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 pada saat terjadi petir, terjadi percikan listrik, maupun pada saat terjadinya busur las.
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.
Bergantung pelepasan listrik. 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 cahaya 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 kemunculan elektron bebas Dan ion positif akibat tumbukan atom dan molekul gas selama 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, jalur bebas elektron akan meningkatkan energi kinetiknya sedemikian rupa sehingga elektron akan 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. Kuat arus dalam rangkaian self-discharge biasanya hanya ditentukan oleh hambatan 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 api. Pelepasan percikan berhenti dalam waktu singkat setelah dimulainya pelepasan sebagai akibat dari penurunan tegangan yang signifikan. Contoh pelepasan percikan-- percikan api yang terjadi saat menyisir rambut, memisahkan lembaran kertas, atau mengeluarkan 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 plasma dari pelepasan listrik mandiri banyak digunakan dalam perekonomian nasional dan 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 plasma tinggi 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 gas juga bisa menjadi fenomena yang tidak diinginkan yang harus diatasi dengan teknologi. Misalnya, pelepasan listrik korona dari kabel saluran listrik bertegangan tinggi menyebabkan hilangnya listrik yang tidak berguna. Peningkatan rugi-rugi ini dengan meningkatnya tegangan membatasi peningkatan tegangan lebih lanjut pada saluran listrik, sedangkan peningkatan seperti itu sangat diinginkan untuk mengurangi kehilangan energi akibat pemanasan kabel.
Dalam kondisi normal, gas tidak menghantarkan listrik karena molekul-molekulnya netral secara listrik. Misalnya, udara kering adalah isolator yang baik, seperti yang dapat kita verifikasi dengan bantuan alat tersebut eksperimen sederhana pada elektrostatika. Namun, udara dan gas lainnya menjadi konduktor arus listrik jika ion tercipta di dalamnya dengan satu atau lain cara.
Beras. 100. Udara menjadi penghantar arus listrik jika terionisasi
Eksperimen paling sederhana yang menggambarkan konduktivitas udara selama ionisasinya oleh nyala api ditunjukkan pada Gambar. 100: muatan pada pelat, yang bertahan lama, dengan cepat menghilang ketika korek api yang menyala dimasukkan ke dalam ruang di antara pelat.
Pelepasan gas. Proses melewatkan arus listrik melalui suatu gas biasa disebut pelepasan gas (atau pelepasan listrik dalam gas). Pelepasan gas dibagi menjadi dua jenis: mandiri dan tidak mandiri.
Pembuangan yang tidak mandiri. Pelepasan gas disebut tidak mandiri jika diperlukan sumber eksternal untuk memeliharanya
ionisasi. Ion dalam gas dapat timbul di bawah pengaruh suhu tinggi, sinar-X dan radiasi ultraviolet, radioaktivitas, sinar kosmik dll. Dalam semua kasus ini, satu atau lebih elektron dilepaskan dari kulit elektron atom atau molekul. Akibatnya, ion positif dan elektron bebas muncul di dalam gas. Elektron yang dilepaskan dapat menempel pada atom atau molekul netral, mengubahnya menjadi ion negatif.
Ionisasi dan rekombinasi. Seiring dengan proses ionisasi, proses rekombinasi terbalik juga terjadi dalam gas: dengan bergabung satu sama lain, ion positif dan negatif atau ion positif dan elektron membentuk molekul atau atom netral.
Perubahan konsentrasi ion dari waktu ke waktu karena sumber ionisasi dan proses rekombinasi yang konstan dapat digambarkan sebagai berikut. Mari kita asumsikan bahwa sumber ionisasi menghasilkan ion positif dan jumlah elektron yang sama per satuan volume gas per satuan waktu. Jika tidak ada arus listrik dalam gas dan kepergian ion dari volume yang dipertimbangkan akibat difusi dapat diabaikan, maka satu-satunya mekanisme untuk mengurangi konsentrasi ion adalah rekombinasi.
Rekombinasi terjadi ketika ion positif bertemu dengan elektron. Banyaknya pertemuan tersebut sebanding dengan jumlah ion dan jumlah elektron bebas, yaitu sebanding dengan . Oleh karena itu, penurunan jumlah ion per satuan volume per satuan waktu dapat ditulis dalam bentuk , dimana a adalah nilai konstan yang disebut koefisien rekombinasi.
Jika asumsi yang diajukan valid, maka persamaan keseimbangan ion-ion dalam gas akan dituliskan dalam bentuk
Kami tidak akan menyelesaikan persamaan diferensial ini dalam bentuk umum, tetapi akan mempertimbangkan beberapa kasus khusus yang menarik.
Pertama-tama, kami mencatat bahwa proses ionisasi dan rekombinasi setelah beberapa waktu harus saling mengimbangi dan konsentrasi konstan akan terbentuk dalam gas;
Semakin kuat sumber ionisasi dan semakin rendah koefisien rekombinasi a, semakin besar konsentrasi ion stasioner.
Setelah ionizer dimatikan, penurunan konsentrasi ion dijelaskan oleh persamaan (1), yang harus diambil sebagai nilai konsentrasi awal
Menulis ulang persamaan ini dalam bentuk setelah integrasi yang kita peroleh
Grafik fungsi ini ditunjukkan pada Gambar. 101. Ini melambangkan hiperbola, yang asimtotnya adalah sumbu waktu dan garis vertikal. arti fisik hanya memiliki sebagian hiperbola yang sesuai dengan nilainya. Perhatikan sifat lambat dari penurunan konsentrasi dari waktu ke waktu dibandingkan dengan proses peluruhan eksponensial yang sering ditemui dalam fisika, yang terjadi ketika laju penurunan kuantitas berapa pun adalah. sebanding dengan pangkat pertama dari nilai sesaat besaran tersebut.
Beras. 101. Penurunan konsentrasi ion dalam gas setelah sumber ionisasi dimatikan
Non-konduktivitas diri. Proses penurunan konsentrasi ion setelah ionizer berhenti bekerja dipercepat secara signifikan jika gas berada dalam medan listrik luar. Dengan menarik elektron dan ion ke elektroda, medan listrik dapat dengan cepat mengurangi konduktivitas listrik gas menjadi nol tanpa adanya ionizer.
Untuk memahami hukum pelepasan yang tidak mandiri, mari kita sederhanakan kasus ketika arus dalam gas yang terionisasi oleh sumber eksternal mengalir antara dua elektroda datar yang sejajar satu sama lain. Dalam hal ini, ion dan elektron berada dalam medan listrik seragam dengan intensitas E, sama dengan rasionya tegangan yang diterapkan ke elektroda dengan jarak di antara mereka.
Mobilitas elektron dan ion. Dengan tegangan yang diberikan konstan, tertentu kekuatan konstan arus 1. Artinya elektron dan ion dalam gas terionisasi bergerak dengan kecepatan konstan. Untuk menjelaskan fakta ini, kita harus berasumsi bahwa selain gaya percepatan konstan medan listrik, ion dan elektron yang bergerak juga dipengaruhi oleh gaya hambatan yang meningkat seiring dengan meningkatnya kecepatan. Gaya-gaya ini menggambarkan efek rata-rata tumbukan elektron dan ion dengan atom netral dan molekul gas. Berkat kekuatan perlawanan
Rata-rata, kecepatan elektron dan ion konstan, sebanding dengan kuat medan listrik E:
Koefisien proporsionalitas disebut mobilitas elektron dan ion. Mobilitas ion dan elektron memiliki nilai yang berbeda-beda dan bergantung pada jenis gas, kepadatannya, suhu, dll.
Kerapatan arus listrik, yaitu muatan yang ditransfer oleh elektron dan ion per satuan waktu melalui suatu satuan luas, dinyatakan melalui konsentrasi elektron dan ion, muatannya, dan kecepatan gerak tetap.
Kuasi-netralitas. Dalam kondisi biasa, gas terionisasi secara keseluruhan netral secara listrik, atau, seperti yang mereka katakan, kuasi-netral, karena dalam volume kecil yang mengandung jumlah elektron dan ion yang relatif sedikit, kondisi netralitas listrik dapat dilanggar. Artinya relasinya terpenuhi
Kepadatan arus selama pelepasan yang tidak mandiri. Untuk memperoleh hukum perubahan konsentrasi pembawa arus dari waktu ke waktu selama pelepasan yang tidak mandiri dalam gas, perlu juga memperhitungkan proses ionisasi oleh sumber eksternal dan rekombinasi. lepasnya elektron dan ion ke elektroda. Jumlah partikel per satuan waktu per luas elektroda dari volume sama dengan. Kita memperoleh laju penurunan konsentrasi partikel tersebut dengan membagi angka ini dengan volume gas di antara elektroda. Oleh karena itu, persamaan keseimbangan (1) dengan adanya arus akan ditulis dalam bentuk
Untuk menetapkan rezim, bila dari (8) kita peroleh
Persamaan (9) memungkinkan kita untuk menemukan ketergantungan kerapatan arus kondisi tunak selama pelepasan tidak mandiri pada tegangan yang diberikan (atau pada kuat medan E).
Dua kasus pembatas segera terlihat.
hukum Ohm. Pada tegangan rendah, pada persamaan (9) suku kedua di ruas kanan dapat diabaikan, setelah itu kita peroleh rumus (7) dan kita peroleh
Kerapatan arus sebanding dengan kekuatan medan listrik yang diterapkan. Jadi, untuk pelepasan gas yang tidak mandiri dalam medan listrik lemah, hukum Ohm terpenuhi.
Arus saturasi. Pada konsentrasi elektron dan ion yang rendah pada persamaan (9), persamaan pertama (kuadrat dalam suku di sebelah kanan) dapat diabaikan. Dalam pendekatan ini, vektor rapat arus diarahkan sepanjang kuat medan listrik, dan modulusnya
tidak bergantung pada tegangan yang diberikan. Hasil ini berlaku untuk medan listrik kuat. Dalam hal ini kita berbicara tentang arus saturasi.
Kedua kasus yang dianggap membatasi dapat dipelajari tanpa menggunakan persamaan (9). Namun, dengan cara ini tidak mungkin untuk melacak bagaimana, dengan meningkatnya tegangan, terjadi transisi dari hukum Ohm ke ketergantungan nonlinier arus pada tegangan.
Dalam kasus pembatas pertama, ketika arus sangat kecil, mekanisme utama untuk menghilangkan elektron dan ion dari daerah pelepasan adalah rekombinasi. Oleh karena itu, untuk konsentrasi stasioner, kita dapat menggunakan persamaan (2), yang jika memperhitungkan (7), langsung memberikan rumus (10). Sebaliknya, dalam kasus pembatas kedua, rekombinasi diabaikan. Dalam medan listrik yang kuat, elektron dan ion tidak memiliki waktu untuk bergabung kembali secara nyata selama perpindahan dari satu elektroda ke elektroda lainnya, jika konsentrasinya cukup rendah. Kemudian semua elektron dan ion yang dihasilkan oleh sumber eksternal mencapai elektroda dan rapat arus total sama dengan. Sebanding dengan panjang ruang ionisasi, karena nomor penuh elektron dan ion yang dihasilkan oleh ionizer sebanding dengan I.
Studi eksperimental pelepasan gas. Kesimpulan dari teori pelepasan gas yang tidak mandiri dikonfirmasi oleh eksperimen. Untuk mempelajari pelepasan gas, akan lebih mudah menggunakan tabung kaca dengan dua elektroda logam. Diagram kelistrikan dari instalasi tersebut ditunjukkan pada Gambar. 102. Mobilitas
elektron dan ion sangat bergantung pada tekanan gas (berbanding terbalik dengan tekanan), sehingga akan lebih mudah untuk melakukan eksperimen pada tekanan rendah.
Pada Gambar. Gambar 103 menunjukkan ketergantungan kekuatan arus I dalam tabung pada tegangan yang diterapkan pada elektroda tabung. Ionisasi dalam tabung dapat dilakukan, misalnya dengan sinar X atau sinar ultraviolet, atau menggunakan obat radioaktif lemah. Yang penting adalah sumber ion eksternal tetap tidak berubah. Bagian linier dari karakteristik tegangan arus OA sesuai dengan rentang penerapan hukum Ohm.
Beras. 102. Diagram instalasi untuk mempelajari pelepasan gas
Beras. 103. Karakteristik tegangan arus eksperimental dari pelepasan gas
Pada suatu penampang, kuat arus bergantung secara nonlinier pada tegangan. Mulai dari titik B, arus mencapai saturasi dan tetap konstan pada area tertentu. Semua ini sesuai dengan prediksi teoritis.
Debit mandiri. Namun, di titik C arus mulai meningkat lagi, mula-mula perlahan dan kemudian sangat tajam. Artinya telah muncul gas baru, sumber internal ion. Jika sekarang kita menghilangkan sumber eksternalnya, pelepasan gas tidak akan berhenti, yaitu pelepasan akan berubah dari tidak mandiri menjadi mandiri. Selama self-discharge, pembentukan elektron dan ion baru terjadi sebagai akibat dari proses internal di dalam gas itu sendiri.
Ionisasi tumbukan elektron. Peningkatan arus selama transisi dari pelepasan yang tidak mandiri ke pelepasan yang mandiri terjadi seperti longsoran salju dan disebut gangguan listrik pada gas. Tegangan saat terjadinya kerusakan disebut tegangan penyalaan. Itu tergantung pada jenis gas dan produk tekanan gas dan jarak antara elektroda.
Proses dalam gas yang bertanggung jawab atas peningkatan kekuatan arus seperti longsoran salju dengan meningkatnya tegangan yang diberikan berhubungan dengan ionisasi atom netral atau molekul gas oleh elektron bebas yang dipercepat oleh medan listrik hingga cukup.
energi tinggi. Energi kinetik elektron sebelum tumbukan berikutnya dengan atom atau molekul netral sebanding dengan kuat medan listrik E dan jalur bebas rata-rata elektron X:
Jika energi ini cukup untuk mengionisasi atom atau molekul netral, yaitu melebihi kerja ionisasi
kemudian ketika sebuah elektron bertabrakan dengan atom atau molekul, mereka terionisasi. Akibatnya, alih-alih satu elektron, muncul dua elektron. Mereka, pada gilirannya, dipercepat oleh medan listrik dan mengionisasi atom atau molekul yang ditemui di sepanjang jalurnya, dll. Proses ini berkembang seperti longsoran salju dan disebut longsoran elektron. Mekanisme ionisasi yang dijelaskan disebut ionisasi dampak elektron.
Bukti eksperimental bahwa ionisasi atom gas netral terjadi terutama karena pengaruh elektron, bukan ion positif, diberikan oleh J. Townsend. Dia mengambil ruang ionisasi dalam bentuk kapasitor silinder, elektroda internalnya berupa benang logam tipis yang direntangkan sepanjang sumbu silinder. Dalam ruangan seperti itu, medan listrik yang mengalami percepatan sangat tidak homogen, dan peran utama dalam ionisasi dimainkan oleh partikel-partikel yang termasuk dalam wilayah yang paling besar. bidang yang kuat dekat benang. Pengalaman menunjukkan bahwa pada tegangan yang sama antara elektroda, arus pelepasan lebih besar ketika potensial positif diterapkan pada filamen daripada pada silinder luar. Dalam hal ini semua elektron bebas yang menghasilkan arus harus melewati wilayah medan terkuat.
Emisi elektron dari katoda. Pelepasan mandiri dapat menjadi stasioner hanya jika elektron bebas baru terus-menerus muncul di dalam gas, karena semua elektron yang timbul dalam longsoran mencapai anoda dan dikeluarkan dari permainan. Elektron baru dikeluarkan dari katoda oleh ion positif, yang ketika bergerak menuju katoda, juga dipercepat oleh medan listrik dan memperoleh energi yang cukup untuk ini.
Katoda dapat memancarkan elektron tidak hanya sebagai akibat dari pemboman ion, tetapi juga secara mandiri ketika dipanaskan hingga suhu tinggi. Proses ini disebut emisi termionik, dan dapat dianggap sebagai sejenis penguapan elektron dari logam. Biasanya terjadi pada suhu saat penguapan bahan katoda itu sendiri masih sedikit. Dalam kasus pelepasan gas yang berlangsung sendiri, katoda biasanya tidak memanas
filamen, seperti pada tabung vakum, tetapi karena pelepasan panas ketika dibombardir dengan ion positif. Oleh karena itu, katoda memancarkan elektron bahkan ketika energi ion tidak cukup untuk melumpuhkan elektron.
Pelepasan mandiri dalam gas terjadi tidak hanya sebagai akibat transisi dari pelepasan mandiri dengan bertambahnya tegangan dan jarak. sumber eksternal ionisasi, tetapi juga dengan penerapan langsung tegangan melebihi ambang tegangan penyalaan. Teori ini menunjukkan bahwa untuk menyalakan pelepasan, sejumlah kecil ion sudah cukup, yang selalu ada dalam gas netral, jika hanya karena latar belakang radioaktif alami.
Tergantung pada sifat dan tekanan gas, konfigurasi elektroda dan tegangan yang diterapkan pada elektroda, berbagai jenis self-discharge dimungkinkan.
Keluarnya cahaya. Pada tekanan rendah(sepersepuluh dan seperseratus milimeter air raksa) lucutan cahaya diamati di dalam tabung. Untuk menyalakan lucutan pijar, tegangan beberapa ratus atau bahkan puluhan volt sudah cukup. Empat wilayah karakteristik dapat dibedakan dalam lucutan pijar. Ini adalah ruang gelap katoda, ruang terang (atau negatif), ruang gelap Faraday, dan kolom positif bercahaya, yang menempati sebagian besar ruang antara anoda dan katoda.
Tiga wilayah pertama terletak di dekat katoda. Di sinilah terjadi penurunan potensial yang tajam, terkait dengan konsentrasi ion positif yang tinggi pada batas ruang gelap katoda dan cahaya yang membara. Elektron yang dipercepat di wilayah ruang gelap katoda menghasilkan dampak ionisasi yang kuat di wilayah cahaya yang membara. Cahaya tersebut disebabkan oleh rekombinasi ion dan elektron menjadi atom atau molekul netral. Kolom pelepasan positif ditandai dengan sedikit penurunan potensial dan cahaya yang disebabkan oleh kembalinya atom atau molekul gas yang tereksitasi ke keadaan dasar.
Pelepasan corona. Pada tekanan yang relatif tinggi dalam gas (sesuai urutan tekanan atmosfer) di dekat bagian konduktor yang runcing, di mana medan listriknya sangat tidak homogen, terjadi pelepasan, yang daerah bercahayanya menyerupai mahkota. Pelepasan corona terkadang terjadi secara alami di puncak pohon, tiang kapal, dll. (“Api St. Elmo”). Pelepasan corona harus diperhitungkan dalam teknologi tegangan tinggi, ketika pelepasan ini terjadi di sekitar kabel saluran listrik bertegangan tinggi dan mengakibatkan hilangnya aliran listrik. Berguna aplikasi praktis Pelepasan korona ditemukan pada alat pengendap listrik untuk memurnikan gas industri dari pengotor partikel padat dan cair.
Ketika tegangan antar elektroda meningkat, lucutan korona berubah menjadi lucutan percikan dengan kerusakan total pada celah di antara keduanya
elektroda. Itu terlihat seperti sekumpulan saluran bercabang zigzag terang, langsung menembus celah pelepasan dan saling menggantikan secara aneh. Pelepasan percikan api disertai dengan pelepasan panas dalam jumlah besar, pancaran cahaya putih kebiruan, dan retakan yang kuat. Hal ini dapat diamati di antara bola-bola mesin elektrofor. Contoh pelepasan bunga api raksasa adalah petir alami yang arusnya mencapai 5-105 A dan beda potensial mencapai 109 V.
Karena pelepasan percikan terjadi pada tekanan atmosfer (dan lebih tinggi), tegangan penyalaan sangat tinggi: di udara kering dengan jarak antara elektroda 1 cm, tegangannya sekitar 30 kV.
Busur listrik. Jenis pelepasan gas independen tertentu yang praktis penting adalah busur listrik. Ketika dua elektroda karbon atau logam bersentuhan pada titik kontaknya, jumlah besar panas karena resistensi kontak yang tinggi. Akibatnya, emisi termionik dimulai dan ketika elektroda-elektroda bergerak menjauh, busur gas yang sangat terionisasi dan sangat konduktif bercahaya terang muncul di antara keduanya. Kekuatan arus bahkan dalam busur kecil mencapai beberapa ampere, dan dalam busur besar - beberapa ratus ampere pada tegangan sekitar 50 V. Busur listrik banyak digunakan dalam teknologi sebagai sumber cahaya yang kuat, dalam tungku listrik dan untuk pengelasan listrik . medan perlambatan lemah dengan tegangan sekitar 0,5 V. Medan ini mencegah elektron lambat mencapai anoda. Elektron dipancarkan dari katoda K, yang dipanaskan oleh arus listrik.
Pada Gambar. Gambar 105 menunjukkan ketergantungan arus pada rangkaian anoda terhadap tegangan percepatan yang diperoleh pada percobaan ini. Ketergantungan ini bersifat nonmonotonik dengan maksimum pada tegangan kelipatan 4,9 V.
Kebijaksanaan tingkat energi atom. Ketergantungan arus pada tegangan hanya dapat dijelaskan dengan adanya atom merkuri yang terpisah. keadaan stasioner. Jika atom tidak mempunyai keadaan stasioner diskrit, mis. energi dalam dapat mengambil nilai berapa pun, maka tumbukan tidak lenting yang disertai dengan peningkatan energi dalam atom dapat terjadi pada energi elektron berapa pun. Jika terdapat keadaan diskrit, maka tumbukan elektron dengan atom hanya dapat bersifat elastik, selama energi elektron tidak mencukupi untuk memindahkan atom dari keadaan dasar ke keadaan tereksitasi paling rendah.
Pada tumbukan elastis energi kinetik elektron praktis tidak berubah, karena massa elektron jauh lebih kecil daripada massa atom merkuri. Dalam kondisi ini, jumlah elektron yang mencapai anoda meningkat secara monoton seiring dengan meningkatnya tegangan. Ketika tegangan percepatan mencapai 4,9 V, tumbukan elektron-atom menjadi tidak elastik. Energi dalam atom meningkat secara tiba-tiba, dan elektron kehilangan hampir seluruh energi kinetiknya akibat tumbukan.
Medan perlambatan juga tidak memungkinkan elektron lambat berpindah ke anoda dan kekuatan arus menurun tajam. Ia tidak hilang hanya karena beberapa elektron mencapai jaringan tanpa mengalami tumbukan inelastis. Maksimum arus kedua dan berikutnya diperoleh karena pada tegangan kelipatan 4,9 V, elektron dalam perjalanannya ke jaringan dapat mengalami beberapa tumbukan inelastis dengan atom merkuri.
Jadi, elektron memperoleh energi yang diperlukan untuk tumbukan inelastis hanya setelah melewati beda potensial 4,9 V. Artinya energi dalam atom merkuri tidak dapat berubah kurang dari eV, yang membuktikan keleluasaan spektrum energi. atom. Validitas kesimpulan ini juga dikonfirmasi oleh fakta bahwa pada tegangan 4,9 V pelepasan mulai bersinar: atom tereksitasi dengan spontan
transisi ke emisi keadaan dasar cahaya tampak, frekuensinya bertepatan dengan yang dihitung dengan rumus
Dalam eksperimen klasik Frank dan Hertz, tidak hanya potensi eksitasi, tetapi juga potensi ionisasi sejumlah atom ditentukan dengan metode tumbukan elektron.
Berikan contoh percobaan elektrostatika yang dapat kita simpulkan bahwa udara kering merupakan isolator yang baik.
Di manakah sifat isolasi udara yang digunakan dalam teknologi?
Apa yang dimaksud dengan pelepasan gas yang tidak berkelanjutan? Dalam kondisi apa hal itu terjadi?
Jelaskan mengapa laju penurunan konsentrasi akibat rekombinasi sebanding dengan kuadrat konsentrasi elektron dan ion. Mengapa konsentrasi tersebut dapat dianggap sama?
Mengapa tidak masuk akal jika hukum penurunan konsentrasi, yang dinyatakan dengan rumus (3), memperkenalkan konsep waktu karakteristik, yang banyak digunakan untuk proses peluruhan eksponensial, meskipun dalam kedua kasus proses tersebut berlanjut, secara umum, tanpa batas?
Menurut Anda, mengapa tanda yang berlawanan dipilih dalam definisi mobilitas pada rumus (4) elektron dan ion?
Bagaimana kekuatan arus dalam pelepasan gas yang tidak mandiri bergantung pada tegangan yang diberikan? Mengapa transisi dari hukum Ohm ke arus saturasi terjadi dengan meningkatnya tegangan?
Arus listrik dalam gas dialirkan oleh elektron dan ion. Namun, setiap elektroda hanya menerima muatan satu tanda. Bagaimana hal ini konsisten dengan kenyataan bahwa kuat arus di semua bagian rangkaian seri adalah sama?
Mengapa terjadi ionisasi gas dalam pelepasan akibat tumbukan peran terbesar Apakah elektron yang bermain dan bukan ion positif?
Jelaskan ciri-cirinya berbagai jenis pelepasan gas independen.
Mengapa hasil eksperimen Frank dan Hertz menunjukkan keleluasaan tingkat energi atom?
Menggambarkan proses fisik, terjadi dalam tabung pelepasan gas dalam percobaan Frank dan Hertz, dengan meningkatnya tegangan percepatan.
Arus listrik pada logam
Logam merupakan konduktor listrik yang baik. Hal ini disebabkan oleh struktur internal mereka. Semua logam memiliki elektron valensi terluar yang 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 kecepatan rata-rata konstan yang sebanding dengan kuat 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 pada suhu rendah sejumlah elektron makroskopik berperilaku seperti satu benda. Mereka tidak dapat bertukar bagian energi dengan kisi kristal yang lebih kecil dari energi ikatnya, sehingga tidak terjadi disipasi energi panas, yang berarti tidak adanya hambatan.
Kombinasi elektron seperti itu dimungkinkan ketika mereka membentuk pasangan bosonik (Cooper) - keadaan elektron yang berkorelasi dengan spin dan momentum yang berlawanan.
Efek Meissner adalah perpindahan 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- massa molar 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 kasus yang mungkin terjadi: partikel bermuatan ini tercipta oleh aksi beberapa faktor eksternal atau dimasukkan ke dalam gas dari luar - konduktivitas non-independen, atau mereka tercipta di dalam gas melalui aksi medan listrik. itu sendiri 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. Pelepasan independen terjadi.
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, menyebabkan munculnya gelombang suara dan kita mendengar suara berderak yang khas. Terjadi dalam kondisi normal, pada tekanan atmosfer normal, seperti halnya lucutan pijar yang terjadi akibat ionisasi gas, tetapi pada tegangan tinggi, berbeda dengan pelepasan busur, yang mengutamakan kepadatan arus yang tinggi.
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 permanen - 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 semacam itu adalah kerapatan arusnya yang tinggi dan tegangannya yang rendah, yang dibatasi oleh sumber arus. Untuk menciptakan busur seperti itu, elektroda-elektroda didekatkan, terjadi kerusakan, dan kemudian dipisahkan.
Gagasan tentang struktur sel listrik juga dikemukakan oleh hasil yang diperoleh dalam studi fenomena kelistrikan dalam gas. Aliran listrik melalui gas dan fenomena yang terkait dengan proses ini telah diamati kondisi laboratorium kembali pada pertengahan abad ke-18. Namun, fenomena ini mulai dipelajari secara sistematis jauh di kemudian hari pertengahan abad ke-19 abad.
Pada tahun 1838, Faraday, ketika mempertimbangkan aliran listrik melalui gas yang dijernihkan, menemukan bahwa cahaya yang menyertai pelepasan tersebut memiliki struktur tertentu. Faraday tidak mengembangkan teori tentang fenomena ini, tetapi menunjukkan bahwa hasil pengamatannya di masa depan” akan memiliki pengaruh yang jauh lebih besar terhadap teori kelistrikan daripada yang dapat kita bayangkan saat ini».
Sejak tahun 50-an, setelahnya Heinrich Geisler(1814-1879) mulai memproduksi tabung pelepasan gas (yang menyandang namanya), studi tentang pelepasan gas menjadi lebih intensif. Pada tahun 1858-1859. Julius Plücker(1801-1861), mempelajari pelepasan listrik dalam tabung tersebut, menemukan keberadaan “sinar katoda”. Ia memperhatikan bahwa jika katoda dibuat dalam bentuk ujung, maka pancarannya berbentuk tali yang memanjang dari katoda. “Tali” ini dibelokkan oleh medan magnet. Plücker sampai pada kesimpulan bahwa ini adalah aliran partikel bermuatan yang terbang dari katoda ke anoda. Dia juga memperhatikan bahwa kaca di dekat katoda mulai bersinar.
Penelitian yang dilakukan oleh sejumlah fisikawan mengkonfirmasi fakta yang ditetapkan oleh Plücker dan melengkapinya dengan fakta baru. Tidak ada konsensus mengenai sifat partikel-partikel ini. Jadi, misalnya, William Penjahat(1832-1919) sampai pada kesimpulan bahwa sinar katoda adalah aliran partikel khusus bermuatan negatif dan mewakili keadaan materi keempat. Yang lain percaya bahwa sinar katoda adalah aliran partikel biasa (atom atau molekul) yang membawa muatan listrik.
Hipotesis molekuler Crookes tentang sifat sinar katoda ditentang oleh hipotesis gelombang yang didukung oleh ilmuwan Jerman Wiedemann, Goldstein dan Lenard. Hertz yang masih dipengaruhi oleh teori Helmholtz yang mengasumsikan adanya tidak hanya gelombang elektromagnetik transversal tetapi juga longitudinal, juga menganggap sinar katoda sebagai gelombang longitudinal di eter. Namun, Hertz tidak mampu mencapai pembelokan sinar katoda ketika melewati medan elektrostatis. Pada tahun 1892, ia menunjukkan bahwa sinar katoda dapat menembus pelat aluminium tipis.
Dengan menggunakan penemuan ini, Philip Lenard(1862-1947) menghilangkan sinar-sinar ini dari tabung dengan mengganti bagian tabung kaca di depan katoda dengan lembaran logam yang cukup kuat untuk menahan tekanan atmosfer.
Namun hipotesis gelombang tidak sesuai dengan fakta bahwa sinar katoda dibelokkan oleh magnet karena gelombang cahaya tidak dipengaruhi oleh medan magnet. Bagaimana hipotesis molekuler Hipotesis gelombang Crookes dan Goldstein ternyata tidak memuaskan. Untuk keluar dari kesulitan ini, diperlukan data eksperimen tambahan.
Kelahiran Elektronik
Mereka diperoleh oleh seorang fisikawan muda Jean Perrin(1870-1942), yang saat itu bekerja dengan Lippmann di laboratorium Ecole Normal di Paris. Perrin menempatkan silinder logam tertutup dengan lubang kecil di seberang katoda pada jarak 10 cm darinya di dalam tabung pelepasan di depan katoda dan menghubungkan silinder tersebut ke elektroskop. Ketika tabung beroperasi, seberkas sinar katoda menembus silinder, dan silinder selalu bermuatan negatif. Untuk pengecekannya cukup membelokkan sinar katoda dengan magnet agar tidak menembus ke dalam silinder, dan langsung elektroskop yang menempel pada silinder ternyata tidak bermuatan.
Dari sini kita dapat menyimpulkan: sinar katoda adalah muatan listrik negatif, sehingga sifat materialnya tampaknya lebih mungkin terjadi daripada gelombang.
Saat itu tahun 1895. Tahun ini elektronik lahir.
Pada tahun 80-an, akhirnya menjadi jelas bahwa gas bukanlah isolator mutlak dan, meskipun lemah, dapat menghantarkan arus listrik; konduktivitasnya dapat ditingkatkan dengan memanaskannya, misalnya. Telah dikemukakan bahwa, seperti halnya konduktivitas elektrolit, konduktivitas gas disebabkan oleh adanya partikel ion bermuatan.
Sudut pandang ini dikembangkan secara rinci pada tahun 1882 Wilhelm Giese. Menurut teorinya, gas selalu mengandung sejumlah partikel bermuatan yang terbentuk sebagai hasil pembelahan molekul menjadi partikel ion positif dan negatif, yang seperti halnya cairan, dapat menghantarkan listrik. Namun, dalam kondisi normal, hanya ada sedikit ion seperti itu di dalam gas. Pada suhu yang lebih tinggi, jumlah mereka meningkat dan konduktivitas meningkat.
Fisikawan Inggris juga menganut teori ini Arthur Shuster(1851-1934), yang meyakini bahwa partikel gas – ion – selalu membawa muatan listrik tertentu. Melanjutkan penelitiannya, Shuster mencoba menguji teori ini secara eksperimental dan sekaligus menentukan rasio muatan terhadap massa ion-ion tersebut. Untuk melakukan ini, ia memutuskan untuk menggunakan fenomena pembelokan sinar katoda dalam medan magnet. Dengan mengetahui kekuatan medan magnet, beda potensial, dan mengukur defleksi sinar katoda dalam medan magnet, kita dapat menghitung rasio muatan terhadap massa partikel katoda. Eksperimen serupa dilakukan oleh Shuster, yang menemukan hal itu e/m = 10^(11) C/kg.
Hasil ini tampak meragukan bagi Shuster. Dia percaya bahwa rasio e/m dalam sinar katoda harus sama besarnya dengan rasio e/m untuk ion hidrogen yang dihitung dari data elektrolisis, yaitu pada urutan 10^(8) C/kg. "... Saya bisa menyimpulkan dari sini, tulis Shuster, bahwa jumlah listrik yang ditransfer selama pelepasan gas jauh lebih besar daripada jumlah listrik yang ditransfer oleh ion selama elektrolisis, atau bahwa massa “pembawanya” jauh lebih kecil" Namun, Shuster tidak membuat kesimpulan seperti itu saat itu. Penelitiannya dipublikasikan pada tahun 1890, namun tidak menarik perhatian.
Akhirnya, hipotesis diajukan bahwa arus konduksi terjadi sebagai akibat dari pergerakan muatan diskrit. Ide ini dimiliki oleh Fechner dan kemudian dikembangkan oleh Weber.
Awalnya, Weber tidak membahas hubungan antara “atom listrik” dan atom suatu zat, tetapi kemudian ia harus mengaitkannya dengan partikel listrik massa. Hal ini dilakukan saat berdiskusi dengan Helmholtz tentang hubungan teorinya dengan hukum kekekalan energi. Pada tahun 1871 dia menulis itu dengan “ Setiap ion penting dikaitkan dengan atom listrik».
Dengan menggunakan hipotesis ini, Weber mencoba menjelaskan sejumlah fenomena yang berhubungan dengan arus listrik, antara lain timbulnya panas pada konduktor oleh arus, termoelektrik, fenomena Peltier, dan lain-lain. Pada saat yang sama, ia berhasil mengantisipasi sejumlah ketentuan yang ditetapkan kemudian. dalam teori elektronik.
Partikel materi bermuatan, yang disebut ion Lorentz, menyebabkan di lingkungannya, yaitu di eter, kondisi khusus, yang ditentukan oleh nilai tegangan listrik E dan magnetis N bidang. Partikel bermuatan harus mengalami gaya yang bergantung pada nilainya E Dan N pada titik lokasinya, serta pada kecepatan pergerakannya. Gaya ini disebut gaya Lorentz.
Tidak mungkin menerapkan persamaan Lorentz secara langsung untuk menggambarkan proses elektromagnetik pada skala makroskopis dengan adanya medium. Kuantitas E Dan N mengubah nilainya dari jarak jauh ukuran atom dan, terlebih lagi, dengan sangat cepat, sehingga nilai terukur medan listrik dan magnet mewakili nilai rata-rata besaran tersebut. Oleh karena itu, agar persamaan Lorentz dapat diterapkan pada bidang makroskopis, persamaan tersebut perlu dirata-ratakan. Untuk kasus media stasioner, persamaan Maxwell biasa diperoleh. Dalam kasus ketika medium mempunyai sifat magnet, rata-rata persamaan Lorentz lebih rumit, namun untuk media stasioner kita sampai pada persamaan Maxwell. Untuk kasus ketika medium bergerak secara keseluruhan, rata-rata persamaan Lorentz menghasilkan persamaan baru, yang dianggap Lorentz sebagai persamaan media bergerak.
Perlu dicatat bahwa perkembangan teori elektronik Lorentz sebagian besar disebabkan oleh upaya untuk menciptakan elektrodinamika media bergerak. Hal ini menjelaskan judul karya utamanya, “ Pengalaman dalam teori kelistrikan dan fenomena optik dalam benda bergerak».
Kesuksesan serius pertama teori baru adalah penjelasan yang ditemukan pada tahun 1896 Peter Zeeman(1865-1943) fenomena terbelahnya garis spektral dalam medan magnet. Pengaturan awal Zeeman tidak dilengkapi dengan instrumentasi yang cukup presisi, dan Zeeman hanya memperhatikan bahwa garis spektral melebar jika sumber cahaya ditempatkan di medan magnet. Setelah mempelajari hasil percobaan pertama Zeeman, Lorentz menjelaskannya berdasarkan teori elektron. Pada saat yang sama, ia meramalkan bahwa garis spektral dalam eksperimen Zeeman tidak hanya akan meluas, tetapi terpecah menjadi dua atau tiga, tergantung pada arah pengamatan yang dilakukan sehubungan dengan arah medan magnet. Lorentz juga menetapkan bahwa garis-garis ini harus terpolarisasi dengan cara tertentu. Studi eksperimental selanjutnya menegaskan kesimpulan Lorentz dan, dengan demikian, merupakan konfirmasi terhadap teori elektronik.
Segera setelah terciptanya teori elektronik, teori elektronik tentang logam dikembangkan. fisikawan Jerman Paul Drude(1863-1906) percaya bahwa elektron dalam logam bebas dan berperilaku seperti atom gas ideal. Hipotesis ini memungkinkan dia, dengan menerapkan metode teori kinetik gas pada elektron di dalam logam, untuk membangun teori elektronik logam, yang dikembangkan lebih lanjut oleh Lorentz pada tahun 1904-1907.
Hasil baru juga diperoleh dengan menerapkan teori elektron untuk menjelaskannya sifat magnetik telp. Perkembangan gagasan tentang elektron menimbulkan tantangan untuk mempertimbangkan fenomena paramagnetisme dan diamagnetisme dari sudut pandang teori ini.
Untuk pertama kalinya, seorang ilmuwan Inggris mulai mengembangkan teori diamagnetisme elektronik Joseph Larmore(1957-1942), yang bersamaan dengan Lorenz ikut serta dalam pembangunan teori umum elektron. Larmore menjelaskan fenomena diamagnetisme dengan mempertimbangkan pergerakan elektron dalam materi, dengan memperhitungkan aksi medan magnet luar (presisi Larmore).
Pada tahun 1905 Paul Langevin(1872-1946) mengembangkan teori elektronik diamagnetisme dan paramagnetisme yang lebih rinci dan ketat. Teori elektronik feromagnetisme dikembangkan pada tahun 1907 Pierre Weiss(1865-1940).
Akhir abad ke-19 dalam sejarah fisika ditandai dengan sejumlah penemuan mendasar yang menyebabkannya revolusi ilmiah dalam pandangan para fisikawan. Yang paling penting adalah penemuan elektron dan penetapan ketergantungan massanya pada kecepatan, dan kemudian penemuan radioaktivitas. Yang perlu diperhatikan adalah penemuan efek fotolistrik dan hukum-hukumnya, serta penemuan sinar-X. Selain dua penemuan terakhir nilai eigen untuk mengembangkan ide tentang fenomena fisik memainkan peran penting dalam penemuan elektron dan massa elektromagnetik, dan dalam penemuan radioaktivitas.
Pada tahun 1895 Wilhelm Conrad Roentgen(1845-1923) menemukan sinar yang disebut sinar X. Penemuan ini sangat menarik perhatian para ilmuwan dan menimbulkan diskusi luas tentang sifat mereka. Sejumlah sifat sinar yang tidak biasa ini dengan cepat diklarifikasi: kemampuan untuk melewati benda buram cahaya, mengionisasi gas, dll., tetapi sifat sinar itu sendiri masih belum jelas.
Roentgen berhipotesis bahwa sinar tersebut adalah gelombang elektromagnetik longitudinal. Ada hipotesis tentang sifat sel darah sinar ini. Di sisi lain, segera setelah penemuan Roentgen, dikemukakan bahwa sinar-sinar ini adalah gelombang elektromagnetik, dalam bentuk pulsa elektromagnetik yang saling mengikuti secara kacau.
Namun, semua upaya untuk mendeteksi sifat gelombang sinar-X, misalnya mengamati difraksinya, untuk waktu yang lama tidak berhasil sampai fisikawan Jerman Max Felix Theodor Laue(1979-1960) gagasan tersebut tidak dimanfaatkan kisi difraksi kristal dan mencoba mendeteksi difraksi sinar-X dari kisi kristal (percobaan pertama kali dilakukan hanya pada tahun 1925).
Penemuan sinar-X memberikan kontribusi terhadap studi tentang konduktivitas listrik gas dan studi tentang sinar katoda.
Joseph John Thomson(1856-1940) dan Ernest Rutherford(1871-1937) menemukan bahwa di bawah pengaruh iradiasi sinar-X, gas sangat meningkatkan konduktivitas listriknya, mempertahankan sifat ini untuk beberapa waktu bahkan setelah iradiasi dihentikan. Namun, jika gas yang disinari dengan sinar-X dilewatkan melalui kapas, maka ia segera kehilangan properti yang diperolehnya. Fakta ini membenarkan anggapan bahwa penghantar listrik dalam gas adalah partikel bermuatan yang terbentuk akibat aksi sinar-X. Partikel macam apa ini, berapa muatan dan massanya - pertanyaan-pertanyaan ini menghadang Thomson. Untuk mempelajari pertanyaan-pertanyaan ini, Thomson memutuskan untuk mempelajari sifat-sifat sinar katoda, yang ia yakini juga merupakan aliran partikel bermuatan, dan melakukan serangkaian penelitian. penelitian eksperimental dengan mengukur rasio muatan terhadap massa partikel katoda. Studi-studi ini membawanya pada penemuan elektron.
Penemuan elektron
Tertarik dengan penemuan Roentgen, ilmuwan Inggris Joseph John Thomson(1856-1940) dan Ernest Rutherford(1871-1937) menemukan bahwa di bawah pengaruh iradiasi sinar-X, gas sangat meningkatkan konduktivitas listriknya, mempertahankan sifat ini untuk beberapa waktu bahkan setelah iradiasi dihentikan. Namun, jika gas yang disinari dengan sinar-X dilewatkan melalui kapas, maka ia segera kehilangan properti yang diperolehnya. Fakta ini membenarkan anggapan bahwa penghantar listrik dalam gas adalah partikel bermuatan yang terbentuk akibat aksi sinar-X. Partikel macam apa ini, berapa muatan dan massanya - pertanyaan-pertanyaan ini menghadang Thomson.
Untuk menyelidiki masalah ini, Thomson memutuskan untuk mempelajari sifat-sifat sinar katoda, yang ia yakini juga merupakan aliran partikel bermuatan, dan melakukan serangkaian studi eksperimental untuk mengukur rasio muatan terhadap massa partikel katoda. Studi-studi ini membawanya pada penemuan elektron.
Pada tahun 1897, Thomson mempublikasikan hasil pertama mengenai rasio muatan terhadap massa sinar katoda. Untuk mengukur rasio muatan terhadap massa partikel katoda, ia menggunakan dua metode. Yang pertama adalah mengukur muatan dan energi kinetik yang ditransfer oleh sinar katoda dalam periode waktu yang sama. Untuk mengukur muatan listrik, seberkas sinar katoda diarahkan ke dalam cangkir Faraday (silinder logam berongga dengan lubang kecil di salah satu alasnya dan dihubungkan ke elektrometer). Energi kinetik berkas sinar katoda ditentukan dengan mengukur suhu di dalam cangkir Faraday menggunakan termoelemen yang ditempatkan di sana, yang memanas ketika sinar tersebut mengenainya. Dengan mengukur lebih jauh pembelokan berkas sinar ini dalam medan magnet yang arahnya tegak lurus terhadap berkas, Thomson menentukan rasio muatan terhadap massa.
Metode lain yang digunakan Thomson untuk menentukan rasio e/M, didasarkan pada aksi simultan medan listrik dan magnet pada seberkas sinar katoda. Thomson mempengaruhi berkas tersebut dengan medan listrik dan magnet yang diarahkan saling tegak lurus dan tegak lurus terhadap berkas. Dengan memilih besarnya medan listrik sehingga pengaruhnya dikompensasi oleh aksi medan magnet, dan kemudian mengukur defleksi berkas ini dengan adanya hanya satu medan magnet dengan kekuatan yang sama, Thomson menentukan muatan-ke- rasio massa.
Thomson menemukan bahwa nilai rata-rata untuk e/m sama dengan 1,76·10^11 C/kg. Dari percobaan Thomson dapat disimpulkan bahwa sinar katoda tidak diragukan lagi merupakan aliran partikel bermuatan, yang muatan dan massanya tetap sama ketika menggunakan gas yang berbeda dan bahan katoda yang berbeda. Jika kita menerima muatan partikel katoda sama dengan muatan ion hidrogen ditentukan melalui elektrolisis, maka massa partikel-partikel ini berkali-kali lebih kecil dari massa atom terkecil - atom hidrogen. Dengan demikian, kesimpulan yang muncul adalah adanya partikel bermuatan yang memiliki massa jauh lebih kecil daripada massa atom dan termasuk dalam atom semua unsur sebagai komponennya. Thomson mengusulkan untuk menyebut partikel semacam itu sebagai “sel darah”. Sel-sel ini, menurutnya, adalah bagian dari semua atom unsur.
Terlepas dari Thomson, nilai e/m untuk sinar katoda ditentukan oleh Walter Kaufman(1871-1947). Dengan mengukur pembelokan seberkas sinar katoda dalam medan magnet dan mengetahui beda potensial antara katoda dan anoda, Kaufman menghitung nilai e/m yang ordonya sama dengan nilai Thomson. Namun Kaufman dalam karya pertamanya tidak menarik kesimpulan yang sama seperti yang dilakukan Thomson. Ia menulis bahwa fakta keteguhan e/m untuk berbagai logam dan gas serta penyimpangan yang signifikan dari nilai ini dari rasio muatan terhadap massa ion yang dihitung dari fenomena elektrolisis sangat sulit untuk dijelaskan. Thomson segera menentukan rasio muatan terhadap massa untuk partikel bermuatan yang diperoleh dengan menyinari permukaan logam dengan sinar ultraviolet, yaitu ia menggunakan fenomena efek fotolistrik.
Fenomena efek fotolistrik pertama kali diamati Hertz, yang memperhatikan bahwa percikan listrik melompat melalui celah percikan dengan beda potensial yang lebih kecil jika disinari sinar ultraviolet. Eksperimen selanjutnya juga menunjukkan bahwa konduktor bermuatan kehilangan muatannya jika disinari oleh sinar ultraviolet.
Pada tahun 1888, fenomena efek fotolistrik dipelajari oleh Alexander Grigorievich Stoletov(1836-1896). Ia menemukan bahwa efek fotolistrik juga dapat terjadi pada potensial rendah, dan mengembangkan metode klasik untuk mengamati fenomena ini.
Instalasi Stoletov adalah pelat logam C, yang disinari melalui kisi-kisi oleh sinar busur listrik A. Pelat dan kisi-kisi tersebut dihubungkan ke sirkuit yang berisi baterai galvanik B dan galvanometer. Jika tegangan positif dialirkan ke jaringan dan tegangan negatif ke pelat, maka ketika pelat tersebut menyala, arus mengalir melalui rangkaian. Dengan menggunakan metode penelitian yang dipertimbangkan, Stoletov menetapkan sejumlah pola penting. Dengan demikian, ia menunjukkan bahwa arus foto terjadi hanya jika pelat yang menyala disuplai potensi negatif; bahwa besarnya arus sebanding fluks bercahaya, jatuh di piring; bahwa terdapat arus saturasi; bahwa untuk mendapatkan arus foto, Anda perlu menerangi perangkat dengan sinar ultraviolet, dll.
Untuk mengukur rasio e/m Untuk fotoelektron, Thomson menggunakan fotosel paling sederhana, yang terdiri dari pelat logam dan jaring logam yang dihubungkan dalam rangkaian dengan baterai dan galvanometer. Pelat dan jaring ditempatkan di bejana tempat udara dipompa keluar. Dinding bejana tempat pelat logam disinari terbuat dari kuarsa. Menerangi pelat dengan cahaya yang mengandung sinar ultraviolet, Thomson mengamati, seperti biasa, munculnya arus foto yang direkam oleh galvanometer. Jika sekarang kita menempatkan seluruh perangkat dalam medan magnet yang arahnya tegak lurus dengan arah arus foto, maka pada nilai kuat medan tertentu arus foto akan berhenti. Hal ini jelas terjadi ketika, di bawah pengaruh medan magnet, partikel bermuatan berputar sebelum mencapai jaringan, dan oleh karena itu, arus berhenti. Mengetahui jarak antara pelat dan jaringan, perbedaan potensial di antara keduanya, dan juga mengukur kekuatan medan magnet kritis di mana arus berhenti, Thomson menentukan nilainya e /M . Dalam hal ini, dia memperoleh nilai yang kira-kira sesuai dengan nilainya e/m, diperolehnya untuk sinar katoda.
Penemuan terpenting dalam fisika pada akhir abad ke-19. adalah penemuan radioaktivitas, yang selain signifikansi fundamentalnya secara umum, memainkan peran penting dalam pengembangan gagasan tentang elektron. Dorongan untuk penemuan radioaktivitas adalah studi tentang sinar-X.
Pada tahun 1896 Antoine Henri Becquerel(1852-1908), mencoba mendeteksi sinar-X yang menurut pendapatnya dipancarkan oleh berbagai jenis zat setelah disinari oleh sinar matahari, menemukan bahwa kristal garam uranium adalah sumber yang berkelanjutan sejenis radiasi yang dapat melewati layar buram dan menyebabkan pelat fotografi menjadi hitam.
Maria Sklodowska-Curie(1867-1934), setelah mulai meneliti fenomena baru, sampai pada kesimpulan bahwa di bijih uranium dan ada zat yang juga memiliki sifat radiasi, yang disebutnya radioaktif. Hasil kerja keras Maria dan Pierre Curie(1859-1906) berhasil mengisolasi unsur baru dari bijih uranium (1898), yang memiliki radioaktivitas jauh lebih besar daripada uranium. Unsur ini diberi nama radium.
Banyak fisikawan mulai mempelajari fenomena yang baru ditemukan. Mereka dihadapkan pada dua pertanyaan.
Pertama, ini adalah pertanyaan tentang alam radiasi radioaktif. Tidak lama setelah penemuan Becquerel, menjadi jelas bahwa radiasi radioaktif bersifat heterogen dan mengandung tiga komponen, yang disebut alfa, beta Dan gamma-sinar. Ternyata itu alfa- Dan beta-sinar masing-masing adalah aliran partikel bermuatan positif dan negatif. Alam gamma-radiasi diklarifikasi kemudian, meskipun pendapat awal menyatakan bahwa itu adalah radiasi elektromagnetik.
Pertanyaan kedua yang muncul sehubungan dengan studi radiasi radioaktif lebih sulit adalah menentukan sumber energi yang dibawa sinar tersebut. Awalnya dikemukakan bahwa energi radiasi selama peluruhan radioaktif diambil dari luar, dari ruang di sekitar zat radioaktif. Namun hipotesis ini menimbulkan banyak keberatan. Hipotesis bahwa sumber energi radiasi radioaktif harus dicari di dalam zat radioaktif itu sendiri tampaknya lebih meyakinkan. Namun pertanyaan tentang jenis energi apa yang ada di dalam atom, yang dilepaskan selama peluruhannya dan dilepaskan bersamaan dengan radiasi, masih belum jelas, begitu pula pertanyaan umum tentang mekanisme peluruhan radioaktif itu sendiri, dan teori pertama yang muncul untuk memecahkannya. pertanyaan tidak mungkin dianggap meyakinkan.
Informasi terkait.
Pengalaman menunjukkan bahwa dua pelat bermuatan berbeda yang dipisahkan oleh lapisan udara tidak mengeluarkan muatan.
Biasanya, suatu zat dalam wujud gas merupakan isolator karena atom atau molekul penyusunnya mengandung jumlah negatif yang sama.
dan bermuatan listrik positif dan umumnya netral.
Mari kita nyalakan api korek api atau lampu spiritus ke dalam ruang di antara pelat-pelat tersebut (Gbr. 164). 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 cahaya busur listrik. Eksperimen ini membuktikan bahwa gas dapat menjadi penghantar arus listrik.
Fenomena aliran arus listrik melalui gas, yang diamati hanya di bawah kondisi pengaruh eksternal tertentu, disebut pelepasan listrik yang tidak dapat dipertahankan sendiri.
Ionisasi termal.
Pemanasan suatu gas menjadikannya sebagai penghantar arus listrik karena sebagian atom atau molekul gas berubah menjadi ion bermuatan.
Untuk melepaskan elektron dari suatu atom, usaha harus dilakukan melawan gaya tarik-menarik 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 dengan suhu absolut, oleh karena itu, dengan meningkatnya suhu gas, jumlah tumbukan atom atau molekul yang disertai ionisasi semakin meningkat.
Proses terciptanya elektron bebas dan ion positif akibat tumbukan atom dan molekul gas pada suhu tinggi disebut ionisasi termal.
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 di bawah pengaruh 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 yang melebihi energi ikatan elektron dengan atom.
Energi kinetik elektron yang diperoleh di bawah pengaruh medan listrik dengan intensitas E sama dengan kerja yang dilakukan oleh gaya medan listrik:
dimana 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 kerja yang dilakukan oleh medan listrik ketika elektron (atau partikel lain yang bermuatan elementer) bergerak antar titik-titik medan, tegangan antara keduanya sama dengan 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, jalur bebas elektron akan meningkatkan energi kinetiknya sedemikian rupa sehingga elektron akan 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 melepaskan satu elektron lagi selama tumbukan berikutnya 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 (Gbr. 165).
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. Kuat arus dalam rangkaian self-discharge biasanya hanya ditentukan oleh hambatan 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 api. Pelepasan percikan berhenti dalam waktu singkat setelah dimulainya pelepasan sebagai akibat dari penurunan tegangan yang signifikan. Contoh pelepasan percikan 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 dalam saluran petir mencapai , durasi pulsa arus beberapa puluh mikrodetik. Pelepasan listrik independen antara awan petir dan Bumi berhenti dengan sendirinya setelah beberapa kali sambaran petir, karena sebagian besar kelebihan muatan listrik di awan petir dinetralkan oleh arus listrik yang mengalir melalui saluran plasma petir (Gbr. 166).
Ketika arus di saluran plasma petir meningkat, plasma memanas hingga suhu di atas. Perubahan tekanan di saluran plasma petir dengan peningkatan 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. 167).
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. 168).
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 independen dari jenis khusus, yang disebut pelepasan korona. 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 plasma dari pelepasan listrik mandiri banyak digunakan dalam perekonomian nasional dan 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 dan untuk melelehkan logam. Dengan menggunakan pelepasan percikan, bagian-bagian yang terbuat dari bahan yang paling keras diproses.
Pelepasan listrik dalam gas juga bisa menjadi fenomena yang tidak diinginkan yang harus diatasi dengan teknologi. Misalnya, pelepasan listrik korona dari kabel saluran listrik bertegangan tinggi menyebabkan hilangnya listrik yang tidak berguna. Peningkatan rugi-rugi ini dengan meningkatnya tegangan membatasi peningkatan tegangan lebih lanjut pada saluran listrik, sedangkan peningkatan seperti itu sangat diinginkan untuk mengurangi kehilangan energi akibat pemanasan kabel.
Mari kita asumsikan bahwa gas yang diteliti dimasukkan ke dalam bejana C dengan dua elektroda yang diberi beda potensial. Medan listrik antara elektroda dapat diubah dengan menggerakkan slide potensiometer yang menutup baterai (Gbr. III.42). ). Jika tidak ada gas biaya gratis(ion atau elektron positif atau negatif), maka tidak akan ada arus pada rangkaian galvanometer. Perhatikan bahwa gas akan selalu mengandung sejumlah muatan tertentu, karena gas terionisasi baik selama tumbukan termal molekul yang tak terhindarkan, dan di bawah pengaruh berbagai radiasi, khususnya,
dari zat radioaktif. Namun, bersamaan dengan proses ionisasi, yaitu pemisahan molekul netral menjadi ion bermuatan, proses kebalikan dari molisasi atau rekombinasi terjadi pada gas, yaitu penggabungan ion menjadi molekul netral. Dalam keadaan setimbang gas, keduanya. Prosesnya seimbang: jumlah molekul yang terionisasi setiap detik sama dengan jumlah molekul netral yang baru terbentuk dari ion dalam waktu yang sama.
Jika tidak ada efek pengionan eksternal pada gas, maka konsentrasi ion alami di dalamnya akan sangat kecil, dan arus yang melalui gas praktis tidak terdeteksi. Arus listrik yang nyata dapat terjadi dalam suatu gas (yang disebut pelepasan gas) jika: 1) dengan bantuan pengaruh eksternal (pengion), Anda terus menerus memecah molekul gas netral menjadi ion dan dengan demikian meningkatkan konsentrasinya. biaya gratis dalam gas. Hal ini dapat dilakukan dengan memaparkan gas pada penyinaran intensif dengan aliran partikel cepat (elektron, dll), ultraviolet, sinar-X, sinar zat radioaktif, dan juga dengan meningkatkan suhu gas untuk meningkatkan intensitas ionisasi. selama tumbukan termal. Dalam hal ini, seiring dengan penghentian ionizer eksternal, arus yang melalui gas juga berhenti; konduktivitas gas seperti itu disebut tidak mandiri; 2) menerapkan perbedaan potensial yang begitu besar sehingga ion-ion yang ada dalam gas, yang dipercepat dalam medan listrik, memperoleh energi yang cukup untuk mengionisasi molekul netral ketika bertumbukan dengan mereka. Dalam hal ini, setiap ion dalam satu tumbukan menyebabkan munculnya dua ion atau lebih; ion-ion ini, pada gilirannya, dipercepat di medan dan memecah molekul netral menjadi ion. Dengan demikian, jumlah ion dalam gas meningkat dengan cepat, dan gas memperoleh konduktivitas yang nyata; konduktivitas seperti itu disebut independen.
Perlu dibedakan dua jenis tumbukan antar partikel, khususnya antara ion, elektron, dan molekul netral. Pada beberapa tumbukan, partikel tidak mengalami perubahan internal apapun, melainkan hanya bertukar energi kinetik gerak. Tumbukan seperti ini disebut tumbukan lenting; jumlah energi kinetik partikel sebelum dan sesudah tumbukan tetap.
Pada tumbukan lain - inelastis - atom dan molekul mengalami perubahan strukturnya; energi kinetik partikel yang bertabrakan diubah menjadi energi interaksi potensial komponen atom dan molekul ini - inti dan elektron yang berputar mengelilinginya. Proses ini disebut eksitasi atom atau molekul; ketika kembali ke kondisi normal energi yang diserap dikembalikan sebagai energi radiasi. Terakhir, dalam tumbukan tidak lenting hal ini juga mungkin terjadi
perubahan komposisi atom dan molekul; khususnya, molekul netral dapat dipecah menjadi dua ion atau sebuah elektron dapat dipisahkan dari sebuah atom, dll. Ionisasi gas selama tumbukan adalah akibat dari tumbukan tidak lenting.
Untuk konduktivitas gas, dalam kondisi tertentu (khususnya, pada tekanan gas rendah di dalam bejana), pelepasan elektron dari permukaan katoda ketika ion positif mengenainya sangatlah penting. Setiap ion tersebut dapat melepaskan beberapa elektron dari katoda, tergantung pada energi yang diperolehnya dalam medan listrik, serta pada fungsi kerja elektron dari zat katoda. Elektron yang dilepaskan dari katoda, ditangkap oleh medan listrik, dapat menyebabkan ionisasi gas dalam perjalanannya ke anoda; selain itu, aliran elektron yang teratur ini merupakan bagian tertentu (terkadang signifikan) dari total arus yang mengalir melalui gas:
Jika arus yang melewati gas kecil dan tidak dapat dideteksi secara langsung oleh galvanometer, maka digunakan metode tidak langsung. Secara khusus, seperti yang ditunjukkan pada Gambar. III.42, sebuah resistor dengan resistansi puluhan dan ratusan juta ohm dihubungkan ke rangkaian secara seri dengan celah gas. Beda potensial terbentuk pada ujung-ujung resistor ini, yang diukur, misalnya dengan voltmeter lampu yang tidak memperpendek ujung-ujung resistor tersebut. Kemudian, dengan mengetahui dan mengukur, Anda dapat menghitung kuat arus yang melalui gas. Misalnya, jika , maka
Arus listrik dalam gas dan cairan
Arus listrik dalam gas
Pembawa muatan: elektron, ion positif, ion negatif.
Pembawa muatan muncul dalam gas sebagai akibat ionisasi: karena iradiasi gas, atau tumbukan partikel gas yang dipanaskan satu sama lain.
Ionisasi tumbukan elektron.
E – arah lapangan;
l adalah jalur bebas rata-rata antara dua tumbukan elektron dengan atom gas secara berurutan.
A_=eEl\geq W – kondisi ionisasi
W – energi ionisasi, mis. energi yang diperlukan untuk melepaskan elektron dari suatu atom
Jumlah elektron bertambah perkembangan geometri, akibatnya terjadi longsoran elektron, dan akibatnya terjadi pelepasan gas.
Arus listrik dalam zat cair
Cairan juga padatan dapat berupa dielektrik, konduktor dan semikonduktor. Dielektrik meliputi air suling, konduktor meliputi larutan elektrolit: asam, basa, garam, dan logam cair. Semikonduktor cair adalah lelehan selenium dan sulfida.
Ketika elektrolit larut di bawah pengaruh medan listrik molekul air polar, molekul elektrolit terurai menjadi ion. Misalnya, CuSO_ \rightarrow Cu^ +SO^ _ .
Seiring dengan disosiasi, ada proses sebaliknya - rekombinasi, yaitu. menggabungkan ion-ion yang berlawanan tanda menjadi molekul netral.
Pembawa listrik dalam larutan elektrolit adalah ion. Konduktivitas ini disebut ionik .
Jika elektroda ditempatkan dalam bak berisi larutan elektrolit dan arus dialirkan, maka ion negatif akan berpindah ke elektroda positif, dan ion positif ke elektroda negatif.
Di anoda (elektroda positif), ion bermuatan negatif melepaskan elektron ekstra ( reaksi oksidasi), dan di katoda (elektroda negatif), ion positif menerima elektron yang hilang (reaksi reduksi).
Definisi. Proses pelepasan zat pada elektroda yang berhubungan dengan reaksi redoks disebut elektrolisis.
hukum Faraday
SAYA. Massa zat yang dilepaskan pada elektroda berbanding lurus dengan muatan yang mengalir melalui elektrolit:
k adalah ekuivalen elektrokimia suatu zat.
q=I\Delta t , lalu
\frac – padanan kimia suatu zat;
\mu – massa molar;
Setara elektrokimia zat sebanding dengan kimia.
F – Konstanta Faraday;
Hukum elektrolisis terpadu
Mengganti k ke dalam ekspresi m (Hukum Pertama Faraday), kita mendapatkan:
Arti fisika dari persamaan elektrokimia.
Setara elektrokimia sama dengan rasio massa ion terhadap muatannya:
Saya mulai belajar dengan Natalya Lvovna pada pertengahan Januari, segera setelahnya Liburan Tahun Baru. Sebelum kelas dimulai, ada ujian percobaan fisika, serta persiapan ujian di sekolah, tetapi hasilnya 60-70 poin, sedangkan saya mendapat nilai bagus dalam mata pelajaran tersebut. Kelas dengan Natalya Lvovna bermanfaat dan menarik; dengan tutor ini saya dapat memperluas pengetahuan saya tentang fisika, serta mengkonsolidasikan kurikulum sekolah. Setelah menyelesaikan kursus intensif musim semi, saya mengikuti ujian dengan percaya diri dengan hasil saya. Setelah mendapat 85 poin, saya bisa masuk universitas yang diinginkan dengan 1 gelombang. Saya ingin mengucapkan terima kasih sekali lagi kepada tutor yang membantu saya mendekati tujuan saya, lulus Ujian Negara Bersatu dengan nilai yang disyaratkan, masuk universitas dan memulai pelatihan untuk profesi masa depan saya.
Natalya Lvovna adalah tutor fisika luar biasa yang akan mempersiapkan Anda dengan sempurna untuk Ujian Negara Bersatu.
Saya tidak datang kepadanya tanpa pengetahuan apa pun, tetapi saya tidak bisa menyebutnya baik. Meskipun saya mulai belajar pada bulan Januari, kami berhasil membahas semua topik di kelas tambahan.
Setiap topik dianalisis dan semua jenis masalah yang mungkin ditemui dalam ujian diselesaikan.
Dan memang pada UN Unified State saya tidak menemui kesulitan apapun dalam menyelesaikan soal dan berhasil menyelesaikan ujian dengan nilai 94 poin.
Saya sangat merekomendasikan guru ini!
Putri saya Polina belajar di sekolah dengan “bias kemanusiaan”. Mata pelajaran utama baginya sejak kelas satu adalah bahasa asing. Namun ketika muncul pertanyaan memilih profesi, sang putri ingin masuk universitas teknik. Jelas sekali kurikulum sekolah- bukan karet, dan tidak mengherankan kalau jam 8 jam sekolah bahasa asing dia hanya mendapat satu pelajaran fisika dalam seminggu. Saya harus segera mencari solusi. Kami beruntung - kami menemukan tutor yang luar biasa.
Natalya Lvovna mampu mempersiapkan Polina sepenuhnya untuk ujian. Untuk sekolah kemanusiaan kami, 85 poin dalam fisika adalah hasil yang luar biasa. Kami sangat berterima kasih - Natalya Lvovna adalah guru yang luar biasa dan orang yang sensitif. Pendekatan individu bahkan kepada semua orang kelas kelompok– inilah yang ingin saya perhatikan terlebih dahulu. Kami berharap dapat mendaftar di universitas impian Anda.
ARUS LISTRIK DALAM GAS
Dalam kondisi normal, gas bersifat dielektrik, yaitu. itu 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 pada saat terjadi petir, terjadi percikan listrik, maupun pada saat terjadinya busur las.
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.
- ini 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.
Rekombinasi partikel bermuatan
- gas berhenti menjadi konduktor jika ionisasi berhenti, hal ini terjadi akibat rekombinasi (penyatuan kembali partikel bermuatan berlawanan).
Ada pelepasan gas yang mandiri dan tidak mandiri.
Pelepasan gas yang tidak berkelanjutan
- jika kerja ionizer dihentikan, pelepasannya juga akan berhenti.
Ketika debit mencapai saturasi, grafik menjadi horizontal. Di sini, konduktivitas listrik gas hanya disebabkan oleh aksi ionizer.
Pelepasan gas mandiri
— dalam hal ini, pelepasan gas terus berlanjut bahkan setelah ionizer eksternal dihentikan karena ion dan elektron yang dihasilkan dari ionisasi tumbukan (= ionisasi sengatan listrik); terjadi ketika beda potensial antar elektroda meningkat (terjadi longsoran elektron).
Pelepasan gas yang tidak dapat dipertahankan dapat berubah menjadi pelepasan gas yang dapat dipertahankan jika Ua = Uignition.
Kerusakan listrik pada gas
— proses peralihan dari pelepasan gas yang tidak mandiri menjadi pelepasan gas yang mandiri.
Terjadi pelepasan gas secara mandiri 4 jenis:
1. membara - pada tekanan rendah (hingga beberapa mm Hg) - diamati pada tabung cahaya gas dan laser gas.
2. percikan - pada tekanan normal dan kuat medan listrik tinggi (petir - kuat arus hingga ratusan ribu ampere).
3. corona - pada tekanan normal dalam medan listrik yang tidak seragam (di ujung).
4. busur - kerapatan arus tinggi, tegangan rendah antar elektroda (suhu gas di saluran busur -5000-6000 derajat Celcius); diamati pada lampu sorot dan peralatan film proyeksi.
Pelepasan berikut diamati:
membara - di lampu neon;
percikan - dalam kilat;
corona - pada alat pengendap listrik, jika terjadi kebocoran energi;
busur - selama pengelasan, di lampu merkuri.
- ini yang keempat keadaan fisik zat dengan derajat tinggi ionisasi akibat tumbukan molekul dengan kecepatan tinggi pada suhu tinggi; ditemukan di alam: ionosfer adalah plasma yang terionisasi lemah, Matahari adalah plasma yang terionisasi penuh; plasma buatan - dalam lampu pelepasan gas.
Suhu rendah - pada suhu kurang dari 100.000K;
suhu tinggi - pada suhu di atas 100.000K.
Sifat dasar plasma:
— konduktivitas listrik yang tinggi
— interaksi yang kuat dengan medan listrik dan magnet luar.
Pada suhu 
Zat apa pun berada dalam keadaan plasma.
Menariknya, 99% materi di alam semesta adalah plasma.
Halaman lain tentang topik “Listrik” untuk kelas 10-11:
kelas-fizika.narod.ru
Hukum arus listrik dalam gas
Situs resmi ANO DO Center "Logos", Glazov
BERSIAPLAH UNTUK PELAJARAN
Arus listrik masuk lingkungan yang berbeda sedikit tentang fisika:
Arus listrik adalah setiap pergerakan muatan listrik yang teratur. Arus listrik dapat melewati berbagai zat dalam kondisi tertentu. Salah satu syarat terjadinya arus listrik adalah adanya muatan bebas yang dapat bergerak karena pengaruh medan listrik.
Oleh karena itu, pada bagian ini kita akan mencoba menentukan partikel mana yang membawa muatan listrik pada media yang berbeda.
Arus listrik pada logam.
Logam terdiri dari ion bermuatan positif yang terletak di lokasi kisi kristal dan kumpulan elektron bebas. Di luar medan listrik, elektron bebas bergerak secara kacau, seperti molekul gas ideal, dan oleh karena itu dalam teori elektronik klasik dianggap sebagai gas elektron .
Di bawah pengaruh medan listrik luar, sifat pergerakan elektron bebas di dalam logam berubah. Elektron, melanjutkan gerakan kacau mereka, pada saat yang sama bergeser ke arah gaya medan listrik.
Karena itu, arus listrik pada logam adalah pergerakan elektron yang teratur.
Kekuatan arus dalam konduktor logam ditentukan dengan rumus:
Di mana SAYA- kekuatan arus dalam konduktor, e— modulus muatan elektron, N 0 — konsentrasi elektron konduksi, — kecepatan rata-rata pergerakan elektron yang teratur, S
Kerapatan arus konduksi secara numerik sama dengan muatan yang melewati satuan luas permukaan dalam 1 s, tegak lurus terhadap arah saat ini
Di mana J— kepadatan arus.
Di sebagian besar logam, hampir setiap atom terionisasi. Dan karena konsentrasi elektron konduksi logam monovalen adalah sama
Di mana Tidak- Konstanta Avogadro, A- massa atom logam, ρ - kepadatan logam,
maka kita menemukan bahwa konsentrasi ditentukan dalam kisaran 10 28 - 10 29 m -3.
Hukum Ohm untuk bagian rantai yang homogen:
Di mana kamu- tegangan di daerah tersebut, R— resistensi daerah tersebut.
Untuk bagian rantai yang homogen:
Di mana ρ kamu- resistansi spesifik konduktor, aku - panjang konduktor, S- persegi penampang konduktor.
Resistivitas suatu konduktor bergantung pada suhu dan ketergantungan ini dinyatakan dengan hubungan:
Di mana ρ kamu - resistivitas konduktor logam pada suhu T = 273K, α — koefisien resistensi termal, ∆T = T - T o - perubahan suhu.
Karakteristik arus-tegangan logam.
Menurut hukum Ohm, kuat arus pada penghantar berbanding lurus dengan tegangan. Ketergantungan ini terjadi pada konduktor dengan resistansi yang ditentukan secara ketat ( untuk resistor).
Garis singgung kemiringan grafik sama dengan konduktivitas konduktor. Daya konduksi disebut timbal balik perlawanan
Tetapi karena resistansi logam bergantung pada suhu, karakteristik arus-tegangan logam tidak linier.
Arus listrik dalam larutan dan lelehan elektrolit.
Fenomena penguraian molekul garam, basa dan asam dalam air menjadi ion-ion yang berlawanan tanda disebut disosiasi elektrolitik. Ion-ion yang dihasilkan dari peluruhan berfungsi sebagai pembawa muatan dalam cairan, dan cairan itu sendiri menjadi konduktor.
Di luar medan listrik, ion-ion bergerak secara kacau. Di bawah pengaruh medan listrik eksternal, ion-ion, yang melanjutkan gerakan kacau mereka, pada saat yang sama dipindahkan ke arah gaya medan listrik: kation ke katoda, anion ke anoda.
Karena itu, arus listrik dalam larutan (meleleh) elektrolit adalah gerak terarah ion-ion dari kedua tanda dalam arah yang berlawanan.
Aliran arus listrik melalui larutan elektrolit selalu disertai dengan keluarnya zat-zat penyusunnya pada elektroda. Fenomena ini disebut elektrolisa .
Ketika bergerak di dalam elektrolit, ion berinteraksi dengan molekul air dan ion lainnya, mis. elektrolit memberikan resistensi tertentu terhadap gerakan dan, oleh karena itu, memiliki resistensi. Hambatan listrik elektrolit bergantung pada konsentrasi ion, besarnya muatan ion, dan kecepatan pergerakan ion dari kedua tanda tersebut.
Resistansi elektrolit juga ditentukan dengan rumus:
Di mana ρ kamu— resistensi spesifik elektrolit, aku - panjang konduktor cair, S adalah luas penampang konduktor cair.
Ketika suhu elektrolit meningkat, viskositasnya menurun, yang menyebabkan peningkatan kecepatan pergerakan ion. Itu. Ketika suhu meningkat, resistansi elektrolit menurun.
1. Massa zat yang dilepaskan pada elektroda berbanding lurus muatan listrik melewati elektrolit.
Di mana M — massa zat, dilepaskan pada elektroda, k- setara elektrokimia, Q- muatan melewati elektrolit.
2. Ekuivalen elektrokimia suatu zat berbanding lurus dengan ekuivalen kimianya.
Di mana M- massa molar suatu zat, F- konstanta Faraday z- valensi ion.
konstanta Faraday secara numerik sama dengan muatan yang harus melewati elektrolit untuk melepaskan massa zat yang secara numerik sama dengan ekuivalen kimianya.
hukum gabungan Faraday.
Arus listrik dalam gas.
Pada kondisi normal gas terdiri dari molekul netral dan karena itu bersifat dielektrik. Karena kehadiran partikel bermuatan diperlukan untuk menghasilkan arus listrik, molekul gas harus terionisasi (elektron dikeluarkan dari molekul). Untuk mengionisasi molekul perlu mengeluarkan energi - energi ionisasi, yang jumlahnya tergantung pada jenis zat. Dengan demikian, energi ionisasi atom sangat kecil logam alkali, maksimum - untuk gas inert.
Molekul dapat terionisasi dengan memanaskan suatu gas atau menyinarinya dengan berbagai jenis sinar. Berkat energi tambahan, kecepatan pergerakan molekul meningkat, intensitas gerakan termalnya meningkat, dan ketika tumbukan, masing-masing molekul kehilangan elektron, berubah menjadi ion bermuatan positif.
Elektron yang melepaskan diri dari suatu molekul dapat bergabung dengan molekul netral, membentuk ion bermuatan negatif.
Oleh karena itu, selama ionisasi, muncul tiga jenis pembawa muatan: ion positif, ion negatif, dan elektron.
Di bawah pengaruh medan listrik eksternal, ion-ion bertanda dan elektron bergerak searah dengan gaya medan listrik: ion positif ke katoda, ion negatif dan elektron ke anoda. Itu. arus listrik dalam gas adalah pergerakan ion dan elektron yang teratur di bawah pengaruh medan listrik.
Karakteristik gas saat ini dan tegangan.
Ketergantungan arus pada tegangan dinyatakan dengan kurva OABC.
Pada bagian grafik OA, kekuatan arus mematuhi hukum Ohm. Pada tegangan rendah, kuat arusnya kecil, karena ion yang bergerak dengan kecepatan rendah bergabung kembali tanpa mencapai elektroda. Ketika tegangan antara elektroda meningkat, kecepatan pergerakan elektron dan ion meningkat, sehingga sebagian besar partikel bermuatan mencapai elektroda, dan akibatnya, arus meningkat.
Pada nilai tegangan U1 tertentu, semua ion memiliki kecepatan yang cukup dan, tanpa bergabung kembali, mencapai elektroda. Arus menjadi semaksimal mungkin dan tidak bergantung pada kenaikan tegangan lebih lanjut hingga nilai U 2. Arus ini disebut arus saturasi, dan bagian grafik AB berhubungan dengannya.
Pada tegangan U 2 beberapa ribu volt, kecepatan elektron yang timbul selama ionisasi molekul, dan karenanya energi kinetiknya, meningkat secara signifikan. Dan ketika energi kinetik mencapai nilai energi ionisasi, elektron yang bertabrakan dengan molekul netral akan mengionisasinya. Ionisasi tambahan menyebabkan peningkatan jumlah partikel bermuatan seperti longsoran salju, dan akibatnya terjadi peningkatan kekuatan arus yang signifikan tanpa pengaruh ionizer eksternal. Aliran arus listrik tanpa pengaruh ionizer eksternal disebut pelepasan mandiri. Ketergantungan ini dinyatakan dengan bagian grafik AC.
Arus listrik dalam ruang hampa.
Tidak ada partikel bermuatan dalam ruang hampa, dan oleh karena itu merupakan dielektrik. Itu. perlu diciptakan kondisi tertentu yang akan membantu menghasilkan partikel bermuatan.
Ada elektron bebas dalam logam. Pada suhu kamar, mereka tidak dapat meninggalkan logam, karena mereka tertahan di dalamnya oleh gaya tarik Coulomb dari ion positif. Untuk mengatasi gaya-gaya tersebut, elektron harus mengeluarkan energi tertentu, yang disebut fungsi kerja. Energi, hebat atau sama dengan bekerja pelepasannya, elektron dapat diperoleh bila logam dipanaskan sampai suhu tinggi.
Ketika suatu logam dipanaskan, jumlah elektron yang mempunyai energi kinetik lebih besar dari fungsi kerjanya bertambah, sehingga elektron tersebut terbang keluar dari logam. lagi elektron. Pelepasan elektron dari logam bila dipanaskan disebut emisi termionik. Untuk melakukan emisi termionik, filamen kawat tipis yang terbuat dari logam tahan api (filamen pijar) digunakan sebagai salah satu elektroda. Filamen yang terhubung ke sumber arus menjadi panas dan elektron terbang keluar dari permukaannya. Elektron yang dipancarkan memasuki medan listrik antara dua elektroda dan mulai bergerak terarah sehingga menimbulkan arus listrik.
Fenomena emisi termionik mendasari prinsip pengoperasian tabung elektron: dioda vakum, trioda vakum.
Dioda vakum Trioda vakum
Karakteristik arus-tegangan dari dioda vakum.
Ketergantungan arus pada tegangan dinyatakan dengan kurva OABC D.
Ketika elektron dipancarkan, katoda menjadi muatan positif dan karena itu menahan elektron di dekatnya. Dengan tidak adanya medan listrik antara katoda dan anoda, elektron yang dipancarkan membentuk awan elektron di katoda.
Ketika tegangan antara anoda dan katoda meningkat, semakin banyak elektron yang mengalir ke anoda, sehingga arus meningkat. Ketergantungan ini dinyatakan dengan bagian grafik OAB. Bagian AB mencirikan ketergantungan langsung arus pada tegangan, mis. pada rentang tegangan U 1 - U 2 hukum Ohm terpenuhi.
Ketergantungan nonlinier pada bagian BC D dijelaskan oleh fakta bahwa jumlah elektron yang bergegas menuju anoda berkurang nomor lebih banyak elektron yang dipancarkan dari katoda.
Bila cukup sangat penting tegangan U 3 semua elektron yang dipancarkan dari katoda mencapai anoda, dan arus listrik mencapai saturasi.
Anda juga dapat menggunakan obat radioaktif yang memancarkan partikel α sebagai sumber partikel bermuatan. akan terjadi arus listrik.
Jadi, arus listrik dalam ruang hampa dapat diciptakan oleh pergerakan teratur partikel bermuatan (elektron, ion).
Arus listrik dalam semikonduktor.
Semikonduktor adalah zat yang resistivitasnya menurun seiring dengan meningkatnya suhu dan bergantung pada adanya pengotor dan perubahan pencahayaan. Resistivitas konduktor pada suhu kamar berkisar antara 10 -3 hingga 10 7 Ohm m. Perwakilan semikonduktor yang khas adalah kristal germanium dan silikon.
Dalam kristal ini, atom-atom dihubungkan satu sama lain melalui ikatan kovalen. Saat dipanaskan ikatan kovalen terganggu, atom menjadi terionisasi. Hal ini menyebabkan munculnya elektron bebas dan “lubang” – tempat positif yang kosong dengan elektron yang hilang.
Dalam hal ini, elektron dari atom tetangga dapat menempati posisi kosong, membentuk “lubang” pada atom tetangga. Dengan demikian, tidak hanya elektron, tetapi juga “lubang” dapat bergerak mengelilingi kristal. Ketika kristal seperti itu ditempatkan dalam medan listrik, elektron dan lubang akan bergerak teratur - arus listrik akan muncul.
Dalam kristal murni, arus listrik dihasilkan oleh jumlah elektron dan "lubang" yang sama. Konduktivitas yang disebabkan oleh pergerakan elektron bebas dan jumlah “lubang” yang sama dalam kristal semikonduktor tanpa pengotor disebut konduktivitas intrinsik semikonduktor .
Ketika suhu meningkat, konduktivitas intrinsik semikonduktor meningkat, karena jumlah elektron bebas dan “lubang” meningkat.
Konduktivitas konduktor bergantung pada adanya pengotor. Ada pengotor donor dan akseptor. Pengotor donor- pengotor dengan valensi lebih tinggi. Misalnya, untuk silikon tetravalen, pengotor donornya adalah arsenik pentavalen. Empat elektron valensi atom arsenik berpartisipasi dalam penciptaan ikatan kovalen, dan yang kelima akan menjadi elektron konduksi.
Ketika dipanaskan, ikatan kovalen terputus, dan elektron konduksi tambahan serta “lubang” muncul. Oleh karena itu, dalam kristal, jumlah elektron bebas melebihi jumlah “lubang”. Konduktivitas konduktor tersebut bersifat elektronik; semikonduktor adalah semikonduktor tipe-n. Elektron adalah operator utama muatan, "lubang" - non-inti .
Akseptor campuran- pengotor dengan valensi lebih rendah. Misalnya, untuk silikon tetravalen, pengotor akseptornya adalah indium trivalen. Tiga elektron valensi atom indium terlibat dalam pembentukan ikatan kovalen dengan tiga atom silikon, dan sebuah “lubang” terbentuk menggantikan ikatan kovalen tidak lengkap keempat.
Ketika dipanaskan, ikatan kovalen terputus, dan elektron konduksi tambahan serta “lubang” muncul. Oleh karena itu, dalam kristal, jumlah “lubang” lebih banyak daripada jumlah elektron bebas. Konduktivitas konduktor tersebut adalah lubang, semikonduktor adalah semikonduktor tipe-p. "Lubang" adalah operator utama muatan, elektron - non-inti .
Ketika semikonduktor tipe-p dan tipe-n bersentuhan melintasi batas, elektron berdifusi dari daerah-n ke daerah-p dan “lubang” dari daerah-p ke daerah-n. Hal ini menghasilkan pembentukan lapisan penghalang yang mencegah difusi lebih lanjut. Persimpangan p-n memiliki konduktivitas satu arah.
Pada koneksi p-n transisi ke sumber arus sehingga daerah p terhubung ke kutub positif, dan daerah n ke kutub negatif, muncul pergerakan pembawa muatan utama melalui lapisan kontak. Metode koneksi ini disebut koneksi maju.
Saat terhubung persimpangan pn ke sumber arus sehingga daerah p terhubung ke kutub negatif dan daerah n ke kutub positif, ketebalan lapisan penghalang bertambah dan pergerakan pembawa muatan mayoritas melalui lapisan kontak terhenti, namun pergerakan minoritas muatan melalui lapisan kontak dapat terjadi. Metode koneksi ini disebut koneksi terbalik.
Prinsip operasi dioda semikonduktor berdasarkan properti satu sisi konduktivitas p-n transisi. Aplikasi utama dioda semikonduktor adalah penyearah arus.
Karakteristik arus-tegangan dioda semikonduktor.
Ketergantungan arus pada tegangan dinyatakan dengan kurva AOB.
Cabang OB berhubungan dengan arah aliran arus, ketika arus diciptakan oleh pembawa muatan utama, dan dengan meningkatnya tegangan, kekuatan arus meningkat. Cabang AO sesuai dengan arus yang diciptakan oleh pembawa muatan minoritas, dan nilai arusnya kecil.
