Ionizacija plinova. Nesamoodrživo i samoodrživo plinsko pražnjenje

LABORATORIJ #2.5

"Proučavanje plinskog pražnjenja pomoću tiratrona"

Cilj: proučavati procese koji se događaju u plinovima tijekom nesamoodrživog i samoodrživog pražnjenja u plinovima, proučavati princip rada tiratrona, izgraditi strujno-naponske i startne karakteristike tiratrona.

TEORIJSKI DIO

Ionizacija plinova. Nesamoodrživo i samoodrživo plinsko pražnjenje

Atomi i molekule plinova u normalnim svakodnevnim uvjetima su električno neutralni, t.j. ne sadrže slobodne nositelje naboja, što znači da, poput vakuumske praznine, ne bi trebali provoditi električnu energiju. Zapravo, plinovi uvijek sadrže određenu količinu slobodnih elektrona, pozitivnih i negativnih iona, pa stoga, iako slabo, provode električnu energiju. Trenutno.

Slobodni nosioci naboja u plinu obično nastaju kao rezultat izbacivanja elektrona iz elektronske ljuske atoma plina, t.j. kao rezultat ionizacija plin. Ionizacija plina je posljedica vanjskog energetskog utjecaja: zagrijavanja, bombardiranja česticama (elektroni, ioni itd.), elektromagnetskog zračenja (ultraljubičastog, rendgenskog, radioaktivnog itd.). U tom slučaju plin koji se nalazi između elektroda provodi električnu struju, koja se naziva plinsko pražnjenje. Vlast ionizirajući faktor ( ionizator) je broj parova suprotno nabijenih nositelja naboja koji nastaju ionizacijom po jedinici volumena plina u jedinici vremena. Uz proces ionizacije, postoji i obrnuti proces - rekombinacija: interakcija suprotno nabijenih čestica, uslijed koje se pojavljuju električni neutralni atomi ili molekule i emitiraju se elektromagnetski valovi. Ako električna vodljivost plina zahtijeva prisutnost vanjskog ionizatora, tada se takvo pražnjenje naziva ovisni. Ako je primijenjeno električno polje (EF) dovoljno veliko, tada je broj slobodnih nositelja naboja koji nastaju uslijed udarne ionizacije uslijed vanjskog polja dovoljan za održavanje električnog pražnjenja. Takvo pražnjenje ne treba vanjski ionizator i zove se neovisna.

Razmotrimo strujno-naponsku karakteristiku (CVC) plinskog pražnjenja u plinu koji se nalazi između elektroda (slika 1).

S nesamoodrživim plinskim pražnjenjem u području slabih električnih polja (I), broj naboja nastalih kao rezultat ionizacije jednak je broju naboja koji se međusobno rekombiniraju. Zbog ove dinamičke ravnoteže, koncentracija slobodnih nositelja naboja u plinu ostaje praktički konstantna i, kao rezultat, Ohmov zakon (1):

gdje E je jakost električnog polja; n– koncentracija; j je gustoća struje.

i ( ) su pokretljivost nositelja pozitivnog i negativnog naboja;<υ > je brzina drifta usmjerenog gibanja naboja.

U području visokog EC (II) uočava se zasićenje struje u plinu (I), budući da svi nosioci stvoreni ionizatorom sudjeluju u usmjerenom driftu, u stvaranju struje.

Daljnjim povećanjem polja (III), nosioci naboja (elektroni i ioni), krećući se ubrzanom brzinom, ioniziraju neutralne atome i molekule plina ( udarna ionizacija), što rezultira stvaranjem dodatnih nositelja naboja i stvaranjem elektronska lavina(elektroni su lakši od iona i značajno su ubrzani u EP) – povećava se gustoća struje ( plinsko pojačanje). Kada se vanjski ionizator isključi, plinsko pražnjenje će se zaustaviti zbog procesa rekombinacije.

Kao rezultat ovih procesa nastaju tokovi elektrona, iona i fotona, broj čestica raste poput lavine, dolazi do naglog povećanja struje bez praktički nema pojačanja električnog polja između elektroda. Nastaje neovisno pražnjenje plina. Prijelaz iz nekonzistentnog plinskog pražnjenja u neovisni naziva se email slom, te napon između elektroda , gdje d- razmak između elektroda naziva se probojni napon.

Za e-mail sloma, potrebno je da elektroni na svom putu imaju vremena da dobiju kinetičku energiju koja premašuje ionizacijski potencijal molekula plina, a s druge strane da pozitivni ioni na svom putu imaju vremena steći kinetičku energiju veću od radna funkcija materijala katode. Budući da srednji slobodni put ovisi o konfiguraciji elektroda, udaljenosti između njih d i broju čestica po jedinici volumena (i, posljedično, o tlaku), paljenje samoodrživog pražnjenja može se kontrolirati promjenom razmak između elektroda d s njihovom nepromijenjenom konfiguracijom, te promjenom tlaka P. Ako je rad Pd Ispostavilo se da je isto, uz ostale jednake stvari, onda bi priroda promatranog kvara trebala biti ista. Ovaj zaključak se odrazio u eksperimentalnom zakon e (1889) njemački. fizika F. Pašen(1865–1947):

Napon paljenja plinskog pražnjenja za danu vrijednost umnoška tlaka plina i udaljenosti između elektroda Pd je konstantna vrijednost karakteristična za dati plin .

Postoji nekoliko vrsta samopražnjenja.

užareno pražnjenje javlja se pri niskim pritiscima. Ako se na elektrode zalemljene u staklenu cijev dužine 30–50 cm primijeni konstantni napon od nekoliko stotina volti, postupno ispumpujući zrak iz cijevi, tada pri tlaku od 5,3–6,7 kPa dolazi do pražnjenja u obliku svjetlećeg vijugavi crvenkasti kabel koji dolazi od katode do anode. Daljnjim smanjenjem tlaka filament se zgušnjava, a pri tlaku od » 13 Pa, pražnjenje ima oblik shematski prikazan na sl. 2.

Tanki svjetleći sloj pričvršćen je izravno na katodu 1 - katodni film , a slijede 2 - katodni tamni prostor , prolazeći dalje u svjetleći sloj 3 – tinjajući sjaj , koji ima oštru granicu na strani katode, a na strani anode postupno nestaje. Slojevi 1-3 čine katodni dio užarenog pražnjenja. Prati tinjajući sjaj faraday tamni prostor 4. Ostatak cijevi je napunjen svjetlosnim plinom - pozitivan post - 5.

Potencijal varira neravnomjerno duž cijevi (vidi sliku 2). Gotovo cijeli pad napona događa se u prvim dijelovima pražnjenja, uključujući tamni katodni prostor.

Glavni procesi potrebni za održavanje pražnjenja odvijaju se u njegovom katodnom dijelu:

1) pozitivni ioni, ubrzani padom katodnog potencijala, bombardiraju katodu i iz nje izbacuju elektrone;

2) elektroni se ubrzavaju u katodnom dijelu i dobivaju dovoljnu energiju i ioniziraju molekule plina. Nastaje mnogo elektrona i pozitivnih iona. U području tinjanja odvija se intenzivna rekombinacija elektrona i iona, oslobađa se energija čiji dio ide na dodatnu ionizaciju. Elektroni koji su prodrli u Faradayev tamni prostor postupno akumuliraju energiju, tako da nastaju uvjeti potrebni za postojanje plazme (visok stupanj ionizacije plina). Pozitivni stupac je plazma s plinskim pražnjenjem. Djeluje kao vodič koji povezuje anodu s dijelovima katode. Sjaj pozitivnog stupca uzrokovan je uglavnom prijelazima pobuđenih molekula u osnovno stanje. Molekule različitih plinova tijekom takvih prijelaza emitiraju zračenje različitih valnih duljina. Stoga, sjaj stupa ima karakteristiku boje za svaki plin. Ovo se koristi za izradu svjetlećih cijevi. Neonske cijevi daju crveni sjaj, argonske cijevi daju plavkasto-zeleni.

lučno pražnjenje promatrano pri normalnom i povišenom tlaku. U tom slučaju struja doseže desetke i stotine ampera, a napon na plinskom jazu pada na nekoliko desetaka volti. Takav se pražnjenje može dobiti iz izvora niskog napona ako se elektrode prvo spoje dok se ne dodirnu. Na mjestu dodira elektrode se jako zagrijavaju zbog Joule topline, a nakon što se uklone jedna od druge, katoda postaje izvor elektrona zbog termoionske emisije. Glavni procesi koji podržavaju pražnjenje su termoionska emisija s katode i toplinska ionizacija molekula zbog visoke temperature plina u međuelektrodnom razmaku. Gotovo cijeli međuelektrodni prostor ispunjen je visokotemperaturnom plazmom. Služi kao vodič kroz koji elektroni koje emitira katoda dolaze do anode. Temperatura plazme je ~6000 K. Visoka temperatura katode održava se bombardiranjem pozitivnim ionima. Zauzvrat, anoda, pod djelovanjem brzih elektrona koji na nju upadaju iz plinskog jaza, jače se zagrijava i može se čak rastopiti, a na njezinoj površini se formira udubljenje - krater - najsvjetlije mjesto luka. Električni luk prvi put je primljen 1802. Ruski fizičar V. Petrov (1761–1834), koji je koristio dva komada ugljena kao elektrode. Vruće ugljične elektrode davale su blistav sjaj, a između njih se pojavio svijetli stup svjetlećeg plina - električni luk. Lučno pražnjenje se koristi kao izvor jakog svjetla u projektorskim reflektorima, kao i za rezanje i zavarivanje metala. Postoji lučno pražnjenje s hladnom katodom. Elektroni se pojavljuju zbog poljske emisije s katode, temperatura plina je niska. Ionizacija molekula nastaje zbog udara elektrona. Između katode i anode pojavljuje se plazma plinskog pražnjenja.

iskreni pražnjenje javlja se između dvije elektrode pri velikoj jakosti električnog polja između njih . Između elektroda skače iskra u obliku jarko svjetlećeg kanala, koji povezuje obje elektrode. Plin se u blizini iskre zagrijava na visoku temperaturu, dolazi do razlike tlaka, što dovodi do pojave zvučnih valova, karakteristične pukotine.

Pojavi iskre prethodi stvaranje elektronskih lavina u plinu. Predak svake lavine je elektron koji ubrzava u jakom električnom polju i proizvodi ionizaciju molekula. Rezultirajući elektroni, zauzvrat, ubrzavaju i proizvode sljedeću ionizaciju, dolazi do lavinskog povećanja broja elektrona - lavina.

Nastali pozitivni ioni ne igraju značajnu ulogu, jer nepokretni su. Elektronske lavine se sijeku i tvore vodljivi kanal streamer, duž koje jure elektroni od katode do anode – ima slom.

Munja je primjer snažnog iskre. Različiti dijelovi grmljavinskog oblaka nose naboje različitih znakova ("-" je okrenut prema Zemlji). Stoga, ako se oblaci približe jedan drugome sa suprotno nabijenim dijelovima, između njih dolazi do proboja iskre. Razlika potencijala između nabijenog oblaka i Zemlje je ~10 8 V.

Iskreni pražnjenje služi za pokretanje eksplozija i procesa izgaranja (svijeće u motorima s unutarnjim izgaranjem), za registriranje nabijenih čestica u brojačima iskri, za obradu metalnih površina itd.

Koronski (koronarni) iscjedak javlja se između elektroda koje imaju različitu zakrivljenost (jedna od elektroda je tanka žica ili točka). Kod koronskog pražnjenja ionizacija i pobuđivanje molekula se ne događaju u cijelom međuelektrodnom prostoru, već blizu vrha, gdje je intenzitet visok i prelazi E slom. U ovom dijelu plin svijetli, sjaj ima oblik korone koja okružuje elektrodu.

Plazma i njena svojstva

Plazma naziva se jako ionizirani plin, u kojem je koncentracija pozitivnih i negativnih naboja gotovo ista. Razlikovati visokotemperaturna plazma , što se događa na ultravisokim temperaturama, i plazma plinskog pražnjenja koji proizlaze iz ispuštanja plina.

Plazma ima sljedeća svojstva:

Visok stupanj ionizacije, u granici - potpuna ionizacija (svi elektroni su odvojeni od jezgri);

Koncentracija pozitivnih i negativnih čestica u plazmi je praktički ista;

visoka električna vodljivost;

sjaj;

Snažna interakcija s električnim i magnetskim poljima;

Oscilacije elektrona u plazmi visoke frekvencije (>10 8 Hz), uzrokujući opću vibraciju plazme;

Istodobna interakcija ogromnog broja čestica.

Proces nastajanja i formiranja lavina koji je gore razmatran uslijed udarne ionizacije ne gubi karakter nesamoodrživog pražnjenja, jer u slučaju prestanka rada vanjskog ionizatora, pražnjenje brzo nestaje.

Međutim, pojava i stvaranje lavine naboja nije ograničeno na proces udarne ionizacije. S daljnjim, relativno malim porastom napona, na elektrodama praznine plinskog pražnjenja, pozitivni ioni dobivaju više energije i, udarajući u katodu, izbijaju elektrone iz nje. sekundarna emisija elektrona . Nastali slobodni elektroni na putu do anode proizvode udarnu ionizaciju molekula plina. Pozitivni ioni na putu do katode u električnim poljima sami ioniziraju molekule plina.

Ako se svaki elektron izbačen iz katode može ubrzati i proizvesti udarnu ionizaciju molekula plina, tada će se pražnjenje održati čak i nakon što prestane djelovanje vanjskog ionizatora. Napon pri kojem se razvija neovisno pražnjenje naziva se napon zatvaranja.

Na temelju onoga što je rečeno, neovisno pražnjenje nazvat ćemo takvo plinsko pražnjenje u kojem nosioci struje nastaju kao posljedica onih procesa u plinu koji su zbog napona primijenjenog na plin. Oni. ovo pražnjenje se nastavlja i nakon prestanka rada ionizatora.

Kada je međuelektrodni razmak prekriven potpuno vodljivom plazmom plinskog pražnjenja, on slom . Napon pri kojem dolazi do sloma međuelektrodnog razmaka naziva se probojni napon. I odgovarajuća jakost električnog polja se zove napetost sloma.

Razmotrimo uvjete za nastanak i održavanje neovisnog pražnjenja.

Pri visokim naponima između elektroda plinskog razmaka struja se jako povećava. To je zbog činjenice da se elektroni koji nastaju pod djelovanjem vanjskog ionizatora, snažno ubrzani električnim poljem, sudaraju s neutralnim molekulama plina i ioniziraju ih. Kao rezultat ovoga, sekundarni elektroni i pozitivni ioni(proces 1, slika 8.4). Pozitivni ioni kreću se prema katodi, a elektroni prema anodi. Sekundarni elektroni ponovno ioniziraju molekule plina, pa će se ukupan broj elektrona i iona povećavati kako se elektroni poput lavine kreću prema anodi. To je razlog povećanja električne struje. Opisani proces se zove udarna ionizacija.

Međutim, udarna ionizacija pod djelovanjem elektrona nije dovoljna za održavanje pražnjenja kada se ukloni vanjski ionizator. Za to je potrebno da lavine elektrona budu “reproducibilne”, tj. tako da se u plinu pod utjecajem nekih procesa pojavljuju novi elektroni. To su sljedeći procesi:

• pozitivni ioni ubrzani električnim poljem, udarajući u katodu, izbacuju elektrone iz nje (proces 2);
• pozitivni ioni, sudarajući se s molekulama plina, prenose ih u pobuđeno stanje; prijelaz takvih molekula u osnovno stanje popraćen je emisijom fotona (proces 3);
• foton koji apsorbira neutralna molekula ga ionizira, dolazi do procesa fotonske ionizacije molekula (proces 4);
• izbacivanje elektrona s katode pod djelovanjem fotona (proces 5);
• konačno, pri značajnim naponima između elektroda plinskog jaza dolazi trenutak kada pozitivni ioni, koji imaju kraći srednji slobodni put od elektrona, dobiju energiju dovoljnu za ioniziranje molekula plina (proces 6), a ionske lavine jure na negativnu ploču . Kada uz elektronske lavine postoje i ionske lavine, struja raste gotovo bez povećanja napona.

Proces prosljeđivanja e-pošte. struja kroz plin tzv. plinsko pražnjenje.

Postoje 2 vrste pražnjenja: neovisna i nesamostalna.

Ako se stvori električna vodljivost plina. vanjski ionizatori, zatim el. struja u njemu zove se. nesamost. plinsko pražnjenje. V

Smatrati. email shema, komp. od kondenzatora, galvanometra, voltmetra i izvora struje.

Između ploča ravnog kondenzatora je zrak atmosferskog tlaka i prostorija t. Ako se na kondenzator primijeni U od nekoliko stotina volti, a ionizator ne radi, tada se strujni galvanometar ne registrira, međutim, čim prostor između ploča počne prodirati. protoka UV zraka, galvanometar će početi registrirati. Trenutno. Ako je izvor struje isključen, protok struje kroz krug će se zaustaviti, ova struja je nesamoodrživo pražnjenje.

j = γ*E - Ohmov zakon za el. struja u plinovima.

Uz dovoljno jaku e. polje u plinu započinje proces samoionizacije, zbog čega struja može postojati u odsutnosti vanjskog ionizatora. Ova vrsta struje naziva se neovisno plinsko pražnjenje. Procesi samoionizacije općenito su sljedeći. U prirodi. konv. Plin uvijek sadrži malu količinu slobodnih elektrona i iona. Stvorile su ih takve prirode. ionizatori, poput svemira. zrake, zračenje radioaktivnih tvari, soda u tlu i vodi. Prilično jaka e-pošta. polje može ubrzati te čestice do takvih brzina pri kojima njihova kinetička energija prelazi energiju ionizacije kada se elektroni i ioni sudare na putu do elektroda s neutronima. molekule će ionizirati te molekule. arr. pri sudaru se također ubrzavaju novi sekundarni elektroni i ioni. polju i zauzvrat ioniziraju nove neutrone. molekule. Opisana samoionizacija plinova naziva se udarno poliranje. Slobodni elektroni uzrokuju udarnu ionizaciju već pri E=10 3 V/m. Ioni, s druge strane, mogu izazvati udarnu ionizaciju samo pri E=10 5 V/m. Ova razlika je posljedica niza razloga, posebice činjenice da je srednji slobodni put za elektrone mnogo duži nego za ione. Stoga ioni dobivaju energiju potrebnu za udarnu ionizaciju pri nižoj jakosti polja od iona. Međutim, čak i kod ne previše jakih polja “+” ioni igraju važnu ulogu u samoionizaciji. Činjenica je da je energija ovih iona cca. dovoljno da izbije elektrone iz metala. Stoga, ioni raspršeni poljem "+", udarajući u metalnu katodu izvora polja, izbijaju elektrone s katode. Ovi izbačeni elektroni polja i proizvode udarnu ionizaciju molekula. Ioni i elektroni, čija je energija nedovoljna za udarnu ionizaciju, ipak ih mogu dovesti u pobudu pri sudaru s molekulama. stanju, odnosno izazvati neke energetske promjene u e-mailu. ljuske neutralne atoma i molekula. Uzbuditi se. atom ili molekula nakon nekog vremena prelazi u normalno stanje, dok emitira foton. Emisija fotona se očituje u sjaju plinova. Osim toga, foton, apsorbira. bilo koja od molekula plina može ga ionizirati, ova vrsta ionizacije se zove fotonionizacija. Neki od fotona udare u katodu, mogu izbaciti elektrone iz nje, što onda uzrokuje udarnu ionizaciju neutrona. molekule.

Kao rezultat udarne i fotonske ionizacije i izbacivanja elektrona iz "+" koda ionima fotonima, broj fotona i elektrona u cjelokupnom volumenu plina naglo raste (lavinovito) i vanjski ionizator nije potrebna za postojanje struje u plinu, a pražnjenje postaje neovisna. CVC plinskog pražnjenja je kako slijedi.

Plinovi se, za razliku od metala i elektrolita, sastoje od električni neutralnih atoma i molekula i u normalnim uvjetima ne sadrže slobodne nosioce struje (elektrone i ione). Tako plinovi u normalnim uvjetima su dielektrici.

Nosioci električne struje u plinovima mogu nastati samo u procesu ionizacije plinova, t.j. tijekom stvaranja iona u plinu.

Proces ionizacije plinovi nastaju pod utjecajem vanjskih utjecaja (vanjski ionizatori): jakog zagrijavanja, ultraljubičastih i rendgenskih zraka.

Proces ionizacije plina je u činjenici da se pod djelovanjem ionizatora jedan ili više elektrona odvaja od atoma. Kao rezultat, umjesto neutralnog atoma nastaju pozitivni ion i elektron. Neki od nastalih elektrona tada mogu biti zarobljeni drugim neutralnim atomima i tada se pojavljuju negativno nabijeni ioni. Odvajanje elektrona od atoma zahtijeva utrošak određene energije - energije ionizacije Wi, koja se mjeri radom protiv sile privlačenja elektrona atomskom jezgrom: Wi = eUi, gdje je e naboj elektrona , Ui je ionizacijski potencijal za danu tvar.

Energija ionizacije ovisi o kemijskoj prirodi plina i energetskom stanju elektrona u atomu

Elektroni i pozitivni ioni koji su nastali tijekom djelovanja ionizatora ne mogu dugo postojati odvojeno i u sudarima ponovno tvore neutralne atome ili molekule.. Ovaj fenomen se zove rekombinacija(suprotno ionizaciji). Stoga, nakon prestanka rada ionizatora, električna struja u plinu nestaje.

Ako je tijekom ionizacije potrebna energija za odvajanje elektrona od atoma, tada se tijekom rekombinacije ta energija oslobađa uglavnom u obliku svjetlosnog zračenja. Pri dovoljnom intenzitetu rekombinacije električnu struju u plinovima prati zamjetan sjaj.

Uz kontinuirano djelovanje ionizatora i odsutnost električnog polja u plinu, uspostavlja se pokretna ravnoteža između ionizacije molekula i rekombinacije iona., karakteriziran određenom koncentracijom iona.

Mehanizam električne vodljivosti plinova.

Kada se ionizirani plin stavi u električno polje, električne sile djeluju na slobodne naboje i oni se kreću paralelno s linijama napetosti: elektroni i negativni ioni - na anodu, pozitivni ioni - na katodu. Na elektrodama se ioni pretvaraju u neutralne atome doniranjem ili prihvaćanjem elektrona, čime se dovršava krug. U plinu se stvara električna struja. Električna struja u plinovima naziva se plinsko pražnjenje. Na ovaj način, vodljivost plinova ima ionsko-elektronsku lik.

plinsko pražnjenje je dvije vrste:

1. Neovisni plinsko pražnjenje.

2. ovisni plinsko pražnjenje.

ovisni ako nastane pod utjecajem bilo kakvih vanjskih čimbenika.

Plinsko pražnjenje (vodljivost plina) naziva se neovisna, ako se stvara u plinu pod utjecajem samog električnog polja, koje postoji između elektroda (anode i katode).

Nesamoodrživo plinsko pražnjenje

Ako električnu vodljivost plina stvaraju vanjski ionizatori, tada se električna struja koja nastaje u njemu naziva nesamoodrživo plinsko pražnjenje. Prestankom djelovanja vanjskih ionizatora prestaje nesamoodrživo pražnjenje. Nesamoodrživo plinsko pražnjenje nije popraćeno plinskim sjajem.

Na sl. prikazuje graf ovisnosti jakosti struje o naponu za nesamoodrživo pražnjenje u plinu. Za crtanje grafikona korištena je staklena cijev s dvije metalne elektrode zalemljene u staklo. Lanac je sastavljen kako je prikazano na slici.

1. Kada se primijeni razlika potencijala, u cijevi nastaje električna struja.

2. Uz malu razliku potencijala, svi nastali ioni ne dospiju do elektroda.

3. Kako se povećava potencijalna razlika (napon) između elektroda cijevi, povećava se udio nabijenih čestica koje dospiju do elektroda. To također povećava struju u krugu.

4. Pri određenom naponu dolazi do točke u kojoj sve nabijene čestice koje ionizator formira u plinu u sekundi stignu do elektroda u isto vrijeme. U ovom slučaju nema daljnjeg povećanja struje. Ova maksimalna struja se zove struja zasićenja .

5. Ako se zaustavi djelovanje ionizatora, tada će prestati i struja u krugu, t.j. plinsko pražnjenje, budući da nema drugih izvora iona. Ako uklonite vanjski ionizator, tada se ne stvaraju novi ioni, a oni koji postoje doći će do elektrode ili rekombinirati.

Neovisno pražnjenje plina

Električno pražnjenje u plinu koje traje nakon prestanka djelovanja vanjskog ionizatora naziva se neovisno pražnjenje plina. Za njegovu provedbu potrebno je da se kao rezultat samog pražnjenja u plinu kontinuirano stvaraju slobodni naboji. Glavni izvor njihove pojave je udarna ionizacija molekula plina.

Ako nakon postizanja zasićenja nastavimo povećavati razliku potencijala između elektroda, tada će jakost struje pri dovoljno visokom naponu naglo porasti (vidi sliku i grafikon 2).

Posljedično, u plinu se pojavljuje dodatni izvor stvaranja iona. Jačina struje može se povećati stotine i tisuće puta, a broj nabijenih čestica koje se pojavljuju tijekom pražnjenja može postati toliko velik da vanjski ionizator više nije potreban za održavanje pražnjenja. Stoga se ionizator sada može ukloniti.

Dominantnu ulogu počinje igrati razlika potencijala između katode i anode. Što je veća razlika potencijala između elektroda, to je veća jakost električnog polja. Kinetička energija elektrona prije sljedećeg sudara proporcionalna je jakosti polja i srednjem slobodnom putu elektrona: meV2/2=eEl. Ako kinetička energija elektrona premašuje rad Ai koji se mora izvršiti da bi se neutralni atom (ili molekula) ionizirao, t.j. meV2/2>Ai, onda kada se elektron sudari s atomom (ili molekulom), on ionizira ( udarna ionizacija). Kao rezultat, umjesto jednog elektrona pojavljuju se dva elektrona (napadaju na atom i istržu se iz atoma). Elektroni koji su se odvojili od molekula kao rezultat ionizacije, zauzvrat, pod djelovanjem polja, mogu dobiti energiju dovoljnu za ionizaciju. Zbog toga se koncentracija iona, a s tim i električna vodljivost plina, jako povećava. Ako uklonite vanjski ionizator, pražnjenje se neće zaustaviti. Budući da takvo pražnjenje ne treba vanjski ionizator za održavanje, naziva se neovisno plinsko pražnjenje.

Ali prisutnost samo ionizacije udarom elektrona još ne dovodi do neovisnog pražnjenja. Za postojanje samoodrživog pražnjenja potrebno je da se u plinu odvijaju drugi procesi koji proizvode nove elektrone umjesto onih koji su otišli na anodu.. Takvi procesi mogu biti sekundarna emisija elektrona s katode(izbijanje elektrona iz katode pozitivnim ionima raspršenim u električnom polju), katoda može emitirati elektrone kada se zagrije na visoku temperaturu. Ovaj proces se zove termoionska emisija i tako dalje.

Vrste samopražnjenja:

1. iskreni pražnjenje

Primjeri iskrenog pražnjenja su iskre koje nastaju pri češljanju kose, kada se kondenzator isprazni.

iskreni pražnjenje, često promatrana u prirodi, je munja. Munja je pražnjenje između dva nabijena oblaka ili između oblaka i zemlje. Nosioci naboja u oblacima su nabijene kapljice vode ili snježne pahulje.

Iskreni pražnjenje je popraćeno oslobađanjem velike količine topline, jakim sjajem plina, pucketanjem ili grmljavinom.

1. lučno pražnjenje.

lučno pražnjenje može se promatrati pod sljedećim uvjetima: ako se nakon paljenja iskrenog pražnjenja otpor kruga postupno smanjuje, tada će se struja u iskri povećati. Kada otpor kruga postane dovoljno mali, pojavit će se novi oblik plinskog pražnjenja, nazvan luk. U tom se slučaju jakost struje naglo povećava, dosežući desetke i stotine ampera, a napon na praznini se smanjuje na nekoliko desetaka volti. To pokazuje da u pražnjenju nastaju novi procesi, dajući plinu vrlo visoku električnu vodljivost.

Električni luk je snažan izvor svjetlosti i naširoko se koristi u projekcijama, reflektorima i drugim rasvjetnim instalacijama. Zbog visoke temperature, luk se široko koristi za zavarivanje i rezanje metala. Visoka temperatura luka također se koristi u konstrukciji elektrolučnih peći, koje imaju važnu ulogu u suvremenoj elektrometalurgiji.

1. užareno pražnjenje

užareno pražnjenje promatrano pri niskim tlakovima plinova (oko 0,1 mm Hg). Ako se na elektrode zalemljene u staklenu cijev primijeni konstantni napon od nekoliko stotina volti, a zatim se zrak postupno ispumpava iz cijevi, uočava se sljedeća pojava: kada se tlak plina smanji, u nekom trenutku se pojavljuje pražnjenje u cijevi. cijev, koja izgleda kao svjetleći kabel koji povezuje anodnu i katodnu cijev (slika 1.). Daljnjim smanjenjem tlaka ta se nit širi i ispunjava cijeli presjek cijevi, a sjaj u blizini katode slabi. U blizini katode nastaje prvi tamni prostor 1 kojemu je susjedni ionski užaren sloj 2 (glow glow), koji ima oštru granicu na strani katode, a postupno nestaje na strani anode. Iza tinjajućeg sjaja opet se nalazi tamni jaz 3, nazvan faradayev ili drugi tamni prostor. Iza njega leži svjetlosna regija 4 koja se proteže do anode, odnosno pozitivnog stupa.

U svjetlećem pražnjenju od posebne su važnosti samo dva njegova dijela - katodni tamni prostor 1 i užareni sjaj 2, u kojima se odvijaju glavni procesi koji održavaju pražnjenje. Elektroni koji ioniziraju plin nastaju fotoemisijom s katode i sudarima pozitivnih iona s katodom cijevi.

Trenutačno cijevi s žarnim pražnjenjem nalaze praktičnu primjenu kao izvor svjetlosti - svjetiljke s plinskim pražnjenjem..

1. koronsko pražnjenje

koronsko pražnjenje promatrano pri relativno visokim tlakovima plina (na primjer, pri atmosferskom tlaku) u oštro nehomogenom električnom polju. Da bi se dobila značajna nehomogenost polja, elektrode moraju imati oštro različite površine, t.j. jedna elektroda - vrlo velika površina, a druga - vrlo mala. Tako se, na primjer, koronsko pražnjenje može lako dobiti postavljanjem tanke žice unutar metalnog cilindra, čiji je polumjer mnogo veći od polumjera žice.

Koronsko pražnjenje se koristi u inženjerstvu za konstrukciju elektrostatičkih precipitatora dizajniranih za pročišćavanje industrijskih plinova od krutih i tekućih nečistoća.

Koronsko pražnjenje može se pojaviti na tankim žicama pod naponom. Pojava koronskog pražnjenja na vrhovima vodiča objašnjava djelovanje gromobrana koji štiti zgrade i dalekovode od udara groma.

Koristi se emisija svjetlosti fluorescentnih svjetiljki, plinskih svjetiljki ulične rasvjete; električni luk se koristi u aparatu za projekciju filma; živino-kvarcna svjetiljka našla je primjenu u klinikama i bolnicama.

1. Plazma.

Plazma je djelomično ili potpuno ionizirani plin, u kojem su gustoće pozitivnih i negativnih naboja gotovo iste. Dakle, plazma je kao cjelina električno neutralan sustav.

Kvantitativna karakteristika plazme je stupanj ionizacije. Stupanj ionizacije plazma se naziva omjer volumne koncentracije nabijenih čestica i ukupne volumne koncentracije čestica. Ovisno o stupnju ionizacije, plazma se dijeli na slabo ioniziranu(je djelić postotka), djelomično ionizirana(reda nekoliko postotaka) i potpuno ionizirana(blizu 100%). Slabo ionizirana plazma u prirodnim uvjetima su gornji slojevi atmosfere - ionosfera. Sunce, vruće zvijezde i neki međuzvjezdani oblaci su potpuno ionizirana plazma koja nastaje pri visokim temperaturama.

Plazma se ne može okarakterizirati jednom temperaturnom vrijednošću T; razlikovati elektronska temperatura Oni, temperatura iona Ti (ili temperature iona, ako postoji nekoliko vrsta iona u plazmi) i temperatura neutralnih atoma T (neutralna komponenta). Takva plazma se zove neizotermni, Za razliku od izotermna plazma gdje su temperature svih komponenti iste.

Plazma se također dijeli na visoke temperature(Ti 106-108 K i više) i niske temperature(Ti<=105 К).

Vodljivost plazme raste kako se povećava stupanj ionizacije. Na visokoj temperaturi, potpuno ionizirana plazma svojom se vodljivošću približava supravodnicima (tvari koje, kada se ohlade ispod određene kritične temperature, Ts električni otpor pada na nulu).

Plazma niske temperature koristi se u izvorima svjetlosti s plinskim pražnjenjem - u svjetlećim cijevima reklamnih natpisa, u fluorescentnim svjetiljkama. Svjetiljka s plinskim pražnjenjem koristi se u mnogim uređajima, na primjer, u plinskim laserima - kvantnim izvorima svjetlosti.

Plazma visoke temperature koristi se u magnetohidrodinamičkim generatorima.

Nedavno je stvoren novi uređaj, plazma svjetiljka. Plazma gorionik stvara snažne mlazove guste niskotemperaturne plazme, koji se široko koriste u raznim područjima tehnologije: za rezanje i zavarivanje metala, bušenje bušotina u tvrdim stijenama itd.

Električna struja je protok koji je uzrokovan uređenim kretanjem električno nabijenih čestica. Kretanje naboja uzima se kao smjer električne struje. Električna struja može biti kratkotrajna i dugotrajna.

Pojam električne struje

Tijekom pražnjenja munje može doći do električne struje koja se naziva kratkotrajna. A za dugotrajno održavanje struje potrebno je imati električno polje i slobodne električne nosače naboja.

Električno polje stvaraju različito nabijena tijela. Jačina struje je omjer naboja prenesenog kroz poprečni presjek vodiča u vremenskom intervalu prema tom vremenskom intervalu. Mjeri se u amperima.

Riža. 1. Trenutna formula

Električna struja u plinovima

Molekule plina ne provode električnu energiju u normalnim uvjetima. Oni su izolatori (dielektrici). Međutim, ako se promijene uvjeti okoline, plinovi mogu postati vodiči električne energije. Kao rezultat ionizacije (tijekom zagrijavanja ili pod djelovanjem radioaktivnog zračenja) u plinovima nastaje električna struja, koja se često zamjenjuje pojmom "električno pražnjenje".

Samoodrživa i nesamoodrživa plinska pražnjenja

Pražnjenja u plinu mogu biti samoodrživa i nesamoodrživa. Struja počinje postojati kada se pojave besplatni naboji. Nesamoodrživa pražnjenja postoje sve dok na njih djeluje vanjska sila, odnosno vanjski ionizator. To jest, ako vanjski ionizator prestane raditi, struja se zaustavlja.

Neovisno pražnjenje električne struje u plinovima postoji i nakon prestanka rada vanjskog ionizatora. Nezavisna pražnjenja u fizici se dijele na tiha, tinjajuća, lučna, iskra, korona.

• Miran - najslabiji od nezavisnih pražnjenja. Snaga struje u njemu je vrlo mala (ne više od 1 mA). Ne prate ga ni zvučni ni svjetlosni fenomeni.
• Tinjajući - ako povećate napon u tihom pražnjenju, prelazi se na sljedeću razinu - na užareno pražnjenje. U tom slučaju pojavljuje se sjaj, koji je popraćen rekombinacijom. Rekombinacija - proces reverzne ionizacije, susret elektrona i pozitivnog iona. Koristi se u baktericidnim i rasvjetnim svjetiljkama.

Riža. 2. Svjetleće pražnjenje

• Luk - jačina struje kreće se od 10 A do 100 A. U ovom slučaju ionizacija je gotovo 100%. Ova vrsta pražnjenja javlja se, na primjer, tijekom rada stroja za zavarivanje.

Riža. 3. Lučno pražnjenje

• pjenušava - može se smatrati jednom od vrsta lučnog pražnjenja. Tijekom takvog pražnjenja u vrlo kratkom vremenu protječe određena količina električne energije.
• koronsko pražnjenje – ionizacija molekula događa se u blizini elektroda s malim polumjerima zakrivljenosti. Ova vrsta naboja nastaje kada se jakost električnog polja dramatično promijeni.

Što smo naučili?

Sami po sebi, atomi i molekule plina su neutralni. Nabijene su kada su izložene van. Govoreći ukratko o električnoj struji u plinovima, radi se o usmjerenom kretanju čestica (pozitivnih iona prema katodi i negativnih iona prema anodi). Također je važno da se ioniziranjem plina poboljšaju njegova vodljiva svojstva.

Tematski kviz

Procjena izvješća

Prosječna ocjena: 4.1. Ukupno primljenih ocjena: 436.