Izkušnje z električnim tokom v plinih. Električni tok v plinih: definicija, značilnosti in zanimivosti. Električni tok v plinih in plazmi
V normalnih pogojih so plini dielektriki, ker. sestavljeni iz nevtralnih atomov in molekul ter nimajo zadostnega števila prostih nabojev.Plini postanejo prevodniki šele, ko so nekako ionizirani. Proces ionizacije plinov je sestavljen iz dejstva, da se pod vplivom katerega koli razloga eden ali več elektronov loči od atoma. Kot rezultat, namesto nevtralnega atoma, pozitivni ion in elektron.
Imenuje se razpad molekul na ione in elektrone ionizacija plina.
Del nastalih elektronov lahko ujamejo drugi nevtralni atomi in se nato pojavijo negativno nabiti ioni.
Tako obstajajo tri vrste nosilcev naboja v ioniziranem plinu: elektroni, pozitivni ioni in negativni ioni.
Ločitev elektrona od atoma zahteva porabo določene energije - ionizacijska energija W jaz . Energija ionizacije je odvisna od kemijske narave plina in energijskega stanja elektrona v atomu. Torej, za ločitev prvega elektrona od atoma dušika se porabi energija 14,5 eV, za ločitev drugega elektrona - 29,5 eV, za ločitev tretjega - 47,4 eV.
Dejavniki, ki povzročajo ionizacijo plina, se imenujejo ionizatorji.
Obstajajo tri vrste ionizacije: toplotna ionizacija, fotoionizacija in udarna ionizacija.
Toplotna ionizacija nastane kot posledica trka atomov ali molekul plina pri visoki temperaturi, če kinetična energija relativnega gibanja trkajočih se delcev presega vezno energijo elektrona v atomu.
Fotoionizacija nastane pod vplivom elektromagnetnega sevanja (ultravijoličnega, rentgenskega ali γ-sevanja), ko se energija, ki je potrebna za odcepitev elektrona od atoma, nanj prenese s kvantom sevanja.
Ionizacija z udarom elektronov(oz udarna ionizacija) je nastanek pozitivno nabitih ionov kot posledica trkov atomov ali molekul s hitrimi elektroni z visoko kinetično energijo.
Proces ionizacije plina vedno spremlja nasprotni proces obnavljanja nevtralnih molekul iz nasprotno nabitih ionov zaradi njihove električne privlačnosti. Ta pojav se imenuje rekombinacija. Rekombinacija sprosti energijo enako energiji porabljen za ionizacijo. To lahko povzroči na primer žarenje plina.
Če je delovanje ionizatorja nespremenjeno, se v ioniziranem plinu vzpostavi dinamično ravnovesje, v katerem se na časovno enoto obnovi toliko molekul, kolikor razpadejo v ione. V tem primeru ostane koncentracija nabitih delcev v ioniziranem plinu nespremenjena. Če pa delovanje ionizatorja prekinemo, bo začela rekombinacija prevladovati nad ionizacijo in število ionov se bo hitro zmanjšalo skoraj na nič. Posledično je prisotnost nabitih delcev v plinu začasen pojav (dokler ionizator deluje).
Z odsotnostjo zunanje polje nabiti delci se gibljejo naključno.
izpust plina
Ko ionizirani plin postavimo v električno polje, začnejo na proste naboje delovati električne sile, ki se premikajo vzporedno z napetostnimi linijami: elektroni in negativni ioni - do anode, pozitivni ioni - do katode (slika 1) . Na elektrodah se ioni spremenijo v nevtralne atome tako, da oddajo ali sprejmejo elektrone in s tem sklenejo tokokrog. Pojavlja se v plinu elektrika.
Električni tok v plinih je usmerjeno gibanje ionov in elektronov.
Električni tok v plinih se imenuje izpust plina.
Skupni tok v plinu je sestavljen iz dveh tokov nabitih delcev: toka, ki gre proti katodi, in toka, usmerjenega proti anodi.
V plinih je elektronska prevodnost, podobna prevodnosti kovin, združena z ionsko prevodnostjo, podobno kot prevodnost vodnih raztopin ali talin elektrolitov.
Tako ima prevodnost plinov ionsko-elektronski značaj.
Električni tok je tok, ki nastane zaradi urejenega gibanja električno nabitih delcev. Gibanje nabojev je vzeto kot smer električnega toka. Električni tok je lahko kratkotrajen in dolgotrajen.
Pojem električnega toka
Med razelektritvijo strele lahko nastane električni tok, ki ga imenujemo kratkotrajni. In za dolgotrajno vzdrževanje toka je potrebno imeti električno polje in proste nosilce električnega naboja.
Električno polje ustvarjajo različno naelektrena telesa. Jakost toka je razmerje med nabojem, prenesenim skozi presek prevodnika v časovnem intervalu, in tem časovnim intervalom. Meri se v amperih.
riž. 1. Trenutna formula
Električni tok v plinih
Molekule plina v normalnih pogojih ne prevajajo elektrike. So izolatorji (dielektriki). Vendar, če spremenite pogoje okolju, potem lahko plini postanejo prevodniki elektrike. Zaradi ionizacije (med segrevanjem ali pod vplivom radioaktivnega sevanja) v plinih nastane električni tok, ki se pogosto nadomesti z izrazom "električna razelektritev".
Samovzdržne in nesamovzdržne plinske razelektritve
Izpusti v plinu so lahko samovzdrževalni in nesamovzdrževalni. Tok začne obstajati, ko se pojavijo brezplačni stroški. Nesamostojna razelektritev obstaja, dokler nanjo deluje zunanja sila, to je zunanji ionizator. To pomeni, da če zunanji ionizator preneha delovati, se tok ustavi.
Samostojna razelektritev električnega toka v plinih obstaja tudi po prenehanju delovanja zunanjega ionizatorja. Neodvisne razelektritve v fiziki delimo na tihe, tleče, obločne, iskrične, koronske.
- Tih - najšibkejši od neodvisnih izpustov. Trenutna jakost v njem je zelo majhna (ne več kot 1 mA). Ne spremljajo ga zvočni ali svetlobni pojavi.
- Tlenje - če povečate napetost pri tihi razelektritvi, gre na naslednjo stopnjo - na žarečo razelektritev. V tem primeru se pojavi sij, ki ga spremlja rekombinacija. Rekombinacija - reverzni ionizacijski proces, srečanje elektrona in pozitivnega iona. Uporablja se v baktericidnih in svetilkah.
riž. 2. Žareča razelektritev
- Lok - jakost toka se giblje od 10 A do 100 A. V tem primeru je ionizacija skoraj 100%. Ta vrsta praznjenja se pojavi na primer med delovanjem varilnega stroja.
riž. 3. Obločna razelektritev
- peneče - se lahko šteje za eno od vrst obločnega praznjenja. Med takim odvajanjem za zelo kratek čas teče določena količina električne energije.
- koronska razelektritev – ionizacija molekul se pojavi v bližini elektrod z majhnimi radiji ukrivljenosti. Ta vrsta naboja se pojavi, ko se jakost električnega polja močno spremeni.
Kaj smo se naučili?
Sami po sebi so atomi in molekule plina nevtralni. Naelektrijo se, ko so izpostavljeni zunanjim vplivom. Če na kratko govorimo o električnem toku v plinih, je to usmerjeno gibanje delcev (pozitivnih ionov na katodo in negativnih ionov na anodo). Pomembno je tudi, da se ob ionizaciji plina izboljšajo njegove prevodne lastnosti.
To je kratek povzetek.
Delo na polni različici se nadaljuje
Predavanje2 1
Tok v plinih
1. Splošne določbe
definicija: Pojav prehajanja električnega toka v plinih se imenuje izpust plina.
Obnašanje plinov je močno odvisno od njegovih parametrov, kot sta temperatura in tlak, in ti parametri se zlahka spreminjajo. Zato je pretok električnega toka v plinih bolj zapleten kot v kovinah ali v vakuumu.
Plini ne upoštevajo Ohmovega zakona.
2. Ionizacija in rekombinacija
Plin je v normalnih pogojih sestavljen iz praktično nevtralnih molekul, zato je izredno slab prevodnik električnega toka. Vendar pa lahko pod zunanjimi vplivi elektron odstopi od atoma in pojavi se pozitivno nabit ion. Poleg tega se lahko elektron pridruži nevtralnemu atomu in tvori negativno nabit ion. Tako je mogoče dobiti ioniziran plin, tj. plazma.
Zunanji vplivi vključujejo segrevanje, obsevanje z energijskimi fotoni, obstreljevanje z drugimi delci in močna polja, t.j. enaki pogoji, ki so potrebni za elementarno emisijo.
Elektron v atomu je v potencialni jami in da bi pobegnil od tam, je potrebno atomu predati dodatno energijo, ki ji pravimo ionizacijska energija.
|
Snov |
Energija ionizacije, eV |
|
atom vodika |
13,59 |
|
Molekula vodika |
15,43 |
|
Helij |
24,58 |
|
atom kisika |
13,614 |
|
molekula kisika |
12,06 |
Ob pojavu ionizacije opazimo tudi pojav rekombinacije, tj. združitev elektrona in pozitivnega iona, da nastane nevtralni atom. Ta proces poteka s sproščanjem energije, ki je enaka ionizacijski energiji. To energijo lahko uporabimo za sevanje ali ogrevanje. Lokalno ogrevanje plina vodi do lokalna sprememba pritisk. Kar posledično vodi do zvočni valovi. Tako plinsko razelektritev spremljajo svetlobni, toplotni in hrupni učinki.
3. CVC plinske razelektritve.
Vklopljeno začetnih fazah potrebno je delovanje zunanjega ionizatorja.
V odseku BAW tok obstaja pod delovanjem zunanjega ionizatorja in hitro doseže nasičenost, ko vsi ionizirani delci sodelujejo pri generaciji toka. Če odstranite zunanji ionizator, se tok ustavi.
Ta vrsta razelektritve se imenuje nesamostojna plinska razelektritev. Ko poskušate povečati napetost v plinu, se pojavi plaz elektronov, tok pa narašča pri praktično konstantni napetosti, ki jo imenujemo napetost vžiga (BC).
Od tega trenutka postane razelektritev neodvisna in ni več potrebe po zunanjem ionizatorju. Število ionov lahko postane tako veliko, da se zmanjša upor medelektrodne reže in s tem pade napetost (SD).
Nato se v medelektrodni reži območje prehoda toka začne zožiti, upor pa se poveča in posledično se poveča napetost (DE).
Ko poskušate povečati napetost, postane plin popolnoma ioniziran. Upor in napetost padeta na nič, tok pa večkrat naraste. Izkaže se obločna razelektritev (EF).
CVC kaže, da plin sploh ne upošteva Ohmovega zakona.
4. Procesi v plinu
procesov, ki lahko povzročijo nastanek elektronskih plazov na sliki.
To so elementi Townsendove kvalitativne teorije.
5. Žareča razelektritev.
pri nizki pritiski in majhnih napetostih lahko opazimo to razelektritev.
K - 1 (temen Astonov prostor).
1 - 2 (svetleči katodni film).
2 – 3 (temen Crookesov prostor).
3 - 4 (prvi sij katode).
4 – 5 (temen Faradayev prostor)
5 - 6 (pozitivna anodna kolona).
6 – 7 (anodno temen prostor).
7 - A (anodni sijaj).
Če je anoda premična, se lahko prilagodi dolžina pozitivnega stolpca, praktično brez spreminjanja velikosti področja K-5.
V temnih območjih se delci pospešujejo in energija akumulira, v svetlih pa pride do ionizacijskih in rekombinacijskih procesov.
Povzetek fizike
na temo:
"Električni tok v plinih".
Električni tok v plinih.
1. Električna razelektritev v plinih.
Vsi plini v naravnem stanju ne prevajajo električnega toka. To je razvidno iz naslednjih izkušenj:
Vzemimo elektrometer s pritrjenimi diski ploščatega kondenzatorja in ga napolnimo. pri sobna temperaturače je zrak dovolj suh, se kondenzator ne izprazni opazno - položaj igle elektrometra se ne spremeni. Da bi opazili zmanjšanje kota odstopanja igle elektrometra, je potrebno dolgo časa. To kaže, da je električni tok v zraku med diski zelo majhen. Ta izkušnja kaže, da je zrak slab prevodnik električnega toka.
Poskus prilagodimo: s plamenom alkoholne svetilke segrejmo zrak med ploščama. Nato se kot odklona kazalca elektrometra hitro zmanjša, tj. potencialna razlika med diski kondenzatorja se zmanjša - kondenzator se izprazni. Posledično je segret zrak med diski postal prevodnik in v njem se vzpostavi električni tok.
Izolacijske lastnosti plinov so razložene z dejstvom, da v njih ni prostih električnih nabojev: atomi in molekule plinov v svojem naravnem stanju so nevtralni.
2. Ionizacija plinov.
Zgornje izkušnje kažejo, da se nabiti delci pojavijo v plinih pod vplivom visoke temperature. Nastanejo kot posledica odcepitve enega ali več elektronov od atomov plina, zaradi česar se namesto nevtralnega atoma pojavijo pozitivni ion in elektroni. Del nastalih elektronov lahko ujamejo drugi nevtralni atomi in takrat se bo pojavilo več negativnih ionov. Imenuje se razpad molekul plina na elektrone in pozitivne ione ionizacija plinov.
Segrevanje plina na visoko temperaturo ni edina pot ionizacija molekul ali atomov plina. Ionizacija plina se lahko pojavi pod vplivom različnih zunanjih interakcij: močnega segrevanja plina, rentgenskih žarkov, a-, b- in g-žarkov, ki nastanejo zaradi radioaktivnega razpada, kozmičnih žarkov, obstreljevanja molekul plina s hitro premikajočimi se elektroni ali ioni. Dejavniki, ki povzročajo ionizacijo plina, se imenujejo ionizatorji. Kvantitativna značilnost ionizacijskega procesa je intenzivnost ionizacije, merjeno s številom parov nabitih delcev z nasprotnim predznakom, ki se pojavijo v prostorninski enoti plina na časovno enoto.
Za ionizacijo atoma je potrebna poraba določene energije - ionizacijske energije. Za ionizacijo atoma (ali molekule) je potrebno opraviti delo proti silam interakcije med izbitim elektronom in ostalimi delci atoma (ali molekule). To delo imenujemo ionizacijsko delo A i . Vrednost ionizacijskega dela je odvisna od kemična narava plinsko in energijsko stanje izbitega elektrona v atomu ali molekuli.
Po prenehanju delovanja ionizatorja se število ionov v plinu sčasoma zmanjša in sčasoma ioni popolnoma izginejo. Izginotje ionov je razloženo z dejstvom, da so vpleteni ioni in elektroni toplotno gibanje in zato trčijo med seboj. Ko pozitivni ion in elektron trčita, se lahko ponovno združita v nevtralni atom. Na enak način, ko pozitivni in negativni ion trčita, lahko negativni ion svoj odvečni elektron preda pozitivnemu ionu in oba iona se spremenita v nevtralne atome. Ta proces medsebojne nevtralizacije ionov se imenuje ionska rekombinacija. Ko se pozitivni ion in elektron ali dva iona rekombinirata, se sprosti določena energija, enaka energiji, porabljeni za ionizacijo. Delno se oddaja v obliki svetlobe, zato rekombinacijo ionov spremlja luminiscenca (luminiscenca rekombinacije).
Pri pojavih električne razelektritve v plinih velika vloga igra ionizacijo atomov z udarci elektronov. Ta proces je sestavljen iz dejstva, da gibajoči se elektron z zadostno kinetično energijo ob trku z nevtralnim atomom iz njega izloči enega ali več atomskih elektronov, zaradi česar se nevtralni atom spremeni v pozitiven ion, v njem pa se pojavijo novi elektroni. plin (o tem bomo razpravljali kasneje).
Spodnja tabela prikazuje ionizacijske energije nekaterih atomov.
3. Mehanizem električne prevodnosti plinov.
Mehanizem prevodnosti plinov je podoben mehanizmu prevodnosti raztopin in talin elektrolitov. V odsotnosti zunanjega polja se nabiti delci, tako kot nevtralne molekule, gibljejo naključno. Če so ioni in prosti elektroni v zunanji električno polje, potem začnejo usmerjeno gibanje in v plinih ustvarijo električni tok.
Tako je električni tok v plinu usmerjeno gibanje pozitivnih ionov do katode, negativnih ionov in elektronov pa do anode. Skupni tok v plinu je sestavljen iz dveh tokov nabitih delcev: toka, ki gre proti anodi, in toka, usmerjenega proti katodi.
Nevtralizacija nabitih delcev se pojavi na elektrodah, kot v primeru prehoda električnega toka skozi raztopine in taline elektrolitov. Vendar pa v plinih ne prihaja do sproščanja snovi na elektrodah, kot je to v primeru raztopin elektrolitov. Plinski ioni, ki se približajo elektrodam, jim dajo svoje naboje, se spremenijo v nevtralne molekule in difundirajo nazaj v plin.
Druga razlika v električni prevodnosti ioniziranih plinov in raztopin (talin) elektrolitov je v tem, da negativni naboj med prehodom toka skozi pline v glavnem ne prenašajo negativni ioni, temveč elektroni, čeprav lahko prevodnost zaradi negativnih ionov igra tudi določeno vlogo.
Tako plini združujejo elektronsko prevodnost, podobno prevodnosti kovin, z ionsko prevodnostjo, podobno prevodnosti vodnih raztopin in talin elektrolitov.
4. Nesamostojna razelektritev plina.
Postopek prehajanja električnega toka skozi plin imenujemo plinska razelektritev. Če električno prevodnost plina ustvarijo zunanji ionizatorji, se električni tok, ki nastane v njem, imenuje nesamostojna plinska razelektritev. S prenehanjem delovanja zunanjih ionizatorjev preneha nesamostojna razelektritev. Nesamovzdržne plinske razelektritve ne spremlja sijaj plina.
Spodaj je prikazan graf odvisnosti jakosti toka od napetosti za nesamostojno razelektritev v plinu. Za izris grafa je bila uporabljena steklena cev z dvema kovinskima elektrodama, spajkanima v steklo. Veriga je sestavljena, kot je prikazano na spodnji sliki.
Pri določeni napetosti pride trenutek, ko vsi nabiti delci, ki jih ionizator tvori v plinu, v sekundi dosežejo elektrode istočasno. Nadaljnje povečanje napetosti ne more več povzročiti povečanja števila transportiranih ionov. Tok doseže nasičenost (vodoravni del grafa 1).
5. Neodvisno odvajanje plina.
Električna razelektritev v plinu, ki traja po prenehanju delovanja zunanjega ionizatorja, se imenuje neodvisno odvajanje plina. Za njegovo izvedbo je potrebno, da se zaradi samega praznjenja v plinu nenehno tvorijo prosti naboji. Glavni vir njihovega nastanka je udarna ionizacija molekul plina.
Če po doseženi nasičenosti še naprej povečujemo potencialno razliko med elektrodama, se jakost toka pri dovolj visoki napetosti močno poveča (graf 2).
To pomeni, da se v plinu pojavijo dodatni ioni, ki nastanejo zaradi delovanja ionizatorja. Moč toka se lahko poveča sto in tisočkrat, število nabitih delcev, ki se pojavijo med procesom razelektritve, pa lahko postane tako veliko, da zunanji ionizator za vzdrževanje razelektritve ni več potreben. Zato lahko ionizator zdaj odstranite.
Kakšni so razlogi za močno povečanje jakosti toka pri visokih napetostih? Vzemimo katerikoli par nabitih delcev (pozitiven ion in elektron), ki nastane zaradi delovanja zunanjega ionizatorja. Prosti elektron, ki se pojavi na ta način, se začne premikati proti pozitivni elektrodi - anodi, pozitivni ion pa proti katodi. Na svoji poti elektron sreča ione in nevtralne atome. V intervalih med dvema zaporednima trkoma se energija elektrona poveča zaradi dela sil električnega polja.
 |
Večja kot je potencialna razlika med elektrodama, večja je električna poljska jakost. Kinetična energija elektrona pred naslednjim trkom je sorazmerna poljski jakosti in prosti poti elektrona: MV 2 /2=eEl. Če kinetična energija elektrona presega delo A i, ki ga je treba opraviti za ionizacijo nevtralnega atoma (ali molekule), tj. MV 2 >A i, ko elektron trči z atomom (ali molekulo), se ionizira. Posledično se namesto enega elektrona pojavita dva elektrona (napadeta na atom in se iztrgata iz atoma). Ti pa prejmejo energijo v polju in ionizirajo prihajajoče atome itd. Posledično se število nabitih delcev hitro poveča in nastane elektronski plaz. Opisani postopek se imenuje ionizacija z elektronskim udarom.
Toda sama ionizacija z udarcem elektronov ne more zagotoviti vzdrževanja neodvisnega naboja. Navsezadnje se vsi elektroni, ki nastanejo na ta način, pomaknejo proti anodi in ko dosežejo anodo, "izpadejo iz igre". Za vzdrževanje razelektritve je potrebna emisija elektronov s katode ("emisija" pomeni "emisija"). Emisija elektrona je lahko posledica več razlogov.
Pozitivni ioni, ki nastanejo med trkom elektronov z nevtralnimi atomi, ko se premikajo proti katodi, pridobijo pod delovanjem polja veliko kinetično energijo. Ko tako hitri ioni zadenejo katodo, se elektroni izbijejo s površine katode.
Poleg tega lahko katoda oddaja elektrone, ko se segreje na visoko temperaturo. Ta proces se imenuje termionska emisija. Lahko se obravnava kot izhlapevanje elektronov iz kovine. V mnogih trdnih snoveh se termionska emisija pojavi pri temperaturah, pri katerih je izhlapevanje same snovi še vedno majhno. Takšne snovi se uporabljajo za izdelavo katod.
Med samopraznjenjem lahko katodo segrejemo tako, da jo obstreljujemo s pozitivnimi ioni. Če energija ionov ni previsoka, potem ne pride do izbijanja elektronov s katode in se elektroni oddajajo zaradi termionske emisije.
6. Različne vrste samopraznjenja in njihova tehnična uporaba.
Odvisno od lastnosti in stanja plina, narave in lokacije elektrod ter napetosti, ki se uporablja za elektrode, različne vrste samostojni čin. Razmislimo o nekaterih od njih.
A. Tleči izcedek.
V plinih opazimo žarečo razelektritev pri nizkih tlakih reda nekaj deset milimetrov živega srebra in manj. Če upoštevamo cev z žarilno razelektritvijo, lahko vidimo, da so glavni deli žarilne razelektritve katodni temni prostor, daleč stran od njega negativno oz tleči sij, ki postopoma prehaja v regijo faradayev temni prostor. Ta tri področja tvorijo katodni del razelektritve, ki mu sledi glavni svetlobni del razelektritve, ki določa njegove optične lastnosti in se imenuje pozitivni stolpec.
Glavno vlogo pri vzdrževanju žarečega praznjenja igrata prvi dve regiji njegovega katodnega dela. značilna lastnost Ta vrsta razelektritve je močan padec potenciala v bližini katode, ki je povezan z visoko koncentracijo pozitivnih ionov na meji regij I in II, zaradi relativno nizke hitrosti ionov na katodi. V katodnem temnem prostoru pride do močnega pospeška elektronov in pozitivnih ionov, ki izbijajo elektrone iz katode. V območju žarečega sijaja elektroni povzročijo intenzivno udarno ionizacijo plinskih molekul in izgubijo svojo energijo. Tu nastajajo pozitivni ioni, ki so potrebni za vzdrževanje razelektritve. Električna poljska jakost v tem območju je nizka. Tleči sij je v glavnem posledica rekombinacije ionov in elektronov. Dolžina katodnega temnega prostora je določena z lastnostmi plina in katodnega materiala.
V območju pozitivnega stolpca je koncentracija elektronov in ionov približno enaka in zelo visoka, kar vodi do visoke električne prevodnosti pozitivnega stolpca in rahlega padca potenciala v njem. Sijaj pozitivnega stolpca je določen s sijem vzbujenih molekul plina. V bližini anode se ponovno opazi razmeroma ostra sprememba potenciala, ki je povezana s procesom nastajanja pozitivnih ionov. V nekaterih primerih se pozitivni stolpec razdeli na ločena svetleča področja - plasti, ločeni s temnimi prostori.
Pozitivni stolpec nima pomembne vloge pri vzdrževanju žarilne razelektritve, zato se z zmanjšanjem razdalje med elektrodama cevi dolžina pozitivnega stolpca zmanjša in lahko popolnoma izgine. Drugače je z dolžino katodnega temnega prostora, ki se ne spremeni, ko se elektrodi približujeta druga drugi. Če sta elektrodi tako blizu, da razdalja med njima postane manjša od dolžine katodnega temnega prostora, se bo žarilna razelektritev v plinu ustavila. Eksperimenti kažejo, da je pri drugih enakih pogojih dolžina d katodnega temnega prostora obratno sorazmerna s tlakom plina. Zato pri dovolj nizkih tlakih elektroni, ki jih pozitivni ioni izbijejo iz katode, prehajajo skozi plin skoraj brez trkov z njegovimi molekulami in tvorijo elektronski, oz katodni žarki .
Žarilna razelektritev se uporablja v plinsko-svetlobnih ceveh, fluorescenčnih sijalkah, napetostnih stabilizatorjih, za pridobivanje elektronskih in ionskih žarkov. Če v katodi naredimo režo, gredo skozi njo ozki ionski žarki v prostor za katodo, pogosto imenovan kanalski žarki.široko uporabljen pojav katodno razprševanje, tj. uničenje površine katode pod vplivom pozitivnih ionov, ki jo zadenejo. Ultramikroskopski drobci katodnega materiala letijo v vse smeri vzdolž ravnih črt in s tanko plastjo pokrivajo površino teles (zlasti dielektrikov), ki so nameščena v cevi. Na ta način so izdelana ogledala za številne naprave, na selenske fotocelice se nanese tanek sloj kovine.
b. Koronska razelektritev.
Do koronske razelektritve pride, ko normalen pritisk v plinu v zelo nehomogenem električnem polju (na primer v bližini konic ali žic visokonapetostnih vodov). Pri koronski razelektritvi pride do ionizacije plina in njegovega sijaja le v bližini koronskih elektrod. V primeru katodne korone (negativna korona) so elektroni, ki povzročijo udarno ionizacijo plinskih molekul, izločeni iz katode, ko je ta obstreljena s pozitivnimi ioni. Če je anoda korona (pozitivna korona), pride do rojstva elektronov zaradi fotoionizacije plina v bližini anode. Korona je škodljiv pojav, ki ga spremljajo uhajanje in izgube toka električna energija. Za zmanjšanje korone se polmer ukrivljenosti vodnikov poveča, njihova površina pa je čim bolj gladka. Pri dovolj visoki napetosti med elektrodama se koronska razelektritev spremeni v iskro.
Pri povečani napetosti ima koronska razelektritev na konici obliko svetlobnih črt, ki izhajajo iz konice in se izmenjujejo v času. Te črte, ki imajo vrsto pregibov in ovinkov, tvorijo nekakšno krtačo, zaradi česar se tak izpust imenuje karpalnega .
Na zemeljski površini pod seboj nastane naelektren nevihtni oblak električni naboji nasprotno znamenje. Posebno velik naboj se nabere na konicah. Zato se pred nevihto ali med nevihto na konicah in ostrih vogalih visoko dvignjenih predmetov pogosto razplamtijo svetlobni stožci kot čopiči. Že od antičnih časov so ta sij imenovali ognji svetega Elma.
Še posebej pogosto plezalci postanejo priče tega pojava. Včasih tudi ne samo kovinski predmeti, vendar so konice las na glavi okrašene z majhnimi svetlečimi resicami.
Pri visoki napetosti je treba upoštevati koronsko razelektritev. Če so štrleči deli ali zelo tanke žice se lahko začne koronska razelektritev. Posledica tega je uhajanje električne energije. Višja kot je napetost visokonapetostnega voda, debelejše morajo biti žice.
C. Iskrica.
Iskrica ima videz svetlih cik-cak razvejanih filamentov - kanalov, ki prodrejo skozi razelektritveno režo in izginejo ter jih nadomestijo nove. Študije so pokazale, da začnejo kanali razelektritve iskre včasih rasti iz pozitivne elektrode, včasih iz negativne in včasih iz neke točke med elektrodama. To je razloženo z dejstvom, da se udarna ionizacija v primeru iskre ne pojavi v celotnem volumnu plina, temveč skozi posamezne kanale, ki potekajo na tistih mestih, kjer se je koncentracija ionov slučajno izkazala za najvišjo. Iskrico spremlja sproščanje velike količine toplote, svetel sij plina, prasketanje ali grmenje. Vse te pojave povzročajo plazovi elektronov in ionov, ki nastanejo v kanalih iskre in vodijo do velikega povečanja tlaka, ki doseže 10 7 ¸10 8 Pa, in povišanja temperature do 10.000 °C.
Tipičen primer iskrične razelektritve je strela. Glavni kanal strele ima premer od 10 do 25 cm, dolžina strele pa lahko doseže več kilometrov. Največji tok impulza strele doseže desetine in stotine tisoč amperov.
Pri majhni dolžini razelektritvene reže povzroči iskričasta razelektritev specifično uničenje anode, imenovano erozija. Ta pojav je bil uporabljen pri metodi elektroiskre pri rezanju, vrtanju in drugih vrstah natančne obdelave kovin.
Iskrišče se uporablja kot prenapetostna zaščita v električnih prenosnih vodih (npr. telefonskih linijah). Če v bližini voda teče močan kratkotrajni tok, se v žicah tega voda inducirajo napetosti in tokovi, ki lahko uničijo električna inštalacija in nevaren za človeško življenje. Da bi se temu izognili, se uporabljajo posebne varovalke, sestavljene iz dveh ukrivljenih elektrod, od katerih je ena priključena na linijo, druga pa ozemljena. Če se potencial črte glede na tla močno poveča, pride med elektrodama do iskre, ki se skupaj z zrakom, ki ga segreva, dvigne, podaljša in zlomi.
Nazadnje se za merjenje velikih potencialnih razlik uporabi električna iskra kroglična vrzel, katerega elektrodi sta dve kovinski krogli s polirano površino. Kroglice se odmaknejo in nanje se uporabi izmerjena potencialna razlika. Nato se krogli približujeta, dokler med njima ne preskoči iskrica. Ob poznavanju premera kroglic, razdalje med njimi, tlaka, temperature in vlažnosti zraka po posebnih tabelah ugotovijo potencialno razliko med kroglicami. To metodo je mogoče uporabiti za merjenje, z natančnostjo nekaj odstotkov, potencialnih razlik reda desettisočev voltov.
D. Obločna razelektritev.
Obločno razelektritev je leta 1802 odkril V. V. Petrov. Ta razelektritev je ena od oblik plinske razelektritve, ki nastane pri visoki gostoti toka in relativno nizki napetosti med elektrodama (reda nekaj deset voltov). Glavni vzrok obločne razelektritve je intenzivna emisija termoelektronov z vročo katodo. Ti elektroni pospešujejo električno polje in povzročijo udarno ionizacijo molekul plina, zaradi česar je električni upor plinske reže med elektrodama relativno majhen. Če zmanjšamo upor zunanjega tokokroga, povečamo tok razelektritve obloka, se prevodnost plinske reže toliko poveča, da se napetost med elektrodama zmanjša. Zato pravimo, da ima obločna razelektritev padec volt-amperska karakteristika. pri zračni tlak temperatura katode doseže 3000 °C. Elektroni, ki obstreljujejo anodo, v njej ustvarijo vdolbino (krater) in jo segrejejo. Temperatura kraterja je okoli 4000 °C, pri visokih zračnih tlakih pa doseže 6000-7000 °C. Temperatura plina v obločnem razelektritvenem kanalu doseže 5000-6000 °C, zato se v njem pojavi intenzivna toplotna ionizacija.
V številnih primerih se obločna razelektritev opazi tudi pri relativno nizki temperaturi katode (na primer v živosrebrni obločni žarnici).
Leta 1876 je P. N. Yablochkov prvič uporabil električni lok kot vir svetlobe. V "sveči Yablochkov" so bili premogi razporejeni vzporedno in ločeni z ukrivljeno plastjo, njihovi konci pa so bili povezani s prevodnim "vžigalnim mostom". Ko je bil tok vklopljen, je vžigalni most pregorel in med premogom je nastal električni oblok. Ko je premog gorel, je izolacijska plast izhlapela.
Obločna razelektritev se kot vir svetlobe uporablja še danes, na primer v reflektorjih in projektorjih.
Toplota obločna razelektritev vam omogoča, da jo uporabite za napravo obločne peči. Trenutno so elektroobločne peči zelo velika moč, se uporabljajo v številnih panogah: za taljenje jekla, litega železa, ferozlitin, brona, proizvodnjo kalcijevega karbida, dušikovega oksida itd.
Leta 1882 je N. N. Benardos prvič uporabil obločno razelektritev za rezanje in varjenje kovin. Razelektritev med fiksno ogljikovo elektrodo in kovino segreje spoj dveh kovinskih listov (ali plošč) in ju zvari. Benardos je uporabil isto metodo za rezanje kovinskih plošč in vanje naredil luknje. Leta 1888 je N. G. Slavyanov izboljšal to metodo varjenja z zamenjavo ogljikove elektrode s kovinsko.
Obločna razelektritev je našla uporabo v živosrebrnem usmerniku, ki pretvarja izmenični električni tok v enosmerni.
E. Plazma.
Plazma je delno ali popolnoma ioniziran plin, v katerem sta gostoti pozitivnih in negativnih nabojev skoraj enaki. Tako je plazma kot celota električno nevtralen sistem.
Kvantitativna značilnost plazme je stopnja ionizacije. Stopnja ionizacije plazme a je razmerje med prostorninsko koncentracijo nabitih delcev in skupno prostorninsko koncentracijo delcev. Glede na stopnjo ionizacije se plazma deli na šibko ionizirana(a je del odstotka), delno ioniziran (a reda nekaj odstotkov) in popolnoma ioniziran (a je blizu 100 %). Šibko ionizirana plazma naravne razmere so zgornje plasti atmosfere – ionosfera. Sonce, vroče zvezde in nekateri medzvezdni oblaki so popolnoma ionizirana plazma, ki nastane pri visokih temperaturah.
Srednje energije različne vrste delci, ki sestavljajo plazmo, se lahko med seboj bistveno razlikujejo. Zato plazme ni mogoče označiti z eno samo vrednostjo temperature T; Razlikujemo med elektronsko temperaturo T e, ionsko temperaturo T i (ali ionsko temperaturo, če je v plazmi več vrst ionov) in temperaturo nevtralnih atomov T a (nevtralna komponenta). Takšna plazma se imenuje neizotermna, v nasprotju z izotermno plazmo, v kateri so temperature vseh komponent enake.
Plazmo delimo tudi na visokotemperaturno (T i »10 6 -10 8 K in več) in nizkotemperaturno!!! (T i<=10 5 К). Это условное разделение связано с особой влажностью высокотемпературной плазмы в связи с проблемой осуществления управляемого термоядерного синтеза.
Plazma ima vrsto specifičnih lastnosti, zaradi katerih jo lahko obravnavamo kot posebno četrto agregatno stanje.
Zaradi visoke mobilnosti nabitih delcev plazme se zlahka premikajo pod vplivom električnih in magnetnih polj. Zato se vsakršna kršitev električne nevtralnosti posameznih območij plazme, ki jo povzroča kopičenje delcev istega predznaka, hitro odpravi. Nastala električna polja premikajo nabite delce, dokler se električna nevtralnost ne vzpostavi in električno polje postane nič. V nasprotju z nevtralnim plinom, med molekulami katerega delujejo sile kratkega dosega, med nabitimi delci plazme delujejo Coulombove sile, ki z razdaljo relativno počasi upadajo. Vsak delec takoj interagira z velikim številom okoliških delcev. Zaradi tega lahko plazemski delci skupaj s kaotičnim toplotnim gibanjem sodelujejo v različnih urejenih gibanjih. V plazmi zlahka vzbudimo različne vrste nihanj in valov.
Prevodnost plazme se poveča, ko se stopnja ionizacije poveča. Pri visokih temperaturah se popolnoma ionizirana plazma po prevodnosti približa superprevodnikom.
Nizkotemperaturna plazma se uporablja v virih svetlobe na principu praznjenja v plinu - v svetlobnih ceveh za reklamne napise, v fluorescenčnih sijalkah. Plinska svetilka se uporablja v številnih napravah, na primer v plinskih laserjih - kvantnih virih svetlobe.
Visokotemperaturna plazma se uporablja v magnetohidrodinamičnih generatorjih.
Nedavno je bila ustvarjena nova naprava, plazemski gorilnik. Plazmatron ustvarja močne curke goste nizkotemperaturne plazme, ki se pogosto uporabljajo na različnih področjih tehnologije: za rezanje in varjenje kovin, vrtanje vrtin v trdih kamninah itd.
Seznam uporabljene literature:
1) Fizika: Elektrodinamika. 10-11 celic: učbenik. za poglobljeni študij fizike / G. Ya. Myakishev, A. Z. Sinyakov, B. A. Slobodskov. - 2. izdaja - M.: Drofa, 1998. - 480 str.
2) Tečaj fizike (v treh zvezkih). T. II. elektriko in magnetizem. Proc. priročnik za tehnične fakultete. / Detlaf A.A., Yavorsky B.M., Milkovskaya L.B. Izd. 4., popravljeno. - M .: Višja šola, 1977. - 375 str.
3) Elektrika./E. G. Kalašnikov. Ed. "Znanost", Moskva, 1977.
4) Fizika./B. B. Bukhovtsev, Yu. L. Klimontovich, G. Ya. Myakishev. 3. izdaja, popravljena. – M.: Razsvetljenje, 1986.
Nastane z usmerjenim gibanjem prostih elektronov in da v tem primeru ne pride do sprememb v snovi, iz katere je prevodnik.
Takšni prevodniki, v katerih prehod električnega toka ne spremljajo kemične spremembe v njihovi snovi, se imenujejo prevodniki prve vrste. Sem spadajo vse kovine, premog in številne druge snovi.
Toda v naravi obstajajo tudi takšni prevodniki električnega toka, v katerih med prehodom toka prihaja do kemičnih pojavov. Ti vodniki se imenujejo prevodniki druge vrste. Sem sodijo predvsem različne raztopine kislin, soli in alkalij v vodi.
Če v stekleno posodo nalijete vodo in ji dodate nekaj kapljic žveplove kisline (ali kakšne druge kisline ali alkalije), nato pa vzamete dve kovinski plošči in nanju pritrdite vodnike tako, da te plošče spustite v posodo, in povežete tok vira do drugih koncev vodnikov prek stikala in ampermetra, potem se bo plin sprostil iz raztopine in se bo nadaljeval neprekinjeno, dokler se vezje ne sklene. zakisana voda je res prevodnik. Poleg tega se bodo plošče začele pokrivati s plinskimi mehurčki. Potem se bodo ti mehurčki odtrgali od krožnikov in prišli ven.
Pri prehodu električnega toka skozi raztopino pride do kemičnih sprememb, zaradi katerih se sprošča plin.
Prevodnike druge vrste imenujemo elektroliti, pojav, ki se pojavi v elektrolitu, ko skoznje teče električni tok, pa je.
Kovinske plošče, potopljene v elektrolit, imenujemo elektrode; ena od njih, povezana s pozitivnim polom tokovnega vira, se imenuje anoda, druga, povezana z negativnim polom, pa se imenuje katoda.
Kaj povzroča prehajanje električnega toka v tekočem prevodniku? Izkazalo se je, da se v takšnih raztopinah (elektroliti) molekule kisline (alkalije, soli) pod delovanjem topila (v tem primeru vode) razgradijo na dve komponenti in en delec molekule ima pozitiven električni naboj, drugi pa negativnega.
Delce molekule, ki imajo električni naboj, imenujemo ioni. Ko kislino, sol ali alkalijo raztopimo v vodi, se v raztopini pojavi veliko število pozitivnih in negativnih ionov.
Zdaj bi moralo postati jasno, zakaj je električni tok prešel skozi raztopino, saj je med elektrodama, povezanima z virom toka, nastal, z drugimi besedami, izkazalo se je, da je ena od njih pozitivno nabita, druga pa negativno. Pod vplivom te potencialne razlike so se pozitivni ioni začeli premikati proti negativni elektrodi - katodi, negativni ioni pa proti anodi.
Tako je kaotično gibanje ionov postalo urejeno nasprotno gibanje negativnih ionov v eno smer in pozitivnih v drugo. Ta proces prenosa naboja predstavlja pretok električnega toka skozi elektrolit in poteka, dokler obstaja potencialna razlika med elektrodama. Z izginotjem potencialne razlike se tok skozi elektrolit ustavi, urejeno gibanje ionov je moteno in spet nastopi kaotično gibanje.
Kot primer razmislite o pojavu elektrolize, ko električni tok teče skozi raztopino bakrovega sulfata CuSO4 z bakrenimi elektrodami, spuščenimi vanj.
Pojav elektrolize, ko tok teče skozi raztopino bakrovega sulfata: C - posoda z elektrolitom, B - vir toka, C - stikalo
Prišlo bo tudi do nasprotnega gibanja ionov do elektrod. Pozitivni ion bo bakrov (Cu) ion, negativni ion pa bo ion kislinskega ostanka (SO4). Bakrovi ioni se ob stiku s katodo izpraznijo (nase prilepijo manjkajoče elektrone), to pomeni, da se spremenijo v nevtralne molekule čistega bakra in se na katodo naložijo v obliki najtanjše (molekularne) plasti.
Negativni ioni, ki dosežejo anodo, se tudi izpraznijo (oddajo odvečne elektrone). Toda hkrati vstopijo v kemično reakcijo z bakrom anode, zaradi česar se molekula bakra Cu veže na kisli ostanek SO4 in nastane molekula bakrovega sulfata CuS O4, ki se vrne nazaj k elektrolitu.
Ker je ta kemični proces dolgotrajen, se baker nalaga na katodo, ki se sprosti iz elektrolita. V tem primeru namesto molekul bakra, ki so šle na katodo, elektrolit prejme nove molekule bakra zaradi raztapljanja druge elektrode - anode.
Enak postopek se zgodi, če namesto bakrenih vzamemo cinkove elektrode, elektrolit pa je raztopina cinkovega sulfata ZnSO4. Cink se bo tudi prenesel z anode na katodo.
torej razlika med električnim tokom v kovinskih in tekočih prevodnikih je v tem, da so v kovinah nosilci naboja samo prosti elektroni, to je negativni naboj, v elektrolitih pa ga prenašajo nasprotno nabiti delci snovi - ioni, ki se gibljejo v nasprotnih smereh. Zato pravijo, da elektroliti imajo ionsko prevodnost.
Pojav elektrolize je leta 1837 odkril B. S. Jacobi, ki je izvedel številne poskuse za preučevanje in izboljšanje kemičnih tokovnih virov. Jacobi je ugotovil, da je ena od elektrod, postavljena v raztopino bakrovega sulfata, ko skozi njo teče električni tok, prekrita z bakrom.
Ta pojav se imenuje galvanizacija, zdaj najde izjemno široko praktično uporabo. En primer tega je prevleka kovinskih predmetov s tanko plastjo drugih kovin, na primer nikljanje, pozlata, posrebrenje itd.
Plini (vključno z zrakom) v normalnih pogojih ne prevajajo električnega toka. Na primer, goli, ki visijo vzporedno drug z drugim, so drug od drugega izolirani s plastjo zraka.
Vendar pa pod vplivom visoke temperature, velike potencialne razlike in drugih razlogov plini, tako kot tekoči prevodniki, ionizirajo, tj. V njih se v velikem številu pojavijo delci plinskih molekul, ki kot nosilci električne energije prispevajo k prehodu električnega toka skozi plin.
Toda hkrati se ionizacija plina razlikuje od ionizacije tekočega prevodnika. Če molekula v tekočini razpade na dva nabita dela, potem se v plinih pod delovanjem ionizacije elektroni vedno ločijo od vsake molekule in ion ostane v obliki pozitivno nabitega dela molekule.
Treba je le ustaviti ionizacijo plina, saj preneha biti prevoden, medtem ko tekočina vedno ostane prevodnik električnega toka. Posledično je prevodnost plina začasen pojav, odvisen od delovanja zunanjih dejavnikov.
Vendar pa obstaja še en imenovan obločna razelektritev ali samo električni oblok. Pojav električnega obloka je v začetku 19. stoletja odkril prvi ruski elektrotehnik V. V. Petrov.
V. V. Petrov je s številnimi poskusi ugotovil, da med dvema ogljema, povezanima z virom toka, poteka neprekinjena električna razelektritev skozi zrak, ki jo spremlja močna svetloba. V. V. Petrov je v svojih spisih zapisal, da je v tem primeru "temni mir lahko precej svetlo osvetljen." Tako je bila prvič pridobljena električna svetloba, ki jo je praktično uporabil drugi ruski elektroznanstvenik Pavel Nikolajevič Yablochkov.
"Jabločkova sveča", katere delo temelji na uporabi električnega obloka, je v tistih časih naredila pravo revolucijo v elektrotehniki.
Obločna razelektritev se kot vir svetlobe uporablja še danes, na primer v reflektorjih in projektorjih. Visoka temperatura razelektritve obloka omogoča uporabo za. Trenutno se obločne peči, ki jih napaja zelo visok tok, uporabljajo v številnih panogah: za taljenje jekla, litega železa, ferozlitin, brona itd. Leta 1882 je N. N. Benardos prvič uporabil obločno razelektritev za rezanje in varjenje kovine.
V plinsko-svetlobnih ceveh, fluorescentnih sijalkah, stabilizatorjih napetosti, za pridobivanje elektronskih in ionskih žarkov, t.i. žareča plinska razelektritev.
Iskričasta razelektritev se uporablja za merjenje velikih potencialnih razlik z uporabo kroglične reže, katere elektrodi sta dve kovinski krogli s polirano površino. Kroglice se odmaknejo in nanje se uporabi izmerjena potencialna razlika. Nato se krogli približujeta, dokler med njima ne preskoči iskrica. Poznajo premer kroglic, razdaljo med njimi, tlak, temperaturo in vlažnost zraka, po posebnih tabelah ugotovijo potencialno razliko med kroglicami. To metodo je mogoče uporabiti za merjenje, z natančnostjo nekaj odstotkov, potencialnih razlik reda desettisočev voltov.
