Fenomena arus listrik dalam gas. pengantar

Dalam kondisi normal, gas bersifat dielektrik, karena. terdiri dari atom dan molekul netral, dan mereka tidak memiliki jumlah muatan bebas yang cukup.Gas menjadi konduktor hanya jika entah bagaimana terionisasi. Proses ionisasi gas terdiri dari fakta bahwa di bawah pengaruh alasan apa pun satu atau lebih elektron terlepas dari atom. Akibatnya, alih-alih atom netral, ion positif dan elektron.

Penguraian molekul menjadi ion dan elektron disebut ionisasi gas.

Bagian dari elektron yang terbentuk dapat ditangkap oleh atom netral lainnya, dan kemudian muncul ion bermuatan negatif.

Jadi, ada tiga jenis pembawa muatan dalam gas terionisasi: elektron, ion positif, dan negatif.

Pemisahan elektron dari atom membutuhkan pengeluaran energi tertentu - energi ionisasi W saya . Energi ionisasi tergantung pada sifat kimia gas dan keadaan energi elektron dalam atom. Jadi, untuk pelepasan elektron pertama dari atom nitrogen, energi 14,5 eV dihabiskan, dan untuk pelepasan elektron kedua - 29,5 eV, untuk pelepasan ketiga - 47,4 eV.

Faktor penyebab terjadinya ionisasi gas disebut pengion.

Ada tiga jenis ionisasi: ionisasi termal, fotoionisasi, dan ionisasi impak.

Ionisasi termal terjadi sebagai akibat dari tumbukan atom atau molekul gas pada suhu tinggi, jika energi kinetik dari gerak relatif partikel yang bertabrakan melebihi energi ikat elektron dalam atom.

Fotoionisasi terjadi di bawah pengaruh radiasi elektromagnetik (ultraviolet, sinar-x atau -radiasi), ketika energi yang diperlukan untuk melepaskan elektron dari atom ditransfer kepadanya oleh kuantum radiasi.

Ionisasi oleh dampak elektron(atau dampak ionisasi) adalah pembentukan ion bermuatan positif sebagai akibat tumbukan atom atau molekul dengan elektron cepat dengan energi kinetik tinggi.

Proses ionisasi gas selalu disertai dengan proses kebalikan dari pemulihan molekul netral dari ion bermuatan berlawanan karena gaya tarik listriknya. Fenomena ini disebut rekombinasi. Selama rekombinasi, energi yang dilepaskan sama dengan energi yang dihabiskan untuk ionisasi. Ini dapat menyebabkan, misalnya, pancaran gas.

Jika aksi ionizer tidak berubah, maka keseimbangan dinamis terbentuk dalam gas terionisasi, di mana banyak molekul dipulihkan per satuan waktu saat mereka meluruh menjadi ion. Dalam hal ini, konsentrasi partikel bermuatan dalam gas terionisasi tetap tidak berubah. Namun, jika aksi ionizer dihentikan, maka rekombinasi akan mulai mendominasi ionisasi, dan jumlah ion akan berkurang dengan cepat hingga hampir nol. Akibatnya, keberadaan partikel bermuatan dalam gas adalah fenomena sementara (selama ionizer beroperasi).

Dengan tidak adanya medan eksternal, partikel bermuatan bergerak secara acak.

pelepasan gas

Ketika gas terionisasi ditempatkan di Medan listrik gaya listrik mulai bekerja pada muatan bebas, dan mereka melayang sejajar dengan garis tegangan: elektron dan ion negatif - ke anoda, ion positif - ke katoda (Gbr. 1). Pada elektroda, ion berubah menjadi atom netral dengan menyumbangkan atau menerima elektron, sehingga menyelesaikan rangkaian. Arus listrik dihasilkan dalam gas.

Arus listrik dalam gas adalah pergerakan ion dan elektron yang terarah.

Arus listrik dalam gas disebut pelepasan gas.

Arus total dalam gas terdiri dari dua aliran partikel bermuatan: aliran menuju katoda dan aliran menuju anoda.

Dalam gas, konduktivitas elektronik, mirip dengan konduktivitas logam, dikombinasikan dengan konduktivitas ionik, mirip dengan konduktivitas larutan berair atau lelehan elektrolit.

Dengan demikian, konduktivitas gas memiliki karakter ion-elektronik.

Tidak ada dielektrik absolut di alam. Pergerakan partikel yang teratur - pembawa muatan listrik - yaitu arus, dapat disebabkan dalam media apa pun, tetapi ini memerlukan kondisi khusus. Kami akan mempertimbangkan di sini bagaimana fenomena listrik berlangsung dalam gas dan bagaimana gas dapat diubah dari dielektrik yang sangat baik menjadi konduktor yang sangat baik. Kami akan tertarik pada kondisi di mana ia muncul, dan juga fitur apa yang dicirikan oleh arus listrik dalam gas.

Sifat listrik gas

Dielektrik adalah zat (medium) di mana konsentrasi partikel - pembawa bebas muatan listrik - tidak mencapai nilai signifikan, akibatnya konduktivitasnya dapat diabaikan. Semua gas adalah dielektrik yang baik. Sifat isolasi mereka digunakan di mana-mana. Misalnya, dalam pemutus sirkuit apa pun, pembukaan sirkuit terjadi ketika kontak dibawa ke posisi sedemikian rupa sehingga celah udara terbentuk di antara mereka. Kabel di saluran listrik juga diisolasi satu sama lain oleh lapisan udara.

Unit struktural dari setiap gas adalah molekul. Terdiri dari inti atom dan cloud elektronik, yaitu kumpulan muatan listrik didistribusikan dalam beberapa cara di ruang angkasa. Molekul gas dapat disebabkan oleh kekhasan strukturnya atau terpolarisasi di bawah aksi medan listrik eksternal. Sebagian besar molekul yang membentuk gas netral secara listrik dalam kondisi normal, karena muatan di dalamnya saling meniadakan.

Jika medan listrik diterapkan pada gas, molekul akan mengasumsikan orientasi dipol, menempati posisi spasial yang mengkompensasi efek medan. Partikel bermuatan yang ada dalam gas di bawah pengaruh gaya Coulomb akan mulai bergerak: ion positif - ke arah katoda, ion negatif dan elektron - menuju anoda. Namun, jika medan memiliki potensi yang tidak mencukupi, aliran muatan terarah tunggal tidak terjadi, dan seseorang dapat berbicara tentang arus terpisah, yang begitu lemah sehingga harus diabaikan. Gas berperilaku seperti dielektrik.

Jadi, untuk terjadinya arus listrik dalam gas, konsentrasi tinggi pembawa muatan bebas dan keberadaan medan diperlukan.

Ionisasi

Proses peningkatan jumlah muatan bebas seperti longsoran dalam gas disebut ionisasi. Dengan demikian, gas di mana ada sejumlah besar partikel bermuatan disebut terionisasi. Dalam gas seperti itulah arus listrik dibuat.

Proses ionisasi dikaitkan dengan pelanggaran netralitas molekul. Sebagai hasil dari pelepasan elektron, ion positif muncul, penempelan elektron ke molekul mengarah pada pembentukan ion negatif. Selain itu, ada banyak elektron bebas dalam gas terionisasi. Ion positif dan terutama elektron adalah pembawa muatan utama untuk arus listrik dalam gas.

Ionisasi terjadi ketika sejumlah energi diberikan ke partikel. Dengan demikian, elektron eksternal dalam komposisi molekul, setelah menerima energi ini, dapat meninggalkan molekul. Tabrakan timbal balik antara partikel bermuatan dengan partikel netral menyebabkan elektron baru tersingkir, dan prosesnya berlangsung karakter longsoran salju. Energi kinetik partikel juga meningkat, yang sangat mendorong ionisasi.

Dari mana energi yang dikeluarkan untuk eksitasi arus listrik dalam gas berasal? Ionisasi gas memiliki beberapa sumber energi, yang sesuai dengan jenisnya.

Ionisasi Medan listrik. Dalam hal ini, energi potensial medan diubah menjadi energi kinetik partikel.
Ionisasi termal. Peningkatan suhu juga mengarah pada pembentukan sejumlah besar muatan bebas.
Fotoionisasi. Inti dari proses ini adalah bahwa kuanta memberikan energi kepada elektron radiasi elektromagnetik- foton, jika memiliki frekuensi yang cukup tinggi (ultraviolet, x-ray, gamma quanta).
Ionisasi tumbukan adalah hasil konversi energi kinetik partikel yang bertumbukan menjadi energi pelepasan elektron. Seiring dengan ionisasi termal, ia berfungsi sebagai faktor utama dalam eksitasi arus listrik dalam gas.

Setiap gas dicirikan oleh nilai ambang tertentu - energi ionisasi yang diperlukan elektron untuk melepaskan diri dari molekul, mengatasi penghalang potensial. Nilai untuk elektron pertama ini berkisar dari beberapa volt hingga dua puluh volt; lebih banyak energi diperlukan untuk melepaskan elektron berikutnya dari molekul, dan seterusnya.

Harus diperhitungkan bahwa bersamaan dengan ionisasi dalam gas, proses sebaliknya terjadi - rekombinasi, yaitu pemulihan molekul netral di bawah aksi gaya tarik Coulomb.

Debit gas dan jenisnya

Jadi, arus listrik dalam gas disebabkan oleh gerakan teratur partikel bermuatan di bawah aksi medan listrik yang diterapkan padanya. Kehadiran muatan seperti itu, pada gilirannya, dimungkinkan karena berbagai faktor ionisasi.

Jadi, ionisasi termal membutuhkan suhu yang signifikan, tetapi nyala api terbuka sehubungan dengan beberapa proses kimia berkontribusi pada ionisasi. Bahkan pada suhu yang relatif rendah dengan adanya nyala api, munculnya arus listrik dalam gas dicatat, dan eksperimen dengan konduktivitas gas memudahkan untuk memverifikasi ini. Hal ini diperlukan untuk menempatkan nyala api pembakar atau lilin di antara pelat kapasitor bermuatan. Rangkaian yang sebelumnya terbuka karena celah udara pada kapasitor akan menutup. Sebuah galvanometer terhubung ke sirkuit akan menunjukkan adanya arus.

Arus listrik dalam gas disebut pelepasan gas. Harus diingat bahwa untuk menjaga stabilitas pelepasan, aksi ionizer harus konstan, karena karena rekombinasi yang konstan, gas kehilangan sifat konduktif listriknya. Beberapa pembawa arus listrik dalam gas - ion - dinetralkan pada elektroda, yang lain - elektron - sampai ke anoda, dikirim ke "plus" sumber medan. Jika faktor pengion berhenti beroperasi, gas akan segera menjadi dielektrik lagi, dan arus akan berhenti. Arus seperti itu, tergantung pada aksi ionizer eksternal, disebut pelepasan tidak mandiri.

Fitur aliran arus listrik melalui gas dijelaskan oleh ketergantungan khusus dari kekuatan arus pada tegangan - karakteristik tegangan arus.

Mari kita perhatikan perkembangan pelepasan gas pada grafik ketergantungan arus-tegangan. Ketika tegangan naik ke nilai tertentu U 1, arus meningkat sebanding dengan itu, yaitu, hukum Ohm terpenuhi. Energi kinetik meningkat, dan karenanya kecepatan muatan dalam gas, dan proses ini mendahului rekombinasi. Pada nilai tegangan dari U 1 ke U 2, hubungan ini dilanggar; ketika U2 tercapai, semua pembawa muatan mencapai elektroda tanpa memiliki waktu untuk bergabung kembali. Semua muatan gratis terlibat, dan peningkatan tegangan lebih lanjut tidak menyebabkan peningkatan arus. Sifat pergerakan muatan ini disebut arus saturasi. Dengan demikian, kita dapat mengatakan bahwa arus listrik dalam gas juga disebabkan oleh kekhasan perilaku gas terionisasi dalam medan listrik dengan berbagai kekuatan.

Ketika perbedaan potensial melintasi elektroda mencapai nilai tertentu U 3 , tegangan menjadi cukup untuk medan listrik untuk menyebabkan ionisasi seperti longsoran gas. Energi kinetik elektron bebas sudah cukup untuk ionisasi tumbukan molekul. Pada saat yang sama, kecepatannya di sebagian besar gas adalah sekitar 2000 km / s dan lebih tinggi (dihitung dengan rumus perkiraan v=600 U i , di mana U i adalah potensial ionisasi). Pada saat ini, kerusakan gas terjadi dan peningkatan arus yang signifikan terjadi karena sumber ionisasi internal. Oleh karena itu, pelepasan seperti itu disebut independen.

Kehadiran external ionizer dalam hal ini tidak lagi berperan dalam menjaga arus listrik di dalam gas. Pengosongan diri di kondisi yang berbeda dan dengan karakteristik yang berbeda dari sumber medan listrik, dapat memiliki fitur tertentu. Ada jenis self-discharge seperti cahaya, percikan, busur dan korona. Kita akan melihat bagaimana arus listrik berperilaku dalam gas, secara singkat untuk masing-masing jenis ini.

Perbedaan potensial dari 100 (dan bahkan kurang) hingga 1000 volt sudah cukup untuk memulai pelepasan sendiri. Oleh karena itu, pelepasan pijar, yang ditandai dengan kekuatan arus yang rendah (dari 10 -5 A hingga 1 A), terjadi pada tekanan tidak lebih dari beberapa milimeter air raksa.

Dalam tabung dengan gas yang dijernihkan dan elektroda dingin, pelepasan cahaya yang muncul terlihat seperti kabel bercahaya tipis di antara elektroda. Jika kita terus memompa gas keluar dari tabung, filamen akan terhapus, dan pada tekanan sepersepuluh milimeter air raksa, pancaran mengisi tabung hampir sepenuhnya. Cahaya tidak ada di dekat katoda - dalam apa yang disebut ruang katoda gelap. Sisanya disebut kolom positif. Dalam hal ini, proses utama yang memastikan keberadaan pelepasan dilokalisasi tepat di ruang katoda gelap dan di wilayah yang berdekatan dengannya. Di sini, partikel gas bermuatan dipercepat, merobohkan elektron dari katoda.

Dalam pelepasan pijar, penyebab ionisasi adalah emisi elektron dari katoda. Elektron yang dipancarkan oleh katoda menghasilkan dampak ionisasi molekul gas, ion positif yang muncul menyebabkan emisi sekunder dari katoda, dan seterusnya. Cahaya kolom positif terutama disebabkan oleh mundurnya foton oleh molekul gas yang tereksitasi, dan gas yang berbeda dicirikan oleh cahaya warna tertentu. Kolom positif mengambil bagian dalam pembentukan pelepasan pijar hanya sebagai bagian dari rangkaian listrik. Jika Anda mendekatkan elektroda, Anda dapat mencapai hilangnya kolom positif, tetapi pelepasannya tidak akan berhenti. Namun, dengan pengurangan lebih lanjut dalam jarak antara elektroda, pelepasan pijar tidak dapat terjadi.

Perlu diperhatikan bahwa untuk jenis ini arus listrik dalam gas, fisika dari beberapa proses belum sepenuhnya dijelaskan. Misalnya, sifat gaya yang menyebabkan peningkatan arus untuk memperluas area pada permukaan katoda yang mengambil bagian dalam pelepasan masih belum jelas.

pelepasan percikan

Perincian percikan memiliki karakter berdenyut. Itu terjadi pada tekanan yang mendekati atmosfer normal, dalam kasus di mana kekuatan sumber medan listrik tidak cukup untuk mempertahankan pelepasan stasioner. Dalam hal ini, kuat medannya tinggi dan dapat mencapai 3 MV/m. Fenomena ini ditandai dengan peningkatan tajam dalam pelepasan arus listrik dalam gas, pada saat yang sama tegangan turun sangat cepat, dan pelepasan berhenti. Kemudian perbedaan potensial meningkat lagi, dan seluruh proses diulang.

Dengan jenis pelepasan ini, saluran percikan jangka pendek terbentuk, yang pertumbuhannya dapat dimulai dari titik mana pun di antara elektroda. Hal ini disebabkan fakta bahwa ionisasi tumbukan terjadi secara acak di tempat-tempat di mana saat ini konsentrasi ion terbesar. Di dekat saluran percikan, gas memanas dengan cepat dan mengalami ekspansi termal, yang menyebabkan gelombang akustik. Oleh karena itu, pelepasan percikan disertai dengan derak, serta pelepasan panas dan cahaya terang. Proses ionisasi longsoran menghasilkan tekanan dan suhu tinggi hingga 10.000 derajat dan lebih di saluran percikan.

Contoh paling mencolok dari pelepasan percikan alami adalah petir. Diameter saluran percikan petir utama dapat berkisar dari beberapa sentimeter hingga 4 m, dan panjang saluran dapat mencapai 10 km. Besarnya arus mencapai 500 ribu ampere, dan beda potensial antara awan petir dan permukaan bumi mencapai satu miliar volt.

Petir terpanjang dengan panjang 321 km diamati pada tahun 2007 di Oklahoma, AS. Pemegang rekor untuk durasinya adalah kilat, tercatat pada tahun 2012 di Pegunungan Alpen Prancis - berlangsung lebih dari 7,7 detik. Saat disambar petir, udara bisa memanas hingga 30 ribu derajat, yang 6 kali lebih tinggi dari suhu permukaan Matahari yang terlihat.

Dalam kasus di mana kekuatan sumber medan listrik cukup besar, pelepasan percikan berkembang menjadi pelepasan busur.

Jenis pelepasan mandiri ini dicirikan oleh kerapatan arus yang tinggi dan tegangan rendah (kurang dari debit pijar). Jarak kerusakan kecil karena kedekatan elektroda. Pelepasan dimulai oleh emisi elektron dari permukaan katoda (untuk atom logam, potensi ionisasi kecil dibandingkan dengan molekul gas). Selama kerusakan antara elektroda, kondisi dibuat di mana gas menghantarkan arus listrik, dan pelepasan percikan terjadi, yang menutup sirkuit. Jika daya sumber tegangan cukup besar, pelepasan bunga api berubah menjadi busur listrik yang stabil.

Ionisasi selama pelepasan busur mencapai hampir 100%, kekuatan arus sangat tinggi dan dapat berkisar dari 10 hingga 100 ampere. Pada tekanan atmosfer, busur mampu memanas hingga 5-6 ribu derajat, dan katoda - hingga 3 ribu derajat, yang mengarah pada emisi termionik yang intens dari permukaannya. Pemboman anoda dengan elektron menyebabkan kehancuran sebagian: ceruk terbentuk di atasnya - kawah dengan suhu sekitar 4000 ° C. Peningkatan tekanan menyebabkan peningkatan suhu yang lebih besar.

Saat mengencerkan elektroda, pelepasan busur tetap stabil hingga jarak tertentu, yang memungkinkan untuk mengatasinya di bagian peralatan listrik yang berbahaya karena korosi dan kejenuhan kontak yang disebabkan olehnya. Ini adalah perangkat seperti tegangan tinggi dan pemutus sirkuit, kontaktor dan lain-lain. Salah satu metode untuk memerangi busur yang terjadi ketika kontak terbuka adalah penggunaan peluncuran busur berdasarkan prinsip perpanjangan busur. Banyak metode lain juga digunakan: kontak shunting, menggunakan bahan dengan potensi ionisasi tinggi, dan sebagainya.

Perkembangan pelepasan korona terjadi pada tekanan atmosfer normal dalam waktu yang tajam bidang tidak homogen untuk elektroda dengan kelengkungan permukaan yang besar. Ini bisa berupa menara, tiang, kabel, berbagai elemen peralatan listrik yang memiliki bentuk kompleks dan bahkan rambut manusia. Elektroda semacam itu disebut elektroda korona. Proses ionisasi dan, karenanya, pancaran gas hanya terjadi di dekatnya.

Korona dapat terbentuk baik di katoda (korona negatif) ketika dibombardir dengan ion, dan di anoda (positif) sebagai hasil fotoionisasi. Korona negatif, di mana proses ionisasi diarahkan menjauh dari elektroda sebagai akibat dari emisi termal, ditandai dengan cahaya yang merata. Di korona positif, pita dapat diamati - garis bercahaya dengan konfigurasi rusak yang dapat berubah menjadi saluran percikan.

Contoh pelepasan korona di kondisi alam adalah mereka yang muncul di ujung tiang tinggi, puncak pohon, dan sebagainya. Mereka terbentuk pada kekuatan medan listrik yang tinggi di atmosfer, seringkali sebelum badai petir atau selama badai salju. Selain itu, mereka disematkan pada kulit pesawat yang jatuh ke awan abu vulkanik.

Pelepasan korona pada kabel saluran listrik menyebabkan kerugian listrik yang signifikan. Pada tegangan tinggi, pelepasan korona dapat berubah menjadi busur. Mereka bertarung dengannya cara yang berbeda, misalnya, dengan meningkatkan jari-jari kelengkungan konduktor.

Arus listrik dalam gas dan plasma

Gas yang terionisasi seluruhnya atau sebagian disebut plasma dan dianggap sebagai wujud materi keempat. Secara keseluruhan, plasma bersifat netral secara listrik, karena muatan total partikel penyusunnya nol. Ini membedakannya dari sistem partikel bermuatan lainnya, seperti, misalnya, berkas elektron.

Dalam kondisi alami, plasma terbentuk, sebagai suatu peraturan, pada suhu tinggi karena tumbukan atom gas dengan kecepatan tinggi. Sebagian besar materi barionik di alam semesta berada dalam bentuk plasma. Ini adalah bintang, bagian dari materi antarbintang, gas antargalaksi. Ionosfer bumi juga merupakan plasma terionisasi lemah yang dijernihkan.

Derajat ionisasi merupakan karakteristik penting dari plasma; sifat konduktifnya bergantung padanya. Derajat ionisasi didefinisikan sebagai perbandingan jumlah atom yang terionisasi dengan jumlah total atom per satuan volume. Semakin terionisasi plasma, semakin tinggi konduktivitas listriknya. Selain itu, ia memiliki mobilitas yang tinggi.

Oleh karena itu, kita melihat bahwa gas-gas yang menghantarkan listrik di dalam saluran pelepasan tidak lain adalah plasma. Jadi, pelepasan cahaya dan korona adalah contoh plasma dingin; saluran percikan petir atau busur listrik adalah contoh plasma panas yang hampir terionisasi sempurna.

Arus listrik dalam logam, cairan dan gas - perbedaan dan persamaan

Mari kita pertimbangkan fitur-fitur yang menjadi ciri pelepasan gas dibandingkan dengan sifat-sifat arus di media lain.

Dalam logam, arus adalah pergerakan elektron bebas yang terarah yang tidak memerlukan perubahan kimia. Konduktor jenis ini disebut konduktor jenis pertama; ini termasuk, selain logam dan paduan, batu bara, beberapa garam dan oksida. Mereka dibedakan oleh konduktivitas elektronik.

Konduktor jenis kedua adalah elektrolit, yaitu larutan alkali, asam dan garam cair. Aliran arus dikaitkan dengan perubahan kimia dalam elektrolit - elektrolisis. Ion suatu zat yang dilarutkan dalam air, di bawah aksi perbedaan potensial, bergerak ke arah yang berlawanan: kation positif - ke katoda, anion negatif - ke anoda. Proses tersebut disertai dengan evolusi gas atau pengendapan lapisan logam pada katoda. Konduktor jenis kedua dicirikan oleh konduktivitas ionik.

Adapun konduktivitas gas, pertama, sementara, dan kedua, memiliki tanda-tanda persamaan dan perbedaan masing-masing. Jadi, arus listrik dalam elektrolit dan gas adalah aliran partikel bermuatan berlawanan yang diarahkan ke elektroda yang berlawanan. Namun, sementara elektrolit dicirikan oleh konduktivitas ionik murni, dalam pelepasan gas dengan kombinasi jenis konduktivitas elektronik dan ionik, peran utama adalah elektron. Perbedaan lain antara arus listrik dalam cairan dan gas adalah sifat ionisasi. Dalam elektrolit, molekul senyawa terlarut terdisosiasi dalam air, tetapi dalam gas, molekul tidak terurai, tetapi hanya kehilangan elektron. Oleh karena itu, pelepasan gas, seperti arus dalam logam, tidak terkait dengan perubahan kimia.

Arus pada zat cair dan gas juga tidak sama. Konduktivitas elektrolit secara keseluruhan mematuhi hukum Ohm, tetapi tidak diamati selama pelepasan gas. Karakteristik volt-ampere gas memiliki karakter yang jauh lebih kompleks terkait dengan sifat-sifat plasma.

Sebutkan juga harus dibuat dari jenderal Fitur yang membedakan arus listrik dalam gas dan vakum. Vakum adalah dielektrik yang hampir sempurna. "Hampir" - karena dalam ruang hampa, meskipun tidak ada (lebih tepatnya, konsentrasi yang sangat rendah) dari pembawa muatan bebas, arus juga dimungkinkan. Tetapi pembawa potensial sudah ada di dalam gas, mereka hanya perlu terionisasi. Pembawa muatan dibawa ke ruang hampa dari materi. Sebagai aturan, ini terjadi dalam proses emisi elektron, misalnya, ketika katoda dipanaskan (emisi termionik). Tapi juga di berbagai jenis Dalam pelepasan gas, emisi, seperti yang telah kita lihat, memainkan peran penting.

Penggunaan pelepasan gas dalam teknologi

HAI efek berbahaya kategori tertentu telah dibahas secara singkat di atas. Sekarang mari kita perhatikan manfaat yang mereka bawa dalam industri dan kehidupan sehari-hari.

Glow discharge digunakan dalam teknik elektro (stabilisator tegangan), dalam teknologi pelapisan (metode sputtering katoda berdasarkan fenomena korosi katoda). Dalam elektronik, ini digunakan untuk menghasilkan berkas ion dan elektron. Area aplikasi yang terkenal untuk pelepasan pijar adalah lampu fluoresen dan yang disebut lampu ekonomis serta tabung pelepasan neon dan argon dekoratif. Selain itu, pelepasan cahaya digunakan dalam dan dalam spektroskopi.

Pelepasan bunga api digunakan dalam sekering, dalam metode elektroerosif dari pemrosesan logam presisi (pemotongan bunga api, pengeboran, dan sebagainya). Tetapi paling dikenal karena penggunaannya dalam busi mesin pembakaran internal dan di peralatan Rumah Tangga(kompor gas).

Pelepasan busur, yang pertama kali digunakan dalam teknologi pencahayaan sejak tahun 1876 (lilin Yablochkov - "cahaya Rusia"), masih berfungsi sebagai sumber cahaya - misalnya, pada proyektor dan lampu sorot yang kuat. Dalam teknik listrik, busur digunakan dalam penyearah merkuri. Selain itu, digunakan dalam pengelasan listrik, pemotongan logam, tungku listrik industri untuk peleburan baja dan paduan.

Pelepasan korona menemukan aplikasi dalam presipitator elektrostatik untuk pemurnian gas ion, dalam meter partikel dasar, di penangkal petir, di sistem pendingin udara. Pelepasan korona juga bekerja di mesin fotokopi dan printer laser, di mana ia mengisi dan mengeluarkan drum fotosensitif dan mentransfer bubuk dari drum ke kertas.

Dengan demikian, pelepasan gas dari semua jenis banyak digunakan. Arus listrik dalam gas berhasil dan efektif digunakan di banyak bidang teknologi.

Dalam kondisi normal, gas tidak menghantarkan listrik karena molekulnya bersifat netral. Misalnya, udara kering adalah isolator yang baik, karena kita dapat memverifikasi dengan bantuan eksperimen elektrostatika yang paling sederhana. Namun, udara dan gas lainnya menjadi konduktor arus listrik jika ion dibuat di dalamnya dengan satu atau lain cara.

Beras. 100. Udara menjadi penghantar arus listrik jika terionisasi

Eksperimen paling sederhana yang menggambarkan konduktivitas udara selama ionisasinya oleh nyala api ditunjukkan pada Gambar. 100: Muatan pada pelat, yang bertahan untuk waktu yang lama, dengan cepat menghilang ketika korek api yang menyala dimasukkan ke dalam ruang di antara pelat.

Pelepasan gas. Proses melewatkan arus listrik melalui gas biasanya disebut pelepasan gas (atau pelepasan listrik dalam gas). Pelepasan gas dibagi menjadi dua jenis: mandiri dan tidak mandiri.

Kategori tidak mandiri. Pelepasan dalam gas disebut non-self-sustaining jika sumber eksternal diperlukan untuk mempertahankannya.

ionisasi. Ion dalam gas dapat muncul di bawah pengaruh suhu tinggi, sinar-X dan radiasi ultraviolet, radioaktivitas, sinar kosmik, dll. Dalam semua kasus ini, satu atau lebih elektron dilepaskan dari kulit elektron atom atau molekul. Akibatnya, ion positif dan elektron bebas muncul dalam gas. Elektron yang dilepaskan dapat bergabung dengan atom atau molekul netral, mengubahnya menjadi ion negatif.

Ionisasi dan rekombinasi. Seiring dengan proses ionisasi dalam gas, proses rekombinasi terbalik juga terjadi: menghubungkan satu sama lain, ion positif dan negatif atau ion positif dan elektron membentuk molekul atau atom netral.

Perubahan konsentrasi ion terhadap waktu, karena sumber ionisasi dan proses rekombinasi yang konstan, dapat digambarkan sebagai berikut. Mari kita asumsikan bahwa sumber ionisasi menciptakan ion positif per satuan volume gas per satuan waktu dan jumlah elektron yang sama. Jika tidak ada arus listrik dalam gas dan pelepasan ion dari volume yang dipertimbangkan karena difusi dapat diabaikan, maka satu-satunya mekanisme untuk mengurangi konsentrasi ion adalah rekombinasi.

Rekombinasi terjadi ketika ion positif bertemu dengan elektron. Jumlah pertemuan tersebut sebanding dengan jumlah ion dan jumlah elektron bebas, yaitu sebanding dengan . Oleh karena itu, penurunan jumlah ion per satuan volume per satuan waktu dapat ditulis sebagai , di mana a adalah nilai konstanta yang disebut koefisien rekombinasi.

Di bawah validitas asumsi yang diperkenalkan, persamaan keseimbangan untuk ion dalam gas dapat ditulis dalam bentuk:

Kami tidak akan menyelesaikan persamaan diferensial ini dalam pandangan umum, dan pertimbangkan beberapa kasus khusus yang menarik.

Pertama-tama, kami mencatat bahwa proses ionisasi dan rekombinasi setelah beberapa waktu harus saling mengimbangi dan konsentrasi konstan akan ditetapkan dalam gas, dapat dilihat bahwa pada

Konsentrasi ion stasioner semakin besar, semakin kuat sumber ionisasi dan semakin kecil koefisien rekombinasi a.

Setelah ionizer dimatikan, penurunan konsentrasi ion dijelaskan oleh persamaan (1), di mana perlu diambil sebagai nilai awal konsentrasi

Menulis ulang persamaan ini dalam bentuk setelah integrasi, kami memperoleh

Grafik fungsi ini ditunjukkan pada Gambar. 101. Ini adalah hiperbola yang asimtotnya adalah sumbu waktu dan garis vertikal. arti fisik hanya memiliki bagian hiperbola yang sesuai dengan nilai Perhatikan sifat lambat dari penurunan konsentrasi dengan waktu dibandingkan dengan proses peluruhan eksponensial yang sering ditemui dalam fisika, yang diwujudkan ketika laju penurunan kuantitas adalah sebanding dengan pangkat pertama dari nilai sesaat dari kuantitas ini.

Beras. 101. Penurunan konsentrasi ion dalam gas setelah mematikan sumber ionisasi

Konduksi non-diri. Proses penurunan konsentrasi ion setelah penghentian aksi ionizer dipercepat secara signifikan jika gas berada dalam medan listrik eksternal. Dengan menarik elektron dan ion ke elektroda, medan listrik dapat dengan cepat meniadakan konduktivitas listrik gas tanpa adanya ionizer.

Untuk memahami keteraturan dari pelepasan yang tidak mandiri, mari kita pertimbangkan untuk menyederhanakan kasus ketika arus dalam gas yang terionisasi oleh sumber eksternal mengalir antara dua elektroda datar yang sejajar satu sama lain. Dalam hal ini, ion dan elektron berada dalam medan listrik seragam dengan kekuatan E, sama dengan rasio tegangan yang diterapkan pada elektroda dengan jarak di antara mereka.

Mobilitas elektron dan ion Dengan tegangan yang diterapkan konstan, kekuatan arus konstan tertentu 1 didirikan di sirkuit.Ini berarti bahwa elektron dan ion dalam gas terionisasi bergerak dengan kecepatan konstan. Untuk menjelaskan fakta ini, kita harus mengasumsikan bahwa selain gaya percepatan medan listrik yang konstan, ion dan elektron yang bergerak dipengaruhi oleh gaya hambatan yang meningkat dengan bertambahnya kecepatan. Gaya-gaya ini menggambarkan efek rata-rata dari tumbukan elektron dan ion dengan atom netral dan molekul gas. Melalui kekuatan perlawanan

kecepatan konstan rata-rata elektron dan ion ditetapkan, sebanding dengan kekuatan medan listrik E:

Koefisien proporsionalitas disebut mobilitas elektron dan ion. Mobilitas ion dan elektron memiliki arti yang berbeda dan tergantung pada jenis gas, densitasnya, suhu, dll.

Kerapatan arus listrik, yaitu muatan yang dibawa oleh elektron dan ion per satuan waktu melalui suatu satuan luas, dinyatakan dalam konsentrasi elektron dan ion, muatannya dan kecepatan gerak tetap.

Netralitas semu. Dalam kondisi normal, gas terionisasi secara keseluruhan netral secara listrik, atau, seperti yang mereka katakan, quasi-netral, karena dalam volume kecil yang mengandung jumlah elektron dan ion yang relatif kecil, kondisi netralitas listrik dapat dilanggar. Ini berarti bahwa hubungan

Kepadatan arus pada debit non-berkelanjutan. Untuk memperoleh hukum perubahan konsentrasi pembawa arus terhadap waktu selama pelepasan non-berkelanjutan dalam gas, perlu, bersama dengan proses ionisasi oleh sumber eksternal dan rekombinasi, untuk memperhitungkan juga pelepasan elektron dan ion ke elektroda. Jumlah partikel yang keluar per satuan waktu per luas elektroda dari volume sama dengan Laju penurunan konsentrasi partikel tersebut, kita peroleh dengan membagi jumlah ini dengan volume gas di antara elektroda. Oleh karena itu, persamaan keseimbangan alih-alih (1) dengan adanya arus akan ditulis dalam bentuk

Untuk mendirikan rezim, bila dari (8) kita peroleh

Persamaan (9) memungkinkan untuk menemukan ketergantungan kerapatan arus kondisi tunak dalam pelepasan non-berkelanjutan pada tegangan yang diberikan (atau pada kekuatan medan E).

Dua kasus pembatas terlihat secara langsung.

Hukum Ohm. Pada tegangan rendah, ketika dalam persamaan (9) kita dapat mengabaikan suku kedua di sisi kanan, setelah itu kita memperoleh rumus (7), kita memiliki

Kepadatan arus sebanding dengan kekuatan medan listrik yang diterapkan. Jadi, untuk pelepasan gas yang tidak mandiri di medan listrik yang lemah, hukum Ohm terpenuhi.

Arus saturasi. Pada konsentrasi rendah elektron dan ion dalam persamaan (9), kita dapat mengabaikan yang pertama (kuadrat dalam istilah di sisi kanan. Dalam pendekatan ini, vektor kerapatan arus diarahkan sepanjang kuat medan listrik, dan modulus

tidak tergantung pada tegangan yang diberikan. Hasil ini berlaku untuk medan listrik kuat. Dalam hal ini, kita berbicara tentang arus saturasi.

Kedua kasus yang dianggap membatasi dapat diselidiki tanpa mengacu pada persamaan (9). Namun, dengan cara ini tidak mungkin untuk melacak bagaimana, ketika tegangan meningkat, transisi dari hukum Ohm ke ketergantungan arus nonlinier pada tegangan terjadi.

Dalam kasus pembatas pertama, ketika arus sangat kecil, mekanisme utama untuk menghilangkan elektron dan ion dari daerah pelepasan adalah rekombinasi. Oleh karena itu, untuk konsentrasi stasioner, ekspresi (2) dapat digunakan, yang, jika (7) diperhitungkan, segera memberikan rumus (10). Dalam kasus pembatas kedua, sebaliknya, rekombinasi diabaikan. Dalam medan listrik yang kuat, elektron dan ion tidak memiliki waktu untuk bergabung kembali secara nyata selama waktu penerbangan dari satu elektroda ke elektroda lain jika konsentrasinya cukup rendah. Kemudian semua elektron dan ion yang dihasilkan oleh sumber eksternal mencapai elektroda dan rapat arus total adalah sebanding dengan panjang ruang ionisasi, karena jumlah total elektron dan ion yang dihasilkan oleh ionizer sebanding dengan I.

Studi eksperimental pelepasan gas. Kesimpulan dari teori pelepasan gas yang tidak mandiri dikonfirmasi oleh eksperimen. Untuk mempelajari pelepasan dalam gas, akan lebih mudah menggunakan tabung gelas dengan dua elektroda logam. Sirkuit listrik dari instalasi semacam itu ditunjukkan pada gambar. 102. Mobilitas

elektron dan ion sangat bergantung pada tekanan gas (berbanding terbalik dengan tekanan), sehingga lebih mudah untuk melakukan eksperimen pada tekanan yang dikurangi.

pada gambar. 103 menunjukkan ketergantungan arus I dalam tabung pada tegangan yang diterapkan pada elektroda tabung.Ionisasi dalam tabung dapat dibuat, misalnya, dengan sinar-X atau sinar ultraviolet atau dengan obat radioaktif lemah. Hanya penting bahwa sumber ion eksternal tetap tidak berubah.

Beras. 102. Diagram instalasi untuk mempelajari pelepasan gas

Beras. 103. Karakteristik tegangan arus eksperimental dari pelepasan gas

Pada bagian tersebut, kekuatan arus tidak tergantung secara linier pada tegangan. Mulai dari titik B, arus mencapai saturasi dan tetap konstan untuk beberapa jarak.Semua ini konsisten dengan prediksi teoritis.

Peringkat diri. Namun, di titik C, arus mulai naik lagi, mula-mula perlahan, lalu sangat tajam. Ini berarti bahwa sumber ion internal baru telah muncul di dalam gas. Jika sekarang kita menghilangkan sumber eksternal, maka pelepasan dalam gas tidak berhenti, yaitu, ia berpindah dari pelepasan yang tidak mandiri ke pelepasan independen. Dengan self-discharge, pembentukan elektron dan ion baru terjadi sebagai akibat dari proses internal dalam gas itu sendiri.

Ionisasi oleh dampak elektron. Peningkatan arus selama transisi dari pelepasan non-berkelanjutan ke pelepasan independen terjadi seperti longsoran salju dan disebut gangguan listrik gas. Tegangan di mana kerusakan terjadi disebut tegangan pengapian. Itu tergantung pada jenis gas dan pada produk tekanan gas dan jarak antara elektroda.

Proses dalam gas yang bertanggung jawab atas peningkatan kekuatan arus seperti longsoran dengan meningkatnya tegangan yang diberikan dikaitkan dengan ionisasi atom atau molekul netral gas oleh elektron bebas yang dipercepat oleh medan listrik hingga tingkat yang cukup.

energi besar. Energi kinetik elektron sebelum tumbukan berikutnya dengan atom atau molekul netral sebanding dengan kuat medan listrik E dan jalur bebas elektron X:

Jika energi ini cukup untuk mengionisasi atom atau molekul netral, yaitu, melebihi kerja ionisasi

kemudian ketika elektron bertabrakan dengan atom atau molekul, mereka terionisasi. Akibatnya, dua elektron muncul, bukan satu. Mereka, pada gilirannya, dipercepat oleh medan listrik dan mengionisasi atom atau molekul yang ditemui di jalan mereka, dll. Proses berkembang seperti longsoran salju dan disebut longsoran elektron. Mekanisme ionisasi yang dijelaskan disebut ionisasi tumbukan elektron.

Sebuah bukti eksperimental bahwa ionisasi atom gas netral terjadi terutama karena dampak elektron, dan bukan ion positif, diberikan oleh J. Townsend. Dia mengambil ruang ionisasi dalam bentuk kapasitor silinder, elektroda internal yang merupakan benang logam tipis yang direntangkan di sepanjang sumbu silinder. Dalam ruang seperti itu, medan listrik yang dipercepat sangat tidak homogen, dan peran utama dalam ionisasi dimainkan oleh partikel yang memasuki wilayah medan terkuat di dekat filamen. Pengalaman menunjukkan bahwa untuk tegangan yang sama antara elektroda, arus pelepasan lebih besar ketika potensial positif diterapkan ke filamen dan bukan ke silinder luar. Dalam hal ini semua elektron bebas yang menciptakan arus harus melewati daerah medan terkuat.

Emisi elektron dari katoda. Sebuah pelepasan mandiri dapat menjadi stasioner hanya jika elektron bebas baru terus-menerus muncul dalam gas, karena semua elektron yang muncul dalam longsoran mencapai anoda dan dihilangkan dari permainan. Elektron baru dikeluarkan dari katoda oleh ion positif, yang, ketika bergerak menuju katoda, juga dipercepat oleh medan listrik dan memperoleh energi yang cukup untuk ini.

Katoda dapat memancarkan elektron tidak hanya sebagai akibat dari penembakan ion, tetapi juga secara mandiri, ketika dipanaskan hingga suhu tinggi. Proses ini disebut emisi termionik, dapat dianggap sebagai semacam penguapan elektron dari logam. Biasanya terjadi pada suhu seperti itu, ketika penguapan bahan katoda itu sendiri masih kecil. Dalam kasus pelepasan gas mandiri, katoda biasanya dipanaskan tanpa

filamen, seperti dalam tabung vakum, tetapi karena pelepasan panas ketika dibombardir dengan ion positif. Oleh karena itu, katoda memancarkan elektron bahkan ketika energi ion tidak cukup untuk melumpuhkan elektron.

Pelepasan mandiri dalam gas terjadi tidak hanya sebagai akibat dari transisi dari pelepasan non-berkelanjutan dengan meningkatnya tegangan dan menjauh sumber luar ionisasi, tetapi juga dengan penerapan langsung tegangan yang melebihi tegangan ambang penyalaan. Teori menunjukkan bahwa jumlah ion terkecil, yang selalu ada dalam gas netral, jika hanya karena latar belakang radioaktif alami, cukup untuk menyalakan pelepasan.

Tergantung pada sifat dan tekanan gas, konfigurasi elektroda, dan tegangan yang diterapkan ke elektroda, berbagai jenis pelepasan sendiri dimungkinkan.

Pelepasan yang membara. Pada tekanan rendah(persepuluh dan seperseratus milimeter air raksa) pelepasan cahaya diamati di dalam tabung. Untuk menyalakan pelepasan cahaya, tegangan beberapa ratus atau bahkan puluhan volt sudah cukup. Empat wilayah karakteristik dapat dibedakan dalam pelepasan cahaya. Ini adalah ruang katoda gelap, cahaya membara (atau negatif), ruang gelap Faraday, dan kolom positif bercahaya yang menempati sebagian besar ruang antara anoda dan katoda.

Tiga wilayah pertama terletak di dekat katoda. Di sinilah penurunan tajam dalam potensi terjadi, terkait dengan konsentrasi besar ion positif di perbatasan ruang gelap katoda dan cahaya yang membara. Elektron yang dipercepat di wilayah ruang gelap katoda menghasilkan ionisasi tumbukan yang intens di wilayah cahaya. Cahaya yang membara disebabkan oleh rekombinasi ion dan elektron menjadi atom atau molekul netral. Kolom positif dari pelepasan ditandai dengan sedikit penurunan potensial dan cahaya yang disebabkan oleh kembalinya atom atau molekul gas yang tereksitasi ke keadaan dasar.

pelepasan korona. Pada tekanan gas yang relatif tinggi (urutan tekanan atmosfer), di dekat bagian konduktor yang runcing, di mana medan listrik sangat tidak homogen, pelepasan diamati, daerah bercahaya yang menyerupai korona. Pelepasan korona terkadang terjadi di vivo di puncak pohon, tiang kapal, dll. ("api St. Elmo"). Pelepasan korona harus dipertimbangkan dalam rekayasa tegangan tinggi ketika pelepasan ini terjadi di sekitar kabel saluran listrik tegangan tinggi dan menyebabkan kerugian daya. Berguna penggunaan praktis pelepasan korona ditemukan di presipitator elektrostatik untuk dibersihkan gas industri dari pengotor partikel padat dan cair.

Dengan peningkatan tegangan antara elektroda, pelepasan korona berubah menjadi percikan dengan kerusakan total celah antara

elektroda. Ini memiliki bentuk seberkas saluran percabangan zigzag yang cerah, langsung menembus celah pembuangan dan secara aneh saling menggantikan. Pelepasan percikan disertai dengan pelepasan sejumlah besar panas, cahaya putih kebiruan yang cerah dan derak yang kuat. Ini dapat diamati di antara bola-bola mesin elektrofor. Contoh pelepasan bunga api raksasa adalah petir alami, dimana kuat arusnya mencapai 5-105 A, dan beda potensialnya adalah 109 V.

Karena pelepasan percikan terjadi pada tekanan atmosfer (dan lebih tinggi), tegangan penyalaan sangat tinggi: di udara kering, dengan jarak antara elektroda 1 cm, sekitar 30 kV.

Busur listrik. Praktis spesifik pandangan penting pelepasan gas sendiri adalah busur listrik. Ketika dua elektroda karbon atau logam bersentuhan pada titik kontaknya, sejumlah besar panas karena resistensi kontak yang tinggi. Akibatnya, emisi termionik dimulai, dan ketika elektroda dipindahkan terpisah di antara mereka, busur bercahaya terang muncul dari gas yang sangat terionisasi dan berkonduksi dengan baik. Kekuatan arus bahkan dalam busur kecil mencapai beberapa ampere, dan dalam busur besar - beberapa ratus ampere pada tegangan sekitar 50 V. Busur listrik banyak digunakan dalam teknologi sebagai sumber cahaya yang kuat, dalam tungku listrik dan untuk pengelasan listrik . medan perlambatan lemah dengan tegangan sekitar 0,5 V. Medan ini mencegah elektron lambat mencapai anoda. Elektron dipancarkan oleh katoda K yang dipanaskan oleh arus listrik.

pada gambar. 105 menunjukkan ketergantungan kuat arus pada rangkaian anoda terhadap tegangan percepatan yang diperoleh pada percobaan ini, ketergantungan ini bersifat non-monotonik dengan maksimum pada tegangan kelipatan 4,9 V.

Diskrititas tingkat energi atom. Ketergantungan arus pada tegangan ini hanya dapat dijelaskan dengan adanya keadaan stasioner diskrit dalam atom merkuri. Jika atom tidak memiliki keadaan stasioner diskrit, yaitu, energi dalam dapat mengambil nilai berapa pun, maka tumbukan lenting, disertai dengan peningkatan energi internal atom, dapat terjadi pada energi elektron berapa pun. Jika terdapat keadaan diskrit, maka tumbukan elektron dengan atom hanya dapat bersifat elastik, selama energi elektron tidak cukup untuk memindahkan atom dari keadaan dasar ke keadaan tereksitasi terendah.

Selama tumbukan elastis, energi kinetik elektron praktis tidak berubah, karena massa elektron jauh lebih kecil daripada massa atom merkuri. Dalam kondisi ini, jumlah elektron yang mencapai anoda meningkat secara monoton dengan meningkatnya tegangan. Ketika tegangan percepatan mencapai 4,9 V, tumbukan elektron dengan atom menjadi tidak elastis. Energi internal atom meningkat secara tiba-tiba, dan elektron kehilangan hampir semua energi kinetiknya sebagai akibat tumbukan.

Medan perlambatan juga tidak memungkinkan elektron lambat mencapai anoda, dan arus menurun tajam. Itu tidak hilang hanya karena beberapa elektron mencapai grid tanpa mengalami tumbukan lenting. Kekuatan arus maksimum kedua dan selanjutnya diperoleh karena pada tegangan yang kelipatan 4,9 V, elektron dalam perjalanannya ke grid dapat mengalami beberapa tumbukan inelastis dengan atom merkuri.

Jadi, elektron memperoleh energi yang diperlukan untuk tumbukan tidak lenting hanya setelah melewati beda potensial 4,9 V. Ini berarti bahwa energi dalam atom merkuri tidak dapat berubah dengan jumlah yang lebih kecil dari eV, yang membuktikan diskrit spektrum energi suatu atom. Validitas kesimpulan ini juga dikonfirmasi oleh fakta bahwa pada tegangan 4,9 V pelepasan mulai bersinar: atom tereksitasi selama spontan

transisi ke keadaan dasar memancarkan cahaya tampak, yang frekuensinya bertepatan dengan yang dihitung dengan rumus

Dalam eksperimen klasik Frank dan Hertz, metode tumbukan elektron tidak hanya menentukan potensial eksitasi, tetapi juga potensial ionisasi sejumlah atom.

Berikan contoh percobaan elektrostatik yang menunjukkan bahwa udara kering adalah isolator yang baik.

Di mana sifat isolasi udara yang digunakan dalam rekayasa?

Apa yang dimaksud dengan pelepasan gas yang tidak mandiri? Dalam kondisi apa itu berjalan?

Jelaskan mengapa laju penurunan konsentrasi akibat rekombinasi sebanding dengan kuadrat konsentrasi elektron dan ion. Mengapa konsentrasi ini dapat dianggap sama?

Mengapa tidak masuk akal untuk hukum penurunan konsentrasi yang dinyatakan oleh rumus (3) untuk memperkenalkan konsep waktu karakteristik, yang banyak digunakan untuk proses peluruhan eksponensial, meskipun dalam kedua kasus proses berlanjut, secara umum, untuk waktu yang sangat lama waktu?

Menurut Anda mengapa tanda yang berlawanan dipilih dalam definisi mobilitas dalam rumus (4) untuk elektron dan ion?

Bagaimana kekuatan arus dalam pelepasan gas yang tidak mandiri bergantung pada tegangan yang diberikan? Mengapa transisi dari hukum Ohm ke arus saturasi terjadi dengan meningkatnya tegangan?

Arus listrik dalam gas dilakukan oleh elektron dan ion. Namun, muatan hanya satu tanda datang ke masing-masing elektroda. Bagaimana hal ini sesuai dengan fakta bahwa di semua bagian rangkaian seri kekuatan arusnya sama?

Mengapa elektron daripada ion positif memainkan peran terbesar dalam ionisasi gas dalam pelepasan karena tumbukan?

Menggambarkan karakteristik berbagai macam pelepasan gas independen.

Mengapa hasil eksperimen Frank dan Hertz membuktikan perbedaan tingkat energi atom?

Menggambarkan proses fisik terjadi dalam tabung pelepasan gas dalam percobaan Frank dan Hertz, dengan peningkatan tegangan percepatan.

Tema GUNAKAN pengkode : pembawa muatan listrik bebas dalam gas.

Dalam kondisi biasa, gas terdiri dari atom atau molekul yang netral secara elektrik; Hampir tidak ada biaya gratis dalam gas. Oleh karena itu gas adalah dielektrik- arus listrik tidak melewatinya.

Kami mengatakan "hampir tidak ada" karena pada kenyataannya, dalam gas dan, khususnya, di udara, selalu ada sejumlah partikel bermuatan bebas. Mereka muncul sebagai akibat dari efek pengion dari radiasi zat radioaktif yang membentuk kerak bumi, ultraviolet dan sinar X Matahari, serta sinar kosmik - aliran partikel berenergi tinggi yang menembus atmosfer bumi dari luar angkasa. Nanti kita akan kembali ke fakta ini dan membahas pentingnya, tetapi untuk saat ini kita hanya akan mencatat bahwa dalam kondisi normal konduktivitas gas, yang disebabkan oleh jumlah muatan bebas "alami", dapat diabaikan dan dapat diabaikan.

Tindakan sakelar di sirkuit listrik didasarkan pada sifat isolasi celah udara ( gbr. 1). Misalnya, celah udara kecil di sakelar lampu sudah cukup untuk membuka sirkuit listrik di kamar Anda.

Beras. 1 kunci

Namun, dimungkinkan untuk menciptakan kondisi seperti itu di mana arus listrik akan muncul di celah gas. Mari simak pengalaman berikut.

Kami mengisi pelat kapasitor udara dan menghubungkannya ke galvanometer sensitif (Gbr. 2, kiri). Pada suhu kamar dan di udara yang tidak terlalu lembab, galvanometer tidak akan menunjukkan arus yang nyata: celah udara kami, seperti yang kami katakan, bukanlah penghantar listrik.

Beras. 2. Terjadinya arus di udara

Sekarang mari kita bawa nyala api kompor atau lilin ke celah di antara pelat kapasitor (Gbr. 2, di sebelah kanan). Saat ini muncul! Mengapa?

Biaya gratis dalam gas

Terjadinya arus listrik antara pelat kondensor berarti di udara di bawah pengaruh nyala api muncul biaya gratis. Apa tepatnya?

Pengalaman menunjukkan bahwa arus listrik dalam gas adalah gerakan teratur partikel bermuatan. tiga jenis. Ini elektron, ion positif dan ion negatif.

Mari kita lihat bagaimana muatan ini dapat muncul dalam gas.

Saat suhu gas meningkat, getaran termal partikelnya - molekul atau atom - menjadi lebih kuat. Dampak partikel terhadap satu sama lain mencapai kekuatan sedemikian rupa sehingga ionisasi- peluruhan partikel netral menjadi elektron dan ion positif (Gbr. 3).

Beras. 3. Ionisasi

Derajat ionisasi adalah rasio jumlah partikel gas yang membusuk dengan jumlah total partikel awal. Misalnya, jika derajat ionisasinya adalah , maka ini berarti partikel gas asli telah meluruh menjadi ion dan elektron positif.

Tingkat ionisasi gas tergantung pada suhu dan meningkat tajam dengan kenaikannya. Untuk hidrogen, misalnya, pada suhu di bawah derajat ionisasi tidak melebihi , dan pada suhu di atas derajat ionisasi mendekati (yaitu, hidrogen hampir sepenuhnya terionisasi (gas terionisasi sebagian atau seluruhnya disebut gas plasma)).

Selain suhu tinggi, ada faktor lain yang menyebabkan ionisasi gas.

Kami telah menyebutkannya secara sepintas: ini adalah radiasi radioaktif, ultraviolet, sinar-X dan sinar gamma, partikel kosmik. Faktor apa saja yang menyebabkan terjadinya ionisasi gas disebut pengion.

Jadi, ionisasi tidak terjadi dengan sendirinya, tetapi di bawah pengaruh ionizer.

Pada saat yang sama, proses sebaliknya rekombinasi, yaitu, reuni elektron dan ion positif menjadi partikel netral (Gbr. 4).

Beras. 4. Rekombinasi

Alasan rekombinasi sederhana: ini adalah gaya tarik Coulomb dari elektron dan ion yang bermuatan berlawanan. Bergegas menuju satu sama lain di bawah aksi gaya listrik, mereka bertemu dan mendapatkan kesempatan untuk membentuk atom netral (atau molekul - tergantung pada jenis gas).

Pada intensitas konstan aksi ionizer, keseimbangan dinamis ditetapkan: jumlah rata-rata partikel yang meluruh per satuan waktu sama dengan jumlah rata-rata partikel yang bergabung kembali (dengan kata lain, laju ionisasi sama dengan laju rekombinasi). aksi ionizer diperkuat (misalnya, suhu dinaikkan), maka kesetimbangan dinamis akan bergeser ke arah ionisasi, dan konsentrasi partikel bermuatan dalam gas akan meningkat. Sebaliknya, jika Anda mematikan ionizer, maka rekombinasi akan mulai berlaku, dan biaya gratis secara bertahap akan hilang sepenuhnya.

Jadi, ion positif dan elektron muncul dalam gas sebagai hasil ionisasi. Dari mana jenis muatan ketiga berasal - ion negatif? Sangat sederhana: sebuah elektron dapat terbang ke atom netral dan bergabung dengannya! Proses ini ditunjukkan pada Gambar. 5 .

Beras. 5. Munculnya ion negatif

Ion negatif yang terbentuk dengan cara ini akan berpartisipasi dalam penciptaan arus bersama dengan ion positif dan elektron.

Pelepasan non-diri sendiri

Jika tidak ada medan listrik eksternal, maka muatan bebas melakukan gerakan termal kacau bersama dengan partikel gas netral. Tetapi ketika medan listrik diterapkan, gerakan teratur partikel bermuatan dimulai - arus listrik dalam gas.

Beras. 6. Pembuangan yang tidak mandiri

pada gambar. 6 kita melihat tiga jenis partikel bermuatan yang muncul di celah gas di bawah aksi ionizer: ion positif, ion negatif, dan elektron. Arus listrik dalam gas terbentuk sebagai akibat dari pergerakan partikel bermuatan: ion positif - ke elektroda negatif (katoda), elektron dan ion negatif - ke elektroda positif (anoda).

Elektron, jatuh pada anoda positif, dikirim sepanjang sirkuit ke "plus" dari sumber arus. Ion negatif menyumbangkan elektron ekstra ke anoda dan, setelah menjadi partikel netral, kembali ke gas; elektron yang diberikan ke anoda juga mengalir ke "plus" sumbernya. Ion positif, datang ke katoda, mengambil elektron dari sana; kekurangan elektron yang dihasilkan di katoda segera dikompensasikan dengan pengiriman mereka di sana dari "minus" sumber. Sebagai hasil dari proses ini, pergerakan elektron yang teratur terjadi di sirkuit eksternal. Ini adalah arus listrik yang direkam oleh galvanometer.

Proses yang dijelaskan pada Gambar. 6 disebut debit tidak mandiri dalam gas. Mengapa tergantung? Oleh karena itu, untuk mempertahankannya, perlu tindakan permanen pengion. Lepaskan ionizer - dan arus akan berhenti, karena mekanisme yang memastikan munculnya muatan gratis di celah gas akan hilang. Ruang antara anoda dan katoda akan kembali menjadi isolator.

Karakteristik volt-ampere dari pelepasan gas

Ketergantungan kekuatan arus melalui celah gas pada tegangan antara anoda dan katoda (yang disebut karakteristik tegangan arus dari pelepasan gas) ditunjukkan pada Gambar. 7.

Beras. 7. Karakteristik volt-ampere dari pelepasan gas

Pada tegangan nol, kekuatan arus, tentu saja, sama dengan nol: partikel bermuatan hanya melakukan gerakan termal, tidak ada gerakan teratur di antara elektroda.

Dengan tegangan yang kecil, kuat arusnya juga kecil. Faktanya adalah bahwa tidak semua partikel bermuatan ditakdirkan untuk sampai ke elektroda: beberapa ion positif dan elektron saling menemukan dan bergabung kembali dalam proses pergerakannya.

Ketika tegangan meningkat, muatan bebas berkembang semakin cepat, dan semakin kecil kemungkinan ion positif dan elektron harus bertemu dan bergabung kembali. Oleh karena itu, peningkatan bagian dari partikel bermuatan mencapai elektroda, dan kekuatan arus meningkat (bagian ).

Pada nilai tegangan (titik ) tertentu, kecepatan pengisian menjadi sangat tinggi sehingga rekombinasi tidak sempat terjadi sama sekali. Dari sekarang semua partikel bermuatan yang terbentuk di bawah aksi ionizer mencapai elektroda, dan arus mencapai saturasi- Yaitu, kekuatan arus berhenti berubah dengan meningkatnya tegangan. Ini akan terus berlanjut hingga titik tertentu.

pelepasan diri

Setelah melewati titik, kekuatan arus meningkat tajam dengan meningkatnya tegangan - dimulai pelepasan mandiri. Sekarang kita akan mencari tahu apa itu.

Partikel gas bermuatan bergerak dari tumbukan ke tumbukan; dalam interval antara tumbukan, mereka dipercepat oleh medan listrik, meningkatkan energi kinetiknya. Dan sekarang, ketika tegangan menjadi cukup besar (titik itu), elektron selama jalur bebasnya mencapai energi sedemikian rupa sehingga ketika mereka bertabrakan dengan atom netral, mereka mengionisasinya! (Menggunakan hukum kekekalan momentum dan energi, dapat ditunjukkan bahwa elektron (dan bukan ion) yang dipercepat oleh medan listriklah yang memiliki kemampuan maksimum untuk mengionisasi atom.)

Disebut ionisasi dampak elektron. Elektron tersingkir dari atom terionisasi juga dipercepat oleh medan listrik dan bertabrakan dengan atom baru, mengionisasi mereka sekarang dan menghasilkan elektron baru. Sebagai hasil dari longsoran elektron yang muncul, jumlah atom terionisasi meningkat dengan cepat, akibatnya kekuatan arus juga meningkat dengan cepat.

Jumlah muatan bebas menjadi begitu besar sehingga kebutuhan akan ionizer eksternal dihilangkan. Itu bisa dihilangkan begitu saja. Partikel bermuatan bebas sekarang muncul sebagai akibat dari lokal proses yang terjadi dalam gas - itu sebabnya pelepasannya disebut independen.

Jika celah gas di bawah tegangan tinggi, maka tidak diperlukan ionizer untuk self-discharge. Cukup untuk menemukan hanya satu elektron bebas dalam gas, dan longsoran elektron yang dijelaskan di atas akan dimulai. Dan akan selalu ada setidaknya satu elektron bebas!

Mari kita ingat sekali lagi bahwa dalam gas, bahkan dalam kondisi normal, ada sejumlah muatan bebas "alami" tertentu, karena radiasi radioaktif pengion dari kerak bumi, radiasi frekuensi tinggi dari Matahari, dan sinar kosmik. Kita telah melihat bahwa pada tegangan rendah, konduktivitas gas yang disebabkan oleh muatan bebas ini dapat diabaikan, tetapi sekarang - pada tegangan tinggi - mereka akan menimbulkan longsoran partikel baru, sehingga menimbulkan pelepasan independen. Itu akan terjadi seperti yang mereka katakan kerusakan celah gas.

Kuat medan yang dibutuhkan untuk memecah udara kering kira-kira kV/cm. Dengan kata lain, agar percikan melompat di antara elektroda yang dipisahkan oleh satu sentimeter udara, tegangan kilovolt harus diterapkan padanya. Bayangkan tegangan apa yang dibutuhkan untuk menembus beberapa kilometer udara! Tetapi justru kerusakan seperti itu yang terjadi selama badai petir - ini adalah petir yang Anda ketahui.

Ini adalah ringkasan singkat.

Bekerja pada versi lengkap berlanjut

Kuliah2 1

Arus dalam gas

1. Ketentuan Umum

Definisi: Peristiwa mengalirnya arus listrik dalam gas disebut pelepasan gas.

Perilaku gas sangat tergantung pada parameternya, seperti suhu dan tekanan, dan parameter ini cukup mudah berubah. Oleh karena itu, aliran arus listrik dalam gas lebih kompleks daripada di logam atau dalam ruang hampa.

Gas tidak mematuhi hukum Ohm.

2. Ionisasi dan rekombinasi

Gas dalam kondisi normal terdiri dari molekul yang praktis netral, oleh karena itu, ia merupakan konduktor arus listrik yang sangat buruk. Namun, di bawah pengaruh eksternal, elektron dapat keluar dari atom dan ion bermuatan positif muncul. Selain itu, elektron dapat bergabung dengan atom netral dan membentuk ion bermuatan negatif. Dengan demikian, adalah mungkin untuk mendapatkan gas terionisasi, yaitu. plasma.

Pengaruh eksternal termasuk pemanasan, iradiasi dengan foton energik, pemboman oleh partikel lain, dan medan kuat, mis. kondisi yang sama yang diperlukan untuk emisi unsur.

Sebuah elektron dalam atom berada dalam sumur potensial, dan untuk melepaskan diri dari sana, perlu untuk memberikan energi tambahan ke atom, yang disebut energi ionisasi.

Zat	Energi ionisasi, eV
atom hidrogen	13,59
Molekul hidrogen	15,43
Helium	24,58
atom oksigen	13,614
molekul oksigen	12,06

Seiring dengan fenomena ionisasi, fenomena rekombinasi juga diamati, yaitu. penyatuan elektron dan ion positif untuk membentuk atom netral. Proses ini terjadi dengan pelepasan energi yang sama dengan energi ionisasi. Energi ini dapat digunakan untuk radiasi atau pemanasan. Pemanasan lokal gas menyebabkan perubahan tekanan lokal. Yang pada gilirannya mengarah ke gelombang suara. Dengan demikian, pelepasan gas disertai dengan efek cahaya, termal, dan kebisingan.

3. CVC dari pelepasan gas.

Pada tahap awal, aksi ionizer eksternal diperlukan.

Di bagian BAW, arus ada di bawah aksi ionizer eksternal dan dengan cepat mencapai saturasi ketika semua partikel terionisasi berpartisipasi dalam generasi saat ini. Jika Anda melepas ionizer eksternal, arus akan berhenti.

Jenis pelepasan ini disebut pelepasan gas yang tidak mandiri. Ketika Anda mencoba untuk meningkatkan tegangan dalam gas, longsoran elektron muncul, dan arus meningkat pada tegangan yang hampir konstan, yang disebut tegangan penyalaan (BC).

Mulai saat ini, debit menjadi independen dan tidak perlu ionizer eksternal. Jumlah ion dapat menjadi sangat besar sehingga resistansi celah antarelektroda berkurang dan, karenanya, tegangan (SD) turun.

Kemudian, di celah antarelektroda, daerah aliran arus mulai menyempit, dan resistansi meningkat, dan, akibatnya, tegangan (DE) meningkat.

Ketika Anda mencoba untuk meningkatkan tegangan, gas menjadi terionisasi penuh. Resistansi dan tegangan turun menjadi nol, dan arus naik berkali-kali lipat. Ternyata debit busur (EF).

CVC menunjukkan bahwa gas tidak mematuhi hukum Ohm sama sekali.

4. Proses dalam gas