Pojave električne struje u plinovima. Uvod

U normalnim uvjetima plinovi su dielektrici, jer. sastoje se od neutralnih atoma i molekula, te nemaju dovoljan broj slobodnih naboja.Plinovi postaju vodiči tek kada se nekako ioniziraju. Proces ionizacije plinova sastoji se u činjenici da se pod utjecajem bilo kojeg razloga jedan ili više elektrona odvaja od atoma. Kao rezultat, umjesto neutralnog atoma, pozitivni ion i elektron.

Razgradnja molekula na ione i elektrone naziva se ionizacija plina.

Dio formiranih elektrona mogu zarobiti drugi neutralni atomi, a zatim se pojaviti negativno nabijenih iona.

Dakle, u ioniziranom plinu postoje tri vrste nositelja naboja: elektroni, pozitivni ioni i negativni.

Odvajanje elektrona od atoma zahtijeva utrošak određene energije - energija ionizacije W ja Energija ionizacije ovisi o kemijskoj prirodi plina i energetskom stanju elektrona u atomu. Dakle, za odvajanje prvog elektrona od atoma dušika troši se energija od 14,5 eV, a za odvajanje drugog elektrona - 29,5 eV, za odvajanje trećeg - 47,4 eV.

Čimbenici koji uzrokuju ionizaciju plina nazivaju se ionizatori.

Postoje tri vrste ionizacije: toplinska ionizacija, fotoionizacija i udarna ionizacija.

Toplinska ionizacija nastaje kao posljedica sudara atoma ili molekula plina na visokoj temperaturi, ako kinetička energija relativnog gibanja čestica u sudaru premašuje energiju vezanja elektrona u atomu.

Fotoionizacija nastaje pod utjecajem elektromagnetskog zračenja (ultraljubičastog, rendgenskog ili γ-zračenja), kada se energija potrebna za odvajanje elektrona od atoma na njega prenosi kvantom zračenja.

Ionizacija udarom elektrona(ili udarna ionizacija) je stvaranje pozitivno nabijenih iona kao rezultat sudara atoma ili molekula s brzim elektronima visoke kinetičke energije.

Proces ionizacije plina uvijek prati suprotan proces obnavljanja neutralnih molekula iz suprotno nabijenih iona zbog njihove električne privlačnosti. Ovaj fenomen se zove rekombinacija. Tijekom rekombinacije oslobađa se energija jednaka energiji utrošenoj na ionizaciju. To može uzrokovati, na primjer, plinski sjaj.

Ako je djelovanje ionizatora nepromijenjeno, tada se u ioniziranom plinu uspostavlja dinamička ravnoteža u kojoj se u jedinici vremena obnavlja onoliko molekula koliko se raspadnu na ione. U tom slučaju koncentracija nabijenih čestica u ioniziranom plinu ostaje nepromijenjena. Ako se, međutim, zaustavi djelovanje ionizatora, tada će rekombinacija početi prevladavati nad ionizacijom, a broj iona brzo će se smanjiti na gotovo nulu. Posljedično, prisutnost nabijenih čestica u plinu je privremena pojava (sve dok ionizator radi).

U nedostatku vanjskog polja, nabijene čestice kreću se nasumično.

plinsko pražnjenje

Kada se stavi ionizirani plin električno polje električne sile počinju djelovati na slobodne naboje, te se kreću paralelno s linijama napetosti: elektroni i negativni ioni - do anode, pozitivni ioni - do katode (slika 1). Na elektrodama se ioni pretvaraju u neutralne atome doniranjem ili prihvaćanjem elektrona, čime se dovršava krug. U plinu se stvara električna struja.

Električna struja u plinovima je usmjereno kretanje iona i elektrona.

Električna struja u plinovima naziva se plinsko pražnjenje.

Ukupna struja u plinu sastoji se od dvije struje nabijenih čestica: struje koja ide na katodu i struje usmjerena na anodu.

U plinovima se elektronska vodljivost, slična vodljivosti metala, kombinira s ionskom vodljivošću, sličnom vodljivosti vodenih otopina ili talina elektrolita.

Dakle, vodljivost plinova ima ionsko-elektronski karakter.

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 zbirka električnih naboja 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 električna struja u plinovima je potrebna 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.

Ionizacija električno polje. U tom slučaju potencijalna energija polja se pretvara u kinetičku energiju čestica.
Toplinska ionizacija. Povećanje temperature također dovodi do stvaranja velikog broja besplatnih naboja.
Fotoionizacija. Bit ovog procesa je da kvanti daju energiju elektronima elektromagnetska radijacija- fotoni, ako imaju dovoljno visoku frekvenciju (ultraljubičasti, rendgenski, gama kvanti).
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 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 različite plinove karakterizira sjaj 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. Lavina ionizacijski procesi stvaraju visoke tlakove i temperature do 10.000 stupnjeva i više u kanalu iskri.

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 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 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 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). 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 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.

U normalnim uvjetima plinovi ne provode struju jer su njihove molekule električno neutralne. Primjerice, suhi zrak je dobar izolator, što bismo mogli provjeriti uz pomoć najjednostavnijih pokusa 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 traje dugo, 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, rendgenskog i ultraljubičastog zračenja, radioaktivnosti, kozmičkih zraka 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 procesi obrnute rekombinacije: 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

Nesamostalno provođenje. Proces smanjenja koncentracije iona nakon prestanka djelovanja ionizatora značajno se ubrzava ako se plin nalazi u vanjskom električnom polju. 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 jakosti E, jednakoj 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 električnog polja, 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. Električni krug takve instalacije prikazan je 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 koji su odgovorni za lavinsko povećanje jakosti 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. Rezultat su dva elektrona umjesto jednog. Oni se, pak, ubrzavaju električnim poljem i ioniziraju atome ili molekule koje se susreću 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. Nove elektrone iz katode izbijaju pozitivni ioni, 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 kada se bombardira 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, tinjajući (ili negativni) sjaj, Faradayev tamni prostor i svjetleći 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 vivo na krošnjama drveća, jarbolima brodova i sl. ("Vatre sv. Elma"). Koronsko pražnjenje se mora uzeti u obzir u visokonaponskoj tehnici, kada se to pražnjenje događa oko žica visokonaponskih dalekovoda i dovodi do gubitaka struje. Koristan praktična upotreba koronsko pražnjenje nalazi se u elektrofilterima 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 velike količine topline, svijetlim plavkasto-bijelim sjajem i jakim pucketanjem. 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 na mjestu njihovog dodira, veliki broj topline zbog visokog kontaktnog otpora. 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 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?

Električnu struju 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.

Teme KORISTI kodifikator : nositelji slobodnih električnih naboja u plinovima.

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

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

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

Riža. 1 ključ

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

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

Riža. 2. Pojava struje u zraku

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

Besplatno punjenje na plin

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

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

Pogledajmo kako se ti naboji mogu pojaviti u plinu.

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

Riža. 3. Ionizacija

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

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

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

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

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

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

Riža. 4. Rekombinacija

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

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

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

Riža. 5. Pojava negativnog iona

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

Nesamopražnjenje

Ako ne postoji vanjsko električno polje, slobodni naboji izvode kaotično toplinsko gibanje zajedno s neutralnim česticama plina. Ali kada se primjenjuje električno polje, počinje uređeno kretanje nabijenih čestica - električna struja u plinu.

Riža. 6. Nesamoodrživo pražnjenje

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

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

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

Volt-amperska karakteristika plinskog pražnjenja

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

Riža. 7. Volt-amperska karakteristika plinskog pražnjenja

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

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

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

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

samopražnjenje

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

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

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

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

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

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

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

Ovo je kratak sažetak.

Rad na punoj verziji se nastavlja

Predavanje2 1

Struja u plinovima

1. Opće odredbe

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

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

Plinovi ne poštuju Ohmov zakon.

2. Ionizacija i rekombinacija

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

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

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

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

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

3. CVC plinskog pražnjenja.

U početnim fazama potrebno je djelovanje vanjskog ionizatora.

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

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

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

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

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

CVC pokazuje da plin uopće ne poštuje Ohmov zakon.

4. Procesi u plinu