Der er ingen absolutte dielektriske stoffer i naturen. Den ordnede bevægelse af partikler - bærere af elektrisk ladning - det vil sige strøm, kan forårsages i ethvert medium, men dette kræver særlige forhold. Vi vil her overveje, hvordan elektriske fænomener forløber i gasser, og hvordan en gas kan ændres fra et meget godt dielektrikum til en meget god leder. Vi vil være interesserede i de forhold, hvorunder det opstår, samt hvilke egenskaber der karakteriserer den elektriske strøm i gasser.
gassers elektriske egenskaber
Et dielektrikum er et stof (medium), hvori koncentrationen af partikler - frie bærere af en elektrisk ladning - ikke når nogen væsentlig værdi, som et resultat af, at ledningsevnen er ubetydelig. Alle gasser er gode dielektriske stoffer. Deres isolerende egenskaber bruges over alt. For eksempel, i enhver afbryder, sker åbningen af kredsløbet, når kontakterne bringes i en sådan position, at der dannes en luftsp alte mellem dem. Ledninger i elledningerer også isoleret fra hinanden af et luftlag.
Den strukturelle enhed af enhver gas er et molekyle. Det består af atomkerner og elektronskyer, det vil sige, det er en samling af elektriske ladninger fordelt i rummet på en eller anden måde. Et gasmolekyle kan være en elektrisk dipol på grund af dets ejendommeligheder, eller det kan polariseres under påvirkning af et eksternt elektrisk felt. Langt de fleste af de molekyler, der udgør en gas, er elektrisk neutrale under normale forhold, da ladningerne i dem ophæver hinanden.
Hvis et elektrisk felt påføres en gas, vil molekylerne antage en dipolorientering og indtage en rumlig position, der kompenserer for feltets virkning. De ladede partikler, der er til stede i gassen under påvirkning af Coulomb-kræfter, vil begynde at bevæge sig: positive ioner - i retning af katoden, negative ioner og elektroner - mod anoden. Men hvis feltet har utilstrækkeligt potentiale, opstår der ikke en enkelt rettet strøm af ladninger, og man kan hellere tale om separate strømme, så svage, at de bør negligeres. Gassen opfører sig som et dielektrikum.
For at der opstår en elektrisk strøm i gasser, kræves der således en stor koncentration af frie ladningsbærere og tilstedeværelsen af et felt.
Ionisering
Processen med en lavinelignende stigning i antallet af gratis ladninger i en gas kaldes ionisering. En gas, hvori der er en betydelig mængde ladede partikler, kaldes derfor ioniseret. Det er i sådanne gasser, at der dannes en elektrisk strøm.
Ioniseringsprocessen er forbundet med krænkelse af molekylers neutralitet. Som et resultat af løsrivelsen af en elektron opstår positive ioner, vedhæftningen af en elektron til et molekyle fører til dannelsen af en negativ ion. Derudover er der mange frie elektroner i en ioniseret gas. Positive ioner og især elektroner er de vigtigste ladningsbærere for elektrisk strøm i gasser.
Ionisering opstår, når en vis mængde energi tilføres en partikel. Således kan en ekstern elektron i sammensætningen af et molekyle, der har modtaget denne energi, forlade molekylet. Gensidige kollisioner af ladede partikler med neutrale fører til, at nye elektroner slås ud, og processen får en lavinelignende karakter. Partiklernes kinetiske energi øges også, hvilket i høj grad fremmer ionisering.
Hvor kommer den energi, der bruges til at excitere elektrisk strøm i gasser, fra? Ionisering af gasser har flere energikilder, ifølge hvilke det er sædvanligt at navngive dens typer.
- Ionisering ved elektrisk felt. I dette tilfælde omdannes feltets potentielle energi til partiklernes kinetiske energi.
- Termoionisering. En stigning i temperaturen fører også til dannelsen af et stort antal gratis afgifter.
- Fotoionisering. Essensen af denne proces er, at elektroner forsynes med energi af elektromagnetiske strålingskvanter - fotoner, hvis de har en tilstrækkelig høj frekvens (ultraviolet, røntgen, gammakvanter).
- Slagionisering er resultatet af omdannelsen af den kinetiske energi fra kolliderende partikler til energien fra elektronseparation. Såvel somtermisk ionisering, den tjener som den vigtigste excitationsfaktor i gasser af elektrisk strøm.
Hver gas er karakteriseret ved en vis tærskelværdi - den ioniseringsenergi, der kræves for, at en elektron kan bryde væk fra et molekyle og overvinde en potentiel barriere. Denne værdi for den første elektron varierer fra adskillige volt til to tiere volt; mere energi er nødvendig for at fjerne den næste elektron fra molekylet, og så videre.
Det skal tages i betragtning, at samtidig med ionisering i gassen sker den omvendte proces - rekombination, det vil sige genoprettelse af neutrale molekyler under påvirkning af Coulomb-tiltrækningskræfter.
Gasudledning og dens typer
Så den elektriske strøm i gasser skyldes den ordnede bevægelse af ladede partikler under påvirkning af et elektrisk felt påført dem. Tilstedeværelsen af sådanne ladninger er til gengæld mulig på grund af forskellige ioniseringsfaktorer.
Så termisk ionisering kræver betydelige temperaturer, men en åben flamme på grund af nogle kemiske processer bidrager til ionisering. Selv ved en relativt lav temperatur i nærvær af en flamme registreres forekomsten af en elektrisk strøm i gasser, og eksperimenter med gasledningsevne gør det nemt at verificere dette. Det er nødvendigt at placere flammen fra en brænder eller et stearinlys mellem pladerne på en opladet kondensator. Kredsløbet, der tidligere var åbent på grund af luftgabet i kondensatoren, lukkes. Et galvanometer forbundet til kredsløbet vil vise tilstedeværelsen af strøm.
Elektrisk strøm i gasser kaldes en gasudladning. Det skal man huske påfor at opretholde stabiliteten af udledningen skal ionisatorens virkning være konstant, da gassen på grund af den konstante rekombination mister sine elektrisk ledende egenskaber. Nogle bærere af elektrisk strøm i gasser - ioner - neutraliseres på elektroderne, andre - elektroner - der falder på anoden, er rettet til feltkildens "plus". Hvis den ioniserende faktor ophører med at fungere, vil gassen straks blive et dielektrikum igen, og strømmen vil ophøre. En sådan strøm, afhængig af virkningen af en ekstern ionisator, kaldes en ikke-selv-vedvarende udledning.
Trækkene ved passage af elektrisk strøm gennem gasser er beskrevet ved en særlig afhængighed af strømstyrken af spænding - strøm-spændingskarakteristikken.
Lad os overveje udviklingen af en gasudladning på grafen over strøm-spændingsafhængigheden. Når spændingen stiger til en vis værdi U1, stiger strømmen proportion alt med den, det vil sige, at Ohms lov er opfyldt. Den kinetiske energi øges, og dermed hastigheden af ladninger i gassen, og denne proces er forud for rekombination. Ved spændingsværdier fra U1 til U2 er dette forhold overtrådt; når U2 nås, når alle ladningsbærere elektroderne uden at have tid til at rekombinere. Alle gratis afgifter er involveret, og en yderligere stigning i spændingen fører ikke til en stigning i strømstyrken. Denne art af ladningers bevægelse kaldes mætningsstrøm. Således kan vi sige, at den elektriske strøm i gasser også skyldes de særlige forhold ved den ioniserede gass adfærd i elektriske felter af forskellig styrke.
Når potentialforskellen over elektroderne når en vis værdi U3, bliver spændingen tilstrækkelig til, at det elektriske felt kan forårsage en lavinelignende gasionisering. Den kinetiske energi af frie elektroner er allerede nok til stødionisering af molekyler. Samtidig er deres hastighed i de fleste gasser omkring 2000 km/s og højere (den beregnes ved den omtrentlige formel v=600 Ui, hvor Ui er ioniseringspotentialet). I dette øjeblik opstår en gasnedbrydning, og en betydelig stigning i strømmen opstår på grund af en intern ioniseringskilde. Derfor kaldes en sådan udledning uafhængig.
Tilstedeværelsen af en ekstern ionisator i dette tilfælde spiller ikke længere en rolle i at opretholde elektrisk strøm i gasser. En selvopretholdt udladning under forskellige forhold og med forskellige karakteristika af den elektriske feltkilde kan have visse egenskaber. Der er sådanne typer af selvafladning som glød, gnist, lysbue og korona. Vi vil se på, hvordan elektrisk strøm opfører sig i gasser, kort for hver af disse typer.
Glødeudladning
I en fordærvet gas er en potentialforskel fra 100 (og endnu mindre) til 1000 volt nok til at starte en uafhængig afladning. Derfor opstår en glødeudladning, karakteriseret ved en lav strømstyrke (fra 10-5 A til 1 A), ved tryk på højst et par millimeter kviksølv.
I et rør med en fortærnet gas og kolde elektroder ser den fremkommende glødeudladning ud som en tynd lysende ledning mellem elektroderne. Hvis du fortsætter med at pumpe gas fra røret, vil du observeresløring af ledningen, og ved tryk på tiendedele af millimeter kviksølv fylder gløden røret næsten helt. Gløden er fraværende nær katoden - i det såkaldte mørke katoderum. Resten kaldes den positive kolonne. I dette tilfælde er hovedprocesserne, der sikrer eksistensen af udledningen, lokaliseret præcist i det mørke katoderum og i området ved siden af det. Her accelereres ladede gaspartikler, hvilket slår elektroner ud af katoden.
I en glødeudladning er årsagen til ionisering elektronemission fra katoden. Elektronerne udsendt af katoden producerer stødionisering af gasmolekyler, de fremkommende positive ioner forårsager sekundær emission fra katoden, og så videre. Gløden af den positive søjle skyldes hovedsageligt fotonernes rekyl fra exciterede gasmolekyler, og forskellige gasser er karakteriseret ved en glød af en bestemt farve. Den positive søjle deltager kun i dannelsen af en glødeudladning som en del af det elektriske kredsløb. Hvis du bringer elektroderne tættere sammen, kan du opnå forsvinden af den positive søjle, men udledningen stopper ikke. Men med en yderligere reduktion af afstanden mellem elektroderne vil glødeudladningen ikke kunne eksistere.
Det skal bemærkes, at for denne type elektrisk strøm i gasser er fysikken i nogle processer endnu ikke blevet fuldstændig belyst. For eksempel er arten af de kræfter, der forårsager en udvidelse på katodeoverfladen af det område, der deltager i udladningen, uklar.
Gnistudladning
Gnistsammenbrud har en impulsiv karakter. Det forekommer ved tryk tæt på normal atmosfærisk, i tilfælde hvor kraften fra den elektriske feltkilde ikke er nok til at opretholde en stationær udladning. I dette tilfælde er feltstyrken høj og kan nå 3 MV/m. Fænomenet er karakteriseret ved en kraftig stigning i den elektriske afladningsstrøm i gassen, samtidig falder spændingen ekstremt hurtigt, og udledningen stopper. Så stiger potentialforskellen igen, og hele processen gentages.
Med denne type udladning dannes der kortvarige gnistkanaler, hvis vækst kan begynde fra et hvilket som helst punkt mellem elektroderne. Dette skyldes, at stødionisering sker tilfældigt på steder, hvor det største antal ioner i øjeblikket er koncentreret. Nær gnistkanalen opvarmes gassen hurtigt og gennemgår termisk ekspansion, hvilket forårsager akustiske bølger. Derfor er gnistudladningen ledsaget af knitren, samt frigivelse af varme og en lys glød. Lavineioniseringsprocesser genererer høje tryk og temperaturer op til 10 tusinde grader og mere i gnistkanalen.
Det klareste eksempel på en naturlig gnistutladning er lyn. Diameteren af hovedlyngnistkanalen kan variere fra et par centimeter til 4 m, og kanallængden kan nå 10 km. Størrelsen af strømmen når 500 tusinde ampere, og potentialforskellen mellem en tordensky og jordens overflade når en milliard volt.
Det længste lyn på 321 km blev observeret i 2007 i Oklahoma, USA. Rekordholderen for varigheden var lyn, optageti 2012 i de franske alper – det varede over 7,7 sekunder. Når den bliver ramt af lynet, kan luften varme op til 30 tusinde grader, hvilket er 6 gange temperaturen på Solens synlige overflade.
I tilfælde, hvor kraften fra kilden til det elektriske felt er stor nok, udvikler gnistudladningen sig til en bue.
bueudladning
Denne type selvafladning er kendetegnet ved høj strømtæthed og lav (mindre end glødeafladning) spænding. Nedbrydningsafstanden er lille på grund af elektrodernes nærhed. Udladningen initieres af emission af en elektron fra katodeoverfladen (for metalatomer er ioniseringspotentialet lille sammenlignet med gasmolekyler). Ved et sammenbrud mellem elektroderne skabes forhold, hvorunder gassen leder en elektrisk strøm, og der opstår en gnistutladning, som lukker kredsløbet. Hvis spændingskildens effekt er stor nok, bliver gnistutladninger til en stabil elektrisk lysbue.
Ionisering under en lysbueudladning når næsten 100 %, strømstyrken er meget høj og kan være fra 10 til 100 ampere. Ved atmosfærisk tryk kan buen varme op til 5-6 tusinde grader, og katoden - op til 3 tusinde grader, hvilket fører til intens termionisk emission fra dens overflade. Bombardementet af anoden med elektroner fører til delvis ødelæggelse: der dannes en fordybning på den - et krater med en temperatur på omkring 4000 °C. En stigning i trykket forårsager en endnu større stigning i temperaturer.
Når elektroderne spredes, forbliver lysbueudladningen stabil op til en vis afstand,som giver dig mulighed for at håndtere det i de områder af elektrisk udstyr, hvor det er skadeligt på grund af korrosion og udbrænding af kontakter forårsaget af det. Disse er enheder som højspændings- og automatiske afbrydere, kontaktorer og andre. En af metoderne til at bekæmpe den lysbue, der opstår ved åbning af kontakter, er brugen af bueslider baseret på princippet om bueudvidelse. Mange andre metoder bruges også: at bygge bro, bruge materialer med et højt ioniseringspotentiale og så videre.
Corona-udledning
Udviklingen af en koronaudladning sker ved norm alt atmosfærisk tryk i skarpt inhomogene felter nær elektroder med en stor krumning af overfladen. Disse kan være spir, master, ledninger, forskellige elementer af elektrisk udstyr, der har en kompleks form, og endda menneskehår. En sådan elektrode kaldes en koronaelektrode. Ioniseringsprocesser og følgelig gløden af gas finder kun sted i nærheden af den.
En korona kan dannes både på katoden (negativ korona), når den bliver bombarderet med ioner, og på anoden (positiv) som følge af fotoionisering. Den negative korona, hvor ioniseringsprocessen ledes væk fra elektroden som følge af termisk emission, er karakteriseret ved en jævn glød. I den positive korona kan streamere observeres - lysende linjer med en brudt konfiguration, der kan blive til gnistkanaler.
Et eksempel på en coronaudledning under naturlige forhold er St. Elmo's brande, der opstår på spidsen af høje master, trætoppe og så videre. De er dannet ved en høj spænding af det elektriskemarker i atmosfæren, ofte før et tordenvejr eller under en snestorm. Derudover blev de fikseret på huden af fly, der faldt ind i en sky af vulkansk aske.
Corona-udladning på ledninger af elledninger fører til betydelige tab af elektricitet. Ved højspænding kan en koronaudladning blive til en bue. Det bekæmpes på forskellige måder, for eksempel ved at øge ledernes krumningsradius.
Elektrisk strøm i gasser og plasma
Helt eller delvist ioniseret gas kaldes plasma og betragtes som den fjerde tilstand af stof. I det hele taget er plasma elektrisk neutr alt, da den samlede ladning af dets partikler er nul. Dette adskiller det fra andre systemer af ladede partikler, såsom elektronstråler.
Under naturlige forhold dannes plasma som regel ved høje temperaturer på grund af kollision af gasatomer ved høje hastigheder. Langt størstedelen af baryonisk stof i universet er i plasmatilstand. Disse er stjerner, en del af interstellart stof, intergalaktisk gas. Jordens ionosfære er også et sjældent, svagt ioniseret plasma.
Ioniseringsgraden er en vigtig egenskab ved et plasma - dets ledende egenskaber afhænger af det. Ioniseringsgraden er defineret som forholdet mellem antallet af ioniserede atomer og det samlede antal atomer pr. volumenenhed. Jo mere ioniseret plasmaet er, jo højere er dets elektriske ledningsevne. Derudover er den kendetegnet ved høj mobilitet.
Vi ser derfor, at de gasser, der leder elektricitet, er indenforudledningskanaler er intet andet end plasma. Således er glød og koronaudladninger eksempler på koldt plasma; en gnistkanal af lyn eller en elektrisk lysbue er eksempler på varmt, næsten fuldstændigt ioniseret plasma.
Elektrisk strøm i metaller, væsker og gasser - forskelle og ligheder
Lad os overveje de egenskaber, der karakteriserer gasudledningen i sammenligning med strømmens egenskaber i andre medier.
I metaller er strøm en rettet bevægelse af frie elektroner, der ikke medfører kemiske ændringer. Ledere af denne type kaldes ledere af den første slags; disse omfatter, ud over metaller og legeringer, kul, nogle s alte og oxider. De er kendetegnet ved elektronisk ledningsevne.
Ledere af den anden slags er elektrolytter, det vil sige flydende vandige opløsninger af alkalier, syrer og s alte. Strømmens passage er forbundet med en kemisk ændring i elektrolytten - elektrolyse. Ioner af et stof opløst i vand, under påvirkning af en potentialforskel, bevæger sig i modsatte retninger: positive kationer - til katoden, negative anioner - til anoden. Processen er ledsaget af gasudvikling eller aflejring af et metallag på katoden. Ledere af den anden slags er karakteriseret ved ionisk ledningsevne.
Hvad angår ledningsevnen af gasser, er den for det første midlertidig, og for det andet har den tegn på ligheder og forskelle med hver af dem. Så den elektriske strøm i både elektrolytter og gasser er en drift af modsat ladede partikler rettet mod modsatte elektroder. Men mens elektrolytter er karakteriseret ved rent ionisk ledningsevne, i en gasudledning med en kombinationelektroniske og ioniske typer af ledningsevne, den ledende rolle tilhører elektroner. En anden forskel mellem den elektriske strøm i væsker og gasser er arten af ionisering. I en elektrolyt dissocierer molekylerne af en opløst forbindelse i vand, men i en gas nedbrydes molekylerne ikke, men mister kun elektroner. Derfor er gasudledningen, ligesom strømmen i metaller, ikke forbundet med kemiske ændringer.
Fysikken i elektrisk strøm i væsker og gasser er heller ikke den samme. Elektrolytters ledningsevne adlyder som helhed Ohms lov, men den observeres ikke under en gasudladning. Volt-ampere-karakteristikken for gasser har en meget mere kompleks karakter forbundet med plasmas egenskaber.
Det er værd at nævne de generelle og karakteristiske træk ved elektrisk strøm i gasser og i vakuum. Vakuum er næsten et perfekt dielektrikum. "Næsten" - fordi i et vakuum, på trods af fraværet (mere præcist, en ekstremt lav koncentration) af gratis ladningsbærere, er en strøm også mulig. Men potentielle bærere er allerede til stede i gassen, de skal kun ioniseres. Ladningsbærere bringes i vakuum fra stof. Som regel sker dette i processen med elektronemission, for eksempel når katoden opvarmes (termionisk emission). Men som vi har set, spiller emission også en vigtig rolle i forskellige typer gasudledninger.
Brug af gasudledninger i teknologi
De skadelige virkninger af visse udledninger er allerede blevet kort diskuteret ovenfor. Lad os nu være opmærksomme på de fordele, de giver i industrien og i hverdagen.
Glødeudladning bruges i elektroteknik(spændingsstabilisatorer), i belægningsteknologi (katodeforstøvningsmetode baseret på fænomenet katodekorrosion). I elektronik bruges det til at producere ion- og elektronstråler. Et velkendt anvendelsesområde for glødeudladninger er fluorescerende og såkaldte økonomiske lamper og dekorative neon- og argon-udladningsrør. Derudover bruges glødeudladninger i gaslasere og i spektroskopi.
Gnistafladning bruges i sikringer, i elektroerosive metoder til præcis metalbearbejdning (gnistskæring, boring og så videre). Men det er bedst kendt for dets brug i tændrør til forbrændingsmotorer og i husholdningsapparater (gaskomfurer).
Bueudladning, der blev brugt første gang i lysteknologi tilbage i 1876 (Yablochkovs stearinlys - "russisk lys"), fungerer stadig som lyskilde - for eksempel i projektorer og kraftige spotlights. I elektroteknik bruges lysbuen i kviksølvensrettere. Derudover bruges det til elektrisk svejsning, metalskæring, industrielle elektriske ovne til stål- og legeringssmeltning.
Corona-udladning bruges i elektrostatiske udskillere til iongasrensning, elementære partikeltællere, lynafledere, klimaanlæg. Corona-udladning virker også i kopimaskiner og laserprintere, hvor den oplader og aflader den lysfølsomme tromle og overfører pulver fra tromlen til papir.
Således finder gasudledninger af alle typer mestbred anvendelse. Elektrisk strøm i gasser bruges med succes og effektivt inden for mange teknologiområder.
