Bu kısa bir özet.
Tam sürüm üzerinde çalışmalar devam ediyor
Ders2 1
Gazlardaki akım
1. Genel Hükümler
Tanım: Gazlardan elektrik akımı geçmesi olayına denir gaz deşarjı.
Gazların davranışı büyük ölçüde sıcaklık ve basınç gibi parametrelere bağlıdır ve bu parametreler oldukça kolay değişir. Bu nedenle gazlardaki elektrik akımının akışı metallere veya vakuma göre daha karmaşıktır.
Gazlar Ohm kanununa uymaz.
2. İyonizasyon ve rekombinasyon
Gaz normal koşullar pratik olarak nötr moleküllerden oluşur, bu nedenle son derece zayıf iletkendir elektrik. Ancak dış etkiler altında bir atomdan bir elektron kopabilir ve pozitif yüklü bir iyon ortaya çıkabilir. Ayrıca bir elektron nötr bir atoma bağlanarak negatif yüklü bir iyon oluşturabilir. Bu şekilde iyonize bir gaz elde etmek mümkündür; plazma.
Dış etkiler arasında ısınma, enerjik fotonlarla ışınlanma, diğer parçacıkların ve güçlü alanların bombardımanı yer alır; temel emisyon için gerekli olan aynı koşullar.
Atomdaki elektron potansiyel kuyusundadır ve buradan çıkabilmesi için atoma iyonlaşma enerjisi adı verilen ek enerjinin verilmesi gerekir.
|
Madde |
İyonlaşma enerjisi, eV |
|
Hidrojen atomu |
13,59 |
|
Hidrojen molekülü |
15,43 |
|
Helyum |
24,58 |
|
oksijen atomu |
13,614 |
|
oksijen molekülü |
12,06 |
İyonlaşma olgusunun yanı sıra rekombinasyon olgusu da gözlenir, yani. nötr bir atom oluşturmak için bir elektron ve bir pozitif iyonun birleşimi. Bu işlem iyonlaşma enerjisine eşit enerjinin açığa çıkmasıyla gerçekleşir. Bu enerji radyasyon veya ısıtma için kullanılabilir. Gazın yerel olarak ısıtılması, basınçta yerel bir değişikliğe yol açar. Bu da görünüşe yol açar ses dalgaları. Böylece gaz deşarjına ışık, termal ve gürültü etkileri eşlik eder.
3. Bir gaz deşarjının akım-gerilim özellikleri.
Açık Ilk aşamalar harici bir iyonlaştırıcı gereklidir.
OAW bölümünde akım, harici bir iyonlaştırıcının etkisi altında bulunur ve tüm iyonize parçacıklar akımın oluşumuna katıldığında hızla doygunluğa ulaşır. Harici iyonlaştırıcıyı çıkarırsanız akım durur.
Bu tip deşarja kendi kendini idame ettiremeyen gaz deşarjı denir. Gazdaki voltajı artırmaya çalıştığınızda elektron çığları belirir ve akım, ateşleme voltajı (IC) adı verilen neredeyse sabit bir voltajda artar.
Bu andan itibaren deşarj bağımsız hale gelir ve harici bir iyonlaştırıcıya ihtiyaç kalmaz. İyonların sayısı o kadar artabilir ki, elektrotlar arası boşluğun direnci azalır ve buna bağlı olarak voltaj (VSD) düşer.
Daha sonra elektrotlar arası boşlukta akımın geçtiği alan daralmaya başlar ve direnç artar, dolayısıyla voltaj (MU) artar.
Voltajı arttırmaya çalıştığınızda gaz tamamen iyonize olur. Direnç ve voltaj sıfıra düşer ve akım birçok kez artar. Sonuç bir ark deşarjıdır (EF).
Akım-gerilim karakteristiği gazın Ohm kanununa hiç uymadığını göstermektedir.
4. Gazdaki işlemler
Yapılabilecek işlemler gösterilen elektron çığlarının oluşumuna yol açar görüntü üzerinde.
Bunlar Townsend'in niteliksel teorisinin unsurlarıdır.
5. Kızdırma deşarjı.
Şu tarihte: düşük basınçlar ve düşük voltajlarda bu boşalma gözlemlenebilir.
K – 1 (karanlık Aston uzayı).
1 – 2 (parlak katot filmi).
2 – 3 (karanlık Crookes alanı).
3 – 4 (ilk katot parıltısı).
4 – 5 (karanlık Faraday uzayı)
5 – 6 (pozitif anot sütunu).
6 – 7 (anot karanlık alanı).
7 – A (anodik parlaklık).
Anodu hareketli hale getirirseniz, K – 5 bölgesinin boyutlarını pratik olarak değiştirmeden pozitif kolonun uzunluğu ayarlanabilir.
Karanlık bölgelerde parçacıklar hızlanıp enerji kazanırken, aydınlık bölgelerde iyonlaşma ve rekombinasyon süreçleri meydana gelir.
Fizik üzerine özet
konuyla ilgili:
"Gazlarda elektrik akımı."
Gazlarda elektrik akımı.
1. Gazlarda elektrik deşarjı.
Doğal hallerindeki tüm gazlar elektriği iletmez. Aşağıdaki deneyimlerden görülebileceği gibi:
Düz kapasitörün diskleri takılı bir elektrometre alalım ve onu şarj edelim. Oda sıcaklığında, hava yeterince kuruysa, kapasitör gözle görülür şekilde boşalmaz - elektrometre iğnesinin konumu değişmez. Elektrometre iğnesinin sapma açısında bir azalma olduğunu fark etmek için şunları yapmanız gerekir: uzun zaman. Bu durum diskler arasındaki havadaki elektrik akımının çok küçük olduğunu göstermektedir. Bu deneyim, havanın elektrik akımını zayıf bir şekilde ilettiğini göstermektedir.
Deneyi biraz değiştirelim: Diskler arasındaki havayı bir alkol lambasının aleviyle ısıtın. Daha sonra elektrometre iğnesinin sapma açısı hızla azalır, yani. kapasitör diskleri arasındaki potansiyel fark azalır - kapasitör boşalır. Sonuç olarak, diskler arasında ısıtılan hava iletken hale gelir ve içinde bir elektrik akımı oluşur.
Gazların yalıtkan özellikleri, serbest elektrik yüklerinin olmamasıyla açıklanmaktadır: doğal hallerinde gaz atomları ve molekülleri nötrdür.
2. Gazların iyonlaşması.
Yukarıda anlatılan deneyim, yüklü parçacıkların yüksek sıcaklığın etkisi altında gazlarda ortaya çıktığını göstermektedir. Bir veya daha fazla elektronun gaz atomlarından ayrılması nedeniyle ortaya çıkarlar, bunun sonucunda nötr bir atom yerine pozitif bir iyon ve elektronlar ortaya çıkar. Ortaya çıkan elektronların bir kısmı diğer nötr atomlar tarafından yakalanabilir ve daha sonra daha fazla negatif iyon ortaya çıkar. Gaz moleküllerinin elektronlara ve pozitif iyonlara parçalanmasına denir. Gazların iyonizasyonu.
Bir gazı yüksek sıcaklığa ısıtmak, gaz moleküllerini veya atomlarını iyonize etmenin tek yolu değildir. Gaz iyonizasyonu çeşitli dış etkileşimlerin etkisi altında meydana gelebilir: gazın kuvvetli ısınması, X ışınları, radyoaktif bozunmadan kaynaklanan a-, b- ve g-ışınları, kozmik ışınlar, gaz moleküllerinin hızlı hareket eden elektronlar veya iyonlar tarafından bombardımanı. Gaz iyonlaşmasına neden olan faktörlere denir iyonlaştırıcılar. Nicel özellikler iyonlaşma süreci hizmet eder iyonizasyon yoğunluğu, birim zamanda bir birim gaz hacminde ortaya çıkan zıt işaretli yüklü parçacık çiftlerinin sayısıyla ölçülür.
Bir atomun iyonlaşması belirli bir enerjinin - iyonizasyon enerjisinin - harcanmasını gerektirir. Bir atomu (veya molekülü) iyonize etmek için, fırlatılan elektron ile atomun (veya molekülün) geri kalan parçacıkları arasındaki etkileşim kuvvetlerine karşı iş yapmak gerekir. Bu işe iyonlaşma işi A i denir. İyonlaşma işinin miktarı, gazın kimyasal yapısına ve atom veya molekülden çıkan elektronun enerji durumuna bağlıdır.
İyonlaştırıcının çalışması durduktan sonra gazdaki iyon sayısı zamanla azalır ve sonunda iyonlar tamamen yok olur. İyonların yok olması, iyonların ve elektronların termal harekete katılmaları ve dolayısıyla birbirleriyle çarpışmaları ile açıklanmaktadır. Pozitif bir iyon ve bir elektron çarpıştığında, nötr bir atom halinde yeniden birleşebilirler. Benzer şekilde, pozitif ve negatif iyon çarpıştığında, negatif iyon fazla elektronunu pozitif iyona verebilir ve her iki iyon da nötr atom haline gelir. İyonların bu karşılıklı nötralizasyon sürecine denir. iyonların rekombinasyonu. Pozitif bir iyon ve bir elektron veya iki iyon yeniden birleştiğinde, iyonizasyon için harcanan enerjiye eşit olan belirli bir enerji açığa çıkar. Kısmen ışık şeklinde yayılır ve bu nedenle iyonların rekombinasyonuna parıltı (rekombinasyon parıltısı) eşlik eder.
Gazlarda elektrik boşalması olayında atomların elektron darbeleriyle iyonlaşması önemli bir rol oynar. Bu süreç, yeterli kinetik enerjiye sahip hareketli bir elektronun, nötr bir atomla çarpışması üzerine, bir veya daha fazla atomik elektronu ondan çıkarması, bunun sonucunda nötr atomun pozitif bir iyona dönüşmesi ve yeni elektronların ortaya çıkmasından oluşur. gazda (bu daha sonra tartışılacaktır).
Aşağıdaki tablo bazı atomların iyonlaşma enerjilerini vermektedir.
3. Gazların elektriksel iletkenlik mekanizması.
Gazların iletkenlik mekanizması, çözeltilerin iletkenlik mekanizmasına ve elektrolitlerin erimesine benzer. Harici bir alanın yokluğunda, yüklü parçacıklar, nötr moleküller gibi, düzensiz bir şekilde hareket eder. İyonlar ve serbest elektronlar kendilerini harici bir elektrik alanında bulurlarsa, belirli bir yönde hareket etmeye başlarlar ve gazlarda bir elektrik akımı oluştururlar.
Böylece gazdaki elektrik akımı pozitif iyonların katoda doğru yönlendirilmiş hareketini temsil eder ve negatif iyonlar ve elektronlar anoda gider. Gazdaki toplam akım yüklü parçacıkların iki akışından oluşur: anoda giden akış ve katoda yönlendirilen akış.
Elektrik akımının çözeltiler ve elektrolitlerin erimesi yoluyla geçişinde olduğu gibi, yüklü parçacıkların nötralizasyonu elektrotlarda meydana gelir. Ancak gazlarda, elektrolit çözeltilerinde olduğu gibi elektrotlar üzerinde madde salınımı yoktur. Elektrotlara yaklaşan gaz iyonları onlara yüklerini verir, nötr moleküllere dönüşür ve tekrar gaza yayılır.
İyonize gazların ve elektrolit çözeltilerinin (eriyikler) elektriksel iletkenliğindeki diğer bir fark, gazlardan akım geçtiğinde negatif yükün öncelikle negatif iyonlar tarafından değil elektronlar tarafından taşınmasıdır, ancak negatif iyonlardan kaynaklanan iletkenlik de bir rol oynayabilir.
Böylece gazlar, metallerinkine benzer elektronik iletkenliği iletkenliğe benzer iyonik iletkenlikle birleştirir. sulu çözeltiler ve elektrolit erir.
4. Kendi kendine yetmeyen gaz deşarjı.
Elektrik akımının bir gazdan geçirilmesi işlemine gaz deşarjı denir. Bir gazın elektriksel iletkenliği harici iyonlaştırıcılar tarafından yaratılıyorsa, içinde ortaya çıkan elektrik akımına denir. sürekli olmayan gaz deşarjı. Harici iyonlaştırıcıların etkisinin sona ermesiyle kendi kendine devam etmeyen deşarj da sona erer. Kendi kendini idame ettiremeyen bir gaz deşarjına gaz parlaması eşlik etmez.
Aşağıda, bir gazdaki kendi kendine yetmeyen bir deşarj sırasında akımın voltaja bağımlılığının bir grafiği bulunmaktadır. Grafiği çizmek için camın içine kapatılmış iki metal elektrotlu bir cam tüp kullanıldı. Zincir aşağıdaki şekilde gösterildiği gibi monte edilir.
Belirli bir voltajda, iyonlaştırıcının gazda saniyede oluşturduğu tüm yüklü parçacıkların aynı anda elektrotlara ulaştığı bir an gelir. Voltajın daha da artması artık aktarılan iyonların sayısında bir artışa yol açamaz. Akım doygunluğa ulaşır (grafik 1'in yatay kesiti).
5. Bağımsız gaz deşarjı.
Harici iyonlaştırıcının çalışmayı durdurmasından sonra da devam eden bir gazdaki elektrik boşalmasına denir. bağımsız gaz deşarjı. Uygulanması için, deşarjın bir sonucu olarak gazda sürekli olarak serbest yüklerin oluşması gerekir. Oluşumlarının ana kaynağı gaz moleküllerinin darbe iyonizasyonudur.
Doygunluğa ulaştıktan sonra elektrotlar arasındaki potansiyel farkını artırmaya devam edersek, yeterince yüksek bir voltajdaki akım gücü keskin bir şekilde artmaya başlayacaktır (grafik 2).
Bu, iyonlaştırıcının etkisi nedeniyle oluşan gazda ilave iyonların ortaya çıktığı anlamına gelir. Akım gücü yüzlerce ve binlerce kat artabilir ve deşarj işlemi sırasında üretilen yüklü parçacıkların sayısı o kadar büyük olabilir ki, deşarjı sürdürmek için artık harici bir iyonlaştırıcıya ihtiyaç duyulmaz. Bu nedenle iyonlaştırıcı artık çıkarılabilir.
Yüksek voltajlarda akımdaki keskin artışın nedenleri nelerdir? Harici bir iyonlaştırıcının etkisi nedeniyle oluşan herhangi bir çift yüklü parçacığı (bir pozitif iyon ve bir elektron) ele alalım. Bu şekilde ortaya çıkan serbest elektron, pozitif elektrota (anot) ve pozitif iyon ise katoda doğru hareket etmeye başlar. Elektron yolda iyonlarla ve nötr atomlarla karşılaşır. Ardışık iki çarpışma arasındaki aralıklarda, elektrik alan kuvvetlerinin çalışması nedeniyle elektronun enerjisi artar.
 |
Elektrotlar arasındaki potansiyel farkı ne kadar büyük olursa, elektrik alan kuvveti de o kadar büyük olur. Elektronun bir sonraki çarpışmadan önceki kinetik enerjisi, alan kuvveti ve elektronun ortalama serbest yolu ile orantılıdır: MV 2/2=eEl. Bir elektronun kinetik enerjisi, nötr bir atomu (veya molekülü) iyonize etmek için yapılması gereken A i işini aşarsa; MV 2 >A i ise, bir elektron bir atom (veya molekül) ile çarpıştığında iyonize olur. Sonuç olarak, bir elektron yerine iki elektron ortaya çıkar (biri atoma çarpan, diğeri ise atomdan kopan). Onlar da sahada enerji alırlar ve yaklaşan atomları vb. iyonize ederler. Sonuç olarak, yüklü parçacıkların sayısı hızla artar ve bir elektron çığı meydana gelir. Açıklanan sürecin adı Elektron etkisi ile iyonizasyon.
Ancak elektron etkisiyle iyonlaşma tek başına bağımsız bir yükün korunmasını sağlayamaz. Aslında bu şekilde üretilen tüm elektronlar anoda doğru hareket eder ve anoda ulaştıklarında "oyundan çıkarlar." Deşarjı sürdürmek için katottan elektronların yayılması gerekir (“emisyon”, “emisyon” anlamına gelir). Elektron emisyonu çeşitli nedenlerden kaynaklanabilir.
Elektronların nötr atomlarla çarpışması sırasında oluşan pozitif iyonlar, katoda doğru hareket ederken büyük bir değer kazanır. kinetik enerji. Bu kadar hızlı iyonlar katoda çarptığında, elektronlar katot yüzeyinden dışarı atılır.
Ayrıca katot yüksek sıcaklıklara ısıtıldığında elektron yayabilir. Bu süreç denir Termiyonik emisyon. Elektronların bir metalden buharlaşması olarak düşünülebilir. Birçoğunda katılar Termiyonik emisyon, maddenin buharlaşmasının hala küçük olduğu sıcaklıklarda meydana gelir. Bu tür maddeler katot yapımında kullanılır.
Kendi kendine deşarj sırasında, pozitif iyonlarla bombardıman edilmesi nedeniyle katodun ısınması meydana gelebilir. İyon enerjisi çok yüksek değilse, elektronlar katottan dışarı atılmaz ve termiyonik emisyon nedeniyle elektronlar yayılır.
6. Çeşitli kendi kendine deşarj türleri ve teknik uygulamaları.
Gazın özelliklerine ve durumuna, elektrotların doğasına ve konumuna ve ayrıca elektrotlara uygulanan voltaja bağlı olarak, Farklı türde bağımsız deşarj. Bunlardan birkaçına bakalım.
A. Kızdırma deşarjı.
Birkaç on milimetre veya daha az cıva düzeyindeki düşük basınçlardaki gazlarda bir akkor boşalması gözlemlenir. Kızdırma deşarjlı bir tüpü ele alırsak, kızdırma deşarjının ana parçalarının olduğunu görebiliriz. katot karanlık uzay, ondan çok uzak olumsuz, veya için için yanan ışıltı, yavaş yavaş bölgeye doğru ilerliyor Faraday karanlık alanı. Bu üç bölge deşarjın katot kısmını oluşturur ve ardından deşarjın optik özelliklerini belirleyen ana ışıklı kısmı gelir. pozitif sütun.
Işıma deşarjının korunmasındaki ana rol, katot kısmının ilk iki bölgesi tarafından oynanır. Karakteristik özellik bu tür bir deşarj keskin düşüş katot yakınındaki iyonların nispeten düşük hareket hızı nedeniyle, I ve II bölgelerinin sınırında yüksek konsantrasyonda pozitif iyonlarla ilişkili olan katot yakınındaki potansiyel. Katot karanlık alanında, elektronların ve pozitif iyonların güçlü bir ivmesi vardır ve elektronları katottan dışarı atar. İçin için yanan parıltı bölgesinde, elektronlar gaz moleküllerinin yoğun darbe iyonizasyonunu üretir ve enerjilerini kaybederler. Burada deşarjı sürdürmek için gerekli olan pozitif iyonlar oluşur. Bu bölgedeki elektrik alan şiddeti düşüktür. Parıltı esas olarak iyonların ve elektronların rekombinasyonundan kaynaklanır. Katot karanlık alanının kapsamı gazın ve katot malzemesinin özelliklerine göre belirlenir.
Pozitif sütun bölgesinde elektron ve iyon konsantrasyonu yaklaşık olarak aynı ve çok yüksektir, bu da pozitif sütunun yüksek elektriksel iletkenliğine ve içindeki potansiyelin hafif bir düşüşüne neden olur. Pozitif sütunun parıltısı, uyarılmış gaz moleküllerinin parıltısıyla belirlenir. Anotun yakınında, pozitif iyonların üretilmesi süreciyle ilişkili olarak potansiyelde nispeten keskin bir değişiklik tekrar gözlenir. Bazı durumlarda pozitif sütun ayrı aydınlık alanlara bölünür. Strata, karanlık boşluklarla ayrılmıştır.
Pozitif sütun akkor deşarjın korunmasında önemli bir rol oynamaz, bu nedenle tüpün elektrotları arasındaki mesafe azaldığında pozitif sütunun uzunluğu azalır ve tamamen kaybolabilir. Elektrotlar birbirine yaklaştığında değişmeyen katot karanlık alanının uzunluğu ile durum farklıdır. Elektrotlar, aralarındaki mesafe katot karanlık alanının uzunluğundan daha az olacak kadar yaklaşırsa, gazdaki ışıltılı deşarj duracaktır. Deneyler, diğer koşullar eşit olduğunda katot karanlık alanının uzunluğunun (d) gaz basıncıyla ters orantılı olduğunu göstermektedir. Sonuç olarak, yeterince düşük basınçlarda, pozitif iyonlar tarafından katottan atılan elektronlar, gazın molekülleriyle neredeyse çarpışmadan geçerek gazın içinden geçer ve elektronik, veya katot ışınları .
Kızdırma deşarjı gaz ışık tüplerinde, floresan lambalarda, voltaj dengeleyicilerde ve elektron ve iyon ışınları üretmek için kullanılır. Katotta bir yarık açılırsa, genellikle iyon ışınları olarak adlandırılan dar iyon ışınları oluşur. kanal kirişleri. Yaygın olarak kullanılan fenomen katot püskürtme yani Katot yüzeyinin, kendisine çarpan pozitif iyonların etkisi altında tahrip olması. Katot malzemesinin ultramikroskopik parçaları her yöne doğru düz çizgiler halinde uçar ve tüp içine yerleştirilen cisimlerin (özellikle dielektriklerin) yüzeyini ince bir tabaka ile kaplar. Bu sayede birçok cihaz için aynalar yapılıyor ve selenyum fotosellerin üzerine ince bir metal tabakası uygulanıyor.
B. Korona deşarjı.
Korona deşarjı şu durumlarda meydana gelir: normal basınç oldukça homojen olmayan bir elektrik alanında bulunan bir gazda (örneğin, yüksek gerilim hatlarının uçlarının veya tellerinin yakınında). Korona deşarjı sırasında gaz iyonizasyonu ve parlama yalnızca korona elektrotlarının yakınında meydana gelir. Katot korona (negatif korona) durumunda, gaz moleküllerinin darbe iyonlaşmasına neden olan elektronlar, pozitif iyonlarla bombardıman edildiğinde katottan dışarı atılır. Anot koronalıysa (pozitif korona), anot yakınındaki gazın fotoiyonlaşması nedeniyle elektron oluşumu meydana gelir. Korona, akım kaçağı ve elektrik enerjisi kaybının eşlik ettiği zararlı bir olgudur. Korona hasarını azaltmak için iletkenlerin eğrilik yarıçapı artırılır ve yüzeyleri mümkün olduğunca pürüzsüz hale getirilir. Elektrotlar arasında yeterince yüksek bir voltaj olduğunda korona deşarjı kıvılcım deşarjına dönüşür.
Artan voltajda, uçtaki korona deşarjı, uçtan yayılan ve zamanla değişen ışık çizgileri şeklini alır. Çok sayıda kıvrım ve kıvrıma sahip olan bu çizgiler, bir fırça görünümü oluşturur ve bunun sonucunda böyle bir akıntıya denir. el bileği .
Yüklü bir fırtına bulutu, altındaki Dünya yüzeyinde zıt işaretli elektrik yüklerini indükler. Uçlarda özellikle büyük bir yük birikir. Bu nedenle, fırtınadan önce veya fırtına sırasında, püskül benzeri ışık konileri genellikle yüksek nesnelerin noktalarında ve keskin köşelerinde yanıp söner. Antik çağlardan beri bu parıltıya St. Elmo'nun ateşleri deniyordu.
Özellikle dağcılar bu olguya sıklıkla tanık oluyor. Bazen sadece metal nesneler değil, kafadaki saçların uçları da küçük parlak püsküllerle süslenir.
Yüksek voltajla uğraşırken korona deşarjı dikkate alınmalıdır. Çıkıntılı parçalar veya çok ince teller varsa korona deşarjı meydana gelebilir. Bu, güç sızıntısına yol açar. Yüksek gerilim hattının voltajı ne kadar yüksek olursa kablolar da o kadar kalın olmalıdır.
C. Kıvılcım deşarjı.
Kıvılcım deşarjı, deşarj boşluğuna nüfuz eden ve kaybolan, yerini yenileriyle değiştiren parlak zikzak dallanma iplik kanalları görünümüne sahiptir. Araştırmalar kıvılcım deşarj kanallarının bazen pozitif elektrottan, bazen negatiften, bazen de elektrotlar arasındaki bir noktadan büyümeye başladığını göstermiştir. Bu, bir kıvılcım deşarjı durumunda darbe yoluyla iyonizasyonun tüm gaz hacmi boyunca meydana gelmemesi, ancak iyon konsantrasyonunun kazara en yüksek olduğu yerlerden geçen bireysel kanallar yoluyla meydana gelmesiyle açıklanmaktadır. Kıvılcım deşarjına serbest bırakma eşlik eder büyük miktar sıcaklık, parlak gaz parıltısı, çatırtı veya gök gürültüsü. Tüm bu olaylar, kıvılcım kanallarında meydana gelen ve basınçta büyük bir artışa, 10 7 ¸ 10 8 Pa'ya ulaşan ve sıcaklıkta 10.000 ° C'ye kadar bir artışa yol açan elektron ve iyon çığlarından kaynaklanmaktadır.
Kıvılcım deşarjının tipik bir örneği yıldırımdır. Ana yıldırım kanalının çapı 10 ila 25 cm arasında olup, yıldırımın uzunluğu birkaç kilometreye ulaşabilmektedir. Maksimum güç Yıldırım darbesi akımı onlarca ve yüzbinlerce ampere ulaşır.
Deşarj aralığı kısa olduğunda, kıvılcım deşarjı anotta özel bir tahribata neden olur. erozyon. Bu fenomen, elektrik kıvılcımı yöntemiyle kesme, delme ve diğer hassas metal işleme türlerinde kullanıldı.
Kıvılcım aralığı aşırı gerilim sigortası olarak kullanılır. elektrik hatları iletimler (örneğin telefon hatlarında). Bir hattın yakınından kısa süreli güçlü bir akım geçerse, bu hattın tellerinde elektrik tesisatına zarar verebilecek ve insan hayatı için tehlikeli olabilecek gerilimler ve akımlar indüklenir. Bunu önlemek için biri hatta bağlanan, diğeri topraklanmış iki kavisli elektrottan oluşan özel sigortalar kullanılır. Hattın zemine göre potansiyeli büyük ölçüde artarsa, elektrotlar arasında, kendisi tarafından ısıtılan hava ile birlikte yükselen, uzayan ve kopan bir kıvılcım boşalması meydana gelir.
Son olarak, elektrik kıvılcımı büyük potansiyel farklarını ölçmek için kullanılır. top tutucu elektrotları cilalı yüzeye sahip iki metal toptur. Toplar birbirinden uzaklaştırılır ve onlara ölçülen bir potansiyel fark uygulanır. Daha sonra toplar, aralarında bir kıvılcım atlayana kadar birbirine yaklaştırılır. Topların çapını, aralarındaki mesafeyi, basıncı, sıcaklığı ve havanın nemini bilerek, özel tablolar kullanarak toplar arasındaki potansiyel farkı bulun. Bu yöntem, onbinlerce volt mertebesindeki potansiyel farkları yüzde birkaç doğrulukla ölçebilir.
D. Ark deşarjı.
Ark deşarjı 1802'de V.V. Petrov tarafından keşfedildi. Bu deşarj, yüksek bir akım yoğunluğunda ve elektrotlar arasında nispeten düşük bir voltajda (birkaç on volt civarında) gerçekleştirilen gaz deşarjı biçimlerinden biridir. Ark deşarjının ana nedeni, sıcak katottan termiyonik elektronların yoğun emisyonudur. Bu elektronlar elektrik alanı tarafından hızlandırılır ve gaz moleküllerinin darbeli iyonizasyonunu üretir. elektrik direnci Elektrotlar arasındaki gaz boşluğu nispeten küçüktür. Harici devrenin direncini azaltırsanız ve ark deşarj akımını arttırırsanız, gaz aralığının iletkenliği o kadar artacaktır ki elektrotlar arasındaki voltaj azalacaktır. Bu nedenle ark deşarjının düşen bir akım-gerilim karakteristiğine sahip olduğunu söylüyorlar. Atmosfer basıncında katot sıcaklığı 3000 °C'ye ulaşır. Elektronlar anotu bombalayarak içinde bir çöküntü (krater) oluşturur ve onu ısıtır. Kraterin sıcaklığı yaklaşık 4000 °C olup, yüksek hava basınçlarında 6000-7000 °C'ye ulaşır. Ark boşaltma kanalındaki gaz sıcaklığı 5000-6000 °C'ye ulaşır, dolayısıyla içinde yoğun termal iyonlaşma meydana gelir.
Bazı durumlarda, nispeten düşük bir katot sıcaklığında (örneğin bir cıva ark lambasında) bir ark deşarjı gözlenir.
1876'da P. N. Yablochkov, ışık kaynağı olarak elektrik arkını ilk kullanan kişi oldu. "Yablochkov mumunda" kömürler paralel olarak düzenlenmiş ve kavisli bir tabaka ile ayrılmış ve uçları iletken bir "ateşleme köprüsü" ile bağlanmıştır. Akım açıldığında ateşleme köprüsü yandı ve kömürler arasında bir elektrik arkı oluştu. Kömür yanarken yalıtım katmanı buharlaştı.
Ark deşarjı günümüzde hala ışık kaynağı olarak, örneğin spot ışıklarında ve projeksiyon cihazlarında kullanılmaktadır.
Sıcaklık ark deşarjı, bir ark ocağının yapımında kullanılmasına izin verir. Şu anda, çok yüksek bir akımla çalışan ark fırınları bir dizi endüstride kullanılmaktadır: çelik, dökme demir, ferroalyajlar, bronzun eritilmesi, kalsiyum karbür, nitrojen oksit vb. üretimi için.
1882 yılında N. N. Benardos metali kesmek ve kaynaklamak için ark deşarjını ilk kez kullandı. Sabit bir karbon elektrot ile metal arasındaki deşarj, iki metal levhanın (veya plakanın) birleşimini ısıtır ve bunları kaynak yapar. Benardos aynı yöntemi metal plakaları kesmek ve içlerinde delikler açmak için kullandı. 1888'de N. G. Slavyanov, karbon elektrotu metal elektrotla değiştirerek bu kaynak yöntemini geliştirdi.
Ark deşarjı, alternatif elektrik akımını doğru akıma dönüştüren cıvalı redresörde uygulama alanı buldu.
E. Plazma.
Plazma, yoğunlukları pozitif olan ve kısmen veya tamamen iyonize olmuş bir gazdır. negatif masraflar neredeyse aynı. Dolayısıyla plazma bir bütün olarak elektriksel olarak nötr bir sistemdir.
Plazmanın niceliksel bir özelliği iyonizasyon derecesidir. Plazma iyonizasyon derecesi a, yüklü parçacıkların hacim konsantrasyonunun parçacıkların toplam hacim konsantrasyonuna oranıdır. İyonlaşma derecesine bağlı olarak plazma ikiye ayrılır: zayıf iyonize(a, yüzde birin kesiridir), kısmen iyonizedir (a, yüzde birkaç mertebesindedir) ve tamamen iyonizedir (a, %100'e yakındır). Doğal koşullarda zayıf iyonize plazma, atmosferin üst katmanlarıdır - iyonosfer. Güneş, sıcak yıldızlar ve bazı yıldızlararası bulutlar, yüksek sıcaklıklarda oluşan tamamen iyonize plazmalardır.
Bir plazmayı oluşturan çeşitli parçacık türlerinin ortalama enerjileri birbirinden önemli ölçüde farklılık gösterebilir. Bu nedenle plazma tek bir sıcaklık değeri T ile karakterize edilemez; ayırt etmek elektron sıcaklığı T e, iyon sıcaklığı T i (veya plazma çeşitli türde iyonlar içeriyorsa iyon sıcaklıkları) ve nötr atomların sıcaklığı Ta (nötr bileşen). Böyle bir plazmaya, tüm bileşenlerin sıcaklıklarının aynı olduğu izotermal plazmanın aksine, izotermal olmayan denir.
Plazma ayrıca yüksek sıcaklık (T i » 10 6 -10 8 K ve üzeri) ve düşük sıcaklık olarak ikiye ayrılır!!! (T ben<=10 5 К). Это условное разделение связано с особой влажностью высокотемпературной плазмы в связи с проблемой осуществления управляемого термоядерного синтеза.
Plazmanın bir dizi spesifik özelliği vardır ve bu da onu maddenin özel bir dördüncü durumu olarak değerlendirmemize olanak tanır.
Yüklü plazma parçacıkları yüksek hareketliliklerinden dolayı elektrik ve manyetik alanların etkisi altında kolaylıkla hareket ederler. Bu nedenle, aynı yük işaretine sahip parçacıkların birikmesinden kaynaklanan, plazmanın ayrı alanlarının elektriksel nötrlüğünün ihlali hızlı bir şekilde ortadan kaldırılır. Ortaya çıkan elektrik alanları, elektriksel nötrlük sağlanana ve elektrik alanı sıfır olana kadar yüklü parçacıkları hareket ettirir. Molekülleri arasında kısa menzilli kuvvetlerin bulunduğu nötr bir gazın aksine Coulomb kuvvetleri, yüklü plazma parçacıkları arasında etki eder ve mesafeyle birlikte nispeten yavaş bir şekilde azalır. Her parçacık aynı anda çok sayıda çevre parçacıkla etkileşime girer. Bu nedenle, kaotik termal hareketin yanı sıra, plazma parçacıkları çeşitli düzenli hareketlere katılabilir. Plazmada çeşitli türdeki salınımlar ve dalgalar kolayca uyarılır.
İyonlaşma derecesi arttıkça plazma iletkenliği artar. Yüksek sıcaklıklarda, tamamen iyonize edilmiş plazma, iletkenliği bakımından süperiletkenlere yaklaşır.
Düşük sıcaklıklı plazma, gaz deşarjlı ışık kaynaklarında - reklam tabelaları için ışıklı tüplerde, floresan lambalarda kullanılır. Gaz deşarj lambaları birçok cihazda, örneğin gaz lazerlerinde - kuantum ışık kaynaklarında kullanılır.
Manyetohidrodinamik jeneratörlerde yüksek sıcaklıkta plazma kullanılır.
Son zamanlarda yeni bir cihaz oluşturuldu - bir plazmatron. Plazma meşalesi, teknolojinin çeşitli alanlarında yaygın olarak kullanılan, yoğun düşük sıcaklıklı plazmanın güçlü jetlerini oluşturur: metalleri kesmek ve kaynaklamak, sert kayalarda kuyu açmak vb. için.
Kullanılan literatürün listesi:
1) Fizik: Elektrodinamik. 10-11 sınıflar: ders kitabı. fizik/G'nin derinlemesine incelenmesi için. Y. Myakishev, A.Z. Sinyakov, B.A. Slobodskov. – 2. baskı – M.: Bustard, 1998. – 480 s.
2) Fizik dersi (üç ciltlik). T.II. Elektrik ve manyetizma. Ders Kitabı kolejler için el kitabı./Detlaf A.A., Yavorsky B.M., Milkovskaya L.B. Ed. 4., revize edildi – M.: Yüksekokul, 1977. – 375 s.
3) Elektrik./E. G. Kalaşnikof. Ed. "Bilim", Moskova, 1977.
4) Fizik./B. B. Bukhovtsev, Yu.L. Klimontovich, G. Ya.Myakishev. 3. baskı, revize edilmiş. – M.: Eğitim, 1986.
1. İyonlaşma, özü ve çeşitleri.
Elektrik akımının varlığının ilk koşulu, serbest yük taşıyıcılarının varlığıdır. Gazlarda iyonlaşma sonucu ortaya çıkarlar. İyonlaşma faktörlerinin etkisi altında, bir elektron nötr bir parçacıktan ayrılır. Atom pozitif iyon haline gelir. Böylece 2 tip yük taşıyıcı ortaya çıkar: pozitif iyon ve serbest elektron. Bir elektron nötr bir atoma katılırsa, negatif bir iyon ortaya çıkar, yani. üçüncü tip yük taşıyıcıları. İyonize gaza üçüncü türden iletken denir. Burada 2 tür iletkenlik mümkündür: elektronik ve iyonik. İyonizasyon işlemleriyle eş zamanlı olarak ters işlem meydana gelir - rekombinasyon. Bir elektronu atomdan ayırmak için enerji harcanması gerekir. Enerji dışarıdan sağlanıyorsa iyonlaşmayı teşvik eden faktörlere dışsal denir (yüksek sıcaklık, iyonlaştırıcı radyasyon, ultraviyole radyasyon, güçlü manyetik alanlar). İyonlaşma faktörlerine bağlı olarak buna termal iyonizasyon veya fotoiyonizasyon denir. İyonlaşmaya mekanik şok da neden olabilir. İyonlaşma faktörleri doğal ve yapay olarak ikiye ayrılır. Doğal olan, Güneş'ten gelen radyasyondan ve Dünya'nın radyoaktif arka planından kaynaklanır. Dış iyonlaşmaya ek olarak iç iyonlaşma da vardır. Şok ve adım olarak ikiye ayrılır.
Darbe iyonizasyonu.
Yeterince yüksek bir voltajda, alan tarafından yüksek hızlara hızlandırılan elektronların kendileri bir iyonizasyon kaynağı haline gelir. Böyle bir elektron nötr bir atoma çarptığında, elektron atomdan dışarı atılır. Bu, iyonlaşmaya neden olan elektronun enerjisi atomun iyonlaşma enerjisini aştığında meydana gelir. Elektrotlar arasındaki voltaj, elektronun gerekli enerjiyi elde edebilmesi için yeterli olmalıdır. Bu gerilime iyonizasyon gerilimi denir. Herkes için kendine göre bir anlamı vardır.
Hareket eden bir elektronun enerjisi gerekenden azsa, çarpma anında yalnızca nötr bir atomun uyarılması meydana gelir. Hareket eden bir elektron önceden uyarılmış bir atomla çarpışırsa adım adım iyonlaşma meydana gelir.
2. Kendi kendini idame ettiremeyen gaz deşarjı ve akım-gerilim özellikleri.
İyonlaşma, akımın varlığı için ilk koşulun yerine getirilmesine yol açar, yani. ücretsiz ücretlerin ortaya çıkmasına. Bir akımın oluşması için, yükleri belirli bir yönde hareket etmeye zorlayacak bir dış kuvvetin varlığı gereklidir; bir elektrik alanına ihtiyaç vardır. Gazlardaki elektrik akımına bir dizi olay eşlik eder: ışık, ses, ozon oluşumu, nitrojen oksitler. Akımın bir gaz-gaz deşarjından geçişine eşlik eden bir dizi olay. Akım akışı sürecine genellikle gaz deşarjı denir.
Yalnızca harici bir iyonlaştırıcının etkisi sırasında meydana gelen bir deşarj, kendi kendini sürdürmeyen olarak adlandırılır. Bu durumda harici iyonlaştırıcının sona ermesinden sonra yeni yük taşıyıcıları oluşmaz ve akım durur. Kendi kendine devam etmeyen bir deşarj sırasında, akımların büyüklüğü küçüktür ve gaz parlaması olmaz.
Bağımsız gaz deşarjı, çeşitleri ve özellikleri.
Bağımsız bir gaz deşarjı, harici iyonlaştırıcının durdurulmasından sonra var olabilecek bir deşarjdır, yani. Darbe iyonizasyonu nedeniyle. Bu durumda ışık ve ses olayları gözlemlenir ve mevcut güç önemli ölçüde artabilir.
Kendi kendine deşarj türleri:
1. sessiz deşarj - kendi kendini idame ettiremeyen bir deşarjdan hemen sonra gelir, akım gücü 1 mA'yı geçmez, ses veya ışık fenomeni yoktur. Fizyoterapide Geiger-Müller sayaçları kullanılır.
2. kızdırma deşarjı. Gerilim arttıkça sessizlik için için yanmaya dönüşür. Belirli bir voltajda - ateşleme voltajında \u200b\u200bmeydana gelir. Gazın türüne bağlıdır. Neon 60-80 V'a sahiptir. Aynı zamanda gaz basıncına da bağlıdır. Işıma deşarjına bir parıltı eşlik eder; enerjinin serbest bırakılmasıyla ortaya çıkan rekombinasyonla ilişkilidir. Renk aynı zamanda gazın türüne de bağlıdır. Gösterge lambalarında (neon, UV bakteri öldürücü, aydınlatma, floresan) kullanılır.
3. ark deşarjı. Akım gücü 10 - 100 A'dır. Yoğun bir parıltıyla birlikte gaz deşarj aralığındaki sıcaklık birkaç bin dereceye ulaşır. İyonlaşma neredeyse %100'e ulaşır. %100 iyonize gaz - soğuk gaz plazması. İyi iletkenliğe sahiptir. Yüksek ve ultra yüksek basınçlı cıva lambalarında kullanılır.
4. Kıvılcım deşarjı bir tür ark deşarjıdır. Bu bir darbe salınımlı deşarjdır. Tıpta yüksek frekanslı titreşimlere maruz kalma kullanılır, yüksek akım yoğunluklarında yoğun ses olayları gözlenir.
5. korona deşarjı. Bu bir çeşit akkor deşarjdır.Elektrik alan kuvvetinde keskin bir değişimin olduğu yerlerde görülür. Burada bir yük çığı ve bir gaz parıltısı beliriyor - bir korona.
Doğada mutlak dielektrik yoktur. Parçacıkların - elektrik yükü taşıyıcıları - yani akımın düzenli hareketi herhangi bir ortamda meydana gelebilir, ancak bu özel koşullar gerektirir. Burada gazlarda elektriksel olayların nasıl meydana geldiğine ve bir gazın çok iyi bir dielektrikten çok iyi bir iletkene nasıl dönüştürülebileceğine bakacağız. Gazlarda elektrik akımının meydana geldiği koşulların yanı sıra hangi özelliklerin karakterize edildiğiyle de ilgileneceğiz.
Gazların elektriksel özellikleri
Bir dielektrik, parçacıkların (elektrik yükünün serbest taşıyıcıları) konsantrasyonunun önemli bir değere ulaşmadığı, bunun sonucunda iletkenliğin ihmal edilebilir olduğu bir maddedir (ortam). Bütün gazlar iyi dielektriklerdir. Yalıtım özellikleri her yerde kullanılmaktadır. Örneğin herhangi bir anahtarda kontaklar aralarında hava boşluğu oluşacak konuma getirildiğinde devre açılır. Enerji hatlarındaki teller de bir hava tabakasıyla birbirlerinden yalıtılır.
Herhangi bir gazın yapısal birimi bir moleküldür. Atom çekirdeği ve elektron bulutlarından oluşur, yani uzayda bir şekilde dağılmış elektrik yüklerinin toplamıdır. Yapısının özelliklerinden dolayı bir gaz molekülü, harici bir elektrik alanının etkisi altında polarize edilebilir. Bir gazı oluşturan moleküllerin büyük çoğunluğu, içlerindeki yükler birbirini iptal ettiğinden normal koşullar altında elektriksel olarak nötrdür.
Bir gaza elektrik alanı uygulandığında moleküller, alanın etkisini telafi edecek uzaysal bir pozisyon işgal ederek dipol yönelimi alacaktır. Coulomb kuvvetlerinin etkisi altında gazda bulunan yüklü parçacıklar hareket etmeye başlayacaktır: pozitif iyonlar katoda, negatif iyonlar ve elektronlar anoda doğru. Bununla birlikte, alanın potansiyeli yetersizse, yüklerin tek bir yönlendirilmiş akışı ortaya çıkmaz ve daha ziyade ihmal edilecek kadar zayıf bireysel akımlardan söz edilebilir. Gaz bir dielektrik gibi davranır.
Bu nedenle gazlarda elektrik akımının oluşması için yüksek konsantrasyonda serbest yük taşıyıcıları ve bir alanın varlığı gerekir.
İyonlaşma
Bir gazdaki serbest yüklerin sayısında çığ benzeri bir artış sürecine iyonlaşma denir. Buna göre önemli miktarda yüklü parçacıkların bulunduğu bir gaza iyonize gaz denir. Bu tür gazlarda bir elektrik akımı yaratılır.
İyonlaşma süreci moleküllerin nötrlüğünün ihlali ile ilişkilidir. Bir elektronun çıkarılması sonucunda pozitif iyonlar ortaya çıkar; bir moleküle bir elektronun eklenmesi negatif iyon oluşumuna yol açar. Ayrıca iyonize gaz çok sayıda serbest elektron içerir. Gazlarda elektrik akımı sırasında pozitif iyonlar ve özellikle elektronlar ana yük taşıyıcılarıdır.
İyonlaşma, bir parçacığa belirli miktarda enerji verildiğinde meydana gelir. Böylece moleküldeki dış elektron bu enerjiyi alarak molekülü terk edebilir. Yüklü parçacıkların nötr olanlarla karşılıklı çarpışması, yeni elektronların dışarı atılmasına yol açar ve süreç çığ benzeri bir karaktere bürünür. Parçacıkların kinetik enerjisi de artar, bu da iyonizasyonu büyük ölçüde artırır.
Gazlarda elektrik akımını uyarmak için harcanan enerji nereden geliyor? Gazların iyonlaşmasının, türlerinin genellikle adlandırıldığı çeşitli enerji kaynakları vardır.
- Elektrik alanıyla iyonlaşma. Bu durumda alanın potansiyel enerjisi parçacıkların kinetik enerjisine dönüşür.
- Termal iyonizasyon. Sıcaklıktaki bir artış aynı zamanda çok sayıda serbest yükün oluşmasına da yol açar.
- Fotoiyonizasyon. Bu sürecin özü, enerjinin elektronlara, yeterince yüksek bir frekansa sahip olmaları durumunda (ultraviyole, x-ışınları, gama kuantumu) elektromanyetik radyasyon - fotonlar yoluyla aktarılmasıdır.
- Darbe iyonizasyonu, çarpışan parçacıkların kinetik enerjisinin elektron ayrılma enerjisine dönüştürülmesiyle sonuçlanır. Termal iyonlaşmanın yanı sıra gazlarda elektrik akımının uyarılmasında ana faktör olarak görev yapar.
Her gaz belirli bir eşik değeriyle karakterize edilir - bir elektronun molekülden ayrılarak potansiyel bariyeri aşması için gereken iyonizasyon enerjisi. İlk elektronun bu değeri birkaç volttan iki on volta kadar değişir; Bir molekülden bir sonraki elektronu çıkarmak için daha fazla enerjiye ihtiyaç vardır ve bu böyle devam eder.
Gazdaki iyonizasyonla eş zamanlı olarak ters bir sürecin meydana geldiği dikkate alınmalıdır - rekombinasyon, yani nötr moleküllerin Coulomb çekici kuvvetlerinin etkisi altında restorasyonu.
Gaz deşarjı ve çeşitleri
Dolayısıyla gazlardaki elektrik akımı, yüklü parçacıkların kendilerine uygulanan elektrik alanının etkisi altında düzenli hareketinden kaynaklanır. Bu tür yüklerin varlığı çeşitli iyonizasyon faktörleri nedeniyle mümkündür.
Bu nedenle, termal iyonizasyon önemli sıcaklıklar gerektirir, ancak belirli kimyasal işlemlerle bağlantılı olarak açık alev iyonizasyonu teşvik eder. Alev varlığında nispeten düşük bir sıcaklıkta bile, gazlardaki elektrik akımının görünümü kaydedilir ve gaz iletkenliği ile yapılan deneyler bunu doğrulamayı kolaylaştırır. Yüklü bir kapasitörün plakaları arasına bir brülörün veya mumun alevini yerleştirmek gerekir. Kondansatördeki hava boşluğu nedeniyle daha önce açık olan devre kapanacaktır. Devreye bağlı bir galvanometre akımın varlığını gösterecektir.
Gazlardaki elektrik akımına gaz deşarjı denir. Deşarj stabilitesini korumak için iyonlaştırıcının hareketinin sabit olması gerektiği unutulmamalıdır, çünkü sürekli rekombinasyon nedeniyle gaz elektriksel olarak iletken özelliklerini kaybeder. Gazlardaki bazı elektrik akımı taşıyıcıları - iyonlar - elektrotlarda nötrleştirilir, diğerleri - elektronlar - anoda ulaştıklarında alan kaynağının "artısına" yönlendirilirler. İyonlaştırıcı faktörün etkisi sona ererse, gaz hemen tekrar dielektrik haline gelecek ve akım duracaktır. Harici bir iyonlaştırıcının etkisine bağlı olan böyle bir akıma, kendi kendine yetmeyen deşarj denir.
Elektrik akımının gazlardan geçişinin özellikleri, akımın voltaja özel bir bağımlılığı - akım-voltaj karakteristiği ile tanımlanır.
Akım-voltaj bağımlılığı grafiğinde gaz deşarjının gelişimini ele alalım. Gerilim belirli bir U1 değerine yükseldiğinde, akım da onunla orantılı olarak artar, yani Ohm kanunu karşılanır. Kinetik enerji ve dolayısıyla gazdaki yüklerin hızı artar ve bu süreç rekombinasyonu geride bırakır. U 1'den U 2'ye kadar olan voltaj değerlerinde bu ilişki ihlal edilir; U2'ye ulaşıldığında, tüm yük taşıyıcıları yeniden birleşmeye zaman kalmadan elektrotlara ulaşır. Tüm ücretsiz yükler kullanılır ve voltajdaki daha fazla artış, akımda bir artışa yol açmaz. Yüklerin bu tür hareketine doyma akımı denir. Dolayısıyla gazlardaki elektrik akımının, iyonize gazın çeşitli kuvvetlerdeki elektrik alanlarındaki davranışının özelliklerinden de kaynaklandığını söyleyebiliriz.
Elektrotlar arasındaki potansiyel farkı belirli bir U3 değerine ulaştığında, voltaj, elektrik alanının gazın çığ benzeri iyonlaşmasına neden olması için yeterli hale gelir. Serbest elektronların kinetik enerjisi, moleküllerin darbeli iyonlaşması için zaten yeterlidir. Çoğu gazdaki hızları yaklaşık 2000 km/s ve daha yüksektir (Ui'nin iyonlaşma potansiyeli olduğu yaklaşık v=600 Ui formülü kullanılarak hesaplanır). Bu anda gaz arızası meydana gelir ve iç iyonizasyon kaynağı nedeniyle akımda önemli bir artış meydana gelir. Bu nedenle böyle bir deşarja bağımsız denir.
Bu durumda harici bir iyonlaştırıcının varlığı artık gazlarda elektrik akımının korunmasında rol oynamamaktadır. Farklı koşullar altında ve elektrik alan kaynağının farklı özelliklerine sahip, kendi kendine devam eden bir deşarj belirli özelliklere sahip olabilir. Parıltı, kıvılcım, ark ve korona gibi kendi kendine deşarj türleri vardır. Bu türlerin her biri için kısaca elektrik akımının gazlarda nasıl davrandığına bakacağız.
Kendi kendine deşarjı başlatmak için 100 (veya hatta daha az) ila 1000 voltluk bir potansiyel farkı yeterlidir. Bu nedenle, düşük bir akım değeri (10 -5 A'dan 1 A'ya kadar) ile karakterize edilen bir akkor deşarjı, birkaç milimetre cıvadan fazla olmayan basınçlarda meydana gelir.
Seyreltilmiş gaz ve soğuk elektrotlara sahip bir tüpte oluşan ışıltılı deşarj, elektrotlar arasında ince, parlak bir kordon gibi görünür. Tüpten gaz pompalamaya devam ederseniz, kablo yıkanır ve milimetrenin onda biri cıva basıncında parıltı tüpü neredeyse tamamen doldurur. Karanlık katot alanı olarak adlandırılan alanda, katodun yakınında herhangi bir parıltı yoktur. Geri kalanına pozitif sütun denir. Bu durumda deşarjın varlığını sağlayan ana süreçler tam olarak karanlık katot alanında ve ona bitişik alanda lokalize edilir. Burada yüklü gaz parçacıkları hızlandırılarak elektronları katottan dışarı atar.
Işıma deşarjında iyonlaşmanın nedeni katottan elektron emisyonudur. Katot tarafından yayılan elektronlar, gaz moleküllerinin darbeli iyonizasyonunu üretir, ortaya çıkan pozitif iyonlar, katottan ikincil emisyona neden olur, vb. Pozitif bir sütunun parıltısı, esas olarak, uyarılmış gaz molekülleri tarafından fotonların salınmasından kaynaklanır ve farklı gazlar, belirli bir renkteki parıltıyla karakterize edilir. Pozitif sütun, yalnızca elektrik devresinin bir bölümü olarak akkor deşarjın oluşumunda rol alır. Elektrotları yaklaştırırsanız pozitif sütunun kaybolmasını sağlayabilirsiniz ancak deşarj durmayacaktır. Ancak elektrotlar arasındaki mesafenin daha da azaltılmasıyla akkor deşarjı mevcut olamaz.
Gazlardaki bu tür elektrik akımı için bazı süreçlerin fiziğinin henüz tam olarak açıklığa kavuşturulmadığını belirtmek gerekir. Örneğin, akım arttıkça deşarja katılan katot yüzeyindeki bölgenin genişlemesine neden olan kuvvetlerin doğası belirsizliğini koruyor.
Kıvılcım deşarjı
Kıvılcım dökümü darbeli bir yapıya sahiptir. Elektrik alan kaynağının gücünün sabit bir deşarjı sürdürmek için yetersiz olduğu durumlarda, normal atmosfer basıncına yakın basınçlarda meydana gelir. Alan kuvveti yüksektir ve 3 MV/m'ye ulaşabilir. Bu fenomen, gazdaki deşarj elektrik akımında keskin bir artışla karakterize edilir, aynı zamanda voltaj çok hızlı bir şekilde düşer ve deşarj durur. Daha sonra potansiyel fark tekrar artar ve tüm süreç tekrarlanır.
Bu tip deşarj ile kısa süreli kıvılcım kanalları oluşur ve bunların büyümesi elektrotlar arasındaki herhangi bir noktadan başlayabilir. Bunun nedeni, darbe iyonizasyonunun şu anda en fazla iyonun yoğunlaştığı yerlerde rastgele gerçekleşmesidir. Kıvılcım kanalının yakınında gaz hızla ısınır ve ısıl genleşmeye maruz kalarak akustik dalgalara neden olur. Bu nedenle, bir kıvılcım deşarjına bir çatırtı sesinin yanı sıra ısı salınımı ve parlak bir parıltı eşlik eder. Çığ iyonizasyon işlemleri kıvılcım kanalında 10 bin derece ve üzerine kadar yüksek basınç ve sıcaklıklar oluşturur.
Doğal kıvılcım deşarjının en çarpıcı örneği yıldırımdır. Ana yıldırım kıvılcımı kanalının çapı birkaç santimetreden 4 m'ye kadar değişebilmekte, kanalın uzunluğu ise 10 km'ye ulaşabilmektedir. Mevcut güç 500 bin ampere ulaşıyor ve fırtına bulutu ile Dünya yüzeyi arasındaki potansiyel fark bir milyar volta ulaşıyor.
En uzun yıldırım düşmesi 321 km ile 2007 yılında ABD'nin Oklahoma kentinde görüldü. En uzun süre rekorunun sahibi, 2012 yılında Fransız Alpleri'nde kaydedilen yıldırımdı; yıldırım 7,7 saniyenin üzerinde sürmüştü. Yıldırım çarptığında hava, Güneş'in görünen yüzeyinin sıcaklığından 6 kat daha yüksek olan 30 bin dereceye kadar ısınabilir.
Elektrik alan kaynağının gücünün yeterince yüksek olduğu durumlarda kıvılcım deşarjı ark deşarjına dönüşür.
Bu tür kendi kendine deşarj, yüksek akım yoğunluğu ve düşük (ışıltılı deşarjdan daha az) voltaj ile karakterize edilir. Elektrotların birbirine yakın olmasından dolayı arıza mesafesi kısadır. Boşalma, katot yüzeyinden bir elektronun yayılmasıyla başlatılır (metal atomları için iyonizasyon potansiyeli, gaz molekülleriyle karşılaştırıldığında küçüktür). Arıza sırasında, elektrotlar arasında gazın elektrik akımını ilettiği koşullar yaratılır ve devreyi kapatan bir kıvılcım deşarjı meydana gelir. Gerilim kaynağının gücü yeterince yüksekse kıvılcım deşarjları kararlı bir elektrik arkına dönüşür.
Ark deşarjı sırasındaki iyonizasyon neredeyse %100'e ulaşır, akım çok yüksektir ve 10 ila 100 amper arasında değişebilir. Atmosfer basıncında ark 5-6 bin dereceye kadar ısınabilir ve katot 3 bin dereceye kadar ısınabilir, bu da yüzeyinden yoğun termiyonik emisyona yol açar. Anotun elektronlarla bombardımanı kısmi tahribata yol açar: üzerinde bir çöküntü oluşur - yaklaşık 4000 °C sıcaklığa sahip bir krater. Basınçtaki bir artış, sıcaklıklarda daha da büyük bir artışa neden olur.
Elektrotlar ayrıldığında ark deşarjı belirli bir mesafeye kadar sabit kalır, bu da elektrikli ekipmanların neden olduğu kontakların korozyonu ve yanması nedeniyle zararlı olduğu alanlarda bununla mücadele etmeyi mümkün kılar. Bunlar yüksek voltaj ve devre kesiciler, kontaktörler ve diğerleri gibi cihazlardır. Kontaklar açıldığında oluşan arklarla mücadele yöntemlerinden biri, ark uzaması prensibine dayanan ark söndürme odalarının kullanılmasıdır. Başka birçok yöntem de kullanılır: kontakların atlanması, yüksek iyonlaşma potansiyeline sahip malzemelerin kullanılması vb.
Korona deşarjının gelişimi, normal atmosferik basınçta, geniş yüzey eğriliğine sahip elektrotların yakınındaki keskin homojen olmayan alanlarda meydana gelir. Bunlar kuleler, direkler, teller, karmaşık bir şekle sahip çeşitli elektrikli ekipman elemanları ve hatta insan saçı olabilir. Böyle bir elektrota korona elektrotu denir. İyonlaşma süreçleri ve buna bağlı olarak gaz parlaması yalnızca yakınında gerçekleşir.
Hem iyonlarla bombardıman edildiğinde katotta (negatif korona) hem de fotoiyonizasyon sonucu anotta (pozitif korona) bir korona oluşabilir. Termal emisyonun bir sonucu olarak iyonizasyon sürecinin elektrottan uzağa yönlendirildiği negatif korona, eşit bir parlaklık ile karakterize edilir. Pozitif koronada, kıvılcım kanallarına dönüşebilen kırık konfigürasyonlu parlak çizgiler olan şeritler gözlemlenebilir.
Doğal koşullardaki korona deşarjına bir örnek, yüksek direklerin, ağaç tepelerinin vb. uçlarında meydana gelenlerdir. Genellikle fırtınadan önce veya kar fırtınası sırasında atmosferdeki yüksek elektrik alan kuvvetinde oluşurlar. Ayrıca volkanik kül bulutuna yakalanan uçağın derisine de kaydedildi.
Elektrik hattı kablolarındaki korona deşarjı önemli elektrik kayıplarına yol açmaktadır. Yüksek voltajlarda korona deşarjı ark deşarjına dönüşebilir. İletkenlerin eğrilik yarıçapının arttırılması gibi çeşitli yollarla bununla mücadele edilir.
Gazlarda ve plazmada elektrik akımı
Tamamen veya kısmen iyonize olmuş bir gaza plazma denir ve maddenin dördüncü hali olarak kabul edilir. Genel olarak plazma, kendisini oluşturan parçacıkların toplam yükü sıfır olduğundan elektriksel olarak nötrdür. Bu onu elektron ışınları gibi diğer yüklü parçacık sistemlerinden ayırır.
Doğal koşullar altında, gaz atomlarının yüksek hızlarda çarpışması nedeniyle kural olarak yüksek sıcaklıklarda plazma oluşur. Evrendeki baryonik maddenin büyük çoğunluğu plazma halindedir. Bunlar yıldızlararası maddenin bir parçası olan galaksiler arası gaz olan yıldızlardır. Dünyanın iyonosferi de seyrekleştirilmiş, zayıf iyonize bir plazmadır.
İyonlaşma derecesi plazmanın önemli bir özelliğidir; iletken özellikleri buna bağlıdır. İyonlaşma derecesi, iyonize atom sayısının birim hacim başına toplam atom sayısına oranı olarak tanımlanır. Plazma ne kadar iyonize olursa, elektriksel iletkenliği de o kadar yüksek olur. Ek olarak, yüksek hareketlilik ile karakterizedir.
Dolayısıyla deşarj kanalında elektrik akımını ileten gazların plazmadan başka bir şey olmadığını görüyoruz. Dolayısıyla parıltı ve korona deşarjları soğuk plazma örnekleridir; bir yıldırım kıvılcımı kanalı veya bir elektrik arkı, sıcak, neredeyse tamamen iyonize plazmanın örnekleridir.
Metallerde, sıvılarda ve gazlarda elektrik akımı - farklılıklar ve benzerlikler
Bir gaz deşarjını karakterize eden özellikleri, diğer ortamlardaki akımın özellikleriyle karşılaştırarak ele alalım.
Metallerde akım, serbest elektronların kimyasal değişiklikler gerektirmeyen yönlendirilmiş hareketidir. Bu tip iletkenlere birinci türden iletkenler denir; Bunlar arasında metaller ve alaşımların yanı sıra kömür, bazı tuzlar ve oksitler de bulunur. Elektronik iletkenlik ile ayırt edilirler.
İkinci tip iletkenler elektrolitlerdir, yani alkalilerin, asitlerin ve tuzların sıvı sulu çözeltileridir. Akımın geçişi elektrolit - elektrolizdeki kimyasal bir değişiklikle ilişkilidir. Potansiyel bir farkın etkisi altında suda çözünen bir maddenin iyonları zıt yönlerde hareket eder: pozitif katyonlar - katoda, negatif anyonlar - anoda. İşleme, gazın salınması veya katot üzerinde bir metal tabakanın birikmesi eşlik eder. İkinci tip iletkenler iyonik iletkenlik ile karakterize edilir.
Gazların iletkenliğine gelince, öncelikle geçicidir ve ikinci olarak her biriyle benzerlik ve farklılık işaretleri taşır. Bu nedenle, hem elektrolitlerdeki hem de gazlardaki elektrik akımı, zıt yüklü parçacıkların zıt elektrotlara doğru sürüklenmesidir. Bununla birlikte, elektrolitler tamamen iyonik iletkenlik ile karakterize edilirken, gaz deşarjında elektronik ve iyonik iletkenlik türlerinin bir kombinasyonu ile başrol elektronlara aittir. Sıvılarda ve gazlarda elektrik akımı arasındaki bir diğer fark iyonlaşmanın doğasıdır. Bir elektrolitte, çözünmüş bir bileşiğin molekülleri suda ayrışır, ancak bir gazda moleküller çökmez, yalnızca elektronları kaybeder. Bu nedenle, metallerdeki bir akım gibi gaz deşarjının kimyasal değişikliklerle ilişkisi yoktur.
Sıvı ve gazlardaki akım da farklıdır. Elektrolitlerin iletkenliği genellikle Ohm yasasına uyar, ancak gaz deşarjı sırasında bu gözlemlenmez. Gazların akım-voltaj karakteristiği, plazmanın özellikleriyle bağlantılı olarak çok daha karmaşıktır.
Gazlarda ve boşlukta elektrik akımının genel ve ayırt edici özelliklerinden de bahsetmek gerekir. Vakum neredeyse mükemmel bir dielektriktir. "Neredeyse" - çünkü boşlukta, serbest yük taşıyıcılarının yokluğuna (daha doğrusu son derece düşük konsantrasyona) rağmen, bir akım da mümkündür. Ancak gazın içinde potansiyel taşıyıcılar zaten mevcut; bunların yalnızca iyonize edilmesi gerekiyor. Yük taşıyıcıları maddeden vakuma verilir. Kural olarak bu, örneğin katot ısıtıldığında (termiyonik emisyon) elektron emisyonu süreci yoluyla gerçekleşir. Ancak çeşitli gaz deşarj türlerinde emisyon, gördüğümüz gibi, önemli bir rol oynar.
Gaz deşarjlarının teknolojide uygulanması
Bazı deşarjların zararlı etkileri yukarıda kısaca tartışılmıştı. Şimdi bunların endüstriye ve günlük hayata getirdikleri faydalara dikkat edelim.
Kızdırma deşarjı elektrik mühendisliğinde (voltaj stabilizatörleri) ve kaplama teknolojisinde (katot korozyonu olgusuna dayanan katot püskürtme yöntemi) kullanılır. Elektronikte iyon ve elektron ışınları üretmek için kullanılır. Işıma deşarjının yaygın olarak bilinen uygulama alanları, floresan ve enerji tasarruflu lambalar ve dekoratif neon ve argon gazı deşarj tüpleridir. Ayrıca spektroskopide kızdırma deşarjı kullanılmaktadır.
Kıvılcım deşarjı, sigortalarda ve hassas metal işleme (kıvılcım kesme, delme vb.) için elektrik deşarj yöntemlerinde kullanılır. Ancak en çok içten yanmalı motorların bujilerinde ve ev aletlerinde (gaz sobaları) kullanılmasıyla bilinir.
Aydınlatma teknolojisinde ilk kez 1876'da (Yablochkov mumu - “Rus ışığı”) kullanılan ark deşarjı, örneğin projeksiyon cihazlarında ve güçlü projektörlerde hala bir ışık kaynağı olarak hizmet vermektedir. Elektrik mühendisliğinde ark, cıvalı redresörlerde kullanılır. Ayrıca elektrikli kaynak, metal kesme ve çelik ve alaşımların eritilmesi için endüstriyel elektrikli fırınlarda da kullanılır.
Korona deşarjı, iyon gazı saflaştırması için elektrikli çökelticilerde, parçacık sayaçlarında, paratonerlerde ve iklimlendirme sistemlerinde kullanılır. Corona deşarjı aynı zamanda fotokopi makinelerinde ve lazer yazıcılarda da işe yarar; ışığa duyarlı bir tamburu şarj edip boşaltır ve tozu tamburdan kağıda aktarır.
Böylece her türden gaz deşarjı en geniş uygulama alanını bulur. Gazlardaki elektrik akımı teknolojinin birçok alanında başarıyla ve etkin bir şekilde kullanılmaktadır.
Gazlarda kendi kendine yetmeyen ve kendi kendine yeten elektrik deşarjları vardır.
Yalnızca gaz üzerinde bazı dış etkilerin olması durumunda gözlemlenen, bir gazın içinden geçen elektrik akımı olgusuna, kendi kendini idame ettiremeyen bir elektrik deşarjı denir. Bir atomdan bir elektronun uzaklaştırılması işlemine atomun iyonlaşması denir. Bir atomdan bir elektron koparmak için harcanması gereken minimum enerjiye iyonlaşma enerjisi denir. Pozitif ve negatif yüklerin yoğunlukları eşit olan kısmen veya tamamen iyonlaşmış bir gaza denir. plazma.
Kendi kendine devam etmeyen bir deşarj sırasında elektrik akımının taşıyıcıları pozitif iyonlar ve negatif elektronlardır. Akım-gerilim karakteristiği Şekil 2'de gösterilmektedir. 54. OAV alanında - kendi kendine yetmeyen deşarj. BC bölgesinde deşarj bağımsız hale gelir.
Kendi kendine deşarj sırasında atomları iyonize etmenin yollarından biri elektron darbeli iyonizasyondur. Elektron çarpmasıyla iyonizasyon, ortalama serbest yol A'daki bir elektronun, bir atomdan bir elektronu uzaklaştırmak için gerekli işi yapmaya yeterli Wk kinetik enerjisini elde etmesiyle mümkün olur. Gazlarda bağımsız deşarj türleri - kıvılcım, korona, ark ve kızdırma deşarjları.
Kıvılcım deşarjı Farklı yüklerle yüklenmiş ve büyük potansiyel farkına sahip iki elektrot arasında meydana gelir. Farklı yüklü gövdeler arasındaki voltaj 40.000 V'a kadar ulaşır. Kıvılcım deşarjı kısa ömürlüdür, mekanizması elektronik darbedir. Yıldırım bir tür kıvılcım deşarjıdır.
Örneğin bir uç ile bir düzlem arasında veya bir güç hattı teli ile Dünya yüzeyi arasında oluşan son derece homojen olmayan elektrik alanlarında, gazlarda kendi kendine devam eden özel bir boşalma şekli meydana gelir. korona akıntısı.
Elektrik ark deşarjı 1802 yılında Rus bilim adamı V.V. Petrov tarafından keşfedilmiştir. 40-50 V voltajda iki karbon elektrot temas ettiğinde bazı yerlerde yüksek elektrik direncine sahip küçük kesitli alanlar ortaya çıkar. Bu alanlar çok ısınır ve elektrotlar arasındaki atomları ve molekülleri iyonize eden elektronlar yayar. Arktaki elektrik akımının taşıyıcıları pozitif yüklü iyonlar ve elektronlardır.
Azaltılmış basınçta meydana gelen boşalıma denir kızdırma deşarjı. Basınç azaldıkça elektronun ortalama serbest yolu artar ve çarpışmalar arasındaki süre boyunca daha düşük yoğunluklu bir elektrik alanında iyonizasyon için yeterli enerji elde etmeyi başarır. Deşarj bir elektron-iyon çığıyla gerçekleştirilir.
