Pojavi električnega toka v plinih. Uvod

V normalnih pogojih so plini dielektriki, ker. so sestavljeni iz nevtralnih atomov in molekul in nimajo zadostnega števila prostih nabojev.Plini postanejo prevodniki šele, ko so nekako ionizirani. Proces ionizacije plinov je v tem, da se pod vplivom kakršnih koli razlogov en ali več elektronov loči od atoma. Kot rezultat, namesto nevtralnega atoma, pozitivni ion in elektron.

Imenuje se razgradnja molekul na ione in elektrone ionizacija plina.

Del nastalih elektronov lahko ujamejo drugi nevtralni atomi in se nato pojavijo negativno nabiti ioni.

Tako obstajajo tri vrste nosilcev naboja v ioniziranem plinu: elektroni, pozitivni ioni in negativni.

Ločitev elektrona od atoma zahteva porabo določene energije - ionizacijsko energijo W jaz . Energija ionizacije je odvisna od kemične narave plina in energijskega stanja elektrona v atomu. Torej, za ločitev prvega elektrona od atoma dušika se porabi energija 14,5 eV, za ločitev drugega elektrona - 29,5 eV, za ločitev tretjega - 47,4 eV.

Imenujemo dejavnike, ki povzročajo ionizacijo plina ionizatorji.

Obstajajo tri vrste ionizacije: toplotna ionizacija, fotoionizacija in udarna ionizacija.

Toplotna ionizacija nastane kot posledica trka atomov ali molekul plina pri visoki temperaturi, če kinetična energija relativnega gibanja trkajočih delcev presega vezno energijo elektrona v atomu.

Fotoionizacija nastane pod vplivom elektromagnetnega sevanja (ultravijolično, rentgensko ali γ-sevanje), ko se energija, potrebna za ločitev elektrona od atoma, nanj prenese s kvantom sevanja.

Ionizacija z elektronskim udarcem(oz udarna ionizacija) je nastanek pozitivno nabitih ionov kot posledica trkov atomov ali molekul s hitrimi elektroni z visoko kinetično energijo.

Proces ionizacije plina vedno spremlja nasproten proces pridobivanja nevtralnih molekul iz nasprotno nabitih ionov zaradi njihove električne privlačnosti. Ta pojav se imenuje rekombinacija. Med rekombinacijo se sprosti energija, ki je enaka energiji, porabljeni za ionizacijo. To lahko povzroči, na primer, sijaj plina.

Če je delovanje ionizatorja nespremenjeno, se v ioniziranem plinu vzpostavi dinamično ravnovesje, v katerem se na enoto časa obnovi toliko molekul, kolikor razpadejo na ione. V tem primeru ostane koncentracija nabitih delcev v ioniziranem plinu nespremenjena. Če pa se delovanje ionizatorja ustavi, bo rekombinacija začela prevladovati nad ionizacijo in število ionov se bo hitro zmanjšalo na skoraj nič. Posledično je prisotnost nabitih delcev v plinu začasen pojav (dokler deluje ionizator).

V odsotnosti zunanjega polja se nabiti delci premikajo naključno.

izpust plina

Ko se vstavi ioniziran plin električno polje električne sile začnejo delovati na proste naboje in se premikajo vzporedno z napetostnimi črtami: elektroni in negativni ioni - na anodo, pozitivni ioni - na katodo (slika 1). Na elektrodah se ioni spremenijo v nevtralne atome z dajanjem ali sprejemanjem elektronov in s tem zaključijo vezje. V plinu nastane električni tok.

Električni tok v plinih je usmerjeno gibanje ionov in elektronov.

Električni tok v plinih se imenuje izpust plina.

Celoten tok v plinu je sestavljen iz dveh tokov nabitih delcev: toka, ki gre na katodo, in toka, usmerjenega na anodo.

V plinih je elektronska prevodnost, podobna prevodnosti kovin, združena z ionsko prevodnostjo, podobno prevodnosti vodnih raztopin ali talin elektrolitov.

Tako ima prevodnost plinov ionsko-elektronski značaj.

V naravi ni absolutnih dielektrikov. Urejeno gibanje delcev - nosilcev električnega naboja - torej toka, lahko povzročimo v katerem koli mediju, vendar to zahteva posebne pogoje. Tu bomo obravnavali, kako potekajo električni pojavi v plinih in kako se plin lahko spremeni iz zelo dobrega dielektrika v zelo dober prevodnik. Zanimali nas bodo pogoji, pod katerimi nastane, in tudi kakšne lastnosti je značilen električni tok v plinih.

Električne lastnosti plinov

Dielektrik je snov (medij), v kateri koncentracija delcev - prostih nosilcev električnega naboja - ne doseže nobene pomembne vrednosti, zaradi česar je prevodnost zanemarljiva. Vsi plini so dobri dielektriki. Njihove izolacijske lastnosti se uporabljajo povsod. Na primer, v katerem koli odklopniku se odpiranje tokokroga zgodi, ko so kontakti postavljeni v tak položaj, da med njimi nastane zračna reža. Žice v daljnovodih so med seboj izolirane tudi z zračno plastjo.

Strukturna enota katerega koli plina je molekula. Sestavljen je iz atomska jedra in elektronski oblaki, torej je zbirka električni naboji na nek način porazdeljena v prostoru. Molekula plina je lahko posledica posebnosti svoje strukture ali pa je polarizirana pod delovanjem zunanjega električnega polja. Velika večina molekul, ki sestavljajo plin, je v normalnih pogojih električno nevtralnih, saj se naboji v njih medsebojno izničijo.

Če se na plin uporabi električno polje, bodo molekule prevzele dipolno orientacijo in zasedle prostorski položaj, ki kompenzira učinek polja. Nabiti delci, ki so prisotni v plinu, se bodo pod vplivom Coulombovih sil začeli premikati: pozitivni ioni - v smeri katode, negativni ioni in elektroni - proti anodi. Če pa polje nima zadostnega potenciala, ne nastane en sam usmerjen tok nabojev in lahko govorimo raje o ločenih tokovih, tako šibkih, da jih je treba zanemariti. Plin se obnaša kot dielektrik.

Torej za pojav električni tok v plinih je potrebna visoka koncentracija prostih nosilcev naboja in prisotnost polja.

Ionizacija

Proces plazovitega povečanja števila prostih nabojev v plinu se imenuje ionizacija. V skladu s tem se plin, v katerem je znatna količina nabitih delcev, imenuje ioniziran. V takšnih plinih nastane električni tok.

Proces ionizacije je povezan s kršitvijo nevtralnosti molekul. Zaradi ločitve elektrona se pojavijo pozitivni ioni, vezava elektrona na molekulo vodi do nastanka negativnega iona. Poleg tega je v ioniziranem plinu veliko prostih elektronov. Pozitivni ioni in predvsem elektroni so glavni nosilci električnega toka v plinih.

Ionizacija se pojavi, ko se delcu prenese določena količina energije. Tako lahko zunanji elektron v sestavi molekule, ki prejme to energijo, zapusti molekulo. Medsebojni trki nabitih delcev z nevtralnimi vodijo do izbijanja novih elektronov, proces pa traja lavinski značaj. Poveča se tudi kinetična energija delcev, kar močno spodbuja ionizacijo.

Od kod prihaja energija, porabljena za vzbujanje električnega toka v plinih? Ionizacija plinov ima več virov energije, po katerih je običajno poimenovati njene vrste.

Ionizacija električno polje. V tem primeru se potencialna energija polja pretvori v kinetično energijo delcev.
Toplotna ionizacija. Zvišanje temperature vodi tudi do nastanka velikega števila prostih nabojev.
Fotoionizacija. Bistvo tega procesa je, da kvanti dajejo energijo elektronom elektromagnetno sevanje- fotoni, če imajo dovolj visoko frekvenco (ultravijolični, rentgenski, gama kvanti).
Udarna ionizacija je posledica pretvorbe kinetične energije trkajočih delcev v energijo odvajanja elektronov. Skupaj s toplotno ionizacijo služi kot glavni dejavnik pri vzbujanju električnega toka v plinih.

Za vsak plin je značilna določena mejna vrednost - energija ionizacije, ki je potrebna, da se elektron odcepi od molekule in premaga potencialno pregrado. Ta vrednost za prvi elektron se giblje od nekaj voltov do dveh deset voltov; več energije je potrebno za ločitev naslednjega elektrona od molekule itd.

Upoštevati je treba, da hkrati z ionizacijo v plinu poteka obratni proces - rekombinacija, to je obnova nevtralnih molekul pod delovanjem Coulombovih privlačnih sil.

Plinski izpust in njegove vrste

Torej je električni tok v plinih posledica urejenega gibanja nabitih delcev pod delovanjem električnega polja, ki se nanaša nanje. Prisotnost takšnih nabojev pa je možna zaradi različnih ionizacijskih dejavnikov.

Tako toplotna ionizacija zahteva znatne temperature, vendar odprt plamen v povezavi z nekaterimi kemičnimi procesi prispeva k ionizaciji. Tudi pri sorazmerno nizki temperaturi ob prisotnosti plamena se zabeleži pojav električnega toka v plinih in eksperiment s plinsko prevodnostjo olajša to preverjanje. Med plošče napolnjenega kondenzatorja je treba postaviti plamen gorilnika ali sveče. Vezje, ki je bilo prej odprto zaradi zračne reže v kondenzatorju, se bo zaprlo. Galvanometer, priključen na vezje, bo pokazal prisotnost toka.

Električni tok v plinih se imenuje plinska razelektritev. Upoštevati je treba, da mora biti za ohranjanje stabilnosti razelektritve delovanje ionizatorja konstantno, saj zaradi stalne rekombinacije plin izgubi svoje električno prevodne lastnosti. Nekateri nosilci električnega toka v plinih - ioni - se nevtralizirajo na elektrodah, drugi - elektroni - ki pridejo do anode, se pošljejo v "plus" vira polja. Če ionizirajoči faktor preneha delovati, bo plin takoj spet postal dielektrik in tok bo prenehal. Takšen tok, odvisen od delovanja zunanjega ionizatorja, imenujemo nesamostojna razelektritev.

Značilnosti prehoda električnega toka skozi pline opisuje posebna odvisnost jakosti toka od napetosti - tokovno-napetostna karakteristika.

Razmislimo o razvoju plinske razelektritve na grafu odvisnosti tokovne napetosti. Ko napetost naraste na določeno vrednost U 1, se tok poveča sorazmerno z njo, to pomeni, da je Ohmov zakon izpolnjen. Poveča se kinetična energija in s tem tudi hitrost nabojev v plinu in ta proces je pred rekombinacijo. Pri vrednostih napetosti od U 1 do U 2 je to razmerje kršeno; ko je U 2 dosežen, vsi nosilci naboja dosežejo elektrode, ne da bi imeli čas za rekombinacijo. Vključeni so vsi brezplačni naboji, nadaljnje povečanje napetosti pa ne vodi do povečanja toka. Takšno gibanje nabojev imenujemo nasičeni tok. Tako lahko rečemo, da je električni tok v plinih tudi posledica posebnosti obnašanja ioniziranega plina v električnih poljih različnih jakosti.

Ko potencialna razlika med elektrodami doseže določeno vrednost U 3 napetost postane zadostna, da električno polje povzroči plazovito ionizacijo plina. Kinetična energija prostih elektronov je že dovolj za udarno ionizacijo molekul. Hkrati je njihova hitrost v večini plinov približno 2000 km / s in več (izračuna se po približno formuli v=600 U i , kjer je U i ionizacijski potencial). V tem trenutku pride do razpada plina in zaradi notranjega ionizacijskega vira pride do znatnega povečanja toka. Zato se takšen izpust imenuje neodvisen.

Prisotnost zunanjega ionizatorja v tem primeru ne igra več vloge pri vzdrževanju električnega toka v plinih. Samopraznjenje v različni pogoji in z različnimi značilnostmi vira električnega polja ima lahko določene značilnosti. Obstajajo takšne vrste samopraznjenja, kot so sijaj, iskra, lok in korona. Pogledali bomo, kako se električni tok obnaša v plinih, na kratko za vsako od teh vrst.

Potencialna razlika od 100 (in celo manj) do 1000 voltov je dovolj za sprožitev samopraznjenja. Zato se žareča razelektritev, za katero je značilna nizka jakost toka (od 10 -5 A do 1 A), pojavi pri tlakih, ki ne presegajo nekaj milimetrov živega srebra.

V cevi z redčenim plinom in hladnimi elektrodami je nastajajoči sijoč razelektritev videti kot tanka svetleča vrvica med elektrodama. Če nadaljujemo s črpanjem plina iz cevi, se žarilna nitka izpere, pri tlakih desetin milimetrov živega srebra pa sij skoraj v celoti napolni cev. V bližini katode - v tako imenovanem temnem katodnem prostoru - ni sijaja. Ostalo se imenuje pozitivni stolpec. V tem primeru so glavni procesi, ki zagotavljajo obstoj razelektritve, lokalizirani natančno v temnem katodnem prostoru in v območju, ki meji nanj. Tu se pospešujejo nabiti delci plina, ki izločajo elektrone iz katode.

Pri sijoči razelektritvi je vzrok ionizacije elektronska emisija iz katode. Elektroni, ki jih oddaja katoda, povzročijo udarno ionizacijo molekul plina, nastajajoči pozitivni ioni povzročijo sekundarno emisijo iz katode itd. Sij pozitivnega stolpca je predvsem posledica odboja fotonov z vzbujenimi molekulami plina, za različne pline pa je značilen sij določene barve. Pozitivni stolpec sodeluje pri tvorbi žarečega razelektritve le kot odsek električnega tokokroga. Če elektrode približate skupaj, lahko dosežete izginotje pozitivnega stolpca, vendar se izpust ne bo ustavil. Vendar z nadaljnjim zmanjšanjem razdalje med elektrodama žareča razelektritev ne more obstajati.

Treba je opozoriti, da za te vrste električnega toka v plinih, fizika nekaterih procesov še ni povsem razjasnjena. Na primer, narava sil, ki povzročajo povečanje toka za razširitev območja na površini katode, ki sodeluje pri praznjenju, ostaja nejasna.

iskre

Razbitje iskre ima impulzni značaj. Pojavlja se pri tlakih, ki so blizu normalnemu atmosferskemu, v primerih, ko moč vira električnega polja ni dovolj za vzdrževanje stacionarnega praznjenja. V tem primeru je poljska jakost visoka in lahko doseže 3 MV/m. Za pojav je značilno močno povečanje razelektritvenega električnega toka v plinu, hkrati pa napetost izredno hitro pade in praznjenje se ustavi. Nato se potencialna razlika spet poveča in celoten postopek se ponovi.

Pri tej vrsti razelektritve se tvorijo kratkotrajni iskričasti kanali, katerih rast se lahko začne s katere koli točke med elektrodama. To je posledica dejstva, da se udarna ionizacija pojavlja naključno na mestih, kjer ta trenutek največja koncentracija ionov. V bližini kanala iskre se plin hitro segreje in podvrže toplotnemu raztezanju, kar povzroči zvočne valove. Zato razelektritev iskre spremlja prasketanje, pa tudi sproščanje toplote in svetel sijaj. Lavinski ionizacijski procesi ustvarjajo visoke tlake in temperature do 10.000 stopinj in več v iskričnem kanalu.

Najbolj presenetljiv primer naravne iskre je strela. Premer glavnega kanala iskre strele je lahko od nekaj centimetrov do 4 m, dolžina kanala pa lahko doseže 10 km. Magnituda toka doseže 500 tisoč amperov, potencialna razlika med nevihtnim oblakom in zemeljskim površjem pa milijardo voltov.

Najdaljšo strelo z dolžino 321 km so opazili leta 2007 v Oklahomi v ZDA. Rekorder po trajanju je bila strela, zabeležena leta 2012 v francoskih Alpah - trajala je več kot 7,7 sekunde. Ko udari strela, se zrak lahko segreje do 30 tisoč stopinj, kar je 6-krat višje od temperature vidne površine Sonca.

V primerih, ko je moč vira električnega polja dovolj velika, se iskriška razelektritev razvije v obločno razelektritev.

Za to vrsto samozadostne razelektritve je značilna visoka gostota toka in nizka (manj kot sijalna) napetost. Razdalja prekinitve je majhna zaradi bližine elektrod. Razelektritev se sproži z emisijo elektrona s površine katode (pri kovinskih atomih je ionizacijski potencial majhen v primerjavi z molekulami plina). Med okvaro med elektrodami nastanejo pogoji, pod katerimi plin prevaja električni tok in pride do iskre, ki zapre vezje. Če je moč vira napetosti dovolj velika, se iskre spremenijo v stabilen električni lok.

Ionizacija med obločnim razelektritvijo doseže skoraj 100%, jakost toka je zelo visoka in se lahko giblje od 10 do 100 amperov. Pri atmosferskem tlaku se lok lahko segreje do 5-6 tisoč stopinj, katoda pa do 3 tisoč stopinj, kar vodi do intenzivne termoionske emisije z njegove površine. Bombardiranje anode z elektroni vodi do delnega uničenja: na njej se oblikuje vdolbina - krater s temperaturo približno 4000 ° C. Povečanje tlaka povzroči še večji dvig temperature.

Pri redčenju elektrod ostane obločna razelektritev stabilna do določene razdalje, kar omogoča ravnanje z njo v tistih delih električne opreme, kjer je škodljiva zaradi korozije in izgorevanja kontaktov, ki jih povzroča. To so naprave, kot so visoka napetost in odklopniki, kontaktorji in drugo. Ena od metod za boj proti loku, ki nastane pri odpiranju kontaktov, je uporaba ločnih žlebov, ki temeljijo na principu razširitve loka. Uporabljajo se tudi številne druge metode: ranžirni kontakti, uporaba materialov z visokim ionizacijskim potencialom itd.

Razvoj koronskega razelektritve se pojavi pri normalnem atmosferskem tlaku v ostro nehomogena polja za elektrode z veliko ukrivljenostjo površine. To so lahko stebri, jambori, žice, različni elementi električne opreme, ki imajo kompleksna oblika in celo človeški lasje. Takšna elektroda se imenuje korona elektroda. Ionizacijski procesi in s tem sijaj plina potekajo le v bližini.

Korona lahko nastane tako na katodi (negativna korona), ko je bombardirana z ioni, kot na anodi (pozitivna) kot posledica fotoionizacije. Za negativno korono, pri kateri je ionizacijski proces zaradi toplotne emisije usmerjen stran od elektrode, je značilen enakomeren sijaj. V pozitivni koroni je mogoče opaziti strimerje - svetleče črte zlomljene konfiguracije, ki se lahko spremenijo v iskriške kanale.

Primer koronske razelektritve v naravnih razmerah so tiste, ki nastanejo na konicah visokih jamborov, krošnjah dreves itd. Nastanejo pri visoki jakosti električnega polja v atmosferi, pogosto pred nevihto ali med snežnim neurjem. Poleg tega so bili pritrjeni na kožo letal, ki so padla v oblak vulkanskega pepela.

Koronski razelektritev na žicah daljnovodov vodi do znatnih izgub električne energije. Pri visoki napetosti se lahko koronska razelektritev spremeni v lok. Borijo se z njim različne poti, na primer s povečanjem polmera ukrivljenosti prevodnikov.

Električni tok v plinih in plazmi

Popolnoma ali delno ioniziran plin se imenuje plazma in velja za četrto stanje snovi. Na splošno je plazma električno nevtralna, saj je skupni naboj njenih sestavnih delcev nič. To ga razlikuje od drugih sistemov nabitih delcev, kot so na primer elektronski žarki.

V naravnih pogojih se plazma praviloma tvori pri visokih temperaturah zaradi trka atomov plina pri visokih hitrostih. Velika večina barionske snovi v vesolju je v stanju plazme. To so zvezde, del medzvezdne snovi, medgalaktični plin. Zemljina ionosfera je tudi redka, šibko ionizirana plazma.

Stopnja ionizacije je pomembna lastnost plazme, od katere so odvisne njene prevodne lastnosti. Stopnja ionizacije je opredeljena kot razmerje med številom ioniziranih atomov in skupnim številom atomov na enoto prostornine. Bolj ko je plazma ionizirana, višja je njena električna prevodnost. Poleg tega ima visoko mobilnost.

Vidimo torej, da plini, ki vodijo elektriko znotraj izpustnega kanala, niso nič drugega kot plazma. Tako so žareče in koronske razelektritve primera hladne plazme; kanal za iskrice strele ali električni lok sta primera vroče, skoraj popolnoma ionizirane plazme.

Električni tok v kovinah, tekočinah in plinih - razlike in podobnosti

Razmislimo o značilnostih, ki so značilne za plinsko razelektritev v primerjavi z lastnostmi toka v drugih medijih.

V kovinah je tok usmerjeno gibanje prostih elektronov, ki ne povzroči kemičnih sprememb. Prevodniki te vrste se imenujejo prevodniki prve vrste; mednje sodijo poleg kovin in zlitin premog, nekatere soli in oksidi. Odlikuje jih elektronska prevodnost.

Prevodniki druge vrste so elektroliti, to je tekoče vodne raztopine alkalij, kislin in soli. Prehod toka je povezan s kemično spremembo v elektrolitu – elektrolizo. Ioni snovi, raztopljene v vodi, se pod vplivom potencialne razlike premikajo v nasprotnih smereh: pozitivni kationi - na katodo, negativni anioni - na anodo. Proces spremlja nastajanje plina ali nanos kovinske plasti na katodo. Za prevodnike druge vrste je značilna ionska prevodnost.

Kar zadeva prevodnost plinov, je, prvič, začasna, in drugič, ima znake podobnosti in razlike z vsakim od njih. Torej je električni tok tako v elektrolitih kot v plinih premik nasprotno nabitih delcev, usmerjenih proti nasprotnim elektrodam. Medtem ko je za elektrolite značilna zgolj ionska prevodnost, imajo pri plinski razelektritvi s kombinacijo elektronske in ionske prevodnosti vodilno vlogo elektroni. Druga razlika med električnim tokom v tekočinah in plinih je narava ionizacije. V elektrolitu se molekule raztopljene spojine disociirajo v vodi, v plinu pa se molekule ne razgradijo, ampak le izgubijo elektrone. Zato plinska razelektritev, tako kot tok v kovinah, ni povezana s kemičnimi spremembami.

Tudi tok v tekočinah in plinih ni enak. Prevodnost elektrolitov kot celote je v skladu z Ohmovim zakonom, vendar je ni opaziti med praznjenjem plina. Volt-amperska značilnost plinov ima veliko bolj zapleten značaj, povezan z lastnostmi plazme.

Omeniti je treba tudi splošno razlikovalne lastnosti električni tok v plinih in v vakuumu. Vakuum je skoraj popoln dielektrik. "Skoraj" - ker je v vakuumu, kljub odsotnosti (natančneje, izjemno nizki koncentraciji) prostih nosilcev naboja, možen tudi tok. Toda potencialni nosilci so že prisotni v plinu, le ionizirati jih je treba. Nosilci naboja se iz snovi spravijo v vakuum. Praviloma se to zgodi v procesu elektronske emisije, na primer pri segrevanju katode (termionska emisija). Ampak tudi v različne vrste Pri plinskih razelektritvah ima emisija, kot smo videli, pomembno vlogo.

Uporaba plinskih razelektritev v tehnologiji

O škodljivi učinki nekatere kategorije so bile že na kratko obravnavane zgoraj. Zdaj pa bodimo pozorni na prednosti, ki jih prinašajo v industriji in vsakdanjem življenju.

Svetleča razelektritev se uporablja v elektrotehniki (napetostni stabilizatorji), v tehnologiji premazov (metoda katodnega brizganja, ki temelji na pojavu katodne korozije). V elektroniki se uporablja za proizvodnjo ionskih in elektronskih žarkov. Znano področje uporabe sijočih razelektritev so fluorescenčne in tako imenovane varčne sijalke ter okrasne neonske in argonske razelektritvene cevi. Poleg tega se žareča razelektritev uporablja v in v spektroskopiji.

Iskriško razelektritev se uporablja v varovalkah, pri elektroerozivnih metodah natančne obdelave kovin (iskreno rezanje, vrtanje itd.). Najbolj pa je znan po uporabi v svečkah motorjev z notranjim zgorevanjem in v gospodinjski aparati(plinske peči).

Obločni razelektritev, ki je bila prvič uporabljena v svetlobni tehniki že leta 1876 (Sveča Jabločkova - "ruska luč"), še vedno služi kot vir svetlobe - na primer v projektorjih in močnih reflektorjih. V elektrotehniki se lok uporablja v živosrebrnih usmernikih. Poleg tega se uporablja pri električnem varjenju, rezanju kovin, industrijskih električnih pečeh za taljenje jekla in zlitin.

Koronska razelektritev najde uporabo v elektrostatičnih filtrih za čiščenje ionskega plina, v metrih elementarni delci, v strelovodih, v klimatskih sistemih. Corona discharge deluje tudi v kopirnih strojih in laserskih tiskalnikih, kjer napolni in izprazni fotoobčutljivi boben ter prenaša prah iz bobna na papir.

Tako se široko uporabljajo plinske razelektritve vseh vrst. Električni tok v plinih se uspešno in učinkovito uporablja na številnih področjih tehnologije.

V normalnih pogojih plini ne prevajajo električne energije, ker so njihove molekule električno nevtralne. Na primer, suh zrak je dober izolator, kar bi lahko preverili s pomočjo najpreprostejših poskusov o elektrostatiki. Zrak in drugi plini pa postanejo prevodniki električnega toka, če se v njih tako ali drugače ustvarijo ioni.

riž. 100. Zrak postane prevodnik električnega toka, če ga ioniziramo

Najenostavnejši poskus, ki ponazarja prevodnost zraka med njegovo ionizacijo s plamenom, je prikazan na sl. 100: Naboj na ploščah, ki ostane dolgo časa, hitro izgine, ko v prostor med ploščami vnesemo prižgano vžigalico.

Plinski izpust. Proces prehajanja električnega toka skozi plin običajno imenujemo plinska razelektritev (ali električna razelektritev v plinu). Plinski izpusti so razdeljeni na dve vrsti: neodvisni in nesamostojni.

Nesamozadostna kategorija. Izpust v plinu se imenuje nesamostojen, če je za njegovo vzdrževanje potreben zunanji vir.

ionizacija. Ioni v plinu lahko nastanejo pod vplivom visokih temperatur, rentgenskega in ultravijoličnega sevanja, radioaktivnosti, kozmičnih žarkov itd. V vseh teh primerih se iz nje sprosti en ali več elektronov elektronska lupina atom ali molekula. Posledično se v plinu pojavijo pozitivni ioni in prosti elektroni. Sproščeni elektroni se lahko pridružijo nevtralnim atomom ali molekulam in jih spremenijo v negativne ione.

Ionizacija in rekombinacija. Poleg procesov ionizacije v plinu se pojavljajo tudi procesi povratne rekombinacije: pri povezovanju med seboj pozitivni in negativni ioni oziroma pozitivni ioni ter elektroni tvorijo nevtralne molekule ali atome.

Spremembo koncentracije ionov s časom zaradi stalnega vira ionizacijskih in rekombinacijskih procesov lahko opišemo takole. Predpostavimo, da ionizacijski vir ustvari pozitivne ione na enoto prostornine plina na enoto časa in enako število elektronov. Če v plinu ni električnega toka in lahko zanemarimo uhajanje ionov iz obravnavane prostornine zaradi difuzije, bo edini mehanizem za zmanjšanje koncentracije ionov rekombinacija.

Rekombinacija se pojavi, ko se pozitivni ion sreča z elektronom. Število takšnih srečanj je sorazmerno tako s številom ionov kot s številom prostih elektronov, torej sorazmerno s . Zato lahko zmanjšanje števila ionov na enoto prostornine na enoto časa zapišemo kot , kjer je a konstantna vrednost, imenovana rekombinacijski koeficient.

Ob veljavnosti uvedenih predpostavk lahko bilančno enačbo za ione v plinu zapišemo v obliki

Te diferencialne enačbe ne bomo rešili v splošni pogled, in razmislite o nekaj zanimivih posebnih primerih.

Najprej opozorimo, da bi se morali procesi ionizacije in rekombinacije čez nekaj časa medsebojno kompenzirati in v plinu se bo vzpostavila stalna koncentracija, razvidno je, da pri

Stacionarna koncentracija ionov je večja, močnejši je ionizacijski vir in manjši je rekombinacijski koeficient a.

Po izklopu ionizatorja je zmanjšanje koncentracije ionov opisano z enačbo (1), v kateri je treba vzeti za začetno vrednost koncentracije

Če to enačbo po integraciji prepišemo v obliki, dobimo

Graf te funkcije je prikazan na sl. 101. To je hiperbola, katere asimptoti sta časovna os in navpična črta. fizični pomen ima le del hiperbole, ki ustreza vrednostim. Upoštevajte počasno naravo zmanjševanja koncentracije s časom v primerjavi s procesi eksponentnega razpada, ki se pogosto srečujemo v fiziki, ki se uresniči, ko je hitrost padanja količine sorazmerno s prvo potenco trenutne vrednosti te količine.

riž. 101. Zmanjšanje koncentracije ionov v plinu po izklopu ionizacijskega vira

Nesamostojna prevodnost. Proces zniževanja koncentracije ionov po prenehanju delovanja ionizatorja se znatno pospeši, če je plin v zunanjem električnem polju. Z vlečenjem elektronov in ionov na elektrode lahko električno polje zelo hitro izniči električno prevodnost plina v odsotnosti ionizatorja.

Da bi razumeli zakonitosti nesamovzdržne razelektritve, poglejmo za preprostost primer, ko tok v plinu, ioniziranem z zunanjim virom, teče med dvema ploščatima elektrodama vzporedno. V tem primeru so ioni in elektroni v enotnem električnem polju jakosti E, ki je enaka razmerju napetosti na elektrodah in razdalje med njima.

Mobilnost elektronov in ionov. Pri konstantni napetosti se v vezju vzpostavi določena konstantna jakost toka 1. To pomeni, da se elektroni in ioni v ioniziranem plinu gibljejo s konstantno hitrostjo. Da bi razložili to dejstvo, moramo domnevati, da poleg konstantne pospeševalne sile električnega polja na premikajoče se ione in elektrone vplivajo uporne sile, ki naraščajo z naraščajočo hitrostjo. Te sile opisujejo povprečni učinek trkov elektronov in ionov z nevtralnimi atomi in molekulami plina. Skozi sile upora

Določene so povprečne konstantne hitrosti elektronov in ionov, sorazmerne z jakostjo E električnega polja:

Koeficienti sorazmernosti se imenujejo mobilnost elektronov in ionov. Mobilnosti ionov in elektronov imajo različne pomene in so odvisni od vrste plina, njegove gostote, temperature itd.

Gostota električnega toka, to je naboj, ki ga prenašajo elektroni in ioni na enoto časa skozi enoto površine, je izražena s koncentracijo elektronov in ionov, njihovim nabojem in hitrostjo enakomernega gibanja.

Kvazi-nevtralnost. V normalnih pogojih je ionizirani plin kot celota električno nevtralen ali, kot pravijo, kvazi-nevtralen, saj je v majhnih količinah, ki vsebujejo relativno majhno število elektronov in ionov, lahko kršen pogoj električne nevtralnosti. To pomeni, da je relacija

Gostota toka pri nesamozadostni razelektritvi. Za pridobitev zakona o spreminjanju koncentracije tokovnih nosilcev s časom med nesamostojnim razelektritvijo v plinu je treba poleg procesov ionizacije z zunanjim virom in rekombinacije upoštevati tudi uhajanje elektronov in ionov na elektrode. Število delcev, ki odidejo na enoto časa na površino elektrode iz prostornine, je enako Hitrost zmanjšanja koncentracije takšnih delcev, dobimo tako, da to število delimo s prostornino plina med elektrodama. Zato bo bilančna enačba namesto (1) ob prisotnosti toka zapisana v obliki

Za določitev režima, ko iz (8) dobimo

Z enačbo (9) je mogoče najti odvisnost gostote stacionarnega toka pri nesamostojnem razelektritvi od uporabljene napetosti (ali od poljske jakosti E).

Neposredno sta vidna dva omejevalna primera.

Ohmov zakon. Pri nizki napetosti, ko lahko v enačbi (9) zanemarimo drugi člen na desni strani, po kateri dobimo formule (7), imamo

Gostota toka je sorazmerna z jakostjo uporabljenega električnega polja. Tako je za nesamovzdržno plinsko razelektritev v šibkih električnih poljih izpolnjen Ohmov zakon.

Tok nasičenja. Pri nizki koncentraciji elektronov in ionov v enačbi (9) lahko zanemarimo prvo (kvadratično glede na člene na desni strani. V tem približku je vektor gostote toka usmerjen vzdolž jakosti električnega polja, njegova modul

ni odvisna od uporabljene napetosti. Ta rezultat velja za močna električna polja. V tem primeru govorimo o toku nasičenja.

Oba obravnavana omejevalna primera je mogoče raziskati brez sklicevanja na enačbo (9). Vendar je na ta način nemogoče izslediti, kako z naraščanjem napetosti pride do prehoda iz Ohmovega zakona v nelinearno odvisnost toka od napetosti.

V prvem omejevalnem primeru, ko je tok zelo majhen, je glavni mehanizem za odstranjevanje elektronov in ionov iz območja razelektritve rekombinacija. Zato lahko za stacionarno koncentracijo uporabimo izraz (2), ki ob upoštevanju (7) takoj daje formulo (10). V drugem omejujočem primeru, nasprotno, je rekombinacija zanemarjena. V močnem električnem polju elektroni in ioni med preletom od ene elektrode do druge nimajo časa, da bi se opazno rekombinirali, če je njihova koncentracija dovolj nizka. Nato vsi elektroni in ioni, ki jih ustvari zunanji vir, dosežejo elektrode in skupna gostota toka je enaka Je sorazmerna dolžini ionizacijske komore, saj je skupno število elektronov in ionov, ki jih proizvaja ionizator, sorazmerno z I.

Eksperimentalna študija razelektritve plina. Sklepe teorije o nesamovzdrževanju plinskega razelektritve potrjujejo poskusi. Za preučevanje razelektritve v plinu je priročno uporabiti stekleno cev z dvema kovinskima elektrodama. Električni tokokrog takšne instalacije je prikazan na sl. 102. Mobilnost

elektroni in ioni so močno odvisni od tlaka plina (obrnjeno sorazmerno s tlakom), zato je priročno izvajati poskuse pri znižanem tlaku.

Na sl. 103 je prikazana odvisnost toka I v cevi od napetosti, ki je dovedena na elektrode cevi.Ionizacijo v cevi lahko ustvarimo npr. z rentgenskim oz. ultravijolični žarki ali s šibko radioaktivno drogo. Bistveno je le, da zunanji vir ionov ostane nespremenjen.

riž. 102. Shema naprave za preučevanje izpusta plina

riž. 103. Eksperimentalna tokovno-napetostna karakteristika plinske razelektritve

V odseku je jakost toka nelinearno odvisna od napetosti. Od točke B tok doseže nasičenost in ostane konstanten za določeno razdaljo. Vse to je skladno s teoretičnimi napovedmi.

Lastni rang. Vendar pa se v točki C tok ponovno začne povečevati, najprej počasi, nato pa zelo močno. To pomeni, da se je v plinu pojavil nov, notranji vir ionov. Če zdaj odstranimo zunanji vir, se izpust v plinu ne ustavi, torej preide iz nesamostojnega izpusta v samostojnega. Pri samopraznjenju nastanejo novi elektroni in ioni kot posledica notranjih procesov v samem plinu.

Ionizacija z elektronskim udarcem. Povečanje toka pri prehodu iz nesamostojnega razelektritve v samostojni se pojavi kot plaz in se imenuje električni razpad plina. Napetost, pri kateri pride do okvare, se imenuje vžigalna napetost. Odvisno je od vrste plina in od produkta tlaka plina in razdalje med elektrodama.

Procesi v plinu, ki so odgovorni za plazovito povečanje jakosti toka z naraščajočo uporabljeno napetostjo, so povezani z ionizacijo nevtralnih atomov ali molekul plina s prostimi elektroni, ki jih električno polje pospeši do zadostne vrednosti.

velike energije. Kinetična energija elektrona pred naslednjim trkom z nevtralnim atomom ali molekulo je sorazmerna jakosti električnega polja E in proste poti elektrona X:

Če ta energija zadostuje za ionizacijo nevtralnega atoma ali molekule, t.j. presega ionizacijsko delo

potem ko elektron trči v atom ali molekulo, so ionizirani. Posledično se namesto enega pojavita dva elektrona. Te pa pospešuje električno polje in ionizira atome ali molekule, ki se srečujejo na svoji poti, itd. Proces se razvija kot plaz in se imenuje elektronski plaz. Opisani ionizacijski mehanizem se imenuje ionizacija z elektronskim udarcem.

Eksperimentalni dokaz, da do ionizacije nevtralnih plinskih atomov prihaja predvsem zaradi udarcev elektronov in ne pozitivnih ionov, je podal J. Townsend. Vzel je ionizacijsko komoro v obliki valjastega kondenzatorja, katerega notranja elektroda je bila tanka kovinska nit, raztegnjena vzdolž osi cilindra. V takšni komori je pospeševalno električno polje zelo nehomogeno, glavno vlogo pri ionizaciji pa imajo delci, ki vstopijo v območje najmočnejšega polja v bližini žarilne nitke. Izkušnje kažejo, da je pri enaki napetosti med elektrodama razelektritveni tok večji, če se pozitivni potencial nanese na žarilno nitko in ne na zunanji cilinder. V tem primeru vsi prosti elektroni, ki ustvarjajo tok, nujno preidejo skozi območje najmočnejšega polja.

Emisija elektronov iz katode. Samozadostna razelektritev je lahko stacionarna le, če se v plinu nenehno pojavljajo novi prosti elektroni, saj vsi elektroni, ki se pojavijo v plazu, dosežejo anodo in se izločijo iz igre. Nove elektrone iz katode izbijejo pozitivni ioni, ki jih ob premikanju proti katodi pospešuje tudi električno polje in pridobijo dovolj energije za to.

Katoda lahko oddaja elektrone ne le zaradi ionskega bombardiranja, temveč tudi neodvisno, ko se segreje na visoko temperaturo. Ta proces se imenuje termoionska emisija, lahko ga obravnavamo kot nekakšno izhlapevanje elektronov iz kovine. Običajno se pojavi pri takšnih temperaturah, ko je izhlapevanje samega katodnega materiala še majhno. V primeru samozadostne plinske razelektritve se katoda običajno segreje brez

filament, kot v vakuumskih ceveh, vendar zaradi sproščanja toplote pri bombardiranju s pozitivnimi ioni. Zato katoda oddaja elektrone tudi takrat, ko energija ionov ni zadostna za izločanje elektronov.

Samozadostna razelektritev v plinu nastane ne le kot posledica prehoda iz nesamozadostne razelektritve z naraščajočo napetostjo in odmikom zunanji vir ionizacijo, pa tudi z neposredno uporabo napetosti, ki presega napetost praga vžiga. Teorija kaže, da najmanjša količina ionov, ki so vedno prisotni v nevtralnem plinu, pa čeprav le zaradi naravnega radioaktivnega ozadja, zadostuje za vžig razelektritve.

Glede na lastnosti in tlak plina, konfiguracijo elektrod in napetost na elektrodah so možne različne vrste samopraznjenja.

Tleči izcedek. Pri nizki tlaki(desetinke in stotinke milimetra živega srebra) v cevi opazimo sijočo razelektritev. Za vžig žarečega razelektritve zadostuje napetost nekaj sto ali celo deset voltov. V sijoči razelektritvi je mogoče razlikovati štiri značilne regije. To so temni katodni prostor, tleči (ali negativni) sij, Faradayev temni prostor in svetlobni pozitivni stolpec, ki zavzema večino prostora med anodo in katodo.

Prve tri regije se nahajajo v bližini katode. Tu pride do močnega padca potenciala, ki je povezan z veliko koncentracijo pozitivnih ionov na meji temnega prostora katode in tlečega sijaja. Elektroni, pospešeni v temnem prostoru katode, povzročajo intenzivno udarno ionizacijo v območju sijanja. Tleči sijaj je posledica rekombinacije ionov in elektronov v nevtralne atome ali molekule. Za pozitivni stolpec razelektritve je značilen rahel padec potenciala in sijaj, ki ga povzročata vrnitev vzbujenih atomov ali molekul plina v osnovno stanje.

Korona razelektritev. Pri razmeroma visokih tlakih v plinu (reda atmosferskega tlaka) v bližini koničastih odsekov prevodnika, kjer je električno polje zelo nehomogeno, opazimo razelektritev, katere svetlobno območje spominja na korono. Včasih se pojavi koronska razelektritev vivo na krošnjah dreves, ladijskih jamborih ipd. (»ognji sv. Elma«). Koronsko razelektritev je treba upoštevati pri visokonapetostnem inženiringu, ko se ta razelektritev pojavi okoli žic visokonapetostnih daljnovodov in vodi do izgub električne energije. Uporabno praktična uporaba koronsko razelektritev najdemo v elektrostatičnih filtrih za čiščenje industrijski plini od nečistoč trdnih in tekočih delcev.

S povečanjem napetosti med elektrodama se koronska razelektritev spremeni v iskro s popolnim razpadom reže med

elektrode. Ima obliko žarka svetlih cikcak razvejanih kanalov, ki v trenutku prodrejo v izpustno režo in se muhasto zamenjajo. Iskriško razelektritev spremlja sproščanje velike količine toplote, svetel modrikasto bel sijaj in močno prasketanje. Opazimo ga lahko med kroglicami elektrofornega stroja. Primer velikanske iskre je naravna strela, kjer trenutna moč doseže 5-105 A, potencialna razlika pa 109 V.

Ker se iskrenje pojavi pri atmosferskem (in višjem) tlaku, je napetost vžiga zelo visoka: v suhem zraku z razdaljo med elektrodama 1 cm je približno 30 kV.

Električni lok. Praktično specifično pomemben pogled samo-plinsko razelektritev je električni lok. Ko prideta dve ogljikovi ali kovinski elektrodi v stik na mestu njunega stika, veliko število toplote zaradi visoke kontaktne odpornosti. Posledično se začne termoionska emisija, in ko se elektrodi med seboj razmaknejo, nastane močno svetleč lok iz zelo ioniziranega, dobro prevodnega plina. Moč toka tudi v majhnem loku doseže nekaj amperov, v velikem pa - nekaj sto amperov pri napetosti približno 50 V. Električni lok se v tehnologiji pogosto uporablja kot močan vir svetlobe, v električnih pečeh in za električno varjenje. . šibko zaviralno polje z napetostjo okoli 0,5 V. To polje preprečuje, da bi počasni elektroni dosegli anodo. Elektrone oddaja katoda K, segreta z električnim tokom.

Na sl. 105 je prikazana odvisnost toka v anodnem vezju od pospeševalne napetosti, pridobljene v teh poskusih.Ta odvisnost ima nemonotoni značaj z maksimumi pri napetostih večkratnik 4,9 V.

Diskretnost ravni atomske energije. To odvisnost toka od napetosti je mogoče razložiti le s prisotnostjo diskretnih stacionarnih stanj v atomih živega srebra. Če atom ne bi imel diskretnih stacionarnih stanj, tj notranja energija lahko prevzame katero koli vrednost, potem lahko pride do neelastičnih trkov, ki jih spremlja povečanje notranje energije atoma pri kateri koli energiji elektrona. Če obstajajo diskretna stanja, so lahko trki elektronov z atomi le elastični, dokler energija elektronov ni zadostna za prenos atoma iz osnovnega stanja v najnižje vzbujeno stanje.

Med elastičnimi trki se kinetična energija elektronov praktično ne spremeni, saj je masa elektrona veliko manjša od mase atoma živega srebra. Pod temi pogoji se število elektronov, ki dosežejo anodo, monotono povečuje z naraščajočo napetostjo. Ko pospeševalna napetost doseže 4,9 V, postanejo trki elektronov z atomi neelastični. Notranja energija atomov se naglo poveča in elektron zaradi trka izgubi skoraj vso svojo kinetično energijo.

Zaviralno polje tudi ne omogoča, da počasni elektroni dosežejo anodo, tok pa se močno zmanjša. Ne izgine samo zato, ker nekateri elektroni dosežejo mrežo, ne da bi doživeli neelastične trke. Drugi in naslednji maksimumi tokovne jakosti so pridobljeni, ker pri napetostih, ki so večkratniki 4,9 V, lahko elektroni na poti do omrežja doživijo več neelastičnih trkov z atomi živega srebra.

Torej elektron pridobi energijo, potrebno za neelastičen trk, šele po prehodu skozi potencialno razliko 4,9 V. To pomeni, da se notranja energija atomov živega srebra ne more spremeniti za količino, manjšo od eV, kar dokazuje diskretnost energijskega spektra atom. Veljavnost tega sklepa potrjuje tudi dejstvo, da pri napetosti 4,9 V začne razelektritev žareti: vzbujeni atomi med spontanim

prehodi v osnovno stanje oddajajo vidno svetlobo, katere frekvenca sovpada s tisto, izračunano po formuli

V klasičnih poskusih Franka in Hertza je metoda elektronskega udarca določila ne le vzbujevalne potenciale, temveč tudi ionizacijske potenciale številnih atomov.

Navedite primer elektrostatičnega poskusa, ki pokaže, da je suh zrak dober izolator.

Kje se uporabljajo izolacijske lastnosti zraka v inženirstvu?

Kaj je nesamozadostna plinska razelektritev? Pod kakšnimi pogoji deluje?

Pojasni, zakaj je hitrost zmanjšanja koncentracije zaradi rekombinacije sorazmerna s kvadratom koncentracije elektronov in ionov. Zakaj lahko te koncentracije štejemo za enake?

Zakaj nima smisla, da zakon padajoče koncentracije, izražen s formulo (3), uvede koncept karakterističnega časa, ki se pogosto uporablja za eksponentno propadajoče procese, čeprav se v obeh primerih procesi na splošno nadaljujejo neskončno dolgo čas?

Zakaj so po vašem mnenju v definicijah mobilnosti v formulah (4) za elektrone in ione izbrani nasprotni znaki?

Kako je jakost toka v nesamostojni plinski razelektritvi odvisna od uporabljene napetosti? Zakaj pride do prehoda iz Ohmovega zakona v tok nasičenja z naraščajočo napetostjo?

Električni tok v plinu izvajajo tako elektroni kot ioni. Na vsako od elektrod pa pridejo naboji samo enega znaka. Kako se to ujema z dejstvom, da je v vseh odsekih zaporednega vezja jakost toka enaka?

Zakaj imajo elektroni in ne pozitivni ioni največjo vlogo pri ionizaciji plina v razelektritvi zaradi trkov?

Opišite značilnosti različne vrste neodvisen izpust plina.

Zakaj rezultati poskusov Franka in Hertza pričajo o diskretnosti energijskih nivojev atomov?

Opišite fizikalni procesi ki se pojavlja v cevi za razelektritev v plinu v poskusih Franka in Hertza, s povečanjem pospeševalne napetosti.

Teme UPORABITE kodifikator : nosilci brezplačnih električnih nabojev v plinih.

V običajnih pogojih so plini sestavljeni iz električno nevtralnih atomov ali molekul; Brezplačnih dajatev v plinih skoraj ni. Zato so plini dielektriki- električni tok ne teče skozi njih.

Rekli smo "skoraj nič", ker je dejansko v plinih in zlasti v zraku vedno določena količina prostih nabitih delcev. Pojavijo se kot posledica ionizirajočega učinka sevanja radioaktivnih snovi, ki sestavljajo zemeljsko skorjo, ultravijoličnega in rentgenski žarki Sonce, pa tudi kozmični žarki - tokovi visokoenergetskih delcev, ki prodirajo v Zemljino atmosfero iz vesolje. Kasneje se bomo vrnili k temu dejstvu in razpravljali o njegovem pomenu, za zdaj pa bomo le ugotovili, da je v normalnih pogojih prevodnost plinov, ki jo povzroča »naravna« količina prostih nabojev, zanemarljiva in jo je mogoče zanemariti.

Delovanje stikal v električnih tokokrogih temelji na izolacijskih lastnostih zračne reže (slika 1). Na primer, majhna zračna reža v stikalu za luč je dovolj, da odprete električni tokokrog v vaši sobi.

riž. 1 ključ

Vendar je mogoče ustvariti takšne pogoje, pod katerimi se bo v plinski reži pojavil električni tok. Poglejmo si naslednjo izkušnjo.

Napolnimo plošče zračnega kondenzatorja in jih povežemo z občutljivim galvanometrom (slika 2, levo). Pri sobna temperatura in v ne preveč vlažnem zraku galvanometer ne bo pokazal opaznega toka: naša zračna reža, kot smo rekli, ni prevodnik elektrike.

riž. 2. Pojav toka v zraku

Zdaj pa pripeljemo plamen gorilnika ali sveče v režo med ploščama kondenzatorja (slika 2, na desni). Pojavi se tok! zakaj?

Brezplačno polnjenje na plin

Pojav električnega toka med ploščami kondenzatorja pomeni, da se je v zraku pod vplivom plamena pojavil brezplačni stroški. Kaj natanko?

Izkušnje kažejo, da je električni tok v plinih urejeno gibanje nabitih delcev. tri vrste. to je elektronov, pozitivni ioni in negativni ioni.

Poglejmo, kako se lahko ti naboji pojavijo v plinu.

Ko se temperatura plina poveča, postanejo toplotne vibracije njegovih delcev - molekul ali atomov - intenzivnejše. Udarci delcev drug ob drugega dosežejo takšno silo, da ionizacija- razpad nevtralnih delcev na elektrone in pozitivne ione (slika 3).

riž. 3. Ionizacija

Stopnja ionizacije je razmerje med številom razpadlih delcev plina in skupnim začetnim številom delcev. Na primer, če je stopnja ionizacije , potem to pomeni, da so prvotni delci plina razpadli na pozitivne ione in elektrone.

Stopnja ionizacije plina je odvisna od temperature in se z njenim dvigom močno poveča. Za vodik, na primer, pri temperaturi pod stopnjo ionizacije ne presega , in pri temperaturi nad stopnjo ionizacije je blizu (to pomeni, da je vodik skoraj popolnoma ioniziran (delno ali popolnoma ioniziran plin se imenuje plazma)).

Poleg visoke temperature obstajajo tudi drugi dejavniki, ki povzročajo ionizacijo plina.

Omenili smo jih že mimogrede: to so radioaktivno sevanje, ultravijolični, rentgenski in gama žarki, kozmični delci. Vsak tak dejavnik, ki povzroči ionizacijo plina, se imenuje ionizator.

Tako se ionizacija ne pojavi sama od sebe, ampak pod vplivom ionizatorja.

Hkrati pa obratni proces rekombinacija, to je ponovna združitev elektrona in pozitivnega iona v nevtralen delec (slika 4).

riž. 4. Rekombinacija

Razlog za rekombinacijo je preprost: to je Coulombova privlačnost nasprotno nabitih elektronov in ionov. Pod vplivom električnih sil hitijo drug proti drugemu, se srečajo in dobijo priložnost, da tvorijo nevtralen atom (ali molekulo - odvisno od vrste plina).

Pri konstantni intenzivnosti delovanja ionizatorja se vzpostavi dinamično ravnovesje: povprečno število razpadajočih delcev na enoto časa je enako povprečnemu številu rekombiniranih delcev (z drugimi besedami, hitrost ionizacije je enaka hitrosti rekombinacije). delovanje ionizatorja se okrepi (na primer temperatura se poveča), nato se bo dinamično ravnotežje premaknilo v smer ionizacije in koncentracija nabitih delcev v plinu se bo povečala. Nasprotno, če izklopite ionizator, bo začela prevladovati rekombinacija in brezplačni naboji bodo postopoma popolnoma izginili.

Tako se kot posledica ionizacije v plinu pojavijo pozitivni ioni in elektroni. Od kod prihaja tretja vrsta nabojev - negativni ioni? Zelo preprosto: elektron lahko prileti v nevtralen atom in se mu pridruži! Ta postopek je prikazan na sl. 5 .

riž. 5. Pojav negativnega iona

Tako nastali negativni ioni bodo skupaj s pozitivnimi ioni in elektroni sodelovali pri ustvarjanju toka.

Nesamoizpraznitev

Če zunanjega električnega polja ni, potem prosti naboji izvajajo kaotično toplotno gibanje skupaj z delci nevtralnega plina. Toda ko se uporabi električno polje, se začne urejeno gibanje nabitih delcev - električni tok v plinu.

riž. 6. Nesamostojen izpust

Na sl. 6 vidimo tri vrste nabitih delcev, ki nastanejo v plinski reži pod delovanjem ionizatorja: pozitivni ioni, negativni ioni in elektroni. Električni tok v plinu nastane kot posledica prihajajočega gibanja nabitih delcev: pozitivni ioni - na negativno elektrodo (katodo), elektroni in negativni ioni - na pozitivno elektrodo (anodo).

Elektroni, ki padejo na pozitivno anodo, se pošljejo vzdolž vezja na "plus" tokovnega vira. Negativni ioni dajo dodaten elektron anodi in se, ko postanejo nevtralni delci, vrnejo v plin; elektron, ki je dan anodi, hiti tudi v "plus" vira. Pozitivni ioni, ki prihajajo na katodo, od tam vzamejo elektrone; posledično pomanjkanje elektronov na katodi se takoj nadomesti z njihovo dostavo tja iz "minusa" vira. Zaradi teh procesov se v zunanjem vezju pojavi urejeno gibanje elektronov. To je električni tok, ki ga zabeleži galvanometer.

Postopek, opisan na sl. 6 se imenuje nesamostojen izpust v plinu. Zakaj odvisen? Zato je za vzdrževanje potrebno trajno delovanje ionizator. Odstranimo ionizator - in tok se bo ustavil, saj bo mehanizem, ki zagotavlja pojav prostih nabojev v plinski reži, izginil. Prostor med anodo in katodo bo spet postal izolator.

Volt-amperska značilnost plinske razelektritve

Odvisnost jakosti toka skozi plinsko režo od napetosti med anodo in katodo (t.i. tokovno-napetostna značilnost plinske razelektritve) je prikazano na sl. 7.

riž. 7. Volt-amperska značilnost plinske razelektritve

Pri ničelni napetosti je moč toka seveda enaka nič: nabiti delci izvajajo samo toplotno gibanje, med elektrodama ni urejenega gibanja.

Pri majhni napetosti je tudi trenutna moč majhna. Dejstvo je, da vsem nabitim delcem ni usojeno priti do elektrod: nekateri pozitivni ioni in elektroni se med gibanjem najdejo in ponovno združijo.

Ko napetost narašča, prosti naboji razvijajo vedno večjo hitrost in manjša je možnost, da se pozitivni ion in elektron srečata in rekombinirata. Zato vse večji del nabitih delcev doseže elektrode in jakost toka se poveča (odsek ).

Pri določeni vrednosti napetosti (točka) postane hitrost polnjenja tako visoka, da do rekombinacije sploh ni časa. Od zdaj naprej vse nabiti delci, ki nastanejo pod delovanjem ionizatorja, dosežejo elektrode, in tok doseže nasičenost- Namreč, jakost toka se z naraščajočo napetostjo preneha spreminjati. To se bo nadaljevalo do določene točke.

samopraznjenje

Po prehodu točke se moč toka močno poveča z naraščajočo napetostjo - se začne neodvisno odvajanje. Zdaj bomo ugotovili, kaj je.

Nabiti delci plina se premikajo od trka do trka; v intervalih med trki jih pospešuje električno polje, kar povečuje njihovo kinetično energijo. In zdaj, ko napetost postane dovolj velika (prav ta točka), elektroni med svojo prosto potjo dosežejo takšne energije, da jih ob trku z nevtralnimi atomi ionizirajo! (Z uporabo zakonov ohranjanja zagona in energije je mogoče pokazati, da imajo elektroni (in ne ioni), ki jih pospešuje električno polje, največjo sposobnost ionizacije atomov.)

Tako imenovani ionizacija z elektronskim udarcem. Elektrone, ki jih izločimo iz ioniziranih atomov, prav tako pospešuje električno polje in zadenejo nove atome, jih zdaj ionizirajo in ustvarijo nove elektrone. Zaradi nastajajočega elektronskega plazu se število ioniziranih atomov hitro povečuje, zaradi česar se hitro povečuje tudi jakost toka.

Število brezplačnih polnjenj postane tako veliko, da odpade potreba po zunanjem ionizatorju. Lahko se preprosto odstrani. Zaradi tega nastajajo prosti nabiti delci domači procesi, ki se pojavljajo v plinu - zato se izpust imenuje neodvisen.

Če je plinska reža pod visoko napetostjo, potem za samopraznjenje ni potreben ionizator. Dovolj je, da v plinu najdemo le en prosti elektron in zgoraj opisani plaz elektronov se bo začel. In vedno bo vsaj en prosti elektron!

Naj spomnimo še enkrat, da je v plinu tudi v normalnih pogojih določena »naravna« količina prostih nabojev zaradi ionizirajočega radioaktivnega sevanja zemeljske skorje, visokofrekvenčnega sevanja Sonca in kozmičnih žarkov. Videli smo, da je pri nizkih napetostih prevodnost plina, ki jo povzročajo ti prosti naboji, zanemarljiva, zdaj pa - pri visoki napetosti - bodo sprožili plaz novih delcev, kar bo povzročilo neodvisen izpust. Zgodilo se bo, kot pravijo zlomiti se plinska vrzel.

Moč polja, potrebna za razgradnjo suhega zraka, je približno kV/cm. Z drugimi besedami, da bi iskra preskočila med elektrodama, ločenima s centimeter zraka, je treba nanje uporabiti kilovoltno napetost. Predstavljajte si, kakšna napetost je potrebna za preboj skozi več kilometrov zraka! Toda ravno takšne okvare se pojavijo med nevihto - to so strele, ki jih dobro poznate.

To je kratek povzetek.

Delo na polni različici se nadaljuje

Predavanje2 1

Tok v plinih

1. Splošne določbe

Opredelitev: Pojav prehoda električnega toka v plinih se imenuje izpust plina.

Obnašanje plinov je močno odvisno od njegovih parametrov, kot sta temperatura in tlak, in ti parametri se dokaj enostavno spreminjajo. Zato je tok električnega toka v plinih bolj zapleten kot v kovinah ali v vakuumu.

Plini ne upoštevajo Ohmovega zakona.

2. Ionizacija in rekombinacija

Plin v normalnih pogojih je sestavljen iz praktično nevtralnih molekul, zato je izredno slab prevodnik električnega toka. Vendar pa lahko pod zunanjimi vplivi od atoma odpade elektron in pojavi se pozitivno nabit ion. Poleg tega se lahko elektron pridruži nevtralnemu atomu in tvori negativno nabit ion. Tako je mogoče dobiti ioniziran plin, t.j. plazma.

Zunanji vplivi vključujejo segrevanje, obsevanje z energijskimi fotoni, bombardiranje z drugimi delci in močna polja, t.j. enaki pogoji, ki so potrebni za elementarno emisijo.

Elektron v atomu je v potencialni vdolbinici in da bi od tam pobegnil, je treba atomu dati dodatno energijo, ki ji pravimo ionizacijska energija.

Snov	Energija ionizacije, eV
atom vodika	13,59
Molekula vodika	15,43
helij	24,58
atom kisika	13,614
molekula kisika	12,06

Ob pojavu ionizacije opazimo tudi pojav rekombinacije, t.j. združitev elektrona in pozitivnega iona v nevtralen atom. Ta proces se pojavi s sproščanjem energije, ki je enaka ionizacijski energiji. To energijo lahko uporabimo za sevanje ali ogrevanje. Lokalno segrevanje plina vodi do lokalne spremembe tlaka. Kar pa vodi do zvočni valovi. Tako plinsko razelektritev spremljajo svetlobni, toplotni in hrupni učinki.

3. CVC plinske razelektritve.

V začetnih fazah je potrebno delovanje zunanjega ionizatorja.

V delu BAW tok obstaja pod delovanjem zunanjega ionizatorja in hitro doseže nasičenost, ko vsi ionizirani delci sodelujejo v trenutni generaciji. Če odstranite zunanji ionizator, se tok ustavi.

Ta vrsta praznjenja se imenuje nesamostojna plinska razelektritev. Ko poskušate povečati napetost v plinu, se pojavi plaz elektronov, tok pa se poveča pri skoraj konstantni napetosti, ki se imenuje vžigalna napetost (BC).

Od tega trenutka dalje postane razelektritev neodvisna in ni potrebe po zunanjem ionizatorju. Število ionov lahko postane tako veliko, da se upor medelektrodne reže zmanjša in s tem pade napetost (SD).

Nato se v medelektrodni reži začne območje prehoda toka zožiti, upor pa se poveča in posledično se poveča napetost (DE).

Ko poskušate povečati napetost, postane plin popolnoma ioniziran. Upornost in napetost padeta na nič, tok pa se večkrat poveča. Izkazalo se je obločno razelektritev (EF).

CVC kaže, da plin sploh ne upošteva Ohmovega zakona.

4. Procesi v plinu