Tidak ada dielektrik absolut di alam. Pergerakan partikel yang teratur - pembawa muatan listrik - yaitu arus, dapat disebabkan oleh lingkungan apa pun, tetapi hal ini memerlukannya kondisi khusus. Kami akan melihat caranya di sini fenomena kelistrikan dalam gas dan bagaimana gas dapat diubah dari dielektrik yang sangat baik menjadi konduktor yang sangat baik. Kami akan tertarik pada kondisi di mana arus listrik terjadi dalam gas, serta ciri-cirinya.

Sifat listrik gas

Dielektrik adalah suatu zat (medium) yang konsentrasi partikelnya - pembawa muatan listrik bebas - tidak mencapai apapun nilai yang signifikan, akibatnya konduktivitasnya dapat diabaikan. Semua gas adalah dielektrik yang baik. Sifat isolasinya digunakan di mana-mana. Misalnya, pada sakelar apa pun, sirkuit terbuka ketika kontak dibawa ke posisi sedemikian rupa sehingga celah udara terbentuk di antara keduanya. Kabel di saluran listrik juga diisolasi satu sama lain dengan lapisan udara.

Unit struktural gas apa pun adalah molekul. Terdiri dari inti atom dan awan elektronik, yaitu kumpulan muatan listrik, didistribusikan dengan cara tertentu di luar angkasa. Karena kekhasan strukturnya, molekul gas dapat terpolarisasi di bawah pengaruh medan listrik eksternal. Sebagian besar molekul yang membentuk gas bersifat netral secara listrik dalam kondisi normal, karena muatan di dalamnya saling meniadakan.

Jika medan listrik diterapkan pada gas, molekul akan mengambil orientasi dipol, menempati posisi spasial yang mengimbangi efek medan tersebut. Partikel bermuatan hadir dalam gas di bawah pengaruh Pasukan Coulomb akan mulai bergerak: ion positif - menuju katoda, ion negatif dan elektron - menuju anoda. Namun, jika medan tersebut memiliki potensi yang tidak mencukupi, aliran muatan yang terarah tidak akan muncul, dan kita lebih dapat berbicara tentang arus individu, yang sangat lemah sehingga harus diabaikan. Gas berperilaku seperti dielektrik.

Jadi, untuk kejadiannya arus listrik dalam gas, diperlukan konsentrasi pembawa muatan bebas yang tinggi dan adanya medan.

Ionisasi

Proses peningkatan jumlah muatan bebas dalam gas seperti longsoran disebut ionisasi. Dengan demikian, gas yang ada di dalamnya jumlah yang signifikan partikel bermuatan disebut terionisasi. Dalam gas-gas inilah arus listrik tercipta.

Proses ionisasi dikaitkan dengan pelanggaran netralitas molekul. Karena pelepasan elektron, timbul ion positif; penambahan elektron ke molekul mengarah pada pembentukan ion negatif. Selain itu, gas terionisasi mengandung banyak sekali elektron bebas. Ion positif dan terutama elektron merupakan pembawa muatan utama selama arus listrik dalam gas.

Ionisasi terjadi ketika sejumlah energi tertentu diberikan kepada suatu partikel. Jadi, elektron terluar dalam molekul, setelah menerima energi ini, dapat meninggalkan molekul. Tabrakan timbal balik antara partikel bermuatan dengan partikel netral menyebabkan pelepasan elektron baru, dan prosesnya menjadi seperti longsoran salju. Energi kinetik partikel juga meningkat, yang sangat mendorong ionisasi.

Dari manakah energi yang dikeluarkan untuk membangkitkan arus listrik dalam gas berasal? Ionisasi gas memiliki beberapa sumber energi, sesuai dengan jenisnya yang biasa diberi nama.

1. Ionisasi oleh medan listrik. Dalam hal ini energi potensial bidang dikonversi menjadi energi kinetik partikel.
2. Ionisasi termal. Peningkatan suhu juga menyebabkan pembentukan jumlah besar biaya gratis.
3. Fotoionisasi. Intinya proses ini apakah kuanta memberikan energi pada elektron radiasi elektromagnetik- foton, jika jumlahnya cukup frekuensi tinggi(ultraviolet, sinar-X, gamma kuanta).
4. Ionisasi tumbukan dihasilkan dari konversi energi kinetik partikel yang bertabrakan menjadi energi pemisahan elektron. Seiring dengan ionisasi termal, ia berfungsi sebagai faktor utama dalam eksitasi arus listrik dalam gas.

Setiap gas dicirikan oleh nilai ambang batas tertentu - energi ionisasi yang diperlukan elektron untuk melepaskan diri dari molekul, mengatasi penghalang potensial. Nilai elektron pertama ini berkisar dari beberapa volt hingga dua puluh volt; Untuk melepaskan elektron berikutnya dari suatu molekul, diperlukan lebih banyak energi, dan seterusnya.

Harus diingat bahwa bersamaan dengan ionisasi dalam gas, proses sebaliknya terjadi - rekombinasi, yaitu reduksi molekul netral di bawah pengaruh gaya tarik Coulomb.

Pelepasan gas dan jenisnya

Jadi, arus listrik dalam gas disebabkan oleh pergerakan teratur partikel bermuatan di bawah pengaruh medan listrik yang diterapkan padanya. Kehadiran biaya tersebut, pada gilirannya, dimungkinkan karena berbagai faktor ionisasi.

Oleh karena itu, ionisasi termal memerlukan suhu yang signifikan, tetapi memerlukan nyala api terbuka karena beberapa hal proses kimia mendorong ionisasi. Bahkan pada suhu yang relatif rendah dengan adanya nyala api, kemunculan arus listrik dalam gas dicatat, dan eksperimen dengan konduktivitas gas memudahkan untuk memverifikasi hal ini. Nyala api pembakar atau lilin harus ditempatkan di antara pelat kapasitor bermuatan. Rangkaian yang tadinya terbuka akibat adanya celah udara pada kapasitor akan menutup. Galvanometer yang dihubungkan ke rangkaian akan menunjukkan adanya arus.

Arus listrik dalam gas disebut pelepasan gas. Harus diingat bahwa untuk menjaga stabilitas pelepasan, kerja ionizer harus konstan, karena karena rekombinasi yang konstan, gas kehilangan sifat konduktif listriknya. Beberapa pembawa arus listrik dalam gas - ion - dinetralkan di elektroda, yang lain - elektron - ketika mencapai anoda, mereka diarahkan ke "plus" sumber medan. Jika faktor pengion berhenti bekerja, gas akan segera menjadi dielektrik kembali dan arus akan berhenti. Arus seperti itu, yang bergantung pada aksi ionizer eksternal, disebut pelepasan yang tidak mandiri.

Keunikan aliran arus listrik melalui gas dijelaskan oleh ketergantungan khusus arus pada tegangan - karakteristik arus-tegangan.

Mari kita perhatikan perkembangan pelepasan gas pada grafik ketergantungan arus-tegangan. Ketika tegangan meningkat ke nilai tertentu U 1, arus meningkat sebanding dengan itu, yaitu hukum Ohm terpenuhi. Energi kinetik meningkat, dan oleh karena itu, kecepatan muatan dalam gas meningkat, dan proses ini melampaui rekombinasi. Pada nilai tegangan dari U 1 hingga U 2, hubungan ini dilanggar; ketika U2 tercapai, semua pembawa muatan mencapai elektroda tanpa sempat bergabung kembali. Semua biaya gratis terlibat, dan peningkatan tegangan lebih lanjut tidak menyebabkan peningkatan arus. Jenis pergerakan muatan ini disebut arus saturasi. Dengan demikian, kita dapat mengatakan bahwa arus listrik dalam gas juga disebabkan oleh kekhasan perilaku gas terionisasi dalam medan listrik dengan berbagai kekuatan.

Ketika beda potensial antar elektroda mencapai nilai tertentu U 3 , tegangan menjadi cukup bagi medan listrik untuk menyebabkan ionisasi gas seperti longsoran salju. Energi kinetik elektron bebas sudah cukup untuk dampak ionisasi molekul. Kecepatannya di sebagian besar gas adalah sekitar 2000 km/s dan lebih tinggi (dihitung menggunakan rumus perkiraan v=600 Ui, dengan Ui adalah potensial ionisasi). Pada saat ini terjadi kerusakan gas dan peningkatan arus yang signifikan akibat sumber internal ionisasi. Oleh karena itu, pelepasan seperti itu disebut mandiri.

Kehadiran ionizer eksternal di dalam hal ini tidak lagi berperan dalam menjaga arus listrik pada gas. Debit mandiri di kondisi yang berbeda dan di berbagai karakteristik Sumber medan listrik mungkin memiliki ciri-ciri tertentu. Ada jenis self-discharge seperti glow, spark, arc dan corona. Kita akan melihat bagaimana arus listrik berperilaku dalam gas, secara singkat untuk masing-masing jenis ini.

Perbedaan potensial sebesar 100 (atau bahkan kurang) hingga 1000 volt sudah cukup untuk memulai self-discharge. Oleh karena itu, lucutan pijar, yang ditandai dengan nilai arus yang rendah (dari 10 -5 A hingga 1 A), terjadi pada tekanan tidak lebih dari beberapa milimeter air raksa.

Dalam tabung dengan gas yang dijernihkan dan elektroda dingin, pelepasan cahaya yang terbentuk tampak seperti tali tipis bercahaya di antara elektroda. Jika Anda terus memompa gas dari tabung, kabelnya akan tersapu, dan pada tekanan sepersepuluh milimeter air raksa, cahaya akan memenuhi tabung hampir seluruhnya. Tidak ada cahaya di dekat katoda - yang disebut ruang katoda gelap. Sisanya disebut kolom positif. Dalam hal ini, proses utama yang memastikan adanya pelepasan terlokalisasi tepat di ruang katoda gelap dan di area yang berdekatan dengannya. Di sini, partikel gas bermuatan dipercepat, mengeluarkan elektron dari katoda.

Dalam lucutan pijar, penyebab ionisasi adalah emisi elektron dari katoda. Elektron yang dipancarkan oleh katoda menghasilkan dampak ionisasi molekul gas, ion positif yang dihasilkan menyebabkan emisi sekunder dari katoda, dan seterusnya. Cahaya kolom positif terutama disebabkan oleh pelepasan foton oleh molekul gas yang tereksitasi, dan gas yang berbeda dicirikan oleh cahaya dengan warna tertentu. Kolom positif mengambil bagian dalam pembentukan lucutan pijar hanya sebagai bagian rangkaian listrik. Jika Anda mendekatkan elektroda, Anda dapat menghilangkan kolom positif, tetapi pelepasannya tidak akan berhenti. Namun, dengan semakin berkurangnya jarak antar elektroda, lucutan pijar tidak akan ada.

Perlu dicatat bahwa untuk dari jenis ini arus listrik dalam gas, fisika beberapa proses belum sepenuhnya diklarifikasi. Misalnya, sifat gaya yang menyebabkan perluasan wilayah pada permukaan katoda yang berperan dalam pelepasan seiring dengan peningkatan arus masih belum jelas.

Pelepasan percikan

Kerusakan percikan bersifat berdenyut. Ini terjadi pada tekanan yang mendekati tekanan atmosfer normal, ketika kekuatan sumber medan listrik tidak cukup untuk mempertahankan pelepasan stasioner. Kekuatan medannya tinggi dan bisa mencapai 3 MV/m. Fenomena ini ditandai peningkatan tajam melepaskan arus listrik dalam gas, pada saat yang sama tegangan turun dengan sangat cepat dan pelepasan berhenti. Kemudian beda potensial meningkat lagi, dan seluruh proses berulang.

Dengan jenis pelepasan ini, saluran percikan jangka pendek terbentuk, yang pertumbuhannya dapat dimulai dari titik mana pun di antara elektroda. Hal ini disebabkan oleh fakta bahwa dampak ionisasi terjadi secara acak di tempat-tempat saat ini berkonsentrasi jumlah terbesar ion. Di dekat saluran percikan, gas dengan cepat memanas dan mengalami pengalaman ekspansi termal, menyebabkan gelombang akustik. Oleh karena itu, keluarnya percikan api disertai dengan suara berderak, serta keluarnya panas dan pancaran cahaya yang terang. Proses ionisasi longsoran terjadi di saluran percikan tekanan tinggi dan suhu hingga 10 ribu derajat ke atas.

Contoh paling jelas dari pelepasan bunga api alami adalah petir. Diameter saluran percikan petir utama bisa berkisar dari beberapa sentimeter hingga 4 m, dan panjang saluran bisa mencapai 10 km. Kekuatan arusnya mencapai 500 ribu ampere, dan beda potensial antara awan petir dan permukaan bumi mencapai satu miliar volt.

Sambaran petir terpanjang, sepanjang 321 km, diamati pada tahun 2007 di Oklahoma, AS. Pemegang rekor durasi terlama adalah petir yang tercatat pada tahun 2012 di Pegunungan Alpen Prancis - berlangsung lebih dari 7,7 detik. Saat tersambar petir, udara bisa memanas hingga 30 ribu derajat, 6 kali lebih tinggi dari suhu permukaan Matahari yang terlihat.

Dalam kasus di mana kekuatan sumber medan listrik cukup tinggi, pelepasan percikan api berkembang menjadi pelepasan busur.

Jenis keterbukaan diri ini adalah ciri khasnya kepadatan tinggi arus dan tegangan rendah (lebih kecil dibandingkan dengan lucutan pijar). Jarak kerusakannya pendek karena kedekatan elektroda. Pelepasan diawali oleh emisi elektron dari permukaan katoda (untuk atom logam potensi ionisasinya kecil dibandingkan dengan molekul gas). Selama kerusakan, kondisi tercipta antara elektroda di mana gas menghantarkan arus listrik, dan terjadi pelepasan percikan, sehingga menutup sirkuit. Jika daya sumber tegangan cukup tinggi, maka percikan api berubah menjadi busur listrik yang stabil.

Ionisasi selama pelepasan busur mencapai hampir 100%, arusnya sangat tinggi dan dapat berkisar antara 10 hingga 100 ampere. Pada tekanan atmosfer busur dapat memanas hingga 5-6 ribu derajat, dan katoda - hingga 3 ribu derajat, yang menyebabkan emisi termionik yang intens dari permukaannya. Pemboman anoda dengan elektron menyebabkan kehancuran sebagian: sebuah depresi terbentuk di atasnya - sebuah kawah dengan suhu sekitar 4000 °C. Peningkatan tekanan menyebabkan peningkatan suhu yang lebih besar.

Ketika elektroda dipisahkan, pelepasan busur tetap stabil hingga jarak tertentu, yang memungkinkan untuk memeranginya di area peralatan listrik yang berbahaya karena korosi dan terbakarnya kontak yang ditimbulkannya. Ini adalah perangkat seperti tegangan tinggi dan pemutus arus, kontaktor dan lain-lain. Salah satu metode untuk mengatasi busur yang terjadi ketika kontak terbuka adalah dengan menggunakan ruang penekan busur berdasarkan prinsip pemanjangan busur. Banyak metode lain yang juga digunakan: melewati kontak, menggunakan bahan dengan potensi ionisasi tinggi, dan sebagainya.

Perkembangan pelepasan korona terjadi secara tajam pada tekanan atmosfer normal bidang yang tidak homogen untuk elektroda dengan kelengkungan permukaan yang besar. Ini bisa berupa menara, tiang, kabel, berbagai elemen peralatan listrik yang dimiliki bentuk yang kompleks, dan bahkan rambut manusia. Elektroda seperti ini disebut elektroda corona. Proses ionisasi dan, karenanya, pendaran gas hanya terjadi di dekatnya.

Korona dapat terbentuk di katoda (korona negatif) ketika dibombardir dengan ion, dan di anoda (korona positif) sebagai akibat fotoionisasi. Korona negatif, di mana proses ionisasi akibat emisi termal diarahkan menjauhi elektroda, ditandai dengan cahaya yang merata. Dalam mahkota positif, pita dapat diamati - garis bercahaya dengan konfigurasi rusak yang dapat berubah menjadi saluran percikan.

Contoh lucutan corona di kondisi alam terjadi di ujung tiang tinggi, puncak pohon, dan sebagainya. Mereka terbentuk pada kekuatan medan listrik yang tinggi di atmosfer, sering kali sebelum badai petir atau selama badai salju. Selain itu, mereka terekam di kulit pesawat yang terjebak di awan. abu vulkanik.

Pelepasan corona pada kabel saluran listrik menyebabkan kerugian listrik yang signifikan. Pada tegangan tinggi, lucutan korona dapat berubah menjadi lucutan busur. Mereka melawannya dalam berbagai cara, misalnya dengan menambah jari-jari kelengkungan konduktor.

Arus listrik dalam gas dan plasma

Gas yang terionisasi penuh atau sebagian disebut plasma dan dianggap sebagai gas keempat keadaan agregasi zat. Secara umum, plasma bersifat netral secara listrik, karena muatan total partikel penyusunnya sama dengan nol. Hal ini membedakannya dari sistem partikel bermuatan lainnya, seperti berkas elektron.

Dalam kondisi alami, plasma biasanya terbentuk pada suhu tinggi akibat tumbukan atom gas dengan kecepatan tinggi. Mayoritas materi baryonik di alam semesta berbentuk plasma. Ini adalah bintang, bagian dari materi antarbintang, gas antargalaksi. Ionosfer bumi juga merupakan plasma yang dijernihkan dan terionisasi lemah.

Derajat ionisasinya adalah karakteristik penting plasma - sifat konduktif bergantung padanya. Derajat ionisasi didefinisikan sebagai perbandingan jumlah atom yang terionisasi dengan jumlah total atom per satuan volume. Semakin banyak plasma terionisasi, semakin tinggi konduktivitas listriknya. Selain itu ditandai dengan mobilitas yang tinggi.

Oleh karena itu, kita melihat bahwa gas yang menghantarkan arus listrik di dalam saluran pelepasan tidak lebih dari plasma. Jadi, lucutan pijar dan corona adalah contoh plasma dingin; saluran percikan petir atau busur listrik adalah contoh plasma panas yang hampir terionisasi seluruhnya.

Arus listrik pada logam, cairan dan gas – perbedaan dan persamaan

Mari kita perhatikan ciri-ciri yang menjadi ciri pelepasan gas dibandingkan dengan sifat-sifat arus pada media lain.

Dalam logam, arus adalah pergerakan elektron bebas yang terarah, yang tidak menyebabkan perubahan kimia. Konduktor jenis ini disebut konduktor jenis pertama; Ini termasuk, selain logam dan paduan, batu bara, beberapa garam dan oksida. Mereka dibedakan berdasarkan konduktivitas elektronik.

Konduktor tipe kedua adalah elektrolit, yaitu cairan larutan berair basa, asam dan garam. Aliran arus dikaitkan dengan perubahan kimia elektrolit - elektrolisis. Ion suatu zat yang dilarutkan dalam air, di bawah pengaruh beda potensial, berpindah ke dalam sisi yang berlawanan: kation positif - ke katoda, anion negatif - ke anoda. Proses tersebut disertai dengan keluarnya gas atau pengendapan lapisan logam pada katoda. Konduktor tipe kedua dicirikan oleh konduktivitas ionik.

Adapun daya hantar gas, pertama, bersifat sementara, dan kedua, mempunyai tanda-tanda persamaan dan perbedaan pada masing-masing gas. Jadi, arus listrik baik dalam elektrolit maupun gas merupakan aliran partikel bermuatan berlawanan yang diarahkan ke elektroda berlawanan. Namun, meskipun elektrolit dicirikan oleh konduktivitas ionik murni, pelepasan gas dengan kombinasi jenis konduktivitas elektronik dan ionik, peran utama adalah milik elektron. Perbedaan lain antara arus listrik pada zat cair dan gas adalah sifat ionisasinya. Dalam elektrolit, molekul senyawa terlarut berdisosiasi dalam air, tetapi dalam gas, molekul tidak terurai, tetapi hanya kehilangan elektron. Oleh karena itu, pelepasan gas, seperti arus pada logam, tidak berhubungan dengan perubahan kimia.

Arus pada zat cair dan gas juga berbeda. Konduktivitas elektrolit umumnya mematuhi hukum Ohm, tetapi selama pelepasan gas hal ini tidak diperhatikan. Karakteristik tegangan-arus gas memiliki lebih banyak lagi karakter yang kompleks, terkait dengan sifat-sifat plasma.

Perlu disebutkan secara umum dan ciri khas arus listrik dalam gas dan dalam ruang hampa. Vakum adalah dielektrik yang hampir sempurna. "Hampir" - karena dalam ruang hampa, meskipun tidak ada (lebih tepatnya, konsentrasi yang sangat rendah) pembawa muatan bebas, arus juga dimungkinkan. Namun pembawa potensial sudah ada di dalam gas; mereka hanya perlu diionisasi. Pembawa muatan dimasukkan ke dalam ruang hampa dari zat tersebut. Biasanya, hal ini terjadi melalui proses emisi elektron, misalnya ketika katoda dipanaskan (emisi termionik). Tapi juga di berbagai jenis emisi pelepasan gas, seperti yang telah kita lihat, berperan peran penting.

Penerapan pelepasan gas dalam teknologi

TENTANG efek berbahaya kategori tertentu telah dibahas secara singkat di atas. Sekarang mari kita perhatikan manfaatnya dalam industri dan kehidupan sehari-hari.

Pelepasan cahaya digunakan dalam teknik kelistrikan (penstabil tegangan) dan teknologi pelapisan (metode sputtering katoda, berdasarkan fenomena korosi katoda). Dalam elektronik digunakan untuk menghasilkan berkas ion dan elektron. Area penerapan pelepasan cahaya yang dikenal luas adalah lampu neon dan apa yang disebut lampu hemat energi serta tabung pelepasan gas neon dan argon dekoratif. Selain itu, lucutan cahaya digunakan dalam spektroskopi.

Pelepasan percikan Menemukan aplikasi dalam sekering, dalam metode elektroerosif pemrosesan logam presisi (pemotongan percikan, pengeboran, dll.). Namun paling dikenal karena penggunaannya pada busi mesin. pembakaran internal dan pada peralatan rumah tangga (kompor gas).

Pelepasan busur, pertama kali digunakan dalam teknologi pencahayaan pada tahun 1876 (lilin Yablochkov - “cahaya Rusia”), masih berfungsi sebagai sumber cahaya - misalnya, pada perangkat proyeksi dan lampu sorot yang kuat. Dalam teknik kelistrikan, busur digunakan dalam penyearah merkuri. Selain itu, digunakan dalam pengelasan listrik, pemotongan logam, dan tungku listrik industri untuk peleburan baja dan paduan.

Pelepasan korona digunakan dalam pengendap listrik untuk pemurnian ion gas, dalam meter partikel elementer, di penangkal petir, di sistem pendingin udara. Pelepasan corona juga berfungsi pada mesin fotokopi dan printer laser, yang mengisi dan melepaskan drum fotosensitif dan memindahkan bubuk dari drum ke kertas.

Dengan demikian, semua jenis pelepasan gas menemukan penerapan yang paling luas. Arus listrik dalam gas berhasil dan efektif digunakan di banyak bidang teknologi.

Aliran arus listrik melalui gas

Arus listrik dalam gas memiliki ciri-ciri sebagai berikut dibandingkan dengan arus dalam konduktor logam:

1) pembawa muatan listrik dalam gas adalah partikel bermuatan dasar - elektron dan ion. Arus listrik dalam gas mewakili pergerakan terarah elektron dan ion di bawah pengaruh gradien potensial yang diterapkan;

2) atom dan molekul dalam gas terletak pada jarak yang cukup jauh satu sama lain, berkali-kali lebih besar dari ukuran molekul, akibatnya gaya interaksi di antara keduanya tidak signifikan dan praktis tidak ada muatan bebas. Agar gas menjadi konduktor, ia harus terionisasi, yaitu ion dan elektron bebas harus tercipta di dalamnya.

Dalam teori pelepasan gas, proses ionisasi awal celah gas di bawah aksi tegangan yang diberikan disebut pemecahan celah gas . Aliran arus listrik melalui gas disebut memulangkan .

Tegangan tembus pada jarak tertentu antar elektroda tergantung pada jenis gas dan tekanannya. Dengan tegangan bolak-balik, fenomena kerusakan diperumit oleh proses sampingan. Misalnya, ketika frekuensi meningkat, tegangan rusaknya menurun.

Proses fisik, yang terjadi pada saat breakdown, dapat digambarkan sebagai berikut. Dalam volume gas tertentu, sebagai akibat dari faktor pengion alami eksternal, gas tersebut selalu ada jumlah kecil partikel bermuatan bebas individu, yang ketika medan listrik muncul, mulai bergerak saluran listrik. Kecepatan pergerakan partikel bermuatan dalam gas bergantung pada muatan dan massanya, serta kekuatan medan. Jika suatu partikel bertemu dengan molekul gas atau molekul gas dalam perjalanannya, maka akan terjadi tumbukan. Bergantung pada energi kinetik yang dimiliki partikel pada saat tumbukan, dan sifat-sifat atom yang ditemui, akibatnya adalah perubahan kecepatan atom (tumbukan lenting) atau eksitasi atau bahkan ionisasi (tumbukan lenting). Saat bersemangat, pertumbuhan terjadi energi dalam, atom karena energi kinetik partikel. Kelebihan energi ini dilepaskan setelah periode waktu singkat dalam bentuk foton. Selama ionisasi, sebuah elektron dilepaskan dari elektron di orbit terluar atom atau molekul. Elektron yang dilepaskan akan bergerak di bawah pengaruh medan dan, pada gilirannya, dapat mengionisasi atom atau molekul yang ditemuinya. Proses pelepasan partikel bermuatan dengan kekuatan medan yang cukup berkembang seperti longsoran salju. Sirkuit eksternal di mana tegangan yang menyebabkan kerusakan diterapkan akan ditutup, dan arus listrik akan terbentuk di dalamnya, yang nilainya ditentukan terutama oleh parameter sirkuit eksternal ini.

Arus listrik pada logam

Logam merupakan konduktor listrik yang baik. Hal ini disebabkan oleh mereka struktur internal. Semua logam memiliki sifat eksternal elektron valensi terikat lemah pada inti, dan ketika atom-atom bergabung menjadi kisi kristal, elektron-elektron ini menjadi milik bersama, menjadi milik seluruh bagian logam.

Pembawa muatan dalam logam adalah elektron .

Elektron dalam logam, ketika ditempatkan dalam medan listrik, bergerak dengan konstan kecepatan rata-rata, sebanding dengan kekuatan medan.

Ketergantungan resistansi konduktor pada suhu

Dengan meningkatnya suhu, kecepatan pergerakan termal elektron konduksi meningkat, yang menyebabkan peningkatan frekuensi tumbukan dengan ion-ion kisi kristal dan, dengan demikian, peningkatan resistensi.

Superkonduktivitas - fenomena penurunan tajam resistansi konduktor menjadi nol ketika didinginkan hingga suhu kritis(tergantung jenis bahannya).

Superkonduktivitas adalah efek kuantum. Hal ini dijelaskan oleh fakta bahwa kapan suhu rendah jumlah elektron secara makroskopis berperilaku sebagai suatu benda tunggal. Mereka tidak dapat bertukar dengan kisi kristal bagian energi yang lebih kecil dari energi ikatnya, sehingga tidak terjadi disipasi energi panas yang berarti tidak ada hambatan.

Kombinasi elektron seperti itu dimungkinkan ketika mereka membentuk pasangan bosonik (Cooper) - keadaan elektron yang berkorelasi dengan spin dan momentum yang berlawanan.

Efek Meissner - represi medan magnet dari superkonduktor. Arus tak teredam bersirkulasi di dalam konduktor dalam keadaan superkonduktor, menciptakan medan magnet yang berlawanan dengan medan magnet luar. Medan magnet yang kuat menghancurkan superkonduktivitas.

Arus listrik dalam zat cair

Elektrolit Merupakan kebiasaan untuk menyebut media penghantar yang aliran arus listriknya disertai dengan perpindahan suatu zat

Setelah mencapai katoda, ion tembaga dinetralkan oleh kelebihan elektron katoda dan berubah menjadi atom netral yang disimpan di katoda. Ion klorin, setelah mencapai anoda, melepaskan masing-masing satu elektron. Klorin dilepaskan di anoda dalam bentuk gelembung.

Hukum elektrolisis secara eksperimental ditetapkan oleh fisikawan Inggris M. Faraday pada tahun 1833 ( hukum Faraday)

M- massa zat murni yang dilepaskan sebagai hasil elektrolisis

k- setara elektrokimia suatu zat

Di Sini tidak ada- Konstanta Avogadro, M = m 0 N A- geraham massa zat,
F = eNA A =96485 C/mol- konstanta Faraday

Konstanta Faraday secara numerik sama dengan muatan yang harus dilewatkan melalui elektrolit untuk melepaskan satu mol zat monovalen pada elektroda.

Hukum Faraday untuk elektrolisis

Arus listrik dalam gas

Dalam kondisi normal, semua gas bersifat dielektrik, yaitu tidak menghantarkan arus listrik. Sifat ini menjelaskan, misalnya, meluasnya penggunaan udara sebagai bahan isolasi. Prinsip pengoperasian sakelar dan pemutus arus justru didasarkan pada fakta bahwa dengan membuka kontak logamnya, kita menciptakan lapisan udara di antara keduanya yang tidak menghantarkan arus.

Namun pada kondisi tertentu, gas dapat menjadi konduktor. Misalnya, nyala api yang dimasukkan ke dalam ruang antara dua piringan logam (lihat gambar) menyebabkan galvanometer mencatat munculnya arus. Kesimpulannya sebagai berikut: nyala api, yaitu gas yang dipanaskan sampai suhu tinggi, merupakan penghantar arus listrik.

Pemanasan - tidak satu-satunya cara mengubah gas menjadi konduktor. Alih-alih api, Anda bisa menggunakan sinar ultraviolet atau radiasi sinar-X, serta aliran partikel alfa atau elektron. Eksperimen telah menetapkan bahwa tindakan dari salah satu penyebab ini menyebabkan ionisasi molekul gas.

Aliran arus melalui gas disebut pelepasan gas. Kita baru saja melihat contoh dari apa yang disebut dengan pembuangan limbah yang tidak berkelanjutan. Disebut demikian karena memerlukan semacam ionizer untuk memeliharanya - nyala api, radiasi, atau aliran partikel bermuatan. Eksperimen menunjukkan bahwa jika ionizer dihilangkan, ion dan elektron segera bersatu kembali (dikatakan: bergabung kembali), kembali membentuk molekul yang netral secara listrik. Akibatnya gas berhenti menghantarkan arus sehingga menjadi dielektrik.

Konduktivitas gas yang independen dan non-independen

Untuk membuat gas menjadi konduktif, dengan satu atau lain cara perlu memasukkan atau membuat pembawa muatan bebas - partikel bermuatan ke dalamnya. Dalam hal ini, ada dua kemungkinan yang mungkin terjadi: partikel bermuatan ini tercipta oleh aksi beberapa partikel faktor eksternal atau mereka dimasukkan ke dalam gas dari luar - konduktivitas non-independen, atau mereka dibuat di dalam gas oleh aksi medan listrik itu sendiri yang ada di antara elektroda - konduktivitas independen.

Dalam kasus konduktivitas non-mandiri, pada nilai U yang kecil, grafiknya tampak seperti garis lurus, yaitu. Hukum Ohm masih berlaku; Dengan bertambahnya U, kurva menekuk dengan tegangan tertentu dan berubah menjadi garis lurus horizontal.

Artinya mulai dari tegangan tertentu, arusnya tetap nilai konstan, meskipun terjadi peningkatan tegangan. Nilai arus yang konstan dan tidak bergantung pada tegangan ini disebut arus saturasi.

Pelepasan gas yang tidak berkelanjutan - pelepasan yang hanya terjadi di bawah pengaruh ionizer eksternal.

Ketika tegangan meningkat, terjadi ionisasi tumbukan - fenomena tersingkirnya elektron dari molekul netral - jumlah pembawa muatan meningkat seperti longsoran salju. Muncul kategori mandiri.

Pelepasan gas mandiri - debit yang ada setelah ionizer eksternal dihilangkan.

Proses yang mempengaruhi konduktivitas gas

Ionisasi termal- ketika atom netral bertabrakan, elektron tersingkir dan atom berubah menjadi ion positif
Ionisasi secara radiasi(fotoionisasi) - peluruhan atom menjadi elektron dan ion positif di bawah pengaruh cahaya
Ionisasi tumbukan elektron- menjatuhkan elektron dari atom dengan elektron yang dipercepat untuk membentuk ion positif
Emisi elektron sekunder dari katoda - mengeluarkan elektron dari katoda oleh ion positif
Emisi termionik- emisi elektron oleh logam yang dipanaskan

Pelepasan cahaya: Pada tekanan gas beberapa persepuluh milimeter air raksa, pelepasannya mempunyai bentuk yang khas, secara skematis ditunjukkan pada Gambar. Ini adalah arus dalam gas terionisasi, atau lebih tepatnya dalam plasma bersuhu rendah. Pelepasan cahaya terbentuk ketika arus melewati gas yang dibuang. Segera setelah tegangan melebihi nilai tertentu, gas dalam labu terionisasi dan terjadi pendaran. Ini pada dasarnya adalah arus listrik yang tidak begitu banyak di dalam gas melainkan di dalam plasma. Warna pancaran gas (plasma) tergantung pada substansi gas tersebut.

Pelepasan percikan: Pada kuat medan yang cukup tinggi (sekitar 3 MV/m), percikan listrik muncul di antara elektroda, yang tampak seperti saluran belitan bercahaya terang yang menghubungkan kedua elektroda. Gas di dekat percikan api memanas hingga suhu tinggi dan tiba-tiba mengembang sehingga menyebabkan gelombang suara, dan kami mendengar suara retakan yang khas. Terjadi dalam kondisi normal, pada tekanan atmosfer normal, seperti halnya lucutan pijar yang terjadi akibat ionisasi gas, tetapi pada tegangan tinggi, tidak seperti pelepasan busur, di tempat yang paling penting kepadatan tinggi saat ini

Pelepasan corona: terjadi di medan listrik yang kuat dengan intensitas tinggi, cukup untuk menyebabkan ionisasi gas (atau cairan). Dalam hal ini, medan listrik tidak seragam; di beberapa tempat intensitasnya jauh lebih besar. Gradien (selisih) potensial medan terbentuk, dan dimana potensialnya lebih besar, ionisasi gas terjadi lebih kuat, lebih intens, kemudian aliran ion mencapai bagian lain dari medan tersebut, sehingga membentuk aliran listrik. Akibatnya, pelepasan gas mahkota dengan bentuk yang aneh terbentuk, tergantung pada geometri konduktor - sumber kekuatan medan.

Pelepasan busur: mewakili kerusakan listrik gas, yang kemudian menjadi pelepasan plasma konstan - busur, busur listrik terbentuk. Pelepasan busur ditandai dengan tegangan yang lebih rendah daripada pelepasan pijar. Dipertahankan terutama karena emisi termionik, ketika elektron dilepaskan dari elektroda. Nama lama untuk busur semacam itu adalah “busur volta”. Ciri khas Busur seperti itu dicirikan oleh kepadatan arus yang tinggi dan tegangan rendah, yang dibatasi oleh sumber arus. Untuk menciptakan busur seperti itu, elektroda-elektroda didekatkan, terjadi kerusakan, dan kemudian dipisahkan.

Dalam kondisi normal, gas bersifat dielektrik, yaitu. terdiri dari atom dan molekul netral dan tidak mengandung pembawa arus listrik bebas. Gas konduktor adalah gas terionisasi. Gas terionisasi memiliki konduktivitas elektron-ion.

Udara adalah dielektrik pada saluran listrik, kapasitor udara, dan sakelar kontak.

Udara merupakan penghantar ketika terjadi petir, percikan listrik, ketika busur las terjadi.

Ionisasi gas adalah penguraian atom atau molekul netral menjadi ion dan elektron positif dengan cara menghilangkan elektron dari atom. Ionisasi terjadi ketika gas dipanaskan atau terkena radiasi (UV, sinar X, radioaktif) dan dijelaskan oleh peluruhan atom dan molekul selama tumbukan dengan kecepatan tinggi.

Pelepasan gas adalah arus listrik dalam gas terionisasi. Pembawa muatan adalah ion positif dan elektron. Pelepasan gas diamati dalam tabung pelepasan gas (lampu) ketika terkena medan listrik atau magnet.

Beras. 1

Rekombinasi partikel bermuatan

Gas berhenti menjadi konduktor jika ionisasi berhenti, hal ini terjadi akibat rekombinasi (penyatuan kembali partikel bermuatan berlawanan).

Beras. 2

Ada pelepasan gas yang mandiri dan tidak mandiri.

Pelepasan listrik yang tidak berkelanjutan. Pengalaman menunjukkan bahwa dua pelat bermuatan berbeda yang dipisahkan oleh lapisan udara tidak mengeluarkan muatan.

Biasanya zat di dalamnya keadaan gas merupakan isolator karena atom atau molekul penyusunnya mengandung nomor yang sama muatan listrik negatif dan positif dan umumnya netral.

Mari kita nyalakan api korek api atau lampu spiritus ke dalam ruang di antara pelat-pelat tersebut (Gbr. 3).

Beras. 3

Dalam hal ini, elektrometer akan mulai mengeluarkan daya dengan cepat. Akibatnya, udara di bawah pengaruh nyala api menjadi konduktor. Ketika nyala api dihilangkan dari ruang antara pelat, pelepasan elektrometer berhenti. Hasil yang sama dapat diperoleh dengan menyinari pelat dengan lampu busur listrik. Eksperimen ini membuktikan bahwa gas dapat menjadi penghantar arus listrik.

Fenomena aliran arus listrik melalui gas, hanya diamati pada kondisi tertentu pengaruh eksternal, disebut pelepasan listrik yang tidak mandiri.

Ionisasi termal. Pemanasan suatu gas menjadikannya sebagai penghantar arus listrik karena sebagian atom atau molekul gas berubah menjadi ion bermuatan.

Untuk melepaskan elektron dari atom, harus dilakukan usaha melawan gaya atraksi Coulomb antara inti bermuatan positif dan elektron negatif. Proses pelepasan elektron dari suatu atom disebut ionisasi atom. Energi minimum yang harus dikeluarkan untuk melepaskan elektron dari suatu atom atau molekul disebut energi ikat.

Sebuah elektron dapat terlepas dari sebuah atom ketika dua atom bertabrakan jika energi kinetiknya melebihi energi ikat elektron. Energi kinetik gerak termal atom atau molekul berbanding lurus suhu absolut Oleh karena itu, dengan meningkatnya suhu gas, jumlah tumbukan atom atau molekul yang disertai ionisasi semakin meningkat.

Proses penciptaan elektron bebas dan ion positif yang dihasilkan dari tumbukan atom dan molekul gas pada suhu tinggi disebut ionisasi termal.

Plasma. Gas yang sebagian besar atom atau molekulnya terionisasi disebut plasma. Derajat ionisasi termal plasma bergantung pada suhu. Misalnya, pada suhu 10.000 K, kurang dari 10% jumlah total atom hidrogen terionisasi; pada suhu di atas 20.000 K, hidrogen hampir terionisasi sempurna.

Elektron dan ion plasma dapat bergerak di bawah pengaruh medan listrik. Jadi, pada suhu rendah gas merupakan isolator; pada suhu tinggi ia berubah menjadi plasma dan menjadi penghantar arus listrik.

Fotoionisasi. Energi yang dibutuhkan untuk melepaskan elektron dari atom atau molekul dapat ditransfer melalui cahaya. Ionisasi atom atau molekul oleh cahaya disebut fotoionisasi.

Pelepasan listrik mandiri. Ketika kuat medan listrik meningkat hingga nilai tertentu, tergantung pada sifat gas dan tekanannya, arus listrik timbul di dalam gas bahkan tanpa pengaruh ionizer eksternal. Fenomena arus listrik yang melewati gas, tidak tergantung pada aksi ionizer eksternal, disebut pelepasan listrik independen.

Di udara pada tekanan atmosfer, pelepasan listrik independen terjadi pada kekuatan medan listrik yang kira-kira sama

Mekanisme utama ionisasi gas dengan pelepasan listrik independen adalah ionisasi atom dan molekul akibat pengaruh elektron.

Ionisasi tumbukan elektron. Ionisasi melalui tumbukan elektron menjadi mungkin ketika elektron, selama jalur bebasnya, memperoleh energi kinetik melebihi energi ikatan W elektron dengan atom.

Energi kinetik W k sebuah elektron, yang diperoleh di bawah pengaruh kuat medan listrik, sama dengan kerja gaya medan listrik:

W k = Fl = eEl,

dimana l adalah panjang jalur bebas.

Oleh karena itu, perkiraan kondisi permulaan ionisasi oleh tumbukan elektron berbentuk

Energi ikat elektron dalam atom dan molekul biasanya dinyatakan dalam elektron volt (eV). 1 eV sama dengan bekerja, yang dihasilkan medan listrik saat menggerakkan elektron (atau partikel lain dengan muatan dasar) antara titik-titik medan, tegangan antara 1 V:

Energi ionisasi atom hidrogen, misalnya, adalah 13,6 eV.

Mekanisme pelepasan diri. Perkembangan pelepasan listrik mandiri dalam gas berlangsung sebagai berikut. Sebuah elektron bebas di bawah pengaruh medan listrik memperoleh percepatan. Jika kuat medan listrik cukup tinggi, elektron jalur bebas meningkatkan energi kinetiknya sedemikian rupa sehingga elektron tersebut terionisasi saat bertumbukan dengan molekul.

Elektron pertama, yang menyebabkan ionisasi molekul, dan elektron kedua, yang dilepaskan sebagai akibat ionisasi, di bawah pengaruh medan listrik memperoleh percepatan dalam arah dari katoda ke anoda. Masing-masing dari mereka, selama tumbukan berikutnya, melepaskan satu elektron lagi dan jumlah total elektron bebas menjadi sama dengan empat. Kemudian, dengan cara yang sama, meningkat menjadi 8, 16, 32, 64, dst. Jumlah elektron bebas yang berpindah dari katoda ke anoda meningkat seperti longsoran salju hingga mencapai anoda pada Gambar. 4.

Beras. 4

Ion positif yang terbentuk dalam gas bergerak di bawah pengaruh medan listrik dari anoda ke katoda. Ketika ion positif menumbuk katoda dan di bawah pengaruh cahaya yang dipancarkan selama proses pelepasan, elektron baru dapat dilepaskan dari katoda. Elektron-elektron ini selanjutnya dipercepat oleh medan listrik dan menimbulkan longsoran ion-elektron baru, sehingga prosesnya dapat berlangsung terus menerus.

Konsentrasi ion dalam plasma meningkat seiring dengan berkembangnya pelepasan mandiri, dan hambatan listrik dari celah pelepasan menurun. Kekuatan arus dalam rangkaian self-discharge biasanya hanya ditentukan oleh resistansi internal sumber arus dan hambatan listrik elemen rangkaian lainnya.

Pelepasan percikan. Petir. Jika sumber arus tidak mampu mempertahankan pelepasan listrik secara mandiri dalam waktu yang lama, maka pelepasan mandiri yang terjadi disebut pelepasan percikan. Pelepasan percikan berhenti dalam waktu singkat setelah dimulainya pelepasan sebagai akibat dari penurunan tegangan yang signifikan. Contoh pelepasan bunga api adalah percikan api yang terjadi saat menyisir rambut, memisahkan lembaran kertas, atau mengeluarkan muatan kapasitor.

Petir yang diamati selama badai petir juga mewakili pelepasan listrik yang independen. Kekuatan arus pada saluran petir mencapai 10.000-20.000 A, durasi pulsa arus beberapa puluh mikrodetik. Pelepasan listrik independen antara awan petir dan Bumi berhenti dengan sendirinya setelah beberapa kali sambaran petir paling kelebihan muatan listrik masuk awan badai dinetralkan oleh arus listrik yang mengalir melalui saluran plasma petir (Gbr. 5).

Beras. 6

Ketika arus dalam saluran plasma petir meningkat, plasma memanas hingga suhu lebih dari 10.000 K. Perubahan tekanan dalam saluran plasma petir seiring dengan meningkatnya arus dan penghentian pelepasan menyebabkan fenomena suara yang disebut guntur.

Keluarnya cahaya. Ketika tekanan gas di celah pelepasan berkurang, saluran pelepasan menjadi lebih lebar, dan kemudian seluruh tabung pelepasan terisi secara merata dengan plasma bercahaya. Jenis pelepasan listrik independen dalam gas disebut pelepasan pijar (Gbr. 7).

Beras. 7

Busur listrik. Jika kekuatan arus dalam pelepasan gas mandiri sangat tinggi, maka dampak dari ion positif dan elektron dapat menyebabkan pemanasan katoda dan anoda. Pada suhu tinggi, elektron dipancarkan dari permukaan katoda, memastikan terpeliharanya pelepasan gas secara mandiri. Pelepasan listrik independen jangka panjang dalam gas, yang didukung oleh emisi termionik dari katoda, disebut pelepasan busur (Gbr. 8).

Beras. 8

Pelepasan corona. Dalam medan listrik yang sangat tidak homogen yang terbentuk, misalnya antara ujung dan bidang atau antara kawat dan bidang (saluran listrik), terjadi pelepasan bebas. tipe khusus, disebut pelepasan corona. Selama pelepasan korona, ionisasi akibat tumbukan elektron hanya terjadi di dekat salah satu elektroda, di area dengan kuat medan listrik tinggi.

Penerapan pelepasan listrik. Dampak elektron yang dipercepat oleh medan listrik tidak hanya menyebabkan ionisasi atom dan molekul gas, tetapi juga eksitasi atom dan molekul, disertai dengan emisi cahaya. Emisi cahaya dari plasma pelepasan listrik mandiri banyak digunakan di perekonomian nasional dan dalam kehidupan sehari-hari. Ini adalah lampu neon dan lampu pelepasan gas untuk penerangan jalan, busur listrik pada peralatan proyeksi film dan lampu merkuri-kuarsa yang digunakan di rumah sakit dan klinik. Suhu tinggi plasma pelepasan busur memungkinkannya digunakan untuk memotong dan mengelas struktur logam, untuk melelehkan logam. Dengan menggunakan pelepasan percikan, bagian-bagian yang terbuat dari bahan yang paling keras diproses.

Pelepasan listrik dalam bentuk gas juga bisa menjadi fenomena yang tidak diinginkan yang harus dilawan dengan teknologi. Misalnya, pelepasan listrik korona dari kabel saluran listrik bertegangan tinggi menyebabkan hilangnya listrik yang tidak berguna. Peningkatan rugi-rugi ini seiring dengan meningkatnya tegangan membatasi jalur peningkatan tegangan lebih lanjut pada saluran listrik, sedangkan peningkatan seperti itu sangat diinginkan untuk mengurangi kehilangan energi akibat pemanasan kabel.