Dujos, praleidžiančios elektros srovę. Elektros srovė dujose: apibrėžimas, savybės ir įdomūs faktai

Tai trumpa santrauka.

Darbas su pilna versija tęsiamas

Paskaita2 1

Srovė dujose

1. Bendrosios nuostatos

Apibrėžimas: Reiškinys, kai elektros srovė praeina per dujas dujų išleidimas.

Dujų elgsena labai priklauso nuo jų parametrų, tokių kaip temperatūra ir slėgis, ir šie parametrai gana lengvai kinta. Todėl elektros srovės srautas dujose yra sudėtingesnis nei metaluose ar vakuume.

Dujos nepaklūsta Ohmo dėsniui.

2. Jonizacija ir rekombinacija

Dujos normaliomis sąlygomis susideda iš praktiškai neutralių molekulių, todėl itin prastai praleidžia elektros srovę. Tačiau veikiant išoriniam poveikiui, elektronas gali atitrūkti nuo atomo ir atsiranda teigiamai įkrautas jonas. Be to, elektronas gali prisijungti prie neutralaus atomo ir sudaryti neigiamo krūvio joną. Tokiu būdu galima gauti jonizuotas dujas, t.y. plazma.

Išorinis poveikis yra kaitinimas, švitinimas energingais fotonais, bombardavimas kitomis dalelėmis ir stiprūs laukai, t.y. tos pačios sąlygos, kurios būtinos elementariai emisijai.

Elektronas atome yra potencialo šulinyje, ir norint iš ten pabėgti, atomui turi būti suteikta papildoma energija, kuri vadinama jonizacijos energija.

Medžiaga	Jonizacijos energija, eV
Vandenilio atomas	13,59
Vandenilio molekulė	15,43
Helis	24,58
deguonies atomas	13,614
deguonies molekulė	12,06

Kartu su jonizacijos fenomenu stebimas ir rekombinacijos fenomenas, t.y. elektrono ir teigiamo jono derinys, suformuojant neutralų atomą. Šis procesas vyksta, kai išsiskiria energija, lygi jonizacijos energijai. Ši energija gali būti naudojama spinduliuotei arba šildymui. Vietinis dujų kaitinimas sukelia vietinį slėgio pokytį. O tai savo ruožtu sukelia garso bangų atsiradimą. Taigi, dujų išleidimą lydi šviesos, šilumos ir triukšmo efektai.

3. Dujų išlydžio srovės-įtampos charakteristikos.

Pradiniuose etapuose būtinas išorinio jonizatoriaus veikimas.

OAW skyriuje srovė egzistuoja veikiama išorinio jonizatoriaus ir greitai pasiekia prisotinimą, kai visos jonizuotos dalelės dalyvauja formuojant srovę. Jei pašalinsite išorinį jonizatorių, srovė sustos.

Toks išleidimas vadinamas nesavarankišku dujų išleidimu. Bandant padidinti įtampą dujose, atsiranda elektronų lavinos, o srovė didėja esant beveik pastoviai įtampai, kuri vadinama uždegimo įtampa (IC).

Nuo šio momento iškrova tampa nepriklausoma ir nebereikia išorinio jonizatoriaus. Jonų skaičius gali tapti toks didelis, kad mažėja tarpelektrodinio tarpo varža ir atitinkamai krenta įtampa (VSD).

Tada tarpelektrodiniame tarpelyje sritis, kurioje teka srovė, pradeda siaurėti, didėja varža, todėl didėja įtampa (MU).

Kai bandote padidinti įtampą, dujos visiškai jonizuojasi. Atsparumas ir įtampa nukrenta iki nulio, o srovė padidėja daug kartų. Rezultatas yra lanko iškrova (EF).

Srovės ir įtampos charakteristika rodo, kad dujos visiškai nepaklūsta Ohmo dėsniui.

4. Procesai dujose

Procesai, kurie gali veda prie elektronų lavinų susidarymo parodyta ant atvaizdo.

Tai yra Townsendo kokybinės teorijos elementai.

5. Švytėjimo iškrova.

Esant žemam slėgiui ir žemai įtampai, šis iškrovimas gali būti stebimas.

K – 1 (tamsi Aston erdvė).

1 – 2 (šviečianti katodinė plėvelė).

2 – 3 (tamsus Crookes tarpas).

3 – 4 (pirmas katodo švytėjimas).

4–5 (tamsi Faradėjaus erdvė)

5 – 6 (teigiamas anodo stulpelis).

6 – 7 (anodo tamsi erdvė).

7 – A (anodinis švytėjimas).

Jei anodą padarysite judantį, tai teigiamo stulpelio ilgį galima reguliuoti praktiškai nekeičiant K – 5 srities matmenų.

Tamsiose vietose dalelės įsibėgėja ir įgauna energijos, šviesiose – vyksta jonizacijos ir rekombinacijos procesai.

Santrauka apie fiziką

tema:

"Elektros srovė dujose".

Elektros srovė dujose.

1. Elektros iškrova dujose.

Visos natūralios dujos nelaidžia elektros energijai. Kaip matyti iš šios patirties:

Paimkime elektrometrą su pritvirtintais plokščio kondensatoriaus diskais ir įkraukime. Kambario temperatūroje, jei oras pakankamai sausas, kondensatorius pastebimai neišsikrauna – elektrometro adatos padėtis nesikeičia. Norint pastebėti elektrometro adatos nukrypimo kampo sumažėjimą, reikia daug laiko. Tai rodo, kad elektros srovė ore tarp diskų yra labai maža. Ši patirtis rodo, kad oras yra prastas elektros srovės laidininkas.

Modifikuokime eksperimentą: kaitinkite orą tarp diskų alkoholio lempos liepsna. Tada elektrometro adatos nukrypimo kampas greitai sumažėja, t.y. potencialų skirtumas tarp kondensatoriaus diskų mažėja – kondensatorius išsikrauna. Vadinasi, įkaitęs oras tarp diskų tapo laidininku ir jame susidaro elektros srovė.

Dujų izoliacinės savybės paaiškinamos tuo, kad jose nėra laisvų elektros krūvių: natūralios būsenos dujų atomai ir molekulės yra neutralūs.

2. Dujų jonizavimas.

Aukščiau aprašyta patirtis rodo, kad įkrautos dalelės atsiranda dujose, veikiant aukštai temperatūrai. Jie atsiranda dėl vieno ar kelių elektronų atsiskyrimo nuo dujų atomų, dėl ko vietoj neutralaus atomo atsiranda teigiamas jonas ir elektronai. Kai kuriuos gautus elektronus gali užfiksuoti kiti neutralūs atomai, tada atsiras daugiau neigiamų jonų. Dujų molekulių skilimas į elektronus ir teigiamus jonus vadinamas dujų jonizacija.

Dujų kaitinimas iki aukštos temperatūros nėra vienintelis būdas jonizuoti dujų molekules ar atomus. Dujų jonizacija gali vykti veikiant įvairiai išorinei sąveikai: stiprus dujų kaitinimas, rentgeno spinduliai, a-, b- ir g-spinduliai, atsirandantys dėl radioaktyvaus skilimo, kosminiai spinduliai, greitai judančių elektronų ar jonų bombardavimas dujų molekulėms. Dujų jonizaciją sukeliantys veiksniai vadinami jonizatoriai. Kiekybinė jonizacijos proceso charakteristika yra jonizacijos intensyvumas, matuojamas priešingo ženklo įkrautų dalelių porų skaičiumi dujų tūrio vienete per laiko vienetą.

Atomui jonizuoti reikia tam tikros energijos – jonizacijos energijos. Norint jonizuoti atomą (ar molekulę), būtina dirbti prieš sąveikos jėgas tarp išmesto elektrono ir likusių atomo (ar molekulės) dalelių. Šis darbas vadinamas jonizacijos darbu A i. Jonizacijos darbo kiekis priklauso nuo dujų cheminės prigimties ir išmesto elektrono energetinės būsenos atome ar molekulėje.

Jonizatoriui nustojus veikti, jonų skaičius dujose laikui bėgant mažėja ir galiausiai jonai visai išnyksta. Jonų išnykimas paaiškinamas tuo, kad jonai ir elektronai dalyvauja šiluminiame judėjime ir todėl susiduria vienas su kitu. Kai susiduria teigiamas jonas ir elektronas, jie gali susijungti į neutralų atomą. Panašiai, kai susiduria teigiamas ir neigiamas jonas, neigiamas jonas gali atiduoti savo elektronų perteklių teigiamam jonui ir abu jonai taps neutraliais atomais. Šis abipusio jonų neutralizavimo procesas vadinamas jonų rekombinacija. Kai teigiamas jonas ir elektronas ar du jonai rekombinuojasi, išsiskiria tam tikra energija, lygi energijai, išleistai jonizacijai. Iš dalies jis skleidžiamas šviesos pavidalu, todėl jonų rekombinaciją lydi švytėjimas (rekombinacinis švytėjimas).

Dujų elektros išlydžio reiškiniuose svarbų vaidmenį atlieka atomų jonizacija elektronų smūgiais. Šis procesas susideda iš to, kad judantis elektronas, turintis pakankamai kinetinės energijos, susidūręs su neutraliu atomu, išmuša iš jo vieną ar kelis atominius elektronus, dėl ko neutralus atomas virsta teigiamu jonu ir atsiranda naujų elektronų. dujose (tai bus aptarta vėliau).

Žemiau esančioje lentelėje pateiktos kai kurių atomų jonizacijos energijos.

3. Dujų elektrinio laidumo mechanizmas.

Dujų laidumo mechanizmas panašus į tirpalų ir elektrolitų lydalo laidumo mechanizmą. Nesant išorinio lauko, įkrautos dalelės, kaip ir neutralios molekulės, juda chaotiškai. Jei jonai ir laisvieji elektronai atsiduria išoriniame elektriniame lauke, tada jie pradeda judėti tam tikra kryptimi ir sukuria dujose elektros srovę.

Taigi, elektros srovė dujose reiškia nukreiptą teigiamų jonų judėjimą link katodo, o neigiamų jonų ir elektronų – link anodo. Bendra srovė dujose susideda iš dviejų įkrautų dalelių srautų: srauto, einančio į anodą, ir srauto, nukreipto į katodą.

Įkrautų dalelių neutralizavimas vyksta prie elektrodų, kaip ir elektros srovei pratekėjus per tirpalus ir elektrolitų tirpalus. Tačiau dujose ant elektrodų medžiagos neišsiskiria, kaip yra elektrolitų tirpaluose. Dujų jonai, artėdami prie elektrodų, suteikia jiems savo krūvius, virsta neutraliomis molekulėmis ir difunduoja atgal į dujas.

Kitas jonizuotų dujų ir elektrolitų tirpalų (lydų) elektrinio laidumo skirtumas yra tas, kad neigiamą krūvį, kai srovė teka per dujas, pirmiausia neša neigiami jonai, o elektronai, nors tam įtakos gali turėti ir laidumas dėl neigiamų jonų.

Taigi dujos sujungia elektroninį laidumą, panašų į metalų laidumą, su joniniu laidumu, panašiu į vandeninių tirpalų ir elektrolitų lydalų laidumą.

4. Nesavarankiškas dujų išleidimas.

Elektros srovės praleidimo per dujas procesas vadinamas dujų išlydžiu. Jeigu dujų elektrinį laidumą sukuria išoriniai jonizatoriai, tai jose kylanti elektros srovė vadinama netvarus dujų išleidimas. Nutraukus išorinių jonizatorių veikimą, nesilaikoma iškrova nutrūksta. Savaime išsilaikantis dujų išmetimas nėra lydimas dujų švytėjimo.

Žemiau pateikiamas srovės priklausomybės nuo įtampos grafikas, kai dujose išleidžiama savaime. Grafikui nubraižyti buvo naudojamas stiklinis vamzdelis su dviem metaliniais elektrodais, įtaisytais stikle. Grandinė surenkama taip, kaip parodyta paveikslėlyje žemiau.

Esant tam tikrai įtampai, ateina momentas, kai visos per sekundę dujose jonizatoriaus susidarančios įkrautos dalelės per tą patį laiką pasiekia elektrodus. Tolesnis įtampos padidėjimas nebegali padidinti perduodamų jonų skaičiaus. Srovė pasiekia prisotinimą (1 grafiko horizontalioji dalis).

5. Savarankiškas dujų išleidimas.

Vadinama elektros iškrova dujose, kuri išlieka nustojus veikti išoriniam jonizatoriui nepriklausomas dujų išleidimas. Jai įgyvendinti būtina, kad dėl paties išleidimo dujose nuolat susidarytų nemokami įkrovimai. Pagrindinis jų atsiradimo šaltinis yra smūginė dujų molekulių jonizacija.

Jei pasiekę prisotinimą ir toliau didinsime potencialų skirtumą tarp elektrodų, tada srovės stipris esant pakankamai aukštai įtampai pradės smarkiai didėti (2 grafikas).

Tai reiškia, kad dujose atsiranda papildomų jonų, kurie susidaro veikiant jonizatoriui. Srovės stiprumas gali padidėti šimtus ir tūkstančius kartų, o iškrovos proceso metu susidarančių įkrautų dalelių skaičius gali tapti toks didelis, kad iškrovai palaikyti nebereikės išorinio jonizatoriaus. Todėl jonizatorių dabar galima nuimti.

Dėl kokių priežasčių smarkiai padidėja srovė esant aukštai įtampai? Panagrinėkime bet kurią įkrautų dalelių porą (teigiamą joną ir elektroną), susidariusią veikiant išoriniam jonizatoriui. Taip pasirodęs laisvas elektronas ima judėti į teigiamą elektrodą – anodą, o teigiamas jonas – į katodą. Savo kelyje elektronas susiduria su jonais ir neutraliais atomais. Intervalais tarp dviejų nuoseklių susidūrimų elektrono energija didėja dėl elektrinio lauko jėgų darbo.

Kuo didesnis potencialų skirtumas tarp elektrodų, tuo didesnis elektrinio lauko stiprumas. Elektrono kinetinė energija prieš kitą susidūrimą yra proporcinga lauko stipriui ir elektrono vidutiniam laisvam keliui: MV 2 /2=eEl. Jeigu elektrono kinetinė energija viršija darbą A i, kurį reikia atlikti neutraliam atomui (ar molekulei) jonizuoti, t.y. MV 2 >A i, tada elektronui susidūrus su atomu (ar molekule), jis jonizuojasi. Dėl to vietoj vieno elektrono atsiranda du (vienas, kuris atsitrenkia į atomą ir kuris išplėšiamas iš atomo). Jie savo ruožtu gauna energiją lauke ir jonizuoja artėjančius atomus ir tt Dėl to greitai didėja įkrautų dalelių skaičius, atsiranda elektronų lavina. Aprašytas procesas vadinamas jonizacija elektronų smūgiu.

Tačiau vien jonizacija elektronų smūgiu negali užtikrinti nepriklausomo krūvio išlaikymo. Iš tiesų, visi tokiu būdu sukurti elektronai juda link anodo ir, pasiekę anodą, „pašalina iš žaidimo“. Norint išlaikyti iškrovą, iš katodo turi būti išspinduliuojami elektronai („emisija“ reiškia „emisija“). Elektronų emisija gali atsirasti dėl kelių priežasčių.

Elektronų susidūrimo su neutraliais atomais metu susidarę teigiami jonai, judėdami link katodo, lauko įtakoje įgyja didelę kinetinę energiją. Kai tokie greiti jonai patenka į katodą, elektronai išmušami iš katodo paviršiaus.

Be to, katodas gali išspinduliuoti elektronus kaitinant iki aukštos temperatūros. Šis procesas vadinamas terminė emisija. Tai gali būti laikoma elektronų išgaravimu iš metalo. Daugelyje kietųjų medžiagų terminė emisija vyksta tokioje temperatūroje, kurioje pačios medžiagos išgaravimas dar mažas. Tokios medžiagos naudojamos katodams gaminti.

Savaiminio išsikrovimo metu katodas gali įkaisti dėl jo bombardavimo teigiamais jonais. Jei jonų energija nėra per didelė, tai elektronai neišmušami iš katodo ir elektronai išspinduliuojami dėl termojoninės emisijos.

6. Įvairūs savaiminio išsikrovimo tipai ir jų techniniai pritaikymai.

Atsižvelgiant į dujų savybes ir būseną, elektrodų pobūdį ir vietą, taip pat į elektrodams taikomą įtampą, atsiranda įvairių tipų savaiminio išsikrovimo. Pažvelkime į keletą iš jų.

A. Švytėjimo iškrova.

Švytėjimo iškrova stebima dujose, kurių slėgis yra mažas, kelių dešimčių gyvsidabrio milimetrų arba mažesnis. Jei apsvarstysime vamzdelį su švytėjimo išlydžiu, pamatysime, kad pagrindinės švytėjimo išlydžio dalys yra katodo tamsi erdvė, smarkiai nutolęs nuo jo neigiamas, arba smirdantis švytėjimas, kuri palaipsniui juda į sritį Faradėjaus tamsi erdvė.Šios trys sritys sudaro katodinę išlydžio dalį, po kurios eina pagrindinė šviečianti išlydžio dalis, kuri lemia jo optines savybes ir vadinama teigiamas stulpelis.

Pagrindinį vaidmenį palaikant švytėjimo išlydį atlieka pirmieji du jo katodo dalies regionai. Būdingas šio tipo iškrovos bruožas yra staigus potencialo sumažėjimas šalia katodo, kuris yra susijęs su didele teigiamų jonų koncentracija I ir II sričių ribose dėl santykinai mažo jonų judėjimo greičio šalia katodo. Katodinėje tamsioje erdvėje vyksta stiprus elektronų ir teigiamų jonų pagreitis, išmušantis elektronus iš katodo. Rūkančio švytėjimo srityje elektronai sukelia intensyvią dujų molekulių smūginę jonizaciją ir praranda energiją. Čia susidaro teigiami jonai, būtini iškrovai palaikyti. Elektrinio lauko stiprumas šiame regione yra mažas. Švytėjimą daugiausia sukelia jonų ir elektronų rekombinacija. Katodo tamsiosios erdvės mastą lemia dujų ir katodo medžiagos savybės.

Teigiamos stulpelio srityje elektronų ir jonų koncentracija yra maždaug vienoda ir labai didelė, o tai sukelia didelį teigiamos kolonėlės elektrinį laidumą ir nežymų potencialo joje kritimą. Teigiamos kolonėlės švytėjimą lemia sužadintų dujų molekulių švytėjimas. Netoli anodo vėl pastebimas gana staigus potencialo pokytis, susijęs su teigiamų jonų susidarymo procesu. Kai kuriais atvejais teigiamas stulpelis suskaidomas į atskiras šviečiančias sritis - sluoksniai, atskirti tamsiomis erdvėmis.

Teigiamas stulpelis nevaidina reikšmingo vaidmens palaikant švytėjimo išlydį, todėl, mažėjant atstumui tarp vamzdžio elektrodų, sumažėja teigiamos kolonėlės ilgis ir ji gali visiškai išnykti. Kitaip yra katodo tamsios erdvės ilgis, kuris nesikeičia, kai elektrodai artėja vienas prie kito. Jei elektrodai priartėja taip arti, kad atstumas tarp jų tampa mažesnis už katodo tamsiosios erdvės ilgį, švytėjimo išlydis dujose sustos. Eksperimentai rodo, kad jei kiti dalykai yra vienodi, katodo tamsiosios erdvės ilgis d yra atvirkščiai proporcingas dujų slėgiui. Vadinasi, esant pakankamai žemam slėgiui, teigiamų jonų iš katodo išmušti elektronai praeina pro dujas beveik nesusidūrę su jų molekulėmis, sudarydami elektroninis, arba katodiniai spinduliai .

Švytėjimo išlydis naudojamas dujų šviesos vamzdeliuose, fluorescencinėse lempose, įtampos stabilizatoriuose ir elektronų bei jonų pluoštams gaminti. Jei katode padarytas plyšys, siauri jonų pluoštai, dažnai vadinami kanalų sijos. Plačiai naudojamas reiškinys katodo purškimas, t.y. katodo paviršiaus sunaikinimas veikiant teigiamiems jonams. Ultramikroskopiniai katodo medžiagos fragmentai skraido visomis kryptimis tiesiomis linijomis ir plonu sluoksniu padengia į vamzdelį patalpintų kūnų (ypač dielektrikų) paviršių. Tokiu būdu ne vienam įrenginiui gaminami veidrodžiai, o ant seleno fotoelementų uždedamas plonas metalo sluoksnis.

B. Koronos iškrova.

Korona išlydis vyksta esant normaliam slėgiui dujose, esančiose labai nevienalyčiame elektriniame lauke (pavyzdžiui, šalia aukštos įtampos linijų antgalių ar laidų). Koroninės iškrovos metu dujų jonizacija ir švytėjimas vyksta tik šalia vainikinių elektrodų. Katodinės vainikinės (neigiamos vainikinės) atveju elektronai, sukeliantys smūginę dujų molekulių jonizaciją, yra išmušami iš katodo, kai yra bombarduojami teigiamais jonais. Jei anodas yra vainikuotas (teigiamas vainikas), elektronų susidarymas vyksta dėl šalia anodo esančių dujų fotojonizacijos. Korona yra žalingas reiškinys, lydimas srovės nuotėkio ir elektros energijos praradimo. Koronų pažeidimams sumažinti padidinamas laidininkų kreivumo spindulys, o jų paviršius daromas kuo lygesnis. Esant pakankamai aukštai įtampai tarp elektrodų, vainiko išlydis virsta kibirkštiniu išlydžiu.

Esant padidintai įtampai, vainiko iškrova ant galo įgauna šviesos linijų, sklindančių iš antgalio ir kintančių laiku, pavidalą. Šios linijos, turinčios daugybę vingių ir vingių, sudaro šepetėlio panašumą, dėl ko tokia iškrova vadinama riešo .

Įkrautas perkūnijos debesis po juo esančiame Žemės paviršiuje sukelia priešingo ženklo elektros krūvius. Ypač didelis krūvis susikaupia ant galiukų. Todėl prieš perkūniją ar perkūnijos metu ant labai iškilusių objektų taškų ir aštrių kampų dažnai blykčioja kutus primenantys šviesos kūgiai. Nuo seniausių laikų šis švytėjimas vadinamas Šv.Elmo ugnimi.

Alpinistai ypač dažnai yra šio reiškinio liudininkai. Kartais nedideliais šviečiančiais kutais puošiami ne tik metaliniai daiktai, bet ir plaukų galiukai ant galvos.

Dirbant su aukšta įtampa, reikia atsižvelgti į koronos iškrovą. Jei yra išsikišusių dalių arba labai plonų laidų, gali atsirasti vainiko iškrova. Tai veda prie galios nutekėjimo. Kuo aukštesnė aukštos įtampos linijos įtampa, tuo laidai turėtų būti storesni.

C. Kibirkštinis iškrovimas.

Kibirkštinis išlydis atrodo kaip ryškūs zigzago šakojasi siūlai-kanalai, kurie prasiskverbia pro iškrovos tarpą ir išnyksta, pakeičiami naujais. Tyrimai parodė, kad kibirkštinio išlydžio kanalai pradeda augti, kartais nuo teigiamo elektrodo, kartais nuo neigiamo, o kartais iš kažkur tarp elektrodų. Tai paaiškinama tuo, kad jonizacija smūgio metu kibirkštinio išlydžio atveju vyksta ne per visą dujų tūrį, o per atskirus kanalus, einančius tose vietose, kuriose jonų koncentracija atsitiktinai pasirodo esanti didžiausia. Kibirkštinį išlydį lydi didelis šilumos kiekis, ryškus dujų švytėjimas, traškesys ar griaustinis. Visus šiuos reiškinius sukelia elektronų ir jonų lavinos, atsirandančios kibirkšties kanaluose ir dėl kurių labai padidėja slėgis, pasiekiantis 10 7 ¸ 10 8 Pa, o temperatūra pakyla iki 10 000 ° C.

Tipiškas kibirkštinio išlydžio pavyzdys yra žaibas. Pagrindinis žaibo kanalas yra nuo 10 iki 25 cm skersmens, o žaibo ilgis gali siekti kelis kilometrus. Maksimalus žaibo impulso srovės stiprumas siekia dešimtis ir šimtus tūkstančių amperų.

Kai iškrovos tarpas yra trumpas, kibirkštinis išlydis sukelia specifinį anodo sunaikinimą, vadinamą erozija. Šis reiškinys buvo naudojamas elektrinio kibirkštinio pjovimo, gręžimo ir kitokio tikslaus metalo apdirbimo būdu.

Kibirkšties tarpas naudojamas kaip apsauga nuo viršįtampių elektros perdavimo linijose (pavyzdžiui, telefono linijose). Jeigu šalia linijos praeina stipri trumpalaikė srovė, tai šios linijos laiduose indukuojamos įtampos ir srovės, kurios gali ardyti elektros instaliaciją ir yra pavojingos žmogaus gyvybei. Norėdami to išvengti, naudojami specialūs saugikliai, susidedantys iš dviejų lenktų elektrodų, kurių vienas yra prijungtas prie linijos, o kitas yra įžemintas. Jei linijos potencialas žemės atžvilgiu labai padidėja, tai tarp elektrodų atsiranda kibirkštinis išlydis, kuris kartu su jos šildomu oru pakyla, pailgėja ir nutrūksta.

Galiausiai, elektros kibirkštis naudojama dideliems potencialų skirtumams išmatuoti naudojant kamuoliuko fiksatorius, kurio elektrodai yra du metaliniai rutuliukai poliruotu paviršiumi. Rutuliai perkeliami vienas nuo kito ir jiems taikomas išmatuotas potencialų skirtumas. Tada kamuoliukai suartinami, kol tarp jų iššoka kibirkštis. Žinodami kamuoliukų skersmenį, atstumą tarp jų, slėgį, temperatūrą ir oro drėgmę, naudodami specialias lenteles suraskite potencialų skirtumą tarp kamuoliukų. Šiuo metodu kelių procentų tikslumu galima išmatuoti dešimčių tūkstančių voltų potencialų skirtumus.

D. Lanko iškrova.

Lankinį išlydį V. V. Petrovas atrado 1802 m. Ši iškrova yra viena iš dujų išlydžio formų, atliekama esant dideliam srovės tankiui ir santykinai žemai įtampai tarp elektrodų (kelių dešimčių voltų). Pagrindinė lankinio išlydžio priežastis yra intensyvi termojoninių elektronų emisija iš karšto katodo. Šie elektronai yra pagreitinami elektrinio lauko ir sukelia dujų molekulių smūginę jonizaciją, dėl kurios dujų tarpo tarp elektrodų elektrinė varža yra santykinai maža. Jei sumažinsite išorinės grandinės varžą ir padidinsite lanko iškrovos srovę, tada dujų tarpo laidumas padidės tiek, kad sumažės įtampa tarp elektrodų. Todėl jie sako, kad lanko iškrova turi krentančią srovės įtampos charakteristiką. Esant atmosferos slėgiui, katodo temperatūra pasiekia 3000 °C. Elektronai bombarduoja anodą, sukurdami jame įdubimą (kraterį) ir įkaitindami. Kraterio temperatūra siekia apie 4000 °C, o esant dideliam oro slėgiui siekia 6000-7000 °C. Dujų temperatūra lankinio išlydžio kanale siekia 5000-6000 °C, todėl jame vyksta intensyvi terminė jonizacija.

Kai kuriais atvejais lankinis išlydis stebimas esant santykinai žemai katodo temperatūrai (pavyzdžiui, gyvsidabrio lanko lempoje).

1876 metais P. N. Yablochkovas pirmasis panaudojo elektros lanką kaip šviesos šaltinį. „Jabločkovo žvakėje“ anglys buvo išdėstytos lygiagrečiai ir atskirtos lenktu sluoksniu, o jų galai buvo sujungti laidžiu „uždegimo tilteliu“. Įjungus srovę perdegė uždegimo tiltelis ir tarp anglių susidarė elektros lankas. Anglims degant izoliacinis sluoksnis išgaravo.

Lanko išlydis ir šiandien naudojamas kaip šviesos šaltinis, pavyzdžiui, prožektoriuose ir projekciniuose įrenginiuose.

Aukšta lankinio išlydžio temperatūra leidžia ją panaudoti lankinės krosnies statybai. Šiuo metu lankinės krosnys, varomos labai didele srove, naudojamos daugelyje pramonės šakų: plieno, ketaus, geležies lydinių, bronzos lydymui, kalcio karbido, azoto oksido ir kt.

1882 metais N. N. Benardosas pirmą kartą panaudojo lankinį išlydį metalui pjauti ir suvirinti. Išlydis tarp stacionaraus anglies elektrodo ir metalo įkaitina dviejų metalo lakštų (arba plokščių) sandūrą ir juos suvirina. Benardos tuo pačiu būdu pjaustė metalines plokštes ir padarė jose skyles. 1888 metais N. G. Slavjanovas patobulino šį suvirinimo būdą, anglinį elektrodą pakeisdamas metaliniu.

Lanko išlydis buvo pritaikytas gyvsidabrio lygintuvui, kuris kintamąją elektros srovę paverčia nuolatine srove.

E. Plazma.

Plazma yra iš dalies arba visiškai jonizuotos dujos, kuriose teigiamų ir neigiamų krūvių tankiai yra beveik vienodi. Taigi plazma kaip visuma yra elektriškai neutrali sistema.

Kiekybinė plazmos charakteristika yra jonizacijos laipsnis. Plazmos jonizacijos laipsnis a – įkrautų dalelių tūrinės koncentracijos ir bendros dalelių tūrinės koncentracijos santykis. Pagal jonizacijos laipsnį plazma skirstoma į silpnai jonizuotas(a yra procento dalis), iš dalies jonizuotas (a yra kelių procentų eilės) ir visiškai jonizuotas (a yra beveik 100%). Silpnai jonizuota plazma natūraliomis sąlygomis yra viršutiniai atmosferos sluoksniai – jonosfera. Saulė, karštos žvaigždės ir kai kurie tarpžvaigždiniai debesys yra visiškai jonizuota plazma, kuri susidaro aukštoje temperatūroje.

Vidutinė įvairių tipų dalelių, sudarančių plazmą, energija gali labai skirtis viena nuo kitos. Todėl plazmos negalima apibūdinti viena temperatūros verte T; Skiriama elektroninė temperatūra T e, jonų temperatūra T i (arba jonų temperatūra, jei plazmoje yra kelių tipų jonai) ir neutralių atomų temperatūra T a (neutralus komponentas). Tokia plazma vadinama neizotermine, priešingai nei izoterminė plazma, kurioje visų komponentų temperatūros yra vienodos.

Plazma taip pat skirstoma į aukštos temperatūros (T i » 10 6 -10 8 K ir daugiau) ir žemos temperatūros!!! (T i<=10 5 К). Это условное разделение связано с особой влажностью высокотемпературной плазмы в связи с проблемой осуществления управляемого термоядерного синтеза.

Plazma turi nemažai specifinių savybių, todėl ją galima laikyti ypatinga ketvirtąja materijos būsena.

Dėl didelio mobilumo įkrautos plazmos dalelės lengvai juda veikiamos elektrinių ir magnetinių laukų. Todėl bet koks atskirų plazmos sričių elektrinio neutralumo pažeidimas, atsiradęs dėl to paties krūvio ženklo dalelių kaupimosi, greitai pašalinamas. Susidarę elektriniai laukai judina įkrautas daleles tol, kol atstatomas elektrinis neutralumas ir elektrinis laukas tampa lygus nuliui. Skirtingai nuo neutralių dujų, tarp kurių molekulių yra trumpojo nuotolio jėgos, Kulono jėgos veikia tarp įkrautų plazmos dalelių, kurios mažėja santykinai lėtai, didėjant atstumui. Kiekviena dalelė vienu metu sąveikauja su daugybe aplinkinių dalelių. Dėl šios priežasties, kartu su chaotišku šiluminiu judėjimu, plazmos dalelės gali dalyvauti įvairiuose tvarkinguose judesiuose. Plazmoje lengvai sužadinami įvairūs svyravimai ir bangos.

Plazmos laidumas didėja didėjant jonizacijos laipsniui. Esant aukštai temperatūrai, visiškai jonizuota plazma savo laidumu priartėja prie superlaidininkų.

Žemos temperatūros plazma naudojama dujų išlydžio šviesos šaltiniuose – šviečiančiuose vamzdeliuose reklaminiams iškaboms, liuminescencinėse lempose. Dujų išlydžio lempos naudojamos daugelyje prietaisų, pavyzdžiui, dujiniuose lazeriuose – kvantiniuose šviesos šaltiniuose.

Magnetohidrodinaminiuose generatoriuose naudojama aukštos temperatūros plazma.

Neseniai buvo sukurtas naujas prietaisas – plazmatronas. Plazminis degiklis sukuria galingas tankios žematemperatūrinės plazmos čiurkšles, kurios plačiai naudojamos įvairiose technologijų srityse: metalų pjovimui ir suvirinimui, gręžinių gręžimui kietose uolienose ir kt.

Naudotos literatūros sąrašas:

1) Fizika: elektrodinamika. 10-11 klasės: vadovėlis. nuodugniai fizikos studijoms/G. Y. Myakiševas, A. Z. Sinyakovas, B. A. Slobodskovas. – 2 leidimas – M.: Bustard, 1998. – 480 p.

2) Fizikos kursas (trijų tomų). T. II. Elektra ir magnetizmas. Vadovėlis vadovas kolegijoms./Detlaf A.A., Yavorsky B.M., Milkovskaya L.B. Red. 4, pataisyta – M.: Aukštoji mokykla, 1977. – 375 p.

3) Elektra./E. G. Kalašnikovas. Red. „Mokslas“, Maskva, 1977 m.

4) Fizika./B. B. Buchovcevas, Yu. L. Klimontovičius, G. Ya. Myakishev. 3-asis leidimas, pataisytas. – M.: Išsilavinimas, 1986 m.

Gamtoje nėra absoliučių dielektrikų. Tvarkingas dalelių – elektros krūvio nešėjų – tai yra srovės, judėjimas gali būti sukeltas bet kokioje aplinkoje, tačiau tam reikia specialių sąlygų. Čia apžvelgsime, kaip dujose vyksta elektriniai reiškiniai ir kaip dujas iš labai gero dielektriko galima paversti labai geru laidininku. Mus domina sąlygos, kuriomis susidaro elektros srovė dujose, taip pat kokios jos savybės.

Dujų elektrinės savybės

Dielektrikas yra medžiaga (terpė), kurioje dalelių - laisvųjų elektros krūvio nešėjų - koncentracija nepasiekia jokios reikšmingos vertės, dėl to laidumas yra nereikšmingas. Visos dujos yra geri dielektrikai. Jų izoliacinės savybės naudojamos visur. Pavyzdžiui, bet kuriame jungiklyje grandinė atsidaro, kai kontaktai yra įvesti į tokią padėtį, kad tarp jų susidaro oro tarpas. Elektros linijose laidai taip pat izoliuoti vienas nuo kito oro sluoksniu.

Bet kurių dujų struktūrinis vienetas yra molekulė. Jį sudaro atominiai branduoliai ir elektronų debesys, tai yra elektrinių krūvių rinkinys, tam tikru būdu paskirstytas erdvėje. Dėl savo sandaros ypatumų dujų molekulė gali būti poliarizuota veikiant išoriniam elektriniam laukui. Didžioji dauguma molekulių, sudarančių dujas, normaliomis sąlygomis yra elektriškai neutralios, nes jose esantys krūviai vienas kitą panaikina.

Jei dujos veikia elektrinį lauką, molekulės įgaus dipolio orientaciją ir užims erdvinę padėtį, kuri kompensuoja lauko poveikį. Dujose esančios įkrautos dalelės, veikiamos Kulono jėgų, pradės judėti: teigiami jonai - link katodo, neigiami jonai ir elektronai - link anodo. Tačiau jei laukas turi nepakankamą potencialą, neatsiranda vienas nukreiptas krūvių srautas, o galima kalbėti apie atskiras sroves, tokias silpnas, kad jų reikėtų nepaisyti. Dujos elgiasi kaip dielektrikas.

Taigi, kad dujose atsirastų elektros srovė, reikalinga didelė laisvųjų krūvininkų koncentracija ir lauko buvimas.

Jonizacija

Į laviną panašus laisvųjų krūvių skaičiaus padidėjimas dujose vadinamas jonizacija. Atitinkamai, dujos, kuriose yra daug įkrautų dalelių, vadinamos jonizuotomis. Būtent tokiose dujose susidaro elektros srovė.

Jonizacijos procesas yra susijęs su molekulių neutralumo pažeidimu. Pašalinus elektroną, atsiranda teigiamų jonų, elektrono pridėjimas prie molekulės sukelia neigiamo jono susidarymą. Be to, jonizuotose dujose yra daug laisvųjų elektronų. Teigiami jonai ir ypač elektronai yra pagrindiniai krūvininkai dujose esant elektros srovei.

Jonizacija įvyksta, kai dalelei perduodamas tam tikras energijos kiekis. Taigi, išorinis molekulės elektronas, gavęs šią energiją, gali palikti molekulę. Abipusis įkrautų dalelių susidūrimas su neutraliomis sukelia naujų elektronų išmušimą, o procesas įgauna laviną. Didėja ir dalelių kinetinė energija, kuri labai skatina jonizaciją.

Iš kur gaunama energija, sunaudojama elektros srovei sužadinti dujose? Dujų jonizacija turi keletą energijos šaltinių, pagal kuriuos dažniausiai įvardijamos jos rūšys.

Jonizacija elektriniu lauku. Tokiu atveju lauko potencinė energija paverčiama kinetine dalelių energija.
Šiluminė jonizacija. Padidėjus temperatūrai, taip pat susidaro daug nemokamų mokesčių.
Fotojonizacija. Šio proceso esmė ta, kad energiją elektronams perduoda elektromagnetinės spinduliuotės kvantai – fotonai, jeigu jie turi pakankamai aukštą dažnį (ultravioletinė, rentgeno, gama kvantai).
Smūgio jonizacija atsiranda dėl susidūrimo dalelių kinetinės energijos pavertimo elektronų atskyrimo energija. Kartu su termine jonizacija jis yra pagrindinis veiksnys sužadinant elektros srovę dujose.

Kiekvienai dujoms būdinga tam tikra slenkstinė vertė – jonizacijos energija, reikalinga elektronui atitrūkti nuo molekulės, įveikiant potencialų barjerą. Ši pirmojo elektrono vertė svyruoja nuo kelių voltų iki dviejų dešimčių voltų; Norint pašalinti iš molekulės kitą elektroną, reikia daugiau energijos ir pan.

Reikėtų atsižvelgti į tai, kad kartu su jonizacija dujose vyksta atvirkštinis procesas - rekombinacija, tai yra neutralių molekulių atkūrimas veikiant Kulono traukos jėgoms.

Dujų išleidimas ir jų rūšys

Taigi elektros srovę dujose sukelia tvarkingas įkrautų dalelių judėjimas, veikiamas joms veikiančio elektrinio lauko. Tokių krūvių buvimas, savo ruožtu, yra įmanomas dėl įvairių jonizacijos veiksnių.

Taigi terminei jonizacijai reikalinga didelė temperatūra, tačiau atvira liepsna, susijusi su tam tikrais cheminiais procesais, skatina jonizaciją. Net esant santykinai žemai temperatūrai, esant liepsnai, fiksuojamas elektros srovės atsiradimas dujose, o eksperimentuojant su dujų laidumu lengva tai patikrinti. Tarp įkrauto kondensatoriaus plokščių būtina pastatyti degiklio ar žvakės liepsną. Grandinė, kuri anksčiau buvo atvira dėl oro tarpo kondensatoriuje, užsidarys. Prie grandinės prijungtas galvanometras parodys srovės buvimą.

Elektros srovė dujose vadinama dujų išlydžiu. Reikia turėti omenyje, kad norint išlaikyti iškrovos stabilumą, jonizatoriaus veikimas turi būti pastovus, nes dėl nuolatinės rekombinacijos dujos praranda savo elektrai laidžias savybes. Vieni elektros srovės nešėjai dujose - jonai - neutralizuojami prie elektrodų, kiti - elektronai - pasiekę anodą nukreipiami į lauko šaltinio „pliusą“. Jei jonizuojantis faktorius nustos veikti, dujos iš karto vėl taps dielektriku ir srovė nutrūks. Tokia srovė, priklausanti nuo išorinio jonizatoriaus veikimo, vadinama savaime nepalaikoma iškrova.

Elektros srovės praėjimo per dujas ypatumus apibūdina ypatinga srovės priklausomybė nuo įtampos – srovės-įtampos charakteristika.

Panagrinėkime dujų išlydžio raidą srovės ir įtampos priklausomybės grafike. Kai įtampa padidėja iki tam tikros vertės U 1, srovė didėja proporcingai jai, tai yra, Ohmo dėsnis tenkinamas. Didėja kinetinė energija, taigi ir įkrovimo greitis dujose, ir šis procesas lenkia rekombinaciją. Esant įtampos vertėms nuo U 1 iki U 2, šis ryšys pažeidžiamas; pasiekus U2, visi krūvininkai pasiekia elektrodus nespėję rekombinuotis. Naudojami visi nemokami mokesčiai, o toliau didėjant įtampai srovė nepadidėja. Toks krūvių judėjimas vadinamas prisotinimo srove. Taigi, galime teigti, kad elektros srovė dujose atsiranda ir dėl jonizuotų dujų elgsenos ypatumų įvairaus stiprumo elektriniuose laukuose.

Kai potencialų skirtumas tarp elektrodų pasiekia tam tikrą reikšmę U 3, įtampa tampa pakankama, kad elektrinis laukas sukeltų laviną primenančią dujų jonizaciją. Laisvųjų elektronų kinetinės energijos jau pakanka smūginei molekulių jonizacijai. Jų greitis daugumoje dujų yra apie 2000 km/s ir didesnis (apskaičiuojamas pagal apytikslę formulę v=600 Ui, kur Ui – jonizacijos potencialas). Šiuo metu įvyksta dujų suskaidymas ir dėl vidinio jonizacijos šaltinio smarkiai padidėja srovė. Todėl tokia iškrova vadinama nepriklausoma.

Išorinio jonizatoriaus buvimas šiuo atveju nebeturi reikšmės palaikant elektros srovę dujose. Savaiminė iškrova skirtingomis sąlygomis ir skirtingomis elektrinio lauko šaltinio charakteristikomis gali turėti tam tikrų savybių. Yra tokie savaiminio išsikrovimo tipai kaip švytėjimas, kibirkštis, lankas ir vainikas. Trumpai apžvelgsime, kaip elektros srovė veikia dujose, apie kiekvieną iš šių tipų.

Potencialų skirtumo nuo 100 (ar net mažesnio) iki 1000 voltų pakanka savaiminiam išsikrovimui pradėti. Todėl švytėjimo išlydis, pasižymintis maža srovės verte (nuo 10 -5 A iki 1 A), atsiranda esant ne didesniam kaip kelių milimetrų gyvsidabrio slėgiui.

Vamzdyje su retinimo dujomis ir šaltais elektrodais susiformuojanti švytėjimo iškrova atrodo kaip plona švytinti virvelė tarp elektrodų. Jei ir toliau pumpuosite dujas iš vamzdžio, laidas bus išplautas, o esant dešimtosioms gyvsidabrio milimetro slėgiui, švytėjimas beveik visiškai užpildo vamzdį. Prie katodo nėra švytėjimo – vadinamojoje tamsaus katodo erdvėje. Likusi dalis vadinama teigiama stulpeliu. Šiuo atveju pagrindiniai procesai, užtikrinantys iškrovos egzistavimą, yra lokalizuoti būtent tamsaus katodo erdvėje ir šalia jos esančioje zonoje. Čia įkrautos dujų dalelės yra pagreitintos, išmušdamos elektronus iš katodo.

Švytėjimo išlydžio metu jonizacijos priežastis yra elektronų emisija iš katodo. Katodo skleidžiami elektronai sukelia smūginę dujų molekulių jonizaciją, susidarę teigiami jonai sukelia antrinę katodo emisiją ir pan. Teigiamo stulpelio švytėjimas daugiausia atsiranda dėl sužadintų dujų molekulių išskiriamų fotonų, o skirtingoms dujoms būdingas tam tikros spalvos švytėjimas. Teigiamas stulpelis dalyvauja formuojant švytėjimo išlydį tik kaip elektros grandinės dalis. Jei priartinsite elektrodus, galite priversti teigiamą stulpelį išnykti, tačiau iškrova nesustos. Tačiau toliau sumažinus atstumą tarp elektrodų, švytėjimo išlydis negali egzistuoti.

Reikėtų pažymėti, kad šio tipo elektros srovės dujose kai kurių procesų fizika dar nėra iki galo išaiškinta. Pavyzdžiui, lieka neaiškus jėgų, sukeliančių katodo paviršiaus srities išsiplėtimą, kuris dalyvauja iškrovime didėjant srovei, pobūdis.

Kibirkštinis iškrovimas

Kibirkšties skilimas yra pulsuojantis. Jis atsiranda esant slėgiui, artimam normaliam atmosferos slėgiui, tais atvejais, kai elektrinio lauko šaltinio galios nepakanka stacionariai iškrovai palaikyti. Lauko stiprumas yra didelis ir gali siekti 3 MV/m. Reiškinys pasižymi staigiu išlydžio elektros srovės padidėjimu dujose, tuo pačiu itin greitai krenta įtampa ir nutrūksta iškrova. Tada potencialų skirtumas vėl didėja, ir visas procesas kartojasi.

Esant tokio tipo iškrovimui, susidaro trumpalaikiai kibirkšties kanalai, kurių augimas gali prasidėti nuo bet kurio taško tarp elektrodų. Taip yra dėl to, kad smūginė jonizacija vyksta atsitiktinai tose vietose, kur šiuo metu yra sutelktas didžiausias jonų skaičius. Netoli kibirkšties kanalo dujos greitai įkaista ir patiria šiluminį plėtimąsi, sukeldamos akustines bangas. Todėl kibirkšties iškrovą lydi traškėjimas, taip pat šilumos išsiskyrimas ir ryškus švytėjimas. Lavinos jonizacijos procesai kibirkšties kanale sukuria aukštą slėgį ir temperatūrą iki 10 tūkstančių laipsnių ir aukštesnę.

Ryškiausias natūralaus kibirkštinio išlydžio pavyzdys yra žaibas. Pagrindinio žaibo kibirkšties kanalo skersmuo gali svyruoti nuo kelių centimetrų iki 4 m, o kanalo ilgis – 10 km. Srovės stiprumas siekia 500 tūkstančių amperų, o potencialų skirtumas tarp griaustinio debesies ir Žemės paviršiaus siekia milijardą voltų.

Ilgiausias, 321 km ilgio, žaibo kirtis buvo pastebėtas 2007 metais Oklahomoje, JAV. Ilgiausios trukmės rekordininku tapo 2012 metais Prancūzijos Alpėse užfiksuotas žaibas – jis truko daugiau nei 7,7 sekundės. Nutrenkus žaibui, oras gali įkaisti iki 30 tūkstančių laipsnių, o tai 6 kartus viršija matomo Saulės paviršiaus temperatūrą.

Tais atvejais, kai elektrinio lauko šaltinio galia yra pakankamai didelė, kibirkštinis išlydis išsivysto į lankinį išlydį.

Šis savaiminio išsikrovimo tipas pasižymi dideliu srovės tankiu ir žema (mažesne nei švytėjimo išlydžio) įtampa. Sugedimo atstumas yra trumpas, nes elektrodai yra arti. Iškrovą inicijuoja elektrono emisija nuo katodo paviršiaus (metalo atomų jonizacijos potencialas yra mažas, palyginti su dujų molekulėmis). Gedimo metu tarp elektrodų susidaro sąlygos, pagal kurias dujos praleidžia elektros srovę, ir atsiranda kibirkšties iškrova, uždaranti grandinę. Jei įtampos šaltinio galia pakankamai didelė, kibirkšties iškrovos virsta stabiliu elektros lanku.

Jonizacija lankinio išlydžio metu pasiekia beveik 100%, srovė yra labai didelė ir gali svyruoti nuo 10 iki 100 amperų. Esant atmosferos slėgiui, lankas gali įkaisti iki 5-6 tūkstančių laipsnių, o katodas - iki 3 tūkstančių laipsnių, o tai sukelia intensyvią terminę emisiją nuo jo paviršiaus. Anodo bombardavimas elektronais sukelia dalinį sunaikinimą: ant jo susidaro įduba - krateris, kurio temperatūra yra apie 4000 °C. Padidėjęs slėgis reiškia dar didesnį temperatūros padidėjimą.

Atskyrus elektrodus, lanko išlydis išlieka stabilus iki tam tikro atstumo, o tai leidžia su ja kovoti tose elektros įrangos srityse, kuriose ji yra kenksminga dėl korozijos ir kontaktų perdegimo. Tai tokie įrenginiai kaip aukštos įtampos ir grandinės pertraukikliai, kontaktoriai ir kt. Vienas iš būdų kovoti su lankais, atsirandančiais atidarius kontaktus, yra lanko slopinimo kamerų naudojimas, pagrįstas lanko pailgėjimo principu. Taip pat naudojama daug kitų metodų: apeinant kontaktus, naudojant medžiagas, turinčias didelį jonizacijos potencialą ir pan.

Koronos iškrova atsiranda esant normaliam atmosferos slėgiui smarkiai nehomogeniškuose laukuose šalia elektrodų su dideliu paviršiaus kreivumu. Tai gali būti smailės, stiebai, laidai, įvairūs sudėtingos formos elektros įrangos elementai ir net žmogaus plaukai. Toks elektrodas vadinamas koronaelektrodu. Jonizacijos procesai ir atitinkamai dujų švytėjimas vyksta tik šalia jo.

Karūna gali susidaryti tiek ant katodo (neigiama vainikėlis), kai jis yra bombarduojamas jonais, ir ant anodo (teigiamas vainikas) dėl fotojonizacijos. Neigiama korona, kurioje jonizacijos procesas, kaip šiluminės emisijos pasekmė, nukreipiamas nuo elektrodo, pasižymi tolygiu švytėjimu. Teigiamame vainiklyje galima pastebėti streamerius - šviečiančias sulaužytos konfigūracijos linijas, kurios gali virsti kibirkšties kanalais.

Koronų iškrovos natūraliomis sąlygomis pavyzdys yra aukštų stiebų viršūnėse, medžių viršūnėse ir pan. Jie susidaro esant dideliam elektrinio lauko stiprumui atmosferoje, dažnai prieš perkūniją arba pūgos metu. Be to, jie buvo užfiksuoti orlaivių odoje, patekusių į vulkaninių pelenų debesį.

Dėl koronos iškrovos elektros linijos laiduose prarandami dideli elektros energijos nuostoliai. Esant aukštai įtampai, vainiko iškrova gali virsti lankiniu išlydžiu. Su ja kovojama įvairiais būdais, pavyzdžiui, didinant laidininkų kreivumo spindulį.

Elektros srovė dujose ir plazmoje

Visiškai arba iš dalies jonizuotos dujos vadinamos plazma ir laikomos ketvirtąja materijos būsena. Apskritai plazma yra elektriškai neutrali, nes bendras ją sudarančių dalelių krūvis yra lygus nuliui. Tai išskiria jį iš kitų įkrautų dalelių sistemų, tokių kaip elektronų pluoštai.

Natūraliomis sąlygomis plazma susidaro, kaip taisyklė, aukštoje temperatūroje dėl dujų atomų susidūrimo dideliu greičiu. Didžioji dalis barioninės medžiagos Visatoje yra plazmos būsenoje. Tai žvaigždės, tarpžvaigždinės materijos dalis, tarpgalaktinės dujos. Žemės jonosfera taip pat yra reta, silpnai jonizuota plazma.

Jonizacijos laipsnis yra svarbi plazmos charakteristika – nuo jo priklauso jos laidumo savybės. Jonizacijos laipsnis apibrėžiamas kaip jonizuotų atomų skaičiaus ir bendro atomų skaičiaus tūrio vienete santykis. Kuo labiau jonizuota plazma, tuo didesnis jos elektrinis laidumas. Be to, jam būdingas didelis mobilumas.

Todėl matome, kad dujos, praleidžiančios elektros srovę iškrovos kanale, yra ne kas kita, kaip plazma. Taigi švytėjimas ir vainikinės iškrovos yra šaltos plazmos pavyzdžiai; žaibo kibirkšties kanalas arba elektros lankas yra karštos, beveik visiškai jonizuotos plazmos pavyzdžiai.

Elektros srovė metaluose, skysčiuose ir dujose – skirtumai ir panašumai

Panagrinėkime dujų išlydžio charakteristikas, palyginti su srovės savybėmis kitose terpėse.

Metaluose srovė yra nukreiptas laisvųjų elektronų judėjimas, kuris nesukelia cheminių pokyčių. Šio tipo laidininkai vadinami pirmosios rūšies laidininkais; Tai, be metalų ir lydinių, apima anglį, kai kurias druskas ir oksidus. Jie išsiskiria elektroniniu laidumu.

Antrojo tipo laidininkai yra elektrolitai, tai yra skysti vandeniniai šarmų, rūgščių ir druskų tirpalai. Srovės pratekėjimas yra susijęs su cheminiu elektrolito pasikeitimu – elektrolize. Vandenyje ištirpusios medžiagos jonai, veikiami potencialų skirtumo, juda priešingomis kryptimis: teigiami katijonai - į katodą, neigiami anijonai - į anodą. Procesą lydi dujų išsiskyrimas arba metalo sluoksnio nusodinimas ant katodo. Antrojo tipo laidininkai pasižymi joniniu laidumu.

Kalbant apie dujų laidumą, jis, pirma, yra laikinas, antra, jis turi panašumo ir skirtumo su kiekviena iš jų požymių. Taigi elektros srovė tiek elektrolituose, tiek dujose yra priešingai įkrautų dalelių dreifas, nukreiptas į priešingus elektrodus. Tačiau, nors elektrolitams būdingas grynai joninis laidumas, dujų išlydžio atveju, derinant elektroninį ir joninį laidumo tipą, pagrindinis vaidmuo tenka elektronams. Kitas skirtumas tarp elektros srovės skysčiuose ir dujose yra jonizacijos pobūdis. Elektrolite ištirpusio junginio molekulės disocijuoja vandenyje, tačiau dujose molekulės nesuyra, o tik praranda elektronus. Todėl dujų iškrova, kaip ir srovė metaluose, nėra susijusi su cheminiais pokyčiais.

Skysčių ir dujų srovė taip pat skiriasi. Elektrolitų laidumas paprastai paklūsta Ohmo dėsniui, tačiau dujų išlydžio metu jo nesilaikoma. Dujų srovės įtampos charakteristika yra daug sudėtingesnė, susijusi su plazmos savybėmis.

Taip pat reikėtų paminėti bendrąsias ir išskirtines elektros srovės dujose ir vakuume ypatybes. Vakuumas yra beveik tobulas dielektrikas. „Beveik“ - nes vakuume, nepaisant to, kad nėra (tiksliau, ypač mažos koncentracijos) laisvųjų krūvininkų, srovė taip pat yra įmanoma. Tačiau dujose jau yra potencialių nešiklių; juos tereikia jonizuoti. Į vakuumą iš medžiagos įvedami krūvininkai. Paprastai tai vyksta elektronų emisijos procese, pavyzdžiui, kai katodas yra šildomas (termioninė emisija). Tačiau įvairių tipų dujų išmetimo atveju emisija, kaip matėme, vaidina svarbų vaidmenį.

Dujų išlydžių taikymas technologijoje

Žalingas tam tikrų išmetimų poveikis jau buvo trumpai aptartas aukščiau. Dabar atkreipkime dėmesį į jų naudą pramonėje ir kasdieniame gyvenime.

Švytėjimo išlydis naudojamas elektrotechnikoje (įtampos stabilizatoriai) ir dengimo technologijoje (katodinio purškimo metodas, pagrįstas katodinės korozijos reiškiniu). Elektronikoje jis naudojamas jonų ir elektronų pluoštams gaminti. Plačiai žinomos švytėjimo išlydžio taikymo sritys yra fluorescencinės ir vadinamosios energiją taupančios lempos bei dekoratyviniai neoniniai ir argono dujų išlydžio vamzdžiai. Be to, spektroskopijoje naudojamas švytėjimo išlydis.

Kibirkštinis išlydis naudojamas saugikliuose ir elektros iškrovos metoduose, skirtuose preciziniam metalo apdirbimui (pjovimas kibirkštiniu būdu, gręžimas ir pan.). Tačiau jis geriausiai žinomas dėl jo naudojimo vidaus degimo variklių uždegimo žvakėse ir buitiniuose prietaisuose (dujinėse viryklėse).

Lanko išlydis, pirmą kartą panaudotas apšvietimo technologijoje 1876 m. (Jabločkovo žvakė - „Rusiška šviesa“), vis dar tarnauja kaip šviesos šaltinis - pavyzdžiui, projekciniuose įrenginiuose ir galinguose prožektoriuose. Elektrotechnikoje lankas naudojamas gyvsidabrio lygintuvuose. Be to, jis naudojamas elektrinio suvirinimo, metalo pjovimo ir pramoninėse elektrinėse krosnyse plienui ir lydiniams lydyti.

Korona išlydis naudojamas elektriniuose nusodintuvuose jonų dujoms valyti, dalelių skaitikliuose, žaibolaidžiuose ir oro kondicionavimo sistemose. Korona iškrova taip pat veikia kopijavimo aparatuose ir lazeriniuose spausdintuvuose, kur įkrauna ir iškrauna šviesai jautrų būgną ir perneša miltelius iš būgno į popierių.

Taigi visų tipų dujų išleidimas yra plačiausias pritaikymas. Dujose esanti elektros srovė sėkmingai ir efektyviai naudojama daugelyje technologijų sričių.

Jis susidaro dėl kryptingo laisvųjų elektronų judėjimo ir kad šiuo atveju medžiagos, iš kurios pagamintas laidininkas, pokyčių neįvyksta.

Vadinami tokie laidininkai, kuriuose elektros srovei praeinant nevyksta cheminiai jų medžiagos pokyčiai pirmos rūšies dirigentai. Tai apima visus metalus, anglį ir daugybę kitų medžiagų.

Tačiau gamtoje yra ir elektros srovės laidininkų, kuriuose vykstant srovei vyksta cheminiai reiškiniai. Šie laidininkai vadinami antrosios rūšies laidininkai. Tai daugiausia įvairūs rūgščių, druskų ir šarmų tirpalai vandenyje.

Jei į stiklinį indą įpilsite vandens ir įlašinsite kelis lašus sieros rūgšties (arba kitos rūgšties ar šarmo), tada paimkite dvi metalines plokštes ir sujungsite prie jų laidininkus, nuleisdami šias plokštes į indą ir prijungdami srovės šaltinį kitus laidininkų galus per jungiklį ir ampermetrą, tada iš tirpalo išsileis dujos ir tai tęsis tol, kol grandinė bus uždaryta, nes parūgštintas vanduo iš tiesų yra laidininkas. Be to, plokštės pradės pasidengti dujų burbuliukais. Tada šie burbuliukai nutrūks nuo plokštelių ir išeis.

Kai per tirpalą praeina elektros srovė, vyksta cheminiai pokyčiai, dėl kurių išsiskiria dujos.

Antrosios rūšies laidininkai vadinami elektrolitais, o reiškinys, kuris atsiranda elektrolite, kai per jį teka elektros srovė.

Metalinės plokštės, panardintos į elektrolitą, vadinamos elektrodais; vienas iš jų, prijungtas prie teigiamo srovės šaltinio poliaus, vadinamas anodu, o kitas, prijungtas prie neigiamo poliaus, vadinamas katodu.

Kas lemia elektros srovės praėjimą skysčio laidininke? Pasirodo, tokiuose tirpaluose (elektrolituose) rūgščių (šarmų, druskų) molekulės, veikiamos tirpiklio (šiuo atveju vandens), skyla į du komponentus ir Viena molekulės dalelė turi teigiamą elektros krūvį, o kita – neigiamą.

Molekulės dalelės, turinčios elektrinį krūvį, vadinamos jonais. Kai rūgštis, druska ar šarmas ištirpsta vandenyje, tirpale atsiranda daug teigiamų ir neigiamų jonų.

Dabar turėtų paaiškėti, kodėl per tirpalą praėjo elektros srovė, nes tarp elektrodų, prijungtų prie srovės šaltinio, susidarė įtampa, kitaip tariant, vienas iš jų buvo įkrautas teigiamai, o kitas - neigiamai. Šio potencialų skirtumo įtakoje teigiami jonai pradėjo maišytis link neigiamo elektrodo – katodo, o neigiami – link anodo.

Taigi chaotiškas jonų judėjimas tapo tvarkingu priešingu neigiamų jonų judėjimu viena kryptimi, o teigiamų – kita. Šis krūvio perdavimo procesas sudaro elektros srovės srautą per elektrolitą ir vyksta tol, kol yra potencialų skirtumas tarp elektrodų. Išnykus potencialų skirtumui, sustoja srovė per elektrolitą, sutrinka tvarkingas jonų judėjimas ir vėl prasideda chaotiškas judėjimas.

Kaip pavyzdį panagrinėkime elektrolizės reiškinį, kai elektros srovė teka per vario sulfato CuSO4 tirpalą su į jį nuleistais variniais elektrodais.

Elektrolizės reiškinys, kai srovė teka per vario sulfato tirpalą: C - indas su elektrolitu, B - srovės šaltinis, C - jungiklis

Čia taip pat bus priešingas jonų judėjimas į elektrodus. Teigiamas jonas bus vario jonas (Cu), o neigiamas – rūgšties liekanos jonas (SO4). Vario jonai, besiliečiantys su katodu, išsikraus (pritvirtins trūkstamus elektronus), t.y., pavirs neutraliomis gryno vario molekulėmis ir nusėda ant katodo plono (molekulinio) sluoksnio pavidalu.

Neigiami jonai, pasiekę anodą, taip pat išsikrauna (atsiduoda elektronų perteklių). Tačiau tuo pat metu jie pradeda cheminę reakciją su anodo variu, dėl kurios į rūgštinę likutį SO4 pridedama vario molekulė Cu ir susidaro vario sulfato CuS O4 molekulė, kuri grąžinama atgal. į elektrolitą.

Kadangi šis cheminis procesas trunka ilgai, ant katodo nusėda varis, išsiskiriantis iš elektrolito. Tokiu atveju elektrolitas, o ne vario molekulės, kurios nuėjo į katodą, dėl antrojo elektrodo – anodo – ištirpimo gauna naujas vario molekules.

Tas pats procesas vyksta, jei vietoj vario paimami cinko elektrodai, o elektrolitas yra cinko sulfato ZnSO4 tirpalas. Cinkas taip pat bus perkeltas iš anodo į katodą.

Taigi, Skirtumas tarp elektros srovės metaluose ir skysčių laidininkų slypi tame, kad metaluose krūvininkai yra tik laisvieji elektronai, t.y. neigiami krūviai, o elektrolituose jį neša priešingai įkrautos medžiagos dalelės – priešingomis kryptimis judantys jonai. Todėl jie taip sako Elektrolitai pasižymi joniniu laidumu.

Elektrolizės reiškinys 1837 metais atrado B. S. Jacobi, atlikęs daugybę cheminių srovės šaltinių tyrimų ir tobulinimo eksperimentų. Jacobi nustatė, kad vienas iš elektrodų, įdėtų į vario sulfato tirpalą, pasidengė variu, kai per jį praeina elektros srovė.

Šis reiškinys vadinamas galvanizavimas, dabar randa itin platų praktinį pritaikymą. Vienas iš pavyzdžių yra metalinių objektų padengimas plonu kitų metalų sluoksniu, t. y. nikeliavimas, auksavimas, sidabravimas ir kt.

Dujos (įskaitant orą) normaliomis sąlygomis nelaidžia elektros srovės. Pavyzdžiui, nuogi, pakabinti lygiagrečiai vienas kitam, atsiduria vienas nuo kito atskirti oro sluoksniu.

Tačiau, veikiant aukštai temperatūrai, dideliems potencialų skirtumams ir dėl kitų priežasčių, dujos, kaip ir skysčių laidininkai, jonizuojasi, t. y. jose dideliais kiekiais atsiranda dujų molekulių dalelių, kurios, būdamos elektros nešėjos, palengvina elektros praėjimą. srovė per dujas.

Tačiau tuo pačiu metu dujų jonizacija skiriasi nuo skysčio laidininko jonizacijos. Jei skystyje molekulė suyra į dvi įkrautas dalis, tai dujose, veikiant jonizacijai, nuo kiekvienos molekulės visada atsiskiria elektronai ir jonas lieka teigiamai įkrautos molekulės dalies pavidalu.

Kai dujų jonizacija sustos, jos nustos būti laidžios, o skystis visada lieka elektros srovės laidininku. Vadinasi, dujų laidumas yra laikinas reiškinys, priklausantis nuo išorinių priežasčių veikimo.

Tačiau yra dar vienas vadinamas lanko išlydis arba tiesiog elektros lankas. Elektros lanko fenomeną XIX amžiaus pradžioje atrado pirmasis rusų elektros inžinierius V.V. Petrovas.

V.V. Petrovas, atlikęs daugybę eksperimentų, atrado, kad tarp dviejų anglių, prijungtų prie srovės šaltinio, per orą vyksta nuolatinė elektros iškrova, kurią lydi ryški šviesa. Savo raštuose V. V. Petrovas rašė, kad šiuo atveju „tamsi ramybė gali būti apšviesta gana ryškiai“. Taip pirmą kartą buvo gauta elektros šviesa, kurią praktiškai pritaikė kitas Rusijos elektros inžinierius Pavelas Nikolajevičius Jabločkovas.

Yablochkov žvakė, kurios veikimas pagrįstas elektros lanko naudojimu, tais laikais padarė tikrą revoliuciją elektros inžinerijoje.

Lanko išlydis ir šiandien naudojamas kaip šviesos šaltinis, pavyzdžiui, prožektoriuose ir projekciniuose įrenginiuose. Aukšta lankinio išlydžio temperatūra leidžia jį naudoti. Šiuo metu lankinės krosnys, varomos labai didele srove, naudojamos daugelyje pramonės šakų: plieno, ketaus, geležies lydinių, bronzos ir kt. O 1882 metais N.N.Benardosas pirmą kartą panaudojo lankinį išlydį metalui pjauti ir suvirinti.

Dujų šviesos vamzdeliuose, liuminescencinėse lempose, įtampos stabilizatoriuose, vadinamuosiuose švytinčių dujų išleidimas.

Kibirkštinis išlydis naudojamas dideliems potencialų skirtumams matuoti naudojant rutulinį tarpą, kurio elektrodai yra du metaliniai rutuliai su poliruotu paviršiumi. Rutuliai perkeliami vienas nuo kito ir jiems taikomas išmatuotas potencialų skirtumas. Tada kamuoliukai suartinami, kol tarp jų iššoka kibirkštis. Žinodami kamuoliukų skersmenį, atstumą tarp jų, slėgį, temperatūrą ir oro drėgmę, naudodami specialias lenteles suraskite potencialų skirtumą tarp kamuoliukų. Šiuo metodu kelių procentų tikslumu galima išmatuoti dešimčių tūkstančių voltų potencialų skirtumus.