Gamtoje nėra absoliučių dielektrikų. Tvarkingas dalelių – elektros krūvio nešėjų – tai yra srovės, judėjimas gali būti sukeltas bet kurioje terpėje, tačiau tam reikia specialių sąlygų. Čia apžvelgsime, kaip vyksta elektriniai reiškiniai dujose ir kaip dujas iš labai gero dielektriko galima paversti labai geru laidininku. Mums bus įdomu, kokiomis sąlygomis ji atsiranda, taip pat kokios savybės apibūdina elektros srovę dujose.
Dujų elektrinės savybės
Dielektrikas yra medžiaga (terpė), kurioje dalelių - laisvųjų elektros krūvio nešėjų - koncentracija nepasiekia jokios reikšmingos vertės, dėl to laidumas yra nereikšmingas. Visos dujos yra geri dielektrikai. Jų izoliacinės savybės naudojamos visur. Pavyzdžiui, bet kuriame grandinės pertraukiklyje grandinė atsidaro, kai kontaktai yra įvesti į tokią padėtį, kad tarp jų susidaro oro tarpas. Laidai elektros linijosetaip pat yra izoliuoti vienas nuo kito oro sluoksniu.
Bet kurių dujų struktūrinis vienetas yra molekulė. Jį sudaro atominiai branduoliai ir elektronų debesys, tai yra tam tikru būdu erdvėje paskirstytų elektros krūvių rinkinys. Dujų molekulė dėl savo sandaros ypatumų gali būti elektrinis dipolis arba gali būti poliarizuota veikiant išoriniam elektriniam laukui. Didžioji dauguma molekulių, sudarančių dujas, normaliomis sąlygomis yra elektriškai neutralios, nes jose esantys krūviai vienas kitą panaikina.
Jei dujose veikiamas elektrinis laukas, molekulės įgaus dipolio orientaciją ir užims erdvinę padėtį, kuri kompensuoja lauko poveikį. Dujose esančios įkrautos dalelės, veikiamos Kulono jėgų, pradės judėti: teigiami jonai - katodo kryptimi, neigiami jonai ir elektronai - link anodo. Tačiau jei laukas turi nepakankamą potencialą, neatsiranda vienas nukreiptas krūvių srautas, o galima kalbėti apie atskiras sroves, tokias silpnas, kad jų reikėtų nepaisyti. Dujos elgiasi kaip dielektrikas.
Taigi, kad dujose susidarytų elektros srovė, reikalinga didelė laisvųjų krūvininkų koncentracija ir lauko buvimas.
Jonizacija
Lavinos formos laisvųjų įkrovimų dujose padidėjimo procesas vadinamas jonizacija. Atitinkamai, dujos, kuriose yra daug įkrautų dalelių, vadinamos jonizuotomis. Būtent tokiose dujose susidaro elektros srovė.
Jonizacijos procesas yra susijęs su molekulių neutralumo pažeidimu. Dėl elektrono atsiskyrimo atsiranda teigiamų jonų, elektronui prisijungus prie molekulės susidaro neigiamas jonas. Be to, jonizuotose dujose yra daug laisvųjų elektronų. Teigiami jonai ir ypač elektronai yra pagrindiniai elektros srovės krūvininkai dujose.
Jonizacija įvyksta, kai dalelei suteikiamas tam tikras energijos kiekis. Taigi išorinis molekulės sudėtyje esantis elektronas, gavęs šią energiją, gali palikti molekulę. Abipusis įkrautų dalelių susidūrimas su neutraliomis sukelia naujų elektronų išmušimą, o procesas įgauna laviną. Taip pat didėja dalelių kinetinė energija, kuri labai skatina jonizaciją.
Iš kur gaunama energija, naudojama elektros srovei sužadinti dujose? Dujų jonizacija turi keletą energijos š altinių, pagal kuriuos įprasta įvardyti jo rūšis.
- Jonizacija elektriniu lauku. Tokiu atveju lauko potencinė energija paverčiama kinetine dalelių energija.
- Termojonizacija. Padidėjus temperatūrai, taip pat susidaro daug nemokamų mokesčių.
- Fotografija. Šio proceso esmė ta, kad elektronus energija aprūpina elektromagnetinės spinduliuotės kvantai – fotonai, jeigu jie turi pakankamai aukštą dažnį (ultravioletinė, rentgeno, gama kvantai).
- Smūgio jonizacija yra susidūrimo dalelių kinetinės energijos pavertimo elektronų atskyrimo energija rezultatas. Taip pat kaipterminė jonizacija, ji yra pagrindinis elektros srovės dujų sužadinimo veiksnys.
Kiekvienoms dujoms būdinga tam tikra slenkstinė vertė – jonizacijos energija, reikalinga elektronui atitrūkti nuo molekulės, įveikiant potencialų barjerą. Ši pirmojo elektrono vertė svyruoja nuo kelių voltų iki dviejų dešimčių voltų; reikia daugiau energijos, kad iš molekulės būtų pašalintas kitas elektronas ir pan.
Reikėtų atsižvelgti į tai, kad kartu su jonizacija dujose vyksta atvirkštinis procesas – rekombinacija, tai yra neutralių molekulių atstatymas veikiant Kulono traukos jėgoms.
Dujų išleidimas ir jų rūšys
Taigi, elektros srovė dujose atsiranda dėl tvarkingo įkrautų dalelių judėjimo, veikiant jas veikiančiam elektriniam laukui. Savo ruožtu tokių krūvių gali atsirasti dėl įvairių jonizacijos faktorių.
Taigi, terminei jonizacijai reikalinga didelė temperatūra, tačiau atvira liepsna dėl kai kurių cheminių procesų prisideda prie jonizacijos. Net esant santykinai žemai temperatūrai, esant liepsnai, fiksuojamas elektros srovės atsiradimas dujose, o eksperimentuojant su dujų laidumu lengva tai patikrinti. Tarp įkrauto kondensatoriaus plokščių būtina pastatyti degiklio ar žvakės liepsną. Grandinė, kuri anksčiau buvo atidaryta dėl oro tarpo kondensatoriuje, užsidarys. Prie grandinės prijungtas galvanometras parodys srovės buvimą.
Elektros srovė dujose vadinama dujų išlydžiu. Reikia turėti omenyje, kadnorint išlaikyti išlydžio stabilumą, jonizatoriaus veikimas turi būti pastovus, nes dėl nuolatinės rekombinacijos dujos praranda savo elektrai laidžias savybes. Vieni elektros srovės nešėjai dujose – jonai – neutralizuojami ant elektrodų, kiti – elektronai – krentantys ant anodo, nukreipiami į lauko š altinio „pliusą“. Jei jonizuojantis faktorius nustos veikti, dujos iš karto vėl taps dielektriku, o srovė nutrūks. Tokia srovė, priklausanti nuo išorinio jonizatoriaus veikimo, vadinama nesavarankiška iškrova.
Elektros srovės pratekėjimo per dujas ypatybes apibūdina ypatinga srovės stiprio priklausomybė nuo įtampos – srovės-įtampos charakteristika.
Panagrinėkime dujų išlydžio raidą srovės ir įtampos priklausomybės grafike. Kai įtampa pakyla iki tam tikros reikšmės U1, srovė didėja proporcingai jai, tai yra, Omo dėsnis yra įvykdytas. Didėja kinetinė energija, taigi ir krūvių greitis dujose, ir šis procesas yra prieš rekombinaciją. Esant įtampos vertėms nuo U1 iki U2, šis santykis pažeidžiamas; pasiekus U2, visi krūvininkai pasiekia elektrodus, nespėdami rekombinuotis. Įtraukiami visi nemokami mokesčiai, o toliau didėjant įtampai srovė nepadidėja. Toks krūvių judėjimo pobūdis vadinamas soties srove. Taigi galime teigti, kad elektros srovė dujose atsiranda ir dėl jonizuotų dujų elgsenos įvairaus stiprumo elektriniuose laukuose ypatumų.
Kai potencialų skirtumas tarp elektrodų pasiekia tam tikrą reikšmę U3, įtampa tampa pakankama, kad elektrinis laukas sukeltų laviną primenančią dujų jonizaciją. Laisvųjų elektronų kinetinės energijos jau pakanka smūginei molekulių jonizacijai. Tuo pačiu metu jų greitis daugumoje dujų yra apie 2000 km/s ir didesnis (jis apskaičiuojamas pagal apytikslę formulę v=600 Ui, kur Ui yra jonizacijos potencialas). Šiuo metu įvyksta dujų gedimas ir dėl vidinio jonizacijos š altinio smarkiai padidėja srovė. Todėl toks iškrovimas vadinamas nepriklausomu.
Šiuo atveju išorinis jonizatorius nebeturi reikšmės palaikant elektros srovę dujose. Savarankiškas iškrovimas skirtingomis sąlygomis ir skirtingomis elektrinio lauko š altinio charakteristikomis gali turėti tam tikrų savybių. Yra tokie savaiminio išsikrovimo tipai kaip švytėjimas, kibirkštis, lankas ir vainikas. Trumpai apžvelgsime, kaip elektros srovė veikia dujose, apie kiekvieną iš šių tipų.
Švytėjimo išmetimas
Retintose dujose potencialų skirtumo nuo 100 (ir net mažesnio) iki 1000 voltų pakanka nepriklausomam iškrovimui pradėti. Todėl švytėjimo išlydis, pasižymintis mažu srovės stipriu (nuo 10-5 A iki 1 A), atsiranda esant ne didesniam nei kelių gyvsidabrio milimetrų slėgiui.
Vamzdyje su išretintomis dujomis ir š altais elektrodais atsirandantis švytėjimo išlydis atrodo kaip plonas šviečiantis laidas tarp elektrodų. Jei ir toliau pumpuosite dujas iš vamzdžio, pastebėsitelaido neryškumas ir esant dešimtųjų gyvsidabrio milimetrų slėgiui, švytėjimas beveik visiškai užpildo vamzdelį. Švytėjimo nėra šalia katodo - vadinamojoje tamsaus katodo erdvėje. Likusi dalis vadinama teigiama stulpeliu. Šiuo atveju pagrindiniai procesai, užtikrinantys iškrovos egzistavimą, yra lokalizuoti būtent tamsioje katodo erdvėje ir gretimame regione. Čia įkrautos dujų dalelės pagreitinamos, išmušdamos elektronus iš katodo.
Švytėjimo išlydžio metu jonizacijos priežastis yra elektronų emisija iš katodo. Katodo skleidžiami elektronai sukelia dujų molekulių smūginę jonizaciją, atsirandantys teigiami jonai sukelia antrinę katodo emisiją ir pan. Teigiamos kolonėlės švytėjimą daugiausia lemia sužadintų dujų molekulių fotonų atatranka, o skirtingoms dujoms būdingas tam tikros spalvos švytėjimas. Teigiamas stulpelis dalyvauja formuojant švytėjimo išlydį tik kaip elektros grandinės dalis. Jei priartinsite elektrodus, galite pasiekti teigiamo stulpelio išnykimą, tačiau iškrova nesustos. Tačiau toliau sumažinus atstumą tarp elektrodų, švytėjimo iškrova negalės egzistuoti.
Pažymėtina, kad šio tipo elektros srovės dujose kai kurių procesų fizika dar nėra iki galo išaiškinta. Pavyzdžiui, lieka neaiškus jėgų, sukeliančių iškrovime dalyvaujančios srities katodo paviršiaus išsiplėtimą, pobūdis.
Kibirkštinis išlydis
Kibirkštisgedimas turi impulsyvų pobūdį. Jis atsiranda esant slėgiui, artimam normaliam atmosferos slėgiui, tais atvejais, kai elektrinio lauko š altinio galios nepakanka stacionariai iškrovai palaikyti. Šiuo atveju lauko stiprumas yra didelis ir gali siekti 3 MV/m. Reiškinys pasižymi staigiu išlydžio elektros srovės padidėjimu dujose, tuo pačiu itin greitai krenta įtampa, o iškrova sustoja. Tada potencialų skirtumas vėl didėja ir visas procesas kartojamas.
Šio tipo išlydžio metu susidaro trumpalaikiai kibirkšties kanalai, kurių augimas gali prasidėti nuo bet kurio taško tarp elektrodų. Taip yra dėl to, kad smūginė jonizacija vyksta atsitiktinai tose vietose, kur šiuo metu yra sutelktas didžiausias jonų skaičius. Netoli kibirkštinio kanalo dujos greitai įkaista ir vyksta šiluminis plėtimasis, o tai sukelia akustines bangas. Todėl kibirkšties iškrovą lydi traškėjimas, taip pat šilumos išsiskyrimas ir ryškus švytėjimas. Lavinos jonizacijos procesai kibirkšties kanale sukuria aukštą slėgį ir temperatūrą iki 10 tūkstančių laipsnių ir daugiau.
Aiškiausias natūralios kibirkšties iškrovos pavyzdys yra žaibas. Pagrindinio žaibo kibirkšties kanalo skersmuo gali svyruoti nuo kelių centimetrų iki 4 m, o kanalo ilgis – 10 km. Srovės stiprumas siekia 500 tūkstančių amperų, o potencialų skirtumas tarp griaustinio debesies ir Žemės paviršiaus siekia milijardą voltų.
Ilgiausias 321 km žaibas buvo pastebėtas 2007 m. Oklahomoje, JAV. Trukmės rekordininkas buvo žaibas, įrašytas2012 metais Prancūzijos Alpėse – tai truko per 7,7 sek. Nutrenkus žaibui, oras gali įkaisti iki 30 tūkstančių laipsnių, o tai 6 kartus viršija matomo Saulės paviršiaus temperatūrą.
Tais atvejais, kai elektrinio lauko š altinio galia yra pakankamai didelė, kibirkšties išlydis išsivysto į lanką.
Lanko iškrovimas
Šis savaiminio išsikrovimo tipas pasižymi dideliu srovės tankiu ir žema (mažesne nei švytėjimo išlydžio) įtampa. Sugedimo atstumas yra mažas dėl elektrodų artumo. Iškrovą inicijuoja elektrono emisija nuo katodo paviršiaus (metalo atomų jonizacijos potencialas yra mažas, palyginti su dujų molekulėmis). Per gedimą tarp elektrodų susidaro sąlygos, kuriomis dujos praleidžia elektros srovę, atsiranda kibirkštinis išlydis, kuris uždaro grandinę. Jei įtampos š altinio galia yra pakankamai didelė, kibirkšties iškrovos virsta stabiliu elektros lanku.
Jonizacija lankinio išlydžio metu pasiekia beveik 100%, srovės stipris yra labai didelis ir gali būti nuo 10 iki 100 amperų. Esant atmosferos slėgiui, lankas gali įkaisti iki 5–6 tūkstančių laipsnių, o katodas - iki 3 tūkstančių laipsnių, o tai sukelia intensyvią terminę emisiją nuo jo paviršiaus. Anodo bombardavimas elektronais sukelia dalinį sunaikinimą: ant jo susidaro įduba - krateris, kurio temperatūra yra apie 4000 °C. Padidėjęs slėgis dar labiau padidina temperatūrą.
Išskleidžiant elektrodus, lanko išlydis išlieka stabilus iki tam tikro atstumo,kuri leidžia su juo susidoroti tose elektros įrangos srityse, kur ji yra kenksminga dėl jos sukeltos korozijos ir kontaktų perdegimo. Tai tokie įrenginiai kaip aukštos įtampos ir automatiniai jungikliai, kontaktoriai ir kt. Vienas iš būdų kovoti su lanku, atsirandančiu atidarant kontaktus, yra lanko latako naudojimas, pagrįstas lanko išplėtimo principu. Taip pat naudojama daug kitų metodų: kontaktų sujungimas, medžiagų, turinčių didelį jonizacijos potencialą, naudojimas ir pan.
Koronos iškrova
Karūnos iškrova atsiranda esant normaliam atmosferos slėgiui smarkiai nehomogeniškuose laukuose šalia elektrodų su dideliu paviršiaus kreivumu. Tai gali būti smailės, stiebai, laidai, įvairūs sudėtingos formos elektros įrangos elementai ir net žmogaus plaukai. Toks elektrodas vadinamas vainikiniu elektrodu. Jonizacijos procesai ir atitinkamai dujų švytėjimas vyksta tik šalia jo.
Karūna gali susidaryti tiek ant katodo (neigiama vainika), kai bombarduojama jonais, tiek ant anodo (teigiama) dėl fotojonizacijos. Neigiama korona, kurioje jonizacijos procesas dėl šiluminės emisijos nukreipiamas nuo elektrodo, pasižymi tolygiu švytėjimu. Teigiamame vainiklyje galima pastebėti sroves – šviečiančias nutrūkusios konfigūracijos linijas, kurios gali virsti kibirkšties kanalais.
Koronos iškrovos natūraliomis sąlygomis pavyzdys yra Šv. Elmo gaisrai, kylantys ant aukštų stiebų, medžių viršūnių ir pan. Jie susidaro esant aukštai elektros įtampaiatmosferoje, dažnai prieš perkūniją arba per sniegą. Be to, jie buvo pritvirtinti prie orlaivių, kurie nukrito į vulkaninių pelenų debesį, odos.
Koronos iškrova ant elektros linijų laidų sukelia didelius elektros energijos nuostolius. Esant aukštai įtampai, vainiko iškrova gali virsti lanku. Su juo kovojama įvairiais būdais, pavyzdžiui, didinant laidininkų kreivumo spindulį.
Elektros srovė dujose ir plazmoje
Visiškai arba iš dalies jonizuotos dujos vadinamos plazma ir laikomos ketvirtąja materijos būsena. Apskritai plazma yra elektriškai neutrali, nes bendras ją sudarančių dalelių krūvis yra lygus nuliui. Tai išskiria jį iš kitų įkrautų dalelių sistemų, pvz., elektronų pluoštų.
Natūraliomis sąlygomis plazma susidaro, kaip taisyklė, aukštoje temperatūroje dėl dujų atomų susidūrimo dideliu greičiu. Didžioji dalis barioninės medžiagos Visatoje yra plazmos būsenoje. Tai žvaigždės, tarpžvaigždinės materijos dalis, tarpgalaktinės dujos. Žemės jonosfera taip pat yra reta, silpnai jonizuota plazma.
Jonizacijos laipsnis yra svarbi plazmos savybė – nuo jo priklauso jos laidžios savybės. Jonizacijos laipsnis apibrėžiamas kaip jonizuotų atomų skaičiaus ir bendro atomų skaičiaus tūrio vienete santykis. Kuo labiau jonizuota plazma, tuo didesnis jos elektrinis laidumas. Be to, jai būdingas didelis mobilumas.
Todėl matome, kad dujos, kurios praleidžia elektrą, yra vidujeiškrovos kanalai yra ne kas kita, kaip plazma. Taigi švytėjimas ir vainikinės iškrovos yra š altos plazmos pavyzdžiai; žaibo kibirkšties kanalas arba elektros lankas yra karštos, beveik visiškai jonizuotos plazmos pavyzdžiai.
Elektros srovė metaluose, skysčiuose ir dujose – skirtumai ir panašumai
Panagrinėkime dujų išlydžio charakteristikas, palyginti su srovės savybėmis kitose terpėse.
Metaluose srovė yra kryptingas laisvųjų elektronų judėjimas, nesukeliantis cheminių pokyčių. Šio tipo laidininkai vadinami pirmosios rūšies laidininkais; tai, be metalų ir lydinių, apima anglį, kai kurias druskas ir oksidus. Jie išsiskiria elektroniniu laidumu.
Antrosios rūšies laidininkai yra elektrolitai, tai yra skysti vandeniniai šarmų, rūgščių ir druskų tirpalai. Srovės pratekėjimas yra susijęs su cheminiu elektrolito pasikeitimu – elektrolize. Vandenyje ištirpusios medžiagos jonai, veikiami potencialų skirtumo, juda priešingomis kryptimis: teigiami katijonai - į katodą, neigiami anijonai - į anodą. Procesą lydi dujų išsiskyrimas arba metalo sluoksnio nusėdimas ant katodo. Antrosios rūšies laidininkai pasižymi joniniu laidumu.
Kalbant apie dujų laidumą, jis, pirma, yra laikinas, antra, jis turi panašumų ir skirtumų su kiekviena iš jų. Taigi, elektros srovė tiek elektrolituose, tiek dujose yra priešingai įkrautų dalelių dreifas, nukreiptas į priešingus elektrodus. Tačiau, nors elektrolitams būdingas grynai joninis laidumas, dujų išlydžio su deriniuelektroninių ir joninių laidumo tipų, pagrindinis vaidmuo tenka elektronams. Kitas skirtumas tarp elektros srovės skysčiuose ir dujose yra jonizacijos pobūdis. Elektrolite ištirpusio junginio molekulės disocijuoja vandenyje, tačiau dujose molekulės nesuyra, o tik praranda elektronus. Todėl dujų iškrova, kaip ir srovė metaluose, nėra susijusi su cheminiais pokyčiais.
Skysčių ir dujų elektros srovės fizika taip pat nevienoda. Elektrolitų laidumas kaip visuma atitinka Ohmo dėsnį, tačiau dujų išlydžio metu jis nepastebimas. Dujų voltų amperų charakteristikos yra daug sudėtingesnės, susijusios su plazmos savybėmis.
Verta paminėti bendrąsias ir išskirtines elektros srovės dujose ir vakuume ypatybes. Vakuumas yra beveik tobulas dielektrikas. „Beveik“– nes vakuume, nepaisant to, kad nėra (tiksliau, itin mažos koncentracijos) laisvųjų krūvininkų, galima ir srovė. Bet potencialių nešėjų dujose jau yra, tereikia jas jonizuoti. Krovinių nešikliai iš materijos įkeliami į vakuumą. Paprastai tai įvyksta elektronų emisijos procese, pavyzdžiui, kai katodas įkaista (terminė emisija). Tačiau, kaip matėme, emisija taip pat vaidina svarbų vaidmenį įvairių tipų dujų išmetimuose.
Dujų išleidimo naudojimas technologijose
Žalingas tam tikrų išmetimų poveikis jau buvo trumpai aptartas aukščiau. Dabar atkreipkime dėmesį į naudą, kurią jie atneša pramonėje ir kasdieniame gyvenime.
Švytėjimo išlydis naudojamas elektrotechnikoje(įtampos stabilizatoriai), dengimo technologijoje (katodo purškimo metodas, pagrįstas katodinės korozijos reiškiniu). Elektronikoje jis naudojamas jonų ir elektronų pluoštams gaminti. Gerai žinoma švytėjimo išlydžių taikymo sritis yra fluorescencinės ir vadinamosios ekonomiškos lempos bei dekoratyviniai neoniniai ir argono išlydžio vamzdžiai. Be to, švytėjimo išlydžiai naudojami dujų lazeriuose ir spektroskopijoje.
Kibirkštinis išlydis naudojamas saugikliuose, precizinio metalo apdirbimo elektroeroziniuose metoduose (pjovimas kibirkštiniu būdu, gręžimas ir pan.). Tačiau jis geriausiai žinomas dėl jo naudojimo vidaus degimo variklių uždegimo žvakėse ir buitiniuose prietaisuose (dujinėse viryklėse).
Lankinis išlydis, pirmą kartą panaudotas apšvietimo technologijoje 1876 m. (Jabločkovo žvakė – „rusiška šviesa“), iki šiol tarnauja kaip šviesos š altinis, pavyzdžiui, projektoriuose ir galinguose prožektoriuose. Elektrotechnikoje lankas naudojamas gyvsidabrio lygintuvuose. Be to, jis naudojamas elektriniam suvirinimui, metalo pjovimui, pramoninėse elektrinėse krosnyse, skirtose plieno ir lydinių lydymui.
Koronos iškrova naudojama elektrostatiniuose nusodintuvuose jonų dujų valymui, elementariųjų dalelių skaitikliuose, žaibolaidžiuose, oro kondicionavimo sistemose. Korona iškrova taip pat veikia kopijuokliuose ir lazeriniuose spausdintuvuose, kur įkrauna ir iškrauna šviesai jautrų būgną ir perkelia miltelius iš būgno į popierių.
Todėl visų tipų dujų išmetimai yra daugiausiaiplatus pritaikymas. Dujose esanti elektros srovė sėkmingai ir efektyviai naudojama daugelyje technologijų sričių.
