Acesta este un scurt rezumat.
Lucrările la versiunea completă continuă
Lectura2 1
Curent în gaze
1. Dispoziții generale
Definiție: Fenomenul curentului electric care trece prin gaze se numește evacuarea gazelor.
Comportarea gazelor depinde foarte mult de parametrii săi, cum ar fi temperatura și presiunea, iar acești parametri se modifică destul de ușor. Prin urmare, fluxul de curent electric în gaze este mai complex decât în metale sau în vid.
Gazele nu respectă legea lui Ohm.
2. Ionizare și recombinare
Gaz la conditii normale, este format din molecule practic neutre, prin urmare, conduce extrem de prost electricitate. Cu toate acestea, sub influențe externe, un electron poate fi smuls dintr-un atom și apare un ion încărcat pozitiv. În plus, un electron se poate atașa de un atom neutru și poate forma un ion încărcat negativ. În acest fel, este posibil să se obțină un gaz ionizat, adică. plasmă.
Influențele externe includ încălzirea, iradierea cu fotoni energetici, bombardarea cu alte particule și câmpuri puternice, de exemplu. aceleași condiții care sunt necesare pentru emisia elementară.
Un electron dintr-un atom se află într-un puț de potențial și, pentru a scăpa de acolo, atomului trebuie să i se acorde energie suplimentară, care se numește energie de ionizare.
|
Substanţă |
Energia de ionizare, eV |
|
Atom de hidrogen |
13,59 |
|
Molecula de hidrogen |
15,43 |
|
Heliu |
24,58 |
|
atom de oxigen |
13,614 |
|
molecula de oxigen |
12,06 |
Alături de fenomenul de ionizare se observă și fenomenul de recombinare, adică. combinația dintre un electron și un ion pozitiv pentru a forma un atom neutru. Acest proces are loc cu eliberarea de energie egală cu energia de ionizare. Această energie poate fi folosită pentru radiații sau încălzire. Încălzirea locală a gazului duce la o modificare locală a presiunii. Care, la rândul său, duce la apariție unde sonore. Astfel, descărcarea de gaz este însoțită de efecte de lumină, termice și de zgomot.
3. Caracteristicile curent-tensiune ale unei descărcări de gaz.
Pe etapele inițiale este necesar un ionizator extern.
În secțiunea OAW, curentul există sub influența unui ionizator extern și ajunge rapid la saturație atunci când toate particulele ionizate participă la formarea curentului. Dacă scoateți ionizatorul extern, curentul se oprește.
Acest tip de descărcare se numește descărcare de gaz neauto-susținută. Când încercați să creșteți tensiunea în gaz, apar avalanșe de electroni, iar curentul crește la o tensiune aproape constantă, care se numește tensiune de aprindere (IC).
Din acest moment, descărcarea devine independentă și nu este nevoie de un ionizator extern. Numărul de ioni poate deveni atât de mare încât rezistența spațiului interelectrod scade și tensiunea (VSD) scade în consecință.
Apoi, în intervalul interelectrod, zona în care trece curentul începe să se îngusteze, iar rezistența crește și, prin urmare, tensiunea (MU) crește.
Când încercați să creșteți tensiunea, gazul devine complet ionizat. Rezistența și tensiunea scad la zero, iar curentul crește de multe ori. Rezultatul este o descărcare de arc (EF).
Caracteristica curent-tensiune arată că gazul nu respectă deloc legea lui Ohm.
4. Procese în gaz
Procese care pot duce la formarea avalanșelor de electroni prezentate pe imagine.
Acestea sunt elementele teoriei calitative a lui Townsend.
5. Descărcare strălucitoare.
La presiuni joase iar la tensiuni joase se poate observa această descărcare.
K – 1 (spațiu Aston întunecat).
1 – 2 (film catod luminos).
2 – 3 (spațiu Crookes întunecat).
3 – 4 (prima strălucire catodică).
4 – 5 (spațiu Faraday întunecat)
5 – 6 (coloană anod pozitiv).
6 – 7 (anod spațiu întunecat).
7 – A (strălucire anodică).
Dacă faceți anodul mobil, atunci lungimea coloanei pozitive poate fi ajustată fără a modifica practic dimensiunile regiunii K – 5.
În zonele întunecate, particulele accelerează și câștigă energie; în zonele luminoase au loc procese de ionizare și recombinare.
Rezumat despre fizică
pe tema:
„Curentul electric în gaze”.
Curentul electric în gaze.
1. Descărcări electrice în gaze.
Toate gazele în starea lor naturală nu conduc electricitatea. După cum se poate observa din următoarea experiență:
Să luăm un electrometru cu discurile unui condensator plat atașat la el și să-l încărcăm. La temperatura camerei, dacă aerul este suficient de uscat, condensatorul nu se descarcă vizibil - poziția acului electrometrului nu se schimbă. Pentru a observa o scădere a unghiului de deviere a acului electrometrului, aveți nevoie perioadă lungă de timp. Aceasta arată că curentul electric din aer între discuri este foarte mic. Această experiență arată că aerul este un slab conductor al curentului electric.
Să modificăm experimentul: încălziți aerul dintre discuri cu flacăra unei lămpi cu alcool. Apoi unghiul de deviere al acului electrometrului scade rapid, adică. diferența de potențial dintre discurile condensatorului scade - condensatorul este descărcat. În consecință, aerul încălzit dintre discuri a devenit conductor și în el se stabilește un curent electric.
Proprietățile izolante ale gazelor se explică prin faptul că nu au sarcini electrice libere: atomii și moleculele de gaze în starea lor naturală sunt neutre.
2. Ionizarea gazelor.
Experiența descrisă mai sus arată că particulele încărcate apar în gaze sub influența temperaturii ridicate. Ele apar din cauza detașării unuia sau mai multor electroni de atomii de gaz, în urma cărora apar un ion pozitiv și electroni în locul unui atom neutru. Unii dintre electronii rezultați pot fi capturați de alți atomi neutri și apoi vor apărea mai mulți ioni negativi. Se numește descompunerea moleculelor de gaz în electroni și ioni pozitivi ionizarea gazelor.
Încălzirea unui gaz la o temperatură ridicată nu este singura modalitate de a ioniza moleculele sau atomii de gaz. Ionizarea gazului poate avea loc sub influența diferitelor interacțiuni externe: încălzirea puternică a gazului, razele X, razele a-, b- și g provenite din dezintegrarea radioactivă, razele cosmice, bombardarea moleculelor de gaz de către electroni sau ioni în mișcare rapidă. Factorii care provoacă ionizarea gazelor se numesc ionizatoare. Caracteristici cantitative procesul de ionizare serveste intensitatea ionizării, măsurată prin numărul de perechi de particule încărcate de semn opus care apar într-o unitate de volum de gaz pe unitate de timp.
Ionizarea unui atom necesită cheltuirea unei anumite energie - energie de ionizare. Pentru a ioniza un atom (sau moleculă), este necesar să se lucreze împotriva forțelor de interacțiune dintre electronul ejectat și particulele rămase ale atomului (sau moleculei). Această lucrare se numește lucru de ionizare A i. Cantitatea de lucru de ionizare depinde de natura chimică a gazului și de starea energetică a electronului ejectat în atom sau moleculă.
După ce ionizatorul încetează să funcționeze, numărul de ioni din gaz scade în timp și în cele din urmă ionii dispar cu totul. Dispariția ionilor se explică prin faptul că ionii și electronii participă la mișcarea termică și, prin urmare, se ciocnesc între ei. Când un ion pozitiv și un electron se ciocnesc, se pot reuni într-un atom neutru. În mod similar, atunci când un ion pozitiv și cel negativ se ciocnesc, ionul negativ poate ceda excesul de electron către ionul pozitiv și ambii ioni vor deveni atomi neutri. Acest proces de neutralizare reciprocă a ionilor se numește recombinarea ionilor. Când un ion pozitiv și un electron sau doi ioni se recombină, se eliberează o anumită energie, egală cu energia cheltuită pentru ionizare. Parțial este emis sub formă de lumină și, prin urmare, recombinarea ionilor este însoțită de strălucire (strălucire de recombinare).
În fenomenele de descărcare electrică în gaze, ionizarea atomilor prin impactul electronilor joacă un rol important. Acest proces constă în faptul că un electron în mișcare cu energie cinetică suficientă, la ciocnirea cu un atom neutru, scoate unul sau mai mulți electroni atomici din acesta, în urma căruia atomul neutru se transformă într-un ion pozitiv și apar noi electroni. în gaz (asta va fi discutată mai târziu).
Tabelul de mai jos prezintă energiile de ionizare ale unor atomi.
3. Mecanismul conductivității electrice a gazelor.
Mecanismul de conductivitate a gazelor este similar cu mecanismul de conductivitate a soluțiilor și a topiturii electroliților. În absența unui câmp extern, particulele încărcate, precum moleculele neutre, se mișcă haotic. Dacă ionii și electronii liberi se găsesc într-un câmp electric extern, atunci încep să se miște într-o direcție și creează un curent electric în gaze.
Astfel, curentul electric din gaz reprezintă mișcarea direcționată a ionilor pozitivi spre catod, și ioni negativi iar electroni la anod. Curentul total din gaz constă din două fluxuri de particule încărcate: fluxul care merge către anod și fluxul direcționat către catod.
Neutralizarea particulelor încărcate are loc la electrozi, ca și în cazul trecerii curentului electric prin soluții și topituri de electroliți. Cu toate acestea, în gaze nu există eliberare de substanțe pe electrozi, așa cum este cazul soluțiilor de electroliți. Ionii de gaz, care se apropie de electrozi, le dau sarcinile lor, se transformă în molecule neutre și difuzează înapoi în gaz.
O altă diferență a conductivității electrice a gazelor ionizate și a soluțiilor de electroliți (topite) este că sarcina negativă atunci când curentul trece prin gaze este transportată în primul rând nu de ionii negativi, ci de electroni, deși conductivitatea datorată ionilor negativi poate juca și ea un rol.
Astfel, gazele combină conductivitatea electronică, asemănătoare cu cea a metalelor, cu conductivitatea ionică, similară conductivității solutii apoase iar electrolitul se topește.
4. Descărcare de gaz neautosusținută.
Procesul de trecere a curentului electric printr-un gaz se numește descărcare gazoasă. Dacă conductivitatea electrică a unui gaz este creată de ionizatori externi, atunci curentul electric care apare în el se numește evacuare gazoasă nesusţinută. Odată cu încetarea acțiunii ionizatorilor externi, descărcarea ne-susținută încetează. O descărcare de gaz care nu se autosusține nu este însoțită de strălucire de gaz.
Mai jos este un grafic al dependenței curentului de tensiune în timpul unei descărcări neauto-susținute într-un gaz. Pentru a reprezenta graficul, a fost folosit un tub de sticlă cu doi electrozi metalici sigilați în sticlă. Lanțul este asamblat așa cum se arată în figura de mai jos.
La o anumită tensiune, vine un moment în care toate particulele încărcate formate în gaz de ionizator pe secundă ajung la electrozi în același timp. O creștere suplimentară a tensiunii nu mai poate duce la o creștere a numărului de ioni transferați. Curentul ajunge la saturație (secțiunea orizontală a graficului 1).
5. Descărcare de gaz autonomă.
Se numește o descărcare electrică într-un gaz care persistă după ce ionizatorul extern încetează să funcționeze descărcare independentă de gaz. Pentru implementarea sa, este necesar ca, ca urmare a descărcării în sine, să se formeze continuu încărcături gratuite în gaz. Principala sursă a apariției lor este ionizarea prin impact a moleculelor de gaz.
Dacă, după atingerea saturației, continuăm să creștem diferența de potențial dintre electrozi, atunci puterea curentului la o tensiune suficient de mare va începe să crească brusc (graficul 2).
Aceasta înseamnă că în gaz apar ioni suplimentari, care se formează datorită acțiunii ionizatorului. Puterea curentului poate crește de sute și de mii de ori, iar numărul de particule încărcate generate în timpul procesului de descărcare poate deveni atât de mare încât nu va mai fi necesar un ionizator extern pentru a menține descărcarea. Prin urmare, ionizatorul poate fi acum îndepărtat.
Care sunt motivele creșterii puternice a curentului la tensiuni înalte? Să luăm în considerare orice pereche de particule încărcate (un ion pozitiv și un electron) formată datorită acțiunii unui ionizator extern. Electronul liber care apare în acest fel începe să se deplaseze la electrodul pozitiv - anod, iar ionul pozitiv - la catod. Pe drum, electronul întâlnește ioni și atomi neutri. În intervalele dintre două ciocniri succesive, energia electronului crește datorită muncii forțelor câmpului electric.
 |
Cu cât diferența de potențial dintre electrozi este mai mare, cu atât intensitatea câmpului electric este mai mare. Energia cinetică a electronului înainte de următoarea ciocnire este proporțională cu intensitatea câmpului și cu calea liberă medie a electronului: MV 2 /2=eEl. Dacă energia cinetică a unui electron depășește munca A i care trebuie făcută pentru ionizarea unui atom (sau moleculă) neutru, i.e. MV 2 >A i, atunci când un electron se ciocnește cu un atom (sau moleculă), acesta este ionizat. Drept urmare, în loc de un electron, apar doi (unul care lovește atomul și unul care este smuls din atom). Ei, la rândul lor, primesc energie în câmp și ionizează atomii care se apropie etc. Ca urmare, numărul de particule încărcate crește rapid și are loc o avalanșă de electroni. Procesul descris este numit ionizare prin impact electronic.
Dar ionizarea numai prin impactul electronilor nu poate asigura menținerea unei sarcini independente. Într-adevăr, toți electronii generați în acest fel se deplasează spre anod și, la atingerea anodului, „elimină din joc”. Pentru a menține descărcarea, electronii trebuie să fie emiși din catod („emisie” înseamnă „emisie”). Emisia de electroni se poate datora mai multor motive.
Ionii pozitivi formați în timpul ciocnirii electronilor cu atomii neutri, la deplasarea către catod, capătă o mare energie kinetică. Când astfel de ioni rapizi lovesc catodul, electronii sunt scoși de pe suprafața catodului.
În plus, catodul poate emite electroni atunci când este încălzit la temperaturi ridicate. Acest proces se numește emisie termoionică. Poate fi considerată ca evaporarea electronilor dintr-un metal. In multe solide Emisia termoionică are loc la temperaturi la care evaporarea substanței în sine este încă mică. Astfel de substanțe sunt folosite pentru a face catozi.
În timpul autodescărcării, încălzirea catodului poate apărea din cauza bombardării acestuia cu ioni pozitivi. Dacă energia ionică nu este prea mare, atunci electronii nu sunt scoși din catod și electronii sunt emiși datorită emisiei termoionice.
6. Diferite tipuri de autodescărcare și aplicațiile lor tehnice.
În funcție de proprietățile și starea gazului, de natura și locația electrozilor, precum și de tensiunea aplicată electrozilor, tipuri diferite descărcare independentă. Să ne uităm la câteva dintre ele.
A. Descărcare strălucitoare.
Se observă o descărcare strălucitoare în gaze la presiuni scăzute de ordinul a câteva zeci de milimetri de mercur sau mai puțin. Dacă luăm în considerare un tub cu o descărcare luminoasă, putem vedea că părțile principale ale unei descărcări luminoase sunt spațiu întunecat catodic, foarte îndepărtat de el negativ, sau strălucire mocnitoare, care se deplasează treptat în zonă Faraday spațiu întunecat. Aceste trei regiuni formează partea catodică a descărcării, urmată de partea luminoasă principală a descărcării, care determină proprietățile sale optice și se numește coloană pozitivă.
Rolul principal în menținerea descărcării strălucitoare este jucat de primele două regiuni ale părții sale catodice. Trăsătură caracteristică acest tip de scurgere este scădere bruscă potențial în apropierea catodului, care este asociat cu o concentrație mare de ioni pozitivi la limita regiunilor I și II, datorită vitezei relativ scăzute de mișcare a ionilor în apropierea catodului. În spațiul întunecat al catodului are loc o accelerare puternică a electronilor și ionilor pozitivi, scoțând electronii din catod. În regiunea strălucirii mocnite, electronii produc ionizare intensă de impact a moleculelor de gaz și își pierd energia. Aici se formează ioni pozitivi, necesari pentru a menține descărcarea. Intensitatea câmpului electric în această regiune este scăzută. Strălucirea este cauzată în principal de recombinarea ionilor și electronilor. Întinderea spațiului întunecat catodic este determinată de proprietățile gazului și ale materialului catodic.
În regiunea coloanei pozitive, concentrația de electroni și ioni este aproximativ aceeași și foarte mare, ceea ce determină o conductivitate electrică ridicată a coloanei pozitive și o scădere ușoară a potențialului din ea. Stralucirea coloanei pozitive este determinată de strălucirea moleculelor de gaz excitat. În apropierea anodului, se observă din nou o modificare relativ bruscă a potențialului, asociată cu procesul de generare a ionilor pozitivi. În unele cazuri, coloana pozitivă se împarte în zone luminoase separate - strate, separate prin spații întunecate.
Coloana pozitivă nu joacă un rol semnificativ în menținerea descărcării strălucitoare, prin urmare, atunci când distanța dintre electrozii tubului scade, lungimea coloanei pozitive este redusă și poate dispărea complet. Situația este diferită cu lungimea spațiului întunecat al catodului, care nu se schimbă atunci când electrozii se apropie unul de celălalt. Dacă electrozii se apropie atât de mult încât distanța dintre ei devine mai mică decât lungimea spațiului întunecat al catodului, atunci descărcarea strălucitoare în gaz se va opri. Experimentele arată că, în condițiile egale, lungimea d a spațiului întunecat catodic este invers proporțională cu presiunea gazului. În consecință, la presiuni suficient de scăzute, electronii scoși din catod de ionii pozitivi trec prin gaz aproape fără ciocniri cu moleculele sale, formând electronic, sau raze catodice .
Descărcarea strălucitoare este utilizată în tuburi de lumină cu gaz, lămpi fluorescente, stabilizatori de tensiune și pentru a produce fascicule de electroni și ioni. Dacă se face o fantă în catod, fascicule de ioni înguste, adesea numite grinzi de canal. Fenomen utilizat pe scară largă pulverizare catodică, adică distrugerea suprafeței catodului sub acțiunea ionilor pozitivi care îl lovesc. Fragmente ultramicroscopice de material catodic zboară în toate direcțiile în linii drepte și acoperă suprafața corpurilor (în special dielectricii) plasate în tub cu un strat subțire. În acest fel, oglinzile sunt realizate pentru o serie de dispozitive, iar pe fotocelulele cu seleniu se aplică un strat subțire de metal.
B. Descărcarea corona.
Descărcarea corona are loc atunci când presiune normalăîntr-un gaz situat într-un câmp electric foarte neomogen (de exemplu, lângă vârfurile sau firele liniilor de înaltă tensiune). În timpul unei descărcări corona, ionizarea gazului și strălucirea apar numai în apropierea electrozilor corona. În cazul coroanei catodului (corona negativă), electronii care provoacă ionizarea prin impact a moleculelor de gaz sunt scoși din catod atunci când sunt bombardați cu ioni pozitivi. Dacă anodul este coronat (corona pozitivă), atunci crearea de electroni are loc datorită fotoionizării gazului din apropierea anodului. Corona este un fenomen dăunător însoțit de scurgeri de curent și pierderi de energie electrică. Pentru a reduce deteriorarea coronei, raza de curbură a conductorilor este mărită, iar suprafața acestora este făcută cât mai netedă. La o tensiune suficient de mare între electrozi, descărcarea corona se transformă într-o descărcare de scânteie.
La o tensiune crescută, descărcarea corona de la vârf ia forma unor linii luminoase care emană din vârf și alternează în timp. Aceste linii, care au un număr de îndoituri și îndoituri, formează o aparență de perie, ca urmare a căreia o astfel de descărcare se numește carpian .
Un nor de tunet încărcat induce sarcini electrice de semn opus pe suprafața Pământului de sub el. O sarcină deosebit de mare se acumulează pe vârfuri. Prin urmare, înainte sau în timpul unei furtuni, conurile de lumină în formă de ciucuri luminează adesea pe punctele și colțurile ascuțite ale obiectelor foarte ridicate. Din cele mai vechi timpuri, această strălucire a fost numită focul Sfântului Elm.
Alpiniștii sunt martori în special la acest fenomen. Uneori, nu numai obiectele metalice, ci și capetele părului de pe cap sunt decorate cu mici ciucuri luminoase.
Descărcarea corona trebuie luată în considerare atunci când aveți de-a face cu tensiune înaltă. Dacă există părți proeminente sau fire foarte subțiri, poate apărea descărcarea corona. Acest lucru duce la scurgeri de energie. Cu cât tensiunea liniei de înaltă tensiune este mai mare, cu atât firele ar trebui să fie mai groase.
C. Descărcare prin scânteie.
Descărcarea scânteii are aspectul unor fire-canale ramificate în zig-zag strălucitoare care pătrund în golul de descărcare și dispar, înlocuite cu altele noi. Cercetările au arătat că canalele de descărcare cu scântei încep să crească, uneori de la electrodul pozitiv, alteori de la negativ și uneori de la un punct între electrozi. Acest lucru se explică prin faptul că ionizarea prin impact în cazul unei descărcări de scânteie nu are loc pe întregul volum de gaz, ci prin canale individuale care trec în acele locuri în care concentrația ionilor se dovedește accidental a fi cea mai mare. Descărcarea scânteii este însoțită de eliberare cantitate mare căldură, strălucire de gaz strălucitoare, trosnet sau tunet. Toate aceste fenomene sunt cauzate de avalanșe de electroni și ioni care apar în canalele de scânteie și duc la o creștere uriașă a presiunii, ajungând la 10 7 ¸ 10 8 Pa și o creștere a temperaturii până la 10.000 ° C.
Un exemplu tipic de descărcare de scânteie este fulgerul. Canalul principal de fulger are un diametru de 10 până la 25 cm, iar lungimea fulgerului poate ajunge la câțiva kilometri. Putere maxima Curentul impulsului fulgerului atinge zeci și sute de mii de amperi.
Când intervalul de descărcare este scurt, descărcarea prin scânteie provoacă distrugerea specifică a anodului, numită eroziune. Acest fenomen a fost utilizat în metoda scânteii electrice de tăiere, găurire și alte tipuri de prelucrare de precizie a metalelor.
Eclatorul este folosit ca o siguranță de supratensiune în linii electrice transmisii (de exemplu, în linii telefonice). Dacă în apropierea unei linii trece un curent puternic de scurtă durată, atunci în firele acestei linii sunt induse tensiuni și curenți, care pot distruge instalația electrică și sunt periculoase pentru viața umană. Pentru a evita acest lucru, se folosesc siguranțe speciale, formate din doi electrozi curbați, dintre care unul este conectat la linie, iar celălalt este împământat. Dacă potențialul liniei în raport cu pământul crește foarte mult, atunci între electrozi are loc o descărcare de scânteie, care, împreună cu aerul încălzit de aceasta, se ridică, se prelungește și se rupe.
În cele din urmă, scânteia electrică este utilizată pentru a măsura diferențe mari de potențial folosind opritor de minge, ai căror electrozi sunt două bile metalice cu o suprafață lustruită. Bilele sunt îndepărtate și li se aplică o diferență de potențial măsurată. Apoi bilele sunt apropiate până când o scânteie sare între ele. Cunoscând diametrul bilelor, distanța dintre ele, presiunea, temperatura și umiditatea aerului, găsiți diferența de potențial dintre bile folosind tabele speciale. Această metodă poate măsura diferențe de potențial de ordinul a zeci de mii de volți cu o precizie de câteva procente.
D. Descărcarea arcului.
Descărcarea arcului a fost descoperită de V.V. Petrov în 1802. Această descărcare este una dintre formele de descărcare gazoasă, efectuată la o densitate mare de curent și o tensiune relativ scăzută între electrozi (de ordinul câtorva zeci de volți). Cauza principală a descărcării arcului este emisia intensă de electroni termoionici din catodul fierbinte. Acești electroni sunt accelerați de câmpul electric și produc ionizare de impact a moleculelor de gaz, datorită căreia rezistență electrică Intervalul de gaz dintre electrozi este relativ mic. Dacă reduceți rezistența circuitului extern și creșteți curentul de descărcare a arcului, atunci conductivitatea spațiului de gaz va crește atât de mult încât tensiunea dintre electrozi scade. Prin urmare, ei spun că o descărcare cu arc are o caracteristică curent-tensiune în scădere. La presiunea atmosferică, temperatura catodului atinge 3000 °C. Electronii bombardează anodul, creând o depresiune (crater) în el și încălzindu-l. Temperatura craterului este de aproximativ 4000 °C, iar la presiuni mari ale aerului ajunge la 6000-7000 °C. Temperatura gazului în canalul de descărcare a arcului ajunge la 5000-6000 °C, așa că are loc o ionizare termică intensă în acesta.
În unele cazuri, se observă o descărcare cu arc la o temperatură relativ scăzută a catodului (de exemplu, într-o lampă cu arc cu mercur).
În 1876, P. N. Yablochkov a fost primul care a folosit un arc electric ca sursă de lumină. În „lumânarea Yablochkov”, cărbunii erau aranjați paralel și separați printr-un strat curbat, iar capetele lor erau conectate printr-un „punte de aprindere” conductiv. Când curentul a fost pornit, puntea de aprindere a ars și s-a format un arc electric între cărbuni. Pe măsură ce cărbunii ardeau, stratul izolator s-a evaporat.
Descărcarea cu arc este folosită și astăzi ca sursă de lumină, de exemplu în spoturi și dispozitive de proiecție.
Căldură descărcarea cu arc îi permite să fie utilizat pentru construcția unui cuptor cu arc. În prezent, cuptoarele cu arc, alimentate de un curent foarte mare, sunt utilizate într-o serie de industrii: pentru topirea oțelului, fontei, feroaliajelor, bronzului, pentru producerea de carbură de calciu, oxid de azot etc.
În 1882, N. N. Benardos a folosit pentru prima dată o descărcare cu arc pentru tăierea și sudarea metalului. O descărcare între un electrod de carbon staționar și metal încălzește joncțiunea a două foi de metal (sau plăci) și le sudează. Benardos a folosit aceeași metodă pentru a tăia plăci metalice și a crea găuri în ele. În 1888, N. G. Slavyanov a îmbunătățit această metodă de sudare, înlocuind electrodul de carbon cu unul metalic.
Descărcarea arcului și-a găsit aplicație într-un redresor cu mercur, care convertește curentul electric alternativ în curent continuu.
E. Plasma.
Plasma este un gaz parțial sau complet ionizat în care densitățile sunt pozitive și sarcini negative aproape identic. Astfel, plasma în ansamblu este un sistem neutru din punct de vedere electric.
O caracteristică cantitativă a plasmei este gradul de ionizare. Gradul de ionizare a plasmei a este raportul dintre concentrația în volum a particulelor încărcate și concentrația în volum totală a particulelor. În funcție de gradul de ionizare, plasma se împarte în slab ionizat(a este o fracțiune de procent), parțial ionizat (a este de ordinul mai multor procente) și complet ionizat (a este aproape de 100%). Plasma slab ionizata in conditii naturale este straturile superioare ale atmosferei - ionosfera. Soarele, stelele fierbinți și unii nori interstelari sunt plasmă complet ionizată care se formează la temperaturi ridicate.
Energiile medii ale diferitelor tipuri de particule care alcătuiesc o plasmă pot diferi semnificativ unele de altele. Prin urmare, plasma nu poate fi caracterizată printr-o singură valoare a temperaturii T; diferențiați temperatura electronilor T e, temperatura ionilor Ti (sau temperaturile ionilor daca plasma contine ioni de mai multe tipuri) si temperatura atomilor neutri T a (componenta neutra). O astfel de plasmă se numește non-izotermă, spre deosebire de plasma izotermă, în care temperaturile tuturor componentelor sunt aceleași.
Plasma se imparte si in temperatura ridicata (T i » 10 6 -10 8 K si mai mult) si temperatura scazuta!!! (T i<=10 5 К). Это условное разделение связано с особой влажностью высокотемпературной плазмы в связи с проблемой осуществления управляемого термоядерного синтеза.
Plasma are o serie de proprietăți specifice, ceea ce ne permite să o considerăm ca o a patra stare specială a materiei.
Datorită mobilității lor mari, particulele de plasmă încărcate se mișcă cu ușurință sub influența câmpurilor electrice și magnetice. Prin urmare, orice încălcare a neutralității electrice a zonelor individuale ale plasmei cauzată de acumularea de particule cu același semn de încărcare este rapid eliminată. Câmpurile electrice rezultate mișcă particulele încărcate până când neutralitatea electrică este restabilită și câmpul electric devine zero. Spre deosebire de un gaz neutru, între moleculele căruia există forțe cu rază scurtă de acțiune, forțele Coulomb acționează între particulele încărcate de plasmă, care scad relativ lent cu distanța. Fiecare particulă interacționează simultan cu un număr mare de particule din jur. Datorită acestui fapt, împreună cu mișcarea termică haotică, particulele de plasmă pot participa la o varietate de mișcări ordonate. Diverse tipuri de oscilații și unde sunt ușor de excitat în plasmă.
Conductivitatea plasmei crește pe măsură ce crește gradul de ionizare. La temperaturi ridicate, plasma complet ionizată se apropie de supraconductori în ceea ce privește conductivitatea sa.
Plasma de joasă temperatură este utilizată în sursele de lumină cu descărcare în gaz - în tuburi luminoase pentru panouri publicitare, în lămpi fluorescente. Lămpile cu descărcare în gaz sunt utilizate în multe dispozitive, de exemplu, în laserele cu gaz - surse de lumină cuantică.
Plasma de înaltă temperatură este utilizată în generatoarele magnetohidrodinamice.
Recent, a fost creat un nou dispozitiv - un plasmatron. Lanterna cu plasmă creează jeturi puternice de plasmă densă la temperatură joasă, care sunt utilizate pe scară largă în diverse domenii ale tehnologiei: pentru tăierea și sudarea metalelor, forarea puțurilor în roci dure etc.
Lista literaturii folosite:
1) Fizica: Electrodinamica. Clasele 10-11: manual. pentru studiul aprofundat al fizicii/G. Y. Myakishev, A. Z. Sinyakov, B. A. Slobodskov. – ediția a II-a – M.: Butarda, 1998. – 480 p.
2) Curs de fizică (în trei volume). T. II. Electricitate și magnetism. Manual manual pentru colegii./Detlaf A.A., Yavorsky B.M., Milkovskaya L.B. Ed. a 4-a, revizuită – M.: Şcoala superioară, 1977. – 375 p.
3) Electricitate./E. G. Kalașnikov. Ed. „Știință”, Moscova, 1977.
4) Fizica./B. B. Buhovtsev, Yu. L. Klimontovich, G. Ya. Myakishev. Ediția a III-a, revizuită. – M.: Educație, 1986.
1. Ionizarea, esența și tipurile ei.
Prima condiție pentru existența curentului electric este prezența purtătorilor de încărcare liberi. În gaze apar ca urmare a ionizării. Sub influența factorilor de ionizare, un electron este separat de o particulă neutră. Atomul devine un ion pozitiv. Astfel, apar 2 tipuri de purtători de sarcină: un ion pozitiv și un electron liber. Dacă un electron se alătură unui atom neutru, apare un ion negativ, adică. al treilea tip de purtători de taxe. Gazul ionizat este numit conductor de al treilea fel. Există 2 tipuri de conductivitate posibile aici: electronică și ionică. Concomitent cu procesele de ionizare, are loc procesul invers - recombinare. Pentru a separa un electron de un atom, trebuie consumată energie. Dacă energia este furnizată din exterior, atunci factorii care favorizează ionizarea sunt numiți externi (temperatură ridicată, radiații ionizante, radiații ultraviolete, câmpuri magnetice puternice). În funcție de factorii de ionizare, se numește ionizare termică sau fotoionizare. Ionizarea poate fi cauzată și de șoc mecanic. Factorii de ionizare sunt împărțiți în naturali și artificiali. Naturalul este cauzat de radiațiile de la Soare și de fondul radioactiv al Pământului. Pe lângă ionizarea externă, există și ionizarea internă. Este împărțit în șoc și pas.
Ionizare prin impact.
La o tensiune suficient de mare, electronii accelerați de câmp la viteze mari devin ei înșiși o sursă de ionizare. Când un astfel de electron lovește un atom neutru, electronul este scos din atom. Acest lucru se întâmplă atunci când energia electronului care provoacă ionizarea depășește energia de ionizare a atomului. Tensiunea dintre electrozi trebuie să fie suficientă pentru ca electronul să dobândească energia necesară. Această tensiune se numește tensiune de ionizare. Are propriul său sens pentru fiecare.
Dacă energia unui electron în mișcare este mai mică decât este necesar, atunci la impact are loc doar excitația unui atom neutru. Dacă un electron în mișcare se ciocnește cu un atom pre-excitat, are loc ionizarea în trepte.
2. Descărcare de gaz neauto-susținut și caracteristicile curent-tensiune ale acesteia.
Ionizarea conduce la îndeplinirea primei condiții de existență a curentului, adică. la apariţia unor taxe gratuite. Pentru ca un curent să apară, este necesară prezența unei forțe externe, care va forța sarcinile să se miște direcțional, adică. este necesar un câmp electric. Curentul electric din gaze este însoțit de o serie de fenomene: lumină, sunet, formarea ozonului, oxizi de azot. Un set de fenomene care însoțesc trecerea curentului printr-o descărcare gaz - gaz. Procesul de curgere a curentului în sine este adesea menționat ca o descărcare de gaz.
O descărcare se numește neauto-susținută dacă există numai în timpul acțiunii unui ionizator extern. În acest caz, după terminarea ionizatorului extern, nu se formează noi purtători de sarcină, iar curentul se oprește. În timpul unei descărcări neauto-susținute, curenții sunt mici ca magnitudine și nu există nicio strălucire de gaz.
Evacuarea independentă a gazelor, tipurile și caracteristicile acesteia.
O descărcare independentă de gaz este o descărcare care poate exista după încetarea ionizatorului extern, adică. datorită ionizării de impact. În acest caz, se observă fenomene luminoase și sonore, iar puterea curentului poate crește semnificativ.
Tipuri de autodescărcare:
1. descărcare silențioasă - urmează direct după una care nu se autosusține, puterea curentului nu depășește 1 mA, nu există fenomene sonore sau luminoase. Folosit în fizioterapie, contoare Geiger-Muller.
2. descărcare luminoasă. Pe măsură ce tensiunea crește, liniștea se transformă în mocnit. Apare la o anumită tensiune - tensiune de aprindere. Depinde de tipul de gaz. Neonul are 60-80 V. Depinde si de presiunea gazului. Descărcarea strălucitoare este însoțită de o strălucire; este asociată cu recombinarea, care are loc odată cu eliberarea de energie. Culoarea depinde și de tipul de gaz. Se folosește la lămpi indicatoare (neon, bactericide UV, iluminare, fluorescente).
3. descărcarea arcului. Puterea curentului este de 10 - 100 A. Însoțită de o strălucire intensă, temperatura în golul de descărcare în gaz atinge câteva mii de grade. Ionizarea ajunge la aproape 100%. 100% gaz ionizat - plasmă de gaz rece. Are o conductivitate bună. Folosit în lămpile cu mercur de înaltă și ultra-înaltă presiune.
4. O descărcare prin scânteie este un tip de descărcare cu arc. Aceasta este o descărcare puls-oscilativă. În medicină se utilizează expunerea la vibrații de înaltă frecvență.La densități mari de curent se observă fenomene sonore intense.
5. descărcare corona. Acesta este un tip de descărcare strălucitoare.Se observă în locurile în care există o schimbare bruscă a intensității câmpului electric. Aici apare o avalanșă de sarcini și o strălucire de gaze - o coroană.
Nu există dielectrici absoluti în natură. Mișcarea ordonată a particulelor - purtători de sarcină electrică - adică curent, poate fi cauzată în orice mediu, dar aceasta necesită condiții speciale. Ne vom uita aici la modul în care fenomenele electrice apar în gaze și la modul în care un gaz poate fi transformat dintr-un dielectric foarte bun într-un conductor foarte bun. Vom fi interesați de condițiile în care se produce curentul electric în gaze, precum și de ce caracteristici este caracterizat.
Proprietățile electrice ale gazelor
Un dielectric este o substanță (mediu) în care concentrația de particule - purtători liberi de sarcină electrică - nu atinge nicio valoare semnificativă, drept urmare conductivitatea este neglijabilă. Toate gazele sunt dielectrice bune. Proprietățile lor izolante sunt folosite peste tot. De exemplu, în orice comutator, circuitul se deschide atunci când contactele sunt aduse într-o astfel de poziție încât se formează un spațiu de aer între ele. Firele din liniile electrice sunt, de asemenea, izolate unele de altele printr-un strat de aer.
Unitatea structurală a oricărui gaz este o moleculă. Este format din nuclee atomice și nori de electroni, adică este o colecție de sarcini electrice distribuite într-un fel în spațiu. Datorită particularităților structurii sale, o moleculă de gaz poate fi polarizată sub influența unui câmp electric extern. Marea majoritate a moleculelor care alcătuiesc un gaz sunt neutre din punct de vedere electric în condiții normale, deoarece încărcăturile din ele se anulează reciproc.
Dacă unui gaz este aplicat un câmp electric, moleculele vor lua o orientare de dipol, ocupând o poziție spațială care compensează efectul câmpului. Particulele încărcate prezente în gaz, sub influența forțelor Coulomb, vor începe să se deplaseze: ionii pozitivi - spre catod, ionii negativi și electronii - spre anod. Totuși, dacă câmpul are un potențial insuficient, nu apare un singur flux direcționat de sarcini și se poate vorbi mai degrabă de curenți individuali, atât de slabi încât ar trebui neglijați. Gazul se comportă ca un dielectric.
Astfel, pentru apariția curentului electric în gaze sunt necesare o concentrație mare de purtători liberi de sarcină și prezența unui câmp.
Ionizare
Procesul de creștere asemănătoare unei avalanșe a numărului de încărcări libere dintr-un gaz se numește ionizare. În consecință, un gaz în care este prezentă o cantitate semnificativă de particule încărcate se numește ionizat. În astfel de gaze se creează un curent electric.
Procesul de ionizare este asociat cu o încălcare a neutralității moleculelor. Ca urmare a îndepărtării unui electron, apar ioni pozitivi; adăugarea unui electron la o moleculă duce la formarea unui ion negativ. În plus, gazul ionizat conține mulți electroni liberi. Ionii pozitivi și în special electronii sunt principalii purtători de sarcină în timpul curentului electric în gaze.
Ionizarea are loc atunci când o anumită cantitate de energie este transmisă unei particule. Astfel, electronul exterior din moleculă, după ce a primit această energie, poate părăsi moleculă. Ciocnirile reciproce ale particulelor încărcate cu cele neutre duc la eliminarea de noi electroni, iar procesul capătă un caracter de avalanșă. De asemenea, crește energia cinetică a particulelor, ceea ce promovează foarte mult ionizarea.
De unde provine energia cheltuită pentru a excita curentul electric în gaze? Ionizarea gazelor are mai multe surse de energie, conform cărora tipurile sale sunt de obicei denumite.
- Ionizare prin câmp electric. În acest caz, energia potențială a câmpului este convertită în energie cinetică a particulelor.
- Ionizare termică. O creștere a temperaturii duce și la formarea unui număr mare de încărcări gratuite.
- Fotoionizare. Esența acestui proces este că energia este transmisă electronilor de cuante de radiație electromagnetică - fotoni, dacă au o frecvență suficient de mare (ultraviolete, raze X, cuante gamma).
- Ionizarea prin impact rezultă din conversia energiei cinetice a particulelor care se ciocnesc în energia de separare a electronilor. Împreună cu ionizarea termică, servește ca principal factor în excitarea curentului electric în gaze.
Fiecare gaz este caracterizat de o anumită valoare de prag - energia de ionizare necesară pentru ca un electron să se desprindă de moleculă, depășind bariera de potențial. Această valoare pentru primul electron variază de la câțiva volți la două zeci de volți; Pentru a elimina următorul electron dintr-o moleculă, este nevoie de mai multă energie și așa mai departe.
Trebuie avut în vedere faptul că, simultan cu ionizarea în gaz, are loc procesul invers - recombinare, adică restabilirea moleculelor neutre sub influența forțelor atractive Coulomb.
Evacuarea gazelor și tipurile sale
Deci, curentul electric din gaze este cauzat de mișcarea ordonată a particulelor încărcate sub influența unui câmp electric aplicat acestora. Prezența unor astfel de sarcini, la rândul său, este posibilă datorită diferiților factori de ionizare.
Astfel, ionizarea termică necesită temperaturi semnificative, dar o flacără deschisă în legătură cu anumite procese chimice favorizează ionizarea. Chiar și la o temperatură relativ scăzută în prezența unei flăcări, apariția unui curent electric în gaze este înregistrată, iar experimentul cu conductivitatea gazului facilitează verificarea acestui lucru. Este necesar să plasați flacăra unui arzător sau lumânare între plăcile unui condensator încărcat. Circuitul care a fost deschis anterior din cauza golului de aer din condensator se va închide. Un galvanometru conectat la circuit va indica prezența curentului.
Curentul electric din gaze se numește descărcare gazoasă. Trebuie avut în vedere faptul că, pentru a menține stabilitatea descărcării, acțiunea ionizatorului trebuie să fie constantă, deoarece datorită recombinării constante gazul își pierde proprietățile conductoare electric. Unii purtători de curent electric în gaze - ioni - sunt neutralizați la electrozi, alții - electroni - când ajung la anod, sunt direcționați către „plusul” sursei de câmp. Dacă factorul de ionizare încetează să acționeze, gazul va deveni imediat din nou dielectric și curentul se va opri. Un astfel de curent, dependent de acțiunea unui ionizator extern, se numește descărcare neauto-susținută.
Particularitățile trecerii curentului electric prin gaze sunt descrise de o dependență specială a curentului de tensiune - caracteristica curent-tensiune.
Să luăm în considerare dezvoltarea unei descărcări de gaz pe graficul dependenței curent-tensiune. Când tensiunea crește până la o anumită valoare U 1, curentul crește proporțional cu aceasta, adică legea lui Ohm este îndeplinită. Energia cinetică crește și, prin urmare, viteza sarcinilor din gaz, iar acest proces depășește recombinarea. La valori de tensiune de la U 1 la U 2, această relație este încălcată; când se atinge U2, toți purtătorii de sarcină ajung la electrozi fără a avea timp să se recombine. Sunt utilizate toate taxele gratuite, iar o creștere suplimentară a tensiunii nu duce la o creștere a curentului. Acest tip de mișcare a sarcinilor se numește curent de saturație. Astfel, putem spune că curentul electric din gaze se datorează și particularităților comportării gazului ionizat în câmpuri electrice de diferite puteri.
Când diferența de potențial între electrozi atinge o anumită valoare U 3 , tensiunea devine suficientă pentru ca câmpul electric să provoace o ionizare asemănătoare avalanșei a gazului. Energia cinetică a electronilor liberi este deja suficientă pentru ionizarea prin impact a moleculelor. Viteza lor în majoritatea gazelor este de aproximativ 2000 km/s și mai mare (se calculează folosind formula aproximativă v=600 Ui, unde Ui este potențialul de ionizare). În acest moment, are loc defalcarea gazului și are loc o creștere semnificativă a curentului datorită sursei interne de ionizare. Prin urmare, o astfel de descărcare se numește independentă.
Prezența unui ionizator extern în acest caz nu mai joacă un rol în menținerea unui curent electric în gaze. O descărcare autonomă în condiții diferite și cu caracteristici diferite ale sursei de câmp electric poate avea anumite caracteristici. Există tipuri de auto-descărcare precum strălucirea, scânteia, arcul și coroana. Ne vom uita la modul în care curentul electric se comportă în gaze, pe scurt pentru fiecare dintre aceste tipuri.
O diferență de potențial de 100 (sau chiar mai puțin) la 1000 de volți este suficientă pentru a iniția o autodescărcare. Prin urmare, o descărcare strălucitoare, caracterizată printr-o valoare scăzută a curentului (de la 10 -5 A la 1 A), are loc la presiuni de cel mult câțiva milimetri de mercur.
Într-un tub cu gaz rarefiat și electrozi reci, descărcarea strălucitoare care se formează arată ca un cordon strălucitor subțire între electrozi. Dacă continuați să pompați gaz din tub, cablul va fi spălat, iar la presiuni de zecimi de milimetru de mercur, strălucirea umple tubul aproape complet. Nu există nicio strălucire în apropierea catodului - în așa-numitul spațiu catod întunecat. Restul se numește coloană pozitivă. În acest caz, principalele procese care asigură existența descărcării sunt localizate exact în spațiul catodic întunecat și în zona adiacentă acestuia. Aici, particulele de gaz încărcate sunt accelerate, scoțând electronii din catod.
Într-o descărcare strălucitoare, cauza ionizării este emisia de electroni din catod. Electronii emiși de catod produc ionizare prin impact a moleculelor de gaz, ionii pozitivi rezultați provoacă emisie secundară din catod și așa mai departe. Strălucirea unei coloane pozitive se datorează în principal eliberării de fotoni de către moleculele de gaz excitate, iar diferitele gaze sunt caracterizate de o strălucire de o anumită culoare. Coloana pozitivă participă la formarea unei descărcări luminoase numai ca o secțiune a circuitului electric. Dacă aduceți electrozii mai aproape, puteți face coloana pozitivă să dispară, dar descărcarea nu se va opri. Cu toate acestea, cu o reducere suplimentară a distanței dintre electrozi, descărcarea strălucitoare nu poate exista.
Trebuie remarcat faptul că pentru acest tip de curent electric în gaze, fizica unor procese nu a fost încă pe deplin clarificată. De exemplu, natura forțelor care provoacă o expansiune a regiunii de pe suprafața catodului care participă la descărcare pe măsură ce curentul crește rămâne neclară.
Descărcare prin scânteie
Defalcarea scânteii are o natură pulsată. Apare la presiuni apropiate de presiunea atmosferică normală, în cazurile în care puterea sursei de câmp electric este insuficientă pentru a menține o descărcare staționară. Intensitatea câmpului este mare și poate ajunge la 3 MV/m. Fenomenul se caracterizează printr-o creștere bruscă a curentului electric de descărcare în gaz, în același timp tensiunea scade extrem de rapid și descărcarea se oprește. Apoi diferența de potențial crește din nou și întregul proces se repetă.
Cu acest tip de descărcare, se formează canale de scânteie pe termen scurt, a căror creștere poate începe din orice punct dintre electrozi. Acest lucru se datorează faptului că ionizarea de impact are loc aleatoriu în locurile în care în prezent este concentrat cel mai mare număr de ioni. În apropierea canalului de scânteie, gazul se încălzește rapid și experimentează expansiune termică, provocând unde acustice. Prin urmare, o descărcare de scânteie este însoțită de un trosnet, precum și de eliberarea de căldură și de o strălucire strălucitoare. Procesele de ionizare a avalanșelor generează presiuni și temperaturi ridicate în canalul de scânteie de până la 10 mii de grade și mai mult.
Cel mai izbitor exemplu de descărcare naturală de scânteie este fulgerul. Diametrul canalului principal de scânteie de fulger poate varia de la câțiva centimetri până la 4 m, iar lungimea canalului poate ajunge la 10 km. Puterea curentului ajunge la 500 de mii de amperi, iar diferența de potențial dintre un nor cu tunete și suprafața Pământului ajunge la un miliard de volți.
Cel mai lung fulger, lung de 321 km, a fost observat în 2007 în Oklahoma, SUA. Deținătorul recordului pentru cea mai lungă durată a fost fulgerul înregistrat în 2012 în Alpii francezi - acesta a durat peste 7,7 secunde. Când este lovit de fulger, aerul se poate încălzi până la 30 de mii de grade, ceea ce este de 6 ori mai mare decât temperatura suprafeței vizibile a Soarelui.
În cazurile în care puterea sursei de câmp electric este suficient de mare, descărcarea scânteii se dezvoltă într-o descărcare cu arc.
Acest tip de auto-descărcare se caracterizează printr-o densitate mare de curent și o tensiune scăzută (mai mică decât o descărcare luminoasă). Distanța de defalcare este scurtă datorită apropierii apropiate a electrozilor. Descărcarea este inițiată prin emisia unui electron de pe suprafața catodului (la atomii de metal potențialul de ionizare este mic în comparație cu moleculele de gaz). În timpul unei defecțiuni, se creează condiții între electrozii sub care gazul conduce curentul electric și are loc o descărcare de scânteie, închizând circuitul. Dacă puterea sursei de tensiune este suficient de mare, descărcările de scânteie se transformă într-un arc electric stabil.
Ionizarea în timpul unei descărcări cu arc ajunge la aproape 100%, curentul este foarte mare și poate varia de la 10 la 100 de amperi. La presiunea atmosferică, arcul se poate încălzi până la 5-6 mii de grade, iar catodul - până la 3 mii de grade, ceea ce duce la o emisie termoionică intensă de la suprafața sa. Bombardarea anodului cu electroni duce la distrugere parțială: pe el se formează o depresiune - un crater cu o temperatură de aproximativ 4000 °C. O creștere a presiunii implică o creștere și mai mare a temperaturii.
Când electrozii sunt separați, descărcarea arcului rămâne stabilă până la o anumită distanță, ceea ce face posibilă combaterea ei în acele zone ale echipamentelor electrice unde este dăunătoare din cauza coroziunii și arderii contactelor pe care le provoacă. Acestea sunt dispozitive precum întreruptoarele de înaltă tensiune și de circuit, contactoare și altele. Una dintre metodele de combatere a arcurilor care apar la deschiderea contactelor este utilizarea camerelor de suprimare a arcului, bazate pe principiul alungirii arcului. De asemenea, sunt folosite multe alte metode: ocolirea contactelor, utilizarea materialelor cu potențial ridicat de ionizare etc.
Dezvoltarea unei descărcări corona are loc la presiunea atmosferică normală în câmpuri puternic neomogene în apropierea electrozilor cu o curbură mare a suprafeței. Acestea pot fi turle, catarge, fire, diverse elemente ale echipamentelor electrice care au o formă complexă și chiar păr uman. Un astfel de electrod se numește electrod corona. Procesele de ionizare și, în consecință, strălucirea gazului au loc numai în apropierea acestuia.
O coroană se poate forma atât pe catod (corona negativă) atunci când este bombardată cu ioni, cât și pe anod (corona pozitivă) ca urmare a fotoionizării. Corona negativă, în care procesul de ionizare ca o consecință a emisiei termice este îndreptat departe de electrod, se caracterizează printr-o strălucire uniformă. În corona pozitivă, pot fi observate streamere - linii luminoase cu o configurație întreruptă care se pot transforma în canale de scânteie.
Un exemplu de descărcare corona în condiții naturale sunt cele care apar la vârfurile catargelor înalte, vârfurile copacilor și așa mai departe. Ele se formează la intensitate mare a câmpului electric în atmosferă, adesea înainte de o furtună sau în timpul unui viscol. În plus, au fost înregistrate pe pielea aeronavelor prinse într-un nor de cenușă vulcanică.
Descărcarea corona pe firele liniilor electrice duce la pierderi semnificative de energie electrică. La tensiuni înalte, o descărcare corona se poate transforma într-o descărcare cu arc. Se combate în diverse moduri, de exemplu, prin creșterea razei de curbură a conductorilor.
Curentul electric în gaze și plasmă
Un gaz ionizat complet sau parțial se numește plasmă și este considerat a patra stare a materiei. În general, plasma este neutră din punct de vedere electric, deoarece sarcina totală a particulelor sale constitutive este zero. Acest lucru îl diferențiază de alte sisteme de particule încărcate, cum ar fi fasciculele de electroni.
În condiții naturale, plasma se formează, de regulă, la temperaturi ridicate din cauza ciocnirii atomilor de gaz la viteze mari. Majoritatea covârșitoare a materiei barionice din Univers se află în stare de plasmă. Acestea sunt stele, parte din materia interstelară, gaz intergalactic. Ionosfera Pământului este, de asemenea, o plasmă rarefiată, slab ionizată.
Gradul de ionizare este o caracteristică importantă a plasmei - proprietățile sale conducătoare depind de acesta. Gradul de ionizare este definit ca raportul dintre numărul de atomi ionizați și numărul total de atomi pe unitate de volum. Cu cât plasma este mai ionizată, cu atât conductivitatea electrică este mai mare. În plus, se caracterizează printr-o mobilitate ridicată.
Vedem, prin urmare, că gazele care conduc curentul electric în canalul de descărcare nu sunt altceva decât plasmă. Astfel, descărcările strălucitoare și corona sunt exemple de plasmă rece; un canal de scânteie de fulger sau un arc electric sunt exemple de plasmă fierbinte, aproape complet ionizată.
Curentul electric în metale, lichide și gaze - diferențe și asemănări
Să luăm în considerare caracteristicile care caracterizează o descărcare de gaz în comparație cu proprietățile curentului din alte medii.
În metale, curentul este mișcarea direcționată a electronilor liberi, care nu implică modificări chimice. Conductorii de acest tip se numesc conductoare de primul fel; Acestea includ, pe lângă metale și aliaje, cărbunele, unele săruri și oxizi. Se disting prin conductivitate electronică.
Conductorii de al doilea tip sunt electroliți, adică soluții apoase lichide de alcalii, acizi și săruri. Trecerea curentului este asociată cu o schimbare chimică a electrolitului - electroliza. Ionii unei substanțe dizolvate în apă, sub influența unei diferențe de potențial, se deplasează în direcții opuse: cationi pozitivi - la catod, anioni negativi - la anod. Procesul este însoțit de eliberarea de gaz sau depunerea unui strat metalic pe catod. Conductorii de al doilea tip sunt caracterizați prin conductivitate ionică.
În ceea ce privește conductivitatea gazelor, aceasta este, în primul rând, temporară și, în al doilea rând, are semne de similitudine și diferență cu fiecare dintre ele. Astfel, curentul electric atât în electroliți, cât și în gaze este o deriva de particule cu încărcare opusă direcționate către electrozii opuși. Cu toate acestea, în timp ce electroliții sunt caracterizați prin conductivitate pur ionică, într-o descărcare gazoasă, cu o combinație de tipuri de conductivitate electronică și ionică, rolul principal revine electronilor. O altă diferență între curentul electric din lichide și gaze este natura ionizării. Într-un electrolit, moleculele unui compus dizolvat se disociază în apă, dar într-un gaz, moleculele nu se prăbușesc, ci doar pierd electroni. Prin urmare, o descărcare de gaz, ca un curent în metale, nu este asociată cu modificări chimice.
Curentul din lichide și gaze este, de asemenea, diferit. Conductivitatea electroliților respectă în general legea lui Ohm, dar în timpul unei descărcări de gaz nu este respectată. Caracteristica curent-tensiune a gazelor este mult mai complexă, asociată cu proprietățile plasmei.
De asemenea, trebuie menționate caracteristicile generale și distinctive ale curentului electric în gaze și în vid. Vidul este un dielectric aproape perfect. „Aproape” - pentru că în vid, în ciuda absenței (mai precis, a unei concentrații extrem de scăzute) a purtătorilor de încărcare liberă, este posibil și un curent. Dar potențialii purtători sunt deja prezenți în gaz; aceștia trebuie doar să fie ionizați. Purtătorii de sarcină sunt introduși în vid din substanță. De regulă, acest lucru are loc prin procesul de emisie de electroni, de exemplu atunci când catodul este încălzit (emisia termionică). Dar în diferite tipuri de evacuări de gaze, emisia, după cum am văzut, joacă un rol important.
Aplicarea descărcărilor de gaze în tehnologie
Efectele nocive ale anumitor deversări au fost deja discutate pe scurt mai sus. Acum să fim atenți la beneficiile pe care le aduc în industrie și în viața de zi cu zi.
Descărcarea strălucitoare este utilizată în inginerie electrică (stabilizatori de tensiune) și în tehnologia de acoperire (metoda de pulverizare catodică, bazată pe fenomenul coroziunii catodice). În electronică este folosit pentru a produce fascicule de ioni și electroni. Domeniile larg cunoscute de aplicare a descărcării strălucitoare sunt lămpile fluorescente și așa-numitele eficiente din punct de vedere energetic și tuburile decorative cu descărcare în gaz neon și argon. În plus, descărcarea strălucitoare este utilizată în spectroscopie.
Descărcarea prin scânteie este utilizată în siguranțe și în metodele de descărcare electrică pentru prelucrarea de precizie a metalelor (tăiere cu scânteie, găurire și așa mai departe). Dar este cel mai bine cunoscut pentru utilizarea sa în bujiile pentru motoarele cu ardere internă și în aparatele de uz casnic (sobe cu gaz).
Descărcarea arcului, care a fost folosită pentru prima dată în tehnologia iluminatului încă din 1876 (lumânare Yablochkov - „lumina rusă”), încă servește ca sursă de lumină - de exemplu, în dispozitivele de proiecție și proiectoare puternice. În inginerie electrică, arcul este utilizat în redresoarele cu mercur. În plus, este utilizat în sudarea electrică, tăierea metalelor și cuptoare electrice industriale pentru topirea oțelului și aliajelor.
Descărcarea corona este utilizată în precipitatoarele electrice pentru purificarea gazului ionic, în contoare de particule, în paratrăsnet și în sistemele de aer condiționat. Descărcarea Corona funcționează și în fotocopiatoare și imprimante laser, unde încarcă și descarcă un tambur fotosensibil și transferă pulberea de pe tambur pe hârtie.
Astfel, evacuările de gaze de toate tipurile găsesc cea mai largă aplicație. Curentul electric din gaze este utilizat cu succes și eficient în multe domenii ale tehnologiei.
În gaze există descărcări electrice neauto-susținute și auto-susținute.
Fenomenul de curent electric care curge printr-un gaz, observat numai sub condiția unei influențe externe asupra gazului, se numește o descărcare electrică neauto-susținută. Procesul de îndepărtare a unui electron dintr-un atom se numește ionizare a atomului. Energia minimă care trebuie consumată pentru a îndepărta un electron dintr-un atom se numește energie de ionizare. Se numește un gaz parțial sau complet ionizat în care densitățile sarcinilor pozitive și negative sunt egale plasmă.
Purtătorii de curent electric în timpul unei descărcări care nu se autosusțin sunt ionii pozitivi și electronii negativi. Caracteristica curent-tensiune este prezentată în Fig. 54. În zona OAV - descărcare neauto-susținută. În regiunea BC descărcarea devine independentă.
În timpul unei autodescărcări, una dintre modalitățile de a ioniza atomii este ionizarea cu impact de electroni. Ionizarea prin impactul electronilor devine posibilă atunci când un electron pe calea liberă medie A dobândește energie cinetică W k suficientă pentru a efectua lucrări de îndepărtare a unui electron dintr-un atom. Tipuri de descărcări independente în gaze - scânteie, corona, arc și descărcări strălucitoare.
Descărcare prin scânteie apare între doi electrozi încărcați cu sarcini diferite și având o diferență mare de potențial. Tensiunea dintre corpurile încărcate diferit ajunge până la 40.000 V. Descărcarea scânteii este de scurtă durată, mecanismul său este un impact electronic. Fulgerul este un tip de descărcare de scânteie.
În câmpurile electrice foarte neomogene, formate, de exemplu, între un vârf și un plan sau între un fir de linie electrică și suprafața Pământului, apare o formă specială de descărcare auto-susținută în gaze, numită descărcare corona.
Descărcarea arcului electric a fost descoperit de omul de știință rus V.V.Petrov în 1802. Când doi electrozi de carbon intră în contact la o tensiune de 40-50 V, în unele locuri apar zone de secțiune transversală mică cu rezistență electrică mare. Aceste zone devin foarte fierbinți și emit electroni, care ionizează atomii și moleculele dintre electrozi. Purtătorii de curent electric în arc sunt ioni și electroni încărcați pozitiv.
O descărcare care are loc la presiune redusă se numește descărcare strălucitoare. Pe măsură ce presiunea scade, calea liberă medie a electronului crește, iar în timpul dintre ciocniri reușește să dobândească suficientă energie pentru ionizare într-un câmp electric cu o intensitate mai mică. Descărcarea este efectuată de o avalanșă de ioni de electroni.
