No hi ha dielèctrics absoluts a la natura. El moviment ordenat de les partícules, portadores de càrrega elèctrica, és a dir, el corrent, es pot produir en qualsevol mitjà, però això requereix condicions especials. Considerarem aquí com es produeixen els fenòmens elèctrics en els gasos i com es pot canviar un gas d'un molt bon dielèctric a un molt bon conductor. Ens interessarà les condicions en què sorgeix, així com quines característiques caracteritzen el corrent elèctric dels gasos.
Propietats elèctriques dels gasos
Un dielèctric és una substància (mitjà) en la qual la concentració de partícules -portadores lliures d'una càrrega elèctrica- no arriba a cap valor significatiu, de manera que la conductivitat és insignificant. Tots els gasos són bons dielèctrics. Les seves propietats aïllants s'utilitzen a tot arreu. Per exemple, en qualsevol interruptor de circuit, l'obertura del circuit es produeix quan els contactes es posen en una posició tal que es forma un buit d'aire entre ells. Cables a les línies elèctriquestambé estan aïllats els uns dels altres per una capa d'aire.
La unitat estructural de qualsevol gas és una molècula. Està format per nuclis atòmics i núvols d'electrons, és a dir, és un conjunt de càrregues elèctriques distribuïdes en l'espai d'alguna manera. Una molècula de gas pot ser un dipol elèctric per les peculiaritats de la seva estructura, o bé es pot polaritzar sota l'acció d'un camp elèctric extern. La gran majoria de les molècules que formen un gas són elèctricament neutres en condicions normals, ja que les càrregues que contenen es cancel·len entre si.
Si s'aplica un camp elèctric a un gas, les molècules adoptaran una orientació dipol, ocupant una posició espacial que compensa l'efecte del camp. Les partícules carregades presents al gas sota la influència de les forces de Coulomb començaran a moure's: ions positius -en la direcció del càtode, ions negatius i electrons- cap a l'ànode. Tanmateix, si el camp té un potencial insuficient, no sorgeix un sol flux dirigit de càrregues, i més aviat es pot parlar de corrents separats, tan febles que s'han de descuidar. El gas es comporta com un dielèctric.
Per tant, per a l'aparició d'un corrent elèctric als gasos, es requereix una gran concentració de portadors de càrrega lliure i la presència d'un camp.
Ionització
El procés d'un augment semblant a una allau del nombre de càrregues gratuïtes en un gas s'anomena ionització. En conseqüència, un gas en el qual hi ha una quantitat important de partícules carregades s'anomena ionitzat. És en aquests gasos on es crea un corrent elèctric.
El procés d'ionització està associat a la violació de la neutralitat de les molècules. Com a resultat del despreniment d'un electró, apareixen ions positius, la unió d'un electró a una molècula condueix a la formació d'un ió negatiu. A més, hi ha molts electrons lliures en un gas ionitzat. Els ions positius i especialment els electrons són els principals portadors de càrrega del corrent elèctric dels gasos.
La ionització es produeix quan s'imparteix una certa quantitat d'energia a una partícula. Així, un electró extern de la composició d'una molècula, havent rebut aquesta energia, pot sortir de la molècula. Les col·lisions mútues de partícules carregades amb les neutres provoquen l'eliminació de nous electrons i el procés adquireix un caràcter semblant a una allau. L'energia cinètica de les partícules també augmenta, la qual cosa afavoreix molt la ionització.
D'on prové l'energia utilitzada per excitar el corrent elèctric dels gasos? La ionització dels gasos té diverses fonts d'energia, segons les quals s'acostuma a anomenar-ne els tipus.
- Ionització per camp elèctric. En aquest cas, l'energia potencial del camp es converteix en l'energia cinètica de les partícules.
- Termoionització. Un augment de la temperatura també comporta la formació d'un gran nombre de càrrecs gratuïts.
- Fotoionització. L'essència d'aquest procés és que els electrons són subministrats amb energia per quants de radiació electromagnètica: fotons, si tenen una freqüència prou alta (ultraviolada, raigs X, quants gamma).
- La ionització per impacte és el resultat de la conversió de l'energia cinètica de les partícules en col·lisió en energia de separació d'electrons. Així comionització tèrmica, serveix com a principal factor d'excitació en gasos de corrent elèctric.
Cada gas es caracteritza per un determinat valor llindar: l'energia d'ionització requerida perquè un electró es desprengui d'una molècula, superant una barrera potencial. Aquest valor per al primer electró oscil·la entre diversos volts i dues desenes de volts; es necessita més energia per eliminar el següent electró de la molècula, i així successivament.
S'ha de tenir en compte que, simultàniament a la ionització del gas, es produeix el procés invers: la recombinació, és a dir, la restauració de molècules neutres sota l'acció de les forces d'atracció de Coulomb.
Descàrrega de gasos i els seus tipus
Per tant, el corrent elèctric dels gasos es deu al moviment ordenat de les partícules carregades sota l'acció d'un camp elèctric que se'ls aplica. La presència d'aquestes càrregues, al seu torn, és possible a causa de diversos factors d'ionització.
Per tant, la ionització tèrmica requereix temperatures importants, però una flama oberta a causa d'alguns processos químics contribueix a la ionització. Fins i tot a una temperatura relativament baixa en presència d'una flama, es registra l'aparició d'un corrent elèctric en els gasos, i l'experimentació amb la conductivitat del gas facilita la verificació d'això. Cal col·locar la flama d'un cremador o espelma entre les plaques d'un condensador carregat. El circuit prèviament obert a causa del buit d'aire del condensador es tancarà. Un galvanòmetre connectat al circuit mostrarà la presència de corrent.
El corrent elèctric dels gasos s'anomena descàrrega de gas. Cal tenir en compte queper mantenir l'estabilitat de la descàrrega, l'acció de l'ionitzador ha de ser constant, ja que a causa de la recombinació constant, el gas perd les seves propietats elèctricament conductores. Alguns portadors de corrent elèctric en gasos - ions - es neutralitzen als elèctrodes, altres - electrons - que cauen a l'ànode, es dirigeixen al "plus" de la font de camp. Si el factor ionitzant deixa de funcionar, el gas tornarà a ser dielèctric immediatament i el corrent s'aturarà. Aquest corrent, depenent de l'acció d'un ionitzador extern, s'anomena descàrrega no autosostenida.
Les característiques del pas del corrent elèctric a través dels gasos es descriuen per una dependència especial de la intensitat del corrent de la tensió: la característica de corrent-tensió.
Considerem el desenvolupament d'una descàrrega de gas en el gràfic de la dependència corrent-tensió. Quan la tensió puja a un determinat valor U1, el corrent augmenta proporcionalment a aquest, és a dir, es compleix la llei d'Ohm. L'energia cinètica augmenta i, per tant, la velocitat de les càrregues del gas, i aquest procés està per davant de la recombinació. Amb valors de tensió des de U1 fins a U2, aquesta relació es viola; quan s'arriba a U2, tots els portadors de càrrega arriben als elèctrodes sense tenir temps de recombinar-se. Tots els càrrecs gratuïts estan implicats, i un nou augment de la tensió no comporta un augment del corrent. Aquesta naturalesa del moviment de les càrregues s'anomena corrent de saturació. Així, podem dir que el corrent elèctric dels gasos també es deu a les peculiaritats del comportament del gas ionitzat en camps elèctrics de diverses intensitats.
Quan la diferència de potencial entre els elèctrodes arriba a un cert valor U3, la tensió esdevé suficient perquè el camp elèctric provoqui una ionització de gas semblant a una allau. L'energia cinètica dels electrons lliures ja és suficient per a la ionització per impacte de les molècules. Al mateix temps, la seva velocitat a la majoria de gasos és d'uns 2000 km/s i superior (es calcula mitjançant la fórmula aproximada v=600 Ui, on Ui és el potencial d'ionització). En aquest moment, es produeix una ruptura de gas i es produeix un augment significatiu del corrent a causa d'una font d'ionització interna. Per tant, aquesta descàrrega s'anomena independent.
La presència d'un ionitzador extern en aquest cas ja no té un paper en el manteniment del corrent elèctric als gasos. Una descàrrega autosostenida en diferents condicions i amb diferents característiques de la font de camp elèctric pot tenir certes característiques. Hi ha tipus d'autodescàrrega com ara resplendor, espurna, arc i corona. Veurem com es comporta el corrent elèctric en els gasos, breument per a cadascun d'aquests tipus.
Descàrrega brillant
En un gas rarificat, una diferència de potencial de 100 (i fins i tot menys) a 1000 volts és suficient per iniciar una descàrrega independent. Per tant, una descàrrega brillant, caracteritzada per una baixa intensitat de corrent (de 10-5 A a 1 A), es produeix a pressions de no més d'uns pocs mil·límetres de mercuri.
En un tub amb un gas rarificat i elèctrodes freds, la descàrrega de resplendor emergent sembla un cordó lluminós prim entre els elèctrodes. Si continueu bombejant gas del tub, observareudifuminació del cordó, i a pressions de dècimes de mil·límetres de mercuri, la resplendor omple el tub gairebé completament. La resplendor està absent a prop del càtode, a l'anomenat espai fosc del càtode. La resta s'anomena columna positiva. En aquest cas, els principals processos que asseguren l'existència de la descàrrega es localitzen precisament a l'espai del càtode fosc i a la regió adjacent a aquest. Aquí, les partícules de gas carregades s'acceleren, expulsant electrons del càtode.
En una descàrrega brillant, la causa de la ionització és l'emissió d'electrons des del càtode. Els electrons emesos pel càtode produeixen ionització per impacte de les molècules de gas, els ions positius emergents provoquen emissions secundàries del càtode, etc. La resplendor de la columna positiva es deu principalment al retrocés dels fotons per molècules de gas excitades, i els diferents gasos es caracteritzen per una resplendor d'un determinat color. La columna positiva només participa en la formació d'una descàrrega brillant com a secció del circuit elèctric. Si apropeu els elèctrodes, podeu aconseguir la desaparició de la columna positiva, però la descàrrega no s'aturarà. Tanmateix, amb una reducció addicional de la distància entre els elèctrodes, la descàrrega brillant no podrà existir.
Cal tenir en compte que per a aquest tipus de corrent elèctric en gasos, la física d'alguns processos encara no s'ha dilucidat del tot. Per exemple, la naturalesa de les forces que provoquen una expansió a la superfície del càtode de la regió que participa en la descàrrega no està clara.
Descàrrega d'espurna
Sparkl'avaria té un caràcter impulsiu. Es produeix a pressions properes a l'atmosfèrica normal, en els casos en què la potència de la font de camp elèctric no és suficient per mantenir una descàrrega estacionària. En aquest cas, la força de camp és alta i pot arribar als 3 MV/m. El fenomen es caracteritza per un fort augment del corrent elèctric de descàrrega en el gas, alhora que la tensió cau molt ràpidament i la descàrrega s'atura. Aleshores, la diferència de potencial augmenta de nou i es repeteix tot el procés.
Amb aquest tipus de descàrrega es formen canals d'espurna a curt termini, el creixement dels quals pot començar des de qualsevol punt entre els elèctrodes. Això es deu al fet que la ionització per impacte es produeix aleatòriament als llocs on actualment es concentra el major nombre d'ions. A prop del canal d'espurna, el gas s'escalfa ràpidament i pateix una expansió tèrmica, que provoca ones acústiques. Per tant, la descàrrega d'espurna s'acompanya de crepitjades, així com l'alliberament de calor i una brillantor brillant. Els processos d'ionització d'allaus generen altes pressions i temperatures de fins a 10 mil graus i més al canal d'espurna.
L'exemple més clar de descàrrega d'espurna natural és el llamp. El diàmetre del canal principal d'espurna del llamp pot variar des d'uns quants centímetres fins a 4 m, i la longitud del canal pot arribar als 10 km. La magnitud del corrent arriba als 500 mil amperes i la diferència de potencial entre un núvol de tronades i la superfície de la Terra arriba als mil milions de volts.
El llamp més llarg de 321 km es va observar l'any 2007 a Oklahoma, EUA. El titular del rècord durant la durada va ser un llamp, gravatel 2012 als Alps francesos: va durar més de 7,7 segons. Quan és colpejat per un llamp, l'aire pot escalfar-se fins a 30 mil graus, que és 6 vegades la temperatura de la superfície visible del Sol.
En els casos en què la potència de la font del camp elèctric és prou gran, la descàrrega de l'espurna es converteix en un arc.
Descàrrega d'arc
Aquest tipus d'autodescàrrega es caracteritza per una alta densitat de corrent i una tensió baixa (menys que la descàrrega brillant). La distància de ruptura és petita a causa de la proximitat dels elèctrodes. La descàrrega s'inicia per l'emissió d'un electró des de la superfície del càtode (per als àtoms metàl·lics, el potencial d'ionització és petit en comparació amb les molècules de gas). Durant una avaria entre els elèctrodes, es creen les condicions en què el gas condueix un corrent elèctric i es produeix una descàrrega d'espurna, que tanca el circuit. Si la potència de la font de tensió és prou gran, les descàrregues d'espurna es converteixen en un arc elèctric estable.
La ionització durant una descàrrega d'arc arriba gairebé al 100%, la força del corrent és molt alta i pot ser de 10 a 100 amperes. A pressió atmosfèrica, l'arc pot escalfar fins a 5-6 mil graus, i el càtode - fins a 3 mil graus, el que condueix a una intensa emissió termiònica de la seva superfície. El bombardeig de l'ànode amb electrons condueix a una destrucció parcial: s'hi forma un recés: un cràter amb una temperatura d'uns 4000 °C. Un augment de la pressió provoca un augment encara més gran de les temperatures.
En estendre els elèctrodes, la descàrrega de l'arc es manté estable fins a una certa distància,que permet tractar-lo en aquelles zones dels equips elèctrics on és perjudicial per la corrosió i la cremada dels contactes que provoca. Es tracta d'aparells com interruptors automàtics i d' alta tensió, contactors i altres. Un dels mètodes per combatre l'arc que es produeix en obrir els contactes és l'ús de canals d'arc basats en el principi d'extensió de l'arc. També s'utilitzen molts altres mètodes: unir contactes, utilitzar materials amb un alt potencial d'ionització, etc.
Descàrrega Corona
El desenvolupament d'una descàrrega de corona es produeix a pressió atmosfèrica normal en camps molt poc homogenis a prop dels elèctrodes amb una gran curvatura de la superfície. Aquests poden ser agulles, pals, cables, diversos elements d'equips elèctrics que tenen una forma complexa i fins i tot cabells humans. Aquest elèctrode s'anomena elèctrode corona. Els processos d'ionització i, en conseqüència, la resplendor del gas només tenen lloc a prop.
Es pot formar una corona tant al càtode (corona negativa) quan es bombardeja amb ions, com a l'ànode (positiu) com a resultat de la fotoionització. La corona negativa, en la qual el procés d'ionització s'allunya de l'elèctrode com a resultat de l'emissió tèrmica, es caracteritza per una brillantor uniforme. A la corona positiva, es poden observar streamers: línies lluminoses d'una configuració trencada que es poden convertir en canals d'espurna.
Un exemple de descàrrega de corona en condicions naturals són els incendis de Sant Elm que es produeixen a les puntes dels pals alts, les copes dels arbres, etc. Es formen a un alt voltatge de l'electricitatcamps a l'atmosfera, sovint abans d'una tempesta o durant una tempesta de neu. A més, es van fixar a la pell d'un avió que va caure en un núvol de cendra volcànica.
La descàrrega de la corona als cables de les línies elèctriques provoca importants pèrdues d'electricitat. A una alta tensió, una descàrrega de corona es pot convertir en un arc. Es combat de diverses maneres, per exemple, augmentant el radi de curvatura dels conductors.
Corrent elèctric en gasos i plasma
El gas totalment o parcialment ionitzat s'anomena plasma i es considera el quart estat de la matèria. En conjunt, el plasma és elèctricament neutre, ja que la càrrega total de les seves partícules constituents és zero. Això el distingeix d' altres sistemes de partícules carregades, com ara els feixos d'electrons.
En condicions naturals, el plasma es forma, per regla general, a altes temperatures a causa de la col·lisió d'àtoms de gas a altes velocitats. La gran majoria de la matèria bariònica de l'Univers es troba en estat de plasma. Són estrelles, part de la matèria interestel·lar, gas intergalàctic. La ionosfera de la Terra també és un plasma enrarit i poc ionitzat.
El grau d'ionització és una característica important d'un plasma: d'ell depenen les seves propietats conductores. El grau d'ionització es defineix com la relació entre el nombre d'àtoms ionitzats i el nombre total d'àtoms per unitat de volum. Com més ionitzat el plasma, més gran és la seva conductivitat elèctrica. A més, es caracteritza per una gran mobilitat.
Veiem, per tant, que els gasos que condueixen l'electricitat es troben dinsels canals de descàrrega no són més que plasma. Així, les descàrregues de resplendor i corona són exemples de plasma fred; un canal d'espurna de llamps o un arc elèctric són exemples de plasma calent gairebé completament ionitzat.
Corrent elèctric en metalls, líquids i gasos: diferències i semblances
Considerem les característiques que caracteritzen la descàrrega de gas en comparació amb les propietats del corrent en altres mitjans.
En els metalls, el corrent és un moviment dirigit d'electrons lliures que no comporta canvis químics. Els conductors d'aquest tipus s'anomenen conductors del primer tipus; aquests inclouen, a més de metalls i aliatges, el carbó, algunes sals i òxids. Es distingeixen per la conductivitat electrònica.
Els conductors del segon tipus són electròlits, és a dir, solucions aquoses líquides d'àlcalis, àcids i sals. El pas del corrent està associat a un canvi químic en l'electròlit - electròlisi. Els ions d'una substància dissolta a l'aigua, sota l'acció d'una diferència de potencial, es mouen en direccions oposades: cations positius - al càtode, anions negatius - a l'ànode. El procés va acompanyat de l'evolució de gas o deposició d'una capa metàl·lica sobre el càtode. Els conductors del segon tipus es caracteritzen per la conductivitat iònica.
Pel que fa a la conductivitat dels gasos, és, en primer lloc, temporal, i en segon lloc, té signes de semblances i diferències amb cadascun d'ells. Per tant, el corrent elèctric tant en electròlits com en gasos és una deriva de partícules de càrrega oposada dirigides cap a elèctrodes oposats. No obstant això, mentre que els electròlits es caracteritzen per una conductivitat purament iònica, en una descàrrega de gas amb una combinaciótipus de conductivitat electrònica i iònica, el paper principal pertany als electrons. Una altra diferència entre el corrent elèctric en líquids i gasos és la naturalesa de la ionització. En un electròlit, les molècules d'un compost dissolt es dissocien en aigua, però en un gas, les molècules no es descomponen, sinó que només perden electrons. Per tant, la descàrrega de gas, com el corrent dels metalls, no està associada a canvis químics.
La física del corrent elèctric en líquids i gasos tampoc és la mateixa. La conductivitat dels electròlits en conjunt obeeix la llei d'Ohm, però no s'observa durant una descàrrega de gas. La característica volt-ampere dels gasos té un caràcter molt més complex associat a les propietats del plasma.
Val la pena esmentar les característiques generals i distintives del corrent elèctric en gasos i en buit. El buit és gairebé un dielèctric perfecte. "Gairebé" - perquè en el buit, malgrat l'absència (més precisament, una concentració extremadament baixa) de portadors de càrrega gratuïta, també és possible un corrent. Però els portadors potencials ja estan presents al gas, només cal ionitzar-los. Els portadors de càrrega es posen al buit de la matèria. Com a regla general, això passa en el procés d'emissió d'electrons, per exemple, quan el càtode s'escalfa (emissió termiònica). Però, com hem vist, les emissions també tenen un paper important en diversos tipus de descàrregues de gasos.
Ús de descàrregues de gas en tecnologia
Els efectes nocius de determinades descàrregues ja s'han comentat breument anteriorment. Ara prestem atenció als beneficis que aporten a la indústria i a la vida quotidiana.
La descàrrega brillant s'utilitza en enginyeria elèctrica(estabilitzadors de tensió), en tecnologia de recobriment (mètode de catòdica basat en el fenomen de la corrosió del catòdic). En electrònica, s'utilitza per produir feixos d'ions i electrons. Un camp d'aplicació conegut per a les descàrregues brillants són les làmpades fluorescents i les anomenades econòmiques i els tubs decoratius de descàrrega de neó i argó. A més, les descàrregues brillants s'utilitzen en làsers de gas i en espectroscòpia.
La descàrrega d'espurna s'utilitza en fusibles, en mètodes electroerosius de processament de metalls de precisió (tall d'espurna, perforació, etc.). Però és més conegut pel seu ús en bugies de motors de combustió interna i en electrodomèstics (cuines de gas).
La descàrrega d'arc, que es va utilitzar per primera vegada en tecnologia d'il·luminació l'any 1876 (espelma de Yablochkov - "llum russa"), encara serveix com a font de llum, per exemple, en projectors i focus potents. En enginyeria elèctrica, l'arc s'utilitza en rectificadors de mercuri. A més, s'utilitza en soldadura elèctrica, tall de metalls, forns elèctrics industrials per a la fosa d'acer i aliatges.
La descàrrega
Corona s'utilitza en precipitadors electrostàtics per a la neteja de gasos iònics, comptadors de partícules elementals, parallamps, sistemes d'aire condicionat. La descàrrega Corona també funciona en fotocopiadores i impressores làser, on carrega i descarrega el tambor fotosensible i transfereix la pols del tambor al paper.
Així, les descàrregues de gas de tot tipus són les que més trobenàmplia aplicació. El corrent elèctric dels gasos s'utilitza amb èxit i eficàcia en moltes àrees de la tecnologia.
