Zjawiska prądu elektrycznego w gazach. Wstęp

W normalnych warunkach gazy są dielektrykami, ponieważ. składają się z neutralnych atomów i cząsteczek i nie mają wystarczającej liczby wolnych ładunków, gazy stają się przewodnikami tylko wtedy, gdy są w jakiś sposób zjonizowane. Proces jonizacji gazów polega na tym, że pod wpływem jakichkolwiek przyczyn jeden lub więcej elektronów zostaje oderwanych od atomu. W rezultacie zamiast neutralnego atomu jon dodatni oraz elektron.

Nazywa się rozpad cząsteczek na jony i elektrony jonizacja gazu.

Część powstałych elektronów może zostać wychwycona przez inne neutralne atomy, a następnie się pojawić ujemnie naładowane jony.

Tak więc istnieją trzy rodzaje nośników ładunku w zjonizowanym gazie: elektrony, jony dodatnie i jony ujemne.

Oddzielenie elektronu od atomu wymaga wydatkowania pewnej energii - energia jonizacji W i . Energia jonizacji zależy od chemicznej natury gazu i stanu energetycznego elektronu w atomie. Tak więc na oderwanie pierwszego elektronu od atomu azotu zużywa się energię 14,5 eV, a na oderwanie drugiego elektronu - 29,5 eV, na oderwanie trzeciego - 47,4 eV.

Czynniki powodujące jonizację gazu nazywane są jonizatory.

Istnieją trzy rodzaje jonizacji: jonizacja termiczna, fotojonizacja i jonizacja uderzeniowa.

Jonizacja termiczna występuje w wyniku zderzenia atomów lub cząsteczek gazu w wysokiej temperaturze, jeśli energia kinetyczna ruchu względnego zderzających się cząstek przekracza energię wiązania elektronu w atomie.

Fotojonizacja zachodzi pod wpływem promieniowania elektromagnetycznego (ultrafioletowego, rentgenowskiego lub γ), gdy energia niezbędna do oderwania elektronu od atomu jest przekazywana mu przez kwant promieniowania.

Jonizacja przez uderzenie elektronów(lub jonizacja uderzeniowa) to powstawanie dodatnio naładowanych jonów w wyniku zderzeń atomów lub cząsteczek z szybkimi elektronami o wysokiej energii kinetycznej.

Procesowi jonizacji gazu zawsze towarzyszy odwrotny proces odzyskiwania obojętnych cząsteczek z przeciwnie naładowanych jonów ze względu na ich przyciąganie elektryczne. Zjawisko to nazywa się rekombinacja. Podczas rekombinacji uwalniana jest energia równa energii zużytej na jonizację. Może to spowodować np. świecenie gazu.

Jeśli działanie jonizatora pozostaje niezmienione, w zjonizowanym gazie ustala się dynamiczna równowaga, w której tyle cząsteczek zostaje przywróconych w jednostce czasu, ile rozpada się na jony. W tym przypadku stężenie naładowanych cząstek w zjonizowanym gazie pozostaje niezmienione. Jeżeli jednak działanie jonizatora zostanie zatrzymane, to rekombinacja zacznie przeważać nad jonizacją, a liczba jonów gwałtownie spadnie do prawie zera. W konsekwencji obecność naładowanych cząstek w gazie jest zjawiskiem przejściowym (dopóki jonizator pracuje).

W przypadku braku pola zewnętrznego naładowane cząstki poruszają się losowo.

wyładowanie gazu

Gdy zjonizowany gaz zostanie umieszczony w pole elektryczne siły elektryczne zaczynają działać na swobodne ładunki i dryfują równolegle do linii napięcia: elektrony i jony ujemne - do anody, jony dodatnie - do katody (rys. 1). Na elektrodach jony zamieniają się w neutralne atomy, oddając lub przyjmując elektrony, uzupełniając w ten sposób obwód. W gazie generowany jest prąd elektryczny.

Prąd elektryczny w gazach to ukierunkowany ruch jonów i elektronów.

Nazywa się prąd elektryczny w gazach wyładowanie gazu.

Całkowity prąd w gazie składa się z dwóch strumieni naładowanych cząstek: strumienia do katody i strumienia kierowanego do anody.

W gazach przewodnictwo elektronowe, zbliżone do przewodnictwa metali, łączy się z przewodniością jonową, zbliżoną do przewodnictwa roztworów wodnych lub roztopów elektrolitów.

Zatem przewodnictwo gazów ma jonowo-elektroniczny charakter.

W naturze nie ma absolutnych dielektryków. Uporządkowany ruch cząstek - nośników ładunku elektrycznego - czyli prądu, można wywołać w dowolnym ośrodku, ale wymaga to specjalnych warunków. Zastanowimy się tutaj, jak przebiegają zjawiska elektryczne w gazach i jak można zmienić gaz z bardzo dobrego dielektryka w bardzo dobry przewodnik. Interesują nas warunki, w jakich powstaje, a także jakimi cechami charakteryzuje się prąd elektryczny w gazach.

Właściwości elektryczne gazów

Dielektryk to substancja (ośrodek), w której koncentracja cząstek - swobodnych nośników ładunku elektrycznego - nie osiąga znaczącej wartości, w wyniku czego przewodnictwo jest pomijalne. Wszystkie gazy są dobrymi dielektrykami. Ich właściwości izolacyjne są wykorzystywane wszędzie. Na przykład, w dowolnym wyłączniku, otwarcie obwodu następuje, gdy styki są ustawione w takiej pozycji, że tworzy się między nimi szczelina powietrzna. Przewody w liniach energetycznych są również odizolowane od siebie warstwą powietrza.

Jednostką strukturalną każdego gazu jest cząsteczka. Składa się ona z jądra atomowe i chmury elektroniczne, czyli jest to kolekcja ładunki elektryczne rozproszone w jakiś sposób w przestrzeni. Cząsteczka gazu może wynikać ze specyfiki swojej struktury lub być spolaryzowana pod działaniem zewnętrznego pola elektrycznego. Ogromna większość cząsteczek tworzących gaz jest w normalnych warunkach elektrycznie obojętna, ponieważ zawarte w nich ładunki znoszą się nawzajem.

Jeśli do gazu zostanie przyłożone pole elektryczne, cząsteczki przyjmą orientację dipolową, zajmując pozycję przestrzenną, która kompensuje wpływ pola. Naładowane cząstki obecne w gazie pod wpływem sił kulombowskich zaczną przemieszczać się: jony dodatnie - w kierunku katody, jony ujemne i elektrony - w kierunku anody. Jeśli jednak pole ma niewystarczający potencjał, nie występuje jednorazowy ukierunkowany przepływ ładunków i można raczej mówić o oddzielnych prądach, tak słabych, że należy je pominąć. Gaz zachowuje się jak dielektryk.

Tak więc za wystąpienie prąd elektryczny w gazach wymagana jest wysoka koncentracja nośników wolnych ładunków oraz obecność pola.

Jonizacja

Proces lawinowego wzrostu liczby darmowych ładunków w gazie nazywamy jonizacją. W związku z tym gaz, w którym znajduje się znaczna ilość naładowanych cząstek, nazywa się zjonizowanym. W takich gazach powstaje prąd elektryczny.

Proces jonizacji wiąże się z naruszeniem neutralności cząsteczek. W wyniku oderwania się elektronu pojawiają się jony dodatnie, przyłączenie elektronu do cząsteczki prowadzi do powstania jonu ujemnego. Ponadto w zjonizowanym gazie znajduje się wiele wolnych elektronów. Jony dodatnie, a zwłaszcza elektrony, są głównymi nośnikami ładunku prądu elektrycznego w gazach.

Jonizacja występuje, gdy cząsteczce przekazywana jest pewna ilość energii. Tak więc zewnętrzny elektron w składzie cząsteczki, po otrzymaniu tej energii, może opuścić cząsteczkę. Wzajemne zderzenia cząstek naładowanych z obojętnymi prowadzą do wybicia nowych elektronów, a proces ten trwa lawinowy charakter. Zwiększa się również energia kinetyczna cząstek, co znacznie sprzyja jonizacji.

Skąd pochodzi energia zużywana na wzbudzenie prądu elektrycznego w gazach? Jonizacja gazów ma kilka źródeł energii, zgodnie z którymi zwyczajowo nazywa się jej rodzaje.

Jonizacja pole elektryczne. W tym przypadku energia potencjalna pola jest zamieniana na energię kinetyczną cząstek.
Jonizacja termiczna. Wzrost temperatury prowadzi również do powstania dużej liczby bezpłatnych opłat.
Fotojonizacja. Istotą tego procesu jest to, że kwanty przekazują energię elektronom promieniowanie elektromagnetyczne- fotony, jeśli mają wystarczająco wysoką częstotliwość (ultrafiolet, promieniowanie rentgenowskie, kwanty gamma).
Jonizacja uderzeniowa jest wynikiem zamiany energii kinetycznej zderzających się cząstek na energię oderwania elektronów. Wraz z jonizacją termiczną służy jako główny czynnik wzbudzania prądu elektrycznego w gazach.

Każdy gaz charakteryzuje się pewną wartością progową - energią jonizacji niezbędną do oderwania się elektronu od cząsteczki, pokonując barierę potencjału. Ta wartość dla pierwszego elektronu waha się od kilku woltów do dwóch dziesiątek woltów; więcej energii jest potrzebne do oderwania następnego elektronu od cząsteczki i tak dalej.

Należy wziąć pod uwagę, że jednocześnie z jonizacją w gazie zachodzi proces odwrotny - rekombinacja, czyli przywrócenie obojętnych cząsteczek pod działaniem sił przyciągania kulombowskiego.

Wyładowanie gazu i jego rodzaje

Tak więc prąd elektryczny w gazach wynika z uporządkowanego ruchu naładowanych cząstek pod wpływem przyłożonego do nich pola elektrycznego. Z kolei obecność takich ładunków jest możliwa dzięki różnym czynnikom jonizującym.

Tak więc jonizacja termiczna wymaga znacznych temperatur, ale otwarty płomień w połączeniu z niektórymi procesami chemicznymi przyczynia się do jonizacji. Nawet w stosunkowo niskiej temperaturze, w obecności płomienia, pojawia się prąd elektryczny w gazach, a eksperyment z przewodnością gazu ułatwia to zweryfikowanie. Konieczne jest umieszczenie płomienia palnika lub świecy między płytkami naładowanego kondensatora. Obwód wcześniej otwarty z powodu szczeliny powietrznej w kondensatorze zostanie zamknięty. Galwanometr podłączony do obwodu pokaże obecność prądu.

Prąd elektryczny w gazach nazywany jest wyładowaniem gazowym. Należy pamiętać, że w celu utrzymania stabilności wyładowania działanie jonizatora musi być stałe, ponieważ w wyniku ciągłej rekombinacji gaz traci swoje właściwości przewodzące prąd elektryczny. Niektóre nośniki prądu elektrycznego w gazach - jony - są neutralizowane na elektrodach, inne - elektrony - dostając się do anody, są przesyłane na „plus” źródła pola. Jeśli czynnik jonizujący przestanie działać, gaz natychmiast stanie się ponownie dielektrykiem, a prąd ustanie. Taki prąd, zależny od działania zewnętrznego jonizatora, nazywany jest wyładowaniem niesamodzielnym.

Cechy przepływu prądu elektrycznego przez gazy są opisane przez szczególną zależność natężenia prądu od napięcia - charakterystykę prądowo-napięciową.

Rozważmy rozwój wyładowania gazowego na wykresie zależności prąd-napięcie. Gdy napięcie wzrośnie do określonej wartości U 1, prąd rośnie proporcjonalnie do niego, czyli spełnione jest prawo Ohma. Energia kinetyczna wzrasta, a tym samym prędkość ładunków w gazie, a proces ten wyprzedza rekombinację. Przy wartościach napięcia od U 1 do U 2 ta zależność jest naruszona; po osiągnięciu U 2 wszystkie nośniki ładunku docierają do elektrod bez czasu na ponowne połączenie. W grę wchodzą wszystkie darmowe opłaty, a dalszy wzrost napięcia nie prowadzi do wzrostu prądu. Ten rodzaj ruchu ładunków nazywa się prądem nasycenia. Możemy zatem powiedzieć, że prąd elektryczny w gazach wynika również ze specyfiki zachowania zjonizowanego gazu w polach elektrycznych o różnej sile.

Gdy różnica potencjałów między elektrodami osiągnie pewna wartość U3, napięcie staje się wystarczające, aby pole elektryczne wywołało lawinową jonizację gazu. Energia kinetyczna swobodnych elektronów wystarcza już do uderzeniowej jonizacji cząsteczek. Jednocześnie ich prędkość w większości gazów wynosi około 2000 km/s i więcej (wyliczana jest z przybliżonego wzoru v=600 U i , gdzie U i jest potencjałem jonizacyjnym). W tym momencie następuje awaria gazu i następuje znaczny wzrost prądu z powodu wewnętrznego źródła jonizacji. Dlatego takie wyładowanie nazywa się niezależnym.

Obecność zewnętrznego jonizatora w tym przypadku nie odgrywa już roli w utrzymaniu prądu elektrycznego w gazach. Samorozładowanie w różne warunki a przy różnych właściwościach źródła pola elektrycznego może mieć pewne cechy. Istnieją takie rodzaje samorozładowania jak poświata, iskra, łuk i korona. Przyjrzymy się, jak zachowuje się prąd elektryczny w gazach, pokrótce dla każdego z tych typów.

Wystarczy różnica potencjałów od 100 (a nawet mniej) do 1000 woltów, aby zainicjować samorozładowanie. Dlatego też przy ciśnieniu nie większym niż kilka milimetrów rtęci dochodzi do wyładowania jarzeniowego, charakteryzującego się niskim natężeniem prądu (od 10 -5 A do 1 A).

W rurze z rozrzedzonym gazem i zimnymi elektrodami powstające wyładowanie jarzeniowe wygląda jak cienki świetlisty sznur między elektrodami. Jeśli dalej będziemy wypompowywać gaz z rurki, żarnik zostanie wypłukany i przy ciśnieniu rzędu dziesiątych milimetrów rtęci żarówka wypełnia rurkę prawie całkowicie. W pobliżu katody nie ma jarzenia - w tak zwanej ciemnej przestrzeni katodowej. Reszta nazywana jest kolumną dodatnią. W tym przypadku główne procesy, które zapewniają istnienie wyładowania, są zlokalizowane właśnie w ciemnej przestrzeni katodowej i w sąsiadującym z nią obszarze. Tutaj naładowane cząstki gazu są przyspieszane, wybijając elektrony z katody.

W wyładowaniu jarzeniowym przyczyną jonizacji jest emisja elektronów z katody. Elektrony emitowane przez katodę powodują jonizację uderzeniową cząsteczek gazu, powstające jony dodatnie powodują wtórną emisję z katody i tak dalej. Świecenie kolumny dodatniej wynika głównie z odrzutu fotonów przez wzbudzone cząsteczki gazu, a różne gazy charakteryzują się blaskiem określonego koloru. Kolumna dodatnia bierze udział w powstawaniu wyładowania jarzeniowego tylko jako odcinek obwodu elektrycznego. Jeśli zbliżysz elektrody do siebie, możesz osiągnąć zniknięcie kolumny dodatniej, ale wyładowanie nie zatrzyma się. Jednak przy dalszym zmniejszaniu odległości między elektrodami wyładowanie jarzeniowe nie może istnieć.

Należy zauważyć, że dla tego typu prąd elektryczny w gazach, fizyka niektórych procesów nie została jeszcze w pełni wyjaśniona. Na przykład niejasny pozostaje charakter sił powodujących wzrost prądu w celu rozszerzenia obszaru na powierzchni katody, który bierze udział w wyładowaniu.

wyładowanie iskrowe

Awaria iskry ma charakter pulsacyjny. Występuje przy ciśnieniu zbliżonym do normalnego atmosferycznego, w przypadkach, gdy moc źródła pola elektrycznego nie wystarcza do utrzymania stacjonarnego wyładowania. W tym przypadku natężenie pola jest duże i może osiągnąć 3 MV/m. Zjawisko to charakteryzuje się gwałtownym wzrostem wyładowania prądu elektrycznego w gazie, jednocześnie bardzo szybko spada napięcie, a wyładowanie ustaje. Wtedy różnica potencjałów ponownie się zwiększa i cały proces się powtarza.

Przy tego rodzaju wyładowaniu powstają krótkotrwałe kanały iskrzące, których wzrost może rozpocząć się w dowolnym punkcie między elektrodami. Wynika to z faktu, że jonizacja uderzeniowa zachodzi losowo w miejscach, w których ten moment największa koncentracja jonów. W pobliżu kanału iskrowego gaz szybko się nagrzewa i podlega rozszerzalności cieplnej, co powoduje powstawanie fal akustycznych. Dlatego wyładowaniu iskrowemu towarzyszy trzaskanie, a także wydzielanie ciepła i jasna poświata. Procesy jonizacji lawinowej generują wysokie ciśnienia i temperatury do 10 000 stopni i więcej w kanale iskrowym.

Najbardziej uderzającym przykładem naturalnego wyładowania iskrowego jest piorun. Średnica głównego kanału iskry piorunowej może wynosić od kilku centymetrów do 4 m, a długość kanału może sięgać 10 km. Wielkość prądu sięga 500 tysięcy amperów, a różnica potencjałów między chmurą burzową a powierzchnią Ziemi sięga miliarda woltów.

Najdłuższą piorun o długości 321 km zaobserwowano w 2007 roku w Oklahomie w USA. Rekordzistą w tym czasie była błyskawica, nagrana w 2012 roku we francuskich Alpach – trwała ponad 7,7 sekundy. Powietrze uderzone piorunem może nagrzać się do 30 tys. stopni, czyli 6 razy więcej niż temperatura widocznej powierzchni Słońca.

W przypadkach, gdy moc źródła pola elektrycznego jest wystarczająco duża, wyładowanie iskrowe przekształca się w wyładowanie łukowe.

Ten typ samopodtrzymującego się wyładowania charakteryzuje się dużą gęstością prądu i niskim (poniżej wyładowania jarzeniowego) napięciem. Odległość przebicia jest niewielka ze względu na bliskość elektrod. Wyładowanie inicjowane jest przez emisję elektronu z powierzchni katody (dla atomów metali potencjał jonizacji jest mały w porównaniu z cząsteczkami gazu). Podczas przebicia między elektrodami powstają warunki, w których gaz przewodzi prąd elektryczny i następuje wyładowanie iskrowe, które zamyka obwód. Jeśli moc źródła napięcia jest wystarczająco duża, wyładowania iskrowe zamieniają się w stabilny łuk elektryczny.

Jonizacja podczas wyładowania łukowego sięga prawie 100%, natężenie prądu jest bardzo wysokie i może wynosić od 10 do 100 amperów. Przy ciśnieniu atmosferycznym łuk może nagrzewać się do 5-6 tysięcy stopni, a katoda do 3 tysięcy stopni, co prowadzi do intensywnej emisji termojonowej z jej powierzchni. Bombardowanie anody elektronami prowadzi do częściowego zniszczenia: powstaje na niej wgłębienie - krater o temperaturze około 4000 ° C. Wzrost ciśnienia powoduje jeszcze większy wzrost temperatury.

Podczas rozcieńczania elektrod wyładowanie łukowe pozostaje stabilne do pewnej odległości, co umożliwia radzenie sobie z nim w tych częściach sprzętu elektrycznego, gdzie jest on szkodliwy z powodu spowodowanej nim korozji i wypalenia styków. Są to urządzenia takie jak wysokonapięciowe i wyłączniki,, styczniki i inne. Jedną z metod zwalczania łuku powstającego przy rozwarciu styków jest zastosowanie komór łukowych opartych na zasadzie wydłużenia łuku. Stosuje się również wiele innych metod: styki bocznikowe, stosowanie materiałów o wysokim potencjale jonizacyjnym i tak dalej.

Rozwój wyładowania koronowego następuje gwałtownie przy normalnym ciśnieniu atmosferycznym pola niejednorodne do elektrod o dużej krzywiźnie powierzchni. Mogą to być iglice, maszty, przewody, różne elementy wyposażenia elektrycznego, które posiadają złożony kształt a nawet ludzkie włosy. Taka elektroda nazywana jest elektrodą koronową. Procesy jonizacji i odpowiednio świecenie gazu zachodzą tylko w jego pobliżu.

Korona może powstać zarówno na katodzie (korona ujemna), gdy jest bombardowana jonami, jak i na anodzie (dodatnia) w wyniku fotojonizacji. Korona ujemna, w której proces jonizacji jest odwracany od elektrody w wyniku emisji termicznej, charakteryzuje się równomiernym jarzeniem. W koronie dodatniej można zaobserwować serpentyny - świecące linie o złamanej konfiguracji, które mogą zamienić się w kanały iskier.

Przykład wyładowania koronowego w naturalne warunki to te, które powstają na czubkach wysokich masztów, wierzchołkach drzew i tak dalej. Powstają przy dużym natężeniu pola elektrycznego w atmosferze, często przed burzą lub podczas śnieżycy. Dodatkowo umocowano je na poszyciu samolotu, który wpadł w chmurę popiołu wulkanicznego.

Wyładowania koronowe na przewodach linii energetycznych prowadzą do znacznych strat energii elektrycznej. Przy wysokim napięciu wyładowanie koronowe może przekształcić się w łuk. Walczą z nim różne sposoby, na przykład poprzez zwiększenie promienia krzywizny przewodników.

Prąd elektryczny w gazach i plazmie

W pełni lub częściowo zjonizowany gaz nazywany jest plazmą i jest uważany za czwarty stan skupienia. Ogólnie rzecz biorąc, plazma jest elektrycznie obojętna, ponieważ całkowity ładunek jej cząstek składowych zero. To odróżnia go od innych układów naładowanych cząstek, takich jak np. wiązki elektronów.

W warunkach naturalnych plazma z reguły powstaje w wysokich temperaturach z powodu zderzenia atomów gazu przy dużych prędkościach. Zdecydowana większość materii barionowej we Wszechświecie znajduje się w stanie plazmy. Są to gwiazdy, część materii międzygwiazdowej, gaz międzygalaktyczny. Jonosfera Ziemi jest również rozrzedzoną, słabo zjonizowaną plazmą.

Stopień jonizacji jest ważną cechą plazmy, od której zależą jej właściwości przewodzące. Stopień jonizacji definiuje się jako stosunek liczby zjonizowanych atomów do całkowitej liczby atomów na jednostkę objętości. Im bardziej zjonizowana plazma, tym wyższa jej przewodność elektryczna. Dodatkowo posiada dużą mobilność.

Widzimy zatem, że gazy przewodzące prąd w kanale wyładowania to nic innego jak plazma. Zatem wyładowania jarzeniowe i koronowe są przykładami zimnej plazmy; kanał iskry piorunowej lub łuk elektryczny to przykłady gorącej, prawie całkowicie zjonizowanej plazmy.

Prąd elektryczny w metalach, cieczach i gazach - różnice i podobieństwa

Rozważmy cechy charakteryzujące wyładowanie gazowe w porównaniu z właściwościami prądu w innych mediach.

W metalach prąd to ukierunkowany ruch swobodnych elektronów, który nie pociąga za sobą zmian chemicznych. Przewodniki tego typu nazywane są przewodnikami pierwszego rodzaju; są to, oprócz metali i stopów, węgiel, niektóre sole i tlenki. Wyróżniają się przewodnictwem elektronicznym.

Przewodnikami drugiego rodzaju są elektrolity, czyli ciekłe wodne roztwory zasad, kwasów i soli. Przepływ prądu wiąże się z chemiczną zmianą w elektrolicie - elektrolizą. Jony substancji rozpuszczonej w wodzie pod działaniem różnicy potencjałów poruszają się w przeciwnych kierunkach: kationy dodatnie - do katody, aniony ujemne - do anody. Procesowi towarzyszy wydzielanie się gazu lub osadzanie warstwy metalu na katodzie. Przewodniki drugiego rodzaju charakteryzują się przewodnością jonową.

Jeśli chodzi o przewodność gazów, to po pierwsze jest ona chwilowa, a po drugie wykazuje oznaki podobieństwa i różnicy z każdym z nich. Tak więc prąd elektryczny zarówno w elektrolitach, jak i gazach jest dryfem przeciwnie naładowanych cząstek skierowanych w kierunku przeciwnych elektrod. O ile jednak elektrolity charakteryzują się przewodnością czysto jonową, to w wyładowaniach gazowych z kombinacją przewodności elektronowej i jonowej wiodącą rolę odgrywają elektrony. Kolejną różnicą między prądem elektrycznym w cieczach i gazach jest charakter jonizacji. W elektrolicie cząsteczki rozpuszczonego związku dysocjują w wodzie, ale w gazie cząsteczki nie rozpadają się, a jedynie tracą elektrony. Dlatego wyładowanie gazowe, podobnie jak prąd w metalach, nie jest związane ze zmianami chemicznymi.

Prąd w cieczach i gazach również nie jest taki sam. Przewodnictwo elektrolitów jako całości jest zgodne z prawem Ohma, ale nie jest obserwowane podczas wyładowania gazowego. Charakterystyka woltamperowa gazów ma znacznie bardziej złożony charakter związany z właściwościami plazmy.

Wspomnieć należy również o generale Cechy wyróżniające prąd elektryczny w gazach iw próżni. Próżnia to prawie doskonały dielektryk. „Prawie” – bo w próżni, pomimo braku (a dokładniej ekstremalnie niskiego stężenia) nośników wolnego ładunku, możliwy jest również prąd. Ale potencjalni nośniki są już obecne w gazie, wystarczy je zjonizować. Nośniki ładunku są umieszczane w próżni z materii. Z reguły zachodzi to w procesie emisji elektronów, na przykład podczas nagrzewania katody (emisja termoelektryczna). Ale także w różne rodzaje W wyładowaniach gazowych emisja, jak widzieliśmy, odgrywa ważną rolę.

Wykorzystanie wyładowań gazowych w technologii

O Szkodliwe efekty niektóre kategorie zostały już pokrótce omówione powyżej. Zwróćmy teraz uwagę na korzyści, jakie przynoszą w przemyśle iw życiu codziennym.

Wyładowanie jarzeniowe znajduje zastosowanie w elektrotechnice (stabilizatory napięcia), w technologii powlekania (metoda napylania katodowego oparta na zjawisku korozji katodowej). W elektronice służy do wytwarzania wiązek jonów i elektronów. Znanym obszarem zastosowania wyładowań jarzeniowych są świetlówki i tzw. lampy ekonomiczne oraz dekoracyjne lampy wyładowcze neonowe i argonowe. Ponadto wyładowanie jarzeniowe jest wykorzystywane w spektroskopii iw spektroskopii.

Wyładowanie iskrowe jest stosowane w bezpiecznikach, w elektroerozyjnych metodach precyzyjnej obróbki metali (cięcie iskrowe, wiercenie itp.). Ale najbardziej znany jest z zastosowania w świecach zapłonowych silników spalinowych i w sprzęt AGD(kuchenki gazowe).

Wyładowanie łukowe, po raz pierwszy zastosowane w technologii oświetleniowej już w 1876 roku (świeca Jabłoczkowa - „rosyjskie światło”), nadal służy jako źródło światła - na przykład w projektorach i mocnych reflektorach. W elektrotechnice łuk jest stosowany w prostownikach rtęciowych. Ponadto znajduje zastosowanie w spawaniu elektrycznym, cięciu metali, przemysłowych piecach elektrycznych do wytopu stali i stopów.

Wyładowanie koronowe znajduje zastosowanie w elektrofiltrach do oczyszczania gazów jonowych, w metrach cząstki elementarne, w piorunochronach, w systemach klimatyzacyjnych. Wyładowanie koronowe działa również w kopiarkach i drukarkach laserowych, gdzie ładuje i rozładowuje światłoczuły bęben i przenosi proszek z bębna na papier.

W związku z tym szeroko stosowane są wyładowania gazowe wszystkich typów. Prąd elektryczny w gazach jest z powodzeniem i skutecznie wykorzystywany w wielu dziedzinach techniki.

W normalnych warunkach gazy nie przewodzą elektryczności, ponieważ ich cząsteczki są elektrycznie obojętne. Na przykład suche powietrze jest dobrym izolatorem, co moglibyśmy zweryfikować za pomocą najprostszych eksperymentów elektrostatycznych. Jednak powietrze i inne gazy stają się przewodnikami prądu elektrycznego, jeśli w taki czy inny sposób powstają w nich jony.

Ryż. 100. Powietrze staje się przewodnikiem prądu elektrycznego, jeśli jest zjonizowane

Najprostszy eksperyment ilustrujący przewodnictwo powietrza podczas jego jonizacji płomieniem pokazano na rys. 100: Ładunek na płytach, który pozostaje przez długi czas, szybko znika, gdy zapalona zapałka zostanie wprowadzona w przestrzeń między płytami.

Wyładowanie gazu. Proces przepuszczania prądu elektrycznego przez gaz jest zwykle nazywany wyładowaniem gazowym (lub wyładowaniem elektrycznym w gazie). Wyładowania gazów dzielą się na dwa typy: niezależne i niesamodzielne.

Kategoria niesamowystarczalna. Wyładowanie w gazie nazywa się niesamodzielnym, jeśli do jego utrzymania potrzebne jest zewnętrzne źródło.

jonizacja. Jony w gazie mogą powstawać pod wpływem wysokich temperatur, promieniowania rentgenowskiego i ultrafioletowego, radioaktywności, promieniowania kosmicznego itp. We wszystkich tych przypadkach jeden lub więcej elektronów jest uwalnianych z powłoka elektronowa atom lub cząsteczka. W rezultacie w gazie pojawiają się jony dodatnie i wolne elektrony. Uwolnione elektrony mogą łączyć się z neutralnymi atomami lub cząsteczkami, zamieniając je w jony ujemne.

Jonizacja i rekombinacja. Wraz z procesami jonizacji w gazie zachodzą również procesy rekombinacji odwrotnej: łączące się ze sobą jony dodatnie i ujemne lub jony dodatnie i elektrony tworzą obojętne cząsteczki lub atomy.

Zmianę stężenia jonów w czasie, spowodowaną stałym źródłem procesów jonizacji i rekombinacji, można opisać następująco. Załóżmy, że źródło jonizacji wytwarza jony dodatnie na jednostkę objętości gazu na jednostkę czasu i taką samą liczbę elektronów. Jeżeli w gazie nie ma prądu elektrycznego i można pominąć ucieczkę jonów z rozważanej objętości na skutek dyfuzji, wówczas jedynym mechanizmem zmniejszania stężenia jonów będzie rekombinacja.

Rekombinacja następuje, gdy jon dodatni spotyka elektron. Liczba takich spotkań jest proporcjonalna zarówno do liczby jonów, jak i liczby wolnych elektronów, czyli proporcjonalna do . Dlatego spadek liczby jonów na jednostkę objętości w jednostce czasu można zapisać jako , gdzie a jest stałą wartością zwaną współczynnikiem rekombinacji.

Przy słuszności wprowadzonych założeń równanie bilansowe dla jonów w gazie można zapisać w postaci

Nie rozwiążemy tego równania różniczkowego w ogólny widok i rozważ kilka interesujących przypadków specjalnych.

Przede wszystkim zauważamy, że procesy jonizacji i rekombinacji po pewnym czasie powinny się skompensować i w gazie ustali się stałe stężenie, widać, że przy

Stacjonarne stężenie jonów jest tym większe, im silniejsze jest źródło jonizacji i im mniejszy jest współczynnik rekombinacji a.

Po wyłączeniu jonizatora spadek stężenia jonów opisuje równanie (1), w którym należy przyjąć jako początkową wartość stężenia

Przepisując to równanie w postaci po całkowaniu, otrzymujemy

Wykres tej funkcji pokazano na ryc. 101. Jest to hiperbola, której asymptoty to oś czasu i linia pionowa. fizyczne znaczenie ma tylko odcinek hiperboli odpowiadający wartościom Należy zwrócić uwagę na powolny charakter spadku stężenia w czasie w porównaniu z procesami zaniku wykładniczego, które często występują w fizyce, które są realizowane, gdy tempo spadku wielkości wynosi proporcjonalna do pierwszej potęgi chwilowej wartości tej wielkości.

Ryż. 101. Spadek stężenia jonów w gazie po wyłączeniu źródła jonizacji

Nie-przewodnictwo własne. Proces obniżania stężenia jonów po zakończeniu działania jonizatora ulega znacznemu przyspieszeniu, jeśli gaz znajduje się w zewnętrznym polu elektrycznym. Przyciągając elektrony i jony do elektrod, pole elektryczne może bardzo szybko zniwelować przewodność elektryczną gazu w przypadku braku jonizatora.

Aby zrozumieć prawidłowości niesamodzielnego wyładowania, rozważmy dla uproszczenia przypadek, w którym prąd w gazie zjonizowanym przez zewnętrzne źródło przepływa między dwiema płaskimi elektrodami równolegle do siebie. W tym przypadku jony i elektrony znajdują się w jednolitym polu elektrycznym o sile E, równej stosunkowi napięcia przyłożonego do elektrod do odległości między nimi.

Ruchliwość elektronów i jonów. Przy stałym przyłożonym napięciu w obwodzie ustalana jest pewna stała siła prądu 1. Oznacza to, że elektrony i jony w zjonizowanym gazie poruszają się ze stałą prędkością. Aby wyjaśnić ten fakt, musimy założyć, że oprócz stałej siły przyspieszającej pola elektrycznego, na poruszające się jony i elektrony wpływają siły oporu, które narastają wraz ze wzrostem prędkości. Siły te opisują średni efekt zderzeń elektronów i jonów z neutralnymi atomami i cząsteczkami gazu. Poprzez siły oporu

ustala się średnie stałe prędkości elektronów i jonów, proporcjonalne do natężenia E pola elektrycznego:

Współczynniki proporcjonalności nazywane są ruchliwościami elektronów i jonów. Ruchliwości jonów i elektronów mają różne znaczenia i zależą od rodzaju gazu, jego gęstości, temperatury itp.

Gęstość prądu elektrycznego, tj. ładunek przenoszony przez elektrony i jony w jednostce czasu przez jednostkę powierzchni, wyraża się w postaci koncentracji elektronów i jonów, ich ładunków oraz prędkości ruchu ustalonego

Quasi-neutralność. W normalnych warunkach zjonizowany gaz jako całość jest elektrycznie obojętny lub, jak mówią, quasi-neutralny, ponieważ w małych objętościach zawierających stosunkowo niewielką liczbę elektronów i jonów warunek neutralności elektrycznej może zostać naruszony. Oznacza to, że relacja

Gęstość prądu przy niesamodzielnym wyładowaniu. Aby uzyskać prawo zmiany stężenia nośników prądu w czasie podczas niesamodzielnego wyładowania w gazie, należy obok procesów jonizacji przez źródło zewnętrzne i rekombinacji uwzględnić również ucieczka elektronów i jonów do elektrod. Liczba cząstek opuszczających w jednostce czasu na powierzchnię elektrody z objętości jest równa Szybkości spadku stężenia takich cząstek, którą otrzymujemy dzieląc tę liczbę przez objętość gazu między elektrodami. Dlatego równanie bilansowe zamiast (1) w obecności prądu zostanie zapisane w postaci

Aby ustalić reżim, gdy z (8) otrzymujemy

Równanie (9) umożliwia wyznaczenie zależności gęstości prądu w stanie ustalonym w wyładowaniu niesamodzielnym od przyłożonego napięcia (lub natężenia pola E).

Bezpośrednio widoczne są dwa przypadki graniczne.

Prawo Ohma. Przy niskim napięciu, gdy w równaniu (9) możemy pominąć drugi człon po prawej stronie, po czym otrzymujemy wzory (7), mamy

Gęstość prądu jest proporcjonalna do natężenia przyłożonego pola elektrycznego. Zatem dla niesamodzielnego wyładowania gazowego w słabych polach elektrycznych prawo Ohma jest spełnione.

Prąd nasycenia. Przy niskim stężeniu elektronów i jonów w równaniu (9) możemy pominąć pierwszy (kwadratowy pod względem wyrazów po prawej stronie. W tym przybliżeniu wektor gęstości prądu jest skierowany wzdłuż natężenia pola elektrycznego, a jego moduł

nie zależy od przyłożonego napięcia. Ten wynik jest ważny dla silnych pól elektrycznych. W tym przypadku mówimy o prądzie nasycenia.

Oba rozważane przypadki graniczne można badać bez odwoływania się do równania (9). Jednak w ten sposób nie można prześledzić, jak wraz ze wzrostem napięcia zachodzi przejście od prawa Ohma do nieliniowej zależności prądu od napięcia.

W pierwszym przypadku granicznym, gdy prąd jest bardzo mały, głównym mechanizmem usuwania elektronów i jonów z obszaru wyładowania jest rekombinacja. Dlatego dla stężenia stacjonarnego można zastosować wyrażenie (2), które po uwzględnieniu (7) daje od razu wzór (10). W drugim granicznym przypadku wręcz przeciwnie, rekombinacja jest pomijana. W silnym polu elektrycznym elektrony i jony nie mają czasu na zauważalną rekombinację w czasie przelotu od jednej elektrody do drugiej, jeśli ich stężenie jest wystarczająco niskie. Następnie wszystkie elektrony i jony generowane przez zewnętrzne źródło docierają do elektrod, a całkowita gęstość prądu jest równa Jest proporcjonalna do długości komory jonizacyjnej, ponieważ całkowita liczba elektronów i jonów wytwarzanych przez jonizator jest proporcjonalna do I.

Eksperymentalne badanie wyładowań gazowych. Wnioski płynące z teorii niesamodzielnego wyładowania gazowego potwierdzają eksperymenty. Do badania wyładowania w gazie wygodnie jest użyć szklanej rurki z dwiema metalowymi elektrodami. Obwód elektryczny takiej instalacji pokazano na ryc. 102. Mobilność

elektrony i jony silnie zależą od ciśnienia gazu (odwrotnie proporcjonalne do ciśnienia), dlatego wygodnie jest przeprowadzać eksperymenty pod zmniejszonym ciśnieniem.

Na ryc. 103 pokazuje zależność prądu I w lampie od napięcia przyłożonego do elektrod lampy.Jonizację w lampie można wytworzyć np. za pomocą promieni rentgenowskich lub promienie ultrafioletowe lub ze słabym radioaktywnym lekiem. Istotne jest jedynie, aby zewnętrzne źródło jonów pozostało niezmienione.

Ryż. 102. Schemat instalacji do badania wypływu gazu

Ryż. 103. Eksperymentalna charakterystyka prądowo-napięciowa wyładowania gazowego

W sekcji siła prądu jest nieliniowo zależna od napięcia. Począwszy od punktu B prąd osiąga nasycenie i przez pewną odległość pozostaje stały, wszystko to jest zgodne z przewidywaniami teoretycznymi.

Własna ranga. Jednak w punkcie C prąd zaczyna ponownie rosnąć, najpierw powoli, a potem bardzo gwałtownie. Oznacza to, że w gazie pojawiło się nowe, wewnętrzne źródło jonów. Jeśli teraz usuniemy zewnętrzne źródło, to wyładowanie w gazie nie ustanie, tj. przechodzi z niesamodzielnego wyładowania w niezależne. Przy samorozładowaniu powstają nowe elektrony i jony w wyniku procesów wewnętrznych w samym gazie.

Jonizacja przez uderzenie elektronów. Wzrost prądu podczas przejścia z wyładowania niesamodzielnego do niezależnego następuje jak lawina i nazywa się przebiciem elektrycznym gazu. Napięcie, przy którym następuje przebicie, nazywane jest napięciem zapłonu. Zależy to od rodzaju gazu oraz iloczynu ciśnienia gazu i odległości między elektrodami.

Procesy w gazie odpowiedzialne za lawinowy wzrost natężenia prądu wraz ze wzrostem przyłożonego napięcia są związane z jonizacją obojętnych atomów lub cząsteczek gazu przez wolne elektrony przyspieszane przez pole elektryczne do wystarczającej

wielkie energie. Energia kinetyczna elektronu przed kolejnym zderzeniem z neutralnym atomem lub cząsteczką jest proporcjonalna do natężenia pola elektrycznego E i swobodnej drogi elektronu X:

Jeśli ta energia jest wystarczająca do jonizacji neutralnego atomu lub cząsteczki, tj. przekracza pracę jonizacji

następnie, gdy elektron zderza się z atomem lub cząsteczką, ulegają jonizacji. W rezultacie zamiast jednego pojawiają się dwa elektrony. Te z kolei są przyspieszane przez pole elektryczne i jonizują napotkane na swojej drodze atomy lub molekuły itp. Proces przebiega jak lawina i nazywa się lawiną elektronową. Opisany mechanizm jonizacji nazywa się jonizacją uderzeniową elektronów.

Eksperymentalny dowód na to, że jonizacja atomów gazu obojętnego następuje głównie pod wpływem elektronów, a nie jonów dodatnich, przedstawił J. Townsend. Wziął komorę jonizacyjną w postaci cylindrycznego kondensatora, którego wewnętrzną elektrodą była cienka metalowa nić rozciągnięta wzdłuż osi cylindra. W takiej komorze przyspieszające pole elektryczne jest wysoce niejednorodne, a główną rolę w jonizacji odgrywają cząstki wchodzące w obszar najsilniejszego pola w pobliżu włókna. Doświadczenie pokazuje, że przy tym samym napięciu między elektrodami prąd rozładowania jest większy, gdy dodatni potencjał jest przyłożony do żarnika, a nie do zewnętrznego cylindra. W tym przypadku wszystkie swobodne elektrony, które wytwarzają prąd, z konieczności przechodzą przez obszar najsilniejszego pola.

Emisja elektronów z katody. Samopodtrzymujące się wyładowanie może być stacjonarne tylko wtedy, gdy w gazie stale pojawiają się nowe wolne elektrony, ponieważ wszystkie elektrony pojawiające się w lawinie docierają do anody i są eliminowane z gry. Nowe elektrony są wybijane z katody przez jony dodatnie, które poruszając się w kierunku katody są również przyspieszane przez pole elektryczne i uzyskują do tego wystarczającą energię.

Katoda może emitować elektrony nie tylko w wyniku bombardowania jonami, ale także niezależnie, gdy jest podgrzewana do wysokiej temperatury. Proces ten nazywa się emisją termionową, można go uznać za rodzaj parowania elektronów z metalu. Zwykle występuje w takich temperaturach, kiedy samo parowanie materiału katodowego jest jeszcze niewielkie. W przypadku samopodtrzymującego się wyładowania gazowego katoda jest zwykle podgrzewana bez

włókno, jak w lampach próżniowych, ale ze względu na wydzielanie ciepła podczas bombardowania jonami dodatnimi. Dlatego katoda emituje elektrony nawet wtedy, gdy energia jonów jest niewystarczająca do wybicia elektronów.

Samopodtrzymujące się wyładowanie w gazie następuje nie tylko w wyniku przejścia z niesamodzielnego wyładowania wraz ze wzrostem napięcia i oddalaniem się źródło zewnętrzne jonizacji, ale także z bezpośrednim przyłożeniem napięcia przekraczającego napięcie progowe zapłonu. Teoria pokazuje, że najmniejsza ilość jonów, które są zawsze obecne w gazie obojętnym, choćby ze względu na naturalne radioaktywne tło, wystarczy do zapalenia wyładowania.

W zależności od właściwości i ciśnienia gazu, konfiguracji elektrod oraz napięcia przyłożonego do elektrod, możliwe są różne rodzaje samorozładowania.

Wyładowanie tlące. Na niskie ciśnienia(dziesiąte i setne części milimetra słupa rtęci) w rurze obserwuje się wyładowanie jarzeniowe. Aby zapalić wyładowanie jarzeniowe, wystarczy napięcie kilkuset lub nawet kilkudziesięciu woltów. W wyładowaniu jarzeniowym można wyróżnić cztery charakterystyczne obszary. Są to ciemna przestrzeń katody, jarzenie (lub negatyw), ciemna przestrzeń Faradaya i świecąca dodatnia kolumna, która zajmuje większość przestrzeni między anodą a katodą.

Pierwsze trzy regiony znajdują się w pobliżu katody. To tutaj następuje gwałtowny spadek potencjału, związany z dużą koncentracją jonów dodatnich na granicy ciemnej przestrzeni katodowej i tlącej się poświaty. Elektrony przyspieszane w obszarze ciemnej przestrzeni katodowej powodują intensywną jonizację uderzeniową w obszarze świecenia. Tlący się blask jest wynikiem rekombinacji jonów i elektronów w neutralne atomy lub cząsteczki. Dodatnia kolumna wyładowania charakteryzuje się niewielkim spadkiem potencjału i poświatą wywołaną powrotem wzbudzonych atomów lub cząsteczek gazu do stanu podstawowego.

Wyładowanie koronowe. Przy stosunkowo wysokich ciśnieniach w gazie (rzędu ciśnienia atmosferycznego), w pobliżu zaostrzonych odcinków przewodnika, gdzie pole elektryczne jest wysoce niejednorodne, obserwuje się wyładowanie, którego obszar świetlny przypomina koronę. Wyładowanie koronowe czasami występuje w żywy na wierzchołkach drzew, masztach statków itp. („Ognie św. Elma”). Wyładowania koronowe muszą być brane pod uwagę w inżynierii wysokiego napięcia, gdy to wyładowanie występuje wokół przewodów linii wysokiego napięcia i prowadzi do strat mocy. Użyteczne praktyczne użycie wyładowanie koronowe występuje w elektrofiltrach do czyszczenia gazy przemysłowe z zanieczyszczeń cząstek stałych i ciekłych.

Wraz ze wzrostem napięcia między elektrodami wyładowanie koronowe zamienia się w iskrę z całkowitym przebiciem szczeliny między

elektrody. Ma postać wiązki jasnych zygzakowatych rozgałęzień, natychmiast penetrujących szczelinę wyładowczą i kapryśnie zastępujących się nawzajem. Wyładowaniu iskrowemu towarzyszy wydzielanie dużej ilości ciepła, jasna niebiesko-biała poświata i silne trzaski. Można to zaobserwować między kulkami maszyny elektroforowej. Przykładem gigantycznego wyładowania iskrowego jest wyładowanie naturalne, gdzie natężenie prądu sięga 5-105 A, a różnica potencjałów wynosi 109 V.

Ponieważ wyładowanie iskrowe następuje przy ciśnieniu atmosferycznym (i wyższym), napięcie zapłonu jest bardzo wysokie: w suchym powietrzu, przy odległości między elektrodami 1 cm, wynosi około 30 kV.

Łuk elektryczny. Praktycznie specyficzny ważny widok samogazowanie jest łukiem elektrycznym. Kiedy dwie elektrody węglowe lub metalowe zetkną się w miejscu ich kontaktu, duża liczba ciepło ze względu na wysoką rezystancję styku. W rezultacie rozpoczyna się emisja termojonowa, a gdy elektrody są rozsuwane między nimi, z silnie zjonizowanego, dobrze przewodzącego gazu powstaje jasno świecący łuk. Natężenie prądu nawet przy małym łuku sięga kilku amperów, a przy dużym łuku kilkaset amperów przy napięciu około 50 V. Łuk elektryczny jest szeroko stosowany w technologii jako silne źródło światła, w piecach elektrycznych i do spawania elektrycznego . słabe pole opóźniające o napięciu około 0,5 V. Pole to zapobiega przedostawaniu się wolnych elektronów do anody. Elektrony są emitowane przez katodę K ogrzewaną prądem elektrycznym.

Na ryc. 105 przedstawia zależność natężenia prądu w obwodzie anodowym od uzyskanego w tych eksperymentach napięcia przyspieszającego, która ma charakter niemonotoniczny z maksimami przy napięciach wielokrotności 4,9 V.

Dyskretność poziomów energii atomowej. Tę zależność prądu od napięcia można wytłumaczyć jedynie obecnością dyskretnych stanów stacjonarnych w atomach rtęci. Gdyby atom nie miał dyskretnych stanów stacjonarnych, tj. its energia wewnętrzna mógłby przyjąć dowolną wartość, wówczas zderzenia niesprężyste, którym towarzyszy wzrost energii wewnętrznej atomu, mogłyby wystąpić przy dowolnej energii elektronu. Jeśli istnieją stany dyskretne, to zderzenia elektronów z atomami mogą być sprężyste tylko tak długo, jak energia elektronów jest niewystarczająca do przeniesienia atomu ze stanu podstawowego do najmniejszego stanu wzbudzonego.

Podczas zderzeń sprężystych energia kinetyczna elektronów praktycznie się nie zmienia, ponieważ masa elektronu jest znacznie mniejsza niż masa atomu rtęci. W tych warunkach liczba elektronów docierających do anody wzrasta monotonicznie wraz ze wzrostem napięcia. Gdy napięcie przyspieszające osiągnie 4,9 V, zderzenia elektronów z atomami stają się nieelastyczne. Energia wewnętrzna atomów gwałtownie wzrasta, a elektron traci prawie całą swoją energię kinetyczną w wyniku zderzenia.

Pole opóźniające również nie pozwala powolnym elektronom dotrzeć do anody, a prąd gwałtownie spada. Nie znika tylko dlatego, że niektóre elektrony docierają do siatki bez zderzeń nieelastycznych. Drugie i kolejne maksima natężenia prądu są uzyskiwane, ponieważ przy napięciach będących wielokrotnością 4,9 V elektrony w drodze do siatki mogą doświadczyć kilku niesprężystych zderzeń z atomami rtęci.

Tak więc elektron uzyskuje energię niezbędną do zderzenia niesprężystego dopiero po przejściu przez różnicę potencjałów 4,9 V. Oznacza to, że energia wewnętrzna atomów rtęci nie może zmienić się o ilość mniejszą niż eV, co świadczy o dyskretności widma energetycznego atom. Zasadność tego wniosku potwierdza również fakt, że przy napięciu 4,9 V wyładowanie zaczyna świecić: wzbudzone atomy podczas spontanicznego

przejścia do stanu podstawowego emitują światło widzialne, którego częstotliwość pokrywa się z częstotliwością obliczoną ze wzoru

W klasycznych eksperymentach Franka i Hertza metoda zderzeń elektronów określała nie tylko potencjały wzbudzenia, ale także potencjały jonizacji wielu atomów.

Podaj przykład eksperymentu elektrostatycznego, który pokazuje, że suche powietrze jest dobrym izolatorem.

Gdzie są właściwości izolacyjne powietrza stosowanego w inżynierii?

Co to jest niesamodzielne wyładowanie gazowe? W jakich warunkach to działa?

Wyjaśnij, dlaczego tempo spadku stężenia w wyniku rekombinacji jest proporcjonalne do kwadratu stężenia elektronów i jonów. Dlaczego te stężenia można uznać za takie same?

Dlaczego nie ma sensu, aby prawo malejącej koncentracji wyrażone wzorem (3) wprowadzało pojęcie czasu charakterystycznego, które jest szeroko stosowane dla procesów zanikających wykładniczo, chociaż w obu przypadkach procesy trwają, ogólnie rzecz biorąc, nieskończenie długo czas?

Jak myślisz, dlaczego w definicjach ruchliwości we wzorach (4) dla elektronów i jonów wybiera się przeciwne znaki?

Jak siła prądu w niesamodzielnym wyładowaniu gazowym zależy od przyłożonego napięcia? Dlaczego przejście od prawa Ohma do prądu nasycenia następuje wraz ze wzrostem napięcia?

Prąd elektryczny w gazie jest przenoszony zarówno przez elektrony, jak i jony. Jednak na każdą z elektrod docierają ładunki tylko jednego znaku. Jak to się zgadza z faktem, że we wszystkich odcinkach obwodu szeregowego siła prądu jest taka sama?

Dlaczego elektrony, a nie jony dodatnie, odgrywają największą rolę w jonizacji gazu podczas wyładowania w wyniku zderzeń?

Opisać cechy charakterystyczne różnego rodzaju niezależne wyładowanie gazu.

Dlaczego wyniki eksperymentów Franka i Hertza świadczą o dyskretności poziomów energetycznych atomów?

Opisać procesy fizyczne występujące w rurze wyładowczej w eksperymentach Franka i Hertza, ze wzrostem napięcia przyspieszającego.

Motywy UŻYJ kodyfikatora : nośniki wolnych ładunków elektrycznych w gazach.

W normalnych warunkach gazy składają się z elektrycznie obojętnych atomów lub cząsteczek; W gazach prawie nie ma opłat za darmo. Dlatego gazy są dielektryki- nie przepływa przez nie prąd elektryczny.

Powiedzieliśmy „prawie żaden”, ponieważ w rzeczywistości w gazach, a zwłaszcza w powietrzu, zawsze znajduje się pewna ilość wolnych naładowanych cząstek. Pojawiają się w wyniku jonizującego działania promieniowania substancji radioaktywnych tworzących skorupę ziemską, ultrafiolet i promienie rentgenowskie Słońce, a także promienie kosmiczne - strumienie wysokoenergetycznych cząstek przenikających ziemską atmosferę z przestrzeń kosmiczna. Później wrócimy do tego faktu i omówimy jego znaczenie, ale na razie zauważmy tylko, że w normalnych warunkach przewodnictwo gazów, spowodowane „naturalną” ilością darmowych ładunków, jest znikome i można je zignorować.

Działanie przełączników w obwodach elektrycznych opiera się na właściwościach izolacyjnych szczeliny powietrznej ( rys. 1). Na przykład mała szczelina powietrzna w włączniku światła wystarczy, aby otworzyć obwód elektryczny w twoim pokoju.

Ryż. 1 klucz

Możliwe jest jednak stworzenie takich warunków, w których w szczelinie gazowej pojawi się prąd elektryczny. Rozważmy następujące doświadczenie.

Ładujemy płytki kondensatora powietrznego i podłączamy je do czułego galwanometru (ryc. 2, po lewej). Na temperatura pokojowa a w niezbyt wilgotnym powietrzu galwanometr nie pokaże zauważalnego prądu: nasza szczelina powietrzna, jak powiedzieliśmy, nie jest przewodnikiem elektryczności.

Ryż. 2. Występowanie prądu w powietrzu

Teraz włóżmy płomień palnika lub świecy w szczelinę między płytkami kondensatora (ryc. 2, po prawej). Pojawia się prąd! Czemu?

Darmowe opłaty w gazie

Występowanie prądu elektrycznego pomiędzy płytami kondensatora oznacza, że w powietrzu pod wpływem płomienia pojawił się darmowe opłaty. Co dokładnie?

Doświadczenie pokazuje, że prąd elektryczny w gazach jest uporządkowanym ruchem naładowanych cząstek. trzy rodzaje. To jest elektrony, jony dodatnie oraz jony ujemne.

Zobaczmy, jak te ładunki mogą pojawić się w gazie.

Wraz ze wzrostem temperatury gazu drgania termiczne jego cząsteczek - cząsteczek lub atomów - stają się bardziej intensywne. Uderzenia cząstek o siebie osiągają taką siłę, że jonizacja- rozpad cząstek obojętnych na elektrony i jony dodatnie (rys. 3).

Ryż. 3. Jonizacja

Stopień jonizacji jest stosunkiem liczby cząstek rozłożonego gazu do całkowitej początkowej liczby cząstek. Na przykład, jeśli stopień jonizacji wynosi , oznacza to, że pierwotne cząstki gazu rozpadły się na dodatnie jony i elektrony.

Stopień jonizacji gazu zależy od temperatury i gwałtownie wzrasta wraz z jej wzrostem. W przypadku wodoru na przykład w temperaturze poniżej stopnia jonizacji nie przekracza , a w temperaturze powyżej stopnia jonizacji jest bliskie (to znaczy wodór jest prawie całkowicie zjonizowany (nazywa się częściowo lub całkowicie zjonizowanym gazem osocze)).

Oprócz wysokiej temperatury istnieją inne czynniki, które powodują jonizację gazu.

Wspomnieliśmy już o nich mimochodem: są to promieniowanie radioaktywne, ultrafioletowe, rentgenowskie i gamma, cząstki kosmiczne. Każdy taki czynnik, który powoduje jonizację gazu, nazywa się jonizator.

Tak więc jonizacja nie zachodzi sama, ale pod wpływem jonizatora.

W tym samym czasie proces odwrotny rekombinacja, czyli ponowne połączenie elektronu i jonu dodatniego w obojętną cząstkę (ryc. 4).

Ryż. 4. Rekombinacja

Powód rekombinacji jest prosty: jest to przyciąganie kulombowskie przeciwnie naładowanych elektronów i jonów. Pędząc ku sobie pod działaniem sił elektrycznych, spotykają się i mają możliwość uformowania neutralnego atomu (lub cząsteczki - w zależności od rodzaju gazu).

Przy stałej intensywności działania jonizatora ustala się równowaga dynamiczna: średnia liczba cząstek rozpadających się w jednostce czasu jest równa średniej liczbie cząstek rekombinujących (innymi słowy szybkość jonizacji jest równa szybkości rekombinacji). wzmocnienie działania jonizatora (np. podwyższenie temperatury), wówczas równowaga dynamiczna przesunie się w kierunku jonizacji, a stężenie naładowanych cząstek w gazie wzrośnie. Wręcz przeciwnie, jeśli wyłączysz jonizator, wówczas zacznie dominować rekombinacja, a darmowe opłaty stopniowo znikną całkowicie.

Tak więc jony dodatnie i elektrony pojawiają się w gazie w wyniku jonizacji. Skąd pochodzi trzeci rodzaj ładunków - jony ujemne? Bardzo proste: elektron może wlecieć do neutralnego atomu i do niego dołączyć! Proces ten pokazano na ryc. 5 .

Ryż. 5. Pojawienie się jonu ujemnego

Utworzone w ten sposób jony ujemne będą uczestniczyć w tworzeniu prądu wraz z jonami dodatnimi i elektronami.

Nie-samorozładowanie

Jeśli nie ma zewnętrznego pola elektrycznego, to wolne ładunki wykonują chaotyczny ruch termiczny wraz z cząsteczkami gazu obojętnego. Ale po przyłożeniu pola elektrycznego zaczyna się uporządkowany ruch naładowanych cząstek - prąd elektryczny w gazie.

Ryż. 6. Niesamodzielne rozładowanie

Na ryc. 6 widzimy trzy rodzaje naładowanych cząstek powstających w szczelinie gazowej pod działaniem jonizatora: jony dodatnie, jony ujemne i elektrony. Prąd elektryczny w gazie powstaje w wyniku nadchodzącego ruchu naładowanych cząstek: jonów dodatnich - do elektrody ujemnej (katody), elektronów i jonów ujemnych - do elektrody dodatniej (anody).

Elektrony padające na dodatnią anodę są przesyłane wzdłuż obwodu do „plusa” źródła prądu. Jony ujemne oddają dodatkowy elektron do anody i stając się cząsteczkami obojętnymi, wracają do gazu; elektron podany na anodę również pędzi do „plusa” źródła. Dodatnie jony dochodzące do katody pobierają stamtąd elektrony; wynikający z tego niedobór elektronów na katodzie jest natychmiast kompensowany przez ich dostarczenie tam z „minusu” źródła. W wyniku tych procesów w obwodzie zewnętrznym następuje uporządkowany ruch elektronów. Jest to prąd elektryczny rejestrowany przez galwanometr.

Proces opisany na ryc. 6 nazywa się niesamodzielne wyładowanie w gazie. Dlaczego zależny? Dlatego, aby go utrzymać, stałe działanie jonizator. Wyjmijmy jonizator - a prąd ustanie, gdyż zniknie mechanizm zapewniający pojawienie się wolnych ładunków w szczelinie gazowej. Przestrzeń między anodą a katodą ponownie stanie się izolatorem.

Charakterystyka woltamperowa wyładowania gazowego

Zależność natężenia prądu przez szczelinę gazową od napięcia między anodą a katodą (tzw charakterystyka prądowo-napięciowa wyładowania gazowego) pokazano na ryc. 7.

Ryż. 7. Charakterystyka woltamperowa wyładowania gazowego

Przy zerowym napięciu siła prądu jest oczywiście równa zeru: naładowane cząstki wykonują tylko ruch termiczny, nie ma uporządkowanego ruchu między elektrodami.

Przy małym napięciu siła prądu jest również niewielka. Faktem jest, że nie wszystkie naładowane cząstki mają dotrzeć do elektrod: niektóre z jonów dodatnich i elektronów odnajdują się nawzajem i łączą się ponownie w procesie ich ruchu.

Wraz ze wzrostem napięcia, wolne ładunki rozwijają się coraz szybciej i tym mniejsza szansa, że jon dodatni i elektron muszą się spotkać i ponownie połączyć. Dlatego coraz większa część naładowanych cząstek dociera do elektrod, a siła prądu wzrasta (sekcja ).

Przy określonej wartości napięcia (punkt ) prędkość ładowania staje się tak duża, że rekombinacja w ogóle nie ma czasu. Od teraz wszystko naładowane cząstki powstałe pod działaniem jonizatora docierają do elektrod i prąd osiąga nasycenie- Mianowicie siła prądu przestaje się zmieniać wraz ze wzrostem napięcia. Będzie to trwało do pewnego momentu.

samorozładowanie

Po przejściu punktu siła prądu gwałtownie wzrasta wraz ze wzrostem napięcia - zaczyna się niezależne wyładowanie. Teraz dowiemy się, co to jest.

Naładowane cząstki gazu przemieszczają się od kolizji do kolizji; w przerwach między zderzeniami są przyspieszane przez pole elektryczne, zwiększając ich energię kinetyczną. A teraz, gdy napięcie staje się wystarczająco duże (w tym samym punkcie), elektrony podczas swojej swobodnej drogi osiągają takie energie, że zderzając się z neutralnymi atomami, jonizują je! (Posługując się prawami zachowania pędu i energii, można wykazać, że to elektrony (a nie jony) przyspieszane polem elektrycznym mają maksymalną zdolność do jonizacji atomów.)

Tak zwany jonizacja elektronowa. Elektrony wybite z zjonizowanych atomów są również przyspieszane przez pole elektryczne i uderzają w nowe atomy, jonizując je teraz i generując nowe elektrony. W wyniku powstającej lawiny elektronowej gwałtownie wzrasta liczba zjonizowanych atomów, w wyniku czego gwałtownie wzrasta również siła prądu.

Ilość darmowych doładowań staje się tak duża, że eliminuje się potrzebę stosowania zewnętrznego jonizatora. Można go po prostu usunąć. Swobodnie naładowane cząstki pojawiają się teraz w wyniku domowy procesy zachodzące w gazie - dlatego wyładowanie nazywa się niezależnym.

Jeśli szczelina gazowa jest pod wysokim napięciem, do samorozładowania nie jest potrzebny jonizator. Wystarczy znaleźć w gazie tylko jeden wolny elektron, a rozpocznie się opisana powyżej lawina elektronowa. I zawsze będzie przynajmniej jeden wolny elektron!

Przypomnijmy raz jeszcze, że w gazie nawet w normalnych warunkach występuje pewna „naturalna” ilość wolnych ładunków, a to za sprawą jonizującego promieniowania radioaktywnego skorupy ziemskiej, wysokiej częstotliwości promieniowania słonecznego oraz promieniowania kosmicznego. Widzieliśmy, że przy niskich napięciach przewodnictwo gazu spowodowane przez te wolne ładunki jest znikome, ale teraz – przy wysokim napięciu – wywołają one lawinę nowych cząstek, powodując niezależne wyładowanie. Stanie się tak, jak mówią awaria szczelina gazowa.

Siła pola wymagana do rozkładu suchego powietrza wynosi około kV/cm. Innymi słowy, aby iskra przeskoczyła między elektrodami oddzielonymi centymetrem powietrza, należy do nich przyłożyć napięcie kilowoltowe. Wyobraź sobie, jakie napięcie jest potrzebne, aby przebić się przez kilka kilometrów powietrza! Ale to właśnie takie awarie występują podczas burzy - są to dobrze znane pioruny.

To jest krótkie podsumowanie.

Trwają prace nad pełną wersją

Wykład2 1

Prąd w gazach

1. Postanowienia ogólne

Definicja: Nazywa się zjawisko przepływu prądu elektrycznego w gazach wyładowanie gazu.

Zachowanie gazów w dużym stopniu zależy od ich parametrów, takich jak temperatura i ciśnienie, a te parametry zmieniają się dość łatwo. Dlatego przepływ prądu elektrycznego w gazach jest bardziej złożony niż w metalach czy w próżni.

Gazy nie są zgodne z prawem Ohma.

2. Jonizacja i rekombinacja

Gaz w normalnych warunkach składa się z praktycznie obojętnych cząsteczek, dlatego jest wyjątkowo słabym przewodnikiem prądu elektrycznego. Jednak pod wpływem czynników zewnętrznych elektron może oderwać się od atomu i pojawia się dodatnio naładowany jon. Ponadto elektron może łączyć się z neutralnym atomem i tworzyć ujemnie naładowany jon. W ten sposób możliwe jest uzyskanie zjonizowanego gazu, tj. osocze.

Wpływy zewnętrzne obejmują ogrzewanie, napromieniowanie fotonami energetycznymi, bombardowanie przez inne cząstki oraz silne pola, tj. te same warunki, które są niezbędne do emisji pierwiastków.

Elektron w atomie znajduje się w studni potencjału i aby się z niej wydostać, konieczne jest doprowadzenie do atomu dodatkowej energii, zwanej energią jonizacji.

Substancja	Energia jonizacji, eV
atom wodoru	13,59
Cząsteczka wodoru	15,43
Hel	24,58
atom tlenu	13,614
cząsteczka tlenu	12,06

Wraz ze zjawiskiem jonizacji obserwuje się również zjawisko rekombinacji, tj. połączenie elektronu i jonu dodatniego w celu utworzenia neutralnego atomu. Proces ten zachodzi z uwolnieniem energii równej energii jonizacji. Energia ta może być wykorzystana do promieniowania lub ogrzewania. Miejscowe podgrzanie gazu prowadzi do lokalnej zmiany ciśnienia. Co z kolei prowadzi do fale dźwiękowe. W ten sposób wyładowaniu gazowemu towarzyszą efekty świetlne, termiczne i dźwiękowe.

3. CVC zrzutu gazu.

Na początkowych etapach konieczne jest działanie zewnętrznego jonizatora.

W sekcji BAW prąd istnieje pod działaniem zewnętrznego jonizatora i szybko osiąga nasycenie, gdy wszystkie zjonizowane cząstki uczestniczą w generowaniu prądu. Jeśli usuniesz zewnętrzny jonizator, prąd ustanie.

Ten rodzaj wyładowania nazywany jest niesamodzielnym wyładowaniem gazowym. Kiedy próbujesz zwiększyć napięcie w gazie, pojawia się lawina elektronów, a prąd rośnie przy praktycznie stałym napięciu, które nazywa się napięciem zapłonu (BC).

Od tego momentu wyładowanie staje się niezależne i nie ma potrzeby stosowania zewnętrznego jonizatora. Liczba jonów może stać się tak duża, że rezystancja szczeliny międzyelektrodowej maleje i odpowiednio spada napięcie (SD).

Następnie w szczelinie międzyelektrodowej obszar przepływu prądu zaczyna się zwężać, a rezystancja wzrasta, a w konsekwencji wzrasta napięcie (DE).

Kiedy próbujesz zwiększyć napięcie, gaz staje się w pełni zjonizowany. Rezystancja i napięcie spadają do zera, a prąd wielokrotnie wzrasta. Okazuje się, że wyładowanie łukowe (EF).

CVC pokazuje, że gaz w ogóle nie przestrzega prawa Ohma.

4. Procesy w gazie