V plynech se vyskytují nesamoudržovací a samoudržující elektrické výboje.
Jev elektrického proudu protékajícího plynem, pozorovaný pouze za podmínky nějakého vnějšího vlivu na plyn, se nazývá nesamosprávný elektrický výboj. Proces odstranění elektronu z atomu se nazývá ionizace atomu. Minimální energie, která musí být vynaložena na odstranění elektronu z atomu, se nazývá ionizační energie. Nazývá se částečně nebo plně ionizovaný plyn, ve kterém jsou hustoty kladných a záporných nábojů stejné plazma.
Nositeli elektrického proudu při nesamosprávném výboji jsou kladné ionty a záporné elektrony. Proudově napěťová charakteristika je na Obr. 54. V oblasti OAV - nesamosférický výboj. V oblasti BC se výboj osamostatní.
Během samovybíjení je jedním ze způsobů, jak ionizovat atomy, ionizace dopadem elektronů. Ionizace dopadem elektronu je možná, když elektron na střední volné dráze A získá kinetickou energii Wk dostatečnou k provedení práce na odstranění elektronu z atomu. Druhy nezávislých výbojů v plynech - jiskrový, korónový, obloukový a doutnavý výboj.
Jiskrový výboj se vyskytuje mezi dvěma elektrodami nabitými různými náboji a majícími velký potenciálový rozdíl. Napětí mezi různě nabitými tělesy dosahuje až 40 000 V. Jiskrový výboj je krátkodobý, jeho mechanismem je elektronický náraz. Blesk je druh jiskrového výboje.
Ve vysoce nehomogenních elektrických polích, vznikajících např. mezi hrotem a rovinou nebo mezi drátem elektrického vedení a povrchem Země, dochází ke zvláštní formě samoudržujícího se výboje v plynech, tzv. koronový výboj.
Výboj elektrického oblouku objevil ruský vědec V.V Petrov v roce 1802. Při kontaktu dvou uhlíkových elektrod při napětí 40-50 V se na některých místech objevují oblasti malého průřezu s vysokým elektrickým odporem. Tyto oblasti se velmi zahřívají a emitují elektrony, které ionizují atomy a molekuly mezi elektrodami. Nositeli elektrického proudu v oblouku jsou kladně nabité ionty a elektrony.
Výboj, ke kterému dochází při sníženém tlaku, se nazývá doutnavý výboj. S klesajícím tlakem se volná dráha elektronu zvětšuje a v době mezi srážkami stihne získat dostatek energie pro ionizaci v elektrickém poli s nižší intenzitou. Výboj je prováděn elektron-iontovou lavinou.
Za normálních podmínek jsou plyny dielektriky, protože jsou tvořeny neutrálními atomy a molekulami a nemají dostatek volných nábojů Plyny se stávají vodiči, až když jsou nějakým způsobem ionizovány. Proces ionizace plynů zahrnuje odstranění jednoho nebo více elektronů z atomu z nějakého důvodu. Výsledkem je, že namísto neutrálního atomu kladný iont A elektron.
Rozklad molekul na ionty a elektrony se nazývá ionizace plynu.
Některé z výsledných elektronů mohou být zachyceny jinými neutrálními atomy a poté záporně nabité ionty.
V ionizovaném plynu tedy existují tři typy nosičů náboje: elektrony, kladné ionty a záporné ionty.
Odstranění elektronu z atomu vyžaduje vynaložení určitého množství energie - ionizační energie W i. Ionizační energie závisí na chemické povaze plynu a energetickém stavu elektronu v atomu. Pro odstranění prvního elektronu z atomu dusíku je tedy potřeba energie 14,5 eV, pro odstranění druhého elektronu - 29,5 eV a pro odstranění třetího - 47,4 eV.
Faktory způsobující ionizaci plynu se nazývají ionizátory.
Existují tři typy ionizace: tepelná ionizace, fotoionizace a nárazová ionizace.
Tepelná ionizace vzniká v důsledku srážky atomů nebo molekul plynu při vysoké teplotě, pokud kinetická energie relativního pohybu srážejících se částic překročí vazebnou energii elektronu v atomu.
Fotoionizace dochází pod vlivem elektromagnetického záření (ultrafialového, rentgenového nebo γ-záření), kdy je energie potřebná k oddělení elektronu od atomu přenesena na něj kvantem záření.
Ionizace nárazem elektronů(nebo nárazová ionizace) je vznik kladně nabitých iontů v důsledku srážek atomů nebo molekul s rychlými elektrony s vysokou kinetickou energií.
Proces ionizace plynu je vždy doprovázen opačným procesem redukce neutrálních molekul z opačně nabitých iontů v důsledku jejich elektrické přitažlivosti. Tento jev se nazývá rekombinace. Během rekombinace se uvolňuje energie rovnající se energii vynaložené na ionizaci. To může způsobit například rozžhavení plynu.
Pokud se působení ionizátoru nemění, pak se v ionizovaném plynu ustaví dynamická rovnováha, ve které se za jednotku času obnoví stejný počet molekul, jak se rozpadnou na ionty. V tomto případě zůstává koncentrace nabitých částic v ionizovaném plynu nezměněna. Pokud je činnost ionizátoru zastavena, pak začne rekombinace převládat nad ionizací a počet iontů se rychle sníží téměř na nulu. V důsledku toho je přítomnost nabitých částic v plynu dočasným jevem (při provozu ionizátoru).
V nepřítomnosti vnějšího pole se nabité částice pohybují chaoticky.
Výtok plynu
Když se ionizovaný plyn umístí do elektrického pole, začnou na volné náboje působit elektrické síly, které se unášejí paralelně s napěťovými čarami: elektrony a záporné ionty k anodě, kladné ionty ke katodě (obr. 1). Na elektrodách se ionty mění na neutrální atomy, které dávají nebo přijímají elektrony, čímž se obvod dokončí. V plynu vzniká elektrický proud.
Elektrický proud v plynech- jedná se o řízený pohyb iontů a elektronů.
Elektrický proud v plynech se nazývá výboj plynu.
Celkový proud v plynu se skládá ze dvou toků nabitých částic: toku směřujícího ke katodě a toku směřujícího k anodě.
Plyny kombinují elektronovou vodivost, podobnou vodivosti kovů, s iontovou vodivostí, podobnou vodivosti vodných roztoků nebo tavenin elektrolytů.
Tedy vodivost plynů má iontově-elektronického charakteru.
Vzniká usměrněným pohybem volných elektronů a že v tomto případě nedochází k žádným změnám v látce, ze které je vodič vyroben.
Takové vodiče, ve kterých není průchod elektrického proudu doprovázen chemickými změnami v jejich látce, se nazývají vodiče prvního druhu. Patří sem všechny kovy, uhlí a řada dalších látek.
V přírodě ale existují i vodiče elektrického proudu, ve kterých při průchodu proudu dochází k chemickým jevům. Tyto vodiče jsou tzv vodiče druhého druhu. Patří sem především různé roztoky kyselin, solí a zásad ve vodě.
Pokud nalijete vodu do skleněné nádoby a přidáte několik kapek kyseliny sírové (nebo nějaké jiné kyseliny nebo zásady) a poté vezmete dvě kovové desky a připojíte k nim vodiče, spustíte tyto desky do nádoby a připojíte zdroj proudu k druhé konce vodičů přes spínač a ampérmetr, pak se z roztoku uvolní plyn a bude to pokračovat nepřetržitě, dokud bude obvod uzavřen, protože okyselená voda je skutečně vodič. Kromě toho se desky začnou pokrývat bublinami plynu. Tyto bubliny se pak odlomí z desek a vyjdou ven.
Při průchodu elektrického proudu roztokem dochází k chemickým změnám, jejichž výsledkem je uvolňování plynu.
Vodiče druhého druhu se nazývají elektrolyty a jev, ke kterému dochází v elektrolytu, když jím prochází elektrický proud.
Kovové desky ponořené do elektrolytu se nazývají elektrody; jeden z nich, připojený ke kladnému pólu zdroje proudu, se nazývá anoda a druhý, připojený k zápornému pólu, se nazývá katoda.
Co určuje průchod elektrického proudu v kapalném vodiči? Ukazuje se, že v takových roztocích (elektrolytech) se molekuly kyseliny (zásady, soli) pod vlivem rozpouštědla (v tomto případě vody) rozpadají na dvě složky a Jedna částice molekuly má kladný elektrický náboj a druhá záporný elektrický náboj.
Částice molekuly, které mají elektrický náboj, se nazývají ionty. Když se kyselina, sůl nebo zásada rozpustí ve vodě, objeví se v roztoku velké množství kladných i záporných iontů.
Nyní by mělo být jasné, proč roztokem procházel elektrický proud, protože mezi elektrodami připojenými ke zdroji proudu se vytvořilo napětí, jinými slovy, jedna z nich byla nabitá kladně a druhá záporně. Pod vlivem tohoto rozdílu potenciálu se kladné ionty začaly mísit směrem k záporné elektrodě - katodě a záporné ionty - směrem k anodě.
Chaotický pohyb iontů se tak stal uspořádaným protipohybem záporných iontů v jednom směru a kladných iontů ve druhém. Tento proces přenosu náboje představuje tok elektrického proudu elektrolytem a probíhá tak dlouho, dokud existuje rozdíl potenciálů mezi elektrodami. S vymizením potenciálového rozdílu se proud elektrolytem zastaví, naruší se uspořádaný pohyb iontů a opět začne chaotický pohyb.
Jako příklad uveďme jev elektrolýzy při průchodu elektrického proudu roztokem síranu měďnatého CuSO4 s měděnými elektrodami spuštěnými do něj.
Jev elektrolýzy při průchodu proudu roztokem síranu měďnatého: C - nádoba s elektrolytem, B - zdroj proudu, C - spínač
Zde také dojde k protipohybu iontů k elektrodám. Kladným iontem bude iont mědi (Cu) a záporným iontem bude iont zbytku kyseliny (SO4). Ionty mědi v kontaktu s katodou se vybijí (připojí chybějící elektrony), tj. změní se na neutrální molekuly čisté mědi, a budou se ukládat na katodu ve formě tenké (molekulární) vrstvy.
Záporné ionty, které dosáhly anody, jsou také vybity (vzdávají se přebytečné elektrony). Zároveň však vstupují do chemické reakce s mědí anody, v důsledku čehož se ke kyselému zbytku SO4 přidá molekula mědi Cu a vznikne molekula síranu měďnatého CuS O4, která se vrátí zpět k elektrolytu.
Protože tento chemický proces trvá dlouho, měď se uvolňuje na katodě a uvolňuje se z elektrolytu. V tomto případě elektrolyt místo molekul mědi, které šly na katodu, přijímá nové molekuly mědi v důsledku rozpuštění druhé elektrody - anody.
Ke stejnému procesu dochází, pokud se místo měděných elektrod použijí zinkové elektrody a elektrolytem je roztok síranu zinečnatého ZnSO4. Zinek bude také převeden z anody na katodu.
Tím pádem, rozdíl mezi elektrickým proudem v kovech a tekutých vodičích spočívá v tom, že u kovů jsou nosiči náboje pouze volné elektrony, tedy záporné náboje, kdežto u elektrolytů je nesou opačně nabité částice látky - ionty pohybující se v opačných směrech. Proto to říkají Elektrolyty vykazují iontovou vodivost.
Jev elektrolýzy byl objeven v roce 1837 B. S. Jacobim, který provedl četné experimenty na výzkum a vylepšení zdrojů chemického proudu. Jacobi zjistil, že jedna z elektrod umístěných v roztoku síranu měďnatého byla potažena mědí, když jí procházel elektrický proud.
Tento jev se nazývá galvanické pokovování, nyní nachází extrémně široké praktické uplatnění. Jedním z příkladů je potahování kovových předmětů tenkou vrstvou jiných kovů, tj. niklování, zlacení, stříbření atd.
Plyny (včetně vzduchu) za normálních podmínek nevedou elektrický proud. Například nazí, kteří jsou zavěšeni paralelně k sobě, se ocitnou izolováni od sebe vrstvou vzduchu.
Pod vlivem vysoké teploty, velkých potenciálových rozdílů a dalších důvodů se však plyny, stejně jako kapalné vodiče, ionizují, tj. ve velkém množství se v nich objevují částice molekul plynu, které jako nosiče elektřiny usnadňují průchod el. proud plynem.
Ale zároveň se ionizace plynu liší od ionizace kapalného vodiče. Pokud se v kapalině molekula rozpadne na dvě nabité části, tak v plynech se vlivem ionizace vždy z každé molekuly oddělí elektrony a zůstane iont ve formě kladně nabité části molekuly.
Jakmile se ionizace plynu zastaví, přestane být vodivý, zatímco kapalina vždy zůstane vodičem elektrického proudu. V důsledku toho je vodivost plynu dočasným jevem, závislým na působení vnějších příčin.
Existuje však další tzv obloukový výboj nebo jednoduše elektrický oblouk. Fenomén elektrického oblouku objevil na počátku 19. století první ruský elektrotechnik V.V.
V.V Petrov četnými experimenty zjistil, že mezi dvěma uhlíky připojenými ke zdroji proudu dochází vzduchem k trvalému elektrickému výboji doprovázenému jasným světlem. V.V Petrov ve svých spisech napsal, že v tomto případě „může být temný mír osvětlen docela jasně“. Tak bylo poprvé získáno elektrické světlo, které prakticky aplikoval další ruský elektroinženýr Pavel Nikolajevič Jabločkov.
Svíčka Yablochkov Candle, jejíž provoz je založen na použití elektrického oblouku, udělala v té době skutečnou revoluci v elektrotechnice.
Obloukový výboj se jako zdroj světla používá dodnes, například v reflektorech a promítacích zařízeních. Vysoká teplota obloukového výboje umožňuje jeho použití pro. V současné době se obloukové pece napájené velmi vysokým proudem používají v řadě průmyslových odvětví: pro tavení oceli, litiny, feroslitin, bronzu atd. A v roce 1882 N.N. Benardos poprvé použil obloukový výboj pro řezání a svařování kovu.
V plynových trubicích, zářivkách, stabilizátorech napětí, tkzv doutnavý výboj plynu.
Jiskrový výboj slouží k měření velkých rozdílů potenciálů pomocí kulové mezery, jejíž elektrody jsou dvě kovové kuličky s leštěným povrchem. Kuličky se pohybují od sebe a aplikuje se na ně změřený rozdíl potenciálů. Poté se kuličky přiblíží k sobě, až mezi nimi přeskočí jiskra. Znáte-li průměr kuliček, vzdálenost mezi nimi, tlak, teplotu a vlhkost vzduchu, najděte potenciální rozdíl mezi kuličkami pomocí speciálních tabulek. Touto metodou lze měřit potenciální rozdíly v řádu desítek tisíc voltů s přesností několika procent.
Témata kodifikátoru jednotné státní zkoušky: nositelé volných elektrických nábojů v plynech.
Za běžných podmínek se plyny skládají z elektricky neutrálních atomů nebo molekul; V plynech nejsou téměř žádné poplatky zdarma. Proto jsou plyny dielektrika- neprochází jimi elektrický proud.
Řekli jsme „téměř žádné“, protože ve skutečnosti je v plynech a zejména ve vzduchu vždy přítomno určité množství volných nabitých částic. Objevují se v důsledku ionizujících účinků záření radioaktivních látek, které tvoří zemskou kůru, ultrafialového a rentgenového záření ze Slunce a také kosmického záření - proudů vysokoenergetických částic pronikající do zemské atmosféry z vnějšího prostředí. prostor. Následně se k této skutečnosti vrátíme a probereme její důležitost, ale prozatím pouze poznamenáme, že za normálních podmínek je vodivost plynů způsobená „přirozeným“ množstvím volných nábojů zanedbatelná a lze ji ignorovat.
Působení spínačů v elektrických obvodech je založeno na izolačních vlastnostech vzduchové mezery (obr. 1). Například malá vzduchová mezera ve vypínači stačí k otevření elektrického obvodu ve vaší místnosti.
Rýže. 1 klíč
Je však možné vytvořit podmínky, za kterých se v plynové mezeře objeví elektrický proud. Podívejme se na následující zkušenost.
Nabijme desky vzduchového kondenzátoru a připojte je k citlivému galvanometru (obr. 2 vlevo). Při pokojové teplotě a nepříliš vlhkém vzduchu neukáže galvanometr žádný znatelný proud: naše vzduchová mezera, jak jsme řekli, není vodičem elektřiny.
Rýže. 2. Vzhled proudu ve vzduchu
Nyní přivedeme hořák nebo plamen svíčky do mezery mezi deskami kondenzátoru (obr. 2, vpravo). Objeví se proud! Proč?
Poplatky v plynu zdarma
Výskyt elektrického proudu mezi deskami kondenzátoru znamená, že se ve vzduchu pod vlivem plamene objevil bezplatné poplatky. Které přesně?
Zkušenosti ukazují, že elektrický proud v plynech je uspořádaný pohyb nabitých částic tři typy. Tento elektrony, kladné ionty A záporné ionty.
Pojďme zjistit, jak se tyto náboje mohou objevit v plynu.
S rostoucí teplotou plynu se tepelné vibrace jeho částic – molekul nebo atomů – stávají intenzivnějšími. Srážka částic proti sobě dosáhne takové síly, že začne ionizace- rozpad neutrálních částic na elektrony a kladné ionty (obr. 3).
Rýže. 3. Ionizace
Stupeň ionizace je poměr počtu rozpadlých částic plynu k celkovému počátečnímu počtu částic. Pokud je například stupeň ionizace roven , znamená to, že původní částice plynu se rozpadly na kladné ionty a elektrony.
Stupeň ionizace plynu závisí na teplotě a s teplotou prudce roste. U vodíku například při teplotě nižší nepřekročí stupeň ionizace a při teplotě vyšší se stupeň ionizace blíží (to znamená, že vodík je téměř úplně ionizován (částečně nebo úplně ionizovaný plyn se nazývá plazma)).
Kromě vysoké teploty existují další faktory, které způsobují ionizaci plynu.
O nich jsme se již mimochodem zmínili: jedná se o radioaktivní záření, ultrafialové záření, rentgenové záření a záření gama, kosmické částice. Každý takový faktor, který způsobí ionizaci plynu, se nazývá ionizátor.
K ionizaci tedy nedochází samovolně, ale působením ionizátoru.
Současně dochází k opačnému procesu - rekombinace, tedy opětovné sjednocení elektronu a kladného iontu na neutrální částici (obr. 4).
Rýže. 4. Rekombinace
Důvod rekombinace je jednoduchý: je to Coulombova přitažlivost opačně nabitých elektronů a iontů. Když se k sobě pod vlivem elektrických sil řítí, setkají se a jsou schopny vytvořit neutrální atom (nebo molekulu, v závislosti na typu plynu).
Při konstantní intenzitě působení ionizátoru se ustaví dynamická rovnováha: průměrný počet rozpadlých částic za jednotku času se rovná průměrnému počtu rekombinačních částic (jinými slovy, rychlost ionizace je rovna rychlosti rekombinace If). působení ionizátoru se zvýší (například zvýšením teploty), pak se dynamická rovnováha posune na stranu ionizace a zvýší se koncentrace nabitých částic v plynu. Naopak, pokud ionizátor vypnete, začne převládat rekombinace a volné náboje postupně zcela zmizí.
Kladné ionty a elektrony se tedy objevují v plynu jako výsledek ionizace. Odkud pochází třetí typ náboje – záporné ionty? Je to velmi jednoduché: elektron může zasáhnout neutrální atom a připojit se k němu! Tento proces je znázorněn na Obr. 5.
Rýže. 5. Objevení se záporného iontu
Takto vytvořené záporné ionty se budou podílet na tvorbě proudu spolu s kladnými ionty a elektrony.
Nesamostatný výtok
Pokud neexistuje žádné vnější elektrické pole, pak volné náboje podléhají chaotickému tepelnému pohybu spolu s částicemi neutrálního plynu. Ale když je aplikováno elektrické pole, začíná uspořádaný pohyb nabitých částic - elektrický proud v plynu.
Rýže. 6. Nesoudržný výboj
Na Obr. 6 vidíme tři typy nabitých částic vznikajících v plynové mezeře působením ionizátoru: kladné ionty, záporné ionty a elektrony. Elektrický proud v plynu vzniká jako výsledek protipohybu nabitých částic: kladné ionty - k záporné elektrodě (katodě), elektrony a záporné ionty - ke kladné elektrodě (anoda).
Elektrony narážející na kladnou anodu jsou nasměrovány obvodem do „plus“ zdroje proudu. Záporné ionty předávají anodě navíc elektron a stávají se neutrálními částicemi a vracejí se do plynu; elektron přidaný anodě také spěchá do „plus“ zdroje. Kladné ionty přicházející na katodu odtud berou elektrony; výsledný deficit elektronů na katodě je okamžitě kompenzován jejich dodáním tam z „mínusového“ zdroje. V důsledku těchto procesů dochází ve vnějším obvodu k uspořádanému pohybu elektronů. Jedná se o elektrický proud zaznamenaný galvanometrem.
Popsaný proces znázorněný na Obr. 6, tzv nedochází k samovybíjení v plynu. Proč závislý? Proto je pro jeho udržení nutný stálý provoz ionizátoru. Odstraňme ionizátor - a proud se zastaví, protože mechanismus, který zajišťuje výskyt volných nábojů v plynové mezeře, zmizí. Prostor mezi anodou a katodou se opět stane izolantem.
Proudově-napěťové charakteristiky výboje plynu
Závislost proudu plynovou mezerou na napětí mezi anodou a katodou (tzv proudově-napěťová charakteristika výboje plynu) je znázorněn na Obr. 7.
Rýže. 7. Proudově-napěťové charakteristiky výboje plynu
Při nulovém napětí je intenzita proudu přirozeně nulová: nabité částice vykonávají pouze tepelný pohyb, mezi elektrodami nedochází k žádnému uspořádanému pohybu.
Při nízkém napětí je proud také nízký. Faktem je, že ne všechny nabité částice jsou předurčeny k tomu, aby dosáhly elektrod: některé kladné ionty a elektrony se navzájem najdou a během svého pohybu se rekombinují.
Jak se napětí zvyšuje, volné náboje vyvíjejí stále větší rychlost a tím menší je šance, že se kladný ion a elektron setkají a rekombinují. K elektrodám se proto dostává stále větší část nabitých částic a proud se zvyšuje (oddíl ).
Při určité hodnotě napětí (bodu) se rychlost pohybu náboje tak zvýší, že k rekombinaci vůbec nestihne dojít. Od teď Všechno nabité částice vzniklé působením ionizátoru se dostanou k elektrodám a proud dosáhne saturace- jmenovitě síla proudu se přestává měnit s rostoucím napětím. To se stane do určitého bodu.
Samovybíjení
Po průchodu bodem se síla proudu prudce zvyšuje s rostoucím napětím - the nezávislá kategorie. Nyní zjistíme, co to je.
Nabité částice plynu se pohybují od srážky ke srážce; v intervalech mezi srážkami jsou urychlovány elektrickým polem, čímž se zvyšuje jejich kinetická energie. A tak, když se napětí dostatečně zvětší (ten stejný bod), elektrony během své volné dráhy dosáhnou takové energie, že při srážce s neutrálními atomy je ionizují! (Pomocí zákonů zachování hybnosti a energie lze ukázat, že jsou to elektrony (nikoli ionty) urychlované elektrickým polem, které mají maximální schopnost ionizovat atomy.)
Takzvaný ionizace dopadem elektronů. Elektrony vyřazené z ionizovaných atomů jsou také urychlovány elektrickým polem a srážejí se s novými atomy, které je nyní ionizují a generují nové elektrony. Následkem vzniklé elektronové laviny rychle narůstá počet ionizovaných atomů, v důsledku čehož rychle roste i síla proudu.
Počet volných nábojů je tak velký, že odpadá potřeba externího ionizátoru. Můžete jej jednoduše odstranit. Výsledkem jsou volné nabité částice vnitřní procesy probíhající v plynu - proto se výboj nazývá nezávislý.
Pokud je plynová mezera pod vysokým napětím, není k samovybíjení potřeba žádný ionizátor. Stačí mít v plynu jen jeden volný elektron a spustí se výše popsaná elektronová lavina. A vždy bude alespoň jeden volný elektron!
Ještě jednou si připomeňme, že v plynu je i za normálních podmínek určité „přirozené“ množství volných nábojů v důsledku ionizujícího radioaktivního záření ze zemské kůry, vysokofrekvenčního záření ze Slunce a kosmického záření. Viděli jsme, že při nízkém napětí je vodivost plynu způsobená těmito volnými náboji zanedbatelná, ale nyní – při vysokých napětích – vygenerují lavinu nových částic, což vede k nezávislému výboji. Stane se, jak se říká, zhroutit se plynová mezera.
Intenzita pole potřebná pro rozklad suchého vzduchu je přibližně kV/cm. Jinými slovy, aby mezi elektrodami oddělenými centimetrem vzduchu přeskočila jiskra, musí se na ně přivést kilovoltové napětí. Představte si napětí potřebné k proražení několika kilometrů vzduchu! Ale právě k takovým poruchám při bouřce dochází – to jsou blesky, které dobře znáte.
1. Ionizace, její podstata a druhy.
První podmínkou existence elektrického proudu je přítomnost volných nosičů náboje. V plynech vznikají v důsledku ionizace. Vlivem ionizačních faktorů dochází k oddělení elektronu od neutrální částice. Atom se stává kladným iontem. Vznikají tak 2 typy nosičů náboje: kladný iont a volný elektron. Pokud se elektron spojí s neutrálním atomem, objeví se negativní iont, tzn. třetí typ nosičů náboje. Ionizovaný plyn se nazývá vodič třetího druhu. Zde jsou možné 2 typy vodivosti: elektronická a iontová. Současně s ionizačními procesy dochází k opačnému procesu - rekombinaci. K oddělení elektronu od atomu je třeba vynaložit energii. Pokud je energie dodávána zvenčí, pak faktory podporující ionizaci nazýváme vnější (vysoká teplota, ionizující záření, ultrafialové záření, silná magnetická pole). V závislosti na ionizačních faktorech se nazývá tepelná ionizace nebo fotoionizace. Ionizace může být způsobena i mechanickým nárazem. Ionizační faktory dělíme na přirozené a umělé. Přírodní je způsobeno zářením ze Slunce a radioaktivním pozadím Země. Kromě vnější ionizace existuje vnitřní ionizace. Dělí se na šok a krok.
Dopadová ionizace.
Při dostatečně vysokém napětí se elektrony urychlené polem na vysoké rychlosti samy stávají zdrojem ionizace. Když takový elektron narazí na neutrální atom, elektron je z atomu vyražen. K tomu dochází, když energie elektronu způsobujícího ionizaci převyšuje ionizační energii atomu. Napětí mezi elektrodami musí být dostatečné, aby elektron získal potřebnou energii. Toto napětí se nazývá ionizační napětí. Pro každého má svůj význam.
Pokud je energie pohybujícího se elektronu menší, než je nutné, pak při dopadu dojde pouze k excitaci neutrálního atomu. Pokud se pohybující se elektron srazí s předem excitovaným atomem, dochází k postupné ionizaci.
2. Nesamostatný plynový výboj a jeho proudově-napěťové charakteristiky.
Ionizace vede ke splnění první podmínky existence proudu, tzn. ke vzniku bezplatných poplatků. Pro vznik proudu je nutná přítomnost vnější síly, která přinutí náboje pohybovat se směrově, tzn. je potřeba elektrické pole. Elektrický proud v plynech provází řada jevů: světlo, zvuk, tvorba ozónu, oxidy dusíku. Soubor jevů doprovázejících průchod proudu výbojem plyn-plyn. Samotný proces toku proudu je často označován jako výboj plynu.
Výboj se nazývá nesamoudržovací, pokud existuje pouze při působení externího ionizátoru. V tomto případě se po ukončení externího ionizátoru netvoří žádné nové nosiče náboje a proud se zastaví. Během nesamostatného výboje jsou proudy malé velikosti a nedochází k žádnému žhnutí plynu.
Nezávislý výboj plynu, jeho druhy a vlastnosti.
Nezávislý výboj plynu je výboj, který může existovat poté, co ustane působení vnějšího ionizátoru, tzn. v důsledku nárazové ionizace. V tomto případě jsou pozorovány světelné a zvukové jevy a síla proudu se může výrazně zvýšit.
Typy samovybíjení:
1. tichý výboj - následuje bezprostředně po nesamonosném, proudová síla nepřesahuje 1 mA, nevznikají žádné zvukové ani světelné jevy. Používá se ve fyzioterapii, Geiger-Mullerovy počítadla.
2. doutnavý výboj. Jak se napětí zvyšuje, ticho se mění v doutnání. Vyskytuje se při určitém napětí - zapalovacím napětí. Záleží na druhu plynu. Neon má 60-80 V. Záleží také na tlaku plynu. Doutnavý výboj je doprovázen záři, je spojen s rekombinací, ke které dochází při uvolňování energie. Barva také závisí na druhu plynu. Používá se v indikačních lampách (neonové, UV baktericidní, osvětlovací, zářivkové).
3. obloukový výboj. Síla proudu je 10 - 100 A. Za intenzivního svitu dosahuje teplota v mezeře výboje několik tisíc stupňů. Ionizace dosahuje téměř 100 %. 100% ionizovaný plyn - plazma studeného plynu. Má dobrou vodivost. Používá se ve vysokotlakých a ultravysokotlakých rtuťových výbojkách.
4. Jiskrový výboj je druh obloukového výboje. Jedná se o pulzně-oscilační výboj. V lékařství se využívá působení vysokofrekvenčních vibrací Při vysokých proudových hustotách jsou pozorovány intenzivní zvukové jevy.
5. korónový výboj. Jedná se o typ doutnavého výboje Pozorujeme jej v místech, kde dochází k prudké změně intenzity elektrického pole. Zde se objeví lavina náloží a záře plynů – koróna.
