Ce este curent în gaze. Caracteristica volt-amperi a descărcării în gaz. Utilizarea descărcărilor de gaze în tehnologie
Se formează prin mișcarea direcționată a electronilor liberi și că în acest caz nu se produc modificări ale substanței din care este făcut conductorul.
Astfel de conductoare, în care trecerea unui curent electric nu este însoțită de modificări chimice ale substanței lor, se numesc conductoare de primul fel. Acestea includ toate metalele, cărbunele și o serie de alte substanțe.
Dar există și astfel de conductori de curent electric în natură, în care fenomene chimice apar în timpul trecerii curentului. Acești conductori se numesc conductoare de al doilea fel. Acestea includ în principal diverse soluții în apă de acizi, săruri și alcalii.
Dacă în vas de sticlă turnați apă și adăugați câteva picături de acid sulfuric (sau alt acid sau alcalin), apoi luați două plăci metalice și atașați conductorii de ele coborând aceste plăci într-un vas și conectați o sursă de curent la celelalte capete ale conductoarele printr-un comutator și un ampermetru, apoi gazul va fi eliberat din soluție și va continua continuu până când circuitul este închis. apa acidificată este într-adevăr un conductor. În plus, plăcile vor începe să fie acoperite cu bule de gaz. Apoi aceste bule se vor desprinde din farfurii și vor ieși.
Când un curent electric trece prin soluție, apar modificări chimice, în urma cărora se eliberează gaz.
Conductorii de al doilea fel se numesc electroliți, iar fenomenul care are loc în electrolit atunci când un curent electric trece prin el este.
Plăcile metalice scufundate în electrolit se numesc electrozi; unul dintre ele, conectat la polul pozitiv al sursei de curent, se numește anod, iar celălalt, conectat la polul negativ, se numește catod.
Ce cauzează trecerea curentului electric într-un conductor lichid? Se dovedește că în astfel de soluții (electroliți) molecule acide (alcaline, săruri) sub acțiunea unui solvent (în acest caz apa) se descompune în două componente și o particulă a moleculei are o sarcină electrică pozitivă, iar cealaltă negativă.
Particulele unei molecule care au o sarcină electrică se numesc ioni. Când un acid, sare sau alcali este dizolvat în apă, în soluție apar un număr mare de ioni pozitivi și negativi.
Acum ar trebui să devină clar de ce electricitate, deoarece între electrozii conectați la sursa de curent, creat, cu alte cuvinte, unul dintre ei s-a dovedit a fi încărcat pozitiv, iar celălalt negativ. Sub influența acestei diferențe de potențial, ionii pozitivi au început să se miște spre electrodul negativ - catod, iar ionii negativi - spre anod.
Astfel, mișcarea haotică a ionilor a devenit o contra-mișcare ordonată a ionilor negativi într-o direcție și a celor pozitivi în cealaltă. Acest proces de transfer de sarcină constituie fluxul de curent electric prin electrolit și are loc atâta timp cât există o diferență de potențial între electrozi. Odată cu dispariția diferenței de potențial, curentul prin electrolit se oprește, mișcarea ordonată a ionilor este perturbată și mișcarea haotică se instalează din nou.
Ca exemplu, luați în considerare fenomenul de electroliză atunci când un curent electric trece printr-o soluție vitriol albastru CuSO4 cu electrozi de cupru coborâți în el.
Fenomenul de electroliză atunci când curentul trece printr-o soluție de sulfat de cupru: C - vas cu electrolit, B - sursă de curent, C - comutator
Va exista, de asemenea, o contra mișcare a ionilor către electrozi. Ionul pozitiv va fi ionul de cupru (Cu), iar ionul negativ va fi ionul rezidual acid (SO4). Ionii de cupru, la contactul cu catodul, vor fi descărcați (atașând electronii lipsă la ei înșiși), adică se vor transforma în molecule neutre de cupru pur și se vor depune pe catod sub forma celui mai subțire strat (molecular).
Ionii negativi, ajungând la anod, sunt și ei descărcați (dau electroni în exces). Dar în același timp intră reactie chimica cu cupru anod, în urma căruia la reziduul acid SO4 se adaugă o moleculă de cupru Cu și se formează o moleculă de sulfat de cupru CuS O4, care este returnată în electrolit.
Pentru că acest proces chimic este perioadă lungă de timp, apoi cuprul este depus pe catod, care este eliberat din electrolit. În acest caz, în locul moleculelor de cupru care au ajuns la catod, electrolitul primește noi molecule de cupru datorită dizolvării celui de-al doilea electrod - anodul.
Același proces are loc dacă se iau electrozi de zinc în loc de cei de cupru, iar electrolitul este o soluție de sulfat de zinc ZnSO4. Zincul va fi, de asemenea, transferat de la anod la catod.
Prin urmare, diferența dintre curentul electric din metale și conductorii de lichid constă în faptul că în metale doar electronii liberi, adică sarcinile negative, sunt purtători de sarcină, în timp ce în electroliți sunt transportați de particule de materie încărcate opus - ioni care se mișcă în direcții opuse. Prin urmare ei spun că electroliții au conductivitate ionică.
Fenomenul electrolizei a fost descoperit în 1837 de B. S. Jacobi, care a efectuat numeroase experimente privind studiul și îmbunătățirea surselor de curent chimic. Jacobi a descoperit că unul dintre electrozii plasați într-o soluție de sulfat de cupru, când trece un curent electric prin el, este acoperit cu cupru.
Acest fenomen se numește galvanizare, constată acum extrem de mare uz practic. Un exemplu în acest sens este acoperirea obiectelor metalice cu un strat subțire de alte metale, adică placarea cu nichel, aurirea, placarea cu argint etc.
Gazele (inclusiv aerul) nu conduc electricitatea în condiții normale. De exemplu, goale, fiind suspendate paralel unele cu altele, sunt izolate una de alta printr-un strat de aer.
Cu toate acestea, sub influența temperaturii ridicate, a unei diferențe mari de potențial și a altor motive, gazele, cum ar fi conductorii de lichid, ionizează, adică particulele de molecule de gaz apar în ele în număr mare, care, fiind purtători de electricitate, contribuie la trecerea. de curent electric prin gaz.
Dar, în același timp, ionizarea unui gaz diferă de ionizarea unui conductor lichid. Dacă o moleculă se rupe în două părți încărcate într-un lichid, atunci în gaze, sub acțiunea ionizării, electronii sunt întotdeauna separați de fiecare moleculă și un ion rămâne sub forma unei părți încărcate pozitiv a moleculei.
Trebuie doar să opriți ionizarea gazului, deoarece acesta încetează să mai fie conducător, în timp ce lichidul rămâne întotdeauna un conductor de curent electric. În consecință, conductivitatea unui gaz este un fenomen temporar, în funcție de acțiunea unor cauze externe.
Cu toate acestea, mai există unul numit descărcare cu arc sau doar un arc electric. Fenomenul arcului electric a fost descoperit la începutul secolului al XIX-lea de către primul inginer electric rus V. V. Petrov.
V. V. Petrov, făcând numeroase experimente, a constatat că între doi cărbune conectat la o sursă de curent, se produce o descărcare electrică continuă prin aer, însoțită de lumină puternică. În scrierile sale, V. V. Petrov a scris că, în acest caz, „pacea întunecată poate fi destul de puternic luminată”. Așadar, pentru prima dată s-a obținut lumină electrică, care a fost aplicată practic de un alt electronist rus Pavel Nikolaevich Yablochkov.
„Lumânarea lui Yablochkov”, a cărei lucrare se bazează pe utilizarea unui arc electric, a făcut o adevărată revoluție în inginerie electrică în acele vremuri.
Descărcarea cu arc este folosită ca sursă de lumină și astăzi, de exemplu, în proiectoare și proiectoare. Căldură descărcarea arcului vă permite să-l utilizați pentru . În prezent, cuptoarele cu arc electric sunt foarte mare putere, sunt utilizate într-o serie de industrii: pentru topirea oțelului, fontei, feroaliajelor, bronzului etc. Și în 1882, N. N. Benardos a folosit pentru prima dată o descărcare cu arc pentru tăierea și sudarea metalului.
În tuburi de lumină cu gaz, lămpi fluorescente, stabilizatoare de tensiune, pentru a obține fascicule de electroni și ioni, așa-numitele descărcare de gaz strălucitor.
O descărcare de scânteie este utilizată pentru a măsura diferențe mari de potențial folosind un spațiu între bile, ai cărui electrozi sunt două bile metalice cu o suprafață lustruită. Bilele sunt depărtate și li se aplică o diferență de potențial măsurată. Apoi bilele sunt aduse împreună până când o scânteie sare între ele. Cunoscând diametrul bilelor, distanța dintre ele, presiunea, temperatura și umiditatea aerului, găsesc diferența de potențial dintre bile conform tabelelor speciale. Această metodă poate fi utilizată pentru a măsura, cu câteva procente, diferențe de potențial de ordinul a zeci de mii de volți.
Rezumat de fizică
pe tema:
„Curentul electric în gaze”.
Curentul electric în gaze.
1. Descărcări electrice în gaze.
Toate gazele în starea lor naturală nu conduc electricitatea. Acest lucru se poate observa din următoarea experiență:
Să luăm un electrometru cu discuri ale unui condensator plat atașat la el și să-l încărcăm. La temperatura camerei dacă aerul este suficient de uscat, condensatorul nu se descarcă vizibil - poziția acului electrometrului nu se schimbă. Este nevoie de mult timp pentru a observa o scădere a unghiului de deviere a acului electrometrului. Aceasta arată că curentul electric din aer între discuri este foarte mic. Această experiență arată că aerul este un slab conductor al curentului electric.
Să modificăm experimentul: să încălzim aerul dintre discuri cu flacăra unei lămpi cu alcool. Apoi unghiul de deviere al indicatorului electrometrului scade rapid, adică diferența de potențial dintre discurile condensatorului scade - condensatorul este descărcat. În consecință, aerul încălzit dintre discuri a devenit conductor și în el se stabilește un curent electric.
Proprietățile izolatoare ale gazelor se explică prin faptul că în ele nu există sarcini electrice libere: atomii și moleculele gazelor în starea lor naturală sunt neutre.
2. Ionizarea gazelor.
Experiența de mai sus arată că particulele încărcate apar în gaze sub influența temperaturii ridicate. Ele apar ca urmare a divizării unuia sau mai multor electroni din atomii de gaz, în urma căreia apar un ion pozitiv și electroni în locul unui atom neutru. O parte din electronii formați pot fi captate de alți atomi neutri și apoi vor apărea mai mulți ioni negativi. Se numește descompunerea moleculelor de gaz în electroni și ioni pozitivi ionizarea gazelor.
Încălzirea unui gaz la o temperatură ridicată nu este singura cale ionizarea moleculelor sau atomilor unui gaz. Ionizarea gazelor se poate produce sub influența diferitelor interacțiuni externe: încălzirea puternică a gazului, razele X, razele a-, b- și g provenite din dezintegrarea radioactivă, razele cosmice, bombardarea moleculelor de gaz de către electroni sau ioni în mișcare rapidă. Factorii care provoacă ionizarea gazelor se numesc ionizatoare. Caracteristica cantitativă a procesului de ionizare este intensitatea ionizării, măsurată prin numărul de perechi de particule încărcate opuse în semn care apar într-o unitate de volum de gaz pe unitatea de timp.
Ionizarea unui atom necesită cheltuirea unei anumite energie - energia de ionizare. Pentru a ioniza un atom (sau moleculă), este necesar să se lucreze împotriva forțelor de interacțiune dintre electronul ejectat și restul particulelor atomului (sau moleculei). Aceasta lucrare se numeste munca de ionizare A i . Valoarea muncii de ionizare depinde de natura chimica starea gazoasă și energetică a unui electron ejectat într-un atom sau moleculă.
După terminarea ionizatorului, numărul de ioni din gaz scade în timp și în cele din urmă ionii dispar cu totul. Dispariția ionilor se explică prin faptul că ionii și electronii sunt implicați în mișcarea termicăși prin urmare se ciocnesc unul de altul. Când un ion pozitiv și un electron se ciocnesc, se pot reuni într-un atom neutru. În același mod, atunci când un ion pozitiv și negativ se ciocnește, ionul negativ poate ceda electronul în exces la ionul pozitiv, iar ambii ioni se vor transforma în atomi neutri. Acest proces de neutralizare reciprocă a ionilor se numește recombinarea ionilor. Când un ion pozitiv și un electron sau doi ioni se recombină, o anumită energie este eliberată, egal cu energia cheltuită pentru ionizare. Parțial, este emis sub formă de lumină și, prin urmare, recombinarea ionilor este însoțită de luminescență (luminescența recombinării).
În fenomenele de descărcare electrică în gaze mare rol joacă ionizarea atomilor prin impactul electronilor. Acest proces constă în faptul că un electron în mișcare cu energie cinetică suficientă scoate unul sau mai mulți electroni atomici din el atunci când se ciocnește cu un atom neutru, în urma căruia atomul neutru se transformă într-un ion pozitiv și apar noi electroni în gazul (asta va fi discutată mai târziu).
Tabelul de mai jos prezintă energiile de ionizare ale unor atomi.
3. Mecanismul conductivității electrice a gazelor.
Mecanismul de conductivitate a gazului este similar cu mecanismul de conductivitate a soluțiilor de electroliți și a topiturii. Cu absenta câmp extern particulele încărcate, precum moleculele neutre, se mișcă aleatoriu. Dacă ionii și electronii liberi se află în exterior câmp electric, apoi intră în mișcare direcționată și creează un curent electric în gaze.
Astfel, curentul electric dintr-un gaz este o mișcare direcționată a ionilor pozitivi către catod și a ionilor negativi și a electronilor către anod. Curentul total din gaz este compus din două fluxuri de particule încărcate: fluxul care merge la anod și fluxul direcționat către catod.
Neutralizarea particulelor încărcate are loc pe electrozi, ca în cazul trecerii curentului electric prin soluții și topituri de electroliți. Cu toate acestea, în gaze nu există eliberare de substanțe pe electrozi, așa cum este cazul soluțiilor de electroliți. Ionii de gaz, care se apropie de electrozi, le dau sarcinile lor, se transformă în molecule neutre și difuzează înapoi în gaz.
O altă diferență a conductivității electrice a gazelor ionizate și a soluțiilor (topituri) de electroliți este că sarcina negativă în timpul trecerii curentului prin gaze este transferată în principal nu de ionii negativi, ci de electroni, deși conductivitatea datorată ionilor negativi poate juca, de asemenea, un rol important. anumit rol.
Astfel, gazele combină conductivitatea electronică, similară conductivității metalelor, cu conductivitatea ionică, similară conductivității soluțiilor apoase și topiturii electroliților.
4. Descărcare de gaz neautosusținută.
Procesul de trecere a curentului electric printr-un gaz se numește descărcare gazoasă. Dacă conductivitatea electrică a gazului este creată de ionizatori externi, atunci curentul electric care apare în el se numește descărcare de gaze neauto-susținută. Odată cu încetarea acțiunii ionizatorilor externi, descărcarea ne-susținută încetează. O descărcare de gaz care nu se autosusține nu este însoțită de strălucire de gaz.
Mai jos este un grafic al dependenței puterii curentului de tensiune pentru o descărcare neauto-susținută într-un gaz. Un tub de sticlă cu doi electrozi metalici lipiți în sticlă a fost folosit pentru a reprezenta graficul. Lanțul este asamblat așa cum se arată în figura de mai jos.
La o anumită tensiune, vine un moment în care toate particulele încărcate formate în gaz de ionizator într-o secundă ajung la electrozi în același timp. O creștere suplimentară a tensiunii nu mai poate duce la o creștere a numărului de ioni transportați. Curentul ajunge la saturație (secțiunea orizontală a graficului 1).
5. Descărcare independentă de gaz.
Se numește o descărcare electrică într-un gaz care persistă după încetarea acțiunii unui ionizator extern descărcare independentă de gaz. Pentru implementarea sa, este necesar ca, ca urmare a descărcării în sine, să se formeze continuu încărcături gratuite în gaz. Principala sursă a apariției lor este ionizarea prin impact a moleculelor de gaz.
Dacă, după atingerea saturației, continuăm să creștem diferența de potențial dintre electrozi, atunci puterea curentului la o tensiune suficient de mare va crește brusc (graficul 2).
Aceasta înseamnă că în gaz apar ioni suplimentari, care se formează datorită acțiunii ionizatorului. Puterea curentului poate crește de sute și mii de ori, iar numărul de particule încărcate care apar în timpul procesului de descărcare poate deveni atât de mare încât nu mai este necesar un ionizator extern pentru a menține descărcarea. Prin urmare, ionizatorul poate fi acum îndepărtat.
Care sunt motivele creșterii puternice a intensității curentului la tensiuni înalte? Să considerăm orice pereche de particule încărcate (un ion pozitiv și un electron) formată datorită acțiunii unui ionizator extern. Electronul liber care apare în acest fel începe să se deplaseze spre electrodul pozitiv - anod, iar ionul pozitiv - spre catod. Pe drum, electronul întâlnește ioni și atomi neutri. În intervalele dintre două ciocniri succesive, energia electronului crește datorită muncii forțelor câmpului electric.
 |
Cu cât diferența de potențial dintre electrozi este mai mare, cu atât intensitatea câmpului electric este mai mare. Energia cinetică a unui electron înainte de următoarea ciocnire este proporțională cu intensitatea câmpului și cu calea liberă a electronului: MV 2 /2=eEl. Dacă energia cinetică a unui electron depășește munca A i care trebuie făcută pentru a ioniza un atom (sau moleculă) neutru, i.e. MV 2 >A i , atunci când un electron se ciocnește cu un atom (sau moleculă), acesta este ionizat. Ca urmare, în loc de un electron, apar doi electroni (atacând atomul și smulși din atom). Ei, la rândul lor, primesc energie în câmp și ionizează atomii care se apropie etc. Ca urmare, numărul de particule încărcate crește rapid și apare o avalanșă de electroni. Procesul descris este numit ionizare prin impact de electroni.
Dar ionizarea numai prin impactul electronilor nu poate asigura menținerea unei sarcini independente. Într-adevăr, până la urmă, toți electronii care iau naștere în acest fel se deplasează spre anod și, la atingerea anodului, „iasă din joc”. Pentru a menține descărcarea este nevoie de emisia de electroni din catod („emisia” înseamnă „emisie”). Emisia unui electron se poate datora mai multor motive.
Ionii pozitivi formați în timpul ciocnirii electronilor cu atomii neutri, la deplasarea spre catod, capătă o energie cinetică mare sub acțiunea câmpului. Când astfel de ioni rapizi lovesc catodul, electronii sunt scoși de pe suprafața catodului.
În plus, catodul poate emite electroni atunci când este încălzit la o temperatură ridicată. Acest proces se numește emisie termoionică. Poate fi considerată ca evaporarea electronilor din metal. În multe substanțe solide, emisia termoionică are loc la temperaturi la care evaporarea substanței în sine este încă mică. Astfel de substanțe sunt utilizate pentru fabricarea catozilor.
În timpul autodescărcării, catodul poate fi încălzit prin bombardarea acestuia cu ioni pozitivi. Dacă energia ionilor nu este prea mare, atunci nu există nicio eliminare a electronilor din catod și electronii sunt emiși datorită emisiei termoionice.
6. Diferite tipuri de autodescărcare și aplicarea lor tehnică.
În funcție de proprietățile și starea gazului, de natura și locația electrozilor, precum și de tensiunea aplicată electrozilor, tipuri diferite rang independent. Să luăm în considerare câteva dintre ele.
A. Descărcări mocnite.
Se observă o descărcare strălucitoare în gaze la presiuni joase de ordinul a câteva zeci de milimetri de mercur și mai puțin. Dacă luăm în considerare un tub cu o descărcare luminoasă, putem vedea că părțile principale ale unei descărcări luminoase sunt catod Space Dark, departe de el negativ sau strălucire mocnitoare, care trece treptat în zonă Faraday spațiu întunecat. Aceste trei regiuni formează partea catodică a descărcării, urmată de partea luminoasă principală a descărcării, care determină proprietățile sale optice și se numește coloană pozitivă.
Rolul principal în menținerea descărcării strălucitoare este jucat de primele două regiuni ale părții sale catodice. trăsătură caracteristică Acest tip de descărcare este o scădere bruscă a potențialului în apropierea catodului, care este asociată cu o concentrație mare de ioni pozitivi la limita regiunilor I și II, datorită vitezei relativ scăzute a ionilor la catod. În spațiul întunecat al catodului, există o accelerare puternică a electronilor și ionilor pozitivi, eliminând electronii din catod. În regiunea strălucirii strălucitoare, electronii produc ionizare intensă de impact a moleculelor de gaz și își pierd energia. Aici se formează ioni pozitivi, care sunt necesari pentru a menține descărcarea. Intensitatea câmpului electric în această regiune este scăzută. Strălucirea mocnită este cauzată în principal de recombinarea ionilor și electronilor. Lungimea spațiului întunecat catodic este determinată de proprietățile gazului și ale materialului catodic.
În regiunea coloanei pozitive, concentrația de electroni și ioni este aproximativ aceeași și foarte mare, ceea ce duce la o conductivitate electrică ridicată a coloanei pozitive și la o scădere ușoară a potențialului în ea. Stralucirea coloanei pozitive este determinată de strălucirea moleculelor de gaz excitat. În apropierea anodului, se observă din nou o schimbare relativ bruscă a potențialului, care este asociată cu procesul de generare a ionilor pozitivi. În unele cazuri, coloana pozitivă se împarte în zone luminoase separate - strate, separate prin spații întunecate.
Coloana pozitivă nu joacă un rol semnificativ în menținerea descărcării strălucitoare; prin urmare, pe măsură ce distanța dintre electrozii tubului scade, lungimea coloanei pozitive scade și poate dispărea cu totul. Situația este diferită cu lungimea spațiului întunecat al catodului, care nu se schimbă atunci când electrozii se apropie unul de celălalt. Dacă electrozii sunt atât de apropiați încât distanța dintre ei devine mai mică decât lungimea spațiului întunecat al catodului, atunci descărcarea strălucitoare în gaz se va opri. Experimentele arată că, în condițiile egale, lungimea d a spațiului întunecat catodic este invers proporțională cu presiunea gazului. În consecință, la presiuni suficient de scăzute, electronii scoși din catod de ionii pozitivi trec prin gaz aproape fără ciocniri cu moleculele sale, formând electronic, sau raze catodice .
Descărcarea strălucitoare este utilizată în tuburi de lumină cu gaz, lămpi fluorescente, stabilizatori de tensiune, pentru a obține fascicule de electroni și ioni. Dacă se face o fantă în catod, atunci fascicule de ioni înguste trec prin el în spațiul din spatele catodului, adesea numit razele canalului. fenomen larg utilizat pulverizare catodică, adică distrugerea suprafeței catodului sub acțiunea ionilor pozitivi care îl lovesc. Fragmente ultramicroscopice ale materialului catodic zboară în toate direcțiile de-a lungul liniilor drepte și acoperă suprafața corpurilor (în special dielectricii) plasate într-un tub cu un strat subțire. În acest fel, se realizează oglinzi pentru o serie de dispozitive, se aplică un strat subțire de metal pe fotocelulele cu seleniu.
b. Descărcarea corona.
O descărcare corona are loc atunci când presiune normalăîntr-un gaz într-un câmp electric foarte neomogen (de exemplu, lângă vârfuri sau fire ale liniilor de înaltă tensiune). Într-o descărcare corona, ionizarea gazului și strălucirea sa apar numai în apropierea electrozilor corona. În cazul coroanei catodului (corona negativă), electronii care provoacă ionizarea prin impact a moleculelor de gaz sunt scoși din catod atunci când acesta este bombardat cu ioni pozitivi. Dacă anodul este corona (corona pozitivă), atunci nașterea electronilor are loc datorită fotoionizării gazului în apropierea anodului. Corona este un fenomen dăunător, însoțit de scurgeri și pierderi de curent energie electrica. Pentru a reduce coroana, raza de curbură a conductorilor este mărită, iar suprafața acestora este făcută cât mai netedă. La o tensiune suficient de mare între electrozi, descărcarea corona se transformă într-o scânteie.
La o tensiune crescută, descărcarea corona de pe vârf ia forma unor linii luminoase care emană din vârf și alternează în timp. Aceste linii, având o serie de îndoituri și îndoituri, formează un fel de perie, în urma căreia o astfel de descărcare se numește carpian .
Un nor de tunet încărcat induce pe suprafața Pământului de sub el sarcini electrice semnul opus. O sarcină deosebit de mare se acumulează pe vârfuri. Prin urmare, înaintea unei furtuni sau în timpul unei furtuni, conurile de lumină ca niște perii se aprind adesea pe punctele și colțurile ascuțite ale obiectelor foarte ridicate. Din cele mai vechi timpuri, această strălucire a fost numită focul Sfântului Elm.
Mai ales de multe ori alpiniștii devin martori ai acestui fenomen. Uneori chiar nu numai obiecte metalice, dar capetele părului de pe cap sunt decorate cu mici ciucuri luminoși.
Descărcarea corona trebuie luată în considerare atunci când aveți de-a face cu tensiune înaltă. Dacă există părți proeminente sau foarte fire subțiri descărcarea corona poate începe. Acest lucru duce la scurgeri de energie. Cu cât tensiunea liniei de înaltă tensiune este mai mare, cu atât firele ar trebui să fie mai groase.
C. Descărcare prin scânteie.
Descărcarea scânteii are aspectul unor filamente-canale ramificate în zig-zag strălucitoare care pătrund în golul de descărcare și dispar, fiind înlocuite cu altele noi. Studiile au arătat că canalele de descărcare de scânteie încep să crească uneori de la electrodul pozitiv, alteori de la negativ și uneori de la un punct între electrozi. Acest lucru se explică prin faptul că ionizarea prin impact în cazul unei descărcări de scânteie are loc nu pe întregul volum de gaz, ci prin canale individuale care trec în acele locuri în care concentrația de ioni s-a dovedit accidental a fi cea mai mare. O descărcare de scânteie este însoțită de eliberarea unei cantități mari de căldură, o strălucire strălucitoare de gaz, trosnet sau tunet. Toate aceste fenomene sunt cauzate de avalanșe de electroni și ioni care apar în canalele de scântei și duc la o creștere uriașă a presiunii, ajungând la 10 7 ¸10 8 Pa, și o creștere a temperaturii până la 10.000 °C.
Un exemplu tipic de descărcare de scânteie este fulgerul. Canalul principal de fulger are un diametru de 10 până la 25 cm, iar lungimea fulgerului poate ajunge la câțiva kilometri. Curentul maxim al unui impuls de fulger ajunge la zeci și sute de mii de amperi.
Cu o lungime mică a golului de descărcare, descărcarea scânteii provoacă o distrugere specifică a anodului, numită eroziune. Acest fenomen a fost folosit în metoda electrospark de tăiere, găurire și alte tipuri de prelucrare de precizie a metalelor.
Eclatorul este utilizat ca protector la supratensiune în liniile de transmisie electrică (de exemplu, liniile telefonice). Dacă în apropierea liniei trece un curent puternic de scurtă durată, atunci în firele acestei linii sunt induse tensiuni și curenți, ceea ce poate distruge instalatie electricași periculos pentru viața umană. Pentru a evita acest lucru, se folosesc siguranțe speciale, formate din doi electrozi curbați, dintre care unul este conectat la linie, iar celălalt este împământat. Dacă potențialul liniei în raport cu pământul crește foarte mult, atunci între electrozi are loc o descărcare de scânteie, care, împreună cu aerul încălzit de aceasta, se ridică, se prelungește și se rupe.
În cele din urmă, o scânteie electrică este utilizată pentru a măsura diferențe mari de potențial folosind golul mingii, ai căror electrozi sunt două bile metalice cu suprafață lustruită. Bilele sunt depărtate și li se aplică o diferență de potențial măsurată. Apoi bilele sunt aduse împreună până când o scânteie sare între ele. Cunoscând diametrul bilelor, distanța dintre ele, presiunea, temperatura și umiditatea aerului, găsesc diferența de potențial dintre bile conform tabelelor speciale. Această metodă poate fi utilizată pentru a măsura, cu câteva procente, diferențe de potențial de ordinul a zeci de mii de volți.
D. Descărcarea arcului.
Descărcarea arcului a fost descoperită de V. V. Petrov în 1802. Această descărcare este una dintre formele de descărcare gazoasă, care are loc la o densitate mare de curent și o tensiune relativ scăzută între electrozi (de ordinul câtorva zeci de volți). Cauza principală a descărcării arcului este emisia intensă de termoelectroni de către un catod fierbinte. Acești electroni accelerează câmp electricși produc ionizare prin impact a moleculelor de gaz, datorită căreia rezistența electrică a spațiului de gaz dintre electrozi este relativ mică. Dacă reducem rezistența circuitului extern, creștem curentul de descărcare a arcului, atunci conductivitatea spațiului de gaz va crește atât de mult încât tensiunea dintre electrozi scade. Prin urmare, se spune că descărcarea arcului are o caracteristică curent-tensiune în scădere. La presiune atmosferică temperatura catodului ajunge la 3000 °C. Electronii, bombardând anodul, creează o adâncitură (crater) în el și îl încălzesc. Temperatura craterului este de aproximativ 4000 °C, iar la presiuni mari ale aerului ajunge la 6000-7000 °C. Temperatura gazului din canalul de descărcare a arcului ajunge la 5000-6000 °C, astfel încât are loc o ionizare termică intensă.
Într-un număr de cazuri, o descărcare cu arc este de asemenea observată la o temperatură relativ scăzută a catodului (de exemplu, într-o lampă cu arc cu mercur).
În 1876, P. N. Yablochkov a folosit pentru prima dată un arc electric ca sursă de lumină. În „lumânarea Yablochkov”, cărbunii erau aranjați în paralel și separați printr-un strat curbat, iar capetele lor erau conectate printr-un „punte de aprindere” conductiv. Când curentul a fost pornit, puntea de aprindere a ars și s-a format un arc electric între cărbuni. Pe măsură ce cărbunii ardeau, stratul izolator s-a evaporat.
Descărcarea cu arc este folosită ca sursă de lumină și astăzi, de exemplu, în proiectoare și proiectoare.
Temperatura ridicată a descărcării arcului face posibilă utilizarea acestuia pentru construcția unui cuptor cu arc. În prezent, cuptoarele cu arc alimentate cu un curent foarte mare sunt utilizate într-o serie de industrii: pentru topirea oțelului, fontei, feroaliajelor, bronzului, producerea carburii de calciu, oxidului de azot etc.
În 1882, N. N. Benardos a folosit pentru prima dată o descărcare cu arc pentru tăierea și sudarea metalului. Descărcarea dintre un electrod de carbon fix și metal încălzește joncțiunea a două foi de metal (sau plăci) și le sudează. Benardos a folosit aceeași metodă pentru a tăia plăci metalice și a face găuri în ele. În 1888, N. G. Slavyanov a îmbunătățit această metodă de sudare prin înlocuirea electrodului de carbon cu unul metalic.
Descărcarea arcului și-a găsit aplicație într-un redresor cu mercur, care transformă un curent electric alternativ într-un curent continuu.
E. Plasma.
Plasma este un gaz parțial sau complet ionizat în care densitățile sarcinilor pozitive și negative sunt aproape aceleași. Astfel, plasma în ansamblu este un sistem neutru din punct de vedere electric.
Caracteristica cantitativă a plasmei este gradul de ionizare. Gradul de ionizare a plasmei a este raportul dintre concentrația în volum a particulelor încărcate și concentrația în volum totală a particulelor. În funcție de gradul de ionizare, plasma se împarte în slab ionizat(a este fracțiuni de procent), parțial ionizat (a de ordinul câtorva procente) și complet ionizat (a este aproape de 100%). Plasmă slab ionizată conditii naturale sunt straturile superioare ale atmosferei – ionosfera. Soarele, stelele fierbinți și unii nori interstelari sunt plasmă complet ionizată care se formează la temperaturi ridicate.
Energii medii tipuri variate particulele care alcătuiesc plasma pot diferi semnificativ unele de altele. Prin urmare, plasma nu poate fi caracterizată printr-o singură valoare a temperaturii T; Se face distincția între temperatura electronilor T e, temperatura ionilor Ti (sau temperaturile ionilor, dacă în plasmă există mai multe tipuri de ioni) și temperatura atomilor neutri T a (componenta neutră). O astfel de plasmă se numește non-izotermă, spre deosebire de plasma izotermă, în care temperaturile tuturor componentelor sunt aceleași.
Plasma se împarte în temperatură înaltă (T i »10 6 -10 8 K și mai mult) și temperatură joasă!!! (T i<=10 5 К). Это условное разделение связано с особой влажностью высокотемпературной плазмы в связи с проблемой осуществления управляемого термоядерного синтеза.
Plasma are o serie de proprietăți specifice, ceea ce ne permite să o considerăm ca o a patra stare specială a materiei.
Datorită mobilității mari a particulelor de plasmă încărcate, acestea se mișcă cu ușurință sub influența câmpurilor electrice și magnetice. Prin urmare, orice încălcare a neutralității electrice a regiunilor individuale ale plasmei, cauzată de acumularea de particule cu același semn de sarcină, este rapid eliminată. Câmpurile electrice rezultate mișcă particulele încărcate până când neutralitatea electrică este restabilită și câmpul electric devine zero. Spre deosebire de un gaz neutru, între ale cărui molecule există forțe cu rază scurtă de acțiune, între particulele de plasmă încărcate există forțe Coulomb care scad relativ lent cu distanța. Fiecare particulă interacționează imediat cu un număr mare de particule din jur. Datorită acestui fapt, împreună cu mișcarea termică haotică, particulele de plasmă pot participa la diferite mișcări ordonate. Diferite tipuri de oscilații și unde sunt ușor de excitat într-o plasmă.
Conductivitatea plasmei crește pe măsură ce crește gradul de ionizare. La temperaturi ridicate, o plasmă complet ionizată se apropie de supraconductori în ceea ce privește conductivitatea sa.
Plasma la temperatură joasă este utilizată în sursele de lumină cu descărcare în gaz - în tuburi luminoase pentru inscripții publicitare, în lămpi fluorescente. O lampă cu descărcare în gaz este utilizată în multe dispozitive, de exemplu, în laserele cu gaz - surse de lumină cuantică.
Plasma de înaltă temperatură este utilizată în generatoarele magnetohidrodinamice.
Un nou dispozitiv, lanterna cu plasmă, a fost creat recent. Plasmatronul creează jeturi puternice de plasmă densă la temperatură joasă, care sunt utilizate pe scară largă în diferite domenii ale tehnologiei: pentru tăierea și sudarea metalelor, forarea puțurilor în roci dure etc.
Lista literaturii folosite:
1) Fizica: Electrodinamica. 10-11 celule: manual. pentru studiul aprofundat al fizicii / G. Ya. Myakishev, A. Z. Sinyakov, B. A. Slobodskov. - Ediția a II-a - M.: Drofa, 1998. - 480 p.
2) Curs de fizică (în trei volume). T. II. electricitate și magnetism. Proc. manual pentru colegii tehnice. / Detlaf A.A., Yavorsky B. M., Milkovskaya L. B. Izd. a 4-a, revizuită. - M.: Şcoala superioară, 1977. - 375 p.
3) Electricitate./E. G. Kalașnikov. Ed. „Știință”, Moscova, 1977.
4) Fizica./B. B. Buhovtsev, Yu. L. Klimontovich, G. Ya. Myakishev. Ediția a III-a, revizuită. – M.: Iluminismul, 1986.
Un curent electric este un flux care este cauzat de mișcarea ordonată a particulelor încărcate electric. Mișcarea sarcinilor este luată ca direcție a curentului electric. Curentul electric poate fi pe termen scurt și pe termen lung.
Conceptul de curent electric
În timpul descărcării unui fulger, poate apărea un curent electric, care se numește pe termen scurt. Și pentru a menține curentul pentru o lungă perioadă de timp, este necesar să aveți un câmp electric și purtători de încărcare electrică liberi.
Un câmp electric este creat de corpuri încărcate diferit. Puterea curentului este raportul dintre sarcina transferată prin secțiunea transversală a conductorului într-un interval de timp și acest interval de timp. Se măsoară în amperi.
Orez. 1. Formula curentă
Curentul electric în gaze
Moleculele de gaz nu conduc electricitatea în condiții normale. Sunt izolatori (dielectrici). Cu toate acestea, dacă condițiile de mediu sunt modificate, gazele pot deveni conductoare de electricitate. Ca urmare a ionizării (în timpul încălzirii sau sub acțiunea radiațiilor radioactive), în gaze ia naștere un curent electric, care este adesea înlocuit cu termenul „descărcare electrică”.
Descărcări de gaze auto-susținute și neauto-susținute
Descărcările în gaze pot fi auto-susținute și non-auto-susținute. Curentul începe să existe când apar taxe gratuite. Descărcările care nu se autosusțin există atâta timp cât o forță externă acționează asupra ei, adică un ionizator extern. Adică, dacă ionizatorul extern încetează să funcționeze, atunci curentul se oprește.
O descărcare independentă a curentului electric în gaze există chiar și după terminarea ionizatorului extern. Descărcările independente în fizică sunt împărțite în liniște, mocnit, arc, scânteie, coroană.
- Liniște - cea mai slabă dintre evacuările independente. Puterea curentului în el este foarte mică (nu mai mult de 1 mA). Nu este însoțită de fenomene sonore sau luminoase.
- Mocnit - dacă creșteți tensiunea într-o descărcare liniștită, aceasta trece la următorul nivel - la o descărcare strălucitoare. În acest caz, apare o strălucire, care este însoțită de recombinare. Recombinare - procesul de ionizare inversă, întâlnirea unui electron cu un ion pozitiv. Este folosit în lămpi bactericide și de iluminat.
Orez. 2. Descărcare strălucitoare
- Arc - puterea curentului variază de la 10 A la 100 A. În acest caz, ionizarea este de aproape 100%. Acest tip de descărcare are loc, de exemplu, în timpul funcționării unui aparat de sudură.
Orez. 3. Descărcarea arcului
- sclipitoare - poate fi considerat unul dintre tipurile de descărcare cu arc. În timpul unei astfel de descărcări, o anumită cantitate de electricitate curge într-un timp foarte scurt.
- descărcare corona – ionizarea moleculelor are loc în apropierea electrozilor cu raze mici de curbură. Acest tip de sarcină apare atunci când intensitatea câmpului electric se modifică dramatic.
Ce am învățat?
Prin ei înșiși, atomii și moleculele unui gaz sunt neutre. Se încarcă atunci când sunt expuse la exterior. Vorbind pe scurt despre curentul electric din gaze, este o mișcare direcționată a particulelor (ioni pozitivi către catod și ionii negativi către anod). De asemenea, este important ca atunci când gazul este ionizat, proprietățile sale conductoare să se îmbunătățească.
Subiecte ale codificatorului USE: purtători de sarcini electrice gratuite în gaze.
În condiții obișnuite, gazele constau din atomi sau molecule neutre din punct de vedere electric; Aproape că nu există taxe gratuite pentru gaze. Prin urmare gazele sunt dielectrice- curent electric nu trece prin ele.
Am spus „aproape niciunul” pentru că de fapt, în gaze și, în special, în aer, există întotdeauna o anumită cantitate de particule încărcate libere. Ele apar ca urmare a efectului ionizant al radiațiilor de la substanțele radioactive care alcătuiesc scoarța terestră, radiațiile ultraviolete și cu raze X de la soare, precum și razele cosmice - fluxuri de particule de înaltă energie care pătrund în atmosfera pământului din spațiul cosmic. . Mai târziu vom reveni asupra acestui fapt și vom discuta despre importanța lui, dar deocamdată vom observa doar că în condiții normale conductivitatea gazelor, cauzată de cantitatea „naturală” de încărcări gratuite, este neglijabilă și poate fi ignorată.
Acțiunea întrerupătoarelor în circuitele electrice se bazează pe proprietățile izolatoare ale întrefierului ( fig. 1). De exemplu, un mic spațiu de aer într-un întrerupător de lumină este suficient pentru a deschide un circuit electric în camera ta.
Orez. 1 cheie
Este posibil, totuși, să se creeze astfel de condiții în care un curent electric va apărea în golul de gaz. Să luăm în considerare următoarea experiență.
Încărcăm plăcile condensatorului de aer și le conectăm la un galvanometru sensibil (Fig. 2, stânga). La temperatura camerei și la aer nu prea umed, galvanometrul nu va afișa un curent vizibil: spațiul nostru de aer, așa cum am spus, nu este un conductor de electricitate.
Orez. 2. Apariția curentului în aer
Acum să aducem flacăra unui arzător sau a unei lumânări în golul dintre plăcile condensatorului (Fig. 2, în dreapta). Apare curent! De ce?
Taxe gratuite la gaz
Apariția unui curent electric între plăcile condensatorului înseamnă că în aer a apărut sub influența flăcării taxe gratuite. Ce anume?
Experiența arată că curentul electric din gaze este o mișcare ordonată a particulelor încărcate. trei tipuri. Acest electroni, ionii pozitiviȘi ioni negativi.
Să vedem cum pot apărea aceste încărcături într-un gaz.
Pe măsură ce temperatura gazului crește, vibrațiile termice ale particulelor sale - molecule sau atomi - devin mai intense. Impactul particulelor unul împotriva celuilalt atinge o astfel de forță încât ionizare- dezintegrarea particulelor neutre în electroni și ioni pozitivi (Fig. 3).
Orez. 3. Ionizare
Gradul de ionizare este raportul dintre numărul de particule de gaz degradate și numărul total inițial de particule. De exemplu, dacă gradul de ionizare este , atunci aceasta înseamnă că particulele de gaz originale s-au degradat în ioni și electroni pozitivi.
Gradul de ionizare a gazului depinde de temperatură și crește brusc odată cu creșterea acesteia. Pentru hidrogen, de exemplu, la o temperatură sub gradul de ionizare nu depășește , iar la o temperatură peste gradul de ionizare este aproape de (adică hidrogenul este aproape complet ionizat (gazul parțial sau complet ionizat se numește plasmă)).
Pe lângă temperatura ridicată, există și alți factori care provoacă ionizarea gazului.
Le-am menționat deja în treacăt: acestea sunt radiații radioactive, ultraviolete, raze X și raze gamma, particule cosmice. Orice astfel de factor care provoacă ionizarea unui gaz se numește ionizator.
Astfel, ionizarea nu are loc de la sine, ci sub influența unui ionizator.
În același timp, procesul invers recombinare, adică reunirea unui electron și a unui ion pozitiv într-o particulă neutră (Fig. 4).
Orez. 4. Recombinare
Motivul recombinării este simplu: este atracția coulombiană a electronilor și ionilor încărcați opus. Se repezi unul spre celălalt sub acțiunea forțelor electrice, se întâlnesc și au ocazia să formeze un atom neutru (sau moleculă - în funcție de tipul de gaz).
La o intensitate constantă a acțiunii ionizatorului, se stabilește un echilibru dinamic: numărul mediu de particule care se descompun pe unitatea de timp este egal cu numărul mediu de particule recombinate (cu alte cuvinte, viteza de ionizare este egală cu viteza de recombinare). acțiunea ionizatorului este întărită (de exemplu, temperatura este crescută), apoi echilibrul dinamic se va schimba în direcția de ionizare, iar concentrația de particule încărcate în gaz va crește. Dimpotrivă, dacă opriți ionizatorul, recombinarea va începe să prevaleze, iar încărcările gratuite vor dispărea complet treptat.
Deci, ionii și electronii pozitivi apar în gaz ca urmare a ionizării. De unde provine al treilea tip de sarcini - ionii negativi? Foarte simplu: un electron poate zbura într-un atom neutru și se poate alătura lui! Acest proces este prezentat în Fig. 5 .
Orez. 5. Apariția unui ion negativ
Ionii negativi formați în acest fel vor participa la crearea curentului împreună cu ionii pozitivi și electronii.
Descărcare fără sine
Dacă nu există un câmp electric extern, atunci încărcările libere efectuează mișcare termică haotică împreună cu particulele de gaz neutre. Dar când se aplică un câmp electric, începe mișcarea ordonată a particulelor încărcate - curent electric în gaz.
Orez. 6. Descărcare neauto-susținută
Pe fig. 6 vedem trei tipuri de particule încărcate care apar în golul de gaz sub acțiunea unui ionizator: ioni pozitivi, ioni negativi și electroni. Un curent electric într-un gaz se formează ca urmare a mișcării care se apropie a particulelor încărcate: ioni pozitivi - la electrodul negativ (catod), electroni și ionii negativi - la electrodul pozitiv (anod).
Electronii, care cad pe anodul pozitiv, sunt trimiși de-a lungul circuitului către „plusul” sursei de curent. Ionii negativi donează un electron suplimentar anodului și, devenind particule neutre, revin în gaz; electronul dat anodului se grăbește și el către „plusul” sursei. Ionii pozitivi, venind la catod, iau electroni de acolo; lipsa de electroni rezultată la catod este compensată imediat prin livrarea lor acolo din „minus” sursei. Ca urmare a acestor procese, în circuitul extern are loc o mișcare ordonată a electronilor. Acesta este curentul electric înregistrat de galvanometru.
Procesul descris în Fig. 6 este numit descărcare neautosusținutăîn gaz. De ce dependent? Prin urmare, pentru a-l menține, este necesară acțiunea constantă a ionizatorului. Să scoatem ionizatorul - și curentul se va opri, deoarece mecanismul care asigură apariția încărcărilor gratuite în golul de gaz va dispărea. Spațiul dintre anod și catod va deveni din nou un izolator.
Caracteristica volt-amperi a descărcării în gaz
Dependența puterii curentului prin golul de gaz de tensiunea dintre anod și catod (așa-numita caracteristica curent-tensiune a descărcării gazelor) este prezentată în fig. 7.
Orez. 7. Caracteristica volt-amperi a descărcării în gaz
La tensiune zero, puterea curentului, desigur, este egală cu zero: particulele încărcate efectuează doar mișcare termică, nu există o mișcare ordonată între electrozi.
Cu o tensiune mică, puterea curentului este, de asemenea, mică. Faptul este că nu toate particulele încărcate sunt destinate să ajungă la electrozi: unii dintre ionii și electronii pozitivi în procesul mișcării lor se găsesc și se recombină.
Pe măsură ce tensiunea crește, sarcinile libere dezvoltă din ce în ce mai multă viteză și cu atât sunt mai puține șanse ca un ion pozitiv și un electron să se întâlnească și să se recombine. Prin urmare, o parte din ce în ce mai mare a particulelor încărcate ajunge la electrozi, iar puterea curentului crește (secțiunea ).
La o anumită valoare a tensiunii (punctul ), viteza de încărcare devine atât de mare încât recombinarea nu are timp să apară deloc. De acum Toate particulele încărcate formate sub acțiunea ionizatorului ajung la electrozi și curentul ajunge la saturație- Și anume, puterea curentului încetează să se schimbe odată cu creșterea tensiunii. Acest lucru va continua până la un anumit punct.
autodescărcare
După trecerea punctului, puterea curentului crește brusc odată cu creșterea tensiunii - începe descărcare independentă. Acum ne vom da seama ce este.
Particulele de gaz încărcate se deplasează de la coliziune la coliziune; în intervalele dintre ciocniri, acestea sunt accelerate de un câmp electric, crescându-le energia cinetică. Și acum, când tensiunea devine suficient de mare (în același punct), electronii în timpul drumului lor liber ajung la astfel de energii încât atunci când se ciocnesc cu atomii neutri, îi ionizează! (Folosind legile conservării impulsului și energiei, se poate demonstra că electronii (și nu ionii) accelerați de un câmp electric au capacitatea maximă de a ioniza atomii.
Asa numitul ionizare prin impact de electroni. Electronii scoși din atomii ionizați sunt, de asemenea, accelerați de câmpul electric și lovesc noi atomi, ionizându-i acum și generând noi electroni. Ca urmare a avalanșei de electroni, numărul de atomi ionizați crește rapid, drept urmare și puterea curentului crește rapid.
Numărul de încărcări gratuite devine atât de mare încât necesitatea unui ionizator extern este eliminată. Poate fi eliminat pur și simplu. Particulele încărcate libere sunt acum generate ca urmare a intern procesele care au loc în gaz - de aceea descărcarea se numește independentă.
Dacă golul de gaz este sub tensiune înaltă, atunci nu este necesar niciun ionizator pentru autodescărcare. Este suficient să găsiți un singur electron liber în gaz și va începe avalanșa de electroni descrisă mai sus. Și întotdeauna va exista cel puțin un electron liber!
Să ne amintim încă o dată că într-un gaz, chiar și în condiții normale, există o anumită cantitate „naturală” de încărcături gratuite, datorită radiațiilor radioactive ionizante ale scoarței terestre, radiațiilor de înaltă frecvență de la Soare și razelor cosmice. Am văzut că la tensiuni joase conductivitatea gazului cauzată de aceste încărcări libere este neglijabilă, dar acum - la o tensiune înaltă - vor da naștere unei avalanșe de noi particule, dând naștere la o descărcare independentă. Se va întâmpla așa cum se spune dărâma golul de gaz.
Intensitatea câmpului necesară pentru descompunerea aerului uscat este de aproximativ kV/cm. Cu alte cuvinte, pentru ca o scânteie să sară între electrozi despărțiți de un centimetru de aer, trebuie să li se aplice o tensiune de kilovolt. Imaginează-ți ce tensiune este necesară pentru a străbate câțiva kilometri de aer! Dar tocmai astfel de defecțiuni apar în timpul unei furtuni - acestea sunt fulgere bine cunoscute de tine.
Nu există dielectrici absoluti în natură. Mișcarea ordonată a particulelor - purtătoare de sarcină electrică - adică curent, poate fi cauzată în orice mediu, dar aceasta necesită condiții speciale. Vom lua în considerare aici cum se întâmplă fenomenele electrice în gaze și cum un gaz poate fi schimbat dintr-un dielectric foarte bun într-un conductor foarte bun. Vom fi interesați de condițiile în care apare și, de asemenea, de ce caracteristici este caracterizat curentul electric în gaze.
Proprietățile electrice ale gazelor
Un dielectric este o substanță (mediu) în care concentrația de particule - purtători liberi ai unei sarcini electrice - nu atinge nicio valoare semnificativă, drept urmare conductivitatea este neglijabilă. Toate gazele sunt dielectrice bune. Proprietățile lor izolante sunt folosite peste tot. De exemplu, în orice întrerupător, deschiderea circuitului are loc atunci când contactele sunt aduse într-o astfel de poziție încât se formează un spațiu de aer între ele. Firele din liniile electrice sunt, de asemenea, izolate unele de altele printr-un strat de aer.
Unitatea structurală a oricărui gaz este o moleculă. Este format din nuclee atomice și nori de electroni, adică este o colecție de sarcini electrice distribuite în spațiu într-un fel. O moleculă de gaz se poate datora particularităților structurii sale sau poate fi polarizată sub acțiunea unui câmp electric extern. Marea majoritate a moleculelor care alcătuiesc un gaz sunt neutre din punct de vedere electric în condiții normale, deoarece încărcăturile din ele se anulează reciproc.
Dacă gazului i se aplică un câmp electric, moleculele vor lua o orientare de dipol, ocupând o poziție spațială care compensează efectul câmpului. Particulele încărcate prezente în gaz sub influența forțelor Coulomb vor începe să se deplaseze: ionii pozitivi - în direcția catodului, ionii negativi și electronii - spre anod. Totuși, dacă câmpul are un potențial insuficient, nu are loc un singur flux direcționat de sarcini și se poate vorbi mai degrabă de curenți separati, atât de slabi încât ar trebui neglijați. Gazul se comportă ca un dielectric.
Astfel, pentru apariția unui curent electric în gaze sunt necesare o concentrație mare de purtători liberi de sarcină și prezența unui câmp.
Ionizare
Procesul de creștere asemănătoare unei avalanșe a numărului de încărcări libere dintr-un gaz se numește ionizare. În consecință, un gaz în care există o cantitate semnificativă de particule încărcate se numește ionizat. În astfel de gaze se creează un curent electric.
Procesul de ionizare este asociat cu o încălcare a neutralității moleculelor. Ca urmare a detașării unui electron, apar ioni pozitivi, atașarea unui electron la o moleculă duce la formarea unui ion negativ. În plus, există mulți electroni liberi într-un gaz ionizat. Ionii pozitivi și în special electronii sunt principalii purtători de sarcină pentru curentul electric din gaze.
Ionizarea are loc atunci când o anumită cantitate de energie este transmisă unei particule. Astfel, un electron extern din compoziția unei molecule, după ce a primit această energie, poate părăsi molecula. Ciocnirile reciproce ale particulelor încărcate cu cele neutre duc la eliminarea de noi electroni, iar procesul capătă un caracter de avalanșă. De asemenea, crește energia cinetică a particulelor, ceea ce promovează foarte mult ionizarea.
De unde provine energia cheltuită pentru excitarea curentului electric în gaze? Ionizarea gazelor are mai multe surse de energie, conform cărora se obișnuiește să-i denumească tipurile.
- Ionizare printr-un câmp electric. În acest caz, energia potențială a câmpului este convertită în energia cinetică a particulelor.
- Ionizare termică. O creștere a temperaturii duce și la formarea unui număr mare de încărcări gratuite.
- Fotoionizare. Esența acestui proces este că electronii sunt alimentați cu energie prin cuante de radiație electromagnetică - fotoni, dacă au o frecvență suficient de mare (ultraviolete, raze X, cuante gamma).
- Ionizarea prin impact este rezultatul conversiei energiei cinetice a particulelor care se ciocnesc în energia detașării electronilor. Împreună cu ionizarea termică, servește ca principal factor în excitarea curentului electric în gaze.
Fiecare gaz este caracterizat de o anumită valoare de prag - energia de ionizare necesară pentru ca un electron să se desprindă de o moleculă, depășind o barieră de potențial. Această valoare pentru primul electron variază de la câțiva volți la două zeci de volți; este nevoie de mai multă energie pentru a detașa următorul electron din moleculă și așa mai departe.
Trebuie avut în vedere faptul că, simultan cu ionizarea în gaz, are loc procesul invers - recombinare, adică refacerea moleculelor neutre sub acțiunea forțelor de atracție Coulomb.
Evacuarea gazelor și tipurile sale
Deci, curentul electric din gaze se datorează mișcării ordonate a particulelor încărcate sub acțiunea unui câmp electric aplicat acestora. Prezența unor astfel de sarcini, la rândul său, este posibilă datorită diferiților factori de ionizare.
Astfel, ionizarea termică necesită temperaturi semnificative, dar o flacără deschisă în legătură cu unele procese chimice contribuie la ionizare. Chiar și la o temperatură relativ scăzută în prezența unei flăcări, apariția unui curent electric în gaze este înregistrată, iar experimentul cu conductivitatea gazului facilitează verificarea acestui lucru. Este necesar să plasați flacăra unui arzător sau lumânare între plăcile unui condensator încărcat. Circuitul deschis anterior din cauza spațiului de aer din condensator se va închide. Un galvanometru conectat la circuit va arăta prezența curentului.
Curentul electric din gaze se numește descărcare gazoasă. Trebuie avut în vedere că, pentru a menține stabilitatea descărcării, acțiunea ionizatorului trebuie să fie constantă, deoarece datorită recombinării constante, gazul își pierde proprietățile conductoare electric. Unii purtători de curent electric în gaze - ioni - sunt neutralizați pe electrozi, alții - electroni - ajungând la anod, sunt trimiși către „plusul” sursei de câmp. Dacă factorul de ionizare încetează să funcționeze, gazul va deveni imediat din nou dielectric și curentul va înceta. Un astfel de curent, dependent de acțiunea unui ionizator extern, se numește descărcare neauto-susținută.
Caracteristicile trecerii curentului electric prin gaze sunt descrise printr-o dependență specială a intensității curentului de tensiune - caracteristica curent-tensiune.
Să luăm în considerare dezvoltarea unei descărcări de gaz pe graficul dependenței curent-tensiune. Când tensiunea crește la o anumită valoare U 1, curentul crește proporțional cu aceasta, adică legea lui Ohm este îndeplinită. Energia cinetică crește și, prin urmare, viteza sarcinilor în gaz, iar acest proces este înaintea recombinării. La valori de tensiune de la U 1 la U 2, această relație este încălcată; când se atinge U2, toți purtătorii de sarcină ajung la electrozi fără a avea timp să se recombine. Sunt implicate toate taxele gratuite, iar o creștere suplimentară a tensiunii nu duce la o creștere a curentului. Această natură a mișcării sarcinilor se numește curent de saturație. Astfel, putem spune că curentul electric din gaze se datorează și particularităților comportării unui gaz ionizat în câmpuri electrice de diferite puteri.
Când diferența de potențial între electrozi atinge o anumită valoare U 3 , tensiunea devine suficientă pentru ca câmpul electric să provoace o ionizare asemănătoare avalanșei a gazului. Energia cinetică a electronilor liberi este deja suficientă pentru ionizarea prin impact a moleculelor. În același timp, viteza lor în majoritatea gazelor este de aproximativ 2000 km/s și mai mare (se calculează prin formula aproximativă v=600 U i , unde U i este potențialul de ionizare). În acest moment, are loc o defalcare a gazului și are loc o creștere semnificativă a curentului datorită unei surse interne de ionizare. Prin urmare, o astfel de descărcare se numește independentă.
Prezența unui ionizator extern în acest caz nu mai joacă un rol în menținerea unui curent electric în gaze. O descărcare autonomă în condiții diferite și cu caracteristici diferite ale sursei de câmp electric poate avea anumite caracteristici. Există tipuri de auto-descărcare precum strălucirea, scânteia, arcul și coroana. Ne vom uita la modul în care curentul electric se comportă în gaze, pe scurt pentru fiecare dintre aceste tipuri.
O diferență de potențial de la 100 (și chiar mai puțin) la 1000 de volți este suficientă pentru a iniția o autodescărcare. Prin urmare, o descărcare strălucitoare, caracterizată printr-o putere scăzută a curentului (de la 10 -5 A la 1 A), are loc la presiuni de cel mult câțiva milimetri de mercur.
Într-un tub cu un gaz rarefiat și electrozi reci, descărcarea strălucitoare care apare arată ca un cordon luminos subțire între electrozi. Dacă continuăm să pompăm gazul din tub, filamentul va fi spălat, iar la presiuni de zecimi de milimetri de mercur, strălucirea umple tubul aproape complet. Strălucirea este absentă în apropierea catodului - în așa-numitul spațiu catodic întunecat. Restul se numește coloană pozitivă. În acest caz, principalele procese care asigură existența descărcării sunt localizate precis în spațiul catodic întunecat și în regiunea adiacentă acestuia. Aici, particulele de gaz încărcate sunt accelerate, eliminând electronii din catod.
Într-o descărcare strălucitoare, cauza ionizării este emisia de electroni din catod. Electronii emiși de catod produc ionizare prin impact a moleculelor de gaz, ionii pozitivi emergenti provoacă emisie secundară din catod și așa mai departe. Strălucirea coloanei pozitive se datorează în principal reculului fotonilor de către moleculele de gaz excitate, iar diferitele gaze sunt caracterizate de strălucirea unei anumite culori. Coloana pozitivă participă la formarea unei descărcări luminoase numai ca o secțiune a circuitului electric. Dacă apropiați electrozii, puteți obține dispariția coloanei pozitive, dar descărcarea nu se va opri. Cu toate acestea, cu o reducere suplimentară a distanței dintre electrozi, descărcarea strălucitoare nu poate exista.
Trebuie remarcat faptul că pentru acest tip de curent electric în gaze, fizica unor procese nu a fost încă pe deplin elucidată. De exemplu, natura forțelor care provoacă o creștere a curentului pentru a extinde zona de pe suprafața catodului care participă la descărcare rămâne neclară.
descărcare de scânteie
Defectarea scânteii are un caracter pulsat. Apare la presiuni apropiate de atmosfera normală, în cazurile în care puterea sursei de câmp electric nu este suficientă pentru a menține o descărcare staționară. În acest caz, puterea câmpului este mare și poate ajunge la 3 MV/m. Fenomenul se caracterizează printr-o creștere bruscă a curentului electric de descărcare în gaz, în același timp tensiunea scade extrem de rapid, iar descărcarea se oprește. Apoi diferența de potențial crește din nou și întregul proces se repetă.
Cu acest tip de descărcare, se formează canale de scânteie pe termen scurt, a căror creștere poate începe din orice punct dintre electrozi. Acest lucru se datorează faptului că ionizarea de impact are loc aleatoriu în locurile în care în prezent este concentrat cel mai mare număr de ioni. În apropierea canalului de scânteie, gazul se încălzește rapid și suferă dilatare termică, ceea ce provoacă unde acustice. Prin urmare, descărcarea scânteii este însoțită de trosnet, precum și de eliberare de căldură și o strălucire strălucitoare. Procesele de ionizare a avalanșelor generează presiuni și temperaturi ridicate de până la 10.000 de grade și mai mult în canalul de scânteie.
Cel mai izbitor exemplu de descărcare naturală de scânteie este fulgerul. Diametrul canalului principal de scânteie de fulger poate varia de la câțiva centimetri până la 4 m, iar lungimea canalului poate ajunge la 10 km. Mărimea curentului ajunge la 500 de mii de amperi, iar diferența de potențial dintre un nor cu tunete și suprafața Pământului ajunge la un miliard de volți.
Cel mai lung fulger cu o lungime de 321 km a fost observat în 2007 în Oklahoma, SUA. Deținătorul recordului pe durata a fost fulgerul, înregistrat în 2012 în Alpii francezi - a durat peste 7,7 secunde. Când este lovit de fulger, aerul se poate încălzi până la 30 de mii de grade, ceea ce este de 6 ori mai mare decât temperatura suprafeței vizibile a Soarelui.
În cazurile în care puterea sursei de câmp electric este suficient de mare, descărcarea scânteii se dezvoltă într-o descărcare de arc.
Acest tip de descărcare autonomă se caracterizează prin densitate mare de curent și tensiune scăzută (mai mică decât descărcarea luminoasă). Distanța de defalcare este mică datorită apropierii electrozilor. Descărcarea este inițiată de emisia unui electron de pe suprafața catodului (pentru atomii de metal, potențialul de ionizare este mic în comparație cu moleculele de gaz). În timpul unei defecțiuni între electrozi, se creează condiții în care gazul conduce un curent electric și are loc o descărcare de scânteie, care închide circuitul. Dacă puterea sursei de tensiune este suficient de mare, descărcările de scânteie se transformă într-un arc electric stabil.
Ionizarea în timpul unei descărcări cu arc ajunge la aproape 100%, puterea curentului este foarte mare și poate varia de la 10 la 100 de amperi. La presiunea atmosferică, arcul este capabil să se încălzească până la 5-6 mii de grade, iar catodul - până la 3 mii de grade, ceea ce duce la o emisie termoionică intensă de la suprafața sa. Bombardarea anodului cu electroni duce la distrugere parțială: pe el se formează o adâncitură - un crater cu o temperatură de aproximativ 4000 ° C. O creștere a presiunii determină o creștere și mai mare a temperaturii.
La diluarea electrozilor, descărcarea arcului rămâne stabilă până la o anumită distanță, ceea ce face posibilă tratarea acesteia în acele părți ale echipamentelor electrice în care este dăunătoare din cauza coroziunii și arderii contactelor cauzate de acesta. Acestea sunt dispozitive precum întrerupătoarele automate și de înaltă tensiune, contactoarele și altele. Una dintre metodele de combatere a arcului care apare la deschiderea contactelor este utilizarea jgheaburilor de arc bazate pe principiul extinderii arcului. Se mai folosesc multe alte metode: manevrarea contactelor, folosirea materialelor cu potential ridicat de ionizare etc.
Dezvoltarea unei descărcări corona are loc la presiunea atmosferică normală în câmpuri puternic neomogene în apropierea electrozilor cu o curbură mare a suprafeței. Acestea pot fi turle, catarge, fire, diverse elemente ale echipamentelor electrice care au o formă complexă și chiar păr uman. Un astfel de electrod se numește electrod corona. Procesele de ionizare și, în consecință, strălucirea gazului au loc numai în apropierea acestuia.
Corona se poate forma atât pe catod (corona negativă) când este bombardată cu ioni, cât și pe anod (pozitivă) ca urmare a fotoionizării. Corona negativă, în care procesul de ionizare este îndreptat departe de electrod ca urmare a emisiei termice, se caracterizează printr-o strălucire uniformă. În corona pozitivă, pot fi observate streamere - linii luminoase cu o configurație întreruptă care se pot transforma în canale de scânteie.
Un exemplu de descărcare corona în condiții naturale sunt cele care apar pe vârfurile catargelor înalte, vârfurile copacilor și așa mai departe. Ele se formează la o intensitate mare a câmpului electric în atmosferă, adesea înainte de o furtună sau în timpul unei furtuni de zăpadă. În plus, acestea au fost fixate pe pielea aeronavelor care au căzut într-un nor de cenușă vulcanică.
Descărcarea corona pe firele liniilor electrice duce la pierderi semnificative de energie electrică. La o tensiune înaltă, o descărcare corona se poate transforma într-un arc. Se combate în diferite moduri, de exemplu, prin creșterea razei de curbură a conductorilor.
Curentul electric în gaze și plasmă
Un gaz ionizat complet sau parțial se numește plasmă și este considerat a patra stare a materiei. În general, plasma este neutră din punct de vedere electric, deoarece sarcina totală a particulelor sale constitutive este zero. Acest lucru îl diferențiază de alte sisteme de particule încărcate, cum ar fi, de exemplu, fasciculele de electroni.
În condiții naturale, plasma se formează, de regulă, la temperaturi ridicate din cauza ciocnirii atomilor de gaz la viteze mari. Marea majoritate a materiei barionice din Univers se află în stare de plasmă. Acestea sunt stele, parte din materia interstelară, gaz intergalactic. Ionosfera Pământului este, de asemenea, o plasmă rarefiată, slab ionizată.
Gradul de ionizare este o caracteristică importantă a unei plasme; proprietățile sale conductoare depind de el. Gradul de ionizare este definit ca raportul dintre numărul de atomi ionizați și numărul total de atomi pe unitate de volum. Cu cât plasma este mai ionizată, cu atât conductivitatea electrică este mai mare. În plus, are o mobilitate ridicată.
Vedem, prin urmare, că gazele care conduc electricitatea în canalul de descărcare nu sunt altceva decât plasmă. Astfel, descărcările strălucitoare și corona sunt exemple de plasmă rece; un canal de scânteie de fulger sau un arc electric sunt exemple de plasmă fierbinte, aproape complet ionizată.
Curentul electric în metale, lichide și gaze - diferențe și asemănări
Să luăm în considerare caracteristicile care caracterizează descărcarea de gaz în comparație cu proprietățile curentului în alte medii.
În metale, curentul este mișcarea direcționată a electronilor liberi care nu implică modificări chimice. Conductorii de acest tip se numesc conductoare de primul fel; acestea includ, pe lângă metale și aliaje, cărbunele, unele săruri și oxizi. Se disting prin conductivitate electronică.
Conductorii de al doilea fel sunt electroliții, adică soluții apoase lichide de alcalii, acizi și săruri. Trecerea curentului este asociată cu o schimbare chimică a electrolitului - electroliza. Ionii unei substanțe dizolvați în apă, sub acțiunea unei diferențe de potențial, se deplasează în direcții opuse: cationi pozitivi - la catod, anioni negativi - la anod. Procesul este însoțit de degajare de gaz sau depunerea unui strat metalic pe catod. Conductorii de al doilea fel sunt caracterizați prin conductivitate ionică.
În ceea ce privește conductivitatea gazelor, aceasta este, în primul rând, temporară și, în al doilea rând, are semne de similitudine și diferență cu fiecare dintre ele. Deci, curentul electric atât în electroliți, cât și în gaze este o deriva de particule cu încărcare opusă direcționate către electrozii opuși. Cu toate acestea, în timp ce electroliții sunt caracterizați prin conductivitate pur ionică, într-o descărcare de gaz cu o combinație de tipuri de conductivitate electronică și ionică, rolul principal revine electronilor. O altă diferență între curentul electric din lichide și gaze este natura ionizării. Într-un electrolit, moleculele unui compus dizolvat se disociază în apă, dar într-un gaz, moleculele nu se descompun, ci doar pierd electroni. Prin urmare, descărcarea de gaz, ca și curentul din metale, nu este asociată cu modificări chimice.
De asemenea, curentul din lichide și gaze nu este același. Conductivitatea electroliților în ansamblu respectă legea lui Ohm, dar nu este observată în timpul unei descărcări de gaz. Caracteristica volt-amper a gazelor are un caracter mult mai complex asociat cu proprietățile plasmei.
De asemenea, trebuie menționate caracteristicile generale și distinctive ale curentului electric în gaze și în vid. Vidul este un dielectric aproape perfect. „Aproape” – pentru că în vid, în ciuda absenței (mai precis, a unei concentrații extrem de scăzute) a purtătorilor de încărcare liberi, este posibil și un curent. Dar potențialii purtători sunt deja prezenți în gaz, ei trebuie doar ionizați. Purtătorii de încărcare sunt aduși în vid din materie. De regulă, acest lucru are loc în procesul de emisie de electroni, de exemplu, atunci când catodul este încălzit (emisia termionică). Dar, după cum am văzut, emisiile joacă, de asemenea, un rol important în diferite tipuri de evacuări de gaze.
Utilizarea descărcărilor de gaze în tehnologie
Efectele nocive ale anumitor deversări au fost deja discutate pe scurt mai sus. Acum să fim atenți la beneficiile pe care le aduc în industrie și în viața de zi cu zi.
Descărcarea strălucitoare este utilizată în inginerie electrică (stabilizatori de tensiune), în tehnologia de acoperire (metoda de pulverizare catodică bazată pe fenomenul coroziunii catodice). În electronică, este folosit pentru a produce fascicule de ioni și electroni. O zonă binecunoscută de aplicare a descărcărilor strălucitoare sunt lămpile fluorescente și așa-numitele economice și tuburile decorative cu descărcare cu neon și argon. În plus, descărcarea luminoasă este utilizată în și în spectroscopie.
Descărcarea prin scânteie este utilizată în siguranțe, în metode electroerozive de prelucrare de precizie a metalelor (tăiere cu scânteie, găurire și așa mai departe). Dar este cel mai bine cunoscut pentru utilizarea motoarelor cu ardere internă în bujii și aparate electrocasnice (sobe cu gaz).
Descărcarea cu arc, fiind folosită pentru prima dată în tehnologia iluminatului încă din 1876 (lumânarea lui Iablochkov - „lumina rusă”), încă servește ca sursă de lumină - de exemplu, în proiectoare și spoturi puternice. În inginerie electrică, arcul este utilizat în redresoarele cu mercur. În plus, este utilizat în sudarea electrică, tăierea metalelor, cuptoare electrice industriale pentru topirea oțelului și aliajelor.
Descărcarea corona își găsește aplicație în precipitatoarele electrostatice pentru purificarea gazului ionic, în contoare de particule elementare, în paratrăsnet, în sistemele de aer condiționat. Descărcarea corona funcționează și în copiatoare și imprimante laser, unde încarcă și descarcă tamburul fotosensibil și transferă pulberea din tambur pe hârtie.
Astfel, evacuările de gaze de toate tipurile sunt utilizate pe scară largă. Curentul electric din gaze este utilizat cu succes și eficient în multe domenii ale tehnologiei.
