Es entsteht durch die gerichtete Bewegung freier Elektronen und dass dabei keine Veränderungen in der Substanz, aus der der Leiter besteht, auftreten.

Solche Leiter, bei denen der Durchgang eines elektrischen Stroms nicht mit chemischen Veränderungen in ihrer Substanz einhergeht, werden als bezeichnet Dirigenten der ersten Art. Dazu gehören alle Metalle, Kohle und eine Reihe weiterer Stoffe.

Aber auch in der Natur gibt es solche Stromleiter, bei denen beim Stromdurchgang chemische Phänomene auftreten. Diese Dirigenten heißen Dirigenten der zweiten Art. Dazu gehören hauptsächlich verschiedene Lösungen in Wasser von Säuren, Salzen und Laugen.

Wenn Sie Wasser in ein Glasgefäß gießen und ein paar Tropfen Schwefelsäure (oder eine andere Säure oder Lauge) hinzufügen, dann zwei Metallplatten nehmen und Leiter daran befestigen, indem Sie diese Platten in das Gefäß absenken, und einen Strom anschließen Quelle zu den anderen Enden der Leiter über einen Schalter und ein Amperemeter, dann wird Gas aus der Lösung freigesetzt und es wird kontinuierlich fortgesetzt, bis der Stromkreis geschlossen ist. angesäuertes Wasser ist in der Tat ein Leiter. Außerdem beginnen sich die Platten mit Gasblasen zu bedecken. Dann lösen sich diese Blasen von den Platten und kommen heraus.

Wenn ein elektrischer Strom durch die Lösung fließt, treten chemische Veränderungen auf, wodurch Gas freigesetzt wird.

Leiter der zweiten Art werden Elektrolyte genannt, und das Phänomen, das im Elektrolyten auftritt, wenn ein elektrischer Strom durch ihn fließt, ist es.

In den Elektrolyten getauchte Metallplatten werden als Elektroden bezeichnet; Eine davon, die mit dem Pluspol der Stromquelle verbunden ist, wird Anode genannt, und die andere, die mit dem Minuspol verbunden ist, wird Kathode genannt.

Was verursacht den Durchgang von elektrischem Strom in einem flüssigen Leiter? Es stellt sich heraus, dass sich in solchen Lösungen (Elektrolyten) Säuremoleküle (Laugen, Salze) unter Einwirkung eines Lösungsmittels (in diesem Fall Wasser) in zwei Komponenten zersetzen und Ein Teilchen des Moleküls hat eine positive elektrische Ladung und das andere eine negative.

Die elektrisch geladenen Teilchen eines Moleküls werden Ionen genannt. Wenn eine Säure, ein Salz oder eine Lauge in Wasser gelöst wird, erscheint eine große Anzahl sowohl positiver als auch negativer Ionen in der Lösung.

Nun sollte klar werden, warum ein elektrischer Strom durch die Lösung floss, denn zwischen den an die Stromquelle angeschlossenen Elektroden entstand dieser, das heißt, eine davon erwies sich als positiv und die andere als negativ geladen. Unter dem Einfluss dieser Potentialdifferenz begannen sich positive Ionen in Richtung der negativen Elektrode – der Kathode – und negative Ionen – in Richtung der Anode zu bewegen.

So ist aus der chaotischen Ionenbewegung eine geordnete Gegenbewegung negativer Ionen in die eine und positiver Ionen in die andere Richtung geworden. Dieser Ladungstransferprozess stellt den Fluss von elektrischem Strom durch den Elektrolyten dar und findet statt, solange eine Potentialdifferenz zwischen den Elektroden besteht. Mit dem Verschwinden der Potentialdifferenz hört der Strom durch den Elektrolyten auf, die geordnete Bewegung der Ionen wird gestört und die chaotische Bewegung setzt wieder ein.

Betrachten Sie als Beispiel das Phänomen der Elektrolyse, wenn ein elektrischer Strom durch eine Lösung aus Kupfersulfat CuSO4 mit darin abgesenkten Kupferelektroden geleitet wird.

Das Phänomen der Elektrolyse, wenn Strom durch eine Kupfersulfatlösung fließt: C - Gefäß mit Elektrolyt, B - Stromquelle, C - Schalter

Es wird auch eine Gegenbewegung von Ionen zu den Elektroden geben. Das positive Ion ist das Kupferion (Cu) und das negative Ion ist das Säurerestion (SO4). Kupferionen werden beim Kontakt mit der Kathode entladen (binden die fehlenden Elektronen an sich), d.h. sie verwandeln sich in neutrale Moleküle aus reinem Kupfer und werden auf der Kathode in Form der dünnsten (molekularen) Schicht abgeschieden.

Negative Ionen, die die Anode erreicht haben, werden ebenfalls entladen (geben überschüssige Elektronen ab). Gleichzeitig gehen sie jedoch mit dem Kupfer der Anode eine chemische Reaktion ein, wodurch ein Molekül Kupfer Cu an den sauren Rest SO4 gebunden wird und ein Molekül Kupfersulfat CuS O4 entsteht, das zurückgeführt wird zurück zum Elektrolyt.

Da dieser chemische Prozess lange dauert, lagert sich Kupfer an der Kathode ab, das aus dem Elektrolyten freigesetzt wird. In diesem Fall erhält der Elektrolyt anstelle der zur Kathode gewanderten Kupfermoleküle durch die Auflösung der zweiten Elektrode - der Anode - neue Kupfermoleküle.

Der gleiche Vorgang tritt auf, wenn anstelle von Kupferelektroden Zinkelektroden verwendet werden und der Elektrolyt eine Lösung von Zinksulfat ZnSO4 ist. Zink wird auch von der Anode zur Kathode übertragen.

Auf diese Weise, Unterschied zwischen elektrischem Strom in Metallen und flüssigen Leitern liegt darin, dass in Metallen nur freie Elektronen, also negative Ladungen, Ladungsträger sind, während sie in Elektrolyten von entgegengesetzt geladenen Materieteilchen getragen werden - Ionen, die sich in entgegengesetzte Richtungen bewegen. Deshalb sagen sie das Elektrolyte haben Ionenleitfähigkeit.

Das Phänomen der Elektrolyse wurde 1837 von B. S. Jacobi entdeckt, der zahlreiche Experimente zur Untersuchung und Verbesserung chemischer Stromquellen durchführte. Jacobi fand, dass eine der in eine Kupfersulfatlösung gelegten Elektroden, wenn ein elektrischer Strom hindurchfließt, mit Kupfer bedeckt wird.

Dieses Phänomen heißt Galvanik, findet jetzt eine extrem breite praktische Anwendung. Ein Beispiel hierfür ist das Beschichten von Metallgegenständen mit einer dünnen Schicht anderer Metalle, also Vernickeln, Vergolden, Versilbern etc.

Gase (einschließlich Luft) leiten unter normalen Bedingungen keinen Strom. Beispielsweise nackt, parallel zueinander aufgehängt, durch eine Luftschicht voneinander isoliert.

Unter dem Einfluss hoher Temperaturen, einer großen Potentialdifferenz und aus anderen Gründen ionisieren Gase jedoch wie flüssige Leiter, d. H. In ihnen treten in großer Zahl Partikel von Gasmolekülen auf, die als Stromträger zum Durchgang beitragen von elektrischem Strom durch das Gas.

Aber gleichzeitig unterscheidet sich die Ionisation eines Gases von der Ionisation eines flüssigen Leiters. Wenn ein Molekül in einer Flüssigkeit in zwei geladene Teile zerfällt, dann werden in Gasen unter Einwirkung der Ionisation immer Elektronen von jedem Molekül getrennt und ein Ion bleibt in Form eines positiv geladenen Teils des Moleküls zurück.

Man muss nur die Ionisation des Gases stoppen, da es aufhört, leitend zu sein, während die Flüssigkeit immer ein Leiter des elektrischen Stroms bleibt. Folglich ist die Leitfähigkeit eines Gases ein vorübergehendes Phänomen, abhängig von der Einwirkung äußerer Ursachen.

Es gibt jedoch noch einen anderen namens Bogenentladung oder nur ein Lichtbogen. Das Phänomen eines Lichtbogens wurde Anfang des 19. Jahrhunderts vom ersten russischen Elektroingenieur V. V. Petrov entdeckt.

V. V. Petrov entdeckte bei zahlreichen Experimenten, dass zwischen zwei an eine Stromquelle angeschlossenen Holzkohlen eine kontinuierliche elektrische Entladung durch die Luft auftritt, begleitet von einem hellen Licht. In seinen Schriften schrieb V. V. Petrov, dass in diesem Fall "der dunkle Frieden ziemlich hell erleuchtet werden kann". So wurde zum ersten Mal elektrisches Licht erhalten, das von einem anderen russischen Elektrowissenschaftler, Pavel Nikolaevich Yablochkov, praktisch angewendet wurde.

"Yablochkov's Candle", dessen Arbeit auf der Verwendung eines elektrischen Lichtbogens basiert, machte damals eine echte Revolution in der Elektrotechnik.

Die Bogenentladung wird auch heute noch als Lichtquelle verwendet, beispielsweise in Suchscheinwerfern und Projektoren. Die hohe Temperatur der Bogenentladung ermöglicht den Einsatz für . Gegenwärtig werden Lichtbogenöfen, die mit sehr hoher Stromstärke betrieben werden, in einer Reihe von Industrien eingesetzt: zum Schmelzen von Stahl, Gusseisen, Ferrolegierungen, Bronze usw. Und 1882 verwendete N. N. Benardos erstmals eine Lichtbogenentladung zum Schneiden und Schweißen von Metall.

In Gaslichtröhren, Leuchtstofflampen, Spannungsstabilisatoren, um Elektronen- und Ionenstrahlen zu erhalten, die sog Glühgasentladung.

Eine Funkenentladung wird verwendet, um große Potentialunterschiede mit einer Kugelstrecke zu messen, deren Elektroden zwei Metallkugeln mit polierter Oberfläche sind. Die Kugeln werden auseinander bewegt und mit einer gemessenen Potentialdifferenz beaufschlagt. Dann werden die Kugeln zusammengebracht, bis ein Funke zwischen ihnen überspringt. Sie kennen den Durchmesser der Kugeln, den Abstand zwischen ihnen, den Druck, die Temperatur und die Luftfeuchtigkeit und finden anhand spezieller Tabellen die Potentialdifferenz zwischen den Kugeln. Dieses Verfahren kann verwendet werden, um Potentialunterschiede in der Größenordnung von Zehntausenden Volt bis auf wenige Prozent zu messen.

In der Natur gibt es keine absoluten Dielektrika. Die geordnete Bewegung von Teilchen - Trägern elektrischer Ladung - also Strom, kann in jedem Medium verursacht werden, aber dies erfordert besondere Bedingungen. Wir betrachten hier, wie elektrische Phänomene in Gasen ablaufen und wie ein Gas von einem sehr guten Dielektrikum in einen sehr guten Leiter umgewandelt werden kann. Uns werden die Bedingungen interessieren, unter denen er entsteht, und auch, welche Eigenschaften der elektrische Strom in Gasen hat.

Elektrische Eigenschaften von Gasen

Ein Dielektrikum ist ein Stoff (Medium), in dem die Konzentration von Partikeln - freien Trägern einer elektrischen Ladung - keinen nennenswerten Wert erreicht, wodurch die Leitfähigkeit vernachlässigbar ist. Alle Gase sind gute Dielektrika. Ihre isolierenden Eigenschaften werden überall genutzt. Beispielsweise erfolgt bei jedem Leistungsschalter das Öffnen des Stromkreises, wenn die Kontakte in eine solche Position gebracht werden, dass sich zwischen ihnen ein Luftspalt bildet. Drähte in Stromleitungen sind ebenfalls durch eine Luftschicht voneinander isoliert.

Die Struktureinheit jedes Gases ist ein Molekül. Es besteht aus Atomkernen und Elektronenwolken, das heißt, es ist eine Ansammlung elektrischer Ladungen, die auf irgendeine Weise im Raum verteilt sind. Ein Gasmolekül kann aufgrund der Besonderheiten seiner Struktur polarisiert oder unter Einwirkung eines äußeren elektrischen Feldes polarisiert werden. Die überwiegende Mehrheit der Moleküle, aus denen ein Gas besteht, ist unter normalen Bedingungen elektrisch neutral, da sich die Ladungen in ihnen gegenseitig aufheben.

Wenn ein elektrisches Feld an das Gas angelegt wird, nehmen die Moleküle eine Dipolorientierung ein und nehmen eine räumliche Position ein, die die Wirkung des Feldes kompensiert. Die im Gas vorhandenen geladenen Teilchen beginnen sich unter dem Einfluss der Coulomb-Kräfte zu bewegen: positive Ionen - in Richtung der Kathode, negative Ionen und Elektronen - in Richtung der Anode. Hat das Feld jedoch ein zu geringes Potential, entsteht kein einzelner gerichteter Ladungsfluss, sondern man kann eher von getrennten Strömen sprechen, die so schwach sind, dass sie vernachlässigt werden sollten. Das Gas verhält sich wie ein Dielektrikum.

So ist für das Auftreten eines elektrischen Stroms in Gasen eine hohe Konzentration an freien Ladungsträgern und das Vorhandensein eines Feldes erforderlich.

Ionisation

Den Vorgang einer lawinenartigen Zunahme der Anzahl freier Ladungen in einem Gas nennt man Ionisation. Dementsprechend wird ein Gas, in dem sich eine beträchtliche Menge geladener Teilchen befindet, als ionisiert bezeichnet. In solchen Gasen entsteht elektrischer Strom.

Der Ionisationsprozess ist mit einer Verletzung der Neutralität von Molekülen verbunden. Durch die Ablösung eines Elektrons entstehen positive Ionen, die Bindung eines Elektrons an ein Molekül führt zur Bildung eines negativen Ions. Außerdem gibt es in einem ionisierten Gas viele freie Elektronen. Positive Ionen und insbesondere Elektronen sind die Hauptladungsträger für elektrischen Strom in Gasen.

Ionisierung tritt auf, wenn einem Teilchen eine bestimmte Energiemenge verliehen wird. Somit kann ein externes Elektron in der Zusammensetzung eines Moleküls, nachdem es diese Energie erhalten hat, das Molekül verlassen. Gegenseitige Kollisionen geladener Teilchen mit neutralen führen zum Herausschlagen neuer Elektronen, und der Vorgang nimmt lawinenartigen Charakter an. Auch die kinetische Energie der Partikel steigt an, was die Ionisation stark fördert.

Woher kommt die Energie, die für die Anregung von elektrischem Strom in Gasen aufgewendet wird? Die Ionisation von Gasen hat mehrere Energiequellen, nach denen es üblich ist, ihre Typen zu benennen.

1. Ionisation durch ein elektrisches Feld. Dabei wird die potentielle Energie des Feldes in die kinetische Energie der Teilchen umgewandelt.
2. Thermische Ionisierung. Eine Temperaturerhöhung führt auch zur Bildung einer Vielzahl von freien Ladungen.
3. Photoionisation. Die Essenz dieses Prozesses besteht darin, dass die Elektronen durch elektromagnetische Strahlungsquanten - Photonen, wenn sie eine ausreichend hohe Frequenz haben (Ultraviolett-, Röntgen-, Gamma-Quanten) - mit Energie versorgt werden.
4. Stoßionisation ist das Ergebnis der Umwandlung der kinetischen Energie kollidierender Teilchen in die Energie der Elektronenablösung. Neben der thermischen Ionisation dient es als Hauptfaktor für die Anregung von elektrischem Strom in Gasen.

Jedes Gas ist durch einen bestimmten Schwellenwert gekennzeichnet - die Ionisierungsenergie, die ein Elektron benötigt, um sich von einem Molekül zu lösen und eine Potentialbarriere zu überwinden. Dieser Wert für das erste Elektron reicht von mehreren Volt bis zu zwei Zehntel Volt; es wird mehr Energie benötigt, um das nächste Elektron vom Molekül abzulösen, und so weiter.

Es sollte berücksichtigt werden, dass gleichzeitig mit der Ionisierung im Gas der umgekehrte Prozess auftritt - Rekombination, dh die Wiederherstellung neutraler Moleküle unter Einwirkung der Coulomb-Anziehungskräfte.

Gasentladung und ihre Arten

Der elektrische Strom in Gasen ist also auf die geordnete Bewegung geladener Teilchen unter der Wirkung eines an sie angelegten elektrischen Felds zurückzuführen. Das Vorhandensein solcher Ladungen wiederum ist aufgrund verschiedener Ionisationsfaktoren möglich.

Somit erfordert die thermische Ionisierung beträchtliche Temperaturen, aber eine offene Flamme in Verbindung mit einigen chemischen Prozessen trägt zur Ionisierung bei. Sogar bei einer relativ niedrigen Temperatur in Gegenwart einer Flamme wird das Auftreten eines elektrischen Stroms in Gasen aufgezeichnet, und Experimente mit der Gasleitfähigkeit machen es einfach, dies zu überprüfen. Es ist notwendig, die Flamme eines Brenners oder einer Kerze zwischen die Platten eines geladenen Kondensators zu legen. Der zuvor aufgrund des Luftspalts im Kondensator offene Stromkreis schließt sich. Ein an den Stromkreis angeschlossenes Galvanometer zeigt das Vorhandensein von Strom an.

Elektrischer Strom in Gasen wird als Gasentladung bezeichnet. Es ist zu beachten, dass zur Aufrechterhaltung der Entladungsstabilität die Wirkung des Ionisators konstant sein muss, da das Gas durch ständige Rekombination seine elektrisch leitfähigen Eigenschaften verliert. Einige elektrische Stromträger in Gasen - Ionen - werden an den Elektroden neutralisiert, andere - Elektronen - die zur Anode gelangen, werden an das "Plus" der Feldquelle gesendet. Wenn der Ionisierungsfaktor aufhört zu arbeiten, wird das Gas sofort wieder zu einem Dielektrikum und der Strom hört auf. Ein solcher Strom, der von der Wirkung eines externen Ionisators abhängt, wird als nicht selbsterhaltende Entladung bezeichnet.

Merkmale des Durchgangs von elektrischem Strom durch Gase werden durch eine besondere Abhängigkeit der Stromstärke von der Spannung - der Strom-Spannungs-Kennlinie - beschrieben.

Betrachten wir die Entwicklung einer Gasentladung auf dem Diagramm der Strom-Spannungs-Abhängigkeit. Wenn die Spannung auf einen bestimmten Wert U 1 ansteigt, steigt der Strom proportional dazu an, dh das Ohmsche Gesetz ist erfüllt. Die kinetische Energie nimmt zu und damit die Geschwindigkeit der Ladungen im Gas, und dieser Prozess geht der Rekombination voraus. Bei Spannungswerten von U 1 bis U 2 wird dieser Zusammenhang verletzt; wenn U 2 erreicht ist, erreichen alle Ladungsträger die Elektroden, ohne Zeit zur Rekombination zu haben. Alle freien Ladungen sind beteiligt, und eine weitere Erhöhung der Spannung führt nicht zu einer Erhöhung des Stroms. Diese Art der Ladungsbewegung wird als Sättigungsstrom bezeichnet. Wir können also sagen, dass der elektrische Strom in Gasen auch auf die Besonderheiten des Verhaltens eines ionisierten Gases in elektrischen Feldern unterschiedlicher Stärke zurückzuführen ist.

Wenn die Potentialdifferenz über den Elektroden einen bestimmten Wert U 3 erreicht, reicht die Spannung aus, damit das elektrische Feld eine lawinenartige Ionisation des Gases bewirkt. Die kinetische Energie freier Elektronen reicht bereits zur Stoßionisation von Molekülen aus. Gleichzeitig beträgt ihre Geschwindigkeit in den meisten Gasen etwa 2000 km / s und mehr (wird nach der ungefähren Formel berechnet v=600 U i , wobei U i das Ionisationspotential ist). In diesem Moment tritt ein Gasdurchbruch auf und aufgrund einer internen Ionisationsquelle tritt ein erheblicher Stromanstieg auf. Daher wird eine solche Entladung als unabhängig bezeichnet.

Das Vorhandensein eines externen Ionisators spielt in diesem Fall keine Rolle mehr bei der Aufrechterhaltung eines elektrischen Stroms in den Gasen. Eine selbsterhaltende Entladung unter verschiedenen Bedingungen und mit verschiedenen Eigenschaften der Quelle des elektrischen Felds kann bestimmte Merkmale aufweisen. Es gibt solche Arten von Selbstentladung wie Glühen, Funken, Lichtbogen und Korona. Wir werden kurz für jeden dieser Typen untersuchen, wie sich elektrischer Strom in Gasen verhält.

Eine Potentialdifferenz von 100 (und noch weniger) bis 1000 Volt reicht aus, um eine Selbstentladung einzuleiten. Daher tritt bei Drücken von nicht mehr als einigen Millimetern Quecksilbersäule eine Glimmentladung auf, die durch eine niedrige Stromstärke (von 10 -5 A bis 1 A) gekennzeichnet ist.

In einer Röhre mit verdünntem Gas und kalten Elektroden sieht die entstehende Glimmentladung wie eine dünne leuchtende Schnur zwischen den Elektroden aus. Wenn wir das Gas weiter aus der Röhre pumpen, wird das Filament ausgewaschen, und bei Drücken von Zehntelmillimetern Quecksilbersäule füllt das Glühen die Röhre fast vollständig aus. Das Glühen fehlt in der Nähe der Kathode – im sogenannten dunklen Kathodenraum. Der Rest wird als positive Spalte bezeichnet. In diesem Fall sind die Hauptprozesse, die für die Existenz der Entladung sorgen, genau im dunklen Kathodenraum und in dem daran angrenzenden Bereich lokalisiert. Hier werden geladene Gasteilchen beschleunigt, wodurch Elektronen aus der Kathode herausgeschlagen werden.

Bei einer Glimmentladung ist die Ursache der Ionisierung die Elektronenemission von der Kathode. Die von der Kathode emittierten Elektronen erzeugen eine Stoßionisation von Gasmolekülen, die austretenden positiven Ionen verursachen eine Sekundäremission von der Kathode und so weiter. Das Leuchten der positiven Säule ist hauptsächlich auf den Rückstoß von Photonen durch angeregte Gasmoleküle zurückzuführen, und verschiedene Gase sind durch das Leuchten einer bestimmten Farbe gekennzeichnet. Die positive Säule ist nur als Teil des Stromkreises an der Entstehung einer Glimmentladung beteiligt. Wenn Sie die Elektroden näher zusammenbringen, können Sie das Verschwinden der positiven Säule erreichen, aber die Entladung wird nicht aufhören. Bei einer weiteren Verringerung des Abstands zwischen den Elektroden kann die Glimmentladung jedoch nicht bestehen.

Es sei darauf hingewiesen, dass für diese Art von elektrischem Strom in Gasen die Physik einiger Prozesse noch nicht vollständig aufgeklärt ist. Beispielsweise bleibt die Natur der Kräfte, die eine Erhöhung des Stroms bewirken, um den Bereich auf der Kathodenoberfläche zu erweitern, der an der Entladung teilnimmt, unklar.

Funkenentladung

Der Funkendurchbruch hat einen gepulsten Charakter. Es tritt bei Drücken nahe dem normalen atmosphärischen Druck auf, wenn die Leistung der elektrischen Feldquelle nicht ausreicht, um eine stationäre Entladung aufrechtzuerhalten. In diesem Fall ist die Feldstärke hoch und kann 3 MV/m erreichen. Das Phänomen ist durch einen starken Anstieg des elektrischen Entladungsstroms im Gas gekennzeichnet, gleichzeitig fällt die Spannung extrem schnell ab und die Entladung stoppt. Dann steigt die Potentialdifferenz wieder an und der ganze Vorgang wiederholt sich.

Bei dieser Art der Entladung bilden sich kurzzeitig Funkenkanäle, deren Wachstum von jeder Stelle zwischen den Elektroden aus beginnen kann. Dies liegt daran, dass die Stoßionisation zufällig an Orten auftritt, an denen derzeit die meisten Ionen konzentriert sind. In der Nähe des Funkenkanals erwärmt sich das Gas schnell und erfährt eine Wärmeausdehnung, die Schallwellen verursacht. Daher wird die Funkenentladung von einem Knistern sowie der Freisetzung von Wärme und einem hellen Leuchten begleitet. Lawinenionisationsprozesse erzeugen im Funkenkanal hohe Drücke und Temperaturen bis zu 10.000 Grad und mehr.

Das auffälligste Beispiel für eine natürliche Funkenentladung ist der Blitz. Der Durchmesser des Hauptblitzfunkenkanals kann von wenigen Zentimetern bis zu 4 m reichen, und die Kanallänge kann 10 km erreichen. Die Stärke des Stroms erreicht 500.000 Ampere und die Potentialdifferenz zwischen einer Gewitterwolke und der Erdoberfläche erreicht eine Milliarde Volt.

Der längste Blitz mit einer Länge von 321 km wurde 2007 in Oklahoma, USA, beobachtet. Der Rekordhalter für die Dauer war der Blitz, der 2012 in den französischen Alpen aufgenommen wurde – er dauerte über 7,7 Sekunden. Wenn sie vom Blitz getroffen wird, kann sich die Luft auf bis zu 30.000 Grad erwärmen, was sechsmal höher ist als die Temperatur der sichtbaren Sonnenoberfläche.

In Fällen, in denen die Leistung der Quelle des elektrischen Felds groß genug ist, entwickelt sich die Funkenentladung zu einer Bogenentladung.

Diese Art der selbsterhaltenden Entladung ist durch eine hohe Stromdichte und eine niedrige Spannung (weniger als eine Glimmentladung) gekennzeichnet. Der Durchbruchabstand ist aufgrund der Nähe der Elektroden gering. Die Entladung wird durch die Emission eines Elektrons von der Kathodenoberfläche eingeleitet (bei Metallatomen ist das Ionisationspotential klein im Vergleich zu Gasmolekülen). Während eines Durchschlags zwischen den Elektroden werden Bedingungen geschaffen, unter denen das Gas einen elektrischen Strom leitet und eine Funkenentladung auftritt, die den Stromkreis schließt. Wenn die Leistung der Spannungsquelle groß genug ist, werden Funkenentladungen zu einem stabilen Lichtbogen.

Die Ionisierung während einer Bogenentladung erreicht fast 100 %, die Stromstärke ist sehr hoch und kann zwischen 10 und 100 Ampere liegen. Bei atmosphärischem Druck kann sich der Lichtbogen auf 5-6.000 Grad und die Kathode auf bis zu 3.000 Grad erwärmen, was zu einer intensiven thermionischen Emission von ihrer Oberfläche führt. Der Beschuss der Anode mit Elektronen führt zu einer teilweisen Zerstörung: Darauf bildet sich eine Vertiefung - ein Krater mit einer Temperatur von etwa 4000 ° C. Eine Erhöhung des Drucks bewirkt eine noch stärkere Erhöhung der Temperatur.

Beim Verdünnen der Elektroden bleibt die Lichtbogenentladung bis zu einer bestimmten Entfernung stabil, was es ermöglicht, sie in den Teilen der elektrischen Ausrüstung zu behandeln, wo sie aufgrund der dadurch verursachten Korrosion und des Durchbrennens von Kontakten schädlich ist. Dies sind Geräte wie Hochspannungs- und automatische Schalter, Schütze und andere. Eine der Methoden zur Bekämpfung des Lichtbogens, der beim Öffnen der Kontakte entsteht, ist die Verwendung von Lichtbogenkammern, die auf dem Prinzip der Lichtbogenverlängerung basieren. Es werden auch viele andere Methoden verwendet: Überbrückungskontakte, Verwendung von Materialien mit hohem Ionisationspotential und so weiter.

Die Entwicklung einer Koronaentladung erfolgt bei normalem atmosphärischem Druck in stark inhomogenen Feldern in der Nähe von Elektroden mit großer Oberflächenkrümmung. Dies können Türme, Masten, Drähte, verschiedene Elemente elektrischer Geräte mit komplexer Form und sogar menschliches Haar sein. Eine solche Elektrode wird Koronaelektrode genannt. Nur in seiner Nähe finden Ionisationsprozesse und damit das Glühen des Gases statt.

Die Korona kann sowohl auf der Kathode (negative Korona), wenn sie mit Ionen beschossen wird, als auch auf der Anode (positiv) durch Photoionisation gebildet werden. Die negative Korona, bei der der Ionisationsvorgang durch thermische Emission von der Elektrode weggerichtet wird, zeichnet sich durch ein gleichmäßiges Leuchten aus. In der positiven Korona können Streamer beobachtet werden - leuchtende Linien mit unterbrochener Konfiguration, die sich in Funkenkanäle verwandeln können.

Ein Beispiel für eine Koronaentladung unter natürlichen Bedingungen sind solche, die an den Spitzen von hohen Masten, Baumwipfeln usw. auftreten. Sie entstehen bei hoher elektrischer Feldstärke in der Atmosphäre, oft vor einem Gewitter oder während eines Schneesturms. Außerdem wurden sie auf der Haut von Flugzeugen befestigt, die in eine Wolke aus Vulkanasche fielen.

Koronaentladung an den Drähten von Stromleitungen führt zu erheblichen Stromverlusten. Bei hoher Spannung kann eine Koronaentladung zu einem Lichtbogen werden. Sie wird auf verschiedene Weise bekämpft, beispielsweise durch Vergrößerung des Krümmungsradius der Leiter.

Elektrischer Strom in Gasen und Plasma

Ein vollständig oder teilweise ionisiertes Gas wird als Plasma bezeichnet und gilt als vierter Aggregatzustand. Im Großen und Ganzen ist Plasma elektrisch neutral, da die Gesamtladung seiner Teilchen null ist. Dies unterscheidet es von anderen Systemen geladener Teilchen, wie beispielsweise Elektronenstrahlen.

Unter natürlichen Bedingungen entsteht Plasma in der Regel bei hohen Temperaturen durch die Kollision von Gasatomen mit hoher Geschwindigkeit. Die überwiegende Mehrheit der baryonischen Materie im Universum befindet sich im Plasmazustand. Dies sind Sterne, Teil der interstellaren Materie, intergalaktische Gase. Die Ionosphäre der Erde ist ebenfalls ein verdünntes, schwach ionisiertes Plasma.

Der Ionisationsgrad ist eine wichtige Eigenschaft eines Plasmas, davon hängen seine Leitfähigkeitseigenschaften ab. Der Ionisationsgrad ist definiert als das Verhältnis der Zahl der ionisierten Atome zur Gesamtzahl der Atome pro Volumeneinheit. Je stärker das Plasma ionisiert ist, desto höher ist seine elektrische Leitfähigkeit. Außerdem hat es eine hohe Beweglichkeit.

Wir sehen also, dass die elektrisch leitenden Gase im Entladungskanal nichts als Plasma sind. Glimmentladungen und Koronaentladungen sind daher Beispiele für kaltes Plasma; ein Blitzfunkenkanal oder ein Lichtbogen sind Beispiele für ein heißes, fast vollständig ionisiertes Plasma.

Elektrischer Strom in Metallen, Flüssigkeiten und Gasen - Unterschiede und Gemeinsamkeiten

Betrachten wir die Merkmale, die die Gasentladung im Vergleich zu den Eigenschaften des Stroms in anderen Medien charakterisieren.

In Metallen ist Strom die gerichtete Bewegung freier Elektronen, die keine chemischen Veränderungen mit sich bringt. Leiter dieser Art werden Leiter erster Art genannt; dazu gehören neben Metallen und Legierungen Kohle, einige Salze und Oxide. Sie zeichnen sich durch elektronische Leitfähigkeit aus.

Leiter der zweiten Art sind Elektrolyte, also flüssige wässrige Lösungen von Laugen, Säuren und Salzen. Der Stromdurchgang ist mit einer chemischen Veränderung des Elektrolyten verbunden - der Elektrolyse. Ionen einer in Wasser gelösten Substanz bewegen sich unter Einwirkung einer Potentialdifferenz in entgegengesetzte Richtungen: positive Kationen - zur Kathode, negative Anionen - zur Anode. Der Prozess wird von einer Gasentwicklung oder Abscheidung einer Metallschicht auf der Kathode begleitet. Leiter der zweiten Art sind durch Ionenleitfähigkeit gekennzeichnet.

Die Leitfähigkeit von Gasen ist erstens vorübergehend und weist zweitens Anzeichen von Ähnlichkeit und Unterschied zu jedem von ihnen auf. Der elektrische Strom sowohl in Elektrolyten als auch in Gasen ist also eine Drift von entgegengesetzt geladenen Teilchen, die auf gegenüberliegende Elektroden gerichtet sind. Während sich Elektrolyte jedoch durch eine rein ionische Leitfähigkeit auszeichnen, kommt bei einer Gasentladung mit einer Kombination aus elektronischen und ionischen Leitfähigkeitsarten den Elektronen die Hauptrolle zu. Ein weiterer Unterschied zwischen dem elektrischen Strom in Flüssigkeiten und Gasen ist die Art der Ionisation. In einem Elektrolyten dissoziieren die Moleküle einer gelösten Verbindung in Wasser, aber in einem Gas zerfallen die Moleküle nicht, sondern geben nur Elektronen ab. Daher ist die Gasentladung, wie der Strom in Metallen, nicht mit chemischen Veränderungen verbunden.

Auch die Strömung in Flüssigkeiten und Gasen ist nicht gleich. Die Leitfähigkeit von Elektrolyten als Ganzes gehorcht dem Ohmschen Gesetz, wird aber bei einer Gasentladung nicht beobachtet. Die Volt-Ampere-Charakteristik von Gasen hat einen viel komplexeren Charakter, der mit den Eigenschaften des Plasmas verbunden ist.

Zu erwähnen sind auch die allgemeinen und Besonderheiten des elektrischen Stroms in Gasen und im Vakuum. Vakuum ist ein nahezu perfektes Dielektrikum. „Fast“ – denn im Vakuum ist trotz des Fehlens (genauer: einer extrem geringen Konzentration) an freien Ladungsträgern auch ein Strom möglich. Aber potentielle Ladungsträger sind bereits im Gas vorhanden, sie müssen nur noch ionisiert werden. Ladungsträger werden aus Materie ins Vakuum gebracht. Dies geschieht in der Regel bei der Elektronenemission, beispielsweise beim Erhitzen der Kathode (thermionische Emission). Aber wie wir gesehen haben, spielt die Emission auch bei verschiedenen Arten von Gasentladungen eine wichtige Rolle.

Die Verwendung von Gasentladungen in der Technik

Auf die schädlichen Wirkungen bestimmter Ableitungen wurde oben bereits kurz eingegangen. Achten wir nun auf die Vorteile, die sie in der Industrie und im Alltag bringen.

Anwendung findet die Glimmentladung in der Elektrotechnik (Spannungsstabilisatoren), in der Beschichtungstechnik (Kathodenzerstäubungsverfahren nach dem Phänomen der Kathodenkorrosion). In der Elektronik wird es zur Erzeugung von Ionen- und Elektronenstrahlen verwendet. Ein bekanntes Anwendungsgebiet für Glimmentladungen sind Leuchtstoff- und sogenannte Sparlampen sowie dekorative Neon- und Argon-Entladungsröhren. Darüber hinaus wird die Glimmentladung in und in der Spektroskopie eingesetzt.

Funkenentladung wird in Sicherungen, in elektroerosiven Verfahren der Präzisionsmetallverarbeitung (Funkenschneiden, Bohren usw.) verwendet. Am bekanntesten ist es jedoch für die Verwendung von Verbrennungsmotoren in Zündkerzen und Haushaltsgeräten (Gasherde).

Die bereits 1876 erstmals in der Beleuchtungstechnik eingesetzte Bogenentladung (Jablochkovs Kerze – „Russisches Licht“) dient noch heute als Lichtquelle – beispielsweise in Projektoren und leistungsstarken Scheinwerfern. In der Elektrotechnik wird der Lichtbogen in Quecksilbergleichrichtern verwendet. Darüber hinaus wird es beim Elektroschweißen, Metallschneiden, industriellen Elektroöfen zum Schmelzen von Stahl und Legierungen verwendet.

Koronaentladung findet Anwendung in Elektrofiltern zur Ionengasreinigung, in Elementarteilchenzählern, in Blitzableitern, in Klimaanlagen. Die Koronaentladung funktioniert auch in Kopierern und Laserdruckern, wo sie eine lichtempfindliche Trommel lädt und entlädt und Pulver von der Trommel auf Papier überträgt.

Daher sind Gasentladungen aller Art weit verbreitet. Elektrischer Strom in Gasen wird in vielen Bereichen der Technik erfolgreich und effektiv eingesetzt.

Themen des USE-Kodifikators: Träger freier elektrischer Ladungen in Gasen.

Unter normalen Bedingungen bestehen Gase aus elektrisch neutralen Atomen oder Molekülen; Bei Gasen gibt es fast keine kostenlosen Abgaben. Daher sind Gase Dielektrika- sie werden nicht von elektrischem Strom durchflossen.

Wir sagten "fast keine", weil in Gasen und insbesondere in der Luft tatsächlich immer eine gewisse Menge freier geladener Teilchen vorhanden ist. Sie entstehen durch die ionisierende Wirkung der Strahlung radioaktiver Substanzen, aus denen die Erdkruste besteht, der Ultraviolett- und Röntgenstrahlung der Sonne sowie der kosmischen Strahlung - Ströme hochenergetischer Teilchen, die aus dem Weltraum in die Erdatmosphäre eindringen . Später werden wir auf diese Tatsache zurückkommen und ihre Bedeutung erörtern, aber vorerst wollen wir nur anmerken, dass unter normalen Bedingungen die Leitfähigkeit von Gasen, verursacht durch die „natürliche“ Menge an freien Ladungen, vernachlässigbar ist und vernachlässigt werden kann.

Die Wirkungsweise von Schaltern in Stromkreisen beruht auf den isolierenden Eigenschaften des Luftspalts ( Bild 1). Beispielsweise reicht ein kleiner Luftspalt in einem Lichtschalter aus, um einen Stromkreis in Ihrem Zimmer zu öffnen.

Reis. 1 Schlüssel

Es ist jedoch möglich, solche Bedingungen zu schaffen, unter denen ein elektrischer Strom im Gasspalt auftritt. Betrachten wir die folgende Erfahrung.

Wir laden die Platten des Luftkondensators auf und verbinden sie mit einem empfindlichen Galvanometer (Abb. 2, links). Bei Raumtemperatur und nicht zu feuchter Luft zeigt das Galvanometer keinen merklichen Strom: Unser Luftspalt ist, wie gesagt, kein elektrischer Leiter.

Reis. 2. Das Auftreten von Strom in der Luft

Bringen wir nun die Flamme eines Brenners oder einer Kerze in den Spalt zwischen den Platten des Kondensators (Abb. 2, rechts). Strom erscheint! Wieso den?

Kostenlose Gebühren in einem Gas

Das Auftreten eines elektrischen Stroms zwischen den Platten des Kondensators bedeutet, dass in der Luft unter dem Einfluss der Flamme erschien kostenlose Gebühren. Was für?

Die Erfahrung zeigt, dass elektrischer Strom in Gasen eine geordnete Bewegung geladener Teilchen ist. drei Arten. Das Elektronen, positive Ionen und negative Ionen.

Mal sehen, wie diese Ladungen in einem Gas erscheinen können.

Mit steigender Gastemperatur werden die thermischen Schwingungen seiner Teilchen – Moleküle oder Atome – intensiver. Die Stöße von Partikeln gegeneinander erreichen eine solche Kraft, dass Ionisation- Zerfall neutraler Teilchen in Elektronen und positive Ionen (Abb. 3).

Reis. 3. Ionisierung

Grad der Ionisierung ist das Verhältnis der Anzahl der zerfallenen Gasteilchen zur Gesamtzahl der anfänglichen Teilchen. Beträgt der Ionisationsgrad beispielsweise , bedeutet dies, dass die ursprünglichen Gasteilchen in positive Ionen und Elektronen zerfallen sind.

Der Grad der Gasionisation hängt von der Temperatur ab und steigt mit deren Anstieg stark an. Für Wasserstoff zum Beispiel überschreitet bei einer Temperatur unter dem Ionisierungsgrad nicht , und bei einer Temperatur darüber ist der Ionisierungsgrad nahe (d. h. Wasserstoff ist fast vollständig ionisiert (teilweise oder vollständig ionisiertes Gas heißt Plasma)).

Neben hohen Temperaturen gibt es noch andere Faktoren, die eine Gasionisation verursachen.

Wir haben sie schon am Rande erwähnt: Das sind radioaktive Strahlung, Ultraviolett-, Röntgen- und Gammastrahlen, kosmische Teilchen. Jeder solche Faktor, der die Ionisierung eines Gases verursacht, wird als bezeichnet Ionisator.

Die Ionisation erfolgt also nicht von selbst, sondern unter dem Einfluss eines Ionisators.

Gleichzeitig der umgekehrte Vorgang Rekombination, also die Wiedervereinigung eines Elektrons und eines positiven Ions zu einem neutralen Teilchen (Abb. 4).

Reis. 4. Rekombination

Der Grund für die Rekombination ist einfach: Es ist die Coulomb-Anziehung von entgegengesetzt geladenen Elektronen und Ionen. Unter Einwirkung elektrischer Kräfte stürmen sie aufeinander zu, treffen aufeinander und erhalten die Möglichkeit, ein neutrales Atom (oder Molekül - je nach Art des Gases) zu bilden.

Bei konstanter Intensität der Ionisatorwirkung stellt sich ein dynamisches Gleichgewicht ein: Die durchschnittliche Anzahl der pro Zeiteinheit zerfallenden Teilchen ist gleich der durchschnittlichen Anzahl der rekombinierenden Teilchen (mit anderen Worten, die Ionisationsrate ist gleich der Rekombinationsrate). Wird die Ionisatorwirkung verstärkt (z. B. wird die Temperatur erhöht), verschiebt sich das dynamische Gleichgewicht in Richtung der Ionisierung und die Konzentration geladener Teilchen im Gas steigt. Im Gegenteil, wenn Sie den Ionisator ausschalten, setzt sich die Rekombination durch und die kostenlosen Ladungen verschwinden allmählich vollständig.

Als Ergebnis der Ionisierung erscheinen also positive Ionen und Elektronen im Gas. Woher kommt die dritte Ladungsart - negative Ionen? Ganz einfach: Ein Elektron kann in ein neutrales Atom fliegen und sich ihm anschließen! Dieser Vorgang ist in Abb. 5 .

Reis. 5. Das Auftreten eines negativen Ions

Die auf diese Weise gebildeten negativen Ionen beteiligen sich zusammen mit positiven Ionen und Elektronen an der Erzeugung des Stroms.

Nicht-Selbstentladung

Wenn kein externes elektrisches Feld vorhanden ist, führen freie Ladungen zusammen mit neutralen Gasteilchen eine chaotische thermische Bewegung aus. Aber wenn ein elektrisches Feld angelegt wird, beginnt die geordnete Bewegung geladener Teilchen - elektrischer Strom in Gas.

Reis. 6. Nicht selbsterhaltende Entladung

Auf Abb. 6 sehen wir drei Arten von geladenen Teilchen, die unter der Wirkung eines Ionisators im Gasspalt entstehen: positive Ionen, negative Ionen und Elektronen. Ein elektrischer Strom in einem Gas entsteht durch die entgegenkommende Bewegung geladener Teilchen: positive Ionen - zur negativen Elektrode (Kathode), Elektronen und negative Ionen - zur positiven Elektrode (Anode).

Elektronen, die auf die positive Anode fallen, werden entlang des Stromkreises zum "Plus" der Stromquelle gesendet. Negative Ionen geben ein zusätzliches Elektron an die Anode ab und kehren, nachdem sie zu neutralen Teilchen geworden sind, in das Gas zurück; Das an die Anode abgegebene Elektron eilt ebenfalls zum „Plus“ der Quelle. Positive Ionen, die zur Kathode kommen, nehmen von dort Elektronen auf; der daraus resultierende Elektronenmangel an der Kathode wird sofort durch deren Lieferung aus dem „Minus“ der Quelle dorthin kompensiert. Als Ergebnis dieser Prozesse findet im äußeren Stromkreis eine geordnete Bewegung der Elektronen statt. Dies ist der vom Galvanometer aufgezeichnete elektrische Strom.

Der in Abb. 6 wird aufgerufen nicht selbsterhaltende Entladung im Benzin. Warum abhängig? Um es aufrechtzuerhalten, ist daher die ständige Wirkung des Ionisators erforderlich. Entfernen wir den Ionisator - und der Strom hört auf, weil der Mechanismus, der das Auftreten freier Ladungen im Gasspalt sicherstellt, verschwindet. Der Raum zwischen Anode und Kathode wird wieder zu einem Isolator.

Volt-Ampere-Charakteristik der Gasentladung

Die Abhängigkeit der Stromstärke durch den Gasspalt von der Spannung zwischen Anode und Kathode (sog Strom-Spannungs-Charakteristik der Gasentladung) ist in Abb. 7.

Reis. 7. Volt-Ampere-Charakteristik der Gasentladung

Bei Nullspannung ist die Stromstärke natürlich gleich Null: Geladene Teilchen führen nur eine thermische Bewegung aus, es gibt keine geordnete Bewegung zwischen den Elektroden.

Bei kleiner Spannung ist auch die Stromstärke klein. Tatsache ist, dass nicht alle geladenen Teilchen dazu bestimmt sind, zu den Elektroden zu gelangen: Einige der positiven Ionen und Elektronen finden einander und rekombinieren im Prozess ihrer Bewegung.

Je höher die Spannung, desto schneller entwickeln sich freie Ladungen, und desto geringer ist die Chance, dass sich ein positives Ion und ein Elektron treffen und rekombinieren. Daher erreicht ein zunehmender Teil der geladenen Teilchen die Elektroden und die Stromstärke nimmt zu (Abschnitt ).

Bei einem bestimmten Spannungswert (Punkt ) wird die Ladungsgeschwindigkeit so hoch, dass die Rekombination überhaupt keine Zeit hat. Von diesem Moment an alles geladene Teilchen, die unter der Wirkung des Ionisators gebildet werden, erreichen die Elektroden und Strom erreicht Sättigung- Die Stromstärke ändert sich nämlich nicht mehr mit zunehmender Spannung. Dies wird bis zu einem gewissen Punkt fortgesetzt.

Selbstentladung

Nach Passieren des Punktes steigt die Stromstärke mit steigender Spannung stark an - beginnt selbstständige Entlastung. Jetzt werden wir herausfinden, was es ist.

Geladene Gasteilchen bewegen sich von Kollision zu Kollision; In den Pausen zwischen den Kollisionen werden sie durch ein elektrisches Feld beschleunigt, wodurch sich ihre kinetische Energie erhöht. Und jetzt, wenn die Spannung groß genug wird (genau an diesem Punkt), erreichen die Elektronen während ihrer freien Bahn solche Energien, dass sie, wenn sie mit neutralen Atomen kollidieren, diese ionisieren! (Unter Verwendung der Gesetze der Impuls- und Energieerhaltung kann gezeigt werden, dass Elektronen (und nicht Ionen), die durch ein elektrisches Feld beschleunigt werden, die maximale Fähigkeit haben, Atome zu ionisieren.)

Die sogenannte Elektronenstoßionisation. Aus ionisierten Atomen herausgeschlagene Elektronen werden ebenfalls durch das elektrische Feld beschleunigt und treffen auf neue Atome, ionisieren diese nun und erzeugen neue Elektronen. Durch die entstehende Elektronenlawine steigt die Zahl der ionisierten Atome schnell an, wodurch auch die Stromstärke schnell ansteigt.

Die Anzahl der kostenlosen Ladungen wird so groß, dass die Notwendigkeit eines externen Ionisators entfällt. Es kann einfach entfernt werden. Als Ergebnis werden nun freie geladene Teilchen erzeugt inländisch im Gas ablaufenden Prozesse - deshalb heißt die Entladung unabhängig.

Wenn der Gasspalt unter Hochspannung steht, wird kein Ionisator zur Selbstentladung benötigt. Es genügt, nur ein freies Elektron im Gas zu finden, und die oben beschriebene Elektronenlawine beginnt. Und es wird immer mindestens ein freies Elektron geben!

Erinnern wir uns noch einmal daran, dass in einem Gas auch unter normalen Bedingungen eine gewisse „natürliche“ Menge an freien Ladungen aufgrund der ionisierenden radioaktiven Strahlung der Erdkruste, der hochfrequenten Strahlung der Sonne und der kosmischen Strahlung vorhanden ist. Wir haben gesehen, dass bei niedrigen Spannungen die durch diese freien Ladungen verursachte Leitfähigkeit des Gases vernachlässigbar ist, aber jetzt – bei einer hohen Spannung – werden sie eine Lawine neuer Teilchen hervorrufen, was zu einer unabhängigen Entladung führt. Es wird passieren, wie sie sagen abbauen Gasspalt.

Die zum Abbau trockener Luft erforderliche Feldstärke beträgt etwa kV/cm. Mit anderen Worten: Damit zwischen den Elektroden, die einen Zentimeter Luft voneinander entfernt sind, ein Funke überspringt, muss eine Kilovolt-Spannung an sie angelegt werden. Stellen Sie sich vor, welche Spannung benötigt wird, um mehrere Kilometer Luft zu durchbrechen! Aber genau solche Pannen gibt es bei einem Gewitter – das sind Blitze, die Ihnen bestens bekannt sind.

Unter normalen Bedingungen sind Gase Dielektrika, weil. bestehen aus neutralen Atomen und Molekülen, und sie haben nicht genügend freie Ladungen Gase werden erst dann zu Leitern, wenn sie irgendwie ionisiert werden. Der Prozess der Ionisation von Gasen besteht darin, dass unter dem Einfluss irgendwelcher Gründe ein oder mehrere Elektronen vom Atom gelöst werden. Als Ergebnis wird anstelle eines neutralen Atoms positives Ion und Elektron.

Der Zerfall von Molekülen in Ionen und Elektronen wird genannt Gasionisation.

Einige der gebildeten Elektronen können dann von anderen neutralen Atomen eingefangen werden, und dann negativ geladene Ionen.

Es gibt also drei Arten von Ladungsträgern in einem ionisierten Gas: Elektronen, positive Ionen und negative.

Die Trennung eines Elektrons von einem Atom erfordert den Aufwand einer bestimmten Energie - Ionisationsenergie W ich . Die Ionisierungsenergie hängt von der chemischen Natur des Gases und dem Energiezustand des Elektrons im Atom ab. Für die Ablösung des ersten Elektrons vom Stickstoffatom wird also eine Energie von 14,5 eV aufgewendet, und für die Ablösung des zweiten Elektrons - 29,5 eV, für die Ablösung des dritten - 47,4 eV.

Die Faktoren, die eine Gasionisation verursachen, werden genannt Ionisatoren.

Es gibt drei Arten der Ionisation: thermische Ionisation, Photoionisation und Stoßionisation.

Thermische Ionisierung entsteht durch Kollision von Atomen oder Molekülen eines Gases bei hoher Temperatur, wenn die kinetische Energie der Relativbewegung der kollidierenden Teilchen die Bindungsenergie eines Elektrons in einem Atom übersteigt.

Photoionisation entsteht unter dem Einfluss elektromagnetischer Strahlung (Ultraviolett-, Röntgen- oder γ-Strahlung), wenn die Energie, die notwendig ist, um ein Elektron von einem Atom abzulösen, durch ein Strahlungsquant auf dieses übertragen wird.

Ionisation durch Elektronenstoß(oder Stoßionisation) ist die Bildung positiv geladener Ionen durch Kollisionen von Atomen oder Molekülen mit schnellen Elektronen mit hoher kinetischer Energie.

Der Prozess der Gasionisierung wird immer von dem entgegengesetzten Prozess der Rückgewinnung neutraler Moleküle aus entgegengesetzt geladenen Ionen aufgrund ihrer elektrischen Anziehung begleitet. Dieses Phänomen heißt Rekombination. Während der Rekombination wird Energie freigesetzt, die gleich der für die Ionisierung aufgewendeten Energie ist. Dies kann beispielsweise Gasglühen verursachen.

Bei unveränderter Wirkung des Ionisators stellt sich im ionisierten Gas ein dynamisches Gleichgewicht ein, bei dem pro Zeiteinheit so viele Moleküle wiederhergestellt werden, wie sie in Ionen zerfallen. In diesem Fall bleibt die Konzentration geladener Teilchen im ionisierten Gas unverändert. Wenn jedoch die Wirkung des Ionisators gestoppt wird, beginnt die Rekombination die Ionisierung zu überwiegen, und die Anzahl der Ionen nimmt schnell auf fast Null ab. Folglich ist das Vorhandensein geladener Teilchen in einem Gas ein vorübergehendes Phänomen (solange der Ionisator in Betrieb ist).

In Abwesenheit eines äußeren Feldes bewegen sich geladene Teilchen zufällig.

Gasentladung

Wenn ein ionisiertes Gas in ein elektrisches Feld gebracht wird, beginnen elektrische Kräfte auf freie Ladungen zu wirken und sie driften parallel zu den Spannungslinien: Elektronen und negative Ionen - zur Anode, positive Ionen - zur Kathode (Abb. 1) . An den Elektroden werden Ionen durch Abgabe oder Aufnahme von Elektronen zu neutralen Atomen und schließen so den Stromkreis. Im Gas wird ein elektrischer Strom erzeugt.

Elektrischer Strom in Gasen ist die gerichtete Bewegung von Ionen und Elektronen.

Elektrischer Strom in Gasen heißt Gasentladung.

Der Gesamtstrom im Gas setzt sich aus zwei Strömen geladener Teilchen zusammen: dem zur Kathode gehenden Strom und dem zur Anode gerichteten Strom.

In Gasen ist die elektronische Leitfähigkeit, ähnlich der Leitfähigkeit von Metallen, mit der Ionenleitfähigkeit, ähnlich der Leitfähigkeit von wässrigen Lösungen oder Elektrolytschmelzen, kombiniert.

So hat die Leitfähigkeit von Gasen ionenelektronischer Charakter.

Physik abstrakt

zum Thema:

"Elektrischer Strom in Gasen".

Elektrischer Strom in Gasen.

1. Elektrische Entladung in Gasen.

Alle Gase in ihrem natürlichen Zustand leiten keinen Strom. Das sieht man an folgender Erfahrung:

Nehmen wir ein Elektrometer mit daran befestigten Scheiben eines flachen Kondensators und laden es auf. Bei Raumtemperatur, wenn die Luft trocken genug ist, entlädt sich der Kondensator nicht merklich - die Position der Elektrometernadel ändert sich nicht. Es dauert lange, bis eine Abnahme des Ablenkwinkels der Elektrometernadel bemerkt wird. Dies zeigt, dass der elektrische Strom in der Luft zwischen den Scheiben sehr klein ist. Diese Erfahrung zeigt, dass Luft ein schlechter Leiter für elektrischen Strom ist.

Modifizieren wir das Experiment: Erhitzen wir die Luft zwischen den Scheiben mit der Flamme einer Spirituslampe. Dann nimmt der Auslenkwinkel des Elektrometerzeigers schnell ab, d.h. die Potentialdifferenz zwischen den Scheiben des Kondensators nimmt ab - der Kondensator wird entladen. Folglich ist die erwärmte Luft zwischen den Scheiben zu einem Leiter geworden, und ein elektrischer Strom wird darin aufgebaut.

Die isolierenden Eigenschaften von Gasen erklären sich aus der Tatsache, dass sie keine freien elektrischen Ladungen enthalten: Die Atome und Moleküle von Gasen sind in ihrem natürlichen Zustand neutral.

2. Ionisierung von Gasen.

Die obige Erfahrung zeigt, dass geladene Teilchen in Gasen unter dem Einfluss hoher Temperatur auftreten. Sie entstehen durch die Abspaltung eines oder mehrerer Elektronen aus Gasatomen, wodurch anstelle eines neutralen Atoms ein positives Ion und Elektronen erscheinen. Einige der gebildeten Elektronen können dann von anderen neutralen Atomen eingefangen werden, und dann erscheinen mehr negative Ionen. Der Zerfall von Gasmolekülen in Elektronen und positive Ionen wird genannt Ionisierung von Gasen.

Das Erhitzen eines Gases auf eine hohe Temperatur ist nicht die einzige Möglichkeit, Gasmoleküle oder Atome zu ionisieren. Gasionisation kann unter dem Einfluss verschiedener äußerer Wechselwirkungen auftreten: starke Erwärmung des Gases, Röntgenstrahlen, a-, b- und g-Strahlen, die durch radioaktiven Zerfall entstehen, kosmische Strahlung, Beschuss von Gasmolekülen durch sich schnell bewegende Elektronen oder Ionen. Die Faktoren, die eine Gasionisation verursachen, werden genannt Ionisatoren. Das quantitative Merkmal des Ionisationsprozesses ist Ionisationsintensität, gemessen durch die Anzahl von Paaren geladener Teilchen mit entgegengesetztem Vorzeichen, die in einer Volumeneinheit Gas pro Zeiteinheit auftreten.

Die Ionisation eines Atoms erfordert den Aufwand einer bestimmten Energie - der Ionisationsenergie. Um ein Atom (oder Molekül) zu ionisieren, muss gegen die Wechselwirkungskräfte zwischen dem ausgestoßenen Elektron und den übrigen Teilchen des Atoms (oder Moleküls) gearbeitet werden. Diese Arbeit wird Ionisationsarbeit A i genannt. Der Wert der Ionisationsarbeit hängt von der chemischen Natur des Gases und dem Energiezustand des ausgestoßenen Elektrons im Atom oder Molekül ab.

Nach Beendigung des Ionisators nimmt die Anzahl der Ionen im Gas mit der Zeit ab und schließlich verschwinden die Ionen ganz. Das Verschwinden von Ionen wird dadurch erklärt, dass Ionen und Elektronen an thermischen Bewegungen teilnehmen und daher miteinander kollidieren. Wenn ein positives Ion und ein Elektron kollidieren, können sie sich wieder zu einem neutralen Atom vereinigen. Auf die gleiche Weise kann das negative Ion sein überschüssiges Elektron an das positive Ion abgeben, wenn ein positives und ein negatives Ion kollidieren, und beide Ionen werden zu neutralen Atomen. Dieser Vorgang der gegenseitigen Neutralisierung von Ionen wird als bezeichnet Ionenrekombination. Wenn ein positives Ion und ein Elektron oder zwei Ionen rekombinieren, wird eine bestimmte Energie freigesetzt, die der für die Ionisierung aufgewendeten Energie entspricht. Teilweise wird es in Form von Licht emittiert, weshalb die Rekombination von Ionen von Lumineszenz (Lumineszenz der Rekombination) begleitet wird.

Bei den Phänomenen der elektrischen Entladung in Gasen spielt die Ionisierung von Atomen durch Elektronenstöße eine wichtige Rolle. Dieser Prozess besteht darin, dass ein sich bewegendes Elektron mit ausreichender kinetischer Energie ein oder mehrere Atomelektronen herausschlägt, wenn es mit einem neutralen Atom kollidiert, wodurch sich das neutrale Atom in ein positives Ion verwandelt und neue Elektronen erscheinen das Gas (dies wird später besprochen).

Die folgende Tabelle gibt die Ionisierungsenergien einiger Atome an.

3. Mechanismus der elektrischen Leitfähigkeit von Gasen.

Der Mechanismus der Gasleitfähigkeit ähnelt dem Mechanismus der Leitfähigkeit von Elektrolytlösungen und Schmelzen. In Abwesenheit eines externen Feldes bewegen sich geladene Teilchen wie neutrale Moleküle zufällig. Befinden sich Ionen und freie Elektronen in einem äußeren elektrischen Feld, so geraten sie in gerichtete Bewegung und erzeugen in Gasen einen elektrischen Strom.

Somit ist der elektrische Strom im Gas eine gerichtete Bewegung positiver Ionen zur Kathode und negativer Ionen und Elektronen zur Anode. Der Gesamtstrom im Gas setzt sich aus zwei Strömen geladener Teilchen zusammen: dem zur Anode gehenden Strom und dem zur Kathode gerichteten Strom.

An den Elektroden erfolgt die Neutralisation geladener Teilchen, wie beim Durchgang von elektrischem Strom durch Lösungen und Schmelzen von Elektrolyten. Bei Gasen kommt es jedoch nicht zu einer Freisetzung von Stoffen an den Elektroden, wie dies bei Elektrolytlösungen der Fall ist. Gasionen, die sich den Elektroden nähern, geben ihnen ihre Ladung, verwandeln sich in neutrale Moleküle und diffundieren zurück in das Gas.

Ein weiterer Unterschied in der elektrischen Leitfähigkeit von ionisierten Gasen und Lösungen (Schmelzen) von Elektrolyten besteht darin, dass die negative Ladung beim Stromdurchgang durch Gase hauptsächlich nicht durch negative Ionen, sondern durch Elektronen übertragen wird, obwohl auch die Leitfähigkeit durch negative Ionen eine Rolle spielen kann bestimmte Rolle.

So kombinieren Gase elektronische Leitfähigkeit, ähnlich der Leitfähigkeit von Metallen, mit ionischer Leitfähigkeit, ähnlich der Leitfähigkeit von wässrigen Lösungen und Elektrolytschmelzen.

4. Nicht selbsterhaltende Gasentladung.

Als Gasentladung bezeichnet man den Vorgang, bei dem elektrischer Strom durch ein Gas geleitet wird. Wenn die elektrische Leitfähigkeit des Gases durch externe Ionisatoren erzeugt wird, wird der darin entstehende elektrische Strom genannt nicht selbsterhaltende Gasentladung. Mit Beendigung der Wirkung externer Ionisatoren hört die nicht selbsterhaltende Entladung auf. Eine nicht selbsterhaltende Gasentladung wird nicht von einem Gasglimmen begleitet.

Unten ist ein Diagramm der Abhängigkeit der Stromstärke von der Spannung für eine nicht selbsterhaltende Entladung in einem Gas dargestellt. Ein Glasröhrchen mit zwei in das Glas gelöteten Metallelektroden wurde verwendet, um den Graphen aufzuzeichnen. Die Kette wird wie in der Abbildung unten gezeigt zusammengebaut.

Ab einer bestimmten Spannung erreichen alle vom Ionisator in einer Sekunde im Gas gebildeten geladenen Teilchen gleichzeitig die Elektroden. Eine weitere Erhöhung der Spannung kann nicht mehr zu einer Erhöhung der Anzahl der transportierten Ionen führen. Der Strom erreicht die Sättigung (horizontaler Abschnitt von Diagramm 1).

5. Unabhängige Gasentladung.

Eine elektrische Entladung in einem Gas, die nach Beendigung der Wirkung eines externen Ionisators bestehen bleibt, wird als bezeichnet unabhängige Gasentladung. Für seine Durchführung ist es erforderlich, dass durch die Entladung selbst ständig freie Ladungen im Gas gebildet werden. Die Hauptquelle ihres Auftretens ist die Stoßionisation von Gasmolekülen.

Wenn wir nach Erreichen der Sättigung die Potentialdifferenz zwischen den Elektroden weiter erhöhen, steigt die Stromstärke bei ausreichend hoher Spannung stark an (Grafik 2).

Dies bedeutet, dass zusätzliche Ionen im Gas erscheinen, die durch die Wirkung des Ionisators gebildet werden. Die Stromstärke kann hundert- und tausendfach ansteigen, und die Anzahl geladener Teilchen, die während des Entladungsvorgangs auftreten, kann so groß werden, dass ein externer Ionisator nicht mehr benötigt wird, um die Entladung aufrechtzuerhalten. Daher kann der Ionisator jetzt entfernt werden.

Was sind die Gründe für den starken Anstieg der Stromstärke bei hohen Spannungen? Betrachten wir ein beliebiges Paar geladener Teilchen (ein positives Ion und ein Elektron), das durch die Wirkung eines externen Ionisators gebildet wird. Das so entstehende freie Elektron beginnt sich in Richtung der positiven Elektrode – der Anode – und das positive Ion – in Richtung der Kathode zu bewegen. Auf seinem Weg trifft das Elektron auf Ionen und neutrale Atome. In den Intervallen zwischen zwei aufeinanderfolgenden Stößen steigt die Energie des Elektrons aufgrund der Arbeit der elektrischen Feldkräfte an.

Je größer die Potentialdifferenz zwischen den Elektroden ist, desto größer ist die elektrische Feldstärke. Die kinetische Energie eines Elektrons vor dem nächsten Stoß ist proportional zur Feldstärke und der freien Weglänge des Elektrons: MV 2 /2=eEl. Wenn die kinetische Energie eines Elektrons die Arbeit A i übersteigt, die verrichtet werden muss, um ein neutrales Atom (oder Molekül) zu ionisieren, d.h. MV 2 > A i , dann wird ein Elektron, wenn es mit einem Atom (oder Molekül) kollidiert, ionisiert. Infolgedessen erscheinen anstelle eines Elektrons zwei Elektronen (die das Atom angreifen und aus dem Atom herausgerissen werden). Diese wiederum erhalten im Feld Energie und ionisieren die ankommenden Atome usw. Dadurch steigt die Zahl der geladenen Teilchen rapide an und es entsteht eine Elektronenlawine. Der beschriebene Prozess wird aufgerufen Elektronenstoßionisation.

Aber die Ionisierung durch Elektronenstoß allein kann die Aufrechterhaltung einer unabhängigen Ladung nicht gewährleisten. Denn alle so entstehenden Elektronen bewegen sich auf die Anode zu und „fallen aus dem Spiel“, wenn sie die Anode erreichen. Um die Entladung aufrechtzuerhalten, ist die Emission von Elektronen aus der Kathode erforderlich ("Emission" bedeutet "Emission"). Die Emission eines Elektrons kann mehrere Ursachen haben.

Positive Ionen, die während der Kollision von Elektronen mit neutralen Atomen gebildet werden, erhalten bei der Bewegung in Richtung der Kathode unter Einwirkung des Feldes eine große kinetische Energie. Wenn solch schnelle Ionen auf die Kathode treffen, werden Elektronen von der Kathodenoberfläche herausgeschlagen.

Außerdem kann die Kathode Elektronen emittieren, wenn sie auf eine hohe Temperatur erhitzt wird. Dieser Vorgang wird aufgerufen Glühemission. Es kann als Verdampfung von Elektronen aus dem Metall betrachtet werden. Bei vielen festen Stoffen tritt thermionische Emission bei Temperaturen auf, bei denen die Verdampfung des Stoffes selbst noch gering ist. Solche Substanzen werden zur Herstellung von Kathoden verwendet.

Während der Selbstentladung kann die Kathode erhitzt werden, indem sie mit positiven Ionen beschossen wird. Wenn die Energie der Ionen nicht zu hoch ist, dann gibt es kein Herausschlagen von Elektronen aus der Kathode und Elektronen werden aufgrund von thermionischer Emission emittiert.

6. Verschiedene Arten der Selbstentladung und ihre technische Anwendung.

Je nach Eigenschaften und Zustand des Gases, Art und Lage der Elektroden sowie der an den Elektroden anliegenden Spannung treten verschiedene Arten der Selbstentladung auf. Betrachten wir einige davon.

A. Schwelender Ausfluss.

Eine Glimmentladung wird in Gasen bei niedrigen Drücken in der Größenordnung von mehreren zehn Millimetern Quecksilbersäule und darunter beobachtet. Wenn wir eine Röhre mit einer Glimmentladung betrachten, sehen wir, dass die Hauptbestandteile einer Glimmentladung sind Kathode Dunkelraum, weit weg von ihm Negativ oder schwelendes Glühen, die allmählich in das Gebiet übergeht Faradayscher dunkler Raum. Diese drei Bereiche bilden den Kathodenteil der Entladung, gefolgt vom leuchtenden Hauptteil der Entladung, der seine optischen Eigenschaften bestimmt und genannt wird positive Spalte.

Die Hauptrolle bei der Aufrechterhaltung der Glimmentladung spielen die ersten beiden Bereiche ihres Kathodenteils. Ein charakteristisches Merkmal dieser Entladungsart ist ein starker Abfall des Potentials in der Nähe der Kathode, der aufgrund der relativ geringen Geschwindigkeit der Ionen in der Nähe der Kathode mit einer hohen Konzentration positiver Ionen an der Grenze der Bereiche I und II verbunden ist. Im Kathoden-Dunkelraum gibt es eine starke Beschleunigung von Elektronen und positiven Ionen, wodurch Elektronen aus der Kathode herausgeschlagen werden. Im Bereich des Glühens erzeugen Elektronen eine intensive Stoßionisation von Gasmolekülen und verlieren ihre Energie. Hier werden positive Ionen gebildet, die zur Aufrechterhaltung der Entladung notwendig sind. Die elektrische Feldstärke in diesem Bereich ist gering. Das Schwelglühen wird hauptsächlich durch die Rekombination von Ionen und Elektronen verursacht. Die Länge des Kathodendunkelraums wird durch die Eigenschaften des Gases und des Kathodenmaterials bestimmt.

Im Bereich der positiven Säule ist die Konzentration von Elektronen und Ionen etwa gleich und sehr hoch, was eine hohe elektrische Leitfähigkeit der positiven Säule und einen leichten Potentialabfall in ihr bewirkt. Das Leuchten der positiven Säule wird durch das Leuchten angeregter Gasmoleküle bestimmt. In der Nähe der Anode wird wiederum eine relativ starke Änderung des Potentials beobachtet, die mit dem Prozess der Erzeugung positiver Ionen verbunden ist. In einigen Fällen zerfällt die positive Säule in separate leuchtende Bereiche - Schichten, durch dunkle Zwischenräume getrennt.

Die positive Säule spielt keine wesentliche Rolle bei der Aufrechterhaltung der Glimmentladung; daher verringert sich die Länge der positiven Säule, wenn der Abstand zwischen den Elektroden der Röhre abnimmt, und sie kann vollständig verschwinden. Anders verhält es sich mit der Länge des Kathodendunkelraums, die sich bei Annäherung der Elektroden nicht ändert. Wenn die Elektroden so nahe beieinander liegen, dass der Abstand zwischen ihnen kleiner wird als die Länge des Kathodendunkelraums, dann hört die Glimmentladung im Gas auf. Experimente zeigen, dass unter sonst gleichen Bedingungen die Länge d des Kathodendunkelraums umgekehrt proportional zum Gasdruck ist. Folglich passieren Elektronen, die von positiven Ionen aus der Kathode herausgeschlagen werden, bei ausreichend niedrigen Drücken das Gas fast ohne Kollisionen mit seinen Molekülen und bilden sich elektronisch, oder Kathodenstrahlen .

Glimmentladung wird in Gaslichtröhren, Leuchtstofflampen, Spannungsstabilisatoren verwendet, um Elektronen- und Ionenstrahlen zu erhalten. Wenn in der Kathode ein Schlitz gemacht wird, treten schmale Ionenstrahlen durch ihn hindurch in den Raum hinter der Kathode, der oft genannt wird Kanalstrahlen. weit verbreitetes Phänomen Kathodenzerstäubung, d.h. Zerstörung der Kathodenoberfläche unter Einwirkung positiver Ionen, die darauf treffen. Ultramikroskopisch kleine Fragmente des Kathodenmaterials fliegen entlang gerader Linien in alle Richtungen und bedecken die Oberfläche von Körpern (insbesondere Dielektrika), die in einem Rohr angeordnet sind, mit einer dünnen Schicht. Auf diese Weise werden Spiegel für eine Reihe von Geräten hergestellt, eine dünne Metallschicht wird auf Selen-Fotozellen aufgebracht.

b. Corona-Entladung.

Eine Koronaentladung tritt bei Normaldruck in einem Gas in einem stark inhomogenen elektrischen Feld auf (z. B. in der Nähe von Spitzen oder Drähten von Hochspannungsleitungen). Bei einer Koronaentladung treten die Gasionisation und ihr Leuchten nur in der Nähe der Koronaelektroden auf. Bei der Kathodenkorona (negative Korona) werden Elektronen, die eine Stoßionisation von Gasmolekülen verursachen, aus der Kathode herausgeschlagen, wenn sie mit positiven Ionen beschossen wird. Wenn die Anode Korona (positive Korona) ist, erfolgt die Geburt von Elektronen aufgrund der Photoionisation des Gases in der Nähe der Anode. Korona ist ein schädliches Phänomen, das von Kriechströmen und Verlust elektrischer Energie begleitet wird. Um die Korona zu reduzieren, wird der Krümmungsradius der Leiter vergrößert und ihre Oberfläche so glatt wie möglich gemacht. Bei ausreichend hoher Spannung zwischen den Elektroden geht die Koronaentladung in einen Funken über.

Bei erhöhter Spannung nimmt die Koronaentladung an der Spitze die Form von Lichtlinien an, die von der Spitze ausgehen und sich zeitlich abwechseln. Diese Linien mit einer Reihe von Knicken und Biegungen bilden eine Art Bürste, wodurch eine solche Entladung genannt wird Handwurzel .

Eine geladene Gewitterwolke induziert elektrische Ladungen mit entgegengesetztem Vorzeichen auf der Erdoberfläche darunter. An den Spitzen sammelt sich eine besonders große Ladung an. Daher blitzen vor einem Gewitter oder während eines Gewitters oft Lichtkegel wie Pinsel an den Spitzen und scharfen Ecken hoch erhabener Objekte auf. Seit der Antike wird dieses Leuchten die Feuer von St. Elmo genannt.

Besonders oft werden Kletterer Zeugen dieses Phänomens. Manchmal werden sogar nicht nur Metallgegenstände, sondern auch die Haarspitzen auf dem Kopf mit kleinen leuchtenden Quasten verziert.

Beim Umgang mit Hochspannung muss eine Koronaentladung berücksichtigt werden. Bei hervorstehenden Teilen oder sehr dünnen Drähten kann eine Koronaentladung beginnen. Dies führt zu Leistungsverlusten. Je höher die Spannung der Hochspannungsleitung, desto dicker sollten die Drähte sein.

C. Funkenentladung.

Die Funkenentladung hat das Aussehen von hellen, zickzackförmig verzweigten Filamentkanälen, die den Entladungsspalt durchdringen und verschwinden, wobei sie durch neue ersetzt werden. Studien haben gezeigt, dass die Funkenentladungskanäle manchmal von der positiven Elektrode, manchmal von der negativen und manchmal von einem Punkt zwischen den Elektroden aus zu wachsen beginnen. Dies erklärt sich aus der Tatsache, dass die Stoßionisation bei einer Funkenentladung nicht über das gesamte Gasvolumen erfolgt, sondern durch einzelne Kanäle, die an den Stellen verlaufen, an denen die Ionenkonzentration zufällig am höchsten war. Eine Funkenentladung wird von der Freisetzung einer großen Wärmemenge, einem hellen Gasglühen, Knistern oder Donner begleitet. All diese Phänomene werden durch Elektronen- und Ionenlawinen verursacht, die in Funkenkanälen auftreten und zu einem enormen Druckanstieg auf 10 7 ¸10 8 Pa und einem Temperaturanstieg auf bis zu 10.000 °C führen.

Ein typisches Beispiel für eine Funkenentladung ist ein Blitz. Der Hauptblitzkanal hat einen Durchmesser von 10 bis 25 cm und die Blitzlänge kann mehrere Kilometer erreichen. Der maximale Strom eines Blitzimpulses erreicht Zehn- und Hunderttausende von Ampere.

Bei einer geringen Länge der Entladungsstrecke bewirkt die Funkenentladung eine gezielte Zerstörung der Anode, sog Erosion. Dieses Phänomen wurde beim Elektrofunkenverfahren zum Schneiden, Bohren und anderen Arten der Präzisionsmetallverarbeitung genutzt.

Die Funkenstrecke dient als Überspannungsschutz in elektrischen Übertragungsleitungen (z. B. Telefonleitungen). Wenn in der Nähe der Leitung ein starker Kurzzeitstrom fließt, werden in den Drähten dieser Leitung Spannungen und Ströme induziert, die die elektrische Installation zerstören können und für Menschenleben gefährlich sind. Um dies zu vermeiden, werden spezielle Sicherungen verwendet, die aus zwei gekrümmten Elektroden bestehen, von denen eine mit der Leitung verbunden und die andere geerdet ist. Wenn das Potential der Leitung gegenüber Masse stark ansteigt, kommt es zwischen den Elektroden zu einer Funkenentladung, die zusammen mit der von ihr erwärmten Luft aufsteigt, sich verlängert und bricht.

Schließlich wird ein elektrischer Funke verwendet, um große Potentialunterschiede zu messen Ball Lücke, dessen Elektroden zwei Metallkugeln mit polierter Oberfläche sind. Die Kugeln werden auseinander bewegt und mit einer gemessenen Potentialdifferenz beaufschlagt. Dann werden die Kugeln zusammengebracht, bis ein Funke zwischen ihnen überspringt. Sie kennen den Durchmesser der Kugeln, den Abstand zwischen ihnen, den Druck, die Temperatur und die Luftfeuchtigkeit und finden anhand spezieller Tabellen die Potentialdifferenz zwischen den Kugeln. Dieses Verfahren kann verwendet werden, um Potentialunterschiede in der Größenordnung von Zehntausenden Volt bis auf wenige Prozent zu messen.

D. Bogenentladung.

Die Bogenentladung wurde 1802 von V. V. Petrov entdeckt. Diese Entladung ist eine der Formen der Gasentladung, die bei einer hohen Stromdichte und einer relativ niedrigen Spannung zwischen den Elektroden (in der Größenordnung von mehreren zehn Volt) auftritt. Die Hauptursache der Bogenentladung ist die intensive Emission von Thermoelektronen durch eine Glühkathode. Diese Elektronen werden durch ein elektrisches Feld beschleunigt und erzeugen eine Stoßionisation von Gasmolekülen, wodurch der elektrische Widerstand des Gasspalts zwischen den Elektroden relativ klein ist. Wenn wir den Widerstand des externen Stromkreises verringern, den Strom der Bogenentladung erhöhen, steigt die Leitfähigkeit des Gasspalts so stark an, dass die Spannung zwischen den Elektroden abnimmt. Daher wird gesagt, dass die Bogenentladung eine fallende Strom-Spannungs-Charakteristik hat. Bei Atmosphärendruck erreicht die Kathodentemperatur 3000 °C. Elektronen, die die Anode bombardieren, erzeugen darin eine Vertiefung (Krater) und erhitzen sie. Die Temperatur des Kraters beträgt etwa 4000 °C und erreicht bei hohem Luftdruck 6000-7000 °C. Die Temperatur des Gases im Lichtbogenentladungskanal erreicht 5000-6000 °C, so dass darin eine intensive thermische Ionisation auftritt.

In einigen Fällen wird auch bei relativ niedriger Kathodentemperatur (z. B. bei einer Quecksilberbogenlampe) eine Bogenentladung beobachtet.

1876 ​​verwendete P. N. Yablochkov erstmals einen Lichtbogen als Lichtquelle. Bei der "Yablochkov-Kerze" waren die Kohlen parallel angeordnet und durch eine gekrümmte Schicht getrennt, und ihre Enden waren durch eine leitfähige "Zündbrücke" verbunden. Beim Einschalten des Stroms brannte die Zündbrücke durch und zwischen den Kohlen bildete sich ein Lichtbogen. Als die Kohlen brannten, verdampfte die Isolierschicht.

Die Bogenentladung wird auch heute noch als Lichtquelle verwendet, beispielsweise in Suchscheinwerfern und Projektoren.

Die hohe Temperatur der Lichtbogenentladung macht es möglich, sie für den Bau eines Lichtbogenofens zu verwenden. Gegenwärtig werden Lichtbogenöfen, die mit sehr hoher Stromstärke betrieben werden, in einer Reihe von Industrien eingesetzt: zum Schmelzen von Stahl, Gusseisen, Ferrolegierungen, Bronze, zur Herstellung von Calciumcarbid, Stickstoffoxid usw.

1882 verwendete N. N. Benardos erstmals eine Lichtbogenentladung zum Schneiden und Schweißen von Metall. Die Entladung zwischen einer festen Kohleelektrode und Metall erwärmt die Verbindungsstelle zweier Bleche (oder Platten) und verschweißt sie. Benardos verwendete die gleiche Methode, um Metallplatten zu schneiden und Löcher in sie zu bohren. 1888 verbesserte N. G. Slavyanov diese Schweißmethode, indem er die Kohlenstoffelektrode durch eine Metallelektrode ersetzte.

Die Bogenentladung hat in einem Quecksilbergleichrichter Anwendung gefunden, der einen elektrischen Wechselstrom in einen Gleichstrom umwandelt.

E. Plasma.

Plasma ist ein teilweise oder vollständig ionisiertes Gas, in dem die Dichten positiver und negativer Ladungen nahezu gleich sind. Somit ist Plasma als Ganzes ein elektrisch neutrales System.

Das quantitative Merkmal von Plasma ist der Ionisierungsgrad. Der Plasmaionisationsgrad a ist das Verhältnis der Volumenkonzentration geladener Teilchen zur Gesamtvolumenkonzentration der Teilchen. Je nach Ionisationsgrad wird Plasma unterteilt in schwach ionisiert(a ist Bruchteile von einem Prozent), teilweise ionisiert (a in der Größenordnung von einigen Prozent) und vollständig ionisiert (a ist nahe 100 %). Schwach ionisiertes Plasma unter natürlichen Bedingungen sind die oberen Schichten der Atmosphäre - die Ionosphäre. Die Sonne, heiße Sterne und einige interstellare Wolken sind vollständig ionisiertes Plasma, das sich bei hohen Temperaturen bildet.

Die durchschnittlichen Energien verschiedener Arten von Teilchen, aus denen ein Plasma besteht, können erheblich voneinander abweichen. Daher kann Plasma nicht durch einen einzigen Temperaturwert T charakterisiert werden; Unterscheiden Sie zwischen der Elektronentemperatur T e , der Ionentemperatur T i (bzw. Ionentemperaturen, wenn mehrere Arten von Ionen im Plasma vorhanden sind) und der Temperatur neutraler Atome T a (Neutralkomponente). Ein solches Plasma wird als nicht-isotherm bezeichnet, im Gegensatz zum isothermen Plasma, bei dem die Temperaturen aller Komponenten gleich sind.

Plasma wird auch in Hochtemperatur (T i »10 6 -10 8 K und mehr) und Niedertemperatur unterteilt!!! (T i<=10 5 К). Это условное разделение связано с особой влажностью высокотемпературной плазмы в связи с проблемой осуществления управляемого термоядерного синтеза.

Plasma hat eine Reihe spezifischer Eigenschaften, die uns erlauben, es als einen besonderen vierten Aggregatzustand zu betrachten.

Aufgrund der hohen Mobilität geladener Plasmateilchen bewegen sie sich leicht unter dem Einfluss elektrischer und magnetischer Felder. Daher wird jede Verletzung der elektrischen Neutralität einzelner Bereiche des Plasmas, die durch die Ansammlung von Teilchen mit gleichem Ladungszeichen verursacht wird, schnell beseitigt. Die resultierenden elektrischen Felder bewegen geladene Teilchen, bis die elektrische Neutralität wiederhergestellt ist und das elektrische Feld Null wird. Im Gegensatz zu einem neutralen Gas, wo zwischen den Molekülen kurzreichweitige Kräfte wirken, wirken zwischen geladenen Plasmateilchen Coulomb-Kräfte, die relativ langsam mit der Entfernung abnehmen. Jedes Teilchen interagiert sofort mit einer großen Anzahl umgebender Teilchen. Aus diesem Grund können Plasmateilchen zusammen mit chaotischer thermischer Bewegung an verschiedenen geordneten Bewegungen teilnehmen. In einem Plasma werden leicht verschiedene Arten von Schwingungen und Wellen angeregt.

Die Plasmaleitfähigkeit steigt mit zunehmendem Ionisationsgrad. Bei hohen Temperaturen nähert sich ein vollständig ionisiertes Plasma in seiner Leitfähigkeit Supraleitern an.

Niedertemperaturplasma wird in Gasentladungslichtquellen verwendet - in Leuchtröhren für Werbeaufschriften, in Leuchtstofflampen. Eine Gasentladungslampe wird in vielen Geräten verwendet, beispielsweise in Gaslasern - Quantenlichtquellen.

Hochtemperaturplasma wird in magnetohydrodynamischen Generatoren verwendet.

Kürzlich wurde ein neues Gerät entwickelt, der Plasmabrenner. Das Plasmatron erzeugt leistungsstarke Strahlen aus dichtem Niedertemperaturplasma, die in verschiedenen Technologiebereichen weit verbreitet sind: zum Schneiden und Schweißen von Metallen, Bohren von Brunnen in Hartgestein usw.

Liste der verwendeten Literatur:

1) Physik: Elektrodynamik. 10-11 Zellen: Lehrbuch. zur Vertiefung in Physik / G. Ya. Myakishev, A. Z. Sinyakov, B. A. Slobodskov. - 2. Auflage - M.: Drofa, 1998. - 480 S.

2) Physikkurs (in drei Bänden). T.II. Elektrizität und Magnetismus. Proz. Handbuch für Fachhochschulen. / Detlaf A.A., Yavorsky B. M., Milkovskaya L. B. Izd. 4., überarbeitet. - M.: Höhere Schule, 1977. - 375 p.

3) Strom./E. G. Kalaschnikow. Ed. "Wissenschaft", Moskau, 1977.

4) Physik./B. B. Bukhovtsev, Yu. L. Klimontovich, G. Ya. Myakishev. 3. Auflage, überarbeitet. – M.: Aufklärung, 1986.