Normal koşullar altında, gazlar elektriği iletmez çünkü molekülleri elektriksel olarak nötrdür. Örneğin, kuru hava iyi bir yalıtkandır, çünkü çoğu kişiyle doğrulayabildik. basit deneyler elektrostatik üzerine. Bununla birlikte, hava ve diğer gazlar, içlerinde bir şekilde iyonlar oluşturulursa, elektrik akımı iletkenleri haline gelir.
Pirinç. 100. Hava iyonize olursa elektrik akımını iletir.
Bir alevle iyonlaşması sırasında havanın iletkenliğini gösteren en basit deney, Şekil 1'de gösterilmektedir. 100: Plakalar üzerinde uzun süre kalan yük, plakalar arasındaki boşluğa yanan bir kibrit konulduğunda hızla kaybolur.
Gaz deşarjı. Bir gazdan elektrik akımı geçirme işlemine genellikle gaz boşalması (veya bir gazda elektrik boşalması) denir. Gaz deşarjları iki türe ayrılır: bağımsız ve kendi kendine yetmeyen.
Kendi kendine yeterli olmayan kategori. Bir gazdaki deşarj, onu sürdürmek için harici bir kaynağa ihtiyaç varsa, kendi kendine devam etmeyen olarak adlandırılır.
iyonlaşma. Bir gazdaki iyonlar, yüksek sıcaklıkların, X ışınlarının ve morötesi radyasyon, radyoaktivite, kozmik ışınlar vb. Tüm bu durumlarda, bir atomun veya molekülün elektron kabuğundan bir veya daha fazla elektron salınır. Sonuç olarak, gazda pozitif iyonlar ve serbest elektronlar belirir. Serbest bırakılan elektronlar, nötr atomlara veya moleküllere katılarak onları negatif iyonlara dönüştürebilir.
İyonlaşma ve rekombinasyon. Gazdaki iyonlaşma işlemlerinin yanı sıra, ters rekombinasyon işlemleri de meydana gelir: birleştirildiğinde, pozitif ve negatif iyonlar veya pozitif iyonlar ve elektronlar nötr moleküller veya atomlar oluşturur.
Sabit bir iyonizasyon kaynağı ve rekombinasyon süreçleri nedeniyle iyon konsantrasyonundaki zamanla değişiklik aşağıdaki gibi açıklanabilir. İyonizasyon kaynağının, birim zamanda gazın birim hacmi başına pozitif iyonlar ve aynı sayıda elektron oluşturduğunu varsayalım. Gazda elektrik akımı yoksa ve difüzyon nedeniyle iyonların dikkate alınan hacimden kaçışı ihmal edilebilirse, iyon konsantrasyonunu azaltan tek mekanizma rekombinasyon olacaktır.
Rekombinasyon, pozitif bir iyon bir elektronla karşılaştığında gerçekleşir. Bu tür toplantıların sayısı, hem iyon sayısı hem de serbest elektron sayısı ile orantılıdır, yani . Bu nedenle, birim zaman başına birim hacim başına iyon sayısındaki azalma olarak yazılabilir, burada a, rekombinasyon katsayısı adı verilen sabit bir değerdir.
Tanıtılan varsayımların geçerliliği altında, bir gazdaki iyonlar için denge denklemi şu şekilde yazılabilir:
Bu diferansiyel denklemi genel bir şekilde çözmeyeceğiz, ancak bazı ilginç özel durumları ele alacağız.
Her şeyden önce, bir süre sonra iyonlaşma ve rekombinasyon işlemlerinin birbirini telafi etmesi gerektiğini ve gazda sabit bir konsantrasyon sağlanacağını not ediyoruz, görülebilir.
Durağan iyon konsantrasyonu, iyonlaşma kaynağı ne kadar güçlü, rekombinasyon katsayısı o kadar küçükse a.
İyonlaştırıcıyı kapattıktan sonra, iyon konsantrasyonundaki azalma, konsantrasyonun başlangıç değeri olarak alınması gereken denklem (1) ile açıklanır.
Bu denklemi entegrasyondan sonra formda yeniden yazarsak, elde ederiz
Bu fonksiyonun grafiği Şekil 1 de gösterilmiştir. 101.Asimptotları zaman ekseni ve dikey düz çizgi olan bir hiperboldür.Tabii ki hiperbolün sadece değerlere karşılık gelen kısmı fiziksel anlam taşımaktadır.Herhangi bir nicelik, birinci kuvvetiyle orantılıdır. bu miktarın anlık değeri.
Pirinç. 101. İyonizasyon kaynağını kapattıktan sonra gazdaki iyon konsantrasyonundaki azalma
Kendinden iletken olmayan.İyonlaştırıcının etkisinin sona ermesinden sonra iyon konsantrasyonunu azaltma işlemi, gaz harici bir elektrik alanındaysa önemli ölçüde hızlanır. Elektrik alanı, elektronları ve iyonları elektrotlara çekerek, bir iyonlaştırıcının yokluğunda gazın elektriksel iletkenliğini çok hızlı bir şekilde geçersiz kılabilir.
Kendi kendine devam etmeyen bir deşarjın yasalarını anlamak için, bir dış kaynak tarafından iyonize edilen bir gazdaki akımın birbirine paralel iki düz elektrot arasında aktığı durumu basitleştirmek için ele alalım. Bu durumda, iyonlar ve elektronlar, elektrotlara uygulanan voltajın aralarındaki mesafeye oranına eşit olan tek tip bir E elektrik alanı içindedir.
Elektronların ve iyonların hareketliliği. Sabit bir voltaj uygulandığında, devrede belirli bir sabit akım gücü 1 oluşturulur, bu, iyonize bir gazdaki elektronların ve iyonların sabit hızlarda hareket ettiği anlamına gelir. Bu gerçeği açıklamak için, elektrik alanın sabit hızlanan kuvvetine ek olarak, hareket eden iyonların ve elektronların hız arttıkça artan direnç kuvvetlerinden etkilendiğini varsaymalıyız. Bu kuvvetler, elektronların ve iyonların nötr atomlar ve gaz molekülleri ile çarpışmalarının ortalama etkisini tanımlar. Direniş güçleri aracılığıyla
elektrik alanının gücü E ile orantılı olarak elektronların ve iyonların ortalama sabit hızları belirlenir:
Orantılılık katsayılarına elektron ve iyon hareketlilikleri denir. İyonların ve elektronların hareketlilikleri, Farklı anlamlar ve gazın türüne, yoğunluğuna, sıcaklığına vb. bağlıdır.
Elektrik akımı yoğunluğu, yani birim zamanda elektronlar ve iyonlar tarafından birim alan boyunca taşınan yük, elektronların ve iyonların konsantrasyonu, yükleri ve sabit hareket hızı cinsinden ifade edilir.
Yarı tarafsızlık. Normal koşullar altında, bir bütün olarak iyonize gaz elektriksel olarak nötrdür veya dedikleri gibi yarı nötrdür, çünkü nispeten az sayıda elektron ve iyon içeren küçük hacimlerde elektriksel nötrlük koşulu ihlal edilebilir. Bu demektir ki ilişki
Kendi kendine devam etmeyen deşarjdaki akım yoğunluğu. Bir gazda kendi kendine devam etmeyen bir deşarj sırasında akım taşıyıcılarının konsantrasyonundaki zamanla değişim yasasını elde etmek için, harici bir kaynakla iyonlaşma ve rekombinasyon işlemlerinin yanı sıra dikkate alınması gerekir. Elektronların ve iyonların elektrotlara kaçışı. Elektrodun hacminden birim zamanda birim zamanda ayrılan parçacık sayısı Bu tür parçacıkların konsantrasyonundaki azalma hızına eşittir, bu sayıyı elektrotlar arasındaki gazın hacmine bölerek elde ederiz. Bu nedenle denge denklemi (1) yerine akım varlığında şeklinde yazılacaktır.
Rejimi oluşturmak için, (8)'den elde ettiğimizde
Denklem (9), kendi kendine devam etmeyen bir deşarjdaki sabit durum akım yoğunluğunun uygulanan gerilime (veya alan kuvveti E'ye) bağımlılığını bulmayı mümkün kılar.
İki sınırlayıcı durum doğrudan görülebilir.
Ohm yasası. Düşük voltajda, denklem (9)'da sağ taraftaki ikinci terimi ihmal edebiliriz, ardından formülleri (7) elde ederiz,
Akım yoğunluğu, uygulanan elektrik alanın gücü ile orantılıdır. Böylece, zayıf elektrik alanlarında kendi kendine devam etmeyen bir gaz deşarjı için Ohm yasası karşılanır.
Doyma akımı. Denklem (9)'daki düşük elektron ve iyon konsantrasyonunda, ilkini (sağ taraftaki terimler açısından ikinci dereceden) ihmal edebiliriz. Bu yaklaşımda, akım yoğunluğu vektörü elektrik alan şiddeti boyunca yönlendirilir ve onun modül
uygulanan gerilime bağlı değildir. Bu sonuç güçlü elektrik alanlar için geçerlidir. Bu durumda doyma akımından bahsediyoruz.
Her iki sınırlayıcı durum da denklem (9)'a başvurmadan incelenebilir. Bununla birlikte, bu şekilde, gerilim arttıkça Ohm yasasından akımın gerilime doğrusal olmayan bağımlılığına geçişin nasıl gerçekleştiğini izlemek imkansızdır.
İlk sınırlayıcı durumda, akım çok küçük olduğunda, deşarj bölgesinden elektronları ve iyonları uzaklaştırmak için ana mekanizma rekombinasyondur. Bu nedenle, durağan konsantrasyon için, (7) hesaba katıldığında hemen formül (10)'u veren ifade (2) kullanılabilir. İkinci sınırlayıcı durumda ise tersine rekombinasyon ihmal edilir. Güçlü bir elektrik alanında, elektronların ve iyonların, konsantrasyonları yeterince düşükse, bir elektrottan diğerine uçuş sırasında fark edilir şekilde yeniden birleşmek için zamanları yoktur. Daha sonra dış kaynağın oluşturduğu tüm elektronlar ve iyonlar elektrotlara ulaşır ve toplam akım yoğunluğu İyonizasyon odasının uzunluğu ile orantılıdır, çünkü toplam sayısı I ile orantılı olarak elektron ve iyonların iyonlaştırıcısı tarafından üretilir.
Gaz deşarjının deneysel çalışması. Kendi kendine yetmeyen gaz deşarjı teorisinin sonuçları deneylerle doğrulanır. Bir gazdaki boşalmayı incelemek için iki metal elektrotlu bir cam tüp kullanmak uygundur. Bağlantı şeması böyle bir kurulum Şekil l'de gösterilmiştir. 102. Hareketlilik
elektronlar ve iyonlar büyük ölçüde gaz basıncına bağlıdır (basınçla ters orantılıdır), bu nedenle deneyleri azaltılmış basınçta yapmak uygundur.
Şek. Şekil 103, tüpteki I akımının tüpün elektrotlarına uygulanan voltaja bağlılığını gösterir Tüpteki iyonizasyon, örneğin x-ışınları veya ultraviyole ışınları veya zayıf bir radyoaktif müstahzar kullanılarak oluşturulabilir. Yalnızca harici iyon kaynağının değişmeden kalması esastır.
Pirinç. 102. Gaz deşarjını incelemek için bir tesisatın şeması
Pirinç. 103. Bir gaz deşarjının deneysel akım-gerilim özelliği
Bölümde, akım gücü doğrusal olmayan bir şekilde gerilime bağlıdır. B noktasından başlayarak akım doygunluğa ulaşır ve bir süre sabit kalır Bütün bunlar teorik tahminlerle tutarlıdır.
Öz rütbe. Bununla birlikte, C noktasında, akım önce yavaş ve sonra çok keskin bir şekilde yeniden artmaya başlar. Bu, gazda yeni, dahili bir iyon kaynağının ortaya çıktığı anlamına gelir. Şimdi dış kaynağı kaldırırsak, o zaman gazdaki deşarj durmaz, yani kendi kendine devam etmeyen bir deşarjdan bağımsız bir deşarja geçer. Kendi kendine deşarj ile, gazın kendisindeki iç süreçlerin bir sonucu olarak yeni elektronların ve iyonların oluşumu meydana gelir.
Elektron etkisi ile iyonlaşma. Kendi kendine devam etmeyen bir deşarjdan bağımsız bir deşarja geçiş sırasında akımdaki artış çığ gibi gerçekleşir ve gazın elektriksel olarak bozulması olarak adlandırılır. Arızanın meydana geldiği gerilime ateşleme gerilimi denir. Gazın türüne ve gaz basıncı ile elektrotlar arasındaki mesafenin ürününe bağlıdır.
Uygulanan voltajın artmasıyla akım gücündeki çığ benzeri artıştan sorumlu olan gazdaki işlemler, elektrik alanı tarafından hızlandırılan serbest elektronlar tarafından gazın nötr atomlarının veya moleküllerinin yeterli bir hıza iyonlaşmasıyla ilişkilidir.
büyük enerjiler. Bir elektronun nötr bir atom veya molekülle bir sonraki çarpışmasından önceki kinetik enerjisi, elektrik alan şiddeti E ve elektronun X serbest yolu ile orantılıdır:
Bu enerji nötr bir atomu veya molekülü iyonize etmek için yeterliyse, yani iyonlaşma işini aşarsa
daha sonra bir elektron bir atom veya molekülle çarpıştığında iyonlaşır. Sonuç olarak, bir yerine iki elektron ortaya çıkar. Sırayla, bir elektrik alanı tarafından hızlandırılırlar ve yolda karşılaştıkları atomları veya molekülleri iyonlaştırırlar vb. Süreç bir çığ gibi gelişir ve elektron çığı olarak adlandırılır. Açıklanan iyonizasyon mekanizmasına elektron darbeli iyonlaşma denir.
J. Townsend, nötr gaz atomlarının iyonlaşmasının esas olarak pozitif iyonların değil, elektronların etkilerinden kaynaklandığının deneysel bir kanıtını verdi. İç elektrodu silindirin ekseni boyunca gerilmiş ince bir metal iplik olan silindirik bir kapasitör şeklinde bir iyonlaşma odası aldı. Böyle bir odada, hızlanan elektrik alan oldukça homojen değildir ve iyonlaşmadaki ana rolü, filamanın yakınındaki en güçlü alana giren parçacıklar oynar. Deneyimler, elektrotlar arasındaki aynı voltaj için, pozitif potansiyel dış silindire değil de filamana uygulandığında deşarj akımının daha büyük olduğunu göstermektedir. Bu durumda akımı oluşturan tüm serbest elektronlar zorunlu olarak en güçlü alanın olduğu bölgeden geçer.
Katottan elektron emisyonu. Kendi kendine devam eden bir deşarj, yalnızca şu koşullar altında durağan olabilir: kalıcı görünüm yeni serbest elektronların gazında, çünkü çığda ortaya çıkan tüm elektronlar anoda ulaşır ve oyundan elenir. Yeni elektronlar, katoda doğru hareket ederken elektrik alanı tarafından da hızlandırılan ve bunun için yeterli enerjiyi elde eden pozitif iyonlar tarafından katottan atılır.
Katot, yalnızca iyon bombardımanının bir sonucu olarak değil, aynı zamanda yüksek bir sıcaklığa ısıtıldığında bağımsız olarak da elektron yayabilir. Bu işleme termiyonik emisyon denir, elektronların metalden buharlaşması gibi düşünülebilir. Genellikle, katot malzemesinin buharlaşmasının hala küçük olduğu bu tür sıcaklıklarda meydana gelir. Kendi kendini idame ettiren bir gaz deşarjı durumunda, katot genellikle ısıtılmadan ısıtılır.
filament, vakum tüplerinde olduğu gibi, ancak pozitif iyonlarla bombardıman edildiğinde ısının serbest bırakılması nedeniyle. Bu nedenle, iyonların enerjisi elektronları yok etmek için yetersiz olduğunda bile katot elektronları yayar.
Bir gazda kendi kendine devam eden bir deşarj, yalnızca voltajın artması ve harici bir iyonlaşma kaynağının çıkarılmasıyla kendi kendine devam etmeyen bir geçişin bir sonucu olarak değil, aynı zamanda aşan bir voltajın doğrudan uygulanmasıyla da meydana gelir. ateşleme eşiği voltajı Teori, nötr bir gazda her zaman mevcut olan en küçük iyon miktarının, yalnızca doğal radyoaktif arka plan nedeniyle bile olsa, boşalmayı tutuşturmak için yeterli olduğunu göstermektedir.
Gazın özelliklerine ve basıncına, elektrotların konfigürasyonuna ve elektrotlara uygulanan gerilime bağlı olarak, Farklı çeşit bağımsız rütbe
Yanan deşarj.-de düşük basınçlar(milimetrenin onda biri ve yüzde biri cıva) tüpte parlak bir deşarj gözlenir. Kızdırma deşarjını ateşlemek için birkaç yüz hatta onlarca voltluk bir voltaj yeterlidir. Kızdırma deşarjında dört karakteristik bölge ayırt edilebilir. Bunlar, karanlık katot alanı, ışıma (veya negatif) ışıma, Faraday karanlık alanı ve anot ile katot arasındaki boşluğun çoğunu kaplayan parlak pozitif sütundur.
İlk üç bölge katoda yakındır. Burada, katot karanlık boşluğunun sınırındaki büyük bir pozitif iyon konsantrasyonu ve için için yanan parıltı ile ilişkili olarak potansiyelde keskin bir düşüş meydana gelir. Katot karanlık alanı bölgesinde hızlandırılan elektronlar, ışıma bölgesinde yoğun darbe iyonizasyonu üretir. İçin için yanan parıltı, iyonların ve elektronların nötr atomlara veya moleküllere yeniden birleşmesinden kaynaklanır. Deşarjın pozitif sütunu, potansiyelde hafif bir düşüş ve gazın uyarılmış atomlarının veya moleküllerinin temel duruma geri dönmesinin neden olduğu bir parlama ile karakterize edilir.
Korona deşarjı. Gazdaki nispeten yüksek basınçlarda (atmosferik basınç düzeyinde), iletkenin elektrik alanının son derece homojen olmadığı sivri bölümlerinin yakınında, ışıklı bölgesi bir koronaya benzeyen bir deşarj gözlenir. Korona deşarjı bazen oluşur canlı ağaç tepelerinde, gemi direklerinde vb. ("Aziz Elmo'nun yangınları"). Korona deşarjı, bu deşarj yüksek voltajlı elektrik hatlarının telleri etrafında meydana geldiğinde ve güç kayıplarına yol açtığında, yüksek voltaj mühendisliğinde dikkate alınmalıdır. Korona deşarjı, temizlik için elektrostatik çökelticilerde yararlı bir pratik uygulama bulur. endüstriyel gazlar katı ve sıvı parçacıkların safsızlıklarından.
Elektrotlar arasındaki voltajın artmasıyla, korona deşarjı, aralarındaki boşluğun tamamen bozulmasıyla bir kıvılcıma dönüşür.
elektrotlar. Boşaltma boşluğuna anında nüfuz eden ve tuhaf bir şekilde birbirini değiştiren, parlak zikzak dallanan kanallardan oluşan bir ışın biçimine sahiptir. Kıvılcım deşarjına, büyük miktarda ısının salınması, parlak mavimsi beyaz bir parıltı ve güçlü bir çıtırtı eşlik eder. Elektrofor makinesinin topları arasında görülebilir. Dev bir kıvılcım boşalmasına örnek, akım gücünün 5-105 A'ya ulaştığı ve potansiyel farkının 109 V olduğu doğal şimşektir.
Kıvılcım deşarjı atmosferik (ve daha yüksek) basınçta meydana geldiğinden, ateşleme voltajı çok yüksektir: elektrotlar arasındaki mesafe 1 cm olan kuru havada yaklaşık 30 kV'dir.
Elektrik arkı. Belirli bir pratik olarak önemli olan bağımsız gaz deşarjı, bir elektrik arkıdır. İki karbon veya metal elektrot temas ettiğinde, yüksek temas direnci nedeniyle temas noktasında büyük miktarda ısı açığa çıkar. Sonuç olarak, termiyonik emisyon başlar ve elektrotlar aralarında hareket ettirildiğinde, oldukça iyonize, iyi iletken bir gazdan parlak bir ışık arkı ortaya çıkar. Küçük bir arkta bile akım gücü birkaç ampere ve büyük bir arkta - yaklaşık 50 V'luk bir voltajda birkaç yüz ampere ulaşır. Elektrik arkı, teknolojide güçlü bir ışık kaynağı olarak, elektrikli fırınlarda ve elektrik kaynağı için yaygın olarak kullanılır. . yaklaşık 0,5 V'luk bir voltaj ile zayıf bir geciktirici alan. Bu alan, yavaş elektronların anoda ulaşmasını engeller. Elektronlar, elektrik akımı ile ısıtılan katot K tarafından yayılır.
Şek. Şekil 105, anot devresindeki akım gücünün bu deneylerde elde edilen hızlanan gerilime bağımlılığını göstermektedir.Bu bağımlılık, 4,9 V'un katları gerilimlerde maksima ile monoton olmayan bir karaktere sahiptir.
Atom enerjisi düzeylerinin ayrıklığı. Akımın gerilime olan bu bağımlılığı, yalnızca cıva atomlarında ayrı durağan durumların varlığıyla açıklanabilir. Eğer atomun ayrı durağan durumları yoksa, yani içsel enerji herhangi bir değer alabilir, o zaman atomun iç enerjisinde bir artışın eşlik ettiği esnek olmayan çarpışmalar herhangi bir elektron enerjisinde meydana gelebilir. Ayrık durumlar varsa, elektronların enerjisi atomu temel durumdan en düşük uyarılmış duruma aktarmak için yetersiz olduğu sürece, elektronların atomlarla çarpışmaları yalnızca elastik olabilir.
Elastik çarpışmalar sırasında, elektronların kinetik enerjisi pratik olarak değişmez, çünkü bir elektronun kütlesi bir cıva atomunun kütlesinden çok daha azdır. Bu koşullar altında, anoda ulaşan elektronların sayısı artan voltajla monoton olarak artar. Hızlanma voltajı 4,9 V'a ulaştığında, elektronların atomlarla çarpışması esnek olmayan hale gelir. Atomların iç enerjisi aniden artar ve çarpışma sonucunda elektron kinetik enerjisinin neredeyse tamamını kaybeder.
Geciktirici alan ayrıca yavaş elektronların anoda ulaşmasına izin vermez ve akım keskin bir şekilde düşer. Yalnızca bazı elektronlar esnek olmayan çarpışmalar yaşamadan ızgaraya ulaştığı için yok olmaz. Akım gücünün ikinci ve sonraki maksimum değerleri, 4,9 V'un katları olan voltajlarda ızgaraya giden elektronların cıva atomları ile birkaç elastik olmayan çarpışma yaşayabilmesi nedeniyle elde edilir.
Böylece elektron, elastik olmayan çarpışma için gerekli enerjiyi ancak 4,9 V'luk bir potansiyel farktan geçtikten sonra elde eder. Bu, cıva atomlarının iç enerjisinin eV'den daha az değişemeyeceği anlamına gelir; atom. Bu sonucun geçerliliği, 4,9 V'luk bir voltajda deşarjın parlamaya başlamasıyla da doğrulanır: uyarılmış atomlar kendiliğinden
temel duruma geçişler yayar görülebilir ışık, frekansı formülle hesaplananla çakışıyor
Frank ve Hertz'in klasik deneylerinde, elektron çarpma yöntemi sadece uyarılma potansiyellerini değil, aynı zamanda bir dizi atomun iyonlaşma potansiyellerini de belirledi.
Kuru havanın iyi bir yalıtkan olduğunu gösteren bir elektrostatik deney örneği verin.
Mühendislikte kullanılan havanın yalıtkan özelliği nerededir?
Kendi kendini idame ettirmeyen gaz deşarjı nedir? Hangi koşullarda çalışır?
Rekombinasyon nedeniyle derişimdeki azalma hızının neden elektron ve iyon derişiminin karesiyle orantılı olduğunu açıklayın. Bu konsantrasyonlar neden aynı kabul edilebilir?
Formül (3) ile ifade edilen azalan konsantrasyon yasasının, her iki durumda da süreçler genel olarak sonsuza kadar devam etmesine rağmen, üstel olarak bozunan süreçler için yaygın olarak kullanılan karakteristik zaman kavramını ortaya koyması neden anlamsızdır? zaman?
Elektronlar ve iyonlar için formül (4)'teki hareketlilik tanımlarında neden zıt işaretler seçildiğini düşünüyorsunuz?
Kendi kendini idame ettirmeyen bir gaz deşarjındaki akım gücü uygulanan gerilime nasıl bağlıdır? Ohm yasasından doyma akımına geçiş neden artan voltajla gerçekleşiyor?
Bir gazdaki elektrik akımı hem elektronlar hem de iyonlar tarafından gerçekleştirilir. Bununla birlikte, elektrotların her birine yalnızca bir işaret yükü gelir. Bu, bir seri devrenin tüm bölümlerinde akım gücünün aynı olduğu gerçeğiyle nasıl örtüşür?
Neden çarpışmalar nedeniyle bir deşarjda gazın iyonlaşmasında büyük rol pozitif iyonlar değil de elektronlar mı oynuyor?
Betimlemek özelliklerçeşitli bağımsız gaz deşarj türleri.
Frank ve Hertz'in deneylerinin sonuçları neden atomların enerji düzeylerinin ayrıklığına tanıklık ediyor?
Frank ve Hertz'in deneylerinde hızlanan voltaj arttığında gaz deşarj tüpünde gerçekleşen fiziksel süreçleri açıklayınız.
Doğada mutlak dielektrikler yoktur. Parçacıkların - elektrik yükünün taşıyıcıları - yani akımın düzenli hareketine herhangi bir ortamda neden olabilir, ancak bu gerektirir Özel durumlar. Burada elektriksel olayların gazlarda nasıl ilerlediğini ve bir gazın çok iyi bir dielektrikten çok iyi bir iletkene nasıl dönüştürülebileceğini ele alacağız. Ortaya çıktığı koşullarla ve ayrıca gazlardaki elektrik akımının hangi özelliklerle karakterize edildiğiyle ilgileneceğiz.
Gazların elektriksel özellikleri
Bir dielektrik, elektrik yükünün serbest taşıyıcıları olan parçacıkların konsantrasyonunun önemli bir değere ulaşmadığı ve bunun sonucunda iletkenliğin önemsiz olduğu bir maddedir (ortam). Tüm gazlar iyi dielektriklerdir. Yalıtım özellikleri her yerde kullanılır. Örneğin, herhangi bir devre kesicide, devrenin açılması, kontaklar aralarında bir hava boşluğu oluşacak şekilde konuma getirildiğinde gerçekleşir. Elektrik hatlarındaki teller de bir hava tabakasıyla birbirinden izole edilmiştir.
Herhangi bir gazın yapısal birimi bir moleküldür. Atom çekirdeği ve elektron bulutlarından oluşur, yani uzayda bir şekilde dağılmış elektrik yükleri topluluğudur. Bir gaz molekülü, yapısının özelliklerinden dolayı olabilir veya harici bir elektrik alanının etkisi altında polarize olabilir. Bir gazı oluşturan moleküllerin büyük çoğunluğu, içlerindeki yükler birbirini yok ettiği için normal koşullar altında elektriksel olarak nötrdür.
Gaza bir elektrik alanı uygulanırsa, moleküller, alanın etkisini telafi eden bir uzamsal konumu işgal ederek bir dipol yönelimi alacaktır. Coulomb kuvvetlerinin etkisi altında gazda bulunan yüklü parçacıklar hareket etmeye başlayacaktır: pozitif iyonlar - katot yönünde, negatif iyonlar ve elektronlar - anoda doğru. Bununla birlikte, alan yetersiz potansiyele sahipse, tek bir yönlendirilmiş yük akışı meydana gelmez ve ayrı akımlardan söz edilebilir, o kadar zayıftır ki ihmal edilmelidir. Gaz bir dielektrik gibi davranır.
Bu nedenle, gazlarda bir elektrik akımının oluşması için, yüksek konsantrasyonda serbest yük taşıyıcıları ve bir alanın varlığı gereklidir.
iyonlaşma
Bir gazdaki serbest yüklerin sayısının çığ gibi artması işlemine iyonlaşma denir. Buna göre, içinde önemli miktarda yüklü parçacık bulunan bir gaza iyonize denir. Bu tür gazlarda bir elektrik akımı oluşur.
İyonlaşma süreci, moleküllerin nötrlüğünün ihlali ile ilişkilidir. Bir elektronun ayrılması sonucunda pozitif iyonlar ortaya çıkar, bir elektronun bir moleküle bağlanması negatif bir iyon oluşumuna yol açar. Ayrıca, iyonize bir gazda çok sayıda serbest elektron vardır. Pozitif iyonlar ve özellikle elektronlar, gazlardaki elektrik akımı için ana yük taşıyıcılarıdır.
İyonlaşma, bir parçacığa belirli bir miktarda enerji verildiğinde meydana gelir. Böylece, bu enerjiyi alan bir molekülün bileşimindeki bir dış elektron molekülü terk edebilir. Yüklü parçacıkların nötr olanlarla karşılıklı çarpışması, yeni elektronların dışarı çıkmasına neden olur ve süreç çığ benzeri bir karakter kazanır. Parçacıkların kinetik enerjisi de artar, bu da iyonlaşmayı büyük ölçüde destekler.
Gazlardaki elektrik akımının uyarılması için harcanan enerji nereden geliyor? Gazların iyonlaşması, türlerini adlandırmanın alışılmış olduğu çeşitli enerji kaynaklarına sahiptir.
- Bir elektrik alanı ile iyonlaşma. Bu durumda, alanın potansiyel enerjisi parçacıkların kinetik enerjisine dönüştürülür.
- Termal iyonlaşma. Sıcaklıktaki bir artış da çok sayıda serbest yükün oluşmasına yol açar.
- fotoiyonizasyon. Bu sürecin özü, kuantumun elektronlara enerji vermesidir. Elektromanyetik radyasyon- yeterince yüksek bir frekansa sahiplerse fotonlar (ultraviyole, x-ışını, gama kuantumu).
- Darbeli iyonlaşma, çarpışan parçacıkların kinetik enerjisinin elektron ayrılma enerjisine dönüştürülmesinin sonucudur. Termal iyonlaşma ile birlikte gazlarda elektrik akımının uyarılmasında ana faktör olarak hizmet eder.
Her gaz, belirli bir eşik değeri ile karakterize edilir - bir elektronun bir molekülden ayrılarak potansiyel bir engeli aşması için gerekli olan iyonlaşma enerjisi. İlk elektron için bu değer birkaç volt ile iki on volt arasında değişir; bir sonraki elektronu molekülden ayırmak için daha fazla enerjiye ihtiyaç vardır ve bu böyle devam eder.
Gazda iyonlaşma ile aynı anda ters işlemin meydana geldiği dikkate alınmalıdır - rekombinasyon, yani Coulomb çekim kuvvetlerinin etkisi altında nötr moleküllerin restorasyonu.
Gaz deşarjı ve çeşitleri
Bu nedenle, gazlardaki elektrik akımı, yüklü parçacıkların kendilerine uygulanan bir elektrik alanının etkisi altındaki düzenli hareketinden kaynaklanır. Bu tür yüklerin varlığı, çeşitli iyonizasyon faktörlerinden dolayı mümkündür.
Bu nedenle, termal iyonizasyon gerektirir önemli sıcaklıklar, ancak bazı kimyasal işlemlerden kaynaklanan açık alev iyonlaşmayı teşvik eder. Bir alev varlığında nispeten düşük bir sıcaklıkta bile, gazlarda bir elektrik akımının görünümü kaydedilir ve gaz iletkenliği ile yapılan deneyler bunu doğrulamayı kolaylaştırır. Yüklü bir kapasitörün plakaları arasına bir brülör veya mum alevi yerleştirmek gerekir. Kondansatördeki hava boşluğu nedeniyle daha önce açık olan devre kapanacaktır. Devreye bağlı bir galvanometre akımın varlığını gösterecektir.
Gazlardaki elektrik akımına gaz deşarjı denir. Boşalmanın stabilitesini korumak için iyonlaştırıcının etkisinin sabit olması gerektiği unutulmamalıdır, çünkü sürekli rekombinasyon nedeniyle gaz elektriksel olarak iletken özelliklerini kaybeder. Gazlardaki bazı elektrik akımı taşıyıcıları - iyonlar - elektrotlar üzerinde nötralize edilir, diğerleri - elektronlar - anoda girerek alan kaynağının "artısına" gönderilir. İyonlaşma faktörü çalışmayı durdurursa, gaz hemen tekrar bir dielektrik haline gelir ve akım durur. Harici bir iyonlaştırıcının etkisine bağlı olan böyle bir akıma, kendi kendine devam etmeyen bir deşarj denir.
Elektrik akımının gazlardan geçişinin özellikleri, akım gücünün gerilime - akım-gerilim özelliği - özel bir bağımlılığı ile tanımlanır.
Akım-voltaj bağımlılığı grafiğinde bir gaz deşarjının gelişimini ele alalım. Gerilim belirli bir U 1 değerine yükseldiğinde, akım bununla orantılı olarak artar, yani Ohm yasası yerine getirilir. Gazdaki kinetik enerji ve dolayısıyla yüklerin hızı artar ve bu süreç rekombinasyonun ilerisindedir. U 1'den U 2'ye kadar olan voltaj değerlerinde bu ilişki bozulur; U2'ye ulaşıldığında, tüm yük taşıyıcılar, yeniden birleşmeye zaman bulamadan elektrotlara ulaşır. Herşey ücretsiz ücretler devreye girer ve voltajdaki daha fazla artış, akım gücünde bir artışa yol açmaz. Yüklerin hareketinin bu doğasına doyma akımı denir. Bu nedenle, gazlardaki elektrik akımının, iyonize bir gazın çeşitli güçlerdeki elektrik alanlarındaki davranışının özelliklerinden de kaynaklandığını söyleyebiliriz.
Elektrotlar arasındaki potansiyel fark belirli bir U3 değerine ulaştığında, voltaj elektrik alanının gazın çığ benzeri bir iyonlaşmasına neden olması için yeterli hale gelir. Serbest elektronların kinetik enerjisi, moleküllerin çarpma iyonlaşması için zaten yeterlidir. Aynı zamanda, çoğu gazdaki hızları yaklaşık 2000 km / s ve daha yüksektir (yaklaşık v=600 U i , burada Ui iyonlaşma potansiyelidir). Bu anda, bir iç iyonlaşma kaynağı nedeniyle bir gaz arızası meydana gelir ve akımda önemli bir artış meydana gelir. Bu nedenle, böyle bir deşarj bağımsız olarak adlandırılır.
Bu durumda harici bir iyonlaştırıcının varlığı artık gazlarda elektrik akımının korunmasında rol oynamaz. kendi kendine deşarj farklı koşullar ve de çeşitli özellikler elektrik alanın kaynağı belirli özelliklere sahip olabilir. Kızdırma, kıvılcım, ark ve korona gibi kendi kendine deşarj türleri vardır. Bu türlerin her biri için kısaca elektrik akımının gazlarda nasıl davrandığına bakacağız.
100 (hatta daha az) ile 1000 volt arasındaki bir potansiyel farkı, kendi kendine deşarjı başlatmak için yeterlidir. Bu nedenle, düşük akım gücü (10-5 A ila 1 A) ile karakterize edilen bir akkor deşarj, birkaç milimetre cıvadan daha fazla olmayan basınçlarda meydana gelir.
Seyreltilmiş gaz ve soğuk elektrotlara sahip bir tüpte, ortaya çıkan kızdırma deşarjı, elektrotlar arasında ince bir ışıklı kordon gibi görünür. Gazı tüpten dışarı pompalamaya devam edersek, filaman yıkanır ve milimetrenin onda biri cıva basınçlarında, kızdırma tüpü neredeyse tamamen doldurur. Katodun yakınında - sözde karanlık katot alanında ışıma yoktur. Geri kalanı pozitif sütun olarak adlandırılır. Bu durumda, deşarjın varlığını sağlayan ana süreçler, tam olarak karanlık katot boşluğunda ve ona bitişik bölgede lokalize edilir. Burada, yüklü gaz parçacıkları hızlandırılarak katottan elektronları dışarı atar.
Kızdırma deşarjında, iyonlaşmanın nedeni katottan elektron emisyonudur. Katot tarafından yayılan elektronlar, gaz moleküllerinin çarpma iyonizasyonunu üretir, ortaya çıkan pozitif iyonlar, katottan ikincil emisyona neden olur, vb. Pozitif sütunun parlaması, esas olarak uyarılmış gaz molekülleri tarafından fotonların geri tepmesinden kaynaklanır ve farklı gazlar, belirli bir rengin parlamasıyla karakterize edilir. Pozitif sütun, yalnızca bir bölüm olarak bir akkor deşarj oluşumunda yer alır. elektrik devresi. Elektrotları birbirine yaklaştırırsanız, pozitif sütunun kaybolmasını sağlayabilirsiniz, ancak deşarj durmaz. Bununla birlikte, elektrotlar arasındaki mesafenin daha da azaltılması ile akkor deşarj mevcut olamaz.
Gazlardaki bu tür elektrik akımı için bazı işlemlerin fiziğinin henüz tam olarak aydınlatılamadığı belirtilmelidir. Örneğin, deşarjda yer alan katod yüzeyindeki alanı genişletmek için akımda bir artışa neden olan kuvvetlerin doğası belirsizliğini koruyor.
kıvılcım deşarjı
Kıvılcım dökümü darbeli bir karaktere sahiptir. Elektrik alan kaynağının gücünün sabit bir deşarjı sürdürmek için yeterli olmadığı durumlarda, normal atmosferik basınçlara yakın basınçlarda meydana gelir. Bu durumda alan şiddeti yüksektir ve 3 MV/m'ye ulaşabilir. Bu fenomen, gazdaki elektrik akımının boşalmasında keskin bir artışla karakterize edilir, aynı zamanda voltaj çok hızlı düşer ve boşalma durur. Daha sonra potansiyel fark tekrar artar ve tüm süreç tekrarlanır.
Bu tür bir deşarj ile büyümesi elektrotlar arasındaki herhangi bir noktadan başlayabilen kısa süreli kıvılcım kanalları oluşur. Bunun nedeni, darbe iyonlaşmasının rastgele olduğu yerlerde meydana gelmesidir. en büyük sayı iyonlar. Kıvılcım kanalının yakınında, gaz hızla ısınır ve termal genleşmeye uğrayarak akustik dalgalara neden olur. Bu nedenle, kıvılcım deşarjına, ısı salınımı ve parlak bir parıltının yanı sıra çatırtı eşlik eder. Çığ iyonizasyon işlemleri, kıvılcım kanalında 10.000 dereceye ve daha fazlasına kadar yüksek basınçlar ve sıcaklıklar üretir.
Doğal bir kıvılcım boşalmasının en çarpıcı örneği şimşektir. Ana yıldırım kıvılcım kanalının çapı birkaç santimetreden 4 m'ye kadar değişebilmekte ve kanal uzunluğu 10 km'ye ulaşabilmektedir. Akımın büyüklüğü 500 bin ampere ulaşır ve bir gök gürültüsü ile Dünya yüzeyi arasındaki potansiyel fark bir milyar volta ulaşır.
321 km uzunluğundaki en uzun yıldırım 2007 yılında ABD'nin Oklahoma kentinde görüldü. Sürenin rekor sahibi, 2012 yılında Fransız Alpleri'nde kaydedilen şimşekti - 7,7 saniyeden fazla sürdü. Yıldırım çarptığında hava, Güneş'in görünür yüzeyinin sıcaklığından 6 kat daha yüksek olan 30 bin dereceye kadar ısınabilir.
Elektrik alan kaynağının gücünün yeterince büyük olduğu durumlarda, kıvılcım boşalması bir ark boşalmasına dönüşür.
Bu tür kendi kendine devam eden deşarj, yüksek akım yoğunluğu ve düşük (parlak deşarjdan daha az) voltaj ile karakterize edilir. Elektrotların yakınlığı nedeniyle arıza mesafesi küçüktür. Deşarj, katot yüzeyinden bir elektronun yayılmasıyla başlar (metal atomları için iyonlaşma potansiyeli, gaz moleküllerine kıyasla küçüktür). Elektrotlar arasındaki bir arıza sırasında, gazın elektrik akımını ilettiği koşullar yaratılır ve devreyi kapatan bir kıvılcım deşarjı meydana gelir. Gerilim kaynağının gücü yeterince büyükse, kıvılcım deşarjları kararlı bir elektrik arkına dönüşür.
Bir ark deşarjı sırasında iyonlaşma neredeyse %100'e ulaşır, akım gücü çok yüksektir ve 10 ile 100 amper arasında değişebilir. -de atmosferik basınç ark 5-6 bin dereceye kadar ısıtabilir ve katot - 3 bin dereceye kadar, bu da yoğun termal ısıya yol açar elektronik emisyon yüzeyinden. Anotun elektronlarla bombardımanı kısmi yıkıma yol açar: üzerinde bir girinti oluşur - yaklaşık 4000 ° C sıcaklığa sahip bir krater. Basınçtaki bir artış, sıcaklıkta daha da büyük bir artışa neden olur.
Elektrotları seyreltirken, ark deşarjı belirli bir mesafeye kadar sabit kalır, bu da elektrikli ekipmanın neden olduğu temasların aşınması ve yanması nedeniyle zararlı olduğu kısımlarında bununla başa çıkmayı mümkün kılar. Bunlar, yüksek voltaj ve otomatik anahtarlar, kontaktörler ve diğerleri gibi cihazlardır. Kontaklar açıldığında oluşan ark ile mücadele etmenin yöntemlerinden biri de ark uzatma prensibine dayalı ark olukları kullanmaktır. Diğer birçok yöntem de kullanılır: kontakları şöntleme, yüksek iyonlaşma potansiyeline sahip malzemeler kullanma vb.
Bir korona deşarjının gelişimi, yüzeyin büyük bir eğriliğine sahip elektrotların yakınındaki keskin homojen olmayan alanlarda normal atmosferik basınçta meydana gelir. Bunlar kuleler, direkler, teller, karmaşık bir şekle sahip çeşitli elektrikli ekipman elemanları ve hatta insan saçı olabilir. Böyle bir elektrota korona elektrot denir. İyonlaşma süreçleri ve buna bağlı olarak gazın parlaması sadece onun yanında gerçekleşir.
Korona, iyonlarla bombardıman edildiğinde hem katotta (negatif korona) hem de fotoiyonizasyon sonucu anotta (pozitif) oluşabilir. Termal emisyonun bir sonucu olarak iyonlaşma sürecinin elektrottan uzağa yönlendirildiği negatif korona, eşit bir parlaklık ile karakterize edilir. Pozitif koronada, kıvılcım kanallarına dönüşebilen kırık bir konfigürasyonun parlak çizgileri olan flamalar gözlemlenebilir.
Doğal koşullarda bir korona deşarjının bir örneği, yüksek direklerin uçlarında, ağaç tepelerinde vb. meydana gelenlerdir. Atmosferdeki yüksek elektrik alan kuvvetinde, genellikle bir fırtınadan önce veya bir kar fırtınası sırasında oluşurlar. Ek olarak, bir volkanik kül bulutunun içine düşen uçağın derisine sabitlendiler.
Elektrik hatlarının tellerindeki korona deşarjı, önemli elektrik kayıplarına yol açar. Yüksek voltajda, bir korona deşarjı bir arka dönüşebilir. Çeşitli şekillerde, örneğin iletkenlerin eğrilik yarıçapını artırarak savaşılır.
Gazlarda ve plazmada elektrik akımı
Tamamen veya kısmen iyonize bir gaz, plazma olarak adlandırılır ve maddenin dördüncü hali olarak kabul edilir. Genel olarak, plazma elektriksel olarak nötrdür, çünkü onu oluşturan parçacıkların toplam yükü sıfırdır. Bu, onu örneğin elektron ışınları gibi diğer yüklü parçacık sistemlerinden ayırır.
Doğal koşullar altında, plazma, kural olarak, gaz atomlarının yüksek hızlarda çarpışması nedeniyle yüksek sıcaklıklarda oluşur. Evrendeki baryonik maddenin büyük çoğunluğu plazma halindedir. Bunlar yıldızlar, yıldızlararası maddenin bir parçası, galaksiler arası gaz. Dünyanın iyonosferi de seyreltilmiş, zayıf iyonize bir plazmadır.
iyonlaşma derecesi önemli özellik plazma - iletken özellikler buna bağlıdır. İyonlaşma derecesi, iyonize atom sayısının birim hacimdeki toplam atom sayısına oranı olarak tanımlanır. Plazma ne kadar iyonize olursa, elektrik iletkenliği o kadar yüksek olur. Ayrıca yüksek hareket kabiliyetine sahiptir.
Dolayısıyla deşarj kanalında elektriği ileten gazların plazmadan başka bir şey olmadığını görüyoruz. Bu nedenle, ışıma ve korona deşarjları soğuk plazma örnekleridir; bir şimşek kıvılcımı kanalı veya bir elektrik arkı, sıcak, neredeyse tamamen iyonize bir plazmanın örnekleridir.
Metallerde, sıvılarda ve gazlarda elektrik akımı - farklılıklar ve benzerlikler
Diğer ortamlardaki akımın özellikleriyle karşılaştırmalı olarak gaz deşarjını karakterize eden özellikleri ele alalım.
Metallerde akım, kimyasal değişiklikler gerektirmeyen serbest elektronların yönlendirilmiş hareketidir. Bu tür iletkenlere birinci türden iletkenler denir; bunlar, metallere ve alaşımlara ek olarak kömürü, bazı tuzları ve oksitleri içerir. Elektronik iletkenlik ile ayırt edilirler.
İkinci türden iletkenler elektrolitlerdir, yani alkalilerin, asitlerin ve tuzların sıvı sulu çözeltileridir. Akımın geçişi, elektrolit - elektrolizdeki kimyasal bir değişiklikle ilişkilidir. Suda çözünmüş bir maddenin iyonları, potansiyel bir farkın etkisi altında zıt yönlerde hareket eder: pozitif katyonlar - katoda, negatif anyonlar - anoda. Prosese gaz çıkışı veya katot üzerinde bir metal tabakanın birikmesi eşlik eder. İkinci türden iletkenler, iyonik iletkenlik ile karakterize edilir.
Gazların iletkenliğine gelince, birincisi geçicidir ve ikincisi, her biri ile benzerlik ve farklılık belirtileri taşır. Bu nedenle, hem elektrolitlerdeki hem de gazlardaki elektrik akımı, zıt elektrotlara doğru yönlendirilmiş zıt yüklü parçacıkların bir sürüklenmesidir. Bununla birlikte, elektrolitler tamamen iyonik iletkenlik ile karakterize edilirken, elektronik ve iyonik iletkenlik türlerinin bir kombinasyonuna sahip bir gaz deşarjında başrol elektronlara aittir. Sıvı ve gazlardaki elektrik akımı arasındaki diğer bir fark iyonlaşmanın doğasıdır. Bir elektrolitte, çözünmüş bir bileşiğin molekülleri suda ayrışır, ancak bir gazda moleküller parçalanmaz, sadece elektron kaybeder. Bu nedenle, metallerdeki akım gibi gaz deşarjı da kimyasal değişikliklerle ilişkili değildir.
Sıvı ve gazlardaki akım da aynı değildir. Elektrolitlerin iletkenliği bir bütün olarak Ohm yasasına uyar, ancak gaz deşarjı sırasında gözlenmez. Gazların volt-amper özelliği, plazmanın özellikleriyle ilişkili çok daha karmaşık bir karaktere sahiptir.
Gazlarda ve vakumda elektrik akımının genel ve ayırt edici özelliklerinden de söz edilmelidir. Vakum neredeyse mükemmel bir yalıtkandır. "Neredeyse" - çünkü vakumda, serbest yük taşıyıcılarının olmamasına (daha doğrusu, son derece düşük bir konsantrasyona) rağmen, bir akım da mümkündür. Ancak potansiyel taşıyıcılar gazda zaten mevcuttur, sadece iyonize edilmeleri gerekir. Yük taşıyıcılar maddeden vakuma getirilir. Kural olarak, bu, örneğin katot ısıtıldığında (termiyonik emisyon) elektron emisyonu sürecinde meydana gelir. Ancak, gördüğümüz gibi, emisyon çeşitli gaz deşarjlarında da önemli bir rol oynamaktadır.
Teknolojide gaz deşarjlarının kullanımı
Belirli deşarjların zararlı etkileri yukarıda kısaca tartışılmıştır. Şimdi endüstride ve günlük hayatta getirdikleri faydalara dikkat edelim.
Kızdırma deşarjı, elektrik mühendisliğinde (voltaj stabilizatörleri), kaplama teknolojisinde (katot korozyonu olgusuna dayanan katot püskürtme yöntemi) kullanılır. Elektronikte iyon ve elektron ışınları üretmek için kullanılır. Kızdırma deşarjları için iyi bilinen bir uygulama alanı, flüoresan ve sözde ekonomik lambalar ve dekoratif neon ve argon deşarj tüpleridir. Ek olarak, ışıma deşarjı spektroskopide ve spektroskopide kullanılır.
Kıvılcım deşarjı, sigortalarda, elektro-aşındırıcı hassas metal işleme yöntemlerinde (kıvılcımla kesme, delme vb.) kullanılır. Ancak en çok içten yanmalı motorların bujilerinde ve Ev aletleri(gaz sobaları).
İlk olarak 1876'da aydınlatma teknolojisinde (Yablochkov'un mumu - "Rus ışığı") kullanılan ark deşarjı, örneğin projektörlerde ve güçlü spot ışıklarında hala bir ışık kaynağı olarak hizmet ediyor. Elektrik mühendisliğinde ark, cıvalı doğrultucularda kullanılır. Ayrıca elektrikli kaynak, metal kesme, çelik ve alaşım ergitme için endüstriyel elektrikli fırınlarda kullanılır.
Korona deşarjı, iyon gazı saflaştırması için elektrostatik çökelticilerde, temel parçacık sayaçlarında, paratonerlerde, klima sistemlerinde uygulama bulur. Korona deşarjı aynı zamanda fotokopi makinelerinde ve lazer yazıcılarda da çalışır, burada ışığa duyarlı tamburu doldurur ve boşaltır ve tamburdaki tozu kağıda aktarır.
Böylece her türden gaz deşarjı en çok geniş uygulama. Gazlardaki elektrik akımı, teknolojinin birçok alanında başarılı ve etkin bir şekilde kullanılmaktadır.
Serbest elektronların yönlendirilmiş hareketi ile oluşur ve bu durumda iletkenin yapıldığı maddede herhangi bir değişiklik olmaz.
Bir elektrik akımının geçişine, maddelerinde kimyasal değişikliklerin eşlik etmediği bu tür iletkenler denir. birinci tür iletkenler. Bunlara tüm metaller, kömür ve bir dizi başka madde dahildir.
Ancak doğada, akımın geçişi sırasında kimyasal olayların meydana geldiği bu tür elektrik akımı iletkenleri de vardır. Bu iletkenlere denir ikinci türden iletkenler. Bunlar esas olarak asitler, tuzlar ve alkalilerin sudaki çeşitli çözeltilerini içerir.
Bir cam kaba su döküp içine birkaç damla sülfürik asit (veya başka bir asit veya alkali) eklerseniz ve ardından iki metal levha alıp bu levhaları kaba indirerek bunlara iletkenler bağlarsanız ve bir akım bağlarsanız kaynağı bir anahtar ve bir ampermetre vasıtasıyla iletkenlerin diğer uçlarına iletirseniz, çözeltiden gaz salınır ve devre kapanana kadar sürekli olarak devam eder. Asitlenmiş su gerçekten bir iletkendir. Ayrıca plakalar gaz kabarcıkları ile kaplanmaya başlayacaktır. Daha sonra bu baloncuklar plakalardan ayrılarak dışarı çıkacaktır.
Bir elektrik akımı çözeltiden geçtiğinde, gazın salınmasının bir sonucu olarak kimyasal değişiklikler meydana gelir.
İkinci tür iletkenlere elektrolit denir ve içinden bir elektrik akımı geçtiğinde elektrolitte meydana gelen olaya elektrolit denir.
Elektrolite batırılan metal plakalara elektrot denir; akım kaynağının artı kutbuna bağlanan birine anot, eksi kutbuna bağlanan diğerine katot denir.
Sıvı bir iletkende elektrik akımının geçişine ne sebep olur? Bu tür çözeltilerde (elektrolitler), bir çözücünün (bu durumda su) etkisi altındaki asit moleküllerinin (alkaliler, tuzlar) iki bileşene ayrıştığı ve molekülün bir parçacığı pozitif, diğeri ise negatif elektrik yüküne sahiptir.
Bir molekülün elektrik yükü taşıyan taneciklerine iyon denir. Bir asit, tuz veya alkali suda çözündüğünde, çözeltide çok sayıda hem pozitif hem de negatif iyon görünür.
Şimdi çözeltiden neden bir elektrik akımı geçtiği anlaşılmalıdır, çünkü akım kaynağına bağlı elektrotlar arasında yaratılmıştır, yani birinin pozitif, diğerinin negatif yüklü olduğu ortaya çıkmıştır. Bu potansiyel farkın etkisi altında, pozitif iyonlar negatif elektroda - katoda ve negatif iyonlar - anoda doğru hareket etmeye başladı.
Böylece, iyonların kaotik hareketi, negatif iyonların bir yönde ve pozitif iyonların diğer yönde düzenli bir karşı hareketi haline geldi. Bu yük aktarma işlemi, elektrolit boyunca elektrik akımının akışını oluşturur ve elektrotlar arasında bir potansiyel farkı olduğu sürece gerçekleşir. Potansiyel farkın ortadan kalkmasıyla elektrolitten geçen akım durur, iyonların düzenli hareketi bozulur ve kaotik hareket yeniden başlar.
Örnek olarak, içine bakır elektrotlar indirilmiş bir bakır sülfat CuSO4 çözeltisinden bir elektrik akımı geçtiğinde elektroliz olgusunu düşünün.
Akım bir bakır sülfat çözeltisinden geçtiğinde elektroliz olgusu: C - elektrolitli kap, B - akım kaynağı, C - anahtar
Elektrotlara iyonların karşı hareketi de olacaktır. Pozitif iyon bakır (Cu) iyonu, negatif iyon ise asit artığı (SO4) iyonu olacaktır. Bakır iyonları, katot ile temas ettiğinde boşaltılacak (eksik elektronları kendilerine bağlayarak), yani nötr saf bakır moleküllerine dönüşecek ve en ince (moleküler) tabaka şeklinde katot üzerinde biriktirilecektir.
Anoda ulaşan negatif iyonlar da boşaltılır (fazla elektronları verir). Ancak aynı zamanda, anotun bakırı ile kimyasal bir reaksiyona girerler, bunun sonucunda asidik kalıntı SO4'e bir bakır Cu molekülü bağlanır ve geri dönen bir bakır sülfat CuS O4 molekülü oluşur. elektrolite geri dönün.
Çünkü bu kimyasal süreç uzun zaman, daha sonra elektrolitten salınan katot üzerinde bakır biriktirilir. Bu durumda, katoda giden bakır molekülleri yerine, elektrolit, ikinci elektrot olan anotun çözünmesi nedeniyle yeni bakır molekülleri alır.
Bakır elektrotlar yerine çinko elektrotlar alınırsa ve elektrolit bir çinko sülfat ZnS04 çözeltisiyse aynı işlem gerçekleşir. Çinko ayrıca anottan katota aktarılacaktır.
Böylece, metallerdeki elektrik akımı ile sıvı iletkenler arasındaki fark metallerde yalnızca serbest elektronların, yani negatif yüklerin yük taşıyıcıları olduğu, elektrolitlerde ise zıt yüklü madde parçacıkları - zıt yönlerde hareket eden iyonlar tarafından taşındığı gerçeğinde yatmaktadır. bu yüzden öyle derler elektrolitler iyonik iletkenliğe sahiptir.
Elektroliz olgusu 1837'de kimyasal akım kaynaklarının incelenmesi ve iyileştirilmesi konusunda çok sayıda deney yapan B. S. Jacobi tarafından keşfedildi. Jacobi, bakır sülfat çözeltisine yerleştirilen elektrotlardan birinin içinden elektrik akımı geçtiğinde bakırla kaplandığını buldu.
Bu fenomen denir galvanik kaplama, şimdi son derece geniş pratik uygulama buluyor. Bunun bir örneği, metal nesnelerin ince bir diğer metal tabakasıyla kaplanmasıdır, yani nikel kaplama, yaldız, gümüş kaplama vb.
Gazlar (hava dahil) normal koşullar altında elektriği iletmez. Örneğin birbirine paralel asılı duran çıplaklar, bir hava tabakasıyla birbirinden izole edilmiştir.
Bununla birlikte, yüksek sıcaklığın, büyük bir potansiyel farkın ve diğer nedenlerin etkisi altında, sıvı iletkenler gibi gazlar iyonlaşır, yani içlerinde elektrik taşıyıcıları olarak geçişe katkıda bulunan çok sayıda gaz molekülü parçacıkları görünür. gaz üzerinden elektrik akımı.
Ancak aynı zamanda, bir gazın iyonlaşması sıvı bir iletkenin iyonlaşmasından farklıdır. Bir molekül bir sıvıda iki yüklü parçaya ayrılırsa, o zaman gazlarda iyonlaşma etkisi altında elektronlar her molekülden her zaman ayrılır ve bir iyon, molekülün pozitif yüklü bir parçası şeklinde kalır.
Sıvı her zaman bir elektrik akımı iletkeni olarak kalırken, iletken olmayı bıraktığı için gazın iyonlaşmasını durdurmak yeterlidir. Sonuç olarak, bir gazın iletkenliği, dış etkenlerin etkisine bağlı olarak geçici bir olgudur.
Ancak adında bir tane daha var. ark deşarjı veya sadece bir elektrik arkı. Bir elektrik arkı olgusu, 19. yüzyılın başında ilk Rus elektrik mühendisi V. V. Petrov tarafından keşfedildi.
Çok sayıda deney yapan V. V. Petrov, ikisi arasında odun kömürü, bir akım kaynağına bağlıyken, parlak bir ışıkla birlikte havada sürekli bir elektrik boşalması olur. V. V. Petrov yazılarında, bu durumda "karanlık barışın oldukça parlak bir şekilde aydınlatılabileceğini" yazdı. Böylece ilk kez, başka bir Rus elektrik bilimcisi Pavel Nikolaevich Yablochkov tarafından pratik olarak uygulanan elektrik ışığı elde edildi.
Çalışmaları elektrik arkının kullanımına dayanan "Yablochkov'un Mumu" o günlerde elektrik mühendisliğinde gerçek bir devrim yarattı.
Ark deşarjı, bugün bile, örneğin projektörlerde ve projektörlerde bir ışık kaynağı olarak kullanılmaktadır. Sıcaklık ark deşarjı için kullanmanıza izin verir. Şu anda, çok yüksek akımla çalışan ark fırınları bir dizi endüstride kullanılmaktadır: çelik, dökme demir, ferroalyajlar, bronz vb. Ve 1882'de N. N. Benardos, metali kesmek ve kaynaklamak için ilk kez bir ark deşarjı kullandı.
Gaz-ışık tüplerinde, flüoresan lambalarda, voltaj dengeleyicilerde, elektron ve iyon demetleri elde etmek için sözde Kızdırma gazı deşarjı.
Elektrotları cilalı bir yüzeye sahip iki metal top olan bir bilye aralığı kullanılarak büyük potansiyel farklarını ölçmek için bir kıvılcım deşarjı kullanılır. Toplar birbirinden ayrılır ve onlara ölçülen bir potansiyel farkı uygulanır. Daha sonra toplar, aralarında bir kıvılcım sıçrayana kadar bir araya getirilir. Bilyelerin çapını, aralarındaki mesafeyi, havanın basıncını, sıcaklığını ve nemini bilerek bilyalar arasındaki potansiyel farkı özel tablolara göre bulurlar. Bu yöntem, onbinlerce volt mertebesindeki potansiyel farkları yüzde birkaç oranında ölçmek için kullanılabilir.
Aşağıdaki deneyi yapalım.
resim
Düz bir kapasitörün disklerine bir elektrometre takalım. Bundan sonra kapasitörü şarj ediyoruz. Normal sıcaklıklarda ve kuru havada kondansatör çok yavaş boşalır. Buradan, diskler arasındaki hava akımının çok küçük olduğu sonucuna varabiliriz.
Bu nedenle, normal koşullar altında gaz bir dielektriktir. Şimdi kondansatörün plakaları arasındaki havayı ısıtırsak, elektrometrenin ibresi hızla sıfıra yaklaşacak ve sonuç olarak kondansatör boşalacaktır. Bu, ısıtılmış gazda bir elektrik akımı oluştuğu ve böyle bir gazın bir iletken olacağı anlamına gelir.
Gazlardaki elektrik akımı
Gaz deşarjı, akımın bir gazdan geçmesi sürecidir. Tecrübelerden, artan sıcaklıkla havanın iletkenliğinin arttığı görülebilir. Isıtmaya ek olarak, bir gazın iletkenliği, örneğin radyasyonun etkisiyle başka yollarla da arttırılabilir.
Normal koşullar altında, gazlar esas olarak nötr atomlardan ve moleküllerden oluşur ve bu nedenle dielektriktir. Radyasyonla bir gaza etki ettiğimizde veya onu ısıttığımızda, bazı atomlar pozitif iyonlara ve elektronlara bozunmaya başlar - iyonlaşır. Gaz iyonlaşması, ısıtıldığında moleküllerin ve atomların hızlarının çok güçlü bir şekilde artması ve birbirleriyle çarpıştıklarında iyonlara ayrışmaları nedeniyle oluşur.
gaz iletkenliği
Gazlarda iletim esas olarak elektronlar tarafından gerçekleştirilir. Gazlarda iki tür iletkenlik birleştirilir: elektronik ve iyonik. Elektrolit çözeltilerinden farklı olarak, gazlarda iyon oluşumu ya ısıtıldığında ya da harici iyonlaştırıcıların - radyasyon etkisiyle meydana gelirken, elektrolit çözeltilerinde iyon oluşumu moleküller arası bağların zayıflamasından kaynaklanır.
Bir noktada iyonlaştırıcı gaz üzerindeki etkisini durdurursa, akım da duracaktır. Bu durumda, pozitif yüklü iyonlar ve elektronlar yeniden birleşebilir - yeniden birleşebilir. Dış alan yoksa, yüklü parçacıklar yalnızca rekombinasyon nedeniyle kaybolacaktır.
İyonlaştırıcının hareketi kesintiye uğramazsa, dinamik bir denge kurulacaktır. Dinamik bir denge durumunda, yeni oluşan parçacık çiftlerinin (iyonlar ve elektronlar) sayısı, rekombinasyon nedeniyle kaybolan çiftlerin sayısına eşit olacaktır.
fizik soyut
konuyla ilgili:
"Gazlarda elektrik akımı".
Gazlarda elektrik akımı.
1. Gazlarda elektrik boşalması.
içindeki tüm gazlar doğal hal elektriği iletmeyin. Bu, aşağıdaki deneyimden görülebilir:
Düz kapasitör diskleri takılı bir elektrometre alıp şarj edelim. Oda sıcaklığında, hava yeterince kuruysa, kapasitör gözle görülür şekilde boşalmaz - elektrometre iğnesinin konumu değişmez. Elektrometre iğnesinin sapma açısındaki azalmayı fark etmek uzun zaman alır. Bu da diskler arasındaki havadaki elektrik akımının çok küçük olduğunu gösterir. Bu deneyim, havanın zayıf bir elektrik akımı iletkeni olduğunu göstermektedir.
Deneyi değiştirelim: diskler arasındaki havayı bir alkol lambasının aleviyle ısıtalım. Daha sonra elektrometre ibresinin sapma açısı hızla azalır, yani. kondansatörün diskleri arasındaki potansiyel fark azalır - kondansatör boşalır. Sonuç olarak, diskler arasında ısınan hava bir iletken haline geldi ve içinde bir elektrik akımı oluştu.
Gazların yalıtım özellikleri, içlerinde serbest elektrik yükü olmamasıyla açıklanır: gazların atomları ve molekülleri doğal hallerinde nötrdür.
2. Gazların iyonlaşması.
Yukarıdaki deneyim, yüklü parçacıkların yüksek sıcaklığın etkisi altında gazlarda göründüğünü göstermektedir. Gaz atomlarından bir veya daha fazla elektronun ayrılması sonucu ortaya çıkarlar ve bunun sonucunda nötr bir atom yerine pozitif bir iyon ve elektronlar ortaya çıkar. Oluşan elektronların bir kısmı diğer nötr atomlar tarafından yakalanabilir ve daha sonra daha fazla negatif iyon ortaya çıkacaktır. Gaz moleküllerinin elektronlara ve pozitif iyonlara parçalanmasına denir. gazların iyonlaşması.
Bir gazı yüksek bir sıcaklığa ısıtmak, gaz moleküllerini veya atomlarını iyonize etmenin tek yolu değildir. Gaz iyonlaşması, çeşitli dış etkileşimlerin etkisi altında meydana gelebilir: gazın güçlü ısınması, X-ışınları, radyoaktif bozunmadan kaynaklanan a-, b- ve g-ışınları, kozmik ışınlar, hızlı hareket eden elektronlar veya iyonlar tarafından gaz moleküllerinin bombardımanı. Gazların iyonlaşmasına neden olan faktörlere denir. iyonlaştırıcılar.İyonizasyon işleminin kantitatif özelliği, iyonlaşma yoğunluğu, birim zamanda birim gaz hacminde görünen zıt yüklü parçacık çiftlerinin sayısı ile ölçülür.
Bir atomun iyonlaşması, belirli bir enerjinin harcanmasını gerektirir - iyonlaşma enerjisi. Bir atomu (veya molekülü) iyonize etmek için, fırlatılan elektron ile atomun (veya molekülün) geri kalan parçacıkları arasındaki etkileşim kuvvetlerine karşı iş yapmak gerekir. Bu işe iyonlaşma işi denir A i . İyonlaşma işinin değeri, gazın kimyasal doğasına ve atom veya moleküldeki fırlatılan elektronun enerji durumuna bağlıdır.
İyonlaştırıcının sonlandırılmasından sonra gazdaki iyon sayısı zamanla azalır ve sonunda iyonlar tamamen yok olur. İyonların kaybolması, iyonların ve elektronların dahil olduğu gerçeğiyle açıklanır. termal hareket ve bu nedenle birbirleriyle çarpışırlar. Pozitif bir iyon ve bir elektron çarpıştığında, nötr bir atomda yeniden birleşebilirler. Aynı şekilde pozitif ve negatif bir iyon çarpıştığında, negatif iyon fazla elektronunu pozitif iyona verebilir ve her iki iyon da nötr atomlara dönüşür. Bu iyonların karşılıklı olarak nötrleştirilmesi işlemine denir. iyon rekombinasyonu Pozitif bir iyon ve bir elektron veya iki iyon yeniden birleştiğinde, iyonlaşma için harcanan enerjiye eşit belirli bir enerji açığa çıkar. Kısmen ışık şeklinde yayılır ve bu nedenle iyonların rekombinasyonuna lüminesans (rekombinasyonun lüminesansı) eşlik eder.
Gazlardaki elektrik boşalması olgusunda, atomların elektron çarpmalarıyla iyonlaşması önemli bir rol oynar. Bu süreç, yeterli kinetik enerjiye sahip hareketli bir elektronun, nötr bir atomla çarpıştığında ondan bir veya daha fazla atomik elektronu çıkarması, bunun sonucunda nötr atomun pozitif bir iyona dönüşmesi ve yeni elektronların ortaya çıkması gerçeğinden oluşur. gaz (bu daha sonra tartışılacaktır).
Aşağıdaki tablo bazı atomların iyonlaşma enerjilerini vermektedir.
3. Gazların elektriksel iletkenlik mekanizması.
Gaz iletkenlik mekanizması, elektrolit çözeltilerinin ve eriyiklerin iletkenlik mekanizmasına benzer. Bir dış alanın yokluğunda, nötr moleküller gibi yüklü parçacıklar rastgele hareket eder. İyonlar ve serbest elektronlar kendilerini bir dış elektrik alanında bulurlarsa, yönlendirilmiş harekete geçerler ve gazlarda bir elektrik akımı oluştururlar.
Bu nedenle, bir gazdaki elektrik akımı, pozitif iyonların katoda ve negatif iyonların ve elektronların anoda yönlendirilmiş bir hareketidir. Gazdaki toplam akım, iki yüklü parçacık akışından oluşur: anoda giden akış ve katoda yönlendirilen akış.
Yüklü parçacıkların nötralizasyonu, elektrik akımının elektrolitlerin çözeltilerinden ve eriyiklerinden geçmesi durumunda olduğu gibi, elektrotlar üzerinde gerçekleşir. Bununla birlikte, gazlarda, elektrolit çözeltilerinde olduğu gibi, elektrotlar üzerinde herhangi bir madde salınımı yoktur. Elektrotlara yaklaşan gaz iyonları onlara yüklerini verir, nötr moleküllere dönüşür ve tekrar gaza yayılır.
İyonize gazların ve elektrolit çözeltilerinin (erimelerinin) elektriksel iletkenliğindeki bir başka fark, akımın gazlardan geçişi sırasındaki negatif yükün esas olarak negatif iyonlar tarafından değil, elektronlar tarafından aktarılmasıdır, ancak negatif iyonlardan kaynaklanan iletkenlik de oynayabilir. belli bir rol
Böylece, gazlarda, metallerin iletkenliğine benzer elektronik iletkenlik, iletkenliğe benzer şekilde iyonik iletkenlikle birleştirilir. sulu çözeltiler ve elektrolit erir.
4. Kendi kendine yetmeyen gaz deşarjı.
Elektrik akımını bir gazdan geçirme işlemine gaz deşarjı denir. Gazın elektriksel iletkenliği harici iyonlaştırıcılar tarafından oluşturuluyorsa, içinde oluşan elektrik akımına denir. kendi kendini idame ettirmeyen gaz deşarjı. Harici iyonlaştırıcıların etkisinin sona ermesiyle, kendi kendine devam etmeyen deşarj durur. Kendi kendini idame ettirmeyen bir gaz deşarjına gaz parlaması eşlik etmez.
Aşağıda, bir gazda kendi kendine devam etmeyen bir deşarj için akım gücünün voltaja bağımlılığının bir grafiği bulunmaktadır. Grafiği çizmek için cama lehimlenmiş iki metal elektrotlu bir cam tüp kullanıldı. Zincir aşağıdaki şekilde gösterildiği gibi monte edilir.
Belirli bir voltajda, iyonlaştırıcının gaz içinde bir saniyede oluşturduğu tüm yüklü parçacıkların aynı anda elektrotlara ulaştığı bir an gelir. Voltajda daha fazla bir artış artık taşınan iyonların sayısında bir artışa yol açamaz. Akım doygunluğa ulaşır (grafik 1'in yatay bölümü).
5. Bağımsız gaz tahliyesi.
Harici bir iyonlaştırıcının etkisinin sona ermesinden sonra devam eden bir gazdaki elektrik boşalmasına denir. bağımsız gaz deşarjı. Uygulanması için, deşarjın kendisinin bir sonucu olarak, gazda sürekli olarak serbest yüklerin oluşması gerekir. Oluşumlarının ana kaynağı, gaz moleküllerinin darbe iyonlaşmasıdır.
Doygunluğa ulaştıktan sonra elektrotlar arasındaki potansiyel farkı artırmaya devam edersek, yeterince yüksek bir voltajdaki akım gücü keskin bir şekilde artacaktır (grafik 2).
Bu, iyonlaştırıcının etkisi nedeniyle oluşan gazda ek iyonların göründüğü anlamına gelir. Akım gücü yüzlerce ve binlerce kat artabilir ve deşarj işlemi sırasında ortaya çıkan yüklü parçacıkların sayısı o kadar artabilir ki, deşarjı sürdürmek için artık harici bir iyonlaştırıcıya gerek kalmaz. Bu nedenle, iyonlaştırıcı artık çıkarılabilir.
Yüksek voltajlarda akım gücündeki keskin artışın nedenleri nelerdir? Harici bir iyonlaştırıcının etkisiyle oluşan herhangi bir yüklü parçacık çiftini (bir pozitif iyon ve bir elektron) ele alalım. Bu şekilde ortaya çıkan serbest elektron, pozitif elektrota - anoda ve pozitif iyona - katoda doğru hareket etmeye başlar. Elektron yolda iyonlar ve nötr atomlarla karşılaşır. Ardışık iki çarpışma arasındaki aralıklarda, elektrik alan kuvvetlerinin çalışması nedeniyle elektronun enerjisi artar.
 |
Elektrotlar arasındaki potansiyel fark ne kadar büyük olursa, elektrik alan şiddeti de o kadar büyük olur. Bir elektronun bir sonraki çarpışmadan önceki kinetik enerjisi, alan kuvveti ve elektronun serbest yolu ile orantılıdır: MV 2 /2=eEl. Bir elektronun kinetik enerjisi, nötr bir atomu (veya molekülü) iyonize etmek için yapılması gereken işi aşarsa, yani MV 2 >A i , daha sonra bir elektron bir atomla (veya molekülle) çarpıştığında iyonlaşır. Sonuç olarak, bir elektron yerine iki elektron belirir (atoma saldırır ve atomdan koparılır). Sırayla, sahada enerji alırlar ve yaklaşmakta olan atomları vb. açıklanan süreç denir elektron çarpması iyonlaşması.
Ancak tek başına elektron çarpmasıyla iyonlaşma, bağımsız bir yükün korunmasını sağlayamaz. Nitekim sonuçta bu şekilde ortaya çıkan tüm elektronlar anoda doğru hareket eder ve anoda ulaştıklarında "oyundan çıkarlar". Deşarjı sürdürmek için katottan elektron emisyonu gerekir ("emisyon", "emisyon" anlamına gelir). Bir elektronun emisyonu birkaç nedenden dolayı olabilir.
Elektronların nötr atomlarla çarpışması sırasında oluşan pozitif iyonlar, katoda doğru hareket ederken, alanın etkisi altında büyük bir kinetik enerji kazanır. Bu kadar hızlı iyonlar katoda çarptığında, elektronlar katot yüzeyinden dışarı atılır.
Ek olarak, katot yüksek bir sıcaklığa ısıtıldığında elektronlar yayabilir. Bu süreç denir Termiyonik emisyon. Elektronların metalden buharlaşması olarak düşünülebilir. Birçok katı maddede, termiyonik emisyon, maddenin kendisinin buharlaşmasının hala küçük olduğu sıcaklıklarda meydana gelir. Bu tür maddeler katot üretimi için kullanılır.
Kendi kendine deşarj sırasında katot, pozitif iyonlarla bombardıman edilerek ısıtılabilir. İyonların enerjisi çok yüksek değilse, katottan elektronların dışarı atılması olmaz ve termiyonik emisyon nedeniyle elektronlar salınır.
6. Çeşitli kendi kendine deşarj türleri ve teknik uygulamaları.
Gazın özelliklerine ve durumuna, elektrotların doğasına ve konumuna ve ayrıca elektrotlara uygulanan voltaja bağlı olarak çeşitli türlerde kendi kendine deşarj meydana gelir. Bunlardan birkaçını ele alalım.
A. Yanan deşarj.
Gazlarda, birkaç on milimetre cıva ve daha az mertebesinde düşük basınçlarda bir parıldayan deşarj gözlenir. Kızdırma deşarjlı bir tüpü ele alırsak, kızdırma deşarjının ana parçalarının olduğunu görebiliriz. katot Karanlık Uzay, ondan çok uzakta olumsuz veya yanan ışıltı, Yavaş yavaş bölgeye geçen faraday karanlık uzay. Bu üç bölge, deşarjın katot kısmını oluşturur ve bunu optik özelliklerini belirleyen ve deşarjın ana ışıklı kısmı takip eder. pozitif sütun.
Kızdırma deşarjının sürdürülmesindeki ana rol, katot kısmının ilk iki bölgesi tarafından oynanır. Karakteristik özellik Bu tür bir deşarj, katottaki nispeten düşük iyon hızlarından dolayı, I ve II bölgelerinin sınırında yüksek bir pozitif iyon konsantrasyonu ile ilişkili olan, katoda yakın potansiyelde keskin bir düşüştür. Katot karanlık uzayında, elektronları katottan çıkaran güçlü bir elektron ve pozitif iyon ivmesi vardır. Parlayan ışıma bölgesinde, elektronlar gaz moleküllerinin yoğun darbe iyonlaşmasını üretir ve enerjilerini kaybeder. Burada deşarjı sürdürmek için gerekli olan pozitif iyonlar oluşur. Bu bölgedeki elektrik alan şiddeti düşüktür. İçin için yanan parıltı esas olarak iyonların ve elektronların rekombinasyonundan kaynaklanır. Katot karanlık boşluğunun uzunluğu, gazın ve katot malzemesinin özelliklerine göre belirlenir.
Pozitif sütun bölgesinde, elektronların ve iyonların konsantrasyonu yaklaşık olarak aynı ve çok yüksektir, bu da pozitif sütunun yüksek elektriksel iletkenliğine ve içindeki potansiyelde hafif bir düşüşe yol açar. Pozitif sütunun parlaması, uyarılmış gaz moleküllerinin parlamasıyla belirlenir. Anot yakınında, pozitif iyonların üretim süreci ile ilişkili olan, potansiyelde nispeten keskin bir değişiklik tekrar gözlenir. Bazı durumlarda, pozitif sütun ayrı ışıklı alanlara bölünür - Strata, karanlık boşluklarla ayrılmıştır.
Pozitif sütun, akkor deşarjın korunmasında önemli bir rol oynamaz; bu nedenle, tüpün elektrotları arasındaki mesafe azaldıkça, pozitif sütunun uzunluğu azalır ve tamamen kaybolabilir. Elektrotlar birbirine yaklaştığında değişmeyen katot karanlık boşluğunun uzunluğu ile durum farklıdır. Elektrotlar, aralarındaki mesafe katot karanlık boşluğunun uzunluğundan daha az olacak kadar yakınsa, o zaman gazdaki akkor deşarj duracaktır. Deneyler, diğer şeyler eşit olduğunda, katot karanlık uzayının d uzunluğunun gaz basıncıyla ters orantılı olduğunu göstermektedir. Sonuç olarak, yeterince düşük basınçlarda, pozitif iyonlar tarafından katottan atılan elektronlar, gazın içinden neredeyse molekülleriyle çarpışmadan geçerler. elektronik, veya katot ışınları .
Kızdırma deşarjı, elektron ve iyon ışınları elde etmek için gaz lambası tüplerinde, flüoresan lambalarda, voltaj dengeleyicilerde kullanılır. Katotta bir yarık yapılırsa, dar iyon ışınları içinden katodun arkasındaki boşluğa geçer, genellikle buna denir kanal ışınları yaygın olarak kullanılan fenomen katot püskürtme, yani katot yüzeyinin, ona çarpan pozitif iyonların etkisi altında yok edilmesi. Katot malzemesinin ultramikroskopik parçaları, düz çizgiler boyunca her yöne uçar ve bir tüp içine yerleştirilmiş cisimlerin (özellikle dielektrikler) yüzeyini ince bir tabaka ile kaplar. Bu şekilde bir takım cihazlar için aynalar yapılır, selenyum fotosellerine ince bir metal tabaka uygulanır.
b. Korona deşarjı.
Son derece homojen olmayan bir elektrik alanındaki bir gazda normal basınçta bir korona deşarjı meydana gelir (örneğin, yüksek voltaj hatlarının sivri uçlarının veya tellerinin yakınında). Bir korona deşarjında, gaz iyonlaşması ve parlaması yalnızca korona elektrotlarının yakınında meydana gelir. Katot korona (negatif korona) durumunda, gaz moleküllerinin çarpma iyonlaşmasına neden olan elektronlar, pozitif iyonlarla bombardıman edildiğinde katottan dışarı atılır. Anot korona (pozitif korona) ise, o zaman anot yakınındaki gazın fotoiyonlaşması nedeniyle elektronların doğuşu gerçekleşir. Korona, akım kaçağı ve kaybının eşlik ettiği zararlı bir olgudur elektrik enerjisi. Koronayı azaltmak için iletkenlerin eğrilik yarıçapı artırılır ve yüzeyleri olabildiğince pürüzsüz hale getirilir. Elektrotlar arasında yeterince yüksek bir voltajda, korona deşarjı bir kıvılcıma dönüşür.
Artan bir voltajda, uçtaki korona deşarjı, uçtan yayılan ve zamanla değişen ışık çizgileri şeklini alır. Bir dizi bükülme ve bükülmeye sahip olan bu çizgiler, bir tür fırça oluşturur ve bunun sonucunda böyle bir deşarj denir. karpal .
Yüklü bir fırtına bulutu, altındaki Dünya yüzeyinde zıt işaretin elektrik yüklerini indükler. Uçlarda özellikle büyük bir yük birikir. Bu nedenle, bir fırtınadan önce veya bir fırtına sırasında, fırça benzeri ışık konileri genellikle yüksek nesnelerin uçlarında ve keskin köşelerinde parlar. Antik çağlardan beri bu parıltıya Aziz Elmo'nun ateşleri denir.
Özellikle dağcılar bu fenomenin tanıkları olurlar. Hatta bazen sadece metal nesneler değil, kafadaki saçların uçları da küçük parlak püsküllerle süslenir.
Yüksek voltajla uğraşırken korona deşarjı dikkate alınmalıdır. Çıkıntılı parçalar veya çok ince teller varsa korona deşarjı başlayabilir. Bu, elektrik kaçağına neden olur. Yüksek gerilim hattının gerilimi ne kadar yüksekse teller o kadar kalın olmalıdır.
C. Kıvılcım deşarjı.
Kıvılcım deşarjı, deşarj aralığına giren ve kaybolan, yenileriyle değiştirilen parlak zikzak dallanan filament kanalları görünümündedir. Çalışmalar, kıvılcım deşarj kanallarının bazen pozitif elektrottan, bazen negatiften ve bazen de elektrotlar arasındaki bir noktadan büyümeye başladığını göstermiştir. Bu, bir kıvılcım deşarjı durumunda çarpma iyonlaşmasının tüm gaz hacminde değil, iyon konsantrasyonunun kazara en yüksek olduğu yerlerden geçen ayrı kanallardan geçmesiyle açıklanır. Kıvılcım deşarjına, büyük miktarda ısı, parlak bir gaz parlaması, çatırtı veya gök gürültüsü eşlik eder. Tüm bu fenomenler, kıvılcım kanallarında meydana gelen elektron ve iyon çığlarından kaynaklanır ve basınçta 10 7 ¸ 10 8 Pa'ya ulaşan büyük bir artışa ve sıcaklıkta 10.000 °C'ye kadar bir artışa yol açar.
Kıvılcım boşalmasının tipik bir örneği şimşektir. Ana yıldırım kanalının çapı 10 ila 25 cm'dir ve yıldırım uzunluğu birkaç kilometreye ulaşabilir. Bir yıldırım darbesinin maksimum akımı onlarca ve yüzbinlerce ampere ulaşır.
Deşarj aralığının küçük bir uzunluğu ile kıvılcım deşarjı, anodun belirli bir tahribatına neden olur. erozyon. Bu fenomen, elektrospark yönteminde kesme, delme ve diğer hassas metal işleme türlerinde kullanılmıştır.
Kıvılcım aralığı, elektrik iletim hatlarında (örneğin telefon hatlarında) aşırı gerilim koruyucu olarak kullanılır. Hattın yanından kısa süreli güçlü bir akım geçerse, bu hattın tellerinde elektrik tesisatını bozabilecek ve insan hayatı için tehlikeli olabilecek gerilimler ve akımlar indüklenir. Bunu önlemek için, biri hatta bağlı ve diğeri topraklanmış iki kavisli elektrottan oluşan özel sigortalar kullanılır. Hattın zemine göre potansiyeli büyük ölçüde artarsa, elektrotlar arasında ısıtılan hava ile birlikte yükselen, uzayan ve kırılan bir kıvılcım deşarjı meydana gelir.
Son olarak, büyük potansiyel farklarını ölçmek için bir elektrik kıvılcımı kullanılır. top boşluğu elektrotları cilalı bir yüzeye sahip iki metal top olan. Toplar birbirinden ayrılır ve onlara ölçülen bir potansiyel farkı uygulanır. Daha sonra toplar, aralarında bir kıvılcım sıçrayana kadar bir araya getirilir. Bilyelerin çapını, aralarındaki mesafeyi, havanın basıncını, sıcaklığını ve nemini bilerek bilyalar arasındaki potansiyel farkı özel tablolara göre bulurlar. Bu yöntem, onbinlerce volt mertebesindeki potansiyel farkları yüzde birkaç oranında ölçmek için kullanılabilir.
D. Ark deşarjı.
Ark deşarjı, 1802'de V. V. Petrov tarafından keşfedildi. Bu deşarj, yüksek bir akım yoğunluğunda ve elektrotlar arasında nispeten düşük bir voltajda (birkaç on volt mertebesinde) meydana gelen gaz deşarjı biçimlerinden biridir. Ark deşarjının ana nedeni, sıcak bir katot tarafından yoğun termoelektron emisyonudur. Bu elektronlar bir elektrik alanı tarafından hızlandırılır ve gaz moleküllerinin darbeli iyonlaşmasını sağlar. elektrik direnci elektrotlar arasındaki gaz aralığı nispeten küçüktür. Dış devrenin direncini düşürürsek, ark deşarjının akımını arttırırsak, gaz aralığının iletkenliği o kadar artar ki elektrotlar arasındaki voltaj düşer. Bu nedenle ark deşarjının düşen akım-gerilim karakteristiğine sahip olduğu söylenir. Atmosfer basıncında katot sıcaklığı 3000 °C'ye ulaşır. Anodu bombalayan elektronlar, içinde bir girinti (krater) oluşturur ve onu ısıtır. Kraterin sıcaklığı yaklaşık 4000 °C'dir ve yüksek hava basınçlarında 6000-7000 °C'ye ulaşır. Ark deşarj kanalındaki gazın sıcaklığı 5000-6000 °C'ye ulaşır, bu nedenle içinde yoğun termal iyonlaşma meydana gelir.
Bazı durumlarda, nispeten düşük bir katot sıcaklığında da bir ark deşarjı gözlemlenir (örneğin, bir cıva ark lambasında).
1876'da P. N. Yablochkov, ışık kaynağı olarak ilk kez bir elektrik arkı kullandı. "Yablochkov mumunda" kömürler paralel olarak düzenlenmiş ve kavisli bir tabaka ile ayrılmış ve uçları iletken bir "ateşleme köprüsü" ile birbirine bağlanmıştır. Akım açıldığında ateşleme köprüsü yandı ve kömürler arasında bir elektrik arkı oluştu. Kömürler yandıkça yalıtım tabakası buharlaştı.
Ark deşarjı, bugün bile, örneğin projektörlerde ve projektörlerde bir ışık kaynağı olarak kullanılmaktadır.
Ark deşarjının yüksek sıcaklığı, bir ark ocağı yapımında kullanılmasını mümkün kılar. Şu anda, çok yüksek akımla çalışan ark fırınları bir dizi endüstride kullanılmaktadır: çelik, dökme demir, ferroalyajlar, bronz, kalsiyum karbür, nitrojen oksit vb.
1882'de N. N. Benardos, metali kesmek ve kaynaklamak için ilk olarak bir ark deşarjı kullandı. Sabit bir karbon elektrot ile metal arasındaki boşalma, iki metal levhanın (veya levhanın) birleşimini ısıtır ve onları kaynak yapar. Benardos, metal plakaları kesmek ve içlerinde delikler açmak için aynı yöntemi kullandı. 1888'de N. G. Slavyanov, karbon elektrotu metal bir elektrotla değiştirerek bu kaynak yöntemini geliştirdi.
Ark deşarjı, alternatif bir elektrik akımını doğru akıma dönüştüren bir cıva doğrultucuda uygulama bulmuştur.
E. Plazma.
Plazma, pozitif ve negatif yüklerin yoğunluklarının hemen hemen aynı olduğu kısmen veya tamamen iyonize bir gazdır. Bu nedenle, plazma bir bütün olarak elektriksel olarak nötr bir sistemdir.
Plazmanın kantitatif özelliği, iyonlaşma derecesidir. Plazma iyonlaşma derecesi a, yüklü parçacıkların hacim konsantrasyonunun parçacıkların toplam hacim konsantrasyonuna oranıdır. İyonlaşma derecesine bağlı olarak, plazma ayrılır zayıf iyonize(a yüzde kesirleridir), kısmen iyonize (a yüzde birkaç mertebesinde) ve tamamen iyonize (a %100'e yakındır). Doğal koşullarda zayıf iyonize plazma, atmosferin üst katmanlarıdır - iyonosfer. Güneş, sıcak yıldızlar ve bazı yıldızlararası bulutlar, yüksek sıcaklıklarda oluşan tamamen iyonize plazmadır.
Bir plazmayı oluşturan çeşitli parçacık türlerinin ortalama enerjileri birbirinden önemli ölçüde farklı olabilir. Bu nedenle, plazma tek bir sıcaklık T değeri ile karakterize edilemez; Elektron sıcaklığı Te, iyon sıcaklığı Ti (veya plazmada birkaç çeşit iyon varsa iyon sıcaklıkları) ve nötr atomların sıcaklığı Ta (nötr bileşen) arasında ayrım yapın. Böyle bir plazma, tüm bileşenlerin sıcaklıklarının aynı olduğu izotermal plazmanın aksine, izotermal olmayan olarak adlandırılır.
Plazma ayrıca yüksek sıcaklık (T i »10 6 -10 8 K ve üzeri) ve düşük sıcaklık olarak ikiye ayrılır!!! (T ben<=10 5 К). Это условное разделение связано с особой влажностью высокотемпературной плазмы в связи с проблемой осуществления управляемого термоядерного синтеза.
Plazma, onu maddenin özel bir dördüncü hali olarak görmemizi sağlayan bir dizi özel özelliğe sahiptir.
Yüklü plazma parçacıklarının yüksek hareketliliği nedeniyle, elektrik ve manyetik alanların etkisi altında kolayca hareket ederler. Bu nedenle, aynı yük işaretine sahip parçacıkların birikmesinden kaynaklanan, plazmanın ayrı bölgelerinin elektriksel nötrlüğünün herhangi bir ihlali hızla ortadan kaldırılır. Ortaya çıkan elektrik alanlar, elektrik nötrlüğü geri gelene ve elektrik alan sıfır olana kadar yüklü parçacıkları hareket ettirir. Molekülleri arasında kısa menzilli kuvvetler bulunan nötr bir gazın aksine, yüklü plazma parçacıkları arasında mesafe ile nispeten yavaş azalan Coulomb kuvvetleri vardır. Her parçacık, çevredeki çok sayıda parçacıkla anında etkileşime girer. Bu nedenle, kaotik termal hareketle birlikte, plazma parçacıkları çeşitli sıralı hareketlere katılabilir. Bir plazmada çeşitli salınımlar ve dalgalar kolayca uyarılır.
İyonizasyon derecesi arttıkça plazma iletkenliği artar. Yüksek sıcaklıklarda, tamamen iyonize bir plazma, iletkenliği açısından süper iletkenlere yaklaşır.
Düşük sıcaklıklı plazma, gaz deşarjlı ışık kaynaklarında - reklam yazıları için ışıklı tüplerde, flüoresan lambalarda kullanılır. Birçok cihazda, örneğin gaz lazerlerinde - kuantum ışık kaynaklarında bir gaz deşarj lambası kullanılır.
Manyetohidrodinamik jeneratörlerde yüksek sıcaklıkta plazma kullanılır.
Yakın zamanda yeni bir cihaz olan plazma meşalesi yaratıldı. Plazmatron, teknolojinin çeşitli alanlarında yaygın olarak kullanılan güçlü yoğun düşük sıcaklıklı plazma jetleri oluşturur: metallerin kesilmesi ve kaynaklanması, sert kayalarda kuyu açılması vb.
Kullanılan literatür listesi:
1) Fizik: Elektrodinamik. 10-11 hücre: ders kitabı. fiziğin derinlemesine incelenmesi için / G. Ya Myakishev, A. Z. Sinyakov, B. A. Slobodskov. - 2. baskı - M.: Drofa, 1998. - 480 s.
2) Fizik dersi (üç cilt). T.II. elektrik ve manyetizma. Proc. teknik kolejler için el kitabı. / Detlaf A.A., Yavorsky B.M., Milkovskaya L.B. Izd. 4., revize edildi. - M.: Yüksekokul, 1977. - 375 s.
3) Elektrik./E. G. Kalaşnikof. Ed. "Bilim", Moskova, 1977.
4) Fizik./B. B. Bukhovtsev, Yu L. Klimontovich, G. Ya Myakishev. 3. baskı, gözden geçirilmiş. – M.: Aydınlanma, 1986.