가스의 전류 현상. 소개

정상적인 조건에서 가스는 유전체입니다. 중성 원자와 분자로 구성되어 있으며 충분한 수의 자유 전하를 가지고 있지 않습니다 기체는 어떻게든 이온화될 때만 전도체가 됩니다. 가스의 이온화 과정은 어떤 이유로 든 하나 이상의 전자가 원자에서 분리된다는 사실에 있습니다. 결과적으로 중성 원자 대신 양이온그리고 전자.

분자가 이온과 전자로 분해되는 현상을 가스 이온화.

형성된 전자의 일부는 다른 중성 원자에 의해 포획되어 나타날 수 있습니다. 음전하 이온.

따라서 이온화된 가스에는 전자, 양이온 및 음이온의 세 가지 유형의 전하 캐리어가 있습니다.

원자에서 전자를 분리하려면 특정 에너지 소비가 필요합니다. 이온화 에너지 여나 . 이온화 에너지는 가스의 화학적 성질과 원자에 있는 전자의 에너지 상태에 따라 달라집니다. 따라서 질소 원자에서 첫 번째 전자를 분리하려면 14.5eV의 에너지가 소비되고 두 번째 전자를 분리하려면 29.5eV, 세 번째는 47.4eV에서 분리됩니다.

기체 이온화를 일으키는 요인을 이온화 장치.

이온화에는 열 이온화, 광이온화 및 충격 이온화의 세 가지 유형이 있습니다.

열 이온화충돌 입자의 상대 운동의 운동 에너지가 원자 내 전자의 결합 에너지를 초과하는 경우 고온에서 기체의 원자 또는 분자의 충돌의 결과로 발생합니다.

광이온화전자를 원자에서 분리하는 데 필요한 에너지가 복사 양자에 의해 원자로 전달될 때 전자기 복사(자외선, x-선 또는 γ-방사선)의 영향으로 발생합니다.

전자 충격에 의한 이온화(또는 충격 이온화)은 높은 운동 에너지를 가진 빠른 전자와 원자 또는 분자의 충돌 결과로 양전하를 띤 이온의 형성입니다.

가스 이온화 과정은 항상 전기 인력으로 인해 반대 전하를 띤 이온으로부터 중성 분자를 회수하는 반대 과정을 동반합니다. 이 현상을 재조합. 재결합 동안 이온화에 소비된 에너지와 동일한 에너지가 방출됩니다. 예를 들어 가스 글로우가 발생할 수 있습니다.

이온화 장치의 작용이 변하지 않으면 이온화된 기체에서 동적 평형이 설정되며, 여기서 단위 시간당 많은 분자가 이온으로 붕괴될 때 복원됩니다. 이 경우 이온화된 가스의 하전 입자 농도는 변하지 않습니다. 그러나 이온화 장치의 작용이 중지되면 재결합이 이온화보다 우세하게 시작되고 이온의 수가 거의 0으로 급격히 감소합니다. 결과적으로 가스에 대전 입자가 존재하는 것은 일시적인 현상입니다(이오나이저가 작동하는 동안).

외부 장이 없을 때 하전 입자는 무작위로 움직입니다.

가스 방전

이온화된 기체를 넣으면 전기장전기력은 자유 전하에 작용하기 시작하고 장력선과 평행하게 이동합니다. 전자와 음이온은 양극으로, 양이온은 음극으로 이동합니다(그림 1). 전극에서 이온은 전자를 주거나 받아 중성 원자로 변하여 회로를 완성합니다. 가스에서 전류가 생성됩니다.

가스의 전류이온과 전자의 방향성 운동이다.

기체에 흐르는 전류를 가스 방전.

가스의 총 전류는 하전 입자의 두 가지 흐름으로 구성됩니다. 즉, 음극으로 가는 흐름과 양극으로 가는 흐름입니다.

가스에서 금속의 전도도와 유사한 전자 전도도는 수용액 또는 전해질 용융물의 전도도와 유사한 이온 전도도와 결합됩니다.

따라서 기체의 전도도는 이온 전자 특성.

자연에는 절대 유전체가 없습니다. 전하의 운반체인 입자의 질서 있는 이동, 즉 전류는 모든 매체에서 발생할 수 있지만 여기에는 특별한 조건이 필요합니다. 여기서 우리는 가스에서 전기 현상이 어떻게 진행되는지, 그리고 가스가 어떻게 아주 좋은 유전체에서 매우 좋은 전도체로 바뀔 수 있는지 고려할 것입니다. 우리는 그것이 발생하는 조건과 가스의 전류가 특성화되는 특징에 관심을 가질 것입니다.

가스의 전기적 특성

유전체는 입자의 농도(전하의 자유 캐리어)가 중요한 값에 도달하지 않아 전도도가 무시할 수 있는 물질(매질)입니다. 모든 가스는 좋은 유전체입니다. 그들의 절연 특성은 모든 곳에서 사용됩니다. 예를 들어, 모든 회로 차단기에서 회로의 개방은 접점이 그들 사이에 에어 갭이 형성되는 위치가 될 때 발생합니다. 전력선의 전선도 공기층에 의해 서로 격리됩니다.

모든 가스의 구조 단위는 분자입니다. 그것은 구성 원자핵전자 클라우드, 즉 컬렉션입니다. 전기 요금공간에 어떤 식으로든 분포되어 있습니다. 기체 분자는 구조의 특성으로 인해 발생하거나 외부 전기장의 작용에 따라 분극화될 수 있습니다. 기체를 구성하는 대부분의 분자는 정상적인 조건에서 전기적으로 중성입니다. 그 안의 전하가 서로를 상쇄하기 때문입니다.

가스에 전기장이 가해지면 분자는 쌍극자 방향을 취하여 필드의 효과를 보상하는 공간적 위치를 차지합니다. 쿨롱 힘의 영향으로 가스에 존재하는 하전 입자는 이동하기 시작할 것입니다. 양이온 - 음극, 음이온 및 전자의 방향으로 - 양극으로. 그러나 필드의 전위가 충분하지 않으면 단일 방향 전하의 흐름이 발생하지 않으며 오히려 별도의 전류라고 할 수 있으므로 무시해야합니다. 가스는 유전체처럼 행동합니다.

따라서 발생에 대해 전류가스에서 높은 농도의 자유 전하 캐리어와 필드의 존재가 필요합니다.

이온화

기체의 자유 전하 수가 눈사태와 같이 증가하는 과정을 이온화라고 합니다. 따라서 상당한 양의 하전 입자가 있는 가스를 이온화라고 합니다. 전류가 생성되는 것은 그러한 가스입니다.

이온화 과정은 분자의 중립성을 위반하는 것과 관련이 있습니다. 전자가 분리되면 양이온이 나타나고 분자에 전자가 부착되면 음이온이 형성됩니다. 또한 이온화된 기체에는 많은 자유 전자가 있습니다. 양이온, 특히 전자는 가스에서 전류의 주요 전하 운반체입니다.

이온화는 특정 양의 에너지가 입자에 전달될 때 발생합니다. 따라서이 에너지를받은 분자 구성의 외부 전자는 분자를 떠날 수 있습니다. 하전 입자와 중성 입자의 상호 충돌은 새로운 전자의 녹아웃으로 이어지며 이 과정은 눈사태 캐릭터. 입자의 운동 에너지도 증가하여 이온화를 크게 촉진합니다.

가스의 전류 여기에서 소비되는 에너지는 어디에서 왔습니까? 가스의 이온화에는 여러 가지 에너지원이 있으며 이에 따라 유형의 이름을 지정하는 것이 일반적입니다.

이온화 전기장. 이 경우 필드의 위치 에너지는 입자의 운동 에너지로 변환됩니다.
열 이온화. 온도가 상승하면 많은 수의 자유 전하가 형성됩니다.
광이온화. 이 과정의 본질은 양자가 전자에 에너지를 전달한다는 것입니다. 전자기 방사선- 광자, 충분히 높은 주파수(자외선, x-선, 감마 양자)가 있는 경우.
충격 이온화는 충돌하는 입자의 운동 에너지를 전자 분리 에너지로 변환한 결과입니다. 열 이온화와 함께 가스에서 전류 여기의 주요 요인으로 작용합니다.

각 가스는 특정 임계값, 즉 전자가 분자에서 분리되어 전위 장벽을 극복하는 데 필요한 이온화 에너지를 특징으로 합니다. 첫 번째 전자에 대한 이 값의 범위는 수 볼트에서 수십 볼트입니다. 분자에서 다음 전자를 분리하는 데 더 많은 에너지가 필요합니다.

가스의 이온화와 동시에 역 과정이 발생한다는 점을 고려해야합니다. 재결합, 즉 쿨롱 인력의 작용하에 중성 분자가 복원됩니다.

가스 배출 및 그 유형

따라서 가스의 전류는 적용된 전기장의 작용에 따라 하전 입자의 질서 정연한 움직임으로 인한 것입니다. 이러한 전하의 존재는 차례로 다양한 이온화 요인으로 인해 가능합니다.

따라서 열 이온화에는 상당한 온도가 필요하지만 일부 화학 공정과 관련된 화염은 이온화에 기여합니다. 화염이 존재하는 비교적 낮은 온도에서도 기체에 전류가 나타나는 현상이 기록되며 기체 전도도 실험을 통해 이를 쉽게 확인할 수 있습니다. 충전 된 커패시터의 판 사이에 버너 또는 양초의 불꽃을 놓을 필요가 있습니다. 커패시터의 에어 갭으로 인해 이전에 열린 회로가 닫힙니다. 회로에 연결된 검류계는 전류의 존재를 보여줍니다.

기체의 전류를 기체 방전이라고 합니다. 일정한 재결합으로 인해 가스가 전기 전도성을 잃기 때문에 방전의 안정성을 유지하려면 이온화 장치의 작용이 일정해야 함을 명심해야 합니다. 가스에서 전류의 일부 캐리어 - 이온 -은 전극에서 중화되고 다른 - 전자는 양극으로 이동하여 필드 소스의 "플러스"로 전송됩니다. 이온화 인자가 작동을 멈추면 가스는 즉시 다시 유전체가 되어 전류가 멈춥니다. 외부 이온화 장치의 작용에 따라 달라지는 이러한 전류를 비자유 방전이라고 합니다.

가스를 통한 전류 통과의 특징은 전압에 대한 전류 강도의 특별한 의존성, 즉 전류-전압 특성으로 설명됩니다.

전류-전압 의존성 그래프에서 가스 방전의 발달을 고려해 봅시다. 전압이 일정 값 U 1 까지 상승하면 그에 비례하여 전류가 증가하는데, 즉 옴의 법칙이 성립한다. 운동 에너지가 증가하고 따라서 기체의 전하 속도가 증가하며 이 과정은 재결합보다 앞서 있습니다. U 1에서 U 2까지의 전압 값에서 이 관계는 위반됩니다. U 2 에 도달하면 모든 전하 캐리어는 재결합할 시간 없이 전극에 도달합니다. 모든 자유 전하가 관련되며 전압이 더 증가해도 전류가 증가하지 않습니다. 이러한 전하 이동의 특성을 포화 전류라고 합니다. 따라서 가스의 전류는 다양한 강도의 전기장에서 이온화된 가스의 거동의 특성에 기인한다고 말할 수 있습니다.

전극 사이의 전위차가 도달할 때 특정 가치 U 3 , 전압은 전기장이 가스의 눈사태와 같은 이온화를 야기하기에 충분해집니다. 자유 전자의 운동 에너지는 이미 분자의 충격 이온화에 충분합니다. 동시에 대부분의 가스에서 속도는 약 2000km / s 이상입니다 (대략적인 공식 v=600U i , 여기서 U i 는 이온화 전위임). 이때 내부의 이온화원에 의해 가스파괴가 발생하고 전류의 현저한 증가가 발생한다. 따라서 이러한 방전을 독립이라고합니다.

이 경우 외부 이온화 장치의 존재는 더 이상 가스의 전류를 유지하는 역할을 하지 않습니다. 자가 방전 다른 조건전기장 소스의 다른 특성으로 특정 기능을 가질 수 있습니다. 글로우, 스파크, 아크 및 코로나와 같은 유형의 자체 방전이 있습니다. 전류가 가스에서 어떻게 작용하는지 간략하게 이러한 각 유형에 대해 살펴보겠습니다.

100볼트(또는 그 이하)에서 1000볼트까지의 전위차는 자가 방전을 시작하기에 충분합니다. 따라서 낮은 전류 강도(10-5A ~ 1A)를 특징으로 하는 글로우 방전은 수 밀리미터 이하의 압력에서 발생합니다.

희박한 가스와 차가운 전극이 있는 튜브에서 떠오르는 글로우 방전은 전극 사이의 얇은 발광 코드처럼 보입니다. 튜브에서 가스를 계속 펌핑하면 필라멘트가 씻겨 나오고 수은 1/10의 압력에서 글로우가 튜브를 거의 완전히 채 웁니다. 글로우는 음극 근처, 즉 소위 어두운 음극 공간에 없습니다. 나머지는 양의 열이라고 합니다. 이 경우 방전의 존재를 보장하는 주요 프로세스는 암음극 공간과 인접 영역에 정확하게 국한됩니다. 여기에서 하전된 가스 입자가 가속되어 음극에서 전자를 녹아웃시킵니다.

글로우 방전에서 이온화의 원인은 음극에서 전자 방출입니다. 음극에서 방출된 전자는 가스 분자의 충격 이온화를 일으키고, 나오는 양이온은 음극에서 2차 방출을 일으키는 식입니다. 양극 기둥의 빛은 주로 여기된 기체 분자에 의한 광자의 반동으로 인한 것이며 다른 기체는 특정 색상의 빛이 특징입니다. 양극 기둥은 전기 회로의 한 부분으로만 글로우 방전 형성에 참여합니다. 전극을 더 가까이 가져 가면 양극이 사라질 수 있지만 방전은 멈추지 않습니다. 그러나 전극 사이의 거리가 더 줄어들면 글로우 방전이 발생할 수 없습니다.

에 대해 유의해야 합니다. 이 유형의가스의 전류, 일부 프로세스의 물리학은 아직 완전히 해명되지 않았습니다. 예를 들어, 방전에 참여하는 음극 표면의 영역을 확장하기 위해 전류를 증가시키는 힘의 특성은 아직 명확하지 않습니다.

스파크 방전

스파크 고장에는 펄스 특성이 있습니다. 전기장 소스의 전력이 정지 방전을 유지하기에 충분하지 않은 경우 정상 대기에 가까운 압력에서 발생합니다. 이 경우 전계 강도가 높고 3MV/m에 도달할 수 있습니다. 이 현상은 가스의 방전 전류가 급격히 증가하는 동시에 전압이 매우 빠르게 떨어지고 방전이 중지되는 특징이 있습니다. 그런 다음 전위차가 다시 증가하고 전체 프로세스가 반복됩니다.

이러한 유형의 방전으로 단기 스파크 채널이 형성되며, 그 성장은 전극 사이의 모든 지점에서 시작될 수 있습니다. 이는 충격 이온화가 다음 위치에서 무작위로 발생하기 때문입니다. 이 순간가장 큰 이온 농도. 스파크 채널 근처에서 가스는 빠르게 가열되고 열팽창을 겪으며 이는 음파를 유발합니다. 따라서 스파크 방전은 딱딱 거리는 소리와 함께 열과 밝은 빛의 방출을 동반합니다. Avalanche 이온화 프로세스는 스파크 채널에서 최대 10,000도 이상의 높은 압력과 온도를 생성합니다.

자연적인 스파크 방전의 가장 눈에 띄는 예는 번개입니다. 주요 번개 스파크 채널의 직경은 수 센티미터에서 4m까지 다양하며 채널 길이는 10km에 이릅니다. 전류의 크기는 50만 암페어에 이르고 뇌운과 지표면 사이의 전위차는 10억 볼트에 이릅니다.

길이 321km의 가장 긴 번개는 2007년 미국 오클라호마에서 관찰되었습니다. 기간 동안 기록 보유자는 2012년 프랑스 알프스에서 기록된 번개로 7.7초 이상 지속되었습니다. 번개가 치면 공기는 3만도까지 가열될 수 있으며 이는 태양의 가시 표면 온도보다 6배 더 높습니다.

전기장 소스의 전력이 충분히 큰 경우 스파크 방전은 아크 방전으로 발전합니다.

이러한 유형의 자체 지속 방전은 높은 전류 밀도와 낮은(글로우 방전 미만) 전압이 특징입니다. 전극의 근접성으로 인해 항복 거리가 작습니다. 방전은 음극 표면에서 전자 방출에 의해 시작됩니다(금속 원자의 경우 이온화 전위는 가스 분자에 비해 작음). 전극 사이의 고장 중에 가스가 전류를 전도하는 조건이 생성되고 스파크 방전이 발생하여 회로가 닫힙니다. 전압원의 전력이 충분히 크면 스파크 방전이 안정적인 전기 아크로 바뀝니다.

아크 방전 중 이온화는 거의 100%에 도달하고 전류 강도는 매우 높으며 10~100암페어 범위일 수 있습니다. 대기압에서 아크는 최대 5-6,000도, 음극은 최대 3,000도까지 가열할 수 있어 표면에서 강렬한 열이온 방출이 발생합니다. 양극에 전자가 부딪히면 부분적으로 파괴됩니다. 약 4000 ° C의 온도를 가진 분화구가 그 위에 형성됩니다. 압력의 증가는 온도의 더 큰 증가를 유발합니다.

전극을 희석할 때 아크 방전이 일정 거리까지 안정적으로 유지되기 때문에 전기기기의 부식 및 이로 인한 접점의 소손으로 유해한 부분에 대처할 수 있습니다. 이들은 고전압 및 회로 차단기, 접촉기 및 기타. 접점이 열릴 때 발생하는 아크를 방지하는 방법 중 하나는 아크 확장 원리에 기반한 아크 슈트를 사용하는 것입니다. 다른 많은 방법도 사용됩니다. 접점 분류, 이온화 가능성이 높은 재료 사용 등.

코로나 방전의 발달은 정상 대기압에서 급격히 발생합니다. 불균일 필드표면 곡률이 큰 전극용. 이들은 첨탑, 돛대, 전선, 전기 장비의 다양한 요소가 될 수 있습니다. 복잡한 모양그리고 심지어 사람의 머리카락. 이러한 전극을 코로나 전극이라고 합니다. 이온화 과정과 그에 따른 가스 광선은 그 근처에서만 발생합니다.

코로나는 이온으로 충격을 받을 때 음극(음의 코로나)과 광이온화의 결과 양극(양) 모두에 형성될 수 있습니다. 열 방출의 결과로 이온화 과정이 전극에서 멀어지는 네거티브 코로나는 균일한 빛을 내는 것이 특징입니다. 긍정적인 코로나에서는 스파크 채널로 변할 수 있는 깨진 구성의 빛나는 선인 스트리머가 관찰될 수 있습니다.

코로나 방전의 예 자연 조건높은 돛대, 나무 꼭대기 등의 끝에서 발생하는 것입니다. 그들은 종종 뇌우 전이나 눈보라 동안 대기 중 높은 전기장 강도에서 형성됩니다. 또한 화산재 구름에 떨어진 항공기의 피부에 고정되었습니다.

전력선 전선의 코로나 방전은 상당한 전기 손실을 초래합니다. 고전압에서 코로나 방전은 아크로 변할 수 있습니다. 그들은 그와 싸운다 다른 방법들예를 들어, 도체의 곡률 반경을 증가시킵니다.

가스 및 플라즈마의 전류

완전히 또는 부분적으로 이온화된 가스를 플라즈마라고 하며 물질의 네 번째 상태로 간주됩니다. 전체적으로 플라즈마는 구성 입자의 총 전하가 전기적으로 중성입니다. 영. 이것은 예를 들어 전자빔과 같은 하전 입자의 다른 시스템과 구별됩니다.

자연 조건에서 플라즈마는 일반적으로 고속의 가스 원자 충돌로 인해 고온에서 형성됩니다. 우주에 있는 대부분의 중입자 물질은 플라즈마 상태입니다. 이들은 별, 성간 물질의 일부, 은하계 가스입니다. 지구의 전리층은 또한 희박하고 약하게 이온화된 플라즈마입니다.

이온화 정도는 플라즈마의 중요한 특성이며 전도성은 플라즈마에 따라 달라집니다. 이온화 정도는 단위 부피당 총 원자 수에 대한 이온화된 원자 수의 비율로 정의됩니다. 플라즈마가 더 이온화될수록 전기 전도도가 높아집니다. 또한 높은 이동성을 가지고 있습니다.

따라서 방전 채널 내에서 전기를 전도하는 가스는 플라즈마에 불과하다는 것을 알 수 있습니다. 따라서 글로우 및 코로나 방전은 저온 플라즈마의 예입니다. 번개 스파크 채널 또는 전기 아크는 뜨겁고 거의 완전히 이온화된 플라즈마의 예입니다.

금속, 액체 및 가스의 전류 - 차이점과 유사점

다른 매체의 전류 특성과 비교하여 가스 방전을 특성화하는 특성을 고려합시다.

금속에서 전류는 화학적 변화를 수반하지 않는 자유 전자의 지시된 이동입니다. 이 유형의 도체를 제1종 도체라고 합니다. 여기에는 금속 및 합금 외에 석탄, 일부 염 및 산화물이 포함됩니다. 그들은 전자 전도성으로 구별됩니다.

두 번째 종류의 도체는 전해질, 즉 알칼리, 산 및 염의 액체 수용액입니다. 전류의 통과는 전해질의 화학적 변화 - 전기 분해와 관련이 있습니다. 물에 용해된 물질의 이온은 전위차의 작용으로 반대 방향으로 이동합니다. 양이온은 음극으로, 음이온은 양극으로 이동합니다. 이 공정은 가스 발생 또는 음극에 금속층 증착을 동반합니다. 두 번째 종류의 도체는 이온 전도성이 특징입니다.

기체의 전도도는 첫째로 일시적이고 둘째로 각각의 기체와 유사성과 차이점의 징후가 있습니다. 따라서 전해질과 가스의 전류는 반대 전극으로 향하는 반대 전하 입자의 드리프트입니다. 그러나 전해질은 순수한 이온 전도성이 특징인 반면, 전자와 이온 유형의 전도성이 결합된 가스 방전에서는 전자가 주도적인 역할을 합니다. 액체와 기체의 전류의 또 다른 차이점은 이온화의 특성입니다. 전해질에서 용해된 화합물의 분자는 물에서 해리되지만 기체에서는 분자가 분해되지 않고 전자만 잃습니다. 따라서 금속의 전류와 같은 가스 방전은 화학적 변화와 관련이 없습니다.

액체와 기체의 전류도 동일하지 않습니다. 전해질의 전도도는 전체적으로 옴의 법칙을 따르지만 가스 방전 중에는 관찰되지 않습니다. 가스의 볼트-암페어 특성은 플라즈마의 특성과 관련된 훨씬 더 복잡한 특성을 가지고 있습니다.

일반 사항도 언급해야 합니다. 구별되는 특징가스 및 진공의 전류. 진공은 거의 완벽한 유전체입니다. "거의" - 진공 상태에서 자유 전하 캐리어가 없음(더 정확하게는 극도로 낮은 농도)에도 불구하고 전류도 가능하기 때문입니다. 그러나 잠재적인 운반체는 이미 가스에 존재하므로 이온화하기만 하면 됩니다. 전하 운반체는 물질에서 진공 상태가 됩니다. 일반적으로 이것은 전자 방출 과정에서, 예를 들어 음극이 가열될 때 발생합니다(열이온 방출). 그러나 또한 다양한 타입가스 방전에서 방출은 우리가 보았듯이 중요한 역할을 합니다.

기술에서 가스 방전 사용

영형 유해한 영향특정 범주는 위에서 이미 간략하게 논의되었습니다. 이제 그들이 산업과 일상 생활에 가져다주는 이점에 주목합시다.

글로우 방전은 전기 공학(전압 안정기), 코팅 기술(음극 부식 현상에 기반한 음극 스퍼터링 방법)에서 사용됩니다. 전자 제품에서는 이온 및 전자빔을 생성하는 데 사용됩니다. 글로우 방전에 대한 잘 알려진 적용 분야는 형광등 및 소위 경제적인 램프와 장식용 네온 및 아르곤 방전관입니다. 또한 글로우 방전은 분광학에서 사용됩니다.

스파크 방전은 퓨즈, 정밀 금속 가공(스파크 절단, 드릴링 등)의 전기 침식 방법에 사용됩니다. 그러나 그것은 내연 기관의 점화 플러그에 사용하는 것으로 가장 잘 알려져 있습니다. 가전 제품(가스 스토브).

1876년에 조명 기술에서 처음 사용된 아크 방전(Yablochkov의 양초 - "러시아 빛")은 여전히 광원으로 사용됩니다(예: 프로젝터 및 강력한 스포트라이트). 전기 공학에서 아크는 수은 정류기에 사용됩니다. 또한 전기 용접, 금속 절단, 철강 및 합금 제련용 산업용 전기로에 사용됩니다.

코로나 방전은 미터 단위로 이온 가스 정화를 위한 전기 집진기에서 응용 프로그램을 찾습니다. 소립자, 피뢰침, 에어컨 시스템. 코로나 방전은 복사기 및 레이저 프린터에서도 작동하며 감광 드럼을 충전 및 방전하고 드럼에서 종이로 분말을 전송합니다.

따라서 모든 유형의 가스 방전이 널리 사용됩니다. 가스의 전류는 많은 기술 분야에서 성공적이고 효과적으로 사용됩니다.

정상적인 조건에서 기체는 분자가 전기적으로 중성이기 때문에 전기를 전도하지 않습니다. 예를 들어, 건조한 공기는 정전기에 대한 가장 간단한 실험을 통해 확인할 수 있으므로 좋은 절연체입니다. 그러나 공기 및 기타 가스는 이온이 어떤 방식 으로든 생성되면 전류의 도체가됩니다.

쌀. 100. 공기가 이온화되면 전류의 도체가 됨

화염에 의해 이온화되는 동안 공기의 전도도를 보여주는 가장 간단한 실험이 그림 1에 나와 있습니다. 100 : 오랫동안 남아있는 판의 전하는 판 사이의 공간에 불을 붙인 성냥을 넣으면 금세 사라진다.

가스 방전.가스에 전류가 흐르는 과정을 일반적으로 가스 방전(또는 가스에서 방전)이라고 합니다. 가스 방전은 독립 및 비 자립의 두 가지 유형으로 나뉩니다.

비 자급 자족 범주.가스의 방전을 유지하기 위해 외부 소스가 필요한 경우 이를 자체 유지가 불가능한 방전이라고 합니다.

이온화. 가스의 이온은 고온, X선 및 자외선, 방사능, 우주선 등의 영향으로 발생할 수 있습니다. 이러한 모든 경우에 하나 이상의 전자가 전자 껍질원자 또는 분자. 결과적으로 양이온과 자유 전자가 가스에 나타납니다. 방출된 전자는 중성 원자 또는 분자와 결합하여 음이온으로 전환할 수 있습니다.

이온화 및 재결합.가스의 이온화 과정과 함께 역 재조합 과정도 발생합니다. 서로 연결하여 양이온과 음이온 또는 양이온과 전자가 중성 분자 또는 원자를 형성합니다.

이온화 및 재결합 과정의 일정한 소스로 인한 시간에 따른 이온 농도의 변화는 다음과 같이 설명할 수 있습니다. 이온화 소스가 단위 시간당 가스의 단위 부피당 양이온과 동일한 수의 전자를 생성한다고 가정합시다. 가스에 전류가 없고 확산으로 인해 고려된 부피에서 이온이 빠져나가는 것을 무시할 수 있는 경우 이온 농도를 줄이는 유일한 메커니즘은 재결합입니다.

양이온이 전자를 만나면 재결합이 일어난다. 그러한 만남의 횟수는 이온의 수와 자유 전자의 수 모두에 비례합니다. 즉, 에 비례합니다. 따라서 단위 시간당 단위 부피당 이온 수의 감소는 로 쓸 수 있습니다. 여기서 는 재결합 계수라는 상수 값입니다.

도입된 가정의 타당성 하에서, 기체 내 이온에 대한 균형 방정식은 다음과 같은 형식으로 작성될 수 있습니다.

우리는 이 미분방정식을 풀지 않을 것입니다. 일반보기, 그리고 몇 가지 흥미로운 특별한 경우를 고려하십시오.

우선, 이온화 및 재결합 과정이 일정 시간 후 서로를 보상해야 하고 기체에 일정한 농도가 설정됩니다.

고정 이온 농도가 클수록 이온화 소스가 더 강력하고 재조합 계수 a가 낮아집니다.

이온화 장치를 끈 후 이온 농도의 감소는 식 (1)로 설명되며, 여기서 농도의 초기 값을 취해야 합니다.

이 방정식을 적분 후 형식으로 다시 쓰면 다음을 얻습니다.

이 함수의 그래프는 그림 1에 나와 있습니다. 101. 시간축과 수직선을 점근선으로 하는 쌍곡선입니다. 물리적 의미양의 감소율이 이 양의 순간 값의 첫 번째 거듭 제곱에 비례합니다.

쌀. 101. 이온화 소스를 끈 후 가스의 이온 농도 감소

비자기 전도.가스가 외부 전기장에 있는 경우 이온화 장치의 작용이 종료된 후 이온 농도를 감소시키는 과정이 상당히 가속화됩니다. 전자와 이온을 전극으로 끌어당김으로써 전기장은 이온화 장치가 없을 때 가스의 전기 전도도를 매우 빠르게 무효화할 수 있습니다.

자기 유지 방전의 규칙성을 이해하기 위해 외부 소스에 의해 이온화된 가스의 전류가 서로 평행한 두 개의 평평한 전극 사이에 흐르는 경우를 간단하게 생각해 보겠습니다. 이 경우 이온과 전자는 전극 사이의 거리에 대한 전극에 인가된 전압의 비율과 동일한 강도 E의 균일한 전기장에 있습니다.

전자와 이온의 이동성.일정한 전압을 인가하면 회로에 일정한 전류 세기 1이 형성되는데, 이는 이온화된 기체의 전자와 이온이 일정한 속도로 움직인다는 것을 의미합니다. 이 사실을 설명하기 위해 우리는 전기장의 일정한 가속력 외에 이동하는 이온과 전자가 속도가 증가함에 따라 증가하는 저항력의 영향을 받는다고 가정해야 합니다. 이러한 힘은 전자 및 이온이 중성 원자 및 가스 분자와 충돌하는 평균 효과를 설명합니다. 저항 세력을 통해

전자와 이온의 평균 일정한 속도는 전기장의 강도 E에 비례하여 설정됩니다.

비례 계수를 전자 및 이온 이동도라고 합니다. 이온과 전자의 운동성은 다른 의미가스의 종류, 밀도, 온도 등에 따라 달라집니다.

전류 밀도, 즉 단위 시간당 전자와 이온이 단위 면적을 통해 운반하는 전하는 전자와 이온의 농도, 전하 및 정상 운동 속도로 표현됩니다.

준중립성.정상적인 조건에서 이온화된 가스는 전체적으로 전기적으로 중성이거나 소위 준중성입니다. 왜냐하면 상대적으로 적은 수의 전자와 이온을 포함하는 소량에서는 전기적 중성 조건이 위반될 수 있기 때문입니다. 이것은 관계가

자체 유지 방전 시 전류 밀도.가스에서 자체 지속되지 않는 방전 중 시간에 따른 전류 캐리어 농도의 변화 법칙을 얻으려면 외부 소스에 의한 이온화 및 재결합 과정과 함께 다음을 고려해야 합니다. 전자와 이온이 전극으로 빠져나가는 것. 부피에서 전극 면적당 단위 시간당 떠나는 입자의 수는 이러한 입자의 농도 감소율과 같으며, 이 숫자를 전극 사이의 가스 부피로 나누어 얻습니다. 따라서 전류가 있는 상태에서 (1) 대신 균형 방정식은 다음 형식으로 작성됩니다.

체제를 확립하기 위해 (8)에서 우리가 얻을 때

방정식 (9)는 인가된 전압(또는 전계 강도 E)에 대한 비자발적 방전에서 정상 상태 전류 밀도의 의존성을 찾는 것을 가능하게 합니다.

두 가지 제한적인 경우를 직접 볼 수 있습니다.

옴의 법칙.저전압에서 방정식 (9)에서 우변의 두 번째 항을 무시할 수 있고 그 후에 공식 (7)을 얻을 수 있습니다.

전류밀도는 인가된 전기장의 세기에 비례한다. 따라서 약한 전기장에서 자체 유지되지 않는 가스 방전에 대해 옴의 법칙이 충족됩니다.

포화 전류.식 (9)에서 낮은 농도의 전자와 이온에서 첫 번째 것은 무시할 수 있습니다. 계수

인가 전압에 의존하지 않습니다. 이 결과는 강한 전기장에 유효합니다. 이 경우 포화 전류에 대해 이야기합니다.

제한적으로 고려되는 두 경우 모두 식 (9)를 참조하지 않고 조사할 수 있습니다. 그러나 이러한 방식으로 전압이 증가함에 따라 옴의 법칙에서 전압에 대한 전류의 비선형 의존성으로의 전이가 어떻게 발생하는지 추적하는 것은 불가능합니다.

첫 번째 제한의 경우, 전류가 매우 작을 때 방전 영역에서 전자와 이온을 제거하는 주요 메커니즘은 재결합입니다. 따라서 고정 농도의 경우 식 (2)를 사용할 수 있으며 식 (7)을 고려할 때 즉시 식 (10)을 제공합니다. 반대로 두 번째 제한의 경우에는 재조합이 무시됩니다. 강한 전기장에서 전자와 이온은 농도가 충분히 낮으면 한 전극에서 다른 전극으로 이동하는 동안 눈에 띄게 재결합할 시간이 없습니다. 그러면 외부 소스에 의해 생성된 모든 전자와 이온이 전극에 도달하고 총 전류 밀도는 다음과 같습니다. 이온화 장치에서 생성된 전자 및 이온의 총 수는 I에 비례하기 때문에 이온화 챔버의 길이에 비례합니다.

가스 방전에 대한 실험적 연구.비자립성 가스 방전 이론의 결론은 실험에 의해 확인됩니다. 가스의 방전을 연구하려면 두 개의 금속 전극이 있는 유리관을 사용하는 것이 편리합니다. 이러한 설치의 전기 회로가 그림 1에 나와 있습니다. 102. 이동성

전자와 이온은 기체 압력(압력에 반비례)에 크게 의존하므로 감압 실험을 하는 것이 편리합니다.

무화과에. 103은 튜브의 전극에 인가된 전압에 대한 튜브의 전류 I의 의존성을 보여줍니다. 튜브의 이온화는 예를 들어 X선 또는 자외선또는 약한 방사성 약물로. 외부 이온 소스가 변경되지 않은 상태로 유지되는 것이 중요합니다.

쌀. 102. 가스 배출 연구를 위한 설비도

쌀. 103. 가스 방전의 실험적 전류-전압 특성

섹션에서 전류 강도는 전압에 비선형적으로 종속됩니다. B 지점에서 시작하여 전류는 포화 상태에 도달하고 일정 거리 동안 일정하게 유지됩니다.이 모든 것은 이론적인 예측과 일치합니다.

자기 순위.그러나 C 지점에서 전류는 처음에는 천천히, 그 다음에는 매우 급격하게 다시 증가하기 시작합니다. 이것은 새로운 내부 이온 소스가 가스에 나타났음을 의미합니다. 이제 외부 소스를 제거하면 가스의 방전이 멈추지 않습니다. 자체 방전을 사용하면 가스 자체의 내부 프로세스의 결과로 새로운 전자와 이온이 형성됩니다.

전자 충격에 의한 이온화.비자기 방전에서 독립 방전으로 전환하는 동안 전류의 증가는 눈사태와 같이 발생하며 가스의 전기적 파괴라고 합니다. 항복이 발생하는 전압을 점화 전압이라고 합니다. 이는 가스 유형과 가스 압력과 전극 사이의 거리의 곱에 따라 다릅니다.

인가된 전압이 증가함에 따라 전류 강도의 눈사태와 같은 증가를 담당하는 가스의 프로세스는 전기장에 의해 충분히 가속된 자유 전자에 의한 가스의 중성 원자 또는 분자의 이온화와 관련이 있습니다.

큰 에너지. 중성 원자 또는 분자와의 다음 충돌 전 전자의 운동 에너지는 전기장 강도 E와 전자 X의 자유 경로에 비례합니다.

이 에너지가 중성 원자 또는 분자를 이온화하기에 충분한 경우, 즉 이온화 작업을 초과하는 경우

전자가 원자나 분자와 충돌하면 이온화됩니다. 결과적으로 하나가 아닌 두 개의 전자가 나타납니다. 그들은 차례로 전기장에 의해 가속되고 도중에 마주치는 원자나 분자 등을 이온화합니다. 이 과정은 눈사태처럼 발전하며 전자 눈사태라고 합니다. 설명된 이온화 메커니즘을 전자 충격 이온화라고 합니다.

중성 기체 원자의 이온화가 주로 양이온이 아닌 전자의 영향으로 인해 발생한다는 실험적 증거가 J. Townsend에 의해 제공되었습니다. 그는 원통형 커패시터 형태의 이온화 챔버를 가져 왔으며 내부 전극은 실린더 축을 따라 뻗어있는 얇은 금속 실이었습니다. 이러한 챔버에서 가속 전기장은 매우 불균일하며 이온화의 주요 역할은 필라멘트 근처의 가장 강한 필드 영역으로 들어가는 입자에 의해 수행됩니다. 경험에 따르면 전극 사이의 동일한 전압에 대해 양전위가 외부 실린더가 아닌 필라멘트에 적용될 때 방전 전류가 더 큽니다. 이 경우 전류를 생성하는 모든 자유 전자는 필연적으로 가장 강한 필드 영역을 통과합니다.

음극에서 전자 방출.자체 지속 방전은 새로운 자유 전자가 가스에 지속적으로 나타나는 경우에만 정지할 수 있습니다. 눈사태에 나타나는 모든 전자는 양극에 도달하여 게임에서 제거되기 때문입니다. 새로운 전자는 양극으로 이동할 때 전기장에 의해 가속되고 이를 위한 충분한 에너지를 획득하는 양이온에 의해 음극에서 녹아웃됩니다.

음극은 이온 충격의 결과뿐만 아니라 고온으로 가열될 때 독립적으로 전자를 방출할 수 있습니다. 이 과정을 열이온 방출이라고 하며 금속에서 일종의 전자 증발로 간주할 수 있습니다. 일반적으로 캐소드 물질 자체의 증발이 여전히 작은 이러한 온도에서 발생합니다. 자급식 가스 방전의 경우 음극은 일반적으로 다음 없이 가열됩니다.

필라멘트는 진공관에서와 같지만 양이온과 충돌할 때 열을 방출하기 때문입니다. 따라서 음극은 이온의 에너지가 전자를 녹아웃시키기에 충분하지 않은 경우에도 전자를 방출합니다.

가스의 자체 지속 방전은 전압이 증가하고 멀어짐에 따라 자체 지속되지 않는 방전에서 전환의 결과로만 발생하는 것이 아닙니다. 외부 소스이온화뿐만 아니라 점화 임계 전압을 초과하는 전압의 직접 적용도 가능합니다. 이론에 따르면 중성 가스에 항상 존재하는 가장 적은 양의 이온은 자연적인 방사성 배경 때문에 방전을 발화시키기에 충분합니다.

기체의 성질과 압력, 전극의 구성, 전극에 인가되는 전압에 따라 다양한 자기방전이 가능하다.

연기 방출.~에 저압(수은 밀리미터의 1/10 및 1/100) 튜브에서 글로우 방전이 관찰됩니다. 글로우 방전을 일으키려면 수백 또는 수십 볼트의 전압이면 충분합니다. 글로우 방전에서는 4개의 특징적인 영역을 구별할 수 있다. 이들은 어두운 음극 공간, 글로우(또는 네거티브) 글로우, 패러데이 어두운 공간 및 양극과 음극 사이의 대부분의 공간을 차지하는 빛나는 양극 기둥입니다.

처음 세 영역은 음극 근처에 있습니다. 캐소드 어두운 공간의 경계에 있는 많은 양의 이온 농도와 이글거리는 글로우와 관련하여 전위의 급격한 하락이 발생합니다. 음극 암 공간 영역에서 가속된 전자는 글로우 영역에서 강렬한 충격 이온화를 생성합니다. 그을음 빛은 이온과 전자가 중성 원자 또는 분자로 재결합하기 때문에 발생합니다. 방전의 양의 기둥은 약간의 전위 강하와 여기된 원자 또는 기체 분자가 바닥 상태로 복귀함으로써 발생하는 빛을 내는 것이 특징입니다.

코로나 방전.기체의 비교적 높은 압력(대기압 정도)에서 도체의 뾰족한 부분 근처에서 전기장이 매우 불균일한 곳에서 방전이 관찰되며 발광 영역이 코로나와 유사합니다. 코로나 방전이 가끔 발생 생체나무 꼭대기, 선박 돛대 등에.("세인트 엘모의 불"). 고전압 엔지니어링에서 코로나 방전이 고전압 전력선의 전선 주변에서 발생하여 전력 손실로 이어지는 경우 코로나 방전을 고려해야 합니다. 유용한 실용청소용 전기집진기에서 코로나 방전이 발견됨 산업용 가스고체 및 액체 입자의 불순물로부터.

전극 사이의 전압이 증가함에 따라 코로나 방전은 전극 사이의 간격이 완전히 파괴되어 스파크로 변합니다.

전극. 그것은 밝은 지그재그 분기 채널의 빔 형태를 가지며 방전 갭을 즉시 관통하고 기발하게 서로를 대체합니다. 스파크 방전은 다량의 열 방출, 밝은 청백색 발광 및 강한 딱딱거리는 소리를 동반합니다. 전기 영동 기계의 볼 사이에서 관찰할 수 있습니다. 거대한 스파크 방전의 예는 전류 강도가 5-105A에 도달하고 전위차가 109V인 자연 번개입니다.

스파크 방전은 대기압 (및 더 높은)에서 발생하기 때문에 점화 전압은 매우 높습니다. 건조한 공기에서 전극 사이의 거리가 1cm 인 경우 약 30kV입니다.

전기 아크.실질적으로 구체적인 중요한 견해자체 가스 방전은 전기 아크입니다. 두 개의 탄소 또는 금속 전극이 접촉 지점에서 접촉할 때, 많은 수의높은 접촉 저항으로 인한 열. 결과적으로 열이온 방출이 시작되고 전극이 전극 사이에서 멀어지면 이온화되고 전도성이 높은 가스에서 밝게 빛나는 아크가 발생합니다. 작은 아크에서도 전류 강도는 수 암페어에 도달하고 큰 아크에서는 약 50V의 전압에서 수백 암페어에 이릅니다. 전기 아크는 전기로 및 전기 용접에 강력한 광원으로 기술에서 널리 사용됩니다. . 약 0.5V의 전압을 갖는 약한 지연 필드. 이 필드는 느린 전자가 양극에 도달하는 것을 방지합니다. 전류에 의해 가열된 캐소드 K에 의해 전자가 방출된다.

무화과에. 105는 이 실험에서 얻은 가속 전압에 대한 양극 회로의 전류 강도 의존성을 보여줍니다.이 의존성은 4.9V의 배수 전압에서 최대값을 갖는 비단조적 특성을 갖습니다.

원자 에너지 준위의 이산성.전압에 대한 전류의 이러한 의존성은 수은 원자에 불연속적인 정지 상태가 존재함으로써만 설명될 수 있습니다. 원자에 불연속적인 정지 상태가 없는 경우, 즉 내부 에너지어떤 값을 취할 수 있으며 원자의 내부 에너지 증가와 함께 비탄성 충돌이 모든 전자 에너지에서 발생할 수 있습니다. 불연속 상태가 있는 경우 전자의 에너지가 바닥 상태에서 가장 낮은 여기 상태로 원자를 이동시키기에 충분하지 않은 한 전자와 원자의 충돌은 탄성만 있을 수 있습니다.

탄성 충돌 중에 전자의 질량은 수은 원자의 질량보다 훨씬 작기 때문에 전자의 운동 에너지는 실제로 변하지 않습니다. 이러한 조건에서 양극에 도달하는 전자의 수는 전압이 증가함에 따라 단조롭게 증가합니다. 가속 전압이 4.9V에 도달하면 전자와 원자의 충돌이 비탄성적이 됩니다. 원자의 내부 에너지는 급격히 증가하고 전자는 충돌의 결과 거의 모든 운동 에너지를 잃습니다.

지연 장은 또한 느린 전자가 양극에 도달하는 것을 허용하지 않으며 전류는 급격히 감소합니다. 전자의 일부가 비탄성 충돌을 겪지 않고 그리드에 도달하기 때문에 사라지는 것이 아닙니다. 전류 강도의 두 번째 이후 최대값은 4.9V의 배수인 전압에서 그리드로 가는 전자가 수은 원자와 여러 번 비탄성 충돌을 겪을 수 있기 때문에 얻어집니다.

따라서 전자는 4.9V의 전위차를 거쳐야 비탄성 충돌에 필요한 에너지를 얻게 된다. 즉, 수은 원자의 내부 에너지는 eV보다 작은 양만큼 변화할 수 없다는 것을 의미하며, 이는 원자. 이 결론의 타당성은 4.9V의 전압에서 방전이 빛나기 시작한다는 사실에 의해 확인됩니다.

바닥 상태로의 전환은 공식에 의해 계산된 주파수와 일치하는 가시광선을 방출합니다.

Frank와 Hertz의 고전적 실험에서 전자 충격 방법은 여기 전위뿐만 아니라 여러 원자의 이온화 전위도 결정했습니다.

건조한 공기가 좋은 절연체임을 보여주는 정전기 실험의 예를 들어 보십시오.

공학에서 사용되는 공기의 단열 특성은 어디에 있습니까?

비자립 가스 방전이란 무엇입니까? 어떤 조건에서 실행됩니까?

재결합으로 인한 농도 감소율이 전자와 이온 농도의 제곱에 비례하는 이유를 설명하십시오. 이러한 농도를 동일하게 간주할 수 있는 이유는 무엇입니까?

두 경우 모두 일반적으로 말해서 무한히 긴 과정이 계속되지만 기하급수적으로 감소하는 과정에 널리 사용되는 특성 시간의 개념을 식 (3)으로 표현하는 농도 감소 법칙에 도입하는 것이 왜 말이 되지 않습니까? 시각?

전자와 이온에 대한 공식 (4)의 이동도 정의에서 반대 기호가 선택되는 이유는 무엇이라고 생각합니까?

비자립 가스 방전의 전류 강도는 인가된 전압에 어떻게 의존합니까? 전압이 증가함에 따라 옴의 법칙에서 포화 전류로의 전환이 일어나는 이유는 무엇입니까?

기체의 전류는 전자와 이온 모두에 의해 수행됩니다. 그러나 각 전극에는 하나의 부호만 전하가 옵니다. 이것은 직렬 회로의 모든 섹션에서 전류 강도가 동일하다는 사실과 어떻게 일치합니까?

충돌로 인한 방전에서 양이온보다 전자가 가스 이온화에 가장 큰 역할을 하는 이유는 무엇입니까?

설명하다 형질 다양한 종류독립적인 가스 배출.

Frank와 Hertz의 실험 결과가 원자 에너지 준위의 불연속성을 입증하는 이유는 무엇입니까?

설명하다 물리적 과정 Frank와 Hertz의 실험에서 가스 방전관에서 발생하는 가속 전압의 증가와 함께.

테마 USE 코디네이터 : 가스의 자유 전하 운반체.

일반적인 조건에서 가스는 전기적으로 중성인 원자 또는 분자로 구성됩니다. 가스에는 거의 무료 요금이 없습니다. 따라서 가스는 유전체- 전류가 통과하지 않습니다.

우리가 "거의 없음"이라고 말한 이유는 사실 기체, 특히 공기 중에는 항상 일정한 양의 자유 전하를 띤 입자가 있기 때문입니다. 그들은 지각을 구성하는 방사성 물질의 방사선의 이온화 효과, 자외선 및 엑스레이태양뿐만 아니라 우주선 - 지구 대기를 관통하는 고에너지 입자의 흐름 대기권 밖. 나중에 우리는 이 사실로 돌아가 그 중요성에 대해 논의할 것이지만, 지금은 정상적인 조건에서 "자연적인" 자유 전하량으로 인해 발생하는 가스 전도도가 무시할 수 있고 무시할 수 있다는 점만 언급할 것입니다.

전기 회로에서 스위치의 동작은 에어 갭의 절연 특성을 기반으로 합니다( 그림 1). 예를 들어, 전등 스위치의 작은 공극은 방의 전기 회로를 열기에 충분합니다.

쌀. 1 키

그러나 전류가 가스 갭에 나타나는 그러한 조건을 만드는 것이 가능합니다. 다음 경험을 고려해 봅시다.

우리는 공기 커패시터의 판을 충전하고 민감한 검류계에 연결합니다 (그림 2, 왼쪽). ~에 실온너무 습하지 않은 공기에서는 검류계에 눈에 띄는 전류가 표시되지 않습니다. 우리가 말했듯이 에어 갭은 전기 전도체가 아닙니다.

쌀. 2. 기류의 발생

이제 버너의 불꽃이나 양초를 축전기 판 사이의 틈으로 가져갑시다(오른쪽 그림 2). 전류가 나타납니다! 왜요?

가스 무료 요금

콘덴서의 판 사이에 전류가 발생한다는 것은 화염의 영향을받는 공기 중에 나타남을 의미합니다 무료 요금. 정확히 무엇?

경험에 따르면 가스의 전류는 하전 입자의 질서 정연한 움직임입니다. 세 가지 유형. 이것은 전자, 양이온그리고 음이온.

이러한 전하가 기체에서 어떻게 나타날 수 있는지 봅시다.

가스 온도가 증가함에 따라 분자 또는 원자와 같은 입자의 열 진동이 더 강해집니다. 서로에 대한 입자의 충돌은 다음과 같은 힘에 도달합니다. 이온화- 중성 입자가 전자와 양이온으로 붕괴(그림 3).

쌀. 3. 이온화

이온화 정도총 초기 입자 수에 대한 붕괴된 가스 입자 수의 비율입니다. 예를 들어, 이온화 정도가 이면 원래 가스 입자가 양이온과 전자로 붕괴되었음을 의미합니다.

가스 이온화 정도는 온도에 따라 달라지며 온도가 증가함에 따라 급격히 증가합니다. 예를 들어 수소의 경우 이온화도 이하의 온도에서 이온화도를 초과하지 않는 온도에서 이온화도에 가깝습니다(즉, 수소가 거의 완전히 이온화됩니다(부분적으로 또는 완전히 이온화된 가스를 혈장)).

고온 외에도 가스 이온화를 일으키는 다른 요인이 있습니다.

우리는 그것들을 이미 지나칠 때 언급했습니다. 이것들은 방사성 방사선, 자외선, X선 및 감마선, 우주 입자입니다. 기체의 이온화를 유발하는 모든 요인을 이온화 장치.

따라서 이온화는 자체적으로 발생하지 않고 이온화 장치의 영향으로 발생합니다.

동시에 역과정 재조합즉, 전자와 양이온이 중성 입자로 재결합하는 것입니다(그림 4).

쌀. 4. 재조합

재결합의 이유는 간단합니다. 반대 전하를 띤 전자와 이온의 쿨롱 인력 때문입니다. 전기력의 작용으로 서로를 향해 돌진하여 중성 원자(또는 분자 - 가스 유형에 따라 다름)를 형성할 기회를 얻습니다.

이온화기 작용의 일정한 강도에서 동적 평형이 설정됩니다: 단위 시간당 붕괴하는 입자의 평균 수는 재결합 입자의 평균 수와 같습니다(즉, 이온화 속도는 재결합 속도와 같습니다). 이온화기 작용이 강화되면(예: 온도가 증가함) 동적 평형이 이온화 방향으로 이동하고 기체의 하전 입자 농도가 증가합니다. 반대로 이오나이저를 끄면 재결합이 우세해지기 시작하고 무료 요금은 점차 완전히 사라집니다.

따라서 이온화의 결과 가스에 양이온과 전자가 나타납니다. 세 번째 종류의 전하 - 음이온은 어디에서 왔습니까? 매우 간단합니다. 전자는 중성 원자로 날아가서 결합할 수 있습니다! 이 프로세스는 그림 1에 나와 있습니다. 5 .

쌀. 5. 음이온의 출현

이렇게 형성된 음이온은 양이온, 전자와 함께 전류 생성에 참여하게 됩니다.

비자기 방전

외부 전기장이 없으면 자유 전하는 중성 가스 입자와 함께 무질서한 열 운동을 수행합니다. 그러나 전기장이 가해지면 하전 입자의 질서있는 운동이 시작됩니다 - 가스의 전류.

쌀. 6. 비자발적 퇴원

무화과에. 6 이온화 장치의 작용으로 가스 갭에서 발생하는 세 가지 유형의 하전 입자인 양이온, 음이온 및 전자를 볼 수 있습니다. 기체의 전류는 하전 입자의 다가오는 움직임의 결과로 형성됩니다. 양이온 - 음극 (음극), 전자 및 음이온 - 양극 (양극).

양극에 떨어지는 전자는 회로를 따라 전류 소스의 "플러스"로 보내집니다. 음이온은 양극에 여분의 전자를 제공하고 중성 입자가되어 가스로 돌아갑니다. 양극에 주어진 전자는 또한 소스의 "플러스"로 돌진합니다. 음극으로 오는 양이온은 거기에서 전자를 가져옵니다. 음극에서 발생하는 전자 부족은 소스의 "마이너스"에서 전자가 전달되어 즉시 보상됩니다. 이러한 과정의 결과로 외부 회로에서 전자의 질서 있는 이동이 발생합니다. 이것은 검류계에 의해 기록된 전류입니다.

그림에 설명 된 프로세스. 6이라고 한다 비자발적 퇴원가스에. 왜 의존적인가? 따라서 이를 유지하기 위해서는 반드시 영구 조치이온화기. 이온화 장치를 제거합시다. 가스 갭에 자유 전하가 나타나도록 하는 메커니즘이 사라지기 때문에 전류가 멈춥니다. 양극과 음극 사이의 공간은 다시 절연체가 됩니다.

가스 방전의 볼트-암페어 특성

양극과 음극 사이의 전압에 대한 가스 갭을 통한 전류 강도의 의존성(소위 가스 방전의 전류-전압 특성)는 도 1에 도시되어 있다. 7.

쌀. 7. 가스 방전의 볼트-암페어 특성

0 전압에서 전류 강도는 물론 0과 같습니다. 하전 입자는 열 운동만 수행하고 전극 사이에는 질서 있는 운동이 없습니다.

작은 전압으로 전류 강도도 작습니다. 사실 모든 하전 입자가 전극에 도달하는 것은 아닙니다. 일부 양이온과 전자는 이동 과정에서 서로를 찾아 재결합합니다.

전압이 증가함에 따라 자유 전하의 속도가 점점 더 빨라지고 양이온과 전자가 만나 재결합할 기회가 줄어듭니다. 따라서 하전 입자의 증가하는 부분이 전극에 도달하고 전류 강도가 증가합니다(구간).

어떤 전압값(point)에서는 전하속도가 너무 빨라서 재결합이 일어날 시간이 전혀 없다. 지금부터 모두이온화 장치의 작용으로 형성된 하전 입자가 전극에 도달하고, 전류가 포화 상태에 도달- 즉, 전류 강도는 전압이 증가함에 따라 변화를 멈춥니다. 이것은 특정 지점까지 계속됩니다.

자가 방전

지점을 지나면 전압이 증가함에 따라 전류 강도가 급격히 증가합니다. 독립 퇴원. 이제 우리는 그것이 무엇인지 알아낼 것입니다.

하전된 가스 입자는 충돌에서 충돌로 이동합니다. 충돌 사이의 간격에서 전기장에 의해 가속되어 운동 에너지가 증가합니다. 그리고 이제 전압이 충분히 커지면(바로 그 지점) 자유 경로에 있는 전자가 중성 원자와 충돌할 때 이온화하는 에너지에 도달합니다! (운동량과 에너지 보존 법칙을 사용하여 원자를 이온화하는 최대 능력을 갖는 것은 전기장에 의해 가속된 전자(이온이 아님)임을 나타낼 수 있습니다.)

소위 전자 충격 이온화. 이온화된 원자에서 탈락한 전자도 전기장에 의해 가속되어 새로운 원자에 충돌하여 지금 이온화되어 새로운 전자를 생성합니다. 전자 눈사태의 출현으로 이온화된 원자의 수가 급격히 증가하고 그 결과 전류 강도도 급격히 증가합니다.

자유 전하의 수가 너무 많아 외부 이온화 장치가 필요하지 않습니다. 간단히 제거할 수 있습니다. 이제 자유 대전 입자가 다음의 결과로 생성됩니다. 국내의가스에서 발생하는 과정 - 이것이 방전을 독립이라고하는 이유입니다.

가스 갭이 고전압 상태이면 자가 방전을 위해 이오나이저가 필요하지 않습니다. 가스에서 단 하나의 자유 전자를 찾는 것으로 충분하며 위에서 설명한 전자 눈사태가 시작됩니다. 그리고 항상 적어도 하나의 자유 전자가 있을 것입니다!

가스에는 정상적인 조건에서도 지각의 이온화 방사성 복사, 태양의 고주파 복사 및 우주선으로 인해 특정 "자연"양의 자유 전하가 있음을 다시 한 번 상기합시다. 우리는 낮은 전압에서 이러한 자유 전하로 인한 가스의 전도도가 무시할 만하지만 이제 높은 전압에서 새로운 입자의 눈사태를 일으켜 독립적인 방전을 일으키는 것을 보았습니다. 그들이 말하는대로 될 것입니다 고장가스 갭.

건조한 공기를 분해하는 데 필요한 전계 강도는 약 kV/cm입니다. 즉, 1센티미터의 공기로 분리된 전극 사이에서 스파크가 점프하려면 킬로볼트 전압이 전극에 가해져야 합니다. 몇 킬로미터의 공기를 통과하는 데 필요한 전압을 상상해 보십시오! 그러나 뇌우 중에 발생하는 고장은 정확히 그러한 고장입니다. 이것은 여러분에게 잘 알려진 번개입니다.

이것은 짧은 요약입니다.

정식 버전 작업 계속

강의2 1

가스의 전류

1. 일반 조항

정의: 기체에 전류가 흐르는 현상을 가스 방전.

가스의 거동은 온도 및 압력과 같은 매개변수에 크게 의존하며 이러한 매개변수는 매우 쉽게 변경됩니다. 따라서 가스의 전류 흐름은 금속이나 진공보다 더 복잡합니다.

기체는 옴의 법칙을 따르지 않습니다.

2. 이온화 및 재조합

정상적인 조건에서 기체는 실질적으로 중성 분자로 구성되어 있으므로 전류의 극히 열악한 전도체입니다. 그러나 외부의 영향으로 전자가 원자에서 떨어져 양전하를 띤 이온이 나타납니다. 또한 전자는 중성 원자와 결합하여 음전하를 띤 이온을 형성할 수 있습니다. 따라서 이온화된 기체를 얻을 수 있습니다. 혈장.

외부 영향에는 가열, 에너지 광자 조사, 다른 입자에 의한 충격, 강한 장, 즉 원소 방출에 필요한 동일한 조건.

원자 안의 전자는 포텐셜 우물에 있는데, 그곳에서 빠져나오기 위해서는 원자에 추가적인 에너지를 주어야 하는데 이를 이온화 에너지라고 한다.

물질	이온화 에너지, eV
수소 원자	13,59
수소 분자	15,43
헬륨	24,58
산소 원자	13,614
산소 분자	12,06

이온화 현상과 함께 재결합 현상도 관찰됩니다. 전자와 양이온이 결합하여 중성 원자를 형성합니다. 이 과정은 이온화 에너지와 동일한 에너지 방출로 발생합니다. 이 에너지는 복사 또는 가열에 사용할 수 있습니다. 가스의 국부적 가열은 국부적인 압력 변화를 일으킵니다. 이는 차례로 음파. 따라서 가스 방전은 빛, 열 및 소음 효과를 동반합니다.

3. 가스 방전의 CVC.

초기 단계에서는 외부 이온화 장치의 작용이 필요합니다.

BAW 구간에서 전류는 외부 이온화 장치의 작용으로 존재하며 모든 이온화된 입자가 전류 생성에 참여하면 빠르게 포화 상태에 도달합니다. 외부 이오나이저를 제거하면 전류가 멈춥니다.

이러한 유형의 방전을 비자유 가스 방전이라고 합니다. 가스의 전압을 높이려고 하면 전자의 눈사태가 나타나고 전류는 거의 일정한 전압에서 증가합니다. 이를 점화 전압(BC)이라고 합니다.

이 순간부터 방전이 독립되어 외부 이오나이저가 필요하지 않습니다. 이온의 수가 너무 많아져 전극간격의 저항이 작아져 전압(SD)이 떨어질 수 있다.

그러면 전극간 갭에서 전류가 흐르는 영역이 좁아지기 시작하고 저항이 증가하여 결과적으로 전압(DE)이 증가한다.

전압을 높이려고 하면 가스가 완전히 이온화됩니다. 저항과 전압은 0으로 떨어지고 전류는 여러 번 상승합니다. 아크 방전 (E에프).

CVC는 가스가 옴의 법칙을 전혀 따르지 않음을 보여줍니다.

4. 가스 공정