U prirodi nema apsolutnih dielektrika. Uređeno kretanje čestica - nositelja električnog naboja - odnosno struje, može biti uzrokovano u bilo kojem mediju, ali za to su potrebni posebni uvjeti. Ovdje ćemo razmotriti kako se električni fenomeni odvijaju u plinovima i kako se plin može promijeniti iz vrlo dobrog dielektrika u vrlo dobar vodič. Zanimat će nas pod kojim uvjetima nastaje, kao i koje karakteristike karakteriziraju električnu struju u plinovima.
Električna svojstva plinova
Dielektrik je tvar (medij) u kojoj koncentracija čestica - slobodnih nositelja električnog naboja - ne doseže nikakvu značajnu vrijednost, zbog čega je vodljivost zanemariva. Svi plinovi su dobri dielektrici. Njihova izolacijska svojstva koriste se posvuda. Na primjer, u bilo kojem prekidaču, do otvaranja kruga dolazi kada se kontakti dovedu u takav položaj da se između njih stvori zračni razmak. Žice u dalekovodimatakođer su izolirani jedno od drugog slojem zraka.
Strukturna jedinica bilo kojeg plina je molekula. Sastoji se od atomskih jezgri i elektronskih oblaka, odnosno to je skup električnih naboja raspoređenih u prostoru na neki način. Molekula plina može biti električni dipol zbog osobitosti svoje strukture, ili može biti polarizirana pod djelovanjem vanjskog električnog polja. Velika većina molekula koje tvore plin električki je neutralna u normalnim uvjetima, budući da se naboji u njima međusobno poništavaju.
Ako se na plin primijeni električno polje, molekule će poprimiti dipolnu orijentaciju, zauzimajući prostorni položaj koji kompenzira učinak polja. Nabijene čestice prisutne u plinu pod utjecajem Coulombovih sila počet će se kretati: pozitivni ioni - u smjeru katode, negativni ioni i elektroni - prema anodi. Međutim, ako polje nema dovoljan potencijal, ne nastaje jedan usmjereni tok naboja, već se radije može govoriti o zasebnim strujama, toliko slabim da ih treba zanemariti. Plin se ponaša kao dielektrik.
Dakle, za pojavu električne struje u plinovima potrebna je velika koncentracija slobodnih nositelja naboja i prisutnost polja.
Ionizacija
Proces lavinskog povećanja broja slobodnih naboja u plinu naziva se ionizacija. Sukladno tome, plin u kojem se nalazi značajna količina nabijenih čestica naziva se ionizirani. U takvim plinovima nastaje električna struja.
Proces ionizacije povezan je s narušavanjem neutralnosti molekula. Kao rezultat odvajanja elektrona pojavljuju se pozitivni ioni, vezanje elektrona na molekulu dovodi do stvaranja negativnog iona. Osim toga, postoji mnogo slobodnih elektrona u ioniziranom plinu. Pozitivni ioni i posebno elektroni glavni su nosioci naboja za električnu struju u plinovima.
Ionizacija se događa kada se čestici prenese određena količina energije. Dakle, vanjski elektron u sastavu molekule, nakon što je primio ovu energiju, može napustiti molekulu. Međusobni sudari nabijenih čestica s neutralnim dovode do izbacivanja novih elektrona, a proces poprima lavinski karakter. Kinetička energija čestica također se povećava, što uvelike potiče ionizaciju.
Odakle dolazi energija koja se koristi za pobuđivanje električne struje u plinovima? Ionizacija plinova ima nekoliko izvora energije, prema kojima je uobičajeno imenovati njezine vrste.
- Ionizacija električnim poljem. U tom se slučaju potencijalna energija polja pretvara u kinetičku energiju čestica.
- Termoionizacija. Povećanje temperature također dovodi do stvaranja velikog broja besplatnih naboja.
- Fotoionizacija. Bit ovog procesa je da se elektroni opskrbljuju energijom kvantima elektromagnetskog zračenja - fotonima, ako imaju dovoljno visoku frekvenciju (ultraljubičasto, rendgensko, gama kvanti).
- Udarna ionizacija je rezultat pretvorbe kinetičke energije sudarajućih čestica u energiju razdvajanja elektrona. Kao itermička ionizacija, služi kao glavni faktor uzbude u plinovima električne struje.
Svaki plin karakterizira određena granična vrijednost - energija ionizacije potrebna da se elektron odvoji od molekule, prevladavajući potencijalnu barijeru. Ova vrijednost za prvi elektron kreće se od nekoliko volti do dva desetka volti; potrebno je više energije za uklanjanje sljedećeg elektrona iz molekule, i tako dalje.
Treba uzeti u obzir da se istovremeno s ionizacijom u plinu događa i obrnuti proces - rekombinacija, odnosno obnova neutralnih molekula pod djelovanjem Coulombovih sila privlačenja.
Plinsko pražnjenje i njegove vrste
Dakle, električna struja u plinovima nastaje zbog uređenog kretanja nabijenih čestica pod djelovanjem električnog polja primijenjenog na njih. Prisutnost takvih naboja, pak, moguća je zbog različitih faktora ionizacije.
Dakle, termička ionizacija zahtijeva značajne temperature, ali otvoreni plamen zbog nekih kemijskih procesa doprinosi ionizaciji. Čak i pri relativno niskoj temperaturi u prisutnosti plamena, bilježi se pojava električne struje u plinovima, a eksperiment s vodljivošću plina olakšava to provjeriti. Između ploča napunjenog kondenzatora potrebno je postaviti plamen plamenika ili svijeće. Krug koji je prethodno bio otvoren zbog zračnog raspora u kondenzatoru će se zatvoriti. Galvanometar spojen na strujni krug pokazat će prisutnost struje.
Električna struja u plinovima naziva se plinsko pražnjenje. Mora se imati na umu dada bi se održala stabilnost pražnjenja, djelovanje ionizatora mora biti konstantno, budući da zbog stalne rekombinacije plin gubi svoja električna vodljiva svojstva. Neki nositelji električne struje u plinovima - ioni - neutraliziraju se na elektrodama, drugi - elektroni - koji padaju na anodu, usmjeravaju se na "plus" izvora polja. Ako ionizirajući faktor prestane djelovati, plin će odmah ponovno postati dielektrik, a struja će prestati. Takva struja, ovisna o djelovanju vanjskog ionizatora, naziva se nesamoodrživo pražnjenje.
Značajke prolaska električne struje kroz plinove opisane su posebnom ovisnošću jakosti struje o naponu - strujno-naponskom karakteristikom.
Razmotrimo razvoj plinskog pražnjenja na grafu ovisnosti struje i napona. Kada napon poraste na određenu vrijednost U1, struja raste proporcionalno tome, odnosno ispunjen je Ohmov zakon. Raste kinetička energija, a time i brzina naboja u plinu, a taj proces je ispred rekombinacije. Pri vrijednostima napona od U1 do U2 ovaj omjer je narušen; kada se dosegne U2, svi nosioci naboja dolaze do elektroda bez vremena za rekombinaciju. Uključeni su svi slobodni naboji, a daljnji porast napona ne dovodi do povećanja struje. Ovakva priroda kretanja naboja naziva se struja zasićenja. Dakle, možemo reći da je električna struja u plinovima također posljedica osobitosti ponašanja ioniziranog plina u električnim poljima različite jakosti.
Kada razlika potencijala na elektrodama dosegne određenu vrijednost U3, napon postaje dovoljan da električno polje izazove ionizaciju plina nalik lavini. Kinetička energija slobodnih elektrona već je dovoljna za udarnu ionizaciju molekula. Istovremeno, njihova brzina u većini plinova iznosi oko 2000 km/s i više (izračunava se po približnoj formuli v=600 Ui, gdje je Ui je ionizacijski potencijal). U ovom trenutku dolazi do sloma plina i značajnog povećanja struje zbog unutarnjeg izvora ionizacije. Stoga se takvo pražnjenje naziva neovisnim.
Prisutnost vanjskog ionizatora u ovom slučaju više ne igra ulogu u održavanju električne struje u plinovima. Samoodrživo pražnjenje u različitim uvjetima i s različitim karakteristikama izvora električnog polja može imati određene značajke. Postoje takve vrste samopražnjenja kao što su sjaj, iskra, luk i korona. Pogledat ćemo kako se električna struja ponaša u plinovima, ukratko za svaku od ovih vrsta.
Glow Discharge
U razrijeđenom plinu, razlika potencijala od 100 (pa i manje) do 1000 volti dovoljna je za pokretanje neovisnog pražnjenja. Stoga se užareno pražnjenje, karakterizirano malom jakošću struje (od 10-5 A do 1 A), javlja pri tlakovima ne većim od nekoliko milimetara žive.
U cijevi s razrijeđenim plinom i hladnim elektrodama, svjetleći izboj koji se pojavljuje izgleda kao tanka svjetleća vrpca između elektroda. Ako nastavite crpiti plin iz cijevi, promatrat ćetezamućenje kabela, a pri pritiscima od desetinki milimetara žive, sjaj gotovo u potpunosti ispunjava cijev. Sjaj je odsutan u blizini katode - u takozvanom tamnom katodnom prostoru. Ostatak se naziva pozitivnim stupcem. U ovom slučaju, glavni procesi koji osiguravaju postojanje pražnjenja lokalizirani su upravo u tamnom katodnom prostoru iu području uz njega. Ovdje se nabijene čestice plina ubrzavaju, izbacujući elektrone iz katode.
U svjetlećem pražnjenju uzrok ionizacije je emisija elektrona s katode. Elektroni koje emitira katoda proizvode udarnu ionizaciju molekula plina, pozitivni ioni koji se pojavljuju uzrokuju sekundarnu emisiju s katode i tako dalje. Sjaj pozitivnog stupca uglavnom je posljedica trzaja fotona pobuđenim molekulama plina, a različite plinove karakterizira sjaj određene boje. Pozitivni stupac sudjeluje u stvaranju užarenog pražnjenja samo kao dio električnog kruga. Ako približite elektrode, možete postići nestanak pozitivnog stupca, ali pražnjenje neće prestati. Međutim, s daljnjim smanjenjem udaljenosti između elektroda, svjetleće pražnjenje neće moći postojati.
Treba napomenuti da za ovu vrstu električne struje u plinovima fizika nekih procesa još nije u potpunosti razjašnjena. Na primjer, priroda sila koje uzrokuju ekspanziju na katodnoj površini područja koje sudjeluje u pražnjenju ostaje nejasna.
Iskreni izboj
Sparkslom ima impulzivan karakter. Javlja se pri tlakovima blizu normalnog atmosferskog, u slučajevima kada snaga izvora električnog polja nije dovoljna za održavanje stacionarnog pražnjenja. U ovom slučaju, jakost polja je velika i može doseći 3 MV/m. Pojavu karakterizira naglo povećanje električne struje pražnjenja u plinu, pri čemu napon iznimno brzo pada, a pražnjenje prestaje. Tada se potencijalna razlika ponovno povećava i cijeli se proces ponavlja.
S ovom vrstom pražnjenja formiraju se kratkotrajni iskristi kanali, čiji rast može početi iz bilo koje točke između elektroda. To je zbog činjenice da se udarna ionizacija događa nasumično na mjestima gdje je trenutno koncentriran najveći broj iona. U blizini kanala iskri, plin se brzo zagrijava i podliježe toplinskom širenju, što uzrokuje akustične valove. Stoga je pražnjenje iskre popraćeno pucketanjem, kao i oslobađanjem topline i svijetlim sjajem. Procesi ionizacije lavine stvaraju visoke tlakove i temperature do 10 tisuća stupnjeva i više u kanalu iskri.
Najjasniji primjer prirodnog iskrišta je munja. Promjer glavnog kanala iskri munje može se kretati od nekoliko centimetara do 4 m, a duljina kanala može doseći 10 km. Magnituda struje doseže 500 tisuća ampera, a potencijalna razlika između grmljavinskog oblaka i Zemljine površine doseže milijardu volti.
Najduža munja od 321 km uočena je 2007. u Oklahomi, SAD. Rekorder po trajanju bila je munja, snimljena2012. u francuskim Alpama – trajalo je preko 7,7 sekundi. Kada ga udari grom, zrak se može zagrijati do 30 tisuća stupnjeva, što je 6 puta više od temperature vidljive površine Sunca.
U slučajevima kada je snaga izvora električnog polja dovoljno velika, iskre se razvija u luk.
Lučno pražnjenje
Ovu vrstu samopražnjenja karakterizira visoka gustoća struje i nizak (manji od svjetlećeg pražnjenja) napon. Udaljenost proboja je mala zbog blizine elektroda. Pražnjenje se pokreće emisijom elektrona s površine katode (za atome metala, ionizacijski potencijal je mali u usporedbi s molekulama plina). Tijekom kvara između elektroda stvaraju se uvjeti pod kojima plin provodi električnu struju, te dolazi do iskričnog pražnjenja koje zatvara strujni krug. Ako je snaga izvora napona dovoljno velika, iskre se pretvaraju u stabilan električni luk.
Ionizacija tijekom lučnog pražnjenja doseže gotovo 100%, jakost struje je vrlo visoka i može biti od 10 do 100 ampera. Pri atmosferskom tlaku, luk se može zagrijati do 5-6 tisuća stupnjeva, a katoda - do 3 tisuće stupnjeva, što dovodi do intenzivne termoionske emisije s njegove površine. Bombardiranje anode elektronima dovodi do djelomičnog uništenja: na njoj se formira udubljenje - krater s temperaturom od oko 4000 °C. Povećanje tlaka uzrokuje još veći porast temperature.
Prilikom širenja elektroda, lučno pražnjenje ostaje stabilno do određene udaljenosti,što vam omogućuje da se nosite s njim u onim područjima električne opreme gdje je štetno zbog korozije i izgaranja kontakata uzrokovanih njime. To su uređaji kao što su visokonaponski i automatski prekidači, kontaktori i drugi. Jedna od metoda za suzbijanje luka koji nastaje pri otvaranju kontakata je korištenje lučnih žlebova koji se temelje na principu proširenja luka. Koriste se i mnoge druge metode: premošćivanje kontakata, korištenje materijala s visokim potencijalom ionizacije i tako dalje.
Koronsko pražnjenje
Razvoj koronskog pražnjenja događa se pri normalnom atmosferskom tlaku u oštro nehomogenim poljima u blizini elektroda s velikom zakrivljenošću površine. To mogu biti tornjevi, jarboli, žice, razni elementi električne opreme koji imaju složen oblik, pa čak i ljudska kosa. Takva elektroda naziva se korona elektroda. Ionizacijski procesi i, prema tome, sjaj plina odvijaju se samo u njegovoj blizini.
Korona može nastati i na katodi (negativna korona) kada je bombardirana ionima, i na anodi (pozitivna) kao rezultat fotoionizacije. Negativna korona, u kojoj je proces ionizacije usmjeren od elektrode kao rezultat toplinske emisije, karakterizira ujednačen sjaj. U pozitivnoj koroni mogu se uočiti strimeri - svjetleće linije izlomljene konfiguracije koje se mogu pretvoriti u iskriste kanale.
Primjer koronskog pražnjenja u prirodnim uvjetima su požari Svetog Elma koji se javljaju na vrhovima visokih jarbola, krošnjama drveća i tako dalje. Nastaju pod visokim naponom električne energijepolja u atmosferi, često prije grmljavine ili tijekom snježne oluje. Osim toga, bili su pričvršćeni na kožu zrakoplova koji su pali u oblak vulkanskog pepela.
Koronsko pražnjenje na žicama dalekovoda dovodi do značajnih gubitaka električne energije. Pri visokom naponu koronsko pražnjenje može se pretvoriti u luk. Bori se na razne načine, na primjer, povećanjem radijusa zakrivljenosti vodiča.
Električna struja u plinovima i plazmi
Potpuno ili djelomično ionizirani plin naziva se plazma i smatra se četvrtim stanjem materije. U cjelini, plazma je električno neutralna, budući da je ukupni naboj njezinih sastavnih čestica jednak nuli. To ga razlikuje od drugih sustava nabijenih čestica, kao što su snopovi elektrona.
U prirodnim uvjetima plazma nastaje, u pravilu, na visokim temperaturama zbog sudara atoma plina pri velikim brzinama. Velika većina barionske tvari u Svemiru je u stanju plazme. To su zvijezde, dio međuzvjezdane materije, međugalaktički plin. Zemljina ionosfera je također rijetka, slabo ionizirana plazma.
Stupanj ionizacije važna je karakteristika plazme - o tome ovise njezina vodljiva svojstva. Stupanj ionizacije definira se kao omjer broja ioniziranih atoma i ukupnog broja atoma po jedinici volumena. Što je plazma više ionizirana, to je veća njezina električna vodljivost. Osim toga, karakterizira ga visoka mobilnost.
Vidimo, dakle, da su plinovi koji provode elektricitet unutrakanali pražnjenja nisu ništa drugo nego plazma. Stoga su sjajna i koronska pražnjenja primjeri hladne plazme; iskristi kanal munje ili električni luk primjeri su vruće, gotovo potpuno ionizirane plazme.
Električna struja u metalima, tekućinama i plinovima - razlike i sličnosti
Razmotrimo značajke koje karakteriziraju plinsko pražnjenje u usporedbi sa svojstvima struje u drugim medijima.
U metalima, struja je usmjereno kretanje slobodnih elektrona koje ne uključuje kemijske promjene. Vodiči ove vrste nazivaju se vodiči prve vrste; oni uključuju, osim metala i legura, ugljen, neke soli i okside. Odlikuje ih elektronička vodljivost.
Provodniki druge vrste su elektroliti, odnosno tekuće vodene otopine lužina, kiselina i soli. Prolazak struje povezan je s kemijskom promjenom elektrolita – elektrolizom. Ioni tvari otopljene u vodi, pod djelovanjem razlike potencijala, kreću se u suprotnim smjerovima: pozitivni kationi - na katodu, negativni anioni - na anodu. Proces je popraćen razvijanjem plina ili taloženjem metalnog sloja na katodi. Provodnike druge vrste karakterizira ionska vodljivost.
Što se tiče vodljivosti plinova, ona je, prvo, privremena, a drugo, ima znakove sličnosti i razlika sa svakim od njih. Dakle, električna struja u elektrolitima i plinovima je drift suprotno nabijenih čestica usmjerenih prema suprotnim elektrodama. Međutim, dok elektroliti karakterizira isključivo ionska vodljivost, u plinskom pražnjenju s kombinacijomelektronske i ionske vrste vodljivosti, vodeća uloga pripada elektronima. Druga razlika između električne struje u tekućinama i plinovima je priroda ionizacije. U elektrolitu se molekule otopljenog spoja disociraju u vodi, ali u plinu se molekule ne razgrađuju, već samo gube elektrone. Stoga, plinsko pražnjenje, poput struje u metalima, nije povezano s kemijskim promjenama.
Fizika električne struje u tekućinama i plinovima također nije ista. Vodljivost elektrolita u cjelini je pokorna Ohmovom zakonu, ali se ne opaža tijekom plinskog pražnjenja. Volt-amperska karakteristika plinova ima mnogo složeniji karakter povezan sa svojstvima plazme.
Vrijedi spomenuti opća i karakteristična obilježja električne struje u plinovima i vakuumu. Vakum je gotovo savršen dielektrik. "Gotovo" - jer je u vakuumu, unatoč odsutnosti (točnije, iznimno niskoj koncentraciji) slobodnih nositelja naboja, moguća i struja. No potencijalni nositelji već su prisutni u plinu, samo ih treba ionizirati. Nosioci naboja se iz materije dovode u vakuum. U pravilu se to događa u procesu emisije elektrona, na primjer, kada se katoda zagrijava (termionska emisija). Ali, kao što smo vidjeli, emisija također igra važnu ulogu u raznim vrstama plinskih pražnjenja.
Upotreba plinskih pražnjenja u tehnologiji
Štetni učinci određenih pražnjenja već su ukratko razmotreni gore. Sada obratimo pozornost na prednosti koje donose u industriji iu svakodnevnom životu.
Svjetleće pražnjenje koristi se u elektrotehnici(stabilizatori napona), u tehnologiji premaza (metoda katodnog raspršivanja temeljena na fenomenu katodne korozije). U elektronici se koristi za proizvodnju ionskih i elektronskih zraka. Poznato područje primjene svjetlećih pražnjenja su fluorescentne i tzv. ekonomične svjetiljke te ukrasne neonske i argonske cijevi. Osim toga, žarenje se koristi u plinskim laserima i u spektroskopiji.
Svjetničko pražnjenje koristi se u osiguračima, u elektroerozivnim metodama precizne obrade metala (iskro rezanje, bušenje i tako dalje). Ali najpoznatiji je po upotrebi u svjećicama motora s unutarnjim izgaranjem i u kućanskim aparatima (plinske peći).
Lučno pražnjenje, koje se prvi put koristi u tehnici rasvjete davne 1876. godine (Jabločkovova svijeća - "rusko svjetlo"), još uvijek služi kao izvor svjetlosti - na primjer, u projektorima i snažnim reflektorima. U elektrotehnici se luk koristi u živinim ispravljačima. Osim toga, koristi se u električnom zavarivanju, rezanju metala, industrijskim električnim pećima za taljenje čelika i legura.
Corona pražnjenje se koristi u elektrofilterima za čišćenje ionskog plina, brojačima elementarnih čestica, gromobranima, sustavima klimatizacije. Koronsko pražnjenje također radi u fotokopirnim i laserskim pisačima, gdje puni i prazni fotoosjetljivi bubanj i prenosi prah iz bubnja na papir.
Dakle, plinska pražnjenja svih vrsta nalaze najvišeširoka primjena. Električna struja u plinovima uspješno se i učinkovito koristi u mnogim područjima tehnologije.
