V přírodě neexistují žádná absolutní dielektrika. Uspořádaný pohyb částic – nositelů elektrického náboje – tedy proudu, lze vyvolat v jakémkoli prostředí, ale vyžaduje to speciální podmínky. Budeme se zde zabývat tím, jak probíhají elektrické jevy v plynech a jak lze plyn změnit z velmi dobrého dielektrika na velmi dobrý vodič. Bude nás zajímat, za jakých podmínek vzniká a jaké vlastnosti charakterizují elektrický proud v plynech.
Elektrické vlastnosti plynů
Dielektrikum je látka (médium), ve které koncentrace částic - volných nosičů elektrického náboje - nedosahuje významné hodnoty, v důsledku čehož je vodivost zanedbatelná. Všechny plyny jsou dobrými dielektriky. Jejich izolační vlastnosti se využívají všude. Například v jakémkoli jističi dojde k otevření obvodu, když jsou kontakty uvedeny do takové polohy, že se mezi nimi vytvoří vzduchová mezera. Dráty v elektrickém vedeníjsou také navzájem izolovány vzduchovou vrstvou.
Strukturální jednotkou každého plynu je molekula. Skládá se z atomových jader a elektronových oblaků, to znamená, že je to soubor elektrických nábojů rozložených nějakým způsobem v prostoru. Molekula plynu může být vzhledem ke zvláštnostem své struktury elektrickým dipólem nebo může být polarizována působením vnějšího elektrického pole. Naprostá většina molekul, které tvoří plyn, je za normálních podmínek elektricky neutrální, protože náboje v nich se navzájem ruší.
Pokud je na plyn aplikováno elektrické pole, molekuly zaujmou dipólovou orientaci a zaujmou prostorovou polohu, která kompenzuje účinek pole. Nabité částice přítomné v plynu pod vlivem Coulombových sil se začnou pohybovat: kladné ionty - ve směru katody, záporné ionty a elektrony - směrem k anodě. Má-li však pole nedostatečný potenciál, nevzniká jediný usměrněný tok nábojů a lze spíše hovořit o samostatných proudech, tak slabých, že je třeba je zanedbat. Plyn se chová jako dielektrikum.
Pro výskyt elektrického proudu v plynech je tedy nutná velká koncentrace volných nosičů náboje a přítomnost pole.
Ionizace
Proces lavinovitého nárůstu počtu volných nábojů v plynu se nazývá ionizace. Podle toho se plyn, ve kterém je značné množství nabitých částic, nazývá ionizovaný. Právě v takových plynech vzniká elektrický proud.
Proces ionizace je spojen s porušením neutrality molekul. V důsledku oddělení elektronu se objevují kladné ionty, připojení elektronu k molekule vede ke vzniku záporného iontu. Kromě toho je v ionizovaném plynu mnoho volných elektronů. Kladné ionty a zejména elektrony jsou hlavními nosiči náboje pro elektrický proud v plynech.
Ionizace nastává, když je částici předáno určité množství energie. Externí elektron ve složení molekuly tedy může po přijetí této energie molekulu opustit. Vzájemné srážky nabitých částic s neutrálními vedou k vyřazení nových elektronů a proces nabývá lavinového charakteru. Zvyšuje se také kinetická energie částic, což značně podporuje ionizaci.
Odkud se bere energie použitá k buzení elektrického proudu v plynech? Ionizace plynů má několik zdrojů energie, podle kterých je zvykem pojmenovávat její typy.
- Ionizace elektrickým polem. V tomto případě se potenciální energie pole přemění na kinetickou energii částic.
- Termoionizace. Zvýšení teploty také vede k vytvoření velkého počtu bezplatných nábojů.
- Fotoionizace. Podstatou tohoto procesu je, že elektrony jsou zásobovány energií kvanty elektromagnetického záření - fotony, pokud mají dostatečně vysokou frekvenci (ultrafialové, rentgenové, gama kvanta).
- Ionizace nárazem je výsledkem přeměny kinetické energie srážejících se částic na energii separace elektronů. Jakož itepelná ionizace, slouží jako hlavní excitační faktor v plynech elektrického proudu.
Každý plyn je charakterizován určitou prahovou hodnotou – ionizační energií, kterou elektron potřebuje k tomu, aby se oddělil od molekuly a překonal potenciální bariéru. Tato hodnota pro první elektron se pohybuje od několika voltů do dvou desítek voltů; více energie je potřeba k odstranění dalšího elektronu z molekuly a tak dále.
Je třeba vzít v úvahu, že současně s ionizací v plynu dochází k opačnému procesu - rekombinaci, tedy obnově neutrálních molekul působením Coulombových přitažlivých sil.
Vypouštění plynu a jeho typy
Elektrický proud v plynech je tedy způsoben uspořádaným pohybem nabitých částic působením elektrického pole, které na ně působí. Přítomnost takových nábojů je zase možná díky různým ionizačním faktorům.
Tepelná ionizace tedy vyžaduje značné teploty, ale otevřený plamen v důsledku některých chemických procesů k ionizaci přispívá. Dokonce i při relativně nízké teplotě v přítomnosti plamene se zaznamenává výskyt elektrického proudu v plynech a experiment s vodivostí plynu to umožňuje snadno ověřit. Mezi desky nabitého kondenzátoru je nutné umístit plamen hořáku nebo svíčky. Obvod dříve otevřený kvůli vzduchové mezeře v kondenzátoru se uzavře. Galvanometr připojený k obvodu bude ukazovat přítomnost proudu.
Elektrický proud v plynech se nazývá výboj plynu. To je třeba mít na pamětipro udržení stability výboje musí být působení ionizátoru konstantní, protože v důsledku neustálé rekombinace ztrácí plyn své elektricky vodivé vlastnosti. Některé nositele elektrického proudu v plynech – ionty – jsou neutralizovány na elektrodách, jiné – elektrony – dopadající na anodu, směřují do „plus“zdroje pole. Pokud ionizační faktor přestane fungovat, plyn se okamžitě stane opět dielektrikem a proud přestane. Takový proud, závislý na působení externího ionizátoru, se nazývá nesamostatný výboj.
Vlastnosti průchodu elektrického proudu plyny jsou popsány speciální závislostí síly proudu na napětí - charakteristika proud-napětí.
Uvažujme vývoj výboje plynu na grafu závislosti proudu na napětí. Když napětí stoupne na určitou hodnotu U1, proud roste úměrně tomu, to znamená, že je splněn Ohmův zákon. Zvyšuje se kinetická energie a tím i rychlost nábojů v plynu a tento proces předchází rekombinaci. Při hodnotách napětí od U1 do U2 je tento poměr porušen; když je dosaženo U2, všechny nosiče náboje se dostanou k elektrodám, aniž by měly čas na rekombinaci. Jsou zapojeny všechny bezplatné poplatky a další zvýšení napětí nevede ke zvýšení proudu. Tato povaha pohybu nábojů se nazývá saturační proud. Můžeme tedy říci, že elektrický proud v plynech je také způsoben zvláštnostmi chování ionizovaného plynu v elektrických polích různé síly.
Když potenciálový rozdíl mezi elektrodami dosáhne určité hodnoty U3, napětí se stane dostatečným, aby elektrické pole způsobilo lavinovitou ionizaci plynu. Kinetická energie volných elektronů již stačí k nárazové ionizaci molekul. Jejich rychlost je přitom ve většině plynů cca 2000 km/s a vyšší (počítá se přibližným vzorcem v=600 Ui, kde Ui je ionizační potenciál). V tomto okamžiku dochází k průrazu plynu a dochází k výraznému zvýšení proudu v důsledku vnitřního ionizačního zdroje. Proto se takový výboj nazývá nezávislý.
Přítomnost externího ionizátoru v tomto případě již nehraje roli při udržování elektrického proudu v plynech. Samostatný výboj za různých podmínek a s různými charakteristikami zdroje elektrického pole může mít určité vlastnosti. Existují takové typy samovybíjení jako záře, jiskra, oblouk a koróna. Podíváme se, jak se elektrický proud chová v plynech, krátce pro každý z těchto typů.
Žhavý výboj
Ve zředěném plynu je potenciální rozdíl od 100 (a ještě méně) do 1000 voltů dostatečný k zahájení nezávislého výboje. Proto dochází k doutnavému výboji, který se vyznačuje nízkou proudovou silou (od 10-5 A do 1 A), při tlacích nepřesahujících několik milimetrů rtuti.
V trubici se zředěným plynem a studenými elektrodami vypadá vznikající doutnavý výboj jako tenká svítící šňůra mezi elektrodami. Pokud budete pokračovat v čerpání plynu z trubice, budete pozorovatrozmazání šňůry a při tlacích desetin milimetrů rtuti záře vyplní trubici téměř úplně. V blízkosti katody – v tzv. tmavém katodovém prostoru – chybí záře. Zbytek se nazývá kladný sloupec. V tomto případě jsou hlavní procesy, které zajišťují existenci výboje, lokalizovány přesně v tmavém katodovém prostoru a v oblasti sousedící s ním. Zde se urychlují nabité částice plynu a vyrážejí elektrony z katody.
V doutnavém výboji je příčinou ionizace emise elektronů z katody. Elektrony emitované katodou produkují nárazovou ionizaci molekul plynu, vznikající kladné ionty způsobují sekundární emisi z katody a tak dále. Záře kladného sloupce je způsobena především zpětným rázem fotonů excitovanými molekulami plynu a různé plyny se vyznačují záři určité barvy. Kladný sloupec se podílí na vzniku doutnavého výboje pouze jako úsek elektrického obvodu. Pokud elektrody přiblížíte k sobě, můžete dosáhnout vymizení kladného sloupce, ale výboj se nezastaví. S dalším zmenšením vzdálenosti mezi elektrodami však doutnavý výboj nebude moci existovat.
Je třeba poznamenat, že pro tento typ elektrického proudu v plynech není fyzika některých procesů dosud plně objasněna. Například povaha sil, které způsobují expanzi na katodovém povrchu oblasti, která se účastní výboje, zůstává nejasná.
Jiskrový výboj
Jiskrazhroucení má impulzivní charakter. Dochází k němu při tlacích blízkých normálnímu atmosférickému, v případech, kdy výkon zdroje elektrického pole nestačí k udržení stacionárního výboje. V tomto případě je intenzita pole vysoká a může dosáhnout 3 MV/m. Jev je charakterizován prudkým nárůstem výbojového elektrického proudu v plynu, současně extrémně rychle klesá napětí a výboj se zastaví. Pak se potenciální rozdíl znovu zvýší a celý proces se opakuje.
U tohoto typu výboje se vytvářejí krátkodobé jiskrové kanály, jejichž růst může začít z jakéhokoli bodu mezi elektrodami. Je to dáno tím, že k nárazové ionizaci dochází náhodně v místech, kde je aktuálně koncentrováno největší množství iontů. V blízkosti jiskrového kanálu se plyn rychle zahřívá a podléhá tepelné expanzi, což způsobuje akustické vlny. Proto je jiskrový výboj doprovázen praskáním, uvolňováním tepla a jasnou září. Lavinové ionizační procesy generují v jiskrovém kanálu vysoké tlaky a teploty až 10 tisíc stupňů a více.
Nejjasnějším příkladem přirozeného jiskrového výboje je blesk. Průměr hlavního kanálu jiskry blesku se může pohybovat od několika centimetrů do 4 m a délka kanálu může dosáhnout 10 km. Velikost proudu dosahuje 500 tisíc ampér a potenciální rozdíl mezi bouřkovým mrakem a zemským povrchem dosahuje miliardy voltů.
Nejdelší 321 km dlouhý blesk byl pozorován v roce 2007 v Oklahomě v USA. Rekordmanem za dobu trvání byl blesk, nahranýv roce 2012 ve francouzských Alpách - trvala přes 7,7 sekundy. Při zásahu bleskem se vzduch může zahřát až na 30 tisíc stupňů, což je 6násobek teploty viditelného povrchu Slunce.
V případech, kdy je výkon zdroje elektrického pole dostatečně velký, se jiskrový výboj rozvine do oblouku.
Výboj oblouku
Tento typ samovybíjení se vyznačuje vysokou proudovou hustotou a nízkým (menším než doutnavý výboj) napětím. Průrazná vzdálenost je malá kvůli blízkosti elektrod. Výboj je iniciován emisí elektronu z povrchu katody (u atomů kovů je ionizační potenciál ve srovnání s molekulami plynu malý). Při průrazu mezi elektrodami se vytvoří podmínky, za kterých plyn vede elektrický proud a dojde k jiskrovému výboji, který uzavře obvod. Pokud je výkon zdroje napětí dostatečně velký, jiskrové výboje se změní ve stabilní elektrický oblouk.
Ionizace při obloukovém výboji dosahuje téměř 100 %, proudová síla je velmi vysoká a může být od 10 do 100 ampér. Při atmosférickém tlaku se oblouk může zahřát na 5–6 tisíc stupňů a katoda - až na 3 tisíce stupňů, což vede k intenzivní termionické emisi z jeho povrchu. Bombardování anody elektrony vede k částečné destrukci: vytvoří se na ní prohlubeň - kráter o teplotě asi 4000 °C. Zvýšení tlaku způsobí ještě větší nárůst teplot.
Při rozprostření elektrod zůstává obloukový výboj stabilní až do určité vzdálenosti,což vám umožňuje se s ním vypořádat v těch oblastech elektrických zařízení, kde je škodlivý kvůli korozi a vyhoření kontaktů, které způsobuje. Jedná se o zařízení jako jsou vysokonapěťové a automatické spínače, stykače a další. Jednou z metod boje proti oblouku, který vzniká při otevírání kontaktů, je použití zhášecích komor založených na principu prodloužení oblouku. Používá se také mnoho dalších metod: přemosťování kontaktů, použití materiálů s vysokým ionizačním potenciálem a tak dále.
Koronový výboj
K rozvoji koronového výboje dochází za normálního atmosférického tlaku v ostře nehomogenních polích v blízkosti elektrod s velkým zakřivením povrchu. Mohou to být věže, stožáry, dráty, různé prvky elektrického zařízení, které mají složitý tvar, a dokonce i lidské vlasy. Taková elektroda se nazývá korónová elektroda. Ionizační procesy a tedy i záře plynu probíhají pouze v jeho blízkosti.
Koróna se může vytvořit jak na katodě (negativní koróna) při bombardování ionty, tak na anodě (pozitivní) v důsledku fotoionizace. Negativní koróna, ve které je ionizační proces nasměrován pryč od elektrody v důsledku tepelné emise, se vyznačuje rovnoměrným svitem. V pozitivní koroně lze pozorovat streamery - světelné čáry přerušené konfigurace, které se mohou změnit v jiskrové kanály.
Příkladem koronového výboje v přírodních podmínkách jsou požáry St. Elmo, které se vyskytují na špičkách vysokých stožárů, v korunách stromů a tak dále. Vznikají při vysokém napětí elpole v atmosféře, často před bouřkou nebo během sněhové bouře. Navíc byly upevněny na kůži letadla, které spadlo do oblaku sopečného popela.
Koronový výboj na vodičích elektrického vedení vede ke značným ztrátám elektřiny. Při vysokém napětí se korónový výboj může změnit v oblouk. Bojuje se různými způsoby, například zvětšením poloměru zakřivení vodičů.
Elektrický proud v plynech a plazmě
Plně nebo částečně ionizovaný plyn se nazývá plazma a je považován za čtvrté skupenství hmoty. Celkově je plazma elektricky neutrální, protože celkový náboj jeho částic je nulový. To jej odlišuje od jiných systémů nabitých částic, jako jsou elektronové paprsky.
V přirozených podmínkách vzniká plazma zpravidla za vysokých teplot v důsledku srážky atomů plynu při vysokých rychlostech. Naprostá většina baryonové hmoty ve vesmíru je ve stavu plazmy. Jsou to hvězdy, součást mezihvězdné hmoty, mezigalaktický plyn. Ionosféra Země je také vzácná, slabě ionizovaná plazma.
Stupeň ionizace je důležitou charakteristikou plazmatu – závisí na něm jeho vodivé vlastnosti. Stupeň ionizace je definován jako poměr počtu ionizovaných atomů k celkovému počtu atomů na jednotku objemu. Čím je plazma ionizovanější, tím vyšší je jeho elektrická vodivost. Kromě toho se vyznačuje vysokou mobilitou.
Vidíme tedy, že plyny, které vedou elektřinu, jsou uvnitřvýbojové kanály nejsou nic jiného než plazma. Doutnavý a korónový výboj jsou tedy příklady studené plazmy; jiskrový kanál blesku nebo elektrický oblouk jsou příklady horké, téměř zcela ionizované plazmy.
Elektrický proud v kovech, kapalinách a plynech – rozdíly a podobnosti
Uvažujme vlastnosti, které charakterizují výboj plynu ve srovnání s vlastnostmi proudu v jiných médiích.
V kovech je proud řízený pohyb volných elektronů, který nezpůsobuje chemické změny. Vodiče tohoto typu se nazývají vodiče prvního druhu; mezi ně patří kromě kovů a slitin také uhlí, některé soli a oxidy. Vyznačují se elektronickou vodivostí.
Vodiče druhého druhu jsou elektrolyty, tedy kapalné vodné roztoky zásad, kyselin a solí. Průchod proudu je spojen s chemickou změnou elektrolytu – elektrolýzou. Ionty látky rozpuštěné ve vodě se působením rozdílu potenciálu pohybují v opačných směrech: kladné kationty - ke katodě, záporné anionty - k anodě. Proces je doprovázen vývojem plynu nebo usazováním kovové vrstvy na katodě. Vodiče druhého druhu se vyznačují iontovou vodivostí.
Pokud jde o vodivost plynů, je za prvé dočasná a za druhé má s každým z nich známky podobností a rozdílů. Elektrický proud v elektrolytech i plynech je tedy driftem opačně nabitých částic směřujících k opačným elektrodám. Zatímco však elektrolyty jsou charakterizovány čistě iontovou vodivostí, v plynovém výboji s kombinacíelektronické a iontové typy vodivosti, vedoucí role patří elektronům. Dalším rozdílem mezi elektrickým proudem v kapalinách a plynech je povaha ionizace. V elektrolytu se molekuly rozpuštěné sloučeniny disociují ve vodě, ale v plynu se molekuly nerozpadají, ale pouze ztrácejí elektrony. Proto výboj plynu, stejně jako proud v kovech, není spojen s chemickými změnami.
Fyzika elektrického proudu v kapalinách a plynech také není stejná. Vodivost elektrolytů jako celek se řídí Ohmovým zákonem, ale není pozorována při výboji plynu. Voltampérová charakteristika plynů má mnohem složitější charakter spojený s vlastnostmi plazmatu.
Za zmínku stojí obecné a charakteristické rysy elektrického proudu v plynech a ve vakuu. Vakuum je téměř dokonalé dielektrikum. "Téměř" - protože ve vakuu je navzdory absenci (přesněji extrémně nízké koncentraci) volných nosičů náboje možný i proud. Potenciální nosiče už ale v plynu jsou, stačí je pouze ionizovat. Nosiče náboje jsou přiváděny do vakua z hmoty. Zpravidla k tomu dochází v procesu emise elektronů, například při zahřívání katody (termionická emise). Ale, jak jsme viděli, emise také hrají důležitou roli v různých typech vypouštění plynů.
Využití plynových výbojů v technologii
Škodlivé účinky určitých vypouštění již byly stručně diskutovány výše. Nyní se podívejme na výhody, které přinášejí v průmyslu a v každodenním životě.
Doutnavý výboj se používá v elektrotechnice(stabilizátory napětí), v technologii povlakování (metoda katodového naprašování založená na fenoménu katodové koroze). V elektronice se používá k výrobě iontových a elektronových paprsků. Známou oblastí použití doutnavých výbojů jsou zářivky a tzv. ekonomické lampy a dekorativní neonové a argonové výbojky. Kromě toho se doutnavé výboje používají v plynových laserech a ve spektroskopii.
Jiskrový výboj se používá v pojistkách, v elektroerozivních metodách přesného zpracování kovů (jiskrové řezání, vrtání atd.). Nejznámější je však jeho použití v zapalovacích svíčkách spalovacích motorů a v domácích spotřebičích (plynové sporáky).
Obloukový výboj, který byl poprvé použit v osvětlovací technice již v roce 1876 (Jabločkovova svíčka – „ruské světlo“), dodnes slouží jako zdroj světla – například v projektorech a výkonných reflektorech. V elektrotechnice se oblouk používá ve rtuťových usměrňovačích. Kromě toho se používá při elektrickém svařování, řezání kovů, průmyslových elektrických pecích pro tavení oceli a slitin.
Koronový výboj se používá v elektrostatických odlučovačích pro čištění iontových plynů, počítadlech elementárních částic, hromosvodech, klimatizačních systémech. Korónový výboj funguje také v kopírkách a laserových tiskárnách, kde nabíjí a vybíjí fotocitlivý válec a přenáší prášek z válce na papír.
Výboje plynu všech typů tedy nacházejí nejvíceširoké uplatnění. Elektrický proud v plynech se úspěšně a efektivně využívá v mnoha oblastech technologie.
