Der Prozess der Weiterleitung von E-Mails. Strom durch das Gas genannt. Gasentladung.

Es gibt 2 Arten von Entladungen: unabhängig und nicht unabhängig.

Wenn die elektrische Leitfähigkeit des Gases entsteht. extern Ionisatoren, dann el. der Strom darin heißt. am nächsten. Gasentladung. v

Prüfen. Email Schema, komp. von einem Kondensator, einem Galvanometer, einem Voltmeter und einer Stromquelle.

Zwischen den Platten eines flachen Kondensators befindet sich Luft Luftdruck und Zimmer T. Wenn an den Kondensator ein U von mehreren hundert Volt angelegt wird und der Ionisator nicht arbeitet, dann registriert das Stromgalvanometer jedoch nicht, sobald der Raum zwischen den Platten zu durchdringen beginnt. Fluss von UV-Strahlen beginnt das Galvanometer mit der Registrierung. aktuell. Wenn die Stromquelle ausgeschaltet wird, hört der Stromfluss durch den Stromkreis auf, dieser Strom ist eine nicht selbsterhaltende Entladung.

j = γ*E - Ohmsches Gesetz für el. Strom in Gasen.

Mit einem ausreichend starken e. Feld im Gas beginnt den Prozess der Selbstionisierung, wodurch der Strom ohne einen externen Ionisator bestehen kann. Diese Art von Strom wird als unabhängige Gasentladung bezeichnet. Die Prozesse der Selbstionisierung sind allgemein wie folgt. In der Natur. Konv. Ein Gas enthält immer eine kleine Menge freier Elektronen und Ionen. Sie werden von solchen Naturen geschaffen. Ionisatoren, wie der Weltraum. Strahlen, Strahlung radioaktive Substanzen, Soda in Boden und Wasser. Ziemlich starke E-Mail. das Feld kann diese Teilchen auf solche Geschwindigkeiten beschleunigen, bei denen ihre kinetische Energie die Ionisationsenergie übersteigt, wenn Elektronen und Ionen auf dem Weg zu den Elektroden mit Neutronen zusammenstoßen. Moleküle werden diese Moleküle ionisieren. Arr. Bei der Kollision beschleunigen auch neue Sekundärelektronen und Ionen. Feld und ionisieren wiederum neue Neutronen. Moleküle. Die beschriebene Selbstionisierung von Gasen wird Prallpolieren genannt. Freie Elektronen verursachen bereits bei E=10 3 V/m Stoßionisation. Ionen hingegen können nur bei E = 10 5 V/m eine Stoßionisation bewirken. Dieser Unterschied ist auf eine Reihe von Gründen zurückzuführen, insbesondere auf die Tatsache, dass die mittlere freie Weglänge für Elektronen viel länger ist als für Ionen. Daher gewinnen Ionen die für die Stoßionisation notwendige Energie bei einer geringeren Feldstärke als Ionen. Aber auch bei nicht zu starken „+“-Feldern spielen Ionen eine wichtige Rolle bei der Selbstionisation. Tatsache ist, dass die Energie dieser Ionen ca. genug, um Elektronen aus Metallen herauszuschlagen. Daher schlagen die durch das „+“-Feld dispergierten Ionen, die auf die Metallkathode der Feldquelle treffen, die Elektronen aus der Kathode heraus. Diese ausgeschlagenen Elektronen Feld und erzeugen Stoßionisation von Molekülen. Ionen und Elektronen, deren Energie für eine Stoßionisation nicht ausreicht, können sie dennoch beim Zusammenstoß mit Molekülen in Anregung bringen. Zustand, das heißt, um einige Energieänderungen in der E-Mail zu verursachen. Schalen von neutral Atome und Moleküle. Aufregen. ein Atom oder Molekül geht nach einiger Zeit in einen normalen Zustand über, während es ein Photon aussendet. Die Emission von Photonen manifestiert sich im Leuchten von Gasen. Außerdem ein Photon, absorbieren. jedes der Gasmoleküle kann es ionisieren, diese Art der Ionisierung wird genannt Photonionisierung. Ein Teil der Photonen trifft auf die Kathode, sie können Elektronen herausschlagen, die dann eine Stoßionisation des Neutrons bewirken. Moleküle.

Infolge der Stoß- und Photonenionisation und des Herausschlagens von Elektronen aus dem „+“ -Code durch Ionen durch Photonen steigt die Anzahl der Photonen und Elektronen im gesamten Volumen des Gases stark an (lawinenartig) und ein externer Ionisator nicht für das Vorhandensein eines Stroms im Gas benötigt, und die Entladung wird unabhängig. CVC der Gasentladung ist wie folgt.

Elektrische selbsterhaltende und nicht selbsterhaltende Entladungen treten unter bestimmten Bedingungen in verschiedenen gasförmigen Medien auf. Eine Person verwendet in der Regel eine unabhängige Entladung. Der Artikel beschreibt diese Phänomene.

Was steckt in Gasen?

Bevor wir uns mit der unabhängigen und nicht selbsterhaltenden Gasentladung befassen, wollen wir dieses Phänomen definieren. Unter Entladung versteht man das Auftreten eines elektrischen Stroms in einem Gas. Da gasförmige Medien von Natur aus Isolatoren sind, bedeutet dies, dass der Strom auf das Vorhandensein freier Ladungsträger in ihnen zurückzuführen ist. elektrische Ladung. Zusätzlich zu ihnen muss auch ein elektrisches Feld vorhanden sein, damit die Ladungen eine gerichtete Bewegung erhalten.

Ein elektrisches Feld kann durch Anlegen einer externen Potentialdifferenz an das Gasvolumen erzeugt werden (Vorhandensein von Elektroden: negative Kathode und positive Anode).

Folgende Prozesse können Quellen von Ladungsträgern sein:

• Thermische Ionisierung. Es entsteht durch die mechanische Kollision hochenergetischer Gasteilchen (Atome, Moleküle) und das Herausschlagen von Elektronen aus ihnen. Dieser Vorgang wird aktiviert, wenn die Temperatur ansteigt.
• Photoionisation. Seine Essenz liegt in der Absorption eines hochenergetischen Photons durch ein Elektron und seiner Ablösung vom Atom.
• Kalte Emission von Elektronen. Tritt aufgrund von Ionenbeschuss der Kathodenoberfläche auf.
• Glühemission. Dieser Prozess beruht auf der Verdampfung hochenergetischer Elektronen aus der Kathode und ihrer Beteiligung an der anschließenden Plasmaionisation.

Diese Prozesse liegen der Einteilung der Entladungsarten (unabhängig und nicht-unabhängig) zugrunde.

Das Konzept der Entlastungsunabhängigkeit

Betrachten Sie den Fall einer Kathodenröhre. Es ist ein versiegelter Behälter, in dem sich etwas Gas unter einem bestimmten Druck befindet. An den Enden dieser Röhre befinden sich Elektroden. Legt man an sie eine kleine Potentialdifferenz an, so entsteht praktisch kein Strom. Dies ist auf das Fehlen einer ausreichenden Anzahl von Ladungsträgern zurückzuführen.

Wenn das Gas jedoch erhitzt oder ultravioletter Strahlung ausgesetzt wird, registriert das Voltmeter sofort das Auftreten eines Stroms. Das ein Paradebeispiel nicht selbstversorgende Kategorie. Es wird so genannt, weil für seine Existenz eine externe Ionisationsquelle (Strahlung, Temperatur) notwendig ist. Es lohnt sich, diese Quelle zu entfernen, da die Voltmeterwerte wieder gleich Null werden.

Wenn, in Abwesenheit Externe Quellen Ionisierung, um die Spannung zwischen den Elektroden der Röhre zu erhöhen, dann beginnt ein Strom zu erscheinen, der mehrere Stufen durchläuft (Sättigung, Zunahme, Abnahme). Man spricht in diesem Fall von einer selbstständigen elektrischen Entladung. Es benötigt keine externen Quellen mehr, die notwendigen Ladungsträger werden im System selbst erzeugt. Die Prozesse ihrer Bildung bleiben die gleichen wie bei einer nicht selbsterhaltenden Entladung. Bei hohen Spannungen und hohen Stromdichten kommt noch eine thermische Emission von Kathodenelektronen hinzu.

Strom-Spannungs-Charakteristik der Entladung

Es ist praktisch, eine selbsterhaltende und nicht selbsterhaltende Gasentladung unter Verwendung der Abhängigkeit der Spannung von der Stromstärke (oder umgekehrt) zu untersuchen, die allgemein als Strom-Spannungs-Charakteristik bezeichnet wird. Damit können Sie nicht nur die Größe der Spannung und des Stroms im System beurteilen, sondern auch die darin ablaufenden elektrischen Prozesse.

Unten ist die Strom-Spannungs-Kennlinie, die alle Hauptphasen der Entwicklung der Entladung widerspiegelt.

Wie Sie sehen können, gibt es drei davon: dunkel, schwelend und Bogen. Wir werden diese Phasen später in diesem Artikel ausführlicher beschreiben.

Dunkle Entladung

Es wird durch das Intervall AC beschrieben. Mit steigender Spannung U erhöht sich der Strom I aufgrund der Geschwindigkeitserhöhung der Ionen. Diese Geschwindigkeiten sind jedoch nicht hoch, so dass eine nicht selbsterhaltende Entladung stattfindet. Im BC-Bereich sättigt es und wird unabhängig, da die Geschwindigkeit der Ionen ausreicht, um beim Beschuss Elektronen aus der Kathode herauszuschlagen. Diese Elektronen führen zu einer zusätzlichen Ionisation des Gases.

Die Dunkelladung hat ihren Namen bekommen, weil ihr Leuchten fast null ist: niedrige Plasmakonzentration, niedrige Ströme (10 -8 A), keine Rekombination von Ionen und Elektronen.

Glimmentladung

Auf der Strom-Spannungs-Kennlinie entspricht dies der Zone zwischen den Punkten C und F. Die Abbildung zeigt, dass sich die Spannung ändert (fällt und steigt), während der Strom ständig ansteigt. Zwei Unterzonen sind von Interesse:

1. Punkte OE - normale Glimmentladung. Der Grund für die Stromerhöhung hängt hier mit einer Vergrößerung der Plasmafläche im Gas zusammen. Das heißt, dies sind zunächst schmale kleine Kanäle, die sich dann aufgrund der kalten Elektronenemission ausdehnen, bis sie das gesamte Volumen der Röhre erreichen. Ab diesem Zeitpunkt erfolgt ein Übergang in die nächste Teilzone.
2. EF-Punkte - anomale Entladung. Der Strom dieser selbsterhaltenden Entladung im Gas beginnt aufgrund der Emission heißer Elektronen zu wachsen. Die Temperatur der Kathode steigt allmählich an und sie beginnt, negativ geladene Teilchen zu emittieren.

Alle Neon- und Leuchtstofflampen arbeiten im normalen Glimmentladungsbereich.

Funken- und Lichtbogenentladungen

Diese Arten von selbsterhaltenden Entladungen decken die FG-Zone in der Abbildung ab. Hier finden die komplexesten Prozesse statt.

Wenn die Spannung zwischen den Elektroden auf den Maximalwert ansteigt (Punkt F) und die thermische Emission von Elektronen von der Kathode aktiviert wird, werden günstige Bedingungen für die Bildung einer instabilen Funkenentladung geschaffen. Es stellt Kurzzeitausfälle (Mikrosekunden) dar, die eine charakteristische Zickzackform haben. Ein markantes Beispiel in der Natur sind Blitze in der Atmosphäre.

Die Entladung erfolgt durch enge Kanäle, die als Streamer bezeichnet werden. Sie sind schmale unterbrochene Linien aus hochionisiertem Plasma, die die Kathodenoberfläche mit der Anodenoberfläche verbinden. Die Stromstärke in ihnen erreicht Zehntausende von Ampere.

Die Stabilisierung der Funkenladung führt zur Bildung eines stabilen Lichtbogens (Bereich Punkt G). In diesem Fall ist das gesamte Gasvolumen in der Röhre ein hochionisiertes Plasma. Die Oberfläche der Kathode wird auf 5000-6000 K und die Anode auf 3000 K erhitzt. Eine so starke Erwärmung der Kathode führt zur Bildung sogenannter "Hot Spots", die darauf entstehen mächtige Quelle Thermoelektronen und sind die Ursache für den erosiven Verschleiß dieser Elektrode. Die Spannung während einer Bogenentladung ist nicht hoch (mehrere zehn Volt), aber die Stromstärke kann 100 A oder mehr erreichen. Der Schweißlichtbogen ist ein Paradebeispiel für diese Art der Entladung.

Somit ist die Existenz unabhängiger und nicht selbsterhaltender Entladungen in Gasen auf die Mechanismen ihrer Ionisation und Plasmabildung mit zunehmender Spannung und Strom im System zurückzuführen.

LABOR #2.5

"Untersuchung einer Gasentladung mit einem Thyratron"

Zielsetzung: Untersuchung der in Gasen ablaufenden Prozesse bei nicht selbsterhaltender und selbsterhaltender Entladung in Gasen, Untersuchung des Funktionsprinzips des Thyratrons, Aufbau der Strom-Spannungs- und Startcharakteristik des Thyratrons.

THEORETISCHER TEIL

Ionisierung von Gasen. Nicht selbsterhaltende und selbsterhaltende Gasentladung

Atome und Moleküle von Gasen sind unter normalen Alltagsbedingungen elektrisch neutral, d.h. enthalten keine freien Ladungsträger, sollten also wie ein Vakuumspalt keinen Strom leiten. Tatsächlich enthalten Gase immer eine gewisse Menge freier Elektronen, positiver und negativer Ionen, und leiten daher, wenn auch schlecht, Elektrizität. aktuell.

Freie Ladungsträger in einem Gas entstehen üblicherweise durch Ausstoß von Elektronen aus Elektronenhülle Gasatome, d.h. ergebend Ionisation Gas. Die Gasionisation ist das Ergebnis äußerer Energieeinwirkung: Erwärmung, Partikelbeschuss (Elektronen, Ionen usw.), elektromagnetische Strahlung (Ultraviolett, Röntgen, radioaktiv usw.). In diesem Fall leitet das zwischen den Elektroden befindliche Gas einen elektrischen Strom, der als bezeichnet wird Gasentladung. Leistung Ionisierungsfaktor ( Ionisator) ist die Anzahl der Paare entgegengesetzt geladener Ladungsträger, die durch Ionisation pro Volumeneinheit Gas pro Zeiteinheit entstehen. Neben dem Ionisierungsprozess gibt es auch einen umgekehrten Prozess - Rekombination: die Wechselwirkung entgegengesetzt geladener Teilchen, wodurch elektrisch neutrale Atome oder Moleküle entstehen und strahlen Elektromagnetische Wellen. Wenn die elektrische Leitfähigkeit des Gases das Vorhandensein eines externen Ionisators erfordert, wird eine solche Entladung genannt abhängig. Wenn das angelegte elektrische Feld (EF) ausreichend groß ist, reicht die Anzahl freier Ladungsträger, die infolge der Stoßionisation aufgrund des äußeren Felds gebildet werden, aus, um eine elektrische Entladung aufrechtzuerhalten. Eine solche Entladung benötigt keinen externen Ionisator und wird aufgerufen unabhängig.

Betrachten wir die Strom-Spannungs-Kennlinie (CVC) einer Gasentladung in einem zwischen den Elektroden befindlichen Gas (Abb. 1).

Bei einer nicht selbsterhaltenden Gasentladung im Bereich schwacher elektrischer Felder (I) ist die Anzahl der durch Ionisation gebildeten Ladungen gleich der Anzahl der miteinander rekombinierenden Ladungen. Durch dieses dynamische Gleichgewicht bleibt die Konzentration an freien Ladungsträgern im Gas praktisch konstant und dadurch Ohm'sches Gesetz (1):

wo E- Spannung elektrisches Feld; n– Konzentration; j ist die Stromdichte.

und ( ) sind die Mobilität positiver bzw. negativer Ladungsträger;<υ > ist die Driftgeschwindigkeit der gerichteten Ladungsbewegung.

Im Bereich hoher EC (II) wird eine Sättigung des Stroms im Gas (I) beobachtet, da alle vom Ionisator erzeugten Ladungsträger an der gerichteten Drift an der Erzeugung des Stroms teilnehmen.

Bei weiterer Erhöhung des Feldes (III) ionisieren beschleunigt bewegte Ladungsträger (Elektronen und Ionen) neutrale Atome und Gasmoleküle ( Stoßionisation), was zur Bildung zusätzlicher Ladungsträger und der Bildung führt elektronische Lawine(Elektronen sind leichter als Ionen und werden im EP stark beschleunigt) – die Stromdichte nimmt zu ( Gasverstärkung). Wenn der externe Ionisator abgeschaltet wird, stoppt die Gasentladung aufgrund von Rekombinationsprozessen.

Als Ergebnis dieser Prozesse bilden sich Ströme von Elektronen, Ionen und Photonen, die Anzahl der Teilchen wächst wie eine Lawine, der Strom steigt praktisch ohne Verstärkung des elektrischen Feldes zwischen den Elektroden an. Entsteht unabhängige Gasentladung. Der Übergang von einer inkonsistenten Gasentladung zu einer unabhängigen Gasentladung wird genannt Email abbauen, und die Spannung zwischen den Elektroden , wo d- Der Abstand zwischen den Elektroden wird genannt Die Spannung unterbrechen.

Für E-Mail Beim Zusammenbruch ist es notwendig, dass die Elektronen auf ihrem Weg Zeit haben, kinetische Energie zu gewinnen, die das Ionisationspotential von Gasmolekülen übersteigt, und andererseits, dass positive Ionen auf ihrem Weg Zeit haben, kinetische Energie zu gewinnen, die größer ist als die Austrittsarbeit des Kathodenmaterials. Da die mittlere freie Weglänge von der Anordnung der Elektroden, ihrem Abstand d und der Teilchenzahl pro Volumeneinheit (und damit vom Druck) abhängt, lässt sich die Zündung einer selbsterhaltenden Entladung durch Veränderung des steuern Abstand zwischen den Elektroden d mit ihrer unveränderten Konfiguration und Änderung des Drucks P. Wenn die Arbeit Pd sich als gleich herausstellt, wenn andere Dinge gleich sind, dann sollte die Art des beobachteten Zusammenbruchs die gleiche sein. Diese Schlussfolgerung spiegelte sich im Experiment wider Gesetz e (1889) Deutsch. Physik F. Paschen(1865–1947):

Die Zündspannung einer Gasentladung für einen gegebenen Wert des Produkts aus Gasdruck und Abstand zwischen den Elektroden Pd ist ein konstanter Wert, der für ein gegebenes Gas charakteristisch ist .

Es gibt verschiedene Arten der Selbstentladung.

Glimmentladung tritt bei niedrigen Drücken auf. Wenn an die Elektroden, die in ein 30–50 cm langes Glasrohr eingelötet sind, eine konstante Spannung von mehreren hundert Volt angelegt wird und allmählich Luft aus dem Rohr gepumpt wird, tritt bei einem Druck von 5,3–6,7 kPa eine Entladung in Form eines Lichts auf gewundenes rötliches Kabel, das von der Kathode zur Anode kommt. Bei weiterer Druckabnahme verdickt sich der Faden und bei einem Druck von » 13 Pa hat die Entladung die in Abb. 2.

Direkt auf der Kathode 1 ist eine dünne Leuchtschicht aufgebracht - Kathodenfilm , gefolgt von 2 - Kathoden-Dunkelraum , weiter in die leuchtende Schicht 3 – schwelendes Leuchten , das auf der Kathodenseite scharf begrenzt ist und auf der Anodenseite allmählich verschwindet. Die Schichten 1-3 bilden den Kathodenteil der Glimmentladung. Folgt dem schwelenden Schein Faradayscher dunkler Raum 4. Der Rest der Röhre ist mit Leuchtgas gefüllt - positiver Beitrag - 5.

Das Potential variiert entlang der Röhre ungleichmäßig (siehe Abb. 2). Nahezu der gesamte Spannungsabfall tritt in den ersten Abschnitten der Entladung auf, einschließlich des dunklen Kathodenraums.

Die Hauptprozesse, die zur Aufrechterhaltung der Entladung erforderlich sind, finden in ihrem Kathodenteil statt:

1) positive Ionen, die durch den kathodischen Potentialabfall beschleunigt werden, bombardieren die Kathode und schlagen Elektronen aus ihr heraus;

2) die Elektronen werden im Kathodenteil beschleunigt und gewinnen genügend Energie und ionisieren die Gasmoleküle. Viele Elektronen und positive Ionen werden gebildet. Im Schwelbereich findet eine intensive Rekombination von Elektronen und Ionen statt, Energie wird freigesetzt, ein Teil davon geht in die zusätzliche Ionisierung. Die in den Faraday-Dunkelraum eingedrungenen Elektronen akkumulieren nach und nach Energie, so dass die für die Existenz des Plasmas notwendigen Bedingungen entstehen (ein hoher Grad an Gasionisation). Die positive Säule ist ein Gasentladungsplasma. Es fungiert als Leiter, der die Anode mit den Kathodenteilen verbindet. Das Leuchten der positiven Säule wird hauptsächlich durch Übergänge angeregter Moleküle in den Grundzustand verursacht. Moleküle verschiedener Gase senden bei solchen Übergängen Strahlung unterschiedlicher Wellenlänge aus. Daher hat das Leuchten der Säule eine für jedes Gas charakteristische Farbe. Daraus werden leuchtende Röhren hergestellt. Neonröhren leuchten rot, Argonröhren bläulich-grün.

Bogenentladung bei normalem und erhöhtem Druck beobachtet. In diesem Fall erreicht der Strom mehrere zehn und hundert Ampere, und die Spannung über dem Gasspalt fällt auf mehrere zehn Volt ab. Eine solche Entladung kann von einer Niederspannungsquelle erhalten werden, wenn die Elektroden zuerst zusammengebracht werden, bis sie sich berühren. Am Kontaktpunkt werden die Elektroden aufgrund von Joulescher Wärme stark erhitzt, und nachdem sie voneinander entfernt wurden, wird die Kathode aufgrund von thermionischer Emission zu einer Elektronenquelle. Die Hauptprozesse, die die Entladung unterstützen, sind die thermionische Emission von der Kathode und die thermische Ionisation von Molekülen aufgrund der hohen Temperatur des Gases im Zwischenelektrodenspalt. Nahezu der gesamte Zwischenelektrodenraum ist mit Hochtemperaturplasma gefüllt. Es dient als Leiter, durch den die von der Kathode emittierten Elektronen die Anode erreichen. Die Plasmatemperatur beträgt ~6000 K. Die hohe Temperatur der Kathode wird durch Beschuss mit positiven Ionen aufrechterhalten. Die Anode wiederum erwärmt sich unter der Einwirkung schneller Elektronen, die aus dem Gasspalt auf sie einfallen, stärker und kann sogar schmelzen, und auf ihrer Oberfläche bildet sich eine Vertiefung - ein Krater - der hellste Ort des Lichtbogens. Lichtbogen wurde erstmals 1802 empfangen. Der russische Physiker V. Petrov (1761–1834), der zwei Kohlestücke als Elektroden verwendete. Heiße Kohlenstoffelektroden gaben ein blendendes Leuchten ab, und zwischen ihnen erschien eine helle Säule aus leuchtendem Gas - ein Lichtbogen. Als Quelle wird eine Bogenentladung verwendet helles Licht in Suchscheinwerfern, Projektionsanlagen sowie zum Schneiden und Schweißen von Metallen. Es findet eine Bogenentladung mit Kaltkathode statt. Elektronen erscheinen aufgrund von Feldemission von der Kathode, die Gastemperatur ist niedrig. Die Ionisation von Molekülen erfolgt durch Elektronenstöße. Zwischen Kathode und Anode entsteht ein Gasentladungsplasma.

Funkenentladung tritt zwischen zwei Elektroden bei einer hohen elektrischen Feldstärke zwischen ihnen auf . Zwischen den Elektroden springt ein Funke über, der die Form eines hell leuchtenden Kanals hat und beide Elektroden verbindet. Das Gas in der Nähe des Funkens wird auf eine hohe Temperatur erhitzt, es tritt ein Druckunterschied auf, der zum Auftreten von führt Schallwellen charakteristischer Riss.

Dem Auftreten eines Funkens geht die Bildung von Elektronenlawinen im Gas voraus. Der Vorfahr jeder Lawine ist ein Elektron, das in einem starken elektrischen Feld beschleunigt und die Ionisation von Molekülen erzeugt. Die resultierenden Elektronen wiederum beschleunigen und erzeugen die nächste Ionisation, es kommt zu einer Lawinenzunahme der Elektronenzahl - Lawine.

Die dabei entstehenden positiven Ionen spielen keine nennenswerte Rolle, weil sie sind unbeweglich. Elektronenlawinen schneiden sich und bilden einen leitenden Kanal Streamer, entlang der Elektronen von der Kathode zur Anode eilen - es gibt abbauen.

Ein Blitz ist ein Beispiel für eine starke Funkenentladung. Verschiedene Teile einer Gewitterwolke tragen Ladungen mit unterschiedlichen Vorzeichen ("-" ist der Erde zugewandt). Wenn sich also die Wolken mit entgegengesetzt geladenen Teilen annähern, kommt es zwischen ihnen zu einem Funkendurchbruch. Die Potentialdifferenz zwischen der geladenen Wolke und der Erde beträgt ~10 8 V.

Funkenentladung wird zum Auslösen von Explosionen und Verbrennungsprozessen (Kerzen in Verbrennungsmotoren), zum Erfassen geladener Teilchen in Funkenzählern, zum Behandeln von Metalloberflächen usw. verwendet.

Corona (koronare) Entladung tritt zwischen Elektroden mit unterschiedlicher Krümmung auf (eine der Elektroden ist ein dünner Draht oder eine Spitze). Bei einer Koronaentladung erfolgt die Ionisierung und Anregung von Molekülen nicht im gesamten Zwischenelektrodenraum, sondern in der Nähe der Spitze, wo die Intensität hoch ist und übertrifft E abbauen. In diesem Teil glüht das Gas, das Glühen hat die Form einer Korona, die die Elektrode umgibt.

Plasma und seine Eigenschaften

Plasma wird als stark ionisiertes Gas bezeichnet, in dem die Konzentration positiver und negativer Ladungen nahezu gleich ist. Unterscheiden Hochtemperaturplasma , die bei ultrahohen Temperaturen auftritt, und Gasentladungsplasma durch Gasentladung entstehen.

Plasma hat folgende Eigenschaften:

Hochgradig Ionisation, in der Grenze - vollständige Ionisation (alle Elektronen werden von den Kernen getrennt);

Die Konzentration positiver und negativer Teilchen im Plasma ist praktisch gleich;

hohe elektrische Leitfähigkeit;

glühen;

Starke Wechselwirkung mit elektrischen und Magnetfelder;

Schwingungen von Elektronen im Plasma mit hoher Frequenz (>10 8 Hz), die eine allgemeine Schwingung des Plasmas verursachen;

Gleichzeitige Wechselwirkung einer großen Anzahl von Teilchen.

Ein elektrischer Strom ist ein Fluss, der durch die geordnete Bewegung elektrisch geladener Teilchen verursacht wird. Die Bewegung von Ladungen wird als Richtung des elektrischen Stroms angenommen. Elektrischer Strom kann kurzfristig oder langfristig sein.

Das Konzept des elektrischen Stroms

Während einer Blitzentladung kann ein elektrischer Strom auftreten, der als kurzzeitig bezeichnet wird. Und um den Strom lange aufrechtzuerhalten, braucht es ein elektrisches Feld und freie elektrische Ladungsträger.

Ein elektrisches Feld entsteht durch unterschiedlich geladene Körper. Die Stromstärke ist das Verhältnis der in einem Zeitintervall durch den Querschnitt des Leiters übertragenen Ladung zu diesem Zeitintervall. Sie wird in Ampere gemessen.

Reis. 1. Aktuelle Formel

Elektrischer Strom in Gasen

Gasmoleküle leiten unter normalen Bedingungen keinen Strom. Sie sind Isolatoren (Dielektrika). Allerdings, wenn Sie die Bedingungen ändern Umfeld, dann können Gase elektrische Leiter werden. Durch Ionisation (bei Erwärmung oder unter Einwirkung von radioaktive Strahlung) entsteht in Gasen ein elektrischer Strom, der oft durch den Begriff „elektrische Entladung“ ersetzt wird.

Selbsterhaltende und nicht selbsterhaltende Gasentladungen

Entladungen in Gas können selbsterhaltend und nicht selbsterhaltend sein. Der Strom beginnt zu existieren, wenn kostenlose Gebühren erscheinen. Nicht selbsterhaltende Entladungen existieren, solange eine äußere Kraft auf sie einwirkt, dh ein äußerer Ionisator. Das heißt, wenn der externe Ionisator nicht mehr funktioniert, stoppt der Strom.

Auch nach Abschaltung des externen Ionisators besteht eine selbstständige Entladung des elektrischen Stroms in Gasen. Unabhängige Entladungen in der Physik werden in Ruhe, Schwelen, Lichtbogen, Funken, Korona unterteilt.

• Ruhig - die schwächste der unabhängigen Entladungen. Die Stromstärke darin ist sehr gering (nicht mehr als 1 mA). Es wird nicht von Ton- oder Lichtphänomenen begleitet.
• Schwelen - Wenn Sie die Spannung in einer ruhigen Entladung erhöhen, geht es auf die nächste Stufe - zu einer Glimmentladung. In diesem Fall tritt ein Glühen auf, das von einer Rekombination begleitet wird. Rekombination - der umgekehrte Ionisationsprozess, das Aufeinandertreffen eines Elektrons und eines positiven Ions. Es wird in bakteriziden und Beleuchtungslampen verwendet.

Reis. 2. Glimmentladung

• Bogen - Die Stromstärke reicht von 10 A bis 100 A. In diesem Fall beträgt die Ionisation fast 100 %. Diese Art der Entladung tritt beispielsweise beim Betrieb einer Schweißmaschine auf.

Reis. 3. Bogenentladung

• funkelnd - kann als eine der Arten der Bogenentladung angesehen werden. Während einer solchen Entladung für sehr eine kurze Zeit eine bestimmte Menge Strom fließt.
• Koronaentladung – Die Ionisierung von Molekülen erfolgt in der Nähe von Elektroden mit kleinen Krümmungsradien. Diese Art der Aufladung tritt auf, wenn sich die elektrische Feldstärke dramatisch ändert.

Was haben wir gelernt?

Die Atome und Moleküle eines Gases sind für sich genommen neutral. Sie werden aufgeladen, wenn sie der Außenwelt ausgesetzt sind. Kurz gesagt, der elektrische Strom in Gasen ist eine gerichtete Bewegung von Teilchen (positive Ionen zur Kathode und negative Ionen zur Anode). Es ist auch wichtig, dass, wenn das Gas ionisiert wird, seine Leitfähigkeitseigenschaften verbessert werden.

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Gase bei nicht zu hohen Temperaturen und Drücken nahe dem Atmosphärendruck sind gute Isolatoren. Wenn Sie ein geladenes Elektrometer in trockene atmosphärische Luft stellen, bleibt seine Ladung lange Zeit unverändert. Dies erklärt sich dadurch, dass Gase unter Normalbedingungen aus neutralen Atomen und Molekülen bestehen und keine freien Ladungen (Elektronen und Ionen) enthalten. Ein Gas wird nur dann zu einem elektrischen Leiter, wenn einige seiner Moleküle ionisiert sind. Zur Ionisierung muss das Gas einer Art Ionisator ausgesetzt werden: zum Beispiel einer elektrischen Entladung, Röntgenstrahlen, Strahlung oder UV-Strahlung, einer Kerzenflamme usw. (im letzteren Fall wird die elektrische Leitfähigkeit des Gases durch Erwärmung verursacht).

Bei der Ionisierung von Gasen werden ein oder mehrere Elektronen aus der äußeren Elektronenhülle eines Atoms oder Moleküls herausgeschleudert, wodurch freie Elektronen und positive Ionen entstehen. Elektronen können sich an neutrale Moleküle und Atome anlagern und sie in negative Ionen umwandeln. Daher gibt es in einem ionisierten Gas positiv und negativ geladene Ionen und freie Elektronen. E elektrischer Strom in Gasen wird als Gasentladung bezeichnet. Somit wird der Strom in Gasen durch Ionen sowohl von Vorzeichen als auch von Elektronen erzeugt. Eine Gasentladung mit einem solchen Mechanismus wird von der Übertragung von Materie begleitet, d.h. ionisierte Gase sind Leiter der zweiten Art.

Um einem Molekül oder Atom ein Elektron abzureißen, muss eine bestimmte Arbeit A verrichtet werden und z. etwas Energie aufwenden. Diese Energie heißt Ionisationsenergie , deren Werte für Atome verschiedene Substanzen liegen innerhalb von 4–25 eV. Quantitativ wird der Ionisationsvorgang meist durch eine sogenannte Größe charakterisiert Ionisationspotential :

Gleichzeitig mit dem Prozess der Ionisierung in einem Gas gibt es immer einen umgekehrten Prozess - den Prozess der Rekombination: positive und negative Ionen oder positive Ionen und Elektronen, die sich treffen, rekombinieren miteinander, um neutrale Atome und Moleküle zu bilden. Je mehr Ionen unter der Wirkung des Ionisators entstehen, desto intensiver ist der Rekombinationsprozess.

Genau genommen ist die elektrische Leitfähigkeit eines Gases nie gleich Null, da es immer freie Ladungen enthält, die durch die Strahlungseinwirkung von auf der Erdoberfläche vorhandenen radioaktiven Stoffen sowie durch kosmische Strahlung entstehen. Die Ionisationsintensität unter Einwirkung dieser Faktoren ist gering. Diese geringe elektrische Leitfähigkeit der Luft ist die Ursache für das Abfließen von Ladungen elektrifizierter Körper, selbst wenn sie gut isoliert sind.

Die Art der Gasentladung wird durch die Zusammensetzung des Gases, seine Temperatur und seinen Druck, Abmessungen, Anordnung und Material der Elektroden sowie die angelegte Spannung und Stromdichte bestimmt.

Betrachten wir einen Kreislauf mit einem Gasspalt (Abb.), der der kontinuierlichen Einwirkung eines Ionisators mit konstanter Intensität ausgesetzt ist. Als Ergebnis der Wirkung des Ionisators erhält das Gas eine gewisse elektrische Leitfähigkeit und es fließt Strom im Stromkreis. Abbildung zeigt Strom-Spannungs-Kennlinien (Abhängigkeit des Stroms von der angelegten Spannung) für zwei Ionisatoren. Die Produktivität (die Anzahl der vom Ionisator in der Gaslücke in 1 Sekunde erzeugten Ionenpaare) des zweiten Ionisators ist größer als die des ersten. Wir nehmen an, dass die Leistung des Ionisators konstant und gleich n 0 ist. Bei einem nicht sehr niedrigen Druck werden fast alle abgespaltenen Elektronen von neutralen Molekülen eingefangen und bilden negativ geladene Ionen. Unter Berücksichtigung der Rekombination nehmen wir an, dass die Konzentrationen der Ionen beider Vorzeichen gleich und gleich n sind. Die mittleren Driftgeschwindigkeiten von Ionen unterschiedlichen Vorzeichens in einem elektrischen Feld sind unterschiedlich: , . b - und b + sind die Mobilität von Gasionen. Nun können wir für den Bereich I unter Berücksichtigung von (5) schreiben:

Wie zu sehen ist, steigt im Bereich I mit zunehmender Spannung der Strom an, da die Driftgeschwindigkeit zunimmt. Die Anzahl der Paare rekombinierender Ionen nimmt mit zunehmender Geschwindigkeit ab.

Bereich II – Sättigungsstrombereich – alle vom Ionisator erzeugten Ionen erreichen die Elektroden, ohne Zeit zur Rekombination zu haben. Sättigungsstromdichte

j n = q n 0 d, (28)

wobei d die Breite des Gasspalts ist (der Abstand zwischen den Elektroden). Wie aus (28) ersichtlich, ist der Sättigungsstrom ein Maß für die ionisierende Wirkung des Ionisators.

Bei einer Spannung größer als U p p (Bereich III) erreicht die Geschwindigkeit der Elektronen einen solchen Wert, dass sie beim Zusammenstoß mit neutralen Molekülen eine Stoßionisation verursachen können. Dadurch werden zusätzliche An 0 -Ionenpaare gebildet. Der Wert A wird als Gasverstärkungsfaktor bezeichnet . Im Bereich III hängt dieser Koeffizient nicht von n 0 ab, sondern von U. Also. die Ladung, die die Elektroden bei konstantem U erreicht, ist direkt proportional zur Leistung des Ionisators - n 0 und Spannung U. Aus diesem Grund wird der Bereich III als Proportionalbereich bezeichnet. U pr - Verhältnismäßigkeitsschwelle. Der Gasverstärkungsfaktor A hat Werte von 1 bis 10 4 .

Im Bereich IV, dem Bereich der Teilproportionalität, beginnt die Gasverstärkung von n 0 abzuhängen. Diese Abhängigkeit nimmt mit zunehmendem U zu. Der Strom steigt stark an.

Im Spannungsbereich 0 ÷ U g ist der Strom im Gas nur vorhanden, wenn der Ionisator in Betrieb ist. Wenn die Wirkung des Ionisators gestoppt wird, stoppt auch die Entladung. Entladungen, die nur unter der Wirkung externer Ionisatoren bestehen, werden als nicht selbsterhaltend bezeichnet.

Die Spannung Ug ist die Schwelle des Bereichs, des Geiger-Bereichs, der dem Zustand entspricht, in dem der Prozess im Gasspalt auch nach dem Abschalten des Ionisators nicht verschwindet, d. h. die Entlastung erhält den Charakter einer selbständigen Entlastung. Primärionen geben nur den Anstoß zum Auftreten einer Gasentladung. In dieser Region erlange ich bereits die Fähigkeit, massive Ionen beider Zeichen zu ionisieren. Die Größe des Stroms hängt nicht von n 0 ab.

Im Bereich VI ist die Spannung so hoch, dass die Entladung, wenn sie einmal aufgetreten ist, nicht mehr aufhört - der Bereich der Dauerentladung.