Tiada dielektrik mutlak dalam alam semula jadi. Pergerakan zarah yang diperintahkan - pembawa cas elektrik - iaitu, semasa, boleh disebabkan dalam mana-mana medium, tetapi ini memerlukan syarat khas. Kami akan mempertimbangkan di sini bagaimana fenomena elektrik berlaku dalam gas dan bagaimana gas boleh ditukar daripada dielektrik yang sangat baik kepada konduktor yang sangat baik. Kami akan berminat dengan keadaan di mana ia timbul, serta ciri apa yang mencirikan arus elektrik dalam gas.
Sifat elektrik bagi gas
Dielektrik ialah bahan (sederhana) di mana kepekatan zarah - pembawa bebas cas elektrik - tidak mencapai sebarang nilai penting, akibatnya kekonduksian diabaikan. Semua gas adalah dielektrik yang baik. Sifat penebat mereka digunakan di mana-mana. Sebagai contoh, dalam mana-mana pemutus litar, pembukaan litar berlaku apabila sesentuh dibawa ke kedudukan sedemikian sehingga jurang udara terbentuk di antara mereka. Wayar dalam talian kuasajuga diasingkan antara satu sama lain oleh lapisan udara.
Unit struktur mana-mana gas ialah molekul. Ia terdiri daripada nukleus atom dan awan elektron, iaitu, ia adalah koleksi cas elektrik yang diedarkan di angkasa dalam beberapa cara. Molekul gas boleh menjadi dipol elektrik disebabkan oleh keanehan strukturnya, atau ia boleh dipolarisasi di bawah tindakan medan elektrik luaran. Sebilangan besar molekul yang membentuk gas adalah neutral secara elektrik dalam keadaan normal, kerana cas di dalamnya membatalkan satu sama lain.
Jika medan elektrik dikenakan pada gas, molekul akan mengambil orientasi dipol, menduduki kedudukan spatial yang mengimbangi kesan medan tersebut. Zarah bercas yang terdapat dalam gas di bawah pengaruh daya Coulomb akan mula bergerak: ion positif - ke arah katod, ion negatif dan elektron - ke arah anod. Walau bagaimanapun, jika medan itu mempunyai potensi yang tidak mencukupi, satu aliran cas terarah tunggal tidak timbul, dan seseorang lebih suka bercakap tentang arus yang berasingan, sangat lemah sehingga ia harus diabaikan. Gas berkelakuan seperti dielektrik.
Oleh itu, untuk berlakunya arus elektrik dalam gas, kepekatan besar pembawa cas percuma dan kehadiran medan diperlukan.
Pengionan
Proses peningkatan seperti longsoran dalam bilangan cas percuma dalam gas dipanggil pengionan. Sehubungan itu, gas yang mengandungi sejumlah besar zarah bercas dipanggil terion. Dalam gas sedemikianlah arus elektrik tercipta.
Proses pengionan dikaitkan dengan pelanggaran neutraliti molekul. Hasil daripada detasmen elektron, ion positif muncul, lampiran elektron ke molekul membawa kepada pembentukan ion negatif. Di samping itu, terdapat banyak elektron bebas dalam gas terion. Ion positif dan terutamanya elektron ialah pembawa cas utama untuk arus elektrik dalam gas.
Pengionan berlaku apabila sejumlah tenaga diberikan kepada zarah. Oleh itu, elektron luar dalam komposisi molekul, setelah menerima tenaga ini, boleh meninggalkan molekul. Perlanggaran bersama zarah bercas dengan zarah neutral membawa kepada tersingkirnya elektron baru, dan proses itu mengambil watak seperti longsor. Tenaga kinetik zarah juga meningkat, yang sangat menggalakkan pengionan.
Dari manakah tenaga yang digunakan untuk merangsang arus elektrik dalam gas? Pengionan gas mempunyai beberapa sumber tenaga, yang menurutnya adalah lazim untuk menamakan jenisnya.
- Pengionan oleh medan elektrik. Dalam kes ini, tenaga keupayaan medan ditukar kepada tenaga kinetik zarah.
- Termoionisasi. Peningkatan suhu juga membawa kepada pembentukan sejumlah besar caj percuma.
- Pengionan. Intipati proses ini ialah elektron dibekalkan dengan tenaga oleh sinaran elektromagnet quanta - foton, jika ia mempunyai frekuensi yang cukup tinggi (ultraviolet, x-ray, gamma quanta).
- Pengionan impak adalah hasil daripada penukaran tenaga kinetik zarah berlanggar kepada tenaga pemisahan elektron. Sertapengionan haba, ia berfungsi sebagai faktor pengujaan utama dalam gas arus elektrik.
Setiap gas dicirikan oleh nilai ambang tertentu - tenaga pengionan yang diperlukan untuk elektron melepaskan diri daripada molekul, mengatasi halangan berpotensi. Nilai ini untuk elektron pertama berjulat dari beberapa volt hingga dua puluh volt; lebih banyak tenaga diperlukan untuk mengeluarkan elektron seterusnya daripada molekul, dan seterusnya.
Perlu diambil kira bahawa serentak dengan pengionan dalam gas, proses terbalik berlaku - penggabungan semula, iaitu, pemulihan molekul neutral di bawah tindakan daya tarikan Coulomb.
Nyahcas gas dan jenisnya
Jadi, arus elektrik dalam gas adalah disebabkan oleh pergerakan tertib zarah bercas di bawah tindakan medan elektrik yang dikenakan padanya. Kehadiran cas sedemikian, seterusnya, mungkin disebabkan oleh pelbagai faktor pengionan.
Jadi, pengionan haba memerlukan suhu yang ketara, tetapi nyalaan terbuka disebabkan oleh beberapa proses kimia menyumbang kepada pengionan. Walaupun pada suhu yang agak rendah dengan kehadiran nyalaan, penampilan arus elektrik dalam gas direkodkan, dan percubaan dengan kekonduksian gas memudahkan untuk mengesahkan ini. Ia adalah perlu untuk meletakkan nyalaan pembakar atau lilin di antara plat kapasitor yang dicas. Litar yang sebelum ini terbuka kerana jurang udara dalam kapasitor akan ditutup. Galvanometer yang disambungkan ke litar akan menunjukkan kehadiran arus.
Arus elektrik dalam gas dipanggil nyahcas gas. Perlu diingat bahawauntuk mengekalkan kestabilan nyahcas, tindakan pengion mestilah malar, kerana disebabkan penggabungan semula yang berterusan, gas kehilangan sifat konduktif elektriknya. Sesetengah pembawa arus elektrik dalam gas - ion - dinetralkan pada elektrod, yang lain - elektron - jatuh pada anod, diarahkan ke "tambah" sumber medan. Jika faktor pengion berhenti beroperasi, gas akan serta-merta menjadi dielektrik semula, dan arus akan terhenti. Arus sedemikian, bergantung pada tindakan pengion luaran, dipanggil nyahcas tidak mampan sendiri.
Ciri-ciri laluan arus elektrik melalui gas diterangkan oleh pergantungan khas kekuatan arus pada voltan - ciri voltan arus.
Mari kita pertimbangkan perkembangan nyahcas gas pada graf pergantungan voltan semasa. Apabila voltan meningkat kepada nilai tertentu U1, arus meningkat secara berkadar dengannya, iaitu, hukum Ohm dipenuhi. Tenaga kinetik meningkat, dan oleh itu halaju cas dalam gas, dan proses ini mendahului penggabungan semula. Pada nilai voltan daripada U1 hingga U2 nisbah ini dilanggar; apabila U2 dicapai, semua pembawa cas mencapai elektrod tanpa mempunyai masa untuk bergabung semula. Semua caj percuma terlibat, dan peningkatan selanjutnya dalam voltan tidak membawa kepada peningkatan arus. Sifat pergerakan cas ini dipanggil arus tepu. Oleh itu, kita boleh mengatakan bahawa arus elektrik dalam gas juga disebabkan oleh keanehan kelakuan gas terion dalam medan elektrik pelbagai kekuatan.
Apabila beza keupayaan merentas elektrod mencapai nilai tertentu U3, voltan menjadi mencukupi untuk medan elektrik menyebabkan pengionan gas seperti longsoran. Tenaga kinetik elektron bebas sudah cukup untuk pengionan kesan molekul. Pada masa yang sama, kelajuannya dalam kebanyakan gas adalah kira-kira 2000 km/s dan lebih tinggi (ia dikira dengan formula anggaran v=600 Ui, di mana Ui ialah potensi pengionan). Pada masa ini, kerosakan gas berlaku dan peningkatan arus yang ketara berlaku disebabkan oleh sumber pengionan dalaman. Oleh itu, pelepasan sedemikian dipanggil bebas.
Kehadiran pengion luaran dalam kes ini tidak lagi memainkan peranan dalam mengekalkan arus elektrik dalam gas. Nyahcas mampan sendiri dalam keadaan yang berbeza dan dengan ciri-ciri sumber medan elektrik yang berbeza boleh mempunyai ciri-ciri tertentu. Terdapat jenis pelepasan diri seperti cahaya, percikan, arka dan korona. Kita akan melihat bagaimana arus elektrik berkelakuan dalam gas, secara ringkas untuk setiap jenis ini.
Cairan Bercahaya
Dalam gas jarang, beza potensi daripada 100 (dan lebih kecil lagi) kepada 1000 volt sudah cukup untuk memulakan nyahcas bebas. Oleh itu, nyahcas cahaya, dicirikan oleh kekuatan arus yang rendah (dari 10-5 A hingga 1 A), berlaku pada tekanan tidak lebih daripada beberapa milimeter merkuri.
Dalam tiub dengan gas jarang dan elektrod sejuk, nyahcas cahaya yang muncul kelihatan seperti kord bercahaya nipis di antara elektrod. Jika anda terus mengepam gas dari tiub, anda akan memerhatikekaburan kord, dan pada tekanan sepersepuluh milimeter merkuri, cahaya memenuhi tiub hampir sepenuhnya. Cahaya tidak hadir berhampiran katod - dalam ruang katod gelap yang dipanggil. Selebihnya dipanggil lajur positif. Dalam kes ini, proses utama yang memastikan kewujudan pelepasan disetempatkan dengan tepat di ruang katod gelap dan di kawasan bersebelahan dengannya. Di sini, zarah gas bercas dipercepatkan, mengetuk elektron keluar dari katod.
Dalam nyahcas cahaya, punca pengionan adalah pelepasan elektron daripada katod. Elektron yang dipancarkan oleh katod menghasilkan pengionan kesan molekul gas, ion positif yang muncul menyebabkan pelepasan sekunder dari katod, dan sebagainya. Cahaya lajur positif adalah terutamanya disebabkan oleh mundurnya foton oleh molekul gas teruja, dan gas yang berbeza dicirikan oleh cahaya warna tertentu. Lajur positif mengambil bahagian dalam pembentukan nyahcas cahaya hanya sebagai bahagian litar elektrik. Jika anda membawa elektrod lebih rapat, anda boleh mencapai kehilangan lajur positif, tetapi pelepasan tidak akan berhenti. Walau bagaimanapun, dengan pengurangan selanjutnya dalam jarak antara elektrod, nyahcas cahaya tidak akan dapat wujud.
Perlu diingat bahawa untuk jenis arus elektrik dalam gas ini, fizik beberapa proses masih belum dijelaskan sepenuhnya. Contohnya, sifat daya yang menyebabkan pengembangan pada permukaan katod kawasan yang mengambil bahagian dalam nyahcas masih tidak jelas.
Lehihan percikan
Sparkpecahan mempunyai watak impulsif. Ia berlaku pada tekanan yang hampir dengan atmosfera biasa, dalam kes di mana kuasa sumber medan elektrik tidak mencukupi untuk mengekalkan nyahcas pegun. Dalam kes ini, kekuatan medan adalah tinggi dan boleh mencapai 3 MV/m. Fenomena ini dicirikan oleh peningkatan mendadak dalam arus elektrik pelepasan dalam gas, pada masa yang sama voltan jatuh dengan sangat cepat, dan pelepasan berhenti. Kemudian beza potensi meningkat semula, dan keseluruhan proses diulang.
Dengan jenis nyahcas ini, saluran percikan jangka pendek terbentuk, yang pertumbuhannya boleh bermula dari mana-mana titik antara elektrod. Ini disebabkan oleh fakta bahawa pengionan hentaman berlaku secara rawak di tempat di mana bilangan ion terbanyak tertumpu pada masa ini. Berhampiran saluran percikan, gas menjadi panas dengan cepat dan mengalami pengembangan haba, yang menyebabkan gelombang akustik. Oleh itu, nyahcas percikan disertai dengan kerisik, serta pelepasan haba dan cahaya terang. Proses pengionan longsoran menjana tekanan dan suhu tinggi sehingga 10 ribu darjah dan lebih dalam saluran percikan.
Contoh paling jelas bagi pelepasan percikan semula jadi ialah kilat. Diameter saluran percikan kilat utama boleh berkisar antara beberapa sentimeter hingga 4 m, dan panjang saluran boleh mencapai 10 km. Magnitud arus mencecah 500 ribu ampere, dan beza potensi antara awan petir dan permukaan bumi mencapai satu bilion volt.
Kilat terpanjang 321 km telah diperhatikan pada tahun 2007 di Oklahoma, Amerika Syarikat. Pemegang rekod untuk tempoh itu adalah kilat, direkodkanpada tahun 2012 di Pergunungan Alps Perancis - ia berlangsung lebih 7.7 saat. Apabila disambar petir, udara boleh memanaskan sehingga 30 ribu darjah, iaitu 6 kali ganda suhu permukaan Matahari yang boleh dilihat.
Dalam kes di mana kuasa punca medan elektrik cukup besar, nyahcas percikan berkembang menjadi lengkok.
Nyahcas Arka
Jenis nyahcas sendiri ini dicirikan oleh ketumpatan arus tinggi dan voltan rendah (kurang daripada nyahcas cahaya). Jarak kerosakan adalah kecil kerana kedekatan elektrod. Nyahcas dimulakan oleh pelepasan elektron dari permukaan katod (untuk atom logam, potensi pengionan adalah kecil berbanding dengan molekul gas). Semasa pecahan antara elektrod, keadaan dicipta di mana gas mengalirkan arus elektrik, dan nyahcas percikan berlaku, yang menutup litar. Jika kuasa punca voltan cukup besar, nyahcas percikan bertukar menjadi arka elektrik yang stabil.
Pengionan semasa nyahcas arka mencapai hampir 100%, kekuatan semasa sangat tinggi dan boleh dari 10 hingga 100 ampere. Pada tekanan atmosfera, arka boleh memanaskan sehingga 5-6 ribu darjah, dan katod - sehingga 3 ribu darjah, yang membawa kepada pelepasan termionik yang sengit dari permukaannya. Pengeboman anod dengan elektron membawa kepada kemusnahan separa: ceruk terbentuk di atasnya - kawah dengan suhu kira-kira 4000 °C. Peningkatan tekanan menyebabkan peningkatan suhu yang lebih besar.
Apabila menyebarkan elektrod, nyahcas arka kekal stabil sehingga jarak tertentu,yang membolehkan anda menanganinya di kawasan peralatan elektrik yang berbahaya disebabkan oleh kakisan dan kehabisan sentuhan yang disebabkan olehnya. Ini adalah peranti seperti suis voltan tinggi dan automatik, penyentuh dan lain-lain. Salah satu kaedah untuk memerangi arka yang berlaku semasa membuka sesentuh ialah penggunaan pelongsor lengkok berdasarkan prinsip sambungan lengkok. Banyak kaedah lain juga digunakan: merapatkan hubungan, menggunakan bahan dengan potensi pengionan yang tinggi, dan sebagainya.
Pelepasan korona
Perkembangan pelepasan korona berlaku pada tekanan atmosfera biasa dalam medan yang tidak homogen secara mendadak berhampiran elektrod dengan lengkungan permukaan yang besar. Ini boleh menjadi menara, tiang, wayar, pelbagai elemen peralatan elektrik yang mempunyai bentuk yang kompleks, dan juga rambut manusia. Elektrod sedemikian dipanggil elektrod korona. Proses pengionan dan, oleh itu, cahaya gas berlaku hanya berhampirannya.
Korona boleh terbentuk pada kedua-dua katod (korona negatif) apabila dihujani dengan ion, dan pada anod (positif) hasil daripada fotoionisasi. Korona negatif, di mana proses pengionan diarahkan dari elektrod akibat pelepasan haba, dicirikan oleh cahaya yang sekata. Dalam korona positif, pita boleh diperhatikan - garis bercahaya konfigurasi yang rosak yang boleh bertukar menjadi saluran percikan.
Contoh pelepasan korona dalam keadaan semula jadi ialah kebakaran St. Elmo yang berlaku pada hujung tiang tinggi, puncak pokok dan sebagainya. Mereka terbentuk pada voltan tinggi elektrikpadang di atmosfera, selalunya sebelum ribut petir atau semasa ribut salji. Selain itu, ia diletakkan pada kulit pesawat yang jatuh ke dalam awan abu gunung berapi.
Celehan korona pada wayar talian kuasa membawa kepada kehilangan elektrik yang ketara. Pada voltan tinggi, nyahcas korona boleh bertukar menjadi arka. Ia dilawan dengan pelbagai cara, contohnya, dengan meningkatkan jejari kelengkungan konduktor.
Arus elektrik dalam gas dan plasma
Gas terion sepenuhnya atau sebahagiannya dipanggil plasma dan dianggap sebagai keadaan jirim keempat. Secara keseluruhannya, plasma adalah neutral secara elektrik, kerana jumlah cas zarah konstituennya adalah sifar. Ini membezakannya daripada sistem zarah bercas lain, seperti rasuk elektron.
Dalam keadaan semula jadi, plasma terbentuk, sebagai peraturan, pada suhu tinggi akibat perlanggaran atom gas pada kelajuan tinggi. Sebahagian besar jirim baryonik di Alam Semesta berada dalam keadaan plasma. Ini adalah bintang, sebahagian daripada jirim antara bintang, gas antara galaksi. Ionosfera Bumi juga merupakan plasma terion terion lemah.
Tahap pengionan ialah ciri penting plasma - sifat konduktifnya bergantung padanya. Darjah pengionan ditakrifkan sebagai nisbah bilangan atom terion kepada jumlah bilangan atom per unit isipadu. Semakin terion plasma, semakin tinggi kekonduksian elektriknya. Selain itu, ia dicirikan oleh mobiliti tinggi.
Kami melihat, oleh itu, bahawa gas yang mengalirkan elektrik berada di dalamsaluran pelepasan hanyalah plasma. Oleh itu, pelepasan cahaya dan korona adalah contoh plasma sejuk; saluran percikan kilat atau arka elektrik ialah contoh plasma panas yang hampir terion sepenuhnya.
Arus elektrik dalam logam, cecair dan gas - perbezaan dan persamaan
Mari kita pertimbangkan ciri yang mencirikan pelepasan gas berbanding dengan sifat arus dalam media lain.
Dalam logam, arus ialah pergerakan terarah elektron bebas yang tidak melibatkan perubahan kimia. Konduktor jenis ini dipanggil konduktor jenis pertama; ini termasuk, sebagai tambahan kepada logam dan aloi, arang batu, beberapa garam dan oksida. Mereka dibezakan oleh kekonduksian elektronik.
Konduktor jenis kedua ialah elektrolit, iaitu larutan akueus cecair alkali, asid dan garam. Laluan arus dikaitkan dengan perubahan kimia dalam elektrolit - elektrolisis. Ion bahan yang dilarutkan dalam air, di bawah tindakan beza keupayaan, bergerak ke arah yang bertentangan: kation positif - ke katod, anion negatif - ke anod. Proses ini disertai dengan evolusi gas atau pemendapan lapisan logam pada katod. Konduktor jenis kedua dicirikan oleh kekonduksian ionik.
Bagi kekonduksian gas, ia adalah, pertama, sementara, dan kedua, ia mempunyai tanda-tanda persamaan dan perbezaan dengan setiap daripadanya. Jadi, arus elektrik dalam kedua-dua elektrolit dan gas adalah hanyutan zarah bercas bertentangan yang diarahkan ke arah elektrod bertentangan. Walau bagaimanapun, sementara elektrolit dicirikan oleh kekonduksian ionik semata-mata, dalam pelepasan gas dengan gabunganjenis kekonduksian elektronik dan ionik, peranan utama kepunyaan elektron. Satu lagi perbezaan antara arus elektrik dalam cecair dan gas ialah sifat pengionan. Dalam elektrolit, molekul sebatian terlarut berpecah dalam air, tetapi dalam gas, molekul tidak terurai, tetapi hanya kehilangan elektron. Oleh itu, pelepasan gas, seperti arus dalam logam, tidak dikaitkan dengan perubahan kimia.
Fizik arus elektrik dalam cecair dan gas juga tidak sama. Kekonduksian elektrolit secara keseluruhan mematuhi hukum Ohm, tetapi ia tidak diperhatikan semasa pelepasan gas. Ciri volt-ampere gas mempunyai watak yang jauh lebih kompleks yang dikaitkan dengan sifat plasma.
Perlu disebut ciri umum dan tersendiri arus elektrik dalam gas dan dalam vakum. Vakum adalah dielektrik yang hampir sempurna. "Hampir" - kerana dalam vakum, walaupun ketiadaan (lebih tepat, kepekatan yang sangat rendah) pembawa caj percuma, arus juga mungkin. Tetapi pembawa berpotensi sudah ada dalam gas, mereka hanya perlu diionkan. Pembawa caj dibawa ke dalam vakum daripada jirim. Sebagai peraturan, ini berlaku dalam proses pelepasan elektron, contohnya, apabila katod dipanaskan (pelepasan termionik). Tetapi, seperti yang telah kita lihat, pelepasan juga memainkan peranan penting dalam pelbagai jenis pelepasan gas.
Penggunaan pelepasan gas dalam teknologi
Kesan berbahaya daripada pelepasan tertentu telah dibincangkan secara ringkas di atas. Sekarang mari kita perhatikan faedah yang mereka bawa dalam industri dan dalam kehidupan seharian.
Nyahcas cahaya digunakan dalam kejuruteraan elektrik(penstabil voltan), dalam teknologi salutan (kaedah sputtering katod berdasarkan fenomena kakisan katod). Dalam elektronik, ia digunakan untuk menghasilkan rasuk ion dan elektron. Bidang aplikasi yang terkenal untuk nyahcas cahaya ialah lampu pendarfluor dan dipanggil lampu ekonomi dan tiub nyahcas neon dan argon hiasan. Selain itu, nyahcas cahaya digunakan dalam laser gas dan dalam spektroskopi.
Nyahcas percikan digunakan dalam fius, dalam kaedah elektroerosif pemprosesan logam ketepatan (pemotongan percikan, penggerudian dan sebagainya). Tetapi ia terkenal kerana penggunaannya dalam palam pencucuh enjin pembakaran dalaman dan dalam peralatan rumah tangga (dapur gas).
Nyahcas arka, yang pertama kali digunakan dalam teknologi pencahayaan pada tahun 1876 (lilin Yablochkov - "cahaya Rusia"), masih berfungsi sebagai sumber cahaya - contohnya, dalam projektor dan lampu sorot berkuasa. Dalam kejuruteraan elektrik, arka digunakan dalam penerus merkuri. Selain itu, ia digunakan dalam kimpalan elektrik, pemotongan logam, relau elektrik industri untuk peleburan keluli dan aloi.
Penyahcasan korona digunakan dalam pemendak elektrostatik untuk pembersihan gas ion, pembilang zarah asas, batang petir, sistem penyaman udara. Pelepasan korona juga berfungsi dalam mesin penyalin dan pencetak laser, di mana ia mengecas dan menyahcas dram fotosensitif dan memindahkan serbuk dari dram ke kertas.
Oleh itu, pelepasan gas dari semua jenis mendapati paling banyakaplikasi yang luas. Arus elektrik dalam gas berjaya dan berkesan digunakan dalam banyak bidang teknologi.
