Elektros srovės reiškiniai dujose. Įvadas

Įprastomis sąlygomis dujos yra dielektrikai, nes. susideda iš neutralių atomų ir molekulių, o jose nėra pakankamai laisvųjų krūvių.Dujos tampa laidininkais tik kažkaip jonizuojamos. Dujų jonizacijos procesas susideda iš to, kad dėl kokių nors priežasčių vienas ar keli elektronai atsiskiria nuo atomo. Dėl to vietoj neutralaus atomo teigiamas jonas ir elektronas.

Molekulių skilimas į jonus ir elektronus vadinamas dujų jonizacija.

Dalį susidariusių elektronų gali užfiksuoti kiti neutralūs atomai ir tada atsirasti neigiamo krūvio jonai.

Taigi jonizuotose dujose yra trijų tipų krūvininkai: elektronai, teigiami jonai ir neigiami.

Norint atskirti elektroną nuo atomo, reikia išleisti tam tikrą energiją - jonizacijos energija W aš . Jonizacijos energija priklauso nuo cheminės dujų prigimties ir elektrono energetinės būsenos atome. Taigi pirmajam elektronui atsiskirti nuo azoto atomo sunaudojama 14,5 eV energija, o antrojo elektrono atsiskyrimui - 29,5 eV, trečiojo - 47,4 eV.

Dujų jonizaciją sukeliantys veiksniai vadinami jonizatoriai.

Yra trys jonizacijos tipai: terminė jonizacija, fotojonizacija ir smūginė jonizacija.

Šiluminė jonizacijaįvyksta dėl dujų atomų ar molekulių susidūrimo aukštoje temperatūroje, jei susidūrusių dalelių santykinio judėjimo kinetinė energija viršija elektrono rišimosi energiją atome.

Fotojonizacija atsiranda veikiant elektromagnetinei spinduliuotei (ultravioletinei, rentgeno ar γ spinduliuotei), kai energija, reikalinga elektronui atjungti nuo atomo, perduodama jam spinduliavimo kvantu.

Jonizacija elektronų smūgiu(arba smūginė jonizacija) yra teigiamai įkrautų jonų susidarymas dėl atomų ar molekulių susidūrimo su greitais elektronais, turinčiais didelę kinetinę energiją.

Dujų jonizacijos procesą visada lydi priešingas neutralių molekulių atsigavimo iš priešingai įkrautų jonų procesas dėl jų elektrinės traukos. Šis reiškinys vadinamas rekombinacija. Rekombinacijos metu išsiskiria energija, lygi energijai, sunaudotai jonizacijai. Tai gali sukelti, pavyzdžiui, dujų švytėjimą.

Jeigu jonizatoriaus veikimas nekinta, tai jonizuotose dujose nusistovi dinaminė pusiausvyra, kurioje per laiko vienetą atkuriama tiek molekulių, kiek jos suyra į jonus. Šiuo atveju įkrautų dalelių koncentracija jonizuotose dujose išlieka nepakitusi. Tačiau jei jonizatoriaus veikimas bus sustabdytas, tada rekombinacija pradės vyrauti prieš jonizaciją, o jonų skaičius greitai sumažės iki beveik nulio. Vadinasi, įkrautų dalelių buvimas dujose yra laikinas reiškinys (kol veikia jonizatorius).

Jei nėra išorinio lauko, įkrautos dalelės juda atsitiktinai.

dujų išleidimas

Įdėjus jonizuotų dujų elektrinis laukas elektros jėgos pradeda veikti laisvuosius krūvius, ir jie dreifuoja lygiagrečiai įtempimo linijoms: elektronai ir neigiami jonai - į anodą, teigiami jonai - į katodą (1 pav.). Prie elektrodų jonai virsta neutraliais atomais, atiduodami arba priimdami elektronus, taip užbaigdami grandinę. Dujose susidaro elektros srovė.

Elektros srovė dujose yra nukreiptas jonų ir elektronų judėjimas.

Elektros srovė dujose vadinama dujų išleidimas.

Bendra srovė dujose susideda iš dviejų įkrautų dalelių srautų: srauto, einančio į katodą, ir srauto, nukreipto į anodą.

Dujose elektroninis laidumas, panašus į metalų laidumą, derinamas su joniniu laidumu, panašiu į vandeninių tirpalų ar elektrolitų lydalų laidumą.

Taigi dujų laidumas turi jonų elektroninis pobūdis.

Gamtoje nėra absoliučių dielektrikų. Tvarkingas dalelių – elektros krūvio nešėjų – tai yra srovės, judėjimas gali būti sukeltas bet kurioje terpėje, tačiau tam reikia specialių sąlygų. Čia mes apsvarstysime, kaip vyksta elektriniai reiškiniai dujose ir kaip dujas iš labai gero dielektriko galima pakeisti labai geru laidininku. Būsime suinteresuoti, kokiomis sąlygomis ji atsiranda, taip pat kokios charakteristikos yra elektros srovės dujose.

Dujų elektrinės savybės

Dielektrikas yra medžiaga (terpė), kurioje dalelių - laisvųjų elektros krūvio nešėjų - koncentracija nepasiekia jokios reikšmingos vertės, dėl to laidumas yra nereikšmingas. Visos dujos yra geri dielektrikai. Jų izoliacinės savybės naudojamos visur. Pavyzdžiui, bet kuriame grandinės pertraukiklyje grandinė atsidaro, kai kontaktai yra įvesti į tokią padėtį, kad tarp jų susidaro oro tarpas. Elektros linijose laidai taip pat izoliuoti vienas nuo kito oro sluoksniu.

Bet kurių dujų struktūrinis vienetas yra molekulė. Tai susideda iš atomų branduoliai ir elektroniniai debesys, tai yra, tai yra kolekcija elektros krūviai tam tikru būdu pasiskirstę erdvėje. Dujų molekulė gali atsirasti dėl savo struktūros ypatumų arba būti poliarizuota veikiant išoriniam elektriniam laukui. Didžioji dauguma molekulių, sudarančių dujas, normaliomis sąlygomis yra elektriškai neutralios, nes jose esantys krūviai vienas kitą panaikina.

Jei dujos veikia elektrinį lauką, molekulės įgaus dipolio orientaciją ir užims erdvinę padėtį, kompensuojančią lauko poveikį. Dujose esančios įkrautos dalelės, veikiamos Kulono jėgų, pradės judėti: teigiami jonai - katodo kryptimi, neigiami jonai ir elektronai - link anodo. Tačiau jei laukas turi nepakankamą potencialą, vienas nukreiptas krūvių srautas nevyksta, o galima kalbėti apie atskiras sroves, tokias silpnas, kad į jas reikėtų nekreipti dėmesio. Dujos elgiasi kaip dielektrikas.

Taigi, dėl įvykio elektros srovė dujose reikalinga didelė laisvųjų krūvininkų koncentracija ir lauko buvimas.

Jonizacija

Į laviną panašus laisvųjų krūvių skaičiaus padidėjimas dujose vadinamas jonizacija. Atitinkamai, dujos, kuriose yra daug įkrautų dalelių, vadinamos jonizuotomis. Būtent tokiose dujose susidaro elektros srovė.

Jonizacijos procesas yra susijęs su molekulių neutralumo pažeidimu. Dėl elektrono atsiskyrimo atsiranda teigiamų jonų, elektronui prisijungus prie molekulės susidaro neigiamas jonas. Be to, jonizuotose dujose yra daug laisvųjų elektronų. Teigiami jonai ir ypač elektronai yra pagrindiniai elektros srovės krūvininkai dujose.

Jonizacija įvyksta, kai dalelei perduodamas tam tikras energijos kiekis. Taigi išorinis molekulės sudėtyje esantis elektronas, gavęs šią energiją, gali palikti molekulę. Abipusis įkrautų dalelių susidūrimas su neutraliomis sukelia naujų elektronų išmušimą, o procesas užtrunka lavinos charakteris. Didėja ir dalelių kinetinė energija, kuri labai skatina jonizaciją.

Iš kur atsiranda elektros srovės sužadinimo dujose energija? Dujų jonizavimas turi keletą energijos šaltinių, pagal kuriuos įprasta įvardyti jo rūšis.

Jonizacija elektrinis laukas. Tokiu atveju lauko potencinė energija paverčiama dalelių kinetine energija.
Šiluminė jonizacija. Padidėjus temperatūrai, taip pat susidaro daug nemokamų mokesčių.
Fotojonizacija. Šio proceso esmė yra ta, kad kvantai perduoda energiją elektronams elektromagnetinė radiacija- fotonai, jei jie turi pakankamai aukštą dažnį (ultravioletinė, rentgeno, gama kvantai).
Smūgio jonizacija yra susidūrimo dalelių kinetinės energijos pavertimo elektronų atsiskyrimo energija rezultatas. Kartu su termine jonizacija jis yra pagrindinis veiksnys sužadinant elektros srovę dujose.

Kiekvienai dujoms būdinga tam tikra slenkstinė vertė – jonizacijos energija, reikalinga elektronui atitrūkti nuo molekulės, įveikiant potencialų barjerą. Ši pirmojo elektrono vertė svyruoja nuo kelių voltų iki dviejų dešimčių voltų; reikia daugiau energijos, kad nuo molekulės atsiskirtų kitas elektronas ir pan.

Reikėtų atsižvelgti į tai, kad kartu su jonizacija dujose vyksta atvirkštinis procesas - rekombinacija, tai yra neutralių molekulių atkūrimas veikiant Kulono traukos jėgoms.

Dujų išlydis ir jų rūšys

Taigi, elektros srovė dujose atsiranda dėl tvarkingo įkrautų dalelių judėjimo, veikiant joms veikiant elektriniam laukui. Tokių krūvių buvimas, savo ruožtu, yra įmanomas dėl įvairių jonizacijos veiksnių.

Taigi terminei jonizacijai reikalinga didelė temperatūra, tačiau atvira liepsna, susijusi su kai kuriais cheminiais procesais, prisideda prie jonizacijos. Net esant santykinai žemai temperatūrai, esant liepsnai, fiksuojamas elektros srovės atsiradimas dujose, o eksperimentuojant su dujų laidumu lengva tai patikrinti. Tarp įkrauto kondensatoriaus plokščių būtina pastatyti degiklio ar žvakės liepsną. Grandinė, kuri anksčiau buvo atidaryta dėl oro tarpo kondensatoriuje, užsidarys. Prie grandinės prijungtas galvanometras parodys srovės buvimą.

Elektros srovė dujose vadinama dujų išlydžiu. Reikia turėti omenyje, kad norint išlaikyti išlydžio stabilumą, jonizatoriaus veikimas turi būti pastovus, nes dėl nuolatinės rekombinacijos dujos praranda savo elektrai laidžius savybes. Vieni elektros srovės nešėjai dujose – jonai – neutralizuojami ant elektrodų, kiti – elektronai, patekę į anodą, siunčiami į lauko šaltinio „pliusą“. Jei jonizuojantis faktorius nustos veikti, dujos iš karto vėl taps dielektriku, o srovė nutrūks. Tokia srovė, priklausanti nuo išorinio jonizatoriaus veikimo, vadinama savaime nepalaikoma iškrova.

Elektros srovės pratekėjimo per dujas ypatybes apibūdina ypatinga srovės stiprumo priklausomybė nuo įtampos - srovės įtampos charakteristika.

Panagrinėkime dujų išlydžio raidą srovės ir įtampos priklausomybės grafike. Kai įtampa pakyla iki tam tikros vertės U 1, srovė didėja proporcingai jai, tai yra, įvykdomas Ohmo įstatymas. Didėja kinetinė energija, taigi ir krūvių greitis dujose, ir šis procesas yra prieš rekombinaciją. Esant įtampos vertėms nuo U 1 iki U 2, šis ryšys pažeidžiamas; pasiekus U 2, visi krūvininkai pasiekia elektrodus nespėję rekombinuotis. Įtraukiami visi nemokami mokesčiai, o toliau didėjant įtampai srovė nepadidėja. Toks krūvių judėjimo pobūdis vadinamas soties srove. Taigi, galime teigti, kad elektros srovė dujose atsiranda ir dėl jonizuotų dujų elgsenos ypatumų įvairaus stiprumo elektriniuose laukuose.

Kai elektrodų potencialų skirtumas pasiekia tam tikra vertė U 3, įtampa tampa pakankama, kad elektrinis laukas sukeltų laviną primenančią dujų jonizaciją. Laisvųjų elektronų kinetinės energijos jau pakanka smūginei molekulių jonizacijai. Tuo pačiu metu jų greitis daugumoje dujų yra apie 2000 km/s ir didesnis (apskaičiuojamas pagal apytikslę formulę v=600 U i , kur U i – jonizacijos potencialas). Šiuo metu įvyksta dujų gedimas ir dėl vidinio jonizacijos šaltinio smarkiai padidėja srovė. Todėl tokia iškrova vadinama nepriklausoma.

Išorinio jonizatoriaus buvimas šiuo atveju nebeturi reikšmės palaikant elektros srovę dujose. Savaiminis išsikrovimas skirtingos sąlygos o esant skirtingoms elektrinio lauko šaltinio charakteristikoms, jis gali turėti tam tikrų savybių. Yra tokie savaiminio išsikrovimo tipai kaip švytėjimas, kibirkštis, lankas ir vainikas. Trumpai apžvelgsime, kaip elektros srovė veikia dujose, apie kiekvieną iš šių tipų.

Potencialų skirtumo nuo 100 (ir net mažiau) iki 1000 voltų pakanka savaiminiam išsikrovimui pradėti. Todėl švytėjimo iškrova, kuriai būdingas mažas srovės stiprumas (nuo 10 -5 A iki 1 A), atsiranda esant ne didesniam kaip kelių gyvsidabrio milimetrų slėgiui.

Vamzdyje su retomis dujomis ir šaltais elektrodais atsirandantis švytėjimo išlydis atrodo kaip plonas šviesos laidas tarp elektrodų. Jei ir toliau pumpuosime dujas iš vamzdelio, siūlas bus išplautas, o esant dešimtosioms gyvsidabrio milimetrų slėgiui, švytėjimas beveik visiškai užpildo vamzdį. Švytėjimo nėra šalia katodo - vadinamojoje tamsaus katodo erdvėje. Likusi dalis vadinama teigiama stulpeliu. Šiuo atveju pagrindiniai procesai, užtikrinantys iškrovos egzistavimą, yra lokalizuoti būtent tamsioje katodo erdvėje ir šalia jos esančiame regione. Čia įkrautos dujų dalelės yra pagreitintos, išmušdamos elektronus iš katodo.

Švytėjimo išlydžio metu jonizacijos priežastis yra elektronų emisija iš katodo. Katodo skleidžiami elektronai sukelia dujų molekulių smūginę jonizaciją, atsirandantys teigiami jonai sukelia antrinę katodo emisiją ir pan. Teigiamos kolonėlės švytėjimą daugiausia lemia sužadintų dujų molekulių fotonų atatranka, o skirtingoms dujoms būdingas tam tikros spalvos švytėjimas. Teigiamas stulpelis dalyvauja formuojant švytėjimo išlydį tik kaip elektros grandinės dalis. Jei priartinsite elektrodus, galite pasiekti teigiamo stulpelio išnykimą, tačiau iškrova nesustos. Tačiau toliau sumažinus atstumą tarp elektrodų, švytėjimo išlydis negali egzistuoti.

Reikėtų pažymėti, kad už šio tipo elektros srovė dujose, kai kurių procesų fizika dar nėra iki galo išaiškinta. Pavyzdžiui, lieka neaiškus jėgų, sukeliančių srovės padidėjimą, siekiant išplėsti katodo paviršiaus plotą, kuris dalyvauja iškrovime, pobūdis.

kibirkštinio išlydžio

Kibirkšties gedimas turi impulsinį pobūdį. Tai atsiranda esant slėgiui, artimam normaliam atmosferiniam, tais atvejais, kai elektrinio lauko šaltinio galios nepakanka stacionariai iškrovai palaikyti. Šiuo atveju lauko stiprumas yra didelis ir gali siekti 3 MV/m. Reiškinys pasižymi staigiu išlydžio elektros srovės padidėjimu dujose, tuo pačiu itin greitai krenta įtampa, o iškrova sustoja. Tada potencialų skirtumas vėl didėja, ir visas procesas kartojamas.

Esant tokio tipo iškrovimui, susidaro trumpalaikiai kibirkšties kanalai, kurių augimas gali prasidėti nuo bet kurio taško tarp elektrodų. Taip yra dėl to, kad smūginė jonizacija vyksta atsitiktinai tose vietose, kur Šis momentas didžiausia jonų koncentracija. Netoli kibirkštinio kanalo dujos greitai įkaista ir vyksta šiluminis plėtimasis, o tai sukelia akustines bangas. Todėl kibirkšties iškrovą lydi traškėjimas, taip pat šilumos išsiskyrimas ir ryškus švytėjimas. Lavinos jonizacijos procesai kibirkšties kanale sukuria aukštą slėgį ir temperatūrą iki 10 000 laipsnių ir daugiau.

Ryškiausias natūralaus kibirkštinio išlydžio pavyzdys yra žaibas. Pagrindinio žaibo kibirkšties kanalo skersmuo gali svyruoti nuo kelių centimetrų iki 4 m, o kanalo ilgis – 10 km. Srovės stiprumas siekia 500 tūkstančių amperų, o potencialų skirtumas tarp griaustinio debesies ir Žemės paviršiaus siekia milijardą voltų.

Ilgiausias žaibas, kurio ilgis siekė 321 km, buvo pastebėtas 2007 metais Oklahomoje, JAV. Trukmės rekordininku tapo žaibas, užfiksuotas 2012 metais Prancūzijos Alpėse – truko per 7,7 sekundės. Nutrenkus žaibui, oras gali įkaisti iki 30 tūkstančių laipsnių, o tai 6 kartus viršija matomo Saulės paviršiaus temperatūrą.

Tais atvejais, kai elektrinio lauko šaltinio galia yra pakankamai didelė, kibirkštinis išlydis išsivysto į lankinį išlydį.

Šio tipo savaiminiam išlydžiui būdingas didelis srovės tankis ir žema (mažesnė nei švytėjimo išlydžio) įtampa. Sugedimo atstumas yra mažas dėl elektrodų artumo. Iškrovą inicijuoja elektrono emisija nuo katodo paviršiaus (metalo atomų jonizacijos potencialas yra mažas, palyginti su dujų molekulėmis). Gedimo metu tarp elektrodų susidaro sąlygos, kuriomis dujos praleidžia elektros srovę, atsiranda kibirkštinis išlydis, kuris uždaro grandinę. Jei įtampos šaltinio galia yra pakankamai didelė, kibirkšties iškrovos virsta stabiliu elektros lanku.

Jonizacija lankinio išlydžio metu pasiekia beveik 100%, srovės stipris yra labai didelis ir gali svyruoti nuo 10 iki 100 amperų. Esant atmosferos slėgiui, lankas gali įkaisti iki 5-6 tūkstančių laipsnių, o katodas - iki 3 tūkstančių laipsnių, o tai sukelia intensyvią terminę emisiją nuo jo paviršiaus. Anodo bombardavimas elektronais sukelia dalinį sunaikinimą: ant jo susidaro įduba - krateris, kurio temperatūra yra apie 4000 ° C. Padidėjęs slėgis sukelia dar didesnį temperatūros padidėjimą.

Skiedžiant elektrodus, lanko išlydis išlieka stabilus iki tam tikro atstumo, todėl galima susidoroti su ja tose elektros įrangos dalyse, kur ji yra kenksminga dėl jos sukeliamos korozijos ir kontaktų perdegimo. Tai tokie įrenginiai kaip aukštos įtampos ir grandinės pertraukikliai, kontaktoriai ir kt. Vienas iš būdų kovoti su lanku, kuris atsiranda atsidarius kontaktams, yra lanko latako naudojimas, pagrįstas lanko išplėtimo principu. Taip pat naudojama daug kitų metodų: manevruojant kontaktus, naudojant medžiagas, turinčias didelį jonizacijos potencialą ir pan.

Esant normaliam atmosferos slėgiui, staigiai atsiranda vainikinės iškrovos nehomogeniški laukai elektrodams su dideliu paviršiaus kreivumu. Tai gali būti smailės, stiebai, laidai, įvairūs elektros įrangos elementai, kurie turi sudėtinga forma ir net žmogaus plaukų. Toks elektrodas vadinamas vainikiniu elektrodu. Jonizacijos procesai ir atitinkamai dujų švytėjimas vyksta tik šalia jo.

Karūna gali susidaryti tiek ant katodo (neigiama vainika), kai ji yra bombarduojama jonais, tiek ant anodo (teigiama) dėl fotojonizacijos. Neigiama korona, kurioje jonizacijos procesas dėl šiluminės emisijos nukreipiamas nuo elektrodo, pasižymi tolygiu švytėjimu. Teigiamame vainiklyje galima pastebėti streamerius – šviečiančias nutrūkusios konfigūracijos linijas, kurios gali virsti kibirkšties kanalais.

Koronos iškrovos pavyzdys gamtinės sąlygos yra tie, kurie kyla ant aukštų stiebų viršūnių, medžių viršūnių ir pan. Jie susidaro esant dideliam elektrinio lauko stiprumui atmosferoje, dažnai prieš perkūniją arba per sniegą. Be to, jie buvo pritvirtinti prie orlaivių, kurie nukrito į vulkaninių pelenų debesį, odos.

Korona iškrova ant elektros linijų laidų sukelia didelius elektros energijos nuostolius. Esant aukštai įtampai, vainiko iškrova gali virsti lanku. Jie kovoja su juo Skirtingi keliai, pavyzdžiui, didinant laidininkų kreivumo spindulį.

Elektros srovė dujose ir plazmoje

Visiškai arba iš dalies jonizuotos dujos vadinamos plazma ir laikomos ketvirtąja materijos būsena. Apskritai plazma yra elektriškai neutrali, nes visas ją sudarančių dalelių krūvis nulis. Tai išskiria jį iš kitų įkrautų dalelių sistemų, tokių kaip, pavyzdžiui, elektronų pluoštai.

Natūraliomis sąlygomis plazma susidaro, kaip taisyklė, aukštoje temperatūroje dėl dujų atomų susidūrimo dideliu greičiu. Didžioji dalis barioninės medžiagos Visatoje yra plazmos būsenoje. Tai žvaigždės, tarpžvaigždinės materijos dalis, tarpgalaktinės dujos. Žemės jonosfera taip pat yra reta, silpnai jonizuota plazma.

Jonizacijos laipsnis yra svarbi plazmos savybė, nuo to priklauso jos laidžios savybės. Jonizacijos laipsnis apibrėžiamas kaip jonizuotų atomų skaičiaus ir bendro atomų skaičiaus tūrio vienete santykis. Kuo labiau jonizuota plazma, tuo didesnis jos elektrinis laidumas. Be to, jis turi didelį mobilumą.

Todėl matome, kad dujos, laidančios elektrą išleidimo kanale, yra ne kas kita, kaip plazma. Taigi švytėjimas ir vainikinės iškrovos yra šaltos plazmos pavyzdžiai; žaibo kibirkšties kanalas arba elektros lankas yra karštos, beveik visiškai jonizuotos plazmos pavyzdžiai.

Elektros srovė metaluose, skysčiuose ir dujose – skirtumai ir panašumai

Panagrinėkime dujų išlydžio charakteristikas, palyginti su srovės savybėmis kitose terpėse.

Metaluose srovė yra nukreiptas laisvųjų elektronų judėjimas, kuris nesukelia cheminių pokyčių. Šio tipo laidininkai vadinami pirmosios rūšies laidininkais; tai, be metalų ir lydinių, apima anglį, kai kurias druskas ir oksidus. Jie išsiskiria elektroniniu laidumu.

Antrosios rūšies laidininkai yra elektrolitai, tai yra skysti vandeniniai šarmų, rūgščių ir druskų tirpalai. Srovės pratekėjimas yra susijęs su cheminiu elektrolito pasikeitimu – elektrolize. Vandenyje ištirpusios medžiagos jonai, veikiami potencialų skirtumo, juda priešingomis kryptimis: teigiami katijonai - į katodą, neigiami anijonai - į anodą. Procesą lydi dujų išsiskyrimas arba metalo sluoksnio nusėdimas ant katodo. Antrosios rūšies laidininkai pasižymi joniniu laidumu.

Kalbant apie dujų laidumą, jis, pirma, yra laikinas, antra, jis turi panašumo ir skirtumo su kiekviena iš jų požymių. Taigi, elektros srovė tiek elektrolituose, tiek dujose yra priešingai įkrautų dalelių dreifas, nukreiptas į priešingus elektrodus. Tačiau, nors elektrolitams būdingas grynai joninis laidumas, dujų išlydyje su elektroninio ir joninio laidumo deriniu pagrindinis vaidmuo tenka elektronams. Kitas skirtumas tarp elektros srovės skysčiuose ir dujose yra jonizacijos pobūdis. Elektrolite ištirpusio junginio molekulės disocijuoja vandenyje, tačiau dujose molekulės nesuyra, o tik praranda elektronus. Todėl dujų iškrova, kaip ir srovė metaluose, nėra susijusi su cheminiais pokyčiais.

Skysčių ir dujų srovė taip pat nėra vienoda. Elektrolitų laidumas kaip visuma atitinka Ohmo dėsnį, tačiau dujų išlydžio metu jis nepastebimas. Dujų voltų amperų charakteristikos yra daug sudėtingesnės, susijusios su plazmos savybėmis.

Reikėtų paminėti ir bendrąjį skiriamosios savybės elektros srovė dujose ir vakuume. Vakuumas yra beveik tobulas dielektrikas. „Beveik“ – nes vakuume, nepaisant to, kad nėra (tiksliau, itin mažos koncentracijos) laisvųjų krūvininkų, galima ir srovė. Bet potencialių nešėjų dujose jau yra, tereikia jas jonizuoti. Krovinių nešikliai iš materijos įkeliami į vakuumą. Paprastai tai įvyksta elektronų emisijos procese, pavyzdžiui, kai katodas įkaista (terminė emisija). Bet ir viduje įvairių tipų Dujų išmetimo atveju emisija, kaip matėme, vaidina svarbų vaidmenį.

Dujų išleidimo panaudojimas technologijoje

O žalingas poveikis kai kurios kategorijos jau buvo trumpai aptartos aukščiau. Dabar atkreipkime dėmesį į naudą, kurią jie atneša pramonėje ir kasdieniame gyvenime.

Švytėjimo išlydis naudojamas elektrotechnikoje (įtampos stabilizatoriai), dengimo technologijoje (katodinio purškimo metodas, pagrįstas katodinės korozijos reiškiniu). Elektronikoje jis naudojamas jonų ir elektronų pluoštams gaminti. Gerai žinoma švytėjimo išlydžių taikymo sritis yra fluorescencinės ir vadinamosios ekonomiškos lempos bei dekoratyviniai neoniniai ir argono išlydžio vamzdžiai. Be to, švytėjimo išlydis naudojamas spektroskopijoje ir spektroskopijoje.

Kibirkštinis išlydis naudojamas saugikliuose, precizinio metalo apdirbimo elektroeroziniuose metoduose (pjovimas kibirkštiniu būdu, gręžimas ir kt.). Tačiau jis geriausiai žinomas dėl jo naudojimo vidaus degimo variklių uždegimo žvakėse ir viduje Buitinė technika(dujinės viryklės).

Lanko išlydis, pirmą kartą panaudotas apšvietimo technikoje dar 1876 m. (Jabločkovo žvakė – „Rusiška šviesa“), iki šiol tarnauja kaip šviesos šaltinis – pavyzdžiui, projektoriuose ir galinguose prožektoriuose. Elektrotechnikoje lankas naudojamas gyvsidabrio lygintuvuose. Be to, jis naudojamas elektriniam suvirinimui, metalo pjovimui, pramoninėse elektrinėse krosnyse, skirtose plieno ir lydinių lydymui.

Koronos iškrova naudojama elektrostatiniuose nusodintuvuose, skirtuose jonų dujoms valyti, metrais elementariosios dalelės, žaibolaidžiuose, oro kondicionavimo sistemose. Koroninė iškrova taip pat veikia kopijuokliuose ir lazeriniuose spausdintuvuose, kur įkrauna ir iškrauna šviesai jautrų būgną, o miltelius iš būgno perkelia į popierių.

Taigi plačiai naudojami visų tipų dujų išleidimai. Dujose esanti elektros srovė sėkmingai ir efektyviai naudojama daugelyje technologijų sričių.

Įprastomis sąlygomis dujos nelaidžia elektros energijai, nes jų molekulės yra elektriškai neutralios. Pavyzdžiui, sausas oras yra geras izoliatorius, ką galėtume įsitikinti paprasčiausiais elektrostatikos eksperimentais. Tačiau oras ir kitos dujos tampa elektros srovės laidininkais, jeigu jose vienaip ar kitaip susidaro jonai.

Ryžiai. 100. Oras tampa elektros srovės laidininku, jeigu yra jonizuotas

Paprasčiausias eksperimentas, iliustruojantis oro laidumą jonizacijos metu liepsna, parodytas Fig. 100: Lėkščių įkrova, kuri išlieka ilgą laiką, greitai išnyksta, kai į tarpą tarp plokštelių įdedamas degtukas.

Dujų išleidimas. Elektros srovės praleidimo per dujas procesas paprastai vadinamas dujų išlydžiu (arba elektros išlydžiu dujose). Dujų išleidimas skirstomas į du tipus: nepriklausomus ir nesavarankiškus.

Nesavarankiška kategorija. Išmetimas dujose vadinamas neišlaikančiu, jei jam palaikyti reikalingas išorinis šaltinis.

jonizacija. Dujose esantys jonai gali atsirasti veikiant aukštai temperatūrai, rentgeno ir ultravioletinei spinduliuotei, radioaktyvumui, kosminiams spinduliams ir pan. Visais šiais atvejais vienas ar keli elektronai išsiskiria iš elektronų apvalkalas atomas ar molekulė. Dėl to dujose atsiranda teigiamų jonų ir laisvųjų elektronų. Išsiskyrę elektronai gali prisijungti prie neutralių atomų ar molekulių, paversdami juos neigiamais jonais.

Jonizacija ir rekombinacija. Kartu su jonizacijos procesais dujose vyksta ir atvirkštinės rekombinacijos procesai: jungiantis tarpusavyje teigiami ir neigiami jonai arba teigiami jonai ir elektronai sudaro neutralias molekules ar atomus.

Jonų koncentracijos kitimas laikui bėgant dėl nuolatinio jonizacijos ir rekombinacijos procesų šaltinio gali būti apibūdintas taip. Tarkime, kad jonizacijos šaltinis sukuria teigiamus jonus vienam dujų tūrio vienetui per laiko vienetą ir tiek pat elektronų. Jei dujose nėra elektros srovės ir jonų ištrūkimo iš svarstomo tūrio dėl difuzijos galima nepaisyti, tai vienintelis jonų koncentracijos mažinimo mechanizmas bus rekombinacija.

Rekombinacija įvyksta, kai teigiamas jonas susitinka su elektronu. Tokių susitikimų skaičius yra proporcingas ir jonų, ir laisvųjų elektronų skaičiui, tai yra, proporcingas . Todėl jonų skaičiaus sumažėjimas tūrio vienete per laiko vienetą gali būti parašytas kaip , kur a yra pastovi reikšmė, vadinama rekombinacijos koeficientu.

Remiantis pateiktomis prielaidomis, jonų balanso lygtis dujose gali būti parašyta forma

Šios diferencialinės lygties neišspręsime bendras vaizdas, ir apsvarstykite keletą įdomių specialių atvejų.

Visų pirma pažymime, kad jonizacijos ir rekombinacijos procesai po kurio laiko turėtų vienas kitą kompensuoti ir dujose nusistovi pastovi koncentracija, matyti, kad

Stacionari jonų koncentracija yra didesnė, tuo galingesnis jonizacijos šaltinis ir tuo mažesnis rekombinacijos koeficientas a.

Išjungus jonizatorių, jonų koncentracijos sumažėjimas apibūdinamas (1) lygtimi, kurioje reikia imti pradinę koncentracijos reikšmę.

Perrašę šią lygtį į formą po integravimo, gauname

Šios funkcijos grafikas parodytas fig. 101. Tai hiperbolė, kurios asimptotės yra laiko ašis ir vertikali linija. fizinę reikšmę turi tik reikšmes atitinkančią hiperbolės atkarpą Atkreipkite dėmesį į lėtą koncentracijos mažėjimo pobūdį laikui bėgant, palyginti su fizikoje dažnai pasitaikančiais eksponentinės skilimo procesais, kurie realizuojami, kai kiekio mažėjimo greitis yra proporcingas šio dydžio momentinės vertės pirmajai laipsniui.

Ryžiai. 101. Jonų koncentracijos dujose sumažėjimas išjungus jonizacijos šaltinį

Nesavaiminis laidumas. Jonų koncentracijos mažėjimo procesas pasibaigus jonizatoriaus veikimui žymiai paspartėja, jei dujos yra išoriniame elektriniame lauke. Traukdamas elektronus ir jonus ant elektrodų, elektrinis laukas gali labai greitai panaikinti dujų elektrinį laidumą, jei nėra jonizatoriaus.

Kad suprastume nesavaiminės iškrovos dėsningumus, paprastumo dėlei panagrinėkime atvejį, kai išorinio šaltinio jonizuotose dujose srovė teka tarp dviejų lygiagrečių vienas kitam plokščių elektrodų. Šiuo atveju jonai ir elektronai yra vienodame elektriniame lauke, kurio intensyvumas E, lygus elektrodams taikomos įtampos ir atstumo tarp jų santykiui.

Elektronų ir jonų judrumas. Esant pastoviai taikomai įtampai, grandinėje nustatomas tam tikras pastovus srovės stiprumas 1. Tai reiškia, kad elektronai ir jonai jonizuotose dujose juda pastoviu greičiu. Norėdami paaiškinti šį faktą, turime daryti prielaidą, kad be nuolatinės greitinančios elektrinio lauko jėgos, judančius jonus ir elektronus veikia pasipriešinimo jėgos, kurios didėja didėjant greičiui. Šios jėgos apibūdina vidutinį elektronų ir jonų susidūrimų su neutraliais atomais ir dujų molekulėmis poveikį. Per pasipriešinimo jėgas

nustatomi vidutiniai pastovūs elektronų ir jonų greičiai, proporcingi elektrinio lauko stipriui E:

Proporcingumo koeficientai vadinami elektronų ir jonų judrumu. Jonų ir elektronų mobilumas turi skirtingos reikšmės ir priklauso nuo dujų rūšies, jų tankio, temperatūros ir kt.

Elektros srovės tankis, ty krūvis, kurį elektronai ir jonai per laiko vienetą perneša per ploto vienetą, išreiškiami elektronų ir jonų koncentracija, jų krūviais ir pastovaus judėjimo greičiu.

Kvazineutralumas.Įprastomis sąlygomis jonizuotos dujos kaip visuma yra elektriškai neutralios arba, kaip sakoma, beveik neutralios, nes mažuose tūriuose, kuriuose yra palyginti mažas elektronų ir jonų skaičius, gali būti pažeista elektrinio neutralumo sąlyga. Tai reiškia, kad santykis

Srovės tankis esant nesavaiminiam iškrovimui. Norint gauti srovės nešiklių koncentracijos kitimo laike dėsnį nesavaiminio dujų iškrovimo metu, kartu su išorinio šaltinio jonizacijos ir rekombinacijos procesais būtina atsižvelgti ir į elektronų ir jonų patekimas į elektrodus. Dalelių, išeinančių per laiko vienetą vienam plotui elektrodui skaičius iš tūrio lygus Tokių dalelių koncentracijos mažėjimo greitis, gauname šį skaičių padalijus iš dujų tūrio tarp elektrodų. Todėl balanso lygtis vietoj (1) esant srovei bus parašyta forma

Režimui nustatyti, kai iš (8) gauname

(9) lygtis leidžia nustatyti pastovios būsenos srovės tankio, esant nesavaiminiam išlydžiui, priklausomybę nuo veikiančios įtampos (arba nuo lauko stiprio E).

Tiesiogiai matomi du ribojantys atvejai.

Omo dėsnis. Esant žemai įtampai, kai (9) lygtyje galime nepaisyti antrojo nario dešinėje pusėje, po kurio gauname formules (7), turime

Srovės tankis yra proporcingas veikiančio elektrinio lauko stiprumui. Taigi, esant nesavarankiškam dujų išlydžiui silpnuose elektriniuose laukuose, Ohmo dėsnis tenkinamas.

Prisotinimo srovė. Esant mažai elektronų ir jonų koncentracijai (9) lygtyje, galime nepaisyti pirmosios (kvadratinės pagal dešinės pusės dėmenis. Šioje aproksimacijoje srovės tankio vektorius nukreiptas išilgai elektrinio lauko stiprumo, o jo modulis

nepriklauso nuo naudojamos įtampos. Šis rezultatas galioja esant stipriam elektriniam laukui. Šiuo atveju kalbame apie prisotinimo srovę.

Abu laikomi ribojantys atvejai gali būti tiriami neatsižvelgiant į (9) lygtį. Tačiau tokiu būdu neįmanoma atsekti, kaip, didėjant įtampai, vyksta perėjimas nuo Omo dėsnio prie netiesinės srovės priklausomybės nuo įtampos.

Pirmuoju ribiniu atveju, kai srovė labai maža, pagrindinis elektronų ir jonų pašalinimo iš iškrovos srities mechanizmas yra rekombinacija. Todėl stacionariai koncentracijai galima naudoti išraišką (2), kuri, atsižvelgus į (7), iš karto suteikia formulę (10). Antruoju ribojančiu atveju, atvirkščiai, rekombinacija nepaisoma. Stipriame elektriniame lauke elektronai ir jonai nespėja pastebimai rekombinuoti skrydžio nuo vieno elektrodo prie kito metu, jei jų koncentracija pakankamai maža. Tada visi išorinio šaltinio sukurti elektronai ir jonai pasiekia elektrodus, o bendras srovės tankis yra lygus Tai proporcingas jonizacijos kameros ilgiui, nes bendras jonizatoriaus pagamintų elektronų ir jonų skaičius yra proporcingas I.

Eksperimentinis dujų išleidimo tyrimas. Savaiminio dujų išleidimo teorijos išvados patvirtinamos eksperimentais. Norint ištirti išlydį dujose, patogu naudoti stiklinį vamzdelį su dviem metaliniais elektrodais. Tokio įrenginio elektros grandinė parodyta fig. 102. Mobilumas

elektronai ir jonai stipriai priklauso nuo dujų slėgio (atvirkščiai proporcingi slėgiui), todėl eksperimentus patogu atlikti esant sumažintam slėgiui.

Ant pav. 103 parodyta vamzdyje esančios srovės I priklausomybė nuo įtampos, taikomos vamzdžio elektrodams.Jonizaciją vamzdyje galima sukurti, pavyzdžiui, rentgeno ar ultravioletiniai spinduliai arba su silpnu radioaktyviu vaistu. Tik svarbu, kad išorinis jonų šaltinis liktų nepakitęs.

Ryžiai. 102. Dujų išleidimo tyrimo įrenginio schema

Ryžiai. 103. Eksperimentinė dujų išlydžio srovės-įtampos charakteristika

Skyriuje srovės stipris netiesiškai priklauso nuo įtampos. Pradedant nuo taško B, srovė pasiekia prisotinimą ir tam tikrą atstumą išlieka pastovi. Visa tai atitinka teorines prognozes.

Savęs reitingas. Tačiau taške C srovė vėl pradeda didėti, iš pradžių lėtai, o paskui labai smarkiai. Tai reiškia, kad dujose atsirado naujas, vidinis jonų šaltinis. Jei dabar pašalinsime išorinį šaltinį, tada išleidimas dujose nesibaigia, t. Savaiminio iškrovimo metu dėl vidinių procesų pačiose dujose susidaro nauji elektronai ir jonai.

Jonizacija elektronų smūgiu. Srovės padidėjimas pereinant nuo nesavaiminio iškrovimo į nepriklausomą vyksta kaip lavina ir vadinamas elektriniu dujų gedimu. Įtampa, kuriai esant įvyksta gedimas, vadinama uždegimo įtampa. Tai priklauso nuo dujų rūšies ir nuo dujų slėgio sandaugos bei atstumo tarp elektrodų.

Dujose vykstantys procesai, atsakingi už laviną primenantį srovės stiprumo padidėjimą didėjant įtampai, yra susiję su neutralių dujų atomų ar molekulių jonizacija laisvaisiais elektronais, kuriuos elektrinis laukas pagreitina iki pakankamo lygio.

didelės energijos. Elektrono kinetinė energija prieš kitą susidūrimą su neutraliu atomu ar molekule yra proporcinga elektrinio lauko stipriui E ir laisvajam elektrono keliui X:

Jei šios energijos pakanka neutraliam atomui ar molekulei jonizuoti, t.y. viršija jonizacijos darbą

tada elektronui susidūrus su atomu ar molekule jie jonizuojasi. Dėl to vietoj vieno atsiranda du elektronai. Juos savo ruožtu pagreitina elektrinis laukas ir jie jonizuoja pakeliui sutiktus atomus ar molekules ir pan. Procesas vystosi kaip lavina ir vadinamas elektronų lavina. Aprašytas jonizacijos mechanizmas vadinamas elektronų smūgine jonizacija.

Eksperimentinį įrodymą, kad neutralių dujų atomų jonizacija vyksta daugiausia dėl elektronų, o ne teigiamų jonų poveikio, pateikė J. Townsendas. Jis paėmė jonizacijos kamerą cilindrinio kondensatoriaus pavidalu, kurio vidinis elektrodas buvo plonas metalinis siūlas, ištemptas išilgai cilindro ašies. Tokioje kameroje greitėjantis elektrinis laukas yra labai nehomogeniškas, o pagrindinį vaidmenį jonizacijoje atlieka dalelės, kurios patenka į stipriausio lauko sritį šalia gijos. Patirtis rodo, kad esant tokiai pačiai įtampai tarp elektrodų, iškrovos srovė yra didesnė, kai teigiamas potencialas yra nukreipiamas į kaitinamąjį siūlą, o ne į išorinį cilindrą. Būtent šiuo atveju visi laisvieji elektronai, sukuriantys srovę, būtinai praeina per stipriausio lauko sritį.

Elektronų emisija iš katodo. Savarankiškas iškrovimas gali būti nejudantis tik tuo atveju, jei dujose nuolat atsiranda naujų laisvųjų elektronų, nes visi elektronai, kurie atsiranda lavinoje, pasiekia anodą ir pašalinami iš žaidimo. Naujus elektronus iš katodo išmuša teigiami jonai, kurie, judėdami link katodo, taip pat yra pagreitinami elektrinio lauko ir įgauna tam pakankamai energijos.

Katodas gali išspinduliuoti elektronus ne tik dėl jonų bombardavimo, bet ir savarankiškai, kai kaitinamas iki aukštos temperatūros. Šis procesas vadinamas termone emisija, jį galima laikyti savotišku elektronų išgaravimu iš metalo. Paprastai tai vyksta tokioje temperatūroje, kai pačios katodo medžiagos išgaravimas dar mažas. Savarankiško dujų išlydžio atveju katodas paprastai šildomas be

kaitinimo siūlas, kaip ir vakuuminiuose vamzdeliuose, bet dėl šilumos išsiskyrimo, kai bombarduojamas teigiamais jonais. Todėl katodas skleidžia elektronus net tada, kai jonų energijos nepakanka elektronams išmušti.

Savaiminis iškrovimas dujose atsiranda ne tik dėl perėjimo nuo nesavaiminio iškrovimo didėjant įtampai ir tolstant išorinis šaltinis jonizacija, bet ir tiesiogiai taikant įtampą, viršijančią uždegimo slenkstinę įtampą. Teorija rodo, kad iškrovai uždegti pakanka mažiausio jonų kiekio, kurio visada yra neutraliose dujose, jei tik dėl natūralaus radioaktyvaus fono.

Priklausomai nuo dujų savybių ir slėgio, elektrodų konfigūracijos ir elektrodams taikomos įtampos, galimi įvairūs savaiminio išsikrovimo tipai.

Rūkančios išskyros. At žemas slėgis(gyvsidabrio milimetro dešimtosios ir šimtosios dalys) vamzdyje stebima švytėjimo iškrova. Švytėjimo išlydžiui uždegti pakanka kelių šimtų ar net dešimčių voltų įtampos. Švytėjimo iškrovoje galima išskirti keturias būdingas sritis. Tai yra tamsaus katodo erdvė, rūkstantis (arba neigiamas) švytėjimas, Faradėjaus tamsi erdvė ir šviesioji teigiama kolonėlė, kuri užima didžiąją dalį erdvės tarp anodo ir katodo.

Pirmieji trys regionai yra šalia katodo. Būtent čia atsiranda staigus potencialo kritimas, susijęs su didele teigiamų jonų koncentracija katodo tamsiosios erdvės ribose ir smirdančiu švytėjimu. Elektronai, pagreitinti katodo tamsiosios erdvės srityje, sukuria intensyvią smūginę jonizaciją švytėjimo srityje. Rūkstantis švytėjimas atsiranda dėl jonų ir elektronų rekombinacijos į neutralius atomus ar molekules. Teigiamas iškrovos stulpelis pasižymi nedideliu potencialo kritimu ir švytėjimu, kurį sukelia sužadintų atomų ar dujų molekulių grįžimas į pagrindinę būseną.

Koronos iškrova. Esant santykinai dideliam slėgiui dujose (atmosferos slėgio eilės), šalia smailių laidininko ruožų, kur elektrinis laukas yra labai nehomogeniškas, stebima iškrova, kurios šviečianti sritis primena vainiką. Koronos išskyros kartais atsiranda vivo ant medžių viršūnių, laivų stiebų ir pan. („Šv. Elmo laužai“). Aukštos įtampos inžinerijoje reikia atsižvelgti į koronos iškrovą, kai šis iškrovimas vyksta aplink aukštos įtampos elektros linijų laidus ir dėl to prarandama galia. Naudinga praktinis naudojimas vainikinės iškrovos randamos valymui skirtuose elektrostatiniuose nusodintuvuose pramoninės dujos nuo kietųjų ir skystųjų dalelių priemaišų.

Padidėjus įtampai tarp elektrodų, vainiko iškrova virsta kibirkštimi, visiškai suskaidžius tarpą tarp elektrodų.

elektrodai. Jis turi ryškių zigzago šakojančių kanalų pluošto formą, akimirksniu prasiskverbiančių į išmetimo tarpą ir įnoringai pakeičiančių vienas kitą. Kibirkšties iškrovą lydi didelis šilumos išsiskyrimas, ryškus melsvai baltas švytėjimas ir stiprus traškėjimas. Jį galima stebėti tarp elektroforo mašinos rutuliukų. Milžiniško kibirkštinio išlydžio pavyzdys yra natūralus žaibas, kai srovės stipris siekia 5-105 A, o potencialų skirtumas yra 109 V.

Kadangi kibirkštinis išlydis vyksta esant atmosferos (ir didesniam) slėgiui, uždegimo įtampa yra labai aukšta: sausame ore, kai atstumas tarp elektrodų yra 1 cm, ji yra apie 30 kV.

Elektros lankas. Praktiškai specifinis svarbus vaizdas savaiminis dujų išlydis yra elektros lankas. Kai du anglies arba metaliniai elektrodai susiliečia jų sąlyčio taške, didelis skaičius karštis dėl didelio kontaktinio pasipriešinimo. Dėl to prasideda terminė emisija, o kai elektrodai yra perkeliami vienas nuo kito, iš labai jonizuotų, gerai laidžių dujų susidaro ryškiai šviečiantis lankas. Srovės stipris net esant mažam lankui siekia kelis amperus, o esant dideliam lankui - kelis šimtus amperų, esant maždaug 50 V įtampai. Elektros lankas plačiai naudojamas technikoje kaip galingas šviesos šaltinis, elektrinėse krosnyse ir elektriniam suvirinimui. . silpnas lėtinantis laukas, kurio įtampa yra apie 0,5 V. Šis laukas neleidžia lėtiems elektronams pasiekti anodo. Elektronus išskiria katodas K, šildomas elektros srove.

Ant pav. 105 parodyta anodo grandinės srovės stiprio priklausomybė nuo šių eksperimentų metu gautos greitinimo įtampos.Ši priklausomybė turi nemonotonišką pobūdį, kurios maksimumai, esant 4,9 V įtampai.

Atominės energijos lygių diskretiškumas.Ši srovės priklausomybė nuo įtampos gali būti paaiškinta tik tuo, kad gyvsidabrio atomuose yra atskirų stacionarių būsenų. Jei atomas neturėtų atskirų stacionarių būsenų, ty jo vidinė energija gali įgauti bet kokią vertę, tada neelastiniai susidūrimai, lydimi atomo vidinės energijos padidėjimo, gali įvykti esant bet kokiai elektrono energijai. Jei yra diskrečiųjų būsenų, tai elektronų susidūrimai su atomais gali būti tik tamprūs, kol elektronų energijos nepakanka atomui perkelti iš pagrindinės būsenos į žemiausią sužadintą būseną.

Elastinių susidūrimų metu elektronų kinetinė energija praktiškai nekinta, nes elektrono masė yra daug mažesnė už gyvsidabrio atomo masę. Esant tokioms sąlygoms, didėjant įtampai, anodą pasiekiančių elektronų skaičius monotoniškai didėja. Kai greitėjimo įtampa pasiekia 4,9 V, elektronų susidūrimai su atomais tampa neelastingi. Vidinė atomų energija staigiai didėja, o elektronas dėl susidūrimo praranda beveik visą kinetinę energiją.

Lėtinamasis laukas taip pat neleidžia lėtiems elektronams pasiekti anodo, o srovė smarkiai sumažėja. Jis neišnyksta tik todėl, kad kai kurie elektronai pasiekia tinklelį nepatirdami neelastingų susidūrimų. Antrasis ir vėlesni srovės stiprumo maksimumai gaunami, nes esant 4,9 V įtampai, elektronai, pakeliui į tinklą, gali patirti keletą neelastinių susidūrimų su gyvsidabrio atomais.

Taigi, neelastiniam susidūrimui reikalingą energiją elektronas įgyja tik perėjęs per 4,9 V potencialų skirtumą. Tai reiškia, kad gyvsidabrio atomų vidinė energija negali pakisti mažesniu nei eV kiekiu, o tai įrodo energijos spektro diskretiškumą. atomas. Šios išvados pagrįstumą patvirtina ir tai, kad esant 4,9 V įtampai, išlydis pradeda švytėti: sužadinami atomai spontaniškai

perėjimai į pagrindinę būseną skleidžia matomą šviesą, kurios dažnis sutampa su apskaičiuotuoju pagal formulę

Klasikiniuose Franko ir Hertzo eksperimentuose elektronų smūgio metodas nustatė ne tik sužadinimo, bet ir daugelio atomų jonizacijos potencialus.

Pateikite elektrostatinio eksperimento, rodančio, kad sausas oras yra geras izoliatorius, pavyzdį.

Kur inžinerijoje naudojamos oro izoliacinės savybės?

Kas yra nesavarankiškas dujų išleidimas? Kokiomis sąlygomis jis veikia?

Paaiškinkite, kodėl koncentracijos mažėjimo greitis dėl rekombinacijos yra proporcingas elektronų ir jonų koncentracijos kvadratui. Kodėl šios koncentracijos gali būti laikomos vienodomis?

Kodėl mažėjančios koncentracijos dėsnyje, išreikštame (3) formule, nėra prasmės diegti būdingo laiko sąvoką, kuri plačiai naudojama eksponentiškai nykstantiems procesams, nors abiem atvejais procesai tęsiasi, paprastai tariant, be galo ilgai laikas?

Kaip manote, kodėl elektronų ir jonų mobilumo apibrėžimuose (4) formulėse pasirenkami priešingi ženklai?

Kaip srovės stiprumas nesavarankiško dujų išlydžio atveju priklauso nuo naudojamos įtampos? Kodėl didėjant įtampai įvyksta perėjimas nuo Ohmo dėsnio prie soties srovės?

Elektros srovę dujose vykdo ir elektronai, ir jonai. Tačiau į kiekvieną elektrodą patenka tik vieno ženklo krūviai. Kaip tai suderinama su tuo, kad visose nuosekliosios grandinės atkarpose srovės stiprumas yra vienodas?

Kodėl elektronai, o ne teigiami jonai, vaidina didžiausią vaidmenį dujų jonizacijoje išlydžio metu dėl susidūrimų?

Apibūdinti charakteristikos Įvairios rūšys nepriklausomas dujų išleidimas.

Kodėl Franko ir Hertzo eksperimentų rezultatai liudija apie atomų energijos lygių diskretiškumą?

Apibūdinti fiziniai procesai atsirandantis dujų išlydžio vamzdyje Franko ir Hertzo eksperimentuose, padidėjus greitėjimo įtampai.

Temos NAUDOKITE kodifikatorių : laisvųjų elektros krūvių nešikliai dujose.

Įprastomis sąlygomis dujos susideda iš elektriškai neutralių atomų arba molekulių; Nemokamų mokesčių dujose beveik nėra. Todėl dujos yra dielektrikai- elektros srovė per juos nepraeina.

Mes pasakėme „beveik jokio“, nes iš tikrųjų dujose ir ypač ore visada yra tam tikras kiekis laisvų įkrautų dalelių. Jie atsiranda dėl radioaktyviųjų medžiagų, sudarančių žemės plutą, spinduliuotės jonizuojančio poveikio, ultravioletinių ir rentgeno spinduliai Saulė, taip pat kosminiai spinduliai – didelės energijos dalelių srautai, prasiskverbiantys į Žemės atmosferą iš kosmosas. Vėliau prie šio fakto grįšime ir aptarsime jo svarbą, tačiau kol kas tik pastebėsime, kad normaliomis sąlygomis dujų laidumas, kurį sukelia „natūralus“ nemokamų krūvių kiekis, yra nereikšmingas ir gali būti ignoruojamas.

Jungiklių veikimas elektros grandinėse pagrįstas oro tarpo izoliacinėmis savybėmis (1 pav.). Pavyzdžiui, pakanka nedidelio oro tarpo šviesos jungiklyje, kad jūsų kambaryje atsidarytų elektros grandinė.

Ryžiai. 1 raktas

Tačiau galima sukurti tokias sąlygas, kad dujų tarpelyje atsirastų elektros srovė. Panagrinėkime toliau pateiktą patirtį.

Įkrauname oro kondensatoriaus plokštes ir prijungiame prie jautraus galvanometro (2 pav., kairėje). At kambario temperatūra o ne per drėgname ore galvanometras nerodys pastebimos srovės: mūsų oro tarpas, kaip sakėme, nėra elektros laidininkas.

Ryžiai. 2. Srovės atsiradimas ore

Dabar įveskime degiklio ar žvakės liepsną į tarpą tarp kondensatoriaus plokščių (2 pav., dešinėje). Pasirodo srovė! Kodėl?

Nemokami mokesčiai dujomis

Elektros srovės atsiradimas tarp kondensatoriaus plokščių reiškia, kad ore, veikiant liepsnai, atsirado nemokami mokesčiai. Kas tiksliai?

Patirtis rodo, kad elektros srovė dujose yra tvarkingas įkrautų dalelių judėjimas. trijų tipų. Tai yra elektronų, teigiami jonai ir neigiamų jonų.

Pažiūrėkime, kaip šie krūviai gali atsirasti dujose.

Didėjant dujų temperatūrai, jų dalelių – molekulių ar atomų – šiluminiai virpesiai intensyvėja. Dalelių smūgiai vienas į kitą pasiekia tokią jėgą, kad jonizacija- neutralių dalelių skilimas į elektronus ir teigiamus jonus (3 pav.).

Ryžiai. 3. Jonizacija

Jonizacijos laipsnis yra suirusių dujų dalelių skaičiaus ir bendro pradinio dalelių skaičiaus santykis. Pavyzdžiui, jei jonizacijos laipsnis yra , tai reiškia, kad pradinės dujų dalelės suskaidė į teigiamus jonus ir elektronus.

Dujų jonizacijos laipsnis priklauso nuo temperatūros ir jai didėjant smarkiai didėja. Pavyzdžiui, vandenilio temperatūra žemesnėje už jonizacijos laipsnį neviršija , o aukštesnėje nei jonizacijos laipsnis yra artimas (tai yra, vandenilis yra beveik visiškai jonizuotas (iš dalies arba visiškai jonizuotos dujos vadinamos plazma)).

Be aukštos temperatūros, yra ir kitų veiksnių, sukeliančių dujų jonizaciją.

Prabėgomis jas jau minėjome: tai radioaktyvioji spinduliuotė, ultravioletiniai, rentgeno ir gama spinduliai, kosminės dalelės. Bet koks toks veiksnys, sukeliantis dujų jonizaciją, vadinamas jonizatorius.

Taigi jonizacija vyksta ne savaime, o veikiant jonizatoriui.

Tuo pačiu metu atvirkštinis procesas rekombinacija, tai yra elektrono ir teigiamo jono susijungimas į neutralią dalelę (4 pav.).

Ryžiai. 4. Rekombinacija

Rekombinacijos priežastis paprasta: tai priešingai įkrautų elektronų ir jonų Kulono trauka. Skubėdami vienas prie kito, veikiami elektros jėgų, jie susitinka ir gauna galimybę suformuoti neutralų atomą (arba molekulę – priklausomai nuo dujų rūšies).

Esant pastoviam jonizatoriaus veikimo intensyvumui, susidaro dinaminė pusiausvyra: vidutinis per laiko vienetą suyrančių dalelių skaičius lygus vidutiniam rekombinuojančių dalelių skaičiui (kitaip tariant, jonizacijos greitis lygus rekombinacijos greičiui). sustiprėja jonizatoriaus veikimas (pavyzdžiui, pakeliama temperatūra), tuomet dinaminė pusiausvyra pasislinks į jonizacijos kryptį, padidės įkrautų dalelių koncentracija dujose. Priešingai, jei išjungsite jonizatorių, pradės vyrauti rekombinacija, o nemokami mokesčiai palaipsniui visiškai išnyks.

Taigi, dėl jonizacijos dujose atsiranda teigiamų jonų ir elektronų. Iš kur atsiranda trečios rūšies krūviai – neigiami jonai? Labai paprasta: elektronas gali skristi į neutralų atomą ir prisijungti prie jo! Šis procesas parodytas fig. 5 .

Ryžiai. 5. Neigiamojo jono atsiradimas

Tokiu būdu susidarę neigiami jonai kartu su teigiamais jonais ir elektronais dalyvaus kuriant srovę.

Nesavaiminis išsikrovimas

Jei nėra išorinio elektrinio lauko, laisvieji krūviai atlieka chaotišką šiluminį judėjimą kartu su neutraliomis dujų dalelėmis. Bet kai veikia elektrinis laukas, prasideda tvarkingas įkrautų dalelių judėjimas - elektros srovė dujose.

Ryžiai. 6. Nesavaiminis iškrovimas

Ant pav. 6 matome trijų tipų įkrautas daleles, atsirandančias dujų tarpelyje, veikiant jonizatoriui: teigiamus jonus, neigiamus jonus ir elektronus. Elektros srovė dujose susidaro dėl artėjančio įkrautų dalelių judėjimo: teigiami jonai - į neigiamą elektrodą (katodą), elektronai ir neigiami jonai - į teigiamą elektrodą (anodą)..

Elektronai, patenkantys ant teigiamo anodo, siunčiami išilgai grandinės į srovės šaltinio „pliusą“. Neigiami jonai dovanoja papildomą elektroną anodui ir, tapę neutraliomis dalelėmis, grįžta į dujas; anodui duotas elektronas taip pat veržiasi į šaltinio „pliusą“. Teigiami jonai, patekę į katodą, paima iš ten elektronus; atsirandantis elektronų trūkumas prie katodo iš karto kompensuojamas jų patekimu ten iš šaltinio „minuso“. Dėl šių procesų išorinėje grandinėje vyksta tvarkingas elektronų judėjimas. Tai elektros srovė, kurią užfiksuoja galvanometras.

Procesas, aprašytas fig. 6 vadinamas nesavaiminės iškrovos dujose. Kodėl priklausomas? Todėl norint jį išlaikyti, būtina nuolatinis veiksmas jonizatorius. Išimkime jonizatorių - ir srovė sustos, nes išnyks mechanizmas, užtikrinantis laisvų krūvių atsiradimą dujų tarpelyje. Erdvė tarp anodo ir katodo vėl taps izoliatoriumi.

Dujų išlydžio voltų amperų charakteristika

Srovės stiprumo per dujų tarpą priklausomybė nuo įtampos tarp anodo ir katodo (vad. dujų išlydžio srovės-įtampos charakteristika) parodyta fig. 7.

Ryžiai. 7. Voltamperinė dujų išlydžio charakteristika

Esant nulinei įtampai, srovės stipris, žinoma, lygus nuliui: įkrautos dalelės atlieka tik šiluminį judėjimą, nėra tvarkingo judėjimo tarp elektrodų.

Esant mažai įtampai, srovės stiprumas taip pat yra mažas. Faktas yra tai, kad ne visoms įkrautoms dalelėms lemta patekti į elektrodus: kai kurie teigiami jonai ir elektronai susiranda vienas kitą ir judėdami rekombinuojasi.

Didėjant įtampai, laisvieji krūviai vystosi vis didesniu greičiu, ir tuo mažesnė tikimybė, kad teigiamas jonas ir elektronas susitiks ir susijungs. Todėl vis didesnė įkrautų dalelių dalis pasiekia elektrodus, o srovės stiprumas didėja (skyrius).

Esant tam tikrai įtampos vertei (taškui ), įkrovos greitis tampa toks didelis, kad rekombinacija iš viso nespėja įvykti. Nuo dabar visiįkrautos dalelės, susidarančios veikiant jonizatoriui, pasiekia elektrodus, ir srovė pasiekia prisotinimą- Būtent, srovės stiprumas nustoja keistis didėjant įtampai. Tai tęsis iki tam tikro taško.

savaiminis išsikrovimas

Perėjus tašką srovės stiprumas smarkiai didėja didėjant įtampai – prasideda nepriklausomas išleidimas. Dabar išsiaiškinsime, kas tai yra.

Įkrautos dujų dalelės juda iš susidūrimo į susidūrimą; intervalais tarp susidūrimų juos pagreitina elektrinis laukas, padidindamas jų kinetinę energiją. Ir dabar, kai įtampa tampa pakankamai didelė (tas pats taškas), elektronai laisvu keliu pasiekia tokias energijas, kad susidūrę su neutraliais atomais juos jonizuoja! (Naudojant impulso ir energijos tvermės dėsnius, galima parodyti, kad elektronai (o ne jonai), kuriuos pagreitina elektrinis laukas, turi didžiausią gebėjimą jonizuoti atomus.)

Taip vadinamas elektronų smūginė jonizacija. Iš jonizuotų atomų išmušti elektronai taip pat spartinami elektrinio lauko ir susiduria su naujais atomais, dabar juos jonizuodami ir generuodami naujus elektronus. Dėl kylančios elektronų lavinos sparčiai didėja jonizuotų atomų skaičius, dėl to sparčiai didėja ir srovės stiprumas.

Nemokamų įkrovimų skaičius tampa toks didelis, kad nebereikia išorinio jonizatoriaus. Jis gali būti tiesiog pašalintas. Dėl to dabar atsiranda laisvų įkrautų dalelių vidinis dujose vykstantys procesai – štai kodėl iškrova vadinama nepriklausoma.

Jei dujų tarpas yra esant aukštai įtampai, savaiminiam išsikrovimui jonizatoriaus nereikia. Pakanka dujose rasti tik vieną laisvą elektroną, ir prasidės aukščiau aprašyta elektronų lavina. Ir visada bus bent vienas laisvas elektronas!

Dar kartą priminsime, kad dujose net ir normaliomis sąlygomis yra tam tikras „natūralus“ laisvųjų krūvių kiekis, atsirandantis dėl jonizuojančiosios radioaktyviosios žemės plutos spinduliuotės, aukšto dažnio Saulės spinduliuotės ir kosminių spindulių. Matėme, kad esant žemai įtampai šių laisvųjų krūvių sukeliamas dujų laidumas yra nereikšmingas, tačiau dabar – esant aukštai įtampai – jos sukels naujų dalelių laviną, sukeldamos nepriklausomą iškrovą. Bus taip, kaip sakoma palūžti dujų tarpas.

Lauko stiprumas, reikalingas sausam orui suskaidyti, yra maždaug kV/cm. Kitaip tariant, kad tarp elektrodų, atskirtų oro centimetru, peršoktų kibirkštis, jiems turi būti taikoma kilovoltų įtampa. Įsivaizduokite, kokios įtampos reikia norint prasiskverbti per kelis kilometrus oro! Bet būtent tokie gedimai įvyksta per perkūniją – tai jums gerai žinomi žaibai.

Tai trumpa santrauka.

Darbas su pilna versija tęsiamas

Paskaita2 1

Srovė dujose

1. Bendrosios nuostatos

Apibrėžimas: Elektros srovės tekėjimo dujose reiškinys vadinamas dujų išleidimas.

Dujų elgsena labai priklauso nuo jų parametrų, tokių kaip temperatūra ir slėgis, ir šie parametrai gana lengvai kinta. Todėl elektros srovės srautas dujose yra sudėtingesnis nei metaluose ar vakuume.

Dujos nepaklūsta Ohmo dėsniui.

2. Jonizacija ir rekombinacija

Dujos normaliomis sąlygomis susideda iš praktiškai neutralių molekulių, todėl yra itin prastas elektros srovės laidininkas. Tačiau veikiant išoriniam poveikiui, nuo atomo gali atsiskirti elektronas ir atsiranda teigiamai įkrautas jonas. Be to, elektronas gali prisijungti prie neutralaus atomo ir sudaryti neigiamo krūvio joną. Taigi galima gauti jonizuotas dujas, t.y. plazma.

Išorinis poveikis yra kaitinimas, švitinimas energingais fotonais, bombardavimas kitomis dalelėmis ir stiprūs laukai, t.y. tos pačios sąlygos, kurios būtinos elementų emisijai.

Elektronas atome yra potencialo šulinyje, ir norint iš ten pabėgti, reikia atomui suteikti papildomos energijos, kuri vadinama jonizacijos energija.

Medžiaga	Jonizacijos energija, eV
vandenilio atomas	13,59
Vandenilio molekulė	15,43
Helis	24,58
deguonies atomas	13,614
deguonies molekulė	12,06

Kartu su jonizacijos fenomenu stebimas ir rekombinacijos fenomenas, t.y. elektrono ir teigiamo jono susijungimas, kad susidarytų neutralus atomas. Šis procesas vyksta, kai išsiskiria energija, lygi jonizacijos energijai. Ši energija gali būti naudojama spinduliuotei arba šildymui. Vietinis dujų kaitinimas sukelia vietinį slėgio pokytį. Kas savo ruožtu veda prie garso bangos. Taigi, dujų išleidimą lydi šviesos, šilumos ir triukšmo efektai.

3. Dujų išleidimo CVC.

Pradiniuose etapuose būtinas išorinio jonizatoriaus veikimas.

BAW skyriuje srovė egzistuoja veikiant išoriniam jonizatoriui ir greitai pasiekia prisotinimą, kai visos jonizuotos dalelės dalyvauja srovės generacijoje. Jei pašalinsite išorinį jonizatorių, srovė sustos.

Toks išleidimas vadinamas savaime neišsilaikančiu dujų išleidimu. Bandant padidinti įtampą dujose, atsiranda elektronų lavina, o srovė didėja esant praktiškai pastoviai įtampai, kuri vadinama uždegimo įtampa (BC).

Nuo šio momento iškrova tampa nepriklausoma ir nebereikia išorinio jonizatoriaus. Jonų skaičius gali tapti toks didelis, kad sumažės tarpelektrodinio tarpo varža ir atitinkamai krenta įtampa (SD).

Tada tarpelektrodiniame tarpelyje srovės praėjimo sritis pradeda siaurėti, o pasipriešinimas didėja, taigi, didėja įtampa (DE).

Kai bandote padidinti įtampą, dujos tampa visiškai jonizuotos. Atsparumas ir įtampa nukrenta iki nulio, o srovė pakyla daug kartų. Pasirodo, lanko iškrova (EF).

CVC rodo, kad dujos visiškai nepaklūsta Ohmo dėsniui.

4. Procesai dujose