Električna struja u plinu. Uvod

Ovo je kratak sažetak.

Rad na punoj verziji se nastavlja

Predavanje2 1

Struja u plinovima

1. Opće odredbe

Definicija: Fenomen prolaska električne struje u plinovima naziva se plinsko pražnjenje.

Ponašanje plinova uvelike ovisi o njegovim parametrima, kao što su temperatura i tlak, a ti se parametri prilično lako mijenjaju. Stoga je strujanje električne struje u plinovima složenije nego u metalima ili u vakuumu.

Plinovi ne poštuju Ohmov zakon.

2. Ionizacija i rekombinacija

Plin se u normalnim uvjetima sastoji od praktički neutralnih molekula, stoga je izuzetno loš vodič električne struje. Međutim, pod vanjskim utjecajima, elektron se može odvojiti od atoma i pojavljuje se pozitivno nabijeni ion. Osim toga, elektron se može pridružiti neutralnom atomu i formirati negativno nabijeni ion. Tako je moguće dobiti ionizirani plin, t.j. plazma.

Vanjski utjecaji uključuju zagrijavanje, zračenje energetskim fotonima, bombardiranje drugim česticama i jaka polja, t.j. isti uvjeti koji su neophodni za elementarnu emisiju.

Elektron u atomu nalazi se u potencijalnoj bušotini, a da bi odatle pobjegao, potrebno je atomu prenijeti dodatnu energiju, koja se naziva energija ionizacije.

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

Uz fenomen ionizacije uočava se i fenomen rekombinacije, t.j. spajanje elektrona i pozitivnog iona u neutralni atom. Ovaj proces se događa s oslobađanjem energije jednake energiji ionizacije. Ova energija se može koristiti za zračenje ili grijanje. Lokalno zagrijavanje plina dovodi do lokalne promjene tlaka. Što pak vodi do zvučni valovi. Dakle, plinsko pražnjenje je popraćeno svjetlosnim, toplinskim i bučnim efektima.

3. CVC plinskog pražnjenja.

U početnim fazama potrebno je djelovanje vanjskog ionizatora.

U BAW sekciji struja postoji pod djelovanjem vanjskog ionizatora i brzo doseže zasićenje kada sve ionizirane čestice sudjeluju u generiranju struje. Ako uklonite vanjski ionizator, struja prestaje.

Ova vrsta pražnjenja naziva se nesamoodrživo plinsko pražnjenje. Kada pokušate povećati napon u plinu, pojavljuje se lavina elektrona, a struja raste pri praktički konstantnom naponu, koji se naziva napon paljenja (BC).

Od tog trenutka pražnjenje postaje neovisno i nema potrebe za vanjskim ionizatorom. Broj iona može postati toliko velik da se otpor međuelektrodnog razmaka smanjuje i, sukladno tome, pada napon (SD).

Zatim, u međuelektrodnom razmaku, područje prolaska struje počinje se sužavati, a otpor raste i, posljedično, raste napon (DE).

Kada pokušate povećati napon, plin postaje potpuno ioniziran. Otpor i napon padaju na nulu, a struja raste višestruko. Ispada lučno pražnjenje (EF).

CVC pokazuje da plin uopće ne poštuje Ohmov zakon.

4. Procesi u plinu

procesi koji mogu dovesti do stvaranja elektronskih lavina na slici.

To su elementi Townsendove kvalitativne teorije.

5. Svjetleće pražnjenje.

Na niski pritisci i malih napona, ovo pražnjenje se može uočiti.

K - 1 (mračni prostor Astona).

1 - 2 (svjetleći katodni film).

2 – 3 (tamni Crookes prostor).

3 - 4 (prvi sjaj katode).

4 – 5 (tamni Faradayev prostor)

5 - 6 (stupac pozitivne anode).

6 – 7 (anodni tamni prostor).

7 - A (anoda sjaj).

Ako je anoda pomična, tada se duljina pozitivnog stupca može podesiti, praktički bez promjene veličine područja K-5.

U tamnim područjima čestice se ubrzavaju i energija se akumulira; u svijetlim područjima dolazi do procesa ionizacije i rekombinacije.

Napravimo sljedeći eksperiment.

slika

Pričvrstimo elektrometar na diskove ravnog kondenzatora. Nakon toga punimo kondenzator. Pri normalnim temperaturama i suhom zraku kondenzator će se vrlo sporo prazniti. Iz ovoga možemo zaključiti da je struja u zraku između diskova vrlo mala.

Stoga je u normalnim uvjetima plin dielektrik. Ako sada zagrijemo zrak između ploča kondenzatora, tada će se igla elektrometra brzo približiti nuli i, posljedično, kondenzator će se isprazniti. To znači da se u zagrijanom plinu uspostavlja električna struja, a takav plin će biti vodič.

Električna struja u plinovima

Plinsko pražnjenje je proces prolaska struje kroz plin. Iz iskustva se može vidjeti da se povećanjem temperature povećava vodljivost zraka. Osim zagrijavanjem, vodljivost plina može se povećati i na druge načine, na primjer, djelovanjem zračenja.

U normalnim uvjetima, plinovi se uglavnom sastoje od neutralnih atoma i molekula, te su stoga dielektrici. Kada na plin djelujemo zračenjem ili ga zagrijavamo, neki od atoma počinju se raspadati na pozitivne ione i elektrone – ionizirati. Ionizacija plina nastaje zbog činjenice da se pri zagrijavanju brzina molekula i atoma vrlo snažno povećava, a kada se međusobno sudaraju, razlažu se na ione.

Vodljivost plina

Kondukciju u plinovima provode uglavnom elektroni. U plinovima su kombinirane dvije vrste vodljivosti: elektronska i ionska. Za razliku od otopina elektrolita, u plinovima do stvaranja iona dolazi ili zagrijavanjem, ili zbog djelovanja vanjskih ionizatora - zračenja, dok je u otopinama elektrolita stvaranje iona uzrokovano slabljenjem međumolekularnih veza.

Ako u nekom trenutku ionizator prestane djelovati na plin, tada će se i struja zaustaviti. U tom slučaju pozitivno nabijeni ioni i elektroni mogu se ponovno ujediniti – rekombinirati. Ako nema vanjskog polja, tada će nabijene čestice nestati samo zbog rekombinacije.

Ako se djelovanje ionizatora ne prekine, tada će se uspostaviti dinamička ravnoteža. U stanju dinamičke ravnoteže, broj novonastalih parova čestica (iona i elektrona) bit će jednak broju parova koji nestaju – zbog rekombinacije.

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. Sa smanjenjem tlaka, srednja slobodna putanja elektrona se povećava, a tijekom vremena između sudara on ima vremena steći energiju dovoljnu za ionizaciju u električnom polju nižeg intenziteta. Pražnjenje se provodi elektronsko-ionskom lavinom.

Teme KORISTI kodifikator : nositelji besplatnih električni naboji 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 je vanjski električno polje ne, onda su besplatni troškovi kaotični 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. 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 održavanje potrebno trajno djelovanje ionizator. 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 postižu 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 sudaraju se s novim atomima, 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.

U prirodi nema apsolutnih dielektrika. Uređeno kretanje čestica - nositelja električnog naboja - odnosno struje, može biti uzrokovano u bilo kojem mediju, ali za to su potrebni posebni uvjeti. Ovdje ćemo pogledati kako električnih pojava u plinovima i kako se plin može pretvoriti iz vrlo dobrog dielektrika u vrlo dobar vodič. Zanimat će nas uvjeti pod kojima nastaje, a također i koje značajke karakterizira električna struja u plinovima.

Električna svojstva plinova

Dielektrik je tvar (medij) u kojoj koncentracija čestica - slobodnih nositelja električnog naboja - ne doseže nikakvu značajnu vrijednost, zbog čega je vodljivost zanemariva. Svi plinovi su dobri dielektrici. Njihova izolacijska svojstva koriste se posvuda. Na primjer, u bilo kojem prekidaču, do otvaranja kruga dolazi kada se kontakti dovedu u takav položaj da se između njih stvori zračni razmak. Žice u dalekovodima također su izolirane jedna od druge zračnim slojem.

Strukturna jedinica svakog plina je molekula. Sastoji se od atomske jezgre i elektronski oblaci, odnosno to je skup električnih naboja, na neki način raspoređenih u prostoru. Molekula plina može biti posljedica osobitosti svoje strukture ili biti polarizirana pod djelovanjem vanjskog električnog polja. Velika većina molekula koje tvore plin je električki neutralna u normalnim uvjetima, budući da se naboji u njima međusobno poništavaju.

Ako se primjenjuje na plin električno polje, molekule će zauzeti dipolnu orijentaciju, zauzimajući prostorni položaj koji kompenzira učinak polja. Nabijene čestice prisutne u plinu pod utjecajem Coulombovih sila počet će se kretati: pozitivni ioni - u smjeru katode, negativni ioni i elektroni - prema anodi. Međutim, ako polje nema dovoljan potencijal, ne nastaje jedan usmjereni tok naboja, već se radije može govoriti o zasebnim strujama, toliko slabim da ih treba zanemariti. Plin se ponaša kao dielektrik.

Dakle, za pojavu električne struje u plinovima potrebna je visoka koncentracija slobodnih nositelja naboja i prisutnost polja.

Ionizacija

Proces lavinskog povećanja broja slobodnih naboja u plinu naziva se ionizacija. Sukladno tome, plin u kojem se nalazi značajna količina nabijenih čestica naziva se ionizirani. Upravo u takvim plinovima nastaje električna struja.

Proces ionizacije povezan je s kršenjem neutralnosti molekula. Kao rezultat odvajanja elektrona pojavljuju se pozitivni ioni, vezanje elektrona na molekulu dovodi do stvaranja negativnog iona. Osim toga, postoji mnogo slobodnih elektrona u ioniziranom plinu. Pozitivni ioni, a posebno elektroni, glavni su nositelji naboja za električnu struju u plinovima.

Ionizacija se događa kada se čestici prenese određena količina energije. Dakle, vanjski elektron u sastavu molekule, nakon što je primio ovu energiju, može napustiti molekulu. Međusobni sudari nabijenih čestica s neutralnim dovode do izbacivanja novih elektrona, a proces traje lavinski karakter. Povećava se i kinetička energija čestica, što uvelike potiče ionizaciju.

Odakle potječe energija koja se troši na pobuđivanje električne struje u plinovima? Ionizacija plinova ima nekoliko izvora energije, prema kojima je uobičajeno imenovati njezine vrste.

1. Ionizacija električnim poljem. U tom slučaju potencijalna energija polja se pretvara u kinetičku energiju čestica.
2. Toplinska ionizacija. Povećanje temperature također dovodi do stvaranja velikog broja besplatnih naboja.
3. Fotoionizacija. Bit ovog procesa je da kvanti daju energiju elektronima elektromagnetska radijacija- fotoni, ako imaju dovoljno visoku frekvenciju (ultraljubičasti, rendgenski, gama kvanti).
4. Udarna ionizacija rezultat je pretvorbe kinetičke energije sudarajućih čestica u energiju odvajanja elektrona. Uz toplinsku ionizaciju, služi kao glavni čimbenik u pobuđivanju električne struje u plinovima.

Svaki plin karakterizira određena granična vrijednost - energija ionizacije potrebna da se elektron odvoji od molekule, prevladavajući potencijalnu barijeru. Ova vrijednost za prvi elektron kreće se od nekoliko volti do dva desetka volti; potrebno je više energije da se sljedeći elektron odvoji od molekule i tako dalje.

Treba imati na umu da se istodobno s ionizacijom u plinu događa i obrnuti proces - rekombinacija, odnosno obnavljanje neutralnih molekula pod djelovanjem Coulombovih sila privlačenja.

Plinsko pražnjenje i njegove vrste

Dakle, električna struja u plinovima nastaje zbog uređenog kretanja nabijenih čestica pod djelovanjem električnog polja primijenjenog na njih. Prisutnost takvih naboja, pak, moguća je zbog različitih čimbenika ionizacije.

Dakle, toplinska ionizacija zahtijeva značajne temperature, ali otvoreni plamen u vezi s nekim kemijskim procesima doprinosi ionizaciji. Čak i pri relativno niskoj temperaturi u prisutnosti plamena, bilježi se pojava električne struje u plinovima, a eksperiment s vodljivošću plina olakšava to provjeriti. Između ploča napunjenog kondenzatora potrebno je postaviti plamen plamenika ili svijeće. Krug koji je prethodno bio otvoren zbog zračnog raspora u kondenzatoru će se zatvoriti. Galvanometar spojen na strujni krug pokazat će prisutnost struje.

Električna struja u plinovima naziva se plinsko pražnjenje. Mora se imati na umu da kako bi se održala stabilnost pražnjenja, djelovanje ionizatora mora biti konstantno, budući da uslijed stalne rekombinacije plin gubi svoja elektrovodljiva svojstva. Neki nosači električne struje u plinovima - ioni - neutraliziraju se na elektrodama, drugi - elektroni - koji dolaze do anode, šalju se na "plus" izvora polja. Ako ionizirajući faktor prestane djelovati, plin će odmah ponovno postati dielektrik, a struja će prestati. Takva struja, ovisna o djelovanju vanjskog ionizatora, naziva se nesamoodrživo pražnjenje.

Značajke prolaska električne struje kroz plinove opisane su posebnom ovisnošću jakosti struje o naponu - strujno-naponskom karakteristikom.

Razmotrimo razvoj plinskog pražnjenja na grafu ovisnosti struje i napona. Kada napon poraste do određene vrijednosti U 1, struja raste proporcionalno njemu, odnosno ispunjen je Ohmov zakon. Raste kinetička energija, a time i brzina naboja u plinu, a taj proces je ispred rekombinacije. Pri vrijednostima napona od U 1 do U 2, ovaj odnos je narušen; kada se dosegne U 2, svi nosioci naboja dolaze do elektroda bez vremena za rekombinaciju. Uključeni su svi slobodni naboji, a daljnji porast napona ne dovodi do povećanja struje. Ovakva priroda kretanja naboja naziva se struja zasićenja. Dakle, možemo reći da je električna struja u plinovima također posljedica osobitosti ponašanja ioniziranog plina u električnim poljima različite jakosti.

Kada razlika potencijala na elektrodama dosegne određenu vrijednost U 3 , napon postaje dovoljan da električno polje izazove lavinu ionizaciju plina. Kinetička energija slobodnih elektrona već je dovoljna za udarnu ionizaciju molekula. Istodobno, njihova brzina u većini plinova iznosi oko 2000 km/s i više (izračunava se po približnoj formuli v=600 U i , gdje je U i ionizacijski potencijal). U ovom trenutku dolazi do sloma plina i značajnog povećanja struje zbog unutarnjeg izvora ionizacije. Stoga se takvo pražnjenje naziva neovisnim.

Prisutnost vanjskog ionizatora u ovom slučaju više ne igra ulogu u održavanju električne struje u plinovima. Samopražnjenje u različitim uvjetima i na razne karakteristike izvor električnog polja može imati određene značajke. Postoje takve vrste samopražnjenja kao što su sjaj, iskra, luk i korona. Pogledat ćemo kako se električna struja ponaša u plinovima, ukratko za svaku od ovih vrsta.

Razlika potencijala od 100 (pa i manje) do 1000 volti dovoljna je za pokretanje samopražnjenja. Stoga se užareno pražnjenje, karakterizirano malom jakošću struje (od 10 -5 A do 1 A), javlja pri tlakovima ne većim od nekoliko milimetara žive.

U cijevi s razrijeđenim plinom i hladnim elektrodama, svjetleći izboj koji se pojavljuje izgleda kao tanka svjetleća vrpca između elektroda. Nastavimo li ispumpati plin iz cijevi, filament će se isprati, a pri pritisku od desetinki milimetara žive, sjaj ispunjava cijev gotovo u potpunosti. Sjaj je odsutan u blizini katode - u takozvanom tamnom katodnom prostoru. Ostatak se naziva pozitivnim stupcem. U ovom slučaju, glavni procesi koji osiguravaju postojanje pražnjenja lokalizirani su upravo u tamnom katodnom prostoru iu području uz njega. Ovdje se nabijene čestice plina ubrzavaju, izbacujući elektrone s katode.

Kod užarenog pražnjenja uzrok ionizacije je emisija elektrona s katode. Elektroni koje emitira katoda proizvode udarnu ionizaciju molekula plina, pozitivni ioni koji se pojavljuju uzrokuju sekundarnu emisiju s katode i tako dalje. Sjaj pozitivnog stupca uglavnom je posljedica trzaja fotona pobuđenim molekulama plina, a sjaj je karakterističan za razne plinove. određene boje. Pozitivni stupac sudjeluje u stvaranju užarenog pražnjenja samo kao dio električnog kruga. Ako približite elektrode, možete postići nestanak pozitivnog stupca, ali pražnjenje neće prestati. Međutim, s daljnjim smanjenjem udaljenosti između elektroda, užareno pražnjenje ne može postojati.

Treba napomenuti da za ovog tipa električne struje u plinovima, fizika nekih procesa još nije do kraja razjašnjena. Na primjer, priroda sila koje uzrokuju povećanje struje za širenje područja na površini katode koja sudjeluje u pražnjenju ostaje nejasna.

iskreni pražnjenje

Slom iskre ima pulsirajući karakter. Javlja se pri tlakovima blizu normalnog atmosferskog, u slučajevima kada snaga izvora električnog polja nije dovoljna za održavanje stacionarnog pražnjenja. U ovom slučaju, jakost polja je velika i može doseći 3 MV/m. Pojavu karakterizira naglo povećanje električne struje pražnjenja u plinu, pri čemu napon iznimno brzo pada, a pražnjenje prestaje. Tada se potencijalna razlika ponovno povećava, a cijeli se proces ponavlja.

S ovom vrstom pražnjenja formiraju se kratkotrajni kanali iskri, čiji rast može započeti s bilo koje točke između elektroda. To je zbog činjenice da se udarna ionizacija događa nasumično na mjestima gdje ovaj trenutak koncentriran najveći broj ioni. U blizini kanala iskri, plin se brzo zagrijava i podliježe toplinskom širenju, što uzrokuje akustične valove. Stoga je pražnjenje iskre popraćeno pucketanjem, kao i oslobađanjem topline i svijetlim sjajem. U kanalu iskri stvaraju se lavinski ionizacijski procesi visoki pritisci i temperaturama do 10 tisuća stupnjeva i više.

Najupečatljiviji primjer prirodnog iskrenog pražnjenja je munja. Promjer glavnog kanala iskri munje može se kretati od nekoliko centimetara do 4 m, a duljina kanala može doseći 10 km. Magnituda struje doseže 500 tisuća ampera, a razlika potencijala između grmljavinskog oblaka i Zemljine površine doseže milijardu volti.

Najduža munja s duljinom od 321 km uočena je 2007. godine u Oklahomi, SAD. Rekorder po trajanju bila je munja, zabilježena 2012. u francuskim Alpama - trajala je preko 7,7 sekundi. Kada ga udari grom, zrak se može zagrijati do 30 tisuća stupnjeva, što je 6 puta više od temperature vidljive površine Sunca.

U slučajevima kada je snaga izvora električnog polja dovoljno velika, iskreno pražnjenje se razvija u lučno pražnjenje.

Ovaj tip samoodrživog pražnjenja karakterizira velika gustoća struje i nizak (manji od svjetlećeg pražnjenja) napon. Udaljenost proboja je mala zbog blizine elektroda. Pražnjenje se pokreće emisijom elektrona s površine katode (za atome metala, ionizacijski potencijal je mali u usporedbi s molekulama plina). Tijekom kvara između elektroda stvaraju se uvjeti pod kojima plin provodi električnu struju, te dolazi do iskričnog pražnjenja koje zatvara strujni krug. Ako je snaga izvora napona dovoljno velika, iskre se pretvaraju u stabilan električni luk.

Ionizacija tijekom lučnog pražnjenja doseže gotovo 100%, jakost struje je vrlo visoka i može se kretati od 10 do 100 ampera. Pri atmosferskom tlaku, luk se može zagrijati do 5-6 tisuća stupnjeva, a katoda - do 3 tisuće stupnjeva, što dovodi do intenzivne termoionske emisije s njegove površine. Bombardiranje anode elektronima dovodi do djelomičnog uništenja: na njemu se formira udubljenje - krater s temperaturom od oko 4000 ° C. Povećanje tlaka uzrokuje još veći porast temperature.

Prilikom razrjeđivanja elektroda lučno pražnjenje ostaje stabilno do određene udaljenosti, što ga čini mogućim u onim dijelovima električne opreme gdje je štetno zbog korozije i izgaranja kontakata uzrokovanih njime. To su uređaji kao što su visoki napon i prekidači, kontaktori i drugi. Jedna od metoda za suzbijanje luka koji nastaje pri otvaranju kontakata je korištenje lučnih žlebova koji se temelje na principu proširenja luka. Koriste se i mnoge druge metode: ranžiranje kontakata, korištenje materijala s visokim potencijalom ionizacije i tako dalje.

Razvoj koronskog pražnjenja događa se pri normalnom atmosferskom tlaku u oštro nehomogena polja za elektrode s velikom zakrivljenošću površine. To mogu biti tornjevi, jarboli, žice, razni elementi električne opreme koji imaju složen oblik pa čak i ljudska kosa. Takva elektroda naziva se korona elektroda. Ionizacijski procesi i, sukladno tome, sjaj plina odvijaju se samo u njegovoj blizini.

Korona može nastati i na katodi (negativna korona) kada je bombardirana ionima, i na anodi (pozitivna) kao rezultat fotoionizacije. Negativna korona, u kojoj je proces ionizacije usmjeren od elektrode kao rezultat toplinske emisije, karakterizira ujednačen sjaj. U pozitivnoj koroni mogu se uočiti strimeri - svjetleće linije izlomljene konfiguracije koje se mogu pretvoriti u iskriste kanale.

Primjer koronskog pražnjenja u prirodni uvjeti su oni koji nastaju na vrhovima visokih jarbola, krošnjama drveća i tako dalje. Nastaju pri velikoj jakosti električnog polja u atmosferi, često prije grmljavine ili tijekom snježne oluje. Osim toga, učvršćeni su na kožu zrakoplova koji su pali u oblak vulkanskog pepela.

Koronsko pražnjenje na žicama dalekovoda dovodi do značajnih gubitaka električne energije. Pri visokom naponu koronsko pražnjenje može se pretvoriti u luk. Bore se s njim različiti putevi, na primjer, povećanjem polumjera zakrivljenosti vodiča.

Električna struja u plinovima i plazmi

Potpuno ili djelomično ionizirani plin naziva se plazma i smatra se četvrtim agregatnim stanjem. U cjelini, plazma je električno neutralna, budući da je ukupni naboj njezinih sastavnih čestica nula. To ga razlikuje od drugih sustava nabijenih čestica, kao što su, na primjer, elektronske zrake.

U prirodnim uvjetima plazma nastaje, u pravilu, pri visokim temperaturama zbog sudara atoma plina pri velikim brzinama. Velika većina barionske tvari u Svemiru je u stanju plazme. To su zvijezde, dio međuzvjezdane materije, međugalaktički plin. Zemljina ionosfera je također rijetka, slabo ionizirana plazma.

Stupanj ionizacije važna je karakteristika plazme, o kojoj ovise njezina vodljiva svojstva. Stupanj ionizacije definira se kao omjer broja ioniziranih atoma i ukupnog broja atoma po jedinici volumena. Što je plazma više ionizirana, to je veća njezina električna vodljivost. Osim toga, ima visoku mobilnost.

Vidimo, dakle, da plinovi koji provode elektricitet unutar kanala za pražnjenje nisu ništa drugo nego plazma. Stoga su sjajna i koronska pražnjenja primjeri hladne plazme; kanal iskri munje ili električni luk- primjeri vruće, gotovo potpuno ionizirane plazme.

Električna struja u metalima, tekućinama i plinovima – razlike i sličnosti

Razmotrimo značajke koje karakteriziraju plinsko pražnjenje u usporedbi sa svojstvima struje u drugim medijima.

U metalima je struja usmjereno kretanje slobodnih elektrona koje ne povlači za sobom kemijske promjene. Vodiči ove vrste nazivaju se vodiči prve vrste; oni uključuju, osim metala i legura, ugljen, neke soli i okside. Odlikuje ih elektronska vodljivost.

Provodniki druge vrste su elektroliti, odnosno tekuće vodene otopine lužina, kiselina i soli. Prolazak struje povezan je s kemijskom promjenom elektrolita – elektrolizom. Ioni tvari otopljene u vodi, pod djelovanjem razlike potencijala, kreću se u suprotnim smjerovima: pozitivni kationi - na katodu, negativni anioni - na anodu. Proces je popraćen razvijanjem plina ili taloženjem metalnog sloja na katodi. Vodiči druge vrste karakteriziraju ionsku vodljivost.

Što se tiče vodljivosti plinova, ona je, prvo, privremena, a drugo, ima znakove sličnosti i razlike sa svakim od njih. Dakle, električna struja u elektrolitima i plinovima je drift suprotno nabijenih čestica usmjerenih prema suprotnim elektrodama. No, dok elektrolite karakterizira isključivo ionska vodljivost, u plinskom pražnjenju s kombinacijom elektroničke i ionske vrste vodljivosti vodeća uloga pripada elektronima. Druga razlika između električne struje u tekućinama i plinovima je priroda ionizacije. U elektrolitu se molekule otopljenog spoja disociraju u vodi, ali u plinu se molekule ne razgrađuju, već samo gube elektrone. Stoga, plinsko pražnjenje, kao i struja u metalima, nije povezano s kemijskim promjenama.

Struja u tekućinama i plinovima također nije ista. Vodljivost elektrolita u cjelini je pokorna Ohmovom zakonu, ali se ne opaža tijekom plinskog pražnjenja. Volt-amperska karakteristika plinova ima mnogo složeniji karakter povezan sa svojstvima plazme.

Treba spomenuti i opće razlikovne značajke električna struja u plinovima i u vakuumu. Vakum je gotovo savršen dielektrik. "Gotovo" - jer je u vakuumu, unatoč odsutnosti (točnije, iznimno niskoj koncentraciji) slobodnih nositelja naboja, moguća i struja. No potencijalni nositelji već su prisutni u plinu, samo ih treba ionizirati. Nosioci naboja se iz materije dovode u vakuum. U pravilu se to događa u procesu emisije elektrona, na primjer, kada se katoda zagrijava (termionska emisija). No, kao što smo vidjeli, emisija također igra važnu ulogu u raznim vrstama plinskih pražnjenja.

Upotreba plinskih pražnjenja u tehnologiji

O štetni učinci određene kategorije su već ukratko razmotrene gore. Sada obratimo pažnju na prednosti koje donose u industriji iu svakodnevnom životu.

Svjetleće pražnjenje se koristi u elektrotehnici (stabilizatori napona), u tehnologiji premaza (metoda katodnog raspršivanja koja se temelji na fenomenu katodne korozije). U elektronici se koristi za proizvodnju ionskih i elektronskih zraka. Poznato područje primjene svjetlećih pražnjenja su fluorescentne i tzv. ekonomične svjetiljke te ukrasne neonske i argonske cijevi. Osim toga, svjetleće se pražnjenje koristi u i u spektroskopiji.

Iskreni pražnjenje koristi se u osiguračima, u elektroerozivnim metodama precizne obrade metala (iskro rezanje, bušenje i sl.). Ali najpoznatiji je po upotrebi u svjećicama motora s unutarnjim izgaranjem i u Kućanski aparati(plinske peći).

Lučno pražnjenje, koje se prvi put koristi u rasvjetnoj tehnici još 1876. (Jabločkovova svijeća - "rusko svjetlo"), još uvijek služi kao izvor svjetlosti - na primjer, u projektorima i snažnim reflektorima. U elektrotehnici se luk koristi u živinim ispravljačima. Osim toga, koristi se u elektro zavarivanju, rezanju metala, industrijskim električnim pećima za taljenje čelika i legura.

Koronsko pražnjenje nalazi primjenu u elektrostatičkim filtrima za pročišćavanje ionskog plina, u metrima elementarne čestice, u gromobranima, u sustavima klimatizacije. Corona pražnjenje djeluje i u fotokopirnim i laserskim pisačima, gdje puni i prazni fotoosjetljivi bubanj i prenosi prah s bubnja na papir.

Dakle, plinska pražnjenja svih vrsta imaju široku primjenu. Električna struja u plinovima uspješno se i učinkovito koristi u mnogim područjima tehnologije.