Det finnes ingen absolutt dielektrikum i naturen. Den bestilte bevegelsen av partikler - bærere av elektrisk ladning - det vil si strøm, kan forårsakes i et hvilket som helst medium, men dette krever spesielle forhold. Vi skal her ta for oss hvordan elektriske fenomener foregår i gasser og hvordan en gass kan endres fra et meget godt dielektrikum til en veldig god leder. Vi vil være interessert i forholdene den oppstår under, samt hvilke egenskaper som karakteriserer den elektriske strømmen i gasser.
Elektriske egenskaper til gasser
Et dielektrikum er et stoff (medium) hvor konsentrasjonen av partikler - frie bærere av en elektrisk ladning - ikke når noen vesentlig verdi, som et resultat av at ledningsevnen er ubetydelig. Alle gasser er gode dielektriske stoffer. Deres isolasjonsegenskaper brukes over alt. For eksempel, i en hvilken som helst strømbryter, skjer åpningen av kretsen når kontaktene bringes i en slik posisjon at det dannes et luftgap mellom dem. Ledninger i kraftledningerer også isolert fra hverandre av et luftlag.
Den strukturelle enheten til enhver gass er et molekyl. Den består av atomkjerner og elektronskyer, det vil si at det er en samling elektriske ladninger fordelt i rommet på en eller annen måte. Et gassmolekyl kan være en elektrisk dipol på grunn av dets særegenheter, eller det kan polariseres under påvirkning av et eksternt elektrisk felt. De aller fleste molekylene som utgjør en gass er elektrisk nøytrale under normale forhold, siden ladningene i dem kansellerer hverandre.
Hvis et elektrisk felt påføres en gass, vil molekylene anta en dipolorientering, og innta en romlig posisjon som kompenserer for effekten av feltet. De ladede partiklene som er tilstede i gassen under påvirkning av Coulomb-krefter vil begynne å bevege seg: positive ioner - i retning av katoden, negative ioner og elektroner - mot anoden. Men hvis feltet har utilstrekkelig potensial, oppstår ikke en enkelt rettet strøm av ladninger, og man kan heller snakke om separate strømmer, så svake at de bør neglisjeres. Gassen oppfører seg som et dielektrikum.
For forekomst av elektrisk strøm i gasser kreves det derfor en stor konsentrasjon av gratis ladningsbærere og tilstedeværelsen av et felt.
Ionisering
Prosessen med en skredlignende økning i antall gratis ladninger i en gass kalles ionisering. Følgelig kalles en gass der det er en betydelig mengde ladede partikler ionisert. Det er i slike gasser at det dannes en elektrisk strøm.
Ioniseringsprosessen er assosiert med brudd på nøytraliteten til molekyler. Som et resultat av løsrivelsen av et elektron, vises positive ioner, vedlegget av et elektron til et molekyl fører til dannelsen av et negativt ion. I tillegg er det mange frie elektroner i en ionisert gass. Positive ioner og spesielt elektroner er de viktigste ladningsbærerne for elektrisk strøm i gasser.
Ionisering oppstår når en viss mengde energi tilføres en partikkel. Dermed kan et eksternt elektron i sammensetningen av et molekyl, etter å ha mottatt denne energien, forlate molekylet. Gjensidige kollisjoner av ladede partikler med nøytrale fører til at nye elektroner slås ut, og prosessen får en skredaktig karakter. Den kinetiske energien til partiklene øker også, noe som i stor grad fremmer ionisering.
Hvor kommer energien som brukes til å eksitere elektrisk strøm i gasser fra? Ionisering av gasser har flere energikilder, ifølge hvilke det er vanlig å navngi typene.
- Ionisering ved elektrisk felt. I dette tilfellet omdannes den potensielle energien til feltet til den kinetiske energien til partiklene.
- Termoionisering. En økning i temperaturen fører også til at det dannes et stort antall gratisladninger.
- Fotoionisering. Essensen av denne prosessen er at elektroner tilføres energi av elektromagnetisk strålingskvanta - fotoner, hvis de har en tilstrekkelig høy frekvens (ultrafiolett, røntgen, gammakvanter).
- Slagionisering er resultatet av omdannelsen av den kinetiske energien til kolliderende partikler til energien til elektronseparasjon. I tillegg tiltermisk ionisering, den fungerer som den viktigste eksitasjonsfaktoren i gasser av elektrisk strøm.
Hver gass er preget av en viss terskelverdi - ioniseringsenergien som kreves for at et elektron skal bryte seg bort fra et molekyl og overvinne en potensiell barriere. Denne verdien for det første elektronet varierer fra flere volt til to titalls volt; det trengs mer energi for å fjerne det neste elektronet fra molekylet, og så videre.
Det bør tas i betraktning at samtidig med ionisering i gassen skjer den omvendte prosessen - rekombinasjon, det vil si restaurering av nøytrale molekyler under påvirkning av Coulomb-tiltrekningskrefter.
Gassutslipp og dens typer
Så den elektriske strømmen i gasser skyldes den ordnede bevegelsen av ladede partikler under påvirkning av et elektrisk felt som påføres dem. Tilstedeværelsen av slike ladninger er i sin tur mulig på grunn av ulike ioniseringsfaktorer.
Så termisk ionisering krever betydelige temperaturer, men en åpen flamme på grunn av noen kjemiske prosesser bidrar til ionisering. Selv ved en relativt lav temperatur i nærvær av en flamme, registreres utseendet til en elektrisk strøm i gasser, og eksperimentering med gassledningsevne gjør det enkelt å verifisere dette. Det er nødvendig å plassere flammen til en brenner eller et stearinlys mellom platene til en ladet kondensator. Kretsen som tidligere var åpen på grunn av luftgapet i kondensatoren vil lukkes. Et galvanometer koblet til kretsen vil vise tilstedeværelsen av strøm.
Elektrisk strøm i gasser kalles en gassutladning. Det må man huske påfor å opprettholde stabiliteten til utladningen, må ionisatorens virkning være konstant, siden på grunn av den konstante rekombinasjonen mister gassen sine elektrisk ledende egenskaper. Noen bærere av elektrisk strøm i gasser - ioner - nøytraliseres på elektrodene, andre - elektroner - som faller på anoden, er rettet til "pluss" av feltkilden. Hvis den ioniserende faktoren slutter å virke, vil gassen umiddelbart bli et dielektrikum igjen, og strømmen vil opphøre. En slik strøm, avhengig av virkningen av en ekstern ionisator, kalles en ikke-selv-opprettholdt utladning.
Funksjoner ved passasje av elektrisk strøm gjennom gasser er beskrevet av en spesiell avhengighet av strømstyrken på spenning - strøm-spenningskarakteristikken.
La oss vurdere utviklingen av en gassutladning på grafen for strøm-spenningsavhengigheten. Når spenningen stiger til en viss verdi U1, øker strømmen proporsjon alt med den, det vil si at Ohms lov er oppfylt. Den kinetiske energien øker, og dermed hastigheten på ladninger i gassen, og denne prosessen er foran rekombinasjon. Ved spenningsverdier fra U1 til U2 brytes dette forholdet; når U2 er nådd, når alle ladningsbærere elektrodene uten å ha tid til å rekombinere. Alle gratiskostnader er involvert, og ytterligere spenningsøkning fører ikke til strømøkning. Denne arten av bevegelse av ladninger kalles metningsstrøm. Dermed kan vi si at den elektriske strømmen i gasser også skyldes særegenhetene ved oppførselen til den ioniserte gassen i elektriske felt av ulik styrke.
Når potensialforskjellen over elektrodene når en viss verdi U3, blir spenningen tilstrekkelig til at det elektriske feltet forårsaker en skredlignende gassionisering. Den kinetiske energien til frie elektroner er allerede nok for slagionisering av molekyler. Samtidig er hastigheten i de fleste gasser omtrent 2000 km/s og høyere (den beregnes ved den omtrentlige formelen v=600 Ui, der Ui er ioniseringspotensialet). I dette øyeblikket oppstår en gassnedbrytning og en betydelig økning i strømmen oppstår på grunn av en intern ioniseringskilde. Derfor kalles en slik utslipp uavhengig.
Tilstedeværelsen av en ekstern ionisator i dette tilfellet spiller ikke lenger noen rolle for å opprettholde elektrisk strøm i gasser. En selvopprettholdt utladning under forskjellige forhold og med forskjellige egenskaper ved den elektriske feltkilden kan ha visse egenskaper. Det finnes slike typer selvutladning som glød, gnist, lysbue og korona. Vi skal se på hvordan elektrisk strøm oppfører seg i gasser, kort for hver av disse typene.
Glow Discharge
I en foreldet gass er en potensiell forskjell fra 100 (og enda mindre) til 1000 volt nok til å starte en uavhengig utladning. Derfor oppstår en glødeutladning, karakterisert ved en lav strømstyrke (fra 10-5 A til 1 A), ved trykk på ikke mer enn noen få millimeter kvikksølv.
I et rør med en foreldet gass og kalde elektroder, ser den nye glødeutladningen ut som en tynn lysende ledning mellom elektrodene. Hvis du fortsetter å pumpe gass fra røret, vil du observereuskarphet i ledningen, og ved trykk på tideler av millimeter kvikksølv fyller gløden røret nesten helt. Gløden er fraværende nær katoden - i det såk alte mørke katoderommet. Resten kalles den positive kolonnen. I dette tilfellet er hovedprosessene som sikrer eksistensen av utladningen lokalisert nøyaktig i det mørke katoderommet og i området ved siden av det. Her akselereres ladede gasspartikler, og slår elektroner ut av katoden.
I en glødeutladning er årsaken til ionisering elektronemisjon fra katoden. Elektronene som sendes ut av katoden produserer slagionisering av gassmolekyler, de nye positive ionene forårsaker sekundærutslipp fra katoden, og så videre. Gløden til den positive kolonnen skyldes hovedsakelig rekylen av fotoner av eksiterte gassmolekyler, og forskjellige gasser er preget av en glød av en viss farge. Den positive kolonnen deltar i dannelsen av en glødeutladning bare som en del av den elektriske kretsen. Hvis du bringer elektrodene nærmere hverandre, kan du oppnå forsvinningen av den positive kolonnen, men utladningen vil ikke stoppe. Men med en ytterligere reduksjon i avstanden mellom elektrodene vil ikke glødeutladningen kunne eksistere.
Det skal bemerkes at for denne typen elektrisk strøm i gasser, er fysikken til enkelte prosesser ennå ikke fullstendig belyst. For eksempel er arten av kreftene som forårsaker en ekspansjon på katodeoverflaten til regionen som deltar i utladningen uklar.
gnistutslipp
Sparksammenbrudd har en impulsiv karakter. Det oppstår ved trykk nær normal atmosfærisk, i tilfeller der kraften til den elektriske feltkilden ikke er nok til å opprettholde en stasjonær utladning. I dette tilfellet er feltstyrken høy og kan nå 3 MV/m. Fenomenet er preget av en kraftig økning i den elektriske utladningsstrømmen i gassen, samtidig synker spenningen ekstremt raskt, og utladningen stopper. Så øker potensialforskjellen igjen, og hele prosessen gjentas.
Med denne typen utladninger dannes det kortsiktige gnistkanaler, hvor veksten kan begynne fra et hvilket som helst punkt mellom elektrodene. Dette skyldes det faktum at støt-ionisering skjer tilfeldig på steder der det er størst antall ioner for tiden. I nærheten av gnistkanalen varmes gassen raskt opp og gjennomgår termisk ekspansjon, noe som forårsaker akustiske bølger. Derfor er gnistutslippet ledsaget av knitring, samt frigjøring av varme og en lys glød. Skredioniseringsprosesser genererer høye trykk og temperaturer på opptil 10 tusen grader og mer i gnistkanalen.
Det tydeligste eksemplet på naturlig gnistutladning er lyn. Diameteren til hovedlyngnistkanalen kan variere fra noen få centimeter til 4 m, og kanallengden kan nå 10 km. Størrelsen på strømmen når 500 tusen ampere, og potensialforskjellen mellom en tordensky og jordens overflate når en milliard volt.
Det lengste lynet på 321 km ble observert i 2007 i Oklahoma, USA. Rekordholderen for varigheten var lyn, registrerti 2012 i de franske alpene – det varte i over 7,7 sekunder. Når den blir truffet av lynet, kan luften varmes opp til 30 tusen grader, som er 6 ganger temperaturen til solens synlige overflate.
I tilfeller hvor kraften til kilden til det elektriske feltet er stor nok, utvikler gnistutladningen seg til en bue.
Arc Discharge
Denne typen selvutladning er preget av høy strømtetthet og lav (mindre enn glødeutladning) spenning. Sammenbruddsavstanden er liten på grunn av elektrodenes nærhet. Utladningen initieres av utslipp av et elektron fra katodeoverflaten (for metallatomer er ioniseringspotensialet lite sammenlignet med gassmolekyler). Under et sammenbrudd mellom elektrodene skapes det forhold hvor gassen leder en elektrisk strøm, og det oppstår en gnistutladning som lukker kretsen. Hvis kraften til spenningskilden er stor nok, blir gnistutladninger til en stabil elektrisk lysbue.
Ionisering under en lysbueutladning når nesten 100 %, strømstyrken er veldig høy og kan være fra 10 til 100 ampere. Ved atmosfærisk trykk kan buen varme opp til 5–6 tusen grader, og katoden - opptil 3 tusen grader, noe som fører til intens termionisk utslipp fra overflaten. Bombardementet av anoden med elektroner fører til delvis ødeleggelse: en fordypning dannes på den - et krater med en temperatur på omtrent 4000 °C. En økning i trykket fører til en enda større økning i temperaturen.
Ved spredning av elektrodene forblir lysbueutladningen stabil opp til en viss avstand,som lar deg håndtere det i de områdene av elektrisk utstyr der det er skadelig på grunn av korrosjon og utbrenning av kontakter forårsaket av det. Dette er enheter som høyspennings- og automatiske brytere, kontaktorer og andre. En av metodene for å bekjempe buen som oppstår ved åpning av kontakter er bruken av buesnner basert på prinsippet om bueforlengelse. Mange andre metoder brukes også: å bygge bro, bruke materialer med høyt ioniseringspotensial, og så videre.
Corona-utslipp
Utviklingen av en koronautladning skjer ved norm alt atmosfærisk trykk i skarpt inhomogene felt nær elektroder med stor krumning av overflaten. Disse kan være spir, master, ledninger, ulike elementer av elektrisk utstyr som har en kompleks form, og til og med menneskehår. En slik elektrode kalles en koronaelektrode. Ioniseringsprosesser og følgelig gløden av gass finner sted bare i nærheten av den.
En korona kan dannes både på katoden (negativ korona) når den bombarderes med ioner, og på anoden (positiv) som følge av fotoionisering. Den negative koronaen, der ioniseringsprosessen ledes bort fra elektroden som følge av termisk emisjon, er preget av en jevn glød. I den positive koronaen kan streamere observeres - lysende linjer med en ødelagt konfigurasjon som kan bli til gnistkanaler.
Et eksempel på koronautslipp under naturlige forhold er St. Elmo-branner som oppstår på tuppen av høye master, tretopper og så videre. De er dannet ved en høy spenning av det elektriskefelt i atmosfæren, ofte før et tordenvær eller under en snøstorm. I tillegg ble de festet på huden på fly som f alt ned i en sky av vulkansk aske.
Korona-utslipp på ledningene til kraftledninger fører til betydelige tap av elektrisitet. Ved høy spenning kan en koronautladning bli til en lysbue. Det bekjempes på forskjellige måter, for eksempel ved å øke krumningsradiusen til lederne.
Elektrisk strøm i gasser og plasma
Helt eller delvis ionisert gass kalles plasma og regnes som den fjerde tilstanden til materie. I det hele tatt er plasma elektrisk nøytr alt, siden den totale ladningen av dets bestanddeler er null. Dette skiller den fra andre systemer med ladede partikler, for eksempel elektronstråler.
Under naturlige forhold dannes plasma som regel ved høye temperaturer på grunn av kollisjon av gassatomer ved høye hastigheter. Det store flertallet av baryonisk materie i universet er i plasmatilstand. Dette er stjerner, en del av interstellar materie, intergalaktisk gass. Jordens ionosfære er også et sjeldne, svakt ionisert plasma.
Ioniseringsgraden er en viktig egenskap ved et plasma - dets ledende egenskaper avhenger av det. Ioniseringsgraden er definert som forholdet mellom antall ioniserte atomer og tot alt antall atomer per volumenhet. Jo mer ionisert plasmaet er, desto høyere er dets elektriske ledningsevne. I tillegg er den preget av høy mobilitet.
Vi ser derfor at gassene som leder elektrisitet er innenforutladningskanaler er ingenting annet enn plasma. Således er glød og koronautladninger eksempler på kaldt plasma; en gnistkanal av lyn eller en elektrisk lysbue er eksempler på varmt, nesten fullstendig ionisert plasma.
Elektrisk strøm i metaller, væsker og gasser - forskjeller og likheter
La oss se på egenskapene som karakteriserer gassutslippet sammenlignet med egenskapene til strøm i andre medier.
I metaller er strøm en rettet bevegelse av frie elektroner som ikke medfører kjemiske endringer. Ledere av denne typen kalles ledere av den første typen; disse inkluderer, i tillegg til metaller og legeringer, kull, noen s alter og oksider. De utmerker seg ved elektronisk ledningsevne.
Ledere av den andre typen er elektrolytter, det vil si flytende vandige løsninger av alkalier, syrer og s alter. Passasjen av strøm er assosiert med en kjemisk endring i elektrolytten - elektrolyse. Ioner av et stoff oppløst i vann, under påvirkning av en potensiell forskjell, beveger seg i motsatte retninger: positive kationer - til katoden, negative anioner - til anoden. Prosessen er ledsaget av gassutvikling eller avsetning av et metalllag på katoden. Ledere av den andre typen er preget av ionisk ledningsevne.
Når det gjelder ledningsevnen til gasser, er den for det første midlertidig, og for det andre har den tegn på likheter og forskjeller med hver av dem. Så den elektriske strømmen i både elektrolytter og gasser er en drift av motsatt ladede partikler rettet mot motsatte elektroder. Men mens elektrolytter er preget av ren ionisk ledningsevne, i en gassutladning med en kombinasjonelektroniske og ioniske typer ledningsevne, den ledende rollen tilhører elektroner. En annen forskjell mellom den elektriske strømmen i væsker og gasser er ioniseringens natur. I en elektrolytt dissosierer molekylene til en oppløst forbindelse i vann, men i en gass brytes ikke molekylene ned, men mister bare elektroner. Derfor er ikke gassutslippet, som strømmen i metaller, forbundet med kjemiske endringer.
Fysikken til elektrisk strøm i væsker og gasser er heller ikke den samme. Konduktiviteten til elektrolytter som helhet følger Ohms lov, men den observeres ikke under en gassutladning. Volt-ampere-karakteristikken til gasser har en mye mer kompleks karakter assosiert med egenskapene til plasma.
Det er verdt å nevne de generelle og særegne egenskapene til elektrisk strøm i gasser og i vakuum. Vakuum er nesten et perfekt dielektrikum. "Nesten" - fordi i et vakuum, til tross for fraværet (mer presist, en ekstremt lav konsentrasjon) av gratis ladningsbærere, er en strøm også mulig. Men potensielle bærere er allerede tilstede i gassen, de trenger bare å ioniseres. Ladningsbærere bringes inn i vakuum fra materie. Som regel skjer dette i prosessen med elektronemisjon, for eksempel når katoden varmes opp (termionisk emisjon). Men, som vi har sett, spiller utslipp også en viktig rolle i ulike typer gassutslipp.
Bruk av gassutslipp i teknologi
De skadelige effektene av visse utslipp er allerede kort diskutert ovenfor. La oss nå ta hensyn til fordelene de gir i industrien og i hverdagen.
Glødeutladning brukes i elektroteknikk(spenningsstabilisatorer), i beleggteknologi (katodeforstøvningsmetode basert på fenomenet katodekorrosjon). I elektronikk brukes det til å produsere ione- og elektronstråler. Et velkjent bruksområde for glødeutladninger er fluorescerende og såk alte økonomiske lamper og dekorative neon- og argon-utladningsrør. I tillegg brukes glødeutladninger i gasslasere og i spektroskopi.
Gnistutladning brukes i sikringer, i elektroerosive metoder for presisjonsmetallbehandling (gnistskjæring, boring og så videre). Men den er mest kjent for bruk i tennplugger til forbrenningsmotorer og i husholdningsapparater (gassovner).
Bueutladning, som ble først brukt i lysteknologi tilbake i 1876 (Yablochkovs stearinlys - "russisk lys"), fungerer fortsatt som en lyskilde - for eksempel i projektorer og kraftige spotlights. I elektroteknikk brukes lysbuen i kvikksølvlikerettere. I tillegg brukes den i elektrisk sveising, metallskjæring, industrielle elektriske ovner for stål- og legeringssmelting.
Corona-utladning brukes i elektrostatiske utskillere for ionegassrensing, elementære partikkeltellere, lynavledere, klimaanlegg. Corona discharge fungerer også i kopimaskiner og laserskrivere, der den lader og tømmer den lysfølsomme trommelen og overfører pulver fra trommelen til papiret.
Dermed finner gassutslipp av alle typer mestbred applikasjon. Elektrisk strøm i gasser er vellykket og effektivt brukt i mange teknologiområder.
