V plynoch sú nesamosprávne a samoudržiavacie elektrické výboje.
Fenomén elektrického prúdu pretekajúceho plynom, pozorovaný len za podmienky nejakého vonkajšieho vplyvu na plyn, sa nazýva nesamosprávny elektrický výboj. Proces odstránenia elektrónu z atómu sa nazýva ionizácia atómu. Minimálna energia, ktorá sa musí vynaložiť na odstránenie elektrónu z atómu, sa nazýva ionizačná energia. Nazýva sa čiastočne alebo úplne ionizovaný plyn, v ktorom sú hustoty kladných a záporných nábojov rovnaké plazma.
Nosičmi elektrického prúdu pri nesamosprávnom výboji sú kladné ióny a záporné elektróny. Prúdovo-napäťová charakteristika je znázornená na obr. 54. V oblasti OAV - nesamostatný výboj. V oblasti BC sa výboj stáva nezávislým.
Počas samovybíjania je jedným zo spôsobov ionizácie atómov ionizácia nárazom elektrónov. Ionizácia nárazom elektrónu je možná, keď elektrón na strednej voľnej dráhe A získa kinetickú energiu Wk dostatočnú na vykonanie práce na odstránení elektrónu z atómu. Druhy nezávislých výbojov v plynoch - iskrový, korónový, oblúkový a doutnavý výboj.
Iskrový výboj sa vyskytuje medzi dvoma elektródami nabitými rôznymi nábojmi a s veľkým potenciálovým rozdielom. Napätie medzi rôzne nabitými telesami dosahuje až 40 000 V. Iskrový výboj je krátkodobý, jeho mechanizmus je elektronický náraz. Blesk je druh iskrového výboja.
Vo vysoko nehomogénnych elektrických poliach, vytvorených napríklad medzi hrotom a rovinou alebo medzi drôtom elektrického vedenia a povrchom Zeme, dochádza k zvláštnej forme samovoľného výboja v plynoch, tzv. korónový výboj.
Elektrický oblúkový výboj objavil ruský vedec V.V Petrov v roku 1802. Pri kontakte dvoch uhlíkových elektród pri napätí 40-50 V sa na niektorých miestach objavujú oblasti malého prierezu s vysokým elektrickým odporom. Tieto oblasti sú veľmi horúce a emitujú elektróny, ktoré ionizujú atómy a molekuly medzi elektródami. Nosičmi elektrického prúdu v oblúku sú kladne nabité ióny a elektróny.
Výboj, ktorý sa vyskytuje pri nízkom tlaku, sa nazýva žeravý výboj. S klesajúcim tlakom sa voľná dráha elektrónu zväčšuje a v čase medzi zrážkami stihne získať dostatok energie na ionizáciu v elektrickom poli s menšou intenzitou. Výboj sa uskutočňuje pomocou elektrón-iónovej lavíny.
Za normálnych podmienok sú plyny dielektriká, pretože sú tvorené neutrálnymi atómami a molekulami a nemajú dostatok voľných nábojov Plyny sa stávajú vodičmi až vtedy, keď sú nejakým spôsobom ionizované. Proces ionizácie plynov zahŕňa odstránenie jedného alebo viacerých elektrónov z atómu z nejakého dôvodu. Výsledkom je, že namiesto neutrálneho atómu kladný ión A elektrón.
Rozklad molekúl na ióny a elektróny sa nazýva ionizácia plynu.
Niektoré z výsledných elektrónov môžu byť zachytené inými neutrálnymi atómami a potom záporne nabité ióny.
V ionizovanom plyne teda existujú tri typy nosičov náboja: elektróny, kladné ióny a záporné ióny.
Odstránenie elektrónu z atómu vyžaduje vynaloženie určitého množstva energie - ionizačnej energie W i. Ionizačná energia závisí od chemickej povahy plynu a energetického stavu elektrónu v atóme. Na odstránenie prvého elektrónu z atómu dusíka je teda potrebná energia 14,5 eV, na odstránenie druhého elektrónu - 29,5 eV a na odstránenie tretieho - 47,4 eV.
Faktory spôsobujúce ionizáciu plynu sú tzv ionizátory.
Existujú tri typy ionizácie: tepelná ionizácia, fotoionizácia a nárazová ionizácia.
Tepelná ionizácia vzniká v dôsledku zrážky atómov alebo molekúl plynu pri vysokej teplote, ak kinetická energia relatívneho pohybu zrážajúcich sa častíc prevyšuje väzbovú energiu elektrónu v atóme.
Fotoionizácia vzniká vplyvom elektromagnetického žiarenia (ultrafialového, röntgenového alebo γ-žiarenia), keď energiu potrebnú na oddelenie elektrónu od atómu mu prenesie kvantum žiarenia.
Ionizácia nárazom elektrónov(alebo nárazová ionizácia) je tvorba kladne nabitých iónov v dôsledku zrážok atómov alebo molekúl s rýchlymi elektrónmi s vysokou kinetickou energiou.
Proces ionizácie plynu je vždy sprevádzaný opačným procesom redukcie neutrálnych molekúl z opačne nabitých iónov v dôsledku ich elektrickej príťažlivosti. Tento jav sa nazýva rekombinácia. Počas rekombinácie sa uvoľňuje energia rovnajúca sa energii vynaloženej na ionizáciu. To môže spôsobiť napríklad žeravenie plynu.
Ak je pôsobenie ionizátora nezmenené, potom sa v ionizovanom plyne vytvorí dynamická rovnováha, v ktorej sa za jednotku času obnoví rovnaký počet molekúl, ako sa rozpadajú na ióny. V tomto prípade zostáva koncentrácia nabitých častíc v ionizovanom plyne nezmenená. Ak sa činnosť ionizátora zastaví, potom začne prevládať rekombinácia nad ionizáciou a počet iónov sa rýchlo zníži takmer na nulu. V dôsledku toho je prítomnosť nabitých častíc v plyne dočasným javom (počas prevádzky ionizátora).
V neprítomnosti vonkajšieho poľa sa nabité častice pohybujú chaoticky.
Výtok plynu
Keď sa ionizovaný plyn umiestni do elektrického poľa, na voľné náboje začnú pôsobiť elektrické sily, ktoré sa unášajú rovnobežne s napäťovými vedeniami: elektróny a záporné ióny k anóde, kladné ióny ku katóde (obr. 1). Na elektródach sa ióny premenia na neutrálne atómy, ktoré dávajú alebo prijímajú elektróny, čím sa obvod dokončí. V plyne vzniká elektrický prúd.
Elektrický prúd v plynoch- ide o usmernený pohyb iónov a elektrónov.
Elektrický prúd v plynoch je tzv výboj plynu.
Celkový prúd v plyne pozostáva z dvoch tokov nabitých častíc: toku smerujúceho ku katóde a toku smerujúceho k anóde.
Plyny spájajú elektrónovú vodivosť, podobnú vodivosti kovov, s iónovou vodivosťou, podobnú vodivosti vodných roztokov alebo tavenín elektrolytov.
Teda vodivosť plynov má iónovo-elektronického charakteru.
Vzniká usmerneným pohybom voľných elektrónov a že v tomto prípade nenastanú žiadne zmeny v látke, z ktorej je vodič vyrobený.
Takéto vodiče, v ktorých prechod elektrického prúdu nie je sprevádzaný chemickými zmenami v ich látke, sa nazývajú vodiče prvého druhu. Patria sem všetky kovy, uhlie a množstvo ďalších látok.
Ale v prírode existujú aj vodiče elektrického prúdu, v ktorých dochádza k chemickým javom pri prechode prúdu. Tieto vodiče sú tzv vodiče druhého druhu. Patria sem najmä rôzne roztoky kyselín, solí a zásad vo vode.
Ak nalejete vodu do sklenenej nádoby a pridáte niekoľko kvapiek kyseliny sírovej (alebo inej kyseliny alebo zásady) a potom vezmete dve kovové platne a pripojíte k nim vodiče, spustíte tieto platne do nádoby a pripojíte zdroj prúdu k druhé konce vodičov cez spínač a ampérmeter, potom sa z roztoku uvoľní plyn a bude to pokračovať nepretržite, kým je okruh uzavretý, pretože okyslená voda je skutočne vodič. Okrem toho sa dosky začnú pokrývať bublinami plynu. Tieto bubliny sa potom odlomia z platní a vyjdú von.
Pri prechode elektrického prúdu cez roztok dochádza k chemickým zmenám, ktorých výsledkom je uvoľnenie plynu.
Vodiče druhého druhu sa nazývajú elektrolyty a jav, ktorý sa vyskytuje v elektrolyte, keď ním prechádza elektrický prúd, je.
Kovové dosky ponorené do elektrolytu sa nazývajú elektródy; jeden z nich, pripojený k kladnému pólu zdroja prúdu, sa nazýva anóda a druhý, pripojený k zápornému pólu, sa nazýva katóda.
Čo určuje prechod elektrického prúdu v kvapalnom vodiči? Ukazuje sa, že v takýchto roztokoch (elektrolytoch) sa molekuly kyseliny (zásady, soli) pod vplyvom rozpúšťadla (v tomto prípade vody) rozpadajú na dve zložky a Jedna častica molekuly má kladný elektrický náboj a druhá záporný elektrický náboj.
Častice molekuly, ktoré majú elektrický náboj, sa nazývajú ióny. Keď sa kyselina, soľ alebo zásada rozpustí vo vode, v roztoku sa objaví veľké množstvo kladných aj záporných iónov.
Teraz by malo byť jasné, prečo cez roztok prechádzal elektrický prúd, pretože medzi elektródami pripojenými k zdroju prúdu sa vytvorilo napätie, inými slovami, jedna z nich bola nabitá kladne a druhá záporne. Pod vplyvom tohto rozdielu potenciálov sa kladné ióny začali miešať smerom k negatívnej elektróde - katóde a negatívne ióny - smerom k anóde.
Chaotický pohyb iónov sa tak stal usporiadaným protipohybom záporných iónov v jednom smere a pozitívnych iónov v druhom. Tento proces prenosu náboja predstavuje tok elektrického prúdu cez elektrolyt a prebieha tak dlho, pokiaľ existuje potenciálny rozdiel medzi elektródami. So zmiznutím potenciálneho rozdielu sa prúd cez elektrolyt zastaví, naruší sa usporiadaný pohyb iónov a opäť sa začne chaotický pohyb.
Ako príklad uvažujme jav elektrolýzy pri prechode elektrického prúdu cez roztok síranu meďnatého CuSO4 s medenými elektródami spustenými do neho.
Fenomén elektrolýzy pri prechode prúdu cez roztok síranu meďnatého: C - nádoba s elektrolytom, B - zdroj prúdu, C - spínač
Tu bude tiež existovať protipohyb iónov voči elektródam. Pozitívny ión bude ión medi (Cu) a negatívny ión bude ión zvyškov kyseliny (SO4). Ióny medi v kontakte s katódou sa vybijú (prichytia chýbajúce elektróny), t.j. zmenia sa na neutrálne molekuly čistej medi a uložia sa na katóde vo forme tenkej (molekulárnej) vrstvy.
Záporné ióny, ktoré dosiahli anódu, sú tiež vybité (vzdávajú sa prebytočných elektrónov). Zároveň však vstupujú do chemickej reakcie s meďou anódy, v dôsledku čoho sa ku kyslému zvyšku SO4 pridá molekula medi Cu a vytvorí sa molekula síranu meďnatého CuS O4, ktorý sa vráti späť. k elektrolytu.
Keďže tento chemický proces trvá dlho, na katóde sa uvoľňuje meď, ktorá sa uvoľňuje z elektrolytu. V tomto prípade elektrolyt namiesto molekúl medi, ktoré išli na katódu, dostáva nové molekuly medi v dôsledku rozpustenia druhej elektródy - anódy.
Rovnaký proces nastane, ak sa namiesto medených elektród odoberú zinkové elektródy a elektrolytom je roztok síranu zinočnatého Zn SO4. Zinok sa tiež prenesie z anódy na katódu.
teda rozdiel medzi elektrickým prúdom v kovoch a kvapalných vodičoch spočíva v tom, že v kovoch sú nosičmi náboja len voľné elektróny, teda záporné náboje, zatiaľ čo v elektrolytoch sú prenášané opačne nabitými časticami látky - iónmi, ktoré sa pohybujú v opačných smeroch. Preto to hovoria Elektrolyty vykazujú iónovú vodivosť.
Fenomén elektrolýzy bol objavený v roku 1837 B. S. Jacobim, ktorý uskutočnil početné experimenty na výskum a zlepšenie zdrojov chemického prúdu. Jacobi zistil, že jedna z elektród umiestnených v roztoku síranu meďnatého sa pokryla meďou, keď ňou prechádzal elektrický prúd.
Tento jav sa nazýva galvanické pokovovanie, nachádza v súčasnosti mimoriadne široké praktické uplatnenie. Jedným z príkladov je pokovovanie kovových predmetov tenkou vrstvou iných kovov, t. j. niklovanie, pozlátenie, postriebrenie atď.
Plyny (vrátane vzduchu) za normálnych podmienok nevedú elektrický prúd. Napríklad nahí, ktorí sú zavesení paralelne k sebe, sa ocitnú izolovaní jeden od druhého vrstvou vzduchu.
Pod vplyvom vysokej teploty, veľkých potenciálových rozdielov a iných dôvodov sa však plyny, podobne ako kvapalné vodiče, ionizujú, t.j. vo veľkom množstve sa v nich objavujú častice molekúl plynu, ktoré ako nosiče elektriny uľahčujú prechod el. prúd cez plyn.
Zároveň sa však ionizácia plynu líši od ionizácie kvapalného vodiča. Ak sa v kvapaline molekula rozpadne na dve nabité časti, tak v plynoch sa vplyvom ionizácie vždy z každej molekuly oddelia elektróny a zostane ión vo forme kladne nabitej časti molekuly.
Akonáhle sa ionizácia plynu zastaví, prestane byť vodivý, zatiaľ čo kvapalina vždy zostáva vodičom elektrického prúdu. Následne je vodivosť plynu dočasným javom, závislým od pôsobenia vonkajších príčin.
Existuje však ešte jeden tzv oblúkový výboj alebo jednoducho elektrický oblúk. Fenomén elektrického oblúka objavil na začiatku 19. storočia prvý ruský elektrotechnik V.V.
V.V Petrov prostredníctvom mnohých experimentov zistil, že medzi dvoma uhlíkmi pripojenými k zdroju prúdu dochádza vzduchom k nepretržitému elektrickému výboju sprevádzanému jasným svetlom. V.V Petrov vo svojich spisoch napísal, že v tomto prípade „môže byť temný pokoj celkom jasne osvetlený“. Takto sa prvýkrát získalo elektrické svetlo, ktoré prakticky aplikoval ďalší ruský elektrotechnik Pavel Nikolajevič Jabločkov.
Yablochkov Candle, ktorej prevádzka je založená na použití elektrického oblúka, urobila v tých dňoch skutočnú revolúciu v elektrotechnike.
Oblúkový výboj sa aj dnes používa ako zdroj svetla, napríklad v reflektoroch a projekčných zariadeniach. Vysoká teplota oblúkového výboja umožňuje jeho použitie na. V súčasnosti sa oblúkové pece poháňané veľmi vysokým prúdom používajú v mnohých odvetviach: na tavenie ocele, liatiny, ferozliatin, bronzu atď. A v roku 1882 N.N. Benardos prvýkrát použil oblúkový výboj na rezanie a zváranie kovu.
V plynových lampách, žiarivkách, stabilizátoroch napätia, tzv žeravý výboj plynu.
Iskrový výboj sa používa na meranie veľkých potenciálových rozdielov pomocou guľôčkovej medzery, ktorej elektródy sú dve kovové guľôčky s lešteným povrchom. Guľôčky sa pohybujú od seba a aplikuje sa na ne nameraný potenciálny rozdiel. Potom sa loptičky priblížia k sebe, až kým medzi nimi nepreskočí iskra. Keď poznáte priemer loptičiek, vzdialenosť medzi nimi, tlak, teplotu a vlhkosť vzduchu, nájdite potenciálny rozdiel medzi loptičkami pomocou špeciálnych tabuliek. Táto metóda dokáže merať s presnosťou niekoľkých percent potenciálne rozdiely rádovo v desiatkach tisíc voltov.
Témy kodifikátora jednotnej štátnej skúšky: nosiče voľných elektrických nábojov v plynoch.
Za normálnych podmienok sa plyny skladajú z elektricky neutrálnych atómov alebo molekúl; V plynoch nie sú takmer žiadne bezplatné poplatky. Preto sú plyny dielektriká- neprechádza cez ne elektrický prúd.
Povedali sme „takmer žiadne“, pretože v plynoch a najmä vo vzduchu je vždy prítomné určité množstvo voľných nabitých častíc. Objavujú sa v dôsledku ionizujúcich účinkov žiarenia rádioaktívnych látok, ktoré tvoria zemskú kôru, ultrafialového a röntgenového žiarenia zo Slnka, ako aj kozmického žiarenia - prúdov vysokoenergetických častíc prenikajúcich do zemskej atmosféry z vonkajších priestor. Následne sa k tejto skutočnosti vrátime a rozoberieme jej dôležitosť, ale zatiaľ len poznamenáme, že za normálnych podmienok je vodivosť plynov spôsobená „prirodzeným“ množstvom voľných nábojov zanedbateľná a možno ju ignorovať.
Pôsobenie spínačov v elektrických obvodoch je založené na izolačných vlastnostiach vzduchovej medzery (obr. 1). Napríklad malá vzduchová medzera vo vypínači svetla stačí na otvorenie elektrického obvodu vo vašej izbe.
Ryža. 1 kľúč
Je však možné vytvoriť podmienky, pri ktorých sa v plynovej medzere objaví elektrický prúd. Zoberme si nasledujúcu skúsenosť.
Nabijeme platne vzduchového kondenzátora a pripojíme ich na citlivý galvanometer (obr. 2, vľavo). Pri izbovej teplote a nie príliš vlhkom vzduchu galvanometer neukáže žiadny viditeľný prúd: naša vzduchová medzera, ako sme povedali, nie je vodičom elektriny.
Ryža. 2. Vzhľad prúdu vo vzduchu
Teraz vložíme horák alebo plameň sviečky do medzery medzi doskami kondenzátora (obr. 2, vpravo). Objaví sa prúd! prečo?
Bezplatné poplatky za plyn
Výskyt elektrického prúdu medzi doskami kondenzátora znamená, že sa vo vzduchu objavil pod vplyvom plameňa bezplatné poplatky. Ktoré presne?
Skúsenosti ukazujú, že elektrický prúd v plynoch je usporiadaný pohyb nabitých častíc tri typy. Toto elektróny, kladné ióny A záporné ióny.
Poďme zistiť, ako sa tieto náboje môžu objaviť v plyne.
Keď sa teplota plynu zvyšuje, tepelné vibrácie jeho častíc - molekúl alebo atómov - sa stávajú intenzívnejšie. Zrážka častíc proti sebe dosiahne takú silu, že začne ionizácia- rozpad neutrálnych častíc na elektróny a kladné ióny (obr. 3).
Ryža. 3. Ionizácia
Stupeň ionizácie je pomer počtu rozpadnutých častíc plynu k celkovému počiatočnému počtu častíc. Napríklad, ak je stupeň ionizácie rovný , znamená to, že pôvodné častice plynu sa rozpadli na kladné ióny a elektróny.
Stupeň ionizácie plynu závisí od teploty a prudko sa zvyšuje s teplotou. Napríklad pre vodík pri teplote nižšej nepresahuje stupeň ionizácie a pri teplote nad úrovňou je stupeň ionizácie blízky (to znamená, že vodík je takmer úplne ionizovaný (čiastočne alebo úplne ionizovaný plyn sa nazýva plazma)).
Okrem vysokej teploty existujú aj ďalšie faktory, ktoré spôsobujú ionizáciu plynu.
Už sme ich mimochodom spomenuli: ide o rádioaktívne žiarenie, ultrafialové žiarenie, röntgenové a gama žiarenie, kozmické častice. Každý takýto faktor, ktorý spôsobuje ionizáciu plynu, sa nazýva ionizátor.
K ionizácii teda nedochádza samovoľne, ale vplyvom ionizátora.
Súčasne dochádza k opačnému procesu - rekombinácia, teda opätovné zjednotenie elektrónu a kladného iónu na neutrálnu časticu (obr. 4).
Ryža. 4. Rekombinácia
Dôvod rekombinácie je jednoduchý: je to Coulombova príťažlivosť opačne nabitých elektrónov a iónov. Ponáhľajú sa k sebe pod vplyvom elektrických síl, stretávajú sa a sú schopné vytvoriť neutrálny atóm (alebo molekulu, v závislosti od typu plynu).
Pri konštantnej intenzite pôsobenia ionizátora sa vytvorí dynamická rovnováha: priemerný počet rozpadnutých častíc za jednotku času sa rovná priemernému počtu rekombinácií častíc (inými slovami, rýchlosť ionizácie sa rovná rýchlosti rekombinácie If). pôsobenie ionizátora sa zvýši (napríklad zvýšením teploty), potom sa dynamická rovnováha posunie na stranu ionizácie a zvýši sa koncentrácia nabitých častíc v plyne. Naopak, ak ionizátor vypnete, začne prevládať rekombinácia a voľné náboje postupne úplne zmiznú.
V plyne sa teda v dôsledku ionizácie objavujú kladné ióny a elektróny. Odkiaľ pochádza tretí typ náboja - záporné ióny? Je to veľmi jednoduché: elektrón môže zasiahnuť neutrálny atóm a pripojiť sa k nemu! Tento proces je znázornený na obr. 5.
Ryža. 5. Výskyt záporného iónu
Takto vytvorené záporné ióny sa budú podieľať na vytváraní prúdu spolu s kladnými iónmi a elektrónmi.
Nesebestačný výtok
Ak neexistuje žiadne vonkajšie elektrické pole, potom voľné náboje podliehajú chaotickému tepelnému pohybu spolu s časticami neutrálneho plynu. Ale keď sa aplikuje elektrické pole, začne sa usporiadaný pohyb nabitých častíc - elektrický prúd v plyne.
Ryža. 6. Nesamosprávny výboj
Na obr. 6 vidíme tri typy nabitých častíc vznikajúcich v plynovej medzere pôsobením ionizátora: kladné ióny, záporné ióny a elektróny. Elektrický prúd v plyne vzniká ako výsledok protipohybu nabitých častíc: kladné ióny - k zápornej elektróde (katóda), elektróny a záporné ióny - ku kladnej elektróde (anóda).
Elektróny, ktoré zasiahnu kladnú anódu, sú nasmerované cez obvod na „plus“ zdroja prúdu. Záporné ióny odovzdávajú anóde ďalší elektrón a stávajú sa neutrálnymi časticami a vracajú sa do plynu; elektrón pridelený anóde sa tiež ponáhľa do „plus“ zdroja. Kladné ióny prichádzajúce na katódu odtiaľ berú elektróny; výsledný deficit elektrónov na katóde je okamžite kompenzovaný ich dodaním tam z „mínusového“ zdroja. V dôsledku týchto procesov dochádza k usporiadanému pohybu elektrónov vo vonkajšom okruhu. Toto je elektrický prúd zaznamenaný galvanometrom.
Opísaný proces znázornený na obr. 6, tzv nedochádza k samovybíjaniu v plyne. Prečo závislý? Na jej udržanie je preto nevyhnutná stála prevádzka ionizátora. Odstránime ionizátor - a prúd sa zastaví, pretože mechanizmus, ktorý zabezpečuje výskyt voľných nábojov v plynovej medzere, zmizne. Priestor medzi anódou a katódou sa opäť stane izolantom.
Prúdovo-napäťové charakteristiky výboja plynu
Závislosť prúdu cez plynovú medzeru od napätia medzi anódou a katódou (tzv prúdovo-napäťová charakteristika výboja plynu) je znázornený na obr. 7.
Ryža. 7. Prúdovo-napäťové charakteristiky výboja plynu
Pri nulovom napätí je sila prúdu prirodzene nulová: nabité častice vykonávajú iba tepelný pohyb, medzi elektródami nedochádza k žiadnemu usporiadanému pohybu.
Pri nízkom napätí je prúd tiež nízky. Faktom je, že nie všetky nabité častice sú určené na to, aby sa dostali k elektródam: niektoré kladné ióny a elektróny sa navzájom nájdu a počas svojho pohybu sa rekombinujú.
Ako sa napätie zvyšuje, voľné náboje sa vyvíjajú rýchlejšie a rýchlejšie a tým menšia je šanca, že sa kladný ión a elektrón stretnú a rekombinujú. Preto sa čoraz väčšia časť nabitých častíc dostáva k elektródam a prúd sa zvyšuje (časť ).
Pri určitej hodnote napätia (bode) sa rýchlosť pohybu náboja tak zvýši, že rekombinácia nestihne vôbec nastať. Odteraz Všetky nabité častice vytvorené pôsobením ionizátora sa dostanú k elektródam a prúd dosiahne saturáciu- menovite sila prúdu sa prestáva meniť so zvyšujúcim sa napätím. To sa stane do určitého bodu.
Samovybíjanie
Po prejdení bodu sa sila prúdu prudko zvyšuje so zvyšujúcim sa napätím - the nezávislá kategória. Teraz zistíme, čo to je.
Nabité častice plynu sa pohybujú od zrážky ku zrážke; v intervaloch medzi zrážkami sú urýchľované elektrickým poľom, čím sa zvyšuje ich kinetická energia. A tak, keď je napätie dostatočne veľké (v tom istom bode), elektróny počas svojej voľnej dráhy dosahujú také energie, že pri zrážke s neutrálnymi atómami ich ionizujú! (Pomocou zákonov zachovania hybnosti a energie možno ukázať, že ide o elektróny (nie ióny) urýchlené elektrickým poľom, ktoré majú maximálnu schopnosť ionizovať atómy.)
Takzvaný ionizácia nárazom elektrónov. Elektróny vyradené z ionizovaných atómov sú tiež urýchľované elektrickým poľom a zrážajú sa s novými atómami, ktoré ich teraz ionizujú a generujú nové elektróny. V dôsledku vzniknutej elektrónovej lavíny rýchlo narastá počet ionizovaných atómov, v dôsledku čoho rapídne stúpa aj sila prúdu.
Počet voľných nábojov je taký veľký, že odpadá potreba externého ionizátora. Môžete ho jednoducho odstrániť. V dôsledku toho sa teraz vytvárajú voľné nabité častice interné procesy prebiehajúce v plyne - preto sa výboj nazýva nezávislý.
Ak je plynová medzera pod vysokým napätím, potom nie je potrebný ionizátor na samovybíjanie. Stačí mať v plyne len jeden voľný elektrón a spustí sa vyššie opísaná elektrónová lavína. A vždy bude aspoň jeden voľný elektrón!
Pripomeňme si ešte raz, že v plyne je aj za normálnych podmienok určité „prirodzené“ množstvo voľných nábojov v dôsledku ionizujúceho rádioaktívneho žiarenia zo zemskej kôry, vysokofrekvenčného žiarenia zo Slnka a kozmického žiarenia. Videli sme, že pri nízkych napätiach je vodivosť plynu spôsobená týmito voľnými nábojmi zanedbateľná, ale teraz - pri vysokých napätiach - vytvoria lavínu nových častíc, čo vedie k nezávislému výboju. Stane sa, ako sa hovorí, zlomiť plynová medzera.
Intenzita poľa potrebná na rozklad suchého vzduchu je približne kV/cm. Inými slovami, aby medzi elektródami oddelenými centimetrom vzduchu preskočila iskra, treba na ne priviesť kilovoltové napätie. Predstavte si napätie potrebné na prerazenie niekoľkých kilometrov vzduchu! Ale práve takéto poruchy sa vyskytujú počas búrky - to sú vám dobre známe blesky.
1. Ionizácia, jej podstata a druhy.
Prvou podmienkou existencie elektrického prúdu je prítomnosť voľných nosičov náboja. V plynoch vznikajú v dôsledku ionizácie. Vplyvom ionizačných faktorov dochádza k oddeleniu elektrónu od neutrálnej častice. Atóm sa stáva kladným iónom. Vznikajú tak 2 typy nosičov náboja: kladný ión a voľný elektrón. Ak sa elektrón spojí s neutrálnym atómom, objaví sa negatívny ión, t.j. tretí typ nosičov náboja. Ionizovaný plyn sa nazýva vodič tretieho druhu. Tu sú možné 2 typy vodivosti: elektronická a iónová. Súčasne s ionizačnými procesmi nastáva opačný proces - rekombinácia. Na oddelenie elektrónu od atómu je potrebné vynaložiť energiu. Ak je energia dodávaná zvonka, tak faktory podporujúce ionizáciu sa nazývajú externé (vysoká teplota, ionizujúce žiarenie, ultrafialové žiarenie, silné magnetické polia). V závislosti od ionizačných faktorov sa nazýva tepelná ionizácia alebo fotoionizácia. Ionizácia môže byť spôsobená aj mechanickým nárazom. Ionizačné faktory sa delia na prirodzené a umelé. Prirodzené je spôsobené žiarením zo Slnka a rádioaktívneho pozadia Zeme. Okrem vonkajšej ionizácie existuje aj vnútorná ionizácia. Delí sa na šok a krok.
Nárazová ionizácia.
Pri dostatočne vysokom napätí sa elektróny urýchlené poľom na vysoké rýchlosti samy stávajú zdrojom ionizácie. Keď takýto elektrón zasiahne neutrálny atóm, elektrón je vyrazený z atómu. K tomu dochádza, keď energia elektrónu spôsobujúceho ionizáciu prevyšuje ionizačnú energiu atómu. Napätie medzi elektródami musí byť dostatočné na to, aby elektrón získal potrebnú energiu. Toto napätie sa nazýva ionizačné napätie. Pre každého má svoj vlastný význam.
Ak je energia pohybujúceho sa elektrónu menšia, ako je potrebné, potom pri náraze dôjde iba k excitácii neutrálneho atómu. Ak sa pohybujúci elektrón zrazí s vopred excitovaným atómom, dochádza k postupnej ionizácii.
2. Nesamostatný plynový výboj a jeho prúdovo-napäťové charakteristiky.
Ionizácia vedie k splneniu prvej podmienky existencie prúdu, t.j. na vzhľad bezplatných poplatkov. Pre vznik prúdu je potrebná prítomnosť vonkajšej sily, ktorá prinúti náboje pohybovať sa smerovo, t.j. je potrebné elektrické pole. Elektrický prúd v plynoch sprevádza množstvo javov: svetlo, zvuk, tvorba ozónu, oxidy dusíka. Súbor javov sprevádzajúcich prechod prúdu cez výboj plyn-plyn. Samotný proces toku prúdu sa často označuje ako výboj plynu.
Výboj sa nazýva nesamosprávny, ak existuje len počas pôsobenia externého ionizátora. V tomto prípade sa po ukončení externého ionizátora nevytvoria žiadne nové nosiče náboja a prúd sa zastaví. Počas nesamostatného výboja sú prúdy malé a nedochádza k žiareniu plynu.
Nezávislý výboj plynu, jeho typy a vlastnosti.
Nezávislý výboj plynu je výboj, ktorý môže existovať po zastavení externého ionizátora, t.j. v dôsledku nárazovej ionizácie. V tomto prípade sa pozorujú svetelné a zvukové javy a sila prúdu sa môže výrazne zvýšiť.
Typy samovybíjania:
1. tichý výboj - nasleduje priamo po nesamostatnom, sila prúdu nepresahuje 1 mA, nedochádza k zvukovým ani svetelným javom. Používa sa vo fyzioterapii, počítadlá Geiger-Muller.
2. žeravý výboj. Keď sa napätie zvýši, ticho sa zmení na tlejúci. Vyskytuje sa pri určitom napätí - zapaľovacom napätí. Závisí to od druhu plynu. Neon ma 60-80 V. Zavisi aj od tlaku plynu. Žiarivý výboj je sprevádzaný žiarou je spojený s rekombináciou, ku ktorej dochádza pri uvoľňovaní energie. Farba závisí aj od druhu plynu. Používa sa v indikačných lampách (neónové, UV baktericídne, svetelné, žiarivkové).
3. oblúkový výboj. Prúdová sila je 10 - 100 A. Za sprievodu intenzívneho žiaru dosahuje teplota v plyno-výbojovej medzere niekoľko tisíc stupňov. Ionizácia dosahuje takmer 100%. 100% ionizovaný plyn - studená plynová plazma. Má dobrú vodivosť. Používa sa vo vysokotlakových a ultravysokotlakových ortuťových výbojkách.
4. Iskrový výboj je typ oblúkového výboja. Ide o pulzovo-oscilačný výboj. V medicíne sa používa vystavenie vysokofrekvenčným vibráciám Pri vysokej hustote prúdu sa pozorujú intenzívne zvukové javy.
5. korónový výboj. Ide o typ žeravého výboja Pozorujeme ho na miestach, kde dochádza k prudkej zmene intenzity elektrického poľa. Tu sa objaví lavína nábojov a žiara plynov - koróna.
