Nu există dielectrici absoluti în natură. Mișcarea ordonată a particulelor - purtători de sarcină electrică - adică curent, poate fi cauzată în orice mediu, dar aceasta necesită condiții speciale. Vom lua în considerare aici cum se întâmplă fenomenele electrice în gaze și cum un gaz poate fi schimbat dintr-un dielectric foarte bun într-un conductor foarte bun. Ne vor interesa condițiile în care apare, precum și ce caracteristici caracterizează curentul electric în gaze.
Proprietăți electrice ale gazelor
Un dielectric este o substanță (mediu) în care concentrația de particule - purtători liberi ai unei sarcini electrice - nu atinge nicio valoare semnificativă, drept urmare conductivitatea este neglijabilă. Toate gazele sunt dielectrice bune. Proprietățile lor izolante sunt folosite peste tot. De exemplu, în orice întrerupător, deschiderea circuitului are loc atunci când contactele sunt aduse într-o astfel de poziție încât se formează un spațiu de aer între ele. Fire în liniile electricesunt, de asemenea, izolate una de alta printr-un strat de aer.
Unitatea structurală a oricărui gaz este o moleculă. Este format din nuclee atomice și nori de electroni, adică este o colecție de sarcini electrice distribuite în spațiu într-un fel. O moleculă de gaz poate fi un dipol electric datorită particularităților structurii sale sau poate fi polarizată sub acțiunea unui câmp electric extern. Marea majoritate a moleculelor care alcătuiesc un gaz sunt neutre din punct de vedere electric în condiții normale, deoarece încărcăturile din ele se anulează reciproc.
Dacă se aplică un câmp electric unui gaz, moleculele vor lua o orientare de dipol, ocupând o poziție spațială care compensează efectul câmpului. Particulele încărcate prezente în gaz sub influența forțelor Coulomb vor începe să se deplaseze: ionii pozitivi - în direcția catodului, ionii negativi și electronii - spre anod. Totuși, dacă câmpul are un potențial insuficient, nu apare un singur flux direcționat de sarcini și se poate vorbi mai degrabă de curenți separati, atât de slabi încât ar trebui neglijați. Gazul se comportă ca un dielectric.
Astfel, pentru apariția unui curent electric în gaze, sunt necesare o concentrație mare de purtători de sarcină liberi și prezența unui câmp.
Ionizare
Procesul de creștere asemănătoare unei avalanșe a numărului de încărcări gratuite într-un gaz se numește ionizare. În consecință, un gaz în care există o cantitate semnificativă de particule încărcate se numește ionizat. În astfel de gaze se creează un curent electric.
Procesul de ionizare este asociat cu încălcarea neutralității moleculelor. Ca urmare a detașării unui electron, apar ioni pozitivi, atașarea unui electron la o moleculă duce la formarea unui ion negativ. În plus, există mulți electroni liberi într-un gaz ionizat. Ionii pozitivi și în special electronii sunt principalii purtători de sarcină pentru curentul electric din gaze.
Ionizarea are loc atunci când o anumită cantitate de energie este transmisă unei particule. Astfel, un electron extern din compoziția unei molecule, după ce a primit această energie, poate părăsi molecula. Ciocnirile reciproce ale particulelor încărcate cu cele neutre duc la eliminarea de noi electroni, iar procesul capătă un caracter de avalanșă. De asemenea, crește energia cinetică a particulelor, ceea ce promovează foarte mult ionizarea.
De unde provine energia folosită pentru a excita curentul electric în gaze? Ionizarea gazelor are mai multe surse de energie, conform cărora se obișnuiește să îi denumească tipurile.
- Ionizare prin câmp electric. În acest caz, energia potențială a câmpului este convertită în energia cinetică a particulelor.
- Termoionizare. O creștere a temperaturii duce, de asemenea, la formarea unui număr mare de taxe gratuite.
- Fotoionizare. Esența acestui proces este că electronii sunt alimentați cu energie de cuante de radiație electromagnetică - fotoni, dacă au o frecvență suficient de mare (cuante ultraviolete, raze X, gamma).
- Ionizarea la impact este rezultatul conversiei energiei cinetice a particulelor care se ciocnesc în energia de separare a electronilor. Precum șiionizare termică, servește ca principal factor de excitație în gazele de curent electric.
Fiecare gaz este caracterizat de o anumită valoare de prag - energia de ionizare necesară pentru ca un electron să se desprindă de o moleculă, depășind o barieră de potențial. Această valoare pentru primul electron variază de la câțiva volți la două zeci de volți; este nevoie de mai multă energie pentru a elimina următorul electron din moleculă și așa mai departe.
Ar trebui să se țină cont de faptul că, odată cu ionizarea în gaz, are loc procesul invers - recombinare, adică refacerea moleculelor neutre sub acțiunea forțelor de atracție Coulomb.
Descărcare de gaze și tipurile sale
Deci, curentul electric din gaze se datorează mișcării ordonate a particulelor încărcate sub acțiunea unui câmp electric aplicat acestora. Prezența unor astfel de sarcini, la rândul său, este posibilă datorită diferiților factori de ionizare.
Deci, ionizarea termică necesită temperaturi semnificative, dar o flacără deschisă din cauza unor procese chimice contribuie la ionizare. Chiar și la o temperatură relativ scăzută în prezența unei flăcări, apariția unui curent electric în gaze este înregistrată, iar experimentul cu conductivitatea gazului facilitează verificarea acestui lucru. Este necesar să plasați flacăra unui arzător sau a unei lumânări între plăcile unui condensator încărcat. Circuitul deschis anterior din cauza spațiului de aer din condensator se va închide. Un galvanometru conectat la circuit va arăta prezența curentului.
Curentul electric din gaze se numește descărcare gazoasă. Trebuie avut în vedere faptul căpentru a menține stabilitatea descărcării, acțiunea ionizatorului trebuie să fie constantă, deoarece datorită recombinării constante, gazul își pierde proprietățile conductoare electric. Unii purtători de curent electric în gaze - ioni - sunt neutralizați pe electrozi, alții - electroni - care cad pe anod, sunt direcționați către „plusul” sursei de câmp. Dacă factorul de ionizare încetează să funcționeze, gazul va deveni imediat din nou dielectric, iar curentul va înceta. Un astfel de curent, dependent de acțiunea unui ionizator extern, se numește descărcare neauto-susținută.
Caracteristicile trecerii curentului electric prin gaze sunt descrise printr-o dependență specială a intensității curentului de tensiune - caracteristica curent-tensiune.
Să luăm în considerare dezvoltarea unei descărcări de gaz pe graficul dependenței curent-tensiune. Când tensiunea crește la o anumită valoare U1, curentul crește proporțional cu aceasta, adică legea lui Ohm este îndeplinită. Energia cinetică crește și, prin urmare, viteza sarcinilor în gaz, iar acest proces este înaintea recombinării. La valori de tensiune de la U1 la U2 acest raport este încălcat; când se atinge U2, toți purtătorii de sarcină ajung la electrozi fără a avea timp să se recombine. Sunt implicate toate taxele gratuite, iar o creștere suplimentară a tensiunii nu duce la o creștere a curentului. Această natură a mișcării sarcinilor se numește curent de saturație. Astfel, putem spune că curentul electric din gaze se datorează și particularităților comportării gazului ionizat în câmpuri electrice de diferite intensități.
Când diferența de potențial între electrozi atinge o anumită valoare U3, tensiunea devine suficientă pentru ca câmpul electric să provoace o ionizare a gazului asemănătoare avalanșei. Energia cinetică a electronilor liberi este deja suficientă pentru ionizarea prin impact a moleculelor. În același timp, viteza lor în majoritatea gazelor este de aproximativ 2000 km/s și mai mare (se calculează prin formula aproximativă v=600 Ui, unde Ui este potențialul de ionizare). În acest moment, are loc o defalcare a gazului și are loc o creștere semnificativă a curentului datorită unei surse interne de ionizare. Prin urmare, o astfel de descărcare se numește independentă.
Prezența unui ionizator extern în acest caz nu mai joacă un rol în menținerea curentului electric în gaze. O descărcare autonomă în condiții diferite și cu caracteristici diferite ale sursei de câmp electric poate avea anumite caracteristici. Există tipuri de auto-descărcare precum strălucirea, scânteia, arcul și coroana. Vom analiza cum se comportă curentul electric în gaze, pe scurt pentru fiecare dintre aceste tipuri.
Descărcare strălucitoare
Într-un gaz rarefiat, o diferență de potențial de la 100 (și chiar mai puțin) la 1000 de volți este suficientă pentru a iniția o descărcare independentă. Prin urmare, o descărcare strălucitoare, caracterizată printr-o putere scăzută a curentului (de la 10-5 A la 1 A), are loc la presiuni de cel mult câțiva milimetri de mercur.
Într-un tub cu un gaz rarefiat și electrozi reci, descărcarea strălucitoare care apare arată ca un cordon luminos subțire între electrozi. Dacă continuați să pompați gaz din tub, veți observaestomparea cablului, iar la presiuni de zecimi de milimetri de mercur, strălucirea umple tubul aproape complet. Strălucirea este absentă lângă catod - în așa-numitul spațiu catodic întunecat. Restul se numește coloană pozitivă. În acest caz, principalele procese care asigură existența descărcării sunt localizate tocmai în spațiul catodic întunecat și în regiunea adiacentă acestuia. Aici, particulele de gaz încărcate sunt accelerate, scoțând electronii din catod.
Într-o descărcare strălucitoare, cauza ionizării este emisia de electroni din catod. Electronii emiși de catod produc ionizare de impact a moleculelor de gaz, ionii pozitivi emergenti provoacă emisii secundare din catod și așa mai departe. Strălucirea coloanei pozitive se datorează în principal reculului fotonilor de către moleculele de gaz excitate, iar diferitele gaze sunt caracterizate de o strălucire de o anumită culoare. Coloana pozitivă participă la formarea unei descărcări luminoase numai ca o secțiune a circuitului electric. Dacă apropiați electrozii, puteți obține dispariția coloanei pozitive, dar descărcarea nu se va opri. Cu toate acestea, cu o reducere suplimentară a distanței dintre electrozi, descărcarea luminoasă nu va putea exista.
De remarcat că pentru acest tip de curent electric în gaze, fizica unor procese nu a fost încă pe deplin elucidată. De exemplu, natura forțelor care provoacă o expansiune pe suprafața catodului a regiunii care ia parte la descărcare rămâne neclară.
Descărcare cu scântei
Sparkdefectarea are un caracter impulsiv. Apare la presiuni apropiate de atmosfera normală, în cazurile în care puterea sursei de câmp electric nu este suficientă pentru a menține o descărcare staționară. În acest caz, puterea câmpului este mare și poate ajunge la 3 MV/m. Fenomenul se caracterizează printr-o creștere bruscă a curentului electric de descărcare în gaz, în același timp tensiunea scade extrem de rapid, iar descărcarea se oprește. Apoi diferența de potențial crește din nou și întregul proces se repetă.
Cu acest tip de descărcare, se formează canale de scânteie pe termen scurt, a căror creștere poate începe din orice punct dintre electrozi. Acest lucru se datorează faptului că ionizarea de impact are loc aleatoriu în locurile în care în prezent este concentrat cel mai mare număr de ioni. În apropierea canalului de scânteie, gazul se încălzește rapid și suferă dilatare termică, ceea ce provoacă unde acustice. Prin urmare, descărcarea scânteii este însoțită de trosnet, precum și de eliberare de căldură și o strălucire strălucitoare. Procesele de ionizare a avalanșelor generează presiuni și temperaturi ridicate de până la 10 mii de grade și mai mult în canalul de scânteie.
Cel mai clar exemplu de descărcare naturală de scânteie este fulgerul. Diametrul canalului principal de scânteie de fulger poate varia de la câțiva centimetri până la 4 m, iar lungimea canalului poate ajunge la 10 km. Mărimea curentului ajunge la 500 de mii de amperi, iar diferența de potențial dintre un nor de tunete și suprafața Pământului ajunge la un miliard de volți.
Cel mai lung fulger de 321 km a fost observat în 2007 în Oklahoma, SUA. Deținătorul recordului pe durata a fost fulger, înregistratîn 2012 în Alpii francezi - a durat peste 7,7 secunde. Când este lovit de fulger, aerul se poate încălzi până la 30 de mii de grade, adică de 6 ori temperatura suprafeței vizibile a Soarelui.
În cazurile în care puterea sursei de câmp electric este suficient de mare, descărcarea scânteii se dezvoltă într-un arc.
Descărcare arc
Acest tip de auto-descărcare se caracterizează printr-o densitate mare de curent și o tensiune scăzută (mai mică decât descărcarea luminoasă). Distanța de defalcare este mică datorită apropierii electrozilor. Descărcarea este inițiată de emisia unui electron de pe suprafața catodului (la atomii de metal, potențialul de ionizare este mic în comparație cu moleculele de gaz). În timpul unei defecțiuni între electrozi, se creează condiții în care gazul conduce un curent electric și are loc o descărcare de scânteie, care închide circuitul. Dacă puterea sursei de tensiune este suficient de mare, descărcările de scânteie se transformă într-un arc electric stabil.
Ionizarea în timpul unei descărcări cu arc ajunge la aproape 100%, puterea curentului este foarte mare și poate fi de la 10 la 100 de amperi. La presiunea atmosferică, arcul se poate încălzi până la 5-6 mii de grade, iar catodul - până la 3 mii de grade, ceea ce duce la o emisie termoionică intensă de la suprafața sa. Bombardarea anodului cu electroni duce la distrugere parțială: pe el se formează o adâncitură - un crater cu o temperatură de aproximativ 4000 °C. O creștere a presiunii determină o creștere și mai mare a temperaturilor.
La răspândirea electrozilor, descărcarea arcului rămâne stabilă până la o anumită distanță,ceea ce vă permite să vă ocupați de el în acele zone ale echipamentelor electrice în care este dăunător din cauza coroziunii și arderii contactelor cauzate de acesta. Acestea sunt dispozitive precum întrerupătoarele automate și de în altă tensiune, contactoarele și altele. Una dintre metodele de combatere a arcului care apare la deschiderea contactelor este utilizarea jgheaburilor de arc bazate pe principiul extinderii arcului. De asemenea, sunt folosite multe alte metode: crearea de punți a contactelor, utilizarea materialelor cu un potențial ridicat de ionizare și așa mai departe.
Descărcare corona
Dezvoltarea unei descărcări corona are loc la presiunea atmosferică normală în câmpuri puternic neomogene în apropierea electrozilor cu o curbură mare a suprafeței. Acestea pot fi turle, catarge, fire, diferite elemente ale echipamentelor electrice care au o formă complexă și chiar păr uman. Un astfel de electrod se numește electrod corona. Procesele de ionizare și, în consecință, strălucirea gazului au loc numai în apropierea acestuia.
O coroană se poate forma atât pe catod (coroană negativă) când este bombardată cu ioni, cât și pe anod (pozitivă) ca urmare a fotoionizării. Corona negativă, în care procesul de ionizare este îndreptat departe de electrod ca urmare a emisiei termice, se caracterizează printr-o strălucire uniformă. În corona pozitivă, pot fi observate streamere - linii luminoase cu o configurație întreruptă care se pot transforma în canale de scânteie.
Un exemplu de descărcare corona în condiții naturale sunt incendiile Sf. Elmo care apar pe vârfurile catargelor în alte, vârfurilor copacilor și așa mai departe. Ele se formează la o tensiune în altă a electricitățiicâmpuri în atmosferă, adesea înaintea unei furtuni sau în timpul unei furtuni de zăpadă. În plus, au fost fixate pe pielea aeronavelor care au căzut într-un nor de cenușă vulcanică.
Descărcarea corona de pe firele liniilor electrice duce la pierderi semnificative de energie electrică. La o tensiune în altă, o descărcare corona se poate transforma într-un arc. Se combate în diverse moduri, de exemplu, prin creșterea razei de curbură a conductorilor.
Curentul electric în gaze și plasmă
Gazul ionizat complet sau parțial se numește plasmă și este considerat a patra stare a materiei. În general, plasma este neutră din punct de vedere electric, deoarece sarcina totală a particulelor sale constitutive este zero. Acest lucru îl diferențiază de alte sisteme de particule încărcate, cum ar fi fasciculele de electroni.
În condiții naturale, plasma se formează, de regulă, la temperaturi ridicate din cauza ciocnirii atomilor de gaz la viteze mari. Marea majoritate a materiei barionice din Univers se află în stare de plasmă. Acestea sunt stele, parte din materia interstelară, gaz intergalactic. Ionosfera Pământului este, de asemenea, o plasmă rarefiată, slab ionizată.
Gradul de ionizare este o caracteristică importantă a unei plasme - proprietățile sale conductoare depind de el. Gradul de ionizare este definit ca raportul dintre numărul de atomi ionizați și numărul total de atomi pe unitate de volum. Cu cât plasma este mai ionizată, cu atât conductivitatea electrică este mai mare. În plus, se caracterizează printr-o mobilitate ridicată.
Vedem, prin urmare, că gazele care conduc electricitatea se află în interiorcanalele de descărcare nu sunt altceva decât plasmă. Astfel, descărcările strălucitoare și corona sunt exemple de plasmă rece; un canal de scânteie de fulger sau un arc electric sunt exemple de plasmă fierbinte, aproape complet ionizată.
Curentul electric în metale, lichide și gaze - diferențe și asemănări
Să luăm în considerare caracteristicile care caracterizează descărcarea de gaze în comparație cu proprietățile curentului din alte medii.
În metale, curentul este o mișcare direcționată a electronilor liberi care nu implică modificări chimice. Conductorii de acest tip se numesc conductoare de primul fel; acestea includ, pe lângă metale și aliaje, cărbunele, unele săruri și oxizi. Se disting prin conductivitate electronică.
Conductorii de al doilea fel sunt electroliți, adică soluții apoase lichide de alcalii, acizi și săruri. Trecerea curentului este asociată cu o schimbare chimică a electrolitului - electroliza. Ionii unei substanțe dizolvați în apă, sub acțiunea unei diferențe de potențial, se deplasează în direcții opuse: cationi pozitivi - la catod, anioni negativi - la anod. Procesul este însoțit de degajare de gaz sau depunerea unui strat metalic pe catod. Conductorii de al doilea fel sunt caracterizați prin conductivitate ionică.
În ceea ce privește conductivitatea gazelor, aceasta este, în primul rând, temporară, iar în al doilea rând, are semne de asemănări și diferențe cu fiecare dintre ele. Deci, curentul electric atât în electroliți, cât și în gaze este o deriva de particule cu încărcare opusă direcționate către electrozii opuși. Cu toate acestea, în timp ce electroliții sunt caracterizați prin conductivitate pur ionică, într-o descărcare de gaz cu o combinațietipurile electronice și ionice de conductivitate, rolul principal revine electronilor. O altă diferență între curentul electric din lichide și gaze este natura ionizării. Într-un electrolit, moleculele unui compus dizolvat se disociază în apă, dar într-un gaz, moleculele nu se descompun, ci doar pierd electroni. Prin urmare, descărcarea de gaz, ca și curentul din metale, nu este asociată cu modificări chimice.
Fizica curentului electric în lichide și gaze nu este, de asemenea, aceeași. Conductivitatea electroliților în ansamblu respectă legea lui Ohm, dar nu este observată în timpul unei descărcări de gaz. Caracteristica volt-amper a gazelor are un caracter mult mai complex asociat cu proprietățile plasmei.
Este de menționat caracteristicile generale și distinctive ale curentului electric în gaze și în vid. Vidul este aproape un dielectric perfect. „Aproape” - pentru că în vid, în ciuda absenței (mai precis, a unei concentrații extrem de scăzute) a purtătorilor de încărcare liberi, este posibil și un curent. Dar potențialii purtători sunt deja prezenți în gaz, ei trebuie doar ionizați. Purtătorii de încărcare sunt aduși în vid din materie. De regulă, acest lucru are loc în procesul de emisie de electroni, de exemplu, atunci când catodul este încălzit (emisia termionică). Dar, după cum am văzut, emisiile joacă, de asemenea, un rol important în diferite tipuri de evacuări de gaze.
Utilizarea descărcărilor de gaze în tehnologie
Efectele nocive ale anumitor deversări au fost deja discutate pe scurt mai sus. Acum să fim atenți la beneficiile pe care le aduc în industrie și în viața de zi cu zi.
Descărcarea strălucitoare este folosită în inginerie electrică(stabilizatori de tensiune), în tehnologia de acoperire (metoda de pulverizare catodică bazată pe fenomenul coroziunii catodice). În electronică, este folosit pentru a produce fascicule de ioni și electroni. Un domeniu de aplicare binecunoscut pentru descărcările strălucitoare sunt lămpile fluorescente și așa-numitele economice și tuburile decorative cu descărcare cu neon și argon. În plus, descărcările strălucitoare sunt utilizate în laserele cu gaz și în spectroscopie.
Descărcarea prin scânteie este utilizată în siguranțe, în metode electroerozive de prelucrare de precizie a metalelor (tăiere cu scânteie, găurire și așa mai departe). Dar este cel mai bine cunoscut pentru utilizarea sa în bujiile motoarelor cu ardere internă și în aparatele electrocasnice (sobe pe gaz).
Descărcarea cu arc, fiind folosită pentru prima dată în tehnologia iluminatului încă din 1876 (lumânarea lui Yablochkov - „lumina rusă”), încă servește ca sursă de lumină - de exemplu, în proiectoare și spoturi puternice. În inginerie electrică, arcul este utilizat în redresoarele cu mercur. În plus, este folosit în sudarea electrică, tăierea metalelor, cuptoare electrice industriale pentru topirea oțelului și aliajelor.
Descărcarea
Corona este utilizată în precipitatoare electrostatice pentru curățarea gazelor ionice, contoare de particule elementare, paratrăsnet, sisteme de aer condiționat. Descărcarea Corona funcționează și în copiatoare și imprimante laser, unde încarcă și descarcă tamburul fotosensibil și transferă pulberea din cilindru pe hârtie.
Astfel, evacuările de gaze de toate tipurile găsesc cel mai multaplicare largă. Curentul electric din gaze este utilizat cu succes și eficient în multe domenii ale tehnologiei.
