Tko je otkrio električnu struju u plinovima. Uvod

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 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.

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.

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 razmotriti kako se električni fenomeni odvijaju u plinovima i kako se plin može promijeniti 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 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 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 električno polje. 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 pokus 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 jačine.

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. 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 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 kada se kontakti otvore 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 elektroničkog i ionskog tipa 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 takozvane ekonomične svjetiljke te ukrasne neonske i argonske cijevi za pražnjenje. 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.). No najpoznatiji je po korištenju motora s unutarnjim izgaranjem u svjećicama i kućanskim aparatima (plinske peći).

Lučno pražnjenje, koje se prvi put koristi u tehnici rasvjete 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.

Električna struja je protok koji je uzrokovan uređenim kretanjem električno nabijenih čestica. Kretanje naboja uzima se kao smjer električne struje. Električna struja može biti kratkotrajna i dugotrajna.

Pojam električne struje

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

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

Riža. 1. Trenutna formula

Električna struja u plinovima

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

Samoodrživa i nesamoodrživa plinska pražnjenja

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

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

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

Riža. 2. Svjetleće pražnjenje

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

Riža. 3. Lučno pražnjenje

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

Što smo naučili?

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

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. 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 se dogoditi pod utjecajem različitih vanjskih interakcija: jakog zagrijavanja plina, rendgenskih zraka, a-, b- i g-zraka koje nastaju radioaktivnim raspadom, kozmičkih zraka, bombardiranja molekula plina brzo kretajućim elektronima ili ionima. 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 pozitivni i negativni ion sudare, negativni ion može dati svoj višak elektrona pozitivnom ionu, a 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 su ioni i slobodni elektroni u vanjskom električno polje, zatim 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 uzrokovana 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 niskim pritiscima 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, koja postupno prelazi u regiju 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 elektronička, 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.

Pri povećanom naponu, 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 izgled svijetlih cik-cak razgranatih niti-kanala koji prodiru u pražnjenje i nestaju, a zamjenjuju se novima. Istraživanja su pokazala da kanali iskrenog pražnjenja počinju rasti ponekad s pozitivne elektrode, ponekad s 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 velike količine topline, jakim sjajem plina, pucketanjem ili grmljavinom. 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. Ti elektroni se ubrzavaju električnim poljem i proizvode 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 između ugljena se stvorio 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 u prirodnim uvjetima su gornji slojevi atmosfere - ionosfera. Sunce, vruće zvijezde i neki međuzvjezdani oblaci su potpuno ionizirana plazma koja nastaje pri visokim temperaturama.

Prosječne energije različitih vrsta čestica koje čine plazmu mogu se međusobno značajno razlikovati. Stoga se plazma ne može okarakterizirati jednom vrijednošću temperature T; razlikuje se temperatura elektrona T e, temperatura iona T i (ili temperature iona, ako postoji više vrsta iona u plazmi) i temperatura 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, između čijih molekula postoje sile kratkog dometa, između nabijenih čestica plazme postoje Coulombove sile koje se relativno sporo smanjuju 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. Plazma gorionik 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.