تعاریف جریان الکترونی در گازها تخلیه گاز و انواع آن شارژ رایگان در گاز

این توسط حرکت هدایت شده الکترون های آزاد تشکیل می شود و در این مورد هیچ تغییری در ماده ای که هادی از آن ساخته شده است رخ نمی دهد.

رساناهایی که عبور جریان الکتریکی در آنها با تغییرات شیمیایی در ماده آنها همراه نباشد نامیده می شوند هادی ها از نوع اول. اینها شامل تمام فلزات، زغال سنگ و تعدادی مواد دیگر می شود.

اما هادی های جریان الکتریکی نیز در طبیعت وجود دارند که در آنها پدیده های شیمیایی در هنگام عبور جریان رخ می دهد. این هادی ها نامیده می شوند هادی های نوع دوم. اینها عمدتاً شامل محلولهای مختلف اسیدها، نمکها و قلیاها در آب هستند.

اگر آب را در ظرف شیشه ای بریزید و چند قطره اسید سولفوریک (یا اسید یا قلیایی دیگر) اضافه کنید و سپس دو صفحه فلزی بردارید و هادی ها را به آنها وصل کنید و این صفحات را در ظرف پایین بیاورید و منبع جریان را به آن وصل کنید. سرهای دیگر هادی ها از طریق کلید و آمپرمتر، سپس گاز از محلول خارج می شود و تا زمانی که مدار بسته باشد به طور مداوم ادامه خواهد داشت. آب اسیدی شده در واقع یک رسانا است. علاوه بر این، صفحات شروع به پوشیده شدن با حباب های گاز می کنند. سپس این حباب ها از صفحات جدا شده و بیرون می آیند.

هنگامی که جریان الکتریکی از محلول عبور می کند، تغییرات شیمیایی رخ می دهد و در نتیجه گاز آزاد می شود.

رساناهای نوع دوم الکترولیت نامیده می شوند و پدیده ای که در الکترولیت هنگام عبور جریان الکتریکی از آن رخ می دهد این است.

صفحات فلزی فرو رفته در یک الکترولیت الکترود نامیده می شوند. یکی از آنها که به قطب مثبت منبع جریان متصل است، آند و دیگری که به قطب منفی متصل است، کاتد نامیده می شود.

چه چیزی عبور جریان الکتریکی را در رسانای مایع تعیین می کند؟ معلوم می شود که در چنین محلول هایی (الکترولیت ها)، مولکول های اسید (قلیایی، نمک) تحت تأثیر یک حلال (در این مورد آب) به دو جزء تجزیه می شوند و یکی از ذرات مولکول دارای بار الکتریکی مثبت و دیگری دارای بار الکتریکی منفی است.

ذرات یک مولکول که بار الکتریکی دارند یون نامیده می شوند. هنگامی که یک اسید، نمک یا قلیایی در آب حل می شود، تعداد زیادی یون مثبت و منفی در محلول ظاهر می شود.

اکنون باید مشخص شود که چرا جریان الکتریکی از محلول عبور کرده است، زیرا بین الکترودهای متصل به منبع جریان، ولتاژ ایجاد می شود، به عبارت دیگر، یکی از آنها دارای بار مثبت و دیگری منفی است. تحت تأثیر این اختلاف پتانسیل، یون های مثبت شروع به مخلوط شدن به سمت الکترود منفی - کاتد، و یون های منفی - به سمت آند کردند.

بنابراین، حرکت آشفته یون‌ها به یک حرکت مخالف منظم یون‌های منفی در یک جهت و مثبت در جهت دیگر تبدیل شد. این فرآیند انتقال بار، جریان الکتریکی را از طریق الکترولیت تشکیل می دهد و تا زمانی که اختلاف پتانسیل بین الکترودها وجود داشته باشد، اتفاق می افتد. با ناپدید شدن اختلاف پتانسیل، جریان عبوری از الکترولیت متوقف می شود، حرکت منظم یون ها مختل می شود و حرکت آشفته دوباره آغاز می شود.

به عنوان مثال، اجازه دهید پدیده الکترولیز را در هنگام عبور جریان الکتریکی از محلول سولفات مس CuSO4 با الکترودهای مسی در آن در نظر بگیریم.

پدیده الکترولیز هنگام عبور جریان از محلول سولفات مس: C - مخزن با الکترولیت، B - منبع جریان، C - سوئیچ

در اینجا همچنین یک حرکت متقابل یونها به الکترودها وجود خواهد داشت. یون مثبت یون مس (Cu) و یون منفی یون باقیمانده اسید (SO4) خواهد بود. یون‌های مس، در تماس با کاتد، تخلیه می‌شوند (الکترون‌های از دست رفته را به هم متصل می‌کنند)، یعنی به مولکول‌های خنثی مس خالص تبدیل می‌شوند و به شکل یک لایه نازک (مولکولی) روی کاتد رسوب می‌کنند.

یون های منفی که به آند رسیده اند نیز تخلیه می شوند (الکترون های اضافی را رها می کنند). اما همزمان با مس آند وارد یک واکنش شیمیایی می شوند که در نتیجه یک مولکول مس مس به باقی مانده اسیدی SO4 اضافه می شود و مولکولی از سولفات مس CuS O4 تشکیل می شود که به عقب باز می گردد. به الکترولیت

از آنجایی که این فرآیند شیمیایی رخ می دهد مدت زمان طولانی، سپس مس روی کاتد رسوب می کند و از الکترولیت آزاد می شود. در این حالت، الکترولیت به جای مولکول های مسی که به کاتد رفتند، به دلیل انحلال الکترود دوم - آند، مولکول های مس جدیدی را دریافت می کند.

اگر الکترودهای روی به جای مس گرفته شوند و الکترولیت محلولی از سولفات روی ZnSO4 باشد، همین فرآیند اتفاق می‌افتد. روی نیز از آند به کاتد منتقل خواهد شد.

بدین ترتیب، تفاوت جریان الکتریکی در فلزات و رسانای مایعدر این واقعیت نهفته است که در فلزات حامل های بار فقط الکترون های آزاد هستند، یعنی بارهای منفی، در حالی که در الکترولیت ها توسط ذرات باردار مخالف ماده حمل می شود - یون هایی که در جهت مخالف حرکت می کنند. بنابراین آنها می گویند الکترولیت ها رسانایی یونی از خود نشان می دهند.

پدیده الکترولیزدر سال 1837 توسط B. S. Jacobi کشف شد که آزمایش های متعددی در تحقیق و بهبود انجام داد. منابع شیمیاییجاری ژاکوبی دریافت که یکی از الکترودهایی که در محلول سولفات مس قرار می گیرد، زمانی که جریان الکتریکی از آن عبور می کند، با مس پوشیده می شود.

این پدیده نامیده می شود آبکاری، اکنون کاربرد عملی بسیار گسترده ای پیدا کرده است. یکی از نمونه های آن پوشاندن اجسام فلزی با لایه نازکی از فلزات دیگر مانند آبکاری نیکل، آبکاری طلا، آبکاری نقره و غیره است.

گازها (از جمله هوا) در شرایط عادی جریان الکتریکی را هدایت نمی کنند. برای مثال، برهنه ها که به موازات یکدیگر معلق هستند، خود را با لایه ای از هوا از یکدیگر جدا می یابند.

با این حال، تحت تأثیر درجه حرارت بالا، اختلاف پتانسیل زیاد و دلایل دیگر ، گازها مانند هادی های مایع یونیزه می شوند ، یعنی ذرات مولکول های گاز به مقدار زیاد در آنها ظاهر می شوند که به عنوان حامل الکتریسیته ، عبور جریان الکتریکی از گاز را تسهیل می کنند.

اما در عین حال، یونیزاسیون یک گاز با یونیزاسیون یک هادی مایع متفاوت است. اگر در یک مایع یک مولکول به دو قسمت باردار متلاشی شود، در گازها، تحت تأثیر یونیزاسیون، همیشه الکترون ها از هر مولکول جدا می شوند و یک یون به شکل قسمتی از مولکول با بار مثبت باقی می ماند.

هنگامی که یونیزاسیون گاز متوقف می شود، رسانایی آن متوقف می شود، در حالی که یک مایع همیشه رسانای جریان الکتریکی باقی می ماند. در نتیجه رسانایی گاز یک پدیده موقتی است که بستگی به عوامل خارجی دارد.

با این حال، یکی دیگر به نام وجود دارد تخلیه قوسیا به سادگی یک قوس الکتریکی. پدیده قوس الکتریکی در آغاز قرن نوزدهم توسط اولین مهندس برق روسی V.V. Petrov کشف شد.

پتروف، از طریق آزمایش های متعدد، کشف کرد که بین دو زغال چوب متصل به یک منبع جریان، یک تخلیه الکتریکی مداوم از طریق هوا همراه با نور روشن رخ می دهد. V.V. Petrov در نوشته های خود نوشت که در این مورد "صلح تاریک را می توان کاملاً روشن روشن کرد." اینگونه بود که برای اولین بار نور الکتریکی بدست آمد که عملاً توسط مهندس برق روسی دیگری پاول نیکولاویچ یابلوچکوف به کار رفت.

شمع یابلوچکوف که عملکرد آن مبتنی بر استفاده از قوس الکتریکی است، در آن روزها انقلابی واقعی در مهندسی برق ایجاد کرد.

تخلیه قوس هنوز هم امروزه به عنوان منبع نور استفاده می شود، به عنوان مثال در نورافکن ها و دستگاه های پروجکشن. دمای بالای تخلیه قوس اجازه می دهد تا از آن برای استفاده استفاده شود. در حال حاضر، کوره های قوس الکتریکی، که با جریان بسیار بالا تغذیه می شوند، در تعدادی از صنایع استفاده می شود: برای ذوب فولاد، چدن، فروآلیاژها، برنز و غیره. و در سال 1882، N.N. Benardos برای اولین بار از تخلیه قوس برای برش و جوش فلز استفاده کرد.

در لوله های نور گاز، لامپ های فلورسنت، تثبیت کننده های ولتاژ، به اصطلاح تخلیه گاز درخشان.

تخلیه جرقه برای اندازه گیری اختلاف پتانسیل زیاد با استفاده از یک شکاف توپ استفاده می شود که الکترودهای آن دو توپ فلزی با سطح صیقلی هستند. توپ ها از هم جدا می شوند و اختلاف پتانسیل اندازه گیری شده روی آنها اعمال می شود. سپس توپ ها به هم نزدیک می شوند تا زمانی که جرقه ای بین آنها بپرد. با دانستن قطر توپ ها، فاصله بین آنها، فشار، دما و رطوبت هوا، اختلاف پتانسیل بین توپ ها را با استفاده از میزهای مخصوص پیدا کنید. این روش می تواند اختلاف پتانسیل های مرتبه ده ها هزار ولت را با دقت چند درصد اندازه گیری کند.

جریان الکتریکی در گازها

رسانایی مستقل و غیر مستقل گازها.که در حالت طبیعیگازها جریان الکتریکی را هدایت نمی کنند، به عنوان مثال. دی الکتریک هستند. اگر مدار توسط یک شکاف هوا قطع شود، می توان این را به راحتی با استفاده از یک جریان ساده تأیید کرد.

خواص عایق بودن گازها با این واقعیت توضیح داده می شود که اتم ها و مولکول های گازها در حالت طبیعی خود ذرات خنثی و بدون بار هستند. از اینجا مشخص است که برای ایجاد یک رسانای گاز، لازم است به یک روش وارد آن یا ایجاد حامل های شارژ رایگان - ذرات باردار در آن شود. در این حالت دو حالت امکان پذیر است: یا این ذرات باردار در اثر عمل یک عامل خارجی ایجاد می شوند یا از بیرون وارد گاز می شوند - رسانایی غیرمستقل، یا در اثر عمل میدان الکتریکی در گاز ایجاد می شوند. خود بین الکترودها وجود دارد - هدایت مستقل.

در شکل بالا، گالوانومتر در مدار نشان می دهد که با وجود ولتاژ اعمال شده، جریانی وجود ندارد. این نشان دهنده عدم هدایت گازها در شرایط عادی است.

اکنون اجازه دهید گاز را در فاصله 1-2 با وارد کردن یک مشعل روشن در آن تا دمای بسیار بالا گرم کنیم. گالوانومتر ظاهر جریان را نشان می دهد، بنابراین، در دماهای بالا، نسبت مولکول های گاز خنثی به یون های مثبت و منفی تقسیم می شود. این پدیده نامیده می شود یونیزاسیونگاز

اگر جریان هوا را از یک دمنده کوچک به داخل شکاف گاز هدایت کنید و یک شعله یونیزان را در مسیر جریان، خارج از شکاف قرار دهید، گالوانومتر مقداری جریان را نشان می دهد.

این بدان معنی است که یون ها فورا ناپدید نمی شوند، بلکه همراه با گاز حرکت می کنند. با این حال، با افزایش فاصله بین شعله و شکاف 1-2، جریان به تدریج ضعیف شده و سپس ناپدید می شود. در این حالت، یون‌های دارای بار مخالف، تحت تأثیر نیروی جاذبه الکتریکی به یکدیگر نزدیک می‌شوند و پس از برخورد، دوباره به یک مولکول خنثی می‌پیوندند. این فرآیند نامیده می شود نوترکیبییون ها

گرم کردن گاز تا دمای بالا تنها راه یونیزه کردن مولکول ها یا اتم های گاز نیست. اتم های خنثی یا مولکول های گاز نیز می توانند تحت تأثیر عوامل دیگر یونیزه شوند.

رسانایی یونی دارای تعدادی ویژگی است. بنابراین، اغلب یون های مثبت و منفی، مولکول های یونیزه منفرد نیستند، بلکه گروه هایی از مولکول ها هستند که به یک الکترون منفی یا مثبت متصل هستند. به همین دلیل، اگرچه بار هر یون برابر با یک یا دو بار اولیه است، به ندرت بیشتر، جرم آنها می تواند به طور قابل توجهی با جرم اتم ها و مولکول های جداگانه متفاوت باشد. به این ترتیب، یون های گاز به طور قابل توجهی با یون های الکترولیت، که همیشه گروه های خاصی از اتم ها را نشان می دهند، متفاوت است. به دلیل این تفاوت، قوانین فارادی، که بسیار مشخصه رسانایی الکترولیت ها هستند، در مورد هدایت یونی گازها اعمال نمی شوند.

تفاوت دوم، همچنین بسیار مهم، بین هدایت یونی گازها و هدایت یونی الکترولیت ها این است که قانون اهم برای گازها رعایت نمی شود: مشخصه جریان-ولتاژ بیشتر است. طبیعت پیچیده. مشخصه جریان-ولتاژ هادی ها (از جمله الکترولیت ها) به شکل یک خط مستقیم شیبدار (نسبت I و U) است؛ برای گازها شکل متفاوتی دارد.

به طور خاص، در مورد هدایت غیر خودپایدار، در مقادیر کوچک U، نمودار مانند یک خط مستقیم به نظر می رسد، یعنی. قانون اهم تقریباً به قوت خود باقی می ماند. با افزایش U، منحنی با مقداری کشش خم می شود و به یک خط مستقیم افقی تبدیل می شود.

این بدان معنی است که با شروع از یک ولتاژ خاص، جریان با وجود افزایش ولتاژ ثابت می ماند. این مقدار جریان ثابت و مستقل از ولتاژ نامیده می شود جریان اشباع.

درک معنای نتایج به دست آمده دشوار نیست. در ابتدا، با افزایش ولتاژ، تعداد یون هایی که از سطح مقطع تخلیه عبور می کنند افزایش می یابد، یعنی. جریان I افزایش می یابد، زیرا یون ها در میدان قوی تر با سرعت بیشتری حرکت می کنند. با این حال، مهم نیست که یون ها با چه سرعتی حرکت می کنند، تعداد عبور آنها از این بخش در واحد زمان نمی تواند بیشتر از تعداد کل یون های ایجاد شده در تخلیه در واحد زمان توسط عوامل یونیزان خارجی باشد.

با این حال، آزمایش‌ها نشان می‌دهند که اگر پس از رسیدن به جریان اشباع در گاز، ولتاژ به طور قابل‌توجهی افزایش یابد، در این صورت مسیر مشخصه جریان-ولتاژ به طور ناگهانی مختل می‌شود. در یک ولتاژ به اندازه کافی بالا، جریان به شدت افزایش می یابد.

جهش فعلی نشان می دهد که تعداد یون ها بلافاصله به شدت افزایش یافته است. دلیل این امر خودش است میدان الکتریکی: چنین سرعت بالایی را به برخی یونها می دهد، یعنی. انرژی آنقدر زیاد است که وقتی چنین یون هایی با مولکول های خنثی برخورد می کنند، مولکول های دوم به یون شکسته می شوند. تعداد کلیون‌ها اکنون نه توسط عامل یونیزان، بلکه توسط عمل خود میدان تعیین می‌شوند، که خود می‌تواند یونیزاسیون لازم را پشتیبانی کند: رسانایی از غیر مستقل مستقل می‌شود. پدیده توصیف شده وقوع ناگهانی رسانایی مستقل، که ماهیت شکست شکاف گاز را دارد، تنها شکل، اگرچه بسیار مهم، از وقوع رسانایی مستقل نیست.

تخلیه جرقه.در قدرت میدان به اندازه کافی بالا (حدود 3 مگا ولت بر متر)، جرقه الکتریکی بین الکترودها ظاهر می شود که ظاهر یک کانال سیم پیچ درخشان درخشان را دارد که هر دو الکترود را به هم متصل می کند. گاز نزدیک جرقه تا دمای بالا گرم می شود و ناگهان منبسط می شود و باعث می شود امواج صوتی ظاهر شود و صدای ترق و ترق مشخصه ای را می شنویم.

شکل توصیف شده تخلیه گاز نامیده می شود تخلیه جرقهیا خرابی جرقه گاز هنگامی که تخلیه جرقه رخ می دهد، گاز به طور ناگهانی خواص دی الکتریک خود را از دست می دهد و به یک رسانای خوب تبدیل می شود. شدت میدانی که در آن شکست جرقه گاز رخ می دهد برای گازهای مختلف مقدار متفاوتی دارد و به حالت آنها (فشار، دما) بستگی دارد. هرچه فاصله بین الکترودها بیشتر باشد، ولتاژ بین آنها برای شکستن جرقه گاز بیشتر ضروری است. این ولتاژ نامیده می شود ولتاژ شکست.

با دانستن اینکه چگونه ولتاژ شکست به فاصله بین الکترودهای هر شکل خاص بستگی دارد، می توان ولتاژ ناشناخته را در طول حداکثر طول جرقه اندازه گیری کرد. دستگاه ولت متر جرقه برای ولتاژهای خشن بر این اساس است.

این شامل دو توپ فلزی است که روی پایه های 1 و 2 نصب شده اند، پایه دوم با توپ می تواند با استفاده از یک پیچ از اولی نزدیک یا دورتر شود. توپ ها به یک منبع جریان متصل می شوند که ولتاژ آن باید اندازه گیری شود و تا زمانی که جرقه ای ظاهر شود به هم نزدیک شوند. با اندازه گیری فاصله با استفاده از مقیاس روی پایه، می توانید تخمین تقریبی از ولتاژ در طول جرقه ارائه دهید (به عنوان مثال: با قطر توپ 5 سانتی متر و فاصله 0.5 سانتی متر، ولتاژ شکست 17.5 کیلو ولت است. و با فاصله 5 سانتی متر - 100 کیلو ولت).

وقوع شکست به صورت زیر توضیح داده می شود: در یک گاز همیشه تعداد معینی یون و الکترون وجود دارد که از علل تصادفی ناشی می شوند. با این حال، تعداد آنها به قدری کم است که گاز عملاً الکتریسیته را هدایت نمی کند. در یک قدرت میدان به اندازه کافی بالا، انرژی جنبشی انباشته شده توسط یون در فاصله بین دو برخورد می تواند برای یونیزه کردن یک مولکول خنثی در هنگام برخورد کافی باشد. در نتیجه، یک الکترون منفی جدید و یک باقیمانده با بار مثبت - یک یون - تشکیل می شود.

الکترون آزاد 1، هنگام برخورد با یک مولکول خنثی، آن را به الکترون 2 و یک یون مثبت آزاد تقسیم می کند. الکترون‌های 1 و 2 پس از برخورد بیشتر با مولکول‌های خنثی، دوباره آنها را به الکترون‌های 3 و 4 و یون‌های مثبت آزاد و غیره تقسیم می‌کنند.

این فرآیند یونیزاسیون نامیده می شود یونیزاسیون ضربه ایو کاری که باید صرف حذف یک الکترون از اتم شود - کار یونیزاسیون. کار یونیزاسیون به ساختار اتم بستگی دارد و بنابراین برای گازهای مختلف متفاوت است.

الکترون‌ها و یون‌هایی که تحت تأثیر یونیزاسیون ضربه تشکیل می‌شوند، تعداد بارهای گاز را افزایش می‌دهند و به نوبه خود تحت تأثیر میدان الکتریکی به حرکت در می‌آیند و می‌توانند یونیزاسیون ضربه‌ای اتم‌های جدید ایجاد کنند. بنابراین، فرآیند خود را تقویت می کند و یونیزاسیون در گاز به سرعت به مقدار بسیار زیادی می رسد. این پدیده شبیه بهمن برفی است و به همین دلیل این فرآیند نامیده شد بهمن یونی.

تشکیل بهمن یونی فرآیند شکست جرقه است و حداقل ولتاژی که در آن بهمن یونی رخ می دهد ولتاژ شکست است.

بنابراین، در هنگام شکست جرقه، دلیل یونیزه شدن گاز، تخریب اتم ها و مولکول ها در هنگام برخورد با یون ها (یونیزاسیون ضربه) است.

رعد و برق.یک پدیده طبیعی زیبا و خطرناک - رعد و برق - تخلیه جرقه ای در جو است.

قبلاً در اواسط قرن 18، توجه به شباهت خارجی رعد و برق به جرقه الکتریکی شد. پیشنهاد شد که ابرهای رعد و برق بارهای الکتریکی بزرگی را حمل می کنند و صاعقه یک جرقه غول پیکر است که هیچ تفاوتی جز اندازه آن با جرقه بین توپ های یک ماشین الکتریکی ندارد. به عنوان مثال، فیزیکدان و شیمیدان روسی میخائیل واسیلیویچ لومونوسوف (65-1711) که همراه با سایر مسائل علمی به الکتریسیته اتمسفر می پرداخت، به این موضوع اشاره کرد.

این در تجربه 1752-53 ثابت شد. لومونوسوف و دانشمند آمریکایی بنجامین فرانکلین (90-1706) که به طور همزمان و مستقل از یکدیگر کار می کردند.

لومونوسوف یک "ماشین تندر" ساخت - یک خازن که در آزمایشگاه او قرار داشت و از طریق یک سیم با الکتریسیته جوی شارژ می شد که انتهای آن از اتاق خارج شد و روی یک قطب بلند بلند شد. در هنگام رعد و برق، جرقه ها را می توان با دست از خازن استخراج کرد.

فرانکلین، هنگام طوفان رعد و برق، بادبادکی را بر روی یک ریسمان پرتاب کرد که به نوک آهنی مجهز بود. یک کلید در به انتهای ریسمان بسته شده بود. هنگامی که ریسمان خیس شد و تبدیل به رسانای جریان الکتریکی شد، فرانکلین توانست جرقه های الکتریکی را از کلید استخراج کند، شیشه های لیدن را شارژ کند و آزمایش های دیگری را که با ماشین الکتریکی انجام شده بود انجام دهد (لازم به ذکر است که چنین آزمایش هایی بسیار خطرناک هستند، زیرا رعد و برق می تواند به بادبادک ها برخورد کند و در عین حال بارهای بزرگی از بدن آزمایشگر به زمین می گذرد. ​​چنین موارد غم انگیزی در تاریخ فیزیک وجود داشته است. بنابراین G. V. Richman که با لومونوسوف کار می کرد در 1753 در سن پترزبورگ).

بنابراین، نشان داده شد که ابرهای رعد و برق در واقع به شدت با الکتریسیته شارژ می شوند.

قسمت های مختلف یک ابر رعد و برق دارای بارهایی از علائم مختلف هستند. بیشتر اوقات، قسمت پایین ابر (که به سمت زمین منعکس می شود) دارای بار منفی و قسمت بالایی دارای بار مثبت است. بنابراین، اگر دو ابر با قطعات دارای بار مخالف به یکدیگر نزدیک شوند، آنگاه رعد و برق بین آنها چشمک می زند. با این حال، تخلیه رعد و برق می تواند به روش های دیگر رخ دهد. ابر رعد و برق با عبور از روی زمین، بارهای القایی زیادی روی سطح خود ایجاد می کند و بنابراین ابر و سطح زمین دو صفحه خازن بزرگ را تشکیل می دهند. اختلاف پتانسیل بین ابر و زمین به مقادیر عظیمی می رسد که در صدها میلیون ولت اندازه گیری می شود و یک میدان الکتریکی قوی در هوا ظاهر می شود. اگر قدرت این میدان به اندازه کافی بزرگ شود، ممکن است خرابی رخ دهد، یعنی. برخورد صاعقه به زمین در عین حال گاهی رعد و برق به افراد برخورد می کند و باعث آتش سوزی می شود.

بر اساس مطالعات متعددی که روی رعد و برق انجام شده است، بار جرقه با اعداد تقریبی زیر مشخص می شود: ولتاژ (U) بین ابر و زمین 0.1 GV (گیگا ولت).

قدرت جریان (I) در رعد و برق 0.1 MA (مگا آمپر)؛

مدت زمان رعد و برق (t) 1 μs (میکرو ثانیه)؛

قطر کانال نورانی 10-20 سانتی متر است.

رعد و برقی که پس از رعد و برق رخ می دهد منشأ مشابه صدای ترق ترق هنگام پرش یک جرقه آزمایشگاهی دارد. یعنی هوای داخل کانال رعد و برق بسیار گرم می شود و منبسط می شود و به همین دلیل امواج صوتی به وجود می آیند. این امواج که از ابرها، کوه ها و غیره منعکس می شوند، اغلب یک پژواک طولانی ایجاد می کنند - رعد و برق.

ترشحات کرونا.وقوع یک بهمن یونی همیشه منجر به جرقه نمی شود، بلکه می تواند باعث تخلیه نوع دیگری - تخلیه کرونا شود.

اجازه دهید یک سیم فلزی ab به قطر چند دهم میلی متر را روی دو تکیه گاه عایق بالا بکشیم و آن را به قطب منفی یک ژنراتور که ولتاژ چند هزار ولتی تولید می کند وصل کنیم. قطب دوم ژنراتور را به زمین خواهیم برد. نتیجه یک نوع خازن است که صفحات آن سیم و دیوارهای اتاق است که البته با زمین ارتباط برقرار می کند.

میدان در این خازن بسیار ناهمگن است و شدت آن در نزدیکی یک سیم نازک بسیار زیاد است. با افزایش تدریجی ولتاژ و مشاهده سیم در تاریکی، می توانید متوجه شوید که در یک ولتاژ خاص، یک درخشش ضعیف (کرونا) در نزدیکی سیم ظاهر می شود که سیم را از همه طرف می پوشاند. با صدای خش خش و صدای ترق خفیف همراه است. اگر یک گالوانومتر حساس بین سیم و منبع وصل شود، با ظاهر شدن یک درخشش، گالوانومتر جریان قابل توجهی را نشان می دهد که از ژنراتور از طریق سیم ها به سیم و از آن از طریق هوای اتاق به دیوارها می گذرد. بین سیم و دیوارها توسط یون های تشکیل شده در اتاق در اثر یونیزاسیون ضربه منتقل می شود. بنابراین، درخشش هوا و ظهور جریان نشان دهنده یونیزاسیون شدید هوا تحت تأثیر میدان الکتریکی است. تخلیه تاج می تواند نه تنها در نزدیکی سیم، بلکه در نوک و به طور کلی در نزدیکی هر الکترود رخ دهد، که در نزدیکی آن یک میدان ناهمگن بسیار قوی تشکیل می شود.

کاربرد ترشحات کرونا. تصفیه گاز الکتریکی (رسوب کننده های الکتریکی). یک ظرف پر از دود زمانی که الکترودهای فلزی تیز متصل به یک ماشین الکتریکی در آن قرار می‌گیرند، ناگهان کاملاً شفاف می‌شود و تمام ذرات جامد و مایع روی الکترودها رسوب می‌کنند. توضیح آزمایش به شرح زیر است: به محض احتراق تاج در سیم، هوای داخل لوله به شدت یونیزه می شود. یون های گاز به ذرات گرد و غبار می چسبند و آنها را شارژ می کنند. از آنجایی که یک میدان الکتریکی قوی در داخل لوله وجود دارد، ذرات باردار گرد و غبار تحت تأثیر میدان به سمت الکترودها حرکت می کنند و در آنجا ته نشین می شوند.

شمارنده ذرات. شمارشگر ذرات گایگر-مولر شامل یک استوانه فلزی کوچک است که مجهز به پنجره ای پوشیده شده با فویل و یک سیم فلزی نازک است که در امتداد محور استوانه کشیده شده و از آن عایق شده است. کنتور به مداری حاوی منبع جریانی که ولتاژ آن چندین هزار ولت است متصل می شود. ولتاژ لازم برای ظاهر شدن تخلیه تاج در داخل کنتور انتخاب می شود.

هنگامی که یک الکترون با حرکت سریع وارد شمارنده می شود، دومی مولکول های گاز داخل شمارنده را یونیزه می کند و باعث می شود ولتاژ لازم برای احتراق تاج کمی کاهش یابد. تخلیه در متر اتفاق می افتد و یک جریان کوتاه مدت ضعیف در مدار ظاهر می شود. برای تشخیص آن، یک مقاومت بسیار بالا (چند مگا اهم) به مدار وارد می شود و یک الکترومتر حساس به موازات آن متصل می شود. هر بار که یک الکترون سریع به شمارنده برخورد می کند، صفحه الکترومتر خم می شود.

چنین شمارنده‌هایی امکان ثبت نه تنها الکترون‌های سریع، بلکه به طور کلی هر ذره باردار و سریع در حال حرکت را که قادر به تولید یونیزاسیون از طریق برخورد هستند را ممکن می‌سازد. شمارشگرهای مدرن به راحتی ورود حتی یک ذره به آنها را تشخیص می دهند و بنابراین با اطمینان کامل و وضوح بسیار واضح تأیید می کنند که ذرات باردار اولیه واقعاً در طبیعت وجود دارند.

میله برق گیر. تخمین زده می شود که حدود 1800 رعد و برق به طور همزمان در جو کل کره زمین رخ می دهد که به طور متوسط ​​حدود 100 رعد و برق در ثانیه ایجاد می کند. و اگرچه احتمال اصابت صاعقه به هر فردی ناچیز است، با این وجود صاعقه صدمات زیادی را به همراه دارد. کافی است به این نکته اشاره کنیم که در حال حاضر حدود نیمی از تصادفات در خطوط برق بزرگ ناشی از رعد و برق است. بنابراین حفاظت در برابر صاعقه یک وظیفه مهم است.

لومونوسوف و فرانکلین نه تنها ماهیت الکتریکی رعد و برق را توضیح دادند، بلکه نشان دادند که چگونه میله صاعقه می تواند برای محافظت در برابر برخورد صاعقه ساخته شود. صاعقه گیر سیم بلندی است که انتهای بالایی آن بالای بالاترین نقطه ساختمان حفاظت شده تیز و تقویت می شود. انتهای پایین سیم به یک ورق فلزی متصل می شود و ورق در سطح آب خاک در زمین مدفون می شود. در طوفان رعد و برق، بارهای القایی بزرگی روی زمین ظاهر می شود و یک میدان الکتریکی بزرگ در سطح زمین ظاهر می شود. کشش آن در نزدیکی هادی های تیز بسیار زیاد است و بنابراین یک تخلیه تاج در انتهای میله صاعقه مشتعل می شود. در نتیجه بارهای القایی نمی توانند روی ساختمان جمع شوند و رعد و برق رخ نمی دهد. در مواردی که رعد و برق اتفاق می افتد (و چنین مواردی بسیار نادر است)، به صاعقه گیر برخورد می کند و بارها بدون آسیب به ساختمان وارد زمین می شوند.

در برخی موارد، ترشحات کرونا از یک میله صاعقه به حدی قوی است که یک درخشش به وضوح قابل مشاهده در نوک آن ظاهر می شود. این درخشش گاهی در نزدیکی سایر اجسام نوک تیز ظاهر می شود، به عنوان مثال، در انتهای دکل های کشتی، نوک درختان تیز و غیره. این پدیده چندین قرن پیش مورد توجه قرار گرفت و باعث وحشت خرافی در بین ملوانانی شد که ماهیت واقعی آن را درک نکردند.

قوس الکتریکی.در سال 1802، فیزیکدان روسی V.V. پتروف (1761-1834) دریافت که اگر دو قطعه را به قطب های یک باتری الکتریکی بزرگ وصل کنید. زغال چوبیو با تماس زغال‌ها، آن‌ها را کمی از هم دور کنید، شعله‌ای درخشان بین انتهای زغال‌ها شکل می‌گیرد و انتهای خود زغال‌ها سفید و داغ می‌شوند و نور خیره‌کننده‌ای ساطع می‌کنند.

ساده ترین وسیله برای تولید قوس الکتریکی از دو الکترود تشکیل شده است که برای آنها بهتر است نه زغال چوب، بلکه میله های مخصوص ساخته شده با فشار دادن مخلوطی از گرافیت، دوده و بایندرها استفاده شود. منبع فعلی می تواند یک شبکه روشنایی باشد که در آن یک رئوستات برای ایمنی گنجانده شده است.

با وادار کردن قوس به سوختن با جریان ثابت در گاز فشرده (20 اتمسفر)، می‌توان دمای انتهای الکترود مثبت را به 5900 درجه سانتیگراد رساند. به دمای سطح خورشید ستونی از گازها و بخارها که رسانایی الکتریکی خوبی دارد و بار الکتریکی از آن عبور می کند، حتی دمای بالاتری دارد. بمباران پرانرژی این گازها و بخارات توسط الکترون ها و یون ها که توسط میدان الکتریکی قوس هدایت می شود، دمای گازهای ستون را به 6000-7000 درجه سانتی گراد می رساند. چنین یونیزاسیون قوی گاز تنها به این دلیل امکان پذیر است که کاتد قوس الکترون های زیادی ساطع می کند که با تأثیرات خود، گاز را در فضای تخلیه یونیزه می کند. انتشار الکترون قوی از کاتد با این واقعیت تضمین می شود که خود کاتد قوس تا دمای بسیار بالا (از 2200 تا 3500 درجه سانتیگراد) گرم می شود. هنگامی که زغال‌ها برای احتراق قوس در تماس قرار می‌گیرند، تقریباً تمام گرمای ژول جریان عبوری از زغال‌سنگ‌ها در نقطه تماس آزاد می‌شود که مقاومت بسیار بالایی دارد. بنابراین، انتهای زغال‌ها بسیار داغ می‌شوند و همین کافی است تا وقتی از هم جدا می‌شوند، بین آن‌ها قوس ایجاد شود. متعاقباً، کاتد قوس توسط خود جریانی که از قوس عبور می کند، در حالت گرم نگه داشته می شود. نقش اصلیبمباران کاتد توسط یون‌های مثبتی که روی آن فرو می‌روند در این امر نقش دارد.

مشخصه جریان-ولتاژ قوس کاملاً منحصر به فرد است. در تخلیه قوس، با افزایش جریان، ولتاژ در پایانه های قوس کاهش می یابد، به عنوان مثال. قوس دارای مشخصه جریان-ولتاژ نزولی است.

کاربرد تخلیه قوس. نورپردازی. به دلیل دمای بالا، الکترودهای قوس الکتریکی نور خیره کننده ای از خود ساطع می کنند (درخشش ستون قوس ضعیف تر است، زیرا تابش گاز کم است) و بنابراین قوس الکتریکی یکی از بهترین منابع نور است. این لامپ تنها حدود 3 وات در هر کاندلا مصرف می کند و به طور قابل توجهی مقرون به صرفه تر از بهترین لامپ های رشته ای است. قوس الکتریکی برای اولین بار در سال 1875 توسط مهندس روسی مخترع P.N برای روشنایی استفاده شد. یابلوچکین (1847-1894) و نام "نور روسیه" یا "نور شمالی" را دریافت کرد. جوشکاری. برای جوش دادن قطعات فلزی از قوس الکتریکی استفاده می شود. قطعات جوش داده شده به عنوان یک الکترود مثبت عمل می کنند. با لمس آنها با زغال سنگ متصل به قطب منفی منبع جریان، قوس بین بدنه ها و زغال سنگ ایجاد می شود و فلز را ذوب می کند. قوس عطارد. جالب توجه است که قوس جیوه ای در یک لوله کوارتز می سوزد، به اصطلاح لامپ کوارتز. در این لامپ تخلیه قوس نه در هوا، بلکه در فضایی از بخار جیوه اتفاق می افتد که برای آن مقدار کمی جیوه به لامپ وارد شده و هوا به بیرون پمپ می شود. نور قوس جیوه بسیار غنی از اشعه ماوراء بنفش است که اثرات شیمیایی و فیزیولوژیکی قوی دارد. برای اینکه بتوان از این تابش استفاده کرد، این لامپ نه از شیشه، که به شدت اشعه UV را جذب می کند، بلکه از کوارتز ذوب شده ساخته شده است. لامپ های جیوه به طور گسترده ای در درمان بیماری های مختلف و همچنین تحقیق علمیبه عنوان منبع قوی پرتو فرابنفش

منبع اطلاعات استفاده شد کتاب درسی ابتداییفیزیک زیر

ویرایش شده توسط آکادمیک G.S. لندسبرگ (جلد 2). مسکو، انتشارات ناوکا، 1985.

تکمیل شده توسط مارکیدونوف تیمور، ایرکوتسک.

هیچ دی الکتریک مطلقی در طبیعت وجود ندارد. حرکت منظم ذرات - حامل بار الکتریکی - یعنی جریان، می تواند در هر محیطی ایجاد شود، اما این مستلزم شرایط خاص. ما در اینجا به چگونگی وقوع پدیده های الکتریکی در گازها و چگونگی تبدیل یک گاز از یک دی الکتریک بسیار خوب به یک رسانای بسیار خوب نگاه خواهیم کرد. ما به شرایطی که تحت آن جریان الکتریکی در گازها رخ می دهد و همچنین ویژگی هایی که مشخص می شود علاقه مند خواهیم بود.

خواص الکتریکی گازها

دی الکتریک ماده ای (محیطی) است که در آن غلظت ذرات - حامل های آزاد بار الکتریکی - به مقدار قابل توجهی نمی رسد و در نتیجه رسانایی ناچیز است. همه گازها دی الکتریک خوبی هستند. از خواص عایق بودن آنها در همه جا استفاده می شود. به عنوان مثال، در هر کلید، زمانی که کنتاکت ها در موقعیتی قرار می گیرند که یک شکاف هوا بین آنها ایجاد می شود، مدار باز می شود. سیم های خطوط برق نیز توسط یک لایه هوا از یکدیگر عایق می شوند.

واحد ساختاری هر گاز یک مولکول است. متشکل از هسته های اتمیو ابرهای الکترونیکی، یعنی مجموعه است بارهای الکتریکی، به نوعی در فضا توزیع شده است. با توجه به ویژگی های ساختار آن، یک مولکول گاز می تواند تحت تأثیر یک میدان الکتریکی خارجی قطبی شود. اکثریت قریب به اتفاق مولکول هایی که یک گاز را می سازند در شرایط عادی از نظر الکتریکی خنثی هستند، زیرا بارهای موجود در آنها یکدیگر را خنثی می کنند.

اگر میدان الکتریکی روی گاز اعمال شود، مولکول ها جهت گیری دوقطبی به خود می گیرند و موقعیت مکانی را اشغال می کنند که اثر میدان را جبران می کند. ذرات باردار موجود در گاز، تحت تأثیر نیروهای کولن، شروع به حرکت خواهند کرد: یون های مثبت - به سمت کاتد، یون های منفی و الکترون ها - به سمت آند. با این حال، اگر میدان پتانسیل ناکافی داشته باشد، یک جریان مستقیم از بارها ایجاد نمی‌شود و می‌توان از جریان‌های فردی صحبت کرد، آنقدر ضعیف که باید نادیده گرفته شوند. گاز مانند دی الکتریک رفتار می کند.

بنابراین، برای وقوع جریان الکتریکی در گازها، غلظت بالایی از حامل های بار آزاد و وجود میدان مورد نیاز است.

یونیزاسیون

فرآیند افزایش بهمن مانند در تعداد بارهای رایگان در گاز را یونیزاسیون می گویند. بر این اساس به گازی که مقدار قابل توجهی ذرات باردار در آن وجود دارد یونیزه می گویند. در چنین گازهایی است که جریان الکتریکی ایجاد می شود.

فرآیند یونیزاسیون با نقض بی طرفی مولکول ها همراه است. در نتیجه حذف یک الکترون، یون های مثبت ظاهر می شوند؛ افزودن یک الکترون به یک مولکول منجر به تشکیل یون منفی می شود. علاوه بر این، گاز یونیزه حاوی تعداد زیادی الکترون آزاد است. یون های مثبت و به ویژه الکترون ها حامل های اصلی بار در جریان جریان الکتریکی در گازها هستند.

یونیزاسیون زمانی اتفاق می افتد که مقدار معینی انرژی به یک ذره داده شود. بنابراین، الکترون خارجی در مولکول، با دریافت این انرژی، می تواند مولکول را ترک کند. برخورد متقابل ذرات باردار با ذرات خنثی منجر به خروج الکترون‌های جدید می‌شود و این فرآیند شخصیتی شبیه بهمن به خود می‌گیرد. انرژی جنبشی ذرات نیز افزایش می‌یابد که یونیزاسیون را به شدت افزایش می‌دهد.

انرژی صرف شده برای تحریک جریان الکتریکی در گازها از کجا می آید؟ یونیزاسیون گازها دارای چندین منبع انرژی است که معمولاً انواع آن را نامگذاری می کنند.

1. یونیزاسیون توسط میدان الکتریکی در این حالت انرژی پتانسیل میدان به انرژی جنبشی ذرات تبدیل می شود.
2. یونیزاسیون حرارتی افزایش دما نیز منجر به تشکیل می شود مقدار زیادهزینه های رایگان
3. فوتیونیزاسیون ماهیت این فرآیند این است که کوانتوم ها به الکترون ها انرژی می دهند تابش الکترومغناطیسی- فوتون ها، اگر فرکانس کافی (فرابنفش، اشعه ایکس، گاما کوانتا) داشته باشند.
4. یونیزاسیون ضربه از تبدیل انرژی جنبشی ذرات در حال برخورد به انرژی جداسازی الکترون حاصل می شود. همراه با یونیزاسیون حرارتی، به عنوان عامل اصلی در تحریک جریان الکتریکی در گازها عمل می کند.

هر گاز با یک مقدار آستانه مشخص مشخص می شود - انرژی یونیزاسیون لازم برای جدا شدن الکترون از مولکول و غلبه بر سد پتانسیل. این مقدار برای الکترون اول از چند ولت تا دو ده ولت متغیر است. برای حذف الکترون بعدی از یک مولکول، انرژی بیشتری لازم است و غیره.

باید در نظر گرفت که همزمان با یونیزاسیون در گاز، فرآیند معکوس رخ می دهد - نوترکیب، یعنی بازیابی مولکول های خنثی تحت تأثیر نیروهای جذاب کولن.

تخلیه گاز و انواع آن

بنابراین، جریان الکتریکی در گازها ناشی از حرکت منظم ذرات باردار تحت تأثیر میدان الکتریکی اعمال شده به آنها است. وجود چنین بارهایی به نوبه خود به دلیل عوامل مختلف یونیزاسیون امکان پذیر است.

بنابراین، یونیزاسیون حرارتی نیاز دارد دماهای قابل توجهاما شعله باز در ارتباط با برخی فرآیندهای شیمیایی باعث یونیزاسیون می شود. حتی در دمای نسبتاً پایین در حضور شعله، ظاهر جریان الکتریکی در گازها ثبت می‌شود و آزمایش رسانایی گاز تأیید این موضوع را آسان می‌کند. لازم است شعله یک مشعل یا شمع را بین صفحات یک خازن شارژ شده قرار دهید. مداری که قبلاً به دلیل شکاف هوا در خازن باز بود بسته می شود. یک گالوانومتر متصل به مدار وجود جریان را نشان می دهد.

برقدر گازها تخلیه گاز نامیده می شود. باید در نظر داشت که برای حفظ پایداری تخلیه، عمل یونیزه کننده باید ثابت باشد، زیرا به دلیل نوترکیب ثابت، گاز خاصیت رسانایی الکتریکی خود را از دست می دهد. برخی از حامل های جریان الکتریکی در گازها - یون ها - در الکترودها خنثی می شوند، برخی دیگر - الکترون ها - وقتی به آند می رسند، به سمت "به علاوه" منبع میدان هدایت می شوند. اگر عامل یونیزان از کار بیفتد، گاز بلافاصله دوباره به دی الکتریک تبدیل می شود و جریان قطع می شود. چنین جریانی که وابسته به عملکرد یک یونیزه کننده خارجی است، تخلیه غیرخودپایدار نامیده می شود.

ویژگی های عبور جریان الکتریکی از گازها با وابستگی ویژه جریان به ولتاژ - مشخصه جریان-ولتاژ - توصیف می شود.

اجازه دهید توسعه تخلیه گاز را در نمودار وابستگی جریان به ولتاژ در نظر بگیریم. هنگامی که ولتاژ به مقدار مشخصی U 1 افزایش می یابد، جریان به نسبت آن افزایش می یابد، یعنی قانون اهم برآورده می شود. انرژی جنبشی افزایش می یابد و بنابراین سرعت بارها در گاز افزایش می یابد و این فرآیند از نوترکیب پیشی می گیرد. در مقادیر ولتاژ از U 1 تا U 2، این رابطه نقض می شود. وقتی به U2 رسید، همه حامل های بار بدون داشتن زمان برای ترکیب مجدد به الکترودها می رسند. تمام شارژهای رایگان استفاده می شود و افزایش بیشتر ولتاژ منجر به افزایش جریان نمی شود. این نوع حرکت بارها جریان اشباع نامیده می شود. بنابراین، می توان گفت که جریان الکتریکی در گازها نیز به دلیل ویژگی های رفتار گاز یونیزه شده در میدان های الکتریکی با قدرت های مختلف است.

هنگامی که اختلاف پتانسیل بین الکترودها به مقدار مشخصی U 3 می رسد، ولتاژ کافی می شود تا میدان الکتریکی باعث یونیزاسیون بهمن مانند گاز شود. انرژی جنبشی الکترون های آزاد در حال حاضر برای یونیزاسیون ضربه ای مولکول ها کافی است. سرعت آنها در بیشتر گازها حدود 2000 کیلومتر بر ثانیه و بالاتر است (با استفاده از فرمول تقریبی v=600 Ui محاسبه می شود که در آن Ui پتانسیل یونیزاسیون است). در این لحظه، شکست گاز رخ می دهد و افزایش قابل توجهی در جریان به دلیل منبع یونیزاسیون داخلی رخ می دهد. بنابراین، چنین تخلیه ای مستقل نامیده می شود.

وجود یونیزر خارجی در این حالت دیگر نقشی در حفظ جریان الکتریکی در گازها ندارد. تخلیه مستقل در شرایط مختلفو در ویژگی های مختلفمنبع میدان الکتریکی ممکن است ویژگی های خاصی داشته باشد. انواعی از خود تخلیه مانند درخشش، جرقه، قوس و کرونا وجود دارد. به طور خلاصه برای هر یک از این انواع، نحوه رفتار جریان الکتریکی در گازها را بررسی خواهیم کرد.

اختلاف پتانسیل 100 (یا حتی کمتر) تا 1000 ولت برای شروع تخلیه خود کافی است. بنابراین، یک تخلیه درخشش، که با مقدار جریان کم (از 10 -5 A تا 1 A) مشخص می شود، در فشارهای بیش از چند میلی متر رخ می دهد. سیاره تیر.

در لوله ای با گاز کمیاب و الکترودهای سرد، تخلیه درخشانی که تشکیل می شود مانند یک طناب درخشان نازک بین الکترودها به نظر می رسد. اگر به پمپاژ گاز از لوله ادامه دهید، بند ناف شسته می شود و در فشار یک دهم میلی متر جیوه، درخشش لوله را تقریباً به طور کامل پر می کند. هیچ درخششی در نزدیکی کاتد وجود ندارد - در فضای به اصطلاح تاریک کاتد. بقیه را ستون مثبت می نامند. در این مورد، فرآیندهای اصلی که وجود تخلیه را تضمین می کند دقیقاً در فضای کاتد تاریک و در ناحیه مجاور آن موضعی می شود. در اینجا، ذرات گاز باردار شتاب می گیرند و الکترون ها را از کاتد خارج می کنند.

در یک تخلیه تابشی، علت یونیزاسیون، انتشار الکترون از کاتد است. الکترون های ساطع شده توسط کاتد باعث یونیزاسیون ضربه ای مولکول های گاز می شوند، یون های مثبت حاصل باعث انتشار ثانویه از کاتد می شوند و غیره. درخشش یک ستون مثبت عمدتاً به دلیل آزاد شدن فوتون توسط مولکول های گاز برانگیخته است و گازهای مختلف با درخشش یک رنگ مشخص مشخص می شوند. ستون مثبت تنها به عنوان بخشی از مدار الکتریکی در تشکیل یک تخلیه درخشان شرکت می کند. اگر الکترودها را نزدیک کنید، می توانید ستون مثبت را ناپدید کنید، اما تخلیه متوقف نمی شود. با این حال، با کاهش بیشتر در فاصله بین الکترودها، تخلیه درخشش نمی تواند وجود داشته باشد.

لازم به ذکر است که برای این نوع جریان الکتریکی در گازها، فیزیک برخی از فرآیندها هنوز به طور کامل روشن نشده است. برای مثال، ماهیت نیروهایی که باعث انبساط ناحیه روی سطح کاتد می‌شوند که با افزایش جریان در تخلیه شرکت می‌کنند نامشخص است.

تخلیه جرقه

شکست جرقه ماهیت پالسی دارد. این در فشارهای نزدیک به فشار اتمسفر معمولی، در مواردی که قدرت منبع میدان الکتریکی برای حفظ تخلیه ساکن کافی نیست، رخ می دهد. قدرت میدان زیاد است و می تواند به 3 MV/m برسد. این پدیده با افزایش شدید جریان الکتریکی تخلیه در گاز مشخص می شود، در همان زمان ولتاژ به سرعت کاهش می یابد و تخلیه متوقف می شود. سپس اختلاف پتانسیل دوباره افزایش می یابد و کل فرآیند تکرار می شود.

با این نوع تخلیه، کانال های جرقه کوتاه مدت تشکیل می شود که رشد آنها می تواند از هر نقطه بین الکترودها آغاز شود. این به دلیل این واقعیت است که یونیزاسیون ضربه به طور تصادفی در مکان هایی اتفاق می افتد این لحظهبیشترین تعداد یونها متمرکز است. در نزدیکی کانال جرقه، گاز به سرعت گرم می شود و انبساط حرارتی را تجربه می کند و باعث ایجاد امواج صوتی می شود. بنابراین، تخلیه جرقه با صدای ترق و همچنین انتشار گرما و درخشش روشن همراه است. فرآیندهای یونیزاسیون بهمن در کانال جرقه ایجاد می شود فشار بالاو دمای تا 10 هزار درجه و بالاتر.

بارزترین نمونه تخلیه جرقه طبیعی رعد و برق است. قطر کانال اصلی جرقه صاعقه می تواند از چند سانتی متر تا 4 متر متغیر باشد و طول کانال می تواند به 10 کیلومتر برسد. شدت جریان به 500 هزار آمپر می رسد و اختلاف پتانسیل بین ابر رعد و برق و سطح زمین به یک میلیارد ولت می رسد.

طولانی ترین برخورد صاعقه به طول 321 کیلومتر در سال 2007 در اوکلاهاما آمریکا مشاهده شد. رکورددار طولانی ترین مدت رعد و برق بود که در سال 2012 در کوه های آلپ فرانسه ثبت شد - بیش از 7.7 ثانیه طول کشید. هنگام برخورد رعد و برق، هوا می تواند تا 30 هزار درجه گرم شود که 6 برابر بیشتر از دمای سطح مرئی خورشید است.

در مواردی که قدرت منبع میدان الکتریکی به اندازه کافی زیاد باشد، تخلیه جرقه به تخلیه قوس تبدیل می شود.

این نوع خود تخلیه با چگالی جریان بالا و ولتاژ کم (کمتر از تخلیه تابشی) مشخص می شود. فاصله شکست به دلیل نزدیکی الکترودها کوتاه است. تخلیه با انتشار یک الکترون از سطح کاتد آغاز می شود (برای اتم های فلزی پتانسیل یونیزاسیون در مقایسه با مولکول های گاز کوچک است). در هنگام خرابی، شرایطی بین الکترودها ایجاد می شود که تحت آن گاز جریان الکتریکی را هدایت می کند و یک تخلیه جرقه رخ می دهد و مدار بسته می شود. اگر قدرت منبع ولتاژ به اندازه کافی بالا باشد، تخلیه جرقه به یک قوس الکتریکی پایدار تبدیل می شود.

یونیزاسیون در حین تخلیه قوس تقریباً به 100٪ می رسد، جریان بسیار زیاد است و می تواند بین 10 تا 100 آمپر باشد. در فشار جوقوس می تواند تا 5-6 هزار درجه گرم شود، و کاتد - تا 3 هزار درجه، که منجر به انتشار شدید ترمیونی از سطح آن می شود. بمباران آند با الکترون ها منجر به تخریب جزئی می شود: یک فرورفتگی روی آن ایجاد می شود - دهانه ای با دمای حدود 4000 درجه سانتیگراد. افزایش فشار مستلزم افزایش حتی بیشتر دما است.

هنگامی که الکترودها از هم جدا می شوند، تخلیه قوس تا یک فاصله معین ثابت می ماند، که این امر امکان مبارزه با آن را در مناطقی از تجهیزات الکتریکی که به دلیل خوردگی و فرسودگی تماس هایی که ایجاد می کند، مضر است، می دهد. اینها وسایلی مانند کلیدهای ولتاژ بالا و مدار، کنتاکتورها و غیره هستند. یکی از روش های مبارزه با قوس هایی که هنگام باز شدن کنتاکت ها ایجاد می شود، استفاده از محفظه های سرکوب قوس بر اساس اصل افزایش طول قوس است. بسیاری از روش های دیگر نیز استفاده می شود: دور زدن کنتاکت ها، استفاده از مواد با پتانسیل یونیزاسیون بالا و غیره.

ایجاد تخلیه تاج در فشار اتمسفر معمولی در میدان‌های کاملاً ناهمگن در نزدیکی الکترودها با انحنای سطحی زیاد اتفاق می‌افتد. اینها می توانند مناره ها، دکل ها، سیم ها، عناصر مختلف تجهیزات الکتریکی باشند شکل پیچیدهو حتی موی انسان. چنین الکترودی را الکترود تاج می نامند. فرآیندهای یونیزاسیون و بر این اساس، درخشش گاز فقط در نزدیکی آن انجام می شود.

یک تاج می تواند هم بر روی کاتد (تاج منفی) زمانی که با یون بمباران می شود و هم روی آند (تاج مثبت) در نتیجه فوتیونیزاسیون تشکیل شود. تاج منفی که در آن فرآیند یونیزاسیون در نتیجه انتشار حرارتی از الکترود دور می‌شود، با درخشش یکنواخت مشخص می‌شود. در تاج مثبت، جریان‌ها را می‌توان مشاهده کرد - خطوط نورانی از یک پیکربندی شکسته که می‌توانند به کانال‌های جرقه تبدیل شوند.

نمونه ای از ترشحات کرونا در شرایط طبیعیدر نوک دکل های بلند، بالای درختان و غیره رخ می دهند. آنها در شدت میدان الکتریکی بالا در جو، اغلب قبل از رعد و برق یا در هنگام کولاک تشکیل می شوند. علاوه بر این، آنها بر روی پوست هواپیماهای گرفتار شده در ابری از خاکستر آتشفشانی ثبت شدند.

تخلیه کرونا در سیم های خطوط برق منجر به تلفات قابل توجهی در برق می شود. در ولتاژهای بالا، تخلیه تاج می تواند به تخلیه قوس تبدیل شود. با آن به روش های مختلفی مبارزه می شود، به عنوان مثال، با افزایش شعاع انحنای هادی ها.

جریان الکتریکی در گازها و پلاسما

گازی که به طور کامل یا جزئی یونیزه شده پلاسما نامیده می شود و حالت چهارم ماده در نظر گرفته می شود. به طور کلی، پلاسما از نظر الکتریکی خنثی است، زیرا بار کل ذرات تشکیل دهنده آن صفر است. این آن را از سایر سیستم های ذرات باردار مانند پرتوهای الکترونی متمایز می کند.

در شرایط طبیعی، پلاسما، به عنوان یک قاعده، در دمای بالا به دلیل برخورد اتم های گاز با سرعت بالا تشکیل می شود. اکثریت قریب به اتفاق ماده باریونی در جهان در حالت پلاسما قرار دارد. اینها ستاره ها، بخشی از ماده بین ستاره ای، گاز بین کهکشانی هستند. یونوسفر زمین نیز یک پلاسمای کمیاب و ضعیف یونیزه شده است.

درجه یونیزاسیون است مشخصه مهمپلاسما - خواص رسانایی به آن بستگی دارد. درجه یونیزاسیون به عنوان نسبت تعداد اتم های یونیزه شده به تعداد کل اتم ها در واحد حجم تعریف می شود. هر چه پلاسما یونیزه تر باشد، رسانایی الکتریکی آن بیشتر است. علاوه بر این، با تحرک بالا مشخص می شود.

بنابراین، می بینیم که گازهایی که جریان الکتریکی را در کانال تخلیه هدایت می کنند، چیزی بیش از پلاسما نیستند. بنابراین، درخشش و ترشحات کرونا نمونه هایی از پلاسمای سرد هستند. یک کانال جرقه رعد و برق یا یک قوس الکتریکی نمونه هایی از پلاسمای داغ و تقریباً کاملاً یونیزه شده هستند.

جریان الکتریکی در فلزات، مایعات و گازها - تفاوت ها و شباهت ها

اجازه دهید ویژگی هایی را در نظر بگیریم که یک تخلیه گاز را در مقایسه با خواص جریان در رسانه های دیگر مشخص می کند.

در فلزات، جریان حرکت هدایت شده الکترون های آزاد است که تغییرات شیمیایی را به دنبال ندارد. هادی های این نوع را هادی های نوع اول می گویند. اینها علاوه بر فلزات و آلیاژها، زغال سنگ، برخی نمکها و اکسیدها هستند. آنها با هدایت الکترونیکی متمایز می شوند.

هادی های نوع دوم الکترولیت ها هستند، یعنی مایع محلول آبیقلیاها، اسیدها و نمکها. عبور جریان با تغییر شیمیایی در الکترولیت - الکترولیز همراه است. یون های یک ماده محلول در آب، تحت تأثیر اختلاف پتانسیل، در جهت مخالف حرکت می کنند: کاتیون های مثبت - به کاتد، آنیون های منفی - به آند. این فرآیند با آزاد شدن گاز یا رسوب یک لایه فلزی روی کاتد همراه است. هادی های نوع دوم با هدایت یونی مشخص می شوند.

در مورد رسانایی گازها، اولاً موقتی است و ثانیاً با هر یک از آنها نشانه هایی از شباهت و تفاوت دارد. بنابراین، جریان الکتریکی هم در الکترولیت ها و هم در گازها رانشی از ذرات باردار مخالف است که به سمت الکترودهای مخالف هدایت می شوند. با این حال، در حالی که الکترولیت ها با رسانایی کاملا یونی مشخص می شوند، در تخلیه گاز با ترکیبی از الکترونیک و انواع یونیهدایت، نقش اصلی متعلق به الکترون ها است. تفاوت دیگر بین جریان الکتریکی در مایعات و گازها ماهیت یونیزاسیون است. در الکترولیت، مولکول های یک ترکیب محلول در آب تفکیک می شوند، اما در گاز، مولکول ها فرو نمی ریزند، بلکه فقط الکترون ها را از دست می دهند. بنابراین، تخلیه گاز، مانند جریان در فلزات، با تغییرات شیمیایی همراه نیست.

جریان در مایعات و گازها نیز متفاوت است. رسانایی الکترولیت ها معمولاً از قانون اهم پیروی می کند، اما در هنگام تخلیه گاز رعایت نمی شود. مشخصه جریان-ولتاژ گازها بسیار پیچیده تر است و با خواص پلاسما مرتبط است.

همچنین باید به ویژگی های کلی و متمایز جریان الکتریکی در گازها و در خلاء اشاره کرد. وکیوم یک دی الکتریک تقریبا کامل است. "تقریبا" - زیرا در خلاء، با وجود عدم وجود (به طور دقیق تر، غلظت بسیار کم) حامل های شارژ رایگان، جریان نیز امکان پذیر است. اما حامل های بالقوه در حال حاضر در گاز وجود دارند؛ آنها فقط باید یونیزه شوند. حامل های بار از ماده وارد خلاء می شوند. به عنوان یک قاعده، این از طریق فرآیند انتشار الکترون رخ می دهد، به عنوان مثال زمانی که کاتد گرم می شود (گسیل ترمیونی). بلکه در انواع مختلفهمانطور که دیدیم، انتشار گازهای گلخانه ای بازی می کند نقش مهم.

کاربرد تخلیه گاز در تکنولوژی

اثرات مضر برخی از ترشحات قبلاً به طور خلاصه در بالا مورد بحث قرار گرفته است. حال بیایید به مزایایی که در صنعت و زندگی روزمره به ارمغان می آورند توجه کنیم.

تخلیه تابشی در مهندسی برق (تثبیت کننده های ولتاژ) و در فناوری پوشش (روش کندوپاش کاتد، بر اساس پدیده خوردگی کاتد) استفاده می شود. در الکترونیک برای تولید پرتوهای یونی و الکترونی استفاده می شود. زمینه های شناخته شده کاربرد تخلیه درخشندگی لامپ های فلورسنت و به اصطلاح کم مصرف و لوله های تزیینی نئون و گاز آرگون هستند. علاوه بر این، در طیف سنجی از تخلیه تابشی استفاده می شود.

تخلیه جرقه در فیوزها و در روش های تخلیه الکتریکی برای پردازش دقیق فلزات (برش جرقه، حفاری و غیره) استفاده می شود. اما بیشتر به دلیل استفاده در شمع های موتورهای احتراق داخلی و در داخل شهرت دارد لوازم خانگی(اجاق گاز).

تخلیه قوس که برای اولین بار در سال 1876 در فناوری روشنایی مورد استفاده قرار گرفت (شمع یابلوچکوف - "نور روسی")، هنوز هم به عنوان منبع نور - به عنوان مثال، در دستگاه های پروجکشن و نورافکن های قدرتمند استفاده می شود. در مهندسی برق از قوس در یکسو کننده های جیوه استفاده می شود. علاوه بر این، در جوشکاری الکتریکی، برش فلز و کوره های الکتریکی صنعتی برای ذوب فولاد و آلیاژها استفاده می شود.

تخلیه کرونا در رسوب‌دهنده‌های الکتریکی برای تصفیه گاز یونی، در شمارنده ذرات، در صاعقه‌گیرها و در سیستم‌های تهویه مطبوع استفاده می‌شود. تخلیه کرونا در دستگاه‌های فتوکپی و چاپگرهای لیزری نیز کار می‌کند، جایی که یک درام حساس به نور را شارژ و تخلیه می‌کند و پودر را از درام به کاغذ منتقل می‌کند.

بنابراین، تخلیه گاز از همه نوع بیشترین را پیدا می کند کاربرد گسترده. جریان الکتریکی در گازها با موفقیت و به طور موثر در بسیاری از زمینه های فناوری استفاده می شود.

این یک خلاصه کوتاه است.

کار بر روی نسخه کامل ادامه دارد

سخنرانی2 1

جریان در گازها

1. مقررات عمومی

تعریف: پدیده عبور جریان الکتریکی از گازها نامیده می شود تخلیه گاز.

رفتار گازها به شدت به پارامترهای آن مانند دما و فشار بستگی دارد و این پارامترها به راحتی تغییر می کنند. بنابراین، جریان الکتریکی در گازها پیچیده تر از فلزات یا خلاء است.

گازها از قانون اهم تبعیت نمی کنند.

2. یونیزاسیون و نوترکیب

گاز در شرایط عادی، از مولکول های تقریباً خنثی تشکیل شده است، بنابراین، جریان الکتریکی را بسیار ضعیف هدایت می کند. با این حال، تحت تأثیر خارجی، یک الکترون می تواند از یک اتم جدا شود و یک یون با بار مثبت ظاهر شود. علاوه بر این، یک الکترون می تواند به یک اتم خنثی متصل شود و یک یون با بار منفی تشکیل دهد. به این ترتیب می توان یک گاز یونیزه به دست آورد، یعنی. پلاسما

به تاثیرات خارجیشامل گرمایش، تابش با فوتون های پرانرژی، بمباران توسط ذرات دیگر و میدان های قوی، به عنوان مثال. همان شرایطی که برای انتشار اولیه ضروری است.

یک الکترون در یک اتم در یک چاه پتانسیل است و برای فرار از آنجا باید به اتم انرژی اضافی داد که به آن انرژی یونیزاسیون می گویند.

ماده	انرژی یونیزاسیون، eV
اتم هیدروژن	13,59
مولکول هیدروژن	15,43
هلیوم	24,58
اتم اکسیژن	13,614
مولکول اکسیژن	12,06

همراه با پدیده یونیزاسیون، پدیده نوترکیبی نیز مشاهده می شود، یعنی. ترکیب یک الکترون و یک یون مثبت برای تشکیل یک اتم خنثی. این فرآیند با آزاد شدن انرژی برابر با انرژی یونیزاسیون اتفاق می افتد. از این انرژی می توان برای تشعشع یا گرمایش استفاده کرد. گرمایش موضعی گاز منجر به تغییر موضعی فشار می شود. که به نوبه خود منجر به ظاهر می شود امواج صوتی. بنابراین، تخلیه گاز با اثرات نور، حرارتی و نویز همراه است.

3. مشخصات جریان ولتاژ تخلیه گاز.

بر مراحل اولیهیک یونیزر خارجی مورد نیاز است.

در بخش OAW، جریان تحت تأثیر یک یونیزر خارجی وجود دارد و زمانی که تمام ذرات یونیزه شده در تشکیل جریان شرکت کنند، به سرعت به اشباع می رسد. اگر یونیزر خارجی را بردارید، جریان متوقف می شود.

به این نوع تخلیه، تخلیه گاز غیرخودپایدار می گویند. وقتی می‌خواهید ولتاژ گاز را افزایش دهید، بهمن‌هایی از الکترون‌ها ظاهر می‌شوند و جریان با ولتاژ تقریباً ثابتی افزایش می‌یابد که به آن ولتاژ احتراق (IC) می‌گویند.

از این لحظه ترشحات مستقل شده و نیازی به یونیزر خارجی نیست. تعداد یون ها می تواند به قدری زیاد شود که مقاومت شکاف بین الکترود کاهش یابد و ولتاژ (VSD) بر این اساس کاهش یابد.

سپس در شکاف بین الکترود، ناحیه ای که جریان عبور می کند شروع به باریک شدن می کند و مقاومت افزایش می یابد و در نتیجه ولتاژ (MU) افزایش می یابد.

وقتی می خواهید ولتاژ را افزایش دهید، گاز کاملاً یونیزه می شود. مقاومت و ولتاژ به صفر می رسد و جریان بارها افزایش می یابد. نتیجه تخلیه قوس است (Eاف).

مشخصه جریان-ولتاژ نشان می دهد که گاز به هیچ وجه از قانون اهم تبعیت نمی کند.

4. فرآیندهای گاز

فرآیندهایی که می توانند منجر به تشکیل بهمن های الکترونی نشان داده شده استروی تصویر

اینها عناصر نظریه کیفی تاونسند هستند.

5. ترشحات درخشان.

در فشارهای پایینو در ولتاژهای پایین این دشارژ قابل مشاهده است.

K – 1 (فضای تاریک آستون).

1-2 (فیلم کاتد نورانی).

2-3 (فضای کروکس تاریک).

3-4 (نور کاتد اول).

4 تا 5 (فضای تاریک فارادی)

5 – 6 (ستون آند مثبت).

6 – 7 (فضای تاریک آند).

7 - A (درخشش آندی).

اگر آند را متحرک کنید، می توان طول ستون مثبت را بدون تغییر عملاً ابعاد منطقه K - 5 تنظیم کرد.

در نواحی تاریک، ذرات شتاب می گیرند و انرژی به دست می آورند، در مناطق روشن، فرآیندهای یونیزاسیون و نوترکیبی رخ می دهد.

سرفصل های کد آزمون دولتی واحد: حامل بارهای الکتریکی آزاد در گازها.

در شرایط عادی، گازها از اتم ها یا مولکول های خنثی الکتریکی تشکیل شده اند. تقریبا هیچ هزینه رایگان در گازها وجود ندارد. بنابراین گازها هستند دی الکتریک ها- جریان الکتریکی از آنها عبور نمی کند.

گفتیم "تقریبا هیچ" زیرا در واقع، در گازها و به ویژه در هوا، همیشه مقدار مشخصی ذرات باردار آزاد وجود دارد. آنها در نتیجه اثرات یونیزه کننده تابش از مواد رادیواکتیو که پوسته زمین را تشکیل می دهند، تابش اشعه ماوراء بنفش و اشعه ایکس از خورشید و همچنین پرتوهای کیهانی - جریان های ذرات پر انرژی که از بیرون به جو زمین نفوذ می کنند ظاهر می شوند. فضا. متعاقباً به این واقعیت باز خواهیم گشت و اهمیت آن را مورد بحث قرار خواهیم داد، اما در حال حاضر فقط متذکر می شویم که در شرایط عادی رسانایی گازها، ناشی از مقدار "طبیعی" هزینه های رایگان، ناچیز است و می توان نادیده گرفت.

عملکرد کلیدها در مدارهای الکتریکی بر اساس خواص عایق شکاف هوا است (شکل 1). به عنوان مثال، یک شکاف کوچک هوا در یک کلید چراغ برای باز شدن کافی است مدار الکتریکیدر اتاق شما.

برنج. 1 کلید

با این حال، ممکن است شرایطی ایجاد شود که تحت آن یک جریان الکتریکی در شکاف گاز ظاهر شود. بیایید تجربه زیر را در نظر بگیریم.

بیایید صفحات خازن هوا را شارژ کنیم و آنها را به یک گالوانومتر حساس وصل کنیم (شکل 2، سمت چپ). در دمای اتاق و هوای نه خیلی مرطوب، گالوانومتر جریان قابل توجهی را نشان نخواهد داد: شکاف هوای ما، همانطور که گفتیم، رسانای الکتریسیته نیست.

برنج. 2. ظهور جریان در هوا

حالا بیایید یک مشعل یا شعله شمع را در شکاف بین صفحات خازن بیاوریم (شکل 2، سمت راست). جریان ظاهر می شود! چرا؟

شارژ رایگان در گاز

وقوع جریان الکتریکی بین صفحات کندانسور به این معنی است که در هوا تحت تأثیر شعله ظاهر می شود. هزینه های رایگان. کدومشون دقیقا؟

تجربه نشان می دهد که جریان الکتریکی در گازها حرکت منظم ذرات باردار است سه نوع. این الکترون ها, یون های مثبتو یون های منفی.

بیایید بفهمیم که چگونه این بارها می توانند در گاز ظاهر شوند.

با افزایش دمای گاز، ارتعاشات حرارتی ذرات آن - مولکول ها یا اتم ها - شدیدتر می شود. برخورد ذرات با یکدیگر به چنان قدرتی می رسد که شروع می شود یونیزاسیون- تجزیه ذرات خنثی به الکترون ها و یون های مثبت (شکل 3).

برنج. 3. یونیزاسیون

درجه یونیزاسیوننسبت تعداد ذرات گاز پوسیده به کل تعداد اولیه ذرات است. به عنوان مثال، اگر درجه یونیزاسیون برابر باشد، به این معنی است که ذرات گاز اصلی به یون‌ها و الکترون‌های مثبت تجزیه شده‌اند.

درجه یونیزاسیون گاز به دما بستگی دارد و با دما به شدت افزایش می یابد. برای هیدروژن، برای مثال، در دمای پایین تر، درجه یونیزاسیون از 1 تجاوز نمی کند، و در دمای بالاتر، درجه یونیزاسیون نزدیک به (یعنی هیدروژن تقریباً به طور کامل یونیزه می شود) پلاسما)).

علاوه بر دمای بالا، عوامل دیگری نیز وجود دارند که باعث یونیزه شدن گاز می شوند.

قبلاً به آنها اشاره کردیم: اینها پرتوهای رادیواکتیو، اشعه ماوراء بنفش، اشعه ایکس و گاما، ذرات کیهانی هستند. هر عاملی که باعث یونیزه شدن یک گاز شود نامیده می شود یون ساز.

بنابراین، یونیزاسیون به خودی خود اتفاق نمی افتد، بلکه تحت تأثیر یک یونیزه کننده است.

در همان زمان، روند معکوس رخ می دهد - نوترکیبی، یعنی اتحاد مجدد یک الکترون و یک یون مثبت به یک ذره خنثی (شکل 4).

برنج. 4. نوترکیبی

دلیل نوترکیب ساده است: این جاذبه کولنی الکترون ها و یون های با بار مخالف است. تحت تأثیر نیروهای الکتریکی به سمت یکدیگر هجوم می آورند و می توانند یک اتم خنثی (یا مولکول بسته به نوع گاز) را تشکیل دهند.

در شدت ثابت عمل یونیزه کننده، یک تعادل دینامیکی برقرار می شود: میانگین تعداد ذرات در حال تجزیه در واحد زمان برابر است با میانگین تعداد ذرات در حال ترکیب (به عبارت دیگر، نرخ یونیزاسیون برابر با نرخ نوترکیبی است). عمل یونیزه کننده افزایش می یابد (مثلاً با افزایش دما)، سپس تعادل دینامیکی به سمت یونیزاسیون تغییر می کند و غلظت ذرات باردار در گاز افزایش می یابد. برعکس، اگر یونیزر را خاموش کنید، ترکیب مجدد شروع به غلبه می کند و هزینه های رایگان به تدریج به طور کامل ناپدید می شوند.

بنابراین، یون ها و الکترون های مثبت در نتیجه یونیزاسیون در گاز ظاهر می شوند. سومین نوع بار از کجا می آید - یون های منفی؟ خیلی ساده است: یک الکترون می تواند به اتم خنثی برخورد کند و خودش را به آن بچسباند! این فرآیند در شکل نشان داده شده است. 5 .

برنج. 5. ظهور یک یون منفی

یون‌های منفی تشکیل‌شده به همراه یون‌ها و الکترون‌های مثبت در ایجاد جریان مشارکت خواهند داشت.

ترشحات غیر خود نگهدار

اگر میدان الکتریکی خارجی وجود نداشته باشد، بارهای رایگان هرج و مرج را انجام می دهند حرکت حرارتیهمراه با ذرات گاز خنثی اما هنگامی که میدان الکتریکی اعمال می شود، حرکت منظم ذرات باردار آغاز می شود - جریان الکتریکی در گاز.

برنج. 6. ترشحات غیر خود نگهدار

در شکل 6 ما سه نوع ذره باردار را می بینیم که در شکاف گاز تحت تأثیر یک یونیزه کننده ایجاد می شوند: یون های مثبت، یون های منفی و الکترون ها. جریان الکتریکی در گاز در نتیجه حرکت متقابل ذرات باردار ایجاد می شود: یون های مثبت - به الکترود منفی (کاتد)، الکترون ها و یون های منفی - به الکترود مثبت (آند).

الکترون ها که به آند مثبت برخورد می کنند، از طریق مدار به سمت "بعلاوه" منبع جریان هدایت می شوند. یون های منفی یک الکترون اضافی به آند می دهند و با تبدیل شدن به ذرات خنثی به گاز باز می گردند. الکترون داده شده به آند نیز به سمت «بعلاوه» منبع می‌رود. یون های مثبت که به کاتد می رسند، الکترون ها را از آنجا می گیرند. کسری حاصل از الکترون ها در کاتد بلافاصله با تحویل آنها از منبع "منهای" به آنجا جبران می شود. در نتیجه این فرآیندها، حرکت منظم الکترون ها در مدار خارجی رخ می دهد. این جریان الکتریکی ثبت شده توسط گالوانومتر است.

فرآیند توصیف شده در شکل. 6، تماس گرفت غیر خود ترشحیدر گاز چرا وابسته؟ بنابراین برای حفظ آن، کارکرد مداوم یونیزر ضروری است. بیایید یونیزر را برداریم - و جریان متوقف می شود ، زیرا مکانیسمی که ظاهر شارژهای رایگان را در شکاف گاز تضمین می کند ناپدید می شود. فضای بین آند و کاتد دوباره به یک عایق تبدیل می شود.

مشخصات جریان ولتاژ تخلیه گاز

وابستگی جریان از طریق شکاف گاز به ولتاژ بین آند و کاتد (به اصطلاح مشخصه جریان-ولتاژ تخلیه گاز) در شکل نشان داده شده است. 7.

برنج. 7. مشخصات جریان ولتاژ تخلیه گاز

در ولتاژ صفر، قدرت جریان به طور طبیعی صفر است: ذرات باردار فقط حرکت حرارتی را انجام می دهند، هیچ حرکت منظمی بین الکترودها وجود ندارد.

وقتی ولتاژ کم است، جریان نیز کم است. واقعیت این است که قرار نیست همه ذرات باردار به الکترودها برسند: برخی از یون‌ها و الکترون‌های مثبت یکدیگر را پیدا می‌کنند و در طول حرکتشان دوباره ترکیب می‌شوند.

با افزایش ولتاژ، بارهای آزاد سریعتر و سریعتر ایجاد می شوند و شانس کمتری برای ملاقات و ترکیب مجدد یون مثبت و الکترون وجود دارد. بنابراین، بخش فزاینده ای از ذرات باردار به الکترودها می رسد و جریان افزایش می یابد (بخش).

در یک مقدار (نقطه) ولتاژ معین، سرعت حرکت بار آنقدر زیاد می شود که نوترکیب اصلاً زمان وقوع ندارد. از این به بعد همهذرات باردار تشکیل شده تحت عمل یونیزر به الکترودها می رسند و جریان به حد اشباع می رسد- یعنی قدرت جریان با افزایش ولتاژ تغییر نمی کند. تا یک نقطه مشخص این اتفاق خواهد افتاد.

ترشح از خود

پس از عبور از نقطه، قدرت جریان به شدت با افزایش ولتاژ افزایش می یابد - دسته مستقل. اکنون خواهیم فهمید که چیست.

ذرات گاز باردار از برخوردی به برخورد دیگر حرکت می کنند. در فواصل بین برخوردها توسط میدان الکتریکی شتاب می گیرند و انرژی جنبشی آنها افزایش می یابد. و بنابراین، هنگامی که ولتاژ به اندازه کافی بزرگ می شود (همان نقطه)، الکترون ها در طول مسیر آزاد خود به انرژی هایی می رسند که وقتی با اتم های خنثی برخورد می کنند آنها را یونیزه می کنند! (با استفاده از قوانین بقای تکانه و انرژی می توان نشان داد که الکترون ها (نه یون ها) توسط میدان الکتریکی شتاب می گیرند که حداکثر توانایی یونیزه کردن اتم ها را دارند.)

به اصطلاح یونیزاسیون ضربه الکترون. الکترون‌هایی که از اتم‌های یونیزه شده حذف می‌شوند نیز توسط میدان الکتریکی شتاب می‌گیرند و با اتم‌های جدید برخورد می‌کنند و اکنون آنها را یونیزه کرده و الکترون‌های جدیدی تولید می‌کنند. در نتیجه بهمن الکترونی حاصل، تعداد اتم های یونیزه شده به سرعت افزایش می یابد، در نتیجه قدرت جریان نیز به سرعت افزایش می یابد.

تعداد شارژهای رایگان آنقدر زیاد می شود که نیاز به یونیزر خارجی از بین می رود. شما به سادگی می توانید آن را حذف کنید. اکنون ذرات باردار آزاد در نتیجه تولید می شوند درونی؛ داخلیفرآیندهای رخ داده در گاز - به همین دلیل است که تخلیه مستقل نامیده می شود.

اگر شکاف گاز تحت ولتاژ بالا باشد، برای تخلیه خود نیازی به یونیزر نیست. کافی است فقط یک الکترون آزاد در گاز داشته باشیم و بهمن الکترونی که در بالا توضیح داده شد آغاز خواهد شد. و همیشه حداقل یک الکترون آزاد وجود خواهد داشت!

بیایید یک بار دیگر به یاد بیاوریم که در گاز، حتی در شرایط عادی، به دلیل تشعشعات رادیواکتیو یونیزه از پوسته زمین، تابش با فرکانس بالا از خورشید و پرتوهای کیهانی، مقدار "طبیعی" مشخصی از بارهای رایگان وجود دارد. دیده‌ایم که در ولتاژهای پایین رسانایی گاز ناشی از این بارهای آزاد ناچیز است، اما اکنون - در ولتاژهای بالا - بهمنی از ذرات جدید تولید می‌کنند که باعث تخلیه مستقل می‌شود. همانطور که می گویند این اتفاق خواهد افتاد درهم شکستنشکاف گاز

قدرت میدان مورد نیاز برای تجزیه هوای خشک تقریباً kV/cm است. به عبارت دیگر، برای پرش جرقه بین الکترودهایی که با یک سانتی متر هوا از هم جدا شده اند، باید یک ولتاژ کیلوولت به آنها اعمال شود. ولتاژ مورد نیاز برای عبور از چند کیلومتر هوا را تصور کنید! اما دقیقاً چنین خرابی هایی در هنگام رعد و برق رخ می دهد - این رعد و برق هستند که برای شما کاملاً شناخته شده است.