تعاريف تيار الإلكترون في الغازات. تصريف الغازات وأنواعها. رسوم مجانية في الغاز

ويتكون من الحركة الموجهة للإلكترونات الحرة وفي هذه الحالة لا يحدث أي تغيير في المادة التي يتكون منها الموصل.

تسمى الموصلات التي لا يصاحب مرور التيار الكهربائي فيها تغيرات كيميائية في مادتها الموصلات من النوع الأول. وتشمل هذه جميع المعادن والفحم وعدد من المواد الأخرى.

ولكن هناك أيضًا موصلات للتيار الكهربائي في الطبيعة تحدث فيها ظواهر كيميائية أثناء مرور التيار. تسمى هذه الموصلات الموصلات من النوع الثاني. وتشمل هذه بشكل رئيسي محاليل مختلفة من الأحماض والأملاح والقلويات في الماء.

إذا قمت بصب الماء في وعاء زجاجي وأضفت بضع قطرات من حمض الكبريتيك (أو بعض الأحماض أو القلويات الأخرى)، ثم أخذت لوحين معدنيين وقمت بتوصيل الموصلات بهما، وقم بخفض هذه الألواح في الوعاء، وقم بتوصيل مصدر تيار إلى الأطراف الأخرى للموصلات من خلال المفتاح والأميتر، ثم ينطلق غاز من المحلول، ويستمر الغاز بشكل مستمر ما دامت الدائرة مغلقة لأن الماء المحمض هو في الواقع موصل. بالإضافة إلى ذلك، ستبدأ اللوحات بالتغطية بفقاعات الغاز. سوف تنكسر هذه الفقاعات بعد ذلك من الألواح وتخرج.

عندما يمر تيار كهربائي في المحلول، تحدث تغيرات كيميائية، مما يؤدي إلى إطلاق الغاز.

تسمى الموصلات من النوع الثاني بالكهرباء، والظاهرة التي تحدث في المنحل بالكهرباء عندما يمر تيار كهربائي من خلاله هي.

تسمى الصفائح المعدنية المغموسة في محلول كهربائي بأقطاب كهربائية؛ أحدهما متصل بالقطب الموجب للمصدر الحالي يسمى الأنود والآخر متصل بالقطب السالب يسمى الكاثود.

ما الذي يحدد مرور التيار الكهربائي في موصل سائل؟ اتضح أنه في مثل هذه المحاليل (الإلكتروليتات) تنقسم جزيئات الحمض (القلويات والملح) تحت تأثير المذيب (في هذه الحالة الماء) إلى مكونين، و يحتوي أحد جسيمات الجزيء على شحنة كهربائية موجبة، والآخر له شحنة سلبية.

تسمى جزيئات الجزيء التي لها شحنة كهربائية بالأيونات. عند إذابة حمض أو ملح أو قلوي في الماء، يظهر عدد كبير من الأيونات الموجبة والسالبة في المحلول.

الآن يجب أن يصبح من الواضح سبب مرور تيار كهربائي عبر المحلول، لأنه تم إنشاء جهد بين الأقطاب الكهربائية المتصلة بالمصدر الحالي، وبعبارة أخرى، تبين أن أحدهما مشحون بشكل إيجابي والآخر سالب. وتحت تأثير فرق الجهد هذا، بدأت الأيونات الموجبة تختلط باتجاه القطب السالب – الكاثود، والأيونات السالبة – باتجاه القطب الموجب.

وهكذا، أصبحت الحركة الفوضوية للأيونات عبارة عن حركة مضادة منظمة للأيونات السالبة في اتجاه واحد والأيونات الموجبة في الاتجاه الآخر. تشكل عملية نقل الشحنة هذه تدفق التيار الكهربائي عبر المنحل بالكهرباء وتحدث طالما كان هناك فرق محتمل عبر الأقطاب الكهربائية. مع اختفاء فرق الجهد، يتوقف التيار عبر المنحل بالكهرباء، وتتعطل حركة الأيونات المنظمة، وتبدأ الحركة الفوضوية مرة أخرى.

على سبيل المثال، دعونا نفكر في ظاهرة التحليل الكهربائي عند تمرير تيار كهربائي من خلال محلول كبريتات النحاس CuSO4 مع أقطاب النحاس المنخفضة فيه.

ظاهرة التحليل الكهربائي عندما يمر التيار عبر محلول كبريتات النحاس: C - وعاء به إلكتروليت، B - مصدر التيار، C - التبديل

هنا سيكون هناك أيضًا حركة مضادة للأيونات إلى الأقطاب الكهربائية. الأيون الموجب سيكون أيون النحاس (Cu)، والأيون السالب سيكون أيون بقايا الحمض (SO4). سيتم تفريغ أيونات النحاس عند ملامستها للكاثود (ربط الإلكترونات المفقودة)، أي تحويلها إلى جزيئات محايدة من النحاس النقي، وترسب على الكاثود على شكل طبقة رقيقة (جزيئية).

يتم أيضًا تفريغ الأيونات السالبة التي تصل إلى الأنود (تتخلى عن الإلكترونات الزائدة). ولكن في الوقت نفسه، يدخلون في تفاعل كيميائي مع نحاس الأنود، ونتيجة لذلك يضاف جزيء النحاس Cu إلى البقايا الحمضية SO4 ويتشكل جزيء كبريتات النحاس CuS O4، والذي يتم إرجاعه مرة أخرى إلى المنحل بالكهرباء.

منذ حدوث هذه العملية الكيميائية منذ وقت طويل، ثم يتم ترسيب النحاس على الكاثود، المنطلق من المنحل بالكهرباء. في هذه الحالة، يتلقى المنحل بالكهرباء بدلا من جزيئات النحاس التي ذهبت إلى الكاثود، جزيئات نحاس جديدة بسبب ذوبان القطب الكهربائي الثاني - الأنود.

وتحدث نفس العملية إذا تم أخذ أقطاب الزنك بدلاً من أقطاب النحاس، وكان الإلكتروليت عبارة عن محلول من كبريتات الزنك ZnSO4. سيتم أيضًا نقل الزنك من القطب الموجب إلى الكاثود.

هكذا، الفرق بين التيار الكهربائي في المعادن والموصلات السائلةيكمن في حقيقة أن حاملات الشحنة في المعادن هي إلكترونات حرة فقط، أي شحنات سالبة، بينما في الإلكتروليتات يتم حملها بواسطة جزيئات المادة المشحونة بشكل معاكس - أيونات تتحرك في اتجاهين متعاكسين. ولذلك يقولون ذلك تظهر الإلكتروليتات الموصلية الأيونية.

ظاهرة التحليل الكهربائيتم اكتشافه في عام 1837 من قبل بي إس جاكوبي، الذي أجرى العديد من التجارب في البحث والتحسين المصادر الكيميائيةحاضِر وجد جاكوبي أن أحد الأقطاب الكهربائية الموضوعة في محلول كبريتات النحاس أصبح مطليًا بالنحاس عندما يمر تيار كهربائي عبره.

وتسمى هذه الظاهرة الكهربائي، يجد الآن تطبيقًا عمليًا واسعًا للغاية. ومن الأمثلة على ذلك طلاء الأجسام المعدنية بطبقة رقيقة من معادن أخرى، مثل طلاء النيكل، أو طلاء الذهب، أو طلاء الفضة، وما إلى ذلك.

لا تقوم الغازات (بما في ذلك الهواء) بتوصيل التيار الكهربائي في الظروف العادية. على سبيل المثال، العراة، المعلقون بالتوازي مع بعضهم البعض، يجدون أنفسهم معزولين عن بعضهم البعض بطبقة من الهواء.

ومع ذلك، تحت تأثير درجة حرارة عالية، فروق محتملة كبيرة وأسباب أخرى، تتأين الغازات، مثل الموصلات السائلة، أي أن جزيئات جزيئات الغاز تظهر فيها بكميات كبيرة، والتي، كونها حاملة للكهرباء، تسهل مرور التيار الكهربائي عبر الغاز.

ولكن في الوقت نفسه، يختلف تأين الغاز عن تأين الموصل السائل. إذا تفكك الجزيء في السائل إلى جزأين مشحونين، ففي الغازات، تحت تأثير التأين، يتم دائمًا فصل الإلكترونات عن كل جزيء ويبقى الأيون في شكل جزء موجب الشحنة من الجزيء.

بمجرد توقف تأين الغاز، فإنه سيتوقف عن كونه موصلًا، بينما يبقى السائل دائمًا موصلًا للتيار الكهربائي. وبالتالي فإن موصلية الغاز هي ظاهرة مؤقتة، تعتمد على تأثير الأسباب الخارجية.

ومع ذلك، هناك واحد آخر يسمى تفريغ القوسأو مجرد قوس كهربائي. تم اكتشاف ظاهرة القوس الكهربائي في بداية القرن التاسع عشر على يد أول مهندس كهربائي روسي في.

اكتشف V. V. Petrov من خلال العديد من التجارب أنه بين الفحمين المتصلين بمصدر حالي، يحدث تفريغ كهربائي مستمر عبر الهواء، مصحوبًا بضوء ساطع. في كتاباته، كتب V. V. بيتروف أنه في هذه الحالة "يمكن إضاءة السلام المظلم بشكل مشرق للغاية". هذه هي الطريقة التي تم بها الحصول على الضوء الكهربائي لأول مرة، والذي تم تطبيقه عمليا من قبل مهندس كهربائي روسي آخر بافيل نيكولاييفيتش يابلوشكوف.

أحدثت شمعة يابلوشكوف، التي يعتمد عملها على استخدام القوس الكهربائي، ثورة حقيقية في الهندسة الكهربائية في تلك الأيام.

لا يزال تفريغ القوس يستخدم كمصدر للضوء اليوم، على سبيل المثال في الأضواء وأجهزة العرض. درجة الحرارة العالية لتصريف القوس تسمح باستخدامه. حاليًا، تُستخدم أفران القوس، التي تعمل بتيار عالٍ جدًا، في عدد من الصناعات: لصهر الفولاذ والحديد الزهر والسبائك الحديدية والبرونز وما إلى ذلك. وفي عام 1882، استخدم N. N. Benardos لأول مرة تفريغ القوس لقطع ولحام المعادن.

في أنابيب الغاز الخفيفة، مصابيح الفلورسنت، مثبتات الجهد، ما يسمى توهج تفريغ الغاز.

يتم استخدام تفريغ الشرارة لقياس فروق الجهد الكبيرة باستخدام فجوة كروية، تكون 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.

التيار الكهربائي في الغازات

الموصلية المستقلة وغير المستقلة للغازات.في الحالة الطبيعيةالغازات لا توصل التيار الكهربائي، أي. هي عوازل. يمكن التحقق من ذلك بسهولة باستخدام تيار بسيط في حالة انقطاع الدائرة بسبب فجوة هوائية.

يتم تفسير الخصائص العازلة للغازات من خلال حقيقة أن ذرات وجزيئات الغازات في حالتها الطبيعية هي جزيئات محايدة وغير مشحونة. من هنا يتضح أنه من أجل جعل الغاز موصلاً، من الضروري إدخاله بطريقة أو بأخرى أو إنشاء ناقلات شحن مجانية فيه - جزيئات مشحونة. في هذه الحالة، هناك حالتان محتملتان: إما أن يتم إنشاء هذه الجسيمات المشحونة بفعل عامل خارجي أو إدخالها إلى الغاز من الخارج - موصلية غير مستقلة، أو يتم إنشاؤها في الغاز بفعل المجال الكهربائي نفسها الموجودة بين الأقطاب الكهربائية - الموصلية المستقلة.

في الشكل أعلاه، يوضح الجلفانومتر الموجود في الدائرة أنه لا يوجد تيار على الرغم من الجهد المطبق. يشير هذا إلى عدم وجود موصلية للغازات في الظروف العادية.

دعونا الآن نقوم بتسخين الغاز في الفترة 1-2 إلى درجة حرارة عالية جدًا عن طريق إدخال موقد مشتعل فيه. سيشير الجلفانومتر إلى ظهور التيار، لذلك عند درجات الحرارة المرتفعة، تنقسم نسبة جزيئات الغاز المحايدة إلى أيونات موجبة وسالبة. وتسمى هذه الظاهرة التأينغاز.

إذا قمت بتوجيه تيار من الهواء من منفاخ صغير إلى فجوة الغاز، ووضعت لهبًا مؤينًا في مسار التيار، خارج الفجوة، فسيظهر الجلفانومتر بعض التيار.

وهذا يعني أن الأيونات لا تختفي على الفور، بل تتحرك مع الغاز. ومع ذلك، مع زيادة المسافة بين اللهب والفجوة 1-2، يضعف التيار تدريجيًا ثم يختفي. في هذه الحالة، تميل الأيونات المشحونة بشكل معاكس إلى الاقتراب من بعضها البعض تحت تأثير قوة الجذب الكهربائي، وعند الالتقاء، تتحد مجددًا في جزيء محايد. هذه العملية تسمى إعادة التركيبالأيونات.

تسخين الغاز إلى درجة حرارة عالية ليس الطريقة الوحيدة لتأين جزيئات الغاز أو ذراته. يمكن أيضًا أن تتأين الذرات المحايدة أو جزيئات الغاز تحت تأثير عوامل أخرى.

الموصلية الأيونية لديها عدد من الميزات. وبالتالي، فإن الأيونات الموجبة والسالبة في كثير من الأحيان ليست جزيئات متأينة مفردة، ولكنها مجموعات من الجزيئات المرتبطة بإلكترون سالب أو موجب. ونتيجة لذلك، على الرغم من أن شحنة كل أيون تساوي واحدة أو اثنتين، ونادرًا ما تكون أكثر من الشحنات الأولية، إلا أن كتلتها يمكن أن تختلف بشكل كبير عن كتل الذرات والجزيئات الفردية. وبهذه الطريقة، تختلف أيونات الغاز بشكل كبير عن أيونات الإلكتروليت، التي تمثل دائمًا مجموعات معينة من الذرات. وبسبب هذا الاختلاف، فإن قوانين فاراداي، التي تميز موصلية الإلكتروليتات، لا تنطبق على التوصيل الأيوني للغازات.

الفرق الثاني، وهو أيضًا مهم جدًا، بين الموصلية الأيونية للغازات والتوصيل الأيوني للإلكتروليتات هو أن قانون أوم لا يُراعى بالنسبة للغازات: خاصية الجهد الحالي لها أكثر طبيعة معقدة. إن خاصية الجهد الحالي للموصلات (بما في ذلك الإلكتروليتات) لها شكل خط مستقيم مائل (تناسب I و U للغازات ولها شكل متنوع).

على وجه الخصوص، في حالة الموصلية غير المستدامة، عند القيم الصغيرة لـ U، يبدو الرسم البياني كخط مستقيم، أي. يظل قانون أوم ساري المفعول تقريبًا؛ ومع زيادة U، ينحني المنحنى مع بعض الشد ويتحول إلى خط مستقيم أفقي.

وهذا يعني أنه ابتداء من جهد معين، يبقى التيار ثابتا بالرغم من زيادة الجهد. تسمى هذه القيمة الحالية الثابتة المستقلة عن الجهد تيار التشبع.

ليس من الصعب فهم معنى النتائج التي تم الحصول عليها. في البداية، مع زيادة الجهد، يزيد عدد الأيونات التي تمر عبر المقطع العرضي للتفريغ، أي. يزداد التيار I لأن الأيونات الموجودة في المجال الأقوى تتحرك بسرعة أعلى. ومع ذلك، بغض النظر عن مدى سرعة تحرك الأيونات، فإن عددها الذي يمر عبر هذا القسم لكل وحدة زمنية لا يمكن أن يكون أكبر من إجمالي عدد الأيونات الناتجة في التفريغ لكل وحدة زمنية بواسطة عوامل مؤينة خارجية.

ومع ذلك، تظهر التجارب أنه إذا استمر الجهد في الزيادة بشكل كبير بعد الوصول إلى تيار التشبع في الغاز، فإن مسار خاصية الجهد الحالي ينتهك فجأة. عند الجهد العالي بما فيه الكفاية، يزيد التيار بشكل حاد.

تظهر القفزة الحالية أن عدد الأيونات زاد بشكل حاد على الفور. والسبب في ذلك هو نفسه الحقل الكهربائي: يضفي هذه السرعات العالية لبعض الأيونات، أي. الكثير من الطاقة لدرجة أنه عندما تصطدم هذه الأيونات بجزيئات محايدة، تنقسم هذه الأخيرة إلى أيونات. الرقم الإجمالييتم تحديد الأيونات الآن ليس من خلال عامل التأين، ولكن من خلال عمل المجال نفسه، والذي يمكن أن يدعم بحد ذاته التأين الضروري: تصبح التوصيلية من غير المستقلة مستقلة. إن الظاهرة الموصوفة للحدوث المفاجئ للموصلية المستقلة، والتي لها طبيعة انهيار فجوة الغاز، ليست الشكل الوحيد، على الرغم من أهميته الكبيرة، لحدوث الموصلية المستقلة.

تفريغ شرارة.عند قوة مجال عالية بما فيه الكفاية (حوالي 3 ميجا فولت/م)، تظهر شرارة كهربائية بين الأقطاب الكهربائية، والتي تبدو وكأنها قناة متعرجة متوهجة تربط كلا القطبين. يسخن الغاز القريب من الشرارة إلى درجة حرارة عالية ويتمدد فجأة، مما يتسبب في ظهور موجات صوتية ونسمع صوت طقطقة مميز.

يسمى الشكل الموصوف لتصريف الغاز تفريغ شرارةأو انهيار شرارة الغاز. عند حدوث تفريغ شراري، يفقد الغاز خصائصه العازلة فجأة ويصبح موصلًا جيدًا. إن شدة المجال الذي يحدث عنده انهيار شرارة الغاز لها قيمة مختلفة بالنسبة للغازات المختلفة وتعتمد على حالتها (الضغط ودرجة الحرارة). كلما زادت المسافة بين الأقطاب الكهربائية، كلما زاد الجهد الكهربائي بينهما اللازم لحدوث شرارة انهيار الغاز. ويسمى هذا الجهد انهيار الجهد.

بمعرفة كيف يعتمد جهد الانهيار على المسافة بين الأقطاب الكهربائية من أي شكل معين، فمن الممكن قياس الجهد غير المعروف على طول الحد الأقصى لطول الشرارة. يعتمد جهاز مقياس الفولتميتر الشراري للجهود العالية الخشنة على هذا.

تتكون من كرتين معدنيتين مثبتتين على الحاملين 1 و 2، ويمكن للحامل الثاني مع الكرة أن يتحرك بالقرب أو بعيدًا عن الأول باستخدام المسمار. يتم توصيل الكرات بمصدر تيار يجب قياس جهده وتجميعه حتى تظهر شرارة. من خلال قياس المسافة باستخدام المقياس الموجود على الحامل، يمكنك إعطاء تقدير تقريبي للجهد على طول الشرارة (على سبيل المثال: مع قطر كرة يبلغ 5 سم ومسافة 0.5 سم، يكون جهد الانهيار 17.5 كيلو فولت، وبمسافة 5 سم - 100 كيلو فولت).

يتم تفسير حدوث الانهيار على النحو التالي: يوجد دائمًا في الغاز عدد معين من الأيونات والإلكترونات التي تنشأ من أسباب عشوائية. ومع ذلك، فإن عددها صغير جدًا لدرجة أن الغاز لا يوصل الكهرباء عمليًا. عند شدة مجال عالية بما فيه الكفاية، يمكن أن تصبح الطاقة الحركية المتراكمة بواسطة الأيون في الفترة الفاصلة بين تصادمين كافية لتأين جزيء محايد عند الاصطدام. ونتيجة لذلك، يتم تشكيل إلكترون سلبي جديد وبقايا موجبة الشحنة - أيون.

عندما يصطدم الإلكترون الحر 1 بجزيء متعادل، فإنه يقسمه إلى إلكترون 2 وأيون موجب حر. عند اصطدام الإلكترونين 1 و2 بالجزيئات المحايدة، يقومان بتقسيمهما مرة أخرى إلى إلكترونين 3 و4 وأيونات موجبة حرة، وما إلى ذلك.

وتسمى عملية التأين هذه تأثير التأين، والشغل الذي يجب بذله لإزالة إلكترون من الذرة - عمل التأين. يعتمد عمل التأين على بنية الذرة وبالتالي يختلف باختلاف الغازات.

تعمل الإلكترونات والأيونات المتكونة تحت تأثير التأين التأثيري على زيادة عدد الشحنات في الغاز، وبالتالي تتحرك تحت تأثير المجال الكهربائي ويمكن أن تنتج تأثير التأين لذرات جديدة. وهكذا تتعزز العملية، ويصل التأين في الغاز بسرعة إلى قيمة كبيرة جدًا. وتشبه هذه الظاهرة الانهيار الثلجي ولهذا سميت هذه العملية الانهيار الأيوني.

إن تكوين الانهيار الأيوني هو عملية انهيار الشرارة، والحد الأدنى من الجهد الذي يحدث عنده الانهيار الأيوني هو جهد الانهيار.

وبالتالي، أثناء انهيار الشرارة، فإن سبب تأين الغاز هو تدمير الذرات والجزيئات أثناء الاصطدامات مع الأيونات (التأين التأثير).

برق.ظاهرة طبيعية جميلة وخطيرة - البرق - عبارة عن تفريغ شرارة في الجو.

بالفعل في منتصف القرن الثامن عشر، تم الاهتمام بالتشابه الخارجي للبرق مع شرارة كهربائية. وقيل إن السحب الرعدية تحمل شحنات كهربائية كبيرة وأن البرق عبارة عن شرارة عملاقة لا تختلف إلا في الحجم عن الشرارة الموجودة بين كرات الآلة الكهربائية. وقد أشار إلى ذلك، على سبيل المثال، الفيزيائي والكيميائي الروسي ميخائيل فاسيليفيتش لومونوسوف (1711-65)، الذي تناول، إلى جانب قضايا علمية أخرى، موضوع كهرباء الغلاف الجوي.

وقد ثبت ذلك في تجربة 1752-1753. لومونوسوف والعالم الأمريكي بنيامين فرانكلين (1706-90)، الذين عملوا في وقت واحد وبشكل مستقل عن بعضهم البعض.

قام لومونوسوف ببناء "آلة رعدية" - وهو مكثف موجود في مختبره ومشحون بالكهرباء الجوية من خلال سلك، تم إخراج نهايته من الغرفة ورفعها على عمود مرتفع. أثناء عاصفة رعدية، يمكن استخراج الشرر من المكثف باليد.

أثناء عاصفة رعدية، طار فرانكلين طائرة ورقية على خيط مزود بطرف حديدي؛ تم ربط مفتاح الباب بنهاية السلسلة. وعندما أصبح الخيط مبتلاً وأصبح موصلاً للتيار الكهربائي، تمكن فرانكلين من استخراج شرارات كهربائية من المفتاح، وشحن جرار ليدن وإجراء تجارب أخرى أجريت باستخدام آلة كهربائية (وتجدر الإشارة إلى أن مثل هذه التجارب خطيرة للغاية، حيث أن يمكن أن يضرب البرق الطائرات الورقية، وفي الوقت نفسه سوف تمر شحنات كبيرة عبر جسم المجرب إلى الأرض. كانت هناك مثل هذه الحالات الحزينة في تاريخ الفيزياء، هكذا مات جي في ريتشمان، الذي عمل مع لومونوسوف عام 1753 في سان بطرسبرج).

وهكذا، فقد تبين أن السحب الرعدية مشحونة بالكهرباء بشكل كبير.

تحمل أجزاء مختلفة من السحابة الرعدية شحنات من علامات مختلفة. في أغلب الأحيان، يكون الجزء السفلي من السحابة (المنعكس نحو الأرض) مشحونًا سالبًا، والجزء العلوي مشحونًا بشكل إيجابي. ولذلك، إذا اقتربت سحابتان من بعضهما البعض بأجزاء مشحونة بشكل متعاكس، فإن البرق يومض بينهما. ومع ذلك، يمكن أن يحدث تفريغ البرق بطرق أخرى. عند المرور فوق الأرض، تخلق السحابة الرعدية شحنات مستحثة كبيرة على سطحها، وبالتالي تشكل السحابة وسطح الأرض لوحتين من مكثف كبير. ويصل فرق الجهد بين السحابة والأرض إلى قيم هائلة تقاس بمئات الملايين من الفولتات، ويظهر مجال كهربائي قوي في الهواء. إذا أصبحت قوة هذا المجال كبيرة بما فيه الكفاية، فقد يحدث انهيار، أي. البرق يضرب الأرض. وفي الوقت نفسه، يضرب البرق الناس أحيانًا ويسبب الحرائق.

وفقا للعديد من الدراسات التي أجريت على البرق، تتميز شحنة الشرارة بالأرقام التقريبية التالية: الجهد (U) بين السحابة والأرض 0.1 جيجا فولت (جيجابولت)؛

القوة الحالية (I) في البرق 0.1 مللي أمبير (ميجا أمبير) ؛

مدة البرق (ر) 1 ميكروثانية (ميكروثانية)؛

قطر القناة المضيئة 10-20 سم.

الرعد الذي يحدث بعد البرق له نفس أصل صوت الطقطقة عندما تقفز شرارة المختبر. أي أن الهواء الموجود داخل قناة البرق يصبح ساخنًا جدًا ويتوسع، ولهذا تنشأ الموجات الصوتية. غالبًا ما تُحدث هذه الموجات، المنعكسة من السحب والجبال وما إلى ذلك، صدى طويلًا - قصف الرعد.

كورونا التفريغ.لا يؤدي حدوث الانهيار الأيوني دائمًا إلى حدوث شرارة، ولكنه يمكن أن يسبب أيضًا تفريغًا من نوع آخر - تفريغ الإكليل.

دعونا نمد سلكًا معدنيًا يبلغ قطره عدة أعشار المليمتر، على دعامتين عازلتين عاليتين، ونوصله بالقطب السالب لمولد ينتج جهدًا يبلغ عدة آلاف من الفولتات. سنأخذ القطب الثاني للمولد إلى الأرض. والنتيجة هي نوع من المكثفات، وألواحها هي الأسلاك وجدران الغرفة، والتي، بالطبع، تتواصل مع الأرض.

المجال في هذا المكثف غير متجانس للغاية، وكثافته بالقرب من سلك رفيع عالية جدًا. ومن خلال زيادة الجهد تدريجيًا ومراقبة السلك في الظلام، يمكنك ملاحظة أنه عند جهد معين يظهر وهج ضعيف (إكليل) بالقرب من السلك، يغطي السلك من جميع الجوانب؛ يكون مصحوبًا بصوت هسهسة وصوت طقطقة طفيف. إذا تم توصيل جلفانومتر حساس بين السلك والمصدر، فمع ظهور توهج، يُظهر الجلفانومتر تيارًا ملحوظًا يتدفق من المولد عبر الأسلاك إلى السلك ومنه عبر هواء الغرفة إلى الجدران؛ بين السلك والجدران يتم نقله عن طريق الأيونات المتكونة في الغرفة بسبب تأثير التأين. وهكذا فإن توهج الهواء وظهور التيار يشير إلى تأين قوي للهواء تحت تأثير المجال الكهربائي. يمكن أن يحدث تفريغ الهالة ليس فقط بالقرب من السلك، ولكن أيضًا عند الطرف وبشكل عام بالقرب من أي أقطاب كهربائية، والتي يتشكل بالقرب منها مجال غير متجانس قوي جدًا.

تطبيق تفريغ كورونا. تنقية الغازات الكهربائية (المرسبات الكهربائية). يصبح الوعاء المملوء بالدخان شفافًا تمامًا فجأة عندما يتم إدخال أقطاب معدنية حادة متصلة بآلة كهربائية فيه، وتترسب جميع الجزيئات الصلبة والسائلة على الأقطاب الكهربائية. وتفسير التجربة هو كما يلي: بمجرد إشعال الإكليل في السلك، يصبح الهواء داخل الأنبوب شديد التأين. تلتصق أيونات الغاز بجزيئات الغبار وتشحنها. ونظرًا لوجود مجال كهربائي قوي داخل الأنبوب، تتحرك جزيئات الغبار المشحونة تحت تأثير المجال إلى الأقطاب الكهربائية، حيث تستقر.

عدادات الجسيمات. يتكون عداد جسيمات جيجر-مولر من أسطوانة معدنية صغيرة مزودة بنافذة مغطاة بورق الألمنيوم وسلك معدني رفيع ممتد على طول محور الأسطوانة ومعزول عنها. يتم توصيل العداد بدائرة تحتوي على مصدر تيار يبلغ جهده عدة آلاف فولت. يتم اختيار الجهد حسب الضرورة لظهور تفريغ الاكليل داخل جهاز القياس.

عندما يدخل إلكترون سريع الحركة إلى العداد، يقوم الأخير بتأيين جزيئات الغاز الموجودة داخل العداد، مما يتسبب في انخفاض الجهد المطلوب لإشعال الإكليل قليلاً. يحدث تفريغ في العداد، ويظهر تيار ضعيف قصير المدى في الدائرة. للكشف عنها، يتم إدخال مقاومة عالية جدًا (عدة ميغا أوم) في الدائرة ويتم توصيل مقياس كهربائي حساس بالتوازي معها. في كل مرة يضرب فيها إلكترون سريع العداد، تنحني لوحة مقياس الكهربية.

تتيح مثل هذه العدادات إمكانية تسجيل ليس فقط الإلكترونات السريعة، ولكن أيضًا، بشكل عام، أي جسيمات مشحونة وسريعة الحركة قادرة على إنتاج التأين من خلال الاصطدامات. تكتشف العدادات الحديثة بسهولة دخول حتى جسيم واحد إليها، وبالتالي تجعل من الممكن التحقق بموثوقية كاملة ووضوح شديد من أن الجسيمات المشحونة الأولية موجودة بالفعل في الطبيعة.

مانعة الصواعق. تشير التقديرات إلى أن حوالي 1800 عاصفة رعدية تحدث في وقت واحد في الغلاف الجوي للكرة الأرضية بأكملها، مما ينتج عنه في المتوسط ​​حوالي 100 صاعقة في الثانية. وعلى الرغم من أن احتمال إصابة أي فرد بالبرق ضئيل، إلا أن البرق يسبب الكثير من الضرر. ويكفي أن نشير إلى أن ما يقرب من نصف الحوادث في خطوط الكهرباء الكبيرة حاليًا سببها البرق. لذلك، تعتبر الحماية من الصواعق مهمة مهمة.

لم يشرح لومونوسوف وفرانكلين الطبيعة الكهربائية للبرق فحسب، بل أشارا أيضًا إلى كيفية بناء مانع الصواعق للحماية من ضربات البرق. مانعة الصواعق عبارة عن سلك طويل يتم شحذ وتقوية طرفه العلوي فوق أعلى نقطة في المبنى المحمي. يتم توصيل الطرف السفلي من السلك بصفيحة معدنية، ويتم دفن الصفيحة في الأرض عند مستوى مياه التربة. أثناء العاصفة الرعدية، تظهر شحنات كبيرة مستحثة على الأرض ويظهر مجال كهربائي كبير على سطح الأرض. يكون توترها مرتفعًا جدًا بالقرب من الموصلات الحادة، وبالتالي يتم إشعال تفريغ الهالة في نهاية مانعة الصواعق. ونتيجة لذلك، لا يمكن أن تتراكم الشحنات المستحثة على المبنى ولا يحدث البرق. في تلك الحالات التي يحدث فيها البرق (ومثل هذه الحالات نادرة جدًا)، فإنه يضرب مانعة الصواعق وتنتقل الشحنات إلى الأرض دون التسبب في ضرر للمبنى.

في بعض الحالات، يكون تفريغ الهالة من مانعة الصواعق قويًا جدًا بحيث يظهر وهج واضح عند طرفه. ويظهر هذا التوهج أحيانًا بالقرب من أجسام مدببة أخرى، على سبيل المثال، عند نهايات صواري السفن أو قمم الأشجار الحادة وما إلى ذلك. وقد لوحظت هذه الظاهرة منذ عدة قرون وتسببت في رعب خرافي بين البحارة الذين لم يفهموا جوهرها الحقيقي.

القوس الكهربائي.في عام 1802، اكتشف الفيزيائي الروسي ف. بيتروف (1761-1834) وجد أنه إذا قمت بربط قطعتين على أقطاب بطارية كهربائية كبيرة فحمومن خلال ملامسة الفحم، قم بتحريكهما بعيدًا قليلاً، وسيتشكل لهب ساطع بين أطراف الفحم، وستصبح أطراف الفحم نفسها ساخنة باللون الأبيض، مما ينبعث منها ضوءًا مبهرًا.

يتكون أبسط جهاز لإنتاج قوس كهربائي من قطبين كهربائيين، ومن الأفضل عدم تناول الفحم، ولكن قضبان مصنوعة خصيصًا يتم الحصول عليها عن طريق الضغط على خليط من الجرافيت والسخام والمواد الرابطة. يمكن أن يكون المصدر الحالي عبارة عن شبكة إضاءة، حيث يتم تضمين مقاومة متغيرة للسلامة.

من خلال إجبار القوس على الاحتراق بتيار ثابت في الغاز المضغوط (20 ATM)، كان من الممكن رفع درجة حرارة نهاية القطب الموجب إلى 5900 درجة مئوية، أي. لدرجة حرارة سطح الشمس . عمود من الغازات والأبخرة، الذي يتمتع بموصلية كهربائية جيدة والذي تتدفق من خلاله شحنة كهربائية، لديه درجة حرارة أعلى. إن القصف النشط لهذه الغازات والأبخرة بواسطة الإلكترونات والأيونات، مدفوعًا بالمجال الكهربائي للقوس، يرفع درجة حرارة الغازات في العمود إلى 6000-7000 درجة مئوية. مثل هذا التأين القوي للغاز ممكن فقط بسبب حقيقة أن الكاثود القوسي ينبعث من الكثير من الإلكترونات، والتي تؤدي، بتأثيراتها، إلى تأين الغاز في مساحة التفريغ. يتم ضمان انبعاث الإلكترون القوي من الكاثود من خلال تسخين الكاثود القوسي نفسه إلى درجة حرارة عالية جدًا (من 2200 إلى 3500 درجة مئوية). عندما يتم ملامسة الفحم لإشعال القوس، يتم إطلاق كل حرارة الجول تقريبًا للتيار الذي يمر عبر الفحم عند نقطة التلامس، والتي تتمتع بمقاومة عالية جدًا. ولذلك تصبح أطراف الفحم ساخنة جدًا، وهذا يكفي لحدوث قوس بينهما عندما يبتعدان عن بعضهما. بعد ذلك، يتم الحفاظ على كاثود القوس في حالة ساخنة من خلال مرور التيار نفسه عبر القوس. دور أساسيويلعب قصف الكاثود بالأيونات الموجبة الساقطة عليه دوراً في ذلك.

خاصية الجهد الحالي للقوس فريدة تمامًا. في تفريغ القوس، مع زيادة التيار، ينخفض ​​الجهد عند أطراف القوس، أي. القوس لديه خاصية انخفاض الجهد الحالي.

تطبيق تفريغ القوس. إضاءة. بسبب ارتفاع درجة الحرارة، تنبعث أقطاب القوس الكهربائي ضوءا مبهرا (توهج عمود القوس أضعف، لأن انبعاثية الغاز صغيرة)، وبالتالي فإن القوس الكهربائي هو أحد أفضل مصادر الضوء. تستهلك حوالي 3 واط فقط لكل شمعة وهي أكثر اقتصادا بكثير من أفضل المصابيح المتوهجة. تم استخدام القوس الكهربائي لأول مرة للإضاءة في عام 1875 من قبل المهندس والمخترع الروسي ب.ن. يابلوشكين (1847-1894) وحصل على اسم "النور الروسي" أو "النور الشمالي". لحام. يستخدم القوس الكهربائي في لحام الأجزاء المعدنية. الأجزاء التي يتم لحامها تكون بمثابة قطب كهربائي إيجابي؛ وعند ملامستها بالفحم المتصل بالقطب السالب لمصدر التيار، ينشأ قوس بين الأجسام والفحم، مما يؤدي إلى ذوبان المعدن. قوس الزئبق. من الأمور ذات الأهمية الكبيرة حرق قوس الزئبق في أنبوب الكوارتز، ما يسمى بمصباح الكوارتز. في هذا المصباح، لا يحدث تفريغ القوس في الهواء، ولكن في جو من بخار الزئبق، حيث يتم إدخال كمية صغيرة من الزئبق في المصباح، ويتم ضخ الهواء. ضوء قوس الزئبق غني للغاية بالأشعة فوق البنفسجية، التي لها تأثيرات كيميائية وفسيولوجية قوية. لتتمكن من استخدام هذا الإشعاع، المصباح مصنوع ليس من الزجاج، الذي يمتص الأشعة فوق البنفسجية بقوة، ولكن من الكوارتز المنصهر. تستخدم مصابيح الزئبق على نطاق واسع في علاج الأمراض المختلفة، وكذلك بحث علميكمصدر قوي للأشعة فوق البنفسجية.

تم استخدام مصدر المعلومات الكتاب المدرسي الابتدائيالفيزياء تحت

حرره الأكاديمي ج.س. لاندسبيرج (المجلد 2). موسكو، دار النشر "ناوكا"، 1985.

أكمله ماركيدونوف تيمور، إيركوتسك.

لا توجد عوازل مطلقة في الطبيعة. يمكن أن تحدث الحركة المنظمة للجسيمات - حاملات الشحنة الكهربائية - أي التيار، في أي بيئة، ولكن هذا يتطلب ذلك شروط خاصة. وسننظر هنا في كيفية حدوث الظواهر الكهربائية في الغازات وكيف يمكن تحويل الغاز من عازل جيد جدًا للكهرباء إلى موصل جيد جدًا. سنكون مهتمين بالظروف التي يحدث فيها التيار الكهربائي في الغازات، وكذلك بالميزات التي يتميز بها.

الخواص الكهربائية للغازات

العازل الكهربائي هو مادة (متوسطة) لا يصل فيها تركيز الجزيئات - الناقلات الحرة للشحنة الكهربائية - إلى أي قيمة كبيرة، ونتيجة لذلك تكون الموصلية ضئيلة. جميع الغازات هي عوازل جيدة. يتم استخدام خصائصها العازلة في كل مكان. على سبيل المثال، في أي مفتاح، تفتح الدائرة عندما يتم إحضار جهات الاتصال إلى مثل هذا الموضع الذي يتم فيه تشكيل فجوة هوائية بينهما. يتم أيضًا عزل الأسلاك في خطوط الكهرباء عن بعضها البعض بواسطة طبقة هوائية.

الوحدة الهيكلية لأي غاز هي الجزيء. إنها تتكون من النوى الذريةوالسحب الإلكترونية، أي أنها مجموعة الشحنات الكهربائية، موزعة بطريقة ما في الفضاء. نظرا لخصائص هيكلها، يمكن استقطاب جزيء الغاز تحت تأثير مجال كهربائي خارجي. الغالبية العظمى من الجزيئات التي يتكون منها الغاز تكون متعادلة كهربائيًا في الظروف العادية، لأن الشحنات الموجودة فيها تلغي بعضها البعض.

إذا تم تطبيق مجال كهربائي على الغاز، فإن الجزيئات سوف تتخذ اتجاه ثنائي القطب، وتحتل موقعًا مكانيًا يعوض تأثير المجال. ستبدأ الجسيمات المشحونة الموجودة في الغاز، تحت تأثير قوى كولوم، في التحرك: الأيونات الموجبة - نحو الكاثود، والأيونات السالبة والإلكترونات - نحو الأنود. ومع ذلك، إذا كان المجال ليس لديه إمكانات كافية، فلن ينشأ تدفق موجه واحد للشحنات، ويمكن للمرء أن يتحدث عن تيارات فردية، ضعيفة جدًا بحيث يجب إهمالها. الغاز يتصرف مثل عازل.

وبالتالي، لحدوث تيار كهربائي في الغازات، هناك حاجة إلى تركيز عال من ناقلات الشحنة الحرة ووجود حقل.

التأين

تسمى عملية الزيادة الشبيهة بالانهيار الجليدي في عدد الشحنات الحرة في الغاز بالتأين. وبناء على ذلك، فإن الغاز الذي توجد فيه كمية كبيرة من الجزيئات المشحونة يسمى المتأين. في مثل هذه الغازات يتم إنشاء تيار كهربائي.

ترتبط عملية التأين بانتهاك حياد الجزيئات. ونتيجة لنزع الإلكترون تظهر أيونات موجبة، كما أن إضافة إلكترون إلى الجزيء يؤدي إلى تكوين أيون سالب. بالإضافة إلى ذلك، يحتوي الغاز المتأين على العديد من الإلكترونات الحرة. الأيونات الموجبة وخاصة الإلكترونات هي حاملات الشحنة الرئيسية أثناء التيار الكهربائي في الغازات.

يحدث التأين عندما يتم نقل كمية معينة من الطاقة إلى الجسيم. وبالتالي، فإن الإلكترون الخارجي في الجزيء، بعد أن تلقى هذه الطاقة، يمكنه مغادرة الجزيء. تؤدي الاصطدامات المتبادلة بين الجزيئات المشحونة والجزيئات المحايدة إلى خروج إلكترونات جديدة، وتكتسب العملية طابعًا يشبه الانهيار الجليدي. كما تزداد الطاقة الحركية للجزيئات، مما يعزز التأين بشكل كبير.

من أين تأتي الطاقة المستهلكة لإثارة التيار الكهربائي في الغازات؟ لتأين الغازات عدة مصادر للطاقة، تُسمى عادةً أنواعها وفقًا لها.

1. التأين بواسطة المجال الكهربائي. في هذه الحالة، يتم تحويل الطاقة الكامنة للمجال إلى طاقة حركية للجزيئات.
2. التأين الحراري. تؤدي الزيادة في درجة الحرارة أيضًا إلى التكوين كميات كبيرةرسوم مجانية.
3. التأين الضوئي. جوهر هذه العملية هو أن الكميات تنقل الطاقة إلى الإلكترونات الاشعاع الكهرومغناطيسي- الفوتونات إذا كانت ذات ترددات عالية بما فيه الكفاية (الأشعة فوق البنفسجية، الأشعة السينية، جاما كوانتا).
4. ينتج التأين الصدمي من تحويل الطاقة الحركية للجزيئات المتصادمة إلى طاقة فصل الإلكترونات. جنبا إلى جنب مع التأين الحراري، فهو بمثابة العامل الرئيسي في إثارة التيار الكهربائي في الغازات.

يتميز كل غاز بقيمة عتبة معينة - طاقة التأين اللازمة لانفصال الإلكترون عن الجزيء، والتغلب على الحاجز المحتمل. وتتراوح هذه القيمة للإلكترون الأول من عدة فولت إلى عشرين فولت؛ لإزالة الإلكترون التالي من الجزيء، هناك حاجة إلى المزيد من الطاقة، وهكذا.

يجب أن يؤخذ في الاعتبار أنه في وقت واحد مع التأين في الغاز، تحدث العملية العكسية - إعادة التركيب، أي استعادة الجزيئات المحايدة تحت تأثير قوى كولومب الجذابة.

تصريف الغازات وأنواعها

لذلك، فإن التيار الكهربائي في الغازات ناتج عن الحركة المنتظمة للجزيئات المشحونة تحت تأثير المجال الكهربائي المطبق عليها. إن وجود مثل هذه الشحنات ممكن بدوره بسبب عوامل التأين المختلفة.

وبالتالي، يتطلب التأين الحراري درجات حرارة كبيرةلكن اللهب المكشوف فيما يتعلق ببعض العمليات الكيميائية يعزز التأين. حتى عند درجة حرارة منخفضة نسبيًا وفي وجود لهب، يتم تسجيل ظهور تيار كهربائي في الغازات، كما أن تجربة توصيل الغاز تجعل من السهل التحقق من ذلك. من الضروري وضع لهب الموقد أو الشمعة بين ألواح المكثف المشحون. سيتم إغلاق الدائرة التي كانت مفتوحة سابقًا بسبب فجوة الهواء في المكثف. سيشير الجلفانومتر المتصل بالدائرة إلى وجود تيار.

كهرباءفي الغازات يسمى تفريغ الغاز. يجب أن يؤخذ في الاعتبار أنه من أجل الحفاظ على استقرار التفريغ، يجب أن يكون عمل المؤين ثابتًا، لأنه بسبب إعادة التركيب المستمر، يفقد الغاز خصائصه الموصلة للكهرباء. يتم تحييد بعض ناقلات التيار الكهربائي في الغازات - الأيونات - عند الأقطاب الكهربائية، والبعض الآخر - الإلكترونات - عندما تصل إلى الأنود، يتم توجيهها إلى "زائد" مصدر المجال. إذا توقف عامل التأين عن العمل، فسيصبح الغاز على الفور عازلًا مرة أخرى وسيتوقف التيار. ويسمى هذا التيار، الذي يعتمد على عمل المؤين الخارجي، بالتفريغ غير المستدام ذاتيًا.

يتم وصف خصوصيات مرور التيار الكهربائي عبر الغازات من خلال الاعتماد الخاص للتيار على الجهد - خاصية الجهد الحالي.

دعونا نفكر في تطور تفريغ الغاز على الرسم البياني للاعتماد على الجهد الحالي. عندما يزيد الجهد إلى قيمة معينة U 1، يزداد التيار بما يتناسب معها، أي أن قانون أوم قد استوفي. وتزداد الطاقة الحركية، وبالتالي تزداد سرعة الشحنات في الغاز، وهذه العملية تفوق عملية إعادة التركيب. عند قيم الجهد من U 1 إلى U 2، تنتهك هذه العلاقة؛ عند الوصول إلى U2، تصل جميع حاملات الشحنة إلى الأقطاب الكهربائية دون أن يتوفر لها وقت لإعادة تجميعها. يتم استخدام جميع الشحنات المجانية، ولا تؤدي الزيادة الإضافية في الجهد إلى زيادة التيار. ويسمى هذا النوع من حركة الشحنات بتيار التشبع. وبالتالي يمكننا القول أن التيار الكهربائي في الغازات يرجع أيضًا إلى خصوصيات سلوك الغاز المتأين في المجالات الكهربائية ذات القوى المختلفة.

عندما يصل فرق الجهد عبر الأقطاب الكهربائية إلى قيمة معينة U 3، يصبح الجهد كافيًا للمجال الكهربائي ليسبب تأينًا يشبه الانهيار الجليدي للغاز. الطاقة الحركية للإلكترونات الحرة كافية بالفعل لتأين الجزيئات. تبلغ سرعتها في معظم الغازات حوالي 2000 كم/ث أو أعلى (يتم حسابها باستخدام الصيغة التقريبية v=600 Ui، حيث Ui هي جهد التأين). في هذه اللحظة يحدث تفكك الغاز ويحدث زيادة كبيرة في التيار بسبب مصدر التأين الداخلي. لذلك، يسمى هذا التفريغ مستقلا.

فوجود المؤين الخارجي في هذه الحالة لم يعد له دور في الحفاظ على التيار الكهربائي في الغازات. التفريغ المستقل في ظروف مختلفةوفي خصائص مختلفةقد يكون لمصدر المجال الكهربائي ميزات معينة. هناك أنواع من التفريغ الذاتي مثل التوهج والشرارة والقوس والإكليل. وسننظر في كيفية سلوك التيار الكهربائي في الغازات، باختصار لكل نوع من هذه الأنواع.

إن فرق الجهد من 100 (أو حتى أقل) إلى 1000 فولت يكفي لبدء التفريغ الذاتي. لذلك، يحدث تفريغ التوهج، الذي يتميز بقيمة تيار منخفضة (من 10 -5 أمبير إلى 1 أمبير)، عند ضغوط لا تزيد عن بضعة ملليمترات الزئبق.

في أنبوب يحتوي على غاز مخلخل وأقطاب كهربائية باردة، يبدو تفريغ التوهج الذي يتشكل كسلك رفيع متوهج بين الأقطاب الكهربائية. إذا واصلت ضخ الغاز من الأنبوب، فسيتم غسل السلك، وعند ضغط يبلغ أعشار المليمتر من الزئبق، يملأ التوهج الأنبوب بالكامل تقريبًا. لا يوجد توهج بالقرب من الكاثود - في ما يسمى بمساحة الكاثود المظلمة. والباقي يسمى العمود الموجب. في هذه الحالة، يتم تحديد العمليات الرئيسية التي تضمن وجود التفريغ بدقة في مساحة الكاثود المظلمة وفي المنطقة المجاورة لها. هنا، يتم تسريع جزيئات الغاز المشحونة، مما يؤدي إلى إخراج الإلكترونات من الكاثود.

في تفريغ التوهج، سبب التأين هو انبعاث الإلكترون من الكاثود. تنتج الإلكترونات المنبعثة من الكاثود تأينًا تصادميًا لجزيئات الغاز، وتسبب الأيونات الموجبة الناتجة انبعاثًا ثانويًا من الكاثود، وهكذا. ويعود توهج العمود الموجب بشكل رئيسي إلى إطلاق الفوتونات بواسطة جزيئات الغاز المثارة، وتتميز الغازات المختلفة بتوهج بلون معين. يشارك العمود الموجب في تكوين تفريغ التوهج فقط كقسم من الدائرة الكهربائية. إذا قمت بتقريب الأقطاب الكهربائية، يمكنك جعل العمود الموجب يختفي، لكن التفريغ لن يتوقف. ومع ذلك، مع مزيد من التخفيض في المسافة بين الأقطاب الكهربائية، لا يمكن أن يوجد تفريغ التوهج.

تجدر الإشارة إلى أنه بالنسبة لهذا النوع من التيار الكهربائي في الغازات، لم يتم بعد توضيح فيزياء بعض العمليات بشكل كامل. على سبيل المثال، طبيعة القوى التي تسبب زيادة التيار لتوسيع المنطقة على سطح الكاثود التي تشارك في التفريغ تظل غير واضحة.

تفريغ شرارة

انهيار الشرارة له طبيعة نابضة. ويحدث عند ضغوط قريبة من الضغط الجوي الطبيعي، في الحالات التي تكون فيها طاقة مصدر المجال الكهربائي غير كافية للحفاظ على التفريغ الثابت. قوة المجال عالية ويمكن أن تصل إلى 3MV/m. وتتميز هذه الظاهرة بزيادة حادة في تفريغ التيار الكهربائي في الغاز، وفي نفس الوقت ينخفض ​​الجهد بسرعة كبيرة ويتوقف التفريغ. ثم يزيد فرق الجهد مرة أخرى، وتتكرر العملية برمتها.

مع هذا النوع من التفريغ، يتم تشكيل قنوات شرارة قصيرة المدى، والتي يمكن أن يبدأ نموها من أي نقطة بين الأقطاب الكهربائية. ويرجع ذلك إلى حقيقة أن تأثير التأين يحدث بشكل عشوائي في الأماكن التي هذه اللحظةيتركز أكبر عدد من الأيونات. بالقرب من قناة الشرارة، يسخن الغاز بسرعة ويتعرض للتمدد الحراري، مما يسبب موجات صوتية. لذلك، يصاحب تفريغ الشرارة صوت طقطقة، بالإضافة إلى إطلاق حرارة وتوهج ساطع. تتولد عمليات التأين الانهياري في قناة الشرارة ضغط مرتفعودرجات حرارة تصل إلى 10 آلاف درجة فما فوق.

أبرز مثال على تفريغ الشرارة الطبيعية هو البرق. يمكن أن يتراوح قطر قناة شرارة البرق الرئيسية من بضعة سنتيمترات إلى 4 أمتار، ويمكن أن يصل طول القناة إلى 10 كيلومترات. وتصل قوة التيار إلى 500 ألف أمبير، ويصل فرق الجهد بين السحابة الرعدية وسطح الأرض إلى مليار فولت.

وقد لوحظت أطول ضربة برق بطول 321 كيلومترا في عام 2007 في أوكلاهوما بالولايات المتحدة الأمريكية. وكان صاحب الرقم القياسي لأطول مدة هو البرق الذي تم تسجيله في عام 2012 في جبال الألب الفرنسية، حيث استمر لأكثر من 7.7 ثانية. عندما يضرب البرق، يمكن للهواء أن يسخن حتى 30 ألف درجة، وهي 6 أضعاف درجة حرارة السطح المرئي للشمس.

في الحالات التي تكون فيها قوة مصدر المجال الكهربائي عالية بما فيه الكفاية، يتطور تفريغ الشرارة إلى تفريغ قوسي.

يتميز هذا النوع من التفريغ الذاتي بكثافة تيار عالية وجهد منخفض (أقل من تفريغ التوهج). مسافة الانهيار قصيرة بسبب قرب الأقطاب الكهربائية. يبدأ التفريغ عن طريق انبعاث إلكترون من سطح الكاثود (بالنسبة لذرات المعدن، تكون إمكانية التأين صغيرة مقارنة بجزيئات الغاز). أثناء الانهيار، يتم إنشاء الظروف بين الأقطاب الكهربائية، حيث يقوم الغاز بإجراء التيار الكهربائي، ويحدث تفريغ شرارة، وإغلاق الدائرة. إذا كانت قوة مصدر الجهد عالية بما فيه الكفاية، فإن تفريغ الشرارة يتحول إلى قوس كهربائي مستقر.

يصل التأين أثناء تفريغ القوس إلى 100٪ تقريبًا، والتيار مرتفع جدًا ويمكن أن يتراوح من 10 إلى 100 أمبير. في الضغط الجوييمكن أن يسخن القوس ما يصل إلى 5-6 آلاف درجة، والكاثود - ما يصل إلى 3 آلاف درجة، الأمر الذي يؤدي إلى انبعاث حراري مكثف من سطحه. يؤدي قصف الأنود بالإلكترونات إلى تدمير جزئي: يتشكل عليه منخفض - حفرة تبلغ درجة حرارتها حوالي 4000 درجة مئوية. الزيادة في الضغط تستلزم زيادة أكبر في درجات الحرارة.

عندما يتم فصل الأقطاب الكهربائية، يظل تفريغ القوس مستقرًا حتى مسافة معينة، مما يجعل من الممكن مكافحته في تلك المناطق من المعدات الكهربائية حيث يكون ضارًا بسبب التآكل واحتراق نقاط الاتصال التي يسببها. وهي أجهزة مثل الجهد العالي وقواطع الدوائر الكهربائية والموصلات وغيرها. إحدى طرق مكافحة الأقواس التي تحدث عند فتح جهات الاتصال هي استخدام غرف قمع القوس على أساس مبدأ استطالة القوس. يتم أيضًا استخدام العديد من الطرق الأخرى: تجاوز نقاط الاتصال، واستخدام مواد ذات قدرة تأين عالية، وما إلى ذلك.

يحدث تطور تفريغ الهالة عند الضغط الجوي الطبيعي في مجالات غير متجانسة بشكل حاد بالقرب من الأقطاب الكهربائية ذات انحناء سطحي كبير. يمكن أن تكون هذه أبراجًا وصواري وأسلاكًا وعناصر مختلفة من المعدات الكهربائية التي تحتوي على شكل معقدوحتى شعر الإنسان. يسمى هذا القطب قطب الإكليل. تتم عمليات التأين وبالتالي توهج الغاز بالقرب منه فقط.

يمكن أن تتشكل الإكليل على الكاثود (الإكليل السالب) عندما يتم قصفه بالأيونات، وعلى الأنود (الإكليل الموجب) نتيجة للتأين الضوئي. تتميز الهالة السالبة، التي يتم فيها توجيه عملية التأين نتيجة للانبعاث الحراري بعيدًا عن القطب، بتوهج متساوٍ. في الهالة الإيجابية، يمكن ملاحظة اللافتات - خطوط مضيئة ذات تكوين مكسور يمكن أن تتحول إلى قنوات شرارة.

مثال على تفريغ كورونا في الظروف الطبيعيةتحدث على أطراف الصواري العالية، وقمم الأشجار، وما إلى ذلك. وتتشكل عند شدة مجال كهربائي عالية في الغلاف الجوي، غالبًا قبل عاصفة رعدية أو أثناء عاصفة ثلجية. بالإضافة إلى ذلك، تم تسجيلها على جلد الطائرات التي وقعت في سحابة من الرماد البركاني.

يؤدي تفريغ كورونا على أسلاك خطوط الكهرباء إلى خسائر كبيرة في الكهرباء. عند الفولتية العالية، يمكن أن يتحول تفريغ الإكليل إلى تفريغ قوسي. ويتم مكافحتها بطرق مختلفة، على سبيل المثال، عن طريق زيادة نصف قطر انحناء الموصلات.

التيار الكهربائي في الغازات والبلازما

يسمى الغاز المتأين كليًا أو جزئيًا بالبلازما ويعتبر الحالة الرابعة للمادة. بشكل عام، البلازما محايدة كهربائيًا، نظرًا لأن الشحنة الإجمالية للجزيئات المكونة لها تساوي صفرًا. وهذا ما يميزه عن الأنظمة الأخرى للجسيمات المشحونة، مثل أشعة الإلكترون.

في الظروف الطبيعية، تتشكل البلازما، كقاعدة عامة، عند درجات حرارة عالية نتيجة اصطدام ذرات الغاز بسرعات عالية. الغالبية العظمى من المادة الباريونية في الكون موجودة في حالة البلازما. هذه نجوم، جزء من المادة بين النجوم، الغاز بين المجرات. الغلاف الأيوني للأرض هو أيضًا بلازما متخلخلة ضعيفة التأين.

درجة التأين هي خاصية مهمةالبلازما - تعتمد عليها الخصائص الموصلة. يتم تعريف درجة التأين على أنها نسبة عدد الذرات المتأينة إلى إجمالي عدد الذرات لكل وحدة حجم. كلما زادت تأين البلازما، زادت موصليتها الكهربائية. وبالإضافة إلى ذلك، فهو يتميز بالحركة العالية.

ولذلك نرى أن الغازات التي توصل التيار الكهربائي داخل قناة التفريغ ليست أكثر من بلازما. وبالتالي فإن تفريغات التوهج والإكليل هي أمثلة على البلازما الباردة؛ تعتبر قناة شرارة البرق أو القوس الكهربائي أمثلة على البلازما الساخنة والمتأينة بالكامل تقريبًا.

التيار الكهربائي في المعادن والسوائل والغازات - الاختلافات والتشابه

دعونا نفكر في الميزات التي تميز تفريغ الغاز مقارنة بخصائص التيار في الوسائط الأخرى.

في المعادن، التيار هو الحركة الموجهة للإلكترونات الحرة، والتي لا تنطوي على تغيرات كيميائية. تسمى الموصلات من هذا النوع بالموصلات من النوع الأول؛ وتشمل هذه، بالإضافة إلى المعادن والسبائك، الفحم وبعض الأملاح والأكاسيد. تتميز بالموصلية الإلكترونية.

الموصلات من النوع الثاني هي إلكتروليتات، أي سائلة محاليل مائيةالقلويات والأحماض والأملاح. يرتبط مرور التيار بتغير كيميائي في المنحل بالكهرباء - التحليل الكهربائي. تتحرك أيونات المادة المذابة في الماء، تحت تأثير فرق الجهد، في اتجاهين متعاكسين: الكاتيونات الموجبة - إلى الكاثود، والأنيونات السالبة - إلى الأنود. ويصاحب العملية إطلاق غاز أو ترسب طبقة معدنية على الكاثود. تتميز الموصلات من النوع الثاني بالتوصيل الأيوني.

أما موصلية الغازات فهي أولاً مؤقتة، وثانياً، ولها علامات التشابه والاختلاف مع كل منها. وبالتالي، فإن التيار الكهربائي في كل من الإلكتروليتات والغازات هو انجراف للجسيمات المشحونة بشكل معاكس والموجهة نحو الأقطاب الكهربائية المعاكسة. ومع ذلك، في حين تتميز الشوارد بالتوصيل الأيوني البحت، في تفريغ الغاز مع مزيج من الإلكترونية و أنواع الأيونيةالموصلية، الدور القيادي ينتمي إلى الإلكترونات. هناك اختلاف آخر بين التيار الكهربائي في السوائل والغازات وهو طبيعة التأين. في الإلكتروليت، تتفكك جزيئات المركب المذاب في الماء، لكن في الغاز، لا تنهار الجزيئات، بل تفقد الإلكترونات فقط. ولذلك، فإن تفريغ الغاز، مثل التيار في المعادن، لا يرتبط بالتغيرات الكيميائية.

التيار في السوائل والغازات مختلف أيضًا. تخضع موصلية الإلكتروليتات بشكل عام لقانون أوم، ولكن أثناء تفريغ الغاز لا يتم ملاحظتها. تعد خاصية الجهد الحالي للغازات أكثر تعقيدًا، وترتبط بخصائص البلازما.

وتجدر الإشارة أيضًا إلى السمات العامة والمميزة للتيار الكهربائي في الغازات وفي الفراغ. الفراغ هو عازل مثالي تقريبًا. "تقريبًا" - لأنه في الفراغ، على الرغم من عدم وجود (بتعبير أدق، تركيز منخفض للغاية) ناقلات الشحنة المجانية، من الممكن أيضًا وجود تيار. لكن الناقلات المحتملة موجودة بالفعل في الغاز، وهي تحتاج فقط إلى التأين. يتم إدخال حاملات الشحنة في الفراغ من المادة. وكقاعدة عامة، يحدث هذا من خلال عملية انبعاث الإلكترون، على سبيل المثال عند تسخين الكاثود (الانبعاث الحراري). ولكن أيضا في أنواع مختلفةانبعاثات تفريغ الغاز، كما رأينا، تلعب دور مهم.

تطبيق تصريفات الغاز في التكنولوجيا

لقد سبق أن تمت مناقشة الآثار الضارة لبعض التصريفات بإيجاز أعلاه. الآن دعونا ننتبه إلى الفوائد التي يجلبونها في الصناعة وفي الحياة اليومية.

يستخدم تفريغ التوهج في الهندسة الكهربائية (مثبتات الجهد) وفي تكنولوجيا الطلاء (طريقة الرش الكاثودي، بناءً على ظاهرة تآكل الكاثود). في الإلكترونيات يتم استخدامه لإنتاج حزم الأيونات والإلكترونات. المجالات المعروفة على نطاق واسع لتطبيق تفريغ التوهج هي مصابيح الفلورسنت وما يسمى بالمصابيح الموفرة للطاقة وأنابيب تفريغ غاز النيون والأرجون المزخرفة. بالإضافة إلى ذلك، يتم استخدام تفريغ التوهج في التحليل الطيفي.

يُستخدم تفريغ الشرارة في الصمامات وفي طرق التفريغ الكهربائي لمعالجة المعادن بدقة (قطع الشرر، والحفر، وما إلى ذلك). ولكنه يشتهر باستخدامه في شمعات الإشعال لمحركات الاحتراق الداخلي وفي الأجهزة المنزلية(مواقد الغاز).

تم استخدام تفريغ القوس لأول مرة في تكنولوجيا الإضاءة في عام 1876 (شمعة Yablochkov - "الضوء الروسي")، ولا يزال بمثابة مصدر للضوء - على سبيل المثال، في أجهزة العرض والكشافات القوية. في الهندسة الكهربائية، يتم استخدام القوس في مقومات الزئبق. بالإضافة إلى ذلك، يتم استخدامه في اللحام الكهربائي، قطع المعادن، والأفران الكهربائية الصناعية لصهر الفولاذ والسبائك.

يُستخدم تفريغ كورونا في المرسبات الكهربائية لتنقية الغاز الأيوني، وفي عدادات الجسيمات، وفي مانعات الصواعق، وفي أنظمة تكييف الهواء. يعمل تفريغ كورونا أيضًا في آلات التصوير وطابعات الليزر، حيث يقوم بشحن وتفريغ أسطوانة حساسة للضوء ونقل المسحوق من الأسطوانة إلى الورق.

وبالتالي، فإن تصريفات الغاز بجميع أنواعها تجدها أكثر من غيرها تطبيق واسع. يتم استخدام التيار الكهربائي في الغازات بنجاح وفعالية في العديد من مجالات التكنولوجيا.

هذا ملخص قصير.

يستمر العمل على النسخة الكاملة

محاضرة2 1

التيار في الغازات

1. أحكام عامة

تعريف: تسمى ظاهرة مرور التيار الكهربائي عبر الغازات تفريغ الغاز.

يعتمد سلوك الغازات بشكل كبير على عواملها، مثل درجة الحرارة والضغط، وتتغير هذه العوامل بسهولة تامة. ولذلك فإن سريان التيار الكهربائي في الغازات يكون أكثر تعقيدا منه في المعادن أو في الفراغ.

الغازات لا تخضع لقانون أوم.

2. التأين وإعادة التركيب

الغاز عند الظروف العادية، يتكون من جزيئات محايدة عمليا، وبالتالي فهو يوصل التيار الكهربائي بشكل سيء للغاية. ومع ذلك، تحت التأثيرات الخارجية، يمكن أن ينفصل الإلكترون عن الذرة ويظهر أيون موجب الشحنة. بالإضافة إلى ذلك، يمكن للإلكترون أن يرتبط بذرة متعادلة ويشكل أيونًا سالب الشحنة. وبهذه الطريقة يمكن الحصول على غاز متأين، أي. بلازما.

ل تأثيرات خارجيةتشمل التسخين، والإشعاع بالفوتونات النشطة، والقصف بجسيمات أخرى، والمجالات القوية، مثل: نفس الشروط اللازمة للانبعاث الأولي.

الإلكترون الموجود في الذرة موجود في بئر محتمل، ولكي يهرب من هناك يجب أن تعطى الذرة طاقة إضافية، وهي ما تسمى طاقة التأين.

مادة	طاقة التأين، فولت
ذرة الهيدروجين	13,59
جزيء الهيدروجين	15,43
هيليوم	24,58
ذرة الأكسجين	13,614
جزيء الأكسجين	12,06

جنبا إلى جنب مع ظاهرة التأين، لوحظت أيضا ظاهرة إعادة التركيب، أي. اتحاد الإلكترون والأيون الموجب لتكوين ذرة متعادلة. تحدث هذه العملية مع إطلاق طاقة مساوية لطاقة التأين. ويمكن استخدام هذه الطاقة للإشعاع أو التدفئة. يؤدي التسخين المحلي للغاز إلى تغير محلي في الضغط. وهذا بدوره يؤدي إلى المظهر موجات صوتية. وبالتالي، فإن تفريغ الغاز يكون مصحوبًا بتأثيرات ضوئية وحرارة وضجيج.

3. خصائص الجهد الحالي لتصريف الغاز.

على المراحل الأوليةمطلوب المؤين الخارجي.

في قسم OAW، يوجد التيار تحت تأثير مؤين خارجي ويصل بسرعة إلى التشبع عندما تشارك جميع الجزيئات المتأينة في تكوين التيار. إذا قمت بإزالة المؤين الخارجي، يتوقف التيار.

ويسمى هذا النوع من التفريغ تفريغ الغاز غير المستدام. عندما تحاول زيادة الجهد في الغاز، تظهر انهيارات ثلجية من الإلكترونات، ويزداد التيار بجهد ثابت تقريبًا، وهو ما يسمى بجهد الإشعال (IC).

من هذه اللحظة فصاعدا، يصبح التفريغ مستقلا وليس هناك حاجة إلى مؤين خارجي. يمكن أن يصبح عدد الأيونات كبيرًا جدًا بحيث تنخفض مقاومة فجوة الأقطاب البينية وينخفض ​​الجهد (VSD) وفقًا لذلك.

ثم، في الفجوة بين الأقطاب الكهربائية، تبدأ المنطقة التي يمر بها التيار في التضييق، وتزداد المقاومة، وبالتالي يزداد الجهد (MU).

عند محاولة زيادة الجهد، يصبح الغاز متأينًا تمامًا. تنخفض المقاومة والجهد إلى الصفر، ويزداد التيار عدة مرات. والنتيجة هي تفريغ القوس (EF).

توضح خاصية الجهد الحالي أن الغاز لا يخضع لقانون أوم على الإطلاق.

4. العمليات في الغاز

العمليات التي يمكن يؤدي إلى تشكيل الانهيارات الإلكترونية المبينةعلى الصورة.

هذه هي عناصر نظرية تاونسند النوعية.

5. توهج التفريغ.

في الضغوط المنخفضةوفي الفولتية المنخفضة يمكن ملاحظة هذا التفريغ.

ك – 1 (مساحة أستون المظلمة).

1 – 2 (فيلم الكاثود المضيء).

2 - 3 (مساحة كروكس المظلمة).

3 - 4 (توهج الكاثود الأول).

4 - 5 (مساحة فاراداي المظلمة)

5 – 6 (عمود الأنود الموجب).

6 – 7 (المساحة المظلمة الأنود).

7- أ (التوهج الأنودي).

إذا جعلت الأنود متحركًا، فيمكن تعديل طول العمود الموجب دون تغيير أبعاد المنطقة K – 5 عمليًا.

في المناطق المظلمة، تتسارع الجسيمات وتكتسب الطاقة. في المناطق المضيئة، تحدث عمليات التأين وإعادة التركيب.

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 اصطدام الجزيئات ببعضها البعض إلى هذه القوة التي تبدأ التأين- اضمحلال الجسيمات 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 نحو 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 المجانية تؤدي إلى حالة من الفوضى الحركة الحراريةجنبا إلى جنب 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 الجسيمات 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 جزيئات 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 خاصية الجهد الحالي لتصريف 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.

عند الجهد المنخفض، 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 أثناء حركتها.

مع زيادة الجهد، تتطور الشحنات الحرة بسرعة أكبر، 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 هناك 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.