V naravi ni absolutnih dielektrikov. Urejeno gibanje delcev - nosilcev električnega naboja - torej toka, lahko povzročimo v katerem koli mediju, vendar to zahteva posebne pogoje. Tu bomo obravnavali, kako potekajo električni pojavi v plinih in kako se plin lahko spremeni iz zelo dobrega dielektrika v zelo dober prevodnik. Zanimali nas bodo pogoji, pod katerimi nastane, pa tudi kakšne značilnosti so značilne za električni tok v plinih.
Električne lastnosti plinov
Dielektrik je snov (medij), v kateri koncentracija delcev - prostih nosilcev električnega naboja - ne doseže nobene pomembne vrednosti, zaradi česar je prevodnost zanemarljiva. Vsi plini so dobri dielektriki. Njihove izolacijske lastnosti se uporabljajo povsod. Na primer, v katerem koli odklopniku se odpiranje tokokroga zgodi, ko so kontakti postavljeni v tak položaj, da med njimi nastane zračna reža. Žice v električnih vodihso tudi izolirani drug od drugega z zračno plastjo.
Strukturna enota katerega koli plina je molekula. Sestavljen je iz atomskih jeder in elektronskih oblakov, torej je skupek električnih nabojev, ki so na nek način razporejeni v prostoru. Molekula plina je zaradi posebnosti svoje strukture lahko električni dipol ali pa je polarizirana pod delovanjem zunanjega električnega polja. Velika večina molekul, ki sestavljajo plin, je v normalnih pogojih električno nevtralnih, saj se naboji v njih medsebojno izničijo.
Če je na plin uporabljeno električno polje, bodo molekule prevzele dipolno orientacijo in zasedle prostorski položaj, ki kompenzira učinek polja. Nabiti delci, ki so prisotni v plinu, se bodo pod vplivom Coulombovih sil začeli premikati: pozitivni ioni - v smeri katode, negativni ioni in elektroni - proti anodi. Če pa polje ni dovolj potenciala, ne nastane en sam usmerjen tok nabojev in lahko govorimo raje o ločenih tokovih, tako šibkih, da jih je treba zanemariti. Plin se obnaša kot dielektrik.
Tako je za nastanek električnega toka v plinih potrebna velika koncentracija prostih nosilcev naboja in prisotnost polja.
Ionizacija
Proces plazovitega povečanja števila prostih nabojev v plinu se imenuje ionizacija. V skladu s tem se plin, v katerem je znatna količina nabitih delcev, imenuje ioniziran. V takšnih plinih nastane električni tok.
Proces ionizacije je povezan s kršitvijo nevtralnosti molekul. Zaradi ločitve elektrona se pojavijo pozitivni ioni, vezava elektrona na molekulo vodi do nastanka negativnega iona. Poleg tega je v ioniziranem plinu veliko prostih elektronov. Pozitivni ioni in predvsem elektroni so glavni nosilci električnega toka v plinih.
Ionizacija se pojavi, ko se delcu prenese določena količina energije. Tako lahko zunanji elektron v sestavi molekule, ki prejme to energijo, zapusti molekulo. Medsebojni trki nabitih delcev z nevtralnimi vodijo do izbijanja novih elektronov, proces pa dobi plazovit značaj. Poveča se tudi kinetična energija delcev, kar močno spodbuja ionizacijo.
Od kod prihaja energija, ki se uporablja za vzbujanje električnega toka v plinih? Ionizacija plinov ima več virov energije, po katerih je običajno poimenovati njene vrste.
- Ionizacija z električnim poljem. V tem primeru se potencialna energija polja pretvori v kinetično energijo delcev.
- Termoionizacija. Zvišanje temperature vodi tudi v nastanek velikega števila brezplačnih nabojev.
- fotoionizacija. Bistvo tega procesa je v tem, da se elektronom oskrbujejo z energijo kvanti elektromagnetnega sevanja – fotoni, če imajo dovolj visoko frekvenco (ultravijolični, rentgenski, gama kvanti).
- Udarna ionizacija je rezultat pretvorbe kinetične energije trkajočih delcev v energijo ločevanja elektronov. Tako dobro, kottoplotna ionizacija, služi kot glavni faktor vzbujanja v plinih električnega toka.
Za vsak plin je značilna določena mejna vrednost - ionizacijska energija, potrebna, da se elektron odcepi od molekule in premaga potencialno pregrado. Ta vrednost za prvi elektron se giblje od nekaj voltov do dveh deset voltov; več energije je potrebno za odstranitev naslednjega elektrona iz molekule itd.
Upoštevati je treba, da hkrati z ionizacijo v plinu poteka obraten proces - rekombinacija, to je obnova nevtralnih molekul pod delovanjem Coulombovih privlačnih sil.
Plinski izpust in njegove vrste
Torej je električni tok v plinih posledica urejenega gibanja nabitih delcev pod delovanjem električnega polja, ki se nanaša nanje. Prisotnost takšnih nabojev pa je možna zaradi različnih ionizacijskih faktorjev.
Torej, toplotna ionizacija zahteva znatne temperature, vendar odprt ogenj zaradi nekaterih kemičnih procesov prispeva k ionizaciji. Tudi pri sorazmerno nizki temperaturi ob prisotnosti plamena se zabeleži pojav električnega toka v plinih in eksperiment s plinsko prevodnostjo olajša to preverjanje. Med plošče napolnjenega kondenzatorja je treba postaviti plamen gorilnika ali sveče. Vezje, ki je bilo prej odprto zaradi zračne reže v kondenzatorju, se bo zaprlo. Galvanometer, priključen na vezje, bo pokazal prisotnost toka.
Električni tok v plinih se imenuje plinska razelektritev. Upoštevati je treba, daZa ohranjanje stabilnosti razelektritve mora biti delovanje ionizatorja konstantno, saj plin zaradi stalne rekombinacije izgubi svoje električno prevodne lastnosti. Nekateri nosilci električnega toka v plinih - ioni - se nevtralizirajo na elektrodah, drugi - elektroni - padejo na anodo, so usmerjeni v "plus" vira polja. Če ionizirajoči faktor preneha delovati, bo plin takoj spet postal dielektrik in tok bo prenehal. Takšen tok, ki je odvisen od delovanja zunanjega ionizatorja, se imenuje nesamostojna razelektritev.
Lastnosti prehoda električnega toka skozi pline opisuje posebna odvisnost jakosti toka od napetosti - tokovno-napetostna karakteristika.
Razmislimo o razvoju plinske razelektritve na grafu odvisnosti tokovne napetosti. Ko napetost naraste na določeno vrednost U1, se tok poveča sorazmerno z njo, to pomeni, da je Ohmov zakon izpolnjen. Poveča se kinetična energija in s tem tudi hitrost nabojev v plinu in ta proces je pred rekombinacijo. Pri vrednostih napetosti od U1 do U2 je to razmerje kršeno; ko je dosežen U2, vsi nosilci naboja dosežejo elektrode, ne da bi imeli čas za rekombinacijo. Vključeni so vsi brezplačni naboji, nadaljnje povečanje napetosti pa ne vodi do povečanja toka. Takšno gibanje nabojev imenujemo nasičeni tok. Tako lahko rečemo, da je električni tok v plinih tudi posledica posebnosti obnašanja ioniziranega plina v električnih poljih različnih jakosti.
Ko potencialna razlika med elektrodami doseže določeno vrednost U3, napetost postane zadostna, da električno polje povzroči plazovito ionizacijo plina. Kinetična energija prostih elektronov je že dovolj za udarno ionizacijo molekul. Hkrati je njihova hitrost v večini plinov približno 2000 km/s in več (izračuna se po približni formuli v=600 Ui, kjer je Ui je ionizacijski potencial). V tem trenutku pride do razpada plina in zaradi notranjega ionizacijskega vira pride do znatnega povečanja toka. Zato se takšen izpust imenuje neodvisen.
Prisotnost zunanjega ionizatorja v tem primeru ne igra več vloge pri vzdrževanju električnega toka v plinih. Samostojna razelektritev pod različnimi pogoji in z različnimi značilnostmi vira električnega polja ima lahko določene značilnosti. Obstajajo takšne vrste samopraznjenja, kot so sijaj, iskra, lok in korona. Pogledali bomo, kako se električni tok obnaša v plinih, na kratko za vsako od teh vrst.
Glow Discharge
V raztopljenem plinu je potencialna razlika od 100 (in celo manj) do 1000 voltov dovolj za sprožitev neodvisnega praznjenja. Zato se žareča razelektritev, za katero je značilna nizka jakost toka (od 10-5 A do 1 A), pojavi pri tlakih, ki ne presegajo nekaj milimetrov živega srebra.
V cevi z redčenim plinom in hladnimi elektrodami je nastajajoči žareč razelektritev videti kot tanka svetleča vrvica med elektrodama. Če boste še naprej črpali plin iz cevi, boste opazovalizamegljenost vrvice in pri pritiskih desetink milimetrov živega srebra sij skoraj v celoti napolni cev. V bližini katode - v tako imenovanem temnem katodnem prostoru - ni sijaja. Ostalo se imenuje pozitivni stolpec. V tem primeru so glavni procesi, ki zagotavljajo obstoj razelektritve, lokalizirani natančno v temnem katodnem prostoru in v območju, ki meji nanj. Tu se pospešujejo nabiti delci plina, ki izbijejo elektrone iz katode.
Pri sijoči razelektritvi je vzrok ionizacije elektronska emisija iz katode. Elektroni, ki jih oddaja katoda, povzročijo udarno ionizacijo molekul plina, nastajajoči pozitivni ioni povzročijo sekundarno emisijo iz katode itd. Sij pozitivnega stolpca je predvsem posledica odboja fotonov z vzbujenimi molekulami plina, za različne pline pa je značilen sij določene barve. Pozitivni stolpec sodeluje pri tvorbi sijalnega razelektritve le kot odsek električnega tokokroga. Če elektrode približate skupaj, lahko dosežete izginotje pozitivnega stolpca, vendar se izpust ne bo ustavil. Vendar pa z nadaljnjim zmanjšanjem razdalje med elektrodama žareča razelektritev ne bo mogla obstajati.
Opozoriti je treba, da za to vrsto električnega toka v plinih fizika nekaterih procesov še ni povsem razjasnjena. Na primer, narava sil, ki povzročajo ekspanzijo na površini katode v predelu, ki sodeluje pri praznjenju, ostaja nejasna.
iskerni izpust
Sparkzlom ima impulziven značaj. Pojavlja se pri tlakih, ki so blizu normalnemu atmosferskemu, v primerih, ko moč vira električnega polja ni dovolj za vzdrževanje stacionarnega praznjenja. V tem primeru je poljska jakost visoka in lahko doseže 3 MV/m. Za pojav je značilno močno povečanje razelektritvenega električnega toka v plinu, hkrati pa napetost izredno hitro pade in praznjenje se ustavi. Nato se potencialna razlika spet poveča in celoten postopek se ponovi.
Pri tej vrsti razelektritve se tvorijo kratkotrajni iskričasti kanali, katerih rast se lahko začne s katere koli točke med elektrodama. To je posledica dejstva, da udarna ionizacija poteka naključno na mestih, kjer je trenutno koncentrirano največje število ionov. V bližini kanala iskre se plin hitro segreje in podvrže toplotnemu raztezanju, kar povzroči zvočne valove. Zato razelektritev iskre spremlja prasketanje, pa tudi sproščanje toplote in svetel sijaj. Lavinski ionizacijski procesi ustvarjajo visoke tlake in temperature do 10 tisoč stopinj in več v iskričnem kanalu.
Najjasnejši primer naravne iskre je strela. Premer glavnega kanala iskre strele je lahko od nekaj centimetrov do 4 m, dolžina kanala pa lahko doseže 10 km. Velikost toka doseže 500 tisoč amperov, potencialna razlika med nevihtnim oblakom in zemeljskim površjem pa doseže milijardo voltov.
Najdaljša 321 km strela je bila opažena leta 2007 v Oklahomi v ZDA. Rekorder po trajanju je bil strel, posnetleta 2012 v francoskih Alpah - trajalo je več kot 7,7 sekunde. Ko udari strela, se zrak lahko segreje do 30 tisoč stopinj, kar je 6-kratna temperatura vidne površine Sonca.
V primerih, ko je moč vira električnega polja dovolj velika, se iskra razvije v lok.
obločni izpust
Za to vrsto samopraznjenja je značilna visoka gostota toka in nizka (manj kot sijalna) napetost. Razdalja prekinitve je majhna zaradi bližine elektrod. Razelektritev se sproži z emisijo elektrona s površine katode (pri kovinskih atomih je ionizacijski potencial majhen v primerjavi z molekulami plina). Med okvaro med elektrodami nastanejo pogoji, pod katerimi plin prevaja električni tok in pride do iskre, ki zapre vezje. Če je moč vira napetosti dovolj velika, se iskre spremenijo v stabilen električni lok.
Ionizacija med obločnim razelektritvijo doseže skoraj 100%, jakost toka je zelo visoka in je lahko od 10 do 100 amperov. Pri atmosferskem tlaku se lahko lok segreje do 5–6 tisoč stopinj, katoda pa do 3 tisoč stopinj, kar vodi do intenzivne termoionske emisije z njegove površine. Bombardiranje anode z elektroni vodi do delnega uničenja: na njej se oblikuje vdolbina - krater s temperaturo približno 4000 °C. Povečanje tlaka povzroči še večji dvig temperature.
Pri širjenju elektrod ostane obločna razelektritev stabilna do določene razdalje,ki vam omogoča ravnanje z njim na tistih področjih električne opreme, kjer je škodljiv zaradi korozije in izgorevanja kontaktov, ki jih povzroča. To so naprave, kot so visokonapetostna in avtomatska stikala, kontaktorji in drugo. Ena od metod za boj proti loku, ki nastane pri odpiranju kontaktov, je uporaba ločnih žlebov, ki temeljijo na principu razširitve loka. Uporabljajo se tudi številne druge metode: premostitev stikov, uporaba materialov z visokim ionizacijskim potencialom itd.
Corona discharge
Razvoj koronskega razelektritve se pojavi pri normalnem atmosferskem tlaku v močno nehomogenih poljih blizu elektrod z veliko ukrivljenostjo površine. To so lahko špiri, jambori, žice, različni elementi električne opreme, ki imajo zapleteno obliko, in celo človeški lasje. Takšna elektroda se imenuje koronska elektroda. Ionizacijski procesi in s tem sijaj plina potekajo le v njegovi bližini.
Korona lahko nastane tako na katodi (negativna korona), ko je bombardirana z ioni, kot na anodi (pozitivna) kot posledica fotoionizacije. Za negativno korono, v kateri je ionizacijski proces zaradi toplotne emisije usmerjen stran od elektrode, je značilen enakomeren sijaj. V pozitivni koroni je mogoče opaziti strimerje - svetleče črte zlomljene konfiguracije, ki se lahko spremenijo v iskrice.
Primer koronskega razelektritve v naravnih razmerah so požari sv. Elma, ki nastanejo na konicah visokih jamborov, krošnjah dreves in tako naprej. Nastanejo pri visoki električni napetostipolja v ozračju, pogosto pred nevihto ali med snežnim neurjem. Poleg tega so bili pritrjeni na kožo letal, ki so padla v oblak vulkanskega pepela.
Koronski razelektritev na žicah daljnovodov vodi do znatnih izgub električne energije. Pri visoki napetosti se lahko koronska razelektritev spremeni v lok. Z njim se borimo na različne načine, na primer s povečanjem polmera ukrivljenosti prevodnikov.
Električni tok v plinih in plazmi
Popolnoma ali delno ioniziran plin se imenuje plazma in velja za četrto stanje snovi. Na splošno je plazma električno nevtralna, saj je skupni naboj njenih sestavnih delcev enak nič. To ga razlikuje od drugih sistemov nabitih delcev, kot so elektronski žarki.
V naravnih razmerah se plazma praviloma tvori pri visokih temperaturah zaradi trka atomov plina pri velikih hitrostih. Velika večina barionske snovi v vesolju je v stanju plazme. To so zvezde, del medzvezdne snovi, medgalaktični plin. Zemljina ionosfera je tudi redka, šibko ionizirana plazma.
Stopnja ionizacije je pomembna lastnost plazme - od nje so odvisne njene prevodne lastnosti. Stopnja ionizacije je opredeljena kot razmerje med številom ioniziranih atomov in skupnim številom atomov na enoto prostornine. Bolj ko je plazma ionizirana, višja je njena električna prevodnost. Poleg tega ga odlikuje visoka mobilnost.
Vidimo torej, da so plini, ki vodijo elektriko, znotrajizpustni kanali niso nič drugega kot plazma. Tako so žareče in koronske razelektritve primera hladne plazme; iskrični kanal strele ali električni lok sta primera vroče, skoraj popolnoma ionizirane plazme.
Električni tok v kovinah, tekočinah in plinih - razlike in podobnosti
Upoštevajmo značilnosti, ki so značilne za plinsko razelektritev v primerjavi z lastnostmi toka v drugih medijih.
V kovinah je tok usmerjeno gibanje prostih elektronov, ki ne povzroča kemičnih sprememb. Prevodniki te vrste se imenujejo prevodniki prve vrste; mednje sodijo poleg kovin in zlitin premog, nekatere soli in oksidi. Odlikuje jih elektronska prevodnost.
Prevodniki druge vrste so elektroliti, torej tekoče vodne raztopine alkalij, kislin in soli. Prehod toka je povezan s kemično spremembo v elektrolitu – elektrolizo. Ioni snovi, raztopljene v vodi, se pod vplivom potencialne razlike premikajo v nasprotnih smereh: pozitivni kationi - na katodo, negativni anioni - na anodo. Proces spremlja nastajanje plina ali nanos kovinske plasti na katodo. Za prevodnike druge vrste je značilna ionska prevodnost.
Kar zadeva prevodnost plinov, je ta, prvič, začasna, in drugič, ima znake podobnosti in razlik z vsakim od njih. Torej je električni tok tako v elektrolitih kot v plinih premik nasprotno nabitih delcev, usmerjenih proti nasprotnim elektrodam. Medtem ko je za elektrolite značilna zgolj ionska prevodnost, pri razelektritvi plina s kombinacijoelektronske in ionske vrste prevodnosti, vodilna vloga pripada elektronom. Druga razlika med električnim tokom v tekočinah in plinih je narava ionizacije. V elektrolitu se molekule raztopljene spojine disociirajo v vodi, v plinu pa se molekule ne razgradijo, ampak le izgubijo elektrone. Zato plinska razelektritev, tako kot tok v kovinah, ni povezana s kemičnimi spremembami.
Fizika električnega toka v tekočinah in plinih prav tako ni enaka. Prevodnost elektrolitov kot celote je v skladu z Ohmovim zakonom, vendar je ni opaziti med praznjenjem plina. Volt-amperska značilnost plinov ima veliko bolj zapleten značaj, povezan z lastnostmi plazme.
Omeniti velja splošne in posebnosti električnega toka v plinih in v vakuumu. Vakuum je skoraj popoln dielektrik. "Skoraj" - ker je v vakuumu, kljub odsotnosti (natančneje, izjemno nizki koncentraciji) prostih nosilcev naboja, možen tudi tok. Toda potencialni nosilci so že prisotni v plinu, le ionizirati jih je treba. Nosilci naboja se iz snovi spravijo v vakuum. Praviloma se to zgodi v procesu elektronske emisije, na primer pri segrevanju katode (termionska emisija). Toda, kot smo videli, ima emisija pomembno vlogo tudi pri različnih vrstah plinskih razelektritev.
Uporaba plinskih razelektritev v tehnologiji
Škodljivi učinki nekaterih izpustov so bili že na kratko obravnavani zgoraj. Zdaj pa bodimo pozorni na prednosti, ki jih prinašajo v industriji in vsakdanjem življenju.
Sajalni razelektritev se uporablja v elektrotehniki(napetostni stabilizatorji), v tehnologiji prevleke (metoda katodnega brizganja, ki temelji na pojavu katodne korozije). V elektroniki se uporablja za proizvodnjo ionskih in elektronskih žarkov. Znano področje uporabe sijočih razelektritev so fluorescenčne in tako imenovane varčne sijalke ter dekorativne neonske in argonske razelektritvene cevi. Poleg tega se žareče razelektritve uporabljajo v plinskih laserjih in v spektroskopiji.
Skrbni razelektritev se uporablja v varovalkah, pri elektroerozivnih metodah precizne obdelave kovin (iskricno rezanje, vrtanje itd.). Najbolj pa je znan po uporabi v svečkah motorjev z notranjim zgorevanjem in v gospodinjskih aparatih (plinske peči).
Ločna razelektritev, ki je bila prvič uporabljena v svetlobni tehniki že leta 1876 (Sveča Jabločkova - "ruska luč"), še vedno služi kot vir svetlobe - na primer v projektorjih in močnih reflektorjih. V elektrotehniki se lok uporablja v živosrebrnih usmernikih. Poleg tega se uporablja pri električnem varjenju, rezanju kovin, industrijskih električnih pečeh za taljenje jekla in zlitin.
Koronski razelektritev se uporablja v elektrostatičnih filtrih za čiščenje ionskih plinov, števcih elementarnih delcev, strelovodih, klimatskih sistemih. Corona discharge deluje tudi v kopirnih strojih in laserskih tiskalnikih, kjer napolni in prazni fotoobčutljivi boben ter prenaša prah iz bobna na papir.
Tako najdejo največ plinskih razelektritev vseh vrstširoka uporaba. Električni tok v plinih se uspešno in učinkovito uporablja na številnih področjih tehnologije.
