Tai trumpa santrauka.
Darbas su pilna versija tęsiamas
Paskaita2 1
Dujų srovė
1. Bendrosios nuostatos
Apibrėžimas: Vadinamas elektros srovės praeinimo dujomis reiškinys dujų išleidimas.
Dujų elgsena labai priklauso nuo jos parametrų, tokių kaip temperatūra ir slėgis, ir šiuos parametrus galima gana lengvai pakeisti. Todėl elektros srovės srautas dujose yra sunkesnis nei metaluose ar vakuume.
Dujos nepaklūsta Ohmo įstatymui.
2. Jonizavimas ir rekombinacija
Dujos įprastomis sąlygomis, susideda iš praktiškai neutralių molekulių, todėl ji veikia ypač blogai elektros... Tačiau veikiant išorinei įtakai, elektroną galima atjungti nuo atomo ir atsiranda teigiamai įkrautas jonas. Be to, elektronas gali prisijungti prie neutralaus atomo ir suformuoti neigiamai įkrautą joną. Tokiu būdu galima gauti jonizuotas dujas, t.y. plazma.
Išorinė įtaka yra kaitinimas, energinių fotonų poveikis, bombardavimas kitomis dalelėmis ir stiprūs laukai, t.y. tomis pačiomis sąlygomis, kurios reikalingos elementiniam išmetimui.
Elektronas atome yra potencialiniame šulinyje, o norint iš jo pabėgti, reikia atomai suteikti papildomos energijos, kuri vadinama jonizacijos energija.
|
Medžiaga |
Jonizacijos energija, eV |
|
Vandenilio atomas |
13,59 |
|
Vandenilio molekulė |
15,43 |
|
Helis |
24,58 |
|
Deguonies atomas |
13,614 |
|
Deguonies molekulė |
12,06 |
Kartu su jonizacijos reiškiniu pastebimas ir rekombinacijos reiškinys, t.y. sujungiant elektroną ir teigiamą joną į neutralų atomą. Šis procesas vyksta išlaisvinant energiją, lygią jonizacijos energijai. Ši energija gali patekti į radiaciją ar šildymą. Vietinis dujų kaitinimas lemia vietinį slėgio pokytį. O tai savo ruožtu veda į išvaizdą garso bangos... Taigi dujų išmetimą lydi šviesos, šilumos ir triukšmo efektai.
3. I - V charakteristika dujų išlydžiui.
Įjungta pradiniai etapai reikalingas išorinio jonizatoriaus veikimas.
BAW skyriuje srovė egzistuoja veikiant išoriniam jonizatoriui ir greitai pasiekia sodrumą, kai visos jonizuotos dalelės dalyvauja formuojant srovę. Jei pašalinsite išorinį jonizatorių, srovė sustos.
Šis išleidimo tipas vadinamas nesavaiminiu dujų išmetimu. Kai bandote padidinti įtampą dujose, atsiranda elektronų lavinos, o srovė kyla praktiškai pastovia įtampa, kuri vadinama uždegimo įtampa (IC).
Nuo šio momento iškrova tampa nepriklausoma ir nereikia išorinio jonizatoriaus. Jonų skaičius gali tapti toks didelis, kad sumažėja tarpelektrodų tarpo varža ir atitinkamai sumažėja įtampa (SD).
Tada tarpelektrodiniame tarpe srovės praėjimo sritis pradeda siaurėti, padidėja varža ir dėl to padidėja įtampa (DE).
Kai bandote padidinti įtampą, dujos tampa visiškai jonizuotos. Varža ir įtampa nukrenta iki nulio, o srovė kyla daug kartų. Gaunama lankinė iškrova (EF).
CVC rodo, kad dujos visiškai nepaklūsta Ohmo įstatymams.
4. Procesai dujose
Procesai, kurie gali parodytos elektronų lavinų susidarymo priežastys ant paveikslėlio.
Tai Townsendo kokybinės teorijos elementai.
5. Švytėjimo išskyros.
Kada žemas slėgis o esant žemai įtampai, galima pastebėti šį iškrovimą.
K - 1 (tamsioji Astonijos erdvė).
1 - 2 (švytinti katodo plėvelė).
2 - 3 (tamsioji Krooko erdvė).
3 - 4 (pirmasis katodo švytėjimas).
4–5 (tamsioji faraday erdvė)
5 - 6 (teigiamas anodo stulpelis).
6 - 7 (anodinė tamsi erdvė).
7 - A (anodo švytėjimas).
Jei anodas padaromas judamu, teigiamo stulpelio ilgį galima pakoreguoti praktiškai nekeičiant K - 5 srities matmenų.
Tamsiose vietose dalelės pagreitėja ir kaupiasi energija, šviesiuose - jonizacijos ir rekombinacijos procesai.
Fizikos abstraktus
tema:
"Elektros srovė dujose".
Elektros srovė dujose.
1. Elektrinis išlydis dujose.
Visos natūralios dujos nevaldo elektros srovės. Ką galima pamatyti iš šios patirties:
Paimkite elektrometrą su pritvirtintais plokščiais kondensatorių diskais ir įkraukite. Kambario temperatūroje, jei oras yra pakankamai sausas, kondensatorius pastebimai neišsikrauna - elektrometro adatos padėtis nesikeičia. Norėdami pastebėti elektrometro adatos įlinkio kampo sumažėjimą, jums reikia ilgas laikas... Tai rodo, kad elektros diskas ore tarp diskų yra labai mažas. Ši patirtis rodo, kad oras yra blogas elektros srovės laidininkas.
Pakeiskime patirtį: orą tarp diskų kaitiname alkoholio lempos liepsna. Tuomet elektrometro adatos įlinkio kampas greitai sumažėja, t.y. sumažėja potencialų skirtumas tarp kondensatoriaus diskų - kondensatorius iškraunamas. Vadinasi, kaitinamas oras tarp diskų tapo laidininku, jame nustatoma elektros srovė.
Izoliuojančios dujų savybės paaiškinamos tuo, kad jos neturi laisvų elektrinių krūvių: natūralios būsenos dujų atomai ir molekulės yra neutralios.
2. Dujų jonizavimas.
Minėta patirtis rodo, kad veikiant aukštai temperatūrai dujose atsiranda įelektrintos dalelės. Jie atsiranda dėl to, kad vienas ar keli elektronai išsiskiria iš dujų atomų, todėl vietoj neutralaus atomo atsiranda teigiamas jonas ir elektronai. Dalį susidariusių elektronų gali užfiksuoti kiti neutralūs atomai, tada atsiras daugiau neigiamų jonų. Vadinamas dujų molekulių skilimas į elektronus ir teigiamus jonus dujų jonizacija.
Dujų kaitinimas iki aukštos temperatūros nėra vienintelis būdas jonizuoti dujose esančias molekules ar atomus. Dujų jonizacija gali įvykti dėl įvairių išorinių sąveikų: stiprus dujų kaitinimas, rentgeno spinduliai, a-, b- ir g-spinduliai, atsirandantys dėl radioaktyvaus skilimo, kosminiai spinduliai, dujų molekulių bombardavimas greitai judančiais elektronais ar jonais. Vadinami veiksniai, sukeliantys dujų jonizaciją jonizatoriai. Kiekybinė charakteristika jonizacijos procesas yra jonizacijos intensyvumas, matuojamas pagal priešingo ženklo įelektrintų dalelių porų skaičių, atsirandantį dujų tūrio vienetui per laiko vienetą.
Atomo jonizavimui reikalinga tam tikra energija - jonizacijos energija. Norint jonizuoti atomą (arba molekulę), reikia dirbti prieš išstumto elektrono ir likusių atomo (arba molekulės) dalelių sąveikos jėgas. Šis darbas vadinamas jonizacijos darbu A i. Jonizacijos darbo dydis priklauso nuo dujų cheminės prigimties ir išmetamo elektrono energijos būsenos atome ar molekulėje.
Nutraukus jonizatoriaus veikimą, jonų skaičius dujose laikui bėgant mažėja, o galiausiai jonai visai išnyksta. Jonų išnykimas paaiškinamas tuo, kad jonai ir elektronai dalyvauja šiluminiame judėjime, todėl susiduria tarpusavyje. Susidūrę teigiamą joną ir elektroną, jie gali susijungti į neutralų atomą. Lygiai taip pat, susidūrus teigiamiems ir neigiamiems jonams, neigiamas jonas gali atiduoti savo elektrono perteklių teigiamajam jonui ir abu jonai virs neutraliais atomais. Šis abipusio jonų neutralizavimo procesas vadinamas jonų rekombinacijos būdu. Kai rekombinuojasi teigiamas jonas ir elektronas arba du jonai, išsiskiria tam tikra energija, lygi jonizacijai išleistai energijai. Jis iš dalies skleidžiamas šviesos pavidalu, todėl jonų rekombinaciją lydi švytėjimas (rekombinacinis švytėjimas).
Atomų jonizavimas elektronų smūgiais vaidina svarbų vaidmenį elektros iškrovos dujose reiškiniuose. Šis procesas susideda iš to, kad judantis elektronas, turintis pakankamą kinetinę energiją, susidūręs su neutraliu atomu, iš jo išmuša vieną ar kelis atominius elektronus, dėl to neutralus atomas virsta teigiamu jonu, o dujose atsiranda naujų elektronų (tai bus aptariama) vėliau).
Žemiau esančioje lentelėje pateikiamos kai kurių atomų jonizacijos energijos.
3. Dujų elektrinio laidumo mechanizmas.
Dujų laidumo mechanizmas yra panašus į tirpalų ir išlydytų elektrolitų laidumo mechanizmą. Jei nėra išorinio lauko, įkrautos dalelės, kaip ir neutralios molekulės, juda chaotiškai. Jei jonai ir laisvieji elektronai atsiduria išoriniame elektriniame lauke, tada jie patenka į kryptingą judėjimą ir sukuria elektros srovę dujose.
Taigi elektros srovė dujose yra nukreiptas teigiamų jonų judėjimas katodo link ir neigiami jonai ir elektronai į anodą. Bendra dujų srovė susideda iš dviejų įkrautų dalelių srautų: srauto, einančio į anodą, ir srauto link katodo.
Įelektrintos dalelės neutralizuojasi ant elektrodų, kaip ir praeinant elektros srovę per tirpalus ir išlydytus elektrolitus. Tačiau dujose nėra jokių medžiagų išsiskyrimo prie elektrodų, kaip yra elektrolitų tirpaluose. Dujų jonai, artėdami prie elektrodų, suteikia jiems krūvius, virsta neutraliomis molekulėmis ir difunduoja atgal į dujas.
Kitas jonizuotų dujų ir elektrolitų tirpalų (tirpsmų) elektrinio laidumo skirtumas yra tas, kad neigiamą krūvį, kai srovė praeina per dujas, daugiausia neša neigiami jonai, bet elektronai, nors laidumas dėl neigiamų jonų taip pat gali atlikti tam tikrą vaidmenį.
Taigi dujose elektroninis laidumas, kaip ir metalų, yra derinamas su joniniu laidumu, kaip ir laidumas vandeniniai tirpalai o elektrolitas ištirpsta.
4. Nesavaiminis dujų išleidimas.
Elektros srovės perdavimo dujomis procesas vadinamas dujų išmetimu. Jei dujų elektrinį laidumą sukuria išoriniai jonizatoriai, vadinama jose atsirandanti elektros srovė nesavanaudiškas dujų išmetimas. Nutraukus išorinių jonizatorių veikimą, nesavaiminė iškrova sustoja. Nesavaiminis dujų išmetimas nėra dujų švytėjimas.
Žemiau pateikiamas srovės stiprumo priklausomybės nuo įtampos, kai nesavaitiškai išsiskiria dujos, grafikas. Grafikui braižyti buvo naudojamas stiklo vamzdelis su dviem metaliniais elektrodais, sulituotais į stiklą. Grandinė surenkama taip, kaip parodyta paveikslėlyje žemiau.
Esant tam tikrai apibrėžtai įtampai, įvyksta momentas, kai visos jonizatoriaus per sekundę dujose susidariusios įelektrintos dalelės tuo pačiu metu pasiekia elektrodus. Tolesnis įtampos padidėjimas nebegali sukelti transportuojamų jonų skaičiaus. Srovė pasiekia sodrumą (1 grafiko horizontali dalis).
5. Autonominis dujų išleidimas.
Vadinama elektros iškrova dujose, kuri išlieka pasibaigus išorinio jonizatoriaus veikimui nepriklausomas dujų išleidimas ... Jo įgyvendinimui būtina, kad dėl pačios iškrovos dujose nuolat susidarytų laisvi krūviai. Pagrindinis jų atsiradimo šaltinis yra dujų molekulių smūginė jonizacija.
Jei pasiekę sodrumą mes ir toliau didinsime potencialų skirtumą tarp elektrodų, tada srovės stipris esant pakankamai aukštai įtampai pradės staigiai didėti (2 grafikas).
Tai reiškia, kad dujose atsiranda papildomų jonų, kurie susidaro dėl jonizatoriaus veikimo. Dabartinis stiprumas gali padidėti šimtus ir tūkstančius kartų, o iškrovimo metu susidarančių įelektrintų dalelių skaičius gali tapti toks didelis, kad išoriniam jonizatoriui išleidimui palaikyti nebereikia. Todėl jonizatorių dabar galima pašalinti.
Kokios yra staigaus srovės stiprumo padidėjus aukštai įtampai priežastys? Apsvarstykite bet kurią įkrautų dalelių porą (teigiamą joną ir elektroną), susidariusias dėl išorinio jonizatoriaus veikimo. Tokiu būdu atsiradęs laisvas elektronas pradeda judėti į teigiamą elektrodą - anodą, o teigiamasis - į katodą. Savo kelyje elektronas susitinka su jonais ir neutraliais atomais. Tarpais tarp dviejų vienas po kito einančių susidūrimų elektrono energija padidėja dėl elektrinio lauko jėgų darbo.
 |
Kuo didesnis potencialų skirtumas tarp elektrodų, tuo didesnis elektrinio lauko stipris. Kineto kinetinė energija prieš kitą susidūrimą yra proporcinga lauko stiprumui ir vidutiniam elektrono laisvam keliui: MV 2/2 \u003d eEl. Jei elektrono kinetinė energija viršija darbą A i, kurį reikia atlikti neutralizuojant neutralų atomą (arba molekulę), t. MV 2\u003e A i, tada elektronui susidūrus su atomu (ar molekule), įvyksta jo jonizacija. Dėl to vietoj vieno elektrono yra du (atsitikimai ant atomo ir atplėšti nuo atomo). Jie savo ruožtu gauna energiją lauke ir jonizuoja artėjančius atomus ir kt. Dėl to įkrautų dalelių skaičius greitai auga, kyla elektronų lavina. Aprašytas procesas vadinamas jonizacija elektronų smūgiu.
Bet jonizavimas vien smūgiu elektronais negali užtikrinti nepriklausomo krūvio palaikymo. Iš tiesų, visi tokiu būdu atsirandantys elektronai juda link anodo ir pasiekę anodą „yra iš žaidimo“. Norint išlaikyti iškrovą, būtina katonų emisija iš elektronų („emisija“ reiškia „emisija“). Elektrono emisija gali būti dėl kelių priežasčių.
Teigiami jonai, susidarantys susidūrus elektronams su neutraliais atomais, judėdami katodo link, įgyja didelę kinetinė energija... Kai tokie greiti jonai patenka į katodą, elektronai išmušami iš katodo paviršiaus.
Be to, katodas gali skleisti elektronus, kai jis kaitinamas iki aukštos temperatūros. Šis procesas vadinamas termioninė emisija. Tai galima laikyti elektronų garavimu iš metalo. Daugelyje kietosios medžiagos termioninė emisija vyksta tokioje temperatūroje, kurioje pati medžiaga išgaruoja dar mažai. Tokios medžiagos naudojamos katodams gaminti.
Savarankiškai išsikraunant katodas gali būti kaitinamas bombarduojant jį teigiamais jonais. Jei jonų energija nėra per didelė, tada elektronų išmušimas iš katodo nevyksta ir elektronai išsiskiria dėl termioninės emisijos.
6. Įvairūs savaiminio išsikrovimo tipai ir jų techniniai pritaikymai
Atsižvelgiant į dujų savybes ir būseną, elektrodų pobūdį ir vietą, taip pat į elektrodams taikomą įtampą, skirtingos rūšys savaiminis išsikrovimas. Panagrinėkime keletą jų.
A. Švytėjimo išskyros.
Švytėjimo išlydis pastebimas dujose esant žemam kelių dešimčių milimetrų gyvsidabrio ar mažesnio slėgio slėgiui. Jei apsvarstysime vamzdį su švytėjimo išlydžiu, galime pamatyti, kad pagrindinės švytėjimo išlydžio dalys yra katodo tamsi erdvė, smarkiai nutolęs nuo jo neigiamas, arba smilkstantis švytėjimas kuris palaipsniui pereina į regioną tamsioji Faradėjaus erdvė. Šie trys regionai sudaro iškrovos katodo dalį, po kurios eina pagrindinė šviečianti išlydžio dalis, kuri nustato jo optines savybes ir vadinama teigiamas pranešimas.
Pagrindinis vaidmuo išlaikant švytėjimo iškrovą tenka pirmiesiems dviem jos katodo dalies regionams. Būdingas bruožas tokio tipo išmetimas yra aštrus kritimas potencialas šalia katodo, kuris yra susijęs su didele teigiamų jonų koncentracija I ir II regionų riboje dėl sąlyginai mažo jonų judėjimo katode greičio. Tamsioje katodo erdvėje yra didelis elektronų ir teigiamų jonų pagreitis, išmušantis elektronus iš katodo. Švytinčio švytėjimo srityje elektronai sukelia intensyvią dujų molekulių jonizaciją ir praranda energiją. Čia susidaro teigiami jonai, kurie yra būtini norint išlaikyti iškrovą. Elektrinio lauko stipris šioje srityje yra mažas. Švytintį švytėjimą daugiausia lemia jonų ir elektronų rekombinacija. Tamsiosios katodo erdvės ilgį lemia dujų ir katodo medžiagos savybės.
Teigiamos kolonos srityje elektronų ir jonų koncentracija yra maždaug vienoda ir labai didelė, todėl teigiamas stulpelis turi didelį elektros laidumą ir šiek tiek sumažina potencialą. Teigiamos kolonos švytėjimą lemia sužadintų dujų molekulių švytėjimas. Netoli anodo vėl pastebimas palyginti ryškus potencialo pokytis, susijęs su teigiamų jonų generavimu. Kai kuriais atvejais teigiamas stulpelis padalijamas į atskiras šviečiančias sritis - sluoksniai, atskirta tamsių erdvių.
Teigiama kolonėlė neturi svarbaus vaidmens išlaikant švytėjimo iškrovą, todėl mažėjant atstumui tarp vamzdžio elektrodų, teigiamos kolonos ilgis mažėja ir jis gali visai išnykti. Katodo tamsios erdvės ilgis skiriasi nuo padėties, kuri artėjant elektrodams nesikeičia. Jei elektrodai yra taip arti, kad atstumas tarp jų tampa mažesnis nei tamsiosios katodo erdvės ilgis, tada žaibo išlydis dujose sustos. Eksperimentai rodo, kad kiti dalykai yra lygūs, tamsiosios katodo erdvės ilgis d yra atvirkščiai proporcingas dujų slėgiui. Taigi esant pakankamai žemam slėgiui elektronai, kuriuos teigiami jonai išmuša iš katodo, praeina per dujas beveik be susidūrimo su jo molekulėmis, formuodami elektroninis arba katodo spinduliai .
Švytėjimo iškrova naudojama dujų vamzdeliuose, fluorescencinėse lempose, įtampos stabilizatoriuose, norint gauti elektronų ir jonų pluoštus. Jei katode padarytas plyšys, tada siauri jonų pluoštai praeina pro jį į erdvę už katodo, dažnai vadinamą kanalo sijos. Reiškinys plačiai naudojamas katodo purškimas , t.y. katodo paviršiaus sunaikinimas veikiant jį pataikantiems teigiamiems jonams. Katodo medžiagos ultramikroskopiniai fragmentai skrenda į visas puses tiesiomis linijomis ir plonu sluoksniu padengia į vamzdelį įdėtų kūnų (ypač dielektrikų) paviršių. Tokiu būdu gaminami veidrodžiai daugeliui prietaisų, plonas metalo sluoksnis padengiamas seleno fotoelementams.
B. Koronos iškrovimas.
Koronos iškrova atsiranda, kai normalus slėgis dujose labai nevienalyčiame elektriniame lauke (pavyzdžiui, šalia aukštos įtampos linijų galiukų ar laidų). Vainikinės iškrovos metu dujų jonizacija ir jos švytėjimas vyksta tik šalia vainikinių elektrodų. Katodo vainiko (neigiamos vainiko) atveju elektronai, sukeliantys dujų molekulių smūginę jonizaciją, bombarduojami teigiamais jonais. Jei vainikuojamas anodas (teigiama vainika), tai elektronai atsiranda dėl dujų fotojonizavimo šalia anodo. Korona yra žalingas reiškinys, kurį lydi srovės nuotėkis ir elektros energijos praradimas. Siekiant sumažinti vainiko susidarymą, padidinamas laidininkų kreivumo spindulys, o jų paviršius padaromas kuo lygesnis. Esant pakankamai aukštai įtampai tarp elektrodų, vainikinės iškrovos virsta kibirkštiniu.
Esant padidėjusiai įtampai, vainiko išlydis antgalyje įgauna iš linijos sklindančių ir laike besikeičiančių šviesos linijų formą. Šios linijos, turinčios vingių ir lenkimų seriją, sudaro tam tikrą teptuką, dėl kurio toks išsiskyrimas vadinamas riešo .
Įkrautas perkūnijos debesys sukelia priešingo ženklo elektrinius krūvius po juo esančiame Žemės paviršiuje. Ypač didelis krūvis kaupiasi ant antgalių. Todėl prieš perkūniją arba perkūnijos metu į aukštai iškeltų daiktų taškus ir aštrius kampus dažnai įsiplieskia į šepetėlį panašūs šviesos kūgiai. Nuo senų senovės šis švytėjimas buvo vadinamas Šv. Elmo žiburiais.
Alpinistai ypač dažnai liudija šį reiškinį. Kartais mažais šviečiančiais kutais puošia ne tik metalinius daiktus, bet ir plaukų galus ant galvos.
Su Korona reikia atsižvelgti sprendžiant aukštą įtampą. Koronos iškrova gali atsirasti, jei yra išsikišusių dalių arba labai plonų laidų. Tai sukelia elektros nuotėkį. Kuo didesnė aukštos įtampos linijos įtampa, tuo laidai turėtų būti storesni.
C. Kibirkšties išsiskyrimas.
Kibirkštinio išlydžio forma yra ryškių zigzago šakų siūlai-kanalai, kurie prasiskverbia pro išlydžio tarpą ir išnyksta, juos pakeičia nauji. Tyrimai parodė, kad kibirkštinio išlydžio kanalai kartais pradeda augti nuo teigiamo elektrodo, kartais - nuo neigiamo, o kartais - nuo tam tikro taško tarp elektrodų. Tai paaiškinama tuo, kad jonizacija smūgio būdu kibirkštinio iškrovos atveju vyksta ne per visą dujų tūrį, bet per atskirus kanalus, einančius tose vietose, kuriose netyčia didžiausia jonų koncentracija. Kibirkštinį išleidimą lydi paleidimas didelis skaičius šiluma, ryškus dujų švytėjimas, traškėjimas ar griaustinis. Visus šiuos reiškinius sukelia elektronų ir jonų lavinos, kylančios kibirkščių kanaluose ir lemiančios didžiulį slėgio padidėjimą, pasiekiantį 10 7 ~ 10 8 Pa, ir temperatūros padidėjimą iki 10 000 ° C.
Žaibas yra tipiškas kibirkštinio išlydžio pavyzdys. Pagrindinio žaibo kanalo skersmuo yra nuo 10 iki 25 cm, o žaibo ilgis gali siekti kelis kilometrus. Didžiausias stiprumas žaibo impulso srovė siekia dešimtis ir šimtus tūkstančių amperų.
Esant nedideliam išleidimo tarpo ilgiui, kibirkšties išleidimas sukelia specifinį anodo, vadinamo, sunaikinimą erozija ... Šis reiškinys buvo naudojamas elektroparko metodo pjovimo, gręžimo ir kitų rūšių tiksliojo metalo apdirbimo metoduose.
Kibirkščių tarpas naudojamas kaip apsaugos nuo viršįtampio įtaisas elektros linijos perdavimai (pavyzdžiui, telefono linijose). Jei šalia linijos teka stipri trumpalaikė srovė, šios linijos laiduose atsiranda įtampa ir srovės, kurios gali sugadinti elektros instaliaciją ir sukelti grėsmę žmonių gyvybei. Norėdami to išvengti, naudojami specialūs saugikliai, susidedantys iš dviejų sulenktų elektrodų, kurių vienas yra prijungtas prie linijos, o kitas yra įžemintas. Jei linijos potencialas žemės atžvilgiu stipriai padidėja, tada tarp elektrodų atsiranda kibirkšties išlydis, kuris kartu su jo kaitinamu oru pakyla, pailgėja ir nutrūksta.
Galiausiai, naudojant elektrinį kibirkštį, matuojami dideli potencialų skirtumai rutulio kibirkšties tarpas , kurių elektrodai yra du metaliniai rutuliukai su poliruotu paviršiumi. Kamuoliai išstumiami ir jiems taikomas išmatuotas potencialų skirtumas. Tada kamuoliukai sujungiami, kol tarp jų praeina kibirkštis. Žinodami kamuoliukų skersmenį, atstumą tarp jų, slėgį, oro temperatūrą ir drėgmę, pagal specialias lenteles jie randa kamuolių potencialų skirtumą. Šis metodas gali būti naudojamas kelių procentų tikslumu matuoti dešimčių tūkstančių voltų dydžio potencialų skirtumą.
D. Lanko iškrova.
Lanko išlydį atrado V. V. Petrovas 1802 m. Ši iškrova yra viena iš dujų išlydžio formų, kuri atliekama esant dideliam srovės tankiui ir santykinai žemai įtampai tarp elektrodų (kelių dešimčių voltų tvarka). Pagrindinė lanko išlydžio priežastis yra intensyvi termoelektronų emisija iš karšto katodo. Šiuos elektronus pagreitina elektrinis laukas ir dėl jų susidaro dujų molekulių smūginė jonizacija elektrinė varža dujų tarpas tarp elektrodų yra palyginti mažas. Jei sumažinsite išorinės grandinės varžą, padidinsite lanko išlydžio srovę, tada dujų tarpo laidumas padidės tiek, kad įtampa tarp elektrodų sumažės. Todėl jie sako, kad lanko išlydis turi krintančią srovės įtampos charakteristiką. Esant atmosferos slėgiui, katodo temperatūra siekia 3000 ° C. Elektronai, bombarduodami anodą, sukuria jame įdubimą (kraterį) ir jį pašildo. Kraterio temperatūra yra apie 4000 ° C, o esant aukštam oro slėgiui, ji siekia 6000-7000 ° C. Dujų temperatūra lankinio išmetimo kanale siekia 5000-6000 ° C, todėl jame vyksta intensyvi terminė jonizacija.
Kai kuriais atvejais lanko išlydis pastebimas ir esant gana žemai katodo temperatūrai (pavyzdžiui, gyvsidabrio lanko lempoje).
1876 \u200b\u200bm. P. N. Yablochkovas pirmą kartą panaudojo elektros lanką kaip šviesos šaltinį. Yablochkovo žvakėje anglys buvo išdėstytos lygiagrečiai ir atskirtos lenktu tarpsluoksniu, o jų galus sujungė laidus „uždegimo tiltas“. Įjungus srovę, degė uždegimo tiltas ir tarp anglių susidarė elektros lankas. Degant anglims izoliacinis sluoksnis išgaravo.
Lanko išlydis šiandien naudojamas kaip šviesos šaltinis, pavyzdžiui, prožektoriuose ir projekcijos įtaisuose.
Šiluma lanko iškrovimas leidžia jį naudoti lankinio krosnies įtaisui. Šiuo metu labai didele srove varomos lankinės krosnys naudojamos daugelyje pramonės šakų: plienui, ketui, geležies lydiniams, bronzai lydyti, kalcio karbidui, azoto oksidui ir kt.
1882 m. NN Benardosas pirmą kartą panaudojo lanko išlydį metalui pjauti ir virinti. Išmetimas tarp nejudančio anglinio elektrodo ir metalo sušildo dviejų metalinių lakštų (arba plokščių) sandūrą ir sujungia juos. Benardosas tuo pačiu metodu pjaustė metalines plokštes ir padarė jose skylutes. 1888 m. N. G. Slavyanovas patobulino šį suvirinimo būdą, pakeisdamas anglinį elektrodą metaliniu.
Lankinis išlydis pritaikytas gyvsidabrio lygintuve, kuris kintamą elektros srovę paverčia nuolatine.
E. Plazma.
Plazma yra dalinai arba visiškai jonizuotos dujos, kuriose teigiamų ir neigiami krūviai beveik taip pat. Taigi visa plazma yra elektra neutrali sistema.
Kiekybinė plazmos charakteristika yra jonizacijos laipsnis. Plazmos a jonizacijos laipsnis yra įkrautų dalelių tūrio koncentracijos ir visos dalelių tūrio koncentracijos santykis. Priklausomai nuo jonizacijos laipsnio, plazma skirstoma į silpnai jonizuotas (a yra procentų dalys), dalinai jonizuotas (a yra kelių procentų eilės) ir visiškai jonizuotas (a yra beveik 100%). Silpnai jonizuota plazma natūraliomis sąlygomis yra viršutinė atmosferos dalis - jonosfera. Saulė, karštos žvaigždės ir kai kurie tarpžvaigždiniai debesys yra visiškai jonizuota plazma, kuri susidaro esant aukštai temperatūrai.
Įvairių dalelių, sudarančių plazmą, vidutinės energijos gali labai skirtis. Todėl plazmai negalima apibūdinti vienos temperatūros T; išskirti elektroninė temperatūra T e, jonų temperatūra T i (arba jonų temperatūra, jei plazmoje yra kelių tipų jonai) ir neutralių atomų T a temperatūra (neutralus komponentas). Tokia plazma vadinama ne izotermine, priešingai nei izoterminė plazma, kurioje visų komponentų temperatūra yra vienoda.
Plazma taip pat skirstoma į aukštos temperatūros (Т i »10 6 -10 8 K ir daugiau) ir žemos temperatūros !!! (T i<=10 5 К). Это условное разделение связано с особой влажностью высокотемпературной плазмы в связи с проблемой осуществления управляемого термоядерного синтеза.
Plazma turi daugybę specifinių savybių, todėl ją galima laikyti ypatinga ketvirtąja materijos būsena.
Dėl didelio mobilumo įelektrintos plazmos dalelės lengvai juda veikiamos elektrinių ir magnetinių laukų. Todėl greitai pašalinamas bet koks atskirų plazmos regionų elektrinio neutralumo pažeidimas, kurį sukelia to paties krūvio ženklo dalelių kaupimasis. Susidarę elektriniai laukai juda įkrautas daleles, kol atstatomas elektrinis neutralumas ir elektrinis laukas tampa nulis. Priešingai nei neutralios dujos, tarp kurių molekulių yra mažo nuotolio jėgos, tarp įkrautų plazmos dalelių veikia Kulono jėgos, kurios atstumu mažėja palyginti lėtai. Kiekviena dalelė vienu metu sąveikauja su daugybe aplinkinių dalelių. Dėl to kartu su chaotišku šiluminiu judesiu plazmos dalelės gali dalyvauti įvairiuose tvarkinguose judesiuose. Visų rūšių svyravimai ir bangos lengvai sužadinami plazmoje.
Plazmos laidumas didėja didėjant jonizacijos laipsniui. Esant aukštai temperatūrai, visiškai jonizuota plazma savo laidumu priartėja prie superlaidininkų.
Žemos temperatūros plazma naudojama dujų išlydžio šviesos šaltiniuose - šviečiančiuose reklaminių užrašų vamzdeliuose, fluorescencinėse lempose. Dujų išlydžio lempa naudojama daugelyje prietaisų, pavyzdžiui, dujų lazeriuose - kvantiniuose šviesos šaltiniuose.
Aukštos temperatūros plazma naudojama magnetohidrodinaminiuose generatoriuose.
Neseniai buvo sukurtas naujas prietaisas - plazmatronas. Plazmatrone sukuriami galingi tankios žemos temperatūros plazmos srautai, plačiai naudojami įvairiose technologijų srityse: metalams pjauti ir virinti, skylėms gręžti kietose uolienose ir kt.
Naudotos literatūros sąrašas:
1) Fizika: elektrodinamika. 10–11 klasės: vadovėlis. nuodugnioms fizikos studijoms / G. Ya.Myakishev, A.Z. Sinyakov, B.A. Slobodskov. - 2-asis leidimas - M.: Bustard, 1998. - 480 p.
2) Fizikos kursas (trimis tomais). T. II. Elektra ir magnetizmas. Vadovėlis. techninių kolegijų vadovas. / Detlaf A.A., Yavorsky B.M., Milkovskaya L.B. Ed. 4-oji, rev. - M.: Aukštoji mokykla, 1977 m. - 375 p.
3) Elektra. / E. G. Kalašnikovas. Red. „Mokslas“, Maskva, 1977 m.
4) fizika. / B. B. Buchovcevas, J. L. Klimontovičius, G. Ya. Myakiševas. 3 leidimas, rev. - M.: Švietimas, 1986 m.
1. Jonizacija, jos esmė ir rūšys.
Pirmoji elektros srovės egzistavimo sąlyga yra laisvų krūvininkų buvimas. Dujose jie atsiranda dėl jonizacijos. Veikiant jonizacijos veiksniams, elektronas atskiriamas nuo neutralios dalelės. Atomas tampa teigiamu jonu. Taigi yra 2 krūvininkų tipai: teigiamas jonas ir laisvasis elektronas. Jei elektronas prisijungia prie neutralaus atomo, tada atsiranda neigiamas jonas, t.y. trečiojo tipo krūvininkų. Jonizuotos dujos vadinamos trečios rūšies laidininkais. Čia galimi du laidumo tipai: elektroninis ir joninis. Kartu su jonizacijos procesais vyksta atvirkštinis procesas, rekombinacija. Norint atskirti elektroną nuo atomo, reikia išleisti energiją. Jei energija tiekiama iš išorės, tai veiksniai, prisidedantys prie jonizacijos, vadinami išoriniais (aukšta temperatūra, jonizuojančioji spinduliuotė, UV spinduliuotė, stiprūs magnetiniai laukai). Priklausomai nuo jonizacijos veiksnių, tai vadinama termine jonizacija, fotojonizacija. Jonizaciją taip pat gali sukelti mechaninis smūgis. Jonizacijos veiksniai skirstomi į natūralius ir dirbtinius. Natūralus, kurį sukelia saulės spinduliai, Žemės radioaktyvusis fonas. Be išorinės jonizacijos, yra ir vidinė. Jis yra padalintas į šoką ir pakopinis.
Smūgio jonizacija.
Esant pakankamai aukštai įtampai, elektronai, kuriuos laukas pagreitina iki didelio greičio, patys tampa jonizacijos šaltiniu. Kai toks elektronas patenka į neutralų atomą, elektronas išmušamas iš atomo. Tai įvyksta, kai jonizaciją sukeliančio elektrono energija viršija atomo jonizacijos energiją. Įtampa tarp elektrodų turi būti pakankama, kad elektronas įgytų reikiamą energiją. Ši įtampa vadinama jonizacijos įtampa. Kiekvienam jis turi savo prasmę.
Jei judančio elektrono energija yra mažesnė nei būtina, smūgio metu įvyksta tik neutralaus atomo sužadinimas. Jei judantis elektronas susiduria su anksčiau sužadintu atomu, įvyksta laipsniška jonizacija.
2. Nesavaiminis dujų išlydis ir jo srovės įtampos charakteristika.
Jonizavimas lemia pirmosios srovės egzistavimo sąlygos įvykdymą, t. iki nemokamų mokesčių atsiradimo. Norint atsirasti srovei, turi būti išorinė jėga, kuri privers krūvius judėti kryptingai, t.y. reikalingas elektrinis laukas. Elektros srovę dujose lydi daugybė reiškinių: šviesa, garsas, ozono susidarymas, azoto oksidai. Reiškinių rinkinys, lydintis srovės eigą per dujų ir dujų išleidimą. Pats srovės praeinimo procesas dažnai vadinamas dujų išmetimu.
Iškrova vadinama nesavanaudiška, jei ji egzistuoja tik veikiant išoriniam jonizatoriui. Tokiu atveju, pasibaigus išorinio jonizatoriaus veikimui, nauji krūvininkai nesusidaro, o srovė sustoja. Neišlaikančioje iškrovoje srovės yra mažo dydžio ir nėra dujų švytėjimo.
Autonominis dujų išleidimas, jo rūšys ir charakteristikos.
Savaiminis dujų išlydis yra iškrova, kuri gali egzistuoti pasibaigus išorinio jonizatoriaus veikimui, t. dėl smūginės jonizacijos. Tokiu atveju pastebimi šviesos ir garso reiškiniai, dabartinis stiprumas gali žymiai padidėti.
Savaiminio išsikrovimo tipai:
1. tylioji iškrova - iškart po nesavarankiškos srovės stipris neviršija 1 mA, nėra garso ir šviesos reiškinių. Jis naudojamas kineziterapijoje, Geigerio - Mullerio skaitikliai.
2. švytėjimo išskyros. Didėjant įtampai, tylusis virsta rūkstančiu. Tai įvyksta esant tam tikrai įtampai - uždegimo įtampai. Tai priklauso nuo dujų rūšies. Neonas turi 60-80 V. Tai taip pat priklauso nuo dujų slėgio. Švytėjimo iškrova lydi švytėjimą, ji siejama su rekombinacija, kuri įvyksta išlaisvinant energiją. Spalva taip pat priklauso nuo dujų rūšies. Jis naudojamas indikatorinėse lempose (neoninėse, UV baktericidinėse, apšvietimo, fluorescencinėse).
3. oro išlydis. Dabartinis stipris yra 10 - 100 A. Jį lydi intensyvus švytėjimas, temperatūra dujų išleidimo tarpelyje siekia kelis tūkstančius laipsnių. Jonizacija siekia beveik 100%. 100% jonizuotų dujų - šaltų dujų plazma. Jis turi gerą laidumą. Jis naudojamas aukšto ir ypač aukšto slėgio gyvsidabrio lempose.
4. Kibirkštinis išleidimas yra tam tikra lanko iškrova. Šis išsiskyrimas yra impulsyvaus - svyruojančio pobūdžio. Medicinoje naudojamas aukštų dažnių svyravimų poveikis, esant dideliam srovės tankiui, pastebimi intensyvūs garso reiškiniai.
5. vainiko iškrovimas. Tai yra švytėjimo iškrovos tipas. Jis pastebimas tose vietose, kur smarkiai pasikeičia elektrinio lauko stipris. Čia yra užtaisų lavina ir dujų švytėjimas - vainikėlis.
Gamtoje nėra absoliučių dielektrikų. Sutvarkytą dalelių - elektros krūvio nešėjų - srovės judėjimą gali sukelti bet kokia terpė, tačiau tam reikia specialių sąlygų. Čia apsvarstysime, kaip dujose vyksta elektriniai reiškiniai ir kaip dujas iš labai gero dielektriko paversti labai geru laidininku. Mums bus įdomu, kokiomis sąlygomis jis atsiranda, taip pat kokiomis savybėmis pasižymi elektros srovė dujose.
Elektrinės dujų savybės
Dielektrikas yra medžiaga (terpė), kurioje dalelių - laisvųjų elektrinio krūvio nešėjų - koncentracija nepasiekia jokios reikšmingos vertės, dėl ko laidumas yra nereikšmingas. Visos dujos yra geri dielektrikai. Jų izoliacinės savybės yra plačiai naudojamos. Pavyzdžiui, bet kuriame automatiniame jungiklyje, atidarius kontaktus, atsiranda atvira grandinė, kad tarp jų atsirastų oro tarpas. Elektros laidų laidai taip pat yra izoliuoti vienas nuo kito oro sluoksniu.
Bet kurių dujų struktūrinis vienetas yra molekulė. Jis susideda iš atominių branduolių ir elektronų debesų, tai yra elektrinių krūvių rinkinys, tam tikru būdu paskirstytas erdvėje. Dujų molekulė gali atsirasti dėl jos struktūros ypatumų arba gali būti poliarizuota veikiama išorinio elektrinio lauko. Didžioji dauguma molekulių, kurios sudaro dujas, normaliomis sąlygomis yra elektriškai neutralios, nes jose esantys krūviai vienas kitą panaikina.
Jei dujoms bus pritaikytas elektrinis laukas, molekulės įgaus dipolio orientaciją, užimdamos erdvinę padėtį, kuri kompensuoja lauko poveikį. Įkrautos dalelės, esančios dujose, pradės judėti veikiant Kulono jėgoms: teigiami jonai - katodo link, neigiami jonai ir elektronai - anodo link. Tačiau jei lauke nėra pakankamo potencialo, neatsiranda vienos krypties krūvių srautas, ir mes galime kalbėti apie atskiras sroves, tokias silpnas, kad jų reikėtų nepaisyti. Dujos elgiasi kaip dielektrikas.
Taigi, norint atsirasti dujose elektros srovei, reikalinga didelė laisvųjų krūvininkų koncentracija ir lauko buvimas.
Jonizacija
Į laviną panašaus laisvų krūvių skaičiaus padidėjimas dujose vadinamas jonizacija. Atitinkamai, dujos, kuriose yra didelis kiekis įelektrintų dalelių, vadinamos jonizuotomis. Būtent tokiose dujose sukuriama elektros srovė.
Jonizacijos procesas yra susijęs su molekulių neutralumo pažeidimu. Dėl elektrono atsiskyrimo atsiranda teigiami jonai, elektrono prijungimas prie molekulės lemia neigiamo jono susidarymą. Be to, jonizuotose dujose yra daug laisvųjų elektronų. Teigiami jonai ir ypač elektronai yra pagrindiniai elektros srovės dujose krūvininkai.
Jonizacija įvyksta, kai dalelei perduodamas tam tikras energijos kiekis. Taigi, molekulės sudėtyje esantis išorinis elektronas, gavęs šią energiją, gali palikti molekulę. Tarpusavyje susidūrus įkrautoms dalelėms su neutraliomis, išmušami nauji elektronai, o procesas įgauna panašų į laviną pobūdį. Taip pat padidėja dalelių kinetinė energija, kuri labai prisideda prie jonizacijos.
Iš kur gaunama energija, išleista elektros srovei sužadinti dujose? Dujų jonizacija turi keletą energijos šaltinių, pagal kuriuos įprasta įvardyti jos rūšis.
- Jonizacija elektriniu lauku. Šiuo atveju potenciali lauko energija paverčiama dalelių kinetine energija.
- Terminė jonizacija. Temperatūros padidėjimas taip pat lemia didelio kiekio nemokamų mokesčių susidarymą.
- Fotoionizacija. Šio proceso esmė ta, kad elektronams energija suteikiama elektromagnetinės spinduliuotės kvantais - fotonais, jei jie turi pakankamai aukštą dažnį (ultravioletiniai, rentgeno, gama kvantai).
- Smūgio jonizacija yra susidūrusių dalelių kinetinės energijos pavertimo elektronų atsiskyrimo energija rezultatas. Kartu su termine jonizacija jis tarnauja kaip pagrindinis elektros srovės sužadinimo veiksnys dujose.
Kiekvienai dujai būdinga tam tikra ribinė vertė - jonizacijos energija, reikalinga elektronui atsiriboti nuo molekulės, nutraukiant potencialų barjerą. Ši pirmojo elektrono vertė svyruoja nuo kelių voltų iki dviejų dešimčių voltų; reikia daugiau energijos norint atskirti kitą elektroną nuo molekulės ir t.
Reikėtų nepamiršti, kad kartu su jonizacija dujose vyksta priešingas procesas - rekombinacija, tai yra neutralių molekulių atstatymas veikiant Kulono traukos jėgoms.
Dujų išmetimas ir jo rūšys
Taigi, elektros srovė dujose atsiranda dėl įsakyto dalelių judėjimo veikiant joms pritaikytam elektriniam laukui. Savo ruožtu tokių krūvių buvimas galimas dėl įvairių jonizacijos veiksnių.
Taigi, terminei jonizacijai reikalinga didelė temperatūra, tačiau atvira liepsna dėl kai kurių cheminių procesų skatina jonizaciją. Net esant gana žemai temperatūrai esant liepsnai, fiksuojama elektros srovės išvaizda dujose, o eksperimentas su dujų laidumu leidžia lengvai tai patikrinti. Tarp įkrauto kondensatoriaus plokščių būtina pastatyti degiklio ar žvakės liepsną. Kontūras, anksčiau atidarytas dėl oro tarpo kondensatoriuje, bus uždarytas. Prie grandinės prijungtas galvanometras parodys srovės buvimą.
Elektros srovė dujose vadinama dujų išlydžiu. Reikėtų nepamiršti, kad norint išlaikyti iškrovos stabilumą, jonizatoriaus veikimas turi būti pastovus, nes dėl nuolatinės rekombinacijos dujos praranda elektrai laidžiąsias savybes. Kai kurie elektros srovės nešikliai dujose - jonai - neutralizuojami ties elektrodais, kiti - elektronai, krentantys ant anodo, yra nukreipti į lauko šaltinio „pliusą“. Jei jonizuojantis faktorius nustos veikti, dujos iškart vėl taps dielektriku ir srovė sustos. Ši srovė, priklausanti nuo išorinio jonizatoriaus veikimo, vadinama nesavanaudiška iškrova.
Elektros srovės praeinimo per dujas ypatumus apibūdina ypatinga srovės stiprumo priklausomybė nuo įtampos - voltų-amperų charakteristika.
Apsvarstykite dujų iškrovos plėtrą priklausomybės nuo srovės ir įtampos grafike. Kai įtampa pakyla iki tam tikros vertės U 1, srovė didėja proporcingai jai, tai yra, įvykdomas Ohmo dėsnis. Kinetinė energija didėja, taigi, didėja įkrovos greitis dujose, ir šis procesas yra prieš rekombinaciją. Esant įtampos vertėms nuo U 1 iki U 2, šis ryšys pažeidžiamas; pasiekus U 2, visi krūvininkai pasiekia elektrodus neturėdami laiko rekombinuotis. Išnaudojami visi nemokami mokesčiai, o dėl tolesnio įtampos padidėjimo amperas nebus padidintas. Šis krūvių judėjimo pobūdis vadinamas prisotinimo srove. Taigi galime sakyti, kad elektros srovė dujose taip pat atsiranda dėl jonizuotų dujų elgsenos įvairaus stiprumo elektriniuose laukuose ypatumų.
Kai potencialų skirtumas tarp elektrodų pasiekia tam tikrą vertę U 3, įtampa tampa pakankama, kad elektrinis laukas sukeltų dujų lavinos jonizaciją. Kinetinė laisvųjų elektronų energija jau yra pakankama molekulių smūgio jonizacijai. Jų greitis daugumoje dujų yra apie 2000 km / s ir didesnis (jis apskaičiuojamas pagal apytikslę formulę v \u003d 600 U i, kur U i yra jonizacijos potencialas). Šiuo metu dėl vidinio jonizacijos šaltinio įvyksta dujų suskaidymas ir reikšmingas srovės padidėjimas. Todėl tokia iškrova vadinama nepriklausoma.
Išorinio jonizatoriaus buvimas šiuo atveju nebeturi vaidmens palaikant elektros srovę dujose. Savarankiškas išlydis skirtingomis sąlygomis ir esant skirtingoms elektrinio lauko šaltinio charakteristikoms gali turėti tam tikrų ypatumų. Yra tokių savaiminio išsikrovimo tipų kaip švytėjimas, kibirkštis, lankas ir vainika. Mes apsvarstysime, kaip elektros srovė elgiasi dujose, trumpai kiekvienam iš šių tipų.
Potencialo skirtumas nuo 100 (ar net mažiau) iki 1000 voltų yra pakankamas, kad būtų pradėta savaiminė iškrova. Todėl žaibo išlydis, kuriam būdingas mažas srovės stipris (nuo 10 -5 A iki 1 A), įvyksta esant ne daugiau kaip kelių milimetrų gyvsidabrio slėgiui.
Vamzdyje su retomis dujomis ir šaltais elektrodais susidaręs švytintis išlydis atrodo kaip plonas švytintis laidas tarp elektrodų. Jei mes ir toliau pumpuosime dujas iš vamzdžio, laidas bus neryškus, o esant dešimtojo milimetro gyvsidabrio slėgiui, švytėjimas beveik visiškai užpildys vamzdį. Netoli katodo nėra švytėjimo - vadinamojoje tamsioje katodo erdvėje. Likusi dalis vadinama pozityviu pranešimu. Šiuo atveju pagrindiniai procesai, užtikrinantys iškrovos egzistavimą, yra lokalizuoti būtent tamsioje katodo erdvėje ir šalia jos esančiame regione. Čia paspartėja įelektrintų dujų dalelių, išmušančių elektronus iš katodo, pagreitis.
Švytėjimo iškrovoje jonizaciją sukelia elektronų emisija iš katodo. Elektronai, kuriuos skleidžia katodas, sukelia dujų molekulių smūginę jonizaciją, susidarę teigiami jonai sukelia antrinę emisiją iš katodo ir pan. Teigiamos kolonos švytėjimas daugiausia susijęs su fotonų išsiskyrimu iš sužadintų dujų molekulių, o įvairioms dujoms būdingas tam tikros spalvos švytėjimas. Teigiama kolonėlė dalyvauja formuojant kaitinimo išlydį tik kaip elektros grandinės dalis. Jei priartinsite elektrodus, galite išnykti teigiamą stulpelį, tačiau išlydis nesustos. Tačiau dar labiau sumažinus atstumą tarp elektrodų, švytėjimo išlydis negali egzistuoti.
Reikėtų pažymėti, kad šio tipo dujose esanti elektros srovė kai kurių procesų fizika dar nėra iki galo išaiškinta. Pavyzdžiui, jėgų, sukeliančių regiono išsiplėtimą ant katodo paviršiaus, kuris dalyvauja išleidime, didėjant srovei, pobūdis lieka neaiškus.
Kibirkšties išsiskyrimas
Kibirkščių suskirstymas turi impulsyvų pobūdį. Jis įvyksta esant normaliam atmosferos slėgiui, tais atvejais, kai elektrinio lauko šaltinio galia yra nepakankama, kad būtų išlaikyta stacionari iškrova. Tokiu atveju lauko stipris yra didelis ir gali siekti 3 MV / m. Reiškinys pasižymi staigiu iškrovos elektros srovės padidėjimu dujose, tuo pačiu metu įtampa ypač greitai krinta ir iškrova sustoja. Be to, potencialų skirtumas vėl padidėja ir visas procesas kartojamas.
Šio tipo iškrovose susidaro trumpalaikiai kibirkštiniai kanalai, kurių augimas gali prasidėti bet kuriame taške tarp elektrodų. Taip yra dėl to, kad smūginė jonizacija atsitiktinai vyksta tose vietose, kur šiuo metu yra sutelktas didžiausias jonų skaičius. Netoli kibirkšties kanalo dujos greitai įkaista ir patiria šiluminę plėtrą, sukeldamos akustines bangas. Todėl kibirkšties išsiskyrimą lydi traškėjimas, taip pat šilumos išsiskyrimas ir ryškus švytėjimas. Griūčių jonizacijos procesai sukelia aukštą slėgį ir temperatūrą kibirkščių kanale iki 10 tūkstančių laipsnių ir aukštesnę temperatūrą.
Ryškiausias natūralios kibirkštinės iškrovos pavyzdys yra žaibas. Pagrindinio žaibo kanalo skersmuo gali svyruoti nuo kelių centimetrų iki 4 m, o kanalo ilgis gali siekti 10 km. Dabartinio stiprumo dydis siekia 500 tūkstančių amperų, \u200b\u200bo potencialus skirtumas tarp perkūnijos ir Žemės paviršiaus siekia milijardą voltų.
Ilgiausias 321 km ilgio žaibas buvo pastebėtas 2007 m. Oklahomoje, JAV. Trukmės rekordas buvo 2012 metais Prancūzijos Alpėse užfiksuotas žaibas - jis truko daugiau nei 7,7 sekundės. Trenkus žaibui, oras gali įkaisti iki 30 tūkstančių laipsnių, o tai yra 6 kartus daugiau nei matomo Saulės paviršiaus temperatūra.
Tais atvejais, kai elektrinio lauko šaltinio galia yra pakankamai didelė, kibirkšties išsiskyrimas vystosi lanku.
Šiam savaiminio iškrovimo tipui būdingas didelis srovės tankis ir žema (mažiau nei su švytėjimo iškrovimu) įtampa. Sugedimo atstumas yra mažas dėl elektrodų artumo. Iškrovą inicijuoja elektrono emisija iš katodo paviršiaus (metalų atomams jonizacijos potencialas yra mažas, palyginti su dujų molekulėmis). Sugedus elektrodams, susidaro sąlygos, kurioms esant dujos praleidžia elektros srovę, ir atsiranda kibirkščių išlydis, uždarantis grandinę. Jei įtampos šaltinio galia yra pakankamai didelė, kibirkščių iškrovos virsta stabiliu elektros lanku.
Jonizacija lankiniame išlydyje siekia beveik 100%, srovė yra labai didelė ir gali svyruoti nuo 10 iki 100 amperų. Esant atmosferos slėgiui, lankas gali įkaisti iki 5-6 tūkstančių laipsnių, o katodas - iki 3 tūkstančių laipsnių, o tai lemia intensyvų terminį išmetimą iš jo paviršiaus. Anodo bombardavimas elektronais sukelia dalinį sunaikinimą: ant jo susidaro įduba - maždaug 4000 ° C temperatūros krateris. Padidėjęs slėgis lemia dar didesnę temperatūros kilimą.
Atskyrus elektrodus, lanko išlydis išlieka stabilus iki tam tikro atstumo, o tai leidžia su juo susidoroti tose elektros įrangos vietose, kur ji yra kenksminga dėl jos sukeliamos kontaktų korozijos ir perdegimo. Tai yra įtaisai, tokie kaip aukštos įtampos ir automatiniai jungikliai, kontaktoriai ir kiti. Vienas iš lanko, atsirandančio atidarius kontaktus, būdų yra lanko gesinimo kamerų naudojimas, atsižvelgiant į lanko ilginimo principą. Taip pat naudojama daugybė kitų metodų: manevravimo kontaktai, medžiagų, turinčių didelį jonizacijos potencialą, naudojimas ir pan.
Vainikinių iškrovų išsivystymas vyksta esant normaliam atmosferos slėgiui smarkiai nehomogeniniuose laukuose prie elektrodų su dideliu paviršiaus kreivumu. Tai gali būti smailės, stiebai, laidai, įvairūs sudėtingos formos elektros įrangos elementai ir net žmogaus plaukai. Toks elektrodas vadinamas vainikiniu elektrodu. Jonizacijos procesai ir atitinkamai dujų švytėjimas vyksta tik šalia jo.
Vainika gali susidaryti tiek prie katodo (neigiama vainika), kai bombarduojama jonais, tiek anodo (teigiama) - dėl fotojonizacijos. Neigiamai vainikai, kurioje jonizacijos procesas dėl termioninės emisijos yra nukreiptas iš elektrodo, būdingas tolygus švytėjimas. Srautukus galima pastebėti teigiamoje vainikinėje - skaldytos konfigūracijos šviesos linijose, kurios gali virsti kibirkšties kanalais.
Vainikinių išmetimų natūraliomis sąlygomis pavyzdys kyla aukštų stiebų, medžių viršūnių ir pan. Jie susidaro esant dideliam elektrinio lauko stiprumui atmosferoje, dažnai prieš perkūniją ar per sniegą. Be to, jie buvo pritvirtinti ant orlaivių, patekusių į vulkaninių pelenų debesį, odos.
Dėl koronos iškrovimo elektros linijose patiriami dideli elektros nuostoliai. Esant aukštai įtampai, vainiko iškrova gali virsti lankine iškrova. Jie kovoja su juo įvairiais būdais, pavyzdžiui, padidindami laidininkų kreivumo spindulį.
Elektros srovė dujose ir plazmoje
Visiškai arba iš dalies jonizuotos dujos vadinamos plazma ir laikomos ketvirta medžiagos agregacijos būsena. Apskritai, plazma yra elektra neutrali, nes visas ją sudarančių dalelių krūvis yra lygus nuliui. Tai jį išskiria iš kitų įkrautų dalelių sistemų, tokių kaip, pavyzdžiui, elektronų pluoštai.
Natūraliomis sąlygomis plazma susidaro, paprastai, esant aukštai temperatūrai dėl dujų atomų susidūrimo dideliu greičiu. Didžioji bario medžiagų visatoje dauguma yra plazmos būsenoje. Tai yra žvaigždės, tarpžvaigždinės medžiagos dalis, tarpgalaktinės dujos. Žemės jonosfera taip pat yra reta, silpnai jonizuota plazma.
Jonizacijos laipsnis yra svarbi plazmos charakteristika - nuo jos priklauso laidžiosios savybės. Jonizacijos laipsnis apibrėžiamas kaip jonizuotų atomų skaičiaus ir bendro atomų skaičiaus santykis tūrio vienete. Kuo daugiau jonizuota plazma, tuo didesnis jos elektrinis laidumas. Be to, jam būdingas didelis mobilumas.
Taigi matome, kad dujos, laidžios elektros srovei iškrovos kanale, yra ne kas kita, kaip plazma. Taigi, švytėjimas ir vainikiniai išsiskyrimai yra šaltos plazmos pavyzdžiai; žaibo kibirkšties kanalas arba elektros lankas yra karštos, beveik visiškai jonizuotos plazmos pavyzdžiai.
Elektros srovė metaluose, skysčiuose ir dujose - skirtumai ir panašumai
Panagrinėkime savybes, apibūdinančias dujų išmetimą, palyginti su srovės savybėmis kitose terpėse.
Metaluose srovė yra nukreiptas laisvųjų elektronų judėjimas, kuris nereiškia cheminių pokyčių. Šio tipo laidininkai vadinami I tipo laidininkais; be metalų ir lydinių, tai apima anglis, kai kurias druskas ir oksidus. Jie išsiskiria elektroniniu laidumu.
Antrosios rūšies laidininkai yra elektrolitai, tai yra skysti šarmų, rūgščių ir druskų vandeniniai tirpalai. Srovės perdavimas yra susijęs su cheminiu elektrolito pokyčiu - elektrolize. Vandenyje ištirpusios medžiagos jonai, veikdami potencialų skirtumą, juda priešingomis kryptimis: teigiami katijonai - į katodą, neigiami - į anodą. Procesą lydi dujų išsiskyrimas arba metalinio sluoksnio nusėdimas ant katodo. Antrosios rūšies laidininkai turi joninį laidumą.
Kalbant apie dujų laidumą, jis, pirma, yra laikinas, antra, jis turi panašumų ir skirtumų su kiekvienu iš jų. Taigi, elektros srovė tiek elektrolituose, tiek dujose yra priešingai įkrautų dalelių, nukreiptų į priešingus elektrodus, dreifas. Tačiau, nors elektrolitams būdingas vien joninis laidumas, elektronai atlieka pagrindinį vaidmenį dujų išlydyje derinant elektroninius ir joninius laidumo tipus. Kitas skirtumas tarp skysčių ir dujų elektros srovės yra jonizacijos pobūdis. Elektrolite ištirpusio junginio molekulės disocijuojasi vandenyje, o dujose molekulės nesuyra, o tik praranda elektronus. Todėl dujų išmetimas, kaip ir srovė metaluose, nėra susijęs su cheminiais pokyčiais.
Skysčių ir dujų srovės taip pat nėra vienodos. Elektrolitų laidumas, kaip visuma, paklūsta Ohmo dėsniui, ir jis nepastebimas dujų išlydžio metu. Dujų srovės įtampos charakteristika yra daug sudėtingesnė, susijusi su plazmos savybėmis.
Taip pat reikėtų paminėti bendruosius ir skiriamuosius elektros srovės dujose ir vakuume ypatumus. Vakuumas yra beveik tobulas dielektrikas. „Beveik“ - nes vakuume, nepaisant to, kad nėra (tiksliau, ypač mažos koncentracijos) laisvųjų krūvininkų, srovė taip pat įmanoma. Bet potencialių nešiklių jau yra dujose, juos reikia tik jonizuoti. Krūvininkai iš materijos patenka į vakuumą. Paprastai tai įvyksta elektronų emisijos metu, pavyzdžiui, kai katodas yra kaitinamas (terminis išmetimas). Tačiau net ir įvairių rūšių dujų išmetimo atveju, kaip matėme, išmetamieji teršalai vaidina svarbų vaidmenį.
Dujų išleidimo taikymas technologijoje
Apie žalingą tam tikrų išmetimų poveikį jau buvo trumpai aptarta aukščiau. Dabar atkreipkime dėmesį į jų teikiamą naudą pramonėje ir kasdieniame gyvenime.
Kaitinimo išlydis naudojamas elektrotechnikoje (įtampos stabilizatoriai), dengimo technologijoje (katodo purškimo metodas, pagrįstas katodo korozijos reiškiniu). Elektronikoje jis naudojamas jonų ir elektronų pluoštams gaminti. Gerai žinoma švytėjimo išlydžio taikymo sritis yra fluorescencinėse ir vadinamosiose energiją taupančiose lempose bei dekoratyviniuose neoniniuose ir argoniniuose dujų išmetimo vamzdžiuose. Be to, švytėjimo iškrova naudojama spektroskopijoje ir jos metu.
Kibirkštinis išlydis naudojamas saugikliuose, atliekant precizinio metalo apdirbimo elektroerozinius metodus (kibirkščių pjovimas, gręžimas ir kt.). Bet jis geriausiai žinomas dėl jo naudojimo vidaus degimo variklių žvakėse ir buitiniuose prietaisuose (dujinėse viryklėse).
Lanko išlydis, apšvietimo technologijoje pirmą kartą panaudotas dar 1876 m. (Yablochkovo žvakė - „rusiška šviesa“), vis dar tarnauja kaip šviesos šaltinis, pavyzdžiui, projekciniuose įtaisuose ir galinguose projektoriuose. Elektrotechnikoje lankas naudojamas gyvsidabrio lygintuvuose. Be to, jis naudojamas elektrinio suvirinimo, metalo pjovimo ir pramoninėse elektrinėse krosnyse plienui ir lydiniams lydyti.
Koronos iškrova naudojama elektrostatiniuose nusodintuvuose joninėms dujoms valyti, elementariųjų dalelių skaitikliuose, žaibolaidžiuose, oro kondicionavimo sistemose. „Corona“ išmetimas taip pat veikia kopijavimo aparatuose ir lazeriniuose spausdintuvuose, kur ji įkrauna ir išleidžia šviesai jautrų būgną ir perkelia miltelius iš būgno į popierių.
Taigi visų rūšių dujų išleidimas yra plačiai naudojamas. Elektros srovė dujose sėkmingai ir efektyviai naudojama daugelyje technologijų sričių.
Dujose yra nesavaiminių ir savarankiškų elektros iškrovų.
Elektros srovės tekėjimo per dujas reiškinys, kuris pastebimas tik esant tam tikros išorinės įtakos dujoms, vadinamas nesavaiminiu elektros išlydžiu. Elektrono atjungimo nuo atomo procesas vadinamas atomo jonizacija. Minimali energija, kurią reikia išleisti norint atjungti elektroną nuo atomo, vadinama jonizacijos energija. Vadinamos iš dalies arba visiškai jonizuotos dujos, kuriose teigiamų ir neigiamų krūvių tankiai yra vienodi plazma.
Elektros srovės nešiotojai savaime neišlaikančioje iškrovoje yra teigiami jonai ir neigiami elektronai. Srovės įtampos charakteristika parodyta fig. 54. OAV srityje - nesavarankiškas išsiskyrimas. Saulės srityje išskyros tampa nepriklausomos.
Savaime išsikraunant, vienas iš atomų jonizavimo būdų yra elektronų smūginė jonizacija. Jonizavimas elektronų smūgiu tampa įmanomas, kai elektronas vidutiniame laisvame kelyje A įgyja kinetinę energiją W k, kurios pakanka elektronui atjungti nuo atomo. Savarankiškai išsiskiriančių dujų rūšys yra kibirkštinės, vainikinės, lankinės ir švytinčios.
Kibirkšties išsiskyrimas atsiranda tarp dviejų elektrodų, įkrautų skirtingais krūviais ir turinčių didelį potencialų skirtumą. Įtampa tarp priešingai įkrautų kūnų siekia iki 40 000 V. Kibirkštinio išlydis yra trumpalaikis, jo mechanizmas yra elektroninis smūgis. Žaibas yra kibirkščių išleidimo tipas.
Labai nevienalyčiuose elektriniuose laukuose, susidarančiuose, pavyzdžiui, tarp taško ir plokštumos arba tarp elektros linijos laido ir Žemės paviršiaus, dujose atsiranda speciali savaiminio išsikrovimo forma, vadinama vainikinės iškrovos.
Elektros lanko išlydis buvo atrastas rusų mokslininko V. V. Petrovo 1802 m. Kai du elektrodai, pagaminti iš anglies, liečiasi 40–50 V įtampa, kai kur atsiranda nedidelio skerspjūvio plotai, turintys didelę elektrinę varžą. Šios sritys labai įkaista, skleidžia elektronus, kurie jonizuoja atomus ir molekules tarp elektrodų. Elektros srovės nešėjai lanke yra teigiamai įkrauti jonai ir elektronai.
Vadinama iškrova, atsirandanti esant sumažintam slėgiui švytėjimo išskyros... Mažėjant slėgiui, didėja laisvasis elektronų kelias ir per laiką tarp susidūrimų jis sugeba įgyti energijos, pakankamos jonizacijai, mažesnio stiprumo elektriniame lauke. Iškrovimą vykdo elektronų jonų lavina.
