Za normálnych podmienok je plyn dielektrikum, t.j. pozostáva z neutrálnych atómov a molekúl a neobsahuje voľné nosiče elektrického prúdu. Vodivý plyn je ionizovaný plyn. Ionizovaný plyn má elektrónovo-iónovú vodivosť.
Vzduch je dielektrikum v elektrických vedeniach, vzduchových kondenzátoroch a kontaktných spínačoch.
Vzduch je vodič pri vzniku blesku, elektrickej iskry alebo pri vzniku zváracieho oblúka.
Ionizácia plynu je dezintegrácia neutrálnych atómov alebo molekúl na kladné ióny a elektróny odstránením elektrónov z atómov. Ionizácia nastáva, keď sa plyn zahrieva alebo je vystavený žiareniu (UV, röntgenové žiarenie, rádioaktívne) a vysvetľuje sa rozpadom atómov a molekúl pri zrážkach pri vysokých rýchlostiach.
Plynový výboj je elektrický prúd v ionizovaných plynoch. Nosičmi náboja sú kladné ióny a elektróny. Výboj plynu sa pozoruje v plynových výbojkách (lampy), keď je vystavený elektrickému alebo magnetickému poľu.
Ryža. 1
Rekombinácia nabitých častíc
Plyn prestáva byť vodičom, ak sa ionizácia zastaví, k tomu dochádza v dôsledku rekombinácie (opätovné spojenie opačne nabitých častíc).
Ryža. 2
Existuje samoudržateľný a nesamosprávny výboj plynu.
Závislý elektrický výboj. Prax ukazuje, že dve rôzne nabité platne oddelené vrstvou vzduchu sa nevybijú.
Zvyčajne látka v plynné skupenstvo je izolant, pretože atómy alebo molekuly, z ktorých sa skladá, obsahujú rovnaké číslo záporné a kladné elektrické náboje a sú vo všeobecnosti neutrálne.
Do priestoru medzi platňami privedieme plameň zápalky alebo liehoviny (obr. 3).
Ryža. 3
V tomto prípade sa elektromer začne rýchlo vybíjať. V dôsledku toho sa vzduch pod vplyvom plameňa stal vodičom. Po odstránení plameňa z priestoru medzi platňami sa výboj elektromera zastaví. Rovnaký výsledok možno dosiahnuť ožiarením dosiek svetlom elektrického oblúka. Tieto experimenty dokazujú, že plyn sa môže stať vodičom elektrického prúdu.
Fenomén prechodu elektrického prúdu cez plyn, pozorovaný len za podmienok niekt vonkajší vplyv, sa nazýva nesamostatný elektrický výboj.
Tepelná ionizácia. Zahrievanie plynu z neho robí vodič elektrického prúdu, pretože niektoré atómy alebo molekuly plynu sa menia na nabité ióny.
Na odstránenie elektrónu z atómu je potrebné pracovať proti silám Coulombovská atrakcia medzi kladne nabitým jadrom a záporným elektrónom. Proces odstránenia elektrónu z atómu sa nazýva ionizácia atómu. Minimálna energia, ktorá sa musí vynaložiť na odstránenie elektrónu z atómu alebo molekuly, sa nazýva väzbová energia.
Elektrón sa môže odtrhnúť od atómu pri zrážke dvoch atómov, ak ich kinetická energia prekročí väzbovú energiu elektrónu. Kinetická energia tepelného pohybu atómov alebo molekúl je priamo úmerná absolútna teplota Preto so zvyšujúcou sa teplotou plynu narastá počet zrážok atómov alebo molekúl sprevádzaných ionizáciou.
Proces vzniku voľné elektróny A kladné ióny v dôsledku zrážok atómov a molekúl plynu počas vysoká teplota nazývaná tepelná ionizácia.
Plazma. Plyn, v ktorom je podstatná časť atómov alebo molekúl ionizovaná, sa nazýva plazma. Stupeň tepelnej ionizácie plazmy závisí od teploty. Napríklad pri teplote 10 000 K je ionizovaných menej ako 10 % z celkového počtu atómov vodíka, pri teplotách nad 20 000 K je vodík takmer úplne ionizovaný.
Plazmové elektróny a ióny sa môžu pohybovať pod vplyvom elektrické pole. Pri nízkych teplotách je teda plyn izolantom, pri vysokých teplotách sa mení na plazmu a stáva sa vodičom elektrického prúdu.
Fotoionizácia. Energia potrebná na odstránenie elektrónu z atómu alebo molekuly môže byť prenesená svetlom. Ionizácia atómov alebo molekúl svetlom sa nazýva fotoionizácia.
Samostatný elektrický výboj. Pri zvýšení intenzity elektrického poľa na určitú hodnotu v závislosti od charakteru plynu a jeho tlaku vzniká v plyne elektrický prúd aj bez vplyvu vonkajších ionizátorov. Jav prechodu elektrického prúdu plynom, nezávislý od pôsobenia vonkajších ionizátorov, sa nazýva nezávislý elektrický výboj.
Vo vzduchu pri atmosférickom tlaku dochádza k nezávislému elektrickému výboju pri sile elektrického poľa približne rovnajúcej sa
Hlavným mechanizmom ionizácie plynu počas nezávislého elektrického výboja je ionizácia atómov a molekúl v dôsledku nárazov elektrónov.
Ionizácia nárazom elektrónov. Ionizácia nárazom elektrónu je možná vtedy, keď elektrón počas svojej voľnej dráhy získa kinetickú energiu prevyšujúcu väzbovú energiu W elektrónu s atómom.
Kinetická energia W k elektrónu získaná vplyvom intenzity elektrického poľa sa rovná práci síl elektrického poľa:
W k = Fl = eEl,
kde l je dĺžka voľnej dráhy.
Približná podmienka pre začiatok ionizácie nárazom elektrónu má teda tvar
Väzbová energia elektrónov v atómoch a molekulách sa zvyčajne vyjadruje v elektrónvoltoch (eV). 1 eV rovná práci, ktoré vytvára elektrické pole pri pohybe elektrónu (alebo inej častice s elementárny náboj) medzi bodmi poľa, medzi ktorými je napätie 1 V:
Ionizačná energia atómu vodíka je napríklad 13,6 eV.
Mechanizmus samovybíjania. Vývoj nezávislého elektrického výboja v plyne prebieha nasledovne. Voľný elektrón pod vplyvom elektrického poľa získava zrýchlenie. Ak je intenzita elektrického poľa dostatočne vysoká, voľná dráha elektrónu zvýši jeho kinetickú energiu natoľko, že ju pri zrážke s molekulou ionizuje.
Prvý elektrón, ktorý spôsobil ionizáciu molekuly, a druhý elektrón, uvoľnený v dôsledku ionizácie, pod vplyvom elektrického poľa získavajú zrýchlenie v smere od katódy k anóde. Každý z nich pri následných zrážkach uvoľní o jeden elektrón viac a celkový počet voľných elektrónov sa rovná štyrom. Potom sa rovnakým spôsobom zvýši na 8, 16, 32, 64 atď. Počet voľných elektrónov pohybujúcich sa od katódy k anóde lavínovite stúpa, až kým nedosiahnu anódu na obr. 4.
Ryža. 4
Pozitívne ióny vytvorené v plyne sa pohybujú pod vplyvom elektrického poľa z anódy na katódu. Pri dopade kladných iónov na katódu a pod vplyvom svetla emitovaného počas procesu výboja sa môžu z katódy uvoľniť nové elektróny. Tieto elektróny sú zase urýchľované elektrickým poľom a vytvárajú nové elektrón-iónové lavíny, takže proces môže pokračovať nepretržite.
Koncentrácia iónov v plazme sa zvyšuje s vývojom samostatného výboja a elektrický odpor výbojovej medzery klesá. Intenzita prúdu v samovybíjacom obvode je zvyčajne určená iba vnútorným odporom zdroja prúdu a elektrickým odporom ostatných prvkov obvodu.
Iskrový výboj. Blesk. Ak prúdový zdroj nie je schopný dlhodobo udržať samočinný elektrický výboj, potom sa samočinný výboj, ktorý nastane, nazýva iskrový výboj. Iskrový výboj sa zastaví krátko po začiatku výboja v dôsledku výrazného poklesu napätia. Príklady iskrový výboj- iskry, ktoré vznikajú pri česaní vlasov, oddeľovaní listov papiera alebo vybíjaní kondenzátora.
Blesk pozorovaný počas búrky tiež predstavuje nezávislý elektrický výboj. Sila prúdu v bleskovom kanáli dosahuje 10 000-20 000 A, trvanie prúdového impulzu je niekoľko desiatok mikrosekúnd. Nezávislý elektrický výboj medzi búrkovým mrakom a Zemou sa sám zastaví po niekoľkých úderoch blesku, od r väčšina z nich nadmerné elektrické náboje v búrkový oblak je neutralizovaný elektrickým prúdom pretekajúcim cez kanál bleskovej plazmy (obr. 5).
Ryža. 6
Keď sa prúd v kanáli blesku zväčší, plazma sa zohreje na teplotu vyššiu ako 10 000 K. Zmeny tlaku v kanáli plazmy blesku so zvyšujúcim sa prúdom a zastavením výboja spôsobujú zvukové javy nazývané hrom.
Žiarivý výboj. Keď sa tlak plynu vo výbojovej medzere zníži, výbojový kanál sa zväčší a potom sa celá výbojka rovnomerne naplní svetelnou plazmou. Tento typ nezávislého elektrického výboja v plynoch sa nazýva doutnavý výboj (obr. 7).
Ryža. 7
Elektrický oblúk. Ak je sila prúdu v autonómnom výboji plynu veľmi vysoká, potom dopady kladných iónov a elektrónov môžu spôsobiť zahrievanie katódy a anódy. Pri vysokých teplotách sa z povrchu katódy vyžarujú elektróny, ktoré zabezpečujú udržiavanie samoudržiavacieho výboja v plyne. Dlhodobý nezávislý elektrický výboj v plynoch, udržiavaný termionickou emisiou z katódy, sa nazýva oblúkový výboj (obr. 8).
Ryža. 8
Korónový výboj. Vo vysoko nehomogénnych elektrických poliach vytvorených napríklad medzi hrotom a rovinou alebo medzi drôtom a rovinou (elektrické vedenie) dochádza k nezávislému výboju špeciálny typ, nazývaný korónový výboj. Počas korónového výboja dochádza k ionizácii dopadom elektrónov iba v blízkosti jednej z elektród, v oblasti s vysokou intenzitou elektrického poľa.
Aplikácia elektrických výbojov. Dopady elektrónov zrýchlených elektrickým poľom vedú nielen k ionizácii atómov a molekúl plynu, ale aj k excitácii atómov a molekúl, sprevádzanej emisiou svetla. Svetelná emisia plazmy z nezávislého elektrického výboja je široko používaná v národnom hospodárstve av každodennom živote. Ide o žiarivky a plynové výbojky pre pouličné osvetlenie, elektrický oblúk vo filmovej premietacej aparatúre a ortuťovo-kremenné výbojky používané v nemocniciach a klinikách. Vysoká teplota plazmy oblúkový výboj umožňuje jeho použitie na rezanie a zváranie kovových konštrukcií, na tavenie kovov. Pomocou iskrového výboja sa spracovávajú diely vyrobené z najtvrdších materiálov.
Elektrický výboj v plynoch môže byť tiež nežiaducim javom, s ktorým je potrebné v oblasti techniky bojovať. Napríklad korónový elektrický výboj z drôtov vysokonapäťových elektrických vedení vedie k zbytočným stratám elektriny. Nárast týchto strát so zvyšujúcim sa napätím obmedzuje cestu k ďalšiemu zvyšovaniu napätia v elektrickom vedení, pričom takéto zvýšenie je veľmi žiaduce na zníženie strát energie v dôsledku zahrievania drôtov.
Za normálnych podmienok plyny nevedú elektrický prúd, pretože ich molekuly sú elektricky neutrálne. Dobrým izolantom je napríklad suchý vzduch, čo sme si mohli overiť pomocou väčšiny jednoduché experimenty o elektrostatike. Vzduch a iné plyny sa však stávajú vodičmi elektrického prúdu, ak sa v nich tak či onak vytvárajú ióny.
Ryža. 100. Vzduch sa stáva vodičom elektrického prúdu, ak je ionizovaný
Najjednoduchší experiment ilustrujúci vodivosť vzduchu pri jeho ionizácii plameňom je na obr. 100: náboj na tanieroch, ktorý dlho pretrváva, rýchlo zmizne, keď sa do priestoru medzi taniere vloží zapálená zápalka.
Výtok plynu. Proces prechodu elektrického prúdu cez plyn sa zvyčajne nazýva výboj plynu (alebo elektrický výboj v plyne). Plynové výboje sa delia na dva typy: samoudržiavacie a nesamosprávne.
Nesamostatný výboj. Výboj v plyne sa nazýva nesamostatný, ak je na jeho udržanie potrebný externý zdroj
ionizácia. Ióny v plyne môžu vznikať pod vplyvom vysokých teplôt, röntgenového a ultrafialového žiarenia, rádioaktivity, kozmické lúče atď. Vo všetkých týchto prípadoch sa z elektrónového obalu atómu alebo molekuly uvoľní jeden alebo viac elektrónov. V dôsledku toho sa v plyne objavujú kladné ióny a voľné elektróny. Uvoľnené elektróny sa môžu pripojiť k neutrálnym atómom alebo molekulám a zmeniť ich na záporné ióny.
Ionizácia a rekombinácia. Spolu s ionizačnými procesmi sa v plyne vyskytujú aj procesy reverznej rekombinácie: vzájomným spojením kladné a záporné ióny alebo kladné ióny a elektróny vytvárajú neutrálne molekuly alebo atómy.
Zmenu koncentrácie iónov v priebehu času v dôsledku konštantného zdroja ionizačných a rekombinačných procesov možno opísať nasledovne. Predpokladajme, že zdroj ionizácie vytvára kladné ióny a rovnaký počet elektrónov na jednotku objemu plynu za jednotku času. Ak v plyne nie je elektrický prúd a odchod iónov z uvažovaného objemu v dôsledku difúzie možno zanedbať, potom jediným mechanizmom na zníženie koncentrácie iónov bude rekombinácia.
K rekombinácii dochádza, keď sa kladný ión stretne s elektrónom. Počet takýchto stretnutí je úmerný počtu iónov aj počtu voľných elektrónov, teda úmerný . Preto pokles počtu iónov na jednotku objemu za jednotku času možno zapísať v tvare , kde a je konštantná hodnota nazývaná rekombinačný koeficient.
Ak sú zavedené predpoklady platné, bilančná rovnica pre ióny v plyne sa zapíše do formulára
Túto diferenciálnu rovnicu nebudeme riešiť vo všeobecnej forme, ale zvážime niekoľko zaujímavých špeciálnych prípadov.
V prvom rade si všimneme, že procesy ionizácie a rekombinácie by sa po určitom čase mali navzájom kompenzovať a v plyne sa vytvorí konštantná koncentrácia; je vidieť, že keď
Čím výkonnejší je zdroj ionizácie a čím nižší je rekombinačný koeficient a, tým väčšia je koncentrácia stacionárnych iónov.
Po vypnutí ionizátora je pokles koncentrácie iónov opísaný rovnicou (1), v ktorej musíte brať ako počiatočnú hodnotu koncentrácie
Prepísaním tejto rovnice do tvaru po integrácii dostaneme
Graf tejto funkcie je znázornený na obr. 101. Predstavuje hyperbolu, ktorej asymptoty sú časová os a zvislá čiara. fyzický význam má len časť hyperboly zodpovedajúcu hodnotám Všimnite si pomalý charakter poklesu koncentrácie v čase v porovnaní s procesmi exponenciálneho rozpadu, s ktorými sa často stretávame vo fyzike, ktoré sa realizujú, keď je rýchlosť poklesu akejkoľvek veličiny úmerné prvej mocnine okamžitej hodnoty tejto veličiny.
Ryža. 101. Zníženie koncentrácie iónov v plyne po vypnutí zdroja ionizácie
Nesamovodivosť. Proces poklesu koncentrácie iónov po zastavení činnosti ionizátora sa výrazne urýchli, ak je plyn vo vonkajšom elektrickom poli. Ťahaním elektrónov a iónov na elektródy môže elektrické pole veľmi rýchlo znížiť elektrickú vodivosť plynu na nulu v neprítomnosti ionizátora.
Aby sme pochopili zákonitosti nesamostatného výboja, zvážme pre jednoduchosť prípad, keď prúd v plyne ionizovanom vonkajším zdrojom preteká medzi dvoma plochými elektródami, ktoré sú navzájom rovnobežné. V tomto prípade sú ióny a elektróny v rovnomernom elektrickom poli intenzity E, rovný pomeru napätie aplikované na elektródy do vzdialenosti medzi nimi.
Mobilita elektrónov a iónov. Pri konštantnom aplikovanom napätí určité konštantná sila prúd 1. To znamená, že elektróny a ióny v ionizovanom plyne sa pohybujú konštantnou rýchlosťou. Na vysvetlenie tejto skutočnosti musíme predpokladať, že okrem konštantnej zrýchľujúcej sily elektrického poľa sú pohybujúce sa ióny a elektróny vystavené silám odporu, ktoré sa zvyšujú so zvyšujúcou sa rýchlosťou. Tieto sily opisujú priemerný účinok zrážok elektrónov a iónov s neutrálnymi atómami a molekulami plynu. Vďaka silám odporu
V priemere sú stanovené konštantné rýchlosti elektrónov a iónov úmerné sile elektrického poľa E:
Koeficienty úmernosti sa nazývajú pohyblivosť elektrónov a iónov. Pohyblivosť iónov a elektrónov má rôzne hodnoty a závisí od typu plynu, jeho hustoty, teploty atď.
Hustota elektrického prúdu, t. j. náboj prenesený elektrónmi a iónmi za jednotku času na jednotku plochy, sa vyjadruje koncentráciou elektrónov a iónov, ich nábojom a rýchlosťou ustáleného pohybu.
Kvázi-neutralita. Za bežných podmienok je ionizovaný plyn ako celok elektricky neutrálny, alebo, ako sa hovorí, kvázi neutrálny, pretože v malých objemoch obsahujúcich relatívne malý počet elektrónov a iónov môže byť porušená podmienka elektrickej neutrality. To znamená, že vzťah je splnený
Prúdová hustota počas nesamostatného výboja. Pre získanie zákona o zmene koncentrácie prúdových nosičov v čase pri nesamosprávnom výboji v plyne je potrebné popri procesoch ionizácie externým zdrojom a rekombinácii zohľadniť aj tzv. únik elektrónov a iónov k elektródam. Počet častíc za jednotku času na plochu elektródy z objemu sa rovná Rýchlosť poklesu koncentrácie takýchto častíc získame vydelením tohto čísla objemom plynu medzi elektródami. Preto sa vo forme zapíše rovnováha namiesto (1) v prítomnosti prúdu
Na stanovenie režimu, keď z (8) získame
Rovnica (9) nám umožňuje nájsť závislosť ustálenej prúdovej hustoty pri nesamosprávnom výboji od priloženého napätia (resp. od intenzity poľa E).
Okamžite sú viditeľné dva limitujúce prípady.
Ohmov zákon. Pri nízkom napätí, keď v rovnici (9) možno druhý člen na pravej strane zanedbať, po čom dostaneme vzorce (7) a máme
Prúdová hustota je úmerná sile aplikovaného elektrického poľa. Pre nesamostatný plynový výboj v slabých elektrických poliach je teda splnený Ohmov zákon.
Saturačný prúd. Pri nízkej koncentrácii elektrónov a iónov v rovnici (9) možno prvý (kvadratický z hľadiska členov na pravej strane) zanedbať.V tejto aproximácii je vektor prúdovej hustoty smerovaný pozdĺž intenzity elektrického poľa a jeho modul
nezávisí od použitého napätia. Tento výsledok platí pre silné elektrické polia. V tomto prípade hovoríme o saturačnom prúde.
Oba uvažované obmedzujúce prípady možno študovať bez použitia rovnice (9). Týmto spôsobom však nie je možné vysledovať, ako so zvyšujúcim sa napätím dochádza k prechodu z Ohmovho zákona na nelineárnu závislosť prúdu od napätia.
V prvom obmedzujúcom prípade, keď je prúd veľmi malý, je hlavným mechanizmom na odstraňovanie elektrónov a iónov z oblasti výboja rekombinácia. Preto pre stacionárnu koncentráciu môžeme použiť výraz (2), ktorý, berúc do úvahy (7), okamžite dáva vzorec (10). V druhom limitujúcom prípade sa naopak rekombinácia zanedbáva. V silnom elektrickom poli sa elektróny a ióny nestihnú zrekombinovať počas letu z jednej elektródy na druhú, ak je ich koncentrácia dostatočne nízka. Potom všetky elektróny a ióny generované vonkajším zdrojom dosiahnu elektródy a celková prúdová hustota je rovná Je úmerná dĺžke ionizačnej komory, pretože plný počet elektróny a ióny produkované ionizátorom sú úmerné I.
Experimentálna štúdia výboja plynu. Závery teórie o nesamosprávnom výboji plynu sú potvrdené experimentmi. Na štúdium výboja v plyne je vhodné použiť sklenenú trubicu s dvoma kovovými elektródami. Elektrická schéma takejto inštalácie je znázornená na obr. 102. Pohyblivosť
elektróny a ióny silne závisia od tlaku plynu (nepriamo úmerné tlaku), takže je vhodné vykonávať experimenty pri zníženom tlaku.
Na obr. Na obrázku 103 je znázornená závislosť sily prúdu I v trubici od napätia privedeného na elektródy trubice Ionizácia v trubici môže byť vytvorená napríklad röntgenovým alebo ultrafialovým žiarením alebo použitím slabého rádioaktívneho liečiva. Podstatné je len to, aby vonkajší zdroj iónov zostal nezmenený Lineárny úsek prúdovo-napäťovej charakteristiky OA zodpovedá rozsahu použiteľnosti Ohmovho zákona.
Ryža. 102. Inštalačná schéma na štúdium výboja plynu
Ryža. 103. Experimentálne prúdovo-napäťové charakteristiky plynového výboja
V sekcii sila prúdu závisí nelineárne od napätia. Vychádzajúc z bodu B, prúd dosiahne saturáciu a zostáva konštantný v určitej oblasti.To všetko zodpovedá teoretickým predpovediam.
Nezávislý výboj. V bode C sa však prúd opäť začína zvyšovať, najskôr pomaly a potom veľmi prudko. To znamená, že sa v plyne objavil nový, interný zdroj ióny. Ak teraz odstránime vonkajší zdroj, výboj v plyne sa nezastaví, t. j. výboj prechádza zo samoudržiavacieho do samoudržiavacieho. Pri samovybíjaní dochádza k tvorbe nových elektrónov a iónov v dôsledku vnútorných procesov v samotnom plyne.
Ionizácia nárazom elektrónov. Nárast prúdu počas prechodu z nesamosprávneho výboja na samoudržiavací sa vyskytuje ako lavína a nazýva sa elektrický rozpad plynu. Napätie, pri ktorom dochádza k poruche, sa nazýva zapaľovacie napätie. Závisí od druhu plynu a od súčinu tlaku plynu a vzdialenosti medzi elektródami.
Procesy v plyne zodpovedné za lavínovité zvýšenie sily prúdu so zvyšujúcim sa napätím sú spojené s ionizáciou neutrálnych atómov alebo molekúl plynu voľnými elektrónmi urýchlenými elektrickým poľom, aby dostatočne
vysokých energií. Kinetická energia elektrónu pred ďalšou zrážkou s neutrálnym atómom alebo molekulou je úmerná sile elektrického poľa E a strednej voľnej dráhe elektrónu X:
Ak je táto energia dostatočná na ionizáciu neutrálneho atómu alebo molekuly, t.j. prevyšuje prácu ionizácie
potom, keď sa elektrón zrazí s atómom alebo molekulou, sú ionizované. Výsledkom je, že namiesto jedného elektrónu sa objavia dva. Tie sú na druhej strane urýchľované elektrickým poľom a ionizujú atómy alebo molekuly, s ktorými sa stretávajú pozdĺž ich dráhy, atď. Proces sa vyvíja ako lavína a nazýva sa elektrónová lavína. Opísaný ionizačný mechanizmus sa nazýva ionizácia nárazom elektrónov.
Experimentálny dôkaz, že k ionizácii atómov neutrálneho plynu dochádza hlavne v dôsledku dopadov elektrónov, a nie kladných iónov, podal J. Townsend. Vzal ionizačnú komoru vo forme valcového kondenzátora, ktorého vnútornou elektródou bol tenký kovový závit natiahnutý pozdĺž osi valca. V takejto komore je zrýchľujúce sa elektrické pole značne nehomogénne a hlavnú úlohu pri ionizácii zohrávajú častice, ktoré spadajú do oblasti najväčšieho silné pole v blízkosti vlákna. Skúsenosti ukazujú, že pri rovnakom napätí medzi elektródami je vybíjací prúd väčší, keď je kladný potenciál aplikovaný na vlákno, a nie na vonkajší valec. Práve v tomto prípade všetky voľné elektróny vytvárajúce prúd nevyhnutne prechádzajú oblasťou najsilnejšieho poľa.
Emisia elektrónov z katódy. Samostatný výboj môže byť stacionárny iba vtedy, ak sa v plyne neustále objavujú nové voľné elektróny, pretože všetky elektróny vznikajúce v lavíne dosiahnu anódu a sú vylúčené z hry. Nové elektróny sú z katódy vyrazené kladnými iónmi, ktoré sú pri pohybe ku katóde tiež urýchľované elektrickým poľom a získavajú na to dostatočnú energiu.
Katóda môže emitovať elektróny nielen v dôsledku bombardovania iónmi, ale aj samostatne pri zahriatí na vysokú teplotu. Tento proces sa nazýva termionická emisia a možno ho považovať za druh vyparovania elektrónov z kovu. Zvyčajne sa vyskytuje pri teplotách, keď je odparovanie samotného materiálu katódy ešte malé. V prípade samostatného výboja plynu sa katóda zvyčajne nezohrieva
vlákno, ako vo vákuových trubiciach, ale kvôli uvoľňovaniu tepla, keď je bombardované kladnými iónmi. Preto katóda emituje elektróny, aj keď energia iónov nie je dostatočná na vyradenie elektrónov.
Samostatný výboj v plyne nastáva nielen v dôsledku prechodu z nesamostatného výboja so zvyšujúcim sa napätím a vzdialenosťou externý zdroj ionizáciou, ale aj s priamym privedením napätia presahujúceho prahové zápalné napätie. Teória ukazuje, že na zapálenie výboja stačí veľmi malé množstvo iónov, ktoré sú vždy prítomné v neutrálnom plyne, už len kvôli prirodzenému rádioaktívnemu pozadiu.
V závislosti od vlastností a tlaku plynu, konfigurácie elektród a napätia aplikovaného na elektródy sú možné rôzne typy samovybíjania.
Žiarivý výboj. O nízke tlaky(desatiny a stotiny milimetra ortuti) je v trubici pozorovaný žeravý výboj. Na zapálenie žeravého výboja stačí napätie niekoľko stoviek alebo aj desiatok voltov. V žeravom výboji možno rozlíšiť štyri charakteristické oblasti. Sú to katódový tmavý priestor, žiara (alebo negatívna) žiara, Faradayov tmavý priestor a žiariaci pozitívny stĺpec, ktorý zaberá väčšinu priestoru medzi anódou a katódou.
Prvé tri oblasti sa nachádzajú v blízkosti katódy. Práve tu nastáva prudký pokles potenciálu spojený s vysokou koncentráciou kladných iónov na hranici tmavého priestoru katódy a tlejúcej žiary. Elektróny zrýchlené v oblasti tmavého priestoru katódy vytvárajú intenzívnu nárazovú ionizáciu v oblasti tlejúcej žiary. Žiara je spôsobená rekombináciou iónov a elektrónov na neutrálne atómy alebo molekuly. Pozitívny výbojový stĺpec je charakterizovaný miernym poklesom potenciálu a žiarou spôsobenou návratom excitovaných atómov alebo molekúl plynu do základného stavu.
Korónový výboj. Pri relatívne vysokých tlakoch v plyne (rádovo atmosférický tlak) sa v blízkosti špicatých častí vodiča, kde je elektrické pole vysoko nehomogénne, pozoruje výboj, ktorého svetelná oblasť pripomína korónu. Korónový výboj sa niekedy vyskytuje prirodzene v korunách stromov, stožiaroch lodí atď. („Oheň sv. Elma“). Korónový výboj je potrebné brať do úvahy pri vysokonapäťovej technike, kedy sa tento výboj vyskytuje okolo vodičov vysokonapäťových elektrických vedení a vedie k stratám elektriny. Užitočné praktické využitie korónový výboj sa nachádza v elektrických odlučovačoch na čistenie priemyselných plynov od nečistôt pevných a kvapalných častíc.
Keď sa napätie medzi elektródami zvýši, korónový výboj sa zmení na iskrový výboj s úplným porušením medzery medzi
elektródy. Vyzerá to ako zhluk jasných cikcak vetviacich sa kanálov, ktoré okamžite prepichnú vypúšťaciu medzeru a rozmarne sa navzájom nahradia. Iskrový výboj je sprevádzaný uvoľňovaním veľkého množstva tepla, jasnou modrobielou žiarou a silným praskaním. Dá sa pozorovať medzi guľôčkami elektroforetického stroja. Príkladom obrovského iskrového výboja je prirodzený blesk, kde sila prúdu dosahuje 5-105 A a potenciálny rozdiel dosahuje 109 V.
Keďže k iskrovému výboju dochádza pri atmosférickom (a vyššom) tlaku, zápalné napätie je veľmi vysoké: v suchom vzduchu so vzdialenosťou medzi elektródami 1 cm je to asi 30 kV.
Elektrický oblúk.Špecifickým prakticky dôležitým typom nezávislého výboja plynu je elektrický oblúk. Keď sa dve uhlíkové alebo kovové elektródy dostanú do kontaktu v mieste ich kontaktu, veľké množstvo teplo vďaka vysokému prechodovému odporu. Výsledkom je, že začne termionická emisia a keď sa elektródy vzdialia, medzi nimi sa objaví jasne žiariaci oblúk vysoko ionizovaného, vysoko vodivého plynu. Sila prúdu aj v malom oblúku dosahuje niekoľko ampérov a vo veľkom oblúku - niekoľko stoviek ampérov pri napätí asi 50 V. Elektrický oblúk je široko používaný v technike ako výkonný zdroj svetla, v elektrických peciach a na elektrické zváranie . slabé retardačné pole s napätím asi 0,5 V. Toto pole zabraňuje pomalým elektrónom dostať sa k anóde. Elektróny sú emitované z katódy K, ktorá je zahrievaná elektrickým prúdom.
Na obr. Na obrázku 105 je znázornená závislosť prúdu v anódovom obvode od urýchľovacieho napätia získaného v týchto experimentoch Táto závislosť má nemonotónny charakter s maximami pri napätiach, ktoré sú násobkami 4,9 V.
Diskrétnosť hladín atómovej energie. Táto závislosť prúdu od napätia sa dá vysvetliť iba prítomnosťou diskrétnych atómov ortuti. stacionárne stavy. Ak by atóm nemal diskrétne stacionárne stavy, t.j. vnútornej energie môže nadobudnúť akékoľvek hodnoty, potom by pri akejkoľvek energii elektrónu mohlo dôjsť k nepružným zrážkam sprevádzaným zvýšením vnútornej energie atómu. Ak existujú diskrétne stavy, potom zrážky elektrónov s atómami môžu byť len elastické, pokiaľ energia elektrónov nepostačuje na prenos atómu zo základného stavu do najmenej excitovaného.
O elastické kolízie kinetická energia elektrónov sa prakticky nemení, pretože hmotnosť elektrónu je oveľa menšia ako hmotnosť atómu ortuti. Za týchto podmienok počet elektrónov dosahujúcich anódu monotónne rastie so zvyšujúcim sa napätím. Keď urýchľovacie napätie dosiahne 4,9 V, zrážky elektrónu a atómu sa stanú nepružnými. Vnútorná energia atómov sa prudko zvýši a elektrón v dôsledku zrážky stratí takmer všetku svoju kinetickú energiu.
Spomaľovacie pole tiež neumožňuje prechod pomalých elektrónov k anóde a intenzita prúdu prudko klesá. Nezmizne len preto, že niektoré elektróny dosiahnu mriežku bez toho, aby zažili neelastické kolízie. Druhé a nasledujúce prúdové maximá sa získajú, pretože pri napätiach, ktoré sú násobky 4,9 V, môžu elektróny na ceste do siete zažiť niekoľko nepružných zrážok s atómami ortuti.
Energiu potrebnú na nepružnú zrážku teda elektrón získa až po prechode potenciálovým rozdielom 4,9 V. To znamená, že vnútorná energia atómov ortuti sa nemôže zmeniť o hodnotu menšiu ako eV, čo dokazuje diskrétnosť energetického spektra atóm. Opodstatnenosť tohto záveru potvrdzuje aj fakt, že pri napätí 4,9 V výboj začne žiariť: excitované atómy so spontánnymi
prechody do základného stavu vyžarujú viditeľné svetlo, ktorej frekvencia sa zhoduje s frekvenciou vypočítanou podľa vzorca
V klasických experimentoch Franka a Hertza sa metódou nárazu elektrónov určovali nielen excitačné potenciály, ale aj ionizačné potenciály množstva atómov.
Uveďte príklad experimentu z elektrostatiky, z ktorého môžeme usúdiť, že suchý vzduch je dobrý izolant.
Kde sa v technike využívajú izolačné vlastnosti vzduchu?
Čo je to nesamostatný výboj plynu? Za akých podmienok sa vyskytuje?
Vysvetlite, prečo je rýchlosť poklesu koncentrácie v dôsledku rekombinácie úmerná druhej mocnine koncentrácie elektrónov a iónov. Prečo možno tieto koncentrácie považovať za rovnaké?
Prečo nedáva zmysel, aby zákon klesajúcej koncentrácie vyjadrený vzorcom (3) zaviedol pojem charakteristického času, ktorý je široko používaný pre exponenciálne klesajúce procesy, hoci v oboch prípadoch procesy pokračujú, všeobecne povedané, donekonečna?
Prečo sú podľa vás v definíciách pohyblivosti vo vzorcoch (4) pre elektróny a ióny zvolené opačné znamienka?
Ako závisí sila prúdu v nesamostatnom výboji plynu od použitého napätia? Prečo dochádza k prechodu z Ohmovho zákona na saturačný prúd so zvyšujúcim sa napätím?
Elektrický prúd v plyne prenášajú elektróny aj ióny. Každá elektróda však prijíma náboje iba jedného znamienka. Ako je to v súlade so skutočnosťou, že sila prúdu je rovnaká vo všetkých častiach sériového obvodu?
Prečo pri ionizácii plynu vo výboji v dôsledku zrážok najväčšiu rolu Hrajú elektróny a nie kladné ióny?
Opíšte charakteristické znaky rôzne druhy nezávislý výboj plynu.
Prečo výsledky Frankových a Hertzových experimentov naznačujú diskrétnosť hladín atómovej energie?
Popíšte fyzikálnych procesov, vyskytujúce sa v plynovej výbojke v experimentoch Franka a Hertza, so zvyšujúcim sa urýchľovacím napätím.
Elektrický prúd v kovoch
Kovy sú dobrými vodičmi elektriny. Je to spôsobené ich vnútornou štruktúrou. Všetky kovy majú vonkajšie valenčné elektróny slabo viazané na jadro a keď sa atómy spoja do kryštálovej mriežky, tieto elektróny sa stanú spoločnými a patria celému kusu kovu.
Nosiče náboja v kovoch sú elektróny .
Elektróny v kovoch, keď sú umiestnené v elektrickom poli, sa pohybujú konštantnou priemernou rýchlosťou úmernou sile poľa.
Závislosť odporu vodiča od teploty
S rastúcou teplotou sa zvyšuje rýchlosť tepelného pohybu vodivých elektrónov, čo vedie k zvýšeniu frekvencie zrážok s iónmi kryštálovej mriežky a tým k zvýšeniu odporu.
Supravodivosť - jav prudkého poklesu odporu vodiča na nulu pri ochladení na kritická teplota(v závislosti od druhu látky).
Supravodivosť je kvantový efekt. Vysvetľuje sa to tým, že pri nízkych teplotách sa makroskopický počet elektrónov správa ako jeden objekt. Nemôžu si vymieňať časti energie s kryštálovou mriežkou, ktoré sú menšie ako ich väzbová energia, takže nedochádza k rozptylu tepelnej energie, čo znamená absenciu odporu.
Takáto kombinácia elektrónov je možná, keď tvoria bosonické (Cooperove) páry - korelovaný stav elektrónov s opačnými spinmi a hybnosťami.
Meissnerov jav je vytlačenie magnetického poľa zo supravodiča. Vo vnútri vodiča cirkulujú netlmené prúdy v supravodivom stave a vytvárajú magnetické pole opačné ako vonkajšie. Silné magnetické pole ničí supravodivosť.
Elektrický prúd v kvapalinách
Elektrolyty je zvykom nazývať vodivé médiá, v ktorých je tok elektrického prúdu sprevádzaný prenosom hmoty
Po dosiahnutí katódy sú ióny medi neutralizované prebytočnými elektrónmi katódy a premieňajú sa na neutrálne atómy, ktoré sú uložené na katóde. Ióny chlóru, ktoré dosiahnu anódu, odovzdajú každý jeden elektrón. Na anóde sa uvoľňuje chlór vo forme bublín.
Zákon elektrolýzy experimentálne stanovil anglický fyzik M. Faraday v roku 1833 ( Faradayov zákon)
m- hmotnosť čistej látky uvoľnenej v dôsledku elektrolýzy
k- elektrochemický ekvivalent látky
Tu N A- Avogadrova konštanta, M = m0N A- molárna hmota látky,
F = eNA = 96485 C/mol- Faradayova konštanta
Faradayova konštanta sa číselne rovná náboju, ktorý musí prejsť cez elektrolyt, aby sa na elektróde uvoľnil jeden mól monovalentnej látky.
Faradayov zákon pre elektrolýzu
Elektrický prúd v plynoch
Za normálnych podmienok sú všetky plyny dielektriká, to znamená, že nevedú elektrický prúd. Táto vlastnosť vysvetľuje napríklad rozšírené používanie vzduchu ako izolačnej látky. Princíp činnosti vypínačov a ističov je práve založený na tom, že rozopnutím ich kovových kontaktov medzi nimi vytvoríme vrstvu vzduchu, ktorá nevedie prúd.
Za určitých podmienok sa však plyny môžu stať vodičmi. Napríklad plameň zavedený do priestoru medzi dvoma kovovými kotúčmi (pozri obrázok) spôsobí, že galvanometer zaznamená výskyt prúdu. Nasleduje záver: plameň, teda plyn zahriaty na vysokú teplotu, je vodičom elektrického prúdu.
Kúrenie - nie jediná cesta premena plynu na vodič. Namiesto plameňa môžete použiť ultrafialové alebo röntgenového žiarenia, ako aj tok alfa častíc alebo elektrónov. Experimenty ukázali, že pôsobenie ktorejkoľvek z týchto príčin vedie k ionizácii molekúl plynu.
Prechod prúdu cez plyny sa nazýva výboj plynu. Práve sme sa pozreli na príklad takzvaného nesamostatného výboja. Nazýva sa tak preto, že na udržanie vyžaduje nejaký druh ionizátora – plameň, žiarenie alebo prúd nabitých častíc. Experimenty ukazujú, že ak sa ionizátor odstráni, ióny a elektróny sa čoskoro znovu spoja (hovoria: rekombinujú), pričom opäť vytvoria elektricky neutrálne molekuly. V dôsledku toho plyn prestane viesť prúd, to znamená, že sa stane dielektrikom.
Nezávislá a nezávislá vodivosť plynov
Aby bol plyn vodivý, je potrebné tak či onak zaviesť do neho alebo v ňom vytvoriť voľné nosiče náboja - nabité častice. V tomto prípade sú možné dva prípady: buď tieto nabité častice vznikajú pôsobením nejakého vonkajšieho činiteľa alebo sú do plynu vnesené zvonku - nesamostatná vodivosť, alebo vznikajú v plyne pôsobením elektrického poľa. sama existujúca medzi elektródami - nezávislá vodivosť.
V prípade nesamostatnej vodivosti pri malých hodnotách U vyzerá graf ako priamka, t.j. Ohmov zákon približne zostáva v platnosti; Ako sa U zvyšuje, krivka sa s určitým napätím ohýba a mení sa na vodorovnú priamku.
To znamená, že od určitého napätia zostáva prúd konštantná hodnota, napriek zvýšeniu napätia. Táto konštantná hodnota prúdu nezávislá od napätia sa nazýva saturačný prúd.
Nesamostatný výboj plynu - výboj, ktorý existuje len pod vplyvom vonkajších ionizátorov.
Pri zvyšovaní napätia nastáva nárazová ionizácia – fenomén vyraďovania elektrónov z neutrálnych molekúl – počet nosičov náboja stúpa ako lavína. Vyskytuje sa nezávislý výboj.
Samostatný výboj plynu - výboj, ktorý existuje po odstránení vonkajších ionizátorov.
Procesy ovplyvňujúce vodivosť plynov
|
Tepelná ionizácia- pri zrážke neutrálnych atómov sa elektróny vyradia a atómy sa premenia na kladné ióny |
|
|
Ionizácia žiarením(fotoionizácia) - rozpad atómu na elektrón a kladný ión vplyvom svetla |
|
|
Ionizácia nárazom elektrónov- vyradenie elektrónu z atómu zrýchleným elektrónom za vzniku kladného iónu |
|
|
Sekundárna emisia elektrónov z katódy - vyradenie elektrónov z katódy kladnými iónmi |
|
|
Termionická emisia- emisia elektrónov zahriatym kovom |
|
Žeravý výboj: Pri tlaku plynu niekoľko desatín milimetra ortuti má výboj typický tvar, schematicky znázornený na obr. Ide o prúd v ionizovanom plyne, presnejšie v nízkoteplotnej plazme. Žiarivý výboj vzniká pri prechode prúdu cez vybíjaný plyn. Akonáhle napätie prekročí určitú hodnotu, plyn v banke sa ionizuje a nastáva žiara. Toto je v podstate elektrický prúd, nie tak v plyne, ako v plazme. Farba plynovej (plazmovej) žiary závisí od látky plynu.
Iskrový výboj: Pri dostatočne vysokej intenzite poľa (asi 3 MV/m) sa medzi elektródami objaví elektrická iskra, ktorá má vzhľad jasne žiariaceho kanála vinutia spájajúceho obe elektródy. Plyn v blízkosti iskry sa zahreje na vysokú teplotu a náhle expanduje, čím sa objavia zvukové vlny a počujeme charakteristický praskavý zvuk. Vyskytuje sa za normálnych podmienok, pri normálnom atmosférickom tlaku, rovnako ako žiarivý výboj v dôsledku ionizácie plynu, ale pri vysoké napätie, na rozdiel od oblúkového výboja, kde je dôležitá predovšetkým vysoká prúdová hustota.
Korónový výboj: sa vyskytuje v silnom elektrickom poli s vysokou intenzitou, dostatočnou na to, aby spôsobila ionizáciu plynu (alebo kvapaliny). V tomto prípade nie je elektrické pole rovnomerné, na niektorých miestach je intenzita oveľa väčšia. Vzniká gradient (rozdiel) potenciálov poľa a tam, kde je potenciál väčší, dochádza k silnejšej, intenzívnejšej ionizácii plynu, potom sa tok iónov dostane do inej časti poľa, čím sa vytvorí tok elektriny. V dôsledku toho sa vytvára korónový výboj bizarných tvarov v závislosti od geometrie vodičov - zdrojov intenzity poľa.
Oblúkový výboj: predstavuje elektrická porucha plyn, z ktorého sa neskôr stane stály plazmový výboj – oblúk, vzniká elektrický oblúk. Oblúkový výboj sa vyznačuje nižším napätím ako žeravý výboj. Udržiava sa hlavne vďaka termionickej emisii, kedy sa z elektród uvoľňujú elektróny. Starý názov pre takýto oblúk je „voltaický oblúk“. Charakteristickým znakom takéhoto oblúka je jeho vysoká prúdová hustota a nízke napätie, ktoré je obmedzené zdrojom prúdu. Aby sa vytvoril takýto oblúk, elektródy sa priblížia k sebe, dôjde k poruche a potom sa vzdialia.
Myšlienku korpuskulárnej štruktúry elektriny naznačili aj výsledky získané pri štúdiu elektrických javov v plynoch. Prechod elektriny cez plyny a javy spojené s týmto procesom boli pozorované v r laboratórne podmienky ešte v polovici 18. storočia. Tieto javy sa však začali systematicky skúmať oveľa neskôr, v r polovice 19 storočí.
V roku 1838 Faraday, berúc do úvahy prechod elektriny cez riedky plyn, zistil, že žiara sprevádzajúca takýto výboj má určitú štruktúru. Faraday nevyvinul teóriu tohto javu, ale naznačil, že výsledky takýchto pozorovaní v budúcnosti " bude mať oveľa väčší vplyv na teóriu elektriny, ako si v súčasnosti vieme predstaviť».
Od 50-tych rokov po Heinrich Geisler(1814-1879) začal vyrábať plynové výbojky (nesúce jeho meno), štúdium výbojov v plynoch sa zintenzívnilo. V rokoch 1858-1859. Július Plücker(1801-1861), ktorý študoval elektrický výboj v takýchto trubiciach, objavil existenciu „katódových lúčov“. Všimol si, že ak je katóda vyrobená vo forme hrotu, potom má žiara tvar šnúry vybiehajúcej z katódy. Táto „šnúra“ bola odklonená magnetickým poľom. Plücker dospel k záveru, že ide o prúd nabitých častíc letiacich z katódy na anódu. Všimol si tiež, že sklo v blízkosti katódy začalo žiariť.
Výskum viacerých fyzikov potvrdil skutočnosti stanovené Plückerom a doplnil ich o nové. Neexistoval žiadny konsenzus o povahe týchto častíc. Napríklad, William Crooks(1832-1919) dospel k záveru, že katódové lúče sú prúdom špeciálnych negatívne nabitých častíc a predstavujú určitý štvrtý stav hmoty. Iní verili, že katódové lúče sú prúd obyčajných častíc (atómov alebo molekúl), ktoré nesú elektrický náboj.
Proti Crookesovej molekulárnej hypotéze o povahe katódových lúčov sa postavila vlnová hypotéza podporovaná nemeckými vedcami Wiedemannom, Goldsteinom a Lenardom. Za pozdĺžne vlnenie v éteri považoval katódové lúče aj Hertz, ktorý bol ešte ovplyvnený Helmholtzovou teóriou, ktorá predpokladala existenciu nielen priečnych, ale aj pozdĺžnych elektromagnetických vĺn. Hertzovi sa však nepodarilo dosiahnuť vychýlenie katódových lúčov, keď prešli cez elektrostatické pole. V roku 1892 ukázal, že katódové lúče môžu prenikať tenkými hliníkovými platňami.
Pomocou tohto objavu Filip Lenard(1862-1947) odstránil tieto lúče z trubice nahradením časti sklenenej trubice pred katódou kovovou fóliou dostatočne silnou na to, aby odolala atmosférickému tlaku.
Vlnová hypotéza je však nezlučiteľná so skutočnosťou, že katódové lúče sú vychyľované magnetom, pretože svetelné vlny nie sú ovplyvnené magnetickým poľom. Ako molekulárna hypotéza Crookesova a Goldsteinova vlnová hypotéza sa ukázala ako neuspokojivá. Aby sme sa dostali z tohto problému, boli potrebné ďalšie experimentálne údaje.
Zrodenie elektroniky
Získal ich mladý fyzik Jean Perrin(1870-1942), ktorý vtedy pracoval s Lippmannom v laboratóriu Ecole Normal v Paríži. Perrin umiestnil uzavretý kovový valec s malým otvorom oproti katóde vo vzdialenosti 10 cm od nej vo vnútri výbojky pred katódou a pripojil valec k elektroskopu. Keď bola trubica v prevádzke, lúč katódových lúčov prenikol do valca a valec sa vždy ukázal ako záporne nabitý. Na kontrolu stačilo odkloniť katódové lúče magnetom tak, aby neprenikli do valca a hneď sa ukázalo, že elektroskop pripevnený k valcu je nenabitý.
Z toho by sme mohli vyvodiť záver: katódové lúče sú záporné elektrické náboje, takže ich materiálna povaha sa zdá byť oveľa pravdepodobnejšia ako vlnová.
Bol rok 1895. Tento rok sa zrodila elektronika.
V 80. rokoch bolo konečne jasné, že plyny nie sú absolútnymi izolantmi a, aj keď slabo, vedú elektrický prúd; ich vodivosť je možné zvýšiť ich vystavením napríklad zahrievaniu. Bolo navrhnuté, že podobne ako vodivosť elektrolytov je vodivosť plynov spôsobená prítomnosťou častíc nabitých iónov.
Tento pohľad bol podrobne rozpracovaný v roku 1882 Wilhelm Giese. Podľa jeho teórie plyny vždy obsahujú určité množstvo nabitých častíc, ktoré vznikajú v dôsledku delenia molekúl na častice kladných a záporných iónov, ktoré rovnako ako v kvapalinách vedú elektrický prúd. Za normálnych podmienok je však takýchto iónov v plynoch veľmi málo. Pri vyšších teplotách sa zvyšuje ich počet a zvyšuje sa vodivosť.
K tejto teórii sa pridal aj anglický fyzik Arthur Shuster(1851-1934), ktorý veril, že častice plynu – ióny – vždy nesú určitý elektrický náboj. Shuster pokračoval vo svojom výskume a pokúsil sa túto teóriu experimentálne otestovať a zároveň určiť pomer náboja k hmotnosti takýchto iónov. K tomu sa rozhodol využiť fenomén vychyľovania katódových lúčov v magnetickom poli. Poznaním intenzity magnetického poľa, rozdielu potenciálov a meraním vychýlenia katódových lúčov v magnetickom poli je možné vypočítať pomer náboja k hmotnosti katódových častíc. Takýto experiment uskutočnil Shuster, ktorý to zistil e/m = 10^(11) C/kg.
Tento výsledok sa Shusterovi zdal pochybný. Veril, že pomer e/m v katódových lúčoch by sa mal rádovo rovnať pomeru e/m pre vodíkový ión vypočítaný z údajov elektrolýzy, t.j. rádovo 10^(8) C/kg. "... Odtiaľto by som mohol urobiť záver, píše Shuster, že buď je množstvo elektriny prenesené počas výboja v plynoch výrazne väčšie ako množstvo prenášané iónmi počas elektrolýzy, alebo že hmotnosť jej „nosiča“ je oveľa menšia" Shuster však vtedy takýto záver neurobil. Jeho výskum bol publikovaný v roku 1890, ale nevzbudil pozornosť.
Nakoniec bola predložená hypotéza, že vodivý prúd sa uskutočňuje ako výsledok pohybu diskrétnych nábojov. Táto myšlienka patrila Fechnerovi a neskôr ju rozvinul Weber.
Weber spočiatku nehovoril o spojení medzi „atómami elektriny“ a atómami látok, ale potom mu bolo treba pripísať elektrické častice omša. Stalo sa tak počas diskusie s Helmholtzom o vzťahu jeho teórie k zákonu zachovania energie. V roku 1871 napísal, že s „ Každý významný ión je spojený s elektrickým atómom».
Pomocou tejto hypotézy sa Weber pokúsil vysvetliť množstvo javov spojených s elektrickým prúdom, vrátane tvorby tepla vo vodičoch prúdom, termoelektrinou, Peltierovým javom atď. v teórii elektroniky.
Nabité častice hmoty, nazývané Lorentzove ióny, spôsobujú vo svojom prostredí, t.j. v éteri, zvláštny stav, ktorá je určená hodnotami napätia el E a magnetické N poliach. Nabitá častica musí zažiť silu, ktorá závisí od hodnôt E A N v mieste jeho umiestnenia, ako aj na rýchlosti jeho pohybu. Táto sila sa nazýva Lorentzova sila.
Nie je možné priamo aplikovať Lorentzovu rovnicu na opis elektromagnetických procesov v makroskopickom meradle v prítomnosti média. množstvá E A N meniť ich hodnoty už na diaľku atómové veľkosti a navyše extrémne rýchlo, takže merateľné hodnoty elektrického a magnetického poľa predstavujú priemerné hodnoty týchto veličín. Preto, aby bolo možné aplikovať Lorentzove rovnice pre makroskopické polia, je potrebné ich spriemerovať. Pre prípad stacionárnych médií sa získajú obvyklé Maxwellove rovnice. V prípade, že médium má magnetické vlastnosti, je spriemerovanie Lorentzových rovníc komplikovanejšie, ale aj tak pre stacionárne médiá dospejeme k Maxwellovým rovniciam. Pre prípad, že sa médium pohybuje ako celok, vedie spriemerovanie Lorentzových rovníc k novým rovniciam, ktoré Lorentz považuje za rovnice pre pohyb média.
Treba poznamenať, že Lorentzov vývoj elektronickej teórie bol do značnej miery spôsobený pokusom o vytvorenie elektrodynamiky pohybujúcich sa médií. To vysvetľuje názov jeho hlavného diela, “ Skúsenosti s teóriou elektrotechniky a optické javy v pohybujúcich sa telách».
Prvý vážny úspech nová teória bolo vysvetlenie objavené v roku 1896 Peter Zeeman(1865-1943) javy štiepenia spektrálnych čiar v magnetickom poli. Pôvodná Zeemanova zostava nebola vybavená dostatočne presným prístrojovým vybavením a Zeeman si všimol, že spektrálne čiary sa rozšírili iba vtedy, ak bol zdroj svetla umiestnený v magnetickom poli. Keď sa Lorentz dozvedel výsledky prvého Zeemanovho experimentu, vysvetlil ich na základe teórie elektrónov. Zároveň predpovedal, že spektrálne čiary v Zeemanovom experimente by sa nemali len rozširovať, ale mali by sa rozdeliť na dve alebo tri v závislosti od smeru, v ktorom sa pozorovanie uskutočňuje vo vzťahu k smeru magnetického poľa. Lorentz tiež určil, že tieto čiary musia byť určitým spôsobom polarizované.Následné experimentálne štúdie potvrdili Lorentzove závery, a teda boli potvrdením elektronickej teórie.
Čoskoro po vytvorení elektronickej teórie bola vyvinutá elektronická teória kovov. Nemecký fyzik Paul Drude(1863-1906) veril, že elektróny v kove sú voľné a správajú sa ako atómy ideálneho plynu. Táto hypotéza mu umožnila aplikovaním metód kinetickej teórie plynov na elektróny vo vnútri kovu skonštruovať elektrónovú teóriu kovov, ktorú ďalej rozvinul Lorentz v rokoch 1904-1907.
Nové výsledky sa získali aj aplikáciou elektrónovej teórie na vysvetlenie magnetické vlastnosti tel. Rozvoj myšlienok o elektrónoch vyvolal výzvu zvážiť fenomén paramagnetizmu a diamagnetizmu z hľadiska tejto teórie.
Prvýkrát začal anglický vedec rozvíjať elektronickú teóriu diamagnetizmu Joseph Larmore(1957-1942), ktorý sa súčasne s Lorenzom podieľal na výstavbe všeobecná teória elektróny. Larmore vysvetlil javy diamagnetizmu zvážením pohybu elektrónov v hmote s prihliadnutím na pôsobenie vonkajšieho magnetického poľa (Larmoreova precesia).
V roku 1905 Paul Langevin(1872-1946) vypracoval podrobnejšiu a prísnejšiu elektronickú teóriu diamagnetizmu a paramagnetizmu. Elektrónová teória feromagnetizmu bola vyvinutá v roku 1907 Pierre Weiss(1865-1940).
Koniec 19. storočia sa v dejinách fyziky niesol v znamení množstva zásadných objavov, ktoré spôsobili vedecká revolúcia v názoroch fyzikov. Najdôležitejšími z nich bol objav elektrónu a zistenie závislosti jeho hmotnosti od rýchlosti a potom objav rádioaktivity. Pozoruhodný je objav fotoelektrického javu a jeho zákonitostí, ako aj objav röntgenového žiarenia. Okrem toho posledné dva objavy vlastná hodnota rozvíjať myšlienky o fyzikálnych javov zohral významnú úlohu ako pri objave elektrónu, tak aj elektromagnetická hmota a pri objave rádioaktivity.
V roku 1895 Wilhelm Conrad Roentgen(1845-1923) objavil lúče nazývané röntgenové lúče. Objav veľmi zaujal vedcov a vyvolal širokú diskusiu o ich povahe. Množstvo vlastností týchto nezvyčajných lúčov bolo rýchlo objasnených: schopnosť prechádzať cez svetlo nepriepustné telesá, ionizujúce plyny atď., ale povaha samotných lúčov zostala nejasná.
Roentgen predpokladal, že lúče sú pozdĺžne elektromagnetické vlny. Existovala hypotéza o korpuskulárna povaha tieto lúče. Na druhej strane, veľmi skoro po objavení Roentgena sa objavil názor, že tieto lúče sú elektromagnetické vlny vo forme elektromagnetických impulzov, ktoré chaoticky na seba nadväzujú.
Avšak všetky pokusy zistiť vlnové vlastnosti röntgenových lúčov, napríklad pozorovať ich difrakciu, na dlhú dobu boli neúspešné až do nemeckého fyzika Max Felix Theodor Laue(1979-1960) sa táto myšlienka namiesto toho neuplatnila difrakčná mriežka kryštál a pokúsiť sa zistiť difrakciu röntgenových lúčov z kryštálovej mriežky (poprvýkrát sa experiment uskutočnil až v roku 1925).
Objav röntgenového žiarenia prispel k štúdiu elektrickej vodivosti plynov a štúdiu katódových lúčov.
Joseph John Thomson(1856-1940) a Ernest Rutherford(1871-1937) zistil, že pod vplyvom röntgenového žiarenia plyn výrazne zvyšuje svoju elektrickú vodivosť, pričom si túto vlastnosť zachováva ešte nejaký čas aj po ukončení ožarovania. Ak však plyn ožiarený röntgenovými lúčmi prejde cez vatu, okamžite stratí svoju nadobudnutú vlastnosť. Táto skutočnosť potvrdila predpoklad, že vodičmi elektriny v plynoch sú nabité častice vznikajúce v dôsledku pôsobenia röntgenového žiarenia. Čo sú to za častice, aký je ich náboj a hmotnosť - tieto otázky čelil Thomson. Na štúdium týchto otázok sa Thomson rozhodol študovať vlastnosti katódových lúčov, o ktorých veril, že sú tiež prúdom nabitých častíc, a vykonal celú sériu experimentálny výskum meraním pomeru náboja k hmotnosti častíc katódy. Tieto štúdie ho priviedli k objavu elektrónu.
Objav elektrónu
O Roentgenov objav sa zaujímajú anglickí vedci Joseph John Thomson(1856-1940) a Ernest Rutherford(1871-1937) zistil, že pod vplyvom röntgenového žiarenia plyn výrazne zvyšuje svoju elektrickú vodivosť, pričom si túto vlastnosť zachováva ešte nejaký čas aj po ukončení ožarovania. Ak však plyn ožiarený röntgenovými lúčmi prejde cez vatu, okamžite stratí svoju nadobudnutú vlastnosť. Táto skutočnosť potvrdila predpoklad, že vodičmi elektriny v plynoch sú nabité častice vznikajúce v dôsledku pôsobenia röntgenového žiarenia. Čo sú to za častice, aký je ich náboj a hmotnosť - tieto otázky čelil Thomson.
Na preskúmanie týchto problémov sa Thomson rozhodol študovať vlastnosti katódových lúčov, o ktorých sa domnieval, že sú tiež prúdom nabitých častíc, a vykonal sériu experimentálnych štúdií na meranie pomeru náboja k hmotnosti katódových častíc. Tieto štúdie ho priviedli k objavu elektrónu.
V roku 1897 Thomson publikoval prvé výsledky o pomere náboja k hmotnosti katódových lúčov. Na meranie pomeru náboja k hmotnosti častíc katódy použil dve metódy. Prvým bolo meranie náboja a kinetickej energie prenesenej katódovými lúčmi za rovnaké časové obdobie. Na meranie elektrického náboja bol lúč katódových lúčov nasmerovaný do Faradayovho pohára (dutý kovový valec s malým otvorom v jednej z podstavcov a pripojený k elektromeru). Kinetická energia lúča katódových lúčov bola určená meraním teploty vo Faradayovom pohári pomocou tam umiestneného termočlánku, ktorý sa pri dopade týchto lúčov zohrial. Ďalším meraním vychýlenia tohto zväzku lúčov v magnetickom poli, ktoré má smer kolmý na zväzok, Thomson určil pomer náboja k hmotnosti.
Ďalšia metóda, ktorú Thomson použil na určenie pomeru e/m, bol založený na súčasnom pôsobení elektrického a magnetického poľa na zväzok katódových lúčov. Thomson ovplyvňoval takýto lúč elektrickými a magnetickými poľami smerujúcimi vzájomne kolmo a kolmo na lúč. Výberom veľkosti elektrického poľa tak, aby jeho účinok bol kompenzovaný pôsobením magnetického poľa, a následným meraním vychýlenia tohto lúča v prítomnosti iba jedného magnetického poľa rovnakej sily, Thomson určil náboj k- hmotnostný pomer.
Thomson zistil, že priemerná hodnota pre e/m sa rovná 1,76-10^11 C/kg. Z Thomsonových experimentov vyplynulo, že katódové lúče sú nepochybne prúdom nabitých častíc, ktorých náboj a hmotnosť zostávajú rovnaké pri použití rôznych plynov a rôznych materiálov katódy. Ak pripustíme, že náboj katódových častíc rovná sa poplatku vodíkový ión určený z elektrolýzy, potom je hmotnosť týchto častíc mnohonásobne menšia ako hmotnosť najmenšieho atómu – atómu vodíka. Záver teda naznačoval existenciu nabitých častíc, ktoré majú výrazne menšiu hmotnosť ako hmotnosť atómu a sú súčasťou atómov všetkých prvkov. Thomson navrhol nazvať takéto častice „telieskami“. Tvrdil, že tieto častice sú súčasťou všetkých atómov prvkov.
Nezávisle od Thomsona bola hodnota e/m pre katódové lúče určená pomocou Walter Kaufman(1871-1947). Meraním vychýlenia zväzku katódových lúčov v magnetickom poli a poznaním potenciálneho rozdielu medzi katódou a anódou vypočítal Kaufman hodnotu e/m, ktorej poradie bolo rovnaké ako Thomsonovo. Kaufman však vo svojej prvej práci nedospel k rovnakým záverom ako Thomson. Napísal, že skutočnosť stálosti e/m pre rôzne kovy a plyny a významná odchýlka tejto hodnoty od pomeru náboja k hmotnosti iónov vypočítaného z javu elektrolýzy je veľmi ťažké vysvetliť. Čoskoro Thomson určil pomer náboja k hmotnosti pre nabité častice získané osvetlením kovového povrchu ultrafialovými lúčmi, t. j. použil fenomén fotoelektrického javu.
Prvýkrát bol pozorovaný fenomén fotoelektrického javu Hertz, ktorý si všimol, že elektrická iskra preskočí cez iskrisko pri menšom potenciálovom rozdiele, ak je osvetlené ultrafialové svetlo. Následné experimenty tiež ukázali, že nabitý vodič výrazne stráca svoj náboj, ak je osvetlený ultrafialovými lúčmi.
V roku 1888 študoval fenomén fotoelektrického javu Alexander Grigorievič Stoletov(1836-1896). Zistil, že fotoelektrický efekt sa môže vyskytnúť aj pri nízkych potenciáloch a vyvinul klasickú metódu na pozorovanie tohto javu.
Stoletovova inštalácia bola kovová platňa C, ktorá bola cez mriežku osvetlená lúčmi z elektrického oblúka A. Doska a mriežka boli zapojené do obvodu obsahujúceho galvanickú batériu B a galvanometer. Ak bolo kladné napätie aplikované na mriežku a záporné napätie na platňu, potom keď bola platňa osvetlená, prúd pretekal obvodom. Pomocou uvažovanej výskumnej metódy Stoletov stanovil niekoľko dôležitých vzorov. Ukázal teda, že k fotoprúdu dochádza iba vtedy, ak je napájaná osvetlená doska negatívny potenciál; že veľkosť prúdu je úmerná svetelný tok, padajúce na tanier; že existuje saturačný prúd; že na získanie fotoprúdu je potrebné osvetliť zariadenie ultrafialovými lúčmi atď.
Na meranie pomeru e/m Pre fotoelektróny použil Thomson najjednoduchší fotočlánok pozostávajúci z kovovej platne a kovovej siete zapojených do obvodu s batériou a galvanometrom. Doska a sito sa umiestnili do nádoby, z ktorej sa odčerpával vzduch. Stena nádoby, cez ktorú bola kovová platňa osvetlená, bola vyrobená z kremeňa. Osvetlením dosky svetlom obsahujúcim ultrafialové lúče Thomson ako obvykle pozoroval výskyt fotoprúdu zaznamenaného galvanometrom. Ak teraz celé zariadenie umiestnime do magnetického poľa, ktorého smer je kolmý na smer fotoprúdu, tak pri určitej hodnote intenzity poľa sa fotoprúd zastaví. K tomu samozrejme dochádza, keď sa pod vplyvom magnetického poľa nabité častice otáčajú skôr, ako dosiahnu mriežku, a preto sa prúd zastaví. Thomson, ktorý poznal vzdialenosť medzi platňou a mriežkou, potenciálny rozdiel medzi nimi a tiež zmeral kritickú intenzitu magnetického poľa, pri ktorej sa prúd zastaví, určil hodnotu e /m . V tomto prípade získal hodnotu približne zhodnú s hodnotou e/m, ním získané pre katódové lúče.
Najvýznamnejší objav fyziky na konci 19. storočia. bol objav rádioaktivity, ktorá okrem všeobecného zásadného významu zohrala významnú úlohu vo vývoji predstáv o elektróne. Impulzom k objavu rádioaktivity bolo štúdium röntgenového žiarenia.
V roku 1896 Antoine Henri Becquerel(1852-1908), ktorý sa pokúšal odhaliť röntgenové žiarenie vyžarované podľa jeho názoru rôznymi druhmi látok po ich osvetlení slnečným žiarením, zistil, že kryštál uránovej soli je nepretržitý zdroj nejaký druh žiarenia, ktoré môže prechádzať cez nepriehľadné obrazovky a spôsobiť sčernenie fotografickej dosky.
Maria Skłodowska-Curie(1867-1934), keď začal skúmať nový fenomén, dospel k záveru, že v r uránové rudy a sú látky, ktoré majú tiež vlastnosť žiarenia, ktoré ona nazýva rádioaktívne. V dôsledku tvrdej práce Márie a Pierre Curie(1859-1906) sa podarilo z uránových rúd izolovať nový prvok (1898), ktorý mal oveľa väčšiu rádioaktivitu ako urán. Tento prvok dostal názov rádium.
Mnoho fyzikov začalo študovať novoobjavené javy. Stáli pred dvoma otázkami.
Po prvé, je to otázka prírody rádioaktívne žiarenie. Už krátko po Becquerelovom objave sa ukázalo, že rádioaktívne žiarenie je heterogénne a obsahuje tri zložky, tzv. alfa, beta A gama-lúče. Ukázalo sa, že alfa- A beta-lúče sú prúdy kladne a záporne nabitých častíc, resp. Príroda gama-žiarenie bolo objasnené neskôr, aj keď pomerne skoro zaznel názor, že ide o elektromagnetické žiarenie.
Druhá otázka, ktorá vznikla v súvislosti so štúdiom rádioaktívneho žiarenia, bola ťažšia a mala určiť zdroj energie, ktorú tieto lúče nesú. Pôvodne sa predpokladalo, že energia žiarenia počas rádioaktívneho rozpadu sa odoberá zvonku, z priestoru obklopujúceho rádioaktívnu látku. Táto hypotéza však vyvolala mnoho námietok. Presvedčivejšia sa zdala hypotéza, že zdroj energie pre rádioaktívne žiarenie treba hľadať vo vnútri samotnej rádioaktívnej látky. Ale otázka, aký druh energie je vo vnútri atómu, ktorý sa uvoľňuje počas jeho rozpadu a uvoľňuje sa spolu so žiarením, bola nejasná, rovnako ako všeobecná otázka mechanizmu samotného rádioaktívneho rozpadu a prvé teórie, ktoré vznikli, aby to vyriešili otázku nemožno považovať za presvedčivú.
Súvisiace informácie.
Prax ukazuje, že dve rôzne nabité platne oddelené vrstvou vzduchu sa nevybijú.
Látka v plynnom stave je zvyčajne izolant, pretože atómy alebo molekuly, z ktorých sa skladá, obsahujú rovnaký počet záporných
a kladné elektrické náboje a sú vo všeobecnosti neutrálne.
Do priestoru medzi platňami privedieme plameň zápalky alebo liehoviny (obr. 164). V tomto prípade sa elektromer začne rýchlo vybíjať. V dôsledku toho sa vzduch pod vplyvom plameňa stal vodičom. Po odstránení plameňa z priestoru medzi platňami sa výboj elektromera zastaví. Rovnaký výsledok možno dosiahnuť ožiarením dosiek svetlom elektrického oblúka. Tieto experimenty dokazujú, že plyn sa môže stať vodičom elektrického prúdu.
Fenomén prechodu elektrického prúdu cez plyn, pozorovaný len za podmienok nejakého vonkajšieho vplyvu, sa nazýva nesamosprávny elektrický výboj.
Tepelná ionizácia.
Zahrievanie plynu z neho robí vodič elektrického prúdu, pretože niektoré atómy alebo molekuly plynu sa menia na nabité ióny.
Na odstránenie elektrónu z atómu je potrebné pracovať proti silám Coulombovej príťažlivosti medzi kladne nabitým jadrom a záporným elektrónom. Proces odstránenia elektrónu z atómu sa nazýva ionizácia atómu. Minimálna energia, ktorá sa musí vynaložiť na odstránenie elektrónu z atómu alebo molekuly, sa nazýva väzbová energia.
Elektrón sa môže odtrhnúť od atómu pri zrážke dvoch atómov, ak ich kinetická energia prekročí väzbovú energiu elektrónu. Kinetická energia tepelného pohybu atómov alebo molekúl je priamo úmerná absolútnej teplote, preto so zvyšujúcou sa teplotou plynu narastá počet zrážok atómov alebo molekúl sprevádzaných ionizáciou.
Proces tvorby voľných elektrónov a kladných iónov v dôsledku zrážok atómov a molekúl plynu pri vysokých teplotách sa nazýva tepelná ionizácia.
Plyn, v ktorom je podstatná časť atómov alebo molekúl ionizovaná, sa nazýva plazma.
Stupeň tepelnej ionizácie plazmy závisí od teploty. Napríklad pri teplote 10 000 K je ionizovaných menej ako 10 % z celkového počtu atómov vodíka, pri teplotách nad 20 000 K je vodík takmer úplne ionizovaný.
Plazmové elektróny a ióny sa môžu pohybovať pod vplyvom elektrického poľa. Pri nízkych teplotách je teda plyn izolantom, pri vysokých teplotách sa mení na plazmu a stáva sa vodičom elektrického prúdu.
Fotoionizácia.
Energia potrebná na odstránenie elektrónu z atómu alebo molekuly môže byť prenesená svetlom. Ionizácia
atómov alebo molekúl pod vplyvom svetla sa nazýva fotoionizácia.
Samostatný elektrický výboj.
Pri zvýšení intenzity elektrického poľa na určitú hodnotu v závislosti od charakteru plynu a jeho tlaku vzniká v plyne elektrický prúd aj bez vplyvu vonkajších ionizátorov. Jav prechodu elektrického prúdu plynom, nezávislý od pôsobenia vonkajších ionizátorov, sa nazýva nezávislý elektrický výboj.
Vo vzduchu pri atmosférickom tlaku dochádza k nezávislému elektrickému výboju pri sile elektrického poľa približne rovnajúcej sa
Hlavným mechanizmom ionizácie plynu pri nezávislom elektrickom výboji je ionizácia atómov a molekúl v dôsledku dopadov elektrónov.
Ionizácia nárazom elektrónov.
Ionizácia nárazom elektrónu je možná, keď elektrón počas svojej voľnej dráhy získa kinetickú energiu, ktorá prevyšuje väzbovú energiu elektrónu s atómom.
Kinetická energia elektrónu získaná vplyvom elektrického poľa intenzity E sa rovná práci, ktorú vykonali sily elektrického poľa:
kde je dĺžka voľnej cesty.
Približná podmienka pre začiatok ionizácie nárazom elektrónu má teda tvar
Väzbová energia elektrónov v atómoch a molekulách sa zvyčajne vyjadruje v elektrónvoltoch (eV). 1 eV sa rovná práci, ktorú vykoná elektrické pole pri pohybe elektrónu (alebo inej častice s elementárnym nábojom) medzi bodmi poľa, pričom napätie medzi nimi je 1 V:
Ionizačná energia atómu vodíka je napríklad 13,6 eV.
Mechanizmus samovybíjania.
Vývoj nezávislého elektrického výboja v plyne prebieha nasledovne. Voľný elektrón pod vplyvom elektrického poľa získava zrýchlenie. Ak je intenzita elektrického poľa dostatočne vysoká, voľná dráha elektrónu zvýši jeho kinetickú energiu natoľko, že ju pri zrážke s molekulou ionizuje.
Prvý elektrón, ktorý spôsobil ionizáciu molekuly, a druhý elektrón, uvoľnený v dôsledku ionizácie, pod vplyvom elektrického poľa získavajú zrýchlenie v smere od katódy k anóde. Každý z nich pri následných zrážkach uvoľní o jeden elektrón viac a celkový počet voľných elektrónov sa stane
rovná štyrom. Potom sa rovnakým spôsobom zvýši na 8, 16, 32, 64 atď. Počet voľných elektrónov, ktoré sa pohybujú od katódy k anóde, stúpa ako lavína, kým nedosiahnu anódu (obr. 165).
Pozitívne ióny vytvorené v plyne sa pohybujú pod vplyvom elektrického poľa z anódy na katódu. Pri dopade kladných iónov na katódu a pod vplyvom svetla emitovaného počas procesu výboja sa môžu z katódy uvoľniť nové elektróny. Tieto elektróny sú zase urýchľované elektrickým poľom a vytvárajú nové elektrón-iónové lavíny, takže proces môže pokračovať nepretržite.
Koncentrácia iónov v plazme sa zvyšuje s vývojom samostatného výboja a elektrický odpor výbojovej medzery klesá. Intenzita prúdu v samovybíjacom obvode je zvyčajne určená iba vnútorným odporom zdroja prúdu a elektrickým odporom ostatných prvkov obvodu.
Iskrový výboj. Blesk.
Ak prúdový zdroj nie je schopný dlhodobo udržať samočinný elektrický výboj, potom sa samočinný výboj, ktorý nastane, nazýva iskrový výboj. Iskrový výboj sa zastaví krátko po začiatku výboja v dôsledku výrazného poklesu napätia. Príkladmi iskrových výbojov sú iskry, ktoré vznikajú pri česaní vlasov, oddeľovaní listov papiera alebo pri vybíjaní kondenzátora.
Blesk pozorovaný počas búrky tiež predstavuje nezávislý elektrický výboj. Sila prúdu v bleskovom kanáli dosahuje , trvanie prúdového impulzu je niekoľko desiatok mikrosekúnd. Nezávislý elektrický výboj medzi búrkovým mrakom a Zemou sa sám zastaví po niekoľkých úderoch blesku, pretože väčšina prebytočných elektrických nábojov v búrkovom oblaku je neutralizovaná elektrickým prúdom pretekajúcim cez plazmový kanál blesku (obr. 166).
Pri zvýšení prúdu v kanáli blesku sa plazma zohreje na teplotu vyššiu.Zmeny tlaku v kanáli bleskovej plazmy pri zvýšení prúdu a zastavení výboja spôsobujú zvukové javy nazývané hrom.
Žiarivý výboj.
Keď sa tlak plynu vo výbojovej medzere zníži, výbojový kanál sa zväčší a potom sa celá výbojka rovnomerne naplní svetelnou plazmou. Tento typ nezávislého elektrického výboja v plynoch sa nazýva žeravý výboj (obr. 167).
Elektrický oblúk.
Ak je sila prúdu v autonómnom výboji plynu veľmi vysoká, potom dopady kladných iónov a elektrónov môžu spôsobiť zahrievanie katódy a anódy. Pri vysokých teplotách sa z povrchu katódy vyžarujú elektróny, ktoré zabezpečujú udržiavanie samoudržiavacieho výboja v plyne. Dlhodobý nezávislý elektrický výboj v plynoch udržiavaný termionickou emisiou z katódy sa nazýva oblúkový výboj (obr. 168).
Korónový výboj.
Vo vysoko nehomogénnych elektrických poliach vytvorených napríklad medzi hrotom a rovinou alebo medzi drôtom a rovinou (elektrické vedenie) vzniká nezávislý výboj špeciálneho typu, nazývaný korónový výboj. Počas korónového výboja dochádza k ionizácii dopadom elektrónov iba v blízkosti jednej z elektród, v oblasti s vysokou intenzitou elektrického poľa.
Aplikácia elektrických výbojov.
Dopady elektrónov zrýchlených elektrickým poľom vedú nielen k ionizácii atómov a molekúl plynu, ale aj k
excitácia atómov a molekúl, sprevádzaná emisiou svetla. Svetelná emisia plazmy z nezávislého elektrického výboja je široko používaná v národnom hospodárstve av každodennom živote. Ide o žiarivky a plynové výbojky pre pouličné osvetlenie, elektrický oblúk vo filmovej premietacej aparatúre a ortuťovo-kremenné výbojky používané v nemocniciach a klinikách.
Vysoká teplota plazmy oblúkového výboja umožňuje jej použitie na rezanie a zváranie kovových konštrukcií a na tavenie kovov. Pomocou iskrového výboja sa spracovávajú diely vyrobené z najtvrdších materiálov.
Elektrický výboj v plynoch môže byť tiež nežiaducim javom, s ktorým je potrebné v oblasti techniky bojovať. Napríklad korónový elektrický výboj z drôtov vysokonapäťových elektrických vedení vedie k zbytočným stratám elektriny. Nárast týchto strát so zvyšujúcim sa napätím obmedzuje cestu k ďalšiemu zvyšovaniu napätia v elektrickom vedení, pričom takéto zvýšenie je veľmi žiaduce na zníženie strát energie v dôsledku zahrievania drôtov.
Predpokladajme, že skúmaný plyn je uzavretý v nádobe C s dvoma elektródami, na ktoré je aplikovaný potenciálový rozdiel Elektrické pole medzi elektródami je možné meniť pohybom posúvača potenciometra, ktorý uzatvára batériu (obr. III.42 ). Ak nie je plyn bezplatné poplatky(pozitívne alebo negatívne ióny alebo elektróny), potom v obvode galvanometra nebude prúd. Upozorňujeme, že plyny budú vždy obsahovať určité množstvo nábojov, pretože plyn sa ionizuje tak počas nevyhnutných tepelných zrážok molekúl, ako aj pod vplyvom rôznych žiarení, najmä
z rádioaktívnych látok. Avšak súčasne s procesom ionizácie, t. j. separácie neutrálnych molekúl na nabité ióny, dochádza v plyne k opačnému procesu molizácie alebo rekombinácie, teda spájaniu iónov do neutrálnych molekúl. V rovnovážnom stave plynov, oba tieto. procesy sú vyvážené: počet molekúl ionizujúcich každú sekundu sa rovná počtu neutrálnych molekúl novo vytvorených z iónov za rovnaký čas.
Ak nedôjde k žiadnemu vonkajšiemu ionizačnému účinku na plyn, potom prirodzená koncentrácia iónov v ňom bude veľmi malá a prúd cez plyn je prakticky nezistiteľný. V plyne je možné vyvolať citeľný elektrický prúd (tzv. výboj plynu), ak: 1) pomocou vonkajšieho vplyvu (ionizátor) neustále rozbíjate neutrálne molekuly plynu na ióny a tým zvyšujete koncentráciu bezplatné poplatky za plyn. Dá sa to dosiahnuť tak, že sa plyn vystaví intenzívnemu ožiareniu prúdom rýchlych častíc (elektrónov atď.), ultrafialovému žiareniu, röntgenovému žiareniu, lúčom rádioaktívnych látok a tiež zvýšením teploty plynu na zvýšenie intenzity ionizácie pri tepelných kolíziách. V tomto prípade sa spolu s ukončením externého ionizátora zastaví aj prúd cez plyny; takáto vodivosť plynu sa nazýva nesamostatná; 2) aplikovať taký veľký potenciálny rozdiel, že ióny prítomné v plyne, zrýchľujúce sa v elektrickom poli, získavajú pri zrážkach s nimi energiu dostatočnú na ionizáciu neutrálnych molekúl. V tomto prípade každý ión pri jednej zrážke spôsobí výskyt dvoch alebo viacerých iónov; tieto ióny sú zase v poli urýchľované a štiepia neutrálne molekuly na ióny. Počet iónov v plyne sa teda rýchlo zvyšuje a plyn získava viditeľnú vodivosť; takáto vodivosť sa nazýva nezávislá.
Je potrebné rozlišovať medzi dvoma typmi zrážok medzi časticami, najmä medzi iónmi, elektrónmi a neutrálnymi molekulami. Pri niektorých zrážkach častice nezaznamenávajú žiadne vnútorné zmeny, ale iba si vymieňajú kinetické energie pohybu. Takéto zrážky sa nazývajú elastické; súčet kinetických energií častíc pred a po dopade zostáva konštantný.
Pri iných – nepružných – zrážkach dochádza k zmenám v štruktúre atómov a molekúl; kinetická energia zrážaných častíc sa premieňa na potenciálnu interakčnú energiu komponentov tieto atómy a molekuly - jadrá a elektróny rotujúce okolo nich. Tento proces sa nazýva excitácia atómov alebo molekúl; pri návrate do normálny stav absorbovaná energia sa vráti ako energia žiarenia. Napokon je to možné aj pri nepružných kolíziách
zmeny v zložení atómov a molekúl; najmä neutrálna molekula sa môže rozbiť na dva ióny alebo odtrhnúť elektrón od atómu atď. Ionizácia plynov pri zrážkach je výsledkom nepružných zrážok.
Pre vodivosť plynov má za určitých podmienok (najmä pri nízkych tlakoch plynu v nádobe) veľký význam vyrazenie elektrónov z povrchu katódy, keď na ňu dopadajú kladné ióny. Každý takýto ión môže z katódy uvoľniť niekoľko elektrónov v závislosti od energie, ktorú získa v elektrickom poli, ako aj od pracovnej funkcie elektrónu z katódovej látky. Elektróny uvoľnené z katódy, zachytené elektrickým poľom, môžu spôsobiť ionizáciu plynu na ceste k anóde; okrem toho tento usporiadaný tok elektrónov predstavuje určitú (niekedy významnú) časť celkového prúdu pretekajúceho plynom:
Ak je prúd prechádzajúci plynmi malý a nemôže byť priamo detekovaný galvanometrom, potom sa uchýlia k nepriamym metódam. Najmä, ako je znázornené na obr. III.42 je do obvodu zapojený sériovo s plynovou medzerou odpor s odporom rádovo desiatok a stoviek miliónov ohmov. Na koncoch tohto odporu vzniká potenciálny rozdiel, ktorý sa meria napríklad lampovým voltmetrom, ktorý neskratuje konce tohto odporu. Potom s vedomím a meraním môžete vypočítať aktuálnu silu plynu, napríklad ak , potom
Elektrický prúd v plynoch a kvapalinách
Elektrický prúd v plynoch
Nosiče náboja: elektróny, kladné ióny, záporné ióny.
Nosiče náboja sa v plyne objavujú v dôsledku ionizácie: v dôsledku ožiarenia plynu alebo vzájomných zrážok zahriatych častíc plynu.
Ionizácia nárazom elektrónov.
E – smer poľa;
l je stredná voľná dráha medzi dvoma po sebe nasledujúcimi zrážkami elektrónu s atómami plynu.
A_=eEl\geq W – stav ionizácie
W – ionizačná energia, t.j. energia potrebná na odstránenie elektrónu z atómu
Počet elektrónov sa zvyšuje geometrický postup v dôsledku toho vzniká elektrónová lavína a následne výboj v plyne.
Elektrický prúd v kvapaline
Tekutiny rovnako pevné látky môžu byť dielektriká, vodiče a polovodiče. K dielektrikám patrí destilovaná voda, k vodičom roztoky elektrolytov: kyseliny, zásady, soli a roztavené kovy. Kvapalné polovodiče sú roztavený selén a sulfidové taveniny.
Keď sa elektrolyty rozpúšťajú vplyvom elektrického poľa molekúl polárnej vody, molekuly elektrolytu sa rozpadajú na ióny. Napríklad CuSO_ \rightarrow Cu^ +SO^ _ .
Spolu s disociáciou existuje opačný proces - rekombinácia, t.j. zlučovaním iónov opačných znamienok do neutrálnych molekúl.
Nosičmi elektriny v roztokoch elektrolytov sú ióny. Táto vodivosť sa nazýva iónový .
Ak sa elektródy umiestnia do kúpeľa s roztokom elektrolytu a aplikuje sa prúd, záporné ióny sa presunú na kladnú elektródu a kladné ióny na zápornú.
Na anóde (kladná elektróda) sa záporne nabité ióny vzdávajú ďalších elektrónov ( oxidačná reakcia) a na katóde (záporná elektróda) kladné ióny prijímajú chýbajúce elektróny (redukčná reakcia).
Definícia. Proces uvoľňovania látok na elektródach spojený s redoxnými reakciami sa nazýva elektrolýza.
Faradayove zákony
ja Hmotnosť látky, ktorá sa uvoľňuje na elektróde, je priamo úmerná náboju pretekajúcemu cez elektrolyt:
k je elektrochemický ekvivalent látky.
q=I\Delta t teda
\frac – chemický ekvivalent látky;
\mu – molárna hmotnosť;
Elektrochemické ekvivalenty látok sú úmerné chemickým.
F – Faradayova konštanta;
Jednotný zákon elektrolýzy
Dosadením k do výrazu pre m (Faradayov prvý zákon) dostaneme:
Fyzikálny význam elektrochemického ekvivalentu.
Elektrochemický ekvivalent sa rovná pomeru hmotnosti iónu k jeho náboju:
Hneď v polovici januára som začal študovať s Natalyou Lvovnou Novoročné sviatky. Pred začiatkom vyučovania boli skúšobné skúšky z fyziky, aj príprava na skúšku v škole, no výsledok bol 60-70 bodov, pričom z predmetu som mal výborné známky. Triedy s Natalyou Lvovnou boli plodné a zaujímavé, s touto lektorkou som si mohol rozšíriť svoje vedomosti o fyzike, ako aj upevniť školské osnovy. Po absolvovaní jarných intenzívnych kurzov som na skúšku vstúpil s dôverou vo svoje výsledky. Po získaní 85 bodov som mohol vstúpiť na požadovanú univerzitu s 1 vlnou. Chcel by som ešte raz poďakovať tútorovi, ktorý mi pomohol priblížiť sa k mojim cieľom, zložiť jednotnú štátnu skúšku s požadovaným počtom bodov, vstúpiť na univerzitu a začať sa pripravovať na budúce povolanie.
Natalya Lvovna je skvelá učiteľka fyziky, ktorá vás dokonale pripraví na jednotnú štátnu skúšku.
Neprišiel som za ňou s nulovými znalosťami, ale nemohol som to nazvať dobrým. Hoci som začala študovať v januári, všetky témy sme zvládli na doplnkových hodinách.
Každá téma bola analyzovaná a boli vyriešené všetky typy problémov, ktoré sa mohli na skúške stretnúť.
A skutočne, na Jednotnej štátnej skúške som sa nestretol s problémami pri riešení problémov a skúšku som napísal s 94 bodmi.
Veľmi odporúčam tohto učiteľa!
Moja dcéra Polina študovala na škole s „humanitárnym zameraním“. Hlavnými predmetmi boli pre ňu od prvého ročníka cudzie jazyky. Ale keď sa objavila otázka výberu povolania, dcéra chcela vstúpiť technická univerzita. To je zrejmé školský program- nie guma a nie je prekvapujúce, že na 8 školské hodiny cudzie jazyky mala len jednu hodinu fyziky týždenne. Musel som urgentne hľadať riešenie. Mali sme šťastie – našli sme úžasného lektora.
Natalya Lvovna bola plne schopná pripraviť Polinu na skúšku. Pre našu humanitnú školu je 85 bodov z fyziky výborný výsledok. Sme veľmi vďační - Natalya Lvovna je vynikajúca učiteľka a citlivá osoba. Individuálny prístup dokonca každému skupinové triedy– toto by som chcel poznamenať ako prvé. Dúfame, že sa zapíšeme na vašu vysnívanú univerzitu.
ELEKTRICKÝ PRÚD V PLYNOCH
Za normálnych podmienok je plyn dielektrikum, t.j. pozostáva z neutrálnych atómov a molekúl a neobsahuje voľné nosiče elektrického prúdu.
Vodivý plyn je ionizovaný plyn. Ionizovaný plyn má elektrónovo-iónovú vodivosť.
Vzduch je dielektrikum v elektrických vedeniach, vzduchových kondenzátoroch a kontaktných spínačoch.
Vzduch je vodič pri vzniku blesku, elektrickej iskry alebo pri vzniku zváracieho oblúka.
- Ide o rozpad neutrálnych atómov alebo molekúl na kladné ióny a elektróny odstránením elektrónov z atómov. Ionizácia nastáva, keď sa plyn zahrieva alebo je vystavený žiareniu (UV, röntgenové žiarenie, rádioaktívne) a vysvetľuje sa rozpadom atómov a molekúl pri zrážkach pri vysokých rýchlostiach.
- ide o elektrický prúd v ionizovaných plynoch.
Nosičmi náboja sú kladné ióny a elektróny. Výboj plynu sa pozoruje v plynových výbojkách (lampy), keď je vystavený elektrickému alebo magnetickému poľu.
Rekombinácia nabitých častíc
- plyn prestáva byť vodičom, ak sa ionizácia zastaví, k tomu dochádza v dôsledku rekombinácie (znovu spojenie opačne nabitých častíc).
Existuje samoudržateľný a nesamosprávny výboj plynu.
Nesamostatný výboj plynu
— ak sa zastaví činnosť ionizátora, zastaví sa aj výboj.
Keď výboj dosiahne saturáciu, graf sa stane vodorovným. Tu je elektrická vodivosť plynu spôsobená len pôsobením ionizátora.
Samostatný výboj plynu
— v tomto prípade výboj plynu pokračuje aj po ukončení externého ionizátora v dôsledku iónov a elektrónov v dôsledku nárazovej ionizácie (= ionizácia elektrického šoku); nastáva vtedy, keď sa rozdiel potenciálov medzi elektródami zväčšuje (nastáva lavína elektrónov).
Nesamostatný plynový výboj sa môže premeniť na autonómny plynový výboj, keď Ua = Uignition.
Elektrický rozpad plynu
— proces prechodu nesamostatného výboja plynu na autonómny.
Dochádza k samovoľnému vypúšťaniu plynu 4 druhy:
1. tlenie - pri nízkych tlakoch (do niekoľkých mm Hg) - pozorované v plynových trubiciach a plynových laseroch.
2. iskra - pri normálnom tlaku a vysokej intenzite elektrického poľa (blesk - sila prúdu až státisíce ampérov).
3. koróna - pri normálnom tlaku v nerovnomernom elektrickom poli (na hrote).
4. oblúk - vysoká prúdová hustota, nízke napätie medzi elektródami (teplota plynu v oblúkovom kanáli -5000-6000 stupňov Celzia); pozorované v reflektoroch a projekčných filmových zariadeniach.
Pozorujú sa tieto výboje:
tlenie - v žiarivkách;
iskra - v blesku;
koróna - v elektrických odlučovačoch, pri úniku energie;
oblúk - pri zváraní, v ortuťových lampách.
- toto je štvrtý stav agregácie látky s vysoký stupeň ionizácia v dôsledku zrážky molekúl pri vysokej rýchlosti pri vysokej teplote; nachádza sa v prírode: ionosféra je slabo ionizovaná plazma, Slnko je plne ionizovaná plazma; umelá plazma - v plynových výbojkách.
Nízka teplota - pri teplotách nižších ako 100 000 K;
vysoká teplota - pri teplotách nad 100 000 K.
Základné vlastnosti plazmy:
— vysoká elektrická vodivosť
— silná interakcia s vonkajšími elektrickými a magnetickými poľami.
Pri teplote 
Akákoľvek látka je v plazmatickom stave.
Zaujímavé je, že 99 % hmoty vo vesmíre tvorí plazma.
Ďalšie stránky na tému „Elektrina“ pre ročníky 10-11:
class-fizika.narod.ru
Zákony elektrického prúdu v plynoch
Oficiálna stránka Centra ANO DO "Logos", Glazov
PRIPRAVTE SA NA LEKCIU
Elektrický prúd v rôzne prostredia trochu o fyzike:
Elektrický prúd je akýkoľvek usporiadaný pohyb elektrických nábojov. Elektrický prúd môže za určitých podmienok prechádzať rôznymi látkami. Jednou z podmienok pre výskyt elektrického prúdu je prítomnosť voľných nábojov, ktoré sa môžu pohybovať pod vplyvom elektrického poľa.
Preto sa v tejto časti pokúsime zistiť, ktoré častice nesú elektrický náboj v rôznych prostrediach.
Elektrický prúd v kovoch.
Kovy pozostávajú z kladne nabitých iónov umiestnených v miestach kryštálovej mriežky a zo súboru voľných elektrónov. Mimo elektrického poľa sa voľné elektróny pohybujú chaoticky, ako molekuly ideálneho plynu, a preto sa v klasickej elektronickej teórii považujú za elektrónový plyn .
Pod vplyvom vonkajšieho elektrického poľa sa mení charakter pohybu voľných elektrónov vo vnútri kovu. Elektróny, ktoré pokračujú vo svojich chaotických pohyboch, sa zároveň posúvajú v smere síl elektrického poľa.
teda elektrický prúd v kovoch je usporiadaný pohyb elektrónov.
Sila prúdu v kovovom vodiči určený podľa vzorca:
Kde ja- sila prúdu vo vodiči, e- modul náboja elektrónov, n 0 — koncentrácia vodivých elektrónov, — priemerná rýchlosť usporiadaný pohyb elektrónov, S
Hustota vodivého prúdu sa číselne rovná náboju, ktorý prejde jednotkovou plochou za 1 s, kolmo na smer prúd
Kde j- súčasná hustota.
Vo väčšine kovov je takmer každý atóm ionizovaný. A keďže koncentrácia vodivých elektrónov jednomocného kovu sa rovná
Kde N a- Avogadrova konštanta, A- atómová hmotnosť kov, ρ - hustota kovu,
potom zistíme, že koncentrácia je stanovená v rozmedzí 10 28 - 10 29 m -3.
Ohmov zákon pre homogénnu časť reťazca:
Kde U- napätie v oblasti, R— odolnosť oblasti.
Pre homogénnu časť reťaze:
Kde ρ U- špecifický odpor vodiča, l — dĺžka vodiča, S- námestie prierez vodič.
Odpor vodiča závisí od teploty a túto závislosť vyjadruje vzťah:
Kde ρ ou - rezistivita kovového vodiča pri teplote T = 273 K, α — tepelný koeficient odporu, ∆T = T - T o - zmena teploty.
Prúdovo-napäťové charakteristiky kovov.
Podľa Ohmovho zákona je sila prúdu vo vodičoch priamo úmerná napätiu. Táto závislosť sa vyskytuje pre vodiče s presne špecifikovaným odporom ( pre rezistory).
Tangenta sklonu grafu sa rovná vodivosti vodiča. Vodivosť nazývaný recipročný odpor
Ale keďže odpor kovov závisí od teploty, charakteristika prúdového napätia kovov nie je lineárna.
Elektrický prúd v roztokoch a taveninách elektrolytov.
Fenomén rozkladu molekúl solí, zásad a kyselín vo vode na ióny opačného znamienka je tzv elektrolytická disociácia. Ióny vznikajúce pri rozpade slúžia ako nosiče náboja v kvapaline a samotná kvapalina sa stáva vodičom.
Mimo elektrického poľa sa ióny pohybujú chaoticky. Vplyvom vonkajšieho elektrického poľa sú ióny, ktoré pokračujú vo svojich chaotických pohyboch, súčasne posunuté v smere síl elektrického poľa: katióny ku katóde, anióny k anóde.
teda elektrický prúd v roztokoch (taveninách) elektrolytov je riadený pohyb iónov oboch znakov v opačných smeroch.
Prechod elektrického prúdu cez roztok elektrolytu je vždy sprevádzaný uvoľňovaním látok obsiahnutých v jeho zložení na elektródach. Tento jav sa nazýva elektrolýza .
Pri pohybe vo vnútri elektrolytov interagujú ióny s molekulami vody a inými iónmi, t.j. elektrolyty kladú určitý odpor pohybu, a preto majú odpor. Elektrický odpor elektrolytov závisí od koncentrácie iónov, veľkosti náboja iónu a rýchlosti pohybu iónov oboch znakov.
Odolnosť elektrolytov je tiež určená vzorcom:
Kde ρ U— špecifický odpor elektrolytu, l — dĺžka vodiča kvapaliny, S je plocha prierezu vodiča kvapaliny.
So zvyšujúcou sa teplotou elektrolytu klesá jeho viskozita, čo vedie k zvýšeniu rýchlosti pohybu iónov. Tie. So zvyšujúcou sa teplotou klesá odpor elektrolytu.
1. Hmotnosť látky uvoľnenej na elektróde je priamo úmerná nabíjačka prešiel cez elektrolyt.
Kde m — hmotnosť látky, uvoľnené na elektróde, k- elektrochemický ekvivalent, q- náboj prechádzajúci elektrolytom.
2. Elektrochemický ekvivalent látky je priamo úmerný jej chemickému ekvivalentu.
Kde M- molárna hmotnosť látky, F- Faradayova konštanta z- valencia iónu.
Faradayova konštanta sa číselne rovná náboju, ktorý musí prejsť elektrolytom, aby sa z neho uvoľnilo množstvo látky, ktoré sa číselne rovná chemickému ekvivalentu.
Faradayov kombinovaný zákon.
Elektrický prúd v plynoch.
O normálnych podmienkach plyny pozostávajú z neutrálnych molekúl a sú teda dielektrikami. Keďže na výrobu elektrického prúdu je potrebná prítomnosť nabitých častíc, molekuly plynu musia byť ionizované (elektróny z molekúl odstránené). Na ionizáciu molekúl je potrebné vynaložiť energiu - ionizačnej energie, ktorého množstvo závisí od druhu látky. Ionizačná energia je teda pre atómy minimálna alkalických kovov, maximálne - pre inertné plyny.
Molekuly môžu byť ionizované zahrievaním plynu alebo jeho ožiarením rôznymi typmi lúčov. Vďaka dodatočnej energii sa zvyšuje rýchlosť pohybu molekúl, zvyšuje sa intenzita ich tepelného pohybu a pri zrážke jednotlivé molekuly strácajú elektróny a menia sa na kladne nabité ióny.
Elektróny, ktoré sa odtrhnú od molekuly, sa môžu spojiť s neutrálnymi molekulami a vytvoriť záporne nabité ióny.
Preto sa pri ionizácii objavujú tri typy nosičov náboja: kladné ióny, záporné ióny a elektróny.
Vplyvom vonkajšieho elektrického poľa sa ióny znamienok aj elektrónov pohybujú v smere síl elektrického poľa: kladné ióny ku katóde, záporné ióny a elektróny k anóde. Tie. elektrický prúd v plynoch je usporiadaný pohyb iónov a elektrónov pod vplyvom elektrického poľa.
Prúdovo-napäťové charakteristiky plynov.
Závislosť prúdu od napätia vyjadruje krivka OABC.
V časti grafu OA sa prúdová sila riadi Ohmovým zákonom. Pri nízkom napätí je sila prúdu malá, pretože ióny pohybujúce sa nízkou rýchlosťou sa rekombinujú bez toho, aby sa dostali k elektródam. So zvyšujúcim sa napätím medzi elektródami sa zvyšuje rýchlosť smerového pohybu elektrónov a iónov, takže väčšina nabitých častíc sa dostane k elektródam a následne sa zvyšuje prúd.
Pri určitej hodnote napätia U1 majú všetky ióny dostatočnú rýchlosť a bez rekombinácie sa dostanú k elektródam. Prúd sa stáva maximálnym možným a nezávisí od ďalšieho zvyšovania napätia na hodnotu U2. Tento prúd sa nazýva saturačný prúd, a tomu zodpovedá časť grafu AB.
Pri napätí U 2 niekoľko tisíc voltov sa výrazne zvyšuje rýchlosť elektrónov vznikajúcich ionizáciou molekúl a tým aj ich kinetická energia. A keď kinetická energia dosiahne hodnotu ionizačnej energie, elektróny zrážajúce sa s neutrálnymi molekulami ich ionizujú. Dodatočná ionizácia vedie k lavínovitému zvýšeniu počtu nabitých častíc a následne k výraznému zvýšeniu sily prúdu bez vplyvu externého ionizátora. Prechod elektrického prúdu bez vplyvu externého ionizátora sa nazýva nezávislý výboj. Táto závislosť je vyjadrená výrezom AC grafu.
Elektrický prúd vo vákuu.
Vo vákuu nie sú žiadne nabité častice, a preto ide o dielektrikum. Tie. je potrebné vytvoriť určité podmienky, ktoré pomôžu produkovať nabité častice.
V kovoch sú voľné elektróny. Pri izbovej teplote nemôžu opustiť kov, pretože sú v ňom držané silami Coulombovej príťažlivosti z kladných iónov. Na prekonanie týchto síl musí elektrón vynaložiť určitú energiu, ktorá je tzv pracovná funkcia. Energia, skvelá resp rovná práci uvoľnenie, elektróny možno získať, keď sa kov zahreje na vysoké teploty.
Keď sa kov zahrieva, zvyšuje sa počet elektrónov s kinetickou energiou väčšou ako pracovná funkcia, takže vyletujú z kovu veľká kvantita elektróny. Emisia elektrónov z kovov pri zahrievaní sa nazýva termionická emisia. Na uskutočnenie termionickej emisie sa ako jedna z elektród používa tenké drôtené vlákno vyrobené zo žiaruvzdorného kovu (žiarivé vlákno). Vlákno pripojené k zdroju prúdu sa zahrieva a elektróny vyletujú z jeho povrchu. Emitované elektróny vstupujú do elektrického poľa medzi dvoma elektródami a začínajú sa pohybovať smerovo, čím vytvárajú elektrický prúd.
Fenomén termionickej emisie je základom princípu fungovania elektróniek: vákuová dióda, vákuová trióda.
Vákuová dióda Vákuová trióda
Prúdová charakteristika vákuovej diódy.
Závislosť prúdu od napätia vyjadruje krivka OABC D.
Keď sú emitované elektróny, katóda sa stáva kladný náboj a preto drží elektróny blízko seba. V neprítomnosti elektrického poľa medzi katódou a anódou tvoria emitované elektróny na katóde elektrónový oblak.
Keď sa napätie medzi anódou a katódou zvyšuje, k anóde prúdi viac elektrónov, a preto sa zvyšuje prúd. Táto závislosť je vyjadrená výrezom grafu OAB. Sekcia AB charakterizuje priamu závislosť prúdu od napätia, t.j. v rozsahu napätia U 1 - U 2 je splnený Ohmov zákon.
Nelineárna závislosť v reze BC D je vysvetlená skutočnosťou, že počet elektrónov rútiacich sa k anóde klesá ďalšie číslo elektróny emitované z katódy.
Keď dosť veľký význam napätie U 3 všetky elektróny emitované z katódy dosiahnu anódu a elektrický prúd dosiahne saturáciu.
Ako zdroj nabitých častíc môžete použiť aj rádioaktívny liek, ktorý vyžaruje α-častice.Vplyvom síl elektrického poľa sa budú α-častice pohybovať, t.j. vznikne elektrický prúd.
Elektrický prúd vo vákuu teda môže vzniknúť usporiadaným pohybom ľubovoľných nabitých častíc (elektrónov, iónov).
Elektrický prúd v polovodičoch.
Polovodiče sú látky, ktorých merný odpor klesá so zvyšujúcou sa teplotou a závisí od prítomnosti nečistôt a zmien osvetlenia. Rezistivita vodičov pri izbovej teplote je v rozsahu od 10 -3 do 10 7 Ohm m. Typickými predstaviteľmi polovodičov sú kryštály germánia a kremíka.
V týchto kryštáloch sú atómy navzájom spojené kovalentnou väzbou. Pri zahriatí kovalentná väzba sa naruší, atómy sa ionizujú. To spôsobuje výskyt voľných elektrónov a „dier“ - voľných pozitívnych miest s chýbajúcim elektrónom.
V tomto prípade môžu elektróny susedných atómov obsadiť voľné pozície a vytvoriť „dieru“ v susednom atóme. Okolo kryštálu sa teda môžu pohybovať nielen elektróny, ale aj „diery“. Keď sa takýto kryštál umiestni do elektrického poľa, elektróny a diery sa dostanú do usporiadaného pohybu - vznikne elektrický prúd.
V čistom kryštáli je elektrický prúd vytvorený rovnakým počtom elektrónov a "dier". Vodivosť spôsobená pohybom voľných elektrónov a rovnakým počtom „dier“ v polovodičovom kryštáli bez nečistôt sa nazýva vnútorná vodivosť polovodiča .
So zvyšujúcou sa teplotou sa zvyšuje vlastná vodivosť polovodiča, pretože zvyšuje sa počet voľných elektrónov a „dier“.
Vodivosť vodičov závisí od prítomnosti nečistôt. Existujú donorové a akceptorové nečistoty. Nečistota darcu- nečistota s vyššou mocnosťou. Napríklad pre štvormocný kremík je donorovou nečistotou päťmocný arzén. Štyri valenčný elektrón atómy arzénu sa podieľajú na vytváraní kovalentnej väzby a piaty sa stane vodivým elektrónom.
Pri zahrievaní sa kovalentná väzba preruší a objavia sa ďalšie vodivé elektróny a „diery“. Preto v kryštáli prevažuje počet voľných elektrónov nad počtom „dier“. Vodivosť takého vodiča je elektronická, polovodič áno polovodič typu n. Elektróny sú hlavných dopravcov náboj, „diery“ - nejadrový .
Akceptor prímesou- prímes s nižšou mocnosťou. Napríklad pre štvormocný kremík je akceptorovou nečistotou trojmocné indium. Tri valenčné elektróny atómu india sa podieľajú na vytváraní kovalentnej väzby s tromi atómami kremíka a namiesto štvrtej neúplnej kovalentnej väzby sa vytvorí „diera“.
Pri zahrievaní sa kovalentná väzba preruší a objavia sa ďalšie vodivé elektróny a „diery“. Preto v kryštáli prevažuje počet „dier“ nad počtom voľných elektrónov. Vodivosť takéhoto vodiča je diera, polovodič áno polovodič typu p. "Diery" sú hlavných dopravcov náboj, elektróny - nejadrový .
Keď polovodiče typu p a typu n prídu do kontaktu cez hranicu, elektróny difundujú z oblasti n do oblasti p a „diery“ z oblasti p do oblasti n. Výsledkom je vytvorenie bariérovej vrstvy, ktorá zabraňuje ďalšej difúzii. Prechod p-n má jednosmernú vodivosť.
O p-n spojenie prechodom na zdroj prúdu tak, že p-oblasť je spojená s kladným pólom a n-oblasť so záporným pólom, sa objaví pohyb hlavných nosičov náboja cez kontaktnú vrstvu. Tento spôsob pripojenia sa nazýva dopredné pripojenie.
Po pripojení p-n križovatka k zdroju prúdu tak, že p-oblasť je spojená so záporným pólom a n-oblasť s kladným pólom, zväčšuje sa hrúbka bariérovej vrstvy a pohyb väčšinových nosičov náboja cez kontaktnú vrstvu sa zastaví, ale pohyb menšiny náboje cez kontaktnú vrstvu. Tento spôsob pripojenia sa nazýva spätné pripojenie.
Princíp fungovania polovodičová dióda na základe vlastnosti jednostranného vodivosť p-n prechod. Hlavnou aplikáciou polovodičovej diódy je usmerňovač prúdu.
Prúdová charakteristika polovodičovej diódy.
Závislosť prúdu od napätia vyjadruje krivka AOB.
Vetva OB zodpovedá smeru prechodu prúdu, keď prúd vytvárajú hlavné nosiče náboja a pri zvyšovaní napätia sa zvyšuje sila prúdu. Vetva AO zodpovedá prúdu vytvorenému menšinovými nosičmi náboja a aktuálne hodnoty sú malé.
