Ne postoje apsolutni dielektrici u prirodi. Uređeno kretanje čestica - nosilaca električnog naboja - odnosno struje, može biti uzrokovano u bilo kojem mediju, ali za to su potrebni posebni uslovi. Ovdje ćemo razmotriti kako se električni fenomeni odvijaju u plinovima i kako se plin može promijeniti iz vrlo dobrog dielektrika u vrlo dobar provodnik. Zanimaju nas uslovi pod kojima nastaje, kao i koje karakteristike karakterišu električnu struju u gasovima.
Električna svojstva gasova
Dielektrik je tvar (medij) u kojoj koncentracija čestica - slobodnih nosilaca električnog naboja - ne dostiže neku značajnu vrijednost, zbog čega je provodljivost zanemarljiva. Svi gasovi su dobri dielektrici. Njihova izolacijska svojstva koriste se svuda. Na primjer, u bilo kojem prekidaču, do otvaranja kruga dolazi kada se kontakti dovedu u takav položaj da se između njih formira zračni jaz. Žice u dalekovodimasu takođe izolovani jedno od drugog slojem vazduha.
Strukturna jedinica svakog gasa je molekul. Sastoji se od atomskih jezgara i elektronskih oblaka, odnosno, to je skup električnih naboja raspoređenih u svemiru na neki način. Molekul plina može biti električni dipol zbog posebnosti svoje strukture, ili može biti polariziran pod djelovanjem vanjskog električnog polja. Ogromna većina molekula koji čine gas je električno neutralna pod normalnim uslovima, pošto se naelektrisanja u njima međusobno poništavaju.
Ako se na gas primeni električno polje, molekuli će poprimiti dipolnu orijentaciju, zauzimajući prostornu poziciju koja kompenzuje efekat polja. Nabijene čestice prisutne u plinu pod utjecajem Coulombovih sila počeće se kretati: pozitivni ioni - u smjeru katode, negativni ioni i elektroni - prema anodi. Međutim, ako polje nema dovoljan potencijal, ne nastaje jedan usmjereni tok naelektrisanja, već se prije može govoriti o odvojenim strujama, toliko slabim da ih treba zanemariti. Gas se ponaša kao dielektrik.
Dakle, za nastanak električne struje u gasovima potrebna je velika koncentracija slobodnih nosilaca naboja i prisustvo polja.
Jonizacija
Proces lavinskog povećanja broja slobodnih naelektrisanja u gasu naziva se jonizacija. Prema tome, plin u kojem postoji značajna količina nabijenih čestica naziva se jonizirani. U takvim gasovima se stvara električna struja.
Proces jonizacije je povezan sa narušavanjem neutralnosti molekula. Kao rezultat odvajanja elektrona pojavljuju se pozitivni ioni, vezanje elektrona za molekul dovodi do stvaranja negativnog jona. Osim toga, postoji mnogo slobodnih elektrona u joniziranom plinu. Pozitivni joni i posebno elektroni su glavni nosioci naboja za električnu struju u gasovima.
Jonizacija nastaje kada se određena količina energije prenese na česticu. Dakle, vanjski elektron u sastavu molekula, primivši ovu energiju, može napustiti molekul. Međusobni sudari nabijenih čestica s neutralnim dovode do izbacivanja novih elektrona, a proces poprima lavinski karakter. Kinetička energija čestica se takođe povećava, što u velikoj meri podstiče jonizaciju.
Odakle dolazi energija koja se koristi za pobuđivanje električne struje u plinovima? Ionizacija gasova ima nekoliko izvora energije, prema kojima je uobičajeno da se imenuju njene vrste.
- Jonizacija električnim poljem. U ovom slučaju, potencijalna energija polja se pretvara u kinetičku energiju čestica.
- Termoionizacija. Povećanje temperature također dovodi do stvaranja velikog broja besplatnih naboja.
- Photoionization. Suština ovog procesa je da se elektroni snabdijevaju energijom kvantima elektromagnetnog zračenja - fotonima, ako imaju dovoljno visoku frekvenciju (ultraljubičasto, rendgensko, gama kvanti).
- Udarna jonizacija je rezultat konverzije kinetičke energije sudarajućih čestica u energiju razdvajanja elektrona. Kao itermička jonizacija, služi kao glavni faktor pobude u gasovima električne struje.
Svaki gas karakteriše određena granična vrednost - energija jonizacije potrebna da se elektron odvoji od molekula, prevazilazeći potencijalnu barijeru. Ova vrijednost za prvi elektron kreće se od nekoliko volti do dva desetina volti; potrebno je više energije za uklanjanje sljedećeg elektrona iz molekula, i tako dalje.
Treba uzeti u obzir da se istovremeno sa jonizacijom u gasu dešava i obrnuti proces - rekombinacija, odnosno obnavljanje neutralnih molekula pod dejstvom Kulonovih sila privlačenja.
Plinsko pražnjenje i njegove vrste
Dakle, električna struja u plinovima nastaje zbog uređenog kretanja nabijenih čestica pod djelovanjem električnog polja primijenjenog na njih. Prisustvo takvih naboja je, pak, moguće zbog različitih faktora jonizacije.
Dakle, termička jonizacija zahtijeva značajne temperature, ali otvoreni plamen zbog nekih hemijskih procesa doprinosi jonizaciji. Čak i pri relativno niskoj temperaturi u prisustvu plamena, bilježi se pojava električne struje u plinovima, a eksperiment s provodljivošću plina olakšava to provjeriti. Između ploča napunjenog kondenzatora potrebno je postaviti plamen plamenika ili svijeće. Krug koji je prethodno bio otvoren zbog zračnog raspora u kondenzatoru će se zatvoriti. Galvanometar spojen na kolo će pokazati prisutnost struje.
Električna struja u gasovima naziva se gasno pražnjenje. To se mora imati na umuda bi se održala stabilnost pražnjenja, djelovanje ionizatora mora biti konstantno, jer uslijed stalne rekombinacije plin gubi svoja elektroprovodljiva svojstva. Neki nosioci električne struje u plinovima - ioni - neutraliziraju se na elektrodama, drugi - elektroni - koji padaju na anodu, usmjeravaju se na "plus" izvora polja. Ako ionizirajući faktor prestane djelovati, plin će odmah ponovo postati dielektrik i struja će prestati. Takva struja, zavisna od djelovanja vanjskog ionizatora, naziva se nesamoodrživo pražnjenje.
Osobine prolaska električne struje kroz gasove opisane su posebnom zavisnošću jačine struje od napona - strujno-naponska karakteristika.
Razmotrimo razvoj plinskog pražnjenja na grafu ovisnosti struje-napona. Kada napon poraste do određene vrijednosti U1, struja raste proporcionalno tome, odnosno ispunjen je Ohmov zakon. Povećava se kinetička energija, a time i brzina naelektrisanja u gasu, a ovaj proces je ispred rekombinacije. Pri vrijednostima napona od U1 do U2 ovaj odnos je narušen; kada se dostigne U2, svi nosioci naboja stižu do elektroda bez vremena da se rekombinuju. Uključena su sva slobodna punjenja, a dalje povećanje napona ne dovodi do povećanja struje. Ovakva priroda kretanja naelektrisanja naziva se struja zasićenja. Dakle, možemo reći da je električna struja u plinovima također posljedica posebnosti ponašanja joniziranog plina u električnim poljima različite jačine.
Kada razlika potencijala na elektrodama dostigne određenu vrijednost U3, napon postaje dovoljan da električno polje izazove lavinu ionizaciju plina. Kinetička energija slobodnih elektrona je već dovoljna za udarnu ionizaciju molekula. Istovremeno, njihova brzina u većini gasova je oko 2000 km/s i više (izračunava se po približnoj formuli v=600 Ui, gde je Ui je potencijal jonizacije). U ovom trenutku dolazi do kvara plina i značajnog povećanja struje zbog unutrašnjeg izvora ionizacije. Stoga se takvo pražnjenje naziva neovisnim.
Prisustvo eksternog jonizatora u ovom slučaju više ne igra ulogu u održavanju električne struje u gasovima. Samoodrživo pražnjenje u različitim uslovima i sa različitim karakteristikama izvora električnog polja može imati određene karakteristike. Postoje vrste samopražnjenja kao što su sjaj, iskra, luk i korona. Pogledaćemo kako se električna struja ponaša u gasovima, ukratko za svaku od ovih vrsta.
Glow Discharge
U razrijeđenom plinu, razlika potencijala od 100 (pa čak i manje) do 1000 volti je dovoljna za pokretanje nezavisnog pražnjenja. Stoga se usijano pražnjenje, koje karakteriše niska jačina struje (od 10-5 A do 1 A), javlja pri pritiscima ne većim od nekoliko milimetara žive.
U cijevi sa razrijeđenim plinom i hladnim elektrodama, svjetleće pražnjenje koje se pojavljuje izgleda kao tanka svjetleća vrpca između elektroda. Ako nastavite pumpati gas iz cijevi, primijetit ćetezamućenje vrpce, a pri pritiscima od desetinki milimetara žive, sjaj skoro u potpunosti ispunjava cijev. Sjaj nema u blizini katode - u takozvanom tamnom katodnom prostoru. Ostatak se naziva pozitivnim stupcem. U ovom slučaju, glavni procesi koji osiguravaju postojanje pražnjenja lokalizirani su upravo u tamnom katodnom prostoru iu području uz njega. Ovdje se nabijene čestice plina ubrzavaju, izbacujući elektrone iz katode.
U svjetlećem pražnjenju, uzrok ionizacije je emisija elektrona sa katode. Elektroni koje emituje katoda proizvode udarnu ionizaciju molekula plina, pozitivni ioni koji se pojavljuju uzrokuju sekundarnu emisiju iz katode, itd. Sjaj pozitivnog stupca uglavnom je posljedica trzaja fotona pobuđenim molekulima plina, a različiti plinovi karakteriziraju se sjajem određene boje. Pozitivni stub učestvuje u formiranju usijanog pražnjenja samo kao deo električnog kola. Ako približite elektrode, možete postići nestanak pozitivnog stupca, ali pražnjenje neće prestati. Međutim, sa daljim smanjenjem udaljenosti između elektroda, usijano pražnjenje neće moći postojati.
Treba napomenuti da za ovu vrstu električne struje u gasovima fizika nekih procesa još nije u potpunosti razjašnjena. Na primjer, priroda sila koje uzrokuju ekspanziju na površini katode u području koje učestvuje u pražnjenju ostaje nejasna.
Svjetničko pražnjenje
Sparkkvar ima impulsivni karakter. Javlja se pri pritiscima blizu normalnog atmosferskog, u slučajevima kada snaga izvora električnog polja nije dovoljna za održavanje stacionarnog pražnjenja. U ovom slučaju, jačina polja je velika i može doseći 3 MV/m. Pojavu karakterizira naglo povećanje električne struje pražnjenja u plinu, pri čemu napon izuzetno brzo opada, a pražnjenje prestaje. Tada se potencijalna razlika ponovo povećava i cijeli proces se ponavlja.
Sa ovom vrstom pražnjenja formiraju se kratkotrajni kanali iskri, čiji rast može početi iz bilo koje tačke između elektroda. To je zbog činjenice da se udarna jonizacija dešava nasumično na mjestima gdje je trenutno koncentrisan najveći broj jona. U blizini kanala iskri, plin se brzo zagrijava i podliježe toplinskoj ekspanziji, što uzrokuje akustične valove. Stoga je pražnjenje iskre praćeno pucketanjem, kao i oslobađanjem topline i jarkim sjajem. Procesi lavinske jonizacije stvaraju visoke pritiske i temperature do 10 hiljada stepeni i više u kanalu iskri.
Najjasniji primjer prirodnog pražnjenja varnicom je munja. Prečnik glavnog kanala munje može se kretati od nekoliko centimetara do 4 m, a dužina kanala može doseći 10 km. Jačina struje dostiže 500 hiljada ampera, a potencijalna razlika između grmljavinskog oblaka i Zemljine površine dostiže milijardu volti.
Najduža munja od 321 km uočena je 2007. godine u Oklahomi, SAD. Rekorder po trajanju je munja, snimljena2012. godine u francuskim Alpima - trajalo je preko 7,7 sekundi. Kada ga udari grom, vazduh se može zagrejati do 30 hiljada stepeni, što je 6 puta više od temperature vidljive površine Sunca.
U slučajevima kada je snaga izvora električnog polja dovoljno velika, iskre se razvija u luk.
Arc Discharge
Ovu vrstu samopražnjenja karakteriše velika gustina struje i nizak napon (manji od usijanog pražnjenja). Razmak proboja je mali zbog blizine elektroda. Pražnjenje je pokrenuto emisijom elektrona sa površine katode (za atome metala potencijal jonizacije je mali u odnosu na molekule gasa). Prilikom kvara između elektroda stvaraju se uvjeti pod kojima plin provodi električnu struju i dolazi do pražnjenja iskre koje zatvara strujni krug. Ako je snaga izvora napona dovoljno velika, iskri se pretvaraju u stabilan električni luk.
Jonizacija tokom lučnog pražnjenja dostiže skoro 100%, jačina struje je veoma visoka i može biti od 10 do 100 ampera. Pri atmosferskom pritisku, luk se može zagrijati do 5-6 hiljada stepeni, a katoda - do 3 hiljade stepeni, što dovodi do intenzivne termoionske emisije sa njegove površine. Bombardiranje anode elektronima dovodi do djelomičnog uništenja: na njemu se formira udubljenje - krater s temperaturom od oko 4000 °C. Povećanje pritiska uzrokuje još veće povećanje temperature.
Prilikom širenja elektroda, lučno pražnjenje ostaje stabilno do određene udaljenosti,što vam omogućava da se nosite s njim u onim područjima električne opreme gdje je štetno zbog korozije i izgaranja kontakata uzrokovanih njime. To su uređaji kao što su visokonaponski i automatski prekidači, kontaktori i drugi. Jedna od metoda za suzbijanje luka koji nastaje pri otvaranju kontakata je korištenje lučnih žlijezda na principu produženja luka. Koriste se i mnoge druge metode: premošćivanje kontakata, korištenje materijala sa visokim potencijalom jonizacije i tako dalje.
Corona discharge
Razvoj koronskog pražnjenja dešava se pri normalnom atmosferskom pritisku u oštro nehomogenim poljima u blizini elektroda sa velikom zakrivljenošću površine. To mogu biti tornjevi, jarboli, žice, razni elementi električne opreme koji imaju složen oblik, pa čak i ljudska kosa. Takva elektroda naziva se korona elektroda. Procesi jonizacije i, shodno tome, sjaj gasa odvijaju se samo u njegovoj blizini.
Korona se može formirati i na katodi (negativna korona) kada je bombardovana jonima, i na anodi (pozitivna) kao rezultat fotojonizacije. Negativna korona, u kojoj je proces ionizacije usmjeren od elektrode kao rezultat toplinske emisije, karakterizira ujednačen sjaj. U pozitivnoj koroni mogu se uočiti strimeri - svjetleće linije izlomljene konfiguracije koje se mogu pretvoriti u iskrice.
Primjer koronskog pražnjenja u prirodnim uvjetima su požari Svetog Elma koji se javljaju na vrhovima visokih jarbola, krošnjama drveća i tako dalje. Nastaju pod visokim naponom električne energijepolja u atmosferi, često prije grmljavine ili za vrijeme snježne oluje. Osim toga, bili su fiksirani na koži aviona koji je pao u oblak vulkanskog pepela.
Koronsko pražnjenje na žicama dalekovoda dovodi do značajnih gubitaka električne energije. Pri visokom naponu, koronsko pražnjenje može se pretvoriti u luk. Bori se na razne načine, na primjer, povećanjem radijusa zakrivljenosti provodnika.
Električna struja u gasovima i plazmi
Potpuno ili djelomično jonizirani plin naziva se plazma i smatra se četvrtim agregatnim stanjem materije. U cjelini, plazma je električno neutralna, budući da je ukupni naboj njenih sastavnih čestica nula. Ovo ga razlikuje od drugih sistema naelektrisanih čestica, kao što su elektronski snopovi.
U prirodnim uslovima, plazma nastaje, po pravilu, na visokim temperaturama usled sudara atoma gasa pri velikim brzinama. Velika većina barionske materije u Univerzumu je u stanju plazme. To su zvijezde, dio međuzvjezdane materije, međugalaktički plin. Zemljina jonosfera je također rijetka, slabo jonizirana plazma.
Stepen jonizacije je važna karakteristika plazme - o tome zavise njena provodljiva svojstva. Stepen jonizacije se definira kao omjer broja joniziranih atoma i ukupnog broja atoma po jedinici volumena. Što je plazma jonizovanija, to je veća njena električna provodljivost. Osim toga, odlikuje ga visoka mobilnost.
Vidimo, dakle, da su gasovi koji provode elektricitet unutrakanali pražnjenja nisu ništa drugo do plazma. Stoga su sjajna i koronska pražnjenja primjeri hladne plazme; iskristi kanal munje ili električni luk su primeri vrele, skoro potpuno jonizovane plazme.
Električna struja u metalima, tečnostima i gasovima - razlike i sličnosti
Razmotrimo karakteristike koje karakterišu gasno pražnjenje u poređenju sa svojstvima struje u drugim medijima.
U metalima, struja je usmjereno kretanje slobodnih elektrona koje ne povlači za sobom kemijske promjene. Provodnici ove vrste nazivaju se provodnicima prve vrste; tu spadaju, pored metala i legura, ugalj, neke soli i oksidi. Odlikuju se elektronskom provodljivošću.
Provodnici druge vrste su elektroliti, odnosno tečni vodeni rastvori alkalija, kiselina i soli. Prolazak struje povezan je s kemijskom promjenom elektrolita - elektrolizom. Ioni tvari otopljene u vodi, pod djelovanjem razlike potencijala, kreću se u suprotnim smjerovima: pozitivni kationi - ka katodi, negativni anioni - anodi. Proces je praćen razvijanjem plina ili taloženjem metalnog sloja na katodi. Provodnike druge vrste karakteriše jonska provodljivost.
Što se tiče provodljivosti gasova, ona je, prvo, privremena, a drugo, ima znakove sličnosti i razlika sa svakim od njih. Dakle, električna struja u elektrolitima i plinovima je drift suprotno nabijenih čestica usmjerenih prema suprotnim elektrodama. Međutim, dok elektrolite karakterizira čisto jonska provodljivost, u plinskom pražnjenju s kombinacijomelektronske i ionske vrste provodljivosti, vodeća uloga pripada elektronima. Druga razlika između električne struje u tekućinama i plinovima je priroda jonizacije. U elektrolitu se molekuli otopljenog spoja disociraju u vodi, ali u plinu se molekuli ne razgrađuju, već samo gube elektrone. Stoga, plinsko pražnjenje, kao i struja u metalima, nije povezano s kemijskim promjenama.
Fizika električne struje u tečnostima i gasovima takođe nije ista. Provodljivost elektrolita u cjelini je podložna Ohmovom zakonu, ali se ne opaža za vrijeme plinskog pražnjenja. Volt-amperska karakteristika gasova ima mnogo složeniji karakter povezan sa svojstvima plazme.
Vrijedi pomenuti opšte i karakteristične karakteristike električne struje u gasovima i vakuumu. Vakum je gotovo savršen dielektrik. "Skoro" - jer je u vakuumu, uprkos odsustvu (tačnije, izuzetno niskoj koncentraciji) slobodnih nosača naboja, moguća i struja. Ali potencijalni nosioci su već prisutni u gasu, samo ih treba jonizirati. Nosači naboja se dovode u vakuum iz materije. U pravilu se to događa u procesu elektronske emisije, na primjer, kada se katoda zagrije (termionska emisija). Ali, kao što smo vidjeli, emisija također igra važnu ulogu u raznim vrstama plinskih pražnjenja.
Upotreba gasnih pražnjenja u tehnologiji
Štetni efekti određenih pražnjenja su već ukratko razmotreni gore. Sada obratimo pažnju na prednosti koje donose u industriji iu svakodnevnom životu.
Sjajno pražnjenje se koristi u elektrotehnici(stabilizatori napona), u tehnologiji premaza (metoda katodnog raspršivanja zasnovana na fenomenu katodne korozije). U elektronici se koristi za proizvodnju jonskih i elektronskih zraka. Poznato polje primjene usijanih pražnjenja su fluorescentne i takozvane ekonomične lampe i ukrasne neonske i argonske cijevi za pražnjenje. Osim toga, usijana pražnjenja se koriste u gasnim laserima i u spektroskopiji.
Iskreničko pražnjenje se koristi u osiguračima, u elektroerozivnim metodama precizne obrade metala (sječenje varnicom, bušenje i tako dalje). Ali najpoznatiji je po upotrebi u svjećicama motora sa unutrašnjim sagorijevanjem i u kućanskim aparatima (plinske peći).
Lučno pražnjenje, koje se prvi put koristi u tehnologiji rasvjete davne 1876. godine (Jabločkovova svijeća - "rusko svjetlo"), još uvijek služi kao izvor svjetlosti - na primjer, u projektorima i moćnim reflektorima. U elektrotehnici, luk se koristi u živinim ispravljačima. Osim toga, koristi se u električnom zavarivanju, rezanju metala, industrijskim električnim pećima za topljenje čelika i legura.
Corona pražnjenje se koristi u elektrofilterima za čišćenje jonskog gasa, brojačima elementarnih čestica, gromobranima, sistemima za klimatizaciju. Corona pražnjenje također radi u fotokopir aparatima i laserskim štampačima, gdje puni i prazni fotoosjetljivi bubanj i prenosi prah iz bubnja na papir.
Dakle, gasnih pražnjenja svih vrsta nalaze najvišeširoka primena. Električna struja u gasovima se uspešno i efikasno koristi u mnogim oblastima tehnologije.
