Elektrický proud v plynech

 

Otázka: Elektrický proud v plynech

Předmět: Fyzika

Přidal(a): Michaela H

 

 

Ionizace, ionizátor, ionizovaný plyn

Ionizace

• = proces, kdy se z plynu stane vodič
• Aby mohl plyn vést el. proud, musí obsahovat volné částice s nábojem a musí být v elektrickém poli
• Děj, při kterém se vnějším zásahem z molekuly plynu uvolňují elektrony a zbytek molekuly utvoří kladný iont. Elektrony se také mohou zachytit na neutrálních molekulách a vzniknou záporné ionty
• Elektrický proud v plynech zprostředkují kladné a záporné ionty a elektrony vznikající při ionizaci plynu.
• Současně s ionizací probíhá rekombinace iontů
  • opačně nabité ionty, popř. kladné ionty a elektrony se spojují v neutrální molekuly plynu
  • převládá-li ionizace, zvyšuje se počet ionizovaných molekul, a tím i vodivost plynu, v opačném případě ztrácí plyn vodivost

 

Ionizátor

• = dodá plynu energii potřebnou k vytvoření volných nabitých částic
• např. zahřátím plynu (plamenem, topnou spirálou), ozářením ultrafialovým, rentgenovým nebo radioaktivním zářením, katodovým zářením
• Ionizované molekuly plynu urychlené elektrickým polem mohou způsobit ionizaci nárazem (ionizátorem tu jsou elektrony)
• Nejmenší energie potřebná k uvolnění elektronu je ionizační energie (H – 13,53 eV)

 

Ionizovaný plyn

• mimo elektrické pole:
  • částice se pohybují chaoticky (el. proud neprotéká)
• v elektrickém poli:
  • částice se pohybují uspořádaně k elektrodám, plynem prochází proud – nastává tzv. elektrický výboj v plynu
• Pokud je ionizovaný plyn nachází v el. poli mezi dvěma elektrodami, vznikne el. proud jako uspořádaný pohyb částic, ionty, které dorazí na elektrody, odevzdají svůj náboj a mění se v neutrální částice
• Elektrický proud v ionizovaném plynu nazýváme elektrický výboj v plynu

 

Nesamostatný elektrický výboj

• Jedná se o takový el. výboj, při němž ionizaci vyvolává trvale působící vnější ionizátor
• Využívá se ionizační komora
  • je to deskový kondenzátor, který je izolovaně umístěn v kovové krabici s okénkem pro působící ionizátor a připojen na zdroj vysokého napětí
• 1) Zvyšujeme-li napětí od nuly nejdříve o malé hodnoty, roste proud přímo úměrně, tedy podle Ohmova zákona, úsek OA
• 2) Při dalším zvyšování napětí urychluje elektrické pole ionty a elektrony natolik, že nestačí rekombinovat, plynem prochází stále větší proud, ale už neroste přímo úměrně, úsek AB
• 3) Při napětí U_n, kdy jsou všechny ionty vytvořené ionizátorem zachyceny na deskách kondenzátoru, dosáhne proud hodnoty I_n a dále se s rostoucím napětím nezvyšuje, úsek BC

• Komorou prochází nasycený proud, pro který neplatí Ohmův zákon

 

Samostatný elektrický výboj

• Výboj, který je nezávislý na působení ionizátoru, pokračuje i po jeho odstranění (je způsoben ionizací nárazem)
• Nastává při překročení zápalného napětí U_z, poté se napětí zvětšuje lavinovitě, ionizace převládá nad rekombinací
• Plyn se ionizuje vlastními ionty, hlavně elektrony, proto roste i proud procházející plynem
• Nesamostatný výboj přešel v samostatný, proud se prudce zvyšuje s napětím, úsek CD
• Přechod z nesamostatného na samostatný výboj nazýváme elektrický průraz plynu
• Charakter samostatného výboje záleží na: ch. složení plynu, teplotě, tlaku, kvalitě elektrod, jejich vzdálenosti,..
• Bývá většinou doprovázen zvukovými a světelnými efekty
• Vysoce ionizovaný plyn při samostatném výboji se nazývá plazma
  • hustota kladných a záporných iontů v plazmatu je stejná – jako celek je plazma neutrální
  • asi 99 % hmoty ve vesmíru, na naší planetě se přirozeně nevyskytuje
  • za plazmu je někdy označován plamen, ale není tomu tak, protože kromě dostatečného počtu nabitých částic obsahuje také dost částic neutrálních
  • např. blesk, polární záře, svítící plyn v zářivkách a neonech

 

Samostatný výboj za atmosferického tlaku

• nastanou 3 druhy samostatného výboje:

 

Obloukový výboj

• Vznikne, jestliže uhlíkové elektrody krátce přitiskneme k sobě a pak je oddálíme na několik milimetrů. Během dotyku se elektrody rozžhaví a po oddálení způsobí tepelnou ionizaci okolního vzduchu
• Vysoký proud a teplota
• Mezi elektrodami vzniká plazma – ↑ teplota a intenzivní světlo
• Využití: svařování kovů, tavení kovů, zdroj světla – vysokotlaké výbojky (pouliční osvětlení), do výbojek se ještě přidává sodík, barva se změní na žlutou a intenzita je 5x větší než běžné žárovky

 

Jiskrový výboj

• Dochází k němu tehdy, když velikost intenzity el. pole mezi elektrodami dosáhne hodnoty potřebné k lavinovité ionizaci, ale zdroj není schopen trvale dodávat el. proud, např. při vybíjení kondenzátoru
• Od obloukového výboje se liší krátkou dobou trvání
• Přeskok jiskry je doprovázen zvukovou vlnou
• např. blesk (průtok proudu vzduchem mezi nabitými tělesy – mraky), zážehové motory
• V rozvodech elektrické energie představují velké ztráty, el. vedení proto musí být dokonale izolováno od kovových stožárů

 

Korona

• Vzniká v nehomogenním elektrickém poli – okolo drátů, hran a hrotů s vysokým potenciálem, ztráty na vedení vysokého napětí
• Jedná se o trsovitý výboj
• Způsobuje ztráty el. energie na vedeních velmi vysokého napětí

 

Výboj ve zředěných plynech

• Zředěním plynu dosáhneme prodloužením doby mezi srážkami iontů a elektronů s molekulami, zlepší se tím podmínky pro vznik samostatného výboje za nízkého tlaku

 

Doutnavý (tichý) výboj

• výbojová trubice = do skleněného válce jsou umístěny elektrody, popř. je možné vývěvou odčerpávat plyn
• Při poklesu tlaku v trubici asi na 1000 Pa až 100 Pa vznikne v trubici doutnavý náboj
• Od obloukového se liší malým proudem (μA) a nízkou teplotou elektrod i trubice
• Využití: doutnavky – krátké výbojky plněné neonem při tlaku asi 1 kPa, doutnavé světlo pokrývá zápornou elektrodu – např. jako kontrolky (světla s nepatrnou spotřebou)

 

Termoemise

• Uvolňování elektronů z povrchu pevných nebo kapalných těles při vysoké teplotě
• V praxi se ze souboru letících elektronů vymezuje úzký paprsek, elektronový paprsek
  • šíří se přímočaře (není-li pod vlivem el. nebo mag. pole), vychyluje se v el. a mag. poli, proniká velmi tenkými materiály a rozptyluje se, tepelné a chemické účinky
• Využití: obrazovka, osciloskop – obrazovky s elektrostatickým vychylováním el. paprsku

 

Katodové záření

• Je-li žhavící vlákno (1) chladné – proud neprotéká
• Je-li vlákno rozžhavené – zahřeje se katoda, nastane termoemise – elektrony vyletují z katody (2) – pohybují se směrem k anodě a trubicí protéká proud
• Elektrony prolétají otvorem anody (3), na stěně trubice vzniká katodové záření (4)
• využití:
  • Rentgenka – trubice vyzařující rentgenové záření (použití v lékařství)
  • Elektronka – v minulosti základní prvek počítačů
  • Obrazovka (obrazová elektronka) – nejrozšířenější zařízení, které využívá elektronový paprsek

 

Obrazovka

• = obrazová elektronka
• K – katoda, W – řídicí elektroda, A1, A2 – anody, D1, D2 – vychylovací destičky, S – stínítko
• Katoda obrazovky K je rozžhavena pomocí žhavícího vlákna a uvolňuje elektrony tepelnou emisí. Aby se snížila výstupní práce, kterou musí elektron vykonat při výstupu z katody, je její povrch pokryt vrstvou oxidu barnatého.
• Emitované elektrony vystupují malým otvorem v řídící elektrodě W (Wehneltův válec).
• Potom jsou soustavou anod A1, A2 urychlovány a soustřeďovány do elektronového paprsku, který prochází dvěma páry vychylovacích destiček D1, D2 a dopadá na stínítko S, pokryté vrstvou sulfidu zinečnatého ZnS.
• V místě dopadu vznikne svítící stopa.