W naturze nie ma absolutnych dielektryków. Uporządkowany ruch cząstek - nośników ładunku elektrycznego - czyli prądu, można wywołać w dowolnym ośrodku, ale wymaga to specjalnych warunków. Zastanowimy się tutaj, jak przebiegają zjawiska elektryczne w gazach i jak można zmienić gaz z bardzo dobrego dielektryka w bardzo dobry przewodnik. Interesują nas warunki, w jakich powstaje, a także jakie cechy charakteryzują prąd elektryczny w gazach.
Właściwości elektryczne gazów
Dielektryk to substancja (nośnik), w której koncentracja cząstek - swobodnych nośników ładunku elektrycznego - nie osiąga znaczącej wartości, w wyniku czego przewodnictwo jest pomijalne. Wszystkie gazy są dobrymi dielektrykami. Ich właściwości izolacyjne są wykorzystywane wszędzie. Na przykład, w dowolnym wyłączniku, otwarcie obwodu następuje, gdy styki są ustawione w takiej pozycji, że tworzy się między nimi szczelina powietrzna. Przewody w liniach energetycznychsą również odizolowane od siebie warstwą powietrza.
Jednostką strukturalną każdego gazu jest cząsteczka. Składa się z jąder atomowych i chmur elektronowych, czyli jest zbiorem ładunków elektrycznych rozłożonych w jakiś sposób w przestrzeni. Cząsteczka gazu może być dipolem elektrycznym ze względu na specyfikę jego struktury lub może być spolaryzowana pod działaniem zewnętrznego pola elektrycznego. Ogromna większość cząsteczek tworzących gaz jest w normalnych warunkach elektrycznie obojętna, ponieważ zawarte w nich ładunki znoszą się nawzajem.
Jeśli do gazu zostanie przyłożone pole elektryczne, molekuły przyjmą orientację dipolową, zajmując pozycję przestrzenną, która kompensuje efekt pola. Naładowane cząstki obecne w gazie pod wpływem sił kulombowskich zaczną przemieszczać się: jony dodatnie - w kierunku katody, jony ujemne i elektrony - w kierunku anody. Jeśli jednak pole ma niewystarczający potencjał, nie powstaje pojedynczy ukierunkowany przepływ ładunków i można raczej mówić o oddzielnych prądach, tak słabych, że należy je pominąć. Gaz zachowuje się jak dielektryk.
Dlatego do wystąpienia prądu elektrycznego w gazach wymagana jest duża koncentracja nośników wolnych ładunków oraz obecność pola.
Jonizacja
Proces lawinowego wzrostu liczby darmowych ładunków w gazie nazywany jest jonizacją. W związku z tym gaz, w którym znajduje się znaczna ilość naładowanych cząstek, nazywa się zjonizowanym. W takich gazach powstaje prąd elektryczny.
Proces jonizacji wiąże się z naruszeniem neutralności cząsteczek. W wyniku oderwania się elektronu pojawiają się jony dodatnie, przyłączenie elektronu do cząsteczki prowadzi do powstania jonu ujemnego. Ponadto w zjonizowanym gazie znajduje się wiele wolnych elektronów. Jony dodatnie, a zwłaszcza elektrony, są głównymi nośnikami ładunku prądu elektrycznego w gazach.
Jonizacja następuje, gdy pewna ilość energii jest przekazywana cząstce. Tak więc zewnętrzny elektron w składzie cząsteczki, po otrzymaniu tej energii, może opuścić cząsteczkę. Wzajemne zderzenia cząstek naładowanych z obojętnymi prowadzą do wybicia nowych elektronów, a proces ten nabiera charakteru lawinowego. Energia kinetyczna cząsteczek również wzrasta, co znacznie sprzyja jonizacji.
Skąd pochodzi energia wykorzystywana do wzbudzania prądu elektrycznego w gazach? Jonizacja gazów ma kilka źródeł energii, zgodnie z którymi zwyczajowo nazywa się jej rodzaje.
- Jonizacja przez pole elektryczne. W tym przypadku energia potencjalna pola jest zamieniana na energię kinetyczną cząstek.
- Termojonizacja. Wzrost temperatury prowadzi również do powstania dużej liczby bezpłatnych opłat.
- Fotojonizacja. Istotą tego procesu jest to, że elektrony są zasilane energią przez kwanty promieniowania elektromagnetycznego - fotony, jeśli mają wystarczająco wysoką częstotliwość (ultrafiolet, promieniowanie rentgenowskie, kwanty gamma).
- Jonizacja uderzeniowa jest wynikiem konwersji energii kinetycznej zderzających się cząstek na energię separacji elektronów. Jak równieżjonizacja termiczna, służy jako główny czynnik wzbudzenia w gazach prądu elektrycznego.
Każdy gaz charakteryzuje się określoną wartością progową - energią jonizacji potrzebną do oderwania się elektronu od cząsteczki, pokonując barierę potencjału. Ta wartość dla pierwszego elektronu waha się od kilku woltów do dwóch dziesiątek woltów; potrzeba więcej energii, aby usunąć następny elektron z cząsteczki i tak dalej.
Należy wziąć pod uwagę, że jednocześnie z jonizacją w gazie zachodzi proces odwrotny - rekombinacja, czyli odtworzenie obojętnych cząsteczek pod działaniem sił przyciągania kulombowskiego.
Wyładowanie gazu i jego rodzaje
Tak więc prąd elektryczny w gazach wynika z uporządkowanego ruchu naładowanych cząstek pod wpływem przyłożonego do nich pola elektrycznego. Z kolei obecność takich ładunków jest możliwa dzięki różnym czynnikom jonizacyjnym.
Tak więc jonizacja termiczna wymaga znacznych temperatur, ale otwarty płomień z powodu pewnych procesów chemicznych przyczynia się do jonizacji. Nawet w stosunkowo niskiej temperaturze, w obecności płomienia, pojawia się prąd elektryczny w gazach, a eksperyment z przewodnością gazu ułatwia to zweryfikowanie. Konieczne jest umieszczenie płomienia palnika lub świecy między płytkami naładowanego kondensatora. Obwód wcześniej otwarty z powodu szczeliny powietrznej w kondensatorze zostanie zamknięty. Galwanometr podłączony do obwodu wskaże obecność prądu.
Prąd elektryczny w gazach nazywany jest wyładowaniem gazowym. Należy pamiętać, żeaby utrzymać stabilność wyładowania, działanie jonizatora musi być stałe, ponieważ w wyniku ciągłej rekombinacji gaz traci swoje właściwości przewodzące prąd elektryczny. Niektóre nośniki prądu elektrycznego w gazach - jony - są neutralizowane na elektrodach, inne - elektrony - padające na anodę, kierowane są na „plus” źródła pola. Jeśli czynnik jonizujący przestanie działać, gaz natychmiast stanie się ponownie dielektrykiem, a prąd ustanie. Taki prąd, zależny od działania zewnętrznego jonizatora, nazywany jest wyładowaniem niesamodzielnym.
Cechy przepływu prądu elektrycznego przez gazy są opisane specjalną zależnością natężenia prądu od napięcia – charakterystyka prądowo-napięciowa.
Rozważmy rozwój wyładowania gazowego na wykresie zależności prąd-napięcie. Gdy napięcie wzrośnie do określonej wartości U1, prąd rośnie proporcjonalnie do niego, czyli spełnione jest prawo Ohma. Energia kinetyczna wzrasta, a tym samym prędkość ładunków w gazie, a proces ten wyprzedza rekombinację. Przy wartościach napięcia od U1 do U2 ten stosunek jest naruszony; po osiągnięciu U2 wszystkie nośniki ładunku docierają do elektrod bez czasu na ponowne połączenie. W grę wchodzą wszystkie darmowe opłaty, a dalszy wzrost napięcia nie prowadzi do wzrostu prądu. Ten rodzaj ruchu ładunków nazywa się prądem nasycenia. Możemy zatem powiedzieć, że prąd elektryczny w gazach wynika również ze specyfiki zachowania zjonizowanego gazu w polach elektrycznych o różnej sile.
Gdy różnica potencjałów między elektrodami osiągnie określoną wartość U3, napięcie staje się wystarczające, aby pole elektryczne wywołało lawinową jonizację gazu. Energia kinetyczna swobodnych elektronów wystarcza już do uderzeniowej jonizacji cząsteczek. Jednocześnie ich prędkość w większości gazów wynosi około 2000 km/s i więcej (wyliczana jest z przybliżonego wzoru v=600 Ui, gdzie Ui to potencjał jonizacji). W tym momencie następuje awaria gazu i następuje znaczny wzrost prądu z powodu wewnętrznego źródła jonizacji. Dlatego takie wyładowanie nazywa się niezależnym.
Obecność zewnętrznego jonizatora w tym przypadku nie odgrywa już roli w utrzymaniu prądu elektrycznego w gazach. Samopodtrzymujące się wyładowanie w różnych warunkach i przy różnych charakterystykach źródła pola elektrycznego może mieć pewne cechy. Istnieją takie rodzaje samorozładowania jak poświata, iskra, łuk i korona. Przyjrzymy się, jak zachowuje się prąd elektryczny w gazach, krótko dla każdego z tych typów.
Wyładowanie żarowe
W rozrzedzonym gazie różnica potencjałów od 100 (a nawet mniej) do 1000 woltów wystarcza do zainicjowania niezależnego wyładowania. Dlatego wyładowanie jarzeniowe, charakteryzujące się niskim natężeniem prądu (od 10-5 A do 1 A), występuje przy ciśnieniu nie większym niż kilka milimetrów rtęci.
W rurze z rozrzedzonym gazem i zimnymi elektrodami, pojawiające się wyładowanie jarzeniowe wygląda jak cienki świetlisty przewód między elektrodami. Jeśli będziesz nadal pompować gaz z rurki, zaobserwujeszrozmycie sznurka i przy ciśnieniu dziesiątych części milimetra rtęci blask wypełnia rurkę prawie całkowicie. W pobliżu katody nie ma jarzenia - w tak zwanej ciemnej przestrzeni katodowej. Reszta nazywana jest kolumną dodatnią. W tym przypadku główne procesy, które zapewniają istnienie wyładowania, są zlokalizowane właśnie w ciemnej przestrzeni katodowej i w sąsiadującym z nią obszarze. Tutaj naładowane cząstki gazu są przyspieszane, wybijając elektrony z katody.
W wyładowaniu jarzeniowym przyczyną jonizacji jest emisja elektronów z katody. Elektrony emitowane przez katodę powodują jonizację uderzeniową cząsteczek gazu, powstające jony dodatnie powodują wtórną emisję z katody i tak dalej. Poświata kolumny dodatniej wynika głównie z odrzutu fotonów przez wzbudzone cząsteczki gazu, a różne gazy charakteryzują się poświatą o określonym kolorze. Kolumna dodatnia bierze udział w powstawaniu wyładowania jarzeniowego tylko jako odcinek obwodu elektrycznego. Jeśli zbliżysz elektrody do siebie, możesz osiągnąć zniknięcie kolumny dodatniej, ale wyładowanie nie zatrzyma się. Jednak przy dalszym zmniejszeniu odległości między elektrodami wyładowanie jarzeniowe nie będzie mogło istnieć.
Należy zauważyć, że w przypadku tego rodzaju prądu elektrycznego w gazach fizyka niektórych procesów nie została jeszcze w pełni wyjaśniona. Na przykład, charakter sił powodujących rozszerzanie się powierzchni katody obszaru biorącego udział w wyładowaniu pozostaje niejasny.
Wyładowanie iskry
Iskraawaria ma charakter impulsywny. Występuje przy ciśnieniu zbliżonym do normalnego atmosferycznego, w przypadkach, gdy moc źródła pola elektrycznego nie wystarcza do utrzymania stacjonarnego wyładowania. W tym przypadku natężenie pola jest duże i może osiągnąć 3 MV/m. Zjawisko to charakteryzuje się gwałtownym wzrostem wyładowania prądu elektrycznego w gazie, jednocześnie bardzo szybko spada napięcie, a wyładowanie ustaje. Następnie różnica potencjałów ponownie wzrasta i cały proces się powtarza.
W przypadku tego typu wyładowania powstają krótkotrwałe kanały iskrzące, których wzrost może rozpocząć się w dowolnym punkcie między elektrodami. Wynika to z faktu, że jonizacja uderzeniowa zachodzi losowo w miejscach, w których aktualnie koncentruje się największa liczba jonów. W pobliżu kanału iskrowego gaz szybko się nagrzewa i podlega rozszerzalności cieplnej, co powoduje powstawanie fal akustycznych. Dlatego wyładowaniu iskrowemu towarzyszy trzaskanie, a także wydzielanie ciepła i jasna poświata. Procesy jonizacji lawinowej generują wysokie ciśnienia i temperatury do 10 tys. stopni i więcej w kanale iskry.
Najwyraźniejszym przykładem naturalnego wyładowania iskrowego jest piorun. Średnica głównego kanału iskry piorunowej może wynosić od kilku centymetrów do 4 m, a długość kanału może sięgać 10 km. Wielkość prądu sięga 500 tysięcy amperów, a różnica potencjałów między chmurą burzową a powierzchnią Ziemi sięga miliarda woltów.
Najdłuższą piorun o długości 321 km zaobserwowano w 2007 roku w Oklahomie w USA. Rekordzistą za ten czas był piorun, nagranyw 2012 roku we francuskich Alpach – trwała ponad 7,7 sekundy. W przypadku uderzenia pioruna powietrze może nagrzać się do 30 tys. stopni, czyli 6 razy więcej niż temperatura widocznej powierzchni Słońca.
W przypadkach, gdy moc źródła pola elektrycznego jest wystarczająco duża, wyładowanie iskrowe przekształca się w łuk.
Wyładowanie łukowe
Ten typ samorozładowania charakteryzuje się wysoką gęstością prądu i niskim (poniżej wyładowania jarzeniowego) napięciem. Odległość przebicia jest niewielka ze względu na bliskość elektrod. Wyładowanie inicjowane jest przez emisję elektronu z powierzchni katody (dla atomów metali potencjał jonizacji jest mały w porównaniu z cząsteczkami gazu). Podczas przebicia między elektrodami powstają warunki, w których gaz przewodzi prąd elektryczny i następuje wyładowanie iskrowe, które zamyka obwód. Jeśli moc źródła napięcia jest wystarczająco duża, wyładowania iskrowe zamieniają się w stabilny łuk elektryczny.
Jonizacja podczas wyładowania łukowego osiąga prawie 100%, natężenie prądu jest bardzo wysokie i może wynosić od 10 do 100 amperów. Przy ciśnieniu atmosferycznym łuk może nagrzewać się do 5–6 tys. stopni, a katoda do 3 tys. stopni, co prowadzi do intensywnej emisji termojonowej z jego powierzchni. Bombardowanie anody elektronami prowadzi do częściowej destrukcji: tworzy się na niej wgłębienie - krater o temperaturze około 4000 °C. Wzrost ciśnienia powoduje jeszcze większy wzrost temperatury.
Podczas rozkładania elektrod wyładowanie łukowe pozostaje stabilne do pewnej odległości,co pozwala na radzenie sobie z nim w tych obszarach sprzętu elektrycznego, gdzie jest szkodliwy z powodu spowodowanej nią korozji i wypalenia styków. Są to urządzenia takie jak wyłączniki wysokiego napięcia i automatyczne, styczniki i inne. Jedną z metod zwalczania łuku powstającego podczas otwierania styków jest zastosowanie komór łukowych opartych na zasadzie wydłużenia łuku. Stosuje się również wiele innych metod: styki mostkowe, użycie materiałów o wysokim potencjale jonizacyjnym itd.
Wyładowanie koronowe
Rozwój wyładowania koronowego następuje przy normalnym ciśnieniu atmosferycznym w silnie niejednorodnych polach w pobliżu elektrod o dużej krzywiźnie powierzchni. Mogą to być iglice, maszty, przewody, różne elementy wyposażenia elektrycznego o skomplikowanym kształcie, a nawet włosy ludzkie. Taka elektroda nazywana jest elektrodą koronową. Procesy jonizacji i odpowiednio świecenie gazu zachodzą tylko w jego pobliżu.
Korona może tworzyć się zarówno na katodzie (korona ujemna) podczas bombardowania jonami, jak i na anodzie (dodatnia) w wyniku fotojonizacji. Korona ujemna, w której proces jonizacji jest odwracany od elektrody w wyniku emisji termicznej, charakteryzuje się równomiernym jarzeniem. W koronie dodatniej można zaobserwować serpentyny - świecące linie o zerwanej konfiguracji, które mogą zamienić się w kanały iskier.
Przykładem wyładowania koronowego w warunkach naturalnych są pożary św. Elma, które pojawiają się na czubkach wysokich masztów, wierzchołkach drzew i tak dalej. Powstają przy wysokim napięciu elektrycznympola w atmosferze, często przed burzą lub podczas śnieżycy. Dodatkowo zostały naprawione na poszycie samolotu, który wpadł w chmurę popiołu wulkanicznego.
Wyładowania koronowe na przewodach linii energetycznych prowadzą do znacznych strat energii elektrycznej. Przy wysokim napięciu wyładowanie koronowe może przekształcić się w łuk. Walczy się to na różne sposoby, na przykład zwiększając promień krzywizny przewodów.
Prąd elektryczny w gazach i plazmie
Całkowicie lub częściowo zjonizowany gaz nazywany jest plazmą i jest uważany za czwarty stan skupienia. Ogólnie rzecz biorąc, plazma jest elektrycznie obojętna, ponieważ całkowity ładunek jej cząstek składowych wynosi zero. To odróżnia go od innych systemów naładowanych cząstek, takich jak wiązki elektronów.
W warunkach naturalnych plazma z reguły powstaje w wysokich temperaturach w wyniku zderzenia atomów gazu przy dużych prędkościach. Zdecydowana większość materii barionowej we Wszechświecie znajduje się w stanie plazmy. Są to gwiazdy, część materii międzygwiazdowej, gaz międzygalaktyczny. Jonosfera Ziemi jest również rozrzedzoną, słabo zjonizowaną plazmą.
Stopień jonizacji jest ważną cechą plazmy - od tego zależą jej właściwości przewodzące. Stopień jonizacji definiuje się jako stosunek liczby zjonizowanych atomów do całkowitej liczby atomów na jednostkę objętości. Im bardziej zjonizowana plazma, tym wyższa jej przewodność elektryczna. Dodatkowo charakteryzuje się dużą mobilnością.
Widzimy zatem, że gazy przewodzące elektryczność znajdują się wewnątrzkanały wyładowcze to nic innego jak plazma. Zatem wyładowania jarzeniowe i koronowe są przykładami zimnej plazmy; iskrowy kanał piorunowy lub łuk elektryczny to przykłady gorącej, prawie całkowicie zjonizowanej plazmy.
Prąd elektryczny w metalach, cieczach i gazach - różnice i podobieństwa
Rozważmy cechy charakteryzujące wyładowanie gazowe w porównaniu z właściwościami prądu w innych mediach.
W metalach prąd to ukierunkowany ruch swobodnych elektronów, który nie pociąga za sobą zmian chemicznych. Przewodniki tego typu nazywane są przewodnikami pierwszego rodzaju; są to, oprócz metali i stopów, węgiel, niektóre sole i tlenki. Wyróżnia je przewodnictwo elektroniczne.
Przewodniki drugiego rodzaju to elektrolity, czyli płynne wodne roztwory zasad, kwasów i soli. Przepływ prądu wiąże się z chemiczną zmianą w elektrolicie - elektrolizą. Jony substancji rozpuszczonej w wodzie pod działaniem różnicy potencjałów poruszają się w przeciwnych kierunkach: kationy dodatnie - do katody, aniony ujemne - do anody. Procesowi towarzyszy wydzielanie się gazu lub osadzanie warstwy metalu na katodzie. Przewodniki drugiego rodzaju charakteryzują się przewodnością jonową.
Jeśli chodzi o przewodnictwo gazów, jest ono po pierwsze tymczasowe, a po drugie, z każdym z nich wykazuje oznaki podobieństw i różnic. Tak więc prąd elektryczny zarówno w elektrolitach, jak i gazach jest dryfem przeciwnie naładowanych cząstek skierowanych w kierunku przeciwnych elektrod. Jednak podczas gdy elektrolity charakteryzują się przewodnością czysto jonową, w wyładowaniu gazowym z kombinacjąelektronowe i jonowe typy przewodnictwa, wiodącą rolę odgrywają elektrony. Kolejną różnicą między prądem elektrycznym w cieczach i gazach jest charakter jonizacji. W elektrolicie cząsteczki rozpuszczonego związku dysocjują w wodzie, ale w gazie cząsteczki nie rozpadają się, a jedynie tracą elektrony. Dlatego wyładowanie gazowe, podobnie jak prąd w metalach, nie jest związane ze zmianami chemicznymi.
Fizyka prądu elektrycznego w cieczach i gazach również nie jest taka sama. Przewodnictwo elektrolitów jako całości jest zgodne z prawem Ohma, ale nie jest obserwowane podczas wyładowania gazowego. Charakterystyka woltamperowa gazów ma znacznie bardziej złożony charakter związany z właściwościami plazmy.
Warto wspomnieć o ogólnych i charakterystycznych cechach prądu elektrycznego w gazach iw próżni. Próżnia to prawie doskonały dielektryk. „Prawie” – bo w próżni, pomimo braku (a dokładniej skrajnie niskiego stężenia) nośników wolnego ładunku, możliwy jest również prąd. Ale potencjalni nośniki są już obecne w gazie, wystarczy je zjonizować. Nośniki ładunku są umieszczane w próżni z materii. Z reguły zachodzi to w procesie emisji elektronów, na przykład podczas nagrzewania katody (emisja termoelektryczna). Ale, jak widzieliśmy, emisja odgrywa również ważną rolę w różnego rodzaju wyładowaniach gazowych.
Zastosowanie wyładowań gazowych w technologii
Szkodliwe skutki niektórych wyładowań zostały już pokrótce omówione powyżej. Teraz zwróćmy uwagę na korzyści, jakie przynoszą w przemyśle i w życiu codziennym.
Wyładowanie jarzeniowe jest stosowane w elektrotechnice(stabilizatory napięcia), w technologii powlekania (metoda rozpylania katodowego oparta na zjawisku korozji katodowej). W elektronice służy do wytwarzania wiązek jonów i elektronów. Znanym obszarem zastosowania wyładowań jarzeniowych są świetlówki i tzw. lampy ekonomiczne oraz dekoracyjne lampy wyładowcze neonów i argonów. Ponadto wyładowania jarzeniowe są wykorzystywane w laserach gazowych oraz w spektroskopii.
Wyładowanie iskrowe jest stosowane w bezpiecznikach, w elektroerozyjnej metodzie precyzyjnej obróbki metali (cięcie iskier, wiercenie itp.). Ale najbardziej znany jest z zastosowania w świecach zapłonowych silników spalinowych oraz w sprzęcie gospodarstwa domowego (kuchenki gazowe).
Wyładowanie łukowe, po raz pierwszy zastosowane w technologii oświetleniowej w 1876 roku (świeca Jabłoczkowa – „rosyjskie światło”), nadal służy jako źródło światła – na przykład w projektorach i mocnych reflektorach. W elektrotechnice łuk jest stosowany w prostownikach rtęciowych. Ponadto znajduje zastosowanie w spawaniu elektrycznym, cięciu metali, przemysłowych piecach elektrycznych do wytopu stali i stopów.
Wyładowanie koronowe jest stosowane w elektrofiltrach do oczyszczania gazów jonowych, licznikach cząstek elementarnych, piorunochronach, systemach klimatyzacji. Wyładowanie koronowe działa również w kopiarkach i drukarkach laserowych, gdzie ładuje i rozładowuje światłoczuły bęben i przenosi proszek z bębna na papier.
W związku z tym wyładowania gazowe wszystkich typów znajdują najwięcejszerokie zastosowanie. Prąd elektryczny w gazach jest z powodzeniem i skutecznie wykorzystywany w wielu dziedzinach techniki.
