Što je struja u plinovima. Uvod

U plinovima postoje nesamoodrživa i samoodrživa električna pražnjenja.

Fenomen protoka električne struje kroz plin, koji se promatra samo pod uvjetom bilo kakvog vanjskog utjecaja na plin, naziva se nesamoodrživo električno pražnjenje. Proces odvajanja elektrona od atoma naziva se ionizacija atoma. Minimalna energija koja se mora utrošiti da se elektron odvoji od atoma naziva se energija ionizacije. Djelomično ili potpuno ionizirani plin, u kojem su gustoće pozitivnih i negativnih naboja jednake, naziva se plazma.

Nosioci električne struje u nesamostalnom pražnjenju su pozitivni ioni i negativni elektroni. Strujno-naponska karakteristika prikazana je na sl. 54. U polju OAB - nesamoodrživo pražnjenje. U BC regiji, iscjedak postaje samostalan.

Kod samopražnjenja, jedna od metoda ionizacije atoma je ionizacija udarom elektrona. Ionizacija udarom elektrona postaje moguća kada elektron dobije kinetičku energiju W k na srednjem slobodnom putu A, dovoljnu da obavi posao odvajanja elektrona od atoma. Vrste neovisnih pražnjenja u plinovima - iskri, koronska, lučna i svjetleća pražnjenja.

iskreni pražnjenje događa se između dvije elektrode nabijene različitim nabojima i koje imaju veliku potencijalnu razliku. Napon između suprotno nabijenih tijela doseže do 40 000 V. Iskrište je kratkotrajno, njegov mehanizam je elektronički udar. Munja je vrsta iskre.

U izrazito nehomogenim električnim poljima, nastalim, na primjer, između vrha i ravnine ili između žice dalekovoda i Zemljine površine, javlja se poseban oblik samoodrživog pražnjenja u plinovima, tzv. koronsko pražnjenje.

Električno lučno pražnjenje otkrio je ruski znanstvenik V. V. Petrov 1802. Kada dvije elektrode napravljene od ugljena dođu u dodir na naponu od 40-50 V, na nekim mjestima postoje područja malog presjeka s velikim električnim otporom. Ta se područja jako zagrijavaju, emitiraju elektrone koji ioniziraju atome i molekule između elektroda. Nositelji električne struje u luku su pozitivno nabijeni ioni i elektroni.

Pražnjenje koje se javlja pri smanjenom tlaku naziva se užareno pražnjenje. Sa smanjenjem tlaka, srednja slobodna putanja elektrona raste, a tijekom vremena između sudara on ima vremena da dobije energiju dovoljnu za ionizaciju u električnom polju nižeg intenziteta. Pražnjenje se provodi elektronsko-ionskom lavinom.

ELEKTRIČNA STRUJA U PLINOVIMA

Nezavisna i nesamoodrživa vodljivost plinova. U svom prirodnom stanju plinovi ne provode električnu struju, t.j. su dielektrici. To se lako može provjeriti jednostavnom strujom, ako je strujni krug prekinut zračnim rasporom.

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

Na prikazanoj slici galvanometar u krugu ne pokazuje struju unatoč primijenjenom naponu. To ukazuje na odsutnost vodljivosti plinova u normalnim uvjetima.

Zagrijmo sada plin u intervalu 1-2 na vrlo visoku temperaturu uvodeći u njega upaljeni plamenik. Galvanometar će ukazati na pojavu struje, stoga se pri visokoj temperaturi udio neutralnih molekula plina razlaže na pozitivne i negativne ione. Takav fenomen se zove ionizacija plin.

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

To znači da ioni ne nestaju odmah, već se kreću zajedno s plinom. Međutim, kako se udaljenost između plamena i razmaka 1-2 povećava, struja postupno slabi, a zatim nestaje. U ovom slučaju, suprotno nabijeni ioni imaju tendenciju približavanja jedni drugima pod utjecajem sile električne privlačnosti i, kada se sretnu, ponovno se sjedinjuju u neutralnu molekulu. Takav proces se zove rekombinacija ioni.

Zagrijavanje plina na visoku temperaturu nije jedini način ioniziranja molekula ili atoma plina. Neutralni atomi ili molekule plina također se mogu ionizirati pod utjecajem drugih čimbenika.

Ionska vodljivost ima niz značajki. Dakle, često pozitivni i negativni ioni nisu pojedinačne ionizirane molekule, već skupine molekula vezane za negativni ili pozitivni elektron. Zbog toga, iako je naboj svakog iona jednak jednom ili dva, rijetko veći od broja elementarnih naboja, njihove se mase mogu značajno razlikovati od masa pojedinih atoma i molekula. Po tome se ioni plina bitno razlikuju od iona elektrolita, koji uvijek predstavljaju određene skupine atoma. Zbog ove razlike, Faradayevi zakoni, koji su tako karakteristični za vodljivost elektrolita, ne vrijede za ionsku vodljivost plinova.

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

Konkretno, u slučaju nesamoodržive vodljivosti, za male vrijednosti U, graf ima oblik ravne linije, tj. Ohmov zakon približno ostaje na snazi; kako se U povećava, krivulja se savija od određenog naprezanja i prelazi u vodoravnu ravnu liniju.

To znači da počevši od određenog napona, struja ostaje konstantna unatoč porastu napona. Ova konstantna, naponski neovisna vrijednost struje naziva se struja zasićenja.

Nije teško razumjeti značenje dobivenih rezultata. U početku, kako se napon povećava, povećava se broj iona koji prolaze kroz presjek pražnjenja; struja I raste, jer se ioni u jačem polju kreću većom brzinom. Međutim, koliko god se brzo kretali ioni, broj njih koji prolaze kroz ovu dionicu u jedinici vremena ne može biti veći od ukupnog broja iona stvorenih u pražnjenju u pražnjenju u jedinici vremena od strane vanjskog ionizirajućeg faktora.

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

Trenutni skok pokazuje da se broj iona odmah naglo povećao. Razlog za to je sam po sebi električno polje: daje tako velike brzine nekim ionima, t.j. tako veliku energiju da kada se takvi ioni sudare s neutralnim molekulama, potonje se raspadaju na ione. Ukupni broj iona sada ne određuje ionizirajući faktor, već djelovanje samog polja, koje samo po sebi može podržati potrebnu ionizaciju: vodljivost od nesamoodržive postaje neovisna. Opisani fenomen iznenadnog nastupa neovisne vodljivosti, koji ima prirodu propada plinskog jaza, nije jedini, iako vrlo važan, oblik nastanka neovisne vodljivosti.

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

Opisani oblik plinskog pražnjenja naziva se iskreni pražnjenje ili plinska iskra. Kada se dogodi iskri, plin naglo gubi svoja dielektrična svojstva i postaje dobar vodič. Jakost polja pri kojoj dolazi do proboja iskre plina ima različitu vrijednost za različite plinove i ovisi o njihovom stanju (tlak, temperatura). Što je veća udaljenost između elektroda, to je veći napon između njih neophodan za početak proboja iskre plina. Ova napetost se zove probojni napon.

Znajući kako probojni napon ovisi o udaljenosti između elektroda bilo kojeg određenog oblika, moguće je izmjeriti nepoznati napon duž najveće duljine iskre. Ovo je osnova za uređaj voltmetra za iskrice za grube visoke napone.

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

Pojava sloma objašnjava se na sljedeći način: u plinu uvijek postoji određeni broj iona i elektrona koji proizlaze iz slučajnih uzroka. Međutim, njihov je broj toliko mali da plin praktički ne provodi električnu energiju. Pri dovoljno velikoj jakosti polja, kinetička energija koju ion akumulira u intervalu između dva sudara može postati dovoljna za ioniziranje neutralne molekule tijekom sudara. Kao rezultat, nastaju novi negativni elektron i pozitivno nabijeni ostatak, ion.

Slobodni elektron 1 nakon sudara s neutralnom molekulom dijeli ga na elektron 2 i slobodni pozitivni ion. Elektroni 1 i 2, nakon daljnjeg sudara s neutralnim molekulama, ponovno ih dijele na elektrone 3 i 4 i slobodne pozitivne ione i tako dalje.

Ovaj proces ionizacije naziva se udarna ionizacija, i rad koji treba uložiti da se proizvede odvajanje elektrona od atoma - ionizacijski rad. Rad ionizacije ovisi o strukturi atoma i stoga je različit za različite plinove.

Elektroni i ioni koji nastaju pod utjecajem udarne ionizacije povećavaju broj naboja u plinu, a zauzvrat se pokreću pod djelovanjem električnog polja i mogu proizvesti udarnu ionizaciju novih atoma. Tako se proces pojačava, a ionizacija u plinu brzo dostiže vrlo visoku vrijednost. Fenomen je sličan lavini, pa je ovaj proces nazvan ionska lavina.

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

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

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

Već sredinom 18. stoljeća obraćala se pozornost na vanjsku sličnost munje s električnom iskrom. Pretpostavlja se da grmljavinski oblaci nose velike električne naboje i da je munja ogromna iskra, koja se ne razlikuje od iskre između kuglica električnog stroja, osim po veličini. Na to je, primjerice, ukazao ruski fizičar i kemičar Mihail Vasiljevič Lomonosov (1711-65), koji se, uz druga znanstvena pitanja, bavio atmosferskim elektricitetom.

To je dokazalo iskustvo 1752-53. Lomonosov i američki znanstvenik Benjamin Franklin (1706-90), koji su radili istovremeno i neovisno jedan od drugoga.

Lomonosov je izgradio „stroj za gromove“ – kondenzator koji se nalazio u njegovom laboratoriju i punio se atmosferskim elektricitetom kroz žicu čiji je kraj izvučen iz prostorije i podignut na visoki stup. Tijekom grmljavine, iskre bi se mogle ukloniti iz kondenzatora ručno.

Franklin je tijekom grmljavine lansirao zmaja na žici, koja je bila opremljena željeznim vrhom; ključ od vrata bio je vezan za kraj uzice. Kada se struna smočila i postala provodnik električne struje, Franklin je mogao izvlačiti električne iskre iz ključa, puniti Leyden staklenke i izvoditi druge eksperimente napravljene s električnim strojem (Treba napomenuti da su takvi eksperimenti izuzetno opasni, jer munje može pogoditi zmije, a istovremeno će veliki naboji proći kroz tijelo eksperimentatora na Zemlju.U povijesti fizike bilo je takvih tužnih slučajeva: G. V. Richman, koji je radio zajedno s Lomonosovom, umro je 1753. u St. Petersburg).

Tako se pokazalo da su grmljavinski oblaci doista jako nabijeni elektricitetom.

Različiti dijelovi grmljavinskog oblaka nose naboje različitih znakova. Najčešće je donji dio oblaka (reflektiran na Zemlju) negativno nabijen, a gornji pozitivno. Stoga, ako se dva oblaka približavaju jedan drugome sa suprotno nabijenim dijelovima, tada munja skače između njih. Međutim, do pražnjenja munje može doći i na druge načine. Prolazeći iznad Zemlje, grmljavinski oblak stvara velike inducirane naboje na svojoj površini, te stoga oblak i Zemljina površina tvore dvije ploče velikog kondenzatora. Razlika potencijala između oblaka i Zemlje doseže goleme vrijednosti, mjerene u stotinama milijuna volti, a u zraku nastaje jako električno polje. Ako se intenzitet ovog polja učini dovoljno velikim, može doći do sloma, t.j. munja koja udara u zemlju. Istovremeno, grom ponekad pogodi ljude i izazove požare.

Prema brojnim studijama napravljenim o munjama, naboj iskre karakteriziraju sljedeći približni brojevi: napon (U) između oblaka i Zemlje je 0,1 GV (gigavolt);

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

trajanje munje (t) 1 µs (mikrosekunda);

promjer svjetlosnog kanala je 10-20 cm.

Grmljavina koja se javlja nakon munje ima isto porijeklo kao i pucketanje kada skoči laboratorijska iskra. Naime, zrak unutar kanala munje se jako zagrijava i širi, zbog čega nastaju zvučni valovi. Ti valovi, reflektirani od oblaka, planina, itd., često stvaraju dugu jeku - udare groma.

Koronsko pražnjenje. Pojava ionske lavine ne dovodi uvijek do iskre, ali može uzrokovati i drugačiju vrstu pražnjenja – koronsko pražnjenje.

Metalnu žicu ab, promjera nekoliko desetinki milimetra, razvučemo na dva visoka izolacijska nosača i spojimo na negativni pol generatora koji daje napon od nekoliko tisuća volti. Drugi pol generatora odnijet ćemo na Zemlju. Dobivate svojevrsni kondenzator, čije su ploče žica i zidovi prostorije, koji, naravno, komuniciraju sa Zemljom.

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

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

Brojači elementarne čestice . Geiger-Mullerov brojač elementarnih čestica sastoji se od malog metalnog cilindra opremljenog prozorčićem prekrivenim folijom i tankom metalnom žicom razvučenom duž osi cilindra i izoliranom od nje. Brojač je spojen na krug koji sadrži izvor struje, čiji je napon jednak nekoliko tisuća volti. Napon se bira neophodan za pojavu koronskog pražnjenja unutar brojača.

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

Takvi brojači omogućuju registraciju ne samo brzih elektrona, već općenito svih nabijenih, brzo pokretnih čestica koje mogu proizvesti ionizaciju putem sudara. Moderni brojači mogu lako otkriti čak i jednu česticu koja ih udara i stoga omogućuju da se s potpunom sigurnošću i vrlo jasnoćom provjeri da elementarne nabijene čestice stvarno postoje u prirodi.

gromobran. Procjenjuje se da se u atmosferi cijele zemaljske kugle istodobno događa oko 1800 grmljavina koje daju u prosjeku oko 100 munja u sekundi. I premda je vjerojatnost da ga netko pogodi grom zanemariva, ipak munja uzrokuje mnogo štete. Dovoljno je istaknuti da je trenutno oko polovice svih nesreća na velikim dalekovodima uzrokovano gromovima. Stoga je zaštita od groma važan zadatak.

Lomonosov i Franklin nisu samo objasnili električnu prirodu munje, već su ukazali i na to kako izgraditi gromobran koji štiti od udara groma. Gromobran je duga žica čiji je gornji kraj naoštren i ojačan iznad najviše točke zaštićene građevine. Donji kraj žice spojen je na metalni lim, a lim je ukopan u zemlju na razini vode u tlu. Tijekom grmljavine na Zemlji se pojavljuju veliki inducirani naboji, a u blizini Zemljine površine pojavljuje se veliko električno polje. Njegov intenzitet je vrlo velik u blizini oštrih vodiča, pa se stoga na kraju gromobrana zapali koronsko pražnjenje. Kao rezultat toga, inducirani naboji se ne mogu akumulirati na zgradi i ne dolazi do munje. U onim slučajevima kada se munja ipak dogodi (a takvi su slučajevi vrlo rijetki), ona udari u gromobran i naboji odlaze u Zemlju bez oštećenja zgrade.

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

Električni luk. Godine 1802. ruski fizičar V.V. Petrov (1761-1834) je otkrio da ako se dva komada drvenog ugljena pričvrste na stupove velike električne baterije i, dovodeći ugljen u dodir, lagano ih razmaknu, tada između krajeva ugljena nastaje sjajan plamen, a sami krajevi ugljena postaju bijeli užareni, emitirajući zasljepljujuće svjetlo.

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

Prisiljavanje luka da gori DC u komprimiranom plinu (20 atm) bilo je moguće dovesti temperaturu kraja pozitivne elektrode na 5900°C, t.j. do površinske temperature sunca. Još višu temperaturu posjeduje stup plinova i para, koji ima dobru električnu vodljivost, kroz koji prolazi električni naboj. Snažno bombardiranje ovih plinova i para elektronima i ionima potaknuto električno polje luka, dovodi temperaturu plinova u koloni na 6000-7000°C. Ovako jaka ionizacija plina moguća je samo zbog činjenice da katoda luka emitira puno elektrona, koji svojim udarima ioniziraju plin u prostoru pražnjenja. Jaka elektronska emisija s katode osigurana je činjenicom da se sama lučna katoda zagrijava na vrlo visoku temperaturu (od 2200 do 3500°C). Kada se ugljen dovede u kontakt kako bi se zapalio luk, gotovo sva Jouleova toplina struje koja prolazi kroz ugljen oslobađa se na kontaktnoj točki, koja je imala vrlo visok otpor. Stoga su krajevi ugljena vrlo vrući, a to je dovoljno da između njih izbije luk kada se razdvoje. U budućnosti, katoda luka održava se u zagrijanom stanju samom strujom koja prolazi kroz luk. Glavnu ulogu u tome igra bombardiranje katode pozitivnim ionima koji padaju na nju.

Strujna naponska karakteristika luka ima potpuno osebujan karakter. U lučnom pražnjenju, kako se struja povećava, napon na lučnim stezaljkama opada, t.j. luk ima opadajuću strujno-naponsku karakteristiku.

Primjena lučnog pražnjenja. Rasvjeta. Zbog visoke temperature lučne elektrode emituju blistavu svjetlost (sjaj stupa luka je slabiji, jer je emisiona sposobnost plina mala), pa je električni luk jedan od najbolji izvori Sveta. Troši samo oko 3 vata po kandeli i znatno je ekonomičniji od najboljih žarulja sa žarnom niti. Električni luk prvi je upotrijebio za rasvjetu 1875. godine ruski inženjer izumitelj P.N. Yablochkin (1847-1894) i nazvan je "rusko svjetlo" ili "sjeverno svjetlo". Zavarivanje. Za zavarivanje metalnih dijelova koristi se električni luk. Dijelovi koji se zavaruju služe kao pozitivna elektroda; dodirujući ih ugljenom spojenim na negativni pol izvora struje, dobiva se luk između tijela i ugljena, koji topi metal. živin luk. Od velikog je interesa živin luk koji gori u kvarcnoj cijevi, tzv kvarcna lampa. U ovoj svjetiljci lučno pražnjenje se ne događa u zraku, već u atmosferi živine pare, za koju se mala količina žive unosi u svjetiljku, a zrak se ispumpava. Svjetlost živinog luka iznimno je bogata ultraljubičastim zrakama, koje imaju snažno kemijsko i fiziološko djelovanje. Kako bi se moglo iskoristiti ovo zračenje, lampa nije izrađena od stakla koje jako upija UV zračenje, već od topljenog kvarca. Živine lampe se široko koriste u liječenju raznih bolesti, kao i u znanstveno istraživanje kao jak izvor ultraljubičastog zračenja.

Kao izvor informacija korišten je osnovni udžbenik fizike pod

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

Izradio MARKIDONOV TIMUR, Irkutsk.

Električna struja je protok koji je uzrokovan uređenim kretanjem električno nabijenih čestica. Kretanje naboja uzima se kao smjer električne struje. Struja može biti kratkoročno ili dugoročno.

Pojam električne struje

Tijekom pražnjenja munje može doći do električne struje koja se naziva kratkotrajna. A za dugotrajno održavanje struje potrebno je imati električno polje i slobodne električne nosače naboja.

Električno polje stvaraju različito nabijena tijela. Struja je omjer prenesenog naboja poprečni presjek vodič za vremenski interval, na ovaj vremenski interval. Mjeri se u amperima.

Riža. 1. Trenutna formula

Električna struja u plinovima

Molekule plina ne provode električnu energiju u normalnim uvjetima. Oni su izolatori (dielektrici). Međutim, ako promijenite uvjete okoliš, tada plinovi mogu postati vodiči električne energije. Kao rezultat ionizacije (tijekom zagrijavanja ili pod djelovanjem radioaktivnog zračenja) u plinovima nastaje električna struja, koja se često zamjenjuje pojmom "električno pražnjenje".

Samoodrživa i nesamoodrživa plinska pražnjenja

Pražnjenja u plinu mogu biti samoodrživa i nesamoodrživa. Struja počinje postojati kada se pojave besplatni naboji. Nesamoodrživa pražnjenja postoje sve dok na njih djeluje vanjska sila, odnosno vanjski ionizator. To jest, ako vanjski ionizator prestane raditi, struja se zaustavlja.

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

• Miran - najslabiji od nezavisnih pražnjenja. Snaga struje u njemu je vrlo mala (ne više od 1 mA). Ne prate ga ni zvučni ni svjetlosni fenomeni.
• Tinjajući - ako povećate napon u tihom pražnjenju, prelazi se na sljedeću razinu - na užareno pražnjenje. U tom slučaju pojavljuje se sjaj, koji je popraćen rekombinacijom. Rekombinacija - proces reverzne ionizacije, susret elektrona i pozitivnog iona. Koristi se u baktericidnim i rasvjetnim svjetiljkama.

Riža. 2. Svjetleće pražnjenje

• Luk - jačina struje kreće se od 10 A do 100 A. U ovom slučaju ionizacija je gotovo 100%. Ova vrsta pražnjenja javlja se, na primjer, tijekom rada stroja za zavarivanje.

Riža. 3. Lučno pražnjenje

• pjenušava - može se smatrati jednom od vrsta lučnog pražnjenja. Tijekom takvog pražnjenja za vrlo kratko vrijeme teče određena količina električne energije.
• koronsko pražnjenje – ionizacija molekula događa se u blizini elektroda s malim polumjerima zakrivljenosti. Ova vrsta naboja nastaje kada se jakost električnog polja dramatično promijeni.

Što smo naučili?

Sami po sebi, atomi i molekule plina su neutralni. Nabijene su kada su izložene van. Govoreći ukratko o električnoj struji u plinovima, radi se o usmjerenom kretanju čestica (pozitivnih iona prema katodi i negativnih iona prema anodi). Također je važno da se ioniziranjem plina poboljšaju njegova vodljiva svojstva.

Teme KORISTI kodifikator : nositelji slobodnih električnih naboja u plinovima.

U normalnim uvjetima, plinovi se sastoje od električno neutralnih atoma ili molekula; Besplatnih naboja u plinovima gotovo da i nema. Stoga su plinovi dielektrika- kroz njih ne prolazi električna struja.

Rekli smo "gotovo nikakve" jer zapravo u plinovima, a posebno u zraku, uvijek postoji određena količina slobodnih nabijenih čestica. Pojavljuju se kao posljedica ionizirajućeg učinka zračenja radioaktivnih tvari koje čine Zemljina kora, ultraljubičasto i X-zrake Sunce, kao i kozmičke zrake – tokovi visokoenergetskih čestica koji prodiru u Zemljinu atmosferu iz svemir. Kasnije ćemo se vratiti na ovu činjenicu i raspravljati o njezinoj važnosti, ali za sada ćemo samo primijetiti da je u normalnim uvjetima vodljivost plinova, uzrokovana “prirodnim” iznosom slobodnih naboja, zanemariva i može se zanemariti.

Djelovanje sklopki u električnim krugovima temelji se na izolacijskim svojstvima zračnog raspora (sl. 1). Na primjer, mali zračni razmak u prekidaču svjetla dovoljan je da otvori električni krug u vašoj sobi.

Riža. 1 ključ

Moguće je, međutim, stvoriti takve uvjete pod kojima će se električna struja pojaviti u plinskom procjepu. Razmotrimo sljedeće iskustvo.

Napunimo ploče zračnog kondenzatora i spojimo ih na osjetljivi galvanometar (slika 2, lijevo). Na sobna temperatura a u ne previše vlažnom zraku galvanometar neće pokazati zamjetnu struju: naš zračni raspor, kao što smo rekli, nije vodič električne struje.

Riža. 2. Pojava struje u zraku

Sada unesite plamen plamenika ili svijeće u razmak između ploča kondenzatora (slika 2, desno). Pojavljuje se struja! Zašto?

Besplatno punjenje na plin

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

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

Pogledajmo kako se ti naboji mogu pojaviti u plinu.

Kako temperatura plina raste, toplinske vibracije njegovih čestica - molekula ili atoma - postaju sve intenzivnije. Udarci čestica jedne o druge postižu takvu silu da ionizacija- raspad neutralnih čestica na elektrone i pozitivne ione (slika 3.).

Riža. 3. Ionizacija

Stupanj ionizacije je omjer broja raspadnutih čestica plina i ukupnog početnog broja čestica. Na primjer, ako je stupanj ionizacije , onda to znači da su se izvorne čestice plina raspale na pozitivne ione i elektrone.

Stupanj ionizacije plina ovisi o temperaturi i naglo raste s njezinim porastom. Za vodik, na primjer, na temperaturi ispod stupnja ionizacije ne prelazi , a na temperaturi iznad stupnja ionizacije je blizu (odnosno, vodik je gotovo potpuno ioniziran (djelomično ili potpuno ionizirani plin naziva se plazma)).

Osim visoke temperature, postoje i drugi čimbenici koji uzrokuju ionizaciju plina.

Već smo ih usput spomenuli: to su radioaktivno zračenje, ultraljubičasto, rendgensko i gama zračenje, kozmičke čestice. Svaki takav čimbenik koji uzrokuje ionizaciju plina naziva se ionizator.

Dakle, ionizacija se ne događa sama od sebe, već pod utjecajem ionizatora.

U isto vrijeme, obrnuti proces rekombinacija, odnosno ponovno spajanje elektrona i pozitivnog iona u neutralnu česticu (slika 4).

Riža. 4. Rekombinacija

Razlog za rekombinaciju je jednostavan: to je Coulombovo privlačenje suprotno nabijenih elektrona i iona. Jureći jedan prema drugome pod djelovanjem električnih sila, susreću se i dobivaju priliku da formiraju neutralni atom (ili molekulu – ovisno o vrsti plina).

Pri konstantnom intenzitetu djelovanja ionizatora uspostavlja se dinamička ravnoteža: prosječan broj čestica koje se raspadaju u jedinici vremena jednak je prosječnom broju rekombinirajućih čestica (drugim riječima, brzina ionizacije jednaka je brzini rekombinacije). djelovanje ionizatora se pojačava (na primjer, temperatura se povećava), tada će se dinamička ravnoteža pomaknuti u smjer ionizacije, a koncentracija nabijenih čestica u plinu će se povećati. Naprotiv, ako isključite ionizator, tada će rekombinacija početi prevladavati, a besplatni naboji će postupno potpuno nestati.

Dakle, pozitivni ioni i elektroni pojavljuju se u plinu kao rezultat ionizacije. Odakle dolazi treća vrsta naboja - negativni ioni? Vrlo jednostavno: elektron može uletjeti u neutralni atom i pridružiti mu se! Ovaj proces je prikazan na sl. 5 .

Riža. 5. Pojava negativnog iona

Tako nastali negativni ioni sudjelovat će u stvaranju struje zajedno s pozitivnim ionima i elektronima.

Nesamopražnjenje

Ako nema vanjskog električnog polja, slobodni naboji izvode kaotično toplinsko kretanje zajedno s neutralnim česticama plina. Ali kada se primjenjuje električno polje, počinje uređeno kretanje nabijenih čestica - električna struja u plinu.

Riža. 6. Nesamoodrživo pražnjenje

Na sl. Na slici 6 vidimo tri vrste nabijenih čestica koje nastaju u plinskom procjepu pod djelovanjem ionizatora: pozitivni ioni, negativni ioni i elektroni. Električna struja u plinu nastaje kao rezultat nadolazećeg kretanja nabijenih čestica: pozitivni ioni - na negativnu elektrodu (katodu), elektroni i negativni ioni - na pozitivnu elektrodu (anodu).

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

Proces opisan na sl. 6 se zove nesamoodrživo pražnjenje u plinu. Zašto ovisni? Stoga je za njegovo održavanje potrebno stalno djelovanje ionizatora. Uklonimo ionizator - i struja će se zaustaviti, jer će mehanizam koji osigurava pojavu slobodnih naboja u plinskom jazu nestati. Prostor između anode i katode ponovno će postati izolator.

Volt-amperska karakteristika plinskog pražnjenja

Ovisnost jakosti struje kroz plinski razmak o naponu između anode i katode (tzv. strujno-naponska karakteristika plinskog pražnjenja) prikazan je na sl. 7.

Riža. 7. Volt-amperska karakteristika plinskog pražnjenja

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

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

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

Pri određenoj vrijednosti napona (točka ), brzina naboja postaje toliko velika da rekombinacija uopće nema vremena. Odsada pa nadalje svi nabijene čestice nastale djelovanjem ionizatora dospiju do elektroda, i struja doseže zasićenje- Naime, jačina struje se prestaje mijenjati s povećanjem napona. To će se nastaviti do određene točke.

samopražnjenje

Nakon prolaska točke, jačina struje naglo raste s povećanjem napona - počinje neovisno pražnjenje. Sada ćemo shvatiti što je to.

Nabijene čestice plina kreću se od sudara do sudara; u intervalima između sudara, ubrzava ih električno polje, povećavajući njihovu kinetičku energiju. A sada, kada napon postane dovoljno velik (baš ta točka), elektroni tijekom svog slobodnog puta dosežu takve energije da ih pri sudaru s neutralnim atomima ioniziraju! (Upotrebom zakona održanja količine gibanja i energije, može se pokazati da elektroni (a ne ioni) ubrzani električnim poljem imaju maksimalnu sposobnost ioniziranja atoma.)

Takozvani ionizacija udarom elektrona. Elektroni izbačeni iz ioniziranih atoma također se ubrzavaju električnim poljem i udaraju u nove atome, ionizirajući ih sada i stvarajući nove elektrone. Kao rezultat lavine elektrona u nastajanju, broj ioniziranih atoma brzo raste, uslijed čega se jakost struje također brzo povećava.

Broj besplatnih punjenja postaje toliko velik da se eliminira potreba za vanjskim ionizatorom. Može se jednostavno ukloniti. Slobodne nabijene čestice sada se stvaraju kao rezultat unutarnje procesi koji se odvijaju u plinu - zato se pražnjenje naziva neovisnim.

Ako je plinski jaz pod visokim naponom, tada nije potreban ionizator za samopražnjenje. Dovoljno je pronaći samo jedan slobodni elektron u plinu, pa će započeti gore opisana lavina elektrona. I uvijek će postojati barem jedan slobodan elektron!

Podsjetimo još jednom da u plinu, čak iu normalnim uvjetima, postoji određena “prirodna” količina slobodnih naboja, zbog ionizirajućeg radioaktivnog zračenja zemljine kore, visokofrekventnog zračenja Sunca i kozmičkih zraka. Vidjeli smo da je pri niskim naponima vodljivost plina uzrokovana ovim slobodnim nabojima zanemariva, ali sada - pri visokom naponu - oni će dovesti do lavine novih čestica, što će dovesti do neovisnog pražnjenja. Bit će kako kažu slom plinski jaz.

Jačina polja potrebna za razgradnju suhog zraka je približno kV/cm. Drugim riječima, da bi iskra skočila između elektroda odvojenih centimetrom zraka, na njih se mora primijeniti kilovoltni napon. Zamislite koliki je napon potreban da se probije nekoliko kilometara zraka! Ali upravo se takvi kvarovi događaju tijekom grmljavine - to su munje dobro poznate.

Nastaje usmjerenim kretanjem slobodnih elektrona i da u tom slučaju ne dolazi do promjena u tvari od koje je vodič napravljen.

Takvi vodiči, kod kojih prolaz električne struje nije popraćen kemijskim promjenama u njihovoj tvari, nazivaju se dirigenti prve vrste. To uključuje sve metale, ugljen i niz drugih tvari.

Ali u prirodi postoje i takvi vodiči električne struje, u kojima se tijekom prolaska struje javljaju kemijske pojave. Ti se vodiči nazivaju provodnici druge vrste. To uglavnom uključuje različite otopine kiselina, soli i lužina u vodi.

Ako u staklenu posudu ulijete vodu i u nju dodate nekoliko kapi sumporne kiseline (ili neke druge kiseline ili lužine), a zatim uzmete dvije metalne ploče i na njih pričvrstite vodiče spuštajući te ploče u posudu, i spojite struju izvora na druge krajeve vodiča preko prekidača i ampermetra, tada će se plin osloboditi iz otopine, a nastavit će se kontinuirano sve dok se krug ne zatvori. zakiseljena voda je doista provodnik. Osim toga, ploče će početi biti prekrivene mjehurićima plina. Tada će se ti mjehurići odvojiti od ploča i izaći.

Kada električna struja prolazi kroz otopinu, dolazi do kemijskih promjena uslijed kojih se oslobađa plin.

Vodiči druge vrste nazivaju se elektroliti, a pojava koja se javlja u elektrolitu kada kroz njega prolazi električna struja je.

metalne ploče, spušteni u elektrolit, nazivaju se elektrodama; jedan od njih, spojen na pozitivni pol izvora struje, naziva se anoda, a drugi, spojen na negativni pol, naziva se katoda.

Što uzrokuje prolazak električne struje u tekućem vodiču? Ispada da se u takvim otopinama (elektroliti) molekule kiselina (alkalije, soli) pod djelovanjem otapala (u ovom slučaju vode) razlažu na dvije komponente, a jedna čestica molekule ima pozitivan električni naboj, a druga negativna.

Čestice molekule koje imaju električno punjenje nazivaju se ioni. Kada se kiselina, sol ili lužina otopi u vodi, u otopini se pojavljuje veliki broj pozitivnih i negativnih iona.

Sada bi trebalo postati jasno zašto je električna struja prošla kroz otopinu, jer je između elektroda spojenih na izvor struje nastala, drugim riječima, pokazalo se da je jedna od njih pozitivno, a druga negativno. Pod utjecajem te razlike potencijala pozitivni ioni su se počeli kretati prema negativnoj elektrodi – katodi, a negativni ioni – prema anodi.

Tako je kaotično kretanje iona postalo uređeno protugibanje negativnih iona u jednom smjeru i pozitivnih u drugom smjeru. Ovaj proces prijenosa naboja predstavlja protok električne struje kroz elektrolit i događa se sve dok postoji razlika potencijala na elektrodama. S nestankom razlike potencijala, struja kroz elektrolit prestaje, poremeti se uredno kretanje iona i ponovno dolazi kaotično kretanje.

Kao primjer, razmotrite fenomen elektrolize kada se električna struja propušta kroz otopinu plavi vitriol CuSO4 s bakrenim elektrodama spuštenim u njega.

Fenomen elektrolize kada struja prolazi kroz otopinu bakrenog sulfata: C - posuda s elektrolitom, B - izvor struje, C - prekidač

Bit će također nadolazeći promet iona na elektrode. Pozitivni ion bit će ion bakra (Cu), a negativni ion kiselinski ostatak (SO4). Bakreni ioni će se nakon kontakta s katodom isprazniti (pričvrstiti nedostajuće elektrone na sebe), tj. pretvorit će se u neutralne molekule čistog bakra i taložiti na katodu u obliku najtanjeg (molekularnog) sloja.

Negativni ioni, nakon što dođu do anode, također se ispuštaju (daju višak elektrona). Ali u isto vrijeme ulaze kemijska reakcija s anodnim bakrom, uslijed čega se kiselinskom ostatku SO4 dodaje molekula bakra Cu i nastaje molekula bakrenog sulfata CuS O4, koja se vraća natrag u elektrolit.

Budući da je ovaj kemijski proces Dugo vrijeme, tada se na katodu taloži bakar koji se oslobađa iz elektrolita. U tom slučaju, umjesto molekula bakra koje su otišle na katodu, elektrolit prima nove molekule bakra zbog otapanja druge elektrode – anode.

Isti se proces događa ako se umjesto bakrenih uzmu cink elektrode, a elektrolit je otopina cink sulfata ZnSO4. Cink će se također prenositi s anode na katodu.

Tako, razlika između električne struje u metalima i tekućih vodiča leži u činjenici da su u metalima samo slobodni elektroni, tj. negativni naboji, nositelji naboja, dok ga u elektrolitima nose suprotno nabijene čestice tvari - ioni koji se kreću u suprotnim smjerovima. Stoga i kažu to elektroliti imaju ionsku vodljivost.

Fenomen elektrolize otkrio je 1837. B. S. Jacobi, koji je proveo brojne pokuse na proučavanju i poboljšanju kemijskih izvora struje. Jacobi je otkrio da je jedna od elektroda smještena u otopinu bakrenog sulfata, kada kroz nju prođe električna struja, prekrivena bakrom.

Ovaj fenomen se zove galvanizacija, nalazi sada iznimno veliki praktična upotreba. Jedan primjer toga je premazivanje metalnih predmeta. tanki sloj ostali metali, tj. niklanje, pozlatavanje, posrebrivanje, itd.

Plinovi (uključujući zrak) ne provode električnu energiju u normalnim uvjetima. Na primjer, goli, koji su obješeni paralelno jedan s drugim, izolirani su jedan od drugog slojem zraka.

Međutim, pod utjecajem visoke temperature, velike razlike potencijala i drugih razloga, plinovi, poput tekućih vodiča, ioniziraju se, odnosno pojavljuju se u njima u u velikom brojučestice molekula plina, koje kao nositelji električne energije doprinose prolasku električne struje kroz plin.

Ali u isto vrijeme, ionizacija plina se razlikuje od ionizacije tekućeg vodiča. Ako se u tekućini molekula raspadne na dva nabijena dijela, tada se u plinovima pod djelovanjem ionizacije uvijek od svake molekule odvoje elektroni i ion ostaje u obliku pozitivno nabijenog dijela molekule.

Treba samo zaustaviti ionizaciju plina, jer on prestaje biti vodljiv, dok tekućina uvijek ostaje vodič električne struje. Posljedično, vodljivost plina je privremena pojava, ovisno o djelovanju vanjskih čimbenika.

Međutim, postoji još jedan tzv lučno pražnjenje ili samo električni luk. Fenomen električnog luka otkrio je početkom 19. stoljeća prvi ruski inženjer elektrotehnike V. V. Petrov.

V. V. Petrov, radeći brojne eksperimente, utvrdio je da između dva drveni ugljen, spojen na izvor struje, dolazi do kontinuiranog električnog pražnjenja kroz zrak, praćenog jakim svjetlom. V. V. Petrov je u svojim spisima napisao da se u ovom slučaju "mračni mir može prilično jarko osvijetliti". Tako je po prvi put dobiveno električno svjetlo, koje je praktički primijenio drugi ruski elektrotehničar Pavel Nikolajevič Jabločkov.

"Svijeća Jabločkova", čiji se rad temelji na korištenju električnog luka, napravila je pravu revoluciju u elektrotehnici tih dana.

Lučno pražnjenje se i danas koristi kao izvor svjetlosti, na primjer, u reflektorima i projektorima. Visoka temperatura lučnog pražnjenja omogućuje da se koristi za . Trenutno se lučne peći na vrlo jaku struju koriste u brojnim industrijama: za taljenje čelika, lijevanog željeza, ferolegura, bronce itd. A 1882. N. N. Benardos je prvi put koristio lučno pražnjenje za rezanje i zavarivanje metala.

U plinsko-svjetlosnim cijevima, fluorescentnim svjetiljkama, stabilizatorima napona, za dobivanje snopa elektrona i iona, tzv. užareno plinsko pražnjenje.

Iskreni pražnjenje se koristi za mjerenje velikih razlika potencijala pomoću kugličnog razmaka, čije su elektrode dvije metalne kuglice s poliranom površinom. Kuglice se pomiču, a na njih se primjenjuje izmjerena razlika potencijala. Zatim se kuglice spajaju dok između njih ne skoči iskra. Poznavajući promjer kuglica, udaljenost između njih, tlak, temperaturu i vlažnost zraka, prema posebnim tablicama pronalaze potencijalnu razliku između kuglica. Ova metoda se može koristiti za mjerenje, do nekoliko postotaka, potencijalnih razlika reda deset tisuća volti.