Električni naboj u plinu. Uvod

U normalnim uvjetima plinovi ne provode struju jer su njihove molekule električno neutralne. Primjerice, suhi zrak je dobar izolator, što smo se s većinom mogli uvjeriti jednostavni eksperimenti na elektrostatici. Međutim, zrak i drugi plinovi postaju vodiči električne struje ako se u njima stvaraju ioni na ovaj ili onaj način.

Riža. 100. Zrak postaje vodič električne struje ako se ionizira

Najjednostavniji pokus koji ilustrira vodljivost zraka tijekom njegove ionizacije plamenom prikazan je na Sl. 100: Naboj na pločama, koji ostaje dugo vremena, brzo nestaje kada se upaljena šibica unese u prostor između ploča.

Plinsko pražnjenje. Proces prolaska električne struje kroz plin obično se naziva plinsko pražnjenje (ili električno pražnjenje u plinu). Plinska pražnjenja podijeljena su u dvije vrste: neovisna i nesamoodrživa.

Nesamodostatna kategorija. Pražnjenje u plinu naziva se nesamoodrživim ako je za njegovo održavanje potreban vanjski izvor.

ionizacija. Ioni u plinu mogu nastati pod utjecajem visokih temperatura, rendgenskih zraka i ultraljubičasto zračenje, radioaktivnost, kozmičke zrake itd. U svim tim slučajevima oslobađa se jedan ili više elektrona iz elektronska ljuska atom ili molekula. Kao rezultat, u plinu se pojavljuju pozitivni ioni i slobodni elektroni. Oslobođeni elektroni mogu se pridružiti neutralnim atomima ili molekulama, pretvarajući ih u negativne ione.

Ionizacija i rekombinacija. Uz procese ionizacije u plinu javljaju se i reverzni rekombinacijski procesi: povezujući se međusobno, pozitivni i negativni ioni ili pozitivni ioni i elektroni tvore neutralne molekule ili atome.

Promjena koncentracije iona s vremenom, zbog stalnog izvora procesa ionizacije i rekombinacije, može se opisati na sljedeći način. Pretpostavimo da izvor ionizacije stvara pozitivne ione po jedinici volumena plina u jedinici vremena i isti broj elektrona. Ako u plinu nema električne struje, a izlazak iona iz razmatranog volumena uslijed difuzije može se zanemariti, tada će jedini mehanizam za smanjenje koncentracije iona biti rekombinacija.

Rekombinacija se događa kada se pozitivni ion susretne s elektronom. Broj takvih sastanaka proporcionalan je i broju iona i broju slobodnih elektrona, odnosno proporcionalan . Stoga se smanjenje broja iona po jedinici volumena u jedinici vremena može zapisati kao , gdje je a konstantna vrijednost koja se naziva koeficijent rekombinacije.

Pod valjanošću uvedenih pretpostavki, jednadžba ravnoteže za ione u plinu može se zapisati u obliku

Ovu diferencijalnu jednadžbu nećemo rješavati u opći pogled, i razmotrite neke zanimljive posebne slučajeve.

Prije svega, napominjemo da bi se procesi ionizacije i rekombinacije nakon nekog vremena trebali međusobno kompenzirati te će se u plinu uspostaviti stalna koncentracija, vidljivo je da pri

Stacionarna koncentracija iona je veća, što je moćniji izvor ionizacije i manji je koeficijent rekombinacije a.

Nakon isključivanja ionizatora, smanjenje koncentracije iona opisano je jednadžbom (1), u kojoj je potrebno uzeti kao početnu vrijednost koncentracije

Prepisivanjem ove jednadžbe u obliku nakon integracije, dobivamo

Grafikon ove funkcije prikazan je na sl. 101. To je hiperbola čije su asimptote vremenska os i okomita crta. fizičko značenje ima samo dio hiperbole koji odgovara vrijednostima. Obratite pažnju na sporu prirodu pada koncentracije s vremenom u usporedbi s procesima eksponencijalnog raspada koji se često susreću u fizici, a koji se ostvaruju kada je brzina smanjenja veličine proporcionalno prvoj potenciji trenutne vrijednosti ove veličine.

Riža. 101. Smanjenje koncentracije iona u plinu nakon gašenja izvora ionizacije

Nesamoprovođenje. Proces smanjenja koncentracije iona nakon prestanka djelovanja ionizatora značajno se ubrzava ako je plin u vanjskom električno polje. Povlačenjem elektrona i iona na elektrode, električno polje može vrlo brzo poništiti električnu vodljivost plina u odsutnosti ionizatora.

Da bismo razumjeli pravilnosti nesamoodrživog pražnjenja, razmotrimo radi jednostavnosti slučaj kada struja u plinu ioniziranom vanjskim izvorom teče između dvije ravne elektrode paralelne jedna s drugom. U tom su slučaju ioni i elektroni u jednoličnom električnom polju intenziteta E, jednakog omjeru napona primijenjenog na elektrode i udaljenosti između njih.

Mobilnost elektrona i iona. Pri konstantnom primijenjenom naponu u krugu se uspostavlja određena konstantna jakost struje 1. To znači da se elektroni i ioni u ioniziranom plinu kreću konstantnom brzinom. Da bismo objasnili ovu činjenicu, moramo pretpostaviti da osim stalne sile ubrzanja električno polje na pokretne ione i elektrone utječu sile otpora koje rastu s povećanjem brzine. Ove sile opisuju prosječni učinak sudara elektrona i iona s neutralnim atomima i molekulama plina. Kroz sile otpora

utvrđuju se prosječne konstantne brzine elektrona i iona, proporcionalne jakosti E električnog polja:

Koeficijenti proporcionalnosti nazivaju se mobilnosti elektrona i iona. Pokretljivosti iona i elektrona imaju različita značenja i ovise o vrsti plina, njegovoj gustoći, temperaturi itd.

Gustoća električne struje, tj. naboj koji elektroni i ioni prenose u jedinici vremena kroz jedinicu površine, izražava se koncentracijom elektrona i iona, njihovim nabojima i brzinom ravnomjernog kretanja

Kvazineutralnost. U normalnim uvjetima, ionizirani plin kao cjelina je električno neutralan, ili, kako se kaže, kvazineutralan, jer u malim volumenima koji sadrže relativno mali broj elektrona i iona, uvjet električne neutralnosti može biti narušen. To znači da je odnos

Gustoća struje pri nesamoodrživom pražnjenju. Da bi se dobio zakon promjene koncentracije nosilaca struje s vremenom tijekom nesamoodrživog pražnjenja u plinu, potrebno je, uz procese ionizacije vanjskim izvorom i rekombinacije, uzeti u obzir i bijeg elektrona i iona na elektrode. Broj čestica koje izlaze u jedinici vremena po površini elektrode iz volumena jednak je Brzina smanjenja koncentracije takvih čestica, dobivamo dijeljenjem ovog broja s volumenom plina između elektroda. Stoga će jednadžba ravnoteže umjesto (1) u prisutnosti struje biti zapisana u obliku

Uspostaviti režim, kada iz (8) dobivamo

Jednadžba (9) omogućuje pronalaženje ovisnosti gustoće stabilne struje u nesamoodrživom pražnjenju o primijenjenom naponu (ili o jakosti polja E).

Izravno su vidljiva dva granična slučaja.

Ohmov zakon. Pri niskom naponu, kada u jednadžbi (9) možemo zanemariti drugi član s desne strane, nakon čega dobivamo formule (7), imamo

Gustoća struje proporcionalna je jakosti primijenjenog električnog polja. Dakle, za nesamoodrživo plinsko pražnjenje u slabim električnim poljima, Ohmov zakon je zadovoljen.

Struja zasićenja. Pri niskoj koncentraciji elektrona i iona u jednadžbi (9) možemo zanemariti prvu (kvadratnu u smislu članova s ​​desne strane. U ovoj aproksimaciji vektor gustoće struje usmjeren je duž jakosti električnog polja, a njegova modula

ne ovisi o primijenjenom naponu. Ovaj rezultat vrijedi za jaka električna polja. U ovom slučaju govorimo o struji zasićenja.

Oba razmatrana granična slučaja mogu se istražiti bez pozivanja na jednadžbu (9). Međutim, na taj način nemoguće je pratiti kako se s porastom napona događa prijelaz s Ohmovog zakona na nelinearnu ovisnost struje o naponu.

U prvom graničnom slučaju, kada je struja vrlo mala, glavni mehanizam za uklanjanje elektrona i iona iz područja pražnjenja je rekombinacija. Stoga se za stacionarnu koncentraciju može koristiti izraz (2) koji, kada se uzme u obzir (7), odmah daje formulu (10). U drugom graničnom slučaju, naprotiv, rekombinacija je zanemarena. U jakom električnom polju elektroni i ioni nemaju vremena za zamjetnu rekombinaciju tijekom leta od jedne elektrode do druge ako je njihova koncentracija dovoljno niska. Tada svi elektroni i ioni koje generira vanjski izvor dospiju do elektroda i ukupna gustoća struje je jednaka Proporcionalna je duljini ionizacijske komore, budući da je ukupan broj elektrona i iona proizvedenih ionizatorom proporcionalan I.

Eksperimentalno proučavanje plinskog pražnjenja. Zaključci teorije o nesamoodrživom plinskom pražnjenju potvrđuju se eksperimentima. Za proučavanje pražnjenja u plinu prikladno je koristiti staklenu cijev s dvije metalne elektrode. Dijagram ožičenja takva postavka je prikazana na sl. 102. Mobilnost

elektroni i ioni jako ovise o tlaku plina (obrnuto proporcionalno tlaku), pa je zgodno provoditi pokuse pri smanjenom tlaku.

Na sl. Na slici 103 prikazana je ovisnost struje I u cijevi od napona primijenjenog na elektrode cijevi.Ionizacija u cijevi može se stvoriti npr. rendgenskim ili ultraljubičaste zrake ili sa slabim radioaktivnim lijekom. Bitno je samo da vanjski izvor iona ostane nepromijenjen.

Riža. 102. Shema instalacije za proučavanje plinskog pražnjenja

Riža. 103. Eksperimentalna strujno-naponska karakteristika plinskog pražnjenja

U presjeku je jakost struje nelinearno ovisna o naponu. Počevši od točke B, struja doseže zasićenje i ostaje konstantna na određenoj udaljenosti.Sve je to u skladu s teorijskim predviđanjima.

Sam rang. Međutim, u točki C struja ponovno počinje rasti, isprva polako, a zatim vrlo oštro. To znači da se u plinu pojavio novi, unutarnji izvor iona. Ako sada uklonimo vanjski izvor, tada se pražnjenje u plinu ne zaustavlja, tj. prelazi iz nesamoodrživog pražnjenja u neovisno. Kod samopražnjenja dolazi do stvaranja novih elektrona i iona kao posljedica unutarnjih procesa u samom plinu.

Ionizacija udarom elektrona. Povećanje struje tijekom prijelaza iz nesamoodrživog pražnjenja u neovisno događa se poput lavine i naziva se električnim slomom plina. Napon pri kojem dolazi do sloma naziva se napon paljenja. Ovisi o vrsti plina i o umnošku tlaka plina i udaljenosti između elektroda.

Procesi u plinu odgovorni za lavinsko povećanje jačine struje s povećanjem primijenjenog napona povezani su s ionizacijom neutralnih atoma ili molekula plina slobodnim elektronima ubrzanim električnim poljem do dovoljne vrijednosti.

velike energije. Kinetička energija elektrona prije sljedećeg sudara s neutralnim atomom ili molekulom proporcionalna je jakosti električnog polja E i slobodnom putu elektrona X:

Ako je ta energija dovoljna da ionizira neutralni atom ili molekulu, tj. premašuje rad ionizacije

onda kada se elektron sudari s atomom ili molekulom, oni bivaju ionizirani. Kao rezultat, pojavljuju se dva elektrona umjesto jednog. Oni se, pak, ubrzavaju električnim poljem i ioniziraju atome ili molekule koje naiđu na svom putu itd. Proces se razvija poput lavine i naziva se lavina elektrona. Opisani mehanizam ionizacije naziva se ionizacija udarom elektrona.

Eksperimentalni dokaz da do ionizacije neutralnih atoma plina dolazi uglavnom zbog udara elektrona, a ne pozitivnih iona, dao je J. Townsend. Uzeo je ionizacijsku komoru u obliku cilindričnog kondenzatora, čija je unutarnja elektroda bila tanka metalna nit rastegnuta duž osi cilindra. U takvoj komori ubrzavajuće električno polje je izrazito nehomogeno, a glavnu ulogu u ionizaciji imaju čestice koje ulaze u područje najjačeg polja u blizini filamenta. Iskustvo pokazuje da je za isti napon između elektroda struja pražnjenja veća kada se pozitivni potencijal primjenjuje na nit, a ne na vanjski cilindar. U tom slučaju svi slobodni elektroni koji stvaraju struju nužno prolaze kroz područje najjačeg polja.

Emisija elektrona s katode. Samoodrživo pražnjenje može biti stacionarno samo ako se u plinu stalno pojavljuju novi slobodni elektroni, budući da svi elektroni koji se pojave u lavini dospiju do anode i eliminiraju se iz igre. Novi elektroni izbijaju se iz katode pozitivnim ionima, koji se, krećući se prema katodi, također ubrzavaju električnim poljem i dobivaju dovoljnu energiju za to.

Katoda može emitirati elektrone ne samo kao rezultat ionskog bombardiranja, već i samostalno, kada se zagrije na visoku temperaturu. Taj se proces naziva termoionska emisija, može se smatrati vrstom isparavanja elektrona iz metala. Obično se to događa na takvim temperaturama, kada je isparavanje samog materijala katode još malo. U slučaju samoodrživog plinskog pražnjenja, katoda se obično zagrijava bez

filament, kao u vakuumskim cijevima, ali zbog oslobađanja topline pri bombardiranju pozitivnim ionima. Stoga katoda emitira elektrone čak i kada je energija iona nedovoljna da izbaci elektrone.

Samoodrživo pražnjenje u plinu nastaje ne samo kao rezultat prijelaza s nesamoodrživog pražnjenja s povećanjem napona i udaljavanjem vanjski izvor ionizacijom, ali i izravnom primjenom napona koji prelazi napon praga paljenja. Teorija pokazuje da je najmanja količina iona, koja je uvijek prisutna u neutralnom plinu, makar samo zbog prirodne radioaktivne pozadine, dovoljna da zapali pražnjenje.

Ovisno o svojstvima i tlaku plina, konfiguraciji elektroda i naponu koji se primjenjuje na elektrode, moguće su različite vrste samopražnjenja.

Tinjajući iscjedak. Na niskim pritiscima(desetinke i stotinke milimetra žive) u cijevi se opaža užareno pražnjenje. Za paljenje svjetlećeg pražnjenja dovoljan je napon od nekoliko stotina ili čak desetaka volti. U žarnom pražnjenju mogu se razlikovati četiri karakteristična područja. To su tamni katodni prostor, sjajni (ili negativni) sjaj, Faradayev tamni prostor i svjetlosni pozitivni stup koji zauzima većinu prostora između anode i katode.

Prve tri regije nalaze se u blizini katode. Ovdje dolazi do oštrog pada potencijala, povezanog s velikom koncentracijom pozitivnih iona na granici tamnog prostora katode i tinjajućeg sjaja. Elektroni ubrzani u području tamnog prostora katode proizvode intenzivnu udarnu ionizaciju u području sjaja. Tinjajući sjaj nastaje zbog rekombinacije iona i elektrona u neutralne atome ili molekule. Pozitivni stupac pražnjenja karakterizira blagi pad potencijala i sjaj uzrokovan povratkom pobuđenih atoma ili molekula plina u osnovno stanje.

Koronsko pražnjenje. Pri relativno visokim tlakovima u plinu (reda atmosferskog tlaka), u blizini šiljastih dijelova vodiča, gdje je električno polje izrazito nehomogeno, uočava se pražnjenje čije svjetlosno područje podsjeća na koronu. Koronsko pražnjenje ponekad se javlja u prirodnim uvjetima na vrhovima drveća, brodskim jarbolima itd. ("Vatre sv. Elma"). Koronsko pražnjenje se mora uzeti u obzir u visokonaponskom inženjerstvu kada se to pražnjenje događa oko žica visokonaponskih dalekovoda i dovodi do gubitaka energije. Koronsko pražnjenje nalazi korisnu praktičnu primjenu u elektrostatičkim filtrima za čišćenje industrijski plinovi od nečistoća čvrstih i tekućih čestica.

S povećanjem napona između elektroda, koronsko pražnjenje se pretvara u iskru s potpunim razbijanjem jaza između

elektrode. Ima oblik snopa svijetlih cik-cak razgranatih kanala, koji trenutno prodiru u prazninu i hirovito se zamjenjuju. Iskreni pražnjenje je popraćeno oslobađanjem veliki broj toplina, svijetli plavkasto-bijeli sjaj i snažno pucketanje. Može se promatrati između kuglica elektrofornog stroja. Primjer golemog iskrenog pražnjenja je prirodna munja, gdje jačina struje doseže 5-105 A, a razlika potencijala je 109 V.

Budući da se pražnjenje iskre događa pri atmosferskom (i višem) tlaku, napon paljenja je vrlo visok: u suhom zraku, s razmakom između elektroda od 1 cm, iznosi oko 30 kV.

Električni luk. Praktično specifičan važan pogled vlastito plinsko pražnjenje je električni luk. Kada dvije ugljične ili metalne elektrode dođu u kontakt, oslobađa se velika količina topline na mjestu njihova dodira zbog velikog otpora kontakta. Kao rezultat, počinje termoionska emisija, a kada se elektrode razmaknu između njih, iz visoko ioniziranog, dobro vodljivog plina nastaje jarki svijetleći luk. Snaga struje čak iu malom luku doseže nekoliko ampera, au velikom luku - nekoliko stotina ampera pri naponu od oko 50 V. Električni luk se široko koristi u tehnologiji kao snažan izvor svjetlosti, u električnim pećima i za električno zavarivanje . slabo usporavajuće polje napona od oko 0,5 V. Ovo polje sprječava da spori elektroni dođu do anode. Elektrone emitira katoda K zagrijana električnom strujom.

Na sl. Na slici 105 prikazana je ovisnost jakosti struje u anodnom krugu o naponu ubrzanja dobivenom u ovim pokusima.Ova ovisnost ima nemonotoni karakter s maksimumima pri naponima višestrukim od 4,9 V.

Diskretnost razina atomske energije. Ova ovisnost struje o naponu može se objasniti samo prisutnošću diskretnih stacionarnih stanja u atomima žive. Ako atom nije imao diskretna stacionarna stanja, tj. njegova unutarnja energija može poprimiti bilo koju vrijednost, tada bi se neelastični sudari, praćeni povećanjem unutarnje energije atoma, mogli dogoditi pri bilo kojoj energiji elektrona. Ako postoje diskretna stanja, sudari elektrona s atomima mogu biti samo elastični, sve dok je energija elektrona nedovoljna za prijenos atoma iz osnovnog stanja u najniže pobuđeno stanje.

Tijekom elastičnih sudara kinetička energija elektrona praktički se ne mijenja, jer je masa elektrona mnogo manja od mase atoma žive. U tim uvjetima, broj elektrona koji dospiju do anode monotono raste s povećanjem napona. Kada napon ubrzanja dosegne 4,9 V, sudari elektrona s atomima postaju neelastični. Unutarnja energija atoma naglo raste, a elektron zbog sudara gubi gotovo svu svoju kinetičku energiju.

Polje usporavanja također ne dopušta sporim elektronima da dođu do anode, a struja se naglo smanjuje. Ne nestaje samo zato što neki od elektrona dosegnu mrežu bez neelastičnih sudara. Drugi i sljedeći maksimumi jakosti struje dobiveni su jer pri naponima koji su višestruki od 4,9 V, elektroni na svom putu prema mreži mogu doživjeti nekoliko neelastičnih sudara s atomima žive.

Dakle, elektron dobiva energiju potrebnu za neelastičan sudar tek nakon što prođe kroz potencijalnu razliku od 4,9 V. To znači da se unutarnja energija atoma žive ne može promijeniti za iznos manji od eV, što dokazuje diskretnost energetskog spektra atom. Valjanost ovog zaključka potvrđuje i činjenica da pri naponu od 4,9 V pražnjenje počinje svijetliti: pobuđeni atomi tijekom spontanog

prijelazi u osnovno stanje emitiraju vidljivu svjetlost, čija se frekvencija podudara s onom izračunatom po formuli

U klasičnim pokusima Franka i Hertza, metodom elektronskog udara određivali su se ne samo potencijali uzbude, već i ionizacijski potencijali niza atoma.

Navedite primjer elektrostatičkog pokusa koji pokazuje da je suhi zrak dobar izolator.

Gdje se koriste izolacijska svojstva zraka u strojarstvu?

Što je nesamoodrživo plinsko pražnjenje? Pod kojim uvjetima radi?

Objasni zašto je brzina smanjenja koncentracije uslijed rekombinacije proporcionalna kvadratu koncentracije elektrona i iona. Zašto se te koncentracije mogu smatrati istim?

Zašto nema smisla da zakon opadanja koncentracije izražen formulom (3) uvodi koncept karakterističnog vremena, koji se naširoko koristi za eksponencijalno opadajuće procese, iako se u oba slučaja procesi nastavljaju, općenito govoreći, beskonačno dugo vrijeme?

Što mislite zašto su u definicijama mobilnosti u formulama (4) za elektrone i ione odabrani suprotni predznaci?

Kako jačina struje u nesamoodrživom plinskom pražnjenju ovisi o primijenjenom naponu? Zašto dolazi do prijelaza s Ohmovog zakona na struju zasićenja s povećanjem napona?

Struja u plinu provode i elektroni i ioni. Međutim, na svaku od elektroda dolaze naboji samo jednog predznaka. Kako se to slaže s činjenicom da je u svim dijelovima serijskog kruga jakost struje ista?

Zašto elektroni umjesto pozitivnih iona igraju najveću ulogu u ionizaciji plina u pražnjenju zbog sudara?

Opisati karakteristike razne vrste neovisno pražnjenje plina.

Zašto rezultati pokusa Franka i Hertza svjedoče o diskretnosti energetskih razina atoma?

Opisati fizičkih procesa koji se javljaju u cijevi s plinskim pražnjenjem u pokusima Franka i Hertza, s porastom napona ubrzanja.

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 manje jakosti. Pražnjenje se provodi elektronsko-ionskom lavinom.

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 zbirka električni naboji raspoređeni na neki način 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 na plin primijeni električno polje, molekule će poprimiti 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 dolazi do jedinstvenog usmjerenog toka 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 poprima 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 uzeti u obzir 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 a uz različite karakteristike izvora 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. Fenomen je karakteriziran naglim porastom električne struje pražnjenja u plinu, u isto vrijeme napon izuzetno 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 najveća koncentracija iona. 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, a 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 za iskru munje ili električni luk primjeri su 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). Ali i u različite vrste U plinskim pražnjenjima emisija, kao što smo vidjeli, igra važnu ulogu.

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.

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 nakon nesamoodrživog pražnjenja, 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. Potrebno je dosta vremena da se primijeti smanjenje kuta otklona igle elektrometra. To pokazuje da je električna struja u zraku između diskova 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 do točke u kojoj 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 pak primaju energiju u polju i ioniziraju nadolazeće atome itd. Kao rezultat toga, broj nabijenih čestica brzo raste, a nastaje lavina elektrona. Opisani proces se zove ionizacija udarom elektrona.