Električna struja u plinovima nastaje kretanjem. Električna struja u plinovima: definicija, karakteristike i zanimljive činjenice

Nastaje usmjerenim kretanjem slobodnih elektrona i da u tom slučaju ne dolazi do promjena u tvari od koje je provodnik napravljen.

Takvi provodnici kod kojih prolaz električne struje nije praćen hemijskim promjenama u njihovoj tvari nazivaju se provodnici prve vrste. To uključuje sve metale, ugalj i niz drugih tvari.

Ali u prirodi postoje i provodnici električne struje u kojima se tokom prolaska struje javljaju hemijske pojave. Ovi provodnici se nazivaju provodnici druge vrste. To uglavnom uključuje različite otopine kiselina, soli i lužina u vodi.

Ako u staklenu posudu sipate vodu i dodate nekoliko kapi sumporne kiseline (ili neke druge kiseline ili lužine), a zatim uzmete dvije metalne ploče i spojite na njih provodnike, spuštajući te ploče u posudu, i spojite izvor struje na ostale krajeve provodnika kroz prekidač i ampermetar, tada će se gas osloboditi iz rastvora, i nastaviće se neprekidno sve dok je krug zatvoren jer zakiseljena voda je zaista provodnik. Osim toga, ploče će početi da se prekrivaju mjehurićima plina. Ovi mjehurići će tada odlomiti ploče i izaći.

Kada električna struja prođe kroz otopinu, dolazi do kemijskih promjena koje rezultiraju oslobađanjem plina.

Provodniki druge vrste nazivaju se elektroliti, a pojava koja se javlja u elektrolitu kada kroz njega prolazi električna struja je.

Metalne ploče uronjeni u elektrolit nazivaju se elektrodama; jedan od njih, spojen na pozitivni pol izvora struje, naziva se anoda, a drugi, spojen na negativni pol, naziva se katoda.

Šta određuje prolazak električne struje u tekućem provodniku? Ispada da se u takvim rastvorima (elektroliti) molekuli kiseline (alkalije, soli) pod uticajem rastvarača (u ovom slučaju vode) razlažu na dve komponente, i Jedna čestica molekule ima pozitivan električni naboj, a druga negativna.

Čestice molekula koje imaju električni naboj nazivaju se joni. Kada se kiselina, sol ili alkalija otopi u vodi, u otopini se pojavljuje veliki broj pozitivnih i negativnih jona.

Sada bi trebalo postati jasno zašto je električna struja prošla kroz otopinu, jer se između elektroda spojenih na izvor struje stvorio napon, drugim riječima, ispostavilo se da je jedna od njih pozitivno, a druga negativno. Pod uticajem ove potencijalne razlike, pozitivni ioni su se počeli mešati prema negativnoj elektrodi - katodi, a negativni ioni - prema anodi.

Tako je haotično kretanje jona postalo uređeno suprotno kretanje negativnih jona u jednom pravcu i pozitivnih u drugom. Ovaj proces prijenosa naboja predstavlja protok električne struje kroz elektrolit i događa se sve dok postoji razlika potencijala na elektrodama. S nestankom razlike potencijala, struja kroz elektrolit prestaje, uređeno kretanje iona se poremeti i ponovo počinje haotično kretanje.

Kao primjer, razmotrite fenomen elektrolize prilikom prolaska električne struje kroz otopinu bakar sulfat CuSO4 sa bakrenim elektrodama spuštenim u njega.

Fenomen elektrolize kada struja prolazi kroz rastvor bakar sulfata: C - posuda sa elektrolitom, B - izvor struje, C - prekidač

Ovdje će također doći do suprotnog kretanja jona prema elektrodama. Pozitivni ion će biti ion bakra (Cu), a negativni ion će biti ion kiselog ostatka (SO4). Ioni bakra u kontaktu sa katodom će se isprazniti (priključujući nedostajuće elektrone), odnosno pretvoriće se u neutralne molekule čistog bakra, i taložiće se na katodu u obliku tankog (molekularnog) sloja.

Negativni ioni, koji dođu do anode, također se ispuštaju (odustavljaju višak elektrona). Ali u isto vrijeme ulaze hemijska reakcija sa bakrom anode, usled čega se kiselinskom ostatku SO4 dodaje molekul bakra Cu i formira se molekul bakar sulfata CuS O4, koji se vraća nazad u elektrolit.

Pošto dolazi do ovog hemijskog procesa dugo vrijeme, tada se bakar taloži na katodi, oslobađa se iz elektrolita. U ovom slučaju, elektrolit, umjesto molekula bakra koji su otišli na katodu, prima nove molekule bakra zbog rastvaranja druge elektrode - anode.

Isti se proces događa ako se umjesto bakrenih uzmu cink elektrode, a elektrolit je otopina cink sulfata Zn SO4. Cink će se također prenositi sa anode na katodu.

dakle, razlika između električne struje u metalima i tekućim provodnicima leži u tome što su u metalima nosioci naboja samo slobodni elektroni, odnosno negativni naboji, dok ga u elektrolitima nose suprotno nabijene čestice tvari - joni koji se kreću u suprotnim smjerovima. Zato to kažu Elektroliti pokazuju ionsku provodljivost.

Fenomen elektrolize otkrio je 1837. B. S. Jacobi, koji je izveo brojne eksperimente na istraživanju i poboljšanju izvora kemijske struje. Jacobi je otkrio da je jedna od elektroda smještena u otopini bakar sulfata postala obložena bakrom kada je električna struja prošla kroz nju.

Ovaj fenomen se zove galvanizacija, sada je izuzetno velika praktična upotreba. Jedan primjer za to je premazivanje metalnih predmeta tankim slojem drugih metala, npr. niklovanje, pozlaćivanje, posrebrivanje itd.

Gasovi (uključujući vazduh) u normalnim uslovima ne provode električnu struju. Na primjer, gole, koje su obješene paralelno jedna uz drugu, nađu se izolirane jedna od druge slojem zraka.

Međutim, pod uticajem visoke temperature, velike razlike potencijala i drugi razlozi, gasovi se, kao i tekući provodnici, joniziraju, odnosno pojavljuju se u velike količinečestice molekula gasa koje, kao nosioci električne energije, olakšavaju prolaz električne struje kroz gas.

Ali u isto vrijeme, ionizacija plina se razlikuje od ionizacije tekućeg vodiča. Ako se u tečnosti molekul raspadne na dva naelektrisana dela, onda se u gasovima pod uticajem jonizacije uvek odvajaju elektroni od svakog molekula i ion ostaje u obliku pozitivno naelektrisanog dela molekula.

Jednom kada jonizacija gasa prestane, on će prestati da bude provodljiv, dok tečnost uvek ostaje provodnik električne struje. Shodno tome, provodljivost plina je privremena pojava, ovisno o djelovanju vanjskih uzroka.

Međutim, postoji još jedan koji se zove lučno pražnjenje ili jednostavno električni luk. Fenomen električnog luka otkrio je početkom 19. veka prvi ruski elektroinženjer V.V.

V.V Petrov je kroz brojne eksperimente otkrio da se između dva uglja spojena na izvor struje javlja kontinuirano električno pražnjenje, praćeno jakom svjetlošću. U svojim spisima V.V Petrov je napisao da se u ovom slučaju „mračni mir može osvijetliti prilično jarko“. Tako je prvo dobijeno električno svjetlo, koje je praktično primijenio drugi ruski elektroinženjer Pavel Nikolajevič Jabločkov.

Svijeća Yablochkov, čiji se rad temelji na korištenju električnog luka, napravila je pravu revoluciju u elektrotehnici tih dana.

Lučno pražnjenje se i danas koristi kao izvor svjetlosti, na primjer u reflektorima i projekcijskim uređajima. Visoka temperatura lučnog pražnjenja omogućava njegovu upotrebu. Trenutno su lučne peći na struju vrlo velika snaga, koriste se u brojnim industrijama: za topljenje čelika, livenog gvožđa, ferolegura, bronze itd. A 1882. godine, N.N. Benardos je prvi put koristio lučno pražnjenje za rezanje i zavarivanje metala.

U gasno-svetlosnim cevima, lampama dnevno svjetlo, stabilizatori napona, tzv užarenog gasnog pražnjenja.

Varničko pražnjenje se koristi za mjerenje velikih potencijalnih razlika pomoću kugličnog razmaka, čije su elektrode dvije metalne kuglice s poliranom površinom. Kuglice se pomiču i na njih se primjenjuje izmjerena razlika potencijala. Zatim se kuglice zbližavaju dok između njih ne preskoči iskra. Poznavajući promjer kuglica, udaljenost između njih, pritisak, temperaturu i vlažnost zraka, pomoću posebnih tablica pronađite potencijalnu razliku između kuglica. Ova metoda može mjeriti potencijalne razlike reda desetina hiljada volti sa tačnošću od nekoliko procenata.

Teme kodifikatora Jedinstvenog državnog ispita: besplatni mediji električnih naboja u gasovima.

U normalnim uslovima, gasovi se sastoje od električno neutralnih atoma ili molekula; U gasovima gotovo da i nema besplatnih naknada. Stoga su gasovi dielektrika- električna struja ne prolazi kroz njih.

Rekli smo „skoro nikakav“ jer u stvari, u gasovima, a posebno u vazduhu, uvek postoji određena količina slobodnih naelektrisanih čestica. Pojavljuju se kao rezultat jonizujući efekti zračenje radioaktivnih supstanci uključenih u sastav zemljine kore, ultraljubičasto i rendgensko zračenje Sunca, kao i kosmičke zrake - tokovi visokoenergetskih čestica koji iz svemira prodiru u Zemljinu atmosferu. Kasnije ćemo se vratiti na ovu činjenicu i raspravljati o njenoj važnosti, ali za sada ćemo samo napomenuti da je u normalnim uslovima provodljivost gasova, uzrokovana „prirodnim“ iznosom slobodnih naelektrisanja, zanemarljiva i može se zanemariti.

Djelovanje prekidača u električnim krugovima zasniva se na izolacijskim svojstvima zračnog raspora (slika 1). Na primjer, mali vazdušni jaz ima dovoljno svjetla u prekidaču za otvaranje električni krug u tvojoj sobi.

Rice. 1 ključ

Međutim, moguće je stvoriti uslove pod kojima se električna struja pojavljuje u plinskom procjepu. Razmotrimo sljedeće iskustvo.

Napunimo ploče zračnog kondenzatora i spojimo ih na osjetljivi galvanometar (slika 2, lijevo). Na sobnoj temperaturi i ne previše vlažnom zraku, galvanometar neće pokazati nikakvu primjetnu struju: naš zračni otvor, kao što smo rekli, nije provodnik električne energije.

Rice. 2. Pojava struje u vazduhu

Sada unesite plamen gorionika ili svijeće u razmak između ploča kondenzatora (slika 2, desno). Pojavljuje se struja! Zašto?

Besplatna doplata za plin

Pojava električne struje između ploča kondenzatora znači da se u zraku pod utjecajem plamena pojavio besplatne naknade. Koje tačno?

Iskustvo pokazuje da je električna struja u plinovima uređeno kretanje nabijenih čestica tri vrste . Ovo elektrona, pozitivni joni I negativni joni.

Hajde da shvatimo kako se ova naelektrisanja mogu pojaviti u gasu.

Kako temperatura plina raste, toplinske vibracije njegovih čestica - molekula ili atoma - postaju sve intenzivnije. Sudar čestica jedne o drugu dostiže takvu silu da počinje jonizacija- raspad neutralnih čestica na elektrone i pozitivne jone (slika 3).

Rice. 3. Ionizacija

Stepen jonizacije je odnos broja raspadnutih čestica gasa i ukupnog početnog broja čestica. Na primjer, ako je stupanj ionizacije jednak , onda to znači da su se originalne čestice plina razbile na pozitivne ione i elektrone.

Stepen jonizacije gasa zavisi od temperature i naglo raste sa temperaturom. Za vodonik, na primjer, na nižoj temperaturi, stupanj ionizacije ne prelazi , a na temperaturi iznad, stupanj ionizacije je blizu (to jest, vodik je skoro potpuno ioniziran (djelomično ili potpuno jonizovani gas pozvao plazma)).

Pored visoke temperature, postoje i drugi faktori koji uzrokuju jonizaciju gasa.

Već smo ih usput spomenuli: to su radioaktivno zračenje, ultraljubičasto, rendgensko i gama zračenje, kosmičke čestice. Svaki takav faktor koji izaziva jonizaciju gasa naziva se jonizator.

Dakle, jonizacija se ne dešava sama od sebe, već pod uticajem jonizatora.

Istovremeno se dešava i obrnuti proces - rekombinacija, odnosno ponovno ujedinjenje elektrona i pozitivnog jona u neutralnu česticu (slika 4).

Rice. 4. Rekombinacija

Razlog za rekombinaciju je jednostavan: to je Kulonova privlačnost suprotno nabijenih elektrona i jona. Jureći jedni prema drugima pod utjecajem električnih sila, oni se susreću i mogu formirati neutralni atom (ili molekulu, ovisno o vrsti plina).

Pri konstantnom intenzitetu djelovanja ionizatora uspostavlja se dinamička ravnoteža: prosječan broj čestica koje se raspadaju u jedinici vremena jednak je prosječnom broju čestica koje se rekombiniraju (drugim riječima, brzina ionizacije je jednaka brzini rekombinacije). djelovanje ionizatora se povećava (na primjer, povećanjem temperature), tada će se dinamička ravnoteža pomjeriti na stranu ionizacije, a koncentracija nabijenih čestica u plinu će se povećati. Naprotiv, ako isključite ionizator, rekombinacija će početi prevladavati, a besplatni naboji će postupno potpuno nestati.

Dakle, pozitivni ioni i elektroni se pojavljuju u plinu kao rezultat ionizacije. Odakle dolazi treći tip naboja - negativni joni? Vrlo je jednostavno: elektron može pogoditi neutralni atom i vezati se za njega! Ovaj proces je prikazan na sl. 5 .

Rice. 5. Pojava negativnog jona

Tako formirani negativni ioni će učestvovati u stvaranju struje zajedno sa pozitivnim jonima i elektronima.

Nesamoodrživo pražnjenje

Ako ne postoji vanjsko električno polje, slobodni naboji prolaze kroz haotično toplinsko kretanje zajedno s česticama neutralnog plina. Ali kada se primeni električno polje, počinje uređeno kretanje naelektrisanih čestica - električna struja u gasu.

Rice. 6. Nesamoodrživo pražnjenje

Na sl. Na slici 6 vidimo tri vrste nabijenih čestica koje nastaju u plinskom procjepu pod djelovanjem jonizatora: pozitivni ioni, negativni ioni i elektroni. Struja u plinu nastaje kao rezultat suprotnog kretanja nabijenih čestica: pozitivni ioni - do negativne elektrode (katode), elektrona i negativnih iona - do pozitivne elektrode (anode).

Elektroni, udarajući u pozitivnu anodu, usmjeravaju se kroz strujni krug na "plus" izvora struje. Negativni joni daju dodatni elektron anodi i, postajući neutralne čestice, vraćaju se u gas; elektron dat anodi takođe juri ka “plusu” izvora. Pozitivni joni, koji dolaze na katodu, uzimaju elektrone odatle; nastali deficit elektrona na katodi se odmah nadoknađuje njihovom isporukom tamo iz „minus” izvora. Kao rezultat ovih procesa dolazi do uređenog kretanja elektrona u vanjskom kolu. Ovo je električna struja koju bilježi galvanometar.

Opisani proces prikazan na sl. 6, zv nesamopražnjenje u gasu. Zašto zavisna? Stoga je za njegovo održavanje neophodan stalan rad ionizatora. Uklonimo ionizator - i struja će stati, jer će mehanizam koji osigurava pojavu slobodnih naboja u plinskom jazu nestati. Prostor između anode i katode ponovo će postati izolator.

Strujno-naponske karakteristike gasnog pražnjenja

Ovisnost struje kroz plinski zazor od napona između anode i katode (tzv. strujno-naponska karakteristika gasnog pražnjenja) prikazan je na sl. 7.

Rice. 7. Volt-amper karakteristike gasno pražnjenje

Pri nultom naponu, jačina struje je prirodno nula: nabijene čestice vrše samo termičko kretanje, nema uređenog kretanja između elektroda.

Kada je napon nizak, niska je i struja. Činjenica je da nisu sve nabijene čestice predodređene da dođu do elektroda: neki pozitivni ioni i elektroni pronalaze jedni druge i rekombinuju se tokom svog kretanja.

Kako se napon povećava, slobodni naboji razvijaju sve veću brzinu i manje su šanse da se pozitivni ion i elektron sretnu i rekombinuju. Stoga sve veći dio nabijenih čestica dospijeva do elektroda, a struja raste (presjek ).

Pri određenoj vrijednosti napona (tački), brzina kretanja naboja postaje toliko visoka da rekombinacija uopće nema vremena za pojavu. Od sada Sve naelektrisane čestice nastale pod dejstvom ionizatora dospevaju do elektroda, i struja dostiže zasićenje- naime, jačina struje prestaje da se menja sa povećanjem napona. To će se dogoditi do određene tačke.

Samopražnjenje

Nakon prolaska tačke, jačina struje naglo raste s povećanjem napona - nezavisna kategorija. Sada ćemo shvatiti šta je to.

Nabijene čestice plina se kreću od sudara do sudara; u intervalima između sudara ubrzava ih električno polje, povećavajući njihovu kinetičku energiju. I tako, kada napon postane dovoljno velik (ta ista tačka), elektroni tokom svog slobodnog puta postižu takve energije da ih pri sudaru sa neutralnim atomima jonizuju! (Upotrebom zakona održanja impulsa i energije, može se pokazati da elektroni (ne ioni) ubrzani električnim poljem imaju maksimalnu sposobnost ioniziranja atoma.)

tzv jonizacija elektronskim udarom. Elektroni izbačeni iz joniziranih atoma također se ubrzavaju električnim poljem i sudaraju se s novim atomima, sada ih ionizirajući i stvarajući nove elektrone. Kao rezultat nastale lavine elektrona, broj ioniziranih atoma se brzo povećava, zbog čega se jakost struje također brzo povećava.

Broj besplatnih punjenja postaje toliko velik da nestaje potreba za vanjskim jonizatorom. Možete ga jednostavno ukloniti. Kao rezultat, sada se stvaraju slobodne nabijene čestice interni procesi koji se dešavaju u gasu - zato se pražnjenje naziva nezavisnim.

Ako je plinski jaz pod visokim naponom, tada nije potreban ionizator za samopražnjenje. Dovoljno je imati samo jedan slobodan elektron u gasu i lavina elektrona koja je gore opisana će početi. I uvijek će postojati barem jedan slobodan elektron!

Podsjetimo još jednom da u plinu, čak i pod normalnim uvjetima, postoji određena “prirodna” količina slobodnih naboja zbog jonizirajućeg radioaktivnog zračenja zemljinu koru, visokofrekventno zračenje Sunca i kosmičke zrake. Videli smo da je pri niskim naponima provodljivost gasa izazvana ovim slobodnim naelektrisanjem zanemarljiva, ali sada - na visokog napona- generisaće lavinu novih čestica, što će dovesti do nezavisnog pražnjenja. Desiće se, kako kažu, slom gasni jaz.

Jačina polja potrebna za razgradnju suhog zraka je približno kV/cm. Drugim riječima, da bi iskra skočila između elektroda razdvojenih centimetrom zraka, na njih se mora primijeniti kilovoltni napon. Zamislite koliki je napon potreban da se probije nekoliko kilometara zraka! Ali upravo takvi kvarovi nastaju tokom grmljavine - to su munje, vama dobro poznate.

Ovo je kratak sažetak.

Rad na punoj verziji se nastavlja

Predavanje2 1

Struja u gasovima

1. Opšte odredbe

definicija: Fenomen prolaska električne struje kroz gasove naziva se gasno pražnjenje.

Ponašanje gasova u velikoj meri zavisi od njegovih parametara, kao što su temperatura i pritisak, i ti se parametri prilično lako menjaju. Stoga je tok električne struje u plinovima složeniji nego u metalima ili u vakuumu.

Gasovi ne poštuju Ohmov zakon.

2. Ionizacija i rekombinacija

Gas at normalnim uslovima, sastoji se od praktično neutralnih molekula, stoga izuzetno slabo provodi električnu struju. Međutim, pod vanjskim utjecajima, elektron se može otrgnuti od atoma i pojavljuje se pozitivno nabijeni ion. Osim toga, elektron se može vezati za neutralni atom i formirati negativno nabijeni ion. Na ovaj način je moguće dobiti jonizovani gas, tj. plazma.

Spoljašnji utjecaji uključuju zagrijavanje, zračenje energetskim fotonima, bombardiranje drugim česticama i jakim poljima, tj. isti uslovi koji su neophodni za elementarnu emisiju.

Elektron u atomu nalazi se u potencijalnoj bušotini, a da bi pobjegao odatle, atomu se mora dati dodatna energija, koja se zove energija ionizacije.

Uz fenomen jonizacije, uočava se i fenomen rekombinacije, tj. kombinacija elektrona i pozitivnog jona da bi se formirao neutralni atom. Ovaj proces se odvija uz oslobađanje energije jednake energiji jonizacije. Ova energija se može koristiti za zračenje ili grijanje. Lokalno zagrijavanje plina dovodi do lokalne promjene tlaka. Što opet dovodi do pojave zvučnih talasa. Dakle, plinsko pražnjenje je praćeno svjetlosnim, toplinskim i bučnim efektima.

3. Strujno-naponske karakteristike gasnog pražnjenja.

U početnim fazama potrebno je djelovanje vanjskog ionizatora.

U OAW sekciji struja postoji pod uticajem spoljašnjeg ionizatora i brzo dostiže zasićenje kada sve jonizovane čestice učestvuju u formiranju struje. Ako uklonite vanjski jonizator, struja prestaje.

Ova vrsta pražnjenja naziva se nesamoodrživo plinsko pražnjenje. Kada pokušate povećati napon, u plinu se pojavljuju lavine elektrona, a struja raste skoro na konstantan napon, koji se naziva napon paljenja (IC).

Od ovog trenutka pražnjenje postaje nezavisno i nema potrebe za vanjskim jonizatorom. Broj iona može postati toliki da se otpor međuelektrodnog razmaka smanji i napon (SD) u skladu s tim opadne.

Zatim, u međuelektrodnom razmaku, područje kroz koje prolazi struja počinje da se sužava, a otpor raste, a samim tim raste i napon (MU).

Kada pokušate povećati napon, plin postaje potpuno ioniziran. Otpor i napon padaju na nulu, a struja se višestruko povećava. Rezultat je lučno pražnjenje (EF).

Strujno-naponska karakteristika pokazuje da plin uopće ne poštuje Ohmov zakon.

4. Procesi u gasu

Procesi koji mogu dovode do formiranja prikazanih elektronskih lavina na slici.

Ovo su elementi Townsendove kvalitativne teorije.

5. Svjetleće pražnjenje.

At niske pritiske a pri niskim naponima ovo pražnjenje se može uočiti.

K – 1 (mračni Aston prostor).

1 – 2 (svetleći katodni film).

2 – 3 (tamni Crookes prostor).

3 – 4 (sjaj prve katode).

4 – 5 (tamni Faradejev prostor)

5 – 6 (stub pozitivne anode).

6 – 7 (anodni tamni prostor).

7 – A (anodni sjaj).

Ako anodu učinite pomičnom, tada se dužina pozitivnog stupa može podesiti bez praktične promjene dimenzija K – 5 područja.

U tamnim područjima čestice se ubrzavaju i dobijaju energiju u svijetlim područjima, javljaju se procesi ionizacije i rekombinacije.

ELEKTRIČNA STRUJA U GASOVIMA

Nezavisna i nezavisna provodljivost gasova. U svom prirodnom stanju, plinovi ne provode električnu struju, tj. su dielektrici. Ovo se lako može provjeriti upotrebom jednostavne struje ako je strujni krug prekinut zračnim rasporom.

Izolacijska svojstva plinova objašnjavaju se činjenicom da su atomi i molekuli plinova u svom prirodnom stanju neutralne, nenabijene čestice. Odavde je jasno da je, da bi se plin učinio provodljivim, potrebno na ovaj ili onaj način u njega uvesti ili stvoriti u njemu slobodne nosioce naboja - nabijene čestice. U ovom slučaju moguća su dva slučaja: ili ove nabijene čestice nastaju djelovanjem nekog vanjskog faktora ili se unose u plin izvana - nesamostalna provodljivost, ili nastaju u plinu djelovanjem električnog polja. sama postoji između elektroda - nezavisna provodljivost.

Na gornjoj slici, galvanometar u kolu pokazuje da nema struje uprkos primijenjenom naponu. Ovo ukazuje na odsustvo provodljivosti gasova u normalnim uslovima.

Zagrijmo sada plin u intervalu 1-2 na vrlo visoku temperaturu uvodeći u njega upaljeni gorionik. Galvanometar će pokazati pojavu struje, stoga se pri visokim temperaturama udio neutralnih molekula plina raspada na pozitivne i negativne ione. Ovaj fenomen se zove jonizacija gas

Ako usmjerite mlaz zraka iz malog puhala u plinski otvor, i postavite jonizujući plamen na putanju struje, izvan otvora, tada će galvanometar pokazati neku struju.

To znači da joni ne nestaju trenutno, već se kreću zajedno sa gasom. Međutim, kako se rastojanje između plamena i razmaka 1-2 povećava, struja postepeno slabi, a zatim nestaje. U ovom slučaju, suprotno nabijeni ioni imaju tendenciju da se približe jedni drugima pod utjecajem sile električnog privlačenja i, nakon susreta, ponovo se ujedine u neutralni molekul. Ovaj proces se zove rekombinacija joni.

Zagrijavanje plina na visoku temperaturu nije jedini način da se ioniziraju molekuli ili atomi plina. Neutralni atomi ili molekuli gasa takođe mogu biti jonizovani pod uticajem drugih faktora.

Jonska provodljivost ima niz karakteristika. Dakle, često pozitivni i negativni ioni nisu pojedinačni jonizovani molekuli, već grupe molekula vezanih za negativan ili pozitivan elektron. Zbog toga, iako je naboj svakog jona jednak jednom ili dva, rijetko više, elementarna naboja, njihove mase se mogu značajno razlikovati od masa pojedinačnih atoma i molekula. Na ovaj način se joni gasa značajno razlikuju od jona elektrolita, koji uvek predstavljaju određene grupe atoma. Zbog ove razlike, Faradayevi zakoni, koji su toliko karakteristični za provodljivost elektrolita, ne vrijede za ionsku provodljivost plinova.

Druga, također vrlo važna, razlika između ionske provodljivosti plinova i ionske provodljivosti elektrolita je da se Ohmov zakon ne poštuje za plinove: strujno-naponska karakteristika ima više kompleksne prirode. Strujna naponska karakteristika provodnika (uključujući elektrolite) ima oblik nagnute prave linije (proporcionalnost I i U za gasove ima različit oblik);

Konkretno, u slučaju nesamoodržive provodljivosti, pri malim vrijednostima U, graf izgleda kao prava linija, tj. Ohmov zakon približno ostaje na snazi; Kako se U povećava, kriva se savija uz određenu napetost i pretvara se u horizontalnu ravnu liniju.

To znači da počevši od određenog napona, struja ostaje konstantna uprkos povećanju napona. Ova konstantna, naponsko nezavisna strujna vrijednost se zove struja zasićenja.

Nije teško razumjeti značenje dobijenih rezultata. U početku, sa povećanjem napona, povećava se broj jona koji prolaze kroz poprečni presjek pražnjenja, tj. Struja I raste, jer se joni u jačem polju kreću većom brzinom. Međutim, bez obzira na to koliko brzo se joni kreću, broj njih koji prolaze kroz ovu dionicu u jedinici vremena ne može biti veći od ukupnog broja jona stvorenih u pražnjenju u jedinici vremena od strane vanjskih jonizujućih faktora.

Eksperimenti pokazuju, međutim, da ako, nakon postizanja struje zasićenja u gasu, napon nastavi da se značajno povećava, onda se tok strujno-naponske karakteristike iznenada poremeti. Pri dovoljno visokom naponu struja naglo raste.

Trenutni skok pokazuje da se broj jona odmah naglo povećao. Razlog tome je samo električno polje: ono daje tako velike brzine nekim ionima, tj. toliko energije da kada se takvi joni sudaraju s neutralnim molekulima, potonji se razbijaju na ione. Ukupan broj jone sada ne određuje jonizujući faktor, već djelovanje samog polja, koje samo po sebi može podržati potrebnu ionizaciju: provodljivost od ne-zavisne postaje nezavisna. Opisani fenomen iznenadne pojave nezavisne provodljivosti, koji ima prirodu propadanja gasnog zazora, nije jedini, iako veoma važan, oblik nastanka nezavisne provodljivosti.

Iskreni pražnjenje. Pri dovoljno velikoj jačini polja (oko 3 MV/m), a električna iskra, koji izgleda kao svijetleći kanal za namotavanje koji povezuje obje elektrode. Plin se u blizini iskre zagrijava do visoke temperature i naglo se širi, uzrokujući zvučni talasi, i čujemo karakterističan prasak.

Opisani oblik gasnog pražnjenja naziva se iskre ili kvar gasne varnice. Kada dođe do varničnog pražnjenja, gas naglo gubi svoja dielektrična svojstva i postaje dobar provodnik. Jačina polja pri kojoj dolazi do proboja plinske iskre ima drugačiju vrijednost za različitih gasova i zavisi od njihovog stanja (pritisak, temperatura). Što je razmak između elektroda veći, to je veći napon između njih neophodan da bi došlo do proboja plina. Ovaj napon se zove probojni napon.

Znajući kako napon proboja ovisi o udaljenosti između elektroda bilo kojeg određenog oblika, moguće je izmjeriti nepoznati napon duž maksimalne dužine iskre. Na tome se zasniva uređaj voltmetra za varnice za grube visoke napone.

Sastoji se od dvije metalne kuglice postavljene na stalke 1 i 2, 2. postolje sa loptom se može pomicati bliže ili dalje od prvog pomoću šrafa. Kuglice su spojene na izvor struje, čiji napon treba izmjeriti, i spojene dok se ne pojavi iskra. Mjerenjem udaljenosti pomoću skale na postolju, možete dati grubu procjenu napona po dužini iskre (primjer: kod kuglice prečnika 5 cm i udaljenosti od 0,5 cm, probojni napon je 17,5 kV, i sa razmakom od 5 cm - 100 kV).

Pojava sloma se objašnjava na sljedeći način: u plinu uvijek postoji određeni broj jona i elektrona koji nastaju iz slučajnih uzroka. Međutim, njihov broj je toliko mali da plin praktički ne provodi električnu energiju. Pri dovoljno velikoj jačini polja, kinetička energija koju ion akumulira u intervalu između dva sudara može postati dovoljna da ionizira neutralni molekul nakon sudara. Kao rezultat, formiraju se novi negativni elektron i pozitivno nabijeni ostatak - ion.

Slobodni elektron 1, prilikom sudara sa neutralnim molekulom, dijeli ga na elektron 2 i slobodni pozitivni ion. Elektroni 1 i 2, nakon daljnjeg sudara s neutralnim molekulima, ponovo ih dijele na elektrone 3 i 4 i slobodne pozitivne ione itd.

Ovaj proces jonizacije se naziva udarna jonizacija, i rad koji treba uložiti da bi se uklonio elektron iz atoma - rad na jonizaciji. Rad ionizacije ovisi o strukturi atoma i stoga je različit za različite plinove.

Elektroni i ioni koji nastaju pod uticajem udarne jonizacije povećavaju broj naelektrisanja u gasu, a zauzvrat se pokreću pod uticajem električnog polja i mogu proizvesti udarnu jonizaciju novih atoma. Tako se proces pojačava, a jonizacija u gasu brzo dostiže veoma veliku vrednost. Fenomen je sličan snježnoj lavini, zbog čega je ovaj proces i nazvan jonska lavina.

Formiranje ionske lavine je proces proboja iskre, a minimalni napon pri kojem dolazi do ionske lavine je probojni napon.

Dakle, prilikom proboja iskre razlog za jonizaciju gasa je uništavanje atoma i molekula prilikom sudara sa jonima (udarna jonizacija).

Munja. Prekrasna i opasna prirodna pojava - munja - je iskre u atmosferi.

Već sredinom 18. vijeka pažnja je posvećena vanjskoj sličnosti munje s električnom varnicom. Pretpostavlja se da grmljavinski oblaci nose velike električne naboje i da je munja ogromna iskra, koja se ne razlikuje osim po veličini od iskre između kuglica električne mašine. Na to je, na primjer, ukazao ruski fizičar i hemičar Mihail Vasiljevič Lomonosov (1711-65), koji se, uz druga naučna pitanja, bavio atmosferskim elektricitetom.

To je dokazano iskustvom iz 1752-53. Lomonosov i američki naučnik Benjamin Franklin (1706-90), koji su radili istovremeno i nezavisno jedan od drugog.

Lomonosov je napravio „mašinu groma“ - kondenzator koji se nalazio u njegovoj laboratoriji i napunjen atmosferskim elektricitetom kroz žicu, čiji je kraj izvučen iz prostorije i podignut na visoki stup. Tokom grmljavine, varnice su se mogle izvući iz kondenzatora ručno.

Frenklin je tokom grmljavine pustio zmaja na uzici, koja je bila opremljena gvozdenim vrhom; ključ od vrata bio je vezan za kraj uzice. Kada je struna postala mokra i postala provodnik električne struje, Franklin je mogao izvlačiti električne iskre iz ključa, puniti Leyden tegle i izvoditi druge eksperimente izvedene električnom mašinom (Treba napomenuti da su takvi eksperimenti izuzetno opasni, jer grom može da udari u zmajeve, a u isto vreme veliki naboji će proći kroz telo eksperimentatora U istoriji fizike je tako umro G.V 1753. u Sankt Peterburgu).

Tako se pokazalo da su grmljavinski oblaci zaista jako nabijeni električnom energijom.

Različiti dijelovi grmljavinskog oblaka nose naboje različitih znakova. Najčešće je donji dio oblaka (reflektiran prema Zemlji) negativno nabijen, a gornji dio pozitivno. Stoga, ako se dva oblaka približavaju jedan drugom sa suprotno nabijenim dijelovima, tada između njih bljesne munja. kako god pražnjenje groma moglo bi se desiti i drugačije. Prolazeći preko Zemlje, grmljavinski oblak stvara velika indukovana naelektrisanja na svojoj površini, pa stoga oblak i Zemljina površina formiraju dve ploče velikog kondenzatora. Razlika potencijala između oblaka i Zemlje dostiže ogromne vrijednosti, mjerene u stotinama miliona volti, a u zraku se pojavljuje jako električno polje. Ako jačina ovog polja postane dovoljno velika, može doći do sloma, tj. grom koji udara u Zemlju. Istovremeno, grom ponekad pogodi ljude i izazove požar.

Prema brojnim studijama sprovedenim na munjama, varničko punjenje karakterišu sledeći približni brojevi: napon (U) između oblaka i Zemlje 0,1 GV (gigavolt);

jačina struje (I) u munjama 0,1 MA (megaamper);

trajanje munje (t) 1 μs (mikrosekunda);

Prečnik svetlosnog kanala je 10-20 cm.

Grmljavina koja se javlja nakon munje ima isto porijeklo kao i pucketanje kada skoči laboratorijska iskra. Naime, vazduh unutar kanala munje postaje veoma vruć i širi se, zbog čega nastaju zvučni talasi. Ovi talasi, reflektovani od oblaka, planina itd., često stvaraju dugu jeku - udare grmljavine.

Corona discharge. Pojava jonske lavine ne dovodi uvijek do iskre, ali može uzrokovati i pražnjenje drugog tipa - koronsko pražnjenje.

Ispružimo metalnu žicu ab, prečnika nekoliko desetina milimetra, na dva visoka izolaciona nosača i spojimo je na negativni pol generatora koji proizvodi napon od nekoliko hiljada volti. Drugi pol generatora ćemo odvesti na Zemlju. Rezultat je neka vrsta kondenzatora, čije su ploče žica i zidovi prostorije, koji, naravno, komuniciraju sa Zemljom.

Polje u ovom kondenzatoru je vrlo nehomogeno, a njegov intenzitet u blizini tanke žice je vrlo visok. Postepenim povećanjem napona i promatranjem žice u mraku, možete primijetiti da se pri određenom naponu u blizini žice pojavljuje slab sjaj (korona), koji pokriva žicu sa svih strana; praćeno je šištanjem i blagim pucketanjem. Ako je između žice i izvora spojen osjetljivi galvanometar, tada s pojavom sjaja galvanometar pokazuje primjetnu struju koja teče od generatora kroz žice do žice i od njega kroz zrak prostorije do zidova; između žice i zidova prenose ga joni koji nastaju u prostoriji usled udarne jonizacije. Dakle, sjaj zraka i pojava struje ukazuje na jaku ionizaciju zraka pod utjecajem električnog polja. Koronsko pražnjenje može nastati ne samo u blizini žice, već i na vrhu i općenito u blizini bilo koje elektrode, u blizini kojih se formira vrlo jako nehomogeno polje.

Primjena koronskog pražnjenja. Električno prečišćavanje plina (električni taložnici). Posuda ispunjena dimom odjednom postaje potpuno prozirna ako se u nju uvedu oštre metalne elektrode spojene na električnu mašinu, a na elektrode se talože sve čvrste i tekuće čestice. Objašnjenje eksperimenta je sljedeće: čim se korona zapali u žici, zrak unutar cijevi postaje visoko ioniziran. Gasni joni se lijepe za čestice prašine i pune ih. Budući da unutar cijevi postoji jako električno polje, nabijene čestice prašine se pod utjecajem polja kreću do elektroda, gdje se talože.

Counters elementarne čestice . Geiger-Müller brojač čestica sastoji se od malog metalnog cilindra opremljenog prozorom prekrivenim folijom i tankom metalnom žicom razvučenom duž ose cilindra i izoliranom od nje. Mjerač je spojen na kolo koje sadrži izvor struje čiji je napon nekoliko hiljada volti. Napon se bira po potrebi za pojavu koronskog pražnjenja unutar mjerača.

Kada elektron koji se brzo kreće uđe u brojač, potonji ionizira molekule plina unutar brojača, uzrokujući lagano smanjenje napona potrebnog za paljenje korone. U mjeraču dolazi do pražnjenja, a u krugu se pojavljuje slaba kratkotrajna struja. Da bi se to otkrilo, u krug se uvodi vrlo visok otpor (nekoliko megaoma) i paralelno s njim je spojen osjetljivi elektrometar. Svaki put kada brzi elektron udari u brojač, ploča elektrometra će se pognuti.

Takvi brojači omogućavaju da se registruju ne samo brzi elektroni, već i, općenito, sve nabijene čestice koje se brzo kreću sposobne da proizvedu ionizaciju sudarima. Moderni brojači lako detektuju ulazak čak i jedne čestice u njih i stoga omogućavaju da se potpuno pouzdano i vrlo jasno provjeri da elementarne nabijene čestice zaista postoje u prirodi.

Gromobran. Procjenjuje se da se oko 1.800 grmljavinskih nevremena dešava istovremeno u atmosferi čitavog globusa, proizvodeći u prosjeku oko 100 udara groma u sekundi. I iako je vjerovatnoća da će bilo kojeg pojedinca biti pogođena gromom zanemarljiva, munja ipak uzrokuje mnogo štete. Dovoljno je istaći da je trenutno oko polovine svih nesreća na velikim dalekovodima uzrokovano gromovima. Stoga je zaštita od groma važan zadatak.

Lomonosov i Franklin ne samo da su objasnili električnu prirodu munje, već su ukazali i na to kako bi se mogao napraviti gromobran za zaštitu od udara groma. Gromobran je duga žica čiji je gornji kraj naoštren i ojačan iznad najviše tačke zaštićenog objekta. Donji kraj žice spojen je sa metalnim limom, a lim je ukopan u zemlju na nivou vode u tlu. Tokom grmljavine, na Zemlji se pojavljuju veliki inducirani naboji, a na površini Zemlje pojavljuje se veliko električno polje. Njegova napetost je vrlo visoka u blizini oštrih provodnika, pa se stoga na kraju gromobrana zapali koronsko pražnjenje. Kao rezultat toga, inducirani naboji se ne mogu akumulirati na zgradi i ne dolazi do munje. U onim slučajevima kada dođe do pojave munje (a takvi su slučajevi vrlo rijetki), ona udari u gromobran i naboji odlaze u Zemlju bez nanošenja štete na zgradi.

U nekim slučajevima, koronsko pražnjenje iz gromobrana je toliko snažno da se na vrhu pojavljuje jasno vidljiv sjaj. Taj se sjaj ponekad pojavljuje u blizini drugih šiljastih predmeta, na primjer, na krajevima brodskih jarbola, oštrih krošnji drveća itd. Ovaj fenomen je uočen prije nekoliko stoljeća i izazvao je praznovjerni užas među pomorcima koji nisu razumjeli njegovu pravu suštinu.

Električni luk. Godine 1802. ruski fizičar V.V. Petrov (1761-1834) je otkrio da ako dva komada drvenog uglja pričvrstite na stupove velike električne baterije i, dovodeći ugalj u kontakt, lagano ih razmaknete, između krajeva uglja će se formirati sjajan plamen i krajevi samog uglja će postati užareni, emitujući zaslepljujuću svetlost.

Najjednostavniji uređaj za proizvodnju električnog luka sastoji se od dvije elektrode, za koje je bolje uzeti ne drveni ugljen, već posebno izrađene šipke dobivene prešanjem mješavine grafita, čađe i veziva. Izvor struje može biti rasvjetna mreža, u kojoj je radi sigurnosti uključen reostat.

Prisiljavanjem luka da gori konstantnom strujom u komprimovanom gasu (20 atm), bilo je moguće dovesti temperaturu kraja pozitivne elektrode na 5900°C, tj. do površinske temperature sunca. Stub plinova i para, koji ima dobru električnu provodljivost i kroz koji struji električni naboj, ima još višu temperaturu. Energetsko bombardovanje ovih gasova i para elektronima i jonima, pokretano električnim poljem luka, dovodi temperaturu gasova u stubu na 6000-7000°C. Ovako jaka jonizacija gasa moguća je samo zbog činjenice da lučna katoda emituje mnogo elektrona, koji svojim udarima jonizuju gas u prostoru pražnjenja. Jaka elektronska emisija sa katode je obezbeđena činjenicom da se sama lučna katoda zagreva na veoma visoku temperaturu (od 2200 do 3500°C). Kada se ugalj dovede u kontakt kako bi se zapalio luk, skoro sva džulova toplota struje koja prolazi kroz ugalj se oslobađa na mestu kontakta, što ima veoma visok otpor. Zbog toga se krajevi ugljeva jako zagriju, a to je dovoljno da između njih izbije luk kada se razdvoje. Nakon toga, katoda luka se održava u zagrijanom stanju pomoću same struje koja prolazi kroz luk. Glavna uloga Bombardovanje katode pozitivnim ionima koji upadaju na nju igra ulogu u tome.

Strujna naponska karakteristika luka je potpuno jedinstvena. Kod lučnog pražnjenja, kako se struja povećava, napon na lučnim stezaljkama opada, tj. luk ima opadajuću strujno-naponsku karakteristiku.

Primjena lučnog pražnjenja. Osvetljenje. Zbog visoke temperature lučne elektrode emituju zasljepljujuću svjetlost (sjaj stuba luka je slabiji, jer je emisivnost plina mala), te stoga električni luk je jedan od najbolji izvori Sveta. Troši samo oko 3 W po kandeli i znatno je energetski efikasniji od najbolje lampe sa žarnom niti Električni luk je prvi put upotrijebio za rasvjetu 1875. godine ruski inženjer-pronalazač P.N. Yablochkin (1847-1894) i dobio je naziv "rusko svjetlo" ili "sjeverno svjetlo". Zavarivanje. Za zavarivanje metalnih dijelova koristi se električni luk. Dijelovi koji se zavaruju služe kao pozitivna elektroda; dodirujući ih ugljem spojenim na negativni pol izvora struje, između tijela i uglja se stvara luk koji topi metal. Merkurov luk. Od velikog interesa je živin luk koji gori u kvarcnoj cijevi, tzv kvarcna lampa. U ovoj lampi, lučno pražnjenje se ne događa u zraku, već u atmosferi živine pare, za koju se mala količina žive unosi u lampu, a zrak se ispumpava. Živino lučno svjetlo izuzetno je bogato ultraljubičastim zracima, koji imaju jaka hemijska i fiziološka dejstva. Da bi se ovo zračenje moglo iskoristiti, lampa nije napravljena od stakla koje jako upija UV zrake, već od topljenog kvarca. Živine lampe se široko koriste u liječenju raznih bolesti, kao i naučno istraživanje kao jak izvor ultraljubičastog zračenja.

Kao izvor informacija korišten je Udžbenik za osnovnu fiziku.

uredio akademik G.S. Landsberg (tom 2). Moskva, izdavačka kuća „Nauka“, 1985.

Završio MARKIDONOV TIMUR, Irkutsk.

U gasovima postoje nesamoodrživa i samoodrživa električna pražnjenja.

Fenomen električne struje koja teče kroz gas, posmatran samo pod uslovom nekog spoljašnjeg uticaja na gas, naziva se nesamoodrživo električno pražnjenje. Proces uklanjanja elektrona iz atoma naziva se jonizacija atoma. Minimalna energija koja se mora potrošiti da bi se uklonio elektron iz atoma naziva se energija ionizacije. Djelomično ili potpuno ionizirani plin u kojem su gustine pozitivnih i negativnih naboja jednake naziva se plazma.

Nosioci električne struje tokom nesamoodrživog pražnjenja su pozitivni ioni i negativni elektroni. Strujna naponska karakteristika je prikazana na sl. 54. U području OAV-a - nesamoodrživo pražnjenje. U BC regiji pražnjenje postaje nezavisno.

Tokom samopražnjenja, jedan od načina ionizacije atoma je jonizacija udarom elektrona. Ionizacija udarom elektrona postaje moguća kada elektron na srednjem slobodnom putu A dobije kinetičku energiju W k dovoljnu da izvrši rad na uklanjanju elektrona iz atoma. Vrste nezavisnih pražnjenja u gasovima - varničko, koronsko, lučno i užareno pražnjenje.

Iskreni pražnjenje nastaje između dvije elektrode napunjene različitim nabojima i koje imaju veliku potencijalnu razliku. Napon između različito nabijenih tijela dostiže i do 40.000 V. Varničko pražnjenje je kratkotrajno, njegov mehanizam je elektronski udar. Munja je vrsta varničnog pražnjenja.

U vrlo nehomogenim električnim poljima formiranim, na primjer, između vrha i ravnine ili između žice dalekovoda i površine Zemlje, poseban oblik samopražnjenje u gasovima, tzv koronsko pražnjenje.

Električno lučno pražnjenje otkrio je ruski naučnik V.V. Petrov 1802. Kada dvije karbonske elektrode dođu u kontakt na naponu od 40-50 V, na nekim mjestima se pojavljuju područja malog poprečnog presjeka sa visokim električnim otporom. Ove oblasti postaju veoma vruće i emituju elektrone, koji ioniziraju atome i molekule između elektroda. Nosioci električne struje u luku su pozitivno nabijeni ioni i elektroni.

Pražnjenje koje se javlja pri smanjenom pritisku naziva se sjajno pražnjenje. Kako pritisak opada, slobodna putanja elektrona se povećava i tokom vremena između sudara uspeva da dobije dovoljno energije za jonizaciju. električno polje sa manje napetosti. Pražnjenje se vrši elektronsko-jonskom lavinom.