहीं गुजरता है।

हमने कहा "लगभग कोई नहीं" क्योंकि वास्तव में, गैसों में और विशेष रूप से, हवा में, हमेशा एक निश्चित मात्रा में मुक्त आवेशित कण होते हैं। वे रेडियोधर्मी पदार्थों के विकिरण के आयनीकरण प्रभाव के परिणामस्वरूप दिखाई देते हैं जो पृथ्वी की पपड़ी, पराबैंगनी और बनाते हैं एक्स-रेसूर्य, साथ ही ब्रह्मांडीय किरणें - पृथ्वी के वायुमंडल में प्रवेश करने वाले उच्च-ऊर्जा कणों की धाराएँ वाह़य अंतरिक्ष. बाद में हम इस तथ्य पर लौटेंगे और इसके महत्व पर चर्चा करेंगे, लेकिन अभी के लिए हम केवल यह ध्यान देंगे कि सामान्य परिस्थितियों में मुक्त शुल्क की "प्राकृतिक" मात्रा के कारण गैसों की चालकता नगण्य है और इसे अनदेखा किया जा सकता है।

विद्युत परिपथों में स्विच की क्रिया वायु अंतराल (चित्र 1) के इन्सुलेट गुणों पर आधारित होती है। उदाहरण के लिए, एक लाइट स्विच में हवा का एक छोटा गैप आपके कमरे में एक इलेक्ट्रिकल सर्किट को खोलने के लिए पर्याप्त है।

चावल। 1 कुंजी

हालाँकि, ऐसी स्थितियाँ बनाना संभव है जिसके तहत गैस गैप में एक विद्युत प्रवाह दिखाई देगा। आइए निम्नलिखित अनुभव पर विचार करें।

हम एयर कैपेसिटर की प्लेटों को चार्ज करते हैं और उन्हें एक संवेदनशील गैल्वेनोमीटर (चित्र 2, बाएं) से जोड़ते हैं। पर कमरे का तापमानऔर बहुत अधिक नम हवा में, गैल्वेनोमीटर ध्यान देने योग्य धारा नहीं दिखाएगा: हमारा वायु अंतराल, जैसा कि हमने कहा, बिजली का संवाहक नहीं है।

चावल। 2. हवा में करंट की घटना

अब एक बर्नर या मोमबत्ती की लौ को संधारित्र की प्लेटों के बीच की खाई में लाते हैं (चित्र 2, दाईं ओर)। वर्तमान प्रकट होता है! क्यों?

गैस में मुफ्त शुल्क

कंडेनसर की प्लेटों के बीच विद्युत प्रवाह की घटना का मतलब है कि हवा में लौ के प्रभाव में दिखाई दिया मुफ़्त शुल्क. क्या वास्तव में?

अनुभव से पता चलता है कि गैसों में विद्युत प्रवाह आवेशित कणों की एक क्रमबद्ध गति है। तीन प्रकार. यह इलेक्ट्रॉनों, सकारात्मक आयनऔर नकारात्मक आयन.

आइए देखें कि ये आवेश गैस में कैसे प्रकट हो सकते हैं।

जैसे-जैसे गैस का तापमान बढ़ता है, उसके कणों - अणुओं या परमाणुओं के ऊष्मीय कंपन - अधिक तीव्र हो जाते हैं। एक दूसरे के खिलाफ कणों का प्रभाव इतना बल तक पहुँच जाता है कि आयनीकरण- इलेक्ट्रॉनों और सकारात्मक आयनों में तटस्थ कणों का क्षय (चित्र 3)।

चावल। 3. आयनीकरण

आयनीकरण की डिग्रीक्षयित गैस कणों की संख्या और कणों की कुल प्रारंभिक संख्या का अनुपात है। उदाहरण के लिए, यदि आयनीकरण की डिग्री है, तो इसका मतलब है कि मूल गैस कण सकारात्मक आयनों और इलेक्ट्रॉनों में क्षय हो गए हैं।

गैस आयनीकरण की डिग्री तापमान पर निर्भर करती है और इसके बढ़ने के साथ तेजी से बढ़ती है। हाइड्रोजन के लिए, उदाहरण के लिए, आयनीकरण की डिग्री से नीचे के तापमान पर, और आयनीकरण की डिग्री से ऊपर के तापमान पर (अर्थात, हाइड्रोजन लगभग पूरी तरह से आयनित होता है (आंशिक रूप से या पूरी तरह से आयनित गैस को कहा जाता है) प्लाज्मा)).

उच्च तापमान के अलावा, अन्य कारक भी हैं जो गैस आयनीकरण का कारण बनते हैं।

हम पहले ही उनका उल्लेख कर चुके हैं: ये रेडियोधर्मी विकिरण, पराबैंगनी, एक्स-रे और गामा किरणें, ब्रह्मांडीय कण हैं। ऐसा कोई भी कारक जो गैस के आयनीकरण का कारण बनता है, कहलाता है ionizer.

इस प्रकार, आयनीकरण अपने आप नहीं होता है, बल्कि एक आयनकार के प्रभाव में होता है।

उसी समय, रिवर्स प्रक्रिया पुनर्संयोजन, अर्थात्, एक इलेक्ट्रॉन और एक सकारात्मक आयन का एक तटस्थ कण में पुनर्मिलन (चित्र। 4)।

चावल। 4. पुनर्संयोजन

पुनर्संयोजन का कारण सरल है: यह विपरीत आवेशित इलेक्ट्रॉनों और आयनों का कूलम्ब आकर्षण है। विद्युत बलों की कार्रवाई के तहत एक दूसरे की ओर भागते हुए, वे मिलते हैं और एक तटस्थ परमाणु (या अणु - गैस के प्रकार के आधार पर) बनाने का अवसर प्राप्त करते हैं।

आयनकार क्रिया की निरंतर तीव्रता पर, एक गतिशील संतुलन स्थापित होता है: प्रति इकाई समय में क्षय होने वाले कणों की औसत संख्या पुनर्संयोजन कणों की औसत संख्या के बराबर होती है (दूसरे शब्दों में, आयनीकरण दर पुनर्संयोजन दर के बराबर होती है)। यदि आयनकार क्रिया को मजबूत किया जाता है (उदाहरण के लिए, तापमान बढ़ जाता है), फिर गतिशील संतुलन आयनीकरण की दिशा में स्थानांतरित हो जाएगा, और गैस में आवेशित कणों की सांद्रता बढ़ जाएगी। इसके विपरीत, यदि आप आयनकार को बंद कर देते हैं, तो पुनर्संयोजन प्रबल होना शुरू हो जाएगा, और नि: शुल्क शुल्क धीरे-धीरे पूरी तरह से गायब हो जाएगा।

तो, आयनीकरण के परिणामस्वरूप गैस में सकारात्मक आयन और इलेक्ट्रॉन दिखाई देते हैं। तीसरे प्रकार के आवेश कहाँ से आते हैं - ऋणात्मक आयन? बहुत सरल: एक इलेक्ट्रॉन एक तटस्थ परमाणु में उड़ सकता है और उससे जुड़ सकता है! यह प्रक्रिया अंजीर में दिखाई गई है। 5.

चावल। 5. एक नकारात्मक आयन की उपस्थिति

इस तरह से बनने वाले ऋणात्मक आयन धनात्मक आयनों और इलेक्ट्रॉनों के साथ धारा के निर्माण में भाग लेंगे।

गैर आत्म निर्वहन

यदि कोई बाहरी विद्युत क्षेत्र नहीं है, तो मुक्त आवेश तटस्थ गैस कणों के साथ अराजक तापीय गति करते हैं। लेकिन जब एक विद्युत क्षेत्र लगाया जाता है, तो आवेशित कणों की क्रमबद्ध गति शुरू हो जाती है - गैस में विद्युत धारा.

चावल। 6. गैर-स्व-निरंतर निर्वहन

अंजीर पर। 6 हम एक आयनकार की क्रिया के तहत गैस गैप में उत्पन्न होने वाले तीन प्रकार के आवेशित कणों को देखते हैं: धनात्मक आयन, ऋणात्मक आयन और इलेक्ट्रॉन। एक गैस में एक विद्युत प्रवाह आवेशित कणों के आने वाले आंदोलन के परिणामस्वरूप बनता है: सकारात्मक आयन - नकारात्मक इलेक्ट्रोड (कैथोड), इलेक्ट्रॉनों और नकारात्मक आयनों - सकारात्मक इलेक्ट्रोड (एनोड) के लिए।.

सकारात्मक एनोड पर गिरने वाले इलेक्ट्रॉनों को सर्किट के साथ वर्तमान स्रोत के "प्लस" में भेजा जाता है। ऋणात्मक आयन एनोड को एक अतिरिक्त इलेक्ट्रॉन दान करते हैं और तटस्थ कण बनकर गैस में वापस आ जाते हैं; एनोड को दिया गया इलेक्ट्रॉन भी स्रोत के "प्लस" की ओर भागता है। धनात्मक आयन कैथोड में आकर वहां से इलेक्ट्रॉन ग्रहण करते हैं; कैथोड पर इलेक्ट्रॉनों की परिणामी कमी को स्रोत के "माइनस" से वहां उनकी डिलीवरी द्वारा तुरंत मुआवजा दिया जाता है। इन प्रक्रियाओं के परिणामस्वरूप, बाहरी सर्किट में इलेक्ट्रॉनों की एक क्रमबद्ध गति होती है। यह गैल्वेनोमीटर द्वारा रिकॉर्ड किया गया विद्युत प्रवाह है।

अंजीर में वर्णित प्रक्रिया। 6 कहा जाता है गैर-स्व-निरंतर निर्वहनगैस में। निर्भर क्यों? इसलिए, इसे बनाए रखने के लिए, यह आवश्यक है स्थायी कार्रवाईआयनकारक आइए आयनाइज़र को हटा दें - और करंट रुक जाएगा, क्योंकि गैस गैप में फ्री चार्ज की उपस्थिति सुनिश्चित करने वाला तंत्र गायब हो जाएगा। एनोड और कैथोड के बीच का स्थान फिर से एक इन्सुलेटर बन जाएगा।

गैस डिस्चार्ज की वोल्ट-एम्पीयर विशेषता

एनोड और कैथोड (तथाकथित .) के बीच वोल्टेज पर गैस गैप के माध्यम से करंट की निर्भरता गैस निर्वहन की वर्तमान-वोल्टेज विशेषता) अंजीर में दिखाया गया है। 7.

चावल। 7. गैस डिस्चार्ज की वोल्ट-एम्पीयर विशेषता

शून्य वोल्टेज पर, वर्तमान ताकत, निश्चित रूप से, शून्य के बराबर है: आवेशित कण केवल थर्मल गति करते हैं, इलेक्ट्रोड के बीच कोई आदेशित गति नहीं होती है।

एक छोटे वोल्टेज के साथ, वर्तमान ताकत भी छोटी होती है। तथ्य यह है कि सभी आवेशित कणों का इलेक्ट्रोड तक पहुंचना तय नहीं है: कुछ सकारात्मक आयन और इलेक्ट्रॉन एक दूसरे को ढूंढते हैं और उनके आंदोलन की प्रक्रिया में पुनर्संयोजन करते हैं।

जैसे-जैसे वोल्टेज बढ़ता है, मुक्त आवेश अधिक से अधिक गति विकसित करते हैं, और एक सकारात्मक आयन और एक इलेक्ट्रॉन के मिलने और पुनर्संयोजन की संभावना कम होती है। इसलिए, आवेशित कणों का एक बढ़ता हुआ हिस्सा इलेक्ट्रोड तक पहुंचता है, और वर्तमान ताकत बढ़ जाती है (खंड)।

एक निश्चित वोल्टेज मान (बिंदु) पर, आवेश वेग इतना अधिक हो जाता है कि पुनर्संयोजन के लिए बिल्कुल भी समय नहीं होता है। अब से सबआयनाइज़र की क्रिया के तहत बनने वाले आवेशित कण इलेक्ट्रोड तक पहुँचते हैं, और वर्तमान संतृप्ति तक पहुँचता है- अर्थात्, बढ़ते वोल्टेज के साथ वर्तमान ताकत बदलना बंद हो जाती है। यह एक निश्चित बिंदु तक जारी रहेगा।

स्वयं निर्वहन

बिंदु को पार करने के बाद, वोल्टेज बढ़ने के साथ वर्तमान ताकत तेजी से बढ़ती है - शुरू होती है स्वतंत्र निर्वहन. अब हम समझेंगे कि यह क्या है।

आवेशित गैस के कण टकराव से टकराव की ओर बढ़ते हैं; टकराव के बीच के अंतराल में, वे एक विद्युत क्षेत्र द्वारा त्वरित होते हैं, जिससे उनकी गतिज ऊर्जा बढ़ जाती है। और अब, जब वोल्टेज काफी बड़ा हो जाता है (वही बिंदु), अपने मुक्त पथ के दौरान इलेक्ट्रॉन ऐसी ऊर्जा तक पहुंचते हैं कि जब वे तटस्थ परमाणुओं से टकराते हैं, तो वे उन्हें आयनित करते हैं! (संवेग और ऊर्जा के संरक्षण के नियमों का उपयोग करके, यह दिखाया जा सकता है कि यह एक विद्युत क्षेत्र द्वारा त्वरित किए गए इलेक्ट्रॉन (और आयन नहीं) हैं जिनमें परमाणुओं को आयनित करने की अधिकतम क्षमता होती है।)

तथाकथित इलेक्ट्रॉन प्रभाव आयनीकरण. आयनित परमाणुओं से बाहर निकलने वाले इलेक्ट्रॉन भी विद्युत क्षेत्र द्वारा त्वरित होते हैं और नए परमाणुओं से टकराते हैं, उन्हें अब आयनित करते हैं और नए इलेक्ट्रॉनों का निर्माण करते हैं। उभरते इलेक्ट्रॉन हिमस्खलन के परिणामस्वरूप, आयनित परमाणुओं की संख्या में तेजी से वृद्धि होती है, जिसके परिणामस्वरूप वर्तमान ताकत भी तेजी से बढ़ती है।

मुफ्त शुल्कों की संख्या इतनी बड़ी हो जाती है कि बाहरी आयोनाइजर की आवश्यकता समाप्त हो जाती है। इसे आसानी से हटाया जा सकता है। मुक्त आवेशित कण अब किसके परिणामस्वरूप उत्पन्न होते हैं? आंतरिकगैस में होने वाली प्रक्रियाएं - इसलिए डिस्चार्ज को स्वतंत्र कहा जाता है।

यदि गैस गैप उच्च वोल्टेज के अंतर्गत है, तो स्व-निर्वहन के लिए किसी आयनकार की आवश्यकता नहीं है। गैस में केवल एक मुक्त इलेक्ट्रॉन खोजने के लिए पर्याप्त है, और ऊपर वर्णित इलेक्ट्रॉन हिमस्खलन शुरू हो जाएगा। और हमेशा कम से कम एक मुक्त इलेक्ट्रॉन रहेगा!

आइए हम एक बार फिर याद करें कि एक गैस में, सामान्य परिस्थितियों में भी, पृथ्वी की पपड़ी के आयनकारी रेडियोधर्मी विकिरण, सूर्य से उच्च-आवृत्ति विकिरण और ब्रह्मांडीय किरणों के कारण एक निश्चित "प्राकृतिक" मुक्त आवेश होता है। हमने देखा है कि कम वोल्टेज पर इन मुक्त आवेशों के कारण होने वाली गैस की चालकता नगण्य होती है, लेकिन अब - उच्च वोल्टेज पर - वे एक स्वतंत्र निर्वहन को जन्म देते हुए नए कणों के हिमस्खलन को जन्म देंगे। जैसा वे कहेंगे वैसा ही होगा टूट - फूटगैस अंतराल।

शुष्क हवा को तोड़ने के लिए आवश्यक क्षेत्र की ताकत लगभग kV/cm है। दूसरे शब्दों में, एक सेंटीमीटर हवा से अलग किए गए इलेक्ट्रोड के बीच एक चिंगारी कूदने के लिए, उन पर एक किलोवोल्ट वोल्टेज लगाया जाना चाहिए। कल्पना कीजिए कि कई किलोमीटर हवा को तोड़ने के लिए किस वोल्टेज की आवश्यकता होती है! लेकिन यह ठीक ऐसे ब्रेकडाउन हैं जो गरज के साथ होते हैं - ये बिजली के बारे में आपको अच्छी तरह से पता है।

यह एक संक्षिप्त सारांश है।

पूर्ण संस्करण पर काम जारी है

भाषण2 1

गैसों में करंट

1. सामान्य प्रावधान

परिभाषा: गैसों में विद्युत धारा प्रवाहित होने की परिघटना कहलाती है गैस निर्वहन.

गैसों का व्यवहार तापमान और दबाव जैसे इसके मापदंडों पर अत्यधिक निर्भर है, और ये पैरामीटर काफी आसानी से बदल जाते हैं। इसलिए, गैसों में विद्युत प्रवाह का प्रवाह धातुओं या निर्वात की तुलना में अधिक जटिल होता है।

गैसें ओम के नियम का पालन नहीं करती हैं।

2. आयनीकरण और पुनर्संयोजन

सामान्य परिस्थितियों में एक गैस में व्यावहारिक रूप से तटस्थ अणु होते हैं, इसलिए, यह विद्युत प्रवाह का एक अत्यंत खराब संवाहक है। हालांकि, बाहरी प्रभावों के तहत, एक इलेक्ट्रॉन परमाणु से बाहर आ सकता है और एक सकारात्मक चार्ज आयन प्रकट होता है। इसके अलावा, एक इलेक्ट्रॉन एक तटस्थ परमाणु से जुड़ सकता है और एक नकारात्मक चार्ज आयन बना सकता है। इस प्रकार, एक आयनित गैस प्राप्त करना संभव है, अर्थात। प्लाज्मा

बाहरी प्रभावों में हीटिंग, ऊर्जावान फोटॉन के साथ विकिरण, अन्य कणों द्वारा बमबारी और मजबूत क्षेत्र शामिल हैं, अर्थात। वही शर्तें जो मौलिक उत्सर्जन के लिए आवश्यक हैं।

एक परमाणु में एक इलेक्ट्रॉन एक संभावित कुएं में होता है, और वहां से बचने के लिए, परमाणु को अतिरिक्त ऊर्जा प्रदान करना आवश्यक है, जिसे आयनीकरण ऊर्जा कहा जाता है।

पदार्थ	आयनीकरण ऊर्जा, ईवी
हाइड्रोजन परमाणु	13,59
हाइड्रोजन अणु	15,43
हीलियम	24,58
ऑक्सीजन परमाणु	13,614
ऑक्सीजन अणु	12,06

आयनन की परिघटना के साथ-साथ पुनर्संयोजन की परिघटना भी देखी जाती है, अर्थात्। एक इलेक्ट्रॉन और एक सकारात्मक आयन के मिलन से एक तटस्थ परमाणु बनता है। यह प्रक्रिया आयनन ऊर्जा के बराबर ऊर्जा के निकलने के साथ होती है। इस ऊर्जा का उपयोग विकिरण या हीटिंग के लिए किया जा सकता है। गैस के स्थानीय तापन से दाब में स्थानीय परिवर्तन होता है। जो बदले में की ओर जाता है ध्वनि तरंगे. इस प्रकार, गैस का निर्वहन प्रकाश, थर्मल और शोर प्रभावों के साथ होता है।

3. गैस डिस्चार्ज का सीवीसी।

प्रारंभिक चरणों में, एक बाहरी ionizer की क्रिया आवश्यक है।

बीएडब्ल्यू खंड में, बाहरी आयनकार की कार्रवाई के तहत वर्तमान मौजूद है और जब सभी आयनित कण वर्तमान पीढ़ी में भाग लेते हैं तो जल्दी से संतृप्ति तक पहुंच जाता है। यदि आप बाहरी आयोनाइजर को हटाते हैं, तो करंट रुक जाता है।

इस प्रकार के डिस्चार्ज को गैर-स्व-स्थायी गैस डिस्चार्ज कहा जाता है। जब आप गैस में वोल्टेज बढ़ाने की कोशिश करते हैं, तो इलेक्ट्रॉनों का एक हिमस्खलन दिखाई देता है, और करंट लगभग स्थिर वोल्टेज पर बढ़ता है, जिसे इग्निशन वोल्टेज (BC) कहा जाता है।

इस क्षण से, निर्वहन स्वतंत्र हो जाता है और बाहरी आयनकार की कोई आवश्यकता नहीं होती है। आयनों की संख्या इतनी बड़ी हो सकती है कि इंटरइलेक्ट्रोड गैप का प्रतिरोध कम हो जाता है और तदनुसार, वोल्टेज (एसडी) गिर जाता है।

फिर, इंटरइलेक्ट्रोड गैप में, वर्तमान मार्ग का क्षेत्र संकीर्ण होना शुरू हो जाता है, और प्रतिरोध बढ़ जाता है, और, परिणामस्वरूप, वोल्टेज (DE) बढ़ जाता है।

जब आप वोल्टेज बढ़ाने की कोशिश करते हैं, तो गैस पूरी तरह से आयनित हो जाती है। प्रतिरोध और वोल्टेज शून्य हो जाता है, और करंट कई गुना बढ़ जाता है। यह एक चाप निर्वहन (ई .) निकलता हैएफ).

सीवीसी दर्शाता है कि गैस ओम के नियम का बिल्कुल भी पालन नहीं करती है।

4. गैस में प्रक्रियाएं