Elektrisk udladning- Tabet af elektricitet fra ethvert elektrificeret legeme, det vil sige strålingen fra dette legeme, kan forekomme på forskellige måder, som et resultat af hvilke fænomener, der ledsager strålingen, kan være meget forskellige af natur. Alle de forskellige former for R. kan opdeles i tre hovedtyper: R. i form af elektrisk strøm, eller R. ledende, R. konvektiv og R. diskontinuerlig. R. i form af strøm opstår, når et elektrificeret legeme er forbundet med jorden eller til et andet legeme, der besidder elektricitet af samme mængde og modsat fortegn som elektriciteten på det udladningslegeme, gennem ledere eller endda isolatorer, men isolatorer, hvis overflade er dækket af et lag, der leder elektricitet, for eksempel . overfladen er våd eller snavset. I disse tilfælde sker det fuld R. af et givent legeme, og varigheden af denne R. bestemmes af modstanden og formen (se Selvinduktion) af de ledere, som R. optræder igennem. Jo lavere ledernes modstand og selvinduktionskoefficient, jo hurtigere R. af kroppen opstår. Kroppen er delvist afladet, dvs dens R. forekommer ufuldstændig, når den er forbundet med ledere til en anden krop, der ikke er elektrificeret eller mindre elektrificeret end den. I disse tilfælde er det sådan, at jo mere elektricitet der går tabt af kroppen, jo større er kapaciteten af den krop, der er forbundet til den gennem ledere. De fænomener, der ledsager stråling i form af strøm, er kvalitativt de samme som de fænomener, der er forårsaget af elektrisk strøm exciteret af almindelige galvaniske elementer. R. konventionel opstår, når et velisoleret legeme befinder sig i et flydende eller gasformigt medium indeholdende partikler, der kan blive elektrificeret og under påvirkning af elektriske kræfter kan bevæge sig i dette medium. R. eksplosiv - dette er kroppens R. enten ned i jorden eller ind i en anden krop, modsat elektrificeret, gennem et medium, der ikke leder elektricitet. Fænomenet opstår, som om det ikke-ledende medium giver efter for virkningen af de spændinger, der opstår i det under påvirkning af kroppens elektrificering, og giver en vej for elektricitet. Sådan diskontinuerlig R. er altid ledsaget af lysfænomener og kan forekomme i forskellige former. Men alle disse former for diskontinuerlig R. kan opdeles i tre kategorier: R. ved hjælp af en gnist, R. ved hjælp af en børste, R. ledsaget af udstråling eller stilhed P. Alle disse R. ligner hinanden ved, at hver af dem trods den korte varighed repræsenterer en kombination af flere R., dvs. med disse R. mister kroppen ikke sin elektricitet kontinuerligt, men i en intermitterende periode. måde. R. ved hjælp af en gnist er i de fleste tilfælde oscillerende (se Oscillerende R.). R. ved hjælp af en gnist dannes, når et elektrificeret legeme er placeret i noget gas betydelige elasticitet eller i en væske, er et andet legeme tæt nok, leder elektricitet og er forbundet til jorden eller elektrificeret modsat dette legeme. En gnist kan også dannes, når der er et lag af en form for solid isolator mellem sådanne to legemer. I dette tilfælde gennemborer gnisten dette lag og danner et gennemgående hul og revner i det. En gnist ledsages altid af en speciel knitrende lyd, der er et resultat af et hurtigt stød til det miljø, hvori den produceres. Når gnisten er kort, ligner den en lys, lige linje. Tykkelsen af denne linje bestemmes af mængden af elektricitet, der går tabt af det elektrificerede legeme ved hjælp af denne gnist. Efterhånden som gnistens længde øges, bliver den tyndere og afviger samtidig fra udseendet af en lige linje, tager form af en zigzag-linje og forgrener sig derefter med yderligere forlængelse og bliver til sidst i form af en børste (Tabel, fig. 1). Ved hjælp af et roterende spejl kan man opdage, at den gnist, der opstår, i virkeligheden består af en række individuelle gnister, der følger efter hinanden efter et vist tidsrum. Længden af den resulterende gnist, eller den såkaldte lidt afstand, afhænger af potentialforskellen mellem de legemer, mellem hvilke denne gnist dannes. Men selv med den samme potentialeforskel mellem to legemer varierer længden af gnisten, der dannes mellem dem, noget afhængigt af formen på disse legemer. For en given potentialforskel er gnisten således længere, når den dannes mellem to skiver, end i tilfældet, hvor den skal springe mellem to kugler. Og for forskellige bolde er gnisten ikke den samme længde. Jo mere de to bolde er forskellige i størrelse, jo længere er de. Ved en given potentialforskel opnås den korteste gnist, dvs. den mindste udladningsafstand opnås i det tilfælde, hvor gnisten skulle opnås mellem to kugler af samme størrelse. En ændring i gaselasticitet har en meget stor indflydelse på størrelsen af den potentialforskel, der kræves for at danne en gnist af en given længde. Når gaselasticiteten falder, falder denne potentialforskel også. Naturen af den gas, hvori gnisten opstår, har en væsentlig indflydelse på størrelsen af den nødvendige potentialforskel. For den samme gnistlængde og samme gaselasticitet er denne potentialforskel den mindste for brint, den er større for luft og endnu større for kulsyre. For at producere en gnist i en væske kræves der en større potentialforskel end at producere den samme gnist i en gas. Stoffet i de legemer, som gnisten dannes imellem, har en meget lille effekt på den potentialforskel, der kræves for at gnisten kan opstå. For korte gnistlængder i luft eller enhver anden gas er potentialforskellen, der danner gnisten, meget tæt proportional med gnistens længde. For store gnistlængder er forholdet mellem gnistlængden og den nødvendige potentialforskel ikke så simpelt. I dette tilfælde, når potentialforskellen stiger, øges gnistlængden hurtigere end potentialeforskellen øges. Følgende tabel indeholder data til at udtrykke længden af gnisterne og de tilsvarende potentialforskelle (gnister dannes mellem to skiver, den ene har en let konveks overflade).
| Gnistlængde, i stm | Potentialforskel, i volt |
| 0,0205 | 1000 |
| 0,0430 | 2000 |
| 0,0660 | 3000 |
| 0,1176 | 5000 |
| 0,2863 | 10000 |
| 0,3378 | 11300 |
ELEKTRISK UDLEDNING.
Under normale forhold er enhver gas, det være sig luft eller sølvdamp, en isolator. For at der kan opstå en strøm under påvirkning af et elektrisk felt, skal gasmolekylerne ioniseres på en eller anden måde. De ydre manifestationer og karakteristika af udledninger i gas er ekstremt forskellige, hvilket forklares af en bred vifte af parametre og elementære processer, der bestemmer passagen af strøm gennem gassen. Den første inkluderer gassens sammensætning og tryk, den geometriske konfiguration af udladningsrummet, frekvensen af det eksterne elektriske felt, strømstyrke osv., den anden inkluderer ionisering og excitation af gasatomer og molekyler, rekombinationspåvirkninger af anden slags, elastisk spredning af ladningsbærere, forskellige typer emissionselektroner. En sådan mangfoldighed af kontrollerbare faktorer skaber forudsætningerne for en meget bred anvendelse af gasudledninger.
Ioniseringspotentiale er den energi, der kræves for at fjerne en elektron fra et atom eller en ion.
Fotoionisering af atomer. Atomer kan blive ioniseret ved at absorbere lyskvanter, hvis energi er lig med eller større end atomets ioniseringspotentiale.
Overfladeionisering. Et adsorberet atom kan forlade den opvarmede overflade i både atomart og ioniseret tilstand. Til ionisering er det nødvendigt, at arbejdsfunktionen fra overfladen er større end ioniseringsenergien af niveauet af valenselektronen i det adsorberede atom (alkalimetaller på wolfram og platin).
Ioniseringsprocesser bruges ikke kun til at excitere forskellige typer gasudledninger, men også til at intensivere forskellige kemiske reaktioner og til at kontrollere gasstrømme ved hjælp af elektriske og magnetiske felter.
SOM. N 444818: En metode til opvarmning af stål i en oxiderende atmosfære, kendetegnet ved, at der for at reducere dekarboniseringen anvendes ioniserede atmosfærer under opvarmningsprocessen.
SOM. 282684: En metode til måling af små gasstrømme, der frigives til et vakuumvolumen, kendetegnet ved, at for at øge målenøjagtigheden ioniseres gassen før opsendelse og formes til en homogen fuldstråle, hvorefter ionstrålen indføres i vakuumvolumenet, hvor det neutraliseres på et metalmål, og størrelsen af gasstrømmen bedømmes ud fra ionstrålestrømmen.
Typisk sker der en gasudladning mellem ledende elektroder, som skaber en grænsekonfiguration af det elektriske felt og spiller en væsentlig rolle som kilder og dræn for ladede partikler. Tilstedeværelsen af elektroder er dog ikke nødvendig (højfrekvent toroidal ladning).
Ved tilstrækkeligt høje tryk og udløbsgab-længder spiller det gasformige medium hovedrollen i udledningens forekomst og progression. Opretholdelse af udladningsstrømmen bestemmes ved at opretholde ligevægtsgasionisering, som sker ved lave strømme på grund af kaskadeioniseringsprocesser, og ved høje strømme på grund af termisk ionisering.
Efterhånden som gastrykket og længden af udladningsgabet falder, spiller processer på elektroderne en stadig vigtigere rolle. Ved P =0,02..0.4 mmHg/cm bliver processer på elektroderne afgørende.
Ved lave udladningsstrømme mellem kolde elektroder og et ret ensartet felt er hovedtypen af udladning en glødeudladning, karakteriseret ved et betydeligt (50 - 400 V) katodepotentialefald. Katoden i denne type udladning udsender elektroner under påvirkning af ladede partikler og lyskvanter, og termiske fænomener spiller ikke en rolle for at opretholde udladningen.
US patent 3.533.434: En anordning til at læse information fra et perforeret medium anvender glødeudladningslamper, som er billige og også yderst pålidelige. Belysning af lamperne gennem perforeringerne af informationsbæreren med en kilde til pulserende lys forårsager antændelse af nogle af dem, som fortsætter efter lysimpulsens forsvinden. Glødeudladningslamper giver således informationslagring og kræver ikke en ekstra lagerenhed.
Indblandingen af molekylære gasser i udledningsgabet under en koronaudledning fører til dannelse af striber, dvs. mørke og lyse striber placeret på tværs af den elektriske feltgradient.
En glødeudladning i et meget inhomogent elektrisk felt og signifikant (P> 100 mmHg) tryk kaldes en koronaudladning. Corona-udladningsstrømmen har karakter af impulser forårsaget af elektronlaviner. Hyppigheden af forekomst af impulser er 10-100 kHz.
En lysbueudladning observeres ved en strømstyrke på mindst flere ampere. Denne type udladning er kendetegnet ved et lavt (op til 10 V) katodepotentialefald og høj strømtæthed. For en lysbueudladning er høj elektronemission fra katoden og termisk ionisering i plasmasøjlen afgørende. Lysbuespektret indeholder normalt linjer af katodemateriale.
Som. 226 729: Fremgangsmåde til ensretning af vekselstrøm ved hjælp af et gasudladningsgab med en hul katode ved lavt gastryk svarende til området af venstre gren af Paschen-kurven, kendetegnet ved, at for at øge den ensrettede strøm og reducere spændingen fald under den ledende del af perioden, med et positivt potentiale ved anoden overføre anode-hul katodesystemet til bueudladningstilstand.
En gnistutladning begynder med dannelsen af streamere - selvudbredende elektronlaviner, der danner en ledende kanal mellem elektroderne. Det andet trin af gnistutladningen - hovedudladningen - forekommer langs kanalen dannet af streameren, og dens karakteristika er tæt på en bueudladning, begrænset i tid af elektrodernes kapacitans og utilstrækkelig strømforsyning. Ved et tryk på 1 atm. elektrodernes materiale og tilstand påvirker ikke gennemslagsspændingen ved denne type afladning.
Afstanden mellem de sfæriske elektroder, svarende til forekomsten af gnistsammenbrud, bruges meget ofte til at måle højspændinger.
Som. 272 663: En metode til at bestemme størrelsen af makropartikler ved at påføre dem på en ladet overflade, kendetegnet ved, at for at øge målingens nøjagtighed, intensiteten af lysglimt, der ledsager det elektriske sammenbrud mellem den ladede overflade og partiklen nærmer sig det bestemmes, og størrelsen af partiklen bedømmes efter intensiteten.
Brænderudladning er en speciel type højfrekvent enkeltelektrodeudladning. Ved tryk tæt på eller over atmosfærisk tryk har brænderens udledning form som en stearinlysflamme. Denne type afladning kan eksistere ved frekvenser på 10 MHz, forudsat at kildeeffekten er tilstrækkelig.
Når man studerer en ladet spids, observeres en interessant effekt - den såkaldte strøm af ladninger fra spidsen. I virkeligheden er der ingen afstrømning. Mekanismen for dette fænomen er som følger: Små mængder frie ladninger i luften nær spidsen accelereres og ioniserer dem, når de rammer gasatomer. Der skabes et område med rumladning, hvorfra ioner med samme fortegn som spidsen skubbes ud af feltet og trækker gasatomer med sig. Strømmen af atomer og ioner skaber indtryk af ladninger, der flyder sammen. I dette tilfælde aflades spidsen og modtager samtidig en impuls rettet mod spidsen.
Flere eksempler på brug af coronaudladning:
Som. 485 282: Et klimaanlæg indeholdende et hus med en bakke og rør til lufttilførsel og -udsugning og en varmeveksler placeret i huset med kanaler vandet fra en af strømningerne, kendetegnet ved, at for at øge graden af luftkøling ved at intensivere fordampning, corona vand , langs aksen af de overrislede kanaler af varmeveksleren, er elektroder installeret, fastgjort til en jordet krop ved hjælp af isolatorer og forbundet til den negative pol af spændingskilden.
SOM. 744429: Corona-udladningsmåler til tråddiametre finere end halvtreds mikron. Som bekendt opstår der en koronaudladning i form af en lysende ring omkring en leder, hvis der påføres en højspænding på lederen. Ved bestemmelse af lederens tværsnit vil koronaudladningen have meget specifikke egenskaber. Så snart tværsnittet ændres, ændres koronaudladningens karakteristika øjeblikkeligt.
Det århundrede, vi lever i, kan kaldes elektricitetens tid. Betjening af computere, fjernsyn, biler, satellitter, kunstige belysningsapparater er blot en lille del af de eksempler, hvor det bruges. En af de interessante og vigtige processer for mennesker er elektrisk udladning. Lad os se nærmere på, hvad det er.
En kort historie om undersøgelsen af elektricitet
Hvornår blev mennesket bekendt med elektricitet? Det er svært at besvare dette spørgsmål, da det er stillet forkert, fordi det mest slående naturfænomen er lyn, kendt siden umindelige tider.
Den meningsfulde undersøgelse af elektriske processer begyndte først i slutningen af første halvdel af det 18. århundrede. Her er det værd at bemærke det seriøse bidrag til menneskelige ideer om elektricitet af Charles Coulomb, der studerede vekselvirkningskraften af ladede partikler, Georg Ohm, der matematisk beskrev parametrene for strøm i et lukket kredsløb, og Benjamin Franklin, der udførte mange eksperimenter studerer karakteren af det ovennævnte lyn. Ud over dem spillede forskere som Luigi Galvani (undersøgelse af nerveimpulser, opfindelse af det første "batteri") og Michael Faraday (undersøgelse af strøm i elektrolytter) en stor rolle i udviklingen.
Alle disse videnskabsmænds resultater har skabt et solidt grundlag for undersøgelse og forståelse af komplekse elektriske processer, hvoraf den ene er elektrisk udladning.
Hvad er en udledning, og hvilke betingelser er nødvendige for dens eksistens?
Elektrisk strømudladning er en fysisk proces, der er karakteriseret ved tilstedeværelsen af en strøm af ladede partikler mellem to rumlige områder, der har forskellige potentialer i et gasformigt miljø. Lad os se på denne definition.
For det første, når de taler om udledning, mener de altid gas. Udledninger i væsker og faste stoffer kan også forekomme (nedbrydning af en fast kondensator), men processen med at studere dette fænomen er lettere at overveje i et mindre tæt medium. Desuden er det udledninger i gasser, der ofte observeres og har stor betydning for menneskelivet.
For det andet, som angivet i definitionen af en elektrisk udladning, sker det kun, når to vigtige betingelser er opfyldt:
- når der er en potentialforskel (elektrisk feltstyrke);
- tilstedeværelse af ladningsbærere (frie ioner og elektroner).
Potentialforskellen sikrer ladningens retningsbestemte bevægelse. Hvis den overskrider en vis tærskelværdi, bliver den ikke-selvbærende udledning selvbærende eller uafhængig.
Hvad angår gratis afgiftsselskaber, er de altid til stede i enhver gas. Deres koncentration afhænger naturligvis af en række eksterne faktorer og egenskaberne af selve gassen, men selve kendsgerningen af deres tilstedeværelse er indiskutabel. Dette skyldes eksistensen af sådanne kilder til ionisering af neutrale atomer og molekyler, såsom ultraviolette stråler fra solen, kosmisk stråling og naturlig stråling fra vores planet.
Forholdet mellem potentialforskellen og bærerkoncentrationen bestemmer arten af udledningen.
Typer af elektriske udladninger
Vi giver en liste over disse typer og beskriver derefter hver af dem mere detaljeret. Så alle udledninger i gasformige medier er normalt opdelt i følgende:
- ulmende;
- gnist;
- bue;
- krone.
Fysisk adskiller de sig kun fra hinanden i kraft (aktuel tæthed) og, som en konsekvens, temperatur, såvel som arten af deres manifestation over tid. I alle tilfælde taler vi om overførsel af en positiv ladning (kationer) til katoden (område med lavt potentiale) og en negativ ladning (anioner, elektroner) til anoden (område med højt potentiale).
Glødeudladning
For dets eksistens er det nødvendigt at skabe lave gastryk (hundrede og tusinder af gange mindre end atmosfærisk tryk). En glødeudladning observeres i katoderør, der er fyldt med noget gas (for eksempel Ne, Ar, Kr og andre). Påføringen af spænding til rørets elektroder fører til aktivering af følgende proces: kationer, der er til stede i gassen, begynder at bevæge sig hurtigt, når katoden, de rammer den, sender en impuls og slår elektroner ud. Sidstnævnte kan i nærvær af tilstrækkelig kinetisk energi føre til ionisering af neutrale gasmolekyler. Den beskrevne proces vil kun være selvbærende, hvis der er tilstrækkelig energi af kationer, der bombarderer katoden og en vis mængde af dem, hvilket afhænger af potentialforskellen over elektroderne og gastrykket i røret.
Glødeudladningen gløder. Emissionen af elektromagnetiske bølger er forårsaget af to parallelle processer:
- rekombination af elektron-kation-par, ledsaget af frigivelse af energi;
- overgang af neutrale gasmolekyler (atomer) fra en exciteret tilstand til en grundtilstand.
Typiske karakteristika for denne type afladning er lave strømme (adskillige milliampere) og lave steady-state spændinger (100-400 V), men tærskelspændingen er flere tusinde volt, hvilket afhænger af gastrykket.
Eksempler på glødeudladning er fluorescerende og neonlamper. I naturen omfatter denne type nordlys (ionstrømme i jordens magnetfelt).
Gnistudledning
Dette er en typisk type udladning, som manifesterer sig i For dens eksistens er det nødvendigt ikke kun tilstedeværelsen af høje gastryk (1 atm eller mere), men også enorme spændinger. Luft er et ret godt dielektrikum (isolator). Dens permeabilitet varierer fra 4 til 30 kV/cm, hvilket afhænger af tilstedeværelsen af fugt og faste partikler. Disse tal indikerer, at for at opnå et sammenbrud (gnist) er det nødvendigt at anvende mindst 4.000.000 volt pr. meter luft!
I naturen opstår sådanne forhold i cumulusskyer, når ladninger som følge af friktionsprocesser mellem luftmasser, luftkonvektion og krystallisation (kondensation) omfordeles på en sådan måde, at de nederste lag af skyer oplades negativt, og øverste lag lades positivt. Potentialeforskellen akkumuleres gradvist, og når dens værdi begynder at overstige luftens isoleringsevne (flere millioner volt pr. meter), opstår lynet - en elektrisk udladning, der varer en brøkdel af et sekund. Strømstyrken i den når 10-40 tusind ampere, og plasmatemperaturen i kanalen stiger til 20.000 K.
Den minimale energi, der frigives i lynprocessen, kan beregnes, hvis vi tager følgende data i betragtning: processen udvikler sig i løbet af t=1*10 -6 s, I = 10.000 A, U = 10 9 V, så får vi:
E = I*U*t = 10 millioner J
Det resulterende tal svarer til den energi, der frigives under eksplosionen af 250 kg dynamit.
Ligesom gnist opstår det, når der er tilstrækkeligt tryk i gassen. Dens egenskaber ligner næsten fuldstændig gnisten, men der er også forskelle:
- for det første når strømme ti tusinde ampere, men spændingen er flere hundrede volt, hvilket skyldes mediets høje ledningsevne;
- for det andet eksisterer en lysbueudladning stabil over tid, i modsætning til en gnistudladning.
Overgangen til denne type afladning udføres ved en gradvis stigning i spændingen. Udledningen opretholdes på grund af termionisk emission fra katoden. Et slående eksempel på dette er svejsebuen.
Corona udledning
Denne type elektrisk udladning i gasser blev ofte observeret af sømænd, der rejste til den nye verden opdaget af Columbus. De kaldte det blålige skær i enderne af masterne "St. Elmos lys".
En koronaudladning opstår omkring genstande, der har en meget stærk elektrisk feltstyrke. Sådanne forhold skabes nær skarpe genstande (skibsmaster, bygninger med spidse tage). Når et legeme har en vis statisk ladning, fører feltstyrken i dets ender til ionisering af den omgivende luft. De resulterende ioner begynder deres drift mod feltkilden. Disse svage strømme, der forårsager lignende processer som i tilfælde af en glødeudladning, fører til udseendet af en glød.
Fare for udledninger for menneskers sundhed
Corona og glødeudladninger udgør ikke nogen særlig fare for mennesker, da de er karakteriseret ved lave strømme (milliampere). De to andre udledninger nævnt ovenfor er dødelige i tilfælde af direkte kontakt med dem.
Hvis en person observerer lynets tilgang, skal han slukke for alle elektriske apparater (inklusive mobiltelefoner) og også placere sig for ikke at skille sig ud fra det omkringliggende område med hensyn til højde.
Elektrisk udladning- processen med strømning af elektrisk strøm forbundet med en betydelig stigning i mediets elektriske ledningsevne i forhold til dets normale tilstand.
Stigningen i elektrisk ledningsevne sikres ved tilstedeværelsen af yderligere gratis ladningsbærere. Elektriske udladninger kan være ikke-selvbærende, opstået på grund af en ekstern kilde til gratis ladningsbærere og uafhængige, fortsætte med at brænde, selv efter at den eksterne kilde til gratis ladningsbærere er slukket.
Der skelnes mellem følgende typer elektriske udladninger: gnist, korona, bue (elektrisk lysbue) og glød.
Lad os forbinde kugleelektroderne til batteriet af kondensatorer og begynde at oplade kondensatorerne ved hjælp af en elektrisk maskine. Efterhånden som kondensatorerne oplades, vil potentialforskellen mellem elektroderne stige, og følgelig vil feltstyrken i gassen stige. Så længe feltstyrken er lav, kan der ikke mærkes ændringer i gassen. Men med tilstrækkelig feltstyrke (ca. 30.000 V/cm) opstår der en elektrisk gnist mellem elektroderne, som ligner en stærkt glødende viklingskanal, der forbinder begge elektroder. Gassen nær gnisten varmes op til en høj temperatur og udvider sig pludselig, hvilket får lydbølger til at opstå, og vi hører en karakteristisk knitrende lyd. Kondensatorer i denne opsætning er tilføjet for at gøre gnisten mere kraftfuld og derfor mere effektiv.
Den beskrevne form for gasudledning kaldes gnistudladning eller gasgnistsammenbrud. Når der opstår en gnistutladning, mister gassen pludselig, brat, sine isolerende egenskaber og bliver en god leder. Feltstyrken, ved hvilken gasgnistsammenbrud opstår, har en forskellig værdi for forskellige gasser og afhænger af deres tilstand (tryk, temperatur). For en given spænding mellem elektroderne er feltstyrken lavere, jo længere elektroderne er fra hinanden. Derfor, jo større afstanden er mellem elektroderne, desto større er spændingen mellem dem, der er nødvendig for at gnistnedbrydning af gassen kan forekomme. Denne spænding kaldes gennembrudsspænding.
Forekomsten af et sammenbrud forklares som følger. Der er altid en vis mængde ioner og elektroner i en gas, der stammer fra tilfældige årsager. Normalt er deres antal dog så lille, at gassen praktisk talt ikke leder elektricitet. Ved relativt små værdier af feltstyrke, som vi møder, når vi studerer ikke-selvbærende ledningsevne af gasser, kollisioner af ioner, der bevæger sig i et elektrisk felt med neutrale gasmolekyler, sker på samme måde som kollisioner af elastiske kugler. Ved hver kollision overfører den bevægelige partikel en del af sin kinetiske energi til den hvilende, og begge partikler flyver fra hinanden efter sammenstødet, men der sker ingen indre ændringer i dem. Men hvis feltstyrken er tilstrækkelig, kan den kinetiske energi akkumuleret af ionen i intervallet mellem to kollisioner blive tilstrækkelig til at ionisere det neutrale molekyle ved kollision. Som følge heraf dannes en ny negativ elektron og en positivt ladet rest - en ion. Denne ioniseringsproces kaldes slagionisering, og det arbejde, der skal bruges på at fjerne en elektron fra et atom, kaldes ioniseringsarbejde. Mængden af ioniseringsarbejde afhænger af atomets struktur og er derfor forskellig for forskellige gasser.
Elektroner og ioner dannet under påvirkning af stødionisering øger antallet af ladninger i gassen, og til gengæld kommer de i bevægelse under påvirkning af et elektrisk felt og kan frembringe stødionisering af nye atomer. Denne proces "forstærker sig selv", og ionisering i gassen når hurtigt en meget stor værdi. Alle fænomener er ret lig en sneskred i bjergene, for hvis forekomst en ubetydelig sneklump er nok. Derfor blev den beskrevne proces kaldt en ion-lavine. Dannelsen af en ionlavine er processen med gnistnedbrydning, og minimumsspændingen, ved hvilken en ionlavine opstår, er nedbrydningsspændingen. Vi ser, at under et gnistsammenbrud er årsagen til gasionisering ødelæggelsen af atomer og molekyler under kollisioner med ioner.
En af de naturlige repræsentanter for en gnistutladning er lyn - smuk og ikke sikker.
Forekomsten af en ion-lavine fører ikke altid til en gnist, men kan også forårsage en udledning af en anden type - en koronaudladning.
Lad os strække en metaltråd AB med en diameter på et par tiendedele millimeter på to høje isolerende understøtninger og forbinde den til den negative pol på en generator, der for eksempel giver en spænding på flere tusinde volt til en god elektrisk maskine. Vi vil tage den anden pol af generatoren til Jorden. Vi får en slags kondensator, hvis plader er vores ledning og rummets vægge, som selvfølgelig kommunikerer med Jorden. Feltet i denne kondensator er meget inhomogent, og dets intensitet er meget høj nær en tynd ledning. Ved gradvist at øge spændingen og observere ledningen i mørke, kan du bemærke, at der ved en bestemt spænding opstår en svag glød ("corona") nær ledningen, der dækker ledningen på alle sider; det akkompagneres af en hvæsende lyd og en let knitrende lyd. Hvis et følsomt galvanometer er forbundet mellem ledningen og kilden, viser galvanometeret med udseendet af en glød en mærkbar strøm, der strømmer fra generatoren gennem ledningerne til ledningen og fra den gennem luften i rummet til de tilsluttede vægge til den anden pol af generatoren. Strømmen i luften mellem tråden AB og væggene føres af ioner dannet i luften på grund af stødionisering. Således indikerer luftens glød og udseendet af strøm stærk ionisering af luft under påvirkning af et elektrisk felt.
Corona udledning kan forekomme ikke kun ved ledningen, men også ved spidsen og generelt ved alle elektroder, hvorved der dannes et meget stærkt inhomogent felt.
Anvendelse af coronaudladning.
1) Elektrisk gasrensning (elektriske udskillere). En beholder fyldt med røg bliver pludselig helt gennemsigtig, når der indsættes skarpe metalelektroder, der er forbundet med en elektrisk maskine. Inde i glasrøret er der to elektroder: en metalcylinder og en tynd metaltråd, der hænger langs dens akse. Elektroderne er forbundet til den elektriske maskine. Hvis en strøm af røg (eller støv) blæses gennem et rør, og maskinen betjenes, så snart spændingen bliver tilstrækkelig til at danne en korona, vil den udstrømmende luftstrøm blive fuldstændig ren og gennemsigtig, og alt fast og flydende partikler indeholdt i gassen vil blive aflejret på elektroder. Forklaringen af oplevelsen er som følger. Når først ledningens korona er antændt, bliver luften inde i røret stærkt ioniseret. Gasioner, der kolliderer med støvpartikler, "klæber" sig til sidstnævnte og oplader dem. Da der er et stærkt elektrisk felt inde i røret, bevæger ladede partikler sig under påvirkning af feltet til elektroderne, hvor de sætter sig. Det beskrevne fænomen finder i øjeblikket teknisk anvendelse til rensning af industrigasser i store mængder fra faste og flydende urenheder.
2) Elementærpartikeltællere. Corona-udladning ligger til grund for driften af ekstremt vigtige fysiske enheder: de såkaldte tællere af elementære partikler (elektroner, såvel som andre elementære partikler, der dannes under radioaktive transformationer) Geiger-Müller-tæller. Den består af en lille metalcylinder A, udstyret med et vindue, og en tynd metaltråd strakt langs cylinderens akse og isoleret fra den. Måleren er forbundet til et kredsløb, der indeholder en spændingskilde B på flere tusinde volt. Spændingen er valgt, så den kun er lidt mindre end den "kritiske", dvs. nødvendig for at antænde koronaudladningen inde i måleren. Når en hurtigt bevægende elektron kommer ind i tælleren, ioniserer sidstnævnte gasmolekylerne inde i tælleren, hvilket får den spænding, der kræves for at antænde koronaen, til at falde en smule. Der opstår en udladning i måleren, og en svag kortvarig strøm vises i kredsløbet.
Strømmen, der opstår i måleren, er så svag, at den er svær at detektere med et konventionelt galvanometer. Det kan dog gøres ret bemærkelsesværdigt, hvis der indføres en meget stor modstand R i kredsløbet, og parallelt med denne forbindes et følsomt elektrometer E. Når der opstår en strøm I i kredsløbet, skabes en spænding U i enderne af kredsløbet. modstand, lig med Ohms lov U = IxR. Hvis du vælger en modstandsværdi R meget stor (mange millioner ohm), men væsentligt mindre end selve elektrometerets modstand, så vil selv en meget svag strøm forårsage en mærkbar spænding. Derfor vil elektrometerbladet give af, hver gang en hurtig elektron kommer ind i tælleren.
Sådanne tællere gør det muligt at registrere ikke kun hurtige elektroner, men generelt også alle ladede, hurtigt bevægende partikler, der er i stand til at ionisere en gas gennem kollisioner. Moderne tællere registrerer let indtrængen af selv en partikel i dem og gør det derfor muligt med fuldstændig pålidelighed og meget klar klarhed at verificere, at elementære partikler virkelig findes i naturen.
I 1802 fastslog V.V. Petrov, at hvis du fastgør to stykker trækul til polerne på et stort elektrolytisk batteri og bringer kullene i kontakt, adskiller dem lidt, vil der dannes en lys flamme mellem kullenes ender og enderne af kullene. selve kullene bliver hvidglødende. Udsender et blændende lys ( elektrisk lysbue). Dette fænomen blev uafhængigt observeret syv år senere af den engelske kemiker Davy, som foreslog at kalde denne bue "voltaisk" til ære for Volta.
Typisk forsynes lysnettet med vekselstrøm. Lysbuen brænder dog mere stabilt, hvis der føres en konstant strøm gennem den, så den ene af dens elektroder altid er positiv (anode) og den anden negativ (katode). Mellem elektroderne er der en søjle af varm gas, der leder elektricitet godt. I almindelige buer udsender denne søjle væsentligt mindre lys end varme kul. Positivt kul, der har en højere temperatur, brænder hurtigere end negativt kul. På grund af den stærke sublimering af kul dannes der en fordybning på det - et positivt krater, som er den varmeste del af elektroderne. Temperaturen af krateret i luft ved atmosfærisk tryk når 4000 °C. Lysbuen kan også brænde mellem metalelektroder (jern, kobber osv.). I dette tilfælde smelter elektroderne og fordamper hurtigt, hvilket forbruger meget varme. Derfor er kratertemperaturen på en metalelektrode sædvanligvis lavere end en kulelektrodes (2000-2500 °C).
Ved at tvinge en bue til at brænde mellem kulstofelektroder i komprimeret gas (ca. 20 atm) var det muligt at bringe temperaturen på det positive krater til 5900 °C, altså til temperaturen på Solens overflade. Under denne betingelse blev kulsmeltning observeret.
Søjlen af gasser og dampe, hvorigennem den elektriske udladning sker, har en endnu højere temperatur. Det energiske bombardement af disse gasser og dampe af elektroner og ioner, drevet af lysbuens elektriske felt, bringer temperaturen af gasserne i kolonnen til 6000-7000 °. Derfor smelter næsten alle kendte stoffer i buesøjlen og bliver til damp, og mange kemiske reaktioner muliggøres, som ikke opstår ved lavere temperaturer. Det er for eksempel ikke svært at smelte ildfaste porcelænspinde i en lysbueflamme. For at opretholde en lysbueudladning er der brug for en lille spænding: lysbuen brænder godt, når spændingen ved dens elektroder er 40-45 V. Buestrømmen er ret betydelig. Så for eksempel, selv i en lille bue, strømmer en strøm på omkring 5 A, og i store buer, der bruges i industrien, når strømmen hundredvis af ampere. Dette viser, at lysbuemodstanden er lav; Følgelig leder en lysende gassøjle elektrisk strøm godt.
En sådan stærk ionisering af gassen er kun mulig på grund af det faktum, at buekatoden udsender en masse elektroner, som med deres påvirkninger ioniserer gassen i udladningsrummet. Kraftig elektronemission fra katoden sikres ved, at selve lysbuekatoden opvarmes til en meget høj temperatur (fra 2200° til 3500°C afhængig af materialet). Når vi for at antænde en lysbue først bringer kullene i kontakt, så frigives ved kontaktpunktet, som har en meget høj modstand, næsten al Joule-varmen fra strømmen, der går gennem kullene. Derfor bliver kullenes ender meget varme, og det er nok til, at der kan bryde en bue ud mellem dem, når de bevæger sig fra hinanden. Efterfølgende holdes lysbuens katode i en opvarmet tilstand ved, at strømmen selv passerer gennem lysbuen. Hovedrollen i dette spilles af katodens bombardement af positive ioner, der falder ind på den.
Anvendelse af lysbueudledning.
På grund af den høje temperatur udsender lysbueelektroderne blændende lys, og derfor er lysbuen en af de bedste lyskilder. Den bruger kun omkring 0,3 watt pr. lys og er væsentligt mere økonomisk. End de bedste glødelamper. Den elektriske lysbue blev først brugt til belysning af P. N. Yablochkov i 1875 og blev kaldt det "russiske lys" eller "nordlys".
Den elektriske lysbue bruges også til svejsning af metaldele (elektrisk lysbuesvejsning). I øjeblikket er den elektriske lysbue meget udbredt i industrielle elektriske ovne. I den globale industri smeltes omkring 90% af værktøjsstål og næsten alt specialstål i elektriske ovne.
Af stor interesse er en kviksølvbue, der brænder i et kvartsrør, den såkaldte kvartslampe. I denne lampe sker lysbueudladningen ikke i luft, men i en atmosfære af kviksølvdamp, for hvilken der indføres en lille mængde kviksølv i lampen, og luften pumpes ud. Kviksølvbuelys er ekstremt rig på usynlige ultraviolette stråler, som har stærke kemiske og fysiologiske virkninger. Kviksølvlamper er meget udbredt til behandling af forskellige sygdomme ("kunstig bjergsol"), såvel som i videnskabelig forskning som en stærk kilde til ultraviolette stråler.
Udover gnisten, koronaen og buen findes der en anden form for selvstændig udledning i gasser - den såkaldte glødeudladning. For at opnå denne type udladning er det praktisk at bruge et glasrør, der er cirka en halv meter langt, og som indeholder to metalelektroder. Lad os forbinde elektroderne til en jævnstrømskilde med en spænding på flere tusinde volt (en elektrisk maskine vil gøre det) og gradvist pumpe luften ud af røret. Ved atmosfærisk tryk forbliver gassen inde i røret mørk, fordi den påførte spænding på flere tusinde volt ikke er nok til at gennembore det lange gasgab. Men når gastrykket falder tilstrækkeligt, blinker en lysende udledning i røret. Det ligner en tynd ledning (rød i luft, andre farver i andre gasser), der forbinder begge elektroder. I denne tilstand leder gaskolonnen elektricitet godt.
Ved yderligere evakuering sløres og udvides den lysende ledning, og gløden fylder næsten hele røret. De følgende to dele af udladningen skelnes: 1) den ikke-lysende del, der støder op til katoden, kaldet det mørke katoderum; 2) en lysende søjle af gas, der fylder resten af røret, helt op til anoden. Denne del af udledningen kaldes den positive søjle.
Under en glødeudladning leder gas elektricitet godt, hvilket betyder, at der hele tiden opretholdes en kraftig ionisering i gassen. I dette tilfælde, i modsætning til en lysbueudladning, forbliver katoden kold hele tiden. Hvorfor sker dannelsen af ioner i dette tilfælde?
Faldet i potentiale eller spænding for hver centimeter af længden af gassøjlen i en glødeudladning er meget forskellig i forskellige dele af udladningen. Det viser sig, at næsten hele faldet i potentialet sker i mørke rum. Den potentialforskel, der eksisterer mellem katoden og rumgrænsen nærmest den, kaldes katodepotentialfaldet. Det måles i hundreder og i nogle tilfælde tusindvis af volt. Hele udledningen ser ud til at eksistere på grund af dette katodefald. Betydningen af katodefaldet er, at positive ioner, der løber gennem denne store potentialeforskel, opnår større hastighed. Da katodeindfaldet er koncentreret i et tyndt lag gas, sker der næsten ingen kollisioner af ioner med gasatomer her, og derfor får ionerne, når de passerer gennem katodeindfaldsområdet, meget høj kinetisk energi. Som et resultat, når de kolliderer med katoden, slår de et vist antal elektroner ud fra den, som begynder at bevæge sig mod anoden. Ved at passere gennem mørke rum accelereres elektroner til gengæld af katodepotentialfaldet, og når de kolliderer med gasatomer i en fjernere del af udledningen, producerer de stødionisering. De positive ioner, der opstår i dette tilfælde, accelereres igen af katodefaldet og slår nye elektroner ud fra katoden osv. Alting gentages således, så længe der er spænding på elektroderne.
Dette betyder, at årsagerne til gasionisering i en glødeudladning er stødionisering og udslag af elektroner fra katoden af positive ioner.
Anvendelse af glødeudladning.
Denne udledning bruges hovedsageligt til belysning. Anvendes i lysstofrør.
Elektrisk afladning*- Tabet af elektricitet fra ethvert elektrificeret legeme, det vil sige den elektriske udladning* af dette legeme, kan forekomme på forskellige måder, som et resultat af hvilke fænomener, der ledsager den elektriske udladning*, kan være meget forskellige af natur. Alle de forskellige former for elektrisk udladning* kan opdeles i tre hovedtyper: Elektrisk udladning* i form af elektrisk strøm, eller Elektrisk* ledende udladning, Elektrisk* konvektiv udladning og Elektrisk* eksplosiv udladning. Elektrisk afladning* i form af strøm opstår, når et elektrificeret legeme er forbundet med jorden eller til et andet legeme, der besidder m, lige i mængde og modsat fortegn til elektriciteten på det udladningslegeme, gennem ledere eller endda isolatorer, men isolatorer, der er dækket af et lag, der leder elektricitet, for eksempel. overfladen er våd eller snavset. I disse tilfælde sker det fuld afladning elektrisk* af et givet legeme, og varigheden af denne elektriske udladning * bestemmes af m og form (se) af de ledere, hvorigennem den elektriske udladning sker * Jo lavere modstand og selvinduktion af lederne, jo hurtigere er den elektriske udladning * af kroppen opstår. Kroppen er delvist afladet, dvs. dens elektriske udladning* sker ufuldstændig, når den er forbundet med ledere til en anden krop, der ikke er elektrificeret eller mindre elektrificeret end den. I disse tilfælde er det sådan, at jo mere elektricitet der går tabt af kroppen, jo større er kapaciteten af den krop, der er forbundet til den gennem ledere. De fænomener, der ledsager en elektrisk udladning* i form af en strøm, er kvalitativt de samme som de fænomener, der er forårsaget af en elektrisk strøm exciteret af almindelige galvaniske elementer. Elektrisk afladning* konventionel opstår, når et velisoleret legeme befinder sig i et flydende eller gasformigt medium indeholdende partikler, der kan blive elektrificeret og under påvirkning af elektriske kræfter kan bevæge sig i dette medium. Elektrisk afladning* eksplosiv- dette er en elektrisk udladning* af et legeme enten i jorden eller i et andet legeme, modsat elektrificeret, gennem et medium, der ikke leder elektricitet. Fænomenet opstår, som om det ikke-ledende medium giver efter for virkningen af de spændinger, der opstår i det under påvirkning af kroppens elektrificering, og giver en vej for elektricitet. En sådan eksplosiv elektrisk udladning* er altid ledsaget af lysfænomener og kan forekomme i forskellige former. Men alle disse former for eksplosiv elektrisk udladning* kan opdeles i tre kategorier: Elektrisk udladning* ved hjælp af en gnist, Elektrisk afladning* ved hjælp af en børste, Elektrisk afladning* ledsaget af udstråling eller stilhed P. Alle disse elektriske udladninger* ligner hinanden ved, at på trods af den korte varighed repræsenterer hver af dem en kombination af flere elektriske udladninger*, dvs. med disse elektriske udladninger* mister kroppen sin elektricitet ikke kontinuerligt, men intermitterende vej. Elektrisk udladning* ved hjælp af en gnist er i de fleste tilfælde oscillerende (se Oscillerende elektrisk udladning*). En elektrisk udladning* ved hjælp af en gnist dannes, når et elektrificeret legeme befinder sig i en gas betydelige elasticitet eller i en væske, er et andet legeme tæt nok, leder elektricitet og er forbundet til jorden eller elektrificeret modsat dette legeme. En gnist kan også dannes, når der er et lag af en form for solid isolator mellem sådanne to legemer. I dette tilfælde gennemborer gnisten dette lag og danner et gennemgående hul og revner i det. En gnist ledsages altid af en speciel knitrende lyd, der er et resultat af et hurtigt stød til det miljø, hvori den produceres. Når gnisten er kort, ligner den en lys, lige linje. Tykkelsen af denne linje bestemmes af mængden af elektricitet, der går tabt af det elektrificerede legeme ved hjælp af denne gnist. Efterhånden som gnistens længde øges, bliver den tyndere og afviger samtidig fra udseendet af en lige linje, tager form af en zigzag-linje og forgrener sig derefter med yderligere forlængelse og bliver til sidst i form af en børste (Tabel, fig. 1). Ved hjælp af et roterende spejl kan man opdage, at den gnist, der opstår, faktisk består af en række individuelle gnister, der efter nogen tid følger efter hinanden. Længden af den resulterende gnist, eller den såkaldte lidt afstand, afhænger af potentialforskellen mellem de legemer, mellem hvilke denne gnist dannes. Men selv med den samme potentialeforskel mellem to legemer varierer længden af gnisten, der dannes mellem dem, noget afhængigt af formen på disse legemer. For en given potentialforskel er gnisten således længere, når den dannes mellem to skiver, end i tilfældet, hvor den skal springe mellem to kugler. Og for forskellige bolde er gnisten ikke den samme længde. Jo mere de to bolde er forskellige i størrelse, jo længere er de. Ved en given potentialforskel opnås den korteste gnist, dvs. den mindste udladningsafstand opnås i det tilfælde, hvor gnisten skulle opnås mellem to kugler af samme størrelse. En ændring i gaselasticitet har en meget stor indflydelse på størrelsen af den potentialforskel, der kræves for at danne en gnist af en given længde. Når gaselasticiteten falder, falder denne potentialforskel også. Gassen, hvori gnisten opstår, har en væsentlig indflydelse på størrelsen af den nødvendige potentialforskel. For den samme gnistlængde og samme gaselasticitet er denne potentialforskel den mindste for brint, den er større for luft og endnu større for kulsyre. For at producere en gnist i en væske kræves der en større potentialforskel end at producere den samme gnist i en gas. Stoffet i de legemer, som gnisten dannes imellem, har en meget lille effekt på den potentialforskel, der kræves for at gnisten kan opstå. For korte gnistlængder i luft eller enhver anden gas er potentialforskellen, der danner gnisten, meget tæt proportional med gnistens længde. For store gnistlængder er forholdet mellem gnistlængden og den nødvendige potentialforskel ikke så simpelt. I dette tilfælde, når potentialforskellen stiger, øges gnistlængden hurtigere end potentialeforskellen øges. Følgende tabel indeholder data til at udtrykke længden af gnisterne og de tilsvarende potentialforskelle (gnister dannes mellem to skiver, den ene har en let konveks overflade).
| Gnistlængde, i stm | Potentialforskel, i volt |
ELEKTRISK UDLEDNING.