Poruka o električnoj struji u plinovima. Električna struja u plinovima: definicija, značajke i zanimljive činjenice

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 izrađene 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. Kako tlak opada, srednja slobodna putanja elektrona raste, a tijekom vremena između sudara ima vremena da stekne dovoljno energije za ionizaciju u električno polje s manje stresa. Pražnjenje se provodi elektronsko-ionskom lavinom.

1. Ionizacija, njezina bit i vrste.

Prvi uvjet za postojanje električne struje je prisutnost slobodnih nositelja naboja. U plinovima nastaju kao rezultat ionizacije. Pod djelovanjem faktora ionizacije elektron se odvaja od neutralne čestice. Atom postaje pozitivan ion. Dakle, postoje 2 vrste nositelja naboja: pozitivni ion i slobodni elektron. Ako se elektron pridruži neutralnom atomu, tada se pojavljuje negativni ion, t.j. treća vrsta nositelja naboja. Ionizirani plin naziva se vodič treće vrste. Ovdje su moguće dvije vrste vodljivosti: elektronska i ionska. Istovremeno s procesima ionizacije odvija se i obrnuti proces, rekombinacija. Potrebna je energija da se elektron odvoji od atoma. Ako se energija dovodi izvana, onda se čimbenici koji doprinose ionizaciji nazivaju vanjskim (visoka temperatura, ionizirajuće zračenje, ultraljubičasto zračenje, jako magnetska polja). Ovisno o faktorima ionizacije, naziva se toplinska ionizacija, fotoionizacija. Također, ionizacija može biti uzrokovana mehaničkim udarom. Ionizacijski faktori se dijele na prirodne i umjetne. Prirodni je uzrokovan zračenjem Sunca, radioaktivnom pozadinom Zemlje. Osim vanjske ionizacije, postoji i unutarnja. Dijeli se na udaraljke i stepenaste.

Udarna ionizacija.

Pri dovoljno visokom naponu, elektroni ubrzani poljem do velikih brzina sami postaju izvor ionizacije. Kada takav elektron udari u neutralni atom, elektron se izbacuje iz atoma. To se događa kada energija elektrona koji uzrokuje ionizaciju premašuje energiju ionizacije atoma. Napon između elektroda mora biti dovoljan da elektron dobije potrebnu energiju. Taj se napon naziva ionizacijski napon. Svaki ima svoje značenje.

Ako je energija elektrona koji se kreće manja od potrebne, tada se pri udaru događa samo pobuđivanje neutralnog atoma. Ako se elektron u pokretu sudari s prethodno pobuđenim atomom, dolazi do postupne ionizacije.

2. Nesamoodrživo plinsko pražnjenje i njegova strujno-naponska karakteristika.

Ionizacija dovodi do ispunjenja prvog uvjeta za postojanje struje, t.j. do pojave besplatnih naknada. Za nastanak struje potrebna je vanjska sila, koja će naboje pomicati u jednom smjeru, t.j. potrebno je električno polje. Električnu struju u plinovima prati niz pojava: svjetlost, zvuk, stvaranje ozona, dušikovi oksidi. Skup pojava koje prate prolaz struje plin – plin rang . Često se proces prolaska struje naziva plinskim pražnjenjem.

Pražnjenje se naziva nesamoodrživim ako postoji samo tijekom djelovanja vanjskog ionizatora. U tom slučaju, nakon prestanka djelovanja vanjskog ionizatora, ne nastaju novi nosioci naboja, a struja prestaje. Kod nesamoodrživog pražnjenja struje su male veličine i nema plinskog sjaja.

Neovisno pražnjenje plina, njegove vrste i karakteristike.

Neovisno plinsko pražnjenje je pražnjenje koje može postojati nakon prestanka rada vanjskog ionizatora, t.j. zbog udarne ionizacije. U ovom slučaju se promatraju svjetlosni i zvučni fenomeni, snaga struje može se značajno povećati.

Vrste samopražnjenja:

1. tiho pražnjenje - slijedi neposredno iza nesamoodrživog, jačina struje ne prelazi 1 mA, nema zvučnih i svjetlosnih pojava. Koristi se u fizioterapiji, Geiger-Mullerovim brojačima.

2. svjetleće pražnjenje. Kako napon raste, tišina se pretvara u tinjanje. Javlja se pri određenom naponu – naponu paljenja. Ovisi o vrsti plina. Neon ima 60-80 V. Ovisi i o tlaku plina. Svjetleće pražnjenje je popraćeno sjajem, povezano je s rekombinacijom, koja ide uz oslobađanje energije. Boja također ovisi o vrsti plina. Koristi se u indikatorskim lampama (neonskim, ultraljubičastim baktericidnim, rasvjetnim, luminiscentnim).

3. lučno pražnjenje. Snaga struje je 10 - 100 A. Popraćena je intenzivnim sjajem, temperatura u prazninu plina doseže nekoliko tisuća stupnjeva. Ionizacija doseže gotovo 100%. 100% ionizirani plin - hladna plinska plazma. Ima dobru vodljivost. Koristi se u živinim svjetiljkama visokog i ultravisokog tlaka.

4. Iskreni pražnjenje je vrsta lučnog pražnjenja. Ovo je pulsno-oscilatorno pražnjenje. U medicini se koristi učinak visokofrekventnih oscilacija.Pri velikoj gustoći struje uočavaju se intenzivne zvučne pojave.

5. koronsko pražnjenje. Ovo je vrsta svjetlećeg pražnjenja. Uočava se na mjestima gdje postoji oštra promjena jakosti električnog polja. Ovdje postoji lavina naboja i sjaj plinova - korona.

Apstrakt fizike

na temu:

"Električna struja u plinovima".

Električna struja u plinovima.

1. Električno pražnjenje u plinovima.

Svi plinovi u svom prirodnom stanju ne provode električnu struju. To se može vidjeti iz sljedećeg iskustva:

Uzmimo elektrometar s pričvršćenim diskovima ravnog kondenzatora i napunimo ga. Na sobna temperatura ako je zrak dovoljno suh, kondenzator se ne osjetno prazni - položaj igle elektrometra se ne mijenja. Da bi se primijetilo smanjenje kuta odstupanja igle elektrometra, potrebno je Dugo vrijeme. Ovo pokazuje da struja u zraku između diskova je vrlo mala. Ovo iskustvo pokazuje da je zrak loš provodnik električne struje.

Modificirajmo pokus: zagrijmo zrak između diskova plamenom alkoholne lampe. Tada se kut otklona kazaljke elektrometra brzo smanjuje, t.j. smanjuje se potencijalna razlika između diskova kondenzatora – kondenzator se prazni. Posljedično, zagrijani zrak između diskova postao je vodič i u njemu se uspostavlja električna struja.

Izolacijska svojstva plinova objašnjavaju se činjenicom da u njima nema slobodnih električnih naboja: atomi i molekule plinova u svom prirodnom stanju su neutralni.

2. Ionizacija plinova.

Gore navedeno iskustvo pokazuje da se nabijene čestice pojavljuju u plinovima pod utjecajem visoke temperature. Oni nastaju kao rezultat odcjepljenja jednog ili više elektrona od atoma plina, uslijed čega se umjesto neutralnog atoma pojavljuju pozitivni ion i elektroni. Dio formiranih elektrona mogu zarobiti drugi neutralni atomi, a tada će se pojaviti još negativnih iona. Razgradnja molekula plina na elektrone i pozitivne ione naziva se ionizacija plinova.

Zagrijavanje plina na visoku temperaturu nije jedini način ioniziranja molekula ili atoma plina. Ionizacija plina može nastati pod utjecajem različitih vanjskih interakcija: jakog zagrijavanja plina, x-zrake, a-, b- i g-zrake koje nastaju radioaktivnim raspadom, kozmičke zrake, bombardiranje molekula plina elektronima ili ionima koji se brzo kreću. Čimbenici koji uzrokuju ionizaciju plina nazivaju se ionizatori. Kvantitativna karakteristika procesa ionizacije je intenzitet ionizacije, mjereno brojem parova nabijenih čestica suprotnog predznaka koje se pojavljuju u jedinici volumena plina u jedinici vremena.

Ionizacija atoma zahtijeva utrošak određene energije – energije ionizacije. Za ioniziranje atoma (ili molekule), potrebno je izvršiti rad protiv sila interakcije između izbačenog elektrona i ostatka čestica atoma (ili molekule). Taj rad se zove rad ionizacije A i . Vrijednost rada ionizacije ovisi o kemijske prirode plinsko i energetsko stanje izbačenog elektrona u atomu ili molekuli.

Nakon prestanka rada ionizatora, broj iona u plinu se s vremenom smanjuje i na kraju ioni potpuno nestaju. Nestanak iona objašnjava se činjenicom da su ioni i elektroni uključeni u toplinsko kretanje pa se stoga međusobno sudaraju. Kada se pozitivni ion i elektron sudare, mogu se ponovno ujediniti u neutralni atom. Na isti način, kada se sudare pozitivni i negativni ion, negativni ion može dati svoj višak elektrona pozitivnom ionu i oba iona će se pretvoriti u neutralne atome. Taj proces međusobne neutralizacije iona naziva se rekombinacija iona. Kada se pozitivni ion i elektron ili dva iona rekombiniraju, oslobađa se određena energija, jednaka energiji utrošenoj na ionizaciju. Djelomično se emitira u obliku svjetlosti, pa je stoga rekombinacija iona praćena luminiscencijom (luminescencija rekombinacije).

U pojavama električnog pražnjenja u plinovima važnu ulogu ima ionizacija atoma udarima elektrona. Ovaj proces se sastoji u činjenici da elektron koji se kreće, koji ima dovoljnu kinetičku energiju, izbacuje jedan ili više atomski elektroni, uslijed čega se neutralni atom pretvara u pozitivan ion, a u plinu se pojavljuju novi elektroni (o tome će biti riječi kasnije).

Donja tablica daje energije ionizacije nekih atoma.

3. Mehanizam električne vodljivosti plinova.

Mehanizam vodljivosti plina sličan je mehanizmu vodljivosti otopina i talina elektrolita. U nedostatku vanjskog polja, nabijene čestice, poput neutralnih molekula, kreću se nasumično. Ako se ioni i slobodni elektroni nađu u vanjskom električnom polju, tada dolaze u usmjereno kretanje i stvaraju električnu struju u plinovima.

Dakle, električna struja u plinu je usmjereno kretanje pozitivnih iona prema katodi, a negativnih iona i elektrona prema anodi. Ukupna struja u plinu sastoji se od dvije struje nabijenih čestica: struje koja ide prema anodi i struje usmjerene prema katodi.

Na elektrodama dolazi do neutralizacije nabijenih čestica, kao u slučaju prolaska električne struje kroz otopine i taline elektrolita. Međutim, u plinovima nema oslobađanja tvari na elektrodama, kao što je to slučaj u otopinama elektrolita. Ioni plina, približavajući se elektrodama, daju im naboj, pretvaraju se u neutralne molekule i difundiraju natrag u plin.

Druga razlika u električnoj vodljivosti ioniziranih plinova i otopina (talina) elektrolita je ta što se negativni naboj tijekom prolaska struje kroz plinove prenosi uglavnom ne negativnim ionima, već elektronima, iako vodljivost zbog negativnih iona također može igrati važnu ulogu. određenu ulogu.

Dakle, plinovi kombiniraju elektronsku vodljivost, sličnu vodljivosti metala, s ionskom vodljivošću, sličnom vodljivosti vodenih otopina i talina elektrolita.

4. Nesamoodrživo plinsko pražnjenje.

Proces prolaska električne struje kroz plin naziva se plinsko pražnjenje. Ako električnu vodljivost plina stvaraju vanjski ionizatori, tada se električna struja koja nastaje u njemu naziva nesamoodrživo plinsko pražnjenje. Prestankom djelovanja vanjskih ionizatora prestaje nesamoodrživo pražnjenje. Nesamoodrživo plinsko pražnjenje nije popraćeno plinskim sjajem.

Ispod je grafikon ovisnosti jakosti struje o naponu za nesamoodrživo pražnjenje u plinu. Za crtanje grafikona korištena je staklena cijev s dvije metalne elektrode zalemljene u staklo. Lanac je sastavljen kao što je prikazano na donjoj slici.

Pri određenom naponu dolazi trenutak u kojem sve nabijene čestice koje ionizator formira u plinu u sekundi stignu do elektroda u isto vrijeme. Daljnji porast napona više ne može dovesti do povećanja broja transportiranih iona. Struja doseže zasićenje (horizontalni presjek grafikona 1).

5. Neovisno pražnjenje plina.

Električno pražnjenje u plinu koje traje nakon prestanka djelovanja vanjskog ionizatora naziva se neovisno pražnjenje plina. Za njegovu provedbu potrebno je da se kao rezultat samog pražnjenja u plinu kontinuirano stvaraju slobodni naboji. Glavni izvor njihove pojave je udarna ionizacija molekula plina.

Ako nakon postizanja zasićenja nastavimo povećavati razliku potencijala između elektroda, tada će jakost struje pri dovoljno visokom naponu naglo porasti (grafikon 2).

To znači da se u plinu pojavljuju dodatni ioni koji nastaju djelovanjem ionizatora. Jačina struje može se povećati stotine i tisuće puta, a broj nabijenih čestica koje se pojavljuju tijekom pražnjenja može postati toliko velik da vanjski ionizator više nije potreban za održavanje pražnjenja. Stoga se ionizator sada može ukloniti.

Koji su razlozi naglog porasta jakosti struje pri visokim naponima? Razmotrimo bilo koji par nabijenih čestica (pozitivni ion i elektron) nastalih djelovanjem vanjskog ionizatora. Slobodni elektron koji se tako pojavi počinje se kretati prema pozitivnoj elektrodi – anodi, a pozitivni ion – prema katodi. Na svom putu, elektron susreće ione i neutralne atome. U intervalima između dva uzastopna sudara energija elektrona raste zbog rada sila električnog polja.

Što je veća razlika potencijala između elektroda, to je veća jakost električnog polja. Kinetička energija elektrona prije sljedećeg sudara proporcionalna je jakosti polja i slobodnom putu elektrona: MV 2 /2=eEl. Ako kinetička energija elektrona premašuje rad A i koji je potrebno izvršiti da bi se neutralni atom (ili molekula) ionizirao, t.j. MV 2 >A i, onda kada se elektron sudari s atomom (ili molekulom), on biva ioniziran. Kao rezultat, umjesto jednog elektrona pojavljuju se dva elektrona (napadaju na atom i istržu se iz atoma). Oni zauzvrat primaju energiju u polju i ioniziraju nadolazeće atome itd. Kao rezultat toga, broj nabijenih čestica se brzo povećava i nastaje lavina elektrona. Opisani proces se zove ionizacija udarom elektrona.

Ali sama ionizacija udarom elektrona ne može osigurati održavanje neovisnog naboja. Doista, na kraju krajeva, svi elektroni koji nastaju na taj način kreću se prema anodi i, kada dođu do anode, "ispadaju iz igre". Za održavanje pražnjenja potrebna je emisija elektrona s katode ("emisija" znači "emisija"). Emisija elektrona može biti posljedica nekoliko razloga.

Pozitivni ioni koji nastaju prilikom sudara elektrona s neutralnim atomima, krećući se prema katodi, pod djelovanjem polja dobivaju veliku kinetičku energiju. Kada takvi brzi ioni udare u katodu, elektroni se izbacuju s površine katode.

Osim toga, katoda može emitirati elektrone kada se zagrije na visoku temperaturu. Ovaj proces se zove termoionska emisija. Može se smatrati isparavanjem elektrona iz metala. U mnogim čvrste tvari termoionska emisija događa se na temperaturama pri kojima je isparavanje same tvari još uvijek malo. Takve se tvari koriste za proizvodnju katoda.

Tijekom samopražnjenja katoda se može zagrijati bombardiranjem pozitivnim ionima. Ako energija iona nije previsoka, tada ne dolazi do izbacivanja elektrona s katode i elektroni se emitiraju zbog termoionske emisije.

6. Razne vrste samopražnjenja i njihova tehnička primjena.

Ovisno o svojstvima i stanju plina, prirodi i položaju elektroda, kao i o naponu primijenjenom na elektrode, različite vrste neovisni čin. Razmotrimo neke od njih.

A. Tinjajući iscjedak.

U plinovima se opaža užareno pražnjenje niski pritisci reda veličine nekoliko desetaka milimetara žive i manje. Ako uzmemo u obzir cijev sa užarenim pražnjenjem, možemo vidjeti da su glavni dijelovi svjetlećeg pražnjenja katoda Dark Space, daleko od njega negativan ili tinjajući sjaj, koji postupno prelazi u područje faradayev tamni prostor. Ova tri područja čine katodni dio izboja, a zatim glavni svjetlosni dio izboja, koji određuje njegova optička svojstva i naziva se pozitivni stupac.

Glavnu ulogu u održavanju užarenog pražnjenja imaju prva dva područja njegovog katodnog dijela. karakteristično obilježje Ova vrsta pražnjenja je oštar pad potencijala u blizini katode, što je povezano s visokom koncentracijom pozitivnih iona na granici područja I i II, zbog relativno male brzine iona na katodi. U tamnom prostoru katode dolazi do snažnog ubrzanja elektrona i pozitivnih iona koji izbijaju elektrone iz katode. U području užarenog sjaja, elektroni proizvode intenzivnu udarnu ionizaciju molekula plina i gube svoju energiju. Ovdje nastaju pozitivni ioni koji su neophodni za održavanje pražnjenja. Jačina električnog polja u ovoj regiji je niska. Tinjajući sjaj je uglavnom uzrokovan rekombinacijom iona i elektrona. Duljina tamnog prostora katode određena je svojstvima plina i katodnog materijala.

U području pozitivnog stupca koncentracija elektrona i iona je približno ista i vrlo visoka, što uzrokuje visoku električnu vodljivost pozitivnog stupca i blagi pad potencijala u njemu. Sjaj pozitivnog stupca određen je sjajem pobuđenih molekula plina. U blizini anode ponovno se opaža relativno oštra promjena potencijala, što je povezano s procesom stvaranja pozitivnih iona. U nekim slučajevima, pozitivni stupac se raspada u odvojena svjetleća područja - slojevi, odvojene tamnim prostorima.

Pozitivni stupac ne igra značajnu ulogu u održavanju užarenog pražnjenja, stoga, kako se udaljenost između elektroda cijevi smanjuje, duljina pozitivnog stupca se smanjuje i može potpuno nestati. Drugačija je situacija s duljinom tamnog prostora katode, koja se ne mijenja kada se elektrode približavaju jedna drugoj. Ako su elektrode toliko blizu da razmak između njih postane manji od duljine tamnog prostora katode, tada će se užareno pražnjenje u plinu zaustaviti. Eksperimenti pokazuju da je, uz ostale jednake stvari, duljina d tamnog prostora katode obrnuto proporcionalna tlaku plina. Posljedično, pri dovoljno niskim pritiscima, elektroni izbačeni iz katode pozitivnim ionima prolaze kroz plin gotovo bez sudara s njegovim molekulama, tvoreći elektronički, ili katodne zrake .

Svjetleće se pražnjenje koristi u plinskim svjetlosnim cijevima, fluorescentnim svjetiljkama, stabilizatorima napona, za dobivanje snopa elektrona i iona. Ako se na katodi napravi prorez, tada kroz nju prolaze uske ionske zrake u prostor iza katode, koji se često naziva kanalne zrake.široko korišteni fenomen katodno raspršivanje, tj. uništavanje površine katode pod djelovanjem pozitivnih iona koji je udaraju. Ultramikroskopski fragmenti katodnog materijala lete u svim smjerovima duž ravnih linija i tankim slojem prekrivaju površinu tijela (osobito dielektrika) smještenih u cijevi. Na taj način se izrađuju ogledala za niz uređaja, primjenjuju se tanki sloj metal na selenskim fotoćelijama.

b. Koronsko pražnjenje.

Koronsko pražnjenje događa se pri normalnom tlaku u plinu u vrlo nehomogenom električnom polju (na primjer, u blizini šiljaka ili žica visokonaponskih vodova). Kod koronskog pražnjenja ionizacija plina i njegov sjaj javljaju se samo u blizini koronskih elektroda. U slučaju katodne korone (negativna korona), elektroni koji uzrokuju udarnu ionizaciju molekula plina izbijaju se iz katode kada je bombardirana pozitivnim ionima. Ako je anoda korona (pozitivna korona), tada dolazi do rađanja elektrona zbog fotoionizacije plina u blizini anode. Korona je štetna pojava, praćena curenjem i gubitkom struje električna energija. Kako bi se smanjila korona, radijus zakrivljenosti vodiča se povećava, a njihova površina čini što glatkijom. Pri dovoljno visokom naponu između elektroda koronsko pražnjenje se pretvara u iskru.

S povećanim naponom, koronsko pražnjenje na vrhu poprima oblik svjetlosnih linija koje izlaze iz vrha i izmjenjuju se u vremenu. Ove linije, koje imaju niz nabora i zavoja, tvore neku vrstu četke, zbog čega se takav iscjedak naziva karpalni .

Nabijeni grmljavinski oblak inducira se na površini Zemlje ispod sebe električni naboji suprotan znak. Posebno velik naboj nakuplja se na vrhovima. Stoga, prije grmljavine ili tijekom grmljavine, svjetlosni čunjevi poput četkica često pale na vrhovima i oštrim kutovima visoko podignutih predmeta. Od davnina se taj sjaj nazivao vatrama svetog Elma.

Osobito često penjači postaju svjedoci ovog fenomena. Ponekad su čak i ne samo metalni predmeti, već i krajevi kose na glavi ukrašeni malim svjetlećim resicama.

Koronsko pražnjenje se mora uzeti u obzir kada se radi o visokom naponu. Ako postoje izbočeni dijelovi ili vrlo tanke žice, može početi koronsko pražnjenje. To rezultira curenjem struje. Što je veći napon visokonaponske linije, to bi žice trebale biti deblje.

C. Iskreni pražnjenje.

Iskreni pražnjenje ima oblik svijetlih cik-cak razgranatih niti-kanala koji prodiru u pražnjenje i nestaju, a zamjenjuju se novima. Istraživanja su pokazala da kanali za iskreno pražnjenje počinju rasti ponekad s pozitivne elektrode, ponekad iz negativne, a ponekad iz neke točke između elektroda. To se objašnjava činjenicom da se udarna ionizacija u slučaju iskrenog pražnjenja ne događa u cijelom volumenu plina, već kroz pojedinačne kanale koji prolaze na onim mjestima gdje se koncentracija iona slučajno pokazala najvišom. Iskreni pražnjenje je popraćeno oslobađanjem veliki broj toplina, jak sjaj plina, pucketanje ili grmljavina. Sve ove pojave uzrokuju elektronske i ionske lavine koje se javljaju u iskristim kanalima i dovode do ogromnog porasta tlaka, koji doseže 10 7 ¸10 8 Pa, te porasta temperature do 10 000 °C.

Tipičan primjer iskrenog pražnjenja je munja. Glavni kanal munje ima promjer od 10 do 25 cm, a duljina munje može doseći nekoliko kilometara. Maksimalna snaga Struja impulsa munje doseže desetke i stotine tisuća ampera.

S malom duljinom izbojnog razmaka, iskreno pražnjenje uzrokuje specifično uništenje anode, tzv. erozija. Ova pojava je korištena u elektroiskarni metodi rezanja, bušenja i drugih vrsta precizne obrade metala.

Iskrište se koristi kao zaštita od prenapona u električnim dalekovodima (na primjer, u telefonske linije). Ako jaka kratkotrajna struja prolazi blizu linije, tada se u žicama ovog voda induciraju naponi i struje, što može uništiti električne instalacije i opasno za ljudski život. Kako bi se to izbjeglo, koriste se posebni osigurači koji se sastoje od dvije zakrivljene elektrode, od kojih je jedna spojena na vod, a druga je uzemljena. Ako se potencijal linije u odnosu na tlo jako poveća, tada se između elektroda javlja iskre, koje se, zajedno sa zrakom koji se njime zagrijava, diže, produžuje i lomi.

Konačno, za mjerenje velikih potencijalnih razlika koristi se električna iskra razmak lopte, čije su elektrode dvije metalne kuglice uglačane površine. 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.

D. Lučno pražnjenje.

Lučno pražnjenje otkrio je V. V. Petrov 1802. godine. Ovo pražnjenje je jedan od oblika plinskog pražnjenja, koje se javlja pri velikoj gustoći struje i relativno niskom naponu između elektroda (reda nekoliko desetaka volti). Glavni uzrok lučnog pražnjenja je intenzivna emisija termoelektrona od strane vruće katode. Ovi elektroni se ubrzavaju električno polje te proizvesti udarnu ionizaciju molekula plina, zbog čega električni otpor plinski razmak između elektroda je relativno mali. Ako smanjimo otpor vanjskog kruga, povećamo struju lučnog pražnjenja, tada će se vodljivost plinskog jaza povećati toliko da se napon između elektroda smanjuje. Stoga se kaže da lučno pražnjenje ima opadajuću strujno-naponsku karakteristiku. Pri atmosferskom tlaku temperatura katode doseže 3000 °C. Elektroni, bombardirajući anodu, stvaraju u njoj udubljenje (krater) i zagrijavaju je. Temperatura kratera je oko 4000 °C, a pri visokim tlakovima zraka doseže 6000-7000 °C. Temperatura plina u kanalu lučnog pražnjenja doseže 5000-6000 °C, pa u njemu dolazi do intenzivne toplinske ionizacije.

U nizu slučajeva također se opaža lučno pražnjenje pri relativno niskoj temperaturi katode (na primjer, u živinoj lučnoj lampi).

Godine 1876. P. N. Yablochkov prvi je koristio električni luk kao izvor svjetlosti. U "svijeći Yablochkov" ugljevi su bili poredani paralelno i odvojeni zakrivljenim slojem, a njihovi krajevi povezani su vodljivim "mostom za paljenje". Kad je struja uključena, most za paljenje je izgorio i stvorio se između ugljena električni luk. Kako je ugljen gorio, izolacijski sloj je ispario.

Lučno pražnjenje se i danas koristi kao izvor svjetlosti, na primjer, u reflektorima i projektorima.

Visoka temperatura lučnog pražnjenja omogućuje korištenje za izgradnju lučne peći. Trenutno se lučne peći na vrlo jaku struju koriste u brojnim industrijama: za taljenje čelika, lijevanog željeza, ferolegura, bronce, proizvodnju kalcijevog karbida, dušikovog oksida itd.

Godine 1882. N. N. Benardos prvi je upotrijebio lučno pražnjenje za rezanje i zavarivanje metala. Pražnjenje između fiksne ugljične elektrode i metala zagrijava spoj njih metalni limovi(ili ploče) i zavari ih. Benardos je koristio istu metodu za rezanje metalne ploče i stvaranje rupa u njima. Godine 1888. N. G. Slavyanov je poboljšao ovu metodu zavarivanja zamjenom ugljične elektrode metalnom.

Lučno pražnjenje pronašlo je primjenu u živinom ispravljaču, koji pretvara izmjeničnu električnu struju u istosmjernu.

E. Plazma.

Plazma je djelomično ili potpuno ionizirani plin u kojem su gustoće pozitivnih i negativnih naboja gotovo jednake. Dakle, plazma je kao cjelina električno neutralan sustav.

Kvantitativna karakteristika plazme je stupanj ionizacije. Stupanj ionizacije plazme a je omjer volumne koncentracije nabijenih čestica i ukupne volumne koncentracije čestica. Ovisno o stupnju ionizacije, plazma se dijeli na slabo ionizirana(a je dio postotka), djelomično ionizirano (a reda veličine nekoliko posto) i potpuno ionizirano (a je blizu 100%). Slabo ionizirana plazma prirodni uvjeti su gornji slojevi atmosfere – ionosfera. Sunce, vruće zvijezde i neki međuzvjezdani oblaci su potpuno ionizirana plazma koja nastaje pri visokim temperaturama.

Srednje energije različite vrstečestice koje čine plazmu mogu se značajno razlikovati jedna od druge. Stoga se plazma ne može okarakterizirati jednom vrijednošću temperature T; Razlikovati temperaturu elektrona T e, temperaturu iona T i (ili temperaturu iona, ako postoji nekoliko vrsta iona u plazmi) i temperaturu neutralnih atoma T a (neutralna komponenta). Takva plazma naziva se ne-izotermna, za razliku od izotermne plazme, u kojoj su temperature svih komponenti iste.

Plazma se također dijeli na visokotemperaturnu (T i »10 6 -10 8 K i više) i niskotemperaturnu!!! (T i<=10 5 К). Это условное разделение связано с особой влажностью высокотемпературной плазмы в связи с проблемой осуществления управляемого термоядерного синтеза.

Plazma ima niz specifičnih svojstava, što nam omogućuje da je smatramo posebnim četvrtim agregatnim stanjem.

Zbog velike pokretljivosti nabijenih čestica plazme lako se kreću pod utjecajem električnih i magnetskih polja. Stoga se brzo otklanja svako kršenje električne neutralnosti pojedinih područja plazme, uzrokovano nakupljanjem čestica istog znaka naboja. Rezultirajuća električna polja pomiču nabijene čestice sve dok se električna neutralnost ne uspostavi i električno polje ne postane nula. Za razliku od neutralnog plina, gdje između molekula postoje sile kratkog dometa, Coulombove sile djeluju između nabijenih čestica plazme, opadajuće relativno sporo s udaljenosti. Svaka čestica odmah stupa u interakciju s velikim brojem okolnih čestica. Zbog toga, uz kaotično toplinsko gibanje, čestice plazme mogu sudjelovati u različitim uređenim gibanjima. U plazmi se lako pobuđuju različite vrste oscilacija i valova.

Vodljivost plazme raste kako se povećava stupanj ionizacije. Pri visokim temperaturama, potpuno ionizirana plazma po svojoj se vodljivosti približava supravodnicima.

Plazma niske temperature koristi se u izvorima svjetlosti s plinskim pražnjenjem - u svjetlećim cijevima za reklamne natpise, u fluorescentnim svjetiljkama. Svjetiljka s plinskim pražnjenjem koristi se u mnogim uređajima, na primjer, u plinskim laserima - kvantnim izvorima svjetlosti.

Visokotemperaturna plazma se koristi u magnetohidrodinamičkim generatorima.

Nedavno je stvoren novi uređaj, plazma svjetiljka. Plazmatron stvara snažne mlazove guste niskotemperaturne plazme, koji se široko koriste u raznim područjima tehnologije: za rezanje i zavarivanje metala, bušenje bušotina u tvrdim stijenama itd.

Popis korištene literature:

1) Fizika: Elektrodinamika. 10-11 ćelija: udžbenik. za dubinski studij fizike / G. Ya. Myakishev, A. Z. Sinyakov, B. A. Slobodskov. - 2. izdanje - M.: Drofa, 1998. - 480 str.

2) Kolegij fizike (u tri sveska). T. II. elektricitet i magnetizam. Proc. priručnik za tehničke fakultete. / Detlaf A.A., Yavorsky B. M., Milkovskaya L. B. Izd. 4., revidirano. - M.: Viša škola, 1977. - 375 str.

3) Struja./E. G. Kalašnjikov. Ed. "Znanost", Moskva, 1977.

4) Fizika./B. B. Bukhovtsev, Yu. L. Klimontovich, G. Ya. Myakishev. 3. izdanje, revidirano. – M.: Prosvjeta, 1986.

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 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 umočene 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 (elektrolitima) molekule kiselina (alkalije, soli) pod djelovanjem otapala (u ovom slučaju vode) raspadaju na dvije komponente, a jedna čestica molekule ima pozitivan električni naboj, a druga negativna.

Čestice molekule koje imaju električni naboj 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 nastupa kaotično kretanje.

Kao primjer, razmotrite fenomen elektrolize kada se električna struja propušta kroz otopinu bakrenog sulfata CuSO4 s bakrenim elektrodama spuštenim u nju.

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

Također će doći do suprotnog kretanja iona prema elektrodama. 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 u kemijsku reakciju s bakrom anode, uslijed čega se molekula bakra Cu veže na kiseli ostatak SO4 i nastaje molekula bakrenog sulfata CuS O4, koja se vraća natrag u elektrolit.

Budući da ovaj kemijski proces traje dugo, na katodi se 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 tako i kažu 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, sada nalazi iznimno široku praktičnu primjenu. Jedan primjer toga je premazivanje metalnih predmeta tankim slojem drugih metala, tj. poniklanje, pozlata, posrebrenje 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 vodiča tekućine, ioniziraju se, odnosno pojavljuju se čestice molekula plina u velikom broju, koje kao nosioci 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, onda 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 pokuse, otkrio je da između dva ugljena spojena na izvor struje dolazi do neprekidnog električnog pražnjenja kroz zrak, praćenog jakom svjetlošću. 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 koristi se za mjerenje velikih razlika potencijala pomoću sfernog iskrišta, 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.

Električna struja u plinovima u normalnim uvjetima je nemoguća. Odnosno, pri atmosferskoj vlažnosti, tlaku i temperaturi, u plinu nema nositelja naboja. Ovo svojstvo plina, posebno zraka, koristi se u nadzemnim dalekovodima i relejnim sklopkama za električnu izolaciju.

Ali pod određenim uvjetima, struja se može promatrati u plinovima. Napravimo eksperiment. Za njega nam je potreban elektrometar zračnog kondenzatora i spojne žice. Prvo, spojimo elektrometar na kondenzator. Zatim ćemo prijaviti naboj na ploče kondenzatora. Elektrometar će pokazati prisutnost tog naboja. Zračni kondenzator će neko vrijeme pohraniti naboj. Odnosno, između njegovih ploča neće biti struje. To sugerira da zrak između ploča kondenzatora ima dielektrična svojstva.

Slika 1 - Napunjeni kondenzator spojen na elektrometar

Zatim uvodimo plamen svijeće u razmak između ploča. Istodobno ćemo vidjeti da će elektrometar pokazati smanjenje naboja na pločama kondenzatora. To jest, struja teče u razmaku između ploča. Zašto se ovo događa.

Slika 2 - Umetanje svijeće u razmak između ploča nabijenog kondenzatora

U normalnim uvjetima, molekule plina su električno neutralne. I nisu u stanju pružiti struju. Ali s povećanjem temperature dolazi do takozvane ionizacije plina, i on postaje vodič. U plinu se pojavljuju pozitivni i negativni ioni.

Da bi se elektron odvojio od atoma plina, potrebno je izvršiti rad protiv Coulombovih sila. Za to je potrebna energija. Atom dobiva tu energiju kako temperatura raste. Budući da je kinetička energija toplinskog gibanja izravno proporcionalna temperaturi plina. Zatim, s njegovim povećanjem, molekule i atomi dobivaju dovoljno energije da se elektroni pri sudaru odvoje od atoma. Takav atom postaje pozitivan ion. Odvojeni elektron može se zalijepiti za drugi atom, tada će postati negativni ion.

Kao rezultat toga, u procjepu između ploča pojavljuju se pozitivni i negativni ioni, kao i elektroni. Svi se oni počinju kretati pod djelovanjem polja koje stvaraju naboji na pločama kondenzatora. Pozitivni ioni se kreću prema katodi. Negativni ioni i elektroni teže anodi. Tako se u zračnom rasporu osigurava struja.

Ovisnost struje o naponu ne pokorava se Ohmovom zakonu u svim područjima. U prvom dijelu to je tako s porastom napona, povećava se broj iona i, posljedično, struja. Nadalje, u drugom dijelu dolazi do zasićenja, to jest, s povećanjem napona, struja se ne povećava. Zato što je koncentracija iona maksimalna i novi se pojavljuju jednostavno niotkuda.

Slika 3 - strujno-naponska karakteristika zračnog raspora

U trećem dijelu opet dolazi do povećanja struje s povećanjem napona. Ovaj dio se naziva samopražnjenje. To jest, ionizatori trećih strana više nisu potrebni za održavanje struje u plinu. To je zbog činjenice da elektroni na visokom naponu primaju dovoljno energije da sami izbace druge elektrone iz atoma. Ovi elektroni zauzvrat nokautiraju druge, itd. Proces ide poput lavine. A glavnu vodljivost u plinu već osiguravaju elektroni.