Det finns inga absoluta dielektrika i naturen. Den ordnade rörelsen av partiklar - bärare av elektrisk laddning - det vill säga ström, kan orsakas i vilket medium som helst, men detta kräver speciella förhållanden. Vi kommer här att överväga hur elektriska fenomen försiggår i gaser och hur en gas kan ändras från ett mycket bra dielektrikum till en mycket bra ledare. Vi kommer att vara intresserade av de förhållanden under vilka den uppstår, samt vilka egenskaper som kännetecknar den elektriska strömmen i gaser.
Elektriska egenskaper hos gaser
Ett dielektrikum är ett ämne (medium) i vilket koncentrationen av partiklar - fria bärare av en elektrisk laddning - inte når något signifikant värde, vilket gör att konduktiviteten är försumbar. Alla gaser är bra dielektrika. Deras isolerande egenskaper används överallt. Till exempel, i vilken strömbrytare som helst, sker öppningen av kretsen när kontakterna förs till ett sådant läge att ett luftgap bildas mellan dem. Ledningar i kraftledningarär också isolerade från varandra av ett luftskikt.
Den strukturella enheten för en gas är en molekyl. Den består av atomkärnor och elektronmoln, det vill säga det är en samling elektriska laddningar fördelade i rymden på något sätt. En gasmolekyl kan vara en elektrisk dipol på grund av särdragen i dess struktur, eller den kan polariseras under inverkan av ett externt elektriskt fält. De allra flesta av molekylerna som utgör en gas är elektriskt neutrala under normala förhållanden, eftersom laddningarna i dem tar ut varandra.
Om ett elektriskt fält appliceras på en gas, kommer molekylerna att anta en dipolorientering och inta en rumslig position som kompenserar för fältets effekt. De laddade partiklarna som finns i gasen under påverkan av Coulomb-krafter kommer att börja röra sig: positiva joner - i katodens riktning, negativa joner och elektroner - mot anoden. Men om fältet har otillräcklig potential uppstår inte ett enda riktat flöde av laddningar, och man kan snarare tala om separata strömmar, så svaga att de bör försummas. Gasen beter sig som ett dielektrikum.
För uppkomsten av en elektrisk ström i gaser krävs alltså en stor koncentration av fria laddningsbärare och närvaron av ett fält.
jonisering
Processen med en lavinliknande ökning av antalet gratisladdningar i en gas kallas jonisering. Följaktligen kallas en gas i vilken det finns en betydande mängd laddade partiklar joniserad. Det är i sådana gaser som en elektrisk ström skapas.
Joniseringsprocessen är förknippad med kränkningen av molekylers neutralitet. Som ett resultat av att en elektron lossnar uppstår positiva joner, bindningen av en elektron till en molekyl leder till bildandet av en negativ jon. Dessutom finns det många fria elektroner i en joniserad gas. Positiva joner och särskilt elektroner är de huvudsakliga laddningsbärarna för elektrisk ström i gaser.
Jonisering uppstår när en viss mängd energi tillförs en partikel. Således kan en extern elektron i sammansättningen av en molekyl, efter att ha fått denna energi, lämna molekylen. Inbördes kollisioner av laddade partiklar med neutrala leder till att nya elektroner slås ut, och processen får en lavinliknande karaktär. Den kinetiska energin hos partiklarna ökar också, vilket i hög grad främjar jonisering.
Varifrån kommer energin som används för att excitera elektrisk ström i gaser? Jonisering av gaser har flera energikällor, enligt vilka det är vanligt att namnge dess typer.
- Jonisering med elektriskt fält. I detta fall omvandlas fältets potentiella energi till partiklarnas kinetiska energi.
- Termojonisering. En ökning av temperaturen leder också till att det bildas ett stort antal gratisladdningar.
- Fotojonisering. Kärnan i denna process är att elektroner tillförs energi av elektromagnetisk strålningskvanta - fotoner, om de har en tillräckligt hög frekvens (ultraviolett, röntgen, gammakvanta).
- Impaktjonisering är resultatet av omvandlingen av kinetisk energi från kolliderande partiklar till energin för elektronseparation. Såväl somtermisk jonisering, den fungerar som den huvudsakliga excitationsfaktorn i gaser av elektrisk ström.
Varje gas kännetecknas av ett visst tröskelvärde - den joniseringsenergi som krävs för att en elektron ska bryta sig loss från en molekyl och övervinna en potentiell barriär. Detta värde för den första elektronen sträcker sig från flera volt till två tiotals volt; mer energi behövs för att ta bort nästa elektron från molekylen och så vidare.
Det bör beaktas att samtidigt med jonisering i gasen sker den omvända processen - rekombination, det vill säga återställandet av neutrala molekyler under inverkan av Coulombs attraktionskrafter.
Gasutsläpp och dess typer
Så, den elektriska strömmen i gaser beror på den ordnade rörelsen av laddade partiklar under inverkan av ett elektriskt fält som appliceras på dem. Förekomsten av sådana laddningar är i sin tur möjlig på grund av olika joniseringsfaktorer.
Så, termisk jonisering kräver betydande temperaturer, men en öppen låga på grund av vissa kemiska processer bidrar till jonisering. Även vid en relativt låg temperatur i närvaro av en låga registreras uppkomsten av en elektrisk ström i gaser, och experiment med gasledningsförmåga gör det enkelt att verifiera detta. Det är nödvändigt att placera lågan på en brännare eller ett ljus mellan plattorna på en laddad kondensator. Kretsen som tidigare var öppen på grund av luftgapet i kondensatorn kommer att stängas. En galvanometer ansluten till kretsen visar närvaron av ström.
Elektrisk ström i gaser kallas en gasurladdning. Det måste man ha i åtankeför att bibehålla urladdningens stabilitet måste jonisatorns verkan vara konstant, eftersom gasen på grund av den konstanta rekombinationen förlorar sina elektriskt ledande egenskaper. Vissa bärare av elektrisk ström i gaser - joner - neutraliseras på elektroderna, andra - elektroner - som faller på anoden, riktas till fältkällans "plus". Om den joniserande faktorn upphör att fungera, kommer gasen omedelbart att bli ett dielektrikum igen, och strömmen kommer att upphöra. En sådan ström, beroende på verkan av en extern jonisator, kallas en icke-självförsörjande urladdning.
Särdrag för passage av elektrisk ström genom gaser beskrivs av ett speciellt beroende av strömstyrkan på spänningen - ström-spänningskarakteristiken.
Låt oss överväga utvecklingen av en gasurladdning på grafen över ström-spänningsberoendet. När spänningen stiger till ett visst värde U1 ökar strömmen proportionellt mot den, det vill säga Ohms lag är uppfylld. Den kinetiska energin ökar, och därmed hastigheten för laddningar i gasen, och denna process ligger före rekombination. Vid spänningsvärden från U1 till U2 är detta förhållande brutet; när U2 nås, når alla laddningsbärare elektroderna utan att hinna rekombinera. Alla kostnadsfria avgifter är inblandade och en ytterligare spänningsökning leder inte till en ökning av strömmen. Denna typ av laddningsrörelse kallas mättnadsström. Således kan vi säga att den elektriska strömmen i gaser också beror på särdragen hos den joniserade gasens beteende i elektriska fält av olika styrka.
När potentialskillnaden över elektroderna når ett visst värde U3, blir spänningen tillräcklig för att det elektriska fältet ska orsaka en lavinliknande gasjonisering. Den kinetiska energin hos fria elektroner räcker redan för stötjonisering av molekyler. Samtidigt är deras hastighet i de flesta gaser cirka 2000 km/s och högre (den beräknas med den ungefärliga formeln v=600 Ui, där Ui är joniseringspotentialen). I detta ögonblick inträffar en gasnedbrytning och en betydande ökning av strömmen inträffar på grund av en intern joniseringskälla. Därför kallas en sådan urladdning oberoende.
Närvaron av en extern jonisator i detta fall spelar inte längre någon roll för att upprätthålla elektrisk ström i gaser. En självförsörjande urladdning under olika förhållanden och med olika egenskaper hos den elektriska fältkällan kan ha vissa egenskaper. Det finns sådana typer av självurladdning som glöd, gnista, båge och korona. Vi kommer att titta på hur elektrisk ström beter sig i gaser, kortfattat för var och en av dessa typer.
Glow Discharge
I en förtärnad gas räcker en potentialskillnad från 100 (och ännu mindre) till 1000 volt för att initiera en oberoende urladdning. Därför uppstår en glödurladdning, kännetecknad av en låg strömstyrka (från 10-5 A till 1 A), vid tryck på högst några millimeter kvicksilver.
I ett rör med en förtärnad gas och kalla elektroder ser den framträdande glödurladdningen ut som en tunn lysande sladd mellan elektroderna. Om du fortsätter att pumpa gas från röret kommer du att observerasuddighet i sladden, och vid tryck på tiondels millimeter kvicksilver fyller glöden ut röret nästan helt. Glödet saknas nära katoden - i det så kallade mörka katodutrymmet. Resten kallas den positiva kolumnen. I det här fallet är huvudprocesserna som säkerställer att urladdningen finns lokaliserade exakt i det mörka katodutrymmet och i området intill det. Här accelereras laddade gaspartiklar, vilket slår ut elektroner ur katoden.
I en glödurladdning är orsaken till jonisering elektronemission från katoden. Elektronerna som emitteras av katoden producerar stötjonisering av gasmolekyler, de framträdande positiva jonerna orsakar sekundär emission från katoden, och så vidare. Glödet från den positiva kolonnen beror främst på rekylen av fotoner av exciterade gasmolekyler, och olika gaser kännetecknas av en glöd av en viss färg. Den positiva kolonnen deltar i bildandet av en glödurladdning endast som en del av den elektriska kretsen. Om du för elektroderna närmare varandra kan du uppnå att den positiva kolonnen försvinner, men urladdningen kommer inte att sluta. Men med en ytterligare minskning av avståndet mellan elektroderna kommer glödurladdningen inte att kunna existera.
Det bör noteras att för denna typ av elektrisk ström i gaser har fysiken för vissa processer ännu inte helt klarlagts. Till exempel är karaktären av krafterna som orsakar en expansion på katodytan i området som deltar i urladdningen oklart.
Gnisturladdning
Sparksammanbrott har en impulsiv karaktär. Det inträffar vid tryck nära normala atmosfäriska, i fall där kraften från den elektriska fältkällan inte är tillräcklig för att upprätthålla en stationär urladdning. I detta fall är fältstyrkan hög och kan nå 3 MV/m. Fenomenet kännetecknas av en kraftig ökning av urladdningens elektriska ström i gasen, samtidigt sjunker spänningen extremt snabbt och urladdningen stannar. Sedan ökar potentialskillnaden igen, och hela processen upprepas.
Med denna typ av urladdning bildas kortsiktiga gnistkanaler, vars tillväxt kan börja från vilken punkt som helst mellan elektroderna. Detta beror på att stötjonisering sker slumpmässigt på platser där det största antalet joner för närvarande är koncentrerat. Nära gnistkanalen värms gasen upp snabbt och genomgår termisk expansion, vilket orsakar akustiska vågor. Därför åtföljs gnistanladdningen av sprakande, såväl som frigöring av värme och en ljus glöd. Lavinjoniseringsprocesser genererar höga tryck och temperaturer upp till 10 tusen grader och mer i gnistkanalen.
Det tydligaste exemplet på naturlig gnistorladdning är blixten. Diametern på den huvudsakliga blixtgnistkanalen kan variera från några centimeter till 4 m, och kanallängden kan nå 10 km. Strömmens storlek når 500 tusen ampere, och potentialskillnaden mellan ett åskmoln och jordens yta når en miljard volt.
Den längsta blixten på 321 km observerades 2007 i Oklahoma, USA. Rekordhållaren för varaktigheten var blixt, inspelad2012 i de franska alperna - den varade i över 7,7 sekunder. När den träffas av blixten kan luften värmas upp till 30 tusen grader, vilket är 6 gånger temperaturen på solens synliga yta.
I de fall då kraften från källan till det elektriska fältet är tillräckligt stor utvecklas gnistanladdningen till en båge.
Arc Discharge
Denna typ av självurladdning kännetecknas av hög strömtäthet och låg (mindre än glödurladdning) spänning. Nedbrytningsavståndet är litet på grund av elektrodernas närhet. Urladdningen initieras av emission av en elektron från katodytan (för metallatomer är joniseringspotentialen liten jämfört med gasmolekyler). Vid ett haveri mellan elektroderna skapas förhållanden under vilka gasen leder en elektrisk ström, och en gnisturladdning uppstår, som stänger kretsen. Om spänningskällans effekt är tillräckligt stor förvandlas gnisturladdningar till en stabil elektrisk ljusbåge.
Jonisering under en ljusbågsurladdning når nästan 100 %, strömstyrkan är mycket hög och kan vara från 10 till 100 ampere. Vid atmosfärstryck kan bågen värmas upp till 5-6 tusen grader och katoden - upp till 3 tusen grader, vilket leder till intensiv termionisk emission från dess yta. Bombarderingen av anoden med elektroner leder till partiell förstörelse: en fördjupning bildas på den - en krater med en temperatur på cirka 4000 °C. En ökning av trycket orsakar en ännu större ökning av temperaturerna.
När elektroderna sprids förblir ljusbågsurladdningen stabil upp till ett visst avstånd,vilket gör att du kan hantera det i de områden av elektrisk utrustning där det är skadligt på grund av korrosion och utbränning av kontakter som orsakas av det. Dessa är enheter som högspännings- och automatiska brytare, kontaktorer och andra. En av metoderna för att bekämpa den båge som uppstår vid öppning av kontakter är användningen av bågrännor baserade på principen om bågförlängning. Många andra metoder används också: brygga kontakter, använda material med hög joniseringspotential och så vidare.
Corona-urladdning
Utvecklingen av en koronaurladdning sker vid norm alt atmosfärstryck i skarpt inhomogena fält nära elektroder med stor krökning av ytan. Dessa kan vara spiror, master, ledningar, olika delar av elektrisk utrustning som har en komplex form och till och med människohår. En sådan elektrod kallas en koronaelektrod. Joniseringsprocesser och följaktligen gasens glöd sker endast nära den.
En korona kan bildas både på katoden (negativ korona) när den bombarderas med joner, och på anoden (positiv) som ett resultat av fotojonisering. Den negativa koronan, där joniseringsprocessen riktas bort från elektroden till följd av termisk emission, kännetecknas av en jämn glöd. I den positiva koronan kan streamers observeras - lysande linjer med en trasig konfiguration som kan förvandlas till gnistkanaler.
Ett exempel på en coronaurladdning under naturliga förhållanden är S:t Elmos bränder som uppstår på toppen av höga master, trädtoppar och så vidare. De bildas vid en hög spänning av det elektriskafält i atmosfären, ofta före ett åskväder eller under en snöstorm. Dessutom fixerades de på huden på flygplan som föll i ett moln av vulkanisk aska.
Corona-urladdningar på ledningarna till kraftledningar leder till betydande elförluster. Vid hög spänning kan en koronaurladdning förvandlas till en ljusbåge. Den bekämpas på olika sätt, till exempel genom att öka ledarnas krökningsradie.
Elektrisk ström i gaser och plasma
Helt eller delvis joniserad gas kallas plasma och anses vara materiens fjärde tillstånd. På det hela taget är plasma elektriskt neutr alt, eftersom den totala laddningen av dess ingående partiklar är noll. Detta skiljer den från andra system av laddade partiklar, såsom elektronstrålar.
Under naturliga förhållanden bildas plasma som regel vid höga temperaturer på grund av kollision av gasatomer vid höga hastigheter. Den stora majoriteten av baryonmateria i universum är i plasmatillstånd. Dessa är stjärnor, en del av interstellär materia, intergalaktisk gas. Jordens jonosfär är också ett försålt, svagt joniserat plasma.
Joniseringsgraden är en viktig egenskap hos ett plasma - dess ledande egenskaper beror på det. Graden av jonisering definieras som förhållandet mellan antalet joniserade atomer och det totala antalet atomer per volymenhet. Ju mer joniserat plasmat är, desto högre är dess elektriska ledningsförmåga. Dessutom kännetecknas den av hög rörlighet.
Vi ser därför att de gaser som leder elektricitet finns inomurladdningskanaler är inget annat än plasma. Sålunda är glöd och koronaurladdningar exempel på kall plasma; en blixtgnistkanal eller en elektrisk ljusbåge är exempel på het, nästan helt joniserad plasma.
Elektrisk ström i metaller, vätskor och gaser - skillnader och likheter
Låt oss överväga de egenskaper som kännetecknar gasutsläppet i jämförelse med egenskaperna hos ström i andra medier.
I metaller är ström en riktad rörelse av fria elektroner som inte medför kemiska förändringar. Ledare av denna typ kallas ledare av det första slaget; dessa inkluderar, förutom metaller och legeringar, kol, vissa s alter och oxider. De kännetecknas av elektronisk konduktivitet.
Ledare av det andra slaget är elektrolyter, det vill säga flytande vattenlösningar av alkalier, syror och s alter. Strömpassagen är förknippad med en kemisk förändring i elektrolyten - elektrolys. Joner av ett ämne löst i vatten, under inverkan av en potentialskillnad, rör sig i motsatta riktningar: positiva katjoner - till katoden, negativa anjoner - till anoden. Processen åtföljs av gasutveckling eller avsättning av ett metallskikt på katoden. Ledare av det andra slaget kännetecknas av jonkonduktivitet.
När det gäller ledningsförmågan hos gaser är den för det första tillfällig, och för det andra har den tecken på likheter och skillnader med var och en av dem. Så den elektriska strömmen i både elektrolyter och gaser är en drift av motsatt laddade partiklar riktade mot motsatta elektroder. Men medan elektrolyter kännetecknas av rent jonisk ledningsförmåga, i en gasurladdning med en kombinationelektroniska och joniska typer av konduktivitet, den ledande rollen tillhör elektroner. En annan skillnad mellan den elektriska strömmen i vätskor och gaser är arten av jonisering. I en elektrolyt dissocierar molekylerna i en löst förening i vatten, men i en gas bryts inte molekylerna ner, utan förlorar bara elektroner. Därför är gasurladdningen, liksom strömmen i metaller, inte förknippad med kemiska förändringar.
Fysiken för elektrisk ström i vätskor och gaser är inte heller densamma. Konduktiviteten hos elektrolyter som helhet följer Ohms lag, men den observeras inte under en gasurladdning. Volt-ampere-karaktäristiken för gaser har en mycket mer komplex karaktär förknippad med plasmans egenskaper.
Det är värt att nämna de allmänna och utmärkande egenskaperna hos elektrisk ström i gaser och i vakuum. Vakuum är nästan ett perfekt dielektrikum. "Nästan" - för i ett vakuum, trots frånvaron (mer exakt, en extremt låg koncentration) av gratis laddningsbärare, är en ström också möjlig. Men potentiella bärare finns redan i gasen, de behöver bara joniseras. Laddningsbärare förs in i vakuum från materia. Som regel sker detta i processen för elektronemission, till exempel när katoden värms upp (termionisk emission). Men som vi har sett spelar utsläpp också en viktig roll vid olika typer av gasutsläpp.
Användning av gasutsläpp i teknik
De skadliga effekterna av vissa utsläpp har redan diskuterats kort ovan. Låt oss nu uppmärksamma de fördelar som de ger i industrin och i vardagen.
Glödurladdning används inom elektroteknik(spänningsstabilisatorer), i beläggningsteknik (katodförstoftningsmetod baserad på fenomenet katodkorrosion). Inom elektroniken används det för att producera jon- och elektronstrålar. Ett välkänt användningsområde för glödurladdningar är lysrör och så kallade ekonomiska lampor och dekorativa neon- och argonurladdningsrör. Dessutom används glödurladdningar i gaslasrar och vid spektroskopi.
Gnisturladdning används i säkringar, i elektroerosiva metoder för precisionsmetallbearbetning (gnistskärning, borrning och så vidare). Men den är mest känd för sin användning i tändstift till förbränningsmotorer och i hushållsapparater (gaskaminer).
Arc discharge, som användes för första gången inom belysningsteknik redan 1876 (Yablochkovs ljus - "Ryskt ljus"), fungerar fortfarande som en ljuskälla - till exempel i projektorer och kraftfulla spotlights. Inom elektroteknik används ljusbågen i kvicksilverlikriktare. Dessutom används den vid elektrisk svetsning, skärande metall, industriella elektriska ugnar för stål- och legeringssmältning.
Corona-urladdning används i elektrostatiska filter för jongasrening, elementära partikelräknare, blixtledare, luftkonditioneringssystem. Coronaurladdning fungerar även i kopiatorer och laserskrivare, där den laddar och laddar ur den ljuskänsliga trumman och överför pulver från trumman till papper.
Därmed hittar gasutsläpp av alla slag mestbred tillämpning. Elektrisk ström i gaser används framgångsrikt och effektivt inom många teknikområden.
