A természetben nincsenek abszolút dielektrikumok. A részecskék - elektromos töltéshordozók -, azaz az áram rendezett mozgása bármilyen közegben előidézhető, ehhez azonban speciális feltételek szükségesek. Itt megvizsgáljuk, hogyan zajlanak le az elektromos jelenségek a gázokban, és hogyan lehet egy gázt nagyon jó dielektrikumból nagyon jó vezetővé változtatni. Érdeklődni fogunk, hogy milyen körülmények között keletkezik, valamint hogy milyen jellemzők jellemzik a gázok elektromos áramát.
Gázok elektromos tulajdonságai
A dielektrikum olyan anyag (közeg), amelyben a részecskék - elektromos töltés szabad hordozói - koncentrációja nem ér el jelentős értéket, aminek következtében a vezetőképesség elhanyagolható. Minden gáz jó dielektrikum. Szigetelő tulajdonságaikat mindenhol alkalmazzák. Például bármely megszakítóban az áramkör nyitása akkor következik be, amikor az érintkezőket olyan helyzetbe hozzuk, hogy légrés képződik közöttük. Vezetékek az elektromos vezetékekbenlégréteggel is el vannak választva egymástól.
Minden gáz szerkezeti egysége egy molekula. Atommagokból és elektronfelhőkből áll, vagyis a térben valamilyen módon eloszló elektromos töltések gyűjteménye. A gázmolekula szerkezetének sajátosságai miatt lehet elektromos dipólus, vagy külső elektromos tér hatására polarizálódhat. A gázt alkotó molekulák túlnyomó többsége normál körülmények között elektromosan semleges, mivel a bennük lévő töltések kioltják egymást.
Ha elektromos mezőt alkalmaznak egy gázra, a molekulák dipólus orientációt vesznek fel, és olyan térbeli pozíciót foglalnak el, amely kompenzálja a mező hatását. A gázban jelenlévő töltött részecskék Coulomb-erők hatására elkezdenek mozogni: a pozitív ionok - a katód irányába, a negatív ionok és elektronok - az anód felé. Ha azonban a mezőnek nincs elegendő potenciálja, akkor nem jön létre egyetlen irányított töltésáramlás, és inkább külön áramokról beszélhetünk, amelyek annyira gyengék, hogy figyelmen kívül kell őket hagyni. A gáz dielektrikumként viselkedik.
Így ahhoz, hogy a gázokban elektromos áram keletkezzen, nagy koncentrációjú szabad töltéshordozóra és egy mező jelenlétére van szükség.
Ionizáció
Ionizációnak nevezzük azt a folyamatot, amely során egy gázban a szabad töltések száma lavinaszerűen megnövekszik. Ennek megfelelően azt a gázt, amelyben jelentős mennyiségű töltött részecske van, ionizáltnak nevezzük. Az ilyen gázokban elektromos áram keletkezik.
Az ionizációs folyamat a molekulák semlegességének megsértésével jár. Az elektron leválása következtében pozitív ionok jelennek meg, az elektron molekulához való kapcsolódása negatív ion képződéséhez vezet. Ezen kívül sok szabad elektron van egy ionizált gázban. A pozitív ionok és különösen az elektronok a gázok elektromos áramának fő töltéshordozói.
Ionizáció akkor következik be, amikor egy részecske bizonyos mennyiségű energiát ad át. Így a molekula összetételében lévő külső elektron, miután megkapta ezt az energiát, elhagyhatja a molekulát. A töltött részecskék és a semleges részecskék kölcsönös ütközése új elektronok kiütéséhez vezet, és a folyamat lavinaszerű jelleget ölt. A részecskék mozgási energiája is megnő, ami nagyban elősegíti az ionizációt.
Honnan származik a gázokban az elektromos áram gerjesztésére használt energia? A gázok ionizálásának több energiaforrása van, ezek szerint szokás a típusait megnevezni.
- Ionizálás elektromos térrel. Ebben az esetben a tér potenciális energiája átalakul a részecskék mozgási energiájává.
- Termoionizálás. A hőmérséklet emelkedése szintén nagyszámú ingyenes töltés kialakulásához vezet.
- Fotóionizálás. Ennek a folyamatnak a lényege, hogy az elektronokat elektromágneses sugárzáskvantumok - fotonok - látják el energiával, ha kellően magas frekvenciájúak (ultraibolya, röntgen, gamma kvantumok).
- Az ütési ionizáció az ütköző részecskék kinetikus energiájának elektronleválási energiává való átalakulásának eredménye. Szinténtermikus ionizáció, az elektromos áram gázaiban a fő gerjesztési tényezőként szolgál.
Minden gázt egy bizonyos küszöbérték jellemez – az az ionizációs energia, amely ahhoz szükséges, hogy az elektron elszakadjon a molekulától, leküzdve a potenciálgát. Ez az érték az első elektronra néhány volttól két tíz voltig terjed; több energiára van szükség a következő elektron eltávolításához a molekulából, és így tovább.
Figyelembe kell venni, hogy a gáz ionizációjával egyidejűleg a fordított folyamat is végbemegy - rekombináció, vagyis a semleges molekulák helyreállása Coulomb-vonzóerők hatására.
Gázkisülés és típusai
Tehát a gázokban az elektromos áram a töltött részecskék rendezett mozgásának köszönhető, a rájuk ható elektromos tér hatására. Az ilyen töltések jelenléte viszont különféle ionizációs tényezők miatt lehetséges.
Tehát a termikus ionizáció jelentős hőmérsékletet igényel, de bizonyos kémiai folyamatok miatt nyílt láng hozzájárul az ionizációhoz. Még viszonylag alacsony hőmérsékleten, láng jelenlétében is rögzítik az elektromos áram megjelenését a gázokban, és a gáz vezetőképességével kapcsolatos kísérletekkel ez könnyen ellenőrizhető. A feltöltött kondenzátor lapjai közé égő vagy gyertya lángját kell elhelyezni. A kondenzátor légrés miatt korábban megszakadt áramkör bezárul. Az áramkörre csatlakoztatott galvanométer mutatja az áram jelenlétét.
A gázokban lévő elektromos áramot gázkisülésnek nevezzük. Szem előtt kell tartani, hogya kisülés stabilitásának fenntartásához az ionizáló hatásának állandónak kell lennie, mivel az állandó rekombináció következtében a gáz elveszti elektromosan vezető tulajdonságait. A gázokban lévő elektromos áram egyes hordozóit - ionokat - az elektródákon semlegesítik, másokat - az anódra eső elektronokat - a mezőforrás "plusz"-jára irányítják. Ha az ionizáló tényező megszűnik, a gáz azonnal újra dielektrikummá válik, és az áram megszűnik. Az ilyen áramot, amely egy külső ionizáló hatásától függ, nem önfenntartó kisülésnek nevezzük.
Az elektromos áram gázokon való áthaladásának jellemzőit az áramerősség speciális feszültségfüggése írja le – az áram-feszültség karakterisztika.
Nézzük meg a gázkisülés kialakulását az áram-feszültség függés grafikonján. Ha a feszültség egy bizonyos U1 értékre emelkedik, az áramerősség ezzel arányosan növekszik, vagyis teljesül az Ohm-törvény. Növekszik a mozgási energia, és ezáltal a töltések sebessége a gázban, és ez a folyamat megelőzi a rekombinációt. U1 és U2 közötti feszültségértékeknél ez az arány sérül; az U2 elérésekor minden töltéshordozó eléri az elektródákat anélkül, hogy ideje lenne újrakombinálni. Minden ingyenes töltés érintett, és a feszültség további növekedése nem vezet az áramerősség növekedéséhez. A töltések mozgásának ezt a természetét telítési áramnak nevezzük. Elmondhatjuk tehát, hogy a gázok elektromos árama is az ionizált gáz viselkedésének sajátosságaiból fakad különböző erősségű elektromos mezőkben.
Amikor az elektródák közötti potenciálkülönbség elér egy bizonyos U3 értéket, a feszültség elegendő lesz ahhoz, hogy az elektromos tér lavinaszerű gázionizációt idézzen elő. A szabad elektronok mozgási energiája már elegendő a molekulák ütközési ionizációjához. Ugyanakkor a legtöbb gázban a sebességük körülbelül 2000 km/s és nagyobb (ezt a következő képlettel számítjuk ki: v=600 Ui, ahol Ui az ionizációs potenciál). Ebben a pillanatban gázlebomlás következik be, és egy belső ionizációs forrás miatt jelentős áramnövekedés következik be. Ezért az ilyen kisülést függetlennek nevezik.
A külső ionizáló jelenléte ebben az esetben már nem játszik szerepet a gázok elektromos áramának fenntartásában. Az önfenntartó kisülés különböző feltételek mellett és az elektromos térforrás eltérő jellemzőivel rendelkezhet bizonyos jellemzőkkel. Vannak olyan önkisülési típusok, mint az izzás, a szikra, az ív és a korona. Röviden megvizsgáljuk, hogyan viselkedik az elektromos áram gázokban.
Izzáskisülés
Egy ritka gázban 100 (és még kevesebb) és 1000 V közötti potenciálkülönbség elegendő a független kisülés elindításához. Ezért az izzító kisülés, amelyet alacsony áramerősség jellemez (10-5 A-tól 1 A-ig), legfeljebb néhány higanymilliméter nyomáson lép fel.
Egy ritkított gázzal és hidegelektródákkal ellátott csőben a fellépő izzókisülés úgy néz ki, mint egy vékony világító zsinór az elektródák között. Ha tovább pumpálja a gázt a csőből, akkor megfigyelni fogjaa zsinór elmosódása, és tizedmilliméteres higanymilliméteres nyomáson az izzás szinte teljesen kitölti a csövet. A ragyogás hiányzik a katód közelében - az úgynevezett sötét katód térben. A többit pozitív oszlopnak nevezzük. Ebben az esetben a kisülés meglétét biztosító fő folyamatok pontosan a sötét katódtérben és a vele szomszédos régióban lokalizálódnak. Itt a töltött gázrészecskék felgyorsulnak, és kiütik az elektronokat a katódból.
Izzó kisülésben az ionizáció oka a katód elektronkibocsátása. A katód által kibocsátott elektronok a gázmolekulák ütközési ionizációját idézik elő, a felbukkanó pozitív ionok másodlagos emissziót okoznak a katódból stb. A pozitív oszlop izzása elsősorban a fotonok gerjesztett gázmolekulák általi visszarúgásának köszönhető, a különböző gázokra pedig egy bizonyos színű izzás jellemző. A pozitív oszlop csak az elektromos áramkör részeként vesz részt az izzítókisülés kialakításában. Ha az elektródákat közelebb hozza egymáshoz, akkor elérheti a pozitív oszlop eltűnését, de a kisülés nem áll le. Az elektródák közötti távolság további csökkentésével azonban az izzítókisülés nem fog létezni.
Meg kell jegyezni, hogy a gázok ilyen típusú elektromos áramára vonatkozóan egyes folyamatok fizikája még nem teljesen tisztázott. Például továbbra is tisztázatlan azoknak az erőknek a természete, amelyek a kisülésben részt vevő tartomány katódfelületén tágulást okoznak.
Szikrázó kisülés
Sparkaz összeomlás impulzív jellegű. Normál légköri nyomáson fordul elő, olyan esetekben, amikor az elektromos térforrás ereje nem elegendő az álló kisülés fenntartásához. Ebben az esetben a térerő nagy, és elérheti a 3 MV/m-t. A jelenséget a gáz kisülési elektromos áramának meredek növekedése jellemzi, ugyanakkor a feszültség rendkívül gyorsan csökken, és a kisülés leáll. Ezután a potenciálkülönbség ismét növekszik, és az egész folyamat megismétlődik.
Ennél a fajta kisülésnél rövid távú szikracsatornák képződnek, amelyek növekedése az elektródák közötti bármely pontról megindulhat. Ez annak a ténynek köszönhető, hogy az ütési ionizáció véletlenszerűen megy végbe azokon a helyeken, ahol jelenleg a legtöbb ion koncentrálódik. A szikracsatorna közelében a gáz gyorsan felmelegszik és hőtáguláson megy keresztül, ami akusztikus hullámokat okoz. Ezért a szikrakisülést recsegés, valamint hő felszabadulás és fényes ragyogás kíséri. A lavinaionizációs folyamatok magas nyomást és akár 10 ezer fokos hőmérsékletet is generálnak a szikracsatornában.
A természetes szikrakisülés legtisztább példája a villámlás. A fő villámszikra-csatorna átmérője néhány centimétertől 4 m-ig terjedhet, a csatorna hossza pedig elérheti a 10 km-t. Az áramerősség eléri az 500 ezer ampert, a zivatarfelhő és a Föld felszíne közötti potenciálkülönbség pedig eléri az egymilliárd voltot.
A leghosszabb, 321 km-es villámlást 2007-ben az Egyesült Államokban, Oklahomában észlelték. Az időtartam rekordere villám volt, rögzítették2012-ben a francia Alpokban - több mint 7,7 másodpercig tartott. Villámcsapáskor a levegő akár 30 ezer fokot is felmelegíthet, ami a Nap látható felületének 6-szorosa.
Azokban az esetekben, amikor az elektromos tér forrásának teljesítménye elég nagy, a szikrakisülés ívvé alakul.
Ívkisülés
Ezt a fajta önkisülést nagy áramsűrűség és alacsony (kisülési kisülésnél kisebb) feszültség jellemzi. Az elektródák közelsége miatt a letörési távolság kicsi. A kisülést egy elektron kibocsátása indítja el a katód felületéről (a fématomoknál az ionizációs potenciál kicsi a gázmolekulákhoz képest). Az elektródák közötti meghibásodás során olyan feltételek jönnek létre, amelyek mellett a gáz elektromos áramot vezet, és szikrakisülés következik be, amely lezárja az áramkört. Ha a feszültségforrás teljesítménye elég nagy, a szikrakisülések stabil elektromos ívgé alakulnak.
Ívkisülés közben az ionizáció eléri a 100%-ot, az áramerősség nagyon magas, és 10-100 amper is lehet. Légköri nyomáson az ív 5-6 ezer fokra, a katód pedig akár 3 ezer fokra is felmelegedhet, ami intenzív termikus kibocsátáshoz vezet a felületéről. Az anód elektronokkal történő bombázása részleges megsemmisüléshez vezet: egy mélyedés keletkezik rajta - egy kráter, amelynek hőmérséklete körülbelül 4000 ° C. A nyomásnövekedés még nagyobb hőmérséklet-emelkedést okoz.
Az elektródák szétterítésekor az ívkisülés egy bizonyos távolságig stabil marad,amely lehetővé teszi az elektromos berendezések azon területein történő kezelését, ahol káros az általa okozott érintkezők korróziója és kiégése miatt. Ezek olyan eszközök, mint a nagyfeszültségű és automatikus kapcsolók, kontaktorok és mások. Az érintkezők kinyitásakor fellépő ív leküzdésének egyik módja az ívkiterjesztés elvén alapuló ívcsúszdák használata. Sok más módszert is alkalmaznak: érintkezők áthidalása, nagy ionizációs potenciállal rendelkező anyagok használata stb.
Korona-kisülés
A koronakisülés kialakulása normál légköri nyomáson, élesen inhomogén mezőben, nagy felületi görbületű elektródák közelében megy végbe. Ezek lehetnek tornyok, árbocok, vezetékek, összetett alakú elektromos berendezések különféle elemei, sőt emberi haj is. Az ilyen elektródát koronaelektródának nevezik. Az ionizációs folyamatok és ennek megfelelően a gáz izzása csak a közelében játszódik le.
Korona képződhet mind a katódon (negatív korona), ha ionokkal bombázzák, mind az anódon (pozitív) fotoionizáció eredményeként. A negatív koronát, amelyben az ionizációs folyamat a hőkibocsátás hatására az elektródától távolodva irányul, egyenletes fényezés jellemzi. A pozitív koronában streamerek figyelhetők meg – törött konfigurációjú világító vonalak, amelyek szikracsatornákká alakulhatnak.
A természetes körülmények közötti koronakisülésre példa a St. Elmo-i tüzek, amelyek magas árbocok, fák tetején stb. Az elektromos áram nagy feszültségén jönnek létremezők a légkörben, gyakran zivatar előtt vagy hóvihar idején. Ezenkívül a vulkáni hamufelhőbe zuhant repülőgépek bőrére rögzítették őket.
A távvezetékek vezetékein lévő koronakisülés jelentős áramveszteségekhez vezet. Nagy feszültségen a koronakisülés ívvé alakulhat. Különféle módon küzdenek ellene, például a vezetők görbületi sugarának növelésével.
Elektromos áram gázokban és plazmában
A teljesen vagy részben ionizált gázt plazmának nevezik, és az anyag negyedik halmazállapotának tekintik. Összességében a plazma elektromosan semleges, mivel a benne lévő részecskék teljes töltése nulla. Ez különbözteti meg más töltött részecskék rendszereitől, például az elektronsugaraktól.
Természetes körülmények között a plazma általában magas hőmérsékleten képződik a gázatomok nagy sebességű ütközése miatt. Az Univerzum barionos anyagának túlnyomó többsége plazma állapotban van. Ezek csillagok, a csillagközi anyag részei, intergalaktikus gáz. A Föld ionoszférája is ritka, gyengén ionizált plazma.
Az ionizáció foka a plazma fontos jellemzője – vezetőképessége ettől függ. Az ionizáció mértéke az ionizált atomok számának és az egységnyi térfogatú atomok teljes számának aránya. Minél ionizáltabb a plazma, annál nagyobb az elektromos vezetőképessége. Ezenkívül nagy mobilitás jellemzi.
Azt látjuk tehát, hogy az elektromosságot vezető gázok belül vannaka kisülési csatornák nem más, mint a plazma. Így a fény- és koronakisülések a hideg plazma példái; a villám szikracsatornája vagy az elektromos ív a forró, szinte teljesen ionizált plazma példája.
Elektromos áram fémekben, folyadékokban és gázokban – különbségek és hasonlóságok
Tekintsük a gázkisülésre jellemző jellemzőket, összehasonlítva más közegek áramának tulajdonságaival.
A fémekben az áram a szabad elektronok irányított mozgása, amely nem jár kémiai változásokkal. Az ilyen típusú vezetőket az első típusú vezetőknek nevezzük; ezek közé tartozik a fémeken és ötvözeteken kívül a szén, egyes sók és oxidok. Elektronikus vezetőképességük különbözteti meg őket.
A második típusú vezetők az elektrolitok, azaz lúgok, savak és sók folyékony vizes oldatai. Az áram áthaladása az elektrolit kémiai változásával – elektrolízissel – jár. A vízben oldott anyag ionjai potenciálkülönbség hatására ellentétes irányba mozognak: pozitív kationok - a katódra, negatív anionok - az anódra. A folyamatot gázfejlődés vagy fémréteg lerakódása kíséri a katódon. A második típusú vezetőket ionos vezetőképesség jellemzi.
Ami a gázok vezetőképességét illeti, ez egyrészt átmeneti, másrészt mindegyiknél hasonlóságok és különbségek vannak. Tehát mind az elektrolitokban, mind a gázokban az elektromos áram ellentétes töltésű részecskék sodródása, amelyek az ellenkező elektródák felé irányulnak. Míg azonban az elektrolitokat tisztán ionos vezetőképesség jellemzi, addig gázkisülésben kombinációvalAz elektronikus és ionos vezetőképesség típusaiban a vezető szerep az elektronoké. Egy másik különbség a folyadékok és gázok elektromos árama között az ionizáció természete. Egy elektrolitban az oldott vegyület molekulái vízben disszociálnak, de gázban a molekulák nem bomlanak le, csak elektronokat veszítenek. Ezért a gázkisülés, akárcsak a fémek árama, nem jár kémiai változásokkal.
A folyadékok és gázok elektromos áramának fizikája sem ugyanaz. Az elektrolitok vezetőképessége összességében megfelel Ohm törvényének, de gázkisülés során nem figyelhető meg. A gázok volt-amper karakterisztikája sokkal összetettebb a plazma tulajdonságaival kapcsolatban.
Érdemes megemlíteni az elektromos áram általános és megkülönböztető jellemzőit gázokban és vákuumban. A vákuum szinte tökéletes dielektrikum. "Majdnem" - mert vákuumban a szabad töltéshordozók hiánya (pontosabban rendkívül alacsony koncentrációja) ellenére áram is lehetséges. De a potenciális hordozók már jelen vannak a gázban, csak ionizálni kell őket. A töltéshordozók vákuumba kerülnek az anyagból. Ez általában az elektronemisszió folyamatában fordul elő, például amikor a katódot felmelegítik (termionikus emisszió). De amint láttuk, az emisszió is fontos szerepet játszik a különböző típusú gázkibocsátásoknál.
Gázkisülések használata a technológiában
Bizonyos kisülések káros hatásairól fentebb már volt szó röviden. Most figyeljünk azokra az előnyökre, amelyeket az iparban és a mindennapi életben hoznak.
Az izzókisülést az elektrotechnikában használják(feszültségstabilizátorok), bevonattechnikában (katódkorróziós jelenségen alapuló katódporlasztásos módszer). Az elektronikában ion- és elektronsugarak előállítására használják. Az izzítókisülések jól ismert felhasználási területei a fénycsövek és az úgynevezett gazdaságos lámpák, valamint a dekoratív neon- és argonkisülőcsövek. Ezenkívül izzító kisüléseket használnak a gázlézerekben és a spektroszkópiában.
A szikrakisülést biztosítékokban, a precíziós fémfeldolgozás elektroeróziós módszereiben (szikravágás, fúrás stb.) használják. De leginkább a belső égésű motorok gyújtógyertyáiban és háztartási készülékekben (gáztűzhelyekben) való felhasználásáról ismert.
Az ívkisülés, amelyet először 1876-ban alkalmaztak a világítástechnikában (Jablocskov gyertyája – „orosz fény”), még mindig fényforrásként szolgál – például kivetítőkben és nagy teljesítményű spotlámpákban. Az elektrotechnikában az ívet a higany egyenirányítókban használják. Ezenkívül elektromos hegesztésben, fémvágásban, valamint ipari elektromos kemencékben használják acél- és ötvözetkohászathoz.
A koronakisülést elektrosztatikus leválasztókban használják iongázok tisztítására, elemi részecskeszámlálókban, villámhárítókban és légkondicionáló rendszerekben. A Corona-kisütés a fénymásolókban és lézernyomtatókban is működik, ahol feltölti és kisüti a fényérzékeny dobot, és port visz át a dobból a papírra.
Így minden típusú gázkibocsátás találja a legtöbbetszéles körű alkalmazás. A gázokban lévő elektromos áramot a technológia számos területén sikeresen és hatékonyan használják fel.
