Oglašavanje na portalu

Poruka na temu električne struje u plinovima. Električna struja u plinovima: definicija, karakteristike i zanimljive činjenice

1. Ionizacija, njena suština i vrste.

Prvi uslov za postojanje električne struje je prisustvo slobodnih nosilaca naboja. U gasovima nastaju kao rezultat jonizacije. Pod uticajem faktora jonizacije, elektron se odvaja od neutralne čestice. Atom postaje pozitivan ion. Tako nastaju 2 vrste nosilaca naboja: pozitivni ion i slobodni elektron. Ako se elektron pridruži neutralnom atomu, tada se pojavljuje negativni ion, tj. treći tip nosača naboja. Jonizovani gas se naziva provodnik treće vrste. Ovdje su moguće 2 vrste provodljivosti: elektronska i jonska. Istovremeno sa procesima jonizacije dešava se i obrnuti proces - rekombinacija. Da bi se elektron odvojio od atoma, energija se mora potrošiti. Ako se energija dovodi izvana, faktori koji doprinose jonizaciji nazivaju se vanjskim (visoka temperatura, jonizujuće zračenje, ultraljubičasto zračenje, jako magnetna polja). U zavisnosti od faktora jonizacije, naziva se toplotna jonizacija ili fotojonizacija. Ionizacija može biti uzrokovana i mehaničkim udarom. Faktori jonizacije dijele se na prirodne i umjetne. Prirodni je uzrokovan zračenjem Sunca i radioaktivnom pozadinom Zemlje. Pored vanjske jonizacije, postoji i unutrašnja jonizacija. Dijeli se na šok i korak.

Udarna jonizacija.

Pri dovoljno visokom naponu, elektroni ubrzani poljem do velikih brzina sami postaju izvor jonizacije. Kada takav elektron udari u neutralni atom, elektron se izbacuje iz atoma. To se događa kada energija elektrona koji uzrokuje ionizaciju premašuje energiju ionizacije atoma. Napon između elektroda mora biti dovoljan da elektron dobije potrebnu energiju. Ovaj napon se naziva jonizacioni napon. Za svakog ima svoje značenje.

Ako je energija elektrona u pokretu manja od potrebne, tada se pri udaru javlja samo pobuda neutralnog atoma. Ako se elektron u pokretu sudari s prethodno pobuđenim atomom, dolazi do postepene ionizacije.

2. Nesamoodrživo plinsko pražnjenje i njegove strujno-naponske karakteristike.

Ionizacija dovodi do ispunjenja prvog uslova za postojanje struje, tj. do pojave besplatnih naknada. Za nastanak struje neophodno je prisustvo vanjske sile, koja će naboje natjerati da se kreću u pravcu, tj. neophodno električno polje. Struja u plinovima su praćene nizom pojava: svjetlošću, zvukom, stvaranjem ozona, dušikovim oksidima. Skup pojava koje prate prolaz struje gas - gas rang . Sam proces strujanja se često naziva gasnim pražnjenjem.

Pražnjenje se naziva nesamoodrživim ako postoji samo za vrijeme djelovanja vanjskog jonizatora. U tom slučaju, nakon prestanka rada eksternog ionizatora, ne stvaraju se novi nosioci naboja, a struja prestaje. Tokom nesamoodrživog pražnjenja, struje su male veličine i nema gasnog sjaja.

Nezavisno pražnjenje plina, njegove vrste i karakteristike.

Nezavisno plinsko pražnjenje je pražnjenje koje može postojati nakon prestanka rada vanjskog jonizatora, tj. zbog udarne jonizacije. U ovom slučaju se uočavaju svjetlosni i zvučni fenomeni, a jačina struje može se značajno povećati.

Vrste samopražnjenja:

1. tiho pražnjenje - slijedi direktno nakon nesamoodrživog, jačina struje ne prelazi 1 mA, nema zvučnih i svjetlosnih pojava. Koristi se u fizioterapiji, Geiger-Muller brojačima.

2. sjajno pražnjenje. Kako napon raste, tišina se pretvara u tinjanje. Javlja se pri određenom naponu - naponu paljenja. Zavisi od vrste gasa. Neon ima 60-80 V. Zavisi i od pritiska gasa. Svjetleće pražnjenje je praćeno sjajem, povezano je s rekombinacijom koja se javlja oslobađanjem energije. Boja takođe zavisi od vrste gasa. Koristi se u indikatorskim lampama (neonskim, UV baktericidnim, rasvjetnim, fluorescentnim).

3. lučno pražnjenje. Snaga struje je 10 - 100 A. Praćena intenzivnim sjajem, temperatura u prazninu gasnog pražnjenja dostiže nekoliko hiljada stepeni. Ionizacija dostiže skoro 100%. 100% jonizovani gas - hladna gasna plazma. Ima dobru provodljivost. Koristi se u živinim lampama visokog i ultravisokog pritiska.

4. Varničko pražnjenje je vrsta lučnog pražnjenja. Ovo je pulsno oscilatorno pražnjenje. U medicini se koristi izlaganje visokofrekventnim vibracijama.Pri velikim gustinama struje uočavaju se intenzivne zvučne pojave.

5. koronsko pražnjenje. Ovo je vrsta usijanog pražnjenja.Uočava se na mjestima gdje dolazi do nagle promjene jačine električnog polja. Ovdje se pojavljuje lavina naboja i sjaj plinova - korona.

Nastaje usmjerenim kretanjem slobodnih elektrona i da u tom slučaju ne dolazi do promjena u tvari od koje je provodnik napravljen.

Takvi provodnici kod kojih prolaz električne struje nije praćen hemijskim promjenama u njihovoj tvari nazivaju se provodnici prve vrste. To uključuje sve metale, ugalj i niz drugih tvari.

Ali u prirodi postoje i provodnici električne struje u kojima se tokom prolaska struje hemijske pojave. Ovi provodnici se nazivaju provodnici druge vrste. To uglavnom uključuje različite otopine kiselina, soli i lužina u vodi.

Ako u staklenu posudu sipate vodu i dodate nekoliko kapi sumporne kiseline (ili neke druge kiseline ili lužine), a zatim uzmete dvije metalne ploče i spojite na njih provodnike, spuštajući te ploče u posudu, i spojite izvor struje na druge krajeve provodnika kroz sklopku i ampermetar, tada će se gas osloboditi iz rastvora, i nastaviće se neprekidno sve dok je strujni krug zatvoren jer zakiseljena voda je zaista provodnik. Osim toga, ploče će početi da se prekrivaju mjehurićima plina. Ovi mjehurići će tada odlomiti ploče i izaći.

Kada električna struja prođe kroz otopinu, dolazi do kemijskih promjena koje rezultiraju oslobađanjem plina.

Provodniki druge vrste nazivaju se elektroliti, a pojava koja se javlja u elektrolitu kada kroz njega prolazi električna struja je.

Metalne ploče umočene u elektrolit nazivaju se elektrodama; jedan od njih je povezan sa pozitivni pol izvor struje naziva se anoda, a drugi, spojen na negativni pol, je katoda.

Šta određuje prolazak električne struje u tekućem provodniku? Ispada da u takvim rastvorima (elektrolitima) molekuli kiseline (alkalije, soli) pod dejstvom rastvarača (u u ovom slučaju voda) se raspadaju na dvije komponente, i Jedna čestica molekule ima pozitivan električni naboj, a druga negativna.

Molekularne čestice koje imaju električni naboj, nazivaju se joni. Kada se kiselina, sol ili alkalija otopi u vodi, a veliki broj i pozitivni i negativni joni.

Sada bi trebalo postati jasno zašto je električna struja prošla kroz otopinu, jer se između elektroda spojenih na izvor struje stvorio napon, drugim riječima, ispostavilo se da je jedna od njih pozitivno, a druga negativno. Pod uticajem ove potencijalne razlike, pozitivni ioni su se počeli mešati prema negativnoj elektrodi - katodi, a negativni ioni - prema anodi.

Tako je haotično kretanje jona postalo uređeno suprotno kretanje negativnih jona u jednom pravcu i pozitivnih u drugom. Ovaj proces prijenosa naboja predstavlja protok električne struje kroz elektrolit i događa se sve dok postoji razlika potencijala na elektrodama. S nestankom razlike potencijala, struja kroz elektrolit prestaje, uređeno kretanje iona se poremeti i ponovo počinje haotično kretanje.

Kao primjer, razmotrimo fenomen elektrolize pri propuštanju električne struje kroz otopinu bakar sulfata CuSO4 sa bakrenim elektrodama spuštenim u njega.

Fenomen elektrolize kada struja prolazi kroz rastvor bakar sulfata: C - posuda sa elektrolitom, B - izvor struje, C - prekidač

Ovdje će također doći do suprotnog kretanja jona prema elektrodama. Pozitivni ion će biti ion bakra (Cu), a negativni ion će biti ion kiselog ostatka (SO4). Ioni bakra, u kontaktu sa katodom, će se isprazniti (priključiti elektrone koji nedostaju), odnosno pretvoriti se u neutralne molekule čistog bakra i taložiti na katodu u obliku tankog (molekularnog) sloja.

Negativni ioni, koji dođu do anode, također se ispuštaju (odustavljaju višak elektrona). Ali u isto vrijeme ulaze hemijska reakcija sa bakrom anode, usled čega se kiselinskom ostatku SO4 dodaje molekul bakra Cu i formira se molekul bakar sulfata CuS O4, koji se vraća nazad u elektrolit.

Od ovoga hemijski proces curenja dugo vrijeme, tada se bakar taloži na katodi, oslobađa se iz elektrolita. U ovom slučaju, elektrolit, umjesto molekula bakra koji su otišli na katodu, prima nove molekule bakra zbog rastvaranja druge elektrode - anode.

Isti proces se događa ako se umjesto bakrenih uzmu cink elektrode, a elektrolit je otopina cink sulfata ZnSO4. Cink će se također prenositi sa anode na katodu.

dakle, razlika između električne struje u metalima i tekućim provodnicima leži u tome što su u metalima nosioci naboja samo slobodni elektroni, odnosno negativni naboji, dok ga u elektrolitima nose suprotno nabijene čestice tvari - joni koji se kreću u suprotnim smjerovima. Zato to kažu Elektroliti pokazuju ionsku provodljivost.

Fenomen elektrolize otkrio je 1837. B. S. Jacobi, koji je izveo brojne eksperimente na istraživanju i poboljšanju izvora kemijske struje. Jacobi je otkrio da je jedna od elektroda smještena u otopini bakar sulfata postala obložena bakrom kada je električna struja prošla kroz nju.

Ovaj fenomen se zove galvanizacija, sada je izuzetno velika praktična upotreba. Jedan primjer za to je premazivanje metalnih predmeta tankim slojem drugih metala, npr. niklovanje, pozlaćivanje, posrebrivanje itd.

Gasovi (uključujući vazduh) ne provode električnu struju u normalnim uslovima. Na primjer, gole, koje su obješene paralelno jedna uz drugu, nađu se izolirane jedna od druge slojem zraka.

Međutim, pod uticajem visoke temperature, velikih potencijalnih razlika i drugih razloga, gasovi, poput provodnika tečnosti, ioniziraju se, odnosno u njima se pojavljuju u velikim količinama čestice molekula gasa, koje, budući da su nosioci električne energije, olakšavaju prolaz električne energije. struja kroz gas.

Ali u isto vrijeme, ionizacija plina se razlikuje od ionizacije tekućeg vodiča. Ako se u tečnosti molekul raspadne na dva naelektrisana dela, onda se u gasovima pod uticajem jonizacije uvek odvajaju elektroni od svakog molekula i ion ostaje u obliku pozitivno naelektrisanog dela molekula.

Jednom kada jonizacija gasa prestane, on će prestati da bude provodljiv, dok tečnost uvek ostaje provodnik električne struje. Posljedično, provodljivost plina je privremena pojava, ovisno o djelovanju vanjskih uzroka.

Međutim, postoji još jedan koji se zove lučno pražnjenje ili jednostavno električni luk. Fenomen električnog luka otkrio je početkom 19. veka prvi ruski elektroinženjer V. V. Petrov.

V.V. Petrov je, izvodeći brojne eksperimente, otkrio da između njih dvoje ugalj spojen na izvor struje, kontinuirano električno pražnjenje se javlja kroz zrak, praćeno jakim svjetlom. V. V. Petrov je u svojim spisima napisao da se u ovom slučaju „mračni mir može osvetliti prilično jarko“. Tako je prvo dobijeno električno svjetlo, koje je praktično primijenio drugi ruski elektroinženjer Pavel Nikolajevič Jabločkov.

Svijeća Yablochkov, čiji se rad temelji na korištenju električnog luka, napravila je pravu revoluciju u elektrotehnici tih dana.

Lučno pražnjenje se i danas koristi kao izvor svjetlosti, na primjer u reflektorima i projekcijskim uređajima. Visoka temperatura lučnog pražnjenja omogućava njegovu upotrebu. Trenutno su lučne peći na struju vrlo velika snaga, koriste se u brojnim industrijama: za topljenje čelika, livenog gvožđa, ferolegura, bronze itd. A 1882. godine, N.N. Benardos je prvi put koristio lučno pražnjenje za rezanje i zavarivanje metala.

U gasno-svetlosnim cevima, fluorescentnim lampama, stabilizatorima napona, tzv užarenog gasnog pražnjenja.

Varničko pražnjenje se koristi za mjerenje velikih potencijalnih razlika pomoću kugličnog razmaka, čije su elektrode dvije metalne kuglice s poliranom površinom. Kuglice se pomiču i na njih se primjenjuje izmjerena razlika potencijala. Zatim se kuglice zbližavaju dok između njih ne preskoči iskra. Poznavajući promjer kuglica, udaljenost između njih, pritisak, temperaturu i vlažnost zraka, pomoću posebnih tablica pronađite potencijalnu razliku između kuglica. Ova metoda može mjeriti potencijalne razlike reda desetina hiljada volti sa tačnošću od nekoliko procenata.

U normalnim uvjetima, plinovi ne provode električnu energiju jer su njihovi molekuli električno neutralni. Na primjer, suhi zrak je dobar izolator, što bismo mogli provjeriti uz pomoć najjednostavnijih eksperimenata u elektrostatici. Međutim, zrak i drugi plinovi postaju provodnici električne struje ako se u njima stvaraju ioni na ovaj ili onaj način.

Rice. 100. Vazduh postaje provodnik električne struje ako je jonizovan

Najjednostavniji eksperiment koji ilustruje provodljivost vazduha tokom njegove jonizacije plamenom prikazan je na Sl. 100: naboj na pločama, koji traje dugo, brzo nestaje kada se upaljena šibica ubaci u prostor između ploča.

Ispuštanje gasa. Proces prolaska električne struje kroz plin obično se naziva plinsko pražnjenje (ili električno pražnjenje u plinu). Plinska pražnjenja se dijele na dva tipa: samoodrživa i nesamoodrživa.

Nezavisno pražnjenje. Pražnjenje u plinu se naziva nesamoodrživim ako je potreban vanjski izvor za njegovo održavanje

jonizacija. Joni u gasu mogu nastati pod uticajem visokih temperatura, rendgenskog i ultraljubičastog zračenja, radioaktivnosti, kosmičkih zraka, itd. U svim ovim slučajevima se oslobađa jedan ili više elektrona iz elektronska školjka atom ili molekul. Kao rezultat, u plinu se pojavljuju pozitivni ioni i slobodni elektroni. Oslobođeni elektroni mogu se vezati za neutralne atome ili molekule, pretvarajući ih u negativne ione.

Ionizacija i rekombinacija. Uz procese jonizacije, u plinu se javljaju i procesi obrnute rekombinacije: povezivanjem jedni s drugima, pozitivni i negativni joni ili pozitivni ioni i elektroni formiraju neutralne molekule ili atome.

Promjena koncentracije jona tijekom vremena zbog konstantan izvor procesi jonizacije i rekombinacije mogu se opisati na sljedeći način. Pretpostavimo da izvor ionizacije stvara pozitivne ione i isti broj elektrona po jedinici zapremine gasa u jedinici vremena. Ako u plinu nema električne struje i može se zanemariti odstupanje iona iz razmatranog volumena zbog difuzije, tada će jedini mehanizam za smanjenje koncentracije jona biti rekombinacija.

Rekombinacija se događa kada se pozitivni ion sretne s elektronom. Broj takvih susreta je proporcionalan i broju jona i broju slobodnih elektrona, odnosno proporcionalan . Stoga se smanjenje broja jona po jedinici volumena u jedinici vremena može zapisati u obliku , gdje je a konstantna vrijednost koja se naziva koeficijent rekombinacije.

Ako su uvedene pretpostavke validne, jednadžba ravnoteže za jone u plinu će biti zapisana u obliku

Ovu diferencijalnu jednačinu nećemo rješavati u opšti pogled, ali pogledajmo neke zanimljive posebne slučajeve.

Prije svega, napominjemo da bi se procesi ionizacije i rekombinacije nakon nekog vremena trebali međusobno kompenzirati i u plinu će se uspostaviti konstantna koncentracija; može se vidjeti da kada

Što je moćniji izvor ionizacije i manji koeficijent rekombinacije a, to je veća stacionarna koncentracija jona.

Nakon isključivanja ionizatora, smanjenje koncentracije jona opisano je jednadžbom (1), u koju treba staviti kao početna vrijednost koncentracije

Prepisivanjem ove jednačine u obliku nakon integracije dobijamo

Grafikon ove funkcije prikazan je na sl. 101. Predstavlja hiperbolu čije su asimptote vremenska os i okomita linija. fizičko značenje ima samo dio hiperbole koji odgovara vrijednostima. Obratite pažnju na sporu prirodu pada koncentracije tokom vremena u poređenju sa procesima eksponencijalnog raspada koji se često susreću u fizici, a koji se ostvaruju kada je brzina smanjenja bilo koje veličine proporcionalno prvom stepenu trenutne vrijednosti ove veličine.

Rice. 101. Smanjenje koncentracije jona u gasu nakon gašenja izvora jonizacije

Ne-samoprovodljivost. Proces smanjenja koncentracije jona nakon prestanka rada ionizatora značajno se ubrzava ako je plin u vanjskom električnom polju. Povlačenjem elektrona i jona na elektrode, električno polje može vrlo brzo smanjiti električnu provodljivost plina na nulu u odsustvu ionizatora.

Da bismo razumjeli zakone nesamoodrživog pražnjenja, razmotrimo radi jednostavnosti slučaj kada struja u plinu ioniziranom vanjskim izvorom teče između dvije ravne elektrode paralelne jedna s drugom. U ovom slučaju, joni i elektroni su u jednoličnom električnom polju intenziteta E, jednakog omjeru napona primijenjenog na elektrode i udaljenosti između njih.

Mobilnost elektrona i jona. Sa konstantnim primijenjenim naponom u kolu se uspostavlja određena konstantna jačina struje 1. To znači da se elektroni i ioni u joniziranom plinu kreću konstantnom brzinom. Da bismo objasnili ovu činjenicu, moramo pretpostaviti da su pored konstantne sile ubrzanja električnog polja, pokretni ioni i elektroni podložni silama otpora koje rastu sa povećanjem brzine. Ove sile opisuju prosječan učinak sudara elektrona i jona s neutralnim atomima i molekulama plina. Zahvaljujući snagama otpora

postavljeni su u prosjeku konstantne brzine elektrona i jona, proporcionalno jakosti električnog polja E:

Koeficijenti proporcionalnosti nazivaju se pokretljivosti elektrona i jona. Pokretljivosti jona i elektrona su različita značenja i zavise od vrste gasa, njegove gustine, temperature itd.

Gustoća električne struje, odnosno naboj koji elektroni i joni prenose u jedinici vremena kroz jediničnu površinu, izražava se koncentracijom elektrona i jona, njihovim nabojima i brzinom ravnomjernog kretanja

Kvazineutralnost. U normalnim uvjetima, ionizirani plin u cjelini je električno neutralan, ili, kako kažu, kvazineutralan, jer u malim količinama koje sadrže relativno mali broj elektrona i iona, uvjet električne neutralnosti može biti narušen. To znači da je relacija zadovoljena

Gustina struje tokom nesamoodrživog pražnjenja. Za dobijanje zakona za promenu koncentracije nosilaca struje tokom vremena tokom nesamoodrživog pražnjenja u gasu, potrebno je, uz procese jonizacije eksternim izvorom i rekombinacije, uzeti u obzir i bijeg elektrona i jona na elektrode. Broj čestica u jedinici vremena po površini elektrode iz zapremine je jednak .. Stopu smanjenja koncentracije takvih čestica dobijamo tako što ovaj broj podelimo sa zapreminom gasa između elektroda. Stoga će jednačina ravnoteže umjesto (1) u prisustvu struje biti zapisana u obliku

Za uspostavljanje režima, kada iz (8) dobijamo

Jednačina (9) nam omogućava da pronađemo zavisnost gustine struje u stacionarnom stanju tokom nesamoodrživog pražnjenja od primenjenog napona (ili od jačine polja E).

Odmah su vidljiva dva ograničavajuća slučaja.

Ohmov zakon. Pri niskom naponu, kada se u jednačini (9) drugi član na desnoj strani može zanemariti, nakon čega dobijamo formule (7) i imamo

Gustoća struje je proporcionalna jačini primijenjenog električnog polja. Dakle, za nesamoodrživo plinsko pražnjenje u slabim električnim poljima, Ohmov zakon je zadovoljen.

Struja zasićenja. Pri niskoj koncentraciji elektrona i jona u jednadžbi (9) može se zanemariti prvi (kvadratičan u smislu članova na desnoj strani).U ovoj aproksimaciji vektor gustine struje je usmjeren duž jakosti električnog polja, a njegov modul

ne zavisi od primenjenog napona. Ovaj rezultat vrijedi za jaka električna polja. U ovom slučaju govorimo o struji zasićenja.

Oba razmatrana granična slučaja mogu se proučavati bez pribjegavanja jednadžbi (9). Međutim, na ovaj način je nemoguće ući u trag kako se s povećanjem napona događa prijelaz sa Ohmovog zakona na nelinearnu ovisnost struje o naponu.

U prvom graničnom slučaju, kada je struja vrlo mala, glavni mehanizam za uklanjanje elektrona i jona iz područja pražnjenja je rekombinacija. Dakle, za stacionarnu koncentraciju možemo koristiti izraz (2), koji, uzimajući u obzir (7), odmah daje formulu (10). U drugom graničnom slučaju, naprotiv, rekombinacija se zanemaruje. U jakom električnom polju, elektroni i ioni nemaju vremena da se primjetno rekombinuju tokom leta od jedne elektrode do druge, ako je njihova koncentracija dovoljno niska. Tada svi elektroni i ioni generirani od vanjskog izvora dospiju do elektroda i ukupna gustina struje je jednaka Proporcionalna je dužini jonizacijske komore, budući da je ukupan broj elektrona i jona proizvedenih ionizatorom proporcionalan I.

Eksperimentalno proučavanje gasnog pražnjenja. Zaključci teorije nesamoodrživog pražnjenja plina potvrđeni su eksperimentima. Za proučavanje pražnjenja u plinu zgodno je koristiti staklena cijev sa dvije metalne elektrode. Električni dijagram takve instalacije prikazan je na sl. 102. Mobilnost

elektroni i ioni jako zavise od pritiska gasa (obrnuto proporcionalno pritisku), pa je zgodno izvoditi eksperimente pri smanjenom pritisku.

Na sl. Na slici 103 prikazana je zavisnost jačine struje I u cijevi od napona primijenjenog na elektrode cijevi.Jonizacija u cijevi može se stvoriti, na primjer, rendgenskim ili ultraljubičastim zracima ili upotrebom slabog radioaktivnog lijeka. Bitno je samo da vanjski izvor jona ostane nepromijenjen.Linearni dio strujno-naponske karakteristike OA odgovara opsegu primjenjivosti Ohmovog zakona.

Rice. 102. Instalacioni dijagram za proučavanje gasnog pražnjenja

Rice. 103. Eksperimentalne strujno-naponske karakteristike gasnog pražnjenja

U dijelu, jačina struje nelinearno ovisi o naponu. Počevši od tačke B, struja dostiže zasićenje i ostaje konstantna na određenom području.Sve to odgovara teorijskim predviđanjima.

Nezavisno pražnjenje. Međutim, u tački C struja ponovo počinje da raste, prvo polako, a zatim veoma naglo. To znači da se u gasu pojavio novi, interni izvor joni. Ako sada uklonimo vanjski izvor, pražnjenje u plinu ne prestaje, tj. pražnjenje prelazi iz nesamoodrživog u samoodrživo. Prilikom samopražnjenja dolazi do stvaranja novih elektrona i jona interni procesi u samom gasu.

Ionizacija elektronskim udarom. Povećanje struje tokom prelaska iz nesamoodrživog pražnjenja u samoodrživo se dešava poput lavine i naziva se električnim slomom gasa. Napon pri kojem dolazi do sloma naziva se napon paljenja. To ovisi o vrsti plina i o umnošku tlaka plina i udaljenosti između elektroda.

Procesi u plinu odgovorni za lavinsko povećanje jačine struje s povećanjem primijenjenog napona povezani su s ionizacijom neutralnih atoma ili molekula plina slobodnim elektronima ubrzanim električno polje do dovoljno

visoke energije. Kinetička energija elektrona prije sljedećeg sudara s neutralnim atomom ili molekulom proporcionalna je jakosti električnog polja E i srednjem slobodnom putu elektrona X:

Ako je ta energija dovoljna da ionizira neutralni atom ili molekulu, tj. premašuje rad ionizacije

onda kada se elektron sudari sa atomom ili molekulom, oni bivaju jonizovani. Kao rezultat, umjesto jednog elektrona pojavljuju se dva. Oni se, pak, ubrzavaju električnim poljem i ioniziraju atome ili molekule koji se nađu na svom putu, itd. Proces se razvija poput lavine i naziva se lavina elektrona. Opisani mehanizam ionizacije naziva se jonizacija udarom elektrona.

Eksperimentalni dokaz da se jonizacija neutralnih atoma gasa dešava uglavnom zbog udara elektrona, a ne pozitivnih jona, dao je J. Townsend. Uzeo je jonizacijsku komoru u obliku cilindričnog kondenzatora, čija je unutrašnja elektroda bila tanka metalna nit rastegnuta duž ose cilindra. U takvoj komori ubrzano električno polje je izrazito nehomogeno, a glavnu ulogu u ionizaciji imaju čestice koje padaju u područje najjačeg polja u blizini filamenta. Iskustvo pokazuje da je pri istom naponu između elektroda struja pražnjenja veća kada se pozitivni potencijal primjenjuje na nit, a ne na vanjski cilindar. U tom slučaju svi slobodni elektroni koji stvaraju struju nužno prolaze kroz područje najjačeg polja.

Emisija elektrona sa katode. Samoodrživo pražnjenje može biti stacionarno samo ako se u plinu stalno pojavljuju novi slobodni elektroni, budući da svi elektroni koji nastaju u lavini stignu do anode i eliminiraju se iz igre. Novi elektroni izbijaju se iz katode pozitivnim ionima, koji se, krećući se prema katodi, također ubrzavaju električnim poljem i dobivaju dovoljno energije za to.

Katoda može emitovati elektrone ne samo kao rezultat bombardiranja jonima, već i samostalno kada se zagrije na visoku temperaturu. Ovaj proces se naziva termoionska emisija i može se smatrati vrstom isparavanja elektrona iz metala. Obično se javlja na temperaturama kada je isparavanje samog materijala katode još uvijek malo. U slučaju samoodrživog plinskog pražnjenja, katoda se obično ne zagrijava

filament, kao u vakuumskim cijevima, ali zbog oslobađanja topline kada se bombardira pozitivnim jonima. Stoga katoda emituje elektrone čak i kada je energija jona nedovoljna da izbaci elektrone.

Samoodrživo pražnjenje u plinu nastaje ne samo kao rezultat prijelaza sa nesamoodrživog s povećanjem napona i uklanjanjem vanjskog izvora jonizacije, već i direktnom primjenom napona koji prelazi prag napona paljenja. . Teorija pokazuje da je za paljenje pražnjenja dovoljna vrlo mala količina jona, koji su uvijek prisutni u neutralnom plinu, makar samo zbog prirodne radioaktivne pozadine.

U zavisnosti od svojstava i pritiska gasa, konfiguracije elektroda i napona primenjenog na elektrode, moguće su različite vrste samopražnjenja.

Sjajno pražnjenje. At niske pritiske(desetine i stotinke milimetra žive) u cijevi se uočava usijano pražnjenje. Za paljenje usijanog pražnjenja dovoljan je napon od nekoliko stotina ili čak desetina volti. U žarnom pražnjenju postoje četiri karakteristična područja. To su katodni tamni prostor, sjajni (ili negativni) sjaj, Faradejev tamni prostor i užareni pozitivni stup, koji zauzima najveći dio prostora između anode i katode.

Prve tri regije nalaze se u blizini katode. Ovdje dolazi do oštrog pada potencijala, povezanog s visokom koncentracijom pozitivnih iona na granici tamnog prostora katode i tinjajućeg sjaja. Elektroni ubrzani u području tamnog prostora katode proizvode intenzivnu udarnu ionizaciju u području tinjajućeg sjaja. Sjaj je uzrokovan rekombinacijom iona i elektrona u neutralne atome ili molekule. Stub pozitivnog pražnjenja karakterizira blagi pad potencijala i sjaj uzrokovan povratkom pobuđenih atoma ili molekula plina u osnovno stanje.

Corona discharge. Pri relativno visokim pritiscima u gasu (reda atmosferskog pritiska), u blizini šiljastih preseka provodnika, gde je električno polje veoma nehomogeno, uočava se pražnjenje čije svetlosno područje podseća na koronu. Korona pražnjenje se ponekad javlja u prirodni uslovi na krošnjama drveća, jarbolima brodova itd. („Vatra Sv. Elma“). Korona pražnjenje se mora uzeti u obzir u visokonaponskoj tehnologiji, kada se ovo pražnjenje javlja oko žica visokonaponskih dalekovoda i dovodi do gubitaka električne energije. Koronsko pražnjenje nalazi korisnu praktičnu primenu u električnim taložnicima za prečišćavanje industrijskih gasova od nečistoća čvrstih i tečnih čestica.

Kako se napon između elektroda povećava, koronsko pražnjenje se pretvara u varničko pražnjenje sa potpunim razbijanjem jaza između

elektrode. Izgleda kao gomila svijetlih cik-cak razgranatih kanala, koji trenutno probijaju prazninu i hirovito zamjenjuju jedni druge. Varničko pražnjenje je praćeno oslobađanjem velike količine topline, svijetlim plavkasto-bijelim sjajem i jakim pucketanjem. Može se posmatrati između kuglica elektrofor mašine. Primjer gigantskog iskrenog pražnjenja je prirodna munja, gdje jačina struje doseže 5-105 A, a razlika potencijala dostiže 109 V.

Budući da se varničko pražnjenje događa pri atmosferskom (i višem) pritisku, napon paljenja je vrlo visok: u suhom zraku s razmakom između elektroda od 1 cm iznosi oko 30 kV.

Električni luk. Praktično specifično važan izgled Nezavisno plinsko pražnjenje je električni luk. Kada dvije ugljične ili metalne elektrode dođu u kontakt na mjestu njihovog kontakta, oslobađa se velika količina topline zbog visokog kontaktnog otpora. Kao rezultat, počinje termoionska emisija i kada se elektrode razdvoje, između njih se pojavljuje svijetli luk visoko ioniziranog, visoko provodljivog plina. Jačina struje čak iu malom luku doseže nekoliko ampera, au velikom luku - nekoliko stotina ampera pri naponu od oko 50 V. Električni luk se široko koristi u tehnici kao snažan izvor svjetlosti, u električnim pećima i za električno zavarivanje . slabo usporavajuće polje sa naponom od oko 0,5 V. Ovo polje sprečava spore elektrone da dođu do anode. Elektroni se emituju sa katode K koja se zagreva električnom strujom.

Na sl. Na slici 105 prikazana je zavisnost struje u anodnom kolu od napona ubrzanja dobijenog u ovim eksperimentima.Ova zavisnost ima nemonotonski karakter sa maksimumima pri naponima koji su višestruki od 4,9 V.

Diskretnost nivoa atomske energije. Ova zavisnost struje od napona može se objasniti samo prisustvom diskretnih stacionarnih stanja u atomima žive. Ako atom nije imao diskretna stacionarna stanja, tj. njegova unutrašnja energija bi mogla poprimiti bilo koju vrijednost, tada bi se neelastični sudari, praćeni povećanjem unutrašnje energije atoma, mogli dogoditi pri bilo kojoj energiji elektrona. Ako postoje diskretna stanja, onda sudari elektrona sa atomima mogu biti samo elastični, sve dok je energija elektrona nedovoljna za prelazak atoma iz osnovnog stanja u najniže pobuđeno stanje.

Tokom elastičnih sudara, kinetička energija elektrona se praktički ne mijenja, jer je masa elektrona mnogo manja od mase atoma žive. U ovim uslovima, broj elektrona koji stižu do anode monotono raste sa povećanjem napona. Kada ubrzavajući napon dostigne 4,9 V, sudari elektrona i atoma postaju neelastični. Unutrašnja energija atoma naglo raste, a elektron gubi gotovo svu svoju kinetičku energiju kao rezultat sudara.

Polje usporavanja također ne dozvoljava sporim elektronima da prođu do anode i jakost struje naglo opada. Ne nestaje samo zato što neki elektroni dođu do mreže bez neelastičnih sudara. Drugi i sljedeći strujni maksimumi su dobiveni jer pri naponima koji su višestruki od 4,9 V, elektroni na putu do mreže mogu doživjeti nekoliko neelastičnih sudara sa atomima žive.

Dakle, elektron dobija energiju potrebnu za neelastični sudar tek nakon što prođe kroz potencijalnu razliku od 4,9 V. To znači da se unutrašnja energija atoma žive ne može promeniti za iznos manji od eV, što dokazuje diskretnost energetskog spektra atom. Ispravnost ovog zaključka potvrđuje i činjenica da pri naponu od 4,9 V pražnjenje počinje svijetliti: pobuđenih atoma sa spontanim

prelazi na emitovanje osnovnog stanja vidljivo svetlo, čija se frekvencija poklapa s onom izračunatom po formuli

U klasičnim eksperimentima Franka i Hertza, metodom elektronskog udara određivani su ne samo potencijali ekscitacije, već i potencijali jonizacije određenog broja atoma.

Navedite primjer eksperimenta u elektrostatici iz kojeg možemo zaključiti da je suhi zrak dobar izolator.

Gdje su izolacijska svojstva zraka korištena u tehnologiji?

Šta je nesamoodrživo plinsko pražnjenje? Pod kojim uslovima nastaje?

Objasnite zašto je brzina smanjenja koncentracije zbog rekombinacije proporcionalna kvadratu koncentracije elektrona i iona. Zašto se ove koncentracije mogu smatrati istim?

Zašto nema smisla da zakon opadanja koncentracije izražen formulom (3) uvede pojam karakterističnog vremena, koji se široko koristi za eksponencijalno opadajuće procese, iako se u oba slučaja procesi nastavljaju, općenito govoreći, neograničeno?

Zašto su, po Vašem mišljenju, odabrani suprotni predznaci u definicijama mobilnosti u formulama (4) za elektrone i ione?

Kako jačina struje u nesamoodrživom plinskom pražnjenju ovisi o primijenjenom naponu? Zašto dolazi do prijelaza sa Ohmovog zakona na struju zasićenja s povećanjem napona?

Električnu struju u plinu provode i elektroni i joni. Međutim, svaka elektroda prima naboje samo jednog znaka. Kako se to slaže sa činjenicom da u svim oblastima serijski krug Je li struja ista?

Zašto elektroni, a ne pozitivni ioni, igraju najveću ulogu u ionizaciji plina u pražnjenju uslijed sudara?

Opišite karakteristične karakteristike razne vrste nezavisno pražnjenje gasa.

Zašto rezultati Frankovih i Hertzovih eksperimenata ukazuju na diskretnost nivoa atomske energije?

Opišite fizički procesi dešava u cijev za pražnjenje gasa u eksperimentima Franka i Hertza, sa povećanjem napona ubrzanja.

Električna struja u gasovima u normalnim uslovima nemoguće. Odnosno, pri atmosferskoj vlažnosti, pritisku i temperaturi u gasu nema nosilaca naboja. Ovo svojstvo gasa, posebno vazduha, koristi se u nadzemnim dalekovodima i relejnim prekidačima za pružanje električne izolacije.

Ali pod određenim uslovima, struja se može posmatrati u gasovima. Hajde da sprovedemo eksperiment. Za to nam je potreban elektrometar zračnog kondenzatora i spojne žice. Prvo, spojimo elektrometar na kondenzator. Zatim prenosimo naboj na ploče kondenzatora. Elektrometar će pokazati prisustvo ovog istog naboja. Zračni kondenzator će neko vrijeme zadržati punjenje. Odnosno, između njegovih ploča neće biti struje. Ovo sugerira da zrak između ploča kondenzatora ima dielektrična svojstva.

Slika 1 - Napunjeni kondenzator spojen na elektrometar

Zatim unesite plamen svijeće u razmak između ploča. U ovom slučaju, vidjet ćemo da će elektrometar pokazati smanjenje naboja na pločama kondenzatora. To jest, struja teče u procjepu između ploča. Zašto se ovo dešava?

Slika 2 – Ubacivanje svijeće u otvor između ploča napunjenog kondenzatora

U normalnim uslovima, molekuli gasa su električno neutralni. I nisu u stanju da obezbede struju. Ali kako temperatura raste, dolazi do takozvane jonizacije plina i on postaje provodnik. U plinu se pojavljuju pozitivni i negativni ioni.

Da bi se elektron uklonio iz atoma gasa, mora se raditi protiv Kulonovih sila. Za to je potrebna energija. Atom prima ovu energiju sa porastom temperature. Pošto je kinetička energija toplotnog kretanja direktno proporcionalna temperaturi gasa. Zatim, s njegovim povećanjem, molekuli i atomi dobijaju dovoljno energije da se pri sudaru elektroni otrgnu od atoma. Takav atom postaje pozitivan ion. Odvojeni elektron se može vezati za drugi atom i on će postati negativni ion.

Kao rezultat toga, pozitivni i negativni ioni, kao i elektroni, pojavljuju se u procjepu između ploča. Svi oni počinju da se kreću pod uticajem polja koje stvaraju naelektrisanja na pločama kondenzatora. Pozitivni joni se kreću prema katodi. Negativni ioni i elektroni teže anodi. Dakle, struja se obezbeđuje u vazdušnom rasporu.

Zavisnost struje od napona ne poštuje Ohmov zakon u svim oblastima. U prvom odeljku, ovo je tačno: sa povećanjem napona povećava se broj jona, a samim tim i struja. Nadalje, u drugom dijelu dolazi do zasićenja, odnosno s povećanjem napona, struja se ne povećava. Zato što je koncentracija jona maksimalna i novi se jednostavno pojavljuju niotkuda.

Slika 3 - strujno-naponska karakteristika zračnog raspora

U trećem dijelu, povećanje struje se opet uočava s povećanjem napona. Ovaj dio se naziva samopražnjenje. To jest, jonizatori trećih strana više nisu potrebni za održavanje struje u plinu. To se događa zbog činjenice da elektroni na visokom naponu primaju dovoljno energije da sami izbace druge elektrone iz atoma. Ovi elektroni, zauzvrat, nokautiraju druge, itd. Proces se odvija poput lavine. A glavnu provodljivost u plinu osiguravaju elektroni.

U normalnim uslovima, gasovi su dielektrici, jer sastoje se od neutralnih atoma i molekula i nemaju dovoljno slobodnih naelektrisanja.Gasovi postaju provodnici samo kada su na neki način jonizovani. Proces ionizacije plinova uključuje uklanjanje jednog ili više elektrona iz atoma iz nekog razloga. Kao rezultat, umjesto neutralnog atoma, pozitivni ion I elektron.

    Razlaganje molekula na ione i elektrone naziva se jonizacija gasa.

Neki od rezultirajućih elektrona mogu biti zarobljeni drugim neutralnim atomima, a zatim negativno nabijenih jona.

Dakle, u jonizovanom gasu postoje tri vrste nosilaca naboja: elektroni, pozitivni ioni i negativni.

Uklanjanje elektrona iz atoma zahtijeva utrošak određene količine energije - energija jonizacije W i. Energija jonizacije zavisi od hemijske prirode gasa i energetskog stanja elektrona u atomu. Dakle, za uklanjanje prvog elektrona iz atoma dušika potrebna je energija 14,5 eV, za uklanjanje drugog elektrona - 29,5 eV, a za uklanjanje trećeg - 47,4 eV.

Faktori koji uzrokuju jonizaciju gasa se nazivaju jonizatori.

Postoje tri vrste jonizacije: toplotna jonizacija, fotojonizacija i udarna jonizacija.

    Termička jonizacija nastaje kao rezultat sudara atoma ili molekula gasa tokom visoke temperature, ako kinetička energija relativnog kretanja čestica u sudaru premašuje energiju vezivanja elektrona u atomu.

    Fotojonizacija nastaje pod utjecajem elektromagnetnog zračenja (ultraljubičastog, rendgenskog ili γ-zračenja), kada se energija potrebna za odvajanje elektrona od atoma na njega prenosi kvantom zračenja.

    Ionizacija elektronskim udarom(ili udarna jonizacija) je stvaranje pozitivno nabijenih jona kao rezultat sudara atoma ili molekula s brzim elektronima visoke kinetičke energije.

Proces ionizacije plina uvijek prati suprotan proces redukcije neutralnih molekula iz suprotno nabijenih jona zbog njihove električne privlačnosti. Ovaj fenomen se zove rekombinacija. Prilikom rekombinacije oslobađa se energija jednaka energiji utrošenoj na jonizaciju. To može uzrokovati, na primjer, žarenje plina.

Ako je djelovanje ionizatora nepromijenjeno, tada se u ioniziranom plinu uspostavlja dinamička ravnoteža, u kojoj se isti broj molekula obnavlja u jedinici vremena dok se raspadaju na ione. U tom slučaju koncentracija nabijenih čestica u joniziranom plinu ostaje nepromijenjena. Ako se djelovanje ionizatora zaustavi, tada će rekombinacija početi dominirati nad jonizacijom i broj iona će se brzo smanjiti na gotovo nulu. Shodno tome, prisustvo naelektrisanih čestica u gasu je privremena pojava (dok jonizator radi).

U nedostatku vanjskog polja, nabijene čestice se kreću haotično.

Ispuštanje gasa

Kada se jonizovani gas stavi u električno polje, električne sile počinju da deluju na slobodna naelektrisanja i ona se kreću paralelno sa naponskim linijama: elektroni i negativni ioni ka anodi, pozitivni ioni ka katodi (slika 1). Na elektrodama se ioni pretvaraju u neutralne atome, dajući ili prihvatajući elektrone, čime se dovršava krug. U gasu nastaje električna struja.

    Električna struja u plinovima- ovo je usmjereno kretanje jona i elektrona.

Električna struja u gasovima se naziva gasno pražnjenje.

Ukupna struja u gasu sastoji se od dva toka naelektrisanih čestica: toka koji ide ka katodi i toka usmerenog ka anodi.

Gasovi kombinuju elektronsku provodljivost, sličnu provodljivosti metala, sa ionskom provodljivošću, sličnom vodljivosti vodenih rastvora ili talina elektrolita.

Dakle, provodljivost gasova ima jonsko-elektronskog karaktera.