Elektromos áram a gázokban üzenet. Elektromos áram gázokban: meghatározás, jellemzők és érdekes tények

A gázokban vannak nem önfenntartó és önfenntartó elektromos kisülések.

Nem önfenntartó elektromos kisülésnek nevezzük azt a jelenséget, amikor az elektromos áram átfolyik egy gázon, és csak akkor figyelhető meg, ha bármilyen külső hatás éri a gázt. Az elektron leválásának folyamatát az atomról az atom ionizációjának nevezzük. Ionizációs energiának nevezzük azt a minimális energiát, amelyet egy elektronnak az atomról való leválasztásához el kell fordítani. A részben vagy teljesen ionizált gázt, amelyben a pozitív és negatív töltések sűrűsége azonos, ún. vérplazma.

Az elektromos áram hordozói a nem önfenntartó kisülésben a pozitív ionok és a negatív elektronok. Az áram-feszültség karakterisztikát az ábra mutatja. 54. Az OAB területén - nem önfenntartó kisülés. A BC régióban a kisülés függetlenné válik.

Az önkisülésnél az atomok ionizálásának egyik módja az elektronütközéses ionizáció. Az elektron becsapódással történő ionizáció akkor válik lehetővé, ha az elektron az A átlagos szabad úton W k kinetikus energiát szerez, amely elegendő ahhoz, hogy az elektront leválassza az atomról. Független kisülések típusai gázokban - szikra-, korona-, ív- és izzókisülések.

szikrakisülés két különböző töltésű és nagy potenciálkülönbséggel rendelkező elektróda között fordul elő. Az ellentétes töltésű testek közötti feszültség eléri a 40 000 V-ot. A szikrakisülés rövid távú, mechanizmusa elektronikus ütés. A villám egyfajta szikrakisülés.

Erősen inhomogén elektromos mezőkben, amelyek például egy csúcs és egy sík, vagy egy elektromos vezeték és a Föld felszíne között alakulnak ki, a gázokban az önfenntartó kisülés speciális formája lép fel, ún. koronakisülés.

Elektromos ívkisülés V. V. Petrov orosz tudós fedezte fel 1802-ben. Amikor két szénből készült elektróda 40-50 V feszültségen érintkezik, helyenként kis keresztmetszetű területek jelennek meg nagy elektromos ellenállással. Ezek a területek nagyon felforrósodnak, elektronokat bocsátanak ki, amelyek ionizálják az elektródák közötti atomokat és molekulákat. Az elektromos áram hordozói az ívben pozitív töltésű ionok és elektronok.

A csökkentett nyomáson fellépő kisülést ún izzó kisülés. A nyomás csökkenésével az elektron átlagos szabad útja növekszik, és az ütközések közötti idő alatt van ideje, hogy elegendő energiát szerezzen az ionizációhoz. elektromos mező kevesebb stresszel. A kisülést elektron-ion lavina hajtja végre.

1. Ionizáció, lényege és fajtái.

Az elektromos áram létezésének első feltétele a szabad töltéshordozók jelenléte. A gázokban ionizáció eredményeként keletkeznek. Ionizációs faktorok hatására az elektron elválik a semleges részecskétől. Az atom pozitív ionná válik. Így kétféle töltéshordozó létezik: egy pozitív ion és egy szabad elektron. Ha egy elektron csatlakozik egy semleges atomhoz, akkor megjelenik egy negatív ion, azaz. a harmadik típusú töltéshordozók. Az ionizált gázt a harmadik típusú vezetőnek nevezzük. Itt kétféle vezetőképesség lehetséges: elektronikus és ionos. Az ionizációs folyamatokkal egyidejűleg a fordított folyamat, a rekombináció megy végbe. Az elektron és az atom elválasztásához energia kell. Ha az energia kívülről érkezik, akkor az ionizációhoz hozzájáruló tényezőket külsőnek nevezzük (magas hőmérséklet, ionizáló sugárzás, ultraibolya sugárzás, erős mágneses mezők). Az ionizációs tényezőktől függően termikus ionizációnak, fotoionizációnak nevezzük. Az ionizációt mechanikai sokk is okozhatja. Az ionizációs faktorokat természetes és mesterséges faktorokra osztják. A természetest a Nap sugárzása, a Föld radioaktív háttere okozza. A külső ionizáció mellett van belső. Ütőhangszerekre és lépcsősre van osztva.

Impact ionization.

Kellően nagy feszültség mellett a mező által nagy sebességre gyorsított elektronok maguk is ionizációs forrásokká válnak. Amikor egy ilyen elektron egy semleges atomhoz ütközik, az elektron kiütődik az atomból. Ez akkor fordul elő, ha az ionizációt okozó elektron energiája meghaladja az atom ionizációs energiáját. Az elektródák közötti feszültségnek elegendőnek kell lennie ahhoz, hogy az elektron megszerezze a szükséges energiát. Ezt a feszültséget ionizációs feszültségnek nevezzük. Mindegyiknek megvan a maga jelentése.

Ha a mozgó elektron energiája kisebb a szükségesnél, akkor csak a semleges atom gerjesztése következik be becsapódáskor. Ha egy mozgó elektron ütközik egy előgerjesztett atommal, akkor lépcsőzetes ionizáció megy végbe.

2. Nem önfenntartó gázkisülés és áram-feszültség karakterisztikája.

Az ionizáció az áram létezésének első feltételének teljesüléséhez vezet, azaz. az ingyenes díjak megjelenésére. Az áram létrejöttéhez külső erőre van szükség, amely a töltéseket egy irányba mozgatja, pl. elektromos térre van szükség. A gázok elektromos áramát számos jelenség kíséri: fény, hang, ózonképződés, nitrogén-oxidok. Az áram áthaladását kísérő jelenségek halmaza gáz - gáz rang . Az áthaladó áram folyamatát gyakran gázkisülésnek nevezik.

A kisülést nem önfenntartónak nevezzük, ha csak egy külső ionizáló hatása alatt áll fenn. Ebben az esetben a külső ionizáló működésének megszűnése után új töltéshordozók nem képződnek, az áram leáll. Nem önfenntartó kisülés esetén az áramok kicsik, és nincs gáz izzás.

Független gázkisülés, típusai és jellemzői.

Független gázkisülésnek nevezzük azt a kisülést, amely a külső ionizátor megszűnése után létezhet, pl. ütési ionizáció miatt. Ebben az esetben fény- és hangjelenségek figyelhetők meg, az áramerősség jelentősen megnőhet.

Az önkisülés típusai:

1. csendes kisülés - közvetlenül a nem önfenntartó után következik, az áramerősség nem haladja meg az 1 mA-t, nincs hang- és fényjelenség. Fizioterápiában használják, Geiger-Muller számlálók.

2. izzó kisülés. A feszültség növekedésével a csendesség parázslássá válik. Egy bizonyos feszültségen - gyújtási feszültségen - fordul elő. Ez a gáz típusától függ. A neon 60-80 V. Ez a gáznyomástól is függ. Az izzás kisülést ragyogás kíséri, rekombinációhoz kapcsolódik, ami az energia felszabadulásával jár. A szín a gáz típusától is függ. Jelzőlámpákban (neon, ultraibolya baktericid, világítás, lumineszcens) használják.

3. ívkisülés. Az áramerősség 10 - 100 A. Erős izzás kíséri, a gázkisülési résben a hőmérséklet eléri a több ezer fokot. Az ionizáció eléri a 100%-ot. 100% ionizált gáz - hideggáz plazma. Jó vezetőképességgel rendelkezik. Magas és ultramagas nyomású higanylámpákban használják.

4. A szikrakisülés egyfajta ívkisülés. Ez egy impulzus-oszcilláló kisülés. Az orvostudományban a nagyfrekvenciás rezgések hatását alkalmazzák.Nagy áramsűrűségnél intenzív hangjelenségek figyelhetők meg.

5. koronakisülés. Ez egyfajta izzító kisülés Olyan helyeken figyelhető meg, ahol éles változás van az elektromos térerősségben. Itt a töltések lavina és a gázok izzása – egy korona.

Fizika absztrakt

a témán:

"Elektromos áram a gázokban".

Elektromos áram a gázokban.

1. Elektromos kisülés gázokban.

Az összes gáz természetes állapotában nem vezet elektromosságot. Ez látható a következő tapasztalatokból:

Vegyünk egy elektrométert, amelyhez egy lapos kondenzátor lemezei vannak csatlakoztatva, és töltsük fel. Nál nél szobahőmérséklet ha a levegő elég száraz, a kondenzátor nem kisül észrevehetően - az elektrométer tűjének helyzete nem változik. Az elektrométer tűjének eltérési szögének csökkenésének észleléséhez szükséges hosszú idő. Ez azt mutatja elektromosság a levegőben a lemezek között nagyon kicsi. Ez a tapasztalat azt mutatja, hogy a levegő rossz elektromos áramvezető.

Módosítsuk a kísérletet: melegítsük fel a levegőt a korongok között alkohollámpa lángjával. Ekkor az elektrométer mutatójának elhajlási szöge gyorsan csökken, azaz. a kondenzátor lemezei közötti potenciálkülönbség csökken - a kondenzátor lemerül. Következésképpen a tárcsák közötti felmelegített levegő vezetővé vált, és abban elektromos áram jön létre.

A gázok szigetelő tulajdonságait az magyarázza, hogy nincsenek bennük szabad elektromos töltések: a gázok atomjai és molekulái természetes állapotukban semlegesek.

2. Gázok ionizálása.

A fenti tapasztalatok azt mutatják, hogy a töltött részecskék magas hőmérséklet hatására jelennek meg a gázokban. Egy vagy több elektronnak a gázatomokról való leszakadása következtében keletkeznek, aminek következtében a semleges atom helyett pozitív ion és elektronok jelennek meg. A kialakult elektronok egy részét más semleges atomok is befoghatják, és ekkor több negatív ion jelenik meg. A gázmolekulák elektronokra és pozitív ionokra bomlását ún gázok ionizációja.

Egy gáz magas hőmérsékletre hevítése nem az egyetlen módja a gázmolekulák vagy atomok ionizálásának. A gázionizáció különféle külső kölcsönhatások hatására történhet: a gáz erős felmelegedése, röntgensugarak radioaktív bomlásból, kozmikus sugarakból, gázmolekulák gyorsan mozgó elektronok vagy ionok általi bombázásából származó a-, b- és g-sugarak. A gázionizációt okozó tényezőket ún ionizátorok. Az ionizációs folyamat mennyiségi jellemzője az ionizációs intenzitás, az egységnyi gáztérfogatban egységnyi idő alatt megjelenő, egymással ellentétes előjelű töltött részecskepárok számával mérve.

Egy atom ionizálásához egy bizonyos energia – az ionizációs energia – kiadására van szükség. Egy atom (vagy molekula) ionizálásához munkát kell végezni a kilökött elektron és az atom (vagy molekula) többi részecskéje közötti kölcsönhatási erők ellen. Ezt a munkát A i ionizációs munkának nevezzük. Az ionizációs munka értéke attól függ kémiai természet egy atomban vagy molekulában kilökött elektron gáz- és energiaállapota.

Az ionizátor leállása után a gázban lévő ionok száma idővel csökken, és végül az ionok teljesen eltűnnek. Az ionok eltűnését az magyarázza, hogy ionok és elektronok vesznek részt benne hőmozgásés ezért ütköznek egymással. Ha egy pozitív ion és egy elektron ütközik, újra egyesülhetnek egy semleges atommá. Ugyanígy, amikor egy pozitív és egy negatív ion ütközik, a negatív ion átadhatja felesleges elektronját a pozitív ionnak, és mindkét ion semleges atomokká alakul. Az ionok kölcsönös semlegesítésének ezt a folyamatát ún ion rekombináció. Egy pozitív ion és egy elektron vagy két ion rekombinációja során bizonyos energia szabadul fel, amely megegyezik az ionizációra fordított energiával. Részben fény formájában bocsátják ki, ezért az ionok rekombinációját lumineszcencia (rekombináció lumineszcenciája) kíséri.

A gázok elektromos kisülésének jelenségeiben fontos szerepet játszik az atomok elektronbecsapódások általi ionizációja. Ez a folyamat abból áll, hogy egy mozgó elektron, amely elegendő mozgási energiával rendelkezik, kiüt egy vagy több atomi elektronok, aminek következtében a semleges atom pozitív ionná alakul, és a gázban új elektronok jelennek meg (erről később lesz szó).

Az alábbi táblázat megadja egyes atomok ionizációs energiáit.

3. A gázok elektromos vezetőképességének mechanizmusa.

A gázvezetőképesség mechanizmusa hasonló az elektrolitoldatok és olvadékok vezetőképességének mechanizmusához. Külső tér hiányában a töltött részecskék, akárcsak a semleges molekulák, véletlenszerűen mozognak. Ha az ionok és a szabad elektronok külső elektromos térben találják magukat, akkor irányított mozgásba kerülnek, és elektromos áramot hoznak létre a gázokban.

Így a gázban az elektromos áram a pozitív ionok irányított mozgása a katód felé, a negatív ionok és elektronok pedig az anód felé. A gáz teljes árama két töltött részecskék áramából áll: az anódhoz és a katódra irányított áramból.

A töltött részecskék semlegesítése az elektródákon történik, például az elektromos áram oldatokon és elektrolitolvadékokon való áthaladásakor. A gázokban azonban nem szabadulnak fel anyagok az elektródákra, mint az elektrolit oldatoknál. Az elektródákhoz közeledő gázionok töltésüket adják, semleges molekulákká alakulnak és visszadiffundálnak a gázba.

Az ionizált gázok és elektrolitoldatok (olvadékok) elektromos vezetőképességében az is különbség, hogy az áram gázokon való áthaladása során a negatív töltést főleg nem negatív ionok, hanem elektronok adják át, bár a negatív ionok miatti vezetőképesség is szerepet játszhat. bizonyos szerepet.

Így a gázok a fémek vezetőképességéhez hasonló elektronikus vezetőképességet a vizes oldatok és elektrolitolvadékok vezetőképességéhez hasonló ionos vezetőképességgel kombinálják.

4. Nem önfenntartó gázkibocsátás.

Az elektromos áram gázon való átvezetésének folyamatát gázkisülésnek nevezzük. Ha a gáz elektromos vezetőképességét külső ionizátorok hozzák létre, akkor a benne fellépő elektromos áramot ún. nem önfenntartó gázkibocsátás. A külső ionizátorok működésének megszűnésével a nem önfenntartó kisülés megszűnik. A nem önfenntartó gázkisülést nem kíséri gázizzás.

Az alábbiakban az áramerősség feszültségtől való függésének grafikonja látható egy nem önfenntartó gázkisülés esetén. A grafikon megrajzolásához üvegcsövet használtak, amelyben két fémelektródát forrasztottak az üvegbe. A lánc összeszerelése az alábbi ábrán látható módon történik.

Egy bizonyos feszültségnél eljön az a pont, amikor az ionizátor által a gázban egy másodperc alatt keletkezett összes töltött részecske egyszerre éri el az elektródákat. A feszültség további növekedése már nem vezethet a szállított ionok számának növekedéséhez. Az áram eléri a telítettséget (az 1. grafikon vízszintes szakasza).

5. Független gázkibocsátás.

Olyan elektromos kisülést nevezünk gázban, amely egy külső ionizáló hatásának megszűnése után is fennmarad független gázkibocsátás. Megvalósításához szükséges, hogy magának a kisütésnek köszönhetően a gázban folyamatosan szabad töltések keletkezzenek. Előfordulásuk fő forrása a gázmolekulák ütési ionizációja.

Ha a telítettség elérése után tovább növeljük az elektródák közötti potenciálkülönbséget, akkor az áramerősség kellően nagy feszültség mellett meredeken megnő (2. grafikon).

Ez azt jelenti, hogy további ionok jelennek meg a gázban, amelyek az ionizátor hatására keletkeznek. Az áramerősség száz- és ezerszeresére nőhet, a kisülés során megjelenő töltött részecskék száma pedig olyan nagyra nőhet, hogy a kisülés fenntartásához már nincs szükség külső ionizálóra. Ezért az ionizátor most eltávolítható.

Mik az okai az áramerősség meredek növekedésének nagyfeszültségen? Tekintsünk egy külső ionizáló hatására létrejövő töltött részecskepárt (pozitív ion és elektron). Az így megjelenő szabad elektron a pozitív elektród - az anód, a pozitív ion - a katód felé kezd mozogni. Útközben az elektron ionokkal és semleges atomokkal találkozik. Két egymást követő ütközés közötti időközökben az elektron energiája megnő az elektromos térerők munkája miatt.

Minél nagyobb az elektródák közötti potenciálkülönbség, annál nagyobb az elektromos térerősség. Az elektron kinetikus energiája a következő ütközés előtt arányos a térerősséggel és az elektron szabad útjával: MV 2 /2=eEl. Ha egy elektron kinetikus energiája meghaladja a semleges atom (vagy molekula) ionizálásához szükséges A i munkát, pl. MV 2 >A i , akkor amikor egy elektron atommal (vagy molekulával) ütközik, ionizálódik. Ennek eredményeként egy elektron helyett két elektron jelenik meg (az atomot támadva és kiszakadva az atomból). Ők viszont energiát kapnak a mezőn, és ionizálják a szembejövő atomokat stb. Ennek eredményeként a töltött részecskék száma gyorsan növekszik, és elektronlavina keletkezik. A leírt folyamat az ún elektronütéses ionizáció.

De az elektron becsapódással történő ionizáció önmagában nem tudja biztosítani a független töltés fenntartását. Valójában végül is minden elektron, amely így keletkezik, az anód felé mozog, és az anódhoz érve "kiesik a játékból". A kisülés fenntartásához elektronok kibocsátása szükséges a katódból (az „emisszió” jelentése „emisszió”). Az elektronok kibocsátásának több oka is lehet.

Az elektronok semleges atomokkal való ütközésekor keletkező pozitív ionok a katód felé haladva nagy mozgási energiára tesznek szert a mező hatására. Amikor ilyen gyors ionok érik a katódot, az elektronok kiütődnek a katód felületéről.

Ezenkívül a katód elektronokat bocsáthat ki, ha magas hőmérsékletre hevítik. Ezt a folyamatot ún termikus emisszió. Ez úgy tekinthető, mint az elektronok kipárolgása a fémből. Sokban szilárd anyagok A termikus emisszió olyan hőmérsékleten történik, amelyen magának az anyagnak a párolgása még kicsi. Az ilyen anyagokat katódok gyártásához használják.

Az önkisülés során a katód felmelegíthető pozitív ionokkal bombázva. Ha az ion energiája nem túl nagy, akkor az elektronok nem ütnek ki a katódból, és a termikus emisszió miatt elektronok bocsátanak ki.

6. Különféle önkisülések és ezek műszaki alkalmazása.

A gáz tulajdonságaitól és állapotától, az elektródák természetétől és elhelyezkedésétől, valamint az elektródákra adott feszültségtől függően különböző fajták független rang. Nézzünk meg néhányat közülük.

A. Parázsló váladékozás.

Izzó kisülés figyelhető meg a gázokban a alacsony nyomások több tíz higanymilliméter nagyságrendű és kevesebb. Ha egy izzítókisülésű csövet tekintünk, akkor láthatjuk, hogy az izzítókisülés fő részei az katód sötét tér, messze tőle negatív vagy parázsló ragyogás, amely fokozatosan átmegy a régióba faraday sötét tér. Ez a három tartomány alkotja a kisülés katód részét, ezt követi a kisülés fő fényes része, amely meghatározza annak optikai tulajdonságait és ún. pozitív oszlop.

Az izzítókisülés fenntartásában a fő szerepet a katódrész első két tartománya játssza. jellemző tulajdonság Ez a fajta kisülés a potenciál éles csökkenése a katód közelében, ami a pozitív ionok magas koncentrációjához kapcsolódik az I. és II. tartomány határán, a katódon lévő ionok viszonylag alacsony sebessége miatt. A katód sötét térben az elektronok és a pozitív ionok erős gyorsulása következik be, ami kiüti az elektronokat a katódból. Az izzó izzás tartományában az elektronok a gázmolekulák intenzív ütközési ionizációját idézik elő, és elveszítik energiájukat. Itt pozitív ionok képződnek, amelyek szükségesek a kisülés fenntartásához. Az elektromos térerősség ebben a régióban alacsony. A parázsló izzást elsősorban ionok és elektronok rekombinációja okozza. A katód sötét tér hosszát a gáz és a katód anyagának tulajdonságai határozzák meg.

A pozitív oszlop tartományában az elektronok és ionok koncentrációja megközelítőleg azonos és nagyon magas, ami a pozitív oszlop magas elektromos vezetőképességét és enyhe potenciálcsökkenést okoz. A pozitív oszlop fényét a gerjesztett gázmolekulák izzása határozza meg. Az anód közelében ismét viszonylag éles potenciálváltozás figyelhető meg, ami a pozitív ionok képződésének folyamatához kapcsolódik. Egyes esetekben a pozitív oszlop külön világító területekre bomlik fel - rétegek, sötét terekkel elválasztva.

A pozitív oszlop nem játszik jelentős szerepet az izzítókisülés fenntartásában, ezért a cső elektródái közötti távolság csökkenésével a pozitív oszlop hossza csökken, és teljesen eltűnhet. Más a helyzet a katód sötét tér hosszával, amely nem változik, amikor az elektródák közelednek egymáshoz. Ha az elektródák olyan közel vannak egymáshoz, hogy a köztük lévő távolság kisebb lesz, mint a katód sötét terének hossza, akkor a gázban a világító kisülés megszűnik. Kísérletek azt mutatják, hogy a katód sötét terének d hossza, ha más dolgok egyenlők, fordítottan arányos a gáznyomással. Következésképpen kellően alacsony nyomáson a pozitív ionok által a katódból kicsapott elektronok szinte anélkül haladnak át a gázon, hogy ütköznének a molekuláival, és kialakul elektronikus, vagy katódsugarak .

Az izzító kisülést gáz-fénycsövekben, fénycsövekben, feszültségstabilizátorokban használják elektron- és ionsugarak előállítására. Ha a katódon rés készül, akkor azon keskeny ionnyalábok jutnak át a katód mögötti térbe, amit gyakran ún. csatorna sugarai. széles körben használt jelenség katódporlasztás, azaz a katód felületének megsemmisülése az azt érő pozitív ionok hatására. A katódanyag ultramikroszkópos töredékei minden irányban egyenes vonalak mentén repülnek, és vékony réteggel borítják be a csőbe helyezett testek (főleg a dielektrikumok) felületét. Ily módon számos eszközhöz készítenek tükröket, alkalmazva vékonyréteg fém a szelén fotocellákon.

b. Korona folyás.

A koronakisülés normál nyomáson, erősen inhomogén elektromos térben (például nagyfeszültségű vezetékek tüskéi vagy vezetékei közelében) történik egy gázban. A koronakisülésben a gázionizáció és annak izzása csak a koronaelektródák közelében fordul elő. A katódkorona (negatív korona) esetén a gázmolekulák ütközési ionizációját okozó elektronok kiütődnek a katódból, amikor azt pozitív ionokkal bombázzák. Ha az anód korona (pozitív korona), akkor az elektronok születése az anód közelében lévő gáz fotoionizációja miatt következik be. A korona ártalmas jelenség, áramszivárgással és áramveszteséggel jár elektromos energia. A korona csökkentése érdekében a vezetők görbületi sugarát növelik, felületüket a lehető legsimábbá teszik. Az elektródák közötti kellően nagy feszültségnél a koronakisülés szikrává alakul.

Megnövelt feszültség esetén a koronakisülés a csúcson a csúcsból kiinduló és időben váltakozó fényvonalak formájában történik. Ezek a vonalak egy sor töréssel és hajlítással egyfajta ecsetet alkotnak, aminek következtében az ilyen kisülést ún. kéztőcsont .

Egy töltött zivatarfelhő indukál a Föld felszínén alatta elektromos töltések ellentétes jel. Különösen nagy töltés halmozódik fel a hegyeken. Ezért zivatar előtt vagy zivatar idején a fénykúpok, mint a kefe, gyakran felvillannak a magasan megemelkedett tárgyak hegyein és éles sarkain. Ősidők óta ezt a fényt Szent Elmo tüzének nevezik.

Különösen gyakran a hegymászók válnak ennek a jelenségnek a tanúivá. Néha nem csak fémtárgyakat, hanem a fej hajvégét is kis világító bojt díszíti.

A koronakisülést figyelembe kell venni a nagyfeszültség kezelésekor. Ha vannak kiálló részek vagy nagyon vékony vezetékek, megindulhat a koronakisülés. Ez áramszivárgást eredményez. Minél nagyobb a nagyfeszültségű vezeték feszültsége, annál vastagabbnak kell lennie a vezetékeknek.

C. Szikrakisülés.

A szikrakisülés fényes cikk-cakk elágazó szálak-csatornák formájában van kialakítva, amelyek áthatolnak a kisülési résen, és eltűnnek, és újak váltják fel őket. Tanulmányok kimutatták, hogy a szikrakisülési csatornák néha a pozitív elektródától kezdenek növekedni, néha a negatív elektródától, néha pedig az elektródák közötti ponttól. Ez azzal magyarázható, hogy az ütési ionizáció szikrakisülés esetén nem a teljes gáztérfogaton, hanem azokon a helyeken áthaladó egyes csatornákon keresztül történik, ahol az ionkoncentráció véletlenül a legmagasabbnak bizonyult. A szikrakisülést felszabadulás kíséri egy nagy szám melegség, erős gázfény, recsegés vagy mennydörgés. Mindezeket a jelenségeket elektron- és ionlavinák okozzák, amelyek a szikracsatornákban fordulnak elő, és hatalmas nyomásnövekedéshez vezetnek, amely eléri a 10 7 ¸10 8 Pa-t, és a hőmérséklet 10 000 °C-ig emelkedik.

A szikrakisülés tipikus példája a villámlás. A fő villámcsatorna átmérője 10-25 cm, a villám hossza elérheti a több kilométert is. Max Strength A villámimpulzus árama eléri a tíz- és százezer ampert.

A kisülési rés kis hosszánál a szikrakisülés az anód sajátos roncsolását okozza, ún erózió. Ezt a jelenséget a vágás, fúrás és más típusú precíziós fémmegmunkálás során használták az elektrospark módszerben.

A szikraköz túlfeszültség-védelemként szolgál elektromos távvezetékekben (például be telefonvonalak). Ha a vezeték közelében erős, rövid távú áram halad át, akkor ennek a vezetéknek a vezetékeiben feszültségek és áramok indukálódnak, ami tönkreteheti villanyszerelésés veszélyes az emberi életre. Ennek elkerülésére speciális biztosítékokat használnak, amelyek két ívelt elektródából állnak, amelyek közül az egyik a vezetékhez csatlakozik, a másik pedig földelt. Ha a vezeték talajhoz viszonyított potenciálja nagymértékben megnő, akkor az elektródák között szikrakisülés jön létre, amely az általa felmelegített levegővel együtt felemelkedik, megnyúlik és megszakad.

Végül egy elektromos szikrát használnak a nagy potenciálkülönbségek mérésére labda rés, melynek elektródái két polírozott felületű fémgolyó. A golyókat elmozdítják egymástól, és mért potenciálkülönbséget alkalmaznak rájuk. Ezután a golyókat összehozzuk, amíg egy szikra nem ugrik közéjük. A golyók átmérőjének, a köztük lévő távolságnak, a levegő nyomásának, hőmérsékletének és páratartalmának ismeretében speciális táblázatok alapján találják meg a golyók közötti potenciálkülönbséget. Ezzel a módszerrel több százalékos pontossággal több tízezer voltos nagyságrendű potenciálkülönbség is mérhető.

D. Ívkisülés.

Az ívkisülést V. V. Petrov fedezte fel 1802-ben. Ez a kisülés a gázkisülés egyik formája, amely nagy áramsűrűség és az elektródák közötti viszonylag alacsony feszültség (több tíz volt nagyságrendű) mellett lép fel. Az ívkisülés fő oka a termoelektronok forró katód általi intenzív kibocsátása. Ezek az elektronok felgyorsulnak elektromos mezőés gázmolekulák ütési ionizációját idézik elő, melynek köszönhetően elektromos ellenállás az elektródák közötti gázrés viszonylag kicsi. Ha csökkentjük a külső áramkör ellenállását, növeljük az ívkisülés áramát, akkor a gázrés vezetőképessége annyira megnő, hogy az elektródák közötti feszültség csökken. Ezért az ívkisülésről azt mondják, hogy csökkenő áram-feszültség karakterisztikával rendelkezik. Légköri nyomáson a katód hőmérséklete eléri a 3000 °C-ot. Az elektronok az anódot bombázva mélyedést (krátert) hoznak létre benne, és felmelegítik. A kráter hőmérséklete körülbelül 4000 °C, magas légnyomáson eléri a 6000-7000 °C-ot. Az ívkisülési csatornában a gáz hőmérséklete eléri az 5000-6000 °C-ot, ezért intenzív termikus ionizáció megy végbe benne.

Számos esetben az ívkisülés viszonylag alacsony katódhőmérsékleten is megfigyelhető (például higanyívlámpában).

1876-ban P. N. Yablochkov először használt elektromos ívet fényforrásként. A "Jablocskov-gyertyában" a szenet párhuzamosan helyezték el és egy íves réteg választotta el egymástól, végeiket pedig vezetőképes "gyújtóhíd" kötötte össze. Az áram bekapcsolásakor a gyújtóhíd kiégett és kialakult a szén között elektromos ív. Ahogy a szén égett, a szigetelőréteg elpárolgott.

Az ívkisülést napjainkban is fényforrásként használják, például keresőlámpákban, vetítőkben.

Az ívkisülés magas hőmérséklete lehetővé teszi ívkemence építésére való felhasználását. Jelenleg számos iparágban használják a nagyon nagy árammal működő ívkemencéket: acél, öntöttvas, vasötvözetek, bronz olvasztására, kalcium-karbid, nitrogén-oxid stb. gyártására.

N. N. Benardos 1882-ben használt először ívkisülést fém vágására és hegesztésére. A rögzített szénelektróda és a fém közötti kisülés felmelegíti a kettő találkozási pontját fémlemezek(vagy lemezeket) és hegeszti őket. Benardos ugyanezt a módszert használta a vágáshoz fémlemezekés lyukakat szerezni rajtuk. 1888-ban N. G. Slavyanov továbbfejlesztette ezt a hegesztési módszert azáltal, hogy a szénelektródát fémre cserélte.

Az ívkisülés alkalmazásra talált egy higany egyenirányítóban, amely a váltakozó elektromos áramot egyenárammá alakítja.

E. Vérplazma.

A plazma részben vagy teljesen ionizált gáz, amelyben a pozitív és negatív töltések sűrűsége közel azonos. Így a plazma összességében elektromosan semleges rendszer.

A plazma mennyiségi jellemzője az ionizáció mértéke. A plazma ionizációs foka a töltött részecskék térfogatkoncentrációjának és a részecskék teljes térfogatkoncentrációjának aránya. Az ionizáció mértékétől függően a plazmát felosztják gyengén ionizált(a a százalék töredékei), részben ionizált (a néhány százalékos nagyságrendű) és teljesen ionizált (a közel 100%). Gyengén ionizált plazma természeti viszonyok a légkör felső rétegei - az ionoszféra. A nap, a forró csillagok és néhány csillagközi felhő teljesen ionizált plazma, amely magas hőmérsékleten képződik.

Közepes energiák különféle típusok a plazmát alkotó részecskék jelentősen eltérhetnek egymástól. Ezért a plazma nem jellemezhető egyetlen T hőmérsékleti értékkel; különbséget teszünk a T e elektronhőmérséklet, az ionhőmérséklet T i (vagy ionhőmérséklet, ha többféle ion van a plazmában) és a semleges atomok hőmérséklete T a (semleges komponens) között. Az ilyen plazmát nem izotermikusnak nevezik, ellentétben az izoterm plazmával, amelyben az összes komponens hőmérséklete azonos.

A plazma is fel van osztva magas hőmérsékletűre (T i »10 6 -10 8 K és több) és alacsony hőmérsékletűre!!! (T i<=10 5 К). Это условное разделение связано с особой влажностью высокотемпературной плазмы в связи с проблемой осуществления управляемого термоядерного синтеза.

A plazmának számos sajátos tulajdonsága van, ami lehetővé teszi számunkra, hogy egy speciális negyedik halmazállapotnak tekintsük.

A töltött plazmarészecskék nagy mobilitása miatt könnyen mozognak elektromos és mágneses mezők hatására. Ezért a plazma egyes régióinak elektromos semlegességének bármilyen megsértése, amelyet az azonos töltésjelű részecskék felhalmozódása okoz, gyorsan kiküszöbölhető. A keletkező elektromos mezők addig mozgatják a töltött részecskéket, amíg az elektromos semlegesség helyreáll, és az elektromos mező nullává válik. A semleges gázzal ellentétben, ahol a molekulák között rövid hatótávolságú erők lépnek fel, a Coulomb-erők a töltött plazmarészecskék között hatnak, és a távolsággal viszonylag lassan csökkennek. Mindegyik részecske azonnal kölcsönhatásba lép nagyszámú környező részecskével. Ennek köszönhetően a kaotikus hőmozgás mellett a plazmarészecskék különféle rendezett mozgásokban vehetnek részt. A különböző típusú rezgések és hullámok könnyen gerjeszthetők a plazmában.

A plazma vezetőképessége az ionizáció mértékének növekedésével nő. Magas hőmérsékleten a teljesen ionizált plazma vezetőképességében megközelíti a szupravezetőket.

Az alacsony hőmérsékletű plazmát gázkisüléses fényforrásokban használják - világítócsövekben reklámfeliratokhoz, fénycsövekben. A gázkisüléses lámpát számos eszközben használják, például gázlézerekben - kvantumfényforrásokban.

Magnetohidrodinamikus generátorokban magas hőmérsékletű plazmát használnak.

Nemrég létrehoztak egy új eszközt, a plazmalámpát. A plazmaégő nagy teljesítményű, sűrű, alacsony hőmérsékletű plazmasugárokat hoz létre, amelyeket széles körben használnak a technológia különböző területein: fémek vágására és hegesztésére, kutak fúrására kemény kőzetekben stb.

A felhasznált irodalom listája:

1) Fizika: Elektrodinamika. 10-11 cella: tankönyv. a fizika elmélyült tanulmányozására / G. Ya. Myakishev, A. Z. Sinyakov, B. A. Slobodskov. - 2. kiadás - M.: Drofa, 1998. - 480 p.

2) Fizika tanfolyam (három kötetben). T. II. elektromosság és mágnesesség. Proc. kézikönyv a műszaki főiskolák számára. / Detlaf A.A., Yavorsky B. M., Milkovskaya L. B. Izd. 4., átdolgozott. - M.: Felsőiskola, 1977. - 375 p.

3) Villamos energia./E. G. Kalasnyikov. Szerk. "Tudomány", Moszkva, 1977.

4) Fizika./B. B. Buhovcev, Yu. L. Klimontovics, G. Ya. Myakishev. 3. kiadás, átdolgozott. – M.: Felvilágosodás, 1986.

A szabad elektronok irányított mozgásával jön létre, és ebben az esetben nem történik változás abban az anyagban, amelyből a vezető készül.

Az ilyen vezetőket, amelyekben az elektromos áram áthaladását nem kísérik anyaguk kémiai változásai, nevezzük az első típusú karmesterek. Ezek közé tartozik az összes fém, a szén és számos más anyag.

De vannak a természetben olyan elektromos áramvezetők is, amelyekben az áram áthaladása során kémiai jelenségek lépnek fel. Ezeket a vezetőket ún a második típusú karmesterek. Ide tartoznak elsősorban a savak, sók és lúgok különféle vizes oldatai.

Ha vizet öntünk egy üvegedénybe, és néhány csepp kénsavat (vagy más savat vagy lúgot) csepegtetünk bele, majd veszünk két fémlemezt, és a lemezeket az edénybe süllyesztve vezetékeket kötünk rájuk, és áramot csatlakoztatunk kapcsolón és ampermérőn keresztül áramlik a vezetékek másik végére, majd az oldatból gáz szabadul fel, és az áramkör zárásáig folyamatosan folytatódik. a savanyított víz valóban vezető. Ezenkívül a lemezeket gázbuborékok kezdik borítani. Ezután ezek a buborékok leválik a tányérokról és kijönnek.

Amikor elektromos áram halad át az oldaton, kémiai változások következnek be, aminek következtében gáz szabadul fel.

A második típusú vezetőket elektrolitoknak nevezzük, és az elektrolitban bekövetkező jelenség, amikor elektromos áram halad át rajta.

Az elektrolitba mártott fémlemezeket elektródáknak nevezzük; az egyiket, amely az áramforrás pozitív pólusára csatlakozik, anódnak, a másikat, amely a negatív pólusra csatlakozik, katódnak nevezzük.

Mi okozza az elektromos áram áthaladását egy folyékony vezetőben? Kiderült, hogy az ilyen oldatokban (elektrolitok) a savmolekulák (lúgok, sók) oldószer (jelen esetben víz) hatására két komponensre bomlanak, ill. a molekula egyik részecskéje pozitív, a másik negatív elektromos töltésű.

A molekulák elektromos töltéssel rendelkező részecskéit ionoknak nevezzük. Amikor egy savat, sót vagy lúgot feloldunk vízben, nagyszámú pozitív és negatív ion is megjelenik az oldatban.

Most már ki kell derülnie, hogy miért haladt át elektromos áram az oldaton, mert az áramforráshoz csatlakoztatott elektródák között ez keletkezett, vagyis az egyik pozitív, a másik negatív töltésűnek bizonyult. Ennek a potenciálkülönbségnek a hatására a pozitív ionok a negatív elektród - a katód -, a negatív ionok pedig az anód felé kezdtek mozogni.

Így az ionok kaotikus mozgása a negatív ionok, a másik irányba a pozitív ionok rendezett ellenmozgásává vált. Ez a töltésátviteli folyamat az elektromos áram áramlását alkotja az elektroliton keresztül, és addig megy végbe, amíg potenciálkülönbség van az elektródák között. A potenciálkülönbség megszűnésével az elektroliton áthaladó áram leáll, az ionok rendezett mozgása megzavarodik, ismét kaotikus mozgás lép fel.

Példaként tekintsük az elektrolízis jelenségét, amikor réz-szulfát CuSO4 oldatán elektromos áramot vezetünk át, és rézelektródákat engedünk bele.

Az elektrolízis jelensége, amikor az áram áthalad egy réz-szulfát oldaton: C - edény elektrolittal, B - áramforrás, C - kapcsoló

Az ionok ellenirányú mozgása is lesz az elektródák felé. A pozitív ion a réz (Cu) ion, a negatív ion pedig a savmaradék (SO4) ion lesz. A rézionok a katóddal érintkezve kisülnek (a hiányzó elektronokat magukhoz kötik), azaz tiszta réz semleges molekulákká alakulnak, és a legvékonyabb (molekuláris) réteg formájában lerakódnak a katódra.

Az anódot elérve a negatív ionok is kisülnek (felesleges elektronokat adnak le). Ugyanakkor kémiai reakcióba lépnek az anód rézével, melynek eredményeként réz Cu molekula kötődik a savas SO4 maradékhoz, és réz-szulfát CuS O4 molekula keletkezik, amely visszakerül. vissza az elektrolithoz.

Mivel ez a kémiai folyamat hosszú ideig tart, réz rakódik le a katódon, amely felszabadul az elektrolitból. Ebben az esetben a katódra került rézmolekulák helyett az elektrolit új rézmolekulákat kap a második elektród - az anód - feloldódása miatt.

Ugyanez a folyamat megy végbe, ha cinkelektródákat veszünk a réz helyett, és az elektrolit a cink-szulfát ZnSO4 oldata. A cink is átkerül az anódról a katódra.

És így, Különbség az elektromos áram között a fémekben és a folyadékvezetőkben abban rejlik, hogy a fémekben csak a szabad elektronok, azaz a negatív töltések töltéshordozók, míg az elektrolitokban ellentétes töltésű anyagrészecskék - ellentétes irányba mozgó ionok - hordozzák. Ezért ezt mondják Az elektrolitoknak ionos vezetőképességük van.

Az elektrolízis jelensége 1837-ben fedezte fel B. S. Jacobi, aki számos kísérletet végzett a kémiai áramforrások tanulmányozásával és javításával kapcsolatban. Jacobi megállapította, hogy az egyik réz-szulfát oldatba helyezett elektródát, amikor elektromos áram halad át rajta, réz borítja.

Ezt a jelenséget az ún galvanizálás, most rendkívül széles gyakorlati alkalmazásra talál. Ennek egyik példája a fémtárgyak bevonása vékony más fémréteggel, azaz nikkelezés, aranyozás, ezüstözés stb.

A gázok (beleértve a levegőt is) normál körülmények között nem vezetnek áramot. Például az egymással párhuzamosan felfüggesztett mezteleneket egy levegőréteg választja el egymástól.

Magas hőmérséklet, nagy potenciálkülönbség és egyéb okok hatására azonban a gázok, mint a folyadékvezetők, ionizálódnak, azaz nagy számban jelennek meg bennük a gázmolekulák részecskéi, amelyek elektromosság hordozóiként hozzájárulnak az áthaladáshoz. elektromos áram a gázon keresztül.

Ugyanakkor a gáz ionizációja eltér a folyékony vezető ionizációjától. Ha folyadékban egy molekula két töltött részre bomlik, akkor a gázokban az ionizáció hatására az elektronok mindig elválik minden molekulától, és egy ion a molekula pozitív töltésű része formájában marad.

Csak meg kell állítani a gáz ionizációját, mivel az megszűnik vezetőnek lenni, miközben a folyadék mindig elektromos áramvezető marad. Következésképpen a gáz vezetőképessége átmeneti jelenség, amely külső okok hatásától függ.

Van azonban egy másik, az úgynevezett ívkisülés vagy csak egy elektromos ív. Az elektromos ív jelenségét a 19. század elején fedezte fel az első orosz villamosmérnök, V. V. Petrov.

V. V. Petrov számos kísérletet végezve felfedezte, hogy az áramforráshoz csatlakoztatott két szén között folyamatos elektromos kisülés lép fel a levegőn keresztül, amelyet erős fény kísér. V. V. Petrov írásaiban azt írta, hogy ebben az esetben "a sötét béke elég erősen megvilágítható". Így először kaptak elektromos fényt, amelyet gyakorlatilag egy másik orosz villamosmérnök, Pavel Nikolaevich Yablochkov alkalmazott.

A "Yablochkov's Candle", amelynek munkája az elektromos ív használatán alapul, valódi forradalmat hozott az elektrotechnikában azokban a napokban.

Az ívkisülést napjainkban is fényforrásként használják, például keresőlámpákban, vetítőkben. Az ívkisülés magas hőmérséklete lehetővé teszi, hogy . Jelenleg számos iparágban használják a nagyon nagy árammal működő ívkemencéket: acél, öntöttvas, vasötvözetek, bronz stb. olvasztására. 1882-ben pedig N. N. Benardos használt először ívkisülést fém vágására és hegesztésére.

Gáz-fénycsövekben, fénycsövekben, feszültségstabilizátorokban az elektron- és ionsugarak előállításához ún. izzó gázkisülés.

A nagy potenciálkülönbségek mérésére szikrakisülést alkalmaznak egy gömb alakú szikraköz segítségével, melynek elektródái két polírozott felületű fémgolyó. A golyókat elmozdítják egymástól, és mért potenciálkülönbséget alkalmaznak rájuk. Ezután a golyókat összehozzuk, amíg egy szikra nem ugrik közéjük. A golyók átmérőjének, a köztük lévő távolságnak, a levegő nyomásának, hőmérsékletének és páratartalmának ismeretében speciális táblázatok alapján találják meg a golyók közötti potenciálkülönbséget. Ezzel a módszerrel több százalékos pontossággal több tízezer voltos nagyságrendű potenciálkülönbség is mérhető.

Az elektromos áram a gázokban normál körülmények között lehetetlen. Vagyis légköri páratartalom, nyomás és hőmérséklet mellett nincsenek töltéshordozók a gázban. A gáznak, különösen a levegőnek ezt a tulajdonságát felsővezetékekben és relékapcsolókban használják elektromos szigetelés biztosítására.

De bizonyos körülmények között áram figyelhető meg a gázokban. Végezzünk egy kísérletet. Neki légkondenzátoros elektrométerre és csatlakozó vezetékekre van szükségünk. Először is csatlakoztassuk az elektrométert a kondenzátorhoz. Ezután jelentjük a töltést a kondenzátorlapokon. Az elektrométer pontosan ennek a töltésnek a jelenlétét fogja mutatni. A légkondenzátor egy ideig tárolja a töltést. Vagyis nem lesz áram a lemezei között. Ez arra utal, hogy a kondenzátor lemezei közötti levegő dielektromos tulajdonságokkal rendelkezik.

1. ábra - Elektrométerhez csatlakoztatott feltöltött kondenzátor

Ezután egy gyertyalángot vezetünk be a lemezek közötti résbe. Ugyanakkor látni fogjuk, hogy az elektrométer töltéscsökkenést fog mutatni a kondenzátorlapokon. Vagyis a lemezek közötti résben áram folyik. Miért történik ez.

2. ábra - Gyertya behelyezése a feltöltött kondenzátor lapjai közötti résbe

Normál körülmények között a gázmolekulák elektromosan semlegesek. És nem képesek áramot adni. De a hőmérséklet emelkedésével a gáz úgynevezett ionizációja következik be, és vezetővé válik. A gázban pozitív és negatív ionok jelennek meg.

Ahhoz, hogy egy elektron elszakadjon a gázatomtól, a Coulomb-erők ellen kell dolgozni. Ehhez energiára van szükség. Az atom ezt az energiát a hőmérséklet emelkedésével nyeri el. Mivel a hőmozgás kinetikus energiája egyenesen arányos a gáz hőmérsékletével. Majd ennek növekedésével a molekulák és az atomok elegendő energiát kapnak ahhoz, hogy az atomokról az elektronok ütközéskor leválasszanak. Az ilyen atom pozitív ionná válik. A leszakadt elektron egy másik atomhoz tud tapadni, akkor negatív ion lesz belőle.

Ennek eredményeként a lemezek közötti résben pozitív és negatív ionok, valamint elektronok jelennek meg. Mindegyik elkezd mozogni a kondenzátorlapokon lévő töltések által létrehozott mező hatására. A pozitív ionok a katód felé mozognak. A negatív ionok és elektronok az anódhoz hajlanak. Így a légrésben áramot biztosítanak.

Az áram feszültségtől való függése nem minden területen engedelmeskedik Ohm törvényének. Az első szakaszban ez így van a feszültség növekedésével, növekszik az ionok száma, és ennek következtében az áramerősség. Továbbá a második szakaszban telítés történik, vagyis a feszültség növekedésével az áram nem növekszik. Mert az ionok koncentrációja maximális, és egyszerűen a semmiből jelennek meg újak.

3. ábra - a légrés áram-feszültség karakterisztikája

A harmadik szakaszban ismét megnövekszik az áramerősség a feszültség növekedésével. Ezt a szakaszt önkisülésnek nevezik. Azaz harmadik féltől származó ionizátorokra már nincs szükség a gáz áramának fenntartásához. Ez annak a ténynek köszönhető, hogy a nagyfeszültségű elektronok elegendő energiát kapnak ahhoz, hogy más elektronokat maguktól ütjenek ki az atomokból. Ezek az elektronok viszont kiütnek másokat, és így tovább. A folyamat lavinaszerűen megy. A gáz fő vezetőképességét pedig már az elektronok adják.