Dabā nav absolūtu dielektriķu. Daļiņu - elektriskā lādiņa nesēju -, tas ir, strāvas, sakārtotu kustību var izraisīt jebkurā vidē, bet tam ir nepieciešami īpaši apstākļi. Šeit mēs apskatīsim, kā notiek elektriskās parādības gāzēs un kā gāzi var pārveidot no ļoti laba dielektriķa par ļoti labu vadītāju. Mūs interesēs apstākļi, kādos tā rodas, kā arī kādas īpašības raksturo elektrisko strāvu gāzēs.
Gāzu elektriskās īpašības
Dielektriķis ir viela (vide), kurā daļiņu - elektriskā lādiņa brīvo nesēju - koncentrācija nesasniedz nekādu būtisku vērtību, kā rezultātā vadītspēja ir niecīga. Visas gāzes ir labi dielektriķi. To izolācijas īpašības tiek izmantotas visur. Piemēram, jebkurā ķēdes pārtraucējā ķēdes atvēršana notiek, kad kontakti tiek nostādīti tādā stāvoklī, ka starp tiem veidojas gaisa sprauga. Vadi elektropārvades līnijāsir arī izolēti viens no otra ar gaisa slāni.
Jebkuras gāzes struktūrvienība ir molekula. Tas sastāv no atomu kodoliem un elektronu mākoņiem, tas ir, tas ir elektrisko lādiņu kopums, kas kaut kādā veidā sadalīts telpā. Gāzes molekula tās struktūras īpatnību dēļ var būt elektrisks dipols, vai arī tā var būt polarizēta ārējā elektriskā lauka iedarbībā. Lielākā daļa molekulu, kas veido gāzi, normālos apstākļos ir elektriski neitrālas, jo tajās esošie lādiņi viens otru izslēdz.
Ja gāzei tiek pielietots elektriskais lauks, molekulas pieņems dipola orientāciju, ieņemot telpisku pozīciju, kas kompensē lauka ietekmi. Lādētās daļiņas, kas atrodas gāzē Kulona spēku ietekmē, sāks kustēties: pozitīvie joni - katoda virzienā, negatīvie joni un elektroni - pret anodu. Taču, ja laukam ir nepietiekams potenciāls, viena virzīta lādiņu plūsma nerodas, un drīzāk var runāt par atsevišķām strāvām, tik vājām, ka tās atstāt novārtā. Gāze darbojas kā dielektriķis.
Tādējādi elektriskās strāvas rašanās gāzēs ir nepieciešama liela brīvo lādiņnesēju koncentrācija un lauka klātbūtne.
Jonizācija
Procesu, kurā lavīnai līdzīgs brīvo lādiņu skaita pieaugums gāzē sauc par jonizāciju. Attiecīgi gāzi, kurā ir ievērojams daudzums uzlādētu daļiņu, sauc par jonizētu. Šādās gāzēs rodas elektriskā strāva.
Jonizācijas process ir saistīts ar molekulu neitralitātes pārkāpumu. Elektrona atslāņošanās rezultātā parādās pozitīvi joni, elektrona piesaiste molekulai noved pie negatīva jona veidošanās. Turklāt jonizētā gāzē ir daudz brīvu elektronu. Pozitīvie joni un jo īpaši elektroni ir galvenie elektriskās strāvas lādiņnesēji gāzēs.
Jonizācija notiek, kad daļiņai tiek nodots noteikts enerģijas daudzums. Tādējādi ārējais elektrons molekulas sastāvā, saņēmis šo enerģiju, var atstāt molekulu. Savstarpējas uzlādētu daļiņu sadursmes ar neitrālajām daļiņām noved pie jaunu elektronu izsitīšanas, un process iegūst lavīnai līdzīgu raksturu. Palielinās arī daļiņu kinētiskā enerģija, kas ļoti veicina jonizāciju.
No kurienes nāk enerģija, ko izmanto elektriskās strāvas ierosināšanai gāzēs? Gāzu jonizācijai ir vairāki enerģijas avoti, pēc kuriem pieņemts nosaukt tās veidus.
- Jonizācija ar elektrisko lauku. Šajā gadījumā lauka potenciālā enerģija tiek pārvērsta daļiņu kinētiskajā enerģijā.
- Termojonizācija. Temperatūras paaugstināšanās rada arī lielu skaitu bezmaksas maksas.
- Fotojonizācija. Šī procesa būtība ir tāda, ka elektronus ar enerģiju apgādā elektromagnētiskā starojuma kvanti - fotoni, ja tiem ir pietiekami augsta frekvence (ultravioletais, rentgens, gamma kvanti).
- Trieciena jonizācija ir sadursmes daļiņu kinētiskās enerģijas pārvēršanas rezultāts elektronu atdalīšanas enerģijā. Kā arītermiskā jonizācija, tas kalpo kā galvenais ierosmes faktors elektriskās strāvas gāzēs.
Katrai gāzei ir raksturīga noteikta sliekšņa vērtība – jonizācijas enerģija, kas nepieciešama, lai elektrons atrautos no molekulas, pārvarot potenciāla barjeru. Šī vērtība pirmajam elektronam svārstās no vairākiem voltiem līdz diviem desmitiem voltu; ir nepieciešams vairāk enerģijas, lai noņemtu no molekulas nākamo elektronu utt.
Jāņem vērā, ka vienlaikus ar jonizāciju gāzē notiek apgrieztais process - rekombinācija, tas ir, Kulona pievilkšanas spēku iedarbībā atjaunojas neitrālas molekulas.
Gāzes izlāde un tās veidi
Tātad, elektriskā strāva gāzēs ir saistīta ar lādētu daļiņu sakārtotu kustību tām pielietotā elektriskā lauka ietekmē. Šādu lādiņu klātbūtne savukārt iespējama dažādu jonizācijas faktoru dēļ.
Tātad, termiskai jonizācijai nepieciešama ievērojama temperatūra, bet atklāta liesma dažu ķīmisku procesu dēļ veicina jonizāciju. Pat salīdzinoši zemā temperatūrā liesmas klātbūtnē tiek reģistrēta elektriskās strāvas parādīšanās gāzēs, un eksperiments ar gāzes vadītspēju ļauj to viegli pārbaudīt. Starp uzlādēta kondensatora plāksnēm ir nepieciešams novietot degļa vai sveces liesmu. Kondensatora gaisa spraugas dēļ iepriekš atvērtā ķēde tiks aizvērta. Ķēdei pievienots galvanometrs parādīs strāvas klātbūtni.
Elektrisko strāvu gāzēs sauc par gāzizlādi. Jāpatur prātā, kalai saglabātu izlādes stabilitāti, jonizatora darbībai jābūt nemainīgai, jo pastāvīgas rekombinācijas dēļ gāze zaudē savas elektriski vadošās īpašības. Daži elektriskās strāvas nesēji gāzēs - joni - tiek neitralizēti uz elektrodiem, citi - elektroni - krītot uz anoda, tiek novirzīti uz lauka avota "plusu". Ja jonizējošais faktors pārstāj darboties, gāze nekavējoties atkal kļūs par dielektriķi, un strāva pārtrauks. Šādu strāvu, kas ir atkarīga no ārējā jonizatora darbības, sauc par nepastāvīgu izlādi.
Elektriskās strāvas pārejas caur gāzēm pazīmes raksturo īpaša strāvas stipruma atkarība no sprieguma - strāvas-sprieguma raksturlielums.
Aplūkosim gāzizlādes attīstību strāvas un sprieguma atkarības grafikā. Kad spriegums paaugstinās līdz noteiktai vērtībai U1, strāva palielinās proporcionāli tam, tas ir, Ohma likums ir izpildīts. Palielinās kinētiskā enerģija un līdz ar to arī lādiņu ātrums gāzē, un šis process ir priekšā rekombinācijai. Pie sprieguma vērtībām no U1 līdz U2 šī attiecība tiek pārkāpta; kad tiek sasniegts U2, visi lādiņa nesēji sasniedz elektrodus bez laika pārkombinēšanai. Ir iesaistītas visas bezmaksas maksas, un turpmāks sprieguma pieaugums neizraisa strāvas palielināšanos. Šo lādiņu kustības raksturu sauc par piesātinājuma strāvu. Tādējādi varam teikt, ka elektriskā strāva gāzēs ir saistīta arī ar jonizētās gāzes uzvedības īpatnībām dažāda stipruma elektriskajos laukos.
Kad potenciālu starpība starp elektrodiem sasniedz noteiktu vērtību U3, spriegums kļūst pietiekams, lai elektriskais lauks izraisītu lavīnai līdzīgu gāzes jonizāciju. Brīvo elektronu kinētiskā enerģija jau ir pietiekama molekulu triecienjonizācijai. Tajā pašā laikā to ātrums lielākajā daļā gāzu ir aptuveni 2000 km/s un lielāks (to aprēķina pēc aptuvenas formulas v=600 Ui, kur Ui ir jonizācijas potenciāls). Šajā brīdī notiek gāzes sadalījums un ievērojams strāvas pieaugums iekšējā jonizācijas avota dēļ. Tāpēc šādu izlādi sauc par neatkarīgu.
Ārējā jonizatora klātbūtnei šajā gadījumā vairs nav nozīmes elektriskās strāvas uzturēšanā gāzēs. Pašpietiekamai izlādei dažādos apstākļos un ar dažādām elektriskā lauka avota īpašībām var būt noteiktas pazīmes. Ir tādi pašizlādes veidi kā spīdums, dzirkstele, loks un korona. Mēs īsumā apskatīsim, kā elektriskā strāva darbojas gāzēs, katram no šiem veidiem.
Glow Discharge
Retajā gāzē potenciālu starpība no 100 (un pat mazāka) līdz 1000 voltiem ir pietiekama, lai uzsāktu neatkarīgu izlādi. Tāpēc kvēlizlāde, ko raksturo zems strāvas stiprums (no 10-5 A līdz 1 A), rodas spiedienā, kas nepārsniedz dažus dzīvsudraba staba milimetrus.
Caurulē ar retu gāzi un aukstiem elektrodiem plūstošā kvēlizlāde izskatās kā tievs gaismas vads starp elektrodiem. Ja turpināsiet sūknēt gāzi no caurules, jūs ievērositauklas izplūšana un dzīvsudraba stabiņa milimetru desmitdaļu spiediena mirdzums gandrīz pilnībā piepilda cauruli. Mirdzuma nav katoda tuvumā - tā sauktajā tumšā katoda telpā. Pārējo sauc par pozitīvo kolonnu. Šajā gadījumā galvenie procesi, kas nodrošina izlādes esamību, tiek lokalizēti tieši tumšajā katoda telpā un tai piegulošajā reģionā. Šeit lādētas gāzes daļiņas tiek paātrinātas, izsitot elektronus no katoda.
Kvēlizlādes gadījumā jonizācijas cēlonis ir elektronu emisija no katoda. Katoda izstarotie elektroni rada gāzes molekulu triecienjonizāciju, topošie pozitīvie joni izraisa sekundāro emisiju no katoda utt. Pozitīvās kolonnas mirdzums galvenokārt ir saistīts ar fotonu atsitienu, ko izraisa ierosinātās gāzes molekulas, un dažādām gāzēm ir raksturīgs noteiktas krāsas spīdums. Pozitīvā kolonna piedalās kvēlspuldzes veidošanā tikai kā elektriskās ķēdes sadaļa. Ja jūs tuvināsiet elektrodus, jūs varat panākt pozitīvās kolonnas pazušanu, bet izlāde neapstāsies. Tomēr, vēl vairāk samazinot attālumu starp elektrodiem, svelmes izlāde nevarēs pastāvēt.
Jāatzīmē, ka attiecībā uz šāda veida elektrisko strāvu gāzēs dažu procesu fizika vēl nav pilnībā noskaidrota. Piemēram, paliek neskaidrs to spēku raksturs, kas izraisa izlādē iesaistītā reģiona katoda virsmas izplešanos.
Dzirksteļaizlāde
Sparksabrukumam ir impulsīvs raksturs. Tas notiek pie normālam atmosfēras spiedienam, gadījumos, kad elektriskā lauka avota jauda nav pietiekama, lai uzturētu stacionāru izlādi. Šajā gadījumā lauka stiprums ir augsts un var sasniegt 3 MV/m. Parādību raksturo straujš izlādes elektriskās strāvas pieaugums gāzē, tajā pašā laikā spriegums pazeminās ārkārtīgi ātri, un izlāde apstājas. Pēc tam potenciālā starpība atkal palielinās, un viss process tiek atkārtots.
Pie šāda veida izlādes veidojas īslaicīgi dzirksteļu kanāli, kuru augšana var sākties no jebkura punkta starp elektrodiem. Tas ir saistīts ar faktu, ka triecienjonizācija notiek nejauši vietās, kur šobrīd ir koncentrēts vislielākais jonu skaits. Blakus dzirksteles kanālam gāze strauji uzsilst un tiek pakļauta termiskai izplešanai, kas izraisa akustiskus viļņus. Tāpēc dzirksteles izlādi pavada sprakšķēšana, kā arī siltuma izdalīšanās un spilgts spīdums. Lavīnu jonizācijas procesi dzirksteles kanālā rada augstu spiedienu un temperatūru līdz 10 tūkstošiem grādu un vairāk.
Spilgtākais dabiskas dzirksteles izlādes piemērs ir zibens. Galvenā zibens dzirksteles kanāla diametrs var svārstīties no dažiem centimetriem līdz 4 m, bet kanāla garums var sasniegt 10 km. Strāvas stiprums sasniedz 500 tūkstošus ampēru, un potenciālu starpība starp negaisa mākoni un Zemes virsmu sasniedz miljardu voltu.
Visgarākais zibens 321 km garumā tika novērots 2007. gadā Oklahomā, ASV. Rekordists uz laiku bija zibens, ierakstīts2012. gadā Francijas Alpos - tas ilga virs 7,7 sekundēm. Kad zibens iespēra, gaiss var uzkarst līdz 30 tūkstošiem grādu, kas ir 6 reizes augstāka par Saules redzamās virsmas temperatūru.
Gadījumos, kad elektriskā lauka avota jauda ir pietiekami liela, dzirksteles izlāde attīstās lokā.
Loka izlāde
Šim pašizlādes veidam ir raksturīgs augsts strāvas blīvums un zems (mazāks nekā kvēlizlādes) spriegums. Sadalīšanas attālums ir mazs elektrodu tuvuma dēļ. Izlādi ierosina elektrona emisija no katoda virsmas (metāla atomiem jonizācijas potenciāls ir mazs, salīdzinot ar gāzes molekulām). Sadalījuma laikā starp elektrodiem tiek radīti apstākļi, kādos gāze vada elektrisko strāvu, un rodas dzirksteļaizlāde, kas aizver ķēdi. Ja sprieguma avota jauda ir pietiekami liela, dzirksteļu izlāde pārvēršas stabilā elektriskā lokā.
Jonizācija loka izlādes laikā sasniedz gandrīz 100%, strāvas stiprums ir ļoti augsts un var būt no 10 līdz 100 ampēriem. Atmosfēras spiedienā loks var uzkarst līdz 5–6 tūkstošiem grādu, bet katods - līdz 3 tūkstošiem grādu, kas izraisa intensīvu termisko emisiju no tās virsmas. Anoda bombardēšana ar elektroniem noved pie daļējas iznīcināšanas: uz tā veidojas padziļinājums - krāteris, kura temperatūra ir aptuveni 4000 °C. Spiediena paaugstināšanās izraisa vēl lielāku temperatūras paaugstināšanos.
Izklājot elektrodus, loka izlāde saglabājas stabila līdz noteiktam attālumam,kas ļauj ar to tikt galā tajās elektroiekārtu zonās, kur tas ir kaitīgs tās izraisītās korozijas un kontaktu izdegšanas dēļ. Tās ir tādas ierīces kā augstsprieguma un automātiskie slēdži, kontaktori un citi. Viena no metodēm, kā apkarot loku, kas rodas, atverot kontaktus, ir loka teknes, kuru pamatā ir loka pagarinājuma princips. Tiek izmantotas arī daudzas citas metodes: kontaktu savienošana, materiālu ar augstu jonizācijas potenciālu izmantošana un tā tālāk.
Koronas izlāde
Koronas izlāde notiek normālā atmosfēras spiedienā krasi neviendabīgos laukos pie elektrodiem ar lielu virsmas izliekumu. Tie var būt smailes, masti, vadi, dažādi elektroiekārtu elementi, kuriem ir sarežģīta forma, un pat cilvēku mati. Šādu elektrodu sauc par korona elektrodu. Jonizācijas procesi un attiecīgi gāzes mirdzēšana notiek tikai tās tuvumā.
Korona var veidoties gan uz katoda (negatīvā korona), kad to bombardē ar joniem, gan uz anoda (pozitīvā) fotojonizācijas rezultātā. Negatīvā korona, kurā jonizācijas process tiek virzīts prom no elektroda termiskās emisijas rezultātā, ir raksturīgs vienmērīgs spīdums. Pozitīvajā koronā var novērot straumētājus - lauztas konfigurācijas gaismas līnijas, kas var pārvērsties dzirksteļu kanālos.
Koronas izlādes piemērs dabiskos apstākļos ir Sv. Elmo ugunsgrēki, kas rodas augstu mastu galos, koku galotnēs un tā tālāk. Tie veidojas pie augsta elektriskā spriegumalauki atmosfērā, bieži pirms pērkona negaisa vai sniega vētras laikā. Turklāt tie tika fiksēti uz gaisa kuģa ādas, kas iekrita vulkānisko pelnu mākonī.
Koronas izlāde uz elektrolīniju vadiem rada ievērojamus elektroenerģijas zudumus. Pie augsta sprieguma koronaizlāde var pārvērsties lokā. Ar to cīnās dažādi, piemēram, palielinot vadītāju izliekuma rādiusu.
Elektriskā strāva gāzēs un plazmā
Pilnībā vai daļēji jonizētu gāzi sauc par plazmu, un to uzskata par vielas ceturto stāvokli. Kopumā plazma ir elektriski neitrāla, jo tajā esošo daļiņu kopējais lādiņš ir nulle. Tas to atšķir no citām lādētu daļiņu sistēmām, piemēram, elektronu stariem.
Dabiskos apstākļos plazma parasti veidojas augstās temperatūrās gāzes atomu sadursmes dēļ lielā ātrumā. Lielākā daļa barionu matērijas Visumā atrodas plazmas stāvoklī. Tās ir zvaigznes, daļa no starpzvaigžņu matērijas, starpgalaktiskā gāze. Zemes jonosfēra ir arī reta, vāji jonizēta plazma.
Jonizācijas pakāpe ir svarīga plazmas īpašība - no tā ir atkarīgas tās vadītspējas īpašības. Jonizācijas pakāpi definē kā jonizēto atomu skaita attiecību pret kopējo atomu skaitu tilpuma vienībā. Jo vairāk jonizēta plazma, jo augstāka ir tās elektrovadītspēja. Turklāt to raksturo augsta mobilitāte.
Tāpēc mēs redzam, ka gāzes, kas vada elektrību, atrodas iekšāizlādes kanāli nav nekas cits kā plazma. Tādējādi spīdums un korona izlāde ir aukstas plazmas piemēri; zibens dzirksteles kanāls vai elektriskā loka ir karstas, gandrīz pilnībā jonizētas plazmas piemēri.
Elektriskā strāva metālos, šķidrumos un gāzēs - atšķirības un līdzības
Aplūkosim pazīmes, kas raksturo gāzizlādi, salīdzinot ar strāvas īpašībām citos medijos.
Metālos strāva ir virzīta brīvo elektronu kustība, kas neizraisa ķīmiskas izmaiņas. Šāda veida vadītājus sauc par pirmā veida vadītājiem; tie ietver, papildus metāliem un sakausējumiem, ogles, dažus sāļus un oksīdus. Tās izceļas ar elektronisko vadītspēju.
Otrā veida vadītāji ir elektrolīti, tas ir, šķidri sārmu, skābju un sāļu ūdens šķīdumi. Strāvas pāreja ir saistīta ar ķīmiskām izmaiņām elektrolītā - elektrolīzi. Ūdenī izšķīdinātas vielas joni potenciālu starpības ietekmē pārvietojas pretējos virzienos: pozitīvie katjoni - uz katodu, negatīvie anjoni - uz anodu. Procesu pavada gāzes izdalīšanās vai metāla slāņa nogulsnēšanās uz katoda. Otrā veida vadītājiem ir raksturīga jonu vadītspēja.
Kas attiecas uz gāzu vadītspēju, tā, pirmkārt, ir īslaicīga, un, otrkārt, tai ir līdzību un atšķirību pazīmes ar katru no tām. Tātad elektriskā strāva gan elektrolītos, gan gāzēs ir pretēji lādētu daļiņu novirze, kas vērsta uz pretējiem elektrodiem. Tomēr, lai gan elektrolītus raksturo tikai jonu vadītspēja, gāzizlādei ar kombinācijuelektroniskie un jonu vadītspējas veidi, vadošā loma pieder elektroniem. Vēl viena atšķirība starp elektrisko strāvu šķidrumos un gāzēs ir jonizācijas raksturs. Elektrolītā izšķīdušā savienojuma molekulas disociējas ūdenī, bet gāzē molekulas nesadalās, bet tikai zaudē elektronus. Tāpēc gāzes izlāde, tāpat kā strāva metālos, nav saistīta ar ķīmiskām izmaiņām.
Arī šķidrumos un gāzēs esošās elektriskās strāvas fizika nav vienāda. Elektrolītu vadītspēja kopumā atbilst Ohma likumam, bet gāzizlādes laikā tā netiek ievērota. Gāzu voltu ampēru raksturlielumam ir daudz sarežģītāks raksturs, kas saistīts ar plazmas īpašībām.
Ir vērts pieminēt vispārējās un atšķirīgās elektriskās strāvas pazīmes gāzēs un vakuumā. Vakuums ir gandrīz ideāls dielektriķis. "Gandrīz" - jo vakuumā, neskatoties uz brīvo lādiņnesēju neesamību (precīzāk, ārkārtīgi zemu koncentrāciju), iespējama arī strāva. Bet potenciālie nesēji jau ir gāzē, tie ir tikai jājonizē. Lādiņu nesēji tiek nogādāti vakuumā no matērijas. Parasti tas notiek elektronu emisijas procesā, piemēram, kad katods tiek uzkarsēts (termioniskā emisija). Taču, kā mēs redzējām, emisijām ir arī liela nozīme dažāda veida gāzu izplūdēs.
Gāzes izplūdes izmantošana tehnoloģijā
Dažu izplūžu kaitīgā ietekme jau ir īsi apspriesta iepriekš. Tagad pievērsīsim uzmanību ieguvumiem, ko tie sniedz rūpniecībā un ikdienas dzīvē.
Kvēlizlāde tiek izmantota elektrotehnikā(sprieguma stabilizatori), pārklāšanas tehnoloģijā (katoda izsmidzināšanas metode, kuras pamatā ir katoda korozijas fenomens). Elektronikā to izmanto jonu un elektronu staru ražošanai. Labi pazīstama kvēlizlādes pielietojuma joma ir dienasgaismas un tā sauktās ekonomiskās lampas un dekoratīvās neona un argona izlādes caurules. Turklāt kvēlizlādes tiek izmantotas gāzes lāzeros un spektroskopijā.
Dzirksteļaizlāde tiek izmantota drošinājumos, elektroerozīvās metālapstrādes metodēs (dzirksteļgriešana, urbšana utt.). Bet tas ir vislabāk pazīstams ar savu izmantošanu iekšdedzes dzinēju aizdedzes svecēs un sadzīves ierīcēs (gāzes plītis).
Loka izlāde, ko apgaismojuma tehnoloģijā pirmo reizi izmantoja tālajā 1876. gadā (Jabločkova svece - "krievu gaisma"), joprojām kalpo kā gaismas avots - piemēram, projektoros un jaudīgos prožektoros. Elektrotehnikā loku izmanto dzīvsudraba taisngriežos. Turklāt to izmanto elektriskā metināšana, metāla griešana, rūpnieciskās elektriskās krāsnis tērauda un sakausējumu kausēšanai.
Korona izlāde tiek izmantota elektrostatiskajos nogulsnēs jonu gāzu tīrīšanai, elementārdaļiņu skaitītājos, zibensnovedēs, gaisa kondicionēšanas sistēmās. Korona izlāde darbojas arī kopētājos un lāzerprinteros, kur tā uzlādē un izlādē gaismjutīgo cilindru un pārnes pulveri no cilindra uz papīru.
Tādējādi visu veidu gāzes izplūdes atrod visvairākplašs pielietojums. Elektriskā strāva gāzēs tiek veiksmīgi un efektīvi izmantota daudzās tehnoloģiju jomās.
