אין דיאלקטריות מוחלטות בטבע. תנועה מסודרת של חלקיקים - נושאי מטען חשמלי - כלומר זרם, יכולה להיגרם בכל מדיום, אבל זה דורש תנאים מיוחדים. נשקול כאן כיצד תופעות חשמליות מתקיימות בגזים וכיצד ניתן לשנות גז מדיאלקטרי טוב מאוד למוליך טוב מאוד. נתעניין בתנאים שבהם היא נוצרת, כמו גם אילו תכונות מאפיינות את הזרם החשמלי בגזים.
מאפיינים חשמליים של גזים
דיאלקטרי הוא חומר (בינוני) שריכוז החלקיקים - נשאים חופשיים של מטען חשמלי - אינו מגיע לשום ערך משמעותי, כתוצאה מכך המוליכות זניחה. כל הגזים הם דיאלקטריים טובים. תכונות הבידוד שלהם משמשות בכל מקום. לדוגמה, בכל מפסק, פתיחת המעגל מתרחשת כאשר המגעים מובאים למצב כזה שנוצר פער אוויר ביניהם. חוטים בקווי חשמלגם מבודדים זה מזה על ידי שכבת אוויר.
היחידה המבנית של כל גז היא מולקולה. הוא מורכב מגרעיני אטום ומענני אלקטרונים, כלומר, זהו אוסף של מטענים חשמליים המופצים בחלל בצורה כלשהי. מולקולת גז יכולה להיות דיפול חשמלי בשל המוזרויות של המבנה שלה, או שהיא יכולה להיות מקוטבת תחת פעולת שדה חשמלי חיצוני. הרוב המכריע של המולקולות המרכיבות גז הן ניטרליות חשמלית בתנאים רגילים, שכן המטענים בהן מבטלים זה את זה.
אם מופעל שדה חשמלי על גז, המולקולות יקבלו כיוון דיפול, ויתפסו מיקום מרחבי המפצה על השפעת השדה. החלקיקים הטעונים הנמצאים בגז בהשפעת כוחות קולומב יתחילו לנוע: יונים חיוביים - לכיוון הקתודה, יונים שליליים ואלקטרונים - לעבר האנודה. עם זאת, אם לשדה אין פוטנציאל מספיק, לא נוצר זרימה מכוונת אחת של מטענים, וניתן לדבר על זרמים נפרדים, כל כך חלשים שיש להזניח אותם. הגז מתנהג כמו דיאלקטרי.
לכן, להתרחשות זרם חשמלי בגזים, נדרש ריכוז גדול של נושאי מטען חופשיים ונוכחות של שדה.
Ionization
תהליך של עלייה דמוית מפולת שלגים במספר המטענים החופשיים בגז נקרא יינון. בהתאם לכך, גז שבו יש כמות משמעותית של חלקיקים טעונים נקרא מיונן. בגזים כאלה נוצר זרם חשמלי.
תהליך היינון קשור להפרת הניטרליות של מולקולות. כתוצאה מניתוק של אלקטרון מופיעים יונים חיוביים, התקשרות של אלקטרון למולקולה מביאה ליצירת יון שלילי. בנוסף, ישנם אלקטרונים חופשיים רבים בגז מיונן. יונים חיוביים ובעיקר אלקטרונים הם נושאי המטען העיקריים לזרם חשמלי בגזים.
יינון מתרחש כאשר כמות מסוימת של אנרגיה ניתנת לחלקיק. לפיכך, אלקטרון חיצוני בהרכב של מולקולה, לאחר שקיבל אנרגיה זו, יכול לעזוב את המולקולה. התנגשויות הדדיות של חלקיקים טעונים עם חלקיקים ניטרליים מובילות לדפיקה של אלקטרונים חדשים, והתהליך מקבל אופי דמוי מפולת. גם האנרגיה הקינטית של החלקיקים עולה, מה שמקדם מאוד יינון.
מהיכן מגיעה האנרגיה המשמשת לעורר זרם חשמלי בגזים? ליינון גזים יש כמה מקורות אנרגיה, לפיהם נהוג למנות את סוגיו.
- יינון באמצעות שדה חשמלי. במקרה זה, האנרגיה הפוטנציאלית של השדה מומרת לאנרגיה הקינטית של החלקיקים.
- תרמויוניזציה. עלייה בטמפרטורה מובילה גם להיווצרות מספר רב של חיובים חינם.
- צילום. המהות של תהליך זה היא שלאלקטרונים מסופקת אנרגיה על ידי קוונטות קרינה אלקטרומגנטית - פוטונים, אם יש להם תדר גבוה מספיק (אולטרה סגול, רנטגן, קוונטות גמא).
- יינון ההשפעה הוא תוצאה של המרת האנרגיה הקינטית של חלקיקים מתנגשים לאנרגיה של הפרדת אלקטרונים. בנוסף ליינון תרמי, הוא משמש כגורם העירור העיקרי בגזים של זרם חשמלי.
כל גז מאופיין בערך סף מסוים - אנרגיית היינון הנדרשת לאלקטרון להתנתק ממולקולה, תוך התגברות על מחסום פוטנציאלי. ערך זה עבור האלקטרון הראשון נע בין מספר וולט לשתי עשרות וולט; דרושה יותר אנרגיה כדי להסיר את האלקטרון הבא מהמולקולה, וכן הלאה.
יש לקחת בחשבון שבמקביל עם יינון בגז מתרחש התהליך ההפוך - רקומבינציה, כלומר שחזור של מולקולות ניטרליות בפעולת כוחות המשיכה של קולומב.
פריקת גז וסוגיו
אז, הזרם החשמלי בגזים נובע מתנועה מסודרת של חלקיקים טעונים תחת פעולת שדה חשמלי המופעל עליהם. נוכחותם של מטענים כאלה, בתורה, אפשרית עקב גורמי יינון שונים.
אז, יינון תרמי דורש טמפרטורות משמעותיות, אבל להבה פתוחה עקב כמה תהליכים כימיים תורמת ליינון. גם בטמפרטורה נמוכה יחסית בנוכחות להבה, נרשם הופעת זרם חשמלי בגזים, וניסוי מוליכות גז מקל על אימות זה. יש צורך למקם את הלהבה של מבער או נר בין הצלחות של קבל טעון. המעגל שנפתח בעבר עקב פער האוויר בקבל ייסגר. גלוונומטר המחובר למעגל יראה נוכחות של זרם.
זרם חשמלי בגזים נקרא פריקת גז. יש לזכור זאתכדי לשמור על יציבות הפריקה, פעולת המיינן חייבת להיות קבועה, שכן עקב הרקומבינציה המתמדת, הגז מאבד את תכונות המוליכות החשמליות שלו. חלק מהנשאים של זרם חשמלי בגזים - יונים - מנוטרלים על האלקטרודות, אחרים - אלקטרונים - הנופלים על האנודה, מופנים ל"פלוס" של מקור השדה. אם הגורם המיינן יפסיק לפעול, הגז יהפוך מיד שוב לדיאלקטרי, והזרם ייפסק. זרם כזה, התלוי בפעולת מיינן חיצוני, נקרא פריקה שאינה מתקיימת.
תכונות של מעבר זרם חשמלי דרך גזים מתוארות על ידי תלות מיוחדת של עוצמת הזרם במתח - מאפיין הזרם-מתח.
בואו נשקול התפתחות של פריקת גז בגרף של תלות זרם-מתח. כאשר המתח עולה לערך מסוים U1, הזרם גדל באופן יחסי אליו, כלומר, חוק אוהם מתקיים. האנרגיה הקינטית עולה, ומכאן מהירות המטענים בגז, ותהליך זה לפני הרקומבינציה. בערכי מתח מ-U1 ל-U2 יחס זה מופר; כאשר מגיעים ל-U2, כל נושאי המטען מגיעים לאלקטרודות מבלי להספיק לשלב מחדש. כל החיובים בחינם מעורבים, ועלייה נוספת במתח אינה מובילה לעלייה בזרם. אופי זה של תנועת המטענים נקרא זרם רוויה. לפיכך, אנו יכולים לומר שהזרם החשמלי בגזים נובע גם מהמוזרויות של התנהגות הגז המיונן בשדות חשמליים בעלי עוצמות שונות.
כאשר הפרש הפוטנציאלים על פני האלקטרודות מגיע לערך מסוים U3, המתח הופך מספיק לשדה החשמלי כדי לגרום ליינון גז דמוי מפולת. האנרגיה הקינטית של אלקטרונים חופשיים כבר מספיקה ליינון השפעה של מולקולות. יחד עם זאת, מהירותם ברוב הגזים היא כ-2000 קמ ש ומעלה (היא מחושבת לפי הנוסחה המשוערת v=600 Ui, כאשר Ui הוא פוטנציאל היינון). ברגע זה מתרחשת התמוטטות גז ומתרחשת עלייה משמעותית בזרם עקב מקור יינון פנימי. לכן, פריקה כזו נקראת עצמאית.
נוכחות של מיינן חיצוני במקרה זה כבר לא משחקת תפקיד בשמירה על זרם חשמלי בגזים. פריקה מתמשכת בתנאים שונים ועם מאפיינים שונים של מקור השדה החשמלי יכולה להיות בעלת תכונות מסוימות. ישנם סוגים כאלה של פריקה עצמית כמו זוהר, ניצוץ, קשת וקורונה. נבחן כיצד מתנהג זרם חשמלי בגזים, בקצרה עבור כל אחד מהסוגים הללו.
פריקת זוהר
בגז נדיר, די בהפרש פוטנציאל מ-100 (ואפילו פחות) ל-1000 וולט כדי להפעיל פריקה עצמאית. לכן, פריקת זוהר, המאופיינת בחוזק זרם נמוך (מ-10-5 A ל-1 A), מתרחשת בלחצים של לא יותר מכמה מילימטרים של כספית.
בשפופרת עם גז נדיר ואלקטרודות קרות, פריקת הזוהר המתהווה נראית כמו חוט זוהר דק בין האלקטרודות. אם תמשיך לשאוב גז מהצינור, תראהטשטוש החוט, ובלחצים של עשיריות מילימטר כספית, הזוהר ממלא את הצינור כמעט לחלוטין. הזוהר נעדר ליד הקתודה - בחלל הקתודה האפל כביכול. השאר נקרא העמוד החיובי. במקרה זה, התהליכים העיקריים המבטיחים את קיומה של הפריקה ממוקמים דווקא בחלל הקתודה האפל ובאזור הסמוך לו. כאן, חלקיקי גז טעונים מואצים, ומפילים אלקטרונים מהקתודה.
בפריקת זוהר, הסיבה ליינון היא פליטת אלקטרונים מהקתודה. האלקטרונים הנפלטים מהקתודה מייצרים יינון השפעה של מולקולות גז, היונים החיוביים העולים גורמים לפליטה משנית מהקתודה וכן הלאה. זוהר העמוד החיובי נובע בעיקר מרתיעה של פוטונים על ידי מולקולות גז נרגשות, וגזים שונים מתאפיינים בזוהר בצבע מסוים. העמוד החיובי לוקח חלק ביצירת פריקת זוהר רק כחלק מהמעגל החשמלי. אם אתה מקרב את האלקטרודות זה לזה, אתה יכול להשיג את היעלמות העמוד החיובי, אבל הפריקה לא תיפסק. עם זאת, עם צמצום נוסף של המרחק בין האלקטרודות, פריקת הזוהר לא תוכל להתקיים.
יש לציין שעבור סוג זה של זרם חשמלי בגזים, הפיזיקה של תהליכים מסוימים עדיין לא הובהרה במלואה. לדוגמה, אופי הכוחות הגורמים להתפשטות על פני הקתודה של האזור שלוקח חלק בפריקה נותר לא ברור.
פריקת ניצוץ
ניצוץלהתמוטטות יש אופי אימפולסיבי. היא מתרחשת בלחצים קרובים לאטמוספירה רגילה, במקרים שבהם הכוח של מקור השדה החשמלי אינו מספיק כדי לשמור על פריקה נייחת. במקרה זה, עוצמת השדה גבוהה ויכולה להגיע ל-3 MV/m. התופעה מתאפיינת בעלייה חדה בזרם החשמלי הפריקה בגז, במקביל המתח יורד במהירות רבה, והפריקה נפסקת. ואז הפרש הפוטנציאל גדל שוב, וכל התהליך חוזר על עצמו.
עם פריקה מסוג זה נוצרות תעלות ניצוצות לטווח קצר, שצמיחתן יכולה להתחיל מכל נקודה בין האלקטרודות. זה נובע מהעובדה שינון ההשפעה מתרחש באופן אקראי במקומות שבהם מרוכז כיום המספר הגדול ביותר של יונים. ליד תעלת הניצוץ הגז מתחמם במהירות ועובר התפשטות תרמית הגורמת לגלים אקוסטיים. לכן, פריקת הניצוץ מלווה בפצפוצים, כמו גם שחרור חום וזוהר בהיר. תהליכי יינון מפולת שלגים יוצרים לחצים וטמפרטורות גבוהות של עד 10 אלף מעלות ויותר בערוץ הניצוץ.
הדוגמה המובהקת ביותר לפריקת ניצוץ טבעי היא ברק. קוטר ערוץ ניצוץ הברק הראשי יכול לנוע בין סנטימטרים ספורים ל-4 מ', ואורך הערוץ יכול להגיע ל-10 ק מ. גודל הזרם מגיע ל-500 אלף אמפר, והפרש הפוטנציאל בין ענן רעם לפני השטח של כדור הארץ מגיע למיליארד וולט.
הברק הארוך ביותר באורך 321 ק"מ נצפה בשנת 2007 באוקלהומה, ארה"ב. בעל השיא במשך הזמן היה ברק, מתועדבשנת 2012 באלפים הצרפתיים - זה נמשך למעלה מ-7.7 שניות. כאשר נפגע על ידי ברק, האוויר יכול להתחמם עד 30 אלף מעלות, שהם פי 6 מהטמפרטורה של פני השטח הנראה של השמש.
במקרים שבהם הספק של מקור השדה החשמלי גדול מספיק, פריקת הניצוץ מתפתחת לקשת.
פריקת קשת
סוג זה של פריקה עצמית מאופיין בצפיפות זרם גבוהה ובמתח נמוך (פחות מפריקת זוהר). מרחק ההתמוטטות קטן בגלל הקרבה של האלקטרודות. הפריקה מתחילה על ידי פליטת אלקטרון ממשטח הקתודה (עבור אטומי מתכת, פוטנציאל היינון קטן בהשוואה למולקולות גז). בזמן התמוטטות בין האלקטרודות נוצרים תנאים שבהם הגז מוליך זרם חשמלי, ומתרחשת פריקת ניצוץ שסוגרת את המעגל. אם הספק של מקור המתח גדול מספיק, פריקות ניצוץ הופכות לקשת חשמלית יציבה.
היוניזציה במהלך פריקת קשת מגיעה לכמעט 100%, עוצמת הזרם גבוהה מאוד ויכולה להיות בין 10 ל-100 אמפר. בלחץ אטמוספרי, הקשת יכולה להתחמם עד 5-6 אלף מעלות, והקתודה - עד 3000 מעלות, מה שמוביל לפליטת תרמיונית אינטנסיבית מפני השטח שלה. הפצצת האנודה באלקטרונים מובילה להרס חלקי: נוצרת עליה שקע - מכתש בטמפרטורה של כ-4000 מעלות צלזיוס. עלייה בלחץ גורמת לעלייה גדולה עוד יותר בטמפרטורות.
בעת פיזור האלקטרודות, פריקת הקשת נשארת יציבה עד למרחק מסוים,מה שמאפשר להתמודד איתו באותם אזורים של ציוד חשמלי בהם הוא מזיק עקב קורוזיה ושחיקה של מגעים שנגרמים ממנו. מדובר במכשירים כגון מתח גבוה ומתגים אוטומטיים, מגע ואחרים. אחת השיטות להילחם בקשת המתרחשת בעת פתיחת מגעים היא שימוש במצנחי קשת המבוססים על עקרון הארכת הקשת. נעשה שימוש גם בשיטות רבות אחרות: גישור מגעים, שימוש בחומרים בעלי פוטנציאל יינון גבוה וכן הלאה.
הפרשת קורונה
התפתחות של פריקת קורונה מתרחשת בלחץ אטמוספרי רגיל בשדות לא הומוגניים בחדות ליד אלקטרודות עם עקמומיות גדולה של פני השטח. אלה יכולים להיות צריחים, תרנים, חוטים, אלמנטים שונים של ציוד חשמלי בעלי צורה מורכבת, ואפילו שיער אדם. אלקטרודה כזו נקראת אלקטרודת קורונה. תהליכי יינון ובהתאם גם זוהר הגז מתרחשים רק בקרבתו.
קורונה יכולה להיווצר גם על הקתודה (קורונה שלילית) כאשר היא מופצצת ביונים, וגם על האנודה (חיובית) כתוצאה מפוטוניזציה. הקורונה השלילית, שבה תהליך היינון מופנה מהאלקטרודה כתוצאה מפליטת תרמית, מאופיינת בזוהר אחיד. בקורונה החיובית ניתן לצפות בסטרימרים - קווים זוהרים בעלי תצורה שבורה שיכולים להפוך לערוצי ניצוצות.
דוגמה להפרשת קורונה בתנאים טבעיים הן שריפות סנט אלמו המתרחשות על קצות תרנים גבוהים, צמרות עצים וכן הלאה. הם נוצרים במתח גבוה של החשמלשדות באטמוספירה, לעתים קרובות לפני סופת רעמים או במהלך סופת שלגים. בנוסף, הם היו מקובעים על עורם של כלי טיס שנפלו לתוך ענן של אפר וולקני.
פריקת קורונה על חוטי קווי חשמל מובילה לאובדן חשמל משמעותי. במתח גבוה, פריקת קורונה יכולה להפוך לקשת. הוא נלחם בדרכים שונות, למשל, על ידי הגדלת רדיוס העקמומיות של המוליכים.
זרם חשמלי בגזים ובפלזמה
גז מיונן מלא או חלקי נקרא פלזמה ונחשב למצב הרביעי של החומר. בסך הכל, הפלזמה היא ניטרלית מבחינה חשמלית, שכן המטען הכולל של החלקיקים המרכיבים אותה הוא אפס. זה מבדיל אותו ממערכות אחרות של חלקיקים טעונים, כגון קרני אלקטרונים.
בתנאים טבעיים, פלזמה נוצרת, ככלל, בטמפרטורות גבוהות עקב התנגשות אטומי גז במהירויות גבוהות. הרוב המכריע של החומר הבריוני ביקום נמצא במצב של פלזמה. אלה הם כוכבים, חלק מחומר בין-כוכבי, גז בין-גלקטי. היונוספירה של כדור הארץ היא גם פלזמה נדירה, מיוננת חלשה.
מידת היינון היא מאפיין חשוב של פלזמה - תכונות המוליכות שלה תלויות בה. דרגת היינון מוגדרת כיחס בין מספר האטומים המיוננים למספר האטומים הכולל ליחידת נפח. ככל שהפלזמה מיוננת יותר, כך מוליכותה החשמלית גבוהה יותר. בנוסף, הוא מאופיין בניידות גבוהה.
אנו רואים, אם כן, שהגזים המוליכים חשמל נמצאים בפניםערוצי פריקה אינם אלא פלזמה. לפיכך, פריקות זוהר וקורונה הן דוגמאות לפלזמה קרה; תעלת ניצוץ של ברק או קשת חשמלית הן דוגמאות לפלזמה חמה, כמעט מיוננת לחלוטין.
זרם חשמלי במתכות, נוזלים וגזים - הבדלים ודמיון
בואו נשקול את התכונות המאפיינות את פריקת הגז בהשוואה לתכונות הזרם במדיה אחרת.
במתכות, זרם הוא תנועה מכוונת של אלקטרונים חופשיים שאינה גוררת שינויים כימיים. מוליכים מסוג זה נקראים מוליכים מהסוג הראשון; אלה כוללים, בנוסף למתכות וסגסוגות, פחם, כמה מלחים ותחמוצות. הם נבדלים על ידי מוליכות אלקטרונית.
מוליכים מהסוג השני הם אלקטרוליטים, כלומר תמיסות מימיות נוזליות של אלקליות, חומצות ומלחים. מעבר הזרם קשור לשינוי כימי באלקטרוליט - אלקטרוליזה. יונים של חומר מומס במים, בפעולת הפרש פוטנציאל, נעים בכיוונים מנוגדים: קטיונים חיוביים - לקתודה, אניונים שליליים - לאנודה. התהליך מלווה בהתפתחות גז או שקיעה של שכבת מתכת על הקתודה. מוליכים מהסוג השני מאופיינים במוליכות יונית.
באשר למוליכות של גזים, היא, ראשית, זמנית, ושנית, יש לה סימני דמיון והבדלים עם כל אחד מהם. אז, הזרם החשמלי הן באלקטרוליטים והן בגזים הוא סחף של חלקיקים בעלי מטען הפוך המכוונים לעבר אלקטרודות הפוכות. עם זאת, בעוד אלקטרוליטים מאופיינים על ידי מוליכות יונית גרידא, בפריקת גז עם שילובסוגי מוליכות אלקטרוניים ויונים, התפקיד המוביל שייך לאלקטרונים. הבדל נוסף בין הזרם החשמלי בנוזלים ובגזים הוא אופי היינון. באלקטרוליט, המולקולות של תרכובת מומסת מתפרקות במים, אך בגז המולקולות אינן מתפרקות, אלא רק מאבדות אלקטרונים. לכן, פריקת הגז, כמו הזרם במתכות, אינה קשורה לשינויים כימיים.
גם הפיזיקה של זרם חשמלי בנוזלים ובגזים אינה זהה. המוליכות של אלקטרוליטים בכללותה מצייתת לחוק אוהם, אך היא אינה נצפית במהלך פריקת גז. למאפיין וולט-אמפר של גזים יש אופי מורכב הרבה יותר הקשור לתכונות הפלזמה.
ראוי להזכיר את המאפיינים הכלליים והמיוחדים של זרם חשמלי בגזים ובוואקום. ואקום הוא כמעט דיאלקטרי מושלם. "כמעט" - כי בוואקום, למרות היעדר (ליתר דיוק, ריכוז נמוך במיוחד) של נושאי מטען חופשיים, אפשרי גם זרם. אבל נשאים פוטנציאליים כבר נמצאים בגז, הם רק צריכים להיות מיוננים. נושאי מטען מוכנסים לוואקום מהחומר. ככלל, זה מתרחש בתהליך של פליטת אלקטרונים, למשל, כאשר הקתודה מחוממת (פליטה תרמית). אבל, כפי שראינו, פליטה משחקת תפקיד חשוב גם בסוגים שונים של פליטות גז.
שימוש בפריקות גז בטכנולוגיה
ההשפעות המזיקות של הפרשות מסוימות כבר נדונו בקצרה לעיל. עכשיו בואו נשים לב ליתרונות שהם מביאים בתעשייה ובחיי היומיום.
פריקת זוהר משמשת בהנדסת חשמל(מייצבי מתח), בטכנולוגיית ציפוי (שיטת התזת קתודה המבוססת על תופעת קורוזית הקתודה). באלקטרוניקה, הוא משמש לייצור קרני יונים ואלקטרונים. תחום יישום ידוע לפריקות זוהרות הן מנורות פלורסנט ומה שנקרא חסכוניות וצינורות פריקת ניאון וארגון דקורטיביים. בנוסף, פריקות זוהרות משמשות בלייזרי גז ובספקטרוסקופיה.
פריקת ניצוץ משמשת בנתיכים, בשיטות אלקטרו-ארוסיביות של עיבוד מתכת מדויק (חיתוך ניצוץ, קידוח וכדומה). אבל הוא ידוע בעיקר בזכות השימוש שלו במצתים של מנועי בעירה פנימית ובמכשירי חשמל ביתיים (תנורי גז).
פריקת קשת, שהייתה בשימוש לראשונה בטכנולוגיית תאורה כבר בשנת 1876 (הנר של יבלוצ'קוב - "אור רוסי"), עדיין משמשת כמקור אור - למשל, במקרנים ובזרקורים רבי עוצמה. בהנדסת חשמל, הקשת משמשת במיישרי כספית. בנוסף, הוא משמש בריתוך חשמלי, חיתוך מתכת, תנורים חשמליים תעשייתיים להתכת פלדה וסגסוגות.
פריקת קורונה משמשת במשקעים אלקטרוסטטיים לניקוי גז יונים, מונים חלקיקים אלמנטריים, ברקים, מערכות מיזוג אוויר. פריקת קורונה עובדת גם במכונות צילום ומדפסות לייזר, שם היא טוענת ומפרקת את התוף הרגיש לאור ומעבירה אבקה מהתוף לנייר.
לפיכך, פריקות גז מכל הסוגים מוצאות את המרביישום רחב. זרם חשמלי בגזים נמצא בשימוש מוצלח ויעיל בתחומי טכנולוגיה רבים.
