التيار الكهربائي هو تدفق ناتج عن الحركة المنتظمة للجزيئات المشحونة كهربائيًا. تؤخذ حركة الشحنات على أنها اتجاه التيار الكهربائي. يمكن أن يكون التيار الكهربائي قصير المدى أو طويل المدى.
مفهوم التيار الكهربائي
أثناء تفريغ البرق، قد يحدث ذلك كهرباءوهو ما يسمى قصير المدى. وللحفاظ على التيار لفترة طويلة، من الضروري وجود مجال كهربائي وحاملات شحنة كهربائية مجانية.
يتم إنشاء مجال كهربائي بواسطة أجسام مشحونة بشكل مختلف. القوة الحالية هي نسبة الشحنة المنقولة عبر المقطع العرضي للموصل خلال فترة زمنية إلى هذه الفترة الزمنية. يتم قياسه بالأمبير.
أرز. 1. الصيغة الحالية
التيار الكهربائي في الغازات
لا تقوم جزيئات الغاز بتوصيل التيار الكهربائي في الظروف العادية. هم العوازل (العوازل). ومع ذلك، إذا تغيرت الظروف بيئة، فيمكن أن تصبح الغازات موصلة للكهرباء. نتيجة التأين (عند تسخينه أو تحت تأثير الإشعاع الإشعاعي)، يظهر تيار كهربائي في الغازات، والذي غالبًا ما يتم استبداله بمصطلح "التفريغ الكهربائي".
تصريفات الغاز ذاتية الاستدامة وغير ذاتية الاستدامة
يمكن أن تكون التصريفات في الغاز مستقلة أو غير مكتفية ذاتيا. يبدأ التيار في الوجود عندما تظهر الرسوم المجانية. توجد تفريغات غير مكتفية ذاتيًا طالما أن هناك قوة خارجية تعمل عليها، أي المؤين الخارجي. أي أنه إذا توقف المؤين الخارجي عن العمل، يتوقف التيار.
التفريغ الذاتي للتيار الكهربائي في الغازات موجود حتى بعد توقف المؤين الخارجي. تنقسم التصريفات المستقلة في الفيزياء إلى الهدوء والتوهج والقوس والشرارة والإكليل.
- هادئ - أضعف الفئات المستقلة. القوة الحالية فيه صغيرة جدًا (لا تزيد عن 1 مللي أمبير). ولا يصاحبه ظواهر صوتية أو ضوئية.
- مكمور – إذا قمت بزيادة الجهد في التفريغ الهادئ، فإنه ينتقل إلى المستوى التالي – تفريغ التوهج. في هذه الحالة، يظهر توهج، والذي يرافقه إعادة التركيب. إعادة التركيب - عملية التأين العكسي، التقاء الإلكترون والأيون الموجب. تستخدم في مصابيح الجراثيم والإضاءة.
أرز. 2. توهج التفريغ
- قوس – تتراوح القوة الحالية من 10 أمبير إلى 100 أمبير. التأين يصل إلى 100% تقريبًا. يحدث هذا النوع من التفريغ، على سبيل المثال، عند تشغيل آلة اللحام.
أرز. 3. تفريغ القوس
- شرارة - يمكن اعتباره أحد أنواع تفريغ القوس. خلال هذا التفريغ للغاية وقت قصيركمية معينة من تدفقات الكهرباء.
- كورونا التفريغ - يحدث تأين الجزيئات بالقرب من الأقطاب الكهربائية ذات نصف قطر انحناء صغير. يحدث هذا النوع من الشحنات عندما تتغير شدة المجال الكهربائي فجأة.
ماذا تعلمنا؟
ذرات وجزيئات الغاز نفسها محايدة. يتم شحنها عند تعرضها للخارج. بالحديث باختصار عن التيار الكهربائي في الغازات، فهو يمثل الحركة الموجهة للجزيئات (الأيونات الموجبة إلى الكاثود والأيونات السالبة إلى الأنود). ومن المهم أيضًا أنه عندما يتأين الغاز، تتحسن خصائصه الموصلة.
موضوعات مبرمج امتحان الدولة الموحدة: ناقلات الشحنات الكهربائية الحرة في الغازات.
في الظروف العادية، تتكون الغازات من ذرات أو جزيئات متعادلة كهربائيًا؛ لا توجد رسوم مجانية تقريبًا للغازات. ولذلك فإن الغازات العوازل- لا يمر عبرها تيار كهربائي .
قلنا "لا شيء تقريبًا" لأنه في الواقع، في الغازات، وعلى وجه الخصوص، في الهواء، توجد دائمًا كمية معينة من الجسيمات المشحونة الحرة. تظهر نتيجة للتأثيرات المؤينة للإشعاع الناتج عن المواد المشعة التي تشكل القشرة الأرضية، والأشعة فوق البنفسجية والأشعة السينية القادمة من الشمس، وكذلك الأشعة الكونية - تيارات من الجزيئات عالية الطاقة التي تخترق الغلاف الجوي للأرض من الخارج فضاء. بعد ذلك، سنعود إلى هذه الحقيقة ونناقش أهميتها، ولكن في الوقت الحالي سنشير فقط إلى أنه في الظروف العادية، تكون موصلية الغازات، الناتجة عن الكمية "الطبيعية" من الشحنات الحرة، ضئيلة ويمكن تجاهلها.
يعتمد عمل المفاتيح في الدوائر الكهربائية على الخصائص العازلة لفجوة الهواء (الشكل 1). على سبيل المثال، فجوة هوائية صغيرة في مفتاح الضوء كافية لفتحها دائرة كهربائيةفي غرفتك.
أرز. 1 مفتاح
ومع ذلك، من الممكن تهيئة الظروف التي يظهر فيها تيار كهربائي في فجوة الغاز. دعونا نفكر في التجربة التالية.
لنشحن ألواح مكثف الهواء ونوصلها بجهاز جلفانومتر حساس (الشكل 2، على اليسار). في درجة حرارة الغرفة والهواء غير الرطب جدًا، لن يُظهر الجلفانومتر أي تيار ملحوظ: فجوة الهواء لدينا، كما قلنا، ليست موصلة للكهرباء.
أرز. 2. ظهور تيار في الهواء
الآن لنضع لهب الموقد أو الشمعة في الفجوة الموجودة بين ألواح المكثف (الشكل 2، على اليمين). يظهر التيار! لماذا؟
رسوم مجانية في الغاز
إن حدوث تيار كهربائي بين ألواح المكثف يعني ظهور لهب في الهواء تحت تأثيره رسوم مجانية. أي منها بالضبط؟
تظهر التجربة أن التيار الكهربائي في الغازات هو الحركة المنتظمة للجسيمات المشحونة ثلاثة أنواع. هذا الإلكترونات, الأيونات الإيجابيةو الأيونات السالبة.
دعونا نكتشف كيف يمكن أن تظهر هذه الشحنات في الغاز.
مع زيادة درجة حرارة الغاز، تصبح الاهتزازات الحرارية لجزيئاته -الجزيئات أو الذرات- أكثر كثافة. يصل تصادم الجزيئات ضد بعضها البعض إلى هذه القوة التي تبدأ التأين- اضمحلال الجزيئات المحايدة إلى إلكترونات وأيونات موجبة (الشكل 3).
أرز. 3. التأين
درجة التأينهي نسبة عدد جزيئات الغاز المتحللة إلى العدد الأولي الإجمالي للجزيئات. على سبيل المثال، إذا كانت درجة التأين تساوي , فهذا يعني أن جزيئات الغاز الأصلية قد تفككت إلى أيونات وإلكترونات موجبة.
تعتمد درجة تأين الغاز على درجة الحرارة وتزداد بشكل حاد مع درجة الحرارة. بالنسبة للهيدروجين مثلا عند درجة حرارة أقل من ذلك فإن درجة التأين لا تتجاوز , وعند درجة حرارة أعلى تكون درجة التأين قريبة من (أي أن الهيدروجين يتأين بشكل كامل تقريبا (ويسمى الغاز المتأين جزئيا أو كليا بلازما)).
بالإضافة إلى ارتفاع درجة الحرارة، هناك عوامل أخرى تسبب تأين الغاز.
لقد ذكرناهم بشكل عابر: هذه هي الإشعاعات المشعة والأشعة فوق البنفسجية والأشعة السينية وأشعة جاما والجزيئات الكونية. يسمى أي عامل يسبب تأين الغاز المؤين.
وبالتالي فإن التأين لا يحدث من تلقاء نفسه، بل تحت تأثير المؤين.
وفي الوقت نفسه، تحدث العملية العكسية - إعادة التركيبأي إعادة توحيد الإلكترون والأيون الموجب في جسيم محايد (الشكل 4).
أرز. 4. إعادة التركيب
سبب إعادة التركيب بسيط: إنه جذب كولوم للإلكترونات والأيونات المشحونة بشكل معاكس. يندفعون تجاه بعضهم البعض تحت تأثير القوى الكهربائية، ويجتمعون ويكونون قادرين على تكوين ذرة محايدة (أو جزيء، حسب نوع الغاز).
عند شدة ثابتة لعمل المؤين، يتم إنشاء توازن ديناميكي: متوسط عدد الجسيمات المتحللة لكل وحدة زمنية يساوي متوسط عدد الجسيمات المعاد تجميعها (وبعبارة أخرى، معدل التأين يساوي معدل إعادة التركيب). يتم زيادة عمل المؤين (على سبيل المثال، عن طريق زيادة درجة الحرارة)، ثم يتحول التوازن الديناميكي إلى جانب التأين، وسوف يزيد تركيز الجزيئات المشحونة في الغاز. على العكس من ذلك، إذا قمت بإيقاف تشغيل المؤين، فستبدأ إعادة التركيب في الغلبة، وستختفي الرسوم المجانية تدريجيًا تمامًا.
لذلك تظهر الأيونات والإلكترونات الموجبة في الغاز نتيجة التأين. من أين يأتي النوع الثالث من الشحنة - الأيونات السالبة؟ الأمر بسيط للغاية: يمكن للإلكترون أن يضرب ذرة متعادلة ويلتصق بها! تظهر هذه العملية في الشكل. 5 .
أرز. 5. ظهور الأيونات السالبة
ستشارك الأيونات السالبة المتكونة على هذا النحو في إنشاء التيار جنبًا إلى جنب مع الأيونات والإلكترونات الموجبة.
التفريغ غير مكتفية ذاتيا
إذا لم يكن هناك مجال كهربائي خارجي، فإن الشحنات الحرة تخضع لحركة حرارية فوضوية مع جزيئات الغاز المحايدة. ولكن عندما يتم تطبيق مجال كهربائي، تبدأ الحركة المنتظمة للجسيمات المشحونة - التيار الكهربائي في الغاز.
أرز. 6. التفريغ غير مكتفي ذاتيا
في التين. 6 نرى ثلاثة أنواع من الجزيئات المشحونة تنشأ في فجوة الغاز تحت تأثير المؤين: الأيونات الموجبة والأيونات السالبة والإلكترونات. يتشكل تيار كهربائي في الغاز نتيجة الحركة المعاكسة للجسيمات المشحونة: الأيونات الموجبة - إلى القطب السالب (الكاثود)، والإلكترونات والأيونات السالبة - إلى القطب الموجب (الأنود)..
يتم توجيه الإلكترونات التي تصل إلى القطب الموجب عبر الدائرة إلى "زائد" المصدر الحالي. تتخلى الأيونات السالبة عن إلكترون إضافي للأنود، وتصبح جسيمات محايدة، وتعود إلى الغاز؛ يندفع الإلكترون الممنوح للأنود أيضًا إلى "زائد" المصدر. الأيونات الموجبة، التي تصل إلى الكاثود، تأخذ الإلكترونات من هناك؛ يتم تعويض النقص الناتج في الإلكترونات عند الكاثود على الفور عن طريق توصيلها إلى هناك من المصدر "السالب". ونتيجة لهذه العمليات، تحدث حركة منتظمة للإلكترونات في الدائرة الخارجية. هذا هو التيار الكهربائي المسجل بواسطة الجلفانومتر.
العملية الموضحة في الشكل. 6، دعا عدم التفريغ الذاتيفي الغاز. لماذا تعتمد؟ لذلك، للحفاظ عليه، من الضروري التشغيل المستمر للمؤين. قم بإزالة المؤين - وسيتوقف التيار، حيث ستختفي الآلية التي تضمن ظهور الشحنات المجانية في فجوة الغاز. ستصبح المسافة بين الأنود والكاثود عازلًا مرة أخرى.
خصائص الجهد الحالي لتصريف الغاز
اعتماد التيار عبر فجوة الغاز على الجهد بين الأنود والكاثود (ما يسمى خصائص فولت أمبير تفريغ الغاز ) هو مبين في الشكل. 7.
أرز. 7. خصائص الجهد الحالي لتصريف الغاز
عند الجهد صفر، تكون قوة التيار صفرًا بشكل طبيعي: تؤدي الجسيمات المشحونة حركة حرارية فقط، ولا توجد حركة منظمة بين الأقطاب الكهربائية.
عندما يكون الجهد منخفضًا، يكون التيار منخفضًا أيضًا. الحقيقة هي أنه ليس كل الجزيئات المشحونة مقدر لها الوصول إلى الأقطاب الكهربائية: فبعض الأيونات والإلكترونات الموجبة تجد بعضها البعض وتتحد مرة أخرى أثناء حركتها.
مع زيادة الجهد، تتطور الشحنات الحرة بشكل أسرع وأسرع، وتقل فرصة التقاء الأيون الموجب والإلكترون وإعادة تجميعهما. لذلك، يصل جزء متزايد من الجسيمات المشحونة إلى الأقطاب الكهربائية، ويزداد التيار (القسم ).
عند قيمة (نقطة) جهد معينة، تصبح سرعة حركة الشحن عالية جدًا بحيث لا يكون لدى إعادة التركيب وقت لتحدث على الإطلاق. من الان فصاعدا الجميعالجزيئات المشحونة التي تتشكل تحت تأثير المؤين تصل إلى الأقطاب الكهربائية، و يصل التيار إلى التشبع- أي أن القوة الحالية تتوقف عن التغير مع زيادة الجهد. سيحدث هذا إلى حد معين.
التفريغ الذاتي
بعد تجاوز النقطة، تزداد قوة التيار بشكل حاد مع زيادة الجهد - و فئة مستقلة. الآن سوف نفهم ما هو عليه.
تنتقل جزيئات الغاز المشحونة من اصطدام إلى اصطدام؛ وفي الفترات الفاصلة بين الاصطدامات، يتم تسريعها بواسطة المجال الكهربائي، مما يزيد من طاقتها الحركية. وهكذا، عندما يصبح الجهد كبيرًا بدرجة كافية (نفس النقطة)، تصل الإلكترونات أثناء مسارها الحر إلى طاقات بحيث عندما تصطدم بالذرات المحايدة فإنها تؤينها! (باستخدام قوانين الحفاظ على الزخم والطاقة، يمكن إثبات أن الإلكترونات (وليس الأيونات) التي يتم تسريعها بواسطة مجال كهربائي لديها القدرة القصوى على تأين الذرات.)
ما يسمى التأين تأثير الإلكترون. يتم أيضًا تسريع الإلكترونات التي يتم إخراجها من الذرات المتأينة بواسطة المجال الكهربائي وتتصادم مع ذرات جديدة، مما يؤدي إلى تأينها وتوليد إلكترونات جديدة. ونتيجة للانهيار الإلكتروني الناتج، يزداد عدد الذرات المتأينة بسرعة، ونتيجة لذلك تزداد قوة التيار بسرعة أيضًا.
يصبح عدد الشحنات المجانية كبيرًا جدًا بحيث تختفي الحاجة إلى مؤين خارجي. يمكنك ببساطة إزالته. يتم الآن إنشاء جزيئات مشحونة مجانية نتيجة لذلك داخليالعمليات التي تحدث في الغاز - ولهذا السبب يسمى التفريغ مستقلاً.
إذا كانت فجوة الغاز تحت الجهد العالي، فلن تكون هناك حاجة إلى مؤين للتفريغ الذاتي. يكفي أن يكون لديك إلكترون حر واحد فقط في الغاز، وسيبدأ الانهيار الإلكتروني الموصوف أعلاه. وسيكون هناك دائمًا إلكترون حر واحد على الأقل!
دعونا نتذكر مرة أخرى أنه في الغاز، حتى في الظروف العادية، هناك كمية معينة من الشحنات الحرة "الطبيعية"، وذلك بسبب الإشعاعات المشعة المؤينة من القشرة الأرضية، والإشعاع عالي التردد من الشمس، والأشعة الكونية. لقد رأينا أنه عند الفولتية المنخفضة، تكون موصلية الغاز الناتجة عن هذه الشحنات الحرة ضئيلة، ولكن الآن - عند الفولتية العالية - ستولد سيلًا من الجزيئات الجديدة، مما يؤدي إلى تفريغ مستقل. سيحدث كما يقولون انفصالفجوة الغاز.
تبلغ شدة المجال اللازمة لتحلل الهواء الجاف حوالي كيلو فولت/سم. بمعنى آخر، لكي تقفز الشرارة بين الأقطاب الكهربائية التي يفصل بينها سنتيمتر واحد من الهواء، يجب تطبيق جهد كيلوفولت عليها. تخيل الجهد اللازم لاختراق عدة كيلومترات من الهواء! لكن مثل هذه الأعطال هي التي تحدث أثناء عاصفة رعدية - وهذا هو البرق الذي تعرفه جيدًا.
التيار الكهربائي في الغازات الظروف العاديةمستحيل. أي أنه في الرطوبة الجوية والضغط ودرجة الحرارة لا توجد ناقلات شحن في الغاز. تُستخدم خاصية الغاز، وخاصة الهواء، في خطوط النقل العلوية ومفاتيح الترحيل لتوفير العزل الكهربائي.
ولكن في ظل ظروف معينة، يمكن ملاحظة التيار في الغازات. دعونا نجري تجربة. لذلك نحتاج إلى مقياس كهربائي لمكثف الهواء وأسلاك التوصيل. أولاً، لنقم بتوصيل مقياس الكهربية بالمكثف. ثم نقوم بنقل الشحنة إلى لوحات المكثف. سيُظهر مقياس الكهربية وجود هذه الشحنة نفسها. سوف يحتفظ مكثف الهواء بالشحن لبعض الوقت. أي أنه لن يكون هناك تيار بين لوحاته. يشير هذا إلى أن الهواء الموجود بين ألواح المكثف له خصائص عازلة.
الشكل 1 - مكثف مشحون متصل بمقياس كهربائي
بعد ذلك، أدخل لهب الشمعة في الفجوة بين اللوحات. في هذه الحالة، سنرى أن مقياس الكهربية سيُظهر انخفاضًا في الشحن على ألواح المكثف. أي أن التيار يتدفق في الفجوة بين اللوحات. لماذا يحدث هذا؟
الشكل 2 - إدخال شمعة في الفجوة بين ألواح مكثف مشحون
في الظروف العادية، تكون جزيئات الغاز متعادلة كهربائيًا. وهم غير قادرين على توفير التيار. ولكن مع ارتفاع درجة الحرارة، يحدث ما يسمى بتأين الغاز، ويصبح موصلًا. تظهر الأيونات الموجبة والسالبة في الغاز.
لإزالة إلكترون من ذرة الغاز، يجب بذل شغل ضد قوى كولوم. وهذا يتطلب الطاقة. وتستقبل الذرة هذه الطاقة مع زيادة درجة الحرارة. حيث أن الطاقة الحركية للحركة الحرارية تتناسب طرديا مع درجة حرارة الغاز. ثم، مع زيادتها، تتلقى الجزيئات والذرات طاقة كافية بحيث تنفصل الإلكترونات عن الذرات عند الاصطدام. تصبح مثل هذه الذرة أيونًا موجبًا. يمكن للإلكترون المنفصل أن يلتصق بذرة أخرى وسيصبح أيونًا سالبًا.
ونتيجة لذلك، تظهر الأيونات الموجبة والسالبة، وكذلك الإلكترونات، في الفجوة بين اللوحات. يبدأون جميعًا في التحرك تحت تأثير المجال الناتج عن الشحنات الموجودة على ألواح المكثف. تتحرك الأيونات الموجبة نحو الكاثود. تميل الأيونات والإلكترونات السالبة إلى القطب الموجب. وبالتالي، يتم توفير التيار في فجوة الهواء.
إن اعتماد التيار على الجهد لا يطيع قانون أوم في جميع المجالات. في القسم الأول، هذا صحيح: مع زيادة الجهد، يزيد عدد الأيونات، وبالتالي التيار. علاوة على ذلك، في القسم الثاني، يحدث التشبع، أي مع زيادة الجهد، لا يزيد التيار. لأن تركيز الأيونات يصل إلى الحد الأقصى وتظهر ببساطة أيونات جديدة من العدم.
الشكل 3 - خاصية الجهد الحالي للفجوة الهوائية
في القسم الثالث، لوحظ مرة أخرى زيادة في التيار مع زيادة الجهد. ويسمى هذا القسم التفريغ الذاتي. وهذا يعني أنه لم تعد هناك حاجة إلى المؤينات الخارجية للحفاظ على التيار في الغاز. يحدث هذا بسبب حقيقة أن الإلكترونات ذات الجهد العالي تتلقى طاقة كافية لإخراج الإلكترونات الأخرى من الذرات بمفردها. وهذه الإلكترونات بدورها تطرد الإلكترونات الأخرى، وهكذا. العملية تسير مثل الانهيار الجليدي. ويتم توفير الموصلية الرئيسية في الغاز بواسطة الإلكترونات.
ملخص في الفيزياء
حول موضوع:
"التيار الكهربائي في الغازات."
التيار الكهربائي في الغازات.
1. التفريغ الكهربائي في الغازات.
جميع الغازات في الحالة الطبيعيةلا تجري التيار الكهربائي. وكما يتبين من التجربة التالية:
لنأخذ مقياسًا كهربائيًا مع أقراص مكثف مسطح متصل به ونقوم بشحنه. في درجة حرارة الغرفة، إذا كان الهواء جافًا بدرجة كافية، فلن يتم تفريغ المكثف بشكل ملحوظ - ولا يتغير موضع إبرة مقياس الكهربية. تحتاج إلى ملاحظة انخفاض في زاوية انحراف إبرة مقياس الكهربية منذ وقت طويل. وهذا يدل على أن التيار الكهربائي الموجود في الهواء بين الأقراص صغير جدًا. تظهر هذه التجربة أن الهواء موصل رديء للتيار الكهربائي.
دعونا نعدل التجربة: تسخين الهواء بين الأقراص بلهب مصباح الكحول. ثم تتناقص بسرعة زاوية انحراف إبرة مقياس الكهربية، أي. يتناقص فرق الجهد بين أقراص المكثف - يتم تفريغ المكثف. وبالتالي أصبح الهواء الساخن بين الأقراص موصلاً، وينشأ فيه تيار كهربائي.
يتم تفسير الخصائص العازلة للغازات بحقيقة أنها لا تحتوي على شحنات كهربائية مجانية: ذرات وجزيئات الغازات في حالتها الطبيعية تكون محايدة.
2. تأين الغازات.
تظهر التجربة الموضحة أعلاه أن الجزيئات المشحونة تظهر في الغازات تحت تأثير درجة الحرارة المرتفعة. وهي تنشأ بسبب انفصال إلكترون واحد أو أكثر من ذرات الغاز، ونتيجة لذلك يظهر أيون موجب وإلكترونات بدلا من الذرة المحايدة. يمكن التقاط بعض الإلكترونات الناتجة بواسطة ذرات محايدة أخرى، ومن ثم ستظهر المزيد من الأيونات السالبة. يسمى تحلل جزيئات الغاز إلى إلكترونات وأيونات موجبة تأين الغازات.
تسخين الغاز إلى درجة حرارة عالية ليس الطريقة الوحيدة لتأين جزيئات الغاز أو ذراته. يمكن أن يحدث تأين الغاز تحت تأثير التفاعلات الخارجية المختلفة: التسخين القوي للغاز، والأشعة السينية، والأشعة أ، ب، والأشعة الناتجة عن التحلل الإشعاعي، والأشعة الكونية، وقصف جزيئات الغاز بواسطة إلكترونات أو أيونات سريعة الحركة. تسمى العوامل المسببة لتأين الغاز المؤينات.السمة الكمية لعملية التأين هي شدة التأين،تقاس بعدد أزواج الجسيمات المشحونة ذات الإشارة المعاكسة والتي تنشأ في وحدة حجم الغاز لكل وحدة زمنية.
يتطلب تأين الذرة إنفاق طاقة معينة - طاقة التأين. لتأيين ذرة (أو جزيء)، من الضروري بذل شغل ضد قوى التفاعل بين الإلكترون المقذوف والجسيمات المتبقية من الذرة (أو الجزيء). ويسمى هذا العمل بعمل التأين أ ط. ويعتمد مقدار عمل التأين على الطبيعة الكيميائية للغاز وحالة الطاقة للإلكترون المنبعث في الذرة أو الجزيء.
وبعد توقف المؤين عن العمل، يتناقص عدد الأيونات الموجودة في الغاز بمرور الوقت، وفي النهاية تختفي الأيونات تمامًا. يتم تفسير اختفاء الأيونات من خلال مشاركة الأيونات والإلكترونات الحركة الحراريةوبالتالي تصطدم ببعضها البعض. عندما يصطدم أيون موجب وإلكترون، يمكن أن يجتمعوا مرة أخرى في ذرة متعادلة. وبالمثل، عندما يصطدم أيون موجب وسالب، قد يتخلى الأيون السالب عن إلكترونه الزائد للأيون الموجب ويصبح كلا الأيونين ذرات متعادلة. تسمى عملية التحييد المتبادل للأيونات إعادة تركيب الأيونات.عندما يتحد أيون موجب مع إلكترون أو أيونين، يتم إطلاق طاقة معينة تساوي الطاقة المستهلكة في التأين. ينبعث جزئيًا على شكل ضوء، وبالتالي فإن إعادة تركيب الأيونات تكون مصحوبة بتوهج (توهج إعادة التركيب).
في ظاهرة التفريغ الكهربائي في الغازات دور كبيريلعب دورا في تأين الذرات عن طريق تأثيرات الإلكترون. تتكون هذه العملية من حقيقة أن الإلكترون المتحرك الذي يتمتع بطاقة حركية كافية، عند اصطدامه بذرة محايدة، يطرد ذرة واحدة أو أكثر الإلكترونات الذريةونتيجة لذلك تتحول الذرة المحايدة إلى أيون موجب، وتظهر في الغاز إلكترونات جديدة (وهذا ما سنتحدث عنه لاحقاً).
ويبين الجدول أدناه طاقات التأين لبعض الذرات.
3. آلية التوصيل الكهربائي للغازات.
تشبه آلية توصيل الغازات آلية توصيل المحاليل وذوبان الإلكتروليتات. في غياب مجال خارجي، تتحرك الجسيمات المشحونة، مثل الجزيئات المحايدة، بشكل عشوائي. إذا وجدت الأيونات والإلكترونات الحرة نفسها في الخارج الحقل الكهربائيثم تبدأ في الحركة الموجهة وتولد تيارًا كهربائيًا في الغازات.
وبالتالي فإن التيار الكهربائي في الغاز يمثل حركة موجهة للأيونات الموجبة نحو الكاثود، والأيونات السالبة والإلكترونات نحو القطب الموجب. يتكون التيار الإجمالي في الغاز من تدفقين من الجسيمات المشحونة: التدفق المتجه إلى الأنود والتدفق الموجه إلى الكاثود.
يحدث تحييد الجسيمات المشحونة عند الأقطاب الكهربائية، كما هو الحال مع مرور التيار الكهربائي من خلال المحاليل وذوبان الشوارد الكهربائية. ومع ذلك، في الغازات لا يوجد أي إطلاق للمواد على الأقطاب الكهربائية، كما هو الحال في المحاليل بالكهرباء. تقترب أيونات الغاز من الأقطاب الكهربائية، وتمنحها شحناتها، وتتحول إلى جزيئات محايدة وتنتشر مرة أخرى في الغاز.
هناك اختلاف آخر في التوصيل الكهربائي للغازات المتأينة ومحاليل الإلكتروليت (المنصهرة) وهو أن الشحنة السالبة عندما يمر التيار عبر الغازات لا تحمل في المقام الأول عن طريق الأيونات السالبة، ولكن عن طريق الإلكترونات، على الرغم من أن الموصلية بسبب الأيونات السالبة يمكن أن تلعب أيضًا دورًا.
وهكذا فإن الغازات تجمع بين الموصلية الإلكترونية المشابهة للمعادن والموصلية الأيونية المشابهة للموصلية محاليل مائيةويذوب المنحل بالكهرباء.
4. تفريغ الغاز غير مكتفي ذاتيا.
تسمى عملية تمرير تيار كهربائي عبر الغاز بتفريغ الغاز. إذا تم إنشاء الموصلية الكهربائية للغاز بواسطة مؤينات خارجية، فسيتم استدعاء التيار الكهربائي الناشئ فيه تفريغ الغاز غير المستمر.مع توقف عمل المؤينات الخارجية، يتوقف التفريغ غير المستدام ذاتيًا. لا يصاحب تفريغ الغاز غير المستدام توهج الغاز.
يوجد أدناه رسم بياني لاعتماد التيار على الجهد أثناء التفريغ غير المستدام في الغاز. لرسم الرسم البياني، تم استخدام أنبوب زجاجي به قطبين كهربائيين مغلقين في الزجاج. يتم تجميع السلسلة كما هو موضح في الشكل أدناه.
عند جهد معين، تأتي لحظة تصل فيها جميع الجزيئات المشحونة المتكونة في الغاز بواسطة المؤين في الثانية إلى الأقطاب الكهربائية خلال نفس الوقت. لم يعد من الممكن أن تؤدي الزيادة الإضافية في الجهد إلى زيادة في عدد الأيونات المنقولة. يصل التيار إلى التشبع (القسم الأفقي من الرسم البياني 1).
5. تفريغ الغاز بذاته.
يسمى التفريغ الكهربائي في الغاز الذي يستمر بعد توقف المؤين الخارجي عن العمل تفريغ الغاز المستقل. لتنفيذه، من الضروري أنه نتيجة للتفريغ نفسه، يتم تشكيل رسوم مجانية بشكل مستمر في الغاز. المصدر الرئيسي لحدوثها هو تأثير تأين جزيئات الغاز.
إذا، بعد الوصول إلى التشبع، واصلنا زيادة الفرق المحتمل بين الأقطاب الكهربائية، فإن القوة الحالية عند الجهد العالي بما فيه الكفاية ستبدأ في الزيادة بشكل حاد (الرسم البياني 2).
وهذا يعني ظهور أيونات إضافية في الغاز، والتي تتشكل نتيجة لعمل المؤين. يمكن أن تزيد القوة الحالية مئات وآلاف المرات، ويمكن أن يصبح عدد الجسيمات المشحونة المتولدة أثناء عملية التفريغ كبيرًا جدًا لدرجة أنه لن تكون هناك حاجة إلى مؤين خارجي للحفاظ على التفريغ. ولذلك، يمكن الآن إزالة المؤين.
ما أسباب الزيادة الحادة في التيار عند الفولتية العالية؟ دعونا نفكر في أي زوج من الجسيمات المشحونة (أيون موجب وإلكترون) يتشكل نتيجة عمل مؤين خارجي. يبدأ الإلكترون الحر الذي يظهر بهذه الطريقة بالانتقال إلى القطب الموجب - الأنود، والأيون الموجب - إلى الكاثود. وفي طريقه، يواجه الإلكترون أيونات وذرات متعادلة. وفي الفترات الفاصلة بين تصادمين متتاليين تزداد طاقة الإلكترون نتيجة عمل قوى المجال الكهربائي.
 |
كلما زاد فرق الجهد بين الأقطاب الكهربائية، زادت شدة المجال الكهربائي. تتناسب الطاقة الحركية للإلكترون قبل الاصطدام التالي مع شدة المجال ومتوسط المسار الحر للإلكترون: MV 2 /2=eEl. إذا تجاوزت الطاقة الحركية للإلكترون الشغل A i الذي يجب القيام به لتأين ذرة (أو جزيء) محايد، أي. MV 2 >A i، فعندما يصطدم الإلكترون بذرة (أو جزيء)، فإنه يتأين. ونتيجة لذلك، بدلا من إلكترون واحد، يظهر اثنان (واحد يضرب الذرة والآخر ينفصل عن الذرة). وهم، بدورهم، يتلقون الطاقة في المجال ويؤينون الذرات القادمة، وما إلى ذلك. ونتيجة لذلك، يزداد عدد الجزيئات المشحونة بسرعة، ويحدث انهيار جليدي إلكتروني. العملية الموصوفة تسمى التأين عن طريق تأثير الإلكترون.
لكن التأين عن طريق تأثير الإلكترون وحده لا يمكن أن يضمن الحفاظ على شحنة مستقلة. في الواقع، جميع الإلكترونات المتولدة بهذه الطريقة تتحرك نحو القطب الموجب، وعند وصولها إلى القطب الموجب، "تخرج من اللعبة". للحفاظ على التفريغ، يجب أن تنبعث الإلكترونات من الكاثود ("الانبعاث" يعني "الانبعاث"). يمكن أن يكون انبعاث الإلكترون نتيجة لعدة أسباب.
الأيونات الموجبة التي تتشكل أثناء اصطدام الإلكترونات بالذرات المحايدة، عند التحرك نحو الكاثود، تكتسب طاقة حركية عالية تحت تأثير المجال. عندما تضرب مثل هذه الأيونات السريعة الكاثود، يتم إخراج الإلكترونات من سطح الكاثود.
بالإضافة إلى ذلك، يمكن للكاثود أن ينبعث إلكترونات عند تسخينه إلى درجات حرارة عالية. هذه العملية تسمى انبعاث حراري.ويمكن اعتباره تبخر الإلكترونات من المعدن. في العديد من المواد الصلبة، يحدث الانبعاث الحراري عند درجات حرارة يكون فيها تبخر المادة نفسها صغيرًا. وتستخدم هذه المواد لصنع الكاثودات.
أثناء التفريغ الذاتي، يمكن أن يحدث تسخين الكاثود بسبب قصفه بالأيونات الموجبة. إذا لم تكن طاقة الأيونات عالية جدًا، فلن يتم إخراج الإلكترونات من الكاثود وتنبعث الإلكترونات بسبب الانبعاث الحراري.
6. أنواع مختلفة من التفريغ الذاتي وتطبيقاتها الفنية.
اعتمادًا على خصائص الغاز وحالته، وطبيعة الأقطاب الكهربائية وموقعها، وكذلك الجهد المطبق على الأقطاب الكهربائية، أنواع مختلفةالتفريغ المستقل. دعونا ننظر إلى عدد قليل منهم.
أ. تفريغ الحماس.
لوحظ تفريغ توهج في الغازات عند الضغوط المنخفضةفي حدود عدة عشرات من المليمترات الزئبقو اقل. إذا نظرنا إلى أنبوب به تفريغ توهج، يمكننا أن نرى أن الأجزاء الرئيسية لتفريغ التوهج هي الفضاء المظلم الكاثود,ابتعد عنه بشدة سلبي،أو توهج مشتعل,والذي ينتقل تدريجياً إلى المنطقة مساحة فاراداي المظلمة.وتشكل هذه المناطق الثلاثة الجزء الكاثود من التفريغ، يليه الجزء المضيء الرئيسي من التفريغ، وهو الذي يحدد خواصه البصرية ويسمى عمود إيجابي.
يتم لعب الدور الرئيسي في الحفاظ على تفريغ التوهج بواسطة المنطقتين الأوليين من جزء الكاثود الخاص به. ميزة مميزةهذا النوع من التفريغ عبارة عن انخفاض حاد في الإمكانات بالقرب من الكاثود، والذي يرتبط بتركيز عالٍ من الأيونات الموجبة عند حدود المنطقتين الأولى والثانية، وذلك بسبب السرعة المنخفضة نسبيًا لحركة الأيونات بالقرب من الكاثود. يوجد في الفضاء المظلم الكاثود تسارع قوي للإلكترونات والأيونات الموجبة، مما يؤدي إلى إخراج الإلكترونات من الكاثود. في منطقة التوهج المشتعل، تنتج الإلكترونات تأينًا شديدًا لجزيئات الغاز وتفقد طاقتها. هنا تتشكل الأيونات الموجبة اللازمة للحفاظ على التفريغ. شدة المجال الكهربائي في هذه المنطقة منخفضة. يحدث التوهج بشكل رئيسي بسبب إعادة تركيب الأيونات والإلكترونات. يتم تحديد مدى الفضاء المظلم للكاثود من خلال خصائص الغاز ومادة الكاثود.
وفي منطقة العمود الموجب يكون تركيز الإلكترونات والأيونات متماثلاً تقريباً ومرتفعاً جداً، مما يسبب موصلية كهربائية عالية للعمود الموجب وانخفاض طفيف في الجهد فيه. يتم تحديد توهج العمود الموجب من خلال توهج جزيئات الغاز المثارة. بالقرب من الأنود، لوحظ مرة أخرى تغير حاد نسبيًا في الإمكانات، مرتبط بعملية توليد الأيونات الموجبة. في بعض الحالات، ينقسم العمود الموجب إلى مناطق مضيئة منفصلة - طبقات,مفصولة بمساحات مظلمة.
لا يلعب العمود الموجب دورًا كبيرًا في الحفاظ على تفريغ التوهج، لذلك عندما تقل المسافة بين أقطاب الأنبوب، يقل طول العمود الموجب وقد يختفي تمامًا. ويختلف الوضع مع طول الفضاء المظلم الكاثود، الذي لا يتغير عندما تقترب الأقطاب الكهربائية من بعضها البعض. إذا اقتربت الأقطاب الكهربائية من بعضها البعض لدرجة أن المسافة بينهما تصبح أقل من طول الفضاء المظلم الكاثود، فإن تفريغ التوهج في الغاز سوف يتوقف. تظهر التجارب أنه، مع تساوي العوامل الأخرى، فإن طول d للفضاء المظلم للكاثود يتناسب عكسيًا مع ضغط الغاز. وبالتالي، عند ضغوط منخفضة بما فيه الكفاية، تمر الإلكترونات التي يتم طردها من الكاثود بواسطة الأيونات الموجبة عبر الغاز دون تصادم تقريبًا مع جزيئاته، وتشكل إلكتروني، أو أشعة الكاثود .
يستخدم تفريغ الوهج في أنابيب الغاز الخفيفة، ومصابيح الفلورسنت، ومثبتات الجهد، ولإنتاج حزم الإلكترون والأيونات. إذا تم إجراء شق في الكاثود، فغالبًا ما تسمى الحزم الأيونية الضيقة عوارض القناة.ظاهرة تستخدم على نطاق واسع الاخرق الكاثود، أي. تدمير سطح الكاثود تحت تأثير الأيونات الموجبة التي تضربه. تتطاير شظايا مادة الكاثود فائقة المجهر في جميع الاتجاهات في خطوط مستقيمة وتغطي سطح الأجسام (خاصة العوازل الكهربائية) الموضوعة في الأنبوب بطبقة رقيقة. وبهذه الطريقة، يتم تصنيع المرايا لعدد من الأجهزة، ويتم وضع طبقة رقيقة من المعدن على خلايا السيلينيوم الضوئية.
ب. كورونا التفريغ.
يحدث تفريغ كورونا عندما الضغط الطبيعيفي غاز يقع في مجال كهربائي غير متجانس للغاية (على سبيل المثال، بالقرب من أطراف أو أسلاك خطوط الجهد العالي). أثناء تفريغ الإكليل، يحدث تأين الغاز وتوهجه فقط بالقرب من أقطاب الإكليل. في حالة كورونا الكاثود (الكورونا السالبة)، يتم طرد الإلكترونات التي تسبب التأين الارتطامي لجزيئات الغاز من الكاثود عند قصفها بالأيونات الموجبة. إذا تم تتويج الأنود (إكليل إيجابي)، فإن إنشاء الإلكترونات يحدث بسبب التأين الضوئي للغاز بالقرب من الأنود. كورونا ظاهرة ضارة يصاحبها تسرب التيار وفقدانه طاقة كهربائية. لتقليل ضرر الهالة، يتم زيادة نصف قطر انحناء الموصلات، ويصبح سطحها أملسًا قدر الإمكان. عند الجهد العالي بما فيه الكفاية بين الأقطاب الكهربائية، يتحول تفريغ الهالة إلى تفريغ شرارة.
عند زيادة الجهد، يأخذ تفريغ الإكليل عند الطرف شكل خطوط ضوئية تنبثق من الطرف وتتناوب مع الزمن. تشكل هذه الخطوط، التي تحتوي على عدد من مكامن الخلل والانحناءات، ما يشبه الفرشاة، ونتيجة لذلك يسمى هذا التفريغ الرسغ .
تتشكل سحابة رعدية مشحونة على سطح الأرض تحتها الشحنات الكهربائيةعلامة المعاكس. تتراكم شحنة كبيرة بشكل خاص على الأطراف. لذلك، قبل أو أثناء العاصفة الرعدية، غالبًا ما تومض مخاريط الضوء التي تشبه الشرابة على النقاط والزوايا الحادة للأجسام المرتفعة للغاية. منذ العصور القديمة، أطلق على هذا التوهج اسم نيران القديس إلمو.
غالبًا ما يشهد المتسلقون هذه الظاهرة. في بعض الأحيان، ليس فقط الأجسام المعدنية، ولكن أيضًا أطراف الشعر على الرأس مزينة بشرابات صغيرة مضيئة.
يجب أن يؤخذ تفريغ كورونا بعين الاعتبار عند التعامل مع الجهد العالي. إذا كانت هناك أجزاء بارزة أو أسلاك رفيعة جدًا، فقد يحدث تفريغ هالة. وهذا يؤدي إلى تسرب الطاقة. كلما ارتفع جهد خط الجهد العالي، يجب أن تكون الأسلاك أكثر سمكًا.
ج. تفريغ شرارة.
يتميز تفريغ الشرارة بمظهر قنوات متفرعة متعرجة لامعة تخترق فجوة التفريغ وتختفي لتحل محلها قنوات جديدة. أظهرت الأبحاث أن قنوات تفريغ الشرارة تبدأ في النمو، أحيانًا من القطب الموجب، وأحيانًا من القطب السالب، وأحيانًا من نقطة ما بين الأقطاب الكهربائية. يتم تفسير ذلك من خلال حقيقة أن التأين عن طريق التأثير في حالة تفريغ الشرارة لا يحدث في كامل حجم الغاز بالكامل، ولكن من خلال القنوات الفردية التي تمر في تلك الأماكن التي يكون فيها تركيز الأيونات عن طريق الخطأ هو الأعلى. يصاحب تفريغ الشرارة إطلاق كمية كبيرةالدفء، وهج الغاز الساطع، طقطقة أو الرعد. كل هذه الظواهر ناتجة عن انهيارات الإلكترونات والأيونات التي تحدث في قنوات الشرارة وتؤدي إلى ارتفاع كبير في الضغط يصل إلى 107¸108 باسكال، وارتفاع في درجة الحرارة يصل إلى 10000 درجة مئوية.
مثال نموذجي لتفريغ الشرارة هو البرق. ويبلغ قطر قناة البرق الرئيسية من 10 إلى 25 سم، ويمكن أن يصل طول البرق إلى عدة كيلومترات. تصل القوة القصوى الحالية لنبضة البرق إلى عشرات ومئات الآلاف من الأمبيرات.
عندما تكون فجوة التفريغ قصيرة، يتسبب تفريغ الشرارة في تدمير نوعي للأنود، يسمى التعرية. تم استخدام هذه الظاهرة في طريقة الشرارة الكهربائية في القطع والحفر وأنواع أخرى من معالجة المعادن الدقيقة.
يتم استخدام فجوة الشرارة كمصهر للجهد الزائد في خطوط النقل الكهربائية (على سبيل المثال، خطوط الهاتف). إذا مر تيار قوي قصير المدى بالقرب من خط ما، فسيتم تحفيز الفولتية والتيارات في أسلاك هذا الخط، مما قد يؤدي إلى تدمير التركيبات الكهربائية ويشكل خطراً على حياة الإنسان. لتجنب ذلك، يتم استخدام صمامات خاصة، تتكون من قطبين كهربائيين منحنيين، أحدهما متصل بالخط والآخر مؤرض. إذا زادت إمكانات الخط بالنسبة إلى الأرض بشكل كبير، يحدث تفريغ شرارة بين الأقطاب الكهربائية، والتي، إلى جانب الهواء الذي يتم تسخينه، ترتفع وتطيل وتنقطع.
وأخيرا، يتم استخدام الشرارة الكهربائية لقياس فروق الجهد الكبيرة باستخدام صواعق الكرة، أقطابها عبارة عن كرتين معدنيتين بسطح مصقول. يتم إبعاد الكرات عن بعضها البعض ويتم تطبيق فرق الجهد المُقاس عليها. ثم يتم تقريب الكرات من بعضها البعض حتى تقفز الشرارة بينهما. معرفة قطر الكرات والمسافة بينها والضغط ودرجة الحرارة ورطوبة الهواء، وإيجاد فرق الجهد بين الكرات باستخدام جداول خاصة. يمكن لهذه الطريقة قياس فروق الجهد التي تصل إلى عشرات الآلاف من الفولتات بدقة تصل إلى نسبة قليلة.
د. تفريغ القوس.
تم اكتشاف تفريغ القوس بواسطة V. V. بيتروف في عام 1802. يعد هذا التفريغ أحد أشكال تفريغ الغاز، ويتم تنفيذه بكثافة تيار عالية وجهد منخفض نسبيًا بين الأقطاب الكهربائية (في حدود عدة عشرات من الفولتات). السبب الرئيسي لتصريف القوس هو الانبعاث المكثف للإلكترونات الحرارية من الكاثود الساخن. يتم تسريع هذه الإلكترونات بواسطة المجال الكهربائي وتنتج تأثير التأين لجزيئات الغاز، ونتيجة لذلك المقاومة الكهربائيةفجوة الغاز بين الأقطاب الكهربائية صغيرة نسبيًا. إذا قمت بتقليل مقاومة الدائرة الخارجية وزيادة تيار تفريغ القوس، فإن موصلية فجوة الغاز ستزيد كثيرًا مما يقلل الجهد بين الأقطاب الكهربائية. لذلك، يقولون أن تفريغ القوس له خاصية انخفاض الجهد الحالي. في الضغط الجويتصل درجة حرارة الكاثود إلى 3000 درجة مئوية. تقصف الإلكترونات القطب الموجب، محدثة فجوة (فوهة) فيه وتسخنه. تبلغ درجة حرارة الحفرة حوالي 4000 درجة مئوية، وعند الضغط الجوي المرتفع تصل إلى 6000-7000 درجة مئوية. تصل درجة حرارة الغاز في قناة التفريغ القوسي إلى 5000-6000 درجة مئوية، لذلك يحدث التأين الحراري المكثف فيها.
في بعض الحالات، يتم ملاحظة تفريغ القوس عند درجة حرارة كاثود منخفضة نسبيًا (على سبيل المثال، في مصباح القوس الزئبقي).
في عام 1876، كان P. N. Yablochkov أول من استخدم القوس الكهربائي كمصدر للضوء. في "شمعة يابلوشكوف" تم ترتيب الفحم بشكل متوازي ومفصول بطبقة منحنية، وتم ربط أطرافه بواسطة "جسر إشعال" موصل. عندما تم تشغيل التيار، احترق جسر الإشعال وتشكل قوس كهربائي بين الفحم. ومع احتراق الفحم، تبخرت الطبقة العازلة.
لا يزال تفريغ القوس يستخدم كمصدر للضوء اليوم، على سبيل المثال في الأضواء وأجهزة العرض.
حرارةيسمح تفريغ القوس باستخدامه في بناء فرن القوس. حاليًا ، تُستخدم أفران القوس التي تعمل بتيار عالٍ جدًا في عدد من الصناعات: لصهر الفولاذ والحديد الزهر والسبائك الحديدية والبرونز وإنتاج كربيد الكالسيوم وأكسيد النيتروجين وما إلى ذلك.
في عام 1882، استخدم N. N. Benardos لأول مرة تفريغ القوس لقطع ولحام المعادن. يؤدي التفريغ بين قطب الكربون الثابت والمعدن إلى تسخين تقاطع لوحين معدنيين (أو صفائح) ولحامهما. استخدم بيناردوس نفس الطريقة لقطع الصفائح المعدنية وإحداث ثقوب فيها. في عام 1888، قام N. G. Slavyanov بتحسين طريقة اللحام هذه، واستبدال قطب الكربون بقطب معدني.
وجد تفريغ القوس تطبيقًا في مقوم الزئبق، الذي يحول التيار الكهربائي المتناوب إلى تيار مباشر.
ه. بلازما.
البلازما عبارة عن غاز متأين جزئيًا أو كليًا تكون فيه كثافات الشحنات الموجبة والسالبة متساوية تقريبًا. وبالتالي، فإن البلازما ككل هي نظام محايد كهربائيًا.
السمة الكمية للبلازما هي درجة التأين. درجة تأين البلازما a هي نسبة تركيز حجم الجسيمات المشحونة إلى إجمالي تركيز حجم الجسيمات. اعتمادا على درجة التأين، يتم تقسيم البلازما إلى المتأينة ضعيفة(a جزء من النسبة المئوية)، متأين جزئيًا (a في حدود عدة بالمائة) ومتأين تمامًا (a قريب من 100٪). البلازما المؤينة ضعيفة الظروف الطبيعيةهي الطبقات العليا من الغلاف الجوي - الأيونوسفير. الشمس والنجوم الساخنة وبعض السحب بين النجوم هي بلازما مؤينة بالكامل تتشكل عند درجات حرارة عالية.
متوسط الطاقات أنواع مختلفةيمكن أن تختلف الجسيمات التي تشكل البلازما بشكل كبير عن بعضها البعض. ولذلك، لا يمكن وصف البلازما بقيمة درجة حرارة واحدة T؛ يتم التمييز بين درجة الحرارة الإلكترونية T e، ودرجة حرارة الأيون T i (أو درجات حرارة الأيونات إذا كان هناك عدة أنواع من الأيونات في البلازما) ودرجة حرارة الذرات المحايدة T a (المكون المحايد). تسمى هذه البلازما غير متساوية الحرارة، على عكس البلازما متساوية الحرارة، حيث تكون درجات حرارة جميع المكونات هي نفسها.
وتنقسم البلازما أيضًا إلى درجة حرارة عالية (T i » 10 6 -10 8 K وأكثر) ودرجة حرارة منخفضة !!! (تي<=10 5 К). Это условное разделение связано с особой влажностью высокотемпературной плазмы в связи с проблемой осуществления управляемого термоядерного синтеза.
تتمتع البلازما بعدد من الخصائص المحددة، مما يسمح لنا باعتبارها حالة رابعة خاصة للمادة.
نظرًا لحركتها العالية، تتحرك جزيئات البلازما المشحونة بسهولة تحت تأثير المجالات الكهربائية والمغناطيسية. ولذلك، يتم القضاء بسرعة على أي انتهاك للحياد الكهربائي للمناطق الفردية من البلازما الناجم عن تراكم الجزيئات التي تحمل نفس علامة الشحن. تقوم المجالات الكهربائية الناتجة بتحريك الجسيمات المشحونة حتى يتم استعادة الحياد الكهربائي ويصبح المجال الكهربائي صفراً. على عكس الغاز المحايد، الذي توجد بين جزيئاته قوى قصيرة المدى، تعمل قوى كولوم بين جزيئات البلازما المشحونة، والتي تتناقص ببطء نسبيًا مع المسافة. يتفاعل كل جسيم مع عدد كبير من الجسيمات المحيطة به في وقت واحد. ونتيجة لذلك، إلى جانب الحركة الحرارية الفوضوية، يمكن لجزيئات البلازما المشاركة في مجموعة متنوعة من الحركات المنظمة. يتم إثارة أنواع مختلفة من التذبذبات والموجات بسهولة في البلازما.
تزداد موصلية البلازما مع زيادة درجة التأين. عند درجات الحرارة المرتفعة، تقترب البلازما المتأينة بالكامل من الموصلات الفائقة في موصليتها.
تُستخدم البلازما ذات درجة الحرارة المنخفضة في مصادر ضوء تفريغ الغاز - في الأنابيب المضيئة لللافتات الإعلانية، وفي مصابيح الفلورسنت. تستخدم مصابيح تفريغ الغاز في العديد من الأجهزة، على سبيل المثال، في ليزر الغاز - مصادر الضوء الكمومية.
يتم استخدام البلازما ذات درجة الحرارة العالية في المولدات الهيدروديناميكية المغناطيسية.
في الآونة الأخيرة، تم إنشاء جهاز جديد - بلازماترون. تنتج شعلة البلازما نفاثات قوية من البلازما الكثيفة ذات درجة الحرارة المنخفضة، والتي تستخدم على نطاق واسع في مختلف مجالات التكنولوجيا: لقطع ولحام المعادن، وحفر الآبار في الصخور الصلبة، وما إلى ذلك.
قائمة الأدبيات المستخدمة:
1) الفيزياء: الديناميكا الكهربائية. الصفوف 10-11: كتاب مدرسي. لدراسة متعمقة للفيزياء / G. Y. Myakishev، A. Z. Sinyakov، B. A. Slobodskov. – الطبعة الثانية – م : الحبارى ، 1998. – 480 ص.
2) دورة الفيزياء (في ثلاثة مجلدات). ت. الثاني. الكهرباء والمغناطيسية. كتاب مدرسي دليل للكليات./Detlaf A.A.، Yavorsky B.M.، Milkovskaya L.B. Ed. الرابع، المنقحة – م: الثانوية العامة 1977. – 375 ص.
3) الكهرباء./ه. جي كلاشينكوف. إد. "العلم"، موسكو، 1977.
4) الفيزياء./ب. B. Bukhovtsev، Yu.L. Klimontovich، G. Ya.Myakishev. الطبعة الثالثة، المنقحة. - م: التربية، 1986.
في الظروف العادية، تكون الغازات عازلة للكهرباء، لأن تتكون من ذرات وجزيئات محايدة ولا تحتوي على ما يكفي من الشحنات الحرة، ولا تصبح الغازات موصلة إلا عندما تتأين بطريقة ما. تتضمن عملية تأين الغازات إزالة إلكترون واحد أو أكثر من الذرة لسبب ما. ونتيجة لذلك، بدلا من ذرة محايدة، ايون موجبو إلكترون.
يسمى تحلل الجزيئات إلى أيونات وإلكترونات تأين الغاز.
يمكن التقاط بعض الإلكترونات الناتجة بواسطة ذرات محايدة أخرى، وبعد ذلك الأيونات السالبة.
وبالتالي، يوجد في الغاز المتأين ثلاثة أنواع من حاملات الشحنة: الإلكترونات والأيونات الموجبة والسالبة.
تتطلب إزالة الإلكترون من الذرة إنفاق كمية معينة من الطاقة - طاقة التأين دبليوأنا. تعتمد طاقة التأين على الطبيعة الكيميائية للغاز وحالة طاقة الإلكترون في الذرة. وبالتالي، لإزالة الإلكترون الأول من ذرة النيتروجين، فإن الطاقة المطلوبة هي 14.5 فولت، ولإزالة الإلكترون الثاني - 29.5 فولت، ولإزالة الثالث - 47.4 فولت.
تسمى العوامل المسببة لتأين الغاز المؤينات.
هناك ثلاثة أنواع من التأين: التأين الحراري، والتأين الضوئي، والتأين التأثيري.
التأين الحرارييحدث نتيجة تصادم الذرات أو جزيئات الغاز عند درجة حرارة عالية إذا كانت الطاقة الحركية للحركة النسبية للجزيئات المتصادمة تزيد على طاقة ربط الإلكترون في الذرة.
التأين الضوئييحدث تحت تأثير الإشعاع الكهرومغناطيسي (الأشعة فوق البنفسجية أو الأشعة السينية أو إشعاع جاما)، عندما يتم نقل الطاقة اللازمة لفصل الإلكترون من الذرة إليه عن طريق الكم الإشعاعي.
التأين بالتأثير الإلكتروني(أو تأثير التأين) هو تكوين أيونات موجبة الشحنة نتيجة اصطدام الذرات أو الجزيئات بالإلكترونات السريعة ذات الطاقة الحركية العالية.
تكون عملية تأين الغاز مصحوبة دائمًا بعملية معاكسة لاختزال الجزيئات المحايدة من الأيونات المشحونة بشكل معاكس بسبب جاذبيتها الكهربائية. وتسمى هذه الظاهرة إعادة التركيب. أثناء إعادة التركيب، يتم إطلاق طاقة مساوية للطاقة المستهلكة في التأين. يمكن أن يتسبب هذا، على سبيل المثال، في توهج الغاز.
إذا لم يتغير عمل المؤين، فسيتم إنشاء توازن ديناميكي في الغاز المتأين، حيث يتم استعادة نفس عدد الجزيئات لكل وحدة زمنية أثناء تفككها إلى أيونات. في هذه الحالة، يبقى تركيز الجسيمات المشحونة في الغاز المتأين دون تغيير. إذا تم إيقاف عمل المؤين، فستبدأ إعادة التركيب في السيطرة على التأين وسينخفض عدد الأيونات بسرعة إلى الصفر تقريبًا. وبالتالي فإن وجود الجسيمات المشحونة في الغاز يعد ظاهرة مؤقتة (أثناء عمل المؤين).
في غياب مجال خارجي، تتحرك الجسيمات المشحونة بشكل عشوائي.
تفريغ الغاز
عند وضع غاز متأين في مجال كهربائي، تبدأ القوى الكهربائية في التأثير على شحنات حرة، وتنجرف موازية لخطوط الجهد: الإلكترونات والأيونات السالبة إلى القطب الموجب، والأيونات الموجبة إلى الكاثود (الشكل 1). عند الأقطاب الكهربائية، تتحول الأيونات إلى ذرات متعادلة، تعطي أو تستقبل الإلكترونات، وبذلك تكتمل الدائرة الكهربية. ينشأ تيار كهربائي في الغاز.
التيار الكهربائي في الغازات- هذه هي الحركة الموجهة للأيونات والإلكترونات.
يسمى التيار الكهربائي في الغازات تفريغ الغاز.
يتكون التيار الإجمالي في الغاز من تدفقين من الجسيمات المشحونة: التدفق المتجه إلى الكاثود والتدفق الموجه إلى الأنود.
تجمع الغازات بين الموصلية الإلكترونية، المشابهة لموصلية المعادن، مع الموصلية الأيونية، المشابهة لموصلية المحاليل المائية أو المنصهرات بالكهرباء.
وبالتالي، فإن الموصلية للغازات لديها الطابع الأيوني الإلكتروني.