ما هو التيار في الغازات. خاصية فولت أمبير لتصريف الغاز. استخدام تصريفات الغاز في التكنولوجيا
تتشكل من خلال الحركة الموجهة للإلكترونات الحرة وفي هذه الحالة لا تحدث أي تغييرات في المادة التي يتكون منها الموصل.
تسمى هذه الموصلات ، التي لا يكون فيها مرور التيار الكهربائي مصحوبًا بتغيرات كيميائية في مادتها موصلات من النوع الأول. وتشمل جميع المعادن والفحم وعدد من المواد الأخرى.
ولكن هناك أيضًا موصلات للتيار الكهربائي في الطبيعة ، حيث تحدث الظواهر الكيميائية أثناء مرور التيار. تسمى هذه الموصلات موصلات من النوع الثاني. وتشمل هذه بشكل أساسي محاليل مختلفة في ماء الأحماض والأملاح والقلويات.
إذا كان في وعاء زجاجيصب الماء وأضف بضع قطرات من حامض الكبريتيك (أو بعض الأحماض أو القلويات الأخرى) إليه ، ثم خذ لوحين معدنيين وربط الموصلات بهما عن طريق خفض هذه الصفائح في وعاء ، وربط المصدر الحالي بالأطراف الأخرى الموصلات من خلال مفتاح كهربائي ومقياس التيار الكهربائي ، ثم يتم إطلاق الغاز من المحلول ، وسيستمر باستمرار حتى يتم إغلاق الدائرة. الماء المحمض هو في الواقع موصل. بالإضافة إلى ذلك ، ستبدأ تغطية اللوحات بفقاعات غازية. ثم تنفصل هذه الفقاعات عن اللوحات وتخرج.
عندما يمر تيار كهربائي عبر المحلول ، تحدث تغيرات كيميائية ، ونتيجة لذلك يتم إطلاق الغاز.
الموصلات من النوع الثاني تسمى بالكهرباء ، والظاهرة التي تحدث في المنحل بالكهرباء عندما يمر تيار كهربائي عبره.
تسمى الصفائح المعدنية المغموسة في المنحل بالكهرباء بأقطاب كهربائية ؛ أحدهما ، المتصل بالقطب الموجب للمصدر الحالي ، يسمى الأنود ، والآخر ، المتصل بالقطب السالب ، يسمى الكاثود.
ما الذي يسبب مرور التيار الكهربائي في موصل سائل؟ اتضح أنه في مثل هذه المحاليل (الشوارد) جزيئات الحمض (القلويات والأملاح) تحت تأثير مذيب (في هذه القضيةالماء) إلى مكونين ، و جسيم واحد من الجزيء له شحنة كهربائية موجبة ، والآخر سالبة.
تسمى جزيئات الجزيء التي لها شحنة كهربائية أيونات. عندما يذوب حمض أو ملح أو قلوي في الماء ، يظهر عدد كبير من الأيونات الموجبة والسالبة في المحلول.
الآن يجب أن يتضح لماذا كهرباء، لأنه بين الأقطاب المتصلة بالمصدر الحالي ، نشأت ، بمعنى آخر ، تبين أن أحدهما موجب الشحنة والآخر سالبًا. تحت تأثير هذا الاختلاف في الجهد ، بدأت الأيونات الموجبة في التحرك نحو القطب السالب - الكاثود ، والأيونات السالبة - نحو القطب الموجب.
وهكذا ، أصبحت الحركة الفوضوية للأيونات حركة مضادة منظمة للأيونات السالبة في اتجاه واحد وحركة موجبة في الاتجاه الآخر. تشكل عملية نقل الشحنة هذه تدفق التيار الكهربائي عبر الإلكتروليت وتحدث طالما يوجد فرق جهد عبر الأقطاب الكهربائية. مع اختفاء فرق الجهد ، يتوقف التيار عبر الإلكتروليت ، وتضطرب الحركة المنظمة للأيونات ، وتبدأ الحركة الفوضوية مرة أخرى.
كمثال ، ضع في اعتبارك ظاهرة التحليل الكهربائي عندما يمر تيار كهربائي عبر المحلول الزاج الأزرق CuSO4 مع أقطاب نحاسية منخفضة فيه.
ظاهرة التحليل الكهربائي عندما يمر التيار عبر محلول من كبريتات النحاس: C - وعاء به إلكتروليت ، B - مصدر تيار ، C - مفتاح
سيكون هناك أيضًا حركة مضادة للأيونات في الأقطاب الكهربائية. سيكون الأيون الموجب هو أيون النحاس (Cu) ، والأيون السالب سيكون أيون الحمض (SO4). أيونات النحاس ، عند ملامستها للكاثود ، سيتم تفريغها (ربط الإلكترونات المفقودة بأنفسها) ، أي أنها ستتحول إلى جزيئات محايدة من النحاس النقي ، وترسب على الكاثود في شكل أنحف طبقة (جزيئية).
يتم أيضًا تفريغ الأيونات السالبة ، بعد وصولها إلى القطب الموجب ، (التخلص من الإلكترونات الزائدة). لكن في نفس الوقت يدخلون تفاعل كيميائيمع الأنود النحاسي ، ونتيجة لذلك يضاف جزيء النحاس Cu إلى البقايا الحمضية SO4 ويتم تكوين جزيء من كبريتات النحاس CuS O4 ، والذي يتم إرجاعه مرة أخرى إلى المنحل بالكهرباء.
لأن هذه العملية الكيميائية منذ وقت طويل، ثم يتم ترسيب النحاس على القطب السالب ، والذي يتم تحريره من الإلكتروليت. في هذه الحالة ، بدلاً من جزيئات النحاس التي انتقلت إلى القطب السالب ، يتلقى المحلول الكهربائي جزيئات نحاسية جديدة بسبب انحلال القطب الكهربائي الثاني - الأنود.
تحدث نفس العملية إذا تم أخذ أقطاب الزنك بدلاً من النحاس ، وكان المنحل بالكهرباء عبارة عن محلول من كبريتات الزنك ZnSO4. سينتقل الزنك أيضًا من القطب الموجب إلى القطب السالب.
هكذا، الفرق بين التيار الكهربائي في المعادن والموصلات السائلةتكمن في حقيقة أنه في المعادن فقط الإلكترونات الحرة ، أي الشحنات السالبة ، هي حاملات شحنة ، بينما في الإلكتروليتات تحملها جسيمات المادة المشحونة بشكل معاكس - أيونات تتحرك في اتجاهين متعاكسين. لذلك يقولون ذلك الشوارد لها الموصلية الأيونية.
ظاهرة التحليل الكهربائيتم اكتشافه في عام 1837 من قبل B. S. Jacobi ، الذي أجرى العديد من التجارب على دراسة وتحسين مصادر التيار الكيميائي. وجد جاكوبي أن أحد الأقطاب الكهربائية الموضوعة في محلول من كبريتات النحاس ، عندما يمر تيار كهربائي عبره ، يكون مغطى بالنحاس.
هذه الظاهرة تسمى الكهربائي، يجد الآن كبير للغاية الاستخدام العملي. أحد الأمثلة على ذلك هو طلاء الأجسام المعدنية بطبقة رقيقة من معادن أخرى ، مثل طلاء النيكل ، والتذهيب ، والطلاء بالفضة ، إلخ.
الغازات (بما في ذلك الهواء) لا توصل الكهرباء في الظروف العادية. على سبيل المثال ، يتم عزل العراة ، التي يتم تعليقها بشكل موازٍ لبعضها البعض ، عن بعضها البعض بواسطة طبقة من الهواء.
ومع ذلك ، تحت تأثير درجة الحرارة المرتفعة ، فرق جهد كبير ، وأسباب أخرى ، تتأين الغازات ، مثل الموصلات السائلة ، أي جزيئات جزيئات الغاز بأعداد كبيرة ، والتي ، كونها ناقلات للكهرباء ، تساهم في المرور من التيار الكهربائي عبر الغاز.
لكن في نفس الوقت ، يختلف تأين الغاز عن تأين موصل سائل. إذا انكسر جزيء ما إلى جزأين مشحونين في سائل ، ثم في الغازات ، تحت تأثير التأين ، يتم دائمًا فصل الإلكترونات عن كل جزيء ويبقى أيون في شكل جزء موجب الشحنة من الجزيء.
على المرء فقط أن يوقف تأين الغاز ، لأنه لم يعد موصلًا ، بينما يبقى السائل دائمًا موصلًا للتيار الكهربائي. وبالتالي ، فإن موصلية الغاز هي ظاهرة مؤقتة ، تعتمد على تأثير العوامل الخارجية.
ومع ذلك ، هناك واحد آخر يسمى تفريغ القوسأو مجرد قوس كهربائي. تم اكتشاف ظاهرة القوس الكهربائي في بداية القرن التاسع عشر بواسطة أول مهندس كهربائي روسي V.V. Petrov.
بيتروف ، الذي أجرى العديد من التجارب ، وجد أن ما بين اثنين فحممتصل بمصدر تيار ، يحدث تفريغ كهربائي مستمر عبر الهواء ، مصحوبًا ضوء ساطع. في كتاباته ، كتب في.في.بتروف أنه في هذه الحالة ، "يمكن أن يضيء السلام المظلم بشكل ساطع". لذلك لأول مرة تم الحصول على ضوء كهربائي ، والذي تم تطبيقه عمليًا بواسطة عالم كهربائي روسي آخر بافيل نيكولايفيتش يابلوشكوف.
أحدثت "شمعة يابلوشكوف" ، التي يقوم عملها على استخدام القوس الكهربائي ، ثورة حقيقية في الهندسة الكهربائية في تلك الأيام.
يستخدم تفريغ القوس كمصدر للضوء حتى اليوم ، على سبيل المثال ، في الكشافات وأجهزة العرض. حرارةيسمح لك تفريغ القوس باستخدامه. في الوقت الحاضر ، أفران القوس الكهربائي جدا قوة عظيمة، تستخدم في عدد من الصناعات: لصهر الفولاذ والحديد الزهر والسبائك الحديدية والبرونز ، إلخ. وفي عام 1882 ، استخدم N.N. Benardos لأول مرة تفريغ القوس لقطع المعادن ولحامها.
في أنابيب ضوء الغاز ، ومصابيح الفلورسنت ، ومثبتات الجهد ، للحصول على أشعة الإلكترون والأيونات ، ما يسمى توهج تفريغ الغاز.
يتم استخدام تفريغ شرارة لقياس الفروق الكبيرة في الجهد باستخدام فجوة كروية ، يكون أقطابها كرتين معدنيتين بسطح مصقول. يتم تحريك الكرات بعيدًا ، ويتم تطبيق فرق جهد مُقاس عليها. ثم يتم تجميع الكرات معًا حتى تقفز شرارة بينهما. بمعرفة قطر الكرات والمسافة بينها وضغط الهواء ودرجة الحرارة ورطوبة الهواء ، يجدون فرق الجهد بين الكرات وفقًا لجداول خاصة. يمكن استخدام هذه الطريقة لقياس الفروق المحتملة لترتيب عشرات الآلاف من الفولتات في حدود نسبة مئوية قليلة.
مجردة الفيزياء
حول موضوع:
"التيار الكهربائي في الغازات".
التيار الكهربائي في الغازات.
1. التفريغ الكهربائي في الغازات.
جميع الغازات في حالتها الطبيعية لا توصل الكهرباء. يمكن ملاحظة ذلك من التجربة التالية:
لنأخذ مقياسًا كهربائيًا به أقراص مكثف مسطح متصلة به ونشحنه. في درجة حرارة الغرفةإذا كان الهواء جافًا بدرجة كافية ، فإن المكثف لا يفرغ بشكل ملحوظ - لا يتغير موضع إبرة جهاز القياس الكهربي. يستغرق الأمر وقتًا طويلاً لملاحظة انخفاض في زاوية انحراف إبرة جهاز القياس الكهربي. هذا يدل على أن التيار الكهربائي في الهواء بين الأقراص صغير جدًا. تظهر هذه التجربة أن الهواء هو موصل ضعيف للتيار الكهربائي.
دعنا نعدل التجربة: دعنا نسخن الهواء بين الأقراص بلهب مصباح كحول. ثم تتناقص زاوية انحراف المؤشر الكهربي بسرعة ، أي ينخفض فرق الجهد بين أقراص المكثف - يتم تفريغ المكثف. وبالتالي ، أصبح الهواء الساخن بين الأقراص موصلًا ، ويتم إنشاء تيار كهربائي فيه.
تفسر الخصائص العازلة للغازات بحقيقة عدم وجود شحنات كهربائية مجانية فيها: ذرات وجزيئات الغازات في حالتها الطبيعية محايدة.
2. تأين الغازات.
توضح التجربة أعلاه أن الجسيمات المشحونة تظهر في الغازات تحت تأثير درجات الحرارة المرتفعة. تنشأ نتيجة لانفصال إلكترون واحد أو أكثر من ذرات الغاز ، ونتيجة لذلك يظهر أيون موجب وإلكترونات بدلاً من ذرة محايدة. يمكن التقاط جزء من الإلكترونات المشكلة بواسطة ذرات محايدة أخرى ، ثم تظهر المزيد من الأيونات السالبة. يسمى انهيار جزيئات الغاز إلى إلكترونات وأيونات موجبة تأين الغازات.
تسخين الغاز إلى درجة حرارة عالية ليس كذلك الطريقة الوحيدةتأين جزيئات أو ذرات الغاز. يمكن أن يحدث تأين الغاز تحت تأثير التفاعلات الخارجية المختلفة: التسخين القوي للغاز ، والأشعة السينية ، والأشعة السينية ، والأشعة السينية ، والأشعة السينية الناتجة عن الاضمحلال الإشعاعي ، والأشعة الكونية ، وقصف جزيئات الغاز بواسطة الإلكترونات أو الأيونات سريعة الحركة. يتم استدعاء العوامل التي تسبب تأين الغاز المؤينات.السمة الكمية لعملية التأين هي شدة التأين ،تقاس بعدد أزواج الجسيمات المشحونة المقابلة في اللافتة التي تظهر في وحدة حجم الغاز لكل وحدة زمنية.
يتطلب تأين الذرة إنفاق طاقة معينة - طاقة التأين. لتأيين الذرة (أو الجزيء) ، من الضروري القيام بعمل ضد قوى التفاعل بين الإلكترون المقذوف وبقية جسيمات الذرة (أو الجزيء). يسمى هذا العمل عمل التأين A i. تعتمد قيمة عمل التأين على الطبيعة الكيميائيةحالة الغاز والطاقة لإلكترون مقذوف في ذرة أو جزيء.
بعد إنهاء المؤين ، يتناقص عدد الأيونات في الغاز بمرور الوقت وتختفي الأيونات تمامًا في النهاية. يفسر اختفاء الأيونات بحقيقة أن الأيونات والإلكترونات متورطة الحركة الحراريةوبالتالي تصطدم ببعضها البعض. عندما يصطدم أيون موجب وإلكترون ، يمكن أن يتحدوا في ذرة محايدة. بنفس الطريقة ، عندما يصطدم أيون موجب وسالب ، يمكن للأيون السالب أن يتخلى عن الإلكترون الزائد إلى الأيون الموجب ، ويتحول كلا الأيونات إلى ذرات متعادلة. تسمى عملية التحييد المتبادل للأيونات إعادة التركيب الأيوني.عندما يتحد أيون موجب وإلكترون أو أيونين ، يتم إطلاق طاقة معينة ، يساوي الطاقةقضى على التأين. جزئيًا ، ينبعث في شكل ضوء ، وبالتالي فإن إعادة تركيب الأيونات مصحوب بتألق (تألق إعادة التركيب).
في ظاهرة التفريغ الكهربائي في الغازات دور كبيريلعب تأين الذرات بواسطة تأثيرات الإلكترون. تتكون هذه العملية من حقيقة أن إلكترونًا متحركًا ذا طاقة حركية كافية يطرد إلكترونًا ذريًا أو أكثر منه عندما يصطدم بذرة محايدة ، ونتيجة لذلك تتحول الذرة المحايدة إلى أيون موجب ، وتظهر إلكترونات جديدة في الغاز (سيتم مناقشة هذا لاحقًا).
يوضح الجدول أدناه طاقات التأين لبعض الذرات.
3. آلية التوصيل الكهربائي للغازات.
تشبه آلية توصيل الغاز آلية توصيل المحاليل المنحل بالكهرباء وذوبانها. مع الغياب المجال الخارجيالجسيمات المشحونة ، مثل الجزيئات المحايدة ، تتحرك بشكل عشوائي. إذا كانت الأيونات والإلكترونات الحرة في الخارج الحقل الكهربائي، ثم يدخلون في حركة موجهة وينشئون تيارًا كهربائيًا في الغازات.
وبالتالي ، فإن التيار الكهربائي في الغاز هو حركة موجهة من الأيونات الموجبة إلى القطب السالب ، والأيونات السالبة والإلكترونات إلى القطب الموجب. يتكون التيار الكلي في الغاز من تيارين من الجسيمات المشحونة: التيار المتجه إلى القطب الموجب والتيار الموجه إلى الكاثود.
يحدث تحييد الجسيمات المشحونة على الأقطاب الكهربائية ، كما في حالة مرور التيار الكهربائي عبر المحاليل وانصهار الإلكتروليتات. ومع ذلك ، في الغازات لا يوجد إطلاق للمواد على الأقطاب الكهربائية ، كما هو الحال في محاليل الإلكتروليت. تقترب أيونات الغاز من الأقطاب الكهربائية ، وتعطيها شحناتها ، وتتحول إلى جزيئات محايدة وتنتشر مرة أخرى في الغاز.
هناك اختلاف آخر في التوصيل الكهربائي للغازات المتأينة ومحاليل (ذوبان) الإلكتروليتات ، وهو أن الشحنة السالبة أثناء مرور التيار عبر الغازات تنتقل بشكل أساسي ليس عن طريق الأيونات السالبة ، ولكن عن طريق الإلكترونات ، على الرغم من أن الموصلية بسبب الأيونات السالبة يمكن أن تلعب دورًا أيضًا. دور معين.
وهكذا ، تجمع الغازات بين الموصلية الإلكترونية ، على غرار موصلية المعادن ، مع الموصلية الأيونية ، على غرار موصلية المحاليل المائية وذوبان الإلكتروليت.
4. تصريف الغاز غير الذاتي.
تسمى عملية تمرير التيار الكهربائي عبر الغاز بتفريغ الغاز. إذا تم إنشاء الموصلية الكهربائية للغاز بواسطة مؤينات خارجية ، فسيتم استدعاء التيار الكهربائي الناتج فيه تصريف غاز غير مستدام ذاتيًا.مع إنهاء عمل المؤينات الخارجية ، يتوقف التفريغ غير الذاتي. لا يترافق تفريغ الغاز غير الذاتي مع توهج غازي.
يوجد أدناه رسم بياني لاعتماد قوة التيار على الجهد لتفريغ غير مستدام ذاتيًا في الغاز. تم استخدام أنبوب زجاجي به قطبين معدنيين ملحومين في الزجاج لرسم الرسم البياني. يتم تجميع السلسلة كما هو موضح في الشكل أدناه.
عند جهد معين ، تأتي لحظة تصل فيها جميع الجسيمات المشحونة في الغاز بواسطة المؤين في ثانية إلى الأقطاب الكهربائية في نفس الوقت. لم يعد من الممكن أن تؤدي زيادة أخرى في الجهد إلى زيادة عدد الأيونات المنقولة. يصل التيار إلى التشبع (القسم الأفقي من الرسم البياني 1).
5. تفريغ الغاز المستقل.
يسمى التفريغ الكهربائي في الغاز الذي يستمر بعد إنهاء عمل المؤين الخارجي تفريغ غاز مستقل. لتنفيذه ، من الضروري أنه نتيجة للتفريغ نفسه ، تتشكل الرسوم المجانية باستمرار في الغاز. المصدر الرئيسي لحدوثها هو تأين تأثير جزيئات الغاز.
إذا واصلنا ، بعد الوصول إلى التشبع ، زيادة فرق الجهد بين الأقطاب الكهربائية ، فإن القوة الحالية عند الجهد العالي بدرجة كافية ستزداد بشكل حاد (الرسم البياني 2).
هذا يعني ظهور أيونات إضافية في الغاز ، والتي تتشكل بسبب عمل المؤين. يمكن أن تزيد القوة الحالية مئات وآلاف المرات ، ويمكن أن يصبح عدد الجسيمات المشحونة التي تظهر أثناء عملية التفريغ كبيرًا جدًا بحيث لم تعد هناك حاجة إلى مؤين خارجي للحفاظ على التفريغ. لذلك ، يمكن الآن إزالة المؤين.
ما أسباب الزيادة الحادة في شدة التيار عند الفولتية العالية؟ دعونا نفكر في أي زوج من الجسيمات المشحونة (أيون موجب وإلكترون) يتكون نتيجة عمل مؤين خارجي. يبدأ الإلكترون الحر الذي يظهر بهذه الطريقة في التحرك نحو القطب الموجب - الأنود والأيون الموجب - نحو القطب السالب. في طريقه ، يلتقي الإلكترون بالأيونات والذرات المحايدة. في الفترات الفاصلة بين تصادمين متتاليين ، تزداد طاقة الإلكترون بسبب عمل قوى المجال الكهربائي.
 |
كلما زاد فرق الجهد بين الأقطاب الكهربائية ، زادت شدة المجال الكهربائي. تتناسب الطاقة الحركية للإلكترون قبل الاصطدام التالي مع شدة المجال والمسار الحر للإلكترون: MV 2/2 = eEl. إذا تجاوزت الطاقة الحركية للإلكترون الشغل A i الذي يجب القيام به من أجل تأين ذرة محايدة (أو جزيء) ، أي MV 2> A i ، فعندما يصطدم إلكترون بذرة (أو جزيء) ، يتأين. نتيجة لذلك ، بدلاً من إلكترون واحد ، يظهر إلكترونان (يهاجمان الذرة ويتمزقان من الذرة). وهم بدورهم يتلقون الطاقة في الحقل ويؤينون الذرات القادمة وما إلى ذلك. ونتيجة لذلك ، يزداد عدد الجسيمات المشحونة بسرعة وينشأ انهيار إلكتروني. تسمى العملية الموصوفة تأين تأثير الإلكترون.
لكن التأين بواسطة تأثير الإلكترون وحده لا يمكن أن يضمن الحفاظ على شحنة مستقلة. في الواقع ، بعد كل شيء ، تتحرك جميع الإلكترونات التي تنشأ بهذه الطريقة نحو القطب الموجب وعند الوصول إلى القطب الموجب "تسقط من اللعبة". للحفاظ على التفريغ يتطلب انبعاث الإلكترونات من الكاثود ("الانبعاث" يعني "الانبعاث"). يمكن أن يكون انبعاث الإلكترون ناتجًا عن عدة أسباب.
تتشكل الأيونات الموجبة أثناء تصادم الإلكترونات مع الذرات المحايدة ، عند التحرك نحو الكاثود ، تكتسب طاقة حركية كبيرة تحت تأثير المجال. عندما تصطدم هذه الأيونات السريعة بالكاثود ، يتم إخراج الإلكترونات من سطح الكاثود.
بالإضافة إلى ذلك ، يمكن أن يصدر الكاثود إلكترونات عند تسخينه إلى درجة حرارة عالية. هذه العملية تسمى انبعاث حراري.يمكن اعتباره تبخر للإلكترونات من المعدن. في العديد من المواد الصلبة ، يحدث الانبعاث الحراري في درجات حرارة لا يزال فيها تبخر المادة نفسها صغيرًا. تستخدم هذه المواد لتصنيع الكاثودات.
أثناء التفريغ الذاتي ، يمكن تسخين الكاثود عن طريق قصفه بالأيونات الموجبة. إذا لم تكن طاقة الأيونات عالية جدًا ، فلا يوجد خروج للإلكترونات من الكاثود وتنبعث الإلكترونات بسبب الانبعاث الحراري.
6. أنواع مختلفة من التفريغ الذاتي وتطبيقها الفني.
اعتمادًا على خصائص الغاز وحالته ، وطبيعة وموقع الأقطاب الكهربائية ، وكذلك على الجهد المطبق على الأقطاب الكهربائية ، أنواع مختلفةرتبة مستقلة. دعونا نفكر في عدد قليل منهم.
أ. تفريغ محترق.
لوحظ تفريغ توهج في الغازات في ضغوط منخفضةمن أجل عدة عشرات من المليمترات من الزئبق وأقل. إذا اعتبرنا أنبوبًا به تفريغ متوهج ، يمكننا أن نرى أن الأجزاء الرئيسية لتفريغ التوهج هي الكاثود الظلام الفضاءبعيدا عنه سلبيأو توهج مشتعل ،والذي يمر تدريجياً إلى المنطقة فاراداي الفضاء المظلم.تشكل هذه المناطق الثلاث الجزء الكاثود من التفريغ ، متبوعًا بالجزء المضيء الرئيسي من التفريغ ، والذي يحدد خصائصه البصرية ويسمى عمود موجب.
يتم لعب الدور الرئيسي في الحفاظ على تفريغ التوهج من قبل أول منطقتين من جزء الكاثود الخاص به. السمة المميزةهذا النوع من التفريغ هو انخفاض حاد في الجهد بالقرب من الكاثود ، والذي يرتبط بتركيز عالٍ من الأيونات الموجبة عند حدود المنطقتين الأولى والثانية ، بسبب السرعة المنخفضة نسبيًا للأيونات عند الكاثود. في الفضاء المظلم الكاثود ، يوجد تسارع قوي للإلكترونات والأيونات الموجبة ، مما يؤدي إلى إخراج الإلكترونات من الكاثود. في منطقة التوهج المتوهج ، تنتج الإلكترونات تأينًا شديد التأثير لجزيئات الغاز وتفقد طاقتها. هنا ، تتشكل أيونات موجبة ضرورية للحفاظ على التفريغ. شدة المجال الكهربائي في هذه المنطقة منخفضة. يحدث التوهج المشتعل بشكل أساسي بسبب إعادة تركيب الأيونات والإلكترونات. يتم تحديد طول الفضاء المظلم الكاثود من خلال خصائص الغاز ومواد الكاثود.
في منطقة العمود الموجب ، يكون تركيز الإلكترونات والأيونات متماثلًا تقريبًا ومرتفعًا جدًا ، مما يؤدي إلى توصيل كهربائي مرتفع للعمود الموجب وانخفاض طفيف في الجهد فيه. يتم تحديد وهج العمود الموجب من خلال وهج جزيئات الغاز المثارة. بالقرب من الأنود ، لوحظ مرة أخرى تغيير حاد نسبيًا في الجهد ، والذي يرتبط بعملية توليد الأيونات الموجبة. في بعض الحالات ، ينقسم العمود الموجب إلى مناطق مضيئة منفصلة - طبقاتمفصولة بمساحات مظلمة.
لا يلعب العمود الموجب دورًا مهمًا في الحفاظ على تفريغ التوهج ؛ لذلك ، مع انخفاض المسافة بين أقطاب الأنبوب ، يتناقص طول العمود الموجب وقد يختفي تمامًا. يختلف الوضع باختلاف طول الفضاء المظلم للكاثود ، والذي لا يتغير عندما تقترب الأقطاب من بعضها البعض. إذا كانت الأقطاب الكهربائية قريبة جدًا بحيث تصبح المسافة بينهما أقل من طول مساحة الكاثود المظلمة ، فسيتوقف تفريغ الوهج في الغاز. تظهر التجارب أنه ، مع تساوي الأشياء الأخرى ، يتناسب طول d من الفضاء المظلم الكاثود عكسياً مع ضغط الغاز. وبالتالي ، عند ضغوط منخفضة بدرجة كافية ، تمر الإلكترونات الخارجة من الكاثود بواسطة الأيونات الموجبة عبر الغاز تقريبًا دون تصادم مع جزيئاته ، مما يؤدي إلى تشكيل الكتروني، أو أشعة الكاثود .
يستخدم تفريغ الوهج في أنابيب ضوء الغاز ، ومصابيح الفلورسنت ، ومثبتات الجهد ، للحصول على حزم الإلكترون والأيونات. إذا تم عمل شق في الكاثود ، فإن حزم أيونية ضيقة تمر عبره في الفضاء خلف الكاثود ، والذي يُطلق عليه غالبًا أشعة القناة.ظاهرة مستخدمة على نطاق واسع الاخرق الكاثود، أي. تدمير سطح الكاثود تحت تأثير الأيونات الموجبة التي تضربه. تتطاير شظايا مادة الكاثود فوق الميكروسكوب في جميع الاتجاهات على طول خطوط مستقيمة وتغطي سطح الأجسام (خاصة العوازل الكهربائية) الموضوعة في أنبوب بطبقة رقيقة. بهذه الطريقة ، تصنع المرايا لعدد من الأجهزة ، ويتم تطبيق طبقة رقيقة من المعدن على خلايا السيلينيوم الضوئية.
ب. كورونا التفريغ.
يحدث تفريغ الاكليل عندما ضغط عاديفي غاز في مجال كهربائي غير متجانس للغاية (على سبيل المثال ، بالقرب من المسامير أو أسلاك خطوط الجهد العالي). في التفريغ الهالي ، يحدث تأين الغاز ووهجه بالقرب من أقطاب الإكليل فقط. في حالة هالة الكاثود (الإكليل السالب) ، يتم إخراج الإلكترونات التي تسبب تأين تأثير جزيئات الغاز من الكاثود عندما يتم قصفها بالأيونات الموجبة. إذا كان الأنود هو الإكليل (الإكليل الإيجابي) ، فإن ولادة الإلكترونات تحدث بسبب التأين الضوئي للغاز بالقرب من الأنود. كورونا ظاهرة ضارة يصاحبها تسرب وخسارة تيار طاقة كهربائية. لتقليل الهالة ، يتم زيادة نصف قطر انحناء الموصلات ، ويكون سطحها أملسًا قدر الإمكان. عند وجود جهد عالٍ كافٍ بين الأقطاب الكهربائية ، يتحول تفريغ الهالة إلى شرارة.
عند زيادة الجهد ، يأخذ تفريغ الهالة على الحافة شكل خطوط ضوئية تنبثق من الحافة وتتناوب في الوقت المناسب. هذه الخطوط ، التي تحتوي على سلسلة من مكامن الخلل والانحناءات ، تشكل نوعًا من الفرشاة ، ونتيجة لذلك يسمى هذا التفريغ الرسغ .
تستحث سحابة رعدية مشحونة على سطح الأرض تحتها الشحنات الكهربائيةعلامة المعاكس. تتراكم شحنة كبيرة بشكل خاص على النصائح. لذلك ، قبل عاصفة رعدية أو أثناء عاصفة رعدية ، غالبًا ما تندلع مخاريط الضوء مثل الفرشاة على النقاط والأركان الحادة للأجسام المرتفعة للغاية. منذ العصور القديمة ، أطلق على هذا التوهج نيران سانت إلمو.
غالبًا ما يصبح المتسلقون شهودًا على هذه الظاهرة. في بعض الأحيان ليس فقط الأشياء المعدنية، لكن أطراف الشعر على الرأس مزينة بشرابات صغيرة مضيئة.
يجب مراعاة تفريغ كورونا عند التعامل مع الجهد العالي. إذا كانت هناك أجزاء بارزة أو شديدة أسلاك رفيعةقد يبدأ تفريغ الهالة. هذا يؤدي إلى تسرب الطاقة. كلما زاد جهد خط الجهد العالي ، يجب أن تكون الأسلاك أكثر سمكًا.
ج. تفريغ شرارة.
يظهر تفريغ الشرارة على شكل قنوات متفرعة متعرجة لامعة تخترق فجوة التفريغ وتختفي ، لتحل محلها قنوات جديدة. أظهرت الدراسات أن قنوات تفريغ الشرارة تبدأ في النمو أحيانًا من القطب الموجب ، وأحيانًا من القطب السالب ، وأحيانًا من نقطة ما بين الأقطاب الكهربائية. ويفسر ذلك حقيقة أن تأثير التأين في حالة تفريغ شرارة لا يحدث على الحجم الكامل للغاز ، ولكن من خلال القنوات الفردية التي تمر في تلك الأماكن التي تبين أن تركيز الأيونات فيها أعلى عرضًا. يصاحب تفريغ الشرارة إطلاق كمية كبيرة من الحرارة أو وهج ساطع من الغاز أو طقطقة أو رعد. كل هذه الظواهر ناتجة عن الانهيارات الجليدية للإلكترونات والأيونات التي تحدث في قنوات الشرارة وتؤدي إلى زيادة هائلة في الضغط تصل إلى 10 7 ¸10 8 Pa ، وزيادة في درجة الحرارة تصل إلى 10000 درجة مئوية.
البرق مثال نموذجي على تفريغ شرارة. يبلغ قطر قناة البرق الرئيسية من 10 إلى 25 سم ، ويمكن أن يصل طول البرق إلى عدة كيلومترات. يصل الحد الأقصى الحالي لنبضة البرق إلى عشرات ومئات الآلاف من الأمبيرات.
مع وجود طول صغير لفجوة التفريغ ، يتسبب تفريغ الشرارة في حدوث تدمير محدد للقطب الموجب ، يسمى التعرية. تم استخدام هذه الظاهرة في طريقة الكهروسبارك للقطع والحفر وأنواع أخرى من معالجة المعادن الدقيقة.
يتم استخدام فجوة الشرارة كحماية من زيادة التيار في خطوط النقل الكهربائي (مثل خطوط الهاتف). إذا مر تيار قوي قصير المدى بالقرب من الخط ، فإن الفولتية والتيارات تحدث في أسلاك هذا الخط ، والتي يمكن أن تدمر التركيبات الكهربائيةوخطيرة على حياة الإنسان. لتجنب ذلك ، يتم استخدام صمامات خاصة ، تتكون من قطبين منحنيين ، أحدهما متصل بالخط والآخر مؤرض. إذا زادت إمكانات الخط بالنسبة إلى الأرض بشكل كبير ، يحدث تفريغ شرارة بين الأقطاب الكهربائية ، والتي ، مع الهواء المسخن بواسطتها ، ترتفع وتطول وتتكسر.
أخيرًا ، يتم استخدام شرارة كهربائية لقياس فروق الجهد الكبيرة باستخدام فجوة الكرة، قطبها الكهربائي عبارة عن كرتين معدنيتين بسطح مصقول. يتم تحريك الكرات بعيدًا ، ويتم تطبيق فرق جهد مُقاس عليها. ثم يتم تجميع الكرات معًا حتى تقفز شرارة بينهما. بمعرفة قطر الكرات والمسافة بينها وضغط الهواء ودرجة الحرارة ورطوبة الهواء ، يجدون فرق الجهد بين الكرات وفقًا لجداول خاصة. يمكن استخدام هذه الطريقة لقياس الفروق المحتملة لترتيب عشرات الآلاف من الفولتات في حدود نسبة مئوية قليلة.
د. تفريغ القوس.
تم اكتشاف تفريغ القوس بواسطة V.V. Petrov في عام 1802. هذا التفريغ هو أحد أشكال تفريغ الغاز ، والذي يحدث عند كثافة تيار عالية وبجهد منخفض نسبيًا بين الأقطاب الكهربائية (بترتيب عدة عشرات من الفولتات). السبب الرئيسي لتفريغ القوس هو الانبعاث المكثف للإلكترونات الحرارية بواسطة الكاثود الساخن. هذه الإلكترونات تتسارع الحقل الكهربائيوتنتج تأينًا تأثيرًا لجزيئات الغاز ، مما يجعل المقاومة الكهربائية لفجوة الغاز بين الأقطاب الكهربائية صغيرة نسبيًا. إذا قللنا من مقاومة الدائرة الخارجية ، وزدنا تيار تفريغ القوس ، فإن موصلية فجوة الغاز ستزداد كثيرًا بحيث ينخفض الجهد بين الأقطاب الكهربائية. لذلك ، يُقال إن تفريغ القوس له خاصية انخفاض الجهد الحالي. في الضغط الجويتصل درجة حرارة الكاثود إلى 3000 درجة مئوية. تقوم الإلكترونات ، التي تقذف الأنود ، بإنشاء فجوة (فوهة) فيه وتسخينه. تبلغ درجة حرارة الحفرة حوالي 4000 درجة مئوية ، وفي ضغوط الهواء المرتفعة تصل إلى 6000-7000 درجة مئوية. تصل درجة حرارة الغاز في قناة تفريغ القوس إلى 5000-6000 درجة مئوية ، لذلك يحدث تأين حراري شديد فيه.
في عدد من الحالات ، لوحظ أيضًا تفريغ القوس عند درجة حرارة الكاثود المنخفضة نسبيًا (على سبيل المثال ، في مصباح القوس الزئبقي).
في عام 1876 ، استخدم P. N. Yablochkov لأول مرة القوس الكهربائي كمصدر للضوء. في "شمعة Yablochkov" ، تم ترتيب الفحم بالتوازي وفصله بطبقة منحنية ، وكانت نهاياتها متصلة بواسطة "جسر اشتعال" موصل. عندما تم تشغيل التيار ، احترق جسر الإشعال وتشكل قوس كهربائي بين الفحم. مع احتراق الفحم ، تبخرت الطبقة العازلة.
يستخدم تفريغ القوس كمصدر للضوء حتى اليوم ، على سبيل المثال ، في الكشافات وأجهزة العرض.
تتيح درجة الحرارة العالية لتصريف القوس إمكانية استخدامه لبناء فرن القوس. في الوقت الحاضر ، تُستخدم أفران القوس التي تعمل بتيار عالٍ جدًا في عدد من الصناعات: لصهر الفولاذ ، والحديد الزهر ، والسبائك الحديدية ، والبرونز ، وإنتاج كربيد الكالسيوم ، وأكسيد النيتروجين ، إلخ.
في عام 1882 ، استخدم N.N. Benardos لأول مرة تفريغ القوس لقطع المعادن ولحامها. يؤدي التفريغ بين قطب كربون ثابت ومعدن إلى تسخين تقاطع صفيحتين معدنيتين (أو ألواح) ويلحمهما. استخدم Benardos نفس الطريقة لقطع الصفائح المعدنية وإحداث ثقوب فيها. في عام 1888 ، قام N.G Slavyanov بتحسين طريقة اللحام هذه عن طريق استبدال قطب الكربون بآخر معدني.
وجد تفريغ القوس تطبيقًا في مقوم الزئبق ، والذي يحول التيار الكهربائي المتردد إلى تيار مباشر.
E. بلازما.
البلازما غاز مؤين جزئيًا أو كليًا تتساوى فيه كثافة الشحنات الموجبة والسالبة تقريبًا. وبالتالي ، فإن البلازما ككل هي نظام محايد كهربائيًا.
السمة الكمية للبلازما هي درجة التأين. درجة تأين البلازما أ هي نسبة التركيز الحجمي للجسيمات المشحونة إلى الحجم الكلي لتركيز الجسيمات. اعتمادًا على درجة التأين ، تنقسم البلازما إلى ضعيف التأين(أ هي كسور من نسبة مئوية) ، متأين جزئيًا (أ بنسبة قليلة في المائة) ومتأين بالكامل (أ قريب من 100٪). البلازما المتأينة الضعيفة الظروف الطبيعيةهي الطبقات العليا من الغلاف الجوي - الأيونوسفير. الشمس والنجوم الساخنة وبعض السحب البينجمية هي بلازما مؤينة بالكامل تتشكل في درجات حرارة عالية.
طاقات متوسطة أنواع مختلفةيمكن أن تختلف الجسيمات التي تتكون منها البلازما اختلافًا كبيرًا عن بعضها البعض. لذلك ، لا يمكن تمييز البلازما بقيمة واحدة لدرجة الحرارة T ؛ يميز بين درجة حرارة الإلكترون T e ، ودرجة حرارة الأيونات T i (أو درجات حرارة الأيونات ، إذا كان هناك عدة أنواع من الأيونات في البلازما) ودرجة حرارة الذرات المحايدة T a (مكون محايد). تسمى هذه البلازما غير متساوية الحرارة ، على عكس البلازما متساوية الحرارة ، حيث تكون درجات حرارة جميع المكونات متماثلة.
تنقسم البلازما أيضًا إلى درجات حرارة عالية (T i »10 6-10 8 K وأكثر) ودرجة حرارة منخفضة !!! (تي آي<=10 5 К). Это условное разделение связано с особой влажностью высокотемпературной плазмы в связи с проблемой осуществления управляемого термоядерного синтеза.
تحتوي البلازما على عدد من الخصائص المحددة ، مما يسمح لنا باعتبارها حالة رابعة خاصة للمادة.
نظرًا للحركة العالية لجزيئات البلازما المشحونة ، فإنها تتحرك بسهولة تحت تأثير المجالات الكهربائية والمغناطيسية. لذلك ، فإن أي انتهاك للحياد الكهربائي للمناطق الفردية من البلازما ، الناجم عن تراكم جزيئات نفس علامة الشحنة ، يتم التخلص منه بسرعة. تحرك الحقول الكهربائية الناتجة الجسيمات المشحونة حتى يتم استعادة التعادل الكهربائي ويصبح المجال الكهربائي صفراً. على عكس الغاز المحايد ، الذي توجد بين جزيئاته قوى قصيرة المدى ، بين جزيئات البلازما المشحونة ، هناك قوى كولوم التي تتناقص ببطء نسبيًا مع المسافة. يتفاعل كل جسيم على الفور مع عدد كبير من الجسيمات المحيطة به. نتيجة لذلك ، جنبًا إلى جنب مع الحركة الحرارية الفوضوية ، يمكن لجزيئات البلازما المشاركة في حركات مختلفة مرتبة. يتم تحفيز أنواع مختلفة من التذبذبات والأمواج بسهولة في البلازما.
تزداد موصلية البلازما مع زيادة درجة التأين. في درجات الحرارة العالية ، تقترب البلازما المؤينة بالكامل من الموصلات الفائقة في الموصلية.
تُستخدم البلازما ذات درجة الحرارة المنخفضة في مصادر ضوء تفريغ الغاز - في الأنابيب المضيئة للنقوش الإعلانية ، وفي مصابيح الفلورسنت. يستخدم مصباح تفريغ الغاز في العديد من الأجهزة ، على سبيل المثال ، في ليزر الغاز - مصادر الضوء الكمومية.
تستخدم البلازما ذات درجة الحرارة العالية في المولدات المغناطيسية الديناميكية.
تم إنشاء جهاز جديد ، شعلة البلازما ، مؤخرًا. تنتج البلازما نفثات قوية من البلازما الكثيفة ذات درجة الحرارة المنخفضة ، والتي تستخدم على نطاق واسع في مختلف مجالات التكنولوجيا: لقطع المعادن ولحامها ، وحفر الآبار في الصخور الصلبة ، إلخ.
قائمة الأدب المستخدم:
1) الفيزياء: الديناميكا الكهربائية. 10-11 خلية: كتاب مدرسي. للدراسة المتعمقة للفيزياء / G. Ya. Myakishev، A. Z. Sinyakov، B. A. Slobodskov. - الطبعة الثانية - م: دروفا ، 1998. - 480 ص.
2) مقرر فيزياء (في ثلاثة مجلدات). T. II. الكهرباء والمغناطيسية. بروك. دليل للكليات التقنية. / Detlaf A.A.، Yavoursky B. M.، Milkovskaya L. B. Izd. الرابعة ، المنقحة. - م: المدرسة العليا ، 1977. - 375 ص.
3) الكهرباء. / هـ. كلاشنيكوف. إد. "العلوم" ، موسكو ، 1977.
4) الفيزياء. / ب. B. Bukhovtsev ، Yu. L. Klimontovich ، G. Ya. Myakishev. الطبعة الثالثة ، المنقحة. - م: التنوير ، 1986.
التيار الكهربائي هو تدفق ناتج عن الحركة المنظمة للجسيمات المشحونة كهربائيًا. تؤخذ حركة الشحنات على أنها اتجاه التيار الكهربائي. يمكن أن يكون التيار الكهربائي قصير الأمد وطويل الأمد.
مفهوم التيار الكهربائي
أثناء تفريغ البرق ، يمكن أن يحدث تيار كهربائي يسمى قصير المدى. وللحفاظ على التيار لفترة طويلة ، من الضروري وجود مجال كهربائي وحاملات شحن كهربائية مجانية.
يتم إنشاء مجال كهربائي بواسطة أجسام مشحونة بشكل مختلف. القوة الحالية هي نسبة الشحنة المنقولة عبر المقطع العرضي للموصل في فترة زمنية إلى هذه الفترة الزمنية. يقاس بالأمبير.
أرز. 1. الصيغة الحالية
التيار الكهربائي في الغازات
جزيئات الغاز لا توصل الكهرباء في الظروف العادية. هم عوازل (عوازل). ومع ذلك ، إذا تغيرت الظروف البيئية ، يمكن أن تصبح الغازات موصلات للكهرباء. نتيجة التأين (أثناء التسخين أو تحت تأثير الإشعاع المشع) ، ينشأ تيار كهربائي في الغازات ، وغالبًا ما يتم استبداله بمصطلح "التفريغ الكهربائي".
تصريفات الغاز المستدام ذاتيًا وغير المستدام ذاتيًا
يمكن أن تكون عمليات التصريف في الغاز مكتفية ذاتيًا وغير مكتفية ذاتيًا. يبدأ التيار في الوجود عندما تظهر الرسوم المجانية. توجد التصريفات غير ذاتية الاستدامة طالما أن هناك قوة خارجية تعمل عليها ، أي مؤين خارجي. أي ، إذا توقف المؤين الخارجي عن العمل ، فإن التيار يتوقف.
يوجد تفريغ مستقل للتيار الكهربائي في الغازات حتى بعد إنهاء المؤين الخارجي. تنقسم التصريفات المستقلة في الفيزياء إلى هادئة ، مشتعلة ، قوس ، شرارة ، هالة.
- هادئ - أضعف التصريفات المستقلة. القوة الحالية فيه صغيرة جدًا (لا تزيد عن 1 مللي أمبير). لا يصاحبها ظواهر صوتية أو ضوئية.
- مكمور - إذا قمت بزيادة الجهد في تفريغ هادئ ، فإنه ينتقل إلى المستوى التالي - إلى تفريغ توهج. في هذه الحالة ، يظهر توهج مصحوب بإعادة التركيب. إعادة التركيب - عملية التأين العكسي ، لقاء الإلكترون مع الأيون الموجب. يتم استخدامه في مصابيح الإضاءة والجراثيم.
أرز. 2. توهج التفريغ
- قوس - تتراوح شدة التيار من 10 أ إلى 100 أ. وفي هذه الحالة يكون التأين 100٪ تقريبًا. يحدث هذا النوع من التفريغ ، على سبيل المثال ، أثناء تشغيل آلة اللحام.
أرز. 3. تفريغ القوس
- متألق - يمكن اعتباره أحد أنواع تصريف القوس الكهربائي. خلال هذا التفريغ ، تتدفق كمية معينة من الكهرباء في وقت قصير جدًا.
- كورونا التفريغ - يحدث تأين الجزيئات بالقرب من أقطاب كهربائية ذات أنصاف أقطار صغيرة من الانحناء. يحدث هذا النوع من الشحنات عندما تتغير شدة المجال الكهربائي بشكل كبير.
ماذا تعلمنا؟
في حد ذاتها ، تكون ذرات وجزيئات الغاز متعادلة. يتم شحنهم عند تعرضهم للخارج. عند الحديث بإيجاز عن التيار الكهربائي في الغازات ، فهو عبارة عن حركة موجهة للجسيمات (أيونات موجبة للكاثود وأيونات سالبة إلى القطب الموجب). من المهم أيضًا أنه عندما يتأين الغاز ، تتحسن خصائصه الموصلة.
موضوعات مبرمج الاستخدام: ناقلات الشحنات الكهربائية المجانية في الغازات.
في الظروف العادية ، تتكون الغازات من ذرات أو جزيئات متعادلة كهربائيًا ؛ لا توجد رسوم مجانية تقريبًا للغازات. لذلك الغازات عوازل- التيار الكهربائي لا يمر من خلالها.
قلنا "لا شيء تقريبًا" لأنه في الواقع ، في الغازات ، ولا سيما في الهواء ، هناك دائمًا كمية معينة من الجسيمات المشحونة الحرة. تظهر كنتيجة للتأثير المؤين للإشعاع من المواد المشعة التي تشكل قشرة الأرض والأشعة فوق البنفسجية والأشعة السينية من الشمس ، وكذلك الأشعة الكونية - تيارات من الجسيمات عالية الطاقة تخترق الغلاف الجوي للأرض من الفضاء الخارجي . لاحقًا سنعود إلى هذه الحقيقة ونناقش أهميتها ، لكن في الوقت الحالي سنلاحظ فقط أنه في ظل الظروف العادية ، فإن توصيل الغازات ، الناتج عن الكمية "الطبيعية" للشحنات المجانية ، لا يكاد يذكر ويمكن تجاهله.
يعتمد عمل المفاتيح في الدوائر الكهربائية على الخصائص العازلة لفجوة الهواء (الشكل 1). على سبيل المثال ، فجوة هواء صغيرة في مفتاح الإضاءة كافية لفتح دائرة كهربائية في غرفتك.
أرز. مفتاح واحد
ومع ذلك ، من الممكن خلق مثل هذه الظروف التي سيظهر فيها تيار كهربائي في فجوة الغاز. دعنا نفكر في التجربة التالية.
نقوم بشحن ألواح مكثف الهواء وربطها بجلفانومتر حساس (الشكل 2 ، يسار). في درجة حرارة الغرفة وليس الهواء الرطب للغاية ، لن يُظهر الجلفانومتر تيارًا ملحوظًا: فجوة الهواء لدينا ، كما قلنا ، ليست موصلًا للكهرباء.
أرز. 2. حدوث التيار في الهواء
الآن دعنا نضع شعلة موقد أو شمعة في الفجوة بين ألواح المكثف (الشكل 2 ، على اليمين). يظهر الحالي! لماذا؟
رسوم مجانية بالغاز
يعني حدوث تيار كهربائي بين ألواح المكثف أنه ظهر في الهواء تحت تأثير اللهب رسوم مجانية. ماذا بالضبط؟
تظهر التجربة أن التيار الكهربائي في الغازات هو حركة منظمة للجسيمات المشحونة. ثلاثة أنواع. هذا الإلكترونات, الأيونات الموجبةو الأيونات السالبة.
دعونا نرى كيف يمكن أن تظهر هذه الشحنات في الغاز.
مع ارتفاع درجة حرارة الغاز ، تصبح الاهتزازات الحرارية لجزيئاته - جزيئاته أو ذراته - أكثر كثافة. تصل تأثيرات الجسيمات ضد بعضها البعض إلى مثل هذه القوة التأين- اضمحلال الجسيمات المحايدة إلى إلكترونات وأيونات موجبة (الشكل 3).
أرز. 3. التأين
درجة التأينهي نسبة عدد جزيئات الغاز المتحللة إلى العدد الإجمالي الأولي للجسيمات. على سبيل المثال ، إذا كانت درجة التأين ، فهذا يعني أن جزيئات الغاز الأصلية قد تحللت إلى أيونات وإلكترونات موجبة.
تعتمد درجة تأين الغاز على درجة الحرارة وتزداد بشكل حاد مع زيادتها. بالنسبة للهيدروجين ، على سبيل المثال ، عند درجة حرارة أقل من درجة التأين لا تتعدى ، وعند درجة حرارة أعلى من درجة التأين تكون قريبة من (أي ، الهيدروجين مؤين بالكامل تقريبًا (يسمى الغاز المتأين جزئيًا أو كليًا بلازما)).
بالإضافة إلى ارتفاع درجة الحرارة ، هناك عوامل أخرى تسبب تأين الغاز.
لقد ذكرناها بالفعل بشكل عابر: هذه هي الإشعاع المشع والأشعة فوق البنفسجية والأشعة السينية وأشعة جاما والجسيمات الكونية. يسمى أي عامل يسبب تأين الغاز المؤين.
وبالتالي ، لا يحدث التأين من تلقاء نفسه ، ولكن تحت تأثير المؤين.
في نفس الوقت ، العملية العكسية إعادة التركيب، أي إعادة توحيد الإلكترون والأيون الموجب في جسيم محايد (الشكل 4).
أرز. 4. إعادة التركيب
سبب إعادة التركيب بسيط: إنه عامل جذب كولوم للإلكترونات والأيونات ذات الشحنة المعاكسة. الاندفاع نحو بعضهما البعض تحت تأثير القوى الكهربائية ، يلتقيان ويحصلان على فرصة لتشكيل ذرة محايدة (أو جزيء - اعتمادًا على نوع الغاز).
عند شدة ثابتة لعمل المؤين ، يتم إنشاء توازن ديناميكي: متوسط عدد الجسيمات المتحللة لكل وحدة زمنية يساوي متوسط عدد الجسيمات المعاد تجميعها (بمعنى آخر ، معدل التأين يساوي معدل إعادة التركيب). يتم تعزيز عمل المؤين (على سبيل المثال ، يتم زيادة درجة الحرارة) ، ثم يتحول التوازن الديناميكي إلى اتجاه التأين ، ويزداد تركيز الجسيمات المشحونة في الغاز. على العكس من ذلك ، إذا قمت بإيقاف تشغيل المؤين ، فستبدأ إعادة التركيب ، وستختفي الشحنات المجانية تدريجيًا تمامًا.
لذلك ، تظهر الأيونات والإلكترونات الموجبة في الغاز نتيجة التأين. من أين يأتي النوع الثالث من الشحنات - الأيونات السالبة؟ بسيط جدًا: يمكن للإلكترون أن يطير في ذرة محايدة وينضم إليها! هذه العملية موضحة في الشكل. 5.
أرز. 5. ظهور الأيون السالب
سوف تشارك الأيونات السالبة المتكونة بهذه الطريقة في تكوين التيار مع الأيونات الموجبة والإلكترونات.
عدم التفريغ الذاتي
إذا لم يكن هناك مجال كهربائي خارجي ، فإن الشحنات المجانية تؤدي إلى حركة حرارية فوضوية جنبًا إلى جنب مع جزيئات الغاز المحايدة. ولكن عند تطبيق مجال كهربائي ، تبدأ الحركة المنظمة للجسيمات المشحونة - التيار الكهربائي في الغاز.
أرز. 6. عدم التفريغ الذاتي
على التين. 6 نرى ثلاثة أنواع من الجسيمات المشحونة تنشأ في فجوة الغاز تحت تأثير المؤين: الأيونات الموجبة والأيونات السالبة والإلكترونات. يتشكل تيار كهربائي في الغاز نتيجة الحركة القادمة للجسيمات المشحونة: الأيونات الموجبة - إلى القطب السالب (القطب السالب) ، والإلكترونات والأيونات السالبة - إلى القطب الموجب (الأنود).
يتم إرسال الإلكترونات التي تسقط على الأنود الموجب على طول الدائرة إلى "زائد" المصدر الحالي. تتبرع الأيونات السالبة بإلكترون إضافي للأنود ، وبعد أن تصبح جزيئات متعادلة ، تعود إلى الغاز ؛ يندفع الإلكترون المعطى للأنود أيضًا إلى "زائد" المصدر. تأخذ الأيونات الموجبة ، القادمة إلى الكاثود ، الإلكترونات من هناك ؛ يتم تعويض النقص الناتج في الإلكترونات عند الكاثود على الفور عن طريق توصيلها هناك من "ناقص" المصدر. نتيجة لهذه العمليات ، تحدث حركة منظمة للإلكترونات في الدائرة الخارجية. هذا هو التيار الكهربائي المسجل بواسطة الجلفانومتر.
العملية الموضحة في الشكل. 6 يسمى تصريف غير مستدام ذاتيًافي الغاز. لماذا تعتمد؟ لذلك ، للحفاظ عليه ، فإن العمل المستمر للمؤين ضروري. دعنا نزيل المؤين - وسيتوقف التيار ، لأن الآلية التي تضمن ظهور الشحنات المجانية في فجوة الغاز ستختفي. ستصبح المسافة بين الأنود والكاثود عازلًا مرة أخرى.
خاصية فولت أمبير لتصريف الغاز
اعتماد القوة الحالية من خلال فجوة الغاز على الجهد بين القطب الموجب والكاثود (ما يسمى ب خاصية الجهد الحالي لتفريغ الغاز) في الشكل. 7.
أرز. 7. خاصية فولت أمبير لتصريف الغاز
عند الجهد الصفري ، فإن القوة الحالية ، بالطبع ، تساوي الصفر: تؤدي الجسيمات المشحونة حركة حرارية فقط ، ولا توجد حركة منظمة بين الأقطاب الكهربائية.
مع الجهد المنخفض ، تكون القوة الحالية صغيرة أيضًا. الحقيقة هي أنه ليس كل الجسيمات المشحونة مقدر لها الوصول إلى الأقطاب الكهربائية: فبعض الأيونات والإلكترونات الموجبة في عملية حركتها تجد بعضها البعض وتتحد مرة أخرى.
مع زيادة الجهد ، تتطور الشحنات الحرة بسرعة أكبر ، وتقل فرصة أن يلتقي أيون موجب وإلكترون ويتحدان مرة أخرى. لذلك ، يصل جزء متزايد من الجسيمات المشحونة إلى الأقطاب الكهربائية ، وتزداد قوة التيار (القسم).
عند قيمة جهد معينة (نقطة) ، تصبح سرعة الشحن عالية جدًا بحيث لا يكون لإعادة التركيب وقتًا على الإطلاق. من الان فصاعدا الجميعالجسيمات المشحونة التي تشكلت تحت تأثير المؤين تصل إلى الأقطاب الكهربائية ، و يصل التيار إلى التشبع- وهي القوة الحالية تتوقف عن التغير مع زيادة الجهد. سيستمر هذا حتى نقطة معينة.
التفريغ الذاتي
بعد اجتياز النقطة ، تزداد القوة الحالية بشكل حاد مع زيادة الجهد - تبدأ تفريغ مستقل. الآن سنكتشف ما هو.
تنتقل جزيئات الغاز المشحونة من الاصطدام إلى الاصطدام ؛ في الفترات الفاصلة بين الاصطدامات ، يتم تسريعها بواسطة مجال كهربائي ، مما يزيد من طاقتها الحركية. والآن ، عندما يصبح الجهد كبيرًا بدرجة كافية (تلك النقطة نفسها) ، تصل الإلكترونات أثناء مسارها الحر إلى هذه الطاقات التي عندما تصطدم بالذرات المحايدة ، فإنها تؤينها! (باستخدام قوانين الحفاظ على الزخم والطاقة ، يمكن إثبات أن الإلكترونات (وليس الأيونات) التي يتم تسريعها بواسطة مجال كهربائي لها أقصى قدرة على تأين الذرات.)
ما يسمى ب تأين تأثير الإلكترون. كما يتم تسريع الإلكترونات التي يتم إخراجها من الذرات المتأينة بواسطة المجال الكهربائي وتضرب ذرات جديدة ، مما يؤدي إلى تأينها الآن وتوليد إلكترونات جديدة. نتيجة لانهيار الإلكترون الناشئ ، يزداد عدد الذرات المتأينة بسرعة ، ونتيجة لذلك تزداد قوة التيار بسرعة أيضًا.
يصبح عدد الشحنات المجانية كبيرًا جدًا بحيث يتم التخلص من الحاجة إلى مؤين خارجي. يمكن إزالته ببساطة. يتم الآن إنتاج الجسيمات المشحونة المجانية نتيجة لذلك محليالعمليات التي تحدث في الغاز - لهذا السبب يسمى التفريغ مستقلاً.
إذا كانت فجوة الغاز تحت الجهد العالي ، فلا حاجة إلى مؤين للتفريغ الذاتي. يكفي العثور على إلكترون حر واحد في الغاز ، وسيبدأ الانهيار الإلكترون الموصوف أعلاه. وسيكون هناك دائمًا إلكترون حر واحد على الأقل!
دعونا نتذكر مرة أخرى أنه في الغاز ، حتى في ظل الظروف العادية ، هناك كمية "طبيعية" معينة من الشحنات الحرة ، بسبب الإشعاع المشع المؤين لقشرة الأرض ، والإشعاع عالي التردد من الشمس ، والأشعة الكونية. لقد رأينا أنه عند الفولتية المنخفضة ، فإن توصيل الغاز الناتج عن هذه الشحنات الحرة لا يكاد يذكر ، ولكن الآن - عند الجهد العالي - ستؤدي إلى انهيار جسيمات جديدة ، مما يؤدي إلى تفريغ مستقل. سيحدث كما يقولون انفصالفجوة الغاز.
تبلغ شدة المجال المطلوبة لتفكيك الهواء الجاف حوالي kV / cm. بمعنى آخر ، لكي تقفز شرارة بين الأقطاب المفصولة بسنتيمتر من الهواء ، يجب تطبيق جهد كيلوفولت عليها. تخيل الجهد المطلوب لاختراق عدة كيلومترات من الهواء! لكن مثل هذه الأعطال بالتحديد هي التي تحدث أثناء عاصفة رعدية - هذه برق معروفة لك جيدًا.
لا توجد عوازل مطلقة في الطبيعة. يمكن أن تحدث الحركة المنظمة للجسيمات - حاملات الشحنة الكهربائية - أي التيار ، في أي وسيط ، لكن هذا يتطلب ظروفًا خاصة. سننظر هنا في كيفية حدوث الظواهر الكهربائية في الغازات وكيف يمكن تغيير الغاز من عازل جيد جدًا إلى موصل جيد جدًا. سنهتم بالظروف التي تنشأ في ظلها ، وكذلك بما يتميز به التيار الكهربائي في الغازات.
الخواص الكهربائية للغازات
المادة العازلة هي مادة (وسط) لا يصل فيها تركيز الجسيمات - الناقلات الحرة لشحنة كهربائية - إلى أي قيمة معنوية ، ونتيجة لذلك تكون الموصلية ضئيلة. جميع الغازات عوازل كهربائية جيدة. يتم استخدام خصائص العزل الخاصة بهم في كل مكان. على سبيل المثال ، في أي قاطع دارة ، يحدث فتح الدائرة عندما يتم وضع جهات الاتصال في مثل هذا الوضع بحيث تتشكل فجوة هوائية بينها. يتم أيضًا عزل الأسلاك في خطوط الطاقة عن بعضها البعض بواسطة طبقة هوائية.
الوحدة الهيكلية لأي غاز هي جزيء. تتكون من نوى ذرية وسحب إلكترونية ، أي أنها مجموعة من الشحنات الكهربائية موزعة في الفضاء بطريقة ما. يمكن أن يكون جزيء الغاز بسبب خصائص هيكله أو يكون مستقطبًا تحت تأثير مجال كهربائي خارجي. الغالبية العظمى من الجزيئات التي يتكون منها الغاز تكون متعادلة كهربائيًا في ظل الظروف العادية ، لأن الشحنات فيها تلغي بعضها البعض.
إذا تم تطبيق مجال كهربائي على الغاز ، فستفترض الجزيئات اتجاه ثنائي القطب ، وتحتل موقعًا مكانيًا يعوض عن تأثير المجال. ستبدأ الجسيمات المشحونة الموجودة في الغاز تحت تأثير قوى كولوم في التحرك: الأيونات الموجبة - في اتجاه الكاثود والأيونات السالبة والإلكترونات - نحو القطب الموجب. ومع ذلك ، إذا كان الحقل يحتوي على إمكانات غير كافية ، فلن يحدث تدفق واحد موجه من الشحنات ، ويمكن للمرء أن يتحدث عن تيارات منفصلة ، ضعيفة للغاية بحيث يجب إهمالها. يتصرف الغاز مثل العازل.
وبالتالي ، من أجل حدوث تيار كهربائي في الغازات ، يلزم وجود تركيز عالٍ من ناقلات الشحن المجاني ووجود حقل.
التأين
تسمى عملية الزيادة التي تشبه الانهيار الجليدي في عدد الشحنات المجانية في الغاز بالتأين. وفقًا لذلك ، يُطلق على الغاز الذي توجد فيه كمية كبيرة من الجسيمات المشحونة اسم مؤين. في مثل هذه الغازات يتم إنشاء تيار كهربائي.
ترتبط عملية التأين بانتهاك حيادية الجزيئات. نتيجة لانفصال الإلكترون ، تظهر الأيونات الموجبة ، ويؤدي ارتباط الإلكترون بجزيء إلى تكوين أيون سالب. بالإضافة إلى ذلك ، هناك العديد من الإلكترونات الحرة في الغاز المتأين. الأيونات الموجبة وخاصة الإلكترونات هي ناقلات الشحنة الرئيسية للتيار الكهربائي في الغازات.
يحدث التأين عندما يتم نقل كمية معينة من الطاقة إلى الجسيم. وهكذا ، فإن الإلكترون الخارجي في تكوين الجزيء ، بعد أن تلقى هذه الطاقة ، يمكنه ترك الجزيء. تؤدي التصادمات المتبادلة للجسيمات المشحونة مع الجسيمات المحايدة إلى إخراج إلكترونات جديدة ، وتتخذ العملية طابعًا يشبه الانهيار الجليدي. تزداد الطاقة الحركية للجسيمات أيضًا ، مما يعزز التأين بشكل كبير.
من أين تأتي الطاقة المستهلكة في إثارة التيار الكهربائي في الغازات؟ يحتوي تأين الغازات على العديد من مصادر الطاقة ، والتي وفقًا لها من المعتاد تسمية أنواعها.
- التأين بواسطة مجال كهربائي. في هذه الحالة ، يتم تحويل الطاقة الكامنة للمجال إلى الطاقة الحركية للجسيمات.
- التأين الحراري. تؤدي زيادة درجة الحرارة أيضًا إلى تكوين عدد كبير من الشحنات المجانية.
- التأين الضوئي. جوهر هذه العملية هو أن الإلكترونات تزود بالطاقة عن طريق الفوتونات الكمومية للإشعاع الكهرومغناطيسي ، إذا كان لها تردد عالٍ بدرجة كافية (الأشعة فوق البنفسجية ، الأشعة السينية ، جاما كوانتا).
- التأين الصدمي هو نتيجة تحويل الطاقة الحركية للجسيمات المتصادمة إلى طاقة انفصال الإلكترون. إلى جانب التأين الحراري ، فهو بمثابة العامل الرئيسي في إثارة التيار الكهربائي في الغازات.
يتميز كل غاز بقيمة عتبة معينة - طاقة التأين اللازمة للإلكترون للانفصال عن الجزيء ، والتغلب على حاجز محتمل. تتراوح هذه القيمة للإلكترون الأول من عدة فولت إلى عشرين فولت ؛ هناك حاجة إلى مزيد من الطاقة لفصل الإلكترون التالي عن الجزيء ، وهكذا.
يجب أن يؤخذ في الاعتبار أنه في وقت واحد مع التأين في الغاز ، تحدث العملية العكسية - إعادة التركيب ، أي استعادة الجزيئات المحايدة تحت تأثير قوى الجذب كولوم.
تصريف الغاز وأنواعه
لذلك ، فإن التيار الكهربائي في الغازات ناتج عن الحركة المنظمة للجسيمات المشحونة تحت تأثير المجال الكهربائي المطبق عليها. وجود مثل هذه الرسوم ، بدوره ، ممكن بسبب عوامل التأين المختلفة.
وبالتالي ، يتطلب التأين الحراري درجات حرارة كبيرة ، لكن اللهب المكشوف المرتبط ببعض العمليات الكيميائية يساهم في التأين. حتى في درجات الحرارة المنخفضة نسبيًا في وجود اللهب ، يتم تسجيل ظهور تيار كهربائي في الغازات ، وتجربه مع موصلية الغاز تجعل من السهل التحقق من ذلك. من الضروري وضع شعلة الموقد أو الشمعة بين ألواح المكثف المشحون. ستغلق الدائرة المفتوحة مسبقًا بسبب فجوة الهواء في المكثف. سيُظهر الجلفانومتر المتصل بالدائرة وجود التيار.
يسمى التيار الكهربائي في الغازات بتفريغ الغاز. يجب أن يؤخذ في الاعتبار أنه من أجل الحفاظ على استقرار التفريغ ، يجب أن يكون عمل المؤين ثابتًا ، لأنه بسبب إعادة التركيب المستمر ، يفقد الغاز خصائصه الموصلة للكهرباء. يتم تحييد بعض ناقلات التيار الكهربائي في الغازات - الأيونات - على الأقطاب الكهربائية ، بينما يتم إرسال البعض الآخر - الإلكترونات - التي تصل إلى القطب الموجب ، إلى "موجب" المصدر الميداني. إذا توقف العامل المؤين عن العمل ، فسيصبح الغاز على الفور عازلًا للكهرباء مرة أخرى ، وسيتوقف التيار. يسمى هذا التيار ، الذي يعتمد على عمل مؤين خارجي ، بتفريغ غير مستدام ذاتيًا.
يتم وصف ميزات مرور التيار الكهربائي عبر الغازات من خلال اعتماد خاص لقوة التيار على الجهد - خاصية الجهد الحالي.
دعونا نفكر في تطوير تفريغ الغاز على الرسم البياني لاعتماد الجهد الحالي. عندما يرتفع الجهد إلى قيمة معينة U 1 ، يزداد التيار بما يتناسب معها ، أي يتم استيفاء قانون أوم. تزداد الطاقة الحركية ، وبالتالي سرعة الشحنات في الغاز ، وهذه العملية تسبق إعادة التركيب. عند قيم الجهد من U 1 إلى U 2 ، يتم انتهاك هذه العلاقة ؛ عندما يتم الوصول إلى U 2 ، تصل جميع ناقلات الشحنة إلى الأقطاب الكهربائية دون أن يتوفر لها وقت لإعادة الاتحاد. يتم تضمين جميع الرسوم المجانية ، ولا تؤدي الزيادة الأخرى في الجهد إلى زيادة التيار. هذه الطبيعة لحركة الشحنات تسمى تيار التشبع. وبالتالي ، يمكننا القول أن التيار الكهربائي في الغازات يرجع أيضًا إلى خصائص سلوك الغاز المتأين في المجالات الكهربائية ذات نقاط القوة المختلفة.
عندما يصل فرق الجهد عبر الأقطاب إلى قيمة معينة U 3 ، يصبح الجهد كافيًا للمجال الكهربائي لإحداث تأين شبيه بانهيار الغاز. الطاقة الحركية للإلكترونات الحرة كافية بالفعل لتأثير تأين الجزيئات. في الوقت نفسه ، تبلغ سرعتها في معظم الغازات حوالي 2000 كم / ثانية وأعلى (يتم حسابها بالصيغة التقريبية v = 600 U i ، حيث U i هي إمكانية التأين). في هذه اللحظة ، يحدث انهيار للغاز وتحدث زيادة كبيرة في التيار بسبب مصدر التأين الداخلي. لذلك ، يسمى هذا التفريغ مستقل.
لم يعد وجود المؤين الخارجي في هذه الحالة يلعب دورًا في الحفاظ على التيار الكهربائي في الغازات. يمكن أن يكون للتفريغ الذاتي في ظل ظروف مختلفة وخصائص مختلفة لمصدر المجال الكهربائي ميزات معينة. هناك أنواع من التفريغ الذاتي مثل التوهج والشرارة والقوس والإكليل. سننظر بإيجاز في كيفية تصرف التيار الكهربائي في الغازات لكل نوع من هذه الأنواع.
فرق الجهد من 100 (وحتى أقل) إلى 1000 فولت كافٍ لبدء التفريغ الذاتي. لذلك ، فإن التفريغ المتوهج ، الذي يتميز بقوة تيار منخفضة (من 10 -5 أ إلى 1 أ) ، يحدث عند ضغوط لا تزيد عن بضعة ملليمترات من الزئبق.
في أنبوب به غاز مخلخ وأقطاب كهربائية باردة ، يبدو تفريغ الوهج الناشئ مثل سلك مضيء رفيع بين الأقطاب الكهربائية. إذا واصلنا ضخ الغاز من الأنبوب ، فسيتم غسل الفتيل ، وعند ضغط أعشار ملليمترات من الزئبق ، يملأ الوهج الأنبوب بالكامل تقريبًا. الوهج غائب بالقرب من الكاثود - في ما يسمى مساحة الكاثود المظلم. الباقي يسمى العمود الموجب. في هذه الحالة ، يتم تحديد العمليات الرئيسية التي تضمن وجود التفريغ بدقة في مساحة الكاثود المظلمة وفي المنطقة المجاورة لها. هنا ، يتم تسريع جسيمات الغاز المشحونة ، مما يؤدي إلى إخراج الإلكترونات من الكاثود.
في التفريغ المتوهج ، يكون سبب التأين هو انبعاث الإلكترون من الكاثود. تنتج الإلكترونات المنبعثة من الكاثود تأينًا تصادميًا لجزيئات الغاز ، وتسبب الأيونات الموجبة الناشئة انبعاثًا ثانويًا من الكاثود ، وما إلى ذلك. يرجع توهج العمود الموجب أساسًا إلى ارتداد الفوتونات بواسطة جزيئات الغاز المثارة ، وتتميز الغازات المختلفة بتوهج لون معين. يشارك العمود الموجب في تكوين تفريغ توهج فقط كقسم من الدائرة الكهربائية. إذا قمت بتقريب الأقطاب الكهربائية من بعضها ، يمكنك تحقيق اختفاء العمود الموجب ، لكن التفريغ لن يتوقف. ومع ذلك ، مع مزيد من الانخفاض في المسافة بين الأقطاب الكهربائية ، لا يمكن أن يوجد تفريغ الوهج.
وتجدر الإشارة إلى أنه بالنسبة لهذا النوع من التيار الكهربائي في الغازات ، لم يتم بعد توضيح فيزياء بعض العمليات بشكل كامل. على سبيل المثال ، تظل طبيعة القوى التي تسبب زيادة في التيار لتوسيع المنطقة على سطح الكاثود الذي يشارك في التفريغ غير واضحة.
تفريغ شرارة
انهيار الشرارة له طابع نابض. يحدث عند ضغوط قريبة من الغلاف الجوي الطبيعي ، في الحالات التي تكون فيها طاقة مصدر المجال الكهربائي غير كافية للحفاظ على تفريغ ثابت. في هذه الحالة ، تكون شدة المجال عالية ويمكن أن تصل إلى 3 MV / m. تتميز هذه الظاهرة بزيادة حادة في تيار التفريغ في الغاز ، وفي نفس الوقت ينخفض الجهد بسرعة كبيرة ويتوقف التفريغ. ثم يزداد فرق الجهد مرة أخرى ، وتتكرر العملية برمتها.
مع هذا النوع من التفريغ ، تتشكل قنوات شرارة قصيرة المدى ، يمكن أن يبدأ نموها من أي نقطة بين الأقطاب الكهربائية. هذا يرجع إلى حقيقة أن تأثير التأين يحدث بشكل عشوائي في الأماكن التي يتركز فيها أكبر عدد من الأيونات حاليًا. بالقرب من قناة الشرارة ، يسخن الغاز بسرعة ويخضع للتمدد الحراري ، مما يتسبب في حدوث موجات صوتية. لذلك ، يكون تفريغ الشرارة مصحوبًا بطقطقة ، فضلاً عن إطلاق حرارة ووهج ساطع. تولد عمليات تأين الانهيار الجليدي ضغوطًا عالية ودرجات حرارة تصل إلى 10000 درجة وأكثر في قناة الشرارة.
إن أبرز مثال على تفريغ الشرارة الطبيعية هو البرق. يمكن أن يتراوح قطر قناة شرارة البرق الرئيسية من بضعة سنتيمترات إلى 4 أمتار ، ويمكن أن يصل طول القناة إلى 10 كيلومترات. يصل حجم التيار إلى 500 ألف أمبير ، ويصل فرق الجهد بين السحابة الرعدية وسطح الأرض إلى مليار فولت.
لوحظ أطول برق بطول 321 كم في عام 2007 في أوكلاهوما بالولايات المتحدة الأمريكية. كان حامل الرقم القياسي في هذه المدة هو البرق ، وتم تسجيله في عام 2012 في جبال الألب الفرنسية - واستمر أكثر من 7.7 ثانية. عندما يصطدم البرق ، يمكن للهواء أن يسخن حتى 30 ألف درجة ، وهو ما يزيد 6 مرات عن درجة حرارة سطح الشمس المرئي.
في الحالات التي تكون فيها قوة مصدر المجال الكهربائي كبيرة بدرجة كافية ، يتطور تفريغ الشرارة إلى تفريغ القوس.
يتميز هذا النوع من التفريغ الذاتي بكثافة تيار عالية وانخفاض الجهد (أقل من تفريغ الوهج). مسافة الانهيار صغيرة بسبب قرب الأقطاب الكهربائية. يبدأ التفريغ عن طريق انبعاث إلكترون من سطح الكاثود (بالنسبة للذرات المعدنية ، تكون إمكانية التأين صغيرة مقارنة بجزيئات الغاز). أثناء الانهيار بين الأقطاب الكهربائية ، يتم إنشاء الظروف التي يقوم الغاز بموجبها بإجراء تيار كهربائي ، ويحدث تفريغ شرارة ، مما يؤدي إلى إغلاق الدائرة. إذا كانت قوة مصدر الجهد كبيرة بما يكفي ، فإن تفريغ الشرارة يتحول إلى قوس كهربائي مستقر.
يصل التأين أثناء تفريغ القوس إلى 100٪ تقريبًا ، وتكون القوة الحالية عالية جدًا ويمكن أن تتراوح من 10 إلى 100 أمبير. عند الضغط الجوي ، يمكن للقوس تسخين ما يصل إلى 5-6 آلاف درجة ، والكاثود - حتى 3 آلاف درجة ، مما يؤدي إلى انبعاث حراري مكثف من سطحه. يؤدي قصف الأنود بالإلكترونات إلى تدمير جزئي: تتشكل فترة راحة عليه - فوهة بركان تبلغ درجة حرارة حوالي 4000 درجة مئوية. تؤدي زيادة الضغط إلى زيادة أكبر في درجة الحرارة.
عند تمييع الأقطاب الكهربائية ، يظل تفريغ القوس مستقرًا حتى مسافة معينة ، مما يجعل من الممكن التعامل معه في تلك الأجزاء من المعدات الكهربائية حيث يكون ضارًا بسبب التآكل وحرق جهات الاتصال التي يسببها. هذه هي الأجهزة مثل المفاتيح ذات الجهد العالي والمفاتيح التلقائية والموصلات وغيرها. تتمثل إحدى طرق مكافحة القوس الذي يحدث عند فتح جهات الاتصال في استخدام مزالق القوس بناءً على مبدأ تمديد القوس. يتم أيضًا استخدام العديد من الطرق الأخرى: تحويل جهات الاتصال ، واستخدام مواد ذات قدرة تأين عالية ، وما إلى ذلك.
يحدث تطور التفريغ الإكليلي عند الضغط الجوي العادي في حقول غير متجانسة بشكل حاد بالقرب من أقطاب كهربائية ذات انحناء كبير للسطح. يمكن أن تكون هذه الأبراج ، والصواري ، والأسلاك ، وعناصر مختلفة من المعدات الكهربائية التي لها شكل معقد ، وحتى شعر بشري. يسمى هذا القطب الكهربائي الإكليل. عمليات التأين ، وبالتالي ، فإن توهج الغاز يحدث بالقرب منه فقط.
يمكن أن تتشكل الهالة على كل من الكاثود (الإكليل السالب) عندما يتم قصفها بالأيونات ، وعلى الأنود (الموجب) نتيجة التأين الضوئي. تتميز الهالة السالبة ، التي يتم فيها توجيه عملية التأين بعيدًا عن القطب نتيجة الانبعاث الحراري ، بتوهج متساوٍ. في الهالة الموجبة ، يمكن ملاحظة اللافتات - خطوط مضيئة لتكوين معطل يمكن أن تتحول إلى قنوات شرارة.
من الأمثلة على التفريغ الإكليلي في الظروف الطبيعية تلك التي تحدث على أطراف الصواري العالية ، وقمم الأشجار ، وما إلى ذلك. تتشكل بقوة مجال كهربائي عالية في الغلاف الجوي ، غالبًا قبل عاصفة رعدية أو أثناء عاصفة ثلجية. بالإضافة إلى ذلك ، تم تثبيتها على جلد الطائرات التي سقطت في سحابة من الرماد البركاني.
يؤدي تفريغ كورونا على أسلاك خطوط الكهرباء إلى خسائر كبيرة في الكهرباء. عند الجهد العالي ، يمكن أن يتحول تفريغ الهالة إلى قوس. يتم مكافحتها بطرق مختلفة ، على سبيل المثال ، عن طريق زيادة نصف قطر انحناء الموصلات.
التيار الكهربائي في الغازات والبلازما
يُطلق على الغاز المتأين كليًا أو جزئيًا اسم البلازما ويعتبر الحالة الرابعة للمادة. بشكل عام ، البلازما محايدة كهربائياً ، لأن الشحنة الكلية للجسيمات المكونة لها هي صفر. وهذا ما يميزه عن الأنظمة الأخرى للجسيمات المشحونة ، مثل الحزم الإلكترونية على سبيل المثال.
في ظل الظروف الطبيعية ، تتشكل البلازما ، كقاعدة عامة ، في درجات حرارة عالية بسبب اصطدام ذرات الغاز بسرعات عالية. الغالبية العظمى من المادة الباريونية في الكون في حالة البلازما. هذه هي النجوم ، جزء من مادة بين النجوم ، غاز بين المجرات. طبقة الأيونوسفير للأرض هي أيضًا بلازما متأينة ضعيفة التأين.
درجة التأين هي خاصية مهمة للبلازما ، وتعتمد عليها خصائصها الموصلة. يتم تعريف درجة التأين على أنها نسبة عدد الذرات المتأينة إلى العدد الإجمالي للذرات لكل وحدة حجم. كلما تأين البلازما ، زادت موصليةها الكهربائية. بالإضافة إلى ذلك ، لديها قدرة عالية على الحركة.
لذلك نرى أن الغازات التي توصل الكهرباء داخل قناة التفريغ ما هي إلا بلازما. وبالتالي ، فإن التفريغ الوهج والإكليل أمثلة على البلازما الباردة ؛ تعتبر قناة الشرارة أو القوس الكهربائي أمثلة على البلازما الساخنة المتأينة بالكامل تقريبًا.
التيار الكهربائي في المعادن والسوائل والغازات - الاختلافات والتشابهات
دعونا نفكر في الميزات التي تميز تفريغ الغاز مقارنة بخصائص التيار في الوسائط الأخرى.
في المعادن ، التيار هو الحركة الموجهة للإلكترونات الحرة التي لا تنطوي على تغييرات كيميائية. تسمى الموصلات من هذا النوع الموصلات من النوع الأول ؛ وتشمل هذه بالإضافة إلى المعادن والسبائك والفحم وبعض الأملاح والأكاسيد. تتميز بالموصلية الإلكترونية.
الموصلات من النوع الثاني هي الإلكتروليتات ، أي المحاليل المائية السائلة للقلويات والأحماض والأملاح. يرتبط مرور التيار بتغير كيميائي في المنحل بالكهرباء - التحليل الكهربائي. أيونات مادة مذابة في الماء ، تحت تأثير فرق الجهد ، تتحرك في اتجاهين متعاكسين: الكاتيونات الموجبة - إلى الكاثود ، والأنيونات السالبة - إلى القطب الموجب. تكون العملية مصحوبة بتطور غاز أو ترسب طبقة معدنية على الكاثود. تتميز الموصلات من النوع الثاني بالتوصيل الأيوني.
أما بالنسبة للتوصيلية للغازات فهي أولاً مؤقتة ، وثانياً لها علامات تشابه واختلاف مع كل منها. لذلك ، فإن التيار الكهربائي في كل من الإلكتروليتات والغازات هو انجراف للجسيمات المشحونة عكسيا موجهة نحو الأقطاب الكهربائية المعاكسة. ومع ذلك ، في حين تتميز الإلكتروليتات بالتوصيل الأيوني البحت ، في تفريغ الغاز مع مزيج من أنواع الموصلية الإلكترونية والأيونية ، فإن الدور الرائد ينتمي إلى الإلكترونات. الفرق الآخر بين التيار الكهربائي في السوائل والغازات هو طبيعة التأين. في المنحل بالكهرباء ، تنفصل جزيئات المركب المذاب في الماء ، ولكن في الغاز ، لا تتفكك الجزيئات ، ولكنها تفقد الإلكترونات فقط. لذلك ، فإن تصريف الغاز ، مثل التيار في المعادن ، لا يرتبط بالتغيرات الكيميائية.
كما أن التيار في السوائل والغازات مختلف. تخضع موصلية الإلكتروليتات ككل لقانون أوم ، ولكن لا يتم ملاحظتها أثناء تفريغ الغاز. تتميز خاصية فولت أمبير للغازات بطابع أكثر تعقيدًا يرتبط بخصائص البلازما.
يجب الإشارة أيضًا إلى السمات العامة والمميزة للتيار الكهربائي في الغازات وفي الفراغ. الفراغ هو تقريبا عازل مثالي. "تقريبًا" - لأنه في الفراغ ، على الرغم من عدم وجود ناقلات شحن مجانية (بتعبير أدق ، تركيز منخفض للغاية) ، من الممكن أيضًا وجود تيار. لكن الناقلات المحتملة موجودة بالفعل في الغاز ، فهي تحتاج فقط إلى التأين. يتم إحضار ناقلات الشحن في الفراغ من المادة. كقاعدة عامة ، يحدث هذا في عملية انبعاث الإلكترون ، على سبيل المثال ، عند تسخين الكاثود (انبعاث حراري). ولكن ، كما رأينا ، تلعب الانبعاثات أيضًا دورًا مهمًا في أنواع مختلفة من تصريفات الغاز.
استخدام تصريفات الغاز في التكنولوجيا
تمت بالفعل مناقشة الآثار الضارة لبعض التصريفات بإيجاز أعلاه. الآن دعنا ننتبه إلى الفوائد التي يجلبونها في الصناعة وفي الحياة اليومية.
يستخدم تفريغ الوهج في الهندسة الكهربائية (مثبتات الجهد) ، في تكنولوجيا الطلاء (طريقة رش الكاثود المبنية على ظاهرة تآكل الكاثود). في الإلكترونيات ، يتم استخدامه لإنتاج حزم الأيونات والإلكترون. من المجالات المعروفة لتطبيق تصريفات التوهج مصابيح الفلورسنت وما يسمى بالمصابيح الاقتصادية وأنابيب تفريغ النيون والأرجون المزخرفة. بالإضافة إلى ذلك ، يتم استخدام التفريغ المتوهج في التحليل الطيفي وفي التحليل الطيفي.
يتم استخدام تفريغ الشرارة في الصمامات ، وفي طرق التآكل الكهربائي للمعالجة الدقيقة للمعادن (القطع بالشرر ، والحفر ، وما إلى ذلك). لكنها تشتهر باستخدام محركات الاحتراق الداخلي في شمعات الإشعال والأجهزة المنزلية (مواقد الغاز).
تم استخدام تفريغ القوس لأول مرة في تقنية الإضاءة في عام 1876 (شمعة Yablochkov - "الضوء الروسي") ، ولا يزال يعمل كمصدر للضوء - على سبيل المثال ، في أجهزة العرض والمصابيح الكاشفة القوية. في الهندسة الكهربائية ، يستخدم القوس في مقومات الزئبق. بالإضافة إلى ذلك ، يتم استخدامه في اللحام الكهربائي ، وقطع المعادن ، والأفران الكهربائية الصناعية لصهر الفولاذ والسبائك.
يجد تفريغ كورونا تطبيقًا في المرسبات الكهروستاتيكية لتنقية الغاز الأيوني ، في عدادات الجسيمات الأولية ، في قضبان الصواعق ، في أنظمة تكييف الهواء. يعمل تفريغ الهالة أيضًا في آلات التصوير وطابعات الليزر ، حيث يتم شحن وتفريغ الأسطوانة الحساسة للضوء ونقل المسحوق من الأسطوانة إلى الورق.
وبالتالي ، يتم استخدام تصريفات الغاز بجميع أنواعها على نطاق واسع. يتم استخدام التيار الكهربائي في الغازات بنجاح وفعالية في العديد من مجالات التكنولوجيا.
