Ovo je kratak sažetak.
Rad na punoj verziji se nastavlja
Predavanje2 1
Struja u plinovima
1. Opće odredbe
Definicija: Pojava prolaska električne struje kroz plinove naziva se plinsko pražnjenje.
Ponašanje plinova jako ovisi o njegovim parametrima, kao što su temperatura i tlak, a ti se parametri vrlo lako mijenjaju. Stoga je tijek električne struje u plinovima složeniji nego u metalima ili u vakuumu.
Plinovi se ne pokoravaju Ohmovom zakonu.
2. Ionizacija i rekombinacija
Plin na normalnim uvjetima, sastoji se od praktički neutralnih molekula, stoga vrlo slabo provodi struja. Međutim, pod vanjskim utjecajima, elektron se može otrgnuti od atoma i pojaviti se pozitivno nabijen ion. Osim toga, elektron se može vezati za neutralni atom i formirati negativno nabijen ion. Na taj način moguće je dobiti ionizirani plin, tj. plazma.
Vanjski utjecaji uključuju zagrijavanje, zračenje energetskim fotonima, bombardiranje drugim česticama i jakim poljima, tj. iste uvjete koji su potrebni za elementarnu emisiju.
Elektron u atomu nalazi se u potencijalnoj jami, a da bi iz nje pobjegao, atomu se mora dati dodatna energija, koja se naziva energija ionizacije.
|
Supstanca |
Energija ionizacije, eV |
|
Atom vodika |
13,59 |
|
Molekula vodika |
15,43 |
|
Helij |
24,58 |
|
atom kisika |
13,614 |
|
molekula kisika |
12,06 |
Uz pojavu ionizacije uočava se i pojava rekombinacije, tj. kombinacija elektrona i pozitivnog iona u neutralni atom. Taj se proces odvija uz oslobađanje energije jednake energiji ionizacije. Ta se energija može koristiti za zračenje ili grijanje. Lokalno zagrijavanje plina dovodi do lokalne promjene tlaka. Što zauzvrat dovodi do pojave zvučni valovi. Dakle, plinsko pražnjenje je popraćeno svjetlosnim, toplinskim i šumnim efektima.
3. Strujno-naponske karakteristike plinskog izboja.
Na početne faze potreban je vanjski ionizator.
U odjeljku OAW struja postoji pod utjecajem vanjskog ionizatora i brzo dolazi do zasićenja kada sve ionizirane čestice sudjeluju u stvaranju struje. Ako uklonite vanjski ionizator, struja prestaje.
Ova vrsta pražnjenja naziva se nesamoodrživo plinsko pražnjenje. Kada pokušate povećati napon u plinu, pojavljuju se lavine elektrona, a struja raste pri gotovo konstantnom naponu, što se naziva napon paljenja (IC).
Od tog trenutka pražnjenje postaje neovisno i nema potrebe za vanjskim ionizatorom. Broj iona može postati toliki da se otpor međuelektrodnog razmaka smanji i napon (VSD) u skladu s tim opadne.
Zatim se u međuelektrodnom procjepu počinje sužavati područje prolaska struje, povećava se otpor, a time i napon (MU).
Kada pokušate povećati napon, plin postaje potpuno ioniziran. Otpor i napon padaju na nulu, a struja se višestruko povećava. Rezultat je lučno pražnjenje (EF).
Strujno-naponska karakteristika pokazuje da plin uopće ne poštuje Ohmov zakon.
4. Procesi u plinu
Procesi koji mogu dovode do stvaranja prikazanih elektronskih lavina na slici.
To su elementi Townsendove kvalitativne teorije.
5. Sjajno pražnjenje.
Na niski pritisci a kod niskih napona to se pražnjenje može uočiti.
K – 1 (tamni Astonov prostor).
1 – 2 (svjetleći katodni film).
2 – 3 (tamni Crookesov prostor).
3 – 4 (prvi žar katode).
4 – 5 (tamni Faradayev prostor)
5 – 6 (kolona pozitivne anode).
6 – 7 (tamni prostor anode).
7 – A (anodni sjaj).
Ako anodu učinite pokretnom, tada se duljina pozitivnog stupca može podesiti bez praktičke promjene dimenzija područja K – 5.
U tamnim područjima čestice se ubrzavaju i dobivaju energiju, au svijetlim područjima odvijaju se procesi ionizacije i rekombinacije.
Sažetak o fizici
na temu:
"Električna struja u plinovima."
Električna struja u plinovima.
1. Električno pražnjenje u plinovima.
Svi plinovi u svom prirodnom stanju ne provode struju. Kao što se može vidjeti iz sljedećeg iskustva:
Uzmimo elektrometar na koji su pričvršćene pločice ravnog kondenzatora i napunimo ga. Na sobnoj temperaturi, ako je zrak dovoljno suh, kondenzator se ne prazni značajno - položaj igle elektrometra se ne mijenja. Da biste primijetili smanjenje kuta otklona igle elektrometra, trebate Dugo vrijeme. To pokazuje da je električna struja u zraku između diskova vrlo mala. Ovo iskustvo pokazuje da je zrak loš vodič električne struje.
Modificirajmo pokus: zagrijte zrak između diskova plamenom alkoholne lampe. Tada se kut otklona igle elektrometra brzo smanjuje, tj. razlika potencijala između diskova kondenzatora se smanjuje – kondenzator se prazni. Zbog toga je zagrijani zrak između diskova postao vodič, te se u njemu uspostavlja električna struja.
Izolacijska svojstva plinova objašnjavaju se činjenicom da nemaju slobodnih električnih naboja: atomi i molekule plinova u svom su prirodnom stanju neutralni.
2. Ionizacija plinova.
Gore opisano iskustvo pokazuje da se nabijene čestice pojavljuju u plinovima pod utjecajem visoke temperature. Nastaju zbog odvajanja jednog ili više elektrona od atoma plina, zbog čega se umjesto neutralnog atoma pojavljuju pozitivni ion i elektroni. Neki od nastalih elektrona mogu biti uhvaćeni od strane drugih neutralnih atoma, a zatim će se pojaviti više negativnih iona. Raspad molekula plina na elektrone i pozitivne ione naziva se ionizacija plinova.
Zagrijavanje plina na visoku temperaturu nije jedini način ionizacije molekula ili atoma plina. Do ionizacije plina može doći pod utjecajem različitih vanjskih interakcija: jakog zagrijavanja plina, X-zraka, a-, b- i g-zraka koje nastaju radioaktivnim raspadom, kozmičkih zraka, bombardiranja molekula plina brzim elektronima ili ionima. Čimbenici koji uzrokuju ionizaciju plina nazivaju se ionizatori. Kvantitativne karakteristike proces ionizacije služi intenzitet ionizacije, mjereno brojem parova nabijenih čestica suprotnog predznaka koje nastaju u jedinici volumena plina u jedinici vremena.
Ionizacija atoma zahtijeva utrošak određene energije – energije ionizacije. Za ionizaciju atoma (ili molekule) potrebno je izvršiti rad protiv sila interakcije između izbačenog elektrona i preostalih čestica atoma (ili molekule). Taj se rad naziva ionizacijski rad A i. Količina ionizacijskog rada ovisi o kemijskoj prirodi plina i energetskom stanju izbačenog elektrona u atomu ili molekuli.
Nakon što ionizator prestane raditi, broj iona u plinu se s vremenom smanjuje i na kraju ioni potpuno nestaju. Nestanak iona objašnjava se činjenicom da ioni i elektroni sudjeluju u toplinskom gibanju i zbog toga se sudaraju jedni s drugima. Kada se pozitivni ion i elektron sudare, mogu se ponovno ujediniti u neutralni atom. Slično, kada se pozitivni i negativni ion sudare, negativni ion može prepustiti svoj višak elektrona pozitivnom ionu i oba će iona postati neutralni atomi. Taj proces međusobne neutralizacije iona naziva se rekombinacija iona. Kada se pozitivni ion i elektron ili dva iona rekombiniraju, oslobađa se određena energija jednaka energiji utrošenoj na ionizaciju. Djelomično se emitira u obliku svjetlosti, pa je rekombinacija iona popraćena sjajem (rekombinacijski sjaj).
U pojavama električnog pražnjenja u plinovima važnu ulogu ima ionizacija atoma udarima elektrona. Taj se proces sastoji u tome da elektron koji se kreće s dovoljnom kinetičkom energijom, pri sudaru s neutralnim atomom, izbaci iz njega jedan ili više atomskih elektrona, uslijed čega se neutralni atom pretvara u pozitivan ion, a pojavljuju se novi elektroni. u plinu (o tome će biti riječi kasnije).
Donja tablica daje energije ionizacije nekih atoma.
3. Mehanizam električne vodljivosti plinova.
Mehanizam vodljivosti plinova sličan je mehanizmu vodljivosti otopina i talina elektrolita. U nedostatku vanjskog polja, nabijene čestice, poput neutralnih molekula, gibaju se kaotično. Ako se ioni i slobodni elektroni nađu u vanjskom električnom polju, tada se počinju kretati smjerom i stvarati električnu struju u plinovima.
Dakle, električna struja u plinu predstavlja usmjereno kretanje pozitivnih iona prema katodi, te negativni ioni a elektroni na anodu. Ukupna struja u plinu sastoji se od dva toka nabijenih čestica: toka koji ide prema anodi i toka usmjerenog prema katodi.
Neutralizacija nabijenih čestica događa se na elektrodama, kao kod prolaska električne struje kroz otopine i taline elektrolita. Međutim, u plinovima ne dolazi do oslobađanja tvari na elektrodama, kao što je to slučaj u otopinama elektrolita. Ioni plina, približavajući se elektrodama, daju im svoje naboje, pretvaraju se u neutralne molekule i difundiraju natrag u plin.
Još jedna razlika u električnoj vodljivosti ioniziranih plinova i otopina elektrolita (talina) je da negativni naboj kada struja prolazi kroz plinove primarno ne nose negativni ioni, već elektroni, iako vodljivost zbog negativnih iona također može igrati ulogu.
Dakle, plinovi kombiniraju elektronsku vodljivost, sličnu onoj kod metala, s ionskom vodljivošću, sličnom vodljivosti vodene otopine i taline elektrolita.
4. Nesamoodrživo plinsko pražnjenje.
Proces prolaska električne struje kroz plin naziva se plinsko pražnjenje. Ako električnu vodljivost plina stvaraju vanjski ionizatori, tada se električna struja koja u njemu nastaje naziva neodrživo plinsko pražnjenje. Prestankom djelovanja vanjskih ionizatora prestaje i nesamostalno pražnjenje. Nesamoodrživo plinsko pražnjenje nije popraćeno sjajem plina.
Ispod je grafikon ovisnosti struje o naponu tijekom nesamoodrživog pražnjenja u plinu. Za iscrtavanje grafa korištena je staklena cijev s dvije metalne elektrode zatvorene u staklo. Lanac je sastavljen kako je prikazano na slici ispod.
Pri određenom naponu dolazi trenutak u kojem sve nabijene čestice koje ionizator formira u plinu u sekundi stignu do elektroda za isto vrijeme. Daljnji porast napona više ne može dovesti do povećanja broja prenesenih iona. Struja dostiže zasićenje (vodoravni dio grafikona 1).
5. Samostalno plinsko pražnjenje.
Naziva se električno pražnjenje u plinu koje traje nakon što vanjski ionizator prestane raditi neovisno plinsko pražnjenje. Za njegovu provedbu potrebno je da se kao rezultat samog pražnjenja u plinu kontinuirano stvaraju slobodni naboji. Glavni izvor njihove pojave je udarna ionizacija molekula plina.
Ako nakon postizanja zasićenja nastavimo povećavati razliku potencijala između elektroda, tada će jakost struje pri dovoljno visokom naponu početi naglo rasti (grafikon 2).
To znači da se u plinu pojavljuju dodatni ioni koji nastaju djelovanjem ionizatora. Jakost struje može se povećati stotinama i tisućama puta, a broj nabijenih čestica koje nastaju tijekom procesa pražnjenja može postati toliki da vanjski ionizator više neće biti potreban za održavanje pražnjenja. Stoga se ionizator sada može ukloniti.
Koji su razlozi za nagli porast struje pri visokim naponima? Razmotrimo bilo koji par nabijenih čestica (pozitivni ion i elektron) koji nastaje djelovanjem vanjskog ionizatora. Tako nastali slobodni elektron počinje se kretati prema pozitivnoj elektrodi – anodi, a pozitivni ion – prema katodi. Na svom putu elektron susreće ione i neutralne atome. U intervalima između dva uzastopna sudara energija elektrona raste zbog rada sila električnog polja.
 |
Što je veća razlika potencijala između elektroda, veća je jakost električnog polja. Kinetička energija elektrona prije sljedećeg sudara proporcionalna je jakosti polja i srednjem slobodnom putu elektrona: MV 2 /2=eEl. Ako kinetička energija elektrona premašuje rad A i koji se mora obaviti da se ionizira neutralni atom (ili molekula), tj. MV 2 >A i, tada kada se elektron sudari s atomom (ili molekulom), on se ionizira. Kao rezultat toga, umjesto jednog elektrona, pojavljuju se dva (jedan koji udara u atom i jedan koji se istrže iz atoma). Oni, zauzvrat, primaju energiju u polju i ioniziraju nadolazeće atome, itd. Kao rezultat toga, broj nabijenih čestica se brzo povećava i dolazi do lavine elektrona. Opisani proces naziva se ionizacija udarom elektrona.
Ali sama ionizacija udarom elektrona ne može osigurati održavanje neovisnog naboja. Dapače, svi tako generirani elektroni kreću se prema anodi i dolaskom na anodu “eliminiraju se iz igre”. Da bi se održalo pražnjenje, elektroni moraju biti emitirani s katode ("emisija" znači "emisija"). Emisija elektrona može biti posljedica nekoliko razloga.
Pozitivni ioni nastali tijekom sudara elektrona s neutralnim atomima, kada se kreću prema katodi, poprimaju veliku kinetička energija. Kada takvi brzi ioni udare u katodu, elektroni se izbace s površine katode.
Osim toga, katoda može emitirati elektrone kada se zagrije na visoke temperature. Ovaj proces se zove termionska emisija. Može se zamisliti kao isparavanje elektrona iz metala. U mnogim čvrste tvari Termionska emisija javlja se na temperaturama pri kojima je isparavanje same tvari još uvijek malo. Takve se tvari koriste za izradu katoda.
Tijekom samopražnjenja može doći do zagrijavanja katode zbog njenog bombardiranja pozitivnim ionima. Ako energija iona nije prevelika, elektroni se ne izbacuju s katode i elektroni se emitiraju zbog termoemisije.
6. Razne vrste samopražnjenja i njihova tehnička primjena.
Ovisno o svojstvima i stanju plina, prirodi i položaju elektroda, kao i o naponu koji se primjenjuje na elektrode, različite vrste neovisno pražnjenje. Pogledajmo neke od njih.
A. Sjajno pražnjenje.
Sjajno pražnjenje opaža se u plinovima pri niskim tlakovima reda veličine nekoliko desetaka milimetara živinog stupca ili manje. Ako uzmemo u obzir cijev s tinjajućim izbojem, možemo vidjeti da su glavni dijelovi tinjajućeg izboja katodni tamni prostor, oštro udaljen od njega negativan, ili tinjajući sjaj, koja se postupno seli u područje Faradayev tamni prostor. Ova tri područja tvore katodni dio izboja, nakon čega slijedi glavni svjetlosni dio izboja, koji određuje njegova optička svojstva i naziva se pozitivni stupac.
Glavnu ulogu u održavanju tinjajućeg pražnjenja imaju prva dva područja njegovog katodnog dijela. Karakteristična značajka ova vrsta pražnjenja je oštri pad potencijal u blizini katode, što je povezano s visokom koncentracijom pozitivnih iona na granici područja I i II, zbog relativno niske brzine kretanja iona u blizini katode. U tamnom prostoru katode dolazi do snažnog ubrzanja elektrona i pozitivnih iona, izbacujući elektrone iz katode. U području tinjajućeg sjaja elektroni proizvode intenzivnu udarnu ionizaciju molekula plina i gube svoju energiju. Ovdje nastaju pozitivni ioni potrebni za održavanje pražnjenja. Jakost električnog polja u ovoj regiji je niska. Sjaj je uglavnom uzrokovan rekombinacijom iona i elektrona. Opseg katodnog tamnog prostora određen je svojstvima plina i materijala katode.
U području pozitivnog stupca koncentracija elektrona i iona je približno jednaka i vrlo visoka, što uzrokuje visoku električnu vodljivost pozitivnog stupca i blagi pad potencijala u njemu. Sjaj pozitivnog stupca određen je sjajem pobuđenih molekula plina. U blizini anode ponovno se opaža relativno oštra promjena potencijala, povezana s procesom stvaranja pozitivnih iona. U nekim slučajevima, pozitivni stupac se raspada u odvojena svjetleća područja - slojevi, odvojene tamnim prostorima.
Pozitivni stupac ne igra značajnu ulogu u održavanju tinjajućeg pražnjenja, stoga, kada se udaljenost između elektroda cijevi smanji, duljina pozitivnog stupca se smanjuje i može potpuno nestati. Drugačija je situacija s duljinom katodnog tamnog prostora, koja se ne mijenja kada se elektrode približe jedna drugoj. Ako se elektrode toliko približe da udaljenost između njih postane manja od duljine katodnog tamnog prostora, tada će tinjajuće pražnjenje u plinu prestati. Eksperimenti pokazuju da je, pod jednakim uvjetima, duljina d katodnog tamnog prostora obrnuto proporcionalna tlaku plina. Posljedično, pri dovoljno niskim tlakovima, elektroni izbačeni iz katode pozitivnim ionima prolaze kroz plin gotovo bez sudara s njegovim molekulama, tvoreći elektronička, ili katodne zrake .
Užareno pražnjenje koristi se u plinskim svjetlosnim cijevima, fluorescentnim svjetiljkama, stabilizatorima napona i za proizvodnju elektronskih i ionskih zraka. Ako se u katodi napravi prorez, uske ionske zrake, često tzv kanalne grede.Široko korišten fenomen katodno raspršivanje, tj. uništavanje površine katode pod djelovanjem pozitivnih iona koji je udaraju. Ultramikroskopski fragmenti katodnog materijala lete u svim smjerovima u ravnim crtama i tankim slojem prekrivaju površinu tijela (osobito dielektrika) smještenih u cijevi. Na taj se način izrađuju zrcala za brojne uređaje, a na selenske fotoćelije nanosi se tanki sloj metala.
B. Koronsko pražnjenje.
Koronsko pražnjenje nastaje kada normalan pritisak u plinu koji se nalazi u vrlo nehomogenom električnom polju (na primjer, u blizini vrhova ili žica visokonaponskih vodova). Tijekom koronskog pražnjenja, ionizacija plina i sjaj se javljaju samo u blizini koronskih elektroda. U slučaju katodne korone (negativna korona), elektroni koji uzrokuju udarnu ionizaciju molekula plina bivaju izbačeni iz katode kada su bombardirani pozitivnim ionima. Ako je anoda krunisana (pozitivna korona), tada dolazi do stvaranja elektrona zbog fotoionizacije plina u blizini anode. Korona je štetna pojava praćena curenjem struje i gubitkom električne energije. Kako bi se smanjilo oštećenje koronom, radijus zakrivljenosti vodiča je povećan, a njihova površina je što glatkija. Pri dovoljno visokom naponu između elektroda koronsko pražnjenje prelazi u iskričasto pražnjenje.
Pri povećanom naponu, koronsko pražnjenje na vrhu poprima oblik svjetlosnih linija koje izlaze iz vrha i izmjenjuju se u vremenu. Ove linije, koje imaju niz pregiba i zavoja, tvore privid četke, zbog čega se takav iscjedak naziva karpalni .
Nabijeni grmljavinski oblak inducira električne naboje suprotnog predznaka na površini Zemlje ispod sebe. Posebno veliki naboj nakuplja se na vrhovima. Stoga, prije ili tijekom grmljavinske oluje, čunjici svjetla nalik kićankama često bljeskaju na vrhovima i oštrim kutovima visoko uzdignutih predmeta. Od davnina se ovaj sjaj naziva vatrama svetog Elma.
Ovom fenomenu posebno često svjedoče penjači. Ponekad su ne samo metalni predmeti, već i vrhovi kose na glavi ukrašeni malim svjetlećim resama.
Koronsko pražnjenje mora se uzeti u obzir kada se radi o visokom naponu. Ako postoje izbočeni dijelovi ili vrlo tanke žice, može doći do koronskog pražnjenja. To dovodi do curenja struje. Što je veći napon visokonaponskog voda, to žice trebaju biti deblje.
C. Iskreće pražnjenje.
Iskreće pražnjenje ima izgled svijetlih cik-cak razgranatih niti-kanala koji prodiru kroz pražnjenje i nestaju, zamijenjeni novima. Istraživanja su pokazala da kanali iskričastog pražnjenja počinju rasti, ponekad od pozitivne elektrode, ponekad od negativne, a ponekad od neke točke između elektroda. To se objašnjava činjenicom da se ionizacija udarom u slučaju pražnjenja iskre ne događa u cijelom volumenu plina, već kroz pojedinačne kanale koji prolaze na onim mjestima u kojima se koncentracija iona slučajno pokaže najvišom. Pražnjenje iskre prati otpuštanje velika količina toplina, sjajni plinski sjaj, pucketanje ili grmljavina. Svi ovi fenomeni uzrokovani su lavinama elektrona i iona koji se javljaju u kanalima iskre i dovode do ogromnog porasta tlaka, koji doseže 10 7 ¸ 10 8 Pa, i porasta temperature do 10 000 °C.
Tipičan primjer iskričastog pražnjenja je munja. Glavni kanal munje ima promjer od 10 do 25 cm, a duljina munje može doseći nekoliko kilometara. Maksimalna snaga Struja munje doseže desetke i stotine tisuća ampera.
Kada je razmak pražnjenja kratak, iskričasto pražnjenje uzrokuje specifično razaranje anode, tzv. erozija. Ovaj fenomen korišten je u metodi električne iskre za rezanje, bušenje i druge vrste precizne obrade metala.
Iskrište se koristi kao prenaponski osigurač u električni vodovi prijenosa (na primjer, u telefonskim linijama). Ako u blizini voda prolazi jaka kratkotrajna struja, tada se u žicama ovog voda induciraju naponi i struje koji mogu uništiti električnu instalaciju i opasni su po život ljudi. Da bi se to izbjeglo, koriste se posebni osigurači, koji se sastoje od dvije zakrivljene elektrode, od kojih je jedna spojena na liniju, a druga je uzemljena. Ako se potencijal voda u odnosu na zemlju jako poveća, tada između elektroda dolazi do iskrićeg pražnjenja, koje se zajedno s njime zagrijanim zrakom diže, produljuje i prekida.
Konačno, električna iskra se koristi za mjerenje velikih potencijalnih razlika odvodnik kuglice, čije su elektrode dvije metalne kuglice s poliranom površinom. Kuglice se razmaknu i na njih se primijeni izmjerena razlika potencijala. Zatim se kuglice približavaju jedna drugoj dok između njih ne preskoči iskra. Znajući promjer kuglica, udaljenost između njih, tlak, temperaturu i vlažnost zraka, pronađite razliku potencijala između kuglica pomoću posebnih tablica. Ovom metodom mogu se mjeriti potencijalne razlike reda desetaka tisuća volti s točnošću od nekoliko postotaka.
D. Lučno pražnjenje.
Lučno pražnjenje otkrio je V. V. Petrov 1802. godine. Ovo pražnjenje je jedan od oblika plinskog pražnjenja, koji se izvodi pri visokoj gustoći struje i relativno niskom naponu između elektroda (reda nekoliko desetaka volti). Glavni uzrok lučnog izboja je intenzivna emisija termoelektrona s vruće katode. Ovi elektroni se ubrzavaju električnim poljem i proizvode udarnu ionizaciju molekula plina, zbog čega električni otpor Plinski razmak između elektroda je relativno mali. Ako smanjite otpor vanjskog kruga i povećate struju pražnjenja luka, tada će se vodljivost plinskog raspora toliko povećati da se napon između elektroda smanji. Stoga kažu da lučno pražnjenje ima padajuću strujno-naponsku karakteristiku. Pri atmosferskom tlaku temperatura katode doseže 3000 °C. Elektroni bombardiraju anodu, stvarajući u njoj udubinu (krater) i zagrijavajući je. Temperatura kratera je oko 4000 °C, a pri visokim tlakovima zraka doseže 6000-7000 °C. Temperatura plina u kanalu lučnog pražnjenja doseže 5000-6000 °C, pa u njemu dolazi do intenzivne toplinske ionizacije.
U nekim slučajevima, lučno pražnjenje se opaža pri relativno niskoj temperaturi katode (na primjer, u žarulji sa živinim lukom).
Godine 1876. P. N. Yablochkov je prvi upotrijebio električni luk kao izvor svjetlosti. U “Jabločkovljevoj svijeći” ugljen je bio poredan paralelno i odvojen zakrivljenim slojem, a njihovi su krajevi bili spojeni vodljivim “mostom za paljenje”. Kad je struja uključena, most za paljenje je izgorio i između ugljena se stvorio električni luk. Kako je ugljen izgarao, izolacijski sloj je isparavao.
Lučno pražnjenje se i danas koristi kao izvor svjetlosti, primjerice u reflektorima i projekcijskim uređajima.
Toplina lučno pražnjenje omogućuje da se koristi za izgradnju elektrolučne peći. Trenutno se lučne peći, napajane vrlo velikom strujom, koriste u nizu industrija: za taljenje čelika, lijevanog željeza, ferolegura, bronce, za proizvodnju kalcijevog karbida, dušikovog oksida itd.
Godine 1882. N. N. Benardos prvi je upotrijebio lučno pražnjenje za rezanje i zavarivanje metala. Pražnjenje između nepokretne ugljične elektrode i metala zagrijava spoj dva metalna lista (ili ploče) i zavaruje ih. Benardos je koristio istu metodu za rezanje metalnih ploča i stvaranje rupa u njima. Godine 1888. N. G. Slavyanov poboljšao je ovu metodu zavarivanja, zamijenivši ugljičnu elektrodu metalnom.
Lučno pražnjenje našlo je primjenu u živinom ispravljaču, koji pretvara izmjeničnu električnu struju u istosmjernu.
E. Plazma.
Plazma je djelomično ili potpuno ionizirani plin u kojem su gustoće pozitivne i negativni naboji gotovo identične. Dakle, plazma kao cjelina je električki neutralan sustav.
Kvantitativna karakteristika plazme je stupanj ionizacije. Stupanj ionizacije plazme a je omjer volumne koncentracije nabijenih čestica prema ukupnoj volumnoj koncentraciji čestica. Ovisno o stupnju ionizacije plazma se dijeli na slabo ionizirani(a je djelić postotka), djelomično ioniziran (a je reda veličine nekoliko postotaka) i potpuno ioniziran (a je blizu 100%). Slabo ionizirana plazma u prirodnim uvjetima su gornji slojevi atmosfere – ionosfera. Sunce, vruće zvijezde i neki međuzvjezdani oblaci potpuno su ionizirana plazma koja nastaje na visokim temperaturama.
Prosječne energije različitih vrsta čestica koje čine plazmu mogu se značajno razlikovati jedna od druge. Stoga se plazma ne može karakterizirati jednom temperaturnom vrijednošću T; razlikovati elektronska temperatura T e, temperatura iona T i (ili temperature iona ako plazma sadrži ione više vrsta) i temperatura neutralnih atoma T a (neutralna komponenta). Takva se plazma naziva neizotermnom, za razliku od izotermne plazme, u kojoj su temperature svih komponenti iste.
Plazma se također dijeli na visokotemperaturnu (T i » 10 6 -10 8 K i više) i niskotemperaturnu!!! (T i<=10 5 К). Это условное разделение связано с особой влажностью высокотемпературной плазмы в связи с проблемой осуществления управляемого термоядерного синтеза.
Plazma ima niz specifičnih svojstava, što nam omogućuje da je smatramo posebnim četvrtim agregatnim stanjem.
Zbog velike pokretljivosti nabijene čestice plazme lako se kreću pod utjecajem električnih i magnetskih polja. Stoga se svako narušavanje električne neutralnosti pojedinih područja plazme uzrokovano nakupljanjem čestica istog predznaka naboja brzo uklanja. Rezultirajuća električna polja pokreću nabijene čestice sve dok se električna neutralnost ne uspostavi i električno polje ne postane nula. Za razliku od neutralnog plina, među čijim molekulama postoje sile kratkog dometa, između nabijenih čestica plazme djeluju Coulombove sile koje relativno sporo opadaju s udaljenošću. Svaka čestica istodobno djeluje s velikim brojem okolnih čestica. Zbog toga, uz kaotično toplinsko gibanje, čestice plazme mogu sudjelovati u nizu uređenih kretanja. U plazmi se lako pobuđuju različite vrste oscilacija i valova.
Vodljivost plazme raste kako se povećava stupanj ionizacije. Na visokim temperaturama, potpuno ionizirana plazma se svojom vodljivošću približava supravodičima.
Niskotemperaturna plazma koristi se u izvorima svjetlosti s izbojem u plinu - u svjetlećim cijevima za reklamne natpise, u fluorescentnim svjetiljkama. Svjetiljke s izbojem u plinu koriste se u mnogim uređajima, na primjer, u plinskim laserima - kvantnim izvorima svjetlosti.
Visokotemperaturna plazma koristi se u magnetohidrodinamičkim generatorima.
Nedavno je stvoren novi uređaj - plazmatron. Plazma plamenik stvara snažne mlazove guste niskotemperaturne plazme, koji se široko koriste u raznim područjima tehnologije: za rezanje i zavarivanje metala, bušenje bušotina u tvrdim stijenama itd.
Popis korištene literature:
1) Fizika: Elektrodinamika. 10-11 razredi: udžbenik. za produbljeni studij fizike/G. Y. Myakishev, A. Z. Sinyakov, B. A. Slobodskov. – 2. izdanje – M.: Bustard, 1998. – 480 str.
2) Tečaj fizike (u tri sveska). T. II. Elektricitet i magnetizam. Udžbenik priručnik za fakultete./Detlaf A.A., Yavorsky B.M., Milkovskaya L.B. Ed. 4., revidirano – M.: Viša škola, 1977. – 375 str.
3) Električna energija./E. G. Kalašnjikov. ur. "Nauka", Moskva, 1977.
4) Fizika./B. B. Bukhovtsev, Yu. L. Klimontovich, G. Ya. Myakishev. 3. izdanje, revidirano. – M.: Obrazovanje, 1986.
1. Ionizacija, njezina suština i vrste.
Prvi uvjet za postojanje električne struje je prisutnost slobodnih nositelja naboja. U plinovima nastaju kao rezultat ionizacije. Pod utjecajem faktora ionizacije dolazi do odvajanja elektrona od neutralne čestice. Atom postaje pozitivan ion. Tako nastaju 2 vrste nositelja naboja: pozitivni ion i slobodni elektron. Ako se elektron pridruži neutralnom atomu, pojavljuje se negativan ion, tj. treća vrsta nositelja naboja. Ionizirani plin naziva se vodič treće vrste. Ovdje su moguće dvije vrste vodljivosti: elektronska i ionska. Istodobno s procesima ionizacije odvija se i obrnuti proces – rekombinacija. Za odvajanje elektrona od atoma potrebno je utrošiti energiju. Ako se energija dovodi izvana, tada se čimbenici koji potiču ionizaciju nazivaju vanjski (visoka temperatura, ionizirajuće zračenje, ultraljubičasto zračenje, jaka magnetska polja). Ovisno o čimbenicima ionizacije, naziva se toplinska ionizacija ili fotoionizacija. Ionizacija također može biti uzrokovana mehaničkim udarom. Čimbenike ionizacije dijelimo na prirodne i umjetne. Prirodno je uzrokovano zračenjem Sunca i radioaktivnom pozadinom Zemlje. Uz vanjsku ionizaciju postoji i unutarnja ionizacija. Dijeli se na šok i korak.
Udarna ionizacija.
Pri dovoljno visokom naponu, elektroni ubrzani poljem do velikih brzina sami postaju izvor ionizacije. Kada takav elektron udari neutralni atom, elektron biva izbačen iz atoma. To se događa kada energija elektrona koji uzrokuje ionizaciju premašuje energiju ionizacije atoma. Napon između elektroda mora biti dovoljan da elektron dobije potrebnu energiju. Ovaj napon se naziva napon ionizacije. Za svakoga ima svoje značenje.
Ako je energija gibajućeg elektrona manja od potrebne, tada pri udaru dolazi samo do pobude neutralnog atoma. Ako se elektron u pokretu sudari s prethodno pobuđenim atomom, dolazi do postupne ionizacije.
2. Nesamoodrživo plinsko pražnjenje i njegove strujno-naponske karakteristike.
Ionizacija dovodi do ispunjenja prvog uvjeta za postojanje struje, tj. do pojave besplatnih naboja. Za pojavu struje neophodna je prisutnost vanjske sile koja će prisiliti naboje da se kreću usmjereno, tj. potrebno je električno polje. Električnu struju u plinovima prate brojne pojave: svjetlost, zvuk, stvaranje ozona, dušikovi oksidi. Skup pojava koje prate prolaz struje kroz plin - plinsko pražnjenje. Sam proces protoka struje često se naziva plinsko pražnjenje.
Pražnjenje se naziva nesamoodrživim ako postoji samo tijekom djelovanja vanjskog ionizatora. U tom slučaju, nakon prestanka vanjskog ionizatora, ne stvaraju se novi nositelji naboja, a struja prestaje. Tijekom nesamoodrživog pražnjenja, struje su male veličine i nema sjaja plina.
Samostalno plinsko pražnjenje, njegove vrste i karakteristike.
Samostalno plinsko pražnjenje je pražnjenje koje može postojati nakon prestanka rada vanjskog ionizatora, tj. zbog udarne ionizacije. U tom se slučaju opažaju svjetlosni i zvučni fenomeni, a jakost struje može se značajno povećati.
Vrste samopražnjenja:
1. tiho pražnjenje - slijedi neposredno nakon nesamoodrživog, jakost struje ne prelazi 1 mA, nema zvučnih i svjetlosnih pojava. Koristi se u fizioterapiji, Geiger-Mullerovi brojači.
2. tinjajuće pražnjenje. Kako napon raste, tišina se pretvara u tinjajuću. Javlja se pri određenom naponu – naponu paljenja. Ovisi o vrsti plina. Neon ima 60-80 V. Ovisi i o tlaku plina. Sjajno pražnjenje je popraćeno sjajem, povezano je s rekombinacijom, koja se javlja s oslobađanjem energije. Boja također ovisi o vrsti plina. Koristi se u indikatorskim svjetiljkama (neonskim, UV baktericidnim, rasvjetnim, fluorescentnim).
3. lučno pražnjenje. Jačina struje je 10 - 100 A. Popraćena intenzivnim sjajem, temperatura u praznini za pražnjenje plina doseže nekoliko tisuća stupnjeva. Ionizacija doseže gotovo 100%. 100% ionizirani plin - hladna plinska plazma. Ima dobru vodljivost. Koristi se u živinim žaruljama visokog i ultravisokog pritiska.
4. Iskričasto pražnjenje je vrsta lučnog pražnjenja. Ovo je pulsno-oscilatorno pražnjenje. U medicini se koristi izlaganje visokofrekventnim vibracijama.Pri velikim gustoćama struje opažaju se intenzivni zvučni fenomeni.
5. korona pražnjenje. Ovo je vrsta sjajnog pražnjenja.Uočava se na mjestima gdje postoji oštra promjena jakosti električnog polja. Ovdje nastaje lavina naboja i sjaj plinova - korona.
U prirodi nema apsolutnih dielektrika. Uređeno kretanje čestica - nositelja električnog naboja - odnosno struje, može se izazvati u bilo kojem okruženju, ali za to su potrebni posebni uvjeti. Ovdje ćemo pogledati kako dolazi do električnih pojava u plinovima i kako se plin može pretvoriti iz vrlo dobrog dielektrika u vrlo dobar vodič. Zanimat će nas pod kojim uvjetima se javlja električna struja u plinovima, kao i po kojim je karakteristikama karakteristična.
Električna svojstva plinova
Dielektrik je tvar (medij) u kojoj koncentracija čestica - slobodnih nositelja električnog naboja - ne doseže neku značajniju vrijednost, zbog čega je vodljivost zanemariva. Svi plinovi su dobri dielektrici. Njihova izolacijska svojstva koriste se posvuda. Na primjer, u bilo kojem prekidaču, krug se otvara kada se kontakti dovedu u takav položaj da se između njih formira zračni raspor. Žice u dalekovodima također su međusobno izolirane zračnim slojem.
Strukturna jedinica svakog plina je molekula. Sastoji se od atomskih jezgri i elektronskih oblaka, odnosno skup je električnih naboja raspoređenih na neki način u prostoru. Zbog osobitosti svoje strukture, molekula plina može se polarizirati pod utjecajem vanjskog električnog polja. Velika većina molekula koje čine plin su električki neutralne u normalnim uvjetima, jer se naboji u njima međusobno poništavaju.
Ako se na plin primijeni električno polje, molekule će zauzeti dipolnu orijentaciju, zauzimajući prostorni položaj koji kompenzira učinak polja. Nabijene čestice prisutne u plinu, pod utjecajem Coulombovih sila, počet će se kretati: pozitivni ioni - prema katodi, negativni ioni i elektroni - prema anodi. Međutim, ako polje ima nedovoljan potencijal, ne dolazi do jedinstvenog usmjerenog toka naboja, već se prije može govoriti o pojedinačnim strujama, toliko slabim da ih treba zanemariti. Plin se ponaša kao dielektrik.
Dakle, za pojavu električne struje u plinovima potrebna je velika koncentracija slobodnih nositelja naboja i prisutnost polja.
Ionizacija
Proces lavinskog porasta broja slobodnih naboja u plinu naziva se ionizacija. Prema tome, plin u kojem je prisutna značajna količina nabijenih čestica naziva se ioniziranim. Upravo u takvim plinovima nastaje električna struja.
Proces ionizacije povezan je s kršenjem neutralnosti molekula. Kao rezultat uklanjanja elektrona nastaju pozitivni ioni, a dodavanje elektrona molekuli dovodi do stvaranja negativnog iona. Osim toga, ionizirani plin sadrži mnogo slobodnih elektrona. Pozitivni ioni, a posebno elektroni, glavni su nositelji naboja tijekom električne struje u plinovima.
Ionizacija se događa kada se određena količina energije prenese na česticu. Dakle, vanjski elektron u molekuli, primivši ovu energiju, može napustiti molekulu. Međusobni sudari nabijenih čestica s neutralnim dovode do izbijanja novih elektrona, a proces poprima lavinski karakter. Povećava se i kinetička energija čestica, što uvelike pospješuje ionizaciju.
Odakle dolazi energija utrošena za pobuđivanje električne struje u plinovima? Ionizacija plinova ima nekoliko izvora energije, prema kojima se obično nazivaju njezine vrste.
- Ionizacija električnim poljem. U tom se slučaju potencijalna energija polja pretvara u kinetičku energiju čestica.
- Toplinska ionizacija. Povećanje temperature također dovodi do stvaranja velikog broja slobodnih naboja.
- Fotoionizacija. Bit ovog procesa je da se energija elektronima predaje kvantima elektromagnetskog zračenja - fotonima, ako imaju dovoljno visoku frekvenciju (ultraljubičasto, x-zrake, gama kvanti).
- Udarna ionizacija nastaje pretvorbom kinetičke energije čestica koje se sudaraju u energiju odvajanja elektrona. Uz toplinsku ionizaciju služi kao glavni čimbenik u pobuđivanju električne struje u plinovima.
Svaki plin karakterizira određena vrijednost praga - energija ionizacije potrebna da se elektron odvoji od molekule, prevladavajući potencijalnu barijeru. Ova vrijednost za prvi elektron kreće se od nekoliko volti do dvije desetine volti; Za uklanjanje sljedećeg elektrona iz molekule potrebno je više energije, i tako dalje.
Treba uzeti u obzir da se istodobno s ionizacijom u plinu događa i obrnuti proces - rekombinacija, odnosno obnavljanje neutralnih molekula pod utjecajem Coulombovih privlačnih sila.
Plinsko pražnjenje i njegove vrste
Dakle, električna struja u plinovima uzrokovana je uređenim kretanjem nabijenih čestica pod utjecajem električnog polja koje se na njih primjenjuje. Prisutnost takvih naboja, pak, moguća je zbog različitih čimbenika ionizacije.
Dakle, toplinska ionizacija zahtijeva značajne temperature, ali otvoreni plamen u vezi s određenim kemijskim procesima potiče ionizaciju. Čak i pri relativno niskoj temperaturi u prisutnosti plamena, bilježi se pojava električne struje u plinovima, a eksperiment s vodljivošću plina olakšava to provjeru. Između ploča nabijenog kondenzatora potrebno je postaviti plamen plamenika ili svijeće. Krug koji je prethodno bio otvoren zbog zračnog raspora u kondenzatoru će se zatvoriti. Galvanometar spojen na krug pokazat će prisutnost struje.
Električna struja u plinovima naziva se plinsko pražnjenje. Mora se imati na umu da za održavanje stabilnosti pražnjenja djelovanje ionizatora mora biti konstantno, budući da zbog stalne rekombinacije plin gubi svojstva elektrovodljivosti. Neki nositelji električne struje u plinovima - ioni - neutraliziraju se na elektrodama, drugi - elektroni - kada dođu do anode, usmjeravaju se na "plus" izvora polja. Ako ionizirajući čimbenik prestane djelovati, plin će odmah ponovno postati dielektrik i struja će prestati. Takva struja, ovisna o djelovanju vanjskog ionizatora, naziva se nesamoodrživo pražnjenje.
Osobitosti prolaska električne struje kroz plinove opisuju posebna ovisnost struje o naponu - strujno-naponska karakteristika.
Razmotrimo razvoj plinskog izboja na grafu ovisnosti struja-napon. Kad napon poraste do određene vrijednosti U 1, struja mu raste proporcionalno, odnosno Ohmov zakon je zadovoljen. Povećava se kinetička energija, a time i brzina naboja u plinu, a taj proces nadmašuje rekombinaciju. Na vrijednostima napona od U 1 do U 2, ovaj odnos je narušen; kada se dostigne U2, svi nosioci naboja stižu do elektroda bez vremena da se rekombiniraju. Iskorišteni su svi slobodni naboji, a daljnje povećanje napona ne dovodi do povećanja struje. Ova vrsta kretanja naboja naziva se struja zasićenja. Dakle, možemo reći da je električna struja u plinovima također posljedica osobitosti ponašanja ioniziranog plina u električnim poljima različite jakosti.
Kada razlika potencijala na elektrodama dosegne određenu vrijednost U 3 , napon postaje dovoljan da električno polje izazove lavinsku ionizaciju plina. Kinetička energija slobodnih elektrona već je dovoljna za udarnu ionizaciju molekula. Njihova brzina u većini plinova je oko 2000 km/s i više (izračunava se po približnoj formuli v=600 Ui, gdje je Ui potencijal ionizacije). U tom trenutku dolazi do raspada plina i značajnog povećanja struje zbog unutarnjeg izvora ionizacije. Stoga se takvo pražnjenje naziva neovisnim.
Prisutnost vanjskog ionizatora u ovom slučaju više ne igra ulogu u održavanju električne struje u plinovima. Samoodrživo pražnjenje u različitim uvjetima i s različitim karakteristikama izvora električnog polja može imati određene značajke. Postoje takve vrste samopražnjenja kao što su sjaj, iskra, luk i korona. Pogledat ćemo kako se električna struja ponaša u plinovima, ukratko za svaku od ovih vrsta.
Razlika potencijala od 100 (ili čak manje) do 1000 volti dovoljna je za pokretanje samopražnjenja. Stoga se tinjajuće pražnjenje, karakterizirano niskom vrijednošću struje (od 10 -5 A do 1 A), javlja pri tlaku ne većem od nekoliko milimetara žive.
U cijevi s razrijeđenim plinom i hladnim elektrodama, tinjajuće pražnjenje koje nastaje izgleda poput tanke užarene vrpce između elektroda. Ako nastavite pumpati plin iz cijevi, kabel će se isprati, a pri tlaku od desetinki milimetra žive, sjaj ispunjava cijev gotovo u potpunosti. Nema sjaja u blizini katode – u takozvanom tamnom katodnom prostoru. Ostatak se zove pozitivni stupac. U ovom slučaju, glavni procesi koji osiguravaju postojanje pražnjenja lokalizirani su upravo u tamnom katodnom prostoru iu području uz njega. Ovdje se nabijene čestice plina ubrzavaju, izbacujući elektrone s katode.
Kod tinjajućeg izboja uzrok ionizacije je emisija elektrona s katode. Elektroni koje emitira katoda proizvode udarnu ionizaciju molekula plina, rezultirajući pozitivni ioni uzrokuju sekundarnu emisiju s katode, i tako dalje. Sjaj pozitivnog stupca uglavnom je posljedica otpuštanja fotona od strane pobuđenih molekula plina, a različite plinove karakterizira sjaj određene boje. Pozitivni stupac sudjeluje u stvaranju tinjajućeg izboja samo kao dio električnog kruga. Ako približite elektrode, pozitivni stupac može nestati, ali pražnjenje neće prestati. Međutim, daljnjim smanjenjem udaljenosti između elektroda, tinjajuće pražnjenje ne može postojati.
Valja napomenuti da za ovu vrstu električne struje u plinovima fizika nekih procesa još nije do kraja razjašnjena. Na primjer, ostaje nejasna priroda sila koje uzrokuju širenje područja na površini katode koje sudjeluje u pražnjenju kako struja raste.
Iskreće pražnjenje
Slom iskre ima pulsnu prirodu. Javlja se pri tlaku bliskom normalnom atmosferskom tlaku, u slučajevima kada je snaga izvora električnog polja nedovoljna za održavanje stacionarnog pražnjenja. Jakost polja je visoka i može doseći 3 MV/m. Fenomen karakterizira nagli porast električne struje pražnjenja u plinu, pri čemu napon izuzetno brzo pada i pražnjenje prestaje. Tada se potencijalna razlika ponovno povećava i cijeli se proces ponavlja.
S ovom vrstom pražnjenja nastaju kratkotrajni kanali iskre, čiji rast može započeti s bilo koje točke između elektroda. To je zbog činjenice da se udarna ionizacija događa nasumično na mjestima gdje je trenutno koncentriran najveći broj iona. U blizini kanala iskre, plin se brzo zagrijava i doživljava toplinsko širenje, uzrokujući akustične valove. Stoga je pražnjenje iskre popraćeno pucketanjem, kao i oslobađanjem topline i svijetlim sjajem. Procesi lavinske ionizacije stvaraju visoke tlakove i temperature u kanalu iskre do 10 tisuća stupnjeva i više.
Najupečatljiviji primjer prirodnog iskričastog pražnjenja je munja. Promjer glavnog kanala iskre munje može biti od nekoliko centimetara do 4 m, a duljina kanala može doseći 10 km. Snaga struje doseže 500 tisuća ampera, a potencijalna razlika između grmljavinskog oblaka i površine Zemlje doseže milijardu volti.
Najduži udar munje, dug 321 km, primijećen je 2007. godine u Oklahomi, SAD. Rekorder po najdužem trajanju bila je munja zabilježena 2012. godine u francuskim Alpama – trajala je preko 7,7 sekundi. Pri udaru groma zrak se može zagrijati do 30 tisuća stupnjeva, što je 6 puta više od temperature vidljive površine Sunca.
U slučajevima kada je snaga izvora električnog polja dovoljno velika, iskričasto pražnjenje se razvija u lučno pražnjenje.
Ovu vrstu samopražnjenja karakterizira velika gustoća struje i nizak (manji od tinjajućeg pražnjenja) napon. Udaljenost proboja je kratka zbog neposredne blizine elektroda. Pražnjenje je inicirano emisijom elektrona s površine katode (za metalne atome ionizacijski potencijal je mali u usporedbi s molekulama plina). Tijekom kvara stvaraju se uvjeti između elektroda pod kojima plin provodi električnu struju i dolazi do pražnjenja iskre koja zatvara krug. Ako je snaga izvora napona dovoljno velika, iskre se pretvaraju u stabilan električni luk.
Ionizacija tijekom lučnog pražnjenja doseže gotovo 100%, struja je vrlo visoka i može se kretati od 10 do 100 ampera. Pri atmosferskom tlaku, luk se može zagrijati do 5-6 tisuća stupnjeva, a katoda - do 3 tisuće stupnjeva, što dovodi do intenzivne termionske emisije s njegove površine. Bombardiranje anode elektronima dovodi do djelomičnog uništenja: na njoj se stvara udubljenje - krater s temperaturom od oko 4000 °C. Porast tlaka povlači za sobom još veći porast temperatura.
Kada su elektrode razdvojene, lučno pražnjenje ostaje stabilno do određene udaljenosti, što omogućuje borbu protiv njega u onim područjima električne opreme gdje je štetno zbog korozije i pregorjevanja kontakata koje uzrokuje. To su uređaji kao što su visokonaponski i strujni prekidači, kontaktori i drugi. Jedna od metoda borbe protiv luka koji nastaje kada se kontakti otvore je korištenje komora za gašenje luka koje se temelje na principu elongacije luka. Koriste se i mnoge druge metode: zaobilaženje kontakata, korištenje materijala s visokim ionizacijskim potencijalom i tako dalje.
Do razvoja koronskog pražnjenja dolazi pri normalnom atmosferskom tlaku u oštro nehomogenim poljima u blizini elektroda s velikom zakrivljenošću površine. To mogu biti tornjevi, jarboli, žice, razni elementi električne opreme koji imaju složen oblik, pa čak i ljudska kosa. Takva se elektroda naziva koronska elektroda. Procesi ionizacije i, sukladno tome, sjaj plina odvijaju se samo u njegovoj blizini.
Korona se može formirati i na katodi (negativna korona) kada je bombardirana ionima i na anodi (pozitivna kruna) kao rezultat fotoionizacije. Negativna korona, u kojoj je proces ionizacije kao posljedica toplinske emisije usmjeren od elektrode, karakterizira ravnomjeran sjaj. U pozitivnoj koroni mogu se uočiti streameri - svjetleće linije isprekidane konfiguracije koje se mogu pretvoriti u kanale iskre.
Primjer koronskog pražnjenja u prirodnim uvjetima je ono koje se događa na vrhovima visokih jarbola, krošnjama drveća i tako dalje. Nastaju pri visokoj jakosti električnog polja u atmosferi, često prije grmljavinske oluje ili tijekom mećave. Osim toga, snimljeni su na koži zrakoplova uhvaćenog u oblaku vulkanskog pepela.
Koronsko pražnjenje na žicama dalekovoda dovodi do značajnih gubitaka električne energije. Pri visokim naponima koronsko pražnjenje može prijeći u lučno pražnjenje. Bori se na razne načine, na primjer, povećanjem polumjera zakrivljenosti vodiča.
Električna struja u plinovima i plazmi
Potpuno ili djelomično ionizirani plin naziva se plazma i smatra se četvrtim agregatnim stanjem. Općenito, plazma je električki neutralna, budući da je ukupni naboj njezinih sastavnih čestica jednak nuli. To ga razlikuje od drugih sustava nabijenih čestica, poput elektronskih zraka.
U prirodnim uvjetima, plazma se formira, u pravilu, na visokim temperaturama zbog sudara atoma plina pri velikim brzinama. Ogromna većina barionske materije u Svemiru je u stanju plazme. To su zvijezde, dio međuzvjezdane materije, međugalaktički plin. Zemljina ionosfera također je razrijeđena, slabo ionizirana plazma.
Stupanj ionizacije važna je karakteristika plazme - o njoj ovise njezina vodljiva svojstva. Stupanj ionizacije definiran je kao omjer broja ioniziranih atoma prema ukupnom broju atoma po jedinici volumena. Što je plazma više ionizirana, to je veća njena električna vodljivost. Osim toga, karakterizira ga visoka mobilnost.
Vidimo, dakle, da plinovi koji provode električnu struju unutar kanala pražnjenja nisu ništa više od plazme. Stoga su sjajna i koronska pražnjenja primjeri hladne plazme; kanal iskre munje ili električni luk primjeri su vruće, gotovo potpuno ionizirane plazme.
Električna struja u metalima, tekućinama i plinovima - razlike i sličnosti
Razmotrimo značajke koje karakteriziraju plinsko pražnjenje u usporedbi sa svojstvima struje u drugim medijima.
Kod metala struja je usmjereno kretanje slobodnih elektrona, koje ne povlači za sobom kemijske promjene. Vodiči ove vrste nazivaju se vodiči prve vrste; Tu spadaju, osim metala i legura, ugljen, neke soli i oksidi. Odlikuje ih elektronska vodljivost.
Vodiči druge vrste su elektroliti, odnosno tekuće vodene otopine lužina, kiselina i soli. Prolaz struje povezan je s kemijskom promjenom elektrolita – elektrolizom. Ioni tvari otopljene u vodi pod utjecajem razlike potencijala kreću se u suprotnim smjerovima: pozitivni kationi - prema katodi, negativni anioni - prema anodi. Proces je popraćen oslobađanjem plina ili taloženjem metalnog sloja na katodi. Vodiči drugog tipa karakteriziraju ionska vodljivost.
Što se tiče vodljivosti plinova, ona je, prvo, privremena, a drugo, ima znakove sličnosti i razlike sa svakim od njih. Dakle, električna struja u elektrolitima i plinovima je drift suprotno nabijenih čestica usmjerenih prema suprotnim elektrodama. No, dok elektrolite karakterizira čisto ionska vodljivost, u plinskom pražnjenju, s kombinacijom elektronske i ionske vrste vodljivosti, vodeću ulogu imaju elektroni. Još jedna razlika između električne struje u tekućinama i plinovima je priroda ionizacije. U elektrolitu molekule otopljenog spoja disociraju u vodi, ali u plinu molekule ne kolabiraju, već samo gube elektrone. Stoga plinsko pražnjenje, poput struje u metalima, nije povezano s kemijskim promjenama.
Struja u tekućinama i plinovima je također različita. Vodljivost elektrolita općenito se pokorava Ohmovom zakonu, ali se tijekom plinskog pražnjenja ne promatra. Strujno-naponska karakteristika plinova mnogo je složenija, povezana sa svojstvima plazme.
Također treba spomenuti opća i posebna svojstva električne struje u plinovima i vakuumu. Vakuum je gotovo savršen dielektrik. "Gotovo" - jer je u vakuumu, unatoč odsutnosti (točnije, izuzetno niskoj koncentraciji) slobodnih nositelja naboja, moguća i struja. Ali potencijalni nosači već su prisutni u plinu; samo ih treba ionizirati. Nositelji naboja unose se u vakuum iz tvari. U pravilu se to događa kroz proces emisije elektrona, npr. kada se katoda zagrijava (termionska emisija). Ali u raznim vrstama plinskih pražnjenja, emisija, kao što smo vidjeli, igra važnu ulogu.
Primjena plinskih pražnjenja u tehnici
O štetnim učincima pojedinih ispuštanja već smo ukratko govorili gore. Obratimo sada pozornost na dobrobiti koje donose u industriji i svakodnevnom životu.
Užareno pražnjenje se koristi u elektrotehnici (stabilizatori napona) iu tehnologiji premazivanja (metoda katodnog raspršivanja, koja se temelji na pojavi katodne korozije). U elektronici se koristi za proizvodnju ionskih i elektronskih zraka. Široko poznata područja primjene tinjajućeg izboja su fluorescentne i tzv. štedljive svjetiljke te dekorativne neonske i argonske cijevi s plinskim izbojem. Osim toga, tinjajući izboj se koristi u spektroskopiji.
Iskrište se koristi u osiguračima iu metodama električnog pražnjenja za preciznu obradu metala (iskreće rezanje, bušenje itd.). Ali najpoznatiji je po svojoj upotrebi u svjećicama za motore s unutarnjim izgaranjem i u kućanskim aparatima (plinske peći).
Lučno pražnjenje, koje je prvi put korišteno u tehnici rasvjete davne 1876. (Jabločkova svijeća - "ruska svjetlost"), još uvijek služi kao izvor svjetlosti - na primjer, u projekcijskim uređajima i snažnim reflektorima. U elektrotehnici se luk koristi u živinim ispravljačima. Osim toga, koristi se u električnom zavarivanju, rezanju metala i industrijskim električnim pećima za taljenje čelika i legura.
Koronsko pražnjenje koristi se u električnim taložnicima za pročišćavanje ionskih plinova, u brojačima čestica, u gromobranima iu klimatizacijskim sustavima. Koronsko pražnjenje također radi u fotokopirnim strojevima i laserskim pisačima, gdje puni i prazni fotoosjetljivi bubanj i prenosi prah s bubnja na papir.
Dakle, plinska pražnjenja svih vrsta nalaze najširu primjenu. Električna struja u plinovima se uspješno i učinkovito koristi u mnogim područjima tehnike.
U plinovima postoje nesamoodrživa i samoodrživa električna pražnjenja.
Pojava prolaska električne struje kroz plin, opažena samo pod uvjetom nekog vanjskog utjecaja na plin, naziva se nesamoodrživo električno pražnjenje. Proces uklanjanja elektrona iz atoma naziva se ionizacija atoma. Minimalna energija koju je potrebno utrošiti da se elektron ukloni iz atoma naziva se energija ionizacije. Djelomično ili potpuno ionizirani plin u kojem su gustoće pozitivnog i negativnog naboja jednake naziva se plazma.
Nositelji električne struje tijekom nesamoodrživog pražnjenja su pozitivni ioni i negativni elektroni. Strujno-naponska karakteristika prikazana je na sl. 54. U području OAV - nesamoodrživi ispust. U području BC iscjedak postaje neovisan.
Tijekom samopražnjenja jedan od načina ionizacije atoma je ionizacija udarom elektrona. Ionizacija udarom elektrona postaje moguća kada elektron na srednjem slobodnom putu A dobije kinetičku energiju W k dovoljnu da izvrši rad uklanjanja elektrona iz atoma. Vrste samostalnih pražnjenja u plinovima - iskrište, korona, lučno i tinjajuće pražnjenje.
Iskreće pražnjenje nastaje između dvije elektrode nabijene različitim nabojem i velike razlike potencijala. Napon između različito nabijenih tijela doseže do 40 000 V. Iskričasto pražnjenje je kratkotrajno, njegov mehanizam je elektronički udar. Munja je vrsta iskričastog pražnjenja.
U izrazito nehomogenim električnim poljima, koja nastaju npr. između vrha i ravnine ili između žice dalekovoda i površine Zemlje, javlja se poseban oblik samoodrživog pražnjenja u plinovima, tzv. koronsko pražnjenje.
Pražnjenje električnog luka otkrio je ruski znanstvenik V. V. Petrov 1802. Kada dvije ugljične elektrode dođu u dodir pri naponu od 40-50 V, na nekim se mjestima pojavljuju područja malog presjeka s visokim električnim otporom. Ta područja postaju vrlo vruća i emitiraju elektrone koji ioniziraju atome i molekule između elektroda. Nositelji električne struje u luku su pozitivno nabijeni ioni i elektroni.
Pražnjenje koje nastaje pri smanjenom tlaku naziva se tinjajuće pražnjenje. Smanjenjem tlaka povećava se srednji slobodni put elektrona, koji u vremenu između sudara uspijeva steći dovoljno energije za ionizaciju u električnom polju nižeg intenziteta. Pražnjenje se izvodi elektronsko-ionskom lavinom.
