Er zijn geen absolute diëlektrica in de natuur. De geordende beweging van deeltjes - dragers van elektrische lading - dat wil zeggen stroom, kan in elk medium worden veroorzaakt, maar dit vereist speciale voorwaarden. We zullen hier bekijken hoe elektrische verschijnselen in gassen verlopen en hoe een gas kan worden veranderd van een zeer goed diëlektricum in een zeer goede geleider. We zullen geïnteresseerd zijn in de omstandigheden waaronder het ontstaat en welke kenmerken de elektrische stroom in gassen kenmerken.
Elektrische eigenschappen van gassen
Een diëlektricum is een stof (medium) waarin de concentratie van deeltjes - vrije dragers van een elektrische lading - geen significante waarde bereikt, waardoor de geleidbaarheid verwaarloosbaar is. Alle gassen zijn goede diëlektrica. Hun isolerende eigenschappen worden overal toegepast. In elke stroomonderbreker vindt de opening van het circuit plaats wanneer de contacten in een zodanige positie worden gebracht dat er een luchtspleet tussen ontstaat. Draden in hoogspanningslijnenzijn ook van elkaar geïsoleerd door een luchtlaag.
De structurele eenheid van elk gas is een molecuul. Het bestaat uit atoomkernen en elektronenwolken, dat wil zeggen, het is een verzameling elektrische ladingen die op de een of andere manier in de ruimte zijn verdeeld. Een gasmolecuul kan een elektrische dipool zijn vanwege de eigenaardigheden van zijn structuur, of het kan worden gepolariseerd onder invloed van een extern elektrisch veld. De overgrote meerderheid van de moleculen waaruit een gas bestaat, is onder normale omstandigheden elektrisch neutraal, omdat de ladingen erin elkaar opheffen.
Als een elektrisch veld wordt aangelegd op een gas, zullen de moleculen een dipooloriëntatie aannemen en een ruimtelijke positie innemen die het effect van het veld compenseert. De in het gas aanwezige geladen deeltjes zullen onder invloed van Coulombkrachten gaan bewegen: positieve ionen - in de richting van de kathode, negatieve ionen en elektronen - naar de anode. Als het veld echter onvoldoende potentiaal heeft, ontstaat er geen enkele gerichte stroom van ladingen en kan men eerder spreken van gescheiden stromen, zo zwak dat ze verwaarloosd moeten worden. Het gas gedraagt zich als een diëlektricum.
Voor het optreden van elektrische stroom in gassen is dus een grote concentratie aan vrije ladingsdragers en de aanwezigheid van een veld vereist.
Ionisatie
Het proces van een lawine-achtige toename van het aantal gratis ladingen in een gas wordt ionisatie genoemd. Dienovereenkomstig wordt een gas waarin zich een aanzienlijke hoeveelheid geladen deeltjes bevindt, geïoniseerd genoemd. In zulke gassen ontstaat een elektrische stroom.
Het ionisatieproces wordt geassocieerd met de schending van de neutraliteit van moleculen. Door het losraken van een elektron ontstaan er positieve ionen, de aanhechting van een elektron aan een molecuul leidt tot de vorming van een negatief ion. Bovendien zijn er veel vrije elektronen in een geïoniseerd gas. Positieve ionen en vooral elektronen zijn de belangrijkste ladingsdragers voor elektrische stroom in gassen.
Ionisatie treedt op wanneer een bepaalde hoeveelheid energie aan een deeltje wordt gegeven. Dus een extern elektron in de samenstelling van een molecuul, dat deze energie heeft ontvangen, kan het molecuul verlaten. Onderlinge botsingen van geladen deeltjes met neutrale deeltjes leiden tot het uitschakelen van nieuwe elektronen en het proces krijgt een lawine-achtig karakter. De kinetische energie van de deeltjes neemt ook toe, wat de ionisatie sterk bevordert.
Waar komt de energie vandaan die wordt gebruikt om elektrische stroom in gassen op te wekken? Ionisatie van gassen heeft verschillende energiebronnen, volgens welke het gebruikelijk is om de soorten te noemen.
- Ionisatie door elektrisch veld. In dit geval wordt de potentiële energie van het veld omgezet in de kinetische energie van de deeltjes.
- Thermo-ionisatie. Een temperatuurstijging leidt ook tot de vorming van een groot aantal gratis ladingen.
- Foto-ionisatie. De essentie van dit proces is dat elektronen van energie worden voorzien door elektromagnetische stralingsquanta - fotonen, als ze een voldoende hoge frequentie hebben (ultraviolet, röntgenstraling, gammaquanta).
- Impactionisatie is het resultaat van de omzetting van de kinetische energie van botsende deeltjes in de energie van elektronenscheiding. Net zoalsthermische ionisatie, het dient als de belangrijkste excitatiefactor in gassen met elektrische stroom.
Elk gas wordt gekenmerkt door een bepaalde drempelwaarde - de ionisatie-energie die een elektron nodig heeft om van een molecuul te breken en een potentiële barrière te overwinnen. Deze waarde voor het eerste elektron varieert van enkele volt tot twee tientallen volt; er is meer energie nodig om het volgende elektron uit het molecuul te verwijderen, enzovoort.
Er moet rekening mee worden gehouden dat gelijktijdig met ionisatie in het gas het omgekeerde proces plaatsvindt - recombinatie, dat wil zeggen, het herstel van neutrale moleculen onder invloed van Coulomb-aantrekkingskrachten.
Gasontlading en zijn soorten
Dus, de elektrische stroom in gassen is te wijten aan de geordende beweging van geladen deeltjes onder invloed van een elektrisch veld dat erop wordt toegepast. De aanwezigheid van dergelijke ladingen is op zijn beurt mogelijk door verschillende ionisatiefactoren.
Thermische ionisatie vereist dus aanzienlijke temperaturen, maar een open vlam als gevolg van sommige chemische processen draagt bij aan ionisatie. Zelfs bij een relatief lage temperatuur in de aanwezigheid van een vlam wordt het optreden van een elektrische stroom in gassen geregistreerd, en experimenten met gasgeleidbaarheid maken het gemakkelijk om dit te verifiëren. Het is noodzakelijk om de vlam van een brander of kaars tussen de platen van een opgeladen condensator te plaatsen. Het circuit dat eerder open was vanwege de luchtspleet in de condensator, zal sluiten. Een galvanometer die op het circuit is aangesloten, geeft de aanwezigheid van stroom aan.
Elektrische stroom in gassen wordt een gasontlading genoemd. Er moet rekening mee worden gehouden datom de stabiliteit van de ontlading te behouden, moet de werking van de ionisator constant zijn, omdat door de constante recombinatie het gas zijn elektrisch geleidende eigenschappen verliest. Sommige dragers van elektrische stroom in gassen - ionen - worden geneutraliseerd op de elektroden, andere - elektronen - die op de anode vallen, worden naar de "plus" van de veldbron geleid. Als de ioniserende factor niet meer werkt, wordt het gas onmiddellijk weer een diëlektricum en stopt de stroom. Een dergelijke stroom, afhankelijk van de werking van een externe ionisator, wordt een niet-zelfvoorzienende ontlading genoemd.
Kenmerken van de doorgang van elektrische stroom door gassen worden beschreven door een speciale afhankelijkheid van de stroomsterkte op spanning - de stroom-spanningskarakteristiek.
Laten we eens kijken naar de ontwikkeling van een gasontlading in de grafiek van de stroom-spanningsafhankelijkheid. Wanneer de spanning stijgt tot een bepaalde waarde U1, neemt de stroom evenredig daarmee toe, dat wil zeggen, de wet van Ohm is vervuld. De kinetische energie neemt toe, en daarmee de snelheid van ladingen in het gas, en dit proces loopt vooruit op recombinatie. Bij spanningswaarden van U1 tot U2 wordt deze verhouding geschonden; wanneer U2 wordt bereikt, bereiken alle ladingsdragers de elektroden zonder tijd te hebben om te recombineren. Alle gratis ladingen zijn betrokken en een verdere toename van de spanning leidt niet tot een toename van de stroom. Deze aard van de beweging van ladingen wordt verzadigingsstroom genoemd. We kunnen dus zeggen dat de elektrische stroom in gassen ook te wijten is aan de eigenaardigheden van het gedrag van het geïoniseerde gas in elektrische velden van verschillende sterktes.
Wanneer het potentiaalverschil over de elektroden een bepaalde waarde U3 bereikt, wordt de spanning voldoende voor het elektrische veld om een lawine-achtige gasionisatie te veroorzaken. De kinetische energie van vrije elektronen is al voldoende voor impactionisatie van moleculen. Tegelijkertijd is hun snelheid in de meeste gassen ongeveer 2000 km/s en hoger (deze wordt berekend met de geschatte formule v=600 Ui, waarbij Ui is de ionisatiepotentiaal). Op dit moment treedt er een gasdoorslag op en treedt een significante stroomtoename op als gevolg van een interne ionisatiebron. Daarom wordt zo'n ontlading onafhankelijk genoemd.
De aanwezigheid van een externe ionisator speelt in dit geval geen rol meer bij het in stand houden van elektrische stroom in gassen. Een zelfvoorzienende ontlading onder verschillende omstandigheden en met verschillende kenmerken van de elektrische veldbron kan bepaalde kenmerken hebben. Er zijn soorten zelfontlading als gloed, vonk, boog en corona. We zullen bekijken hoe elektrische stroom zich in gassen gedraagt, kort voor elk van deze typen.
Gloeiontlading
In een ijl gas is een potentiaalverschil van 100 (en zelfs minder) tot 1000 volt voldoende om een onafhankelijke ontlading te initiëren. Daarom treedt een glimontlading, gekenmerkt door een lage stroomsterkte (van 10-5 A tot 1 A), op bij drukken van niet meer dan enkele millimeters kwik.
In een buis met een ijl gas en koude elektroden lijkt de opkomende glimontlading op een dun lichtsnoer tussen de elektroden. Als u gas uit de buis blijft pompen, zult u merken datvervaging van het snoer, en bij drukken van tienden van millimeters kwik vult de gloed de buis bijna volledig. De gloed is afwezig nabij de kathode - in de zogenaamde donkere kathoderuimte. De rest wordt de positieve kolom genoemd. In dit geval zijn de belangrijkste processen die ervoor zorgen dat de ontlading bestaat, precies gelokaliseerd in de donkere kathoderuimte en in het aangrenzende gebied. Hier worden geladen gasdeeltjes versneld, waardoor elektronen uit de kathode worden geslagen.
Bij een glimontlading is de oorzaak van ionisatie elektronenemissie van de kathode. De elektronen die door de kathode worden uitgezonden, produceren impactionisatie van gasmoleculen, de opkomende positieve ionen veroorzaken secundaire emissie van de kathode, enzovoort. De gloed van de positieve kolom is voornamelijk te wijten aan de terugslag van fotonen door geëxciteerde gasmoleculen, en verschillende gassen worden gekenmerkt door een gloed van een bepaalde kleur. De positieve kolom neemt alleen deel aan de vorming van een glimontlading als een sectie van het elektrische circuit. Als u de elektroden dichter bij elkaar brengt, kunt u het verdwijnen van de positieve kolom bereiken, maar de ontlading stopt niet. Bij een verdere verkleining van de afstand tussen de elektroden zal de glimontlading echter niet kunnen bestaan.
Opgemerkt moet worden dat voor dit type elektrische stroom in gassen de fysica van sommige processen nog niet volledig is opgehelderd. Zo blijft de aard van de krachten die een uitzetting veroorzaken op het kathodeoppervlak van het gebied dat deelneemt aan de ontlading onduidelijk.
Vonkenontlading
Sparkinstorting heeft een impulsief karakter. Het treedt op bij drukken die dicht bij de normale atmosferische druk liggen, in gevallen waar het vermogen van de elektrische veldbron niet voldoende is om een stationaire ontlading te handhaven. In dit geval is de veldsterkte hoog en kan deze 3 MV/m bereiken. Het fenomeen wordt gekenmerkt door een sterke toename van de elektrische ontladingsstroom in het gas, terwijl tegelijkertijd de spanning extreem snel da alt en de ontlading stopt. Dan neemt het potentiaalverschil weer toe en wordt het hele proces herhaald.
Bij dit type ontlading worden kortstondige vonkkanalen gevormd, waarvan de groei kan beginnen vanaf elk punt tussen de elektroden. Dit komt doordat impactionisatie willekeurig plaatsvindt op plaatsen waar momenteel het grootste aantal ionen is geconcentreerd. In de buurt van het vonkkanaal warmt het gas snel op en ondergaat het thermische uitzetting, wat akoestische golven veroorzaakt. Daarom gaat de vonkontlading gepaard met geknetter, evenals het vrijkomen van warmte en een heldere gloed. Lawine-ionisatieprocessen genereren hoge drukken en temperaturen tot 10.000 graden en meer in het vonkkanaal.
Het duidelijkste voorbeeld van een natuurlijke vonkontlading is bliksem. De diameter van het belangrijkste bliksemvonkkanaal kan variëren van enkele centimeters tot 4 m, en de kanaallengte kan 10 km bereiken. De grootte van de stroom bereikt 500 duizend ampère en het potentiaalverschil tussen een onweerswolk en het aardoppervlak bereikt een miljard volt.
De langste bliksem van 321 km werd waargenomen in 2007 in Oklahoma, VS. De recordhouder voor de duur was bliksem, opgenomenin 2012 in de Franse Alpen - het duurde meer dan 7,7 seconden. Bij blikseminslag kan de lucht tot 30 duizend graden opwarmen, wat 6 keer de temperatuur is van het zichtbare oppervlak van de zon.
In gevallen waar het vermogen van de bron van het elektrische veld groot genoeg is, ontwikkelt de vonkontlading zich tot een boog.
Boogontlading
Dit type zelfontlading wordt gekenmerkt door een hoge stroomdichtheid en een lage (minder dan glimontlading) spanning. De doorslagafstand is klein vanwege de nabijheid van de elektroden. De ontlading wordt geïnitieerd door de emissie van een elektron vanaf het kathodeoppervlak (voor metaalatomen is de ionisatiepotentiaal klein in vergelijking met gasmoleculen). Tijdens een doorslag tussen de elektroden worden omstandigheden gecreëerd waaronder het gas een elektrische stroom geleidt en er een vonkontlading optreedt die het circuit sluit. Als het vermogen van de spanningsbron groot genoeg is, veranderen vonkontladingen in een stabiele elektrische boog.
Ionisatie tijdens een boogontlading bereikt bijna 100%, de stroomsterkte is erg hoog en kan van 10 tot 100 ampère zijn. Bij atmosferische druk kan de boog opwarmen tot 5-6 duizend graden, en de kathode - tot 3000 graden, wat leidt tot intense thermionische emissie vanaf het oppervlak. Het bombardement van de anode met elektronen leidt tot gedeeltelijke vernietiging: er wordt een uitsparing op gevormd - een krater met een temperatuur van ongeveer 4000 ° C. Een verhoging van de druk veroorzaakt een nog grotere temperatuurstijging.
Bij het spreiden van de elektroden blijft de boogontlading stabiel tot een bepaalde afstand,waardoor u ermee om kunt gaan in die gebieden van elektrische apparatuur waar het schadelijk is vanwege de corrosie en het doorbranden van contacten die hierdoor worden veroorzaakt. Dit zijn apparaten zoals hoogspannings- en automatische schakelaars, magneetschakelaars en andere. Een van de methoden om de boog te bestrijden die optreedt bij het openen van contacten, is het gebruik van boogkokers op basis van het principe van boogverlenging. Er worden ook veel andere methoden gebruikt: het overbruggen van contacten, het gebruik van materialen met een hoog ionisatiepotentieel, enzovoort.
Corona-ontlading
De ontwikkeling van een corona-ontlading vindt plaats bij normale atmosferische druk in sterk inhomogene velden nabij elektroden met een grote kromming van het oppervlak. Dit kunnen torenspitsen, masten, draden, verschillende elementen van elektrische apparatuur met een complexe vorm en zelfs mensenhaar zijn. Zo'n elektrode wordt een corona-elektrode genoemd. Ionisatieprocessen en bijgevolg de gasgloed vinden alleen in de buurt ervan plaats.
Een corona kan zich zowel op de kathode (negatieve corona) bij beschieting met ionen als op de anode (positief) vormen als gevolg van foto-ionisatie. De negatieve corona, waarbij het ionisatieproces als gevolg van thermische emissie van de elektrode wordt weggeleid, wordt gekenmerkt door een gelijkmatige gloed. In de positieve corona kunnen streamers worden waargenomen - lichtgevende lijnen met een gebroken configuratie die kunnen veranderen in vonkkanalen.
Een voorbeeld van een corona-ontlading in natuurlijke omstandigheden zijn St. Elmo's branden die plaatsvinden op de toppen van hoge masten, boomtoppen enzovoort. Ze worden gevormd bij een hoge spanning van de elektrischevelden in de atmosfeer, vaak voor een onweersbui of tijdens een sneeuwstorm. Bovendien werden ze bevestigd op de huid van vliegtuigen die in een wolk van vulkanische as vielen.
Corona-ontlading op de draden van hoogspanningslijnen leidt tot aanzienlijke elektriciteitsverliezen. Bij een hoge spanning kan een corona-ontlading in een boog veranderen. Het wordt op verschillende manieren bestreden, bijvoorbeeld door de kromtestraal van de geleiders te vergroten.
Elektrische stroom in gassen en plasma
Volledig of gedeeltelijk geïoniseerd gas wordt plasma genoemd en wordt beschouwd als de vierde toestand van materie. Over het algemeen is plasma elektrisch neutraal, aangezien de totale lading van de samenstellende deeltjes nul is. Dit onderscheidt het van andere systemen van geladen deeltjes, zoals elektronenstralen.
Onder natuurlijke omstandigheden wordt plasma in de regel gevormd bij hoge temperaturen door de botsing van gasatomen met hoge snelheden. De overgrote meerderheid van de baryonische materie in het heelal bevindt zich in de staat van plasma. Dit zijn sterren, onderdeel van interstellaire materie, intergalactisch gas. De ionosfeer van de aarde is ook een ijl, zwak geïoniseerd plasma.
De mate van ionisatie is een belangrijk kenmerk van een plasma - de geleidende eigenschappen ervan hangen ervan af. De mate van ionisatie wordt gedefinieerd als de verhouding van het aantal geïoniseerde atomen tot het totale aantal atomen per volume-eenheid. Hoe meer het plasma geïoniseerd is, hoe hoger de elektrische geleidbaarheid. Bovendien wordt het gekenmerkt door een hoge mobiliteit.
We zien daarom dat de gassen die elektriciteit geleiden zich binnenin bevindenontladingskanalen zijn niets anders dan plasma. Gloei- en corona-ontladingen zijn dus voorbeelden van koud plasma; een vonkkanaal van bliksem of een elektrische boog zijn voorbeelden van heet, bijna volledig geïoniseerd plasma.
Elektrische stroom in metalen, vloeistoffen en gassen - verschillen en overeenkomsten
Laten we eens kijken naar de kenmerken die de gasontlading kenmerken in vergelijking met de eigenschappen van stroom in andere media.
In metalen is stroom een gerichte beweging van vrije elektronen die geen chemische veranderingen met zich meebrengt. Geleiders van dit type worden geleiders van de eerste soort genoemd; deze omvatten, naast metalen en legeringen, steenkool, sommige zouten en oxiden. Ze onderscheiden zich door elektronische geleidbaarheid.
Geleiders van de tweede soort zijn elektrolyten, dat wil zeggen vloeibare waterige oplossingen van alkaliën, zuren en zouten. De doorgang van stroom wordt geassocieerd met een chemische verandering in de elektrolyt - elektrolyse. Ionen van een stof opgelost in water, onder invloed van een potentiaalverschil, bewegen in tegengestelde richtingen: positieve kationen - naar de kathode, negatieve anionen - naar de anode. Het proces gaat gepaard met gasontwikkeling of afzetting van een metaallaag op de kathode. Geleiders van de tweede soort worden gekenmerkt door ionische geleidbaarheid.
Wat betreft de geleidbaarheid van gassen, deze is ten eerste tijdelijk en ten tweede vertoont het overeenkomsten en verschillen met elk van hen. Dus de elektrische stroom in zowel elektrolyten als gassen is een drift van tegengesteld geladen deeltjes die naar tegenovergestelde elektroden zijn gericht. Echter, terwijl elektrolyten worden gekenmerkt door puur ionische geleidbaarheid, in een gasontlading met een combinatieelektronische en ionische soorten geleidbaarheid, de hoofdrol is weggelegd voor elektronen. Een ander verschil tussen de elektrische stroom in vloeistoffen en gassen is de aard van ionisatie. In een elektrolyt dissociëren de moleculen van een opgeloste verbinding in water, maar in een gas breken de moleculen niet af, maar verliezen ze alleen elektronen. Daarom wordt de gasontlading, net als de stroom in metalen, niet geassocieerd met chemische veranderingen.
De fysica van elektrische stroom in vloeistoffen en gassen is ook niet hetzelfde. De geleidbaarheid van elektrolyten als geheel voldoet aan de wet van Ohm, maar wordt niet waargenomen tijdens een gasontlading. De volt-ampère-karakteristiek van gassen heeft een veel complexer karakter in verband met de eigenschappen van plasma.
Het is de moeite waard om de algemene en onderscheidende kenmerken van elektrische stroom in gassen en in vacuüm te vermelden. Vacuüm is bijna een perfect diëlektricum. "Bijna" - omdat in een vacuüm, ondanks de afwezigheid (meer bepaald een extreem lage concentratie) van gratis ladingsdragers, ook een stroom mogelijk is. Maar potentiële dragers zijn al in het gas aanwezig, ze hoeven alleen nog te worden geïoniseerd. Ladingsdragers worden vanuit materie in vacuüm gebracht. Dit gebeurt in de regel in het proces van elektronenemissie, bijvoorbeeld wanneer de kathode wordt verwarmd (thermionische emissie). Maar zoals we hebben gezien, speelt emissie ook een belangrijke rol bij verschillende soorten gasontladingen.
Gebruik van gasontladingen in technologie
De schadelijke effecten van bepaalde lozingen zijn hierboven al kort besproken. Laten we nu eens kijken naar de voordelen die ze brengen in de industrie en in het dagelijks leven.
Gloeiontlading wordt gebruikt in de elektrotechniek(spanningsstabilisatoren), in de coatingtechnologie (kathodesputtermethode gebaseerd op het fenomeen kathodecorrosie). In de elektronica wordt het gebruikt om ionen- en elektronenstralen te produceren. Een bekend toepassingsgebied voor glimontladingen zijn fluorescentielampen en zogenaamde spaarlampen en decoratieve neon- en argonontladingsbuizen. Daarnaast worden glimontladingen gebruikt in gaslasers en in spectroscopie.
Vonkenontlading wordt gebruikt in zekeringen, in elektro-erosieve methoden van precisiemetaalverwerking (vonksnijden, boren, enzovoort). Maar het is vooral bekend om zijn gebruik in bougies van verbrandingsmotoren en in huishoudelijke apparaten (gasfornuizen).
Arc-ontlading, die voor het eerst werd gebruikt in verlichtingstechnologie in 1876 (de kaars van Yablochkov - "Russisch licht"), dient nog steeds als lichtbron - bijvoorbeeld in projectoren en krachtige schijnwerpers. In de elektrotechniek wordt de boog gebruikt in kwikgelijkrichters. Bovendien wordt het gebruikt bij elektrisch lassen, metaalsnijden, industriële elektrische ovens voor het smelten van staal en legeringen.
Corona-ontlading wordt gebruikt in elektrostatische stofvangers voor ionengasreiniging, elementaire deeltjestellers, bliksemafleiders, airconditioningsystemen. Corona-ontlading werkt ook in kopieerapparaten en laserprinters, waar het de lichtgevoelige drum oplaadt en ontlaadt en poeder van de drum op papier overbrengt.
Zo vinden alle soorten gasontladingen het meestbrede toepassing. Elektrische stroom in gassen wordt met succes en effectief gebruikt in veel technologische gebieden.
