Daar is geen absolute diëlektrika in die natuur nie. Die geordende beweging van deeltjies - draers van elektriese lading - dit wil sê stroom, kan in enige medium veroorsaak word, maar dit vereis spesiale toestande. Ons sal hier kyk hoe elektriese verskynsels in gasse verloop en hoe 'n gas van 'n baie goeie diëlektrikum in 'n baie goeie geleier verander kan word. Ons sal belangstel in die toestande waaronder dit ontstaan, asook watter kenmerke die elektriese stroom in gasse kenmerk.
Elektriese eienskappe van gasse
'n Diëlektrikum is 'n stof (medium) waarin die konsentrasie van deeltjies - vrye draers van 'n elektriese lading - geen noemenswaardige waarde bereik nie, as gevolg waarvan die geleidingsvermoë weglaatbaar is. Alle gasse is goeie diëlektrika. Hul isolerende eienskappe word oral gebruik. Byvoorbeeld, in enige stroombreker vind die opening van die stroombaan plaas wanneer die kontakte in so 'n posisie gebring word dat 'n luggaping tussen hulle vorm. Drade in kraglyneword ook deur 'n luglaag van mekaar geïsoleer.
Die strukturele eenheid van enige gas is 'n molekule. Dit bestaan uit atoomkerne en elektronwolke, dit wil sê, dit is 'n versameling elektriese ladings wat op een of ander manier in die ruimte versprei is. 'n Gasmolekule kan 'n elektriese dipool wees as gevolg van die eienaardighede van sy struktuur, of dit kan gepolariseer word onder die werking van 'n eksterne elektriese veld. Die oorgrote meerderheid van die molekules waaruit 'n gas bestaan, is elektries neutraal onder normale toestande, aangesien die ladings daarin mekaar kanselleer.
As 'n elektriese veld op 'n gas toegepas word, sal die molekules 'n dipooloriëntasie aanneem en 'n ruimtelike posisie inneem wat kompenseer vir die effek van die veld. Die gelaaide deeltjies teenwoordig in die gas onder die invloed van Coulomb-kragte sal begin beweeg: positiewe ione - in die rigting van die katode, negatiewe ione en elektrone - na die anode. As die veld egter onvoldoende potensiaal het, ontstaan 'n enkele gerigte vloei van ladings nie, en daar kan eerder gepraat word van aparte strome, so swak dat hulle afgeskeep moet word. Die gas gedra soos 'n diëlektrikum.
Dus, vir die voorkoms van 'n elektriese stroom in gasse, word 'n groot konsentrasie vrye ladingdraers en die teenwoordigheid van 'n veld vereis.
Ionisasie
Die proses van 'n stortvloedagtige toename in die aantal gratis ladings in 'n gas word ionisasie genoem. Gevolglik word 'n gas waarin daar 'n aansienlike hoeveelheid gelaaide deeltjies is, geïoniseerd genoem. Dit is in sulke gasse dat 'n elektriese stroom geskep word.
Die ionisasieproses word geassosieer met die skending van die neutraliteit van molekules. As gevolg van die losmaak van 'n elektron, verskyn positiewe ione, die aanhegting van 'n elektron aan 'n molekule lei tot die vorming van 'n negatiewe ioon. Daarbenewens is daar baie vrye elektrone in 'n geïoniseerde gas. Positiewe ione en veral elektrone is die hoofladingsdraers vir elektriese stroom in gasse.
Ionisasie vind plaas wanneer 'n sekere hoeveelheid energie aan 'n deeltjie oorgedra word. Dus, 'n eksterne elektron in die samestelling van 'n molekule, wat hierdie energie ontvang het, kan die molekule verlaat. Wedersydse botsings van gelaaide deeltjies met neutrale lei tot die uitklop van nuwe elektrone, en die proses kry 'n stortvloedagtige karakter. Die kinetiese energie van die deeltjies neem ook toe, wat ionisasie grootliks bevorder.
Waar kom die energie wat gebruik word om elektriese stroom in gasse op te wek vandaan? Ionisasie van gasse het verskeie bronne van energie, waarvolgens dit gebruiklik is om die tipes daarvan te noem.
- Ionisasie deur elektriese veld. In hierdie geval word die potensiële energie van die veld omgeskakel na die kinetiese energie van die deeltjies.
- Termoionisering. 'n Verhoging in temperatuur lei ook tot die vorming van 'n groot aantal gratis heffings.
- Fotoionisering. Die kern van hierdie proses is dat elektrone van energie voorsien word deur elektromagnetiese stralingskwanta - fotone, as hulle 'n voldoende hoë frekwensie het (ultraviolet, x-straal, gammakwanta).
- Impakionisasie is die resultaat van die omskakeling van die kinetiese energie van botsende deeltjies in die energie van elektronskeiding. Sowel astermiese ionisasie, dit dien as die hoof opwekkingsfaktor in gasse van elektriese stroom.
Elke gas word gekenmerk deur 'n sekere drempelwaarde - die ionisasie-energie wat nodig is vir 'n elektron om weg te breek van 'n molekule en 'n potensiële versperring te oorkom. Hierdie waarde vir die eerste elektron wissel van verskeie volts tot twee tiene volts; meer energie is nodig om die volgende elektron uit die molekule te verwyder, ensovoorts.
Daar moet in ag geneem word dat gelyktydig met ionisasie in die gas, die omgekeerde proses plaasvind - rekombinasie, dit wil sê die herstel van neutrale molekules onder die werking van Coulomb-aantrekkingskragte.
Gasafvoer en die tipes daarvan
Dus, die elektriese stroom in gasse is te wyte aan die geordende beweging van gelaaide deeltjies onder die werking van 'n elektriese veld wat daarop toegepas word. Die teenwoordigheid van sulke ladings is op sy beurt moontlik as gevolg van verskeie ionisasiefaktore.
So, termiese ionisasie vereis aansienlike temperature, maar 'n oop vlam as gevolg van sommige chemiese prosesse dra by tot ionisasie. Selfs by 'n relatief lae temperatuur in die teenwoordigheid van 'n vlam, word die voorkoms van 'n elektriese stroom in gasse aangeteken, en eksperimenteer met gasgeleiding maak dit maklik om dit te verifieer. Dit is nodig om die vlam van 'n brander of kers tussen die plate van 'n gelaaide kapasitor te plaas. Die stroombaan wat voorheen oop was as gevolg van die luggaping in die kapasitor sal toemaak. 'n Galvanometer wat aan die stroombaan gekoppel is, sal die teenwoordigheid van stroom wys.
Elektriese stroom in gasse word 'n gasontlading genoem. Dit moet in gedagte gehou word datom die stabiliteit van die ontlading te handhaaf, moet die werking van die ionisator konstant wees, aangesien die gas as gevolg van die konstante rekombinasie sy elektries geleidende eienskappe verloor. Sommige draers van elektriese stroom in gasse - ione - word op die elektrodes geneutraliseer, ander - elektrone - wat op die anode val, word na die "plus" van die veldbron gerig. As die ioniserende faktor ophou werk, sal die gas onmiddellik weer 'n diëlektrikum word, en die stroom sal ophou. So 'n stroom, afhanklik van die werking van 'n eksterne ioniseerder, word 'n nie-selfonderhoudende ontlading genoem.
Kenmerke van die deurgang van elektriese stroom deur gasse word beskryf deur 'n spesiale afhanklikheid van die stroomsterkte op spanning - die stroom-spanning-eienskap.
Kom ons kyk na die ontwikkeling van 'n gasontlading op die grafiek van die stroom-spanning-afhanklikheid. Wanneer die spanning styg tot 'n sekere waarde U1, verhoog die stroom proporsioneel daarmee, dit wil sê, Ohm se wet word vervul. Die kinetiese energie neem toe, en dus die snelheid van ladings in die gas, en hierdie proses is voor rekombinasie. By spanningswaardes van U1 tot U2 word hierdie verhouding geskend; wanneer U2 bereik word, bereik alle ladingdraers die elektrodes sonder om tyd te hê om te herkombineer. Alle gratis heffings is betrokke, en 'n verdere toename in spanning lei nie tot 'n toename in stroom nie. Hierdie aard van die beweging van ladings word versadigingsstroom genoem. Ons kan dus sê dat die elektriese stroom in gasse ook te wyte is aan die eienaardighede van die gedrag van die geïoniseerde gas in elektriese velde van verskillende sterktes.
Wanneer die potensiaalverskil oor die elektrodes 'n sekere waarde bereik U3, word die spanning voldoende vir die elektriese veld om 'n stortvloedagtige gasionisasie te veroorsaak. Die kinetiese energie van vrye elektrone is reeds genoeg vir impakionisasie van molekules. Terselfdertyd is hul spoed in die meeste gasse ongeveer 2000 km/s en hoër (dit word bereken deur die benaderde formule v=600 Ui, waar Ui is die ionisasiepotensiaal). Op hierdie oomblik vind 'n gasafbreking plaas en 'n aansienlike toename in stroom vind plaas as gevolg van 'n interne ionisasiebron. Daarom word so 'n ontlading onafhanklik genoem.
Die teenwoordigheid van 'n eksterne ioniseerder in hierdie geval speel nie meer 'n rol in die handhawing van elektriese stroom in gasse nie. 'n Selfonderhoudende ontlading onder verskillende toestande en met verskillende eienskappe van die elektriese veldbron kan sekere kenmerke hê. Daar is sulke tipes selfontlading soos gloei, vonk, boog en korona. Ons sal kyk na hoe elektriese stroom in gasse optree, kortliks vir elk van hierdie tipes.
Gloedontlading
In 'n verskeurde gas is 'n potensiaalverskil van 100 (en selfs minder) tot 1000 volt genoeg om 'n onafhanklike ontlading te begin. Daarom vind 'n gloei-ontlading, gekenmerk deur 'n lae stroomsterkte (van 10-5 A tot 1 A), plaas by drukke van nie meer as 'n paar millimeter kwik nie.
In 'n buis met 'n verdroogde gas en koue elektrodes, lyk die opkomende gloei ontlading soos 'n dun ligte koord tussen die elektrodes. As jy voortgaan om gas uit die buis te pomp, sal jy waarneemvervaag van die koord, en by druk van tiendes van millimeters kwik vul die gloed die buis byna heeltemal. Die gloed is afwesig naby die katode - in die sogenaamde donker katode ruimte. Die res word die positiewe kolom genoem. In hierdie geval word die hoofprosesse wat die bestaan van die ontlading verseker, presies in die donker katoderuimte en in die streek aangrensend gelokaliseer. Hier word gelaaide gasdeeltjies versnel, wat elektrone uit die katode slaan.
In 'n gloei-ontlading is die oorsaak van ionisasie elektronemissie vanaf die katode. Die elektrone wat deur die katode vrygestel word, produseer impakionisasie van gasmolekules, die opkomende positiewe ione veroorsaak sekondêre emissie vanaf die katode, ensovoorts. Die gloed van die positiewe kolom is hoofsaaklik te wyte aan die terugslag van fotone deur opgewekte gasmolekules, en verskillende gasse word gekenmerk deur 'n gloed van 'n sekere kleur. Die positiewe kolom neem slegs deel aan die vorming van 'n gloei ontlading as 'n gedeelte van die elektriese stroombaan. As jy die elektrodes nader aan mekaar bring, kan jy die verdwyning van die positiewe kolom bereik, maar die ontlading sal nie stop nie. Met 'n verdere vermindering in die afstand tussen die elektrodes sal die gloei ontlading egter nie kan bestaan nie.
Daar moet kennis geneem word dat vir hierdie tipe elektriese stroom in gasse, die fisika van sommige prosesse nog nie volledig toegelig is nie. Byvoorbeeld, die aard van die kragte wat 'n uitsetting op die katode-oppervlak van die streek wat aan die ontlading deelneem veroorsaak, bly onduidelik.
vonkafvoer
Vonkineenstorting het 'n impulsiewe karakter. Dit vind plaas by druk naby aan normale atmosferiese druk, in gevalle waar die krag van die elektriese veldbron nie genoeg is om 'n stilstaande ontlading te handhaaf nie. In hierdie geval is die veldsterkte hoog en kan dit 3 MV/m bereik. Die verskynsel word gekenmerk deur 'n skerp toename in die ontlading elektriese stroom in die gas, terselfdertyd val die spanning uiters vinnig, en die ontlading stop. Dan neem die potensiaalverskil weer toe, en die hele proses word herhaal.
Met hierdie tipe ontlading word korttermyn vonkkanale gevorm, waarvan die groei vanaf enige punt tussen die elektrodes kan begin. Dit is te wyte aan die feit dat impakionisasie lukraak plaasvind op plekke waar die grootste aantal ione tans gekonsentreer is. Naby die vonkkanaal verhit die gas vinnig en ondergaan termiese uitsetting, wat akoestiese golwe veroorsaak. Daarom gaan die vonkontlading gepaard met kraak, sowel as die vrystelling van hitte en 'n helder gloed. Stortvloed-ionisasieprosesse genereer hoë drukke en temperature tot 10 duisend grade en meer in die vonkkanaal.
Die duidelikste voorbeeld van 'n natuurlike vonkontlading is weerlig. Die deursnee van die hoofweerligvonkkanaal kan wissel van 'n paar sentimeter tot 4 m, en die kanaallengte kan 10 km bereik. Die grootte van die stroom bereik 500 duisend ampère, en die potensiaalverskil tussen 'n donderwolk en die aarde se oppervlak bereik 'n biljoen volt.
Die langste weerlig van 321 km is in 2007 in Oklahoma, VSA, waargeneem. Die rekordhouer vir die duur was weerlig, aangetekenin 2012 in die Franse Alpe - dit het meer as 7,7 sekondes geduur. Wanneer dit deur weerlig getref word, kan die lug tot 30 duisend grade verhit, wat 6 keer die temperatuur van die sigbare oppervlak van die Son is.
In gevalle waar die krag van die bron van die elektriese veld groot genoeg is, ontwikkel die vonkontlading in 'n boog.
Boogontlading
Hierdie tipe selfontlading word gekenmerk deur hoë stroomdigtheid en lae (minder as gloei-ontlading) spanning. Die afbreekafstand is klein as gevolg van die nabyheid van die elektrodes. Die ontlading word geïnisieer deur die vrystelling van 'n elektron vanaf die katode-oppervlak (vir metaalatome is die ionisasiepotensiaal klein in vergelyking met gasmolekules). Tydens 'n onklaarraking tussen die elektrodes word toestande geskep waaronder die gas 'n elektriese stroom gelei, en 'n vonkontlading vind plaas, wat die stroombaan sluit. As die krag van die spanningsbron groot genoeg is, verander vonkontladings in 'n stabiele elektriese boog.
Ionisasie tydens 'n boogontlading bereik amper 100%, die stroomsterkte is baie hoog en kan van 10 tot 100 ampère wees. By atmosferiese druk kan die boog tot 5-6 duisend grade verhit, en die katode - tot 3 duisend grade, wat lei tot intense termioniese emissie vanaf sy oppervlak. Die bombardement van die anode met elektrone lei tot gedeeltelike vernietiging: 'n uitsparing word daarop gevorm - 'n krater met 'n temperatuur van ongeveer 4000 °C. 'n Toename in druk veroorsaak 'n selfs groter toename in temperature.
Wanneer die elektrodes versprei word, bly die boogontlading stabiel tot op 'n sekere afstand,wat jou toelaat om dit te hanteer in daardie areas van elektriese toerusting waar dit skadelik is as gevolg van die korrosie en uitbranding van kontakte wat daardeur veroorsaak word. Dit is toestelle soos hoëspanning- en outomatiese skakelaars, kontaktors en ander. Een van die metodes om die boog te bestry wat voorkom wanneer kontakte oopgemaak word, is die gebruik van booggeute gebaseer op die beginsel van boogverlenging. Baie ander metodes word ook gebruik: oorbrugging van kontakte, gebruik van materiale met 'n hoë ionisasiepotensiaal, ensovoorts.
Corona-ontlading
Die ontwikkeling van 'n korona-ontlading vind plaas by normale atmosferiese druk in skerp inhomogene velde naby elektrodes met 'n groot kromming van die oppervlak. Dit kan torings, maste, drade, verskeie elemente van elektriese toerusting wat 'n komplekse vorm het, en selfs menslike hare wees. So 'n elektrode word 'n korona-elektrode genoem. Ionisasieprosesse en dienooreenkomstig die gloed van gas vind net naby dit plaas.
'n Korona kan beide op die katode (negatiewe korona) vorm wanneer dit met ione gebombardeer word, en op die anode (positief) as gevolg van fotoionisasie. Die negatiewe korona, waarin die ionisasieproses weg van die elektrode gerig word as gevolg van termiese emissie, word gekenmerk deur 'n egalige gloed. In die positiewe korona kan streamers waargeneem word - liglyne van 'n gebroke konfigurasie wat in vonkkanale kan verander.
'n Voorbeeld van 'n korona-ontlading in natuurlike toestande is St. Elmo's-brande wat op die punte van hoë maste, boomtoppe ensovoorts voorkom. Hulle word gevorm teen 'n hoë spanning van die elektriesevelde in die atmosfeer, dikwels voor 'n donderstorm of tydens 'n sneeustorm. Daarbenewens is hulle vasgemaak op die vel van vliegtuie wat in 'n wolk van vulkaniese as geval het.
Corona-ontlading op die drade van kraglyne lei tot aansienlike verliese aan elektrisiteit. By 'n hoë spanning kan 'n korona-ontlading in 'n boog verander. Dit word op verskeie maniere beveg, byvoorbeeld deur die kromingsradius van die geleiers te vergroot.
Elektriese stroom in gasse en plasma
Volledig of gedeeltelik geïoniseerde gas word plasma genoem en word as die vierde toestand van materie beskou. Oor die algemeen is plasma elektries neutraal, aangesien die totale lading van sy samestellende deeltjies nul is. Dit onderskei dit van ander stelsels van gelaaide deeltjies, soos elektronstrale.
Onder natuurlike toestande word plasma as 'n reël by hoë temperature gevorm as gevolg van die botsing van gasatome teen hoë spoed. Die oorgrote meerderheid van barioniese materie in die heelal is in die toestand van plasma. Dit is sterre, deel van interstellêre materie, intergalaktiese gas. Die Aarde se ionosfeer is ook 'n seldsame, swak geïoniseerde plasma.
Die graad van ionisasie is 'n belangrike eienskap van 'n plasma - sy geleidende eienskappe hang daarvan af. Die graad van ionisasie word gedefinieer as die verhouding van die aantal geïoniseerde atome tot die totale aantal atome per volume-eenheid. Hoe meer die plasma geïoniseer is, hoe hoër is die elektriese geleidingsvermoë daarvan. Boonop word dit gekenmerk deur hoë mobiliteit.
Ons sien dus dat die gasse wat elektrisiteit gelei, binne isontladingskanale is niks anders as plasma nie. Gloei- en korona-ontladings is dus voorbeelde van koue plasma; 'n vonkkanaal van weerlig of 'n elektriese boog is voorbeelde van warm, amper heeltemal geïoniseerde plasma.
Elektriese stroom in metale, vloeistowwe en gasse - verskille en ooreenkomste
Kom ons kyk na die kenmerke wat die gasontlading kenmerk in vergelyking met die eienskappe van stroom in ander media.
In metale is stroom 'n gerigte beweging van vrye elektrone wat nie chemiese veranderinge meebring nie. Geleiers van hierdie tipe word geleiers van die eerste soort genoem; dit sluit, benewens metale en legerings, steenkool, sommige soute en oksiede in. Hulle word deur elektroniese geleidingsvermoë onderskei.
Geleiers van die tweede soort is elektroliete, dit wil sê vloeibare waterige oplossings van alkalieë, sure en soute. Die verloop van stroom word geassosieer met 'n chemiese verandering in die elektroliet - elektrolise. Ione van 'n stof wat in water opgelos is, onder die werking van 'n potensiaalverskil, beweeg in teenoorgestelde rigtings: positiewe katione - na die katode, negatiewe anione - na die anode. Die proses gaan gepaard met gasevolusie of afsetting van 'n metaallaag op die katode. Geleiers van die tweede soort word gekenmerk deur ioniese geleidingsvermoë.
Wat die geleidingsvermoë van gasse betref, dit is eerstens tydelik, en tweedens het dit tekens van ooreenkomste en verskille met elkeen van hulle. Dus, die elektriese stroom in beide elektroliete en gasse is 'n drywing van teenoorgestelde gelaaide deeltjies wat na teenoorgestelde elektrodes gerig is. Maar, terwyl elektroliete word gekenmerk deur suiwer ioniese geleidingsvermoë, in 'n gas ontlading met 'n kombinasieelektroniese en ioniese tipes geleidingsvermoë, die hoofrol behoort aan elektrone. Nog 'n verskil tussen die elektriese stroom in vloeistowwe en gasse is die aard van ionisasie. In 'n elektroliet dissosieer die molekules van 'n opgeloste verbinding in water, maar in 'n gas breek die molekules nie af nie, maar verloor net elektrone. Daarom word die gasontlading, soos die stroom in metale, nie met chemiese veranderinge geassosieer nie.
Die fisika van elektriese stroom in vloeistowwe en gasse is ook nie dieselfde nie. Die geleidingsvermoë van elektroliete as geheel gehoorsaam Ohm se wet, maar dit word nie waargeneem tydens 'n gasontlading nie. Die volt-ampere-kenmerk van gasse het 'n baie meer komplekse karakter wat verband hou met die eienskappe van plasma.
Dit is die moeite werd om die algemene en kenmerkende kenmerke van elektriese stroom in gasse en in vakuum te noem. Vakuum is amper 'n perfekte diëlektrikum. "Amper" - want in 'n vakuum, ten spyte van die afwesigheid (meer presies, 'n uiters lae konsentrasie) van gratis ladingdraers, is 'n stroom ook moontlik. Maar potensiële draers is reeds teenwoordig in die gas, hulle hoef net geïoniseer te word. Ladingdraers word vanuit materie in vakuum gebring. As 'n reël vind dit plaas in die proses van elektronemissie, byvoorbeeld wanneer die katode verhit word (termioniese emissie). Maar, soos ons gesien het, speel emissie ook 'n belangrike rol in verskeie tipes gasontladings.
Gebruik van gasontladings in tegnologie
Die skadelike uitwerking van sekere ontladings is reeds kortliks hierbo bespreek. Kom ons let nou op die voordele wat dit in die industrie en in die alledaagse lewe inhou.
Gloedontlading word in elektriese ingenieurswese gebruik(spanning stabiliseerders), in coating tegnologie (katode sputter metode gebaseer op die verskynsel van katode korrosie). In elektronika word dit gebruik om ioon- en elektronstrale te produseer. 'n Bekende toepassingsveld vir gloei-ontladings is fluoresserende en sogenaamde ekonomiese lampe en dekoratiewe neon- en argon-ontladingsbuise. Boonop word gloei-ontladings in gaslasers en in spektroskopie gebruik.
Vonkontlading word gebruik in versmeltings, in elektro-erosiemetodes van presisiemetaalverwerking (vonksny, boor, ensovoorts). Maar dit is veral bekend vir die gebruik daarvan in vonkproppe van binnebrandenjins en in huishoudelike toestelle (gasstowe).
Boogontlading, wat die eerste keer in beligtingstegnologie gebruik is in 1876 (Yablochkov se kers - "Russiese lig"), dien steeds as 'n ligbron - byvoorbeeld in projektors en kragtige kolligte. In elektriese ingenieurswese word die boog in kwikgelykrigters gebruik. Daarbenewens word dit gebruik in elektriese sweiswerk, metaalsnywerk, industriële elektriese oonde vir staal- en legeringssmelting.
Corona-ontlading word gebruik in elektrostatiese presipitators vir ioongas skoonmaak, elementêre deeltjie tellers, weerligstokke, lugversorgingstelsels. Corona-ontlading werk ook in kopieermasjiene en laserdrukkers, waar dit die fotosensitiewe drom laai en ontlaai en poeier van die drom na papier oordra.
Gevolglik vind gasontladings van alle soorte die meestewye toepassing. Elektriese stroom in gasse word suksesvol en effektief in baie gebiede van tegnologie gebruik.
