Табиғатта абсолютті диэлектриктер жоқ. Бөлшектердің реттелген қозғалысы - электр зарядының тасымалдаушылары - яғни ток кез келген ортада туындауы мүмкін, бірақ бұл ерекше жағдайларды талап етеді. Мұнда біз газдарда электрлік құбылыстардың қалай жүретінін және газды өте жақсы диэлектриктен өте жақсы өткізгішке қалай өзгертуге болатынын қарастырамыз. Бізді оның пайда болу жағдайлары, сондай-ақ газдардағы электр тогын сипаттайтын ерекшеліктер қызықтырады.
Газдардың электрлік қасиеттері
Диэлектрик - электр зарядының бос тасушылары - бөлшектердің концентрациясы ешқандай маңызды мәнге жетпейтін, нәтижесінде өткізгіштігі шамалы болатын зат (орта). Барлық газдар жақсы диэлектриктер. Олардың оқшаулағыш қасиеттері барлық жерде қолданылады. Мысалы, кез келген автоматты ажыратқышта тізбектің ашылуы контактілерді олардың арасында ауа саңылауы пайда болатындай күйге келтіргенде орын алады. Электр желілеріндегі сымдаролар бір-бірінен ауа қабатымен оқшауланған.
Кез келген газдың құрылымдық бірлігі – молекула. Ол атом ядролары мен электрон бұлттарынан тұрады, яғни кеңістікте қандай да бір жолмен таралған электр зарядтарының жиынтығы. Газ молекуласы құрылымының ерекшеліктеріне байланысты электрлік диполь болуы мүмкін немесе сыртқы электр өрісінің әсерінен поляризациялануы мүмкін. Газды құрайтын молекулалардың басым көпшілігі қалыпты жағдайда электрлік бейтарап болады, өйткені олардағы зарядтар бір-бірін жояды.
Егер газға электр өрісі қолданылса, молекулалар өрістің әсерін өтейтін кеңістіктік орынды алып, дипольдық бағдар алады. Кулондық күштердің әсерінен газда болатын зарядталған бөлшектер қозғала бастайды: оң иондар - катод бағытында, теріс иондар мен электрондар - анодқа қарай. Алайда, егер өрістің потенциалы жеткіліксіз болса, зарядтардың бір бағытталған ағыны пайда болмайды және бөлек токтар туралы айтуға болады, сондықтан оларды елемеуге болады. Газ диэлектрик сияқты әрекет етеді.
Осылайша, газдарда электр тогының пайда болуы үшін бос заряд тасымалдаушылардың үлкен концентрациясы және өрістің болуы қажет.
Ионизация
Газдағы бос зарядтар санының көшкін тәрізді ұлғаю процесі иондану деп аталады. Тиісінше, зарядталған бөлшектердің айтарлықтай мөлшері бар газ иондалған деп аталады. Дәл осындай газдарда электр тогы пайда болады.
Иондалу процесі молекулалардың бейтараптылығының бұзылуымен байланысты. Электронның ажырауы нәтижесінде оң иондар пайда болады, электронның молекулаға қосылуы теріс ионның түзілуіне әкеледі. Сонымен қатар, иондалған газда көптеген бос электрондар бар. Оң иондар және әсіресе электрондар газдардағы электр тогының негізгі заряд тасымалдаушылары болып табылады.
Иондану бөлшекке белгілі бір энергия мөлшері берілгенде жүреді. Осылайша, молекула құрамындағы сыртқы электрон осы энергияны алып, молекуладан шыға алады. Зарядталған бөлшектердің бейтарап бөлшектермен өзара соқтығысуы жаңа электрондардың сөндірілуіне әкеледі және процесс көшкін тәрізді сипат алады. Бөлшектердің кинетикалық энергиясы да артады, бұл иондануға үлкен ықпал етеді.
Газдардағы электр тогын қоздыру үшін жұмсалатын энергия қайдан алынады? Газдардың иондалуы бірнеше энергия көздеріне ие, соған сәйкес оның түрлерін атау әдетке айналған.
- Электр өрісі арқылы иондау. Бұл жағдайда өрістің потенциалдық энергиясы бөлшектердің кинетикалық энергиясына айналады.
- Термоиондау. Температураның жоғарылауы тегін зарядтардың көп санының пайда болуына да әкеледі.
- Фотоионизация. Бұл процестің мәні электрондар жеткілікті жоғары жиілікке (ультракүлгін, рентген, гамма кванттар) ие болса, электромагниттік сәулелену кванттары – фотондар арқылы энергиямен қамтамасыз етіледі.
- Соққы ионизациясы соқтығысушы бөлшектердің кинетикалық энергиясының электрондардың бөліну энергиясына айналуының нәтижесі. Біргетермиялық иондау, ол электр тогының газдарында негізгі қоздыру факторы ретінде қызмет етеді.
Әрбір газ белгілі бір шекті мәнмен сипатталады – электронның потенциалдық кедергіні жеңіп, молекуладан бөлініп шығуы үшін қажет иондану энергиясы. Бірінші электрон үшін бұл мән бірнеше вольттан екі он вольтқа дейін ауытқиды; келесі электронды молекуладан шығару үшін көбірек энергия қажет және т.б.
Газда ионданумен бір мезгілде кері процесс – рекомбинация, яғни кулондық тартылыс күштерінің әсерінен бейтарап молекулалардың қалпына келуі жүретінін ескеру қажет.
Газ разряды және оның түрлері
Сонымен, газдардағы электр тогы зарядталған бөлшектердің оларға әсер ететін электр өрісінің әсерінен реттелген қозғалысына байланысты. Мұндай зарядтардың болуы, өз кезегінде, әртүрлі иондану факторларының арқасында мүмкін болады.
Сонымен, термиялық иондау айтарлықтай температураны қажет етеді, бірақ кейбір химиялық процестерге байланысты ашық жалын иондануға ықпал етеді. Жалын болған кезде салыстырмалы түрде төмен температураның өзінде газдардағы электр тогының пайда болуы тіркеледі және газ өткізгіштігімен тәжірибе мұны тексеруді жеңілдетеді. Зарядталған конденсатордың пластиналарының арасына оттық немесе шамның жалын қою керек. Конденсатордағы ауа саңылауына байланысты бұрын ашылған тізбек жабылады. Тізбекке қосылған гальванометр ток барын көрсетеді.
Газдардағы электр тогы газ разряды деп аталады. Соны ескеру керекразрядтың тұрақтылығын сақтау үшін ионизатордың әрекеті тұрақты болуы керек, өйткені тұрақты рекомбинацияға байланысты газ өзінің электр өткізгіштік қасиеттерін жоғалтады. Газдардағы электр тогының кейбір тасымалдаушылары – иондар – электродтарда бейтараптанады, басқалары – анодқа түсетін электрондар өріс көзінің «плюс» жағына бағытталған. Егер иондаушы фактор жұмысын тоқтатса, газ бірден қайтадан диэлектрикке айналады, ал ток тоқтайды. Сыртқы ионизатордың әрекетіне тәуелді мұндай ток өздігінен жүрмейтін разряд деп аталады.
Газдар арқылы электр тогының өту ерекшеліктері ток күшінің кернеуге – ток-кернеу сипаттамасына ерекше тәуелділігімен сипатталады.
Ток кернеуіне тәуелділік графигі бойынша газ разрядының дамуын қарастырайық. Кернеу U1 белгілі бір мәнге көтерілгенде ток соған пропорционалды өседі, яғни Ом заңы орындалады. Кинетикалық энергия, демек, газдағы зарядтардың жылдамдығы артады және бұл процесс рекомбинациядан алда болады. U1 бастап U2 дейінгі кернеу мәндерінде бұл қатынас бұзылады; U2 жеткенде, барлық заряд тасымалдаушылар қайта біріктіруге уақыт болмай электродтарға жетеді. Барлық бос зарядтар қатысады, ал кернеудің одан әрі жоғарылауы токтың ұлғаюына әкелмейді. Зарядтар қозғалысының мұндай сипаты қанығу тогы деп аталады. Сонымен, газдардағы электр тогы да иондалған газдың әртүрлі күштіліктегі электр өрістеріндегі әрекетінің ерекшеліктеріне байланысты деп айта аламыз.
Электродтар арасындағы потенциалдар айырмасы белгілі бір мәнге жеткенде U3, кернеу электр өрісі көшкін тәрізді газ ионизациясын тудыруы үшін жеткілікті болады. Бос электрондардың кинетикалық энергиясы молекулалардың иондалуы үшін жеткілікті. Сонымен қатар, олардың газдардың көпшілігінде жылдамдығы шамамен 2000 км/с және одан жоғары (ол v=600 Ui шамамен формуласымен есептеледі, мұндағы Ui – иондану потенциалы). Осы сәтте газдың бұзылуы орын алады және ішкі ионизация көзінің әсерінен токтың айтарлықтай өсуі орын алады. Сондықтан мұндай разряд тәуелсіз деп аталады.
Бұл жағдайда сыртқы ионизатордың болуы бұдан былай газдардағы электр тогының сақталуында рөл атқармайды. Әртүрлі жағдайларда және электр өрісінің көзінің әртүрлі сипаттамалары бар өздігінен жүретін разряд белгілі бір ерекшеліктерге ие болуы мүмкін. Өздігінен разрядтың жарқырау, ұшқын, доға және тәж сияқты түрлері бар. Осы түрлердің әрқайсысы үшін қысқаша электр тогының газдардағы әрекетін қарастырамыз.
Жарқыраған разряд
Сиректелген газда тәуелсіз разрядты бастау үшін 100-ден (тіпті одан да аз) 1000 вольтқа дейінгі потенциалдар айырмашылығы жеткілікті. Демек, төмен ток күшімен (10-5 А-дан 1 А-ға дейін) сипатталатын жарқырау разряды сынаптың бірнеше миллиметрінен аспайтын қысымда пайда болады.
Сиректелген газ және суық электродтары бар түтікте пайда болатын жарқыл разряды электродтар арасындағы жұқа жарық сымына ұқсайды. Егер сіз түтіктен газды айдауды жалғастырсаңыз, сіз бақылайсызсымның бұлыңғырлануы және сынаптың миллиметрдің оннан бір бөлігінің қысымында жарқырау түтікшені толығымен дерлік толтырады. Жарқырау катодтың жанында жоқ - қараңғы катод кеңістігінде. Қалғаны оң баған деп аталады. Бұл жағдайда разрядтың болуын қамтамасыз ететін негізгі процестер дәл қараңғы катод кеңістігінде және оған іргелес аймақта локализацияланады. Мұнда зарядталған газ бөлшектері үдеумен электрондарды катодтан шығарады.
Жарқырау разрядында ионданудың себебі катодтан электронның эмиссиясы болып табылады. Катод шығаратын электрондар газ молекулаларының соққы ионизациясын тудырады, пайда болған оң иондар катодтан екінші реттік эмиссияны тудырады және т.б. Оң бағанның жарқырауы негізінен қоздырылған газ молекулаларының фотондардың кері айналуымен байланысты, ал әртүрлі газдар белгілі бір түстің жарқырауымен сипатталады. Оң баған электр тізбегінің бір бөлігі ретінде ғана жарқырау разрядын қалыптастыруға қатысады. Егер сіз электродтарды бір-біріне жақындатсаңыз, сіз оң бағанның жоғалуына қол жеткізе аласыз, бірақ разряд тоқтамайды. Дегенмен, электродтар арасындағы қашықтықты одан әрі қысқартқанда, жарқырау разряды болмайды.
Газдардағы электр тогының бұл түрі үшін кейбір процестердің физикасы әлі толық анықталмағанын атап өткен жөн. Мысалы, разрядқа қатысатын аймақтың катод бетінде кеңеюді тудыратын күштердің табиғаты түсініксіз болып қалады.
Ұшқын разряды
Ұшқынбұзылу импульсивті сипатқа ие. Ол қалыпты атмосфераға жақын қысымда, электр өрісі көзінің қуаты стационарлық разрядты ұстап тұру үшін жеткіліксіз болған жағдайларда пайда болады. Бұл жағдайда өрістің кернеулігі жоғары және 3 МВ/м жетуі мүмкін. Бұл құбылыс газдағы разрядтық электр тогының күрт өсуімен сипатталады, бұл кезде кернеу өте тез төмендейді және разряд тоқтайды. Содан кейін потенциалдар айырмасы қайтадан артады және бүкіл процесс қайталанады.
Разрядтың бұл түрімен қысқа мерзімді ұшқын арналары қалыптасады, олардың өсуі электродтар арасындағы кез келген нүктеден басталуы мүмкін. Бұл қазіргі уақытта иондардың ең көп саны шоғырланған жерлерде соққы иондануы кездейсоқ болатындығына байланысты. Ұшқын арнасының жанында газ тез қызады және термиялық кеңеюге ұшырайды, бұл акустикалық толқындарды тудырады. Демек, ұшқын разряды сықырлаумен, сондай-ақ жылу мен жарқын жарқыраумен бірге жүреді. Көшкіннің иондану процестері ұшқын арнасында 10 мың градусқа дейін және одан да жоғары қысым мен температураны тудырады.
Табиғи ұшқын разрядының ең айқын мысалы - найзағай. Негізгі найзағай ұшқыны арнасының диаметрі бірнеше сантиметрден 4 м-ге дейін, ал арна ұзындығы 10 км-ге жетуі мүмкін. Ток күші 500 мың амперге жетеді, ал найзағай мен жер беті арасындағы потенциалдар айырымы миллиард вольтқа жетеді.
Ең ұзын 321 км найзағай 2007 жылы АҚШ-тың Оклахома штатында байқалған. Ұзақтығы бойынша рекордшы найзағай болды2012 жылы француз Альпі тауларында - 7,7 секундтан астам уақытқа созылды. Найзағай соққанда ауа 30 мың градусқа дейін қызуы мүмкін, бұл Күннің көрінетін бетінің температурасынан 6 есе жоғары.
Электр өрісі көзінің қуаты жеткілікті үлкен болған жағдайда ұшқын разряды доғаға айналады.
Доғалық разряд
Өздігінен разрядтың бұл түрі жоғары ток тығыздығымен және төмен (жарқырау разрядынан аз) кернеумен сипатталады. Электродтардың жақын орналасуына байланысты бұзылу қашықтығы аз. Разряд катод бетінен электронның эмиссиясымен басталады (металл атомдары үшін иондану потенциалы газ молекулаларымен салыстырғанда аз). Электродтар арасындағы үзіліс кезінде газ электр тогын өткізетін жағдайлар жасалады және тізбекті жабатын ұшқын разряды пайда болады. Кернеу көзінің қуаты жеткілікті үлкен болса, ұшқын разрядтары тұрақты электр доғасына айналады.
Доға разряды кезінде иондану 100% дерлік жетеді, ток күші өте жоғары және 10-нан 100 амперге дейін болуы мүмкін. Атмосфералық қысымда доға 5-6 мың градусқа дейін, ал катодты - 3 мың градусқа дейін қызуы мүмкін, бұл оның бетінен қарқынды термиондық эмиссияға әкеледі. Анодты электрондармен бомбалау ішінара жойылуға әкеледі: оның үстінде ойық пайда болады - шамамен 4000 ° C температурасы бар кратер. Қысымның жоғарылауы температураның одан да жоғары көтерілуіне әкеледі.
Электродтарды таратқанда доғаның разряды белгілі бір қашықтыққа дейін тұрақты болып қалады,ол онымен туындаған контактілердің тоттануынан және күйіп қалуынан зиянды болатын электр жабдығының аймақтарында онымен күресуге мүмкіндік береді. Бұл жоғары вольтты және автоматты ажыратқыштар, контакторлар және басқалар сияқты құрылғылар. Контактілерді ашу кезінде пайда болатын доғамен күресу әдістерінің бірі доғаның ұзарту принципіне негізделген доғалық шұңқырларды пайдалану болып табылады. Көптеген басқа әдістер де қолданылады: контактілерді біріктіру, иондану потенциалы жоғары материалдарды пайдалану және т.б.
Корона разряды
Тәж разрядының дамуы қалыпты атмосфералық қысымда бетінің үлкен қисықтығы бар электродтардың жанындағы күрт біртекті емес өрістерде жүреді. Бұл шпалдар, діңгектер, сымдар, күрделі пішіні бар электр жабдықтарының әртүрлі элементтері, тіпті адамның шаштары болуы мүмкін. Мұндай электрод тәждік электрод деп аталады. Иондану процестері және тиісінше газдың жарқырауы тек оның жанында жүреді.
Тәж иондармен бомбаланғанда катодта да (теріс тәж) де, фотоионизация нәтижесінде анодта да (оң) түзілуі мүмкін. Термиялық эмиссия нәтижесінде иондану процесі электродтан басқа жаққа бағытталған теріс тәж біркелкі жарқылмен сипатталады. Оң тәжде ағындарды байқауға болады - ұшқын арналарына айналуы мүмкін сынған конфигурацияның жарқыраған сызықтары.
Табиғи жағдайда тәж разрядының мысалы ретінде биік діңгектердің ұштарында, ағаштардың төбесінде және т.б. пайда болатын Әулие Эльмо өрттері жатады. Олар электр тоғының жоғары кернеуінде қалыптасадыатмосферадағы өрістер, көбінесе найзағай алдында немесе қарлы боран кезінде. Бұған қоса, олар жанартау күлінің бұлтына түскен ұшақтардың терісіне бекітілді.
Электр желілерінің сымдарындағы корона разряды электр энергиясының айтарлықтай жоғалуына әкеледі. Жоғары кернеу кезінде тәж разряды доғаға айналуы мүмкін. Онымен әртүрлі тәсілдермен күреседі, мысалы, өткізгіштердің қисықтық радиусын арттыру арқылы.
Газдардағы және плазмадағы электр тогы
Толық немесе жартылай иондалған газ плазма деп аталады және заттың төртінші күйі болып саналады. Жалпы алғанда, плазма электрлік бейтарап, өйткені оны құрайтын бөлшектердің жалпы заряды нөлге тең. Бұл оны электронды сәулелер сияқты зарядталған бөлшектердің басқа жүйелерінен ерекшелендіреді.
Табиғи жағдайда плазма, әдетте, жоғары температурада газ атомдарының жоғары жылдамдықпен соқтығысуы нәтижесінде түзіледі. Әлемдегі бариондық заттардың басым көпшілігі плазма күйінде. Бұл жұлдыздар, жұлдызаралық материяның бөлігі, галактика аралық газ. Жердің ионосферасы да сирек кездесетін, әлсіз иондалған плазма.
Иондану дәрежесі плазманың маңызды сипаттамасы болып табылады - оның өткізгіштік қасиеттері соған байланысты. Иондалу дәрежесі иондалған атомдар санының көлем бірлігіндегі атомдардың жалпы санына қатынасы ретінде анықталады. Плазма неғұрлым иондалған болса, оның электр өткізгіштігі соғұрлым жоғары болады. Оған қоса, ол жоғары ұтқырлықпен ерекшеленеді.
Сондықтан біз электр тогын өткізетін газдардың ішінде екенін көремізразрядтық арналар плазмадан басқа ештеңе емес. Осылайша, жарқырау және тәж разрядтары суық плазманың мысалдары болып табылады; найзағайдың ұшқын арнасы немесе электр доғасы ыстық, толығымен дерлік иондалған плазманың мысалдары болып табылады.
Металдардағы, сұйықтардағы және газдардағы электр тогы - айырмашылықтары мен ұқсастықтары
Басқа орталардағы ток қасиеттерімен салыстырғанда газ разрядын сипаттайтын ерекшеліктерді қарастырайық.
Металдарда ток – химиялық өзгерістерге әкелмейтін бос электрондардың бағытталған қозғалысы. Бұл түрдегі өткізгіштерді бірінші текті өткізгіштер деп атайды; оларға металдар мен қорытпалардан басқа көмір, кейбір тұздар мен оксидтер жатады. Олар электронды өткізгіштігімен ерекшеленеді.
Екінші текті өткізгіштерге электролиттер, яғни сілтілердің, қышқылдардың және тұздардың сұйық сулы ерітінділері жатады. Токтың өтуі электролиттің химиялық өзгерісімен – электролизбен байланысты. Суда еріген заттың иондары потенциалдар айырмасының әсерінен қарама-қарсы бағытта қозғалады: оң катиондар – катодқа, теріс аниондар – анодқа. Процесс газдың бөлінуімен немесе катодта металл қабатының тұндыруымен бірге жүреді. Екінші түрдегі өткізгіштерге иондық өткізгіштік тән.
Газдардың өткізгіштігіне келетін болсақ, ол біріншіден, уақытша, екіншіден, олардың әрқайсысымен ұқсастық пен айырмашылық белгілері бар. Сонымен, электролиттердегі де, газдардағы да электр тогы қарама-қарсы электродтарға бағытталған қарама-қарсы зарядталған бөлшектердің дрейфі болып табылады. Дегенмен, электролиттер тек иондық өткізгіштікпен сипатталады, ал комбинациясы бар газ разрядындаөткізгіштіктің электрондық және иондық түрлері, жетекші рөл электрондарға тиесілі. Сұйықтар мен газдардағы электр тогының тағы бір айырмашылығы иондану сипатында. Электролитте еріген қосылыстың молекулалары суда диссоциацияланады, бірақ газда молекулалар ыдырамайды, тек электрондарын жоғалтады. Сондықтан газ разряды металдардағы ток сияқты химиялық өзгерістермен байланысты емес.
Сұйықтар мен газдардағы электр тогының физикасы да бірдей емес. Жалпы электролиттердің өткізгіштігі Ом заңына бағынады, бірақ газ разряды кезінде ол байқалмайды. Газдардың вольт-амперлік сипаттамасы плазманың қасиеттерімен байланысты анағұрлым күрделі сипатқа ие.
Газдардағы және вакуумдағы электр тогының жалпы және ерекше белгілерін айта кеткен жөн. Вакуум дерлік тамаша диэлектрик. «Дерлік» - өйткені вакуумда бос заряд тасымалдаушылардың жоқтығына (дәлірек айтқанда, өте төмен концентрацияға) қарамастан, ток та мүмкін. Бірақ әлеуетті тасымалдаушылар газда қазірдің өзінде бар, олар тек иондалу керек. Зарядтағыштар заттан вакуумға әкелінеді. Әдетте, бұл электронды эмиссия процесінде, мысалы, катодты қыздырғанда (термиондық эмиссия) орын алады. Бірақ, біз көргеніміздей, шығарындылар әртүрлі газ разрядтарында да маңызды рөл атқарады.
Технологияда газ разрядтарын пайдалану
Кейбір разрядтардың зиянды әсерлері жоғарыда қысқаша талқыланды. Енді олардың өнеркәсіпте және күнделікті өмірде әкелетін пайдасына назар аударайық.
Жарқырау разряды электротехникада қолданылады(кернеу тұрақтандырғыштары), жабын технологиясында (катодты коррозия құбылысына негізделген катодты шашырату әдісі). Электроникада ол иондық және электронды сәулелерді алу үшін қолданылады. Жарқырау разрядтарын қолданудың танымал саласы - флуоресцентті және үнемді деп аталатын шамдар мен сәндік неон және аргон разрядты түтіктер. Сонымен қатар, жарқырау разрядтары газ лазерлерінде және спектроскопияда қолданылады.
Ұшқын разряды сақтандырғыштарда, металды дәл өңдеудің электроэрозиялық әдістерінде (ұшқынмен кесу, бұрғылау және т.б.) қолданылады. Бірақ ол іштен жанатын қозғалтқыштардың ұшқын шамдарында және тұрмыстық құрылғыларда (газ плиталарында) қолданылуымен танымал.
Доғалық разряд 1876 жылы жарықтандыру технологиясында алғаш рет қолданылған (Яблочковтың шамы - «Орыс жарығы») әлі күнге дейін жарық көзі ретінде қызмет етеді - мысалы, проекторлар мен қуатты прожекторларда. Электротехникада доға сынап түзеткіштерде қолданылады. Сонымен қатар, ол электр дәнекерлеуде, металл кесуде, болат пен қорытпаларды балқытуға арналған өнеркәсіптік электр пештерінде қолданылады.
Корона разряды ионды газды тазалауға арналған электростатикалық сүзгілерде, элементар бөлшектерді есептегіштерде, найзағайларда, ауаны баптау жүйелерінде қолданылады. Корона разряды сонымен қатар көшіру машиналары мен лазерлік принтерлерде жұмыс істейді, онда ол фотосезімтал барабанды зарядтап, разрядтайды және ұнтақты барабаннан қағазға тасымалдайды.
Осылайша, барлық түрдегі газ разрядтары ең көп болып табыладыкең қолдану. Газдардағы электр тогы технологияның көптеген салаларында сәтті және тиімді қолданылады.
