Non ci sono dielettrici assoluti in natura. Il movimento ordinato delle particelle - vettori di carica elettrica - cioè la corrente, può essere causato in qualsiasi mezzo, ma ciò richiede condizioni speciali. Considereremo qui come procedono i fenomeni elettrici nei gas e come un gas può essere trasformato da un ottimo dielettrico in un ottimo conduttore. Saremo interessati alle condizioni in cui si manifesta, nonché a quali caratteristiche caratterizzano la corrente elettrica nei gas.
Proprietà elettriche dei gas
Un dielettrico è una sostanza (media) in cui la concentrazione di particelle - vettori liberi di carica elettrica - non raggiunge alcun valore significativo, per cui la conducibilità è trascurabile. Tutti i gas sono buoni dielettrici. Le loro proprietà isolanti sono utilizzate ovunque. Ad esempio, in qualsiasi interruttore, l'apertura del circuito avviene quando i contatti vengono portati in una posizione tale da formare un traferro tra di loro. Fili nelle linee elettrichesono anche isolati l'uno dall' altro da uno strato d'aria.
L'unità strutturale di qualsiasi gas è una molecola. È costituito da nuclei atomici e nubi di elettroni, cioè è un insieme di cariche elettriche distribuite nello spazio in qualche modo. Una molecola di gas può essere un dipolo elettrico per le peculiarità della sua struttura, oppure può essere polarizzata sotto l'azione di un campo elettrico esterno. La stragrande maggioranza delle molecole che compongono un gas sono elettricamente neutre in condizioni normali, poiché le cariche in esse contenute si annullano a vicenda.
Se un campo elettrico viene applicato a un gas, le molecole assumeranno un orientamento dipolo, occupando una posizione spaziale che compensa l'effetto del campo. Le particelle cariche presenti nel gas sotto l'influenza delle forze di Coulomb inizieranno a muoversi: ioni positivi - nella direzione del catodo, ioni negativi ed elettroni - verso l'anodo. Tuttavia, se il campo ha potenziale insufficiente, non si forma un unico flusso diretto di cariche, e si può piuttosto parlare di correnti separate, così deboli da essere trascurate. Il gas si comporta come un dielettrico.
Quindi, per il verificarsi di una corrente elettrica nei gas, è richiesta una grande concentrazione di portatori di carica libera e la presenza di un campo.
Ionizzazione
Il processo di un aumento simile a una valanga del numero di cariche gratuite in un gas è chiamato ionizzazione. Di conseguenza, un gas in cui è presente una quantità significativa di particelle cariche è chiamato ionizzato. È in tali gas che si crea una corrente elettrica.
Il processo di ionizzazione è associato alla violazione della neutralità delle molecole. Come risultato del distacco di un elettrone, compaiono ioni positivi, l'attaccamento di un elettrone a una molecola porta alla formazione di uno ione negativo. Inoltre, ci sono molti elettroni liberi in un gas ionizzato. Gli ioni positivi e soprattutto gli elettroni sono i principali portatori di carica per la corrente elettrica nei gas.
La ionizzazione si verifica quando una certa quantità di energia viene impartita a una particella. Pertanto, un elettrone esterno nella composizione di una molecola, dopo aver ricevuto questa energia, può lasciare la molecola. Le collisioni reciproche di particelle cariche con quelle neutre portano alla fuoriuscita di nuovi elettroni e il processo assume un carattere simile a una valanga. Aumenta anche l'energia cinetica delle particelle, che promuove notevolmente la ionizzazione.
Da dove viene l'energia utilizzata per eccitare la corrente elettrica nei gas? La ionizzazione dei gas ha diverse fonti di energia, secondo le quali è consuetudine nominarne i tipi.
- Ionizzazione per campo elettrico. In questo caso, l'energia potenziale del campo viene convertita nell'energia cinetica delle particelle.
- Termoionizzazione. Un aumento della temperatura porta anche alla formazione di un gran numero di addebiti gratuiti.
- Fotoionizzazione. L'essenza di questo processo è che gli elettroni ricevono energia dai quanti di radiazione elettromagnetica - fotoni, se hanno una frequenza sufficientemente alta (ultravioletti, raggi X, quanti gamma).
- La ionizzazione d'impatto è il risultato della conversione dell'energia cinetica delle particelle in collisione nell'energia di separazione degli elettroni. Così comeionizzazione termica, funge da principale fattore di eccitazione nei gas di corrente elettrica.
Ogni gas è caratterizzato da un certo valore di soglia: l'energia di ionizzazione richiesta affinché un elettrone si stacchi da una molecola, superando una barriera di potenziale. Questo valore per il primo elettrone varia da diversi volt a due decine di volt; è necessaria più energia per rimuovere l'elettrone successivo dalla molecola e così via.
Va tenuto presente che contemporaneamente alla ionizzazione nel gas, si verifica il processo inverso: la ricombinazione, ovvero il ripristino di molecole neutre sotto l'azione delle forze di attrazione di Coulomb.
Scarico di gas e sue tipologie
Quindi, la corrente elettrica nei gas è dovuta al movimento ordinato delle particelle cariche sotto l'azione di un campo elettrico ad esse applicato. La presenza di tali cariche, a sua volta, è possibile a causa di vari fattori di ionizzazione.
Quindi, la ionizzazione termica richiede temperature significative, ma una fiamma libera dovuta ad alcuni processi chimici contribuisce alla ionizzazione. Anche a una temperatura relativamente bassa in presenza di una fiamma, viene registrata la comparsa di una corrente elettrica nei gas e l'esperimento con la conducibilità del gas rende facile verificarlo. È necessario posizionare la fiamma di un bruciatore o di una candela tra le piastre di un condensatore carico. Il circuito precedentemente aperto a causa del traferro nel condensatore si chiuderà. Un galvanometro collegato al circuito indicherà la presenza di corrente.
La corrente elettrica nei gas è chiamata scarica di gas. Va tenuto presente cheper mantenere la stabilità della scarica, l'azione dello ionizzatore deve essere costante, poiché a causa della costante ricombinazione il gas perde le sue proprietà elettricamente conduttive. Alcuni portatori di corrente elettrica nei gas - ioni - vengono neutralizzati sugli elettrodi, altri - elettroni - che cadono sull'anodo, sono diretti al "più" della sorgente del campo. Se il fattore ionizzante cessa di funzionare, il gas ridiventerà immediatamente un dielettrico e la corrente cesserà. Tale corrente, dipendente dall'azione di uno ionizzatore esterno, è chiamata scarica non autosufficiente.
Le caratteristiche del passaggio della corrente elettrica attraverso i gas sono descritte da una speciale dipendenza dell'intensità della corrente dalla tensione - la caratteristica corrente-tensione.
Consideriamo lo sviluppo di una scarica di gas sul grafico della dipendenza corrente-tensione. Quando la tensione sale ad un certo valore U1, la corrente aumenta proporzionalmente ad essa, cioè la legge di Ohm è soddisfatta. L'energia cinetica aumenta, e quindi la velocità delle cariche nel gas, e questo processo precede la ricombinazione. A valori di tensione da U1 a U2 questo rapporto viene violato; quando viene raggiunto U2, tutti i portatori di carica raggiungono gli elettrodi senza avere il tempo di ricombinarsi. Sono coinvolte tutte le spese gratuite e un ulteriore aumento della tensione non porta ad un aumento della corrente. Questa natura del movimento delle cariche è chiamata corrente di saturazione. Possiamo quindi dire che la corrente elettrica nei gas è dovuta anche alle peculiarità del comportamento del gas ionizzato in campi elettrici di varia intensità.
Quando la differenza di potenziale tra gli elettrodi raggiunge un certo valore U3, la tensione diventa sufficiente affinché il campo elettrico provochi una ionizzazione di gas simile a una valanga. L'energia cinetica degli elettroni liberi è già sufficiente per la ionizzazione per impatto delle molecole. Allo stesso tempo, la loro velocità nella maggior parte dei gas è di circa 2000 km/s e superiore (è calcolata dalla formula approssimativa v=600 Ui, dove Ui è il potenziale di ionizzazione). In questo momento si verifica un'interruzione del gas e si verifica un aumento significativo della corrente a causa di una sorgente di ionizzazione interna. Pertanto, tale scarico è chiamato indipendente.
La presenza di uno ionizzatore esterno in questo caso non gioca più un ruolo nel mantenimento della corrente elettrica nei gas. Una scarica autosostenuta in diverse condizioni e con diverse caratteristiche della sorgente del campo elettrico può avere determinate caratteristiche. Esistono tipi di autoscarica come bagliore, scintilla, arco e corona. Vedremo come si comporta la corrente elettrica nei gas, brevemente per ciascuno di questi tipi.
Scarica a bagliore
In un gas rarefatto, una differenza di potenziale da 100 (e anche meno) a 1000 volt è sufficiente per avviare una scarica indipendente. Pertanto, una scarica a bagliore, caratterizzata da una bassa intensità di corrente (da 10-5 A a 1 A), si verifica a pressioni non superiori a pochi millimetri di mercurio.
In un tubo con un gas rarefatto ed elettrodi freddi, la scarica a bagliore emergente appare come un sottile cavo luminoso tra gli elettrodi. Se continui a pompare gas dal tubo, osserveraisfocatura del cavo, e a pressioni di decimi di millimetri di mercurio, il bagliore riempie quasi completamente il tubo. Il bagliore è assente vicino al catodo, nel cosiddetto spazio catodico oscuro. Il resto è chiamato colonna positiva. In questo caso i principali processi che assicurano l'esistenza della scarica sono localizzati proprio nello spazio catodico oscuro e nella regione ad esso adiacente. Qui, le particelle di gas cariche vengono accelerate, facendo uscire gli elettroni dal catodo.
In una scarica luminosa, la causa della ionizzazione è l'emissione di elettroni dal catodo. Gli elettroni emessi dal catodo producono la ionizzazione per impatto delle molecole di gas, gli ioni positivi emergenti provocano l'emissione secondaria dal catodo e così via. Il bagliore della colonna positiva è dovuto principalmente al rinculo dei fotoni da parte delle molecole di gas eccitate e diversi gas sono caratterizzati da un bagliore di un certo colore. La colonna positiva partecipa alla formazione di una scarica a bagliore solo come sezione del circuito elettrico. Se avvicini gli elettrodi, puoi ottenere la scomparsa della colonna positiva, ma la scarica non si fermerà. Tuttavia, con un'ulteriore riduzione della distanza tra gli elettrodi, la scarica a bagliore non potrà esistere.
Va notato che per questo tipo di corrente elettrica nei gas, la fisica di alcuni processi non è stata ancora del tutto chiarita. Ad esempio, la natura delle forze che provocano un'espansione sulla superficie del catodo della regione che prende parte alla scarica rimane poco chiara.
Scarico di scintille
Scintillala rottura ha un carattere impulsivo. Si verifica a pressioni prossime alla normale atmosferica, nei casi in cui la potenza della sorgente del campo elettrico non è sufficiente a mantenere una scarica stazionaria. In questo caso, l'intensità del campo è elevata e può raggiungere 3 MV/m. Il fenomeno è caratterizzato da un forte aumento della corrente elettrica di scarica nel gas, contemporaneamente la tensione scende molto rapidamente e la scarica si interrompe. Quindi la differenza di potenziale aumenta di nuovo e l'intero processo viene ripetuto.
Con questo tipo di scarica si formano canali di scintilla a breve termine, la cui crescita può iniziare da qualsiasi punto tra gli elettrodi. Ciò è dovuto al fatto che la ionizzazione per impatto avviene in modo casuale nei luoghi in cui è attualmente concentrato il maggior numero di ioni. Vicino al canale della scintilla, il gas si riscalda rapidamente e subisce un'espansione termica, che provoca onde acustiche. Pertanto, la scarica della scintilla è accompagnata da crepitii, nonché dal rilascio di calore e da un bagliore luminoso. I processi di ionizzazione a valanga generano pressioni e temperature elevate fino a 10 mila gradi e oltre nel canale della scintilla.
L'esempio più chiaro di scarica di scintille naturali è il fulmine. Il diametro del canale principale della scintilla del fulmine può variare da pochi centimetri a 4 m e la lunghezza del canale può raggiungere i 10 km. L'intensità della corrente raggiunge i 500 mila ampere e la differenza di potenziale tra una nuvola temporalesca e la superficie terrestre raggiunge un miliardo di volt.
Il fulmine più lungo di 321 km è stato osservato nel 2007 in Oklahoma, negli Stati Uniti. Il detentore del record per la durata è stato un fulmine, registratonel 2012 nelle Alpi francesi - è durato oltre 7,7 secondi. Quando viene colpita da un fulmine, l'aria può riscaldarsi fino a 30 mila gradi, che è 6 volte la temperatura della superficie visibile del Sole.
Nei casi in cui la potenza della sorgente del campo elettrico è sufficientemente grande, la scarica della scintilla si sviluppa in un arco.
Scarico ad arco
Questo tipo di autoscarica è caratterizzato da un'elevata densità di corrente e da una bassa tensione (inferiore alla scarica a bagliore). La distanza di rottura è piccola a causa della vicinanza degli elettrodi. La scarica viene avviata dall'emissione di un elettrone dalla superficie del catodo (per gli atomi di metallo, il potenziale di ionizzazione è piccolo rispetto alle molecole di gas). Durante una rottura tra gli elettrodi, si creano condizioni in cui il gas conduce una corrente elettrica e si verifica una scarica di scintille che chiude il circuito. Se la potenza della sorgente di tensione è sufficientemente grande, le scariche di scintille si trasformano in un arco elettrico stabile.
La ionizzazione durante una scarica ad arco raggiunge quasi il 100%, l'intensità della corrente è molto alta e può variare da 10 a 100 ampere. A pressione atmosferica, l'arco può riscaldarsi fino a 5-6 mila gradi e il catodo fino a 3 mila gradi, il che porta a un'intensa emissione termoionica dalla sua superficie. Il bombardamento dell'anodo con elettroni porta alla distruzione parziale: su di esso si forma una rientranza: un cratere con una temperatura di circa 4000 ° C. Un aumento della pressione provoca un aumento ancora maggiore delle temperature.
Quando si stendono gli elettrodi, la scarica dell'arco rimane stabile fino a una certa distanza,che ti consente di affrontarlo in quelle aree delle apparecchiature elettriche dove è dannoso a causa della corrosione e del burnout dei contatti da esso causato. Questi sono dispositivi come interruttori automatici e ad alta tensione, contattori e altri. Uno dei metodi per combattere l'arco che si verifica quando si aprono i contatti è l'uso di scivoli d'arco basati sul principio dell'estensione dell'arco. Vengono utilizzati anche molti altri metodi: ponticellare i contatti, utilizzare materiali con un elevato potenziale di ionizzazione e così via.
Dimissione della corona
Lo sviluppo di una scarica corona avviene alla normale pressione atmosferica in campi fortemente disomogenei vicino a elettrodi con una grande curvatura della superficie. Questi possono essere guglie, alberi, fili, vari elementi di apparecchiature elettriche che hanno una forma complessa e persino capelli umani. Tale elettrodo è chiamato elettrodo corona. I processi di ionizzazione e, di conseguenza, il bagliore del gas avvengono solo in prossimità di esso.
Una corona può formarsi sia sul catodo (corona negativa) quando viene bombardato con ioni, sia sull'anodo (positivo) come risultato della fotoionizzazione. La corona negativa, in cui il processo di ionizzazione viene allontanato dall'elettrodo a causa dell'emissione termica, è caratterizzata da un bagliore uniforme. Nella corona positiva, si possono osservare streamer: linee luminose di una configurazione spezzata che possono trasformarsi in canali di scintille.
Un esempio di scarica corona in condizioni naturali sono gli incendi di Sant'Elmo che si verificano sulle punte di alberi alti, sulle cime degli alberi e così via. Sono formati ad alta tensione dell'elettricitàcampi nell'atmosfera, spesso prima di un temporale o durante una tempesta di neve. Inoltre, sono stati fissati sulla pelle dell'aereo caduto in una nuvola di cenere vulcanica.
La scarica di Corona sui fili delle linee elettriche comporta notevoli perdite di energia elettrica. Ad alta tensione, una scarica corona può trasformarsi in un arco. Si combatte in vari modi, ad esempio aumentando il raggio di curvatura dei conduttori.
Corrente elettrica in gas e plasma
Il gas completamente o parzialmente ionizzato è chiamato plasma ed è considerato il quarto stato della materia. Nel complesso, il plasma è elettricamente neutro, poiché la carica totale delle sue particelle costituenti è zero. Questo lo distingue da altri sistemi di particelle cariche, come i fasci di elettroni.
In condizioni naturali, il plasma si forma, di norma, ad alte temperature a causa della collisione di atomi di gas ad alta velocità. La stragrande maggioranza della materia barionica nell'Universo è nello stato di plasma. Queste sono stelle, parte della materia interstellare, gas intergalattico. Anche la ionosfera terrestre è un plasma rarefatto e debolmente ionizzato.
Il grado di ionizzazione è una caratteristica importante di un plasma: le sue proprietà conduttive dipendono da esso. Il grado di ionizzazione è definito come il rapporto tra il numero di atomi ionizzati e il numero totale di atomi per unità di volume. Più il plasma è ionizzato, maggiore è la sua conduttività elettrica. Inoltre, è caratterizzato da un'elevata mobilità.
Vediamo, quindi, che i gas che conducono l'elettricità sono all'internoi canali di scarico non sono altro che plasma. Pertanto, le scariche a bagliore e corona sono esempi di plasma freddo; un canale scintillante di un fulmine o un arco elettrico sono esempi di plasma caldo, quasi completamente ionizzato.
Corrente elettrica in metalli, liquidi e gas - differenze e somiglianze
Consideriamo le caratteristiche che caratterizzano la scarica di gas rispetto alle proprietà della corrente in altri mezzi.
Nei metalli, la corrente è un movimento diretto di elettroni liberi che non comporta cambiamenti chimici. I conduttori di questo tipo sono chiamati conduttori del primo tipo; questi includono, oltre a metalli e leghe, carbone, alcuni sali e ossidi. Si distinguono per la conducibilità elettronica.
I conduttori del secondo tipo sono elettroliti, cioè soluzioni acquose liquide di alcali, acidi e sali. Il passaggio della corrente è associato a un cambiamento chimico nell'elettrolita: l'elettrolisi. Gli ioni di una sostanza disciolta nell'acqua, sotto l'azione di una differenza di potenziale, si muovono in direzioni opposte: cationi positivi - al catodo, anioni negativi - all'anodo. Il processo è accompagnato dall'evoluzione del gas o dalla deposizione di uno strato metallico sul catodo. I conduttori del secondo tipo sono caratterizzati da conducibilità ionica.
Per quanto riguarda la conducibilità dei gas, è, in primo luogo, temporanea e, in secondo luogo, presenta segni di somiglianze e differenze con ciascuno di essi. Quindi, la corrente elettrica sia negli elettroliti che nei gas è una deriva di particelle con carica opposta dirette verso elettrodi opposti. Tuttavia, mentre gli elettroliti sono caratterizzati da conducibilità puramente ionica, in una scarica di gas con una combinazionetipi di conducibilità elettronica e ionica, il ruolo principale spetta agli elettroni. Un' altra differenza tra la corrente elettrica nei liquidi e nei gas è la natura della ionizzazione. In un elettrolita, le molecole di un composto disciolto si dissociano in acqua, ma in un gas le molecole non si rompono, ma perdono solo elettroni. Pertanto, la scarica di gas, come la corrente nei metalli, non è associata a cambiamenti chimici.
Anche la fisica della corrente elettrica nei liquidi e nei gas non è la stessa. La conduttività degli elettroliti nel suo insieme obbedisce alla legge di Ohm, ma non si osserva durante una scarica di gas. La caratteristica volt-ampere dei gas ha un carattere molto più complesso associato alle proprietà del plasma.
Vale la pena ricordare le caratteristiche generali e distintive della corrente elettrica nei gas e nel vuoto. Il vuoto è quasi un dielettrico perfetto. "Quasi" - perché nel vuoto, nonostante l'assenza (più precisamente, una concentrazione estremamente bassa) di portatori di carica liberi, è possibile anche una corrente. Ma i potenziali vettori sono già presenti nel gas, devono solo essere ionizzati. I portatori di carica vengono portati nel vuoto dalla materia. Di norma, ciò si verifica nel processo di emissione di elettroni, ad esempio quando il catodo viene riscaldato (emissione termoionica). Ma, come abbiamo visto, anche le emissioni svolgono un ruolo importante in vari tipi di scarichi di gas.
Utilizzo di scarichi di gas nella tecnologia
Gli effetti dannosi di alcuni scarichi sono già stati brevemente discussi sopra. Ora prestiamo attenzione ai vantaggi che portano nell'industria e nella vita di tutti i giorni.
La scarica a bagliore viene utilizzata nell'ingegneria elettrica(stabilizzatori di tensione), nella tecnologia di rivestimento (metodo di sputtering catodico basato sul fenomeno della corrosione catodica). In elettronica, viene utilizzato per produrre fasci di ioni ed elettroni. Un campo di applicazione ben noto per le scariche luminose sono le lampade fluorescenti e le cosiddette lampade economiche e i tubi decorativi a scarica di argon e neon. Inoltre, le scariche a bagliore vengono utilizzate nei laser a gas e nella spettroscopia.
La scarica a scintilla viene utilizzata nei fusibili, nei metodi elettroerosivi di lavorazione dei metalli di precisione (taglio a scintilla, perforazione e così via). Ma è meglio conosciuto per il suo utilizzo nelle candele dei motori a combustione interna e negli elettrodomestici (stufe a gas).
La scarica ad arco, utilizzata per la prima volta nella tecnologia dell'illuminazione nel 1876 (la candela di Yablochkov - "luce russa"), serve ancora come fonte di luce, ad esempio in proiettori e potenti faretti. In ingegneria elettrica, l'arco è utilizzato nei raddrizzatori a mercurio. Inoltre, viene utilizzato nella saldatura elettrica, nel taglio dei metalli, nei forni elettrici industriali per la fusione di acciaio e leghe.
La scarica Corona viene utilizzata nei precipitatori elettrostatici per la pulizia dei gas ionici, contatori di particelle elementari, parafulmini, impianti di condizionamento. La scarica corona funziona anche in fotocopiatrici e stampanti laser, dove carica e scarica il tamburo fotosensibile e trasferisce la polvere dal tamburo alla carta.
Così, le scariche di gas di ogni tipo trovano di piùampia applicazione. La corrente elettrica nei gas viene utilizzata con successo ed efficacia in molte aree della tecnologia.
