Δεν υπάρχουν απόλυτα διηλεκτρικά στη φύση. Η διατεταγμένη κίνηση των σωματιδίων - φορείς ηλεκτρικού φορτίου - δηλαδή ρεύμα, μπορεί να προκληθεί σε οποιοδήποτε μέσο, αλλά αυτό απαιτεί ειδικές συνθήκες. Θα εξετάσουμε εδώ πώς εξελίσσονται τα ηλεκτρικά φαινόμενα στα αέρια και πώς ένα αέριο μπορεί να μετατραπεί από πολύ καλό διηλεκτρικό σε πολύ καλό αγωγό. Θα μας ενδιαφέρουν οι συνθήκες κάτω από τις οποίες προκύπτει, καθώς και ποια χαρακτηριστικά χαρακτηρίζουν το ηλεκτρικό ρεύμα στα αέρια.
Ηλεκτρικές ιδιότητες αερίων
Διηλεκτρικό είναι μια ουσία (μέσο) στην οποία η συγκέντρωση των σωματιδίων -ελεύθερων φορέων ηλεκτρικού φορτίου- δεν φτάνει σε καμία σημαντική τιμή, με αποτέλεσμα η αγωγιμότητα να είναι αμελητέα. Όλα τα αέρια είναι καλά διηλεκτρικά. Οι μονωτικές τους ιδιότητες χρησιμοποιούνται παντού. Για παράδειγμα, σε οποιονδήποτε διακόπτη κυκλώματος, το άνοιγμα του κυκλώματος συμβαίνει όταν οι επαφές φέρονται σε τέτοια θέση ώστε να σχηματίζεται ένα διάκενο αέρα μεταξύ τους. Καλώδια σε καλώδια ρεύματοςείναι επίσης απομονωμένα μεταξύ τους με ένα στρώμα αέρα.
Η δομική μονάδα οποιουδήποτε αερίου είναι ένα μόριο. Αποτελείται από ατομικούς πυρήνες και ηλεκτρονιακά νέφη, δηλαδή είναι μια συλλογή ηλεκτρικών φορτίων που κατανέμονται στο διάστημα με κάποιο τρόπο. Ένα μόριο αερίου μπορεί να είναι ένα ηλεκτρικό δίπολο λόγω των ιδιαιτεροτήτων της δομής του ή μπορεί να πολωθεί υπό τη δράση ενός εξωτερικού ηλεκτρικού πεδίου. Η συντριπτική πλειονότητα των μορίων που συνθέτουν ένα αέριο είναι ηλεκτρικά ουδέτερα υπό κανονικές συνθήκες, καθώς τα φορτία σε αυτά αλληλοεξουδετερώνονται.
Αν εφαρμοστεί ηλεκτρικό πεδίο σε ένα αέριο, τα μόρια θα λάβουν διπολικό προσανατολισμό, καταλαμβάνοντας μια χωρική θέση που αντισταθμίζει την επίδραση του πεδίου. Τα φορτισμένα σωματίδια που υπάρχουν στο αέριο υπό την επίδραση των δυνάμεων Coulomb θα αρχίσουν να κινούνται: θετικά ιόντα - προς την κατεύθυνση της καθόδου, αρνητικά ιόντα και ηλεκτρόνια - προς την άνοδο. Ωστόσο, εάν το πεδίο έχει ανεπαρκές δυναμικό, δεν προκύπτει μια ενιαία κατευθυνόμενη ροή φορτίων και μπορεί να μιλήσει κανείς για ξεχωριστά ρεύματα, τόσο αδύναμα που θα πρέπει να παραμεληθούν. Το αέριο συμπεριφέρεται σαν διηλεκτρικό.
Έτσι, για την εμφάνιση ηλεκτρικού ρεύματος στα αέρια, απαιτείται μεγάλη συγκέντρωση ελεύθερων φορέων φορτίου και παρουσία πεδίου.
Ιονισμός
Η διαδικασία μιας χιονοστιβάδας αύξησης του αριθμού των δωρεάν φορτίων σε ένα αέριο ονομάζεται ιονισμός. Κατά συνέπεια, ένα αέριο στο οποίο υπάρχει σημαντική ποσότητα φορτισμένων σωματιδίων ονομάζεται ιονισμένο. Σε τέτοια αέρια δημιουργείται ηλεκτρικό ρεύμα.
Η διαδικασία ιονισμού σχετίζεται με παραβίαση της ουδετερότητας των μορίων. Ως αποτέλεσμα της αποκόλλησης ενός ηλεκτρονίου, εμφανίζονται θετικά ιόντα, η σύνδεση ενός ηλεκτρονίου σε ένα μόριο οδηγεί στο σχηματισμό ενός αρνητικού ιόντος. Επιπλέον, υπάρχουν πολλά ελεύθερα ηλεκτρόνια σε ένα ιονισμένο αέριο. Τα θετικά ιόντα και ιδιαίτερα τα ηλεκτρόνια είναι οι κύριοι φορείς φόρτισης για το ηλεκτρικό ρεύμα στα αέρια.
Ο ιονισμός συμβαίνει όταν μια ορισμένη ποσότητα ενέργειας προσδίδεται σε ένα σωματίδιο. Έτσι, ένα εξωτερικό ηλεκτρόνιο στη σύνθεση ενός μορίου, έχοντας λάβει αυτή την ενέργεια, μπορεί να φύγει από το μόριο. Οι αμοιβαίες συγκρούσεις φορτισμένων σωματιδίων με ουδέτερα οδηγούν στην εκτόξευση νέων ηλεκτρονίων και η διαδικασία αποκτά χαρακτήρα σαν χιονοστιβάδα. Η κινητική ενέργεια των σωματιδίων αυξάνεται επίσης, γεγονός που προάγει πολύ τον ιονισμό.
Από πού προέρχεται η ενέργεια που χρησιμοποιείται για τη διέγερση του ηλεκτρικού ρεύματος στα αέρια; Ο ιονισμός των αερίων έχει πολλές πηγές ενέργειας, σύμφωνα με τις οποίες συνηθίζεται να ονομάζουμε τους τύπους του.
- Ιοντισμός με ηλεκτρικό πεδίο. Σε αυτή την περίπτωση, η δυναμική ενέργεια του πεδίου μετατρέπεται σε κινητική ενέργεια των σωματιδίων.
- Θερμοϊονισμός. Η αύξηση της θερμοκρασίας οδηγεί επίσης στο σχηματισμό μεγάλου αριθμού δωρεάν χρεώσεων.
- Φωτοϊονισμός. Η ουσία αυτής της διαδικασίας είναι ότι τα ηλεκτρόνια τροφοδοτούνται με ενέργεια από κβάντα ηλεκτρομαγνητικής ακτινοβολίας - φωτόνια, εάν έχουν αρκετά υψηλή συχνότητα (υπεριώδεις, ακτίνες Χ, κβάντα γάμμα).
- Ο ιονισμός κρούσης είναι το αποτέλεσμα της μετατροπής της κινητικής ενέργειας των συγκρουόμενων σωματιδίων σε ενέργεια διαχωρισμού ηλεκτρονίων. Καθώςθερμικός ιονισμός, χρησιμεύει ως ο κύριος παράγοντας διέγερσης στα αέρια ηλεκτρικού ρεύματος.
Κάθε αέριο χαρακτηρίζεται από μια ορισμένη τιμή κατωφλίου - την ενέργεια ιονισμού που απαιτείται για να αποσπαστεί ένα ηλεκτρόνιο από ένα μόριο, ξεπερνώντας ένα φράγμα δυναμικού. Αυτή η τιμή για το πρώτο ηλεκτρόνιο κυμαίνεται από αρκετά βολτ έως δύο δεκάδες βολτ. χρειάζεται περισσότερη ενέργεια για να αφαιρεθεί το επόμενο ηλεκτρόνιο από το μόριο και ούτω καθεξής.
Θα πρέπει να ληφθεί υπόψη ότι ταυτόχρονα με τον ιονισμό στο αέριο, συμβαίνει η αντίστροφη διαδικασία - ο ανασυνδυασμός, δηλαδή η αποκατάσταση ουδέτερων μορίων υπό τη δράση των δυνάμεων έλξης Coulomb.
Εκκένωση αερίου και οι τύποι της
Έτσι, το ηλεκτρικό ρεύμα στα αέρια οφείλεται στην διατεταγμένη κίνηση των φορτισμένων σωματιδίων υπό τη δράση ενός ηλεκτρικού πεδίου που εφαρμόζεται σε αυτά. Η παρουσία τέτοιων φορτίων, με τη σειρά της, είναι δυνατή λόγω διαφόρων παραγόντων ιονισμού.
Έτσι, ο θερμικός ιονισμός απαιτεί σημαντικές θερμοκρασίες, αλλά μια ανοιχτή φλόγα λόγω ορισμένων χημικών διεργασιών συμβάλλει στον ιονισμό. Ακόμη και σε σχετικά χαμηλή θερμοκρασία παρουσία φλόγας, καταγράφεται η εμφάνιση ηλεκτρικού ρεύματος στα αέρια και το πείραμα με την αγωγιμότητα του αερίου διευκολύνει την επαλήθευση αυτού. Είναι απαραίτητο να τοποθετήσετε τη φλόγα ενός καυστήρα ή κεριού ανάμεσα στις πλάκες ενός φορτισμένου πυκνωτή. Το κύκλωμα που είχε ανοίξει προηγουμένως λόγω του διακένου αέρα στον πυκνωτή θα κλείσει. Ένα γαλβανόμετρο συνδεδεμένο στο κύκλωμα θα δείξει την παρουσία ρεύματος.
Το ηλεκτρικό ρεύμα στα αέρια ονομάζεται εκκένωση αερίου. Πρέπει να ληφθεί υπόψη ότιγια να διατηρηθεί η σταθερότητα της εκκένωσης, η δράση του ιονιστή πρέπει να είναι σταθερή, αφού λόγω του συνεχούς ανασυνδυασμού, το αέριο χάνει τις ηλεκτρικά αγώγιμες ιδιότητες του. Μερικοί φορείς ηλεκτρικού ρεύματος σε αέρια - ιόντα - εξουδετερώνονται στα ηλεκτρόδια, άλλοι - ηλεκτρόνια - που πέφτουν στην άνοδο, κατευθύνονται στο «συν» της πηγής πεδίου. Εάν ο παράγοντας ιονισμού σταματήσει να λειτουργεί, το αέριο θα γίνει αμέσως πάλι διηλεκτρικό και το ρεύμα θα σταματήσει. Ένα τέτοιο ρεύμα, που εξαρτάται από τη δράση ενός εξωτερικού ιονιστή, ονομάζεται μη αυτοσυντηρούμενη εκκένωση.
Τα χαρακτηριστικά της διέλευσης ηλεκτρικού ρεύματος μέσω των αερίων περιγράφονται από μια ειδική εξάρτηση της ισχύος ρεύματος από την τάση - το χαρακτηριστικό ρεύματος-τάσης.
Ας εξετάσουμε την ανάπτυξη μιας εκκένωσης αερίου στο γράφημα της εξάρτησης ρεύματος-τάσης. Όταν η τάση αυξάνεται σε μια ορισμένη τιμή U1, το ρεύμα αυξάνεται αναλογικά με αυτήν, δηλαδή πληρούται ο νόμος του Ohm. Η κινητική ενέργεια αυξάνεται, και ως εκ τούτου η ταχύτητα των φορτίων στο αέριο, και αυτή η διαδικασία προηγείται του ανασυνδυασμού. Σε τιμές τάσης από U1 έως U2, αυτή η αναλογία παραβιάζεται. όταν επιτευχθεί U2, όλοι οι φορείς φορτίου φτάνουν στα ηλεκτρόδια χωρίς να έχουν χρόνο να ανασυνδυαστούν. Εμπλέκονται όλες οι δωρεάν χρεώσεις και η περαιτέρω αύξηση της τάσης δεν οδηγεί σε αύξηση του ρεύματος. Αυτή η φύση της κίνησης των φορτίων ονομάζεται ρεύμα κορεσμού. Έτσι, μπορούμε να πούμε ότι το ηλεκτρικό ρεύμα στα αέρια οφείλεται και στις ιδιαιτερότητες της συμπεριφοράς του ιονισμένου αερίου σε ηλεκτρικά πεδία διαφόρων δυνάμεων.
Όταν η διαφορά δυναμικού μεταξύ των ηλεκτροδίων φτάσει μια ορισμένη τιμή U3, η τάση γίνεται επαρκής ώστε το ηλεκτρικό πεδίο να προκαλέσει έναν ιονισμό αερίου σαν χιονοστιβάδα. Η κινητική ενέργεια των ελεύθερων ηλεκτρονίων είναι ήδη αρκετή για ιονισμό κρούσης των μορίων. Ταυτόχρονα, η ταχύτητά τους στα περισσότερα αέρια είναι περίπου 2000 km/s και άνω (υπολογίζεται με τον κατά προσέγγιση τύπο v=600 Ui, όπου Ui Το είναι το δυναμικό ιονισμού). Αυτή τη στιγμή, συμβαίνει μια διάσπαση αερίου και μια σημαντική αύξηση του ρεύματος συμβαίνει λόγω μιας εσωτερικής πηγής ιονισμού. Επομένως, μια τέτοια εκκένωση ονομάζεται ανεξάρτητη.
Η παρουσία εξωτερικού ιονιστή σε αυτή την περίπτωση δεν παίζει πλέον ρόλο στη διατήρηση του ηλεκτρικού ρεύματος στα αέρια. Μια αυτοσυντηρούμενη εκκένωση υπό διαφορετικές συνθήκες και με διαφορετικά χαρακτηριστικά της πηγής ηλεκτρικού πεδίου μπορεί να έχει ορισμένα χαρακτηριστικά. Υπάρχουν τέτοιοι τύποι αυτοεκφόρτισης όπως η λάμψη, ο σπινθήρας, το τόξο και η κορώνα. Θα εξετάσουμε πώς συμπεριφέρεται το ηλεκτρικό ρεύμα στα αέρια, εν συντομία για καθέναν από αυτούς τους τύπους.
Glow Discharge
Σε ένα εξευγενισμένο αέριο, μια διαφορά δυναμικού από 100 (και ακόμη λιγότερο) έως 1000 βολτ είναι αρκετή για να ξεκινήσει μια ανεξάρτητη εκφόρτιση. Επομένως, μια εκκένωση πυράκτωσης, που χαρακτηρίζεται από χαμηλή ένταση ρεύματος (από 10-5 Α έως 1 Α), εμφανίζεται σε πιέσεις όχι μεγαλύτερες από μερικά χιλιοστά υδραργύρου.
Σε ένα σωλήνα με αραιωμένο αέριο και ψυχρά ηλεκτρόδια, η αναδυόμενη εκκένωση λάμψης μοιάζει με ένα λεπτό φωτεινό καλώδιο ανάμεσα στα ηλεκτρόδια. Εάν συνεχίσετε να αντλείτε αέριο από το σωλήνα, θα παρατηρήσετεθόλωση του καλωδίου και σε πιέσεις δέκατων χιλιοστών υδραργύρου, η λάμψη γεμίζει σχεδόν πλήρως τον σωλήνα. Η λάμψη απουσιάζει κοντά στην κάθοδο - στον λεγόμενο σκοτεινό χώρο καθόδου. Το υπόλοιπο ονομάζεται θετική στήλη. Στην περίπτωση αυτή, οι κύριες διεργασίες που διασφαλίζουν την ύπαρξη της εκκένωσης εντοπίζονται ακριβώς στον σκοτεινό χώρο της καθόδου και στην περιοχή που γειτνιάζει με αυτήν. Εδώ, τα φορτισμένα σωματίδια αερίου επιταχύνονται, βγάζοντας τα ηλεκτρόνια έξω από την κάθοδο.
Σε μια εκκένωση λάμψης, η αιτία του ιονισμού είναι η εκπομπή ηλεκτρονίων από την κάθοδο. Τα ηλεκτρόνια που εκπέμπονται από την κάθοδο παράγουν ιονισμό κρούσης των μορίων αερίου, τα αναδυόμενα θετικά ιόντα προκαλούν δευτερογενή εκπομπή από την κάθοδο και ούτω καθεξής. Η λάμψη της θετικής στήλης οφείλεται κυρίως στην ανάκρουση των φωτονίων από διεγερμένα μόρια αερίου και διαφορετικά αέρια χαρακτηρίζονται από λάμψη συγκεκριμένου χρώματος. Η θετική στήλη συμμετέχει στο σχηματισμό μιας εκκένωσης λάμψης μόνο ως τμήμα του ηλεκτρικού κυκλώματος. Εάν φέρετε τα ηλεκτρόδια πιο κοντά, μπορείτε να επιτύχετε την εξαφάνιση της θετικής στήλης, αλλά η εκφόρτιση δεν θα σταματήσει. Ωστόσο, με περαιτέρω μείωση της απόστασης μεταξύ των ηλεκτροδίων, η εκκένωση λάμψης δεν θα μπορεί να υπάρξει.
Πρέπει να σημειωθεί ότι για αυτόν τον τύπο ηλεκτρικού ρεύματος στα αέρια, η φυσική ορισμένων διεργασιών δεν έχει ακόμη αποσαφηνιστεί πλήρως. Για παράδειγμα, η φύση των δυνάμεων που προκαλούν διαστολή στην επιφάνεια της καθόδου της περιοχής που συμμετέχει στην εκκένωση παραμένει ασαφής.
Αποφόρτιση σπινθήρα
Sparkη κατάρρευση έχει παρορμητικό χαρακτήρα. Εμφανίζεται σε πιέσεις κοντά στην κανονική ατμοσφαιρική, σε περιπτώσεις όπου η ισχύς της πηγής ηλεκτρικού πεδίου δεν είναι αρκετή για να διατηρήσει μια ακίνητη εκκένωση. Σε αυτή την περίπτωση, η ένταση πεδίου είναι υψηλή και μπορεί να φτάσει τα 3 MV/m. Το φαινόμενο χαρακτηρίζεται από μια απότομη αύξηση του ηλεκτρικού ρεύματος εκφόρτισης στο αέριο, την ίδια στιγμή που η τάση πέφτει εξαιρετικά γρήγορα και η εκφόρτιση σταματά. Στη συνέχεια, η διαφορά δυναμικού αυξάνεται ξανά και η όλη διαδικασία επαναλαμβάνεται.
Με αυτόν τον τύπο εκκένωσης, σχηματίζονται βραχυπρόθεσμα κανάλια σπινθήρα, η ανάπτυξη των οποίων μπορεί να ξεκινήσει από οποιοδήποτε σημείο μεταξύ των ηλεκτροδίων. Αυτό οφείλεται στο γεγονός ότι ο ιοντισμός κρούσης συμβαίνει τυχαία σε μέρη όπου συγκεντρώνεται σήμερα ο μεγαλύτερος αριθμός ιόντων. Κοντά στο κανάλι σπινθήρα, το αέριο θερμαίνεται γρήγορα και υφίσταται θερμική διαστολή, η οποία προκαλεί ακουστικά κύματα. Ως εκ τούτου, η εκκένωση σπινθήρα συνοδεύεται από τρίξιμο, καθώς και απελευθέρωση θερμότητας και φωτεινή λάμψη. Οι διαδικασίες ιονισμού χιονοστιβάδων δημιουργούν υψηλές πιέσεις και θερμοκρασίες έως και 10 χιλιάδες βαθμούς και άνω στο κανάλι σπινθήρα.
Το πιο ξεκάθαρο παράδειγμα εκκένωσης φυσικού σπινθήρα είναι ο κεραυνός. Η διάμετρος του κύριου καναλιού σπινθήρα κεραυνού μπορεί να κυμαίνεται από μερικά εκατοστά έως 4 μέτρα και το μήκος του καναλιού μπορεί να φτάσει τα 10 χιλιόμετρα. Το μέγεθος του ρεύματος φτάνει τα 500 χιλιάδες αμπέρ και η διαφορά δυναμικού μεταξύ ενός κεραυνού και της επιφάνειας της Γης φτάνει το ένα δισεκατομμύριο βολτ.
Ο μεγαλύτερος κεραυνός μήκους 321 χιλιομέτρων παρατηρήθηκε το 2007 στην Οκλαχόμα των ΗΠΑ. Ο κάτοχος του ρεκόρ για τη διάρκεια ήταν κεραυνός, καταγράφηκετο 2012 στις γαλλικές Άλπεις - διήρκεσε πάνω από 7,7 δευτερόλεπτα. Όταν χτυπηθεί από κεραυνό, ο αέρας μπορεί να θερμανθεί έως και 30 χιλιάδες βαθμούς, δηλαδή 6 φορές τη θερμοκρασία της ορατής επιφάνειας του Ήλιου.
Σε περιπτώσεις όπου η ισχύς της πηγής του ηλεκτρικού πεδίου είναι αρκετά μεγάλη, η εκκένωση σπινθήρα εξελίσσεται σε τόξο.
Arc Discharge
Αυτός ο τύπος αυτοεκφόρτισης χαρακτηρίζεται από υψηλή πυκνότητα ρεύματος και χαμηλή τάση (λιγότερη από εκφόρτιση πυράκτωσης). Η απόσταση διάσπασης είναι μικρή λόγω της εγγύτητας των ηλεκτροδίων. Η εκκένωση ξεκινά με την εκπομπή ενός ηλεκτρονίου από την επιφάνεια της καθόδου (για άτομα μετάλλου, το δυναμικό ιονισμού είναι μικρό σε σύγκριση με τα μόρια αερίου). Κατά τη διάρκεια μιας διάσπασης μεταξύ των ηλεκτροδίων, δημιουργούνται συνθήκες υπό τις οποίες το αέριο διεξάγει ηλεκτρικό ρεύμα και εμφανίζεται μια εκκένωση σπινθήρα, η οποία κλείνει το κύκλωμα. Εάν η ισχύς της πηγής τάσης είναι αρκετά μεγάλη, οι εκκενώσεις σπινθήρα μετατρέπονται σε σταθερό ηλεκτρικό τόξο.
Ο ιονισμός κατά την εκκένωση τόξου φτάνει σχεδόν το 100%, η ισχύς του ρεύματος είναι πολύ υψηλή και μπορεί να είναι από 10 έως 100 αμπέρ. Σε ατμοσφαιρική πίεση, το τόξο μπορεί να θερμανθεί έως 5-6 χιλιάδες μοίρες και η κάθοδος - έως 3 χιλιάδες μοίρες, γεγονός που οδηγεί σε έντονη θερμιονική εκπομπή από την επιφάνειά του. Ο βομβαρδισμός της ανόδου με ηλεκτρόνια οδηγεί σε μερική καταστροφή: σχηματίζεται μια εσοχή πάνω της - ένας κρατήρας με θερμοκρασία περίπου 4000 °C. Η αύξηση της πίεσης προκαλεί ακόμη μεγαλύτερη αύξηση της θερμοκρασίας.
Κατά τη διάδοση των ηλεκτροδίων, η εκκένωση τόξου παραμένει σταθερή μέχρι μια ορισμένη απόσταση,που σας επιτρέπει να το αντιμετωπίσετε σε εκείνους τους τομείς του ηλεκτρικού εξοπλισμού όπου είναι επιβλαβής λόγω της διάβρωσης και της καύσης των επαφών που προκαλείται από αυτό. Πρόκειται για συσκευές όπως διακόπτες υψηλής τάσης και αυτόματους, επαφές και άλλα. Μία από τις μεθόδους καταπολέμησης του τόξου που εμφανίζεται κατά το άνοιγμα των επαφών είναι η χρήση αγωγών τόξου με βάση την αρχή της επέκτασης τόξου. Χρησιμοποιούνται επίσης πολλές άλλες μέθοδοι: γεφύρωση επαφών, χρήση υλικών με υψηλό δυναμικό ιονισμού και ούτω καθεξής.
εξιτήριο κορωνοϊού
Η ανάπτυξη μιας εκκένωσης κορώνας συμβαίνει σε κανονική ατμοσφαιρική πίεση σε έντονα ανομοιογενή πεδία κοντά σε ηλεκτρόδια με μεγάλη καμπυλότητα της επιφάνειας. Αυτά μπορεί να είναι κώνοι, ιστοί, καλώδια, διάφορα στοιχεία ηλεκτρικού εξοπλισμού που έχουν πολύπλοκο σχήμα, ακόμη και ανθρώπινα μαλλιά. Ένα τέτοιο ηλεκτρόδιο ονομάζεται ηλεκτρόδιο κορώνας. Οι διεργασίες ιονισμού και, κατά συνέπεια, η λάμψη του αερίου γίνονται μόνο κοντά του.
Μια κορώνα μπορεί να σχηματιστεί τόσο στην κάθοδο (αρνητική κορώνα) όταν βομβαρδίζεται με ιόντα όσο και στην άνοδο (θετική) ως αποτέλεσμα φωτοϊοντισμού. Το αρνητικό στέμμα, στο οποίο η διαδικασία ιονισμού κατευθύνεται μακριά από το ηλεκτρόδιο ως αποτέλεσμα θερμικής εκπομπής, χαρακτηρίζεται από ομοιόμορφη λάμψη. Στη θετική κορώνα, μπορούν να παρατηρηθούν σερπαντίνες - φωτεινές γραμμές σπασμένης διαμόρφωσης που μπορούν να μετατραπούν σε κανάλια σπινθήρα.
Ένα παράδειγμα εκκένωσης κορώνας σε φυσικές συνθήκες είναι οι πυρκαγιές του St. Elmo που εμφανίζονται στις άκρες των ψηλών ιστών, των κορυφών των δέντρων και ούτω καθεξής. Σχηματίζονται σε υψηλή τάση του ηλεκτρικούπεδία στην ατμόσφαιρα, συχνά πριν από μια καταιγίδα ή κατά τη διάρκεια μιας χιονοθύελλας. Επιπλέον, στερεώθηκαν στο δέρμα αεροσκαφών που έπεσαν σε σύννεφο ηφαιστειακής τέφρας.
Η εκκένωση κορωνοϊού στα καλώδια των γραμμών ηλεκτρικής ενέργειας οδηγεί σε σημαντικές απώλειες ηλεκτρικής ενέργειας. Σε υψηλή τάση, μια εκκένωση κορώνας μπορεί να μετατραπεί σε τόξο. Καταπολεμάται με διάφορους τρόπους, για παράδειγμα, αυξάνοντας την ακτίνα καμπυλότητας των αγωγών.
Ηλεκτρικό ρεύμα σε αέρια και πλάσμα
Το πλήρως ή μερικώς ιονισμένο αέριο ονομάζεται πλάσμα και θεωρείται η τέταρτη κατάσταση της ύλης. Συνολικά, το πλάσμα είναι ηλεκτρικά ουδέτερο, αφού το συνολικό φορτίο των σωματιδίων του είναι μηδέν. Αυτό το διακρίνει από άλλα συστήματα φορτισμένων σωματιδίων, όπως δέσμες ηλεκτρονίων.
Σε φυσικές συνθήκες, το πλάσμα σχηματίζεται, κατά κανόνα, σε υψηλές θερμοκρασίες λόγω της σύγκρουσης ατόμων αερίου σε υψηλές ταχύτητες. Η συντριπτική πλειοψηφία της βαρυονικής ύλης στο Σύμπαν βρίσκεται σε κατάσταση πλάσματος. Αυτά είναι αστέρια, μέρος της διαστρικής ύλης, διαγαλαξιακό αέριο. Η ιονόσφαιρα της Γης είναι επίσης ένα σπάνιο, ασθενώς ιονισμένο πλάσμα.
Ο βαθμός ιονισμού είναι ένα σημαντικό χαρακτηριστικό ενός πλάσματος - οι αγώγιμες ιδιότητες του εξαρτώνται από αυτό. Ο βαθμός ιοντισμού ορίζεται ως ο λόγος του αριθμού των ιονισμένων ατόμων προς τον συνολικό αριθμό των ατόμων ανά μονάδα όγκου. Όσο πιο ιονισμένο είναι το πλάσμα, τόσο μεγαλύτερη είναι η ηλεκτρική του αγωγιμότητα. Επιπλέον, χαρακτηρίζεται από υψηλή κινητικότητα.
Βλέπουμε, λοιπόν, ότι τα αέρια που αγώγουν τον ηλεκτρισμό βρίσκονται μέσαΤα κανάλια εκκένωσης δεν είναι παρά πλάσμα. Έτσι, οι εκκενώσεις λάμψης και κορώνας είναι παραδείγματα ψυχρού πλάσματος. ένα κανάλι σπινθήρα από κεραυνό ή ένα ηλεκτρικό τόξο είναι παραδείγματα θερμού, σχεδόν πλήρως ιονισμένου πλάσματος.
Ηλεκτρικό ρεύμα σε μέταλλα, υγρά και αέρια - διαφορές και ομοιότητες
Ας εξετάσουμε τα χαρακτηριστικά που χαρακτηρίζουν την εκκένωση αερίου σε σύγκριση με τις ιδιότητες του ρεύματος σε άλλα μέσα.
Στα μέταλλα, το ρεύμα είναι μια κατευθυνόμενη κίνηση ελεύθερων ηλεκτρονίων που δεν συνεπάγεται χημικές αλλαγές. Οι αγωγοί αυτού του τύπου ονομάζονται αγωγοί του πρώτου είδους. Αυτά περιλαμβάνουν, εκτός από μέταλλα και κράματα, άνθρακα, ορισμένα άλατα και οξείδια. Διακρίνονται από την ηλεκτρονική αγωγιμότητα.
Αγωγοί του δεύτερου είδους είναι οι ηλεκτρολύτες, δηλαδή υγρά υδατικά διαλύματα αλκαλίων, οξέων και αλάτων. Η διέλευση του ρεύματος συνδέεται με χημική αλλαγή στον ηλεκτρολύτη – ηλεκτρόλυση. Τα ιόντα μιας ουσίας διαλυμένα στο νερό, υπό τη δράση μιας διαφοράς δυναμικού, κινούνται προς αντίθετες κατευθύνσεις: θετικά κατιόντα - προς την κάθοδο, αρνητικά ανιόντα - προς την άνοδο. Η διαδικασία συνοδεύεται από έκλυση αερίου ή απόθεση μεταλλικού στρώματος στην κάθοδο. Οι αγωγοί του δεύτερου είδους χαρακτηρίζονται από ιοντική αγωγιμότητα.
Όσο για την αγωγιμότητα των αερίων, είναι, πρώτον, προσωρινή και, δεύτερον, έχει σημάδια ομοιοτήτων και διαφορών με καθένα από αυτά. Έτσι, το ηλεκτρικό ρεύμα τόσο στους ηλεκτρολύτες όσο και στα αέρια είναι μια μετατόπιση αντίθετα φορτισμένων σωματιδίων που κατευθύνονται προς τα αντίθετα ηλεκτρόδια. Ωστόσο, ενώ οι ηλεκτρολύτες χαρακτηρίζονται από καθαρά ιοντική αγωγιμότητα, σε μια εκκένωση αερίου με συνδυασμόηλεκτρονικοί και ιοντικοί τύποι αγωγιμότητας, ο πρωταγωνιστικός ρόλος ανήκει στα ηλεκτρόνια. Μια άλλη διαφορά μεταξύ του ηλεκτρικού ρεύματος σε υγρά και αέρια είναι η φύση του ιονισμού. Σε έναν ηλεκτρολύτη, τα μόρια μιας διαλυμένης ένωσης διασπώνται στο νερό, αλλά σε ένα αέριο, τα μόρια δεν διασπώνται, αλλά χάνουν μόνο ηλεκτρόνια. Επομένως, η εκκένωση αερίου, όπως και το ρεύμα στα μέταλλα, δεν σχετίζεται με χημικές αλλαγές.
Η φυσική του ηλεκτρικού ρεύματος σε υγρά και αέρια δεν είναι επίσης η ίδια. Η αγωγιμότητα των ηλεκτρολυτών στο σύνολό τους υπακούει στο νόμο του Ohm, αλλά δεν παρατηρείται κατά την εκκένωση αερίου. Το χαρακτηριστικό βολτ-αμπέρ των αερίων έχει πολύ πιο περίπλοκο χαρακτήρα που σχετίζεται με τις ιδιότητες του πλάσματος.
Αξίζει να αναφέρουμε τα γενικά και διακριτικά χαρακτηριστικά του ηλεκτρικού ρεύματος στα αέρια και στο κενό. Το κενό είναι σχεδόν ένα τέλειο διηλεκτρικό. "Σχεδόν" - γιατί στο κενό, παρά την απουσία (ακριβέστερα, μια εξαιρετικά χαμηλή συγκέντρωση) δωρεάν φορέων φόρτισης, είναι επίσης δυνατό ένα ρεύμα. Αλλά πιθανοί φορείς είναι ήδη παρόντες στο αέριο, χρειάζεται μόνο να ιονιστούν. Οι φορείς φορτίου φέρονται στο κενό από την ύλη. Κατά κανόνα, αυτό συμβαίνει στη διαδικασία εκπομπής ηλεκτρονίων, για παράδειγμα, όταν θερμαίνεται η κάθοδος (θερμιονική εκπομπή). Όμως, όπως είδαμε, η εκπομπή παίζει επίσης σημαντικό ρόλο σε διάφορους τύπους εκκενώσεων αερίων.
Χρήση εκκενώσεων αερίου στην τεχνολογία
Οι βλαβερές συνέπειες ορισμένων εκκρίσεων έχουν ήδη συζητηθεί εν συντομία παραπάνω. Τώρα ας δώσουμε προσοχή στα οφέλη που φέρνουν στη βιομηχανία και στην καθημερινή ζωή.
Η εκφόρτιση λάμψης χρησιμοποιείται στην ηλεκτρική μηχανική(σταθεροποιητές τάσης), στην τεχνολογία επικάλυψης (μέθοδος καθοδικής sputtering με βάση το φαινόμενο της διάβρωσης της καθόδου). Στην ηλεκτρονική, χρησιμοποιείται για την παραγωγή δεσμών ιόντων και ηλεκτρονίων. Ένα πολύ γνωστό πεδίο εφαρμογής για εκκενώσεις λάμψης είναι οι λαμπτήρες φθορισμού και οι λεγόμενοι οικονομικοί λαμπτήρες και οι διακοσμητικοί σωλήνες εκκένωσης νέον και αργού. Επιπλέον, οι εκκενώσεις λάμψης χρησιμοποιούνται σε λέιζερ αερίου και στη φασματοσκοπία.
Η εκκένωση σπινθήρα χρησιμοποιείται σε ασφάλειες, σε ηλεκτροδιαβρωτικές μεθόδους επεξεργασίας μετάλλων ακριβείας (κοπή σπινθήρα, διάτρηση κ.λπ.). Αλλά είναι περισσότερο γνωστό για τη χρήση του σε μπουζί κινητήρων εσωτερικής καύσης και σε οικιακές συσκευές (σόμπες υγραερίου).
Η εκκένωση τόξου, που χρησιμοποιήθηκε για πρώτη φορά στην τεχνολογία φωτισμού το 1876 (το κερί του Yablochkov - "Ρωσικό φως"), εξακολουθεί να χρησιμεύει ως πηγή φωτός - για παράδειγμα, σε προβολείς και ισχυρούς προβολείς. Στην ηλεκτρική μηχανική, το τόξο χρησιμοποιείται σε ανορθωτές υδραργύρου. Επιπλέον, χρησιμοποιείται σε ηλεκτροσυγκόλληση, κοπή μετάλλων, βιομηχανικούς ηλεκτρικούς φούρνους για τήξη χάλυβα και κραμάτων.
Η εκκένωση Corona χρησιμοποιείται σε ηλεκτροστατικούς κατακρημνιστές για καθαρισμό αερίων ιόντων, μετρητές στοιχειωδών σωματιδίων, αλεξικέραυνα, συστήματα κλιματισμού. Η εκκένωση Corona λειτουργεί επίσης σε φωτοαντιγραφικά μηχανήματα και εκτυπωτές λέιζερ, όπου φορτίζει και αποφορτίζει το φωτοευαίσθητο τύμπανο και μεταφέρει τη σκόνη από το τύμπανο στο χαρτί.
Έτσι, οι εκκενώσεις αερίων όλων των τύπων βρίσκουν τις περισσότερεςευρεία εφαρμογή. Το ηλεκτρικό ρεύμα στα αέρια χρησιμοποιείται με επιτυχία και αποτελεσματικά σε πολλούς τομείς της τεχνολογίας.
