V prírode neexistujú absolútne dielektrika. Usporiadaný pohyb častíc – nosičov elektrického náboja – teda prúdu, môže byť vyvolaný v akomkoľvek médiu, vyžaduje si to však špeciálne podmienky. Budeme tu uvažovať o tom, ako prebiehajú elektrické javy v plynoch a ako sa plyn môže zmeniť z veľmi dobrého dielektrika na veľmi dobrý vodič. Bude nás zaujímať, za akých podmienok vzniká, ako aj aké vlastnosti charakterizujú elektrický prúd v plynoch.
Elektrické vlastnosti plynov
Dielektrikum je látka (médium), v ktorej koncentrácia častíc - voľných nosičov elektrického náboja - nedosahuje významnú hodnotu, v dôsledku čoho je vodivosť zanedbateľná. Všetky plyny sú dobrými dielektrikami. Ich izolačné vlastnosti sa využívajú všade. Napríklad v akomkoľvek ističi dôjde k otvoreniu obvodu, keď sa kontakty dostanú do takej polohy, že sa medzi nimi vytvorí vzduchová medzera. Drôty v elektrických vedeniachsú tiež navzájom izolované vzduchovou vrstvou.
Štrukturálna jednotka každého plynu je molekula. Skladá sa z atómových jadier a elektrónových oblakov, to znamená, že je to súbor elektrických nábojov rozmiestnených v priestore nejakým spôsobom. Molekula plynu môže byť elektrický dipól kvôli zvláštnostiam jej štruktúry, alebo môže byť polarizovaná pôsobením vonkajšieho elektrického poľa. Veľká väčšina molekúl, ktoré tvoria plyn, je za normálnych podmienok elektricky neutrálna, pretože náboje v nich sa navzájom rušia.
Ak sa na plyn aplikuje elektrické pole, molekuly zaujmú dipólovú orientáciu a zaujmú priestorovú polohu, ktorá kompenzuje účinok poľa. Nabité častice prítomné v plyne pod vplyvom Coulombových síl sa začnú pohybovať: kladné ióny - v smere katódy, záporné ióny a elektróny - smerom k anóde. Ak však má pole nedostatočný potenciál, nevzniká jediný usmernený tok nábojov a skôr sa dá hovoriť o samostatných prúdoch, tak slabých, že ich treba zanedbať. Plyn sa správa ako dielektrikum.
Pre výskyt elektrického prúdu v plynoch je teda potrebná veľká koncentrácia voľných nosičov náboja a prítomnosť poľa.
Ionizácia
Proces lavínového nárastu počtu voľných nábojov v plyne sa nazýva ionizácia. Podľa toho sa plyn, v ktorom je značné množstvo nabitých častíc, nazýva ionizovaný. Práve v takýchto plynoch vzniká elektrický prúd.
Proces ionizácie je spojený s porušením neutrality molekúl. V dôsledku oddelenia elektrónu sa objavia kladné ióny, pripojenie elektrónu k molekule vedie k vytvoreniu záporného iónu. Okrem toho je v ionizovanom plyne veľa voľných elektrónov. Pozitívne ióny a najmä elektróny sú hlavnými nosičmi náboja pre elektrický prúd v plynoch.
Ionizácia nastáva, keď sa častici udelí určité množstvo energie. Vonkajší elektrón v zložení molekuly teda môže po prijatí tejto energie opustiť molekulu. Vzájomné zrážky nabitých častíc s neutrálnymi vedú k vyradeniu nových elektrónov a proces nadobudne lavínovitý charakter. Zvyšuje sa aj kinetická energia častíc, čo výrazne podporuje ionizáciu.
Odkiaľ pochádza energia použitá na vybudenie elektrického prúdu v plynoch? Ionizácia plynov má viacero zdrojov energie, podľa ktorých je zvykom pomenovať jej typy.
- Ionizácia elektrickým poľom. V tomto prípade sa potenciálna energia poľa premení na kinetickú energiu častíc.
- Termoionizácia. Zvýšenie teploty tiež vedie k vytvoreniu veľkého počtu bezplatných poplatkov.
- Fotoionizácia. Podstatou tohto procesu je, že elektróny sú zásobované energiou kvantami elektromagnetického žiarenia - fotónmi, ak majú dostatočne vysokú frekvenciu (ultrafialové, röntgenové, gama kvantá).
- Ionizácia nárazom je výsledkom premeny kinetickej energie zrážaných častíc na energiu separácie elektrónov. Ako ajtepelná ionizácia, slúži ako hlavný budiaci faktor v plynoch elektrického prúdu.
Každý plyn sa vyznačuje určitou prahovou hodnotou - ionizačnou energiou, ktorú elektrón potrebuje na to, aby sa odtrhol od molekuly a prekonal potenciálnu bariéru. Táto hodnota pre prvý elektrón sa pohybuje od niekoľkých voltov do dvoch desiatok voltov; viac energie je potrebné na odstránenie ďalšieho elektrónu z molekuly atď.
Treba vziať do úvahy, že súčasne s ionizáciou v plyne dochádza k opačnému procesu - rekombinácii, teda obnove neutrálnych molekúl pôsobením Coulombových síl príťažlivosti.
Vypúšťanie plynu a jeho typy
Elektrický prúd v plynoch je teda spôsobený usporiadaným pohybom nabitých častíc pôsobením elektrického poľa, ktoré na ne pôsobí. Prítomnosť takýchto nábojov je zase možná v dôsledku rôznych ionizačných faktorov.
Tepelná ionizácia teda vyžaduje značné teploty, ale otvorený plameň v dôsledku niektorých chemických procesov prispieva k ionizácii. Dokonca aj pri relatívne nízkej teplote v prítomnosti plameňa sa zaznamená výskyt elektrického prúdu v plynoch a experiment s vodivosťou plynu to umožňuje ľahko overiť. Medzi platne nabitého kondenzátora je potrebné umiestniť plameň horáka alebo sviečky. Obvod predtým otvorený v dôsledku vzduchovej medzery v kondenzátore sa uzavrie. Galvanometer pripojený k obvodu bude ukazovať prítomnosť prúdu.
Elektrický prúd v plynoch sa nazýva výboj plynu. Treba mať na pamäti, žena udržanie stability výboja musí byť pôsobenie ionizátora konštantné, keďže neustálou rekombináciou stráca plyn svoje elektricky vodivé vlastnosti. Niektoré nosiče elektrického prúdu v plynoch - ióny - sú neutralizované na elektródach, iné - elektróny - dopadajúce na anódu, smerujú do "plus" zdroja poľa. Ak ionizačný faktor prestane pôsobiť, plyn sa okamžite stane opäť dielektrikom a prúd prestane. Takýto prúd, závislý od pôsobenia externého ionizátora, sa nazýva nesamostatný výboj.
Vlastnosti prechodu elektrického prúdu cez plyny sú popísané špeciálnou závislosťou sily prúdu od napätia - charakteristika prúd-napätie.
Uvažujme vývoj výboja plynu na grafe závislosti prúdu a napätia. Keď napätie stúpne na určitú hodnotu U1, prúd sa mu úmerne zvýši, to znamená, že je splnený Ohmov zákon. Zvyšuje sa kinetická energia a tým aj rýchlosť nábojov v plyne a tento proces predbieha rekombináciu. Pri hodnotách napätia od U1 do U2 je tento pomer porušený; keď sa dosiahne U2, všetky nosiče náboja dosiahnu elektródy bez toho, aby mali čas na rekombináciu. Sú zahrnuté všetky bezplatné poplatky a ďalšie zvýšenie napätia nevedie k zvýšeniu prúdu. Tento charakter pohybu nábojov sa nazýva saturačný prúd. Môžeme teda povedať, že elektrický prúd v plynoch je spôsobený aj zvláštnosťami správania sa ionizovaného plynu v elektrických poliach rôznej sily.
Keď potenciálny rozdiel medzi elektródami dosiahne určitú hodnotu U3, napätie bude dostatočné na to, aby elektrické pole spôsobilo lavínovú ionizáciu plynu. Kinetická energia voľných elektrónov už stačí na nárazovú ionizáciu molekúl. Zároveň je ich rýchlosť vo väčšine plynov okolo 2000 km/s a vyššia (počíta sa podľa približného vzorca v=600 Ui, kde Ui je ionizačný potenciál). V tomto momente nastáva rozpad plynu a dochádza k výraznému zvýšeniu prúdu v dôsledku vnútorného ionizačného zdroja. Preto sa takýto výboj nazýva nezávislý.
Prítomnosť externého ionizátora v tomto prípade už nehrá rolu pri udržiavaní elektrického prúdu v plynoch. Samostatný výboj za rôznych podmienok a s rôznymi charakteristikami zdroja elektrického poľa môže mať určité vlastnosti. Existujú také typy samovybíjania ako žiara, iskra, oblúk a koróna. Stručne sa pozrieme na to, ako sa elektrický prúd správa v plynoch pre každý z týchto typov.
Žiarivý výboj
V riedkom plyne je potenciálny rozdiel od 100 (a ešte menej) do 1000 voltov dostatočný na spustenie nezávislého výboja. Preto dochádza k žeravému výboju, ktorý sa vyznačuje nízkou intenzitou prúdu (od 10-5 A do 1 A), pri tlakoch nie väčších ako niekoľko milimetrov ortuti.
V trubici so riedkym plynom a studenými elektródami vyzerá vznikajúci žeravý výboj ako tenká svetelná šnúra medzi elektródami. Ak budete pokračovať v čerpaní plynu z trubice, budete pozorovaťrozmazanie šnúry a pri tlakoch desatín milimetra ortuti žiara vyplní trubicu takmer úplne. Žiara chýba v blízkosti katódy - v takzvanom tmavom katódovom priestore. Zvyšok sa nazýva kladný stĺpec. V tomto prípade sú hlavné procesy, ktoré zabezpečujú existenciu výboja, lokalizované presne v tmavom katódovom priestore a v oblasti susediacej s ním. Tu sa urýchľujú nabité častice plynu a vyrážajú elektróny z katódy.
Pri žeravom výboji je príčinou ionizácie emisia elektrónov z katódy. Elektróny emitované katódou spôsobujú nárazovú ionizáciu molekúl plynu, vznikajúce kladné ióny spôsobujú sekundárnu emisiu z katódy atď. Žiara kladného stĺpca je spôsobená najmä spätným rázom fotónov excitovanými molekulami plynu a rôzne plyny sú charakterizované žiarou určitej farby. Kladný stĺpec sa podieľa na tvorbe žeravého výboja len ako časť elektrického obvodu. Ak elektródy priblížite k sebe, môžete dosiahnuť zmiznutie kladného stĺpca, ale výboj sa nezastaví. S ďalším zmenšením vzdialenosti medzi elektródami však nebude môcť existovať žiarivý výboj.
Treba poznamenať, že pre tento typ elektrického prúdu v plynoch ešte nie je úplne objasnená fyzika niektorých procesov. Napríklad povaha síl, ktoré spôsobujú expanziu na povrchu katódy v oblasti, ktorá sa podieľa na výboji, zostáva nejasná.
Iskrový výboj
Iskrarozpad má impulzívny charakter. Vyskytuje sa pri tlakoch blízkych normálnemu atmosférickému, v prípadoch, keď výkon zdroja elektrického poľa nestačí na udržanie stacionárneho výboja. V tomto prípade je intenzita poľa vysoká a môže dosiahnuť 3 MV/m. Tento jav je charakterizovaný prudkým nárastom výbojového elektrického prúdu v plyne, súčasne extrémne rýchlo klesá napätie a výboj sa zastaví. Potom sa potenciálny rozdiel opäť zvýši a celý proces sa zopakuje.
Pri tomto type výboja sa vytvárajú krátkodobé iskrové kanály, ktorých rast môže začať z akéhokoľvek bodu medzi elektródami. Je to spôsobené tým, že nárazová ionizácia prebieha náhodne v miestach, kde je momentálne sústredený najväčší počet iónov. V blízkosti iskrového kanála sa plyn rýchlo zahrieva a podlieha tepelnej expanzii, čo spôsobuje akustické vlny. Preto je iskrový výboj sprevádzaný praskaním, ako aj uvoľňovaním tepla a jasnou žiarou. Procesy lavínovej ionizácie generujú v iskriskom kanáli vysoké tlaky a teploty až do 10 tisíc stupňov a viac.
Najjasnejším príkladom prirodzeného iskrového výboja je blesk. Priemer hlavného kanála s bleskami sa môže pohybovať od niekoľkých centimetrov do 4 m a dĺžka kanála môže dosiahnuť 10 km. Veľkosť prúdu dosahuje 500 tisíc ampérov a potenciálny rozdiel medzi búrkovým mrakom a zemským povrchom dosahuje miliardu voltov.
Najdlhší 321 km blesk bol pozorovaný v roku 2007 v Oklahome v USA. Rekordérom v trvaní bol blesk, nahratýv roku 2012 vo francúzskych Alpách - trval vyše 7,7 sekundy. Pri zásahu bleskom sa vzduch môže zohriať až na 30 tisíc stupňov, čo je 6-násobok teploty viditeľného povrchu Slnka.
V prípadoch, keď je výkon zdroja elektrického poľa dostatočne veľký, iskrový výboj sa rozvinie do oblúka.
Oblúkový výboj
Tento typ samovybíjania sa vyznačuje vysokou hustotou prúdu a nízkym napätím (nižším ako žeravý výboj). Prierazná vzdialenosť je malá kvôli blízkosti elektród. Výboj je iniciovaný emisiou elektrónu z povrchu katódy (pre atómy kovu je ionizačný potenciál v porovnaní s molekulami plynu malý). Pri prieraze medzi elektródami sa vytvoria podmienky, pri ktorých plyn vedie elektrický prúd a vzniká iskrový výboj, ktorý uzatvára okruh. Ak je výkon zdroja napätia dostatočne veľký, iskrové výboje sa zmenia na stabilný elektrický oblúk.
Ionizácia počas oblúkového výboja dosahuje takmer 100 %, sila prúdu je veľmi vysoká a môže byť od 10 do 100 ampérov. Pri atmosférickom tlaku sa oblúk môže zahriať na 5 - 6 000 stupňov a katóda - až 3 000 stupňov, čo vedie k intenzívnej tepelnej emisii z jeho povrchu. Bombardovanie anódy elektrónmi vedie k čiastočnému zničeniu: vytvorí sa na nej priehlbina - kráter s teplotou asi 4000 °C. Zvýšenie tlaku spôsobí ešte väčší nárast teplôt.
Pri rozťahovaní elektród zostáva oblúkový výboj stabilný až do určitej vzdialenosti,čo vám umožňuje vysporiadať sa s ním v tých oblastiach elektrických zariadení, kde je škodlivý v dôsledku korózie a vyhorenia kontaktov, ktoré spôsobuje. Ide o zariadenia ako vysokonapäťové a automatické spínače, stýkače a iné. Jednou z metód boja proti oblúku, ktorý vzniká pri otváraní kontaktov, je použitie oblúkových žľabov založených na princípe predlžovania oblúka. Používa sa aj mnoho ďalších metód: premostenie kontaktov, použitie materiálov s vysokým ionizačným potenciálom atď.
Korónový výboj
Vývoj korónového výboja nastáva pri normálnom atmosférickom tlaku v ostro nehomogénnych poliach v blízkosti elektród s veľkým zakrivením povrchu. Môžu to byť veže, stožiare, drôty, rôzne prvky elektrického zariadenia, ktoré majú zložitý tvar, a dokonca aj ľudské vlasy. Takáto elektróda sa nazýva korónová elektróda. Ionizačné procesy a teda aj žiara plynu prebiehajú len v jej blízkosti.
Koróna sa môže tvoriť ako na katóde (negatívna koróna), keď je bombardovaná iónmi, tak aj na anóde (pozitívna) v dôsledku fotoionizácie. Negatívna koróna, v ktorej je ionizačný proces v dôsledku tepelnej emisie nasmerovaný preč od elektródy, sa vyznačuje rovnomernou žiarou. V pozitívnej koróne je možné pozorovať streamery - svetelné čiary prerušovanej konfigurácie, ktoré sa môžu zmeniť na iskrové kanály.
Príkladom korónového výboja v prírodných podmienkach sú požiare St. Elmo, ktoré sa vyskytujú na špičkách vysokých stožiarov, v korunách stromov a podobne. Vznikajú pri vysokom napätí elpoliach v atmosfére, často pred búrkou alebo počas snehovej búrky. Okrem toho boli pripevnené na kožu lietadla, ktoré spadlo do oblaku sopečného popola.
Korónový výboj na vodičoch elektrického vedenia vedie k významným stratám elektrickej energie. Pri vysokom napätí sa korónový výboj môže zmeniť na oblúk. Bojuje sa rôznymi spôsobmi, napríklad zväčšením polomeru zakrivenia vodičov.
Elektrický prúd v plynoch a plazme
Plne alebo čiastočne ionizovaný plyn sa nazýva plazma a považuje sa za štvrté skupenstvo hmoty. Celkovo je plazma elektricky neutrálna, pretože celkový náboj jej jednotlivých častíc je nulový. To ho odlišuje od iných systémov nabitých častíc, ako sú elektrónové lúče.
V prirodzených podmienkach vzniká plazma spravidla pri vysokých teplotách v dôsledku kolízie atómov plynu pri vysokých rýchlostiach. Prevažná väčšina baryónovej hmoty vo vesmíre je v stave plazmy. Sú to hviezdy, súčasť medzihviezdnej hmoty, medzigalaktický plyn. Ionosféra Zeme je tiež riedka, slabo ionizovaná plazma.
Stupeň ionizácie je dôležitou charakteristikou plazmy – závisia od nej jej vodivé vlastnosti. Stupeň ionizácie je definovaný ako pomer počtu ionizovaných atómov k celkovému počtu atómov na jednotku objemu. Čím je plazma viac ionizovaná, tým vyššia je jej elektrická vodivosť. Okrem toho sa vyznačuje vysokou mobilitou.
Vidíme teda, že plyny, ktoré vedú elektrinu, sú vo vnútrivýbojové kanály nie sú nič iné ako plazma. Žiarivé a korónové výboje sú teda príkladmi studenej plazmy; iskrový kanál blesku alebo elektrický oblúk sú príklady horúcej, takmer úplne ionizovanej plazmy.
Elektrický prúd v kovoch, kvapalinách a plynoch – rozdiely a podobnosti
Uvažujme o vlastnostiach, ktoré charakterizujú výboj plynu v porovnaní s vlastnosťami prúdu v iných médiách.
V kovoch je prúd riadený pohyb voľných elektrónov, ktorý nespôsobuje chemické zmeny. Vodiče tohto typu sa nazývajú vodiče prvého druhu; medzi ne patrí okrem kovov a zliatin aj uhlie, niektoré soli a oxidy. Vyznačujú sa elektronickou vodivosťou.
Vodiče druhého druhu sú elektrolyty, teda kvapalné vodné roztoky zásad, kyselín a solí. Prechod prúdu je spojený s chemickou zmenou elektrolytu – elektrolýzou. Ióny látky rozpustené vo vode sa pôsobením rozdielu potenciálov pohybujú v opačných smeroch: kladné katióny - ku katóde, záporné anióny - k anóde. Proces je sprevádzaný vývojom plynu alebo ukladaním kovovej vrstvy na katóde. Vodiče druhého druhu sa vyznačujú iónovou vodivosťou.
Pokiaľ ide o vodivosť plynov, je po prvé dočasná a po druhé, má znaky podobností a rozdielov s každým z nich. Takže elektrický prúd v elektrolytoch aj plynoch je driftom opačne nabitých častíc nasmerovaných k opačným elektródam. Kým sa však elektrolyty vyznačujú čisto iónovou vodivosťou, v plynovom výboji s kombináciouelektronické a iónové typy vodivosti, vedúca úloha patrí elektrónom. Ďalším rozdielom medzi elektrickým prúdom v kvapalinách a plynoch je povaha ionizácie. V elektrolyte sa molekuly rozpustenej zlúčeniny disociujú vo vode, ale v plyne sa molekuly nerozpadnú, ale iba stratia elektróny. Preto výboj plynu, podobne ako prúd v kovoch, nie je spojený s chemickými zmenami.
Fyzika elektrického prúdu v kvapalinách a plynoch tiež nie je rovnaká. Vodivosť elektrolytov ako celku sa riadi Ohmovým zákonom, ale pri výboji plynu sa nepozoruje. Voltampérová charakteristika plynov má oveľa komplexnejší charakter spojený s vlastnosťami plazmy.
Za zmienku stoja všeobecné a charakteristické vlastnosti elektrického prúdu v plynoch a vo vákuu. Vákuum je takmer dokonalé dielektrikum. "Takmer" - pretože vo vákuu je napriek absencii (presnejšie extrémne nízkej koncentrácii) voľných nosičov náboja možný aj prúd. Ale potenciálne nosiče sú už v plyne prítomné, treba ich len ionizovať. Nosiče náboja sa dostávajú do vákua z hmoty. Spravidla k tomu dochádza v procese emisie elektrónov, napríklad pri zahrievaní katódy (termionická emisia). Ako sme však videli, emisie tiež zohrávajú dôležitú úlohu pri rôznych typoch vypúšťania plynov.
Využitie plynových výbojov v technológii
Škodlivé účinky určitých vypúšťaní už boli stručne diskutované vyššie. Teraz venujme pozornosť výhodám, ktoré prinášajú v priemysle a každodennom živote.
Žiarivý výboj sa používa v elektrotechnike(stabilizátory napätia), v technológii povlakovania (metóda katódového naprašovania založená na fenoméne katódovej korózie). V elektronike sa používa na výrobu iónových a elektrónových lúčov. Dobre známou oblasťou použitia žeravých výbojov sú žiarivky a takzvané ekonomické lampy a dekoratívne neónové a argónové výbojky. Okrem toho sa žeravé výboje používajú v plynových laseroch a v spektroskopii.
Iskrový výboj sa používa v poistkách, pri elektroerozívnych metódach presného spracovania kovov (iskrové rezanie, vŕtanie a pod.). Najznámejší je však jeho použitie v zapaľovacích sviečkach spaľovacích motorov a v domácich spotrebičoch (plynové sporáky).
Oblúkový výboj, ktorý bol prvýkrát použitý v osvetľovacej technike už v roku 1876 (Jabločkovova sviečka – „Ruské svetlo“), dodnes slúži ako zdroj svetla – napríklad v projektoroch a výkonných reflektoroch. V elektrotechnike sa oblúk používa v ortuťových usmerňovačoch. Okrem toho sa používa pri elektrickom zváraní, rezaní kovov, priemyselných elektrických peciach na tavenie ocele a zliatin.
Korónový výboj sa používa v elektrostatických odlučovačoch na čistenie iónových plynov, počítadlách elementárnych častíc, bleskozvodoch, klimatizačných systémoch. Korónový výboj funguje aj v kopírkach a laserových tlačiarňach, kde nabíja a vybíja fotocitlivý valec a prenáša prášok z valca na papier.
Výboje plynov všetkých typov teda nachádzajú najviacširoké uplatnenie. Elektrický prúd v plynoch sa úspešne a efektívne využíva v mnohých oblastiach techniky.
