В природата няма абсолютни диелектрици. Подреденото движение на частици - носители на електрически заряд - тоест ток, може да бъде предизвикано във всяка среда, но това изисква специални условия. Тук ще разгледаме как протичат електрическите явления в газовете и как един газ може да се промени от много добър диелектрик в много добър проводник. Ще се интересуваме от условията, при които възниква, както и какви характеристики характеризират електрическия ток в газовете.
Електрически свойства на газовете
Диелектрикът е вещество (среда), в което концентрацията на частици - свободни носители на електрически заряд - не достига никаква значителна стойност, в резултат на което проводимостта е незначителна. Всички газове са добри диелектрици. Техните изолационни свойства се използват навсякъде. Например, при всеки прекъсвач отварянето на веригата се случва, когато контактите се приведат в такова положение, че между тях се образува въздушна междина. Проводници в електропроводисъщо са изолирани един от друг чрез въздушен слой.
Структурната единица на всеки газ е молекула. Състои се от атомни ядра и електронни облаци, тоест представлява съвкупност от електрически заряди, разпределени в пространството по някакъв начин. Газовата молекула може да бъде електрически дипол поради особеностите на своята структура или може да бъде поляризирана под действието на външно електрическо поле. По-голямата част от молекулите, които съставляват газа, са електрически неутрални при нормални условия, тъй като зарядите в тях се компенсират взаимно.
Ако към газ се приложи електрическо поле, молекулите ще приемат диполна ориентация, заемайки пространствена позиция, която компенсира ефекта на полето. Заредените частици, присъстващи в газа под въздействието на кулонови сили, ще започнат да се движат: положителни йони - по посока на катода, отрицателни йони и електрони - към анода. Въпреки това, ако полето е с недостатъчен потенциал, не възниква единичен насочен поток от заряди и по-скоро може да се говори за отделни токове, толкова слаби, че трябва да бъдат пренебрегнати. Газът се държи като диелектрик.
По този начин за възникване на електрически ток в газовете са необходими голяма концентрация на свободни носители на заряд и наличие на поле.
Йонизация
Процесът на лавинообразно увеличаване на броя на свободните заряди в газ се нарича йонизация. Съответно газ, в който има значително количество заредени частици, се нарича йонизиран. Именно в такива газове се създава електрически ток.
Процесът на йонизация е свързан с нарушаване на неутралността на молекулите. В резултат на отделянето на електрон се появяват положителни йони, прикрепването на електрон към молекула води до образуването на отрицателен йон. Освен това в йонизирания газ има много свободни електрони. Положителните йони и особено електроните са основните носители на заряд за електрически ток в газовете.
Йонизацията възниква, когато определено количество енергия се предаде на частица. По този начин външен електрон в състава на молекула, получил тази енергия, може да напусне молекулата. Взаимните сблъсъци на заредени частици с неутрални водят до избиване на нови електрони и процесът придобива лавинообразен характер. Кинетичната енергия на частиците също се увеличава, което значително насърчава йонизацията.
Откъде идва енергията, използвана за възбуждане на електрически ток в газовете? Йонизацията на газовете има няколко източника на енергия, според които е обичайно да се назовават нейните видове.
- Йонизация чрез електрическо поле. В този случай потенциалната енергия на полето се преобразува в кинетичната енергия на частиците.
- Термойонизация. Повишаването на температурата също води до образуването на голям брой безплатни заряди.
- Фотойонизация. Същността на този процес е, че електроните се снабдяват с енергия от кванти на електромагнитно излъчване - фотони, ако имат достатъчно висока честота (ултравиолетови, рентгенови, гама кванти).
- Ударната йонизация е резултат от преобразуването на кинетичната енергия на сблъскващите се частици в енергията на разделяне на електрони. Както итермична йонизация, той служи като основен фактор на възбуждане в газове на електрически ток.
Всеки газ се характеризира с определена прагова стойност - йонизиращата енергия, необходима на електрон да се откъсне от молекула, преодолявайки потенциална бариера. Тази стойност за първия електрон варира от няколко волта до две десетки волта; необходима е повече енергия за отстраняване на следващия електрон от молекулата и т.н.
Трябва да се има предвид, че едновременно с йонизацията в газа протича и обратният процес - рекомбинация, тоест възстановяването на неутралните молекули под действието на кулоновите сили на привличане.
Газов разряд и неговите видове
И така, електрическият ток в газовете се дължи на подреденото движение на заредените частици под действието на електрическо поле, приложено към тях. Наличието на такива заряди от своя страна е възможно поради различни йонизиращи фактори.
Така че термичната йонизация изисква значителни температури, но открит пламък поради някои химични процеси допринася за йонизацията. Дори при относително ниска температура в присъствието на пламък се записва появата на електрически ток в газовете, а експериментът с газопроводимост улеснява проверката на това. Необходимо е да поставите пламъка на горелка или свещ между плочите на зареден кондензатор. Веригата, отворена преди това поради въздушната междина в кондензатора, ще се затвори. Галванометър, свързан към веригата, ще покаже наличието на ток.
Електрическият ток в газове се нарича газов разряд. Трябва да се има предвид, чеза да се поддържа стабилността на разряда, действието на йонизатора трябва да бъде постоянно, тъй като поради постоянната рекомбинация газът губи своите електропроводими свойства. Някои носители на електрически ток в газове - йони - се неутрализират върху електродите, други - електрони - попадащи върху анода, се насочват към "плюса" на източника на полето. Ако йонизиращият фактор престане да действа, газът веднага ще стане отново диелектрик и токът ще спре. Такъв ток, зависим от действието на външен йонизатор, се нарича несамоподдържащ се разряд.
Характеристиките на преминаването на електрически ток през газове се описват чрез специална зависимост на силата на тока от напрежението - характеристиката ток-напрежение.
Нека разгледаме развитието на газов разряд върху графиката на зависимостта ток-напрежение. Когато напрежението се повиши до определена стойност U1, токът нараства пропорционално на него, тоест законът на Ом се изпълнява. Кинетичната енергия се увеличава, а оттам и скоростта на зарядите в газа и този процес изпреварва рекомбинацията. При стойности на напрежението от U1 до U2 това съотношение се нарушава; когато се достигне U2, всички носители на заряд достигат до електродите, без да имат време за рекомбиниране. Всички безплатни заряди са включени и по-нататъшното увеличаване на напрежението не води до увеличаване на тока. Този характер на движението на зарядите се нарича ток на насищане. По този начин можем да кажем, че електрическият ток в газовете се дължи и на особеностите на поведението на йонизирания газ в електрически полета с различна сила.
Когато потенциалната разлика между електродите достигне определена стойност U3, напрежението става достатъчно, за да може електрическото поле да предизвика лавинообразна газова йонизация. Кинетичната енергия на свободните електрони вече е достатъчна за ударна йонизация на молекулите. В същото време скоростта им в повечето газове е около 2000 km/s и по-висока (изчислява се по приблизителната формула v=600 Ui, където Ui е йонизационният потенциал). В този момент възниква пробив на газ и се получава значително увеличение на тока поради вътрешен йонизационен източник. Следователно, такъв разряд се нарича независим.
Наличието на външен йонизатор в този случай вече не играе роля за поддържане на електрически ток в газовете. Самостоятелен разряд при различни условия и с различни характеристики на източника на електрическо поле може да има определени характеристики. Има такива видове саморазряд като свечение, искра, дъга и корона. Ще разгледаме как електрическият ток се държи в газове, накратко за всеки от тези видове.
Glow Discharge
В разреден газ потенциална разлика от 100 (и дори по-малко) до 1000 волта е достатъчна, за да започне независим разряд. Следователно, светещ разряд, характеризиращ се с ниска сила на тока (от 10-5 A до 1 A), възниква при налягания от не повече от няколко милиметра живак.
В епруветка с разреден газ и студени електроди, появяващият се светещ разряд изглежда като тънък светещ кабел между електродите. Ако продължите да изпомпвате газ от тръбата, ще наблюдаватезамъгляване на шнура и при налягания от десети милиметри живак, сиянието изпълва тръбата почти напълно. Сиянието липсва близо до катода - в така нареченото тъмно катодно пространство. Останалото се нарича положителна колона. В този случай основните процеси, които осигуряват съществуването на разряда, са локализирани точно в тъмното катодно пространство и в прилежащата към него област. Тук заредените газови частици се ускоряват, избивайки електроните от катода.
При светещ разряд причината за йонизацията е електронна емисия от катода. Електроните, излъчвани от катода, предизвикват ударна йонизация на газовите молекули, появяващите се положителни йони предизвикват вторично излъчване от катода и т.н. Светенето на положителната колона се дължи главно на отката на фотоните от възбудените газови молекули, а различните газове се характеризират със сияние с определен цвят. Положителният стълб участва в образуването на светещ разряд само като участък от електрическата верига. Ако приближите електродите един към друг, можете да постигнете изчезването на положителния стълб, но разрядът няма да спре. Въпреки това, с по-нататъшно намаляване на разстоянието между електродите, светещият разряд няма да може да съществува.
Трябва да се отбележи, че за този тип електрически ток в газове физиката на някои процеси все още не е напълно изяснена. Например, естеството на силите, които причиняват разширение на катодната повърхност на областта, която участва в разряда, остава неясна.
Искров разряд
Искраразбивката има импулсивен характер. Това се случва при налягане, близко до нормалното атмосферно, в случаите, когато мощността на източника на електрическо поле не е достатъчна за поддържане на стационарен разряд. В този случай силата на полето е висока и може да достигне 3 MV/m. Явлението се характеризира с рязко увеличаване на разрядния електрически ток в газа, като в същото време напрежението пада изключително бързо и разрядът спира. След това потенциалната разлика се увеличава отново и целият процес се повтаря.
При този тип разряд се образуват краткотрайни искрови канали, чийто растеж може да започне от всяка точка между електродите. Това се дължи на факта, че ударната йонизация се случва произволно на места, където в момента е концентриран най-голям брой йони. Близо до канала за искрови канали газът се нагрява бързо и претърпява термично разширение, което причинява акустични вълни. Следователно, искровият разряд е придружен от пукане, както и отделяне на топлина и ярко сияние. Лавинообразните йонизационни процеси генерират високо налягане и температури до 10 хиляди градуса и повече в искровия канал.
Най-яркият пример за естествен искров разряд е мълнията. Диаметърът на главния канал за мълния може да варира от няколко сантиметра до 4 m, а дължината на канала може да достигне 10 km. Големината на тока достига 500 хиляди ампера, а потенциалната разлика между гръмотевичен облак и земната повърхност достига милиард волта.
Най-дългата мълния от 321 км е наблюдавана през 2007 г. в Оклахома, САЩ. Рекордьорът по времетраене беше светкавица, записанапрез 2012 г. във френските Алпи – продължи над 7,7 секунди. При удар от мълния въздухът може да се нагрее до 30 хиляди градуса, което е 6 пъти повече от температурата на видимата повърхност на Слънцето.
В случаите, когато мощността на източника на електрическо поле е достатъчно голяма, искровият разряд се развива в дъга.
Дъгово разреждане
Този тип саморазряд се характеризира с висока плътност на тока и ниско (по-малко от светещия разряд) напрежение. Разстоянието на пробив е малко поради близостта на електродите. Разрядът се инициира от излъчването на електрон от повърхността на катода (за металните атоми йонизационният потенциал е малък в сравнение с газовите молекули). По време на пробив между електродите се създават условия, при които газът провежда електрически ток и възниква искров разряд, който затваря веригата. Ако мощността на източника на напрежение е достатъчно голяма, искровите разряди се превръщат в стабилна електрическа дъга.
Йонизацията по време на дъгов разряд достига почти 100%, силата на тока е много висока и може да бъде от 10 до 100 ампера. При атмосферно налягане дъгата може да се нагрее до 5–6 хиляди градуса, а катодът - до 3 хиляди градуса, което води до интензивно термоелектронно излъчване от повърхността му. Бомбардирането на анода с електрони води до частично разрушаване: върху него се образува вдлъбнатина - кратер с температура около 4000 °C. Увеличаването на налягането води до още по-голямо повишаване на температурите.
При разпръскване на електродите, дъговият разряд остава стабилен до определено разстояние,което ви позволява да се справяте с него в онези области на електрическото оборудване, където е вредно поради корозия и изгаряне на контактите, причинени от него. Това са устройства като високоволтови и автоматични ключове, контактори и други. Един от методите за борба с дъгата, която възниква при отваряне на контакти, е използването на дъгови улеи, базирани на принципа на удължаване на дъгата. Използват се и много други методи: свързване на контакти, използване на материали с висок йонизационен потенциал и т.н.
Коронен разряд
Развитието на коронен разряд се случва при нормално атмосферно налягане в рязко нехомогенни полета в близост до електроди с голяма кривина на повърхността. Това могат да бъдат шпили, мачти, проводници, различни елементи на електрическо оборудване, които имат сложна форма, и дори човешка коса. Такъв електрод се нарича коронен електрод. Йонизационните процеси и съответно светенето на газа протичат само в близост до него.
Корона може да се образува както на катода (отрицателна корона), когато е бомбардирана с йони, така и върху анода (положителна) в резултат на фотойонизация. Отрицателната корона, при която процесът на йонизация е насочен далеч от електрода в резултат на топлинно излъчване, се характеризира с равномерно сияние. В положителната корона могат да се наблюдават стримери - светещи линии с начупена конфигурация, които могат да се превърнат в искрови канали.
Пример за коронен разряд в естествени условия са пожарите на Св. Елмо, които възникват по върховете на високи мачти, върхове на дървета и т.н. Те се образуват при високо напрежение на електричествотополета в атмосферата, често преди гръмотевична буря или по време на снежна буря. Освен това те бяха фиксирани върху кожата на самолета, който падна в облак вулканична пепел.
Коронният разряд по проводниците на електропроводите води до значителни загуби на електроенергия. При високо напрежение коронният разряд може да се превърне в дъга. Той се бори по различни начини, например чрез увеличаване на радиуса на кривината на проводниците.
Електрически ток в газове и плазма
Напълно или частично йонизиран газ се нарича плазма и се счита за четвъртото състояние на материята. Като цяло плазмата е електрически неутрална, тъй като общият заряд на съставните й частици е нула. Това го отличава от други системи от заредени частици, като електронни лъчи.
При естествени условия плазмата се образува, като правило, при високи температури поради сблъсък на газови атоми при високи скорости. По-голямата част от барионната материя във Вселената е в състояние на плазма. Това са звезди, част от междузвездната материя, междугалактически газ. Йоносферата на Земята също е разредена, слабо йонизирана плазма.
Степента на йонизация е важна характеристика на плазмата - нейните проводими свойства зависят от нея. Степента на йонизация се определя като съотношението на броя на йонизираните атоми към общия брой атоми на единица обем. Колкото по-йонизирана е плазмата, толкова по-висока е нейната електрическа проводимост. Освен това се характеризира с висока мобилност.
Виждаме, следователно, че газовете, които провеждат електричество, са вътреразрядните канали не са нищо друго освен плазма. По този начин светещите и коронните разряди са примери за студена плазма; искровен канал от мълния или електрическа дъга са примери за гореща, почти напълно йонизирана плазма.
Електрически ток в метали, течности и газове - разлики и прилики
Нека разгледаме характеристиките, които характеризират газовия разряд в сравнение със свойствата на тока в други среди.
В металите токът е насочено движение на свободни електрони, което не води до химически промени. Проводниците от този тип се наричат проводници от първи вид; те включват, освен метали и сплави, въглища, някои соли и оксиди. Те се отличават с електронна проводимост.
Проводници от втория вид са електролити, тоест течни водни разтвори на основи, киселини и соли. Преминаването на ток е свързано с химическа промяна в електролита - електролиза. Йоните на веществото, разтворено във вода, под действието на потенциална разлика се движат в противоположни посоки: положителни катиони - към катода, отрицателни аниони - към анода. Процесът е придружен от отделяне на газ или отлагане на метален слой върху катода. Проводниците от втория вид се характеризират с йонна проводимост.
Що се отнася до проводимостта на газовете, тя е, първо, временна, и второ, има признаци на прилики и разлики с всеки от тях. И така, електрическият ток както в електролитите, така и в газовете е дрейф от противоположно заредени частици, насочени към противоположни електроди. Въпреки това, докато електролитите се характеризират с чисто йонна проводимост, при газов разряд с комбинацияелектронни и йонни видове проводимост, водещата роля принадлежи на електроните. Друга разлика между електрическия ток в течности и газове е естеството на йонизацията. В електролит молекулите на разтворено съединение се дисоциират във вода, но в газ молекулите не се разпадат, а само губят електрони. Следователно, газовият разряд, подобно на тока в металите, не е свързан с химически промени.
Физиката на електрическия ток в течности и газове също не е същата. Проводимостта на електролитите като цяло се подчинява на закона на Ом, но не се наблюдава по време на газов разряд. Волт-амперната характеристика на газовете има много по-сложен характер, свързан със свойствата на плазмата.
Заслужава си да споменем общите и отличителни характеристики на електрическия ток в газове и във вакуум. Вакуумът е почти перфектен диелектрик. "Почти" - защото във вакуум, въпреки липсата (по-точно изключително ниска концентрация) на свободни носители на заряд, е възможен и ток. Но потенциалните носители вече присъстват в газа, те трябва само да бъдат йонизирани. Носителите на заряд се извеждат във вакуум от материята. По правило това се случва в процеса на електронна емисия, например, когато катодът се нагрява (термионна емисия). Но, както видяхме, емисиите също играят важна роля при различни видове газови разряди.
Използване на газови разряди в технологиите
Вредните ефекти от определени изхвърляния вече бяха обсъдени накратко по-горе. Сега нека обърнем внимание на ползите, които те носят в индустрията и в ежедневието.
Тящият разряд се използва в електротехниката(стабилизатори на напрежението), в технологията за нанасяне на покрития (метод на катодно разпрашване, базиран на явлението катодна корозия). В електрониката се използва за производство на йонни и електронни лъчи. Добре позната област на приложение на светещите разряди са флуоресцентните и така наречените икономични лампи и декоративните неонови и аргонови разрядни тръби. Освен това светещите разряди се използват в газовите лазери и в спектроскопията.
Искровият разряд се използва в предпазители, при електроерозивни методи за прецизна обработка на метали (искрово рязане, пробиване и т.н.). Но той е най-известен с използването му в запалителни свещи на двигатели с вътрешно горене и в домакински уреди (газови печки).
Дъговият разряд, използван за първи път в осветителната техника през далечната 1876 г. (свещта на Яблочков - "руска светлина"), все още служи като източник на светлина - например в проектори и мощни прожектори. В електротехниката дъгата се използва в живачни токоизправители. В допълнение, той се използва в електрическо заваряване, рязане на метал, промишлени електрически пещи за топене на стомана и сплави.
Коронният разряд се използва в електрофилтрите за почистване на йонни газове, броячи на елементарни частици, гръмоотводи, климатични системи. Коронен разряд също работи в копирни машини и лазерни принтери, където зарежда и разрежда фоточувствителния барабан и прехвърля прах от барабана на хартия.
По този начин газовите разряди от всички видове намират най-многошироко приложение. Електрическият ток в газовете се използва успешно и ефективно в много области на технологиите.
