Arus listrik dalam pesan gas. Arus listrik dalam gas: definisi, fitur, dan fakta menarik

Dalam gas, ada pelepasan listrik yang tidak mandiri dan mandiri.

Fenomena aliran arus listrik melalui gas, yang diamati hanya di bawah kondisi pengaruh eksternal apa pun pada gas, disebut pelepasan listrik yang tidak mandiri. Proses pelepasan elektron dari atom disebut ionisasi atom. Energi minimum yang harus dikeluarkan untuk melepaskan elektron dari atom disebut energi ionisasi. Gas yang terionisasi sebagian atau seluruhnya, yang rapat muatan positif dan negatifnya sama, disebut plasma.

Pembawa arus listrik dalam pelepasan yang tidak mandiri adalah ion positif dan elektron negatif. Karakteristik arus-tegangan ditunjukkan pada gambar. 54. Di bidang OAB - pelepasan yang tidak mandiri. Di wilayah BC, debit menjadi independen.

Dalam self-discharge, salah satu metode ionisasi atom adalah ionisasi dampak elektron. Ionisasi oleh tumbukan elektron menjadi mungkin ketika elektron memperoleh energi kinetik W k pada jalur bebas rata-rata A, cukup untuk melakukan kerja pelepasan elektron dari atom. Jenis pelepasan independen dalam gas - pelepasan percikan, korona, busur, dan pijar.

pelepasan percikan terjadi antara dua elektroda yang bermuatan berbeda dan memiliki beda potensial yang besar. Tegangan antara benda yang bermuatan berlawanan mencapai hingga 40.000 V. Pelepasan percikan bersifat jangka pendek, mekanismenya adalah dampak elektronik. Petir adalah jenis pelepasan percikan.

Dalam medan listrik yang sangat tidak homogen, terbentuk, misalnya, antara ujung dan bidang atau antara kabel saluran listrik dan permukaan bumi, terjadi bentuk khusus pelepasan mandiri dalam gas, yang disebut pelepasan korona.

Pelepasan busur listrik ditemukan oleh ilmuwan Rusia V.V. Petrov pada tahun 1802. Ketika dua elektroda yang terbuat dari batu bara bersentuhan pada tegangan 40-50 V, di beberapa tempat ada area penampang kecil dengan hambatan listrik yang tinggi. Area ini menjadi sangat panas, memancarkan elektron yang mengionisasi atom dan molekul di antara elektroda. Pembawa arus listrik dalam busur adalah ion dan elektron bermuatan positif.

Pelepasan yang terjadi pada tekanan yang dikurangi disebut debit cahaya. Ketika tekanan berkurang, jalur bebas rata-rata elektron meningkat, dan selama waktu antara tumbukan, ia memiliki waktu untuk memperoleh energi yang cukup untuk ionisasi dalam Medan listrik dengan lebih sedikit stres. Pelepasan dilakukan oleh longsoran ion elektron.

1. Ionisasi, esensi dan jenisnya.

Syarat pertama adanya arus listrik adalah adanya pembawa muatan bebas. Dalam gas, mereka muncul sebagai akibat dari ionisasi. Di bawah aksi faktor ionisasi, elektron dipisahkan dari partikel netral. atom menjadi ion positif. Jadi, ada 2 jenis pembawa muatan: ion positif dan elektron bebas. Jika sebuah elektron bergabung dengan atom netral, maka ion negatif muncul, mis. jenis ketiga pembawa muatan. Gas yang terionisasi disebut konduktor jenis ketiga. Dua jenis konduktivitas dimungkinkan di sini: elektronik dan ionik. Bersamaan dengan proses ionisasi, proses sebaliknya, rekombinasi, terjadi. Dibutuhkan energi untuk memisahkan elektron dari atom. Jika energi disuplai dari luar, maka faktor-faktor yang berkontribusi terhadap ionisasi disebut eksternal (suhu tinggi, radiasi pengion, radiasi ultraviolet, kuat Medan magnet). Tergantung pada faktor ionisasi, itu disebut ionisasi termal, fotoionisasi. Juga, ionisasi dapat disebabkan oleh kejutan mekanis. Faktor ionisasi dibagi menjadi alami dan buatan. Yang alami disebabkan oleh radiasi Matahari, latar belakang radioaktif Bumi. Selain ionisasi eksternal, ada internal. Ini dibagi menjadi perkusi dan melangkah.

Ionisasi dampak.

Pada tegangan yang cukup tinggi, elektron yang dipercepat oleh medan hingga kecepatan tinggi sendiri menjadi sumber ionisasi. Ketika elektron seperti itu menyerang atom netral, elektron terlempar keluar dari atom. Ini terjadi ketika energi elektron yang menyebabkan ionisasi melebihi energi ionisasi atom. Tegangan antara elektroda harus cukup bagi elektron untuk memperoleh energi yang dibutuhkan. Tegangan ini disebut tegangan ionisasi. Masing-masing memiliki arti tersendiri.

Jika energi elektron yang bergerak kurang dari yang diperlukan, maka hanya eksitasi atom netral yang terjadi saat tumbukan. Jika elektron yang bergerak bertabrakan dengan atom yang tereksitasi sebelumnya, maka ionisasi bertahap terjadi.

2. Pelepasan gas tidak mandiri dan karakteristik tegangan arusnya.

Ionisasi mengarah pada pemenuhan kondisi pertama untuk keberadaan arus, yaitu. untuk munculnya biaya gratis. Agar arus terjadi, diperlukan gaya eksternal, yang akan membuat muatan bergerak ke arah, mis. diperlukan medan listrik. Arus listrik dalam gas disertai dengan sejumlah fenomena: cahaya, suara, pembentukan ozon, nitrogen oksida. Himpunan fenomena yang menyertai aliran arus melalui gas - gas peringkat. Seringkali, proses melewatkan arus disebut pelepasan gas.

Pelepasan disebut non-self-sustaining jika hanya ada selama aksi ionizer eksternal. Dalam hal ini, setelah penghentian aksi ionizer eksternal, tidak ada pembawa muatan baru yang terbentuk, dan arus berhenti. Dengan pelepasan yang tidak mandiri, arusnya kecil, dan tidak ada pancaran gas.

Pelepasan gas independen, jenis dan karakteristiknya.

Pelepasan gas independen adalah pelepasan yang dapat terjadi setelah penghentian ionizer eksternal, yaitu. karena dampak ionisasi. Dalam hal ini, fenomena cahaya dan suara diamati, kekuatan arus dapat meningkat secara signifikan.

Jenis pelepasan diri:

1. pelepasan yang tenang - mengikuti langsung setelah yang tidak mandiri, kekuatan saat ini tidak melebihi 1 mA, tidak ada fenomena suara dan cahaya. Ini digunakan dalam fisioterapi, penghitung Geiger-Muller.

2. debit cahaya. Saat tegangan meningkat, keheningan berubah menjadi membara. Itu terjadi pada tegangan tertentu - tegangan pengapian. Itu tergantung pada jenis gasnya. Neon memiliki 60-80 V. Itu juga tergantung pada tekanan gas. Pelepasan cahaya disertai dengan cahaya, ini terkait dengan rekombinasi, yang sejalan dengan pelepasan energi. Warnanya juga tergantung pada jenis gas. Ini digunakan dalam lampu indikator (neon, bakterisida ultraviolet, penerangan, luminescent).

3. pelepasan busur. Kekuatan saat ini adalah 10 - 100 A. Ini disertai dengan cahaya yang intens, suhu di celah pelepasan gas mencapai beberapa ribu derajat. Ionisasi mencapai hampir 100%. 100% gas terionisasi - plasma gas dingin. Dia memiliki konduktivitas yang baik. Hal ini digunakan dalam lampu merkuri tekanan tinggi dan ultrahigh.

4. Debit percikan adalah sejenis pelepasan busur. Ini adalah pelepasan pulsa-osilasi. Dalam kedokteran, efek osilasi frekuensi tinggi digunakan.Pada kepadatan arus tinggi, fenomena suara yang intens diamati.

5. pelepasan korona. Ini adalah semacam pelepasan cahaya. Ini diamati di tempat-tempat di mana ada perubahan tajam dalam kekuatan medan listrik. Di sini ada longsoran muatan dan pancaran gas - korona.

abstrak fisika

pada topik:

"Arus listrik dalam gas".

Arus listrik dalam gas.

1. Pelepasan listrik dalam gas.

Semua gas dalam keadaan alaminya tidak menghantarkan listrik. Hal ini terlihat dari pengalaman berikut:

Mari kita ambil elektrometer dengan cakram kapasitor datar yang terpasang padanya dan isi daya. Pada suhu kamar jika udara cukup kering, kapasitor tidak keluar secara nyata - posisi jarum elektrometer tidak berubah. Untuk melihat penurunan sudut deviasi jarum elektrometer, diperlukan lama. Ini menunjukkan bahwa listrik di udara antara disk sangat kecil. Pengalaman ini menunjukkan bahwa udara merupakan penghantar arus listrik yang buruk.

Mari kita modifikasi eksperimennya: mari kita panaskan udara di antara cakram dengan nyala lampu alkohol. Kemudian sudut defleksi penunjuk elektrometer berkurang dengan cepat, yaitu perbedaan potensial antara disk kapasitor berkurang - kapasitor habis. Akibatnya, udara panas di antara cakram telah menjadi konduktor, dan arus listrik terbentuk di dalamnya.

Sifat isolasi gas dijelaskan oleh fakta bahwa tidak ada muatan listrik bebas di dalamnya: atom dan molekul gas dalam keadaan alaminya netral.

2. Ionisasi gas.

Pengalaman di atas menunjukkan bahwa partikel bermuatan muncul dalam gas di bawah pengaruh suhu tinggi. Mereka muncul sebagai akibat dari pemisahan satu atau lebih elektron dari atom gas, sebagai akibatnya ion positif dan elektron muncul alih-alih atom netral. Bagian dari elektron yang terbentuk dapat ditangkap oleh atom netral lainnya, dan kemudian lebih banyak ion negatif akan muncul. Penguraian molekul gas menjadi elektron dan ion positif disebut ionisasi gas.

Memanaskan gas ke suhu tinggi bukan satu-satunya cara untuk mengionisasi molekul atau atom gas. Ionisasi gas dapat terjadi di bawah pengaruh berbagai interaksi eksternal: pemanasan gas yang kuat, sinar X, a-, b- dan g-ray yang timbul dari peluruhan radioaktif, sinar kosmik, pemboman molekul gas oleh elektron atau ion yang bergerak cepat. Faktor penyebab terjadinya ionisasi gas disebut pengion. Sifat kuantitatif dari proses ionisasi adalah intensitas ionisasi, diukur dengan jumlah pasangan partikel bermuatan berlawanan tanda yang muncul dalam satuan volume gas per satuan waktu.

Ionisasi atom membutuhkan pengeluaran energi tertentu - energi ionisasi. Untuk mengionisasi atom (atau molekul), perlu dilakukan kerja melawan gaya interaksi antara elektron yang dikeluarkan dan partikel atom (atau molekul) lainnya. Kerja ini disebut kerja ionisasi A i . Nilai kerja ionisasi bergantung pada sifat kimia keadaan gas dan energi dari elektron yang dikeluarkan dalam atom atau molekul.

Setelah penghentian pengion, jumlah ion dalam gas berkurang dari waktu ke waktu dan akhirnya ion hilang sama sekali. Hilangnya ion dijelaskan oleh fakta bahwa ion dan elektron terlibat dalam gerakan termal dan karena itu saling bertabrakan. Ketika ion positif dan elektron bertabrakan, mereka dapat bersatu kembali menjadi atom netral. Dengan cara yang sama, ketika ion positif dan negatif bertabrakan, ion negatif dapat menyerahkan kelebihan elektronnya kepada ion positif dan kedua ion tersebut akan berubah menjadi atom netral. Proses netralisasi timbal balik ion ini disebut rekombinasi ion. Ketika ion positif dan elektron atau dua ion bergabung kembali, energi tertentu dilepaskan, sama dengan energi yang dihabiskan untuk ionisasi. Sebagian, itu dipancarkan dalam bentuk cahaya, dan oleh karena itu rekombinasi ion disertai dengan pendaran (luminescence of rekombinasi).

Dalam fenomena pelepasan listrik dalam gas, ionisasi atom oleh tumbukan elektron memainkan peran penting. Proses ini terdiri dari fakta bahwa elektron yang bergerak, yang memiliki energi kinetik yang cukup, melumpuhkan satu atau lebih elektron atom, akibatnya atom netral berubah menjadi ion positif, dan elektron baru muncul dalam gas (ini akan dibahas nanti).

Tabel di bawah ini memberikan energi ionisasi beberapa atom.

3. Mekanisme konduktivitas listrik gas.

Mekanisme konduktivitas gas mirip dengan mekanisme konduktivitas larutan elektrolit dan lelehan. Dengan tidak adanya medan eksternal, partikel bermuatan, seperti molekul netral, bergerak secara acak. Jika ion dan elektron bebas berada dalam medan listrik eksternal, maka mereka bergerak secara terarah dan menciptakan arus listrik dalam gas.

Dengan demikian, arus listrik dalam gas merupakan perpindahan ion positif ke katoda, dan ion negatif dan elektron ke anoda. Arus total dalam gas terdiri dari dua aliran partikel bermuatan: aliran menuju anoda dan aliran menuju katoda.

Netralisasi partikel bermuatan terjadi pada elektroda, seperti dalam kasus aliran arus listrik melalui larutan dan lelehan elektrolit. Namun, dalam gas tidak ada pelepasan zat pada elektroda, seperti halnya dalam larutan elektrolit. Ion gas, mendekati elektroda, memberikan muatannya, berubah menjadi molekul netral dan berdifusi kembali menjadi gas.

Perbedaan lain dalam konduktivitas listrik gas terionisasi dan larutan (meleleh) elektrolit adalah bahwa muatan negatif selama aliran arus melalui gas ditransfer terutama bukan oleh ion negatif, tetapi oleh elektron, meskipun konduktivitas karena ion negatif juga dapat berperan. peran tertentu.

Dengan demikian, gas menggabungkan konduktivitas elektronik, mirip dengan konduktivitas logam, dengan konduktivitas ionik, mirip dengan konduktivitas larutan air dan lelehan elektrolit.

4. Pelepasan gas yang tidak mandiri.

Proses melewatkan arus listrik melalui gas disebut pelepasan gas. Jika konduktivitas listrik gas dibuat oleh pengion eksternal, maka arus listrik yang timbul di dalamnya disebut pelepasan gas yang tidak mandiri. Dengan penghentian aksi ionizers eksternal, pelepasan non-berkelanjutan berhenti. Pelepasan gas yang tidak mandiri tidak disertai dengan pancaran gas.

Di bawah ini adalah grafik ketergantungan kekuatan arus pada tegangan untuk pelepasan non-berkelanjutan dalam gas. Sebuah tabung kaca dengan dua elektroda logam disolder ke dalam kaca digunakan untuk memplot grafik. Rantai dirakit seperti yang ditunjukkan pada gambar di bawah ini.

Pada tegangan tertentu, tibalah suatu titik di mana semua partikel bermuatan yang dibentuk dalam gas oleh ionizer dalam sedetik mencapai elektroda dalam waktu yang sama. Peningkatan tegangan lebih lanjut tidak dapat lagi menyebabkan peningkatan jumlah ion yang diangkut. Arus mencapai saturasi (bagian horizontal grafik 1).

5. Pelepasan gas independen.

Pelepasan listrik dalam gas yang berlangsung setelah penghentian aksi ionizer eksternal disebut pelepasan gas independen. Untuk implementasinya, perlu bahwa sebagai akibat dari pelepasan itu sendiri, muatan bebas terus menerus terbentuk dalam gas. Sumber utama kemunculannya adalah dampak ionisasi molekul gas.

Jika, setelah mencapai saturasi, kita terus meningkatkan beda potensial antara elektroda, maka kekuatan arus pada tegangan yang cukup tinggi akan meningkat tajam (grafik 2).

Ini berarti bahwa ion tambahan muncul dalam gas, yang terbentuk karena aksi ionizer. Kekuatan arus dapat meningkat ratusan dan ribuan kali, dan jumlah partikel bermuatan yang muncul selama pelepasan dapat menjadi sangat besar sehingga pengion eksternal tidak lagi diperlukan untuk mempertahankan pelepasan. Oleh karena itu, ionizer sekarang dapat dihilangkan.

Apa alasan peningkatan tajam dalam kekuatan arus pada tegangan tinggi? Mari kita pertimbangkan setiap pasangan partikel bermuatan (ion positif dan elektron) yang terbentuk karena aksi ionizer eksternal. Elektron bebas yang muncul dengan cara ini mulai bergerak menuju elektroda positif - anoda, dan ion positif - menuju katoda. Dalam perjalanannya, elektron bertemu ion dan atom netral. Dalam interval antara dua tumbukan yang berurutan, energi elektron meningkat karena kerja gaya medan listrik.

Semakin besar beda potensial antara elektroda, semakin besar kuat medan listrik. Energi kinetik elektron sebelum tumbukan berikutnya sebanding dengan kuat medan dan jalur bebas elektron: MV 2 /2=eEl. Jika energi kinetik elektron melebihi kerja A i yang perlu dilakukan untuk mengionisasi atom (atau molekul) netral, mis. MV 2 >A i , maka ketika elektron bertabrakan dengan atom (atau molekul), elektron tersebut terionisasi. Akibatnya, alih-alih satu elektron, muncul dua elektron (menyerang atom dan merobek atom). Mereka, pada gilirannya, menerima energi di lapangan dan mengionisasi atom yang datang, dll. Akibatnya, jumlah partikel bermuatan meningkat dengan cepat, dan longsoran elektron muncul. Proses yang dijelaskan disebut ionisasi dampak elektron.

Tetapi ionisasi oleh tumbukan elektron saja tidak dapat memastikan pemeliharaan muatan independen. Memang, bagaimanapun, semua elektron yang muncul dengan cara ini bergerak menuju anoda dan, setelah mencapai anoda, "keluar dari permainan". Untuk mempertahankan pelepasannya memerlukan emisi elektron dari katoda ("emisi" berarti "emisi"). Emisi elektron dapat disebabkan oleh beberapa alasan.

Ion positif, terbentuk selama tumbukan elektron dengan atom netral, dalam pergerakannya ke katoda memperoleh energi kinetik yang besar di bawah aksi medan. Ketika ion secepat itu mengenai katoda, elektron terlempar keluar dari permukaan katoda.

Selain itu, katoda dapat memancarkan elektron ketika dipanaskan hingga suhu tinggi. Proses ini disebut emisi termionik. Ini dapat dianggap sebagai penguapan elektron dari logam. Di banyak padatan emisi termionik terjadi pada suhu di mana penguapan zat itu sendiri masih kecil. Zat tersebut digunakan untuk pembuatan katoda.

Selama self-discharge, katoda dapat dipanaskan dengan membombardirnya dengan ion positif. Jika energi ion tidak terlalu tinggi, maka tidak ada knocking elektron dari katoda dan elektron dipancarkan karena emisi termionik.

6. Berbagai jenis self-discharge dan aplikasi teknisnya.

Tergantung pada sifat dan keadaan gas, sifat dan lokasi elektroda, serta pada tegangan yang diterapkan pada elektroda, jenis yang berbeda pangkat mandiri. Mari kita pertimbangkan beberapa di antaranya.

A. Pelepasan yang membara.

Sebuah debit cahaya diamati dalam gas di tekanan rendah dari urutan beberapa puluh milimeter air raksa dan kurang. Jika kita mempertimbangkan tabung dengan debit cahaya, kita dapat melihat bahwa bagian utama dari debit cahaya adalah: katoda Ruang Gelap, jauh dari dia negatif atau cahaya membara, yang secara bertahap masuk ke daerah itu ruang gelap faraday. Ketiga wilayah ini membentuk bagian katoda dari pelepasan, diikuti oleh bagian bercahaya utama dari pelepasan, yang menentukan sifat optiknya dan disebut kolom positif.

Peran utama dalam menjaga pelepasan cahaya dimainkan oleh dua wilayah pertama dari bagian katodanya. fitur karakteristik Jenis pelepasan ini adalah penurunan tajam potensial di dekat katoda, yang dikaitkan dengan konsentrasi ion positif yang tinggi pada batas daerah I dan II, karena kecepatan ion yang relatif rendah di katoda. Di ruang gelap katoda, ada percepatan kuat elektron dan ion positif, menjatuhkan elektron dari katoda. Di wilayah pancaran cahaya, elektron menghasilkan ionisasi tumbukan kuat dari molekul gas dan kehilangan energinya. Di sini, ion positif terbentuk, yang diperlukan untuk mempertahankan pelepasan. Kuat medan listrik di wilayah ini rendah. Cahaya yang membara terutama disebabkan oleh rekombinasi ion dan elektron. Panjang ruang gelap katoda ditentukan oleh sifat-sifat gas dan bahan katoda.

Di daerah kolom positif, konsentrasi elektron dan ion kira-kira sama dan sangat tinggi, yang menyebabkan konduktivitas listrik yang tinggi dari kolom positif dan sedikit penurunan potensial di dalamnya. Cahaya kolom positif ditentukan oleh cahaya molekul gas yang tereksitasi. Di dekat anoda, perubahan potensial yang relatif tajam diamati lagi, yang terkait dengan proses pembentukan ion positif. Dalam beberapa kasus, kolom positif pecah menjadi area bercahaya terpisah - lapisan, dipisahkan oleh ruang gelap.

Kolom positif tidak memainkan peran penting dalam mempertahankan debit pijar; oleh karena itu, ketika jarak antara elektroda tabung berkurang, panjang kolom positif berkurang dan mungkin hilang sama sekali. Situasinya berbeda dengan panjang ruang gelap katoda, yang tidak berubah ketika elektroda saling mendekat. Jika elektroda begitu dekat sehingga jarak antara mereka menjadi kurang dari panjang ruang gelap katoda, maka pelepasan cahaya dalam gas akan berhenti. Eksperimen menunjukkan bahwa, hal lain dianggap sama, panjang d dari ruang gelap katoda berbanding terbalik dengan tekanan gas. Akibatnya, pada tekanan yang cukup rendah, elektron terlempar dari katoda oleh ion positif melewati gas hampir tanpa tumbukan dengan molekulnya, membentuk elektronik, atau sinar katoda .

Pelepasan cahaya digunakan dalam tabung gas-cahaya, lampu neon, stabilisator tegangan, untuk mendapatkan berkas elektron dan ion. Jika celah dibuat di katoda, maka berkas ion sempit melewatinya ke ruang di belakang katoda, sering disebut sinar saluran. fenomena yang banyak digunakan percikan katoda, yaitu penghancuran permukaan katoda di bawah aksi ion positif yang menabraknya. Fragmen ultramikroskopik dari bahan katoda terbang ke segala arah sepanjang garis lurus dan menutupi permukaan benda (terutama dielektrik) ditempatkan dalam tabung dengan lapisan tipis. Dengan cara ini, cermin dibuat untuk sejumlah perangkat, diterapkan lapisan tipis logam pada fotosel selenium.

b. pelepasan korona.

Pelepasan korona terjadi pada tekanan normal dalam gas dalam medan listrik yang sangat tidak homogen (misalnya, dekat paku atau kabel saluran tegangan tinggi). Dalam pelepasan korona, ionisasi gas dan pancarannya hanya terjadi di dekat elektroda korona. Dalam kasus korona katoda (korona negatif), elektron yang menyebabkan ionisasi tumbukan molekul gas terlempar keluar dari katoda ketika dibombardir dengan ion positif. Jika anoda adalah korona (korona positif), maka kelahiran elektron terjadi karena fotoionisasi gas di dekat anoda. Corona adalah fenomena berbahaya, disertai dengan kebocoran dan kerugian saat ini energi listrik. Untuk mengurangi korona, jari-jari kelengkungan konduktor dinaikkan, dan permukaannya dibuat sehalus mungkin. Pada tegangan yang cukup tinggi antara elektroda, pelepasan korona berubah menjadi percikan.

Pada tegangan yang meningkat, pelepasan korona di ujung berbentuk garis cahaya yang memancar dari ujung dan bergantian dalam waktu. Garis-garis ini, memiliki serangkaian kekusutan dan tikungan, membentuk semacam sikat, akibatnya pelepasan semacam itu disebut karpal .

Awan petir bermuatan menginduksi permukaan bumi di bawahnya muatan listrik tanda yang berlawanan. Muatan yang sangat besar terakumulasi di ujungnya. Oleh karena itu, sebelum badai petir atau selama badai petir, kerucut cahaya seperti kuas sering menyala pada titik dan sudut tajam dari objek yang sangat tinggi. Sejak zaman kuno, cahaya ini disebut api St. Elmo.

Apalagi seringkali pendaki menjadi saksi dari fenomena ini. Terkadang bahkan tidak hanya benda logam, tetapi juga ujung rambut di kepala dihiasi dengan jumbai bercahaya kecil.

Pelepasan korona harus dipertimbangkan ketika berhadapan dengan tegangan tinggi. Jika ada bagian yang menonjol atau kabel yang sangat tipis, pelepasan korona dapat dimulai. Hal ini menyebabkan kebocoran daya. Semakin tinggi tegangan saluran tegangan tinggi, semakin tebal kabelnya.

C. debit percikan.

Pelepasan percikan memiliki bentuk saluran filamen bercabang zigzag cerah yang menembus celah pelepasan dan menghilang, digantikan oleh yang baru. Studi telah menunjukkan bahwa saluran pelepasan percikan mulai tumbuh kadang-kadang dari elektroda positif, kadang-kadang dari negatif, dan kadang-kadang dari beberapa titik di antara elektroda. Ini dijelaskan oleh fakta bahwa ionisasi tumbukan dalam kasus pelepasan percikan terjadi tidak di seluruh volume gas, tetapi melalui saluran individu yang lewat di tempat-tempat di mana konsentrasi ion secara tidak sengaja ternyata menjadi yang tertinggi. Pelepasan percikan disertai dengan pelepasan jumlah yang besar kehangatan, cahaya terang dari gas, berderak atau guntur. Semua fenomena ini disebabkan oleh longsoran elektron dan ion yang terjadi di saluran percikan dan menyebabkan peningkatan tekanan yang sangat besar, mencapai 10 7 108 Pa, dan peningkatan suhu hingga 10.000 °C.

Contoh khas dari pelepasan percikan adalah petir. Saluran petir utama memiliki diameter 10 hingga 25 cm, dan panjang petir dapat mencapai beberapa kilometer. Kekuatan Maks Arus pulsa petir mencapai puluhan dan ratusan ribu ampere.

Dengan celah debit yang kecil, pelepasan percikan menyebabkan kerusakan khusus pada anoda, yang disebut erosi. Fenomena ini digunakan dalam metode electrospark untuk memotong, mengebor, dan jenis pemrosesan logam presisi lainnya.

Celah percikan digunakan sebagai pelindung lonjakan arus pada saluran transmisi listrik (misalnya, pada saluran telepon). Jika arus jangka pendek yang kuat lewat di dekat saluran, maka tegangan dan arus diinduksi dalam kabel saluran ini, yang dapat merusak instalasi listrik dan berbahaya bagi kehidupan manusia. Untuk menghindari hal ini, digunakan sekering khusus, yang terdiri dari dua elektroda melengkung, salah satunya terhubung ke saluran dan yang lainnya diarde. Jika potensi saluran relatif terhadap tanah sangat meningkat, maka pelepasan percikan terjadi di antara elektroda, yang, bersama dengan udara yang dipanaskan olehnya, naik, memanjang dan pecah.

Akhirnya, percikan listrik digunakan untuk mengukur perbedaan potensial yang besar menggunakan celah bola, yang elektrodanya adalah dua bola logam dengan permukaan yang dipoles. Bola-bola tersebut dipindahkan terpisah, dan perbedaan potensial terukur diterapkan padanya. Kemudian bola-bola itu disatukan sampai percikan melompat di antara mereka. Mengetahui diameter bola, jarak antara mereka, tekanan, suhu dan kelembaban udara, mereka menemukan perbedaan potensial antara bola menurut tabel khusus. Metode ini dapat digunakan untuk mengukur, dalam beberapa persen, perbedaan potensial orde puluhan ribu volt.

D. Pelepasan busur.

Pelepasan busur ditemukan oleh V. V. Petrov pada tahun 1802. Pelepasan ini merupakan salah satu bentuk pelepasan gas, yang terjadi pada rapat arus yang tinggi dan tegangan antar elektroda yang relatif rendah (pada orde beberapa puluh volt). Penyebab utama pelepasan busur adalah emisi intens termoelektron oleh katoda panas. Elektron ini dipercepat Medan listrik dan menghasilkan dampak ionisasi molekul gas, karena itu hambatan listrik celah gas antara elektroda relatif kecil. Jika kita mengurangi resistansi rangkaian eksternal, meningkatkan arus pelepasan busur, maka konduktivitas celah gas akan meningkat sedemikian rupa sehingga tegangan antara elektroda berkurang. Oleh karena itu, pelepasan busur dikatakan memiliki karakteristik tegangan arus jatuh. Pada tekanan atmosfer, suhu katoda mencapai 3000 °C. Elektron, membombardir anoda, membuat ceruk (kawah) di dalamnya dan memanaskannya. Suhu kawah sekitar 4000 °C, dan pada tekanan udara tinggi mencapai 6000-7000 °C. Suhu gas di saluran pelepasan busur mencapai 5000-6000 °C, sehingga terjadi ionisasi termal yang intens di dalamnya.

Dalam beberapa kasus, pelepasan busur juga diamati pada suhu katoda yang relatif rendah (misalnya, pada lampu busur merkuri).

Pada tahun 1876, P. N. Yablochkov pertama kali menggunakan busur listrik sebagai sumber cahaya. Dalam "lilin Yablochkov", bara disusun secara paralel dan dipisahkan oleh lapisan melengkung, dan ujungnya dihubungkan oleh "jembatan pengapian" konduktif. Ketika arus dihidupkan, jembatan pengapian terbakar dan terbentuk di antara bara busur listrik. Saat bara terbakar, lapisan isolasi menguap.

Pelepasan busur digunakan sebagai sumber cahaya bahkan hingga hari ini, misalnya, pada lampu sorot dan proyektor.

Suhu tinggi dari pelepasan busur memungkinkan untuk menggunakannya untuk konstruksi tungku busur. Saat ini, tungku busur yang ditenagai oleh arus yang sangat tinggi digunakan di sejumlah industri: untuk peleburan baja, besi tuang, ferroalloy, perunggu, produksi kalsium karbida, nitrogen oksida, dll.

Pada tahun 1882, N.N. Benardos pertama kali menggunakan pelepasan busur untuk memotong dan mengelas logam. Pelepasan antara elektroda karbon tetap dan logam memanaskan persimpangan keduanya lembaran logam(atau pelat) dan mengelasnya. Benardos menggunakan metode yang sama untuk memotong piring logam dan mendapatkan lubang di dalamnya. Pada tahun 1888, N. G. Slavyanov meningkatkan metode pengelasan ini dengan mengganti elektroda karbon dengan elektroda logam.

Pelepasan busur telah menemukan aplikasi dalam penyearah merkuri, yang mengubah arus listrik bolak-balik menjadi arus searah.

E. Plasma.

Plasma adalah gas terionisasi sebagian atau seluruhnya di mana kerapatan muatan positif dan negatifnya hampir sama. Dengan demikian, plasma secara keseluruhan adalah sistem netral secara elektrik.

Karakteristik kuantitatif plasma adalah derajat ionisasi. Derajat ionisasi plasma a adalah rasio konsentrasi volume partikel bermuatan dengan konsentrasi volume total partikel. Tergantung pada tingkat ionisasi, plasma dibagi menjadi: terionisasi lemah(a adalah pecahan dari persen), terionisasi sebagian (a dari orde beberapa persen) dan terionisasi penuh (a mendekati 100%). Plasma terionisasi lemah kondisi alam adalah lapisan atas atmosfer - ionosfer. Matahari, bintang panas, dan beberapa awan antarbintang adalah plasma terionisasi penuh yang terbentuk pada suhu tinggi.

Energi sedang berbagai jenis partikel yang membentuk plasma dapat berbeda secara signifikan satu sama lain. Oleh karena itu, plasma tidak dapat dicirikan oleh satu nilai suhu T; perbedaan dibuat antara suhu elektron T e, suhu ion T i (atau suhu ion, jika ada beberapa jenis ion dalam plasma) dan suhu atom netral T a (komponen netral). Plasma semacam itu disebut non-isotermal, berbeda dengan plasma isotermal, di mana suhu semua komponennya sama.

Plasma juga dibagi menjadi suhu tinggi (T i »10 6 -10 8 K dan lebih banyak lagi) dan suhu rendah!!! (Saya<=10 5 К). Это условное разделение связано с особой влажностью высокотемпературной плазмы в связи с проблемой осуществления управляемого термоядерного синтеза.

Plasma memiliki sejumlah sifat khusus, yang memungkinkan kita untuk menganggapnya sebagai materi keempat yang khusus.

Karena mobilitas tinggi partikel plasma bermuatan, mereka dengan mudah bergerak di bawah pengaruh medan listrik dan magnet. Oleh karena itu, setiap pelanggaran netralitas listrik dari masing-masing daerah plasma, yang disebabkan oleh akumulasi partikel dengan tanda muatan yang sama, dengan cepat dihilangkan. Medan listrik yang dihasilkan memindahkan partikel bermuatan sampai netralitas listrik dipulihkan dan medan listrik menjadi nol. Berbeda dengan gas netral, di mana ada gaya jarak pendek antara molekul, gaya Coulomb bekerja antara partikel plasma bermuatan, menurun relatif lambat dengan jarak. Setiap partikel berinteraksi segera dengan sejumlah besar partikel di sekitarnya. Karena ini, bersama dengan gerakan termal yang kacau, partikel plasma dapat berpartisipasi dalam berbagai gerakan yang teratur. Berbagai jenis osilasi dan gelombang mudah tereksitasi dalam plasma.

Konduktivitas plasma meningkat dengan meningkatnya derajat ionisasi. Pada suhu tinggi, plasma terionisasi penuh mendekati superkonduktor dalam konduktivitasnya.

Plasma suhu rendah digunakan dalam sumber cahaya pelepasan gas - dalam tabung bercahaya untuk prasasti iklan, dalam lampu neon. Lampu pelepasan gas digunakan di banyak perangkat, misalnya, dalam laser gas - sumber cahaya kuantum.

Plasma suhu tinggi digunakan dalam generator magnetohidrodinamik.

Sebuah perangkat baru, obor plasma, baru-baru ini telah dibuat. Obor plasma menciptakan pancaran kuat plasma suhu rendah padat, yang banyak digunakan di berbagai bidang teknologi: untuk memotong dan mengelas logam, mengebor sumur di bebatuan keras, dll.

Daftar literatur yang digunakan:

1) Fisika: Elektrodinamika. 10-11 sel: buku teks. untuk studi mendalam fisika / G. Ya. Myakishev, A. Z. Sinyakov, B. A. Slobodskov. - Edisi ke-2 - M.: Drofa, 1998. - 480 hal.

2) Kursus Fisika (dalam tiga jilid). T.II. listrik dan magnet. Prok. manual untuk perguruan tinggi teknik. / Detlaf A.A., Yavorsky B. M., Milkovskaya L. B. Izd. 4, direvisi. - M.: Sekolah Tinggi, 1977. - 375 hal.

3) Listrik./E. G. Kalashnikov. Ed. "Ilmu", Moskow, 1977.

4) Fisika./B. B. Bukhovtsev, Yu. L. Klimontovich, G. Ya. Myakishev. Edisi ke-3, direvisi. – M.: Pencerahan, 1986.

Ini dibentuk oleh pergerakan elektron bebas yang terarah dan dalam hal ini tidak ada perubahan zat dari mana konduktor dibuat tidak terjadi.

Konduktor semacam itu, di mana aliran arus listrik tidak disertai dengan perubahan kimia pada zatnya, disebut konduktor jenis pertama. Ini termasuk semua logam, batu bara dan sejumlah zat lainnya.

Tetapi ada juga konduktor arus listrik di alam, di mana fenomena kimia terjadi selama aliran arus. Konduktor ini disebut konduktor jenis kedua. Ini termasuk terutama berbagai solusi dalam air asam, garam dan alkali.

Jika Anda menuangkan air ke dalam bejana kaca dan menambahkan beberapa tetes asam sulfat (atau asam atau alkali lainnya) ke dalamnya, lalu ambil dua pelat logam dan pasang konduktor dengan menurunkan pelat ini ke dalam bejana, dan hubungkan arus sumber ke ujung lain dari konduktor melalui sakelar dan ammeter, kemudian gas akan dilepaskan dari larutan, dan akan terus berlanjut sampai sirkuit ditutup. air yang diasamkan memang konduktor. Selain itu, pelat akan mulai ditutupi dengan gelembung gas. Kemudian gelembung-gelembung ini akan terlepas dari piring dan keluar.

Ketika arus listrik melewati larutan, perubahan kimia terjadi, akibatnya gas dilepaskan.

Konduktor jenis kedua disebut elektrolit, dan fenomena yang terjadi pada elektrolit ketika arus listrik melewatinya adalah.

Pelat logam yang dicelupkan ke dalam elektrolit disebut elektroda; salah satunya, terhubung ke kutub positif dari sumber arus, disebut anoda, dan yang lainnya, terhubung ke kutub negatif, disebut katoda.

Apa yang menyebabkan mengalirnya arus listrik dalam konduktor cair? Ternyata dalam larutan tersebut (elektrolit), molekul asam (basa, garam) di bawah aksi pelarut (dalam hal ini, air) terurai menjadi dua komponen, dan satu partikel molekul memiliki muatan listrik positif, dan yang lainnya negatif.

Partikel molekul yang bermuatan listrik disebut ion. Ketika asam, garam atau alkali dilarutkan dalam air, sejumlah besar ion positif dan negatif muncul dalam larutan.

Sekarang harus menjadi jelas mengapa arus listrik melewati larutan, karena antara elektroda yang terhubung ke sumber arus, itu dibuat, dengan kata lain, salah satunya ternyata bermuatan positif dan yang lainnya negatif. Di bawah pengaruh perbedaan potensial ini, ion positif mulai bergerak menuju elektroda negatif - katoda, dan ion negatif - menuju anoda.

Dengan demikian, gerakan ion yang kacau telah menjadi gerakan tandingan yang teratur dari ion negatif di satu arah dan yang positif di arah lain. Proses transfer muatan ini merupakan aliran arus listrik melalui elektrolit dan terjadi selama ada beda potensial di seluruh elektroda. Dengan hilangnya beda potensial, arus yang melalui elektrolit berhenti, gerakan teratur ion terganggu, dan gerakan kacau terjadi lagi.

Sebagai contoh, perhatikan fenomena elektrolisis ketika arus listrik dilewatkan melalui larutan tembaga sulfat CuSO4 dengan elektroda tembaga diturunkan ke dalamnya.

Fenomena elektrolisis ketika arus melewati larutan tembaga sulfat: C - bejana dengan elektrolit, B - sumber arus, C - sakelar

Juga akan ada gerakan counter ion ke elektroda. Ion positif akan menjadi ion tembaga (Cu), dan ion negatif akan menjadi ion residu asam (SO4). Ion tembaga, setelah kontak dengan katoda, akan dilepaskan (melampirkan elektron yang hilang ke dirinya sendiri), yaitu, mereka akan berubah menjadi molekul netral tembaga murni, dan disimpan di katoda dalam bentuk lapisan (molekul) tertipis.

Ion negatif, setelah mencapai anoda, juga dilepaskan (memberikan kelebihan elektron). Tetapi pada saat yang sama, mereka masuk ke dalam reaksi kimia dengan tembaga anoda, sebagai akibatnya molekul tembaga Cu melekat pada residu asam SO4 dan molekul tembaga sulfat CuS O4 terbentuk, yang dikembalikan kembali ke elektrolit.

Karena proses kimia ini memakan waktu lama, tembaga diendapkan pada katoda, yang dilepaskan dari elektrolit. Dalam hal ini, alih-alih molekul tembaga yang telah pergi ke katoda, elektrolit menerima molekul tembaga baru karena pembubaran elektroda kedua - anoda.

Proses yang sama terjadi jika elektroda seng diambil sebagai pengganti elektroda tembaga, dan elektrolitnya adalah larutan seng sulfat ZnSO4. Seng juga akan ditransfer dari anoda ke katoda.

Dengan demikian, perbedaan antara arus listrik dalam logam dan konduktor cair terletak pada kenyataan bahwa dalam logam hanya elektron bebas, yaitu, muatan negatif, yang merupakan pembawa muatan, sedangkan dalam elektrolit dibawa oleh partikel materi yang bermuatan berlawanan - ion yang bergerak dalam arah yang berlawanan. Oleh karena itu mereka mengatakan bahwa elektrolit memiliki konduktivitas ionik.

Fenomena elektrolisis ditemukan pada tahun 1837 oleh B. S. Jacobi, yang melakukan banyak percobaan pada studi dan peningkatan sumber arus kimia. Jacobi menemukan bahwa salah satu elektroda yang ditempatkan dalam larutan tembaga sulfat, ketika arus listrik melewatinya, ditutupi dengan tembaga.

Fenomena ini disebut pelapisan listrik, menemukan aplikasi praktis yang sangat luas sekarang. Salah satu contohnya adalah pelapisan benda logam dengan lapisan tipis logam lain, yaitu pelapisan nikel, penyepuhan, pelapisan perak, dll.

Gas (termasuk udara) tidak menghantarkan listrik dalam kondisi normal. Misalnya, telanjang, digantung sejajar satu sama lain, diisolasi satu sama lain oleh lapisan udara.

Namun, di bawah pengaruh suhu tinggi, perbedaan potensial yang besar, dan alasan lain, gas, seperti konduktor cair, terionisasi, yaitu, partikel molekul gas muncul di dalamnya dalam jumlah besar, yang, sebagai pembawa listrik, berkontribusi pada perjalanan. arus listrik melalui gas.

Tetapi pada saat yang sama, ionisasi gas berbeda dari ionisasi konduktor cair. Jika dalam cairan suatu molekul pecah menjadi dua bagian bermuatan, maka dalam gas, di bawah aksi ionisasi, elektron selalu dipisahkan dari setiap molekul dan ion tetap dalam bentuk bagian molekul yang bermuatan positif.

Kita hanya perlu menghentikan ionisasi gas, karena ia berhenti menjadi konduktif, sedangkan cairan selalu tetap menjadi konduktor arus listrik. Akibatnya, konduktivitas gas adalah fenomena sementara, tergantung pada aksi faktor eksternal.

Namun, ada satu lagi yang disebut pelepasan busur atau hanya busur listrik. Fenomena busur listrik ditemukan pada awal abad ke-19 oleh insinyur listrik Rusia pertama V. V. Petrov.

V. V. Petrov, melakukan banyak eksperimen, menemukan bahwa antara dua arang yang dihubungkan ke sumber arus, pelepasan listrik terus menerus terjadi melalui udara, disertai dengan cahaya terang. Dalam tulisannya, V. V. Petrov menulis bahwa dalam kasus ini, "kedamaian yang gelap dapat diterangi dengan cukup terang." Jadi untuk pertama kalinya cahaya listrik diperoleh, yang secara praktis diterapkan oleh ilmuwan listrik Rusia lainnya Pavel Nikolaevich Yablochkov.

"Lilin Yablochkov", yang karyanya didasarkan pada penggunaan busur listrik, membuat revolusi nyata dalam teknik listrik pada masa itu.

Pelepasan busur digunakan sebagai sumber cahaya bahkan hingga hari ini, misalnya, pada lampu sorot dan proyektor. Suhu tinggi dari pelepasan busur memungkinkannya untuk digunakan. Saat ini, tungku busur yang ditenagai oleh arus yang sangat tinggi digunakan di sejumlah industri: untuk peleburan baja, besi tuang, ferroalloy, perunggu, dll. Dan pada tahun 1882, N.N. Benardos pertama kali menggunakan pelepasan busur untuk memotong dan mengelas logam.

Dalam tabung cahaya gas, lampu neon, stabilisator tegangan, untuk mendapatkan berkas elektron dan ion, yang disebut debit gas bercahaya.

Pelepasan percikan digunakan untuk mengukur perbedaan potensial yang besar menggunakan celah percikan bola, yang elektrodanya adalah dua bola logam dengan permukaan yang dipoles. Bola-bola tersebut dipindahkan terpisah, dan perbedaan potensial terukur diterapkan padanya. Kemudian bola-bola itu disatukan sampai percikan melompat di antara mereka. Mengetahui diameter bola, jarak antara mereka, tekanan, suhu dan kelembaban udara, mereka menemukan perbedaan potensial antara bola menurut tabel khusus. Metode ini dapat digunakan untuk mengukur, dalam beberapa persen, perbedaan potensial orde puluhan ribu volt.

Arus listrik dalam gas dalam kondisi normal tidak mungkin. Artinya, pada kelembaban, tekanan dan suhu atmosfer, tidak ada pembawa muatan dalam gas. Sifat gas ini, khususnya udara, digunakan pada saluran transmisi di atas kepala dan sakelar relai untuk menyediakan isolasi listrik.

Tetapi dalam kondisi tertentu, arus dapat diamati dalam gas. Mari kita lakukan percobaan. Baginya, kita membutuhkan elektrometer kapasitor udara dan kabel penghubung. Pertama, mari kita hubungkan elektrometer ke kapasitor. Kemudian kami akan melaporkan muatan ke pelat kapasitor. Elektrometer akan menunjukkan keberadaan muatan ini. Kapasitor udara akan menyimpan muatan untuk sementara waktu. Artinya, tidak akan ada arus di antara pelatnya. Hal ini menunjukkan bahwa udara di antara pelat kapasitor memiliki sifat dielektrik.

Gambar 1 - Kapasitor bermuatan terhubung ke elektrometer

Selanjutnya, kami memasukkan nyala lilin ke celah di antara pelat. Pada saat yang sama, kita akan melihat bahwa elektrometer akan menunjukkan penurunan muatan pada pelat kapasitor. Artinya, arus mengalir di celah antara pelat. Mengapa ini terjadi.

Gambar 2 - Memasukkan lilin ke celah di antara pelat kapasitor bermuatan

Dalam kondisi normal, molekul gas secara elektrik netral. Dan mereka tidak dapat memberikan arus. Tetapi dengan peningkatan suhu, yang disebut ionisasi gas terjadi, dan itu menjadi konduktor. Ion positif dan negatif muncul dalam gas.

Agar elektron dapat melepaskan diri dari atom gas, diperlukan usaha melawan gaya Coulomb. Ini membutuhkan energi. Atom memperoleh energi ini dengan meningkatnya suhu. Karena energi kinetik gerak termal berbanding lurus dengan suhu gas. Kemudian, dengan peningkatannya, molekul dan atom menerima energi yang cukup sehingga elektron terlepas dari atom ketika mereka bertabrakan. Atom seperti itu menjadi ion positif. Elektron yang terlepas dapat menempel pada atom lain, kemudian menjadi ion negatif.

Akibatnya, ion positif dan negatif, serta elektron, muncul di celah di antara pelat. Semuanya mulai bergerak di bawah aksi medan yang diciptakan oleh muatan pada pelat kapasitor. Ion positif bergerak menuju katoda. Ion negatif dan elektron cenderung ke anoda. Dengan demikian, arus disediakan di celah udara.

Ketergantungan arus pada tegangan tidak mematuhi hukum Ohm di semua bidang. Pada bagian pertama, ini terjadi dengan peningkatan tegangan, jumlah ion meningkat dan, akibatnya, arus. Selanjutnya, saturasi terjadi di bagian kedua, yaitu, dengan peningkatan tegangan, arus tidak meningkat. Karena konsentrasi ion maksimum dan yang baru muncul entah dari mana.

Gambar 3 - karakteristik tegangan arus dari celah udara

Pada bagian ketiga, terjadi lagi peningkatan arus dengan meningkatnya tegangan. Bagian ini disebut self-discharge. Artinya, pengion pihak ketiga tidak lagi diperlukan untuk mempertahankan arus dalam gas. Hal ini disebabkan oleh fakta bahwa elektron pada tegangan tinggi menerima energi yang cukup untuk melumpuhkan elektron lain dari atom mereka sendiri. Elektron ini pada gilirannya melumpuhkan yang lain, dan seterusnya. Prosesnya berjalan seperti longsoran salju. Dan konduktivitas utama dalam gas sudah disediakan oleh elektron.