Descărcări strălucitoare și corona. Descărcarea corona. Aplicații ale evacuării gazelor
Odată cu o creștere suplimentară a tensiunii de la U s și mai sus, puterea curentului începe să crească brusc. Dacă scoateți ionizatorul extern, descărcarea va continua. Aceasta înseamnă că sarcinile necesare pentru a menține conductibilitatea electrică a gazului sunt acum create de descărcarea în sine. O descărcare de gaz care există fără acțiunea unui ionizator extern se numește descărcare autonomă. Tensiunea U c, la care descărcarea devine independentă, se numește tensiunea de aprindere a descărcării gazoase sau tensiunea de rupere. O descărcare de gaz autosusținută este menținută prin ionizare prin impact de către electroni accelerați de un câmp electric. Sub influenta câmp electric viteza electronilor crește atât de mult încât atunci când un electron se ciocnește cu un atom, atomul pierde un electron. Cu o putere suficientă a câmpului electric, ambii electroni câștigă energie până la următoarea coliziune, suficientă pentru a ioniza următorul atom. Numărul de electroni crește foarte rapid, spun ei, se formează o avalanșă de ioni de electroni. Acest lucru nu este suficient, este necesar să se compenseze electronii care au trecut la anod. Acești electroni pot apărea din catod atunci când catodul este bombardat cu ioni pozitivi și fotoni (când catodul este iluminat) care se deplasează spre catod sub acțiunea unui câmp electric.
Tipuri de evacuări independente:
A) descărcare corona
apare la presiunea atmosferică într-un câmp electric brusc neomogen lângă electrozi cu o curbură mare a suprafeței
b) descărcare de scânteie
apare atunci când câmpul electric este ridicat.
în) descărcare cu arc
Dacă, după aprinderea unei descărcări de scânteie dintr-o sursă puternică, distanța dintre electrozi este redusă treptat, atunci descărcarea devine continuă - are loc o descărcare cu arc. În acest caz, puterea curentului crește brusc, ajungând la sute de amperi, iar tensiunea pe intervalul de descărcare scade la câteva zeci de volți. O descărcare cu arc poate fi obținută dintr-o sursă de joasă tensiune, ocolind stadiul de scânteie. Pentru a face acest lucru, electrozii sunt adunați până când se ating, sunt puternic încălziți de un curent electric, apoi sunt despărțiți și se obține un arc electric (așa a fost descoperit de V.V. Petrov). La presiunea atmosferică, temperatura catodului este de aproximativ 3900 K. Descărcarea arcului se menține datorită temperaturii ridicate a catodului datorită emisiei termoionice intense, precum și ionizării termice a moleculelor datorită temperaturii ridicate a gazului. Descărcarea arcului este utilizat pentru sudarea și tăierea metalelor, obținerea oțelurilor de înaltă calitate în cuptoare cu arc, iluminat (reflectoare).
G) descărcare strălucitoare apare la presiuni joase. O descărcare strălucitoare este strălucirea tuburilor de lumină cu gaz din inscripții și reclame, acestea sunt lămpi fluorescente. Natura strălucirii depinde de compoziția chimică a gazului din tub și de compoziția substanței care acoperă suprafața interioară a tubului.
2. Radioactivitate naturală. Tipuri de radiații radioactive și proprietățile acestora.
Fenomenul de radioactivitate confirmă compoziția complexă a atomului. Radioactivitatea constă în faptul că nucleul unora elemente chimice spontan, fără acțiunea factorilor externi, ele creează radiații invizibile, care au anumite proprietăți. Radioactivitatea a fost descoperită în 1896. Henri Becquerel pentru uraniu. Razele invizibile acționau asupra unei plăci fotografice, ionizau gazul și aveau o putere mare de penetrare. Studiul radioactivității (acest termen a apărut mai târziu) a fost continuat de mulți oameni de știință. În 1898 Fizicienii francezi Marie Curie și Pierre Curie au obținut două noi elemente chimice din deșeurile de minereu de uraniu. Mai întâi, poloniul (Po), care a ocupat a 84-a celulă din tabelul periodic, și apoi radiul (Ra), care a ocupat a 88-a celulă. Radiația de radiu a fost foarte puternică, termenul de radioactivitate a început să fie folosit după descoperirea radiului. Curies a mai descoperit că toate elementele, începând cu 83, sunt radioactive în diferite grade.
E. Rutherford, investigând radiațiile radioactive, a descoperit neomogenitatea acesteia. În câmpurile magnetice și electrice, radiația a fost împărțită în trei părți. Componentele radiației au fost denumite: raze alfa (α), raze beta (ß), raze gamma (γ).
Razele α sunt slab deviate în câmpurile electrice și magnetice ca particule încărcate pozitiv. Masa acestor particule este de patru ori mai mare decât masa unui atom de hidrogen. Ulterior s-a stabilit că razele α sunt nucleele atomilor de heliu. Razele α au o capacitate de ionizare foarte puternică, dar capacitatea de penetrare este slabă, adică. această radiație este bine absorbită de materie.
ß -razele deviate într-un câmp magnetic și electric opus razelor α, dar mult mai puternice, ele reprezintă un flux de electroni rapizi. putere de pătrundere ß -razele sunt mult mai mari decât cele ale razelor α, iar cea ionizantă este mult mai slabă.
γ -razele nu au fost deviate în câmpuri electrice și magnetice, s-au dovedit a fi radiații electromagnetice foarte dure (unde electromagnetice de lungime foarte mică, putere mare de penetrare). descoperi γ -grinzile sunt posibile chiar si dupa trecerea unei placi de fier de un metru grosime.
Biletul numărul 7
1. Curentul electric în semiconductori. Conductibilitatea intrinsecă și a impurităților semiconductorilor.
Există grup mare substanțe care, în proprietățile lor electrice, ocupă o poziție intermediară între conductori și dielectrici. Aceste substanțe se numesc semiconductori. Acestea includ siliciu, germaniu, fosfor, arsen, antimoniu, seleniu, oxizi ai unor metale, sulfuri, telururi.
Semiconductorii diferă de metale prin concentrația sarcinilor libere; în semiconductori, în condiții normale, concentrația de electroni liberi este de un miliard de ori mai mică decât în metale. Prin urmare, rezistivitatea semiconductorilor este cu câteva ordine de mărime mai mare decât cea a metalelor. Dacă rezistența conductorului crește atunci când metalul este încălzit, atunci când semiconductorul este încălzit, rezistența scade semnificativ. Conductivitatea unor semiconductori crește semnificativ atunci când sunt iluminate. Impuritățile din metale le reduc semnificativ conductivitatea electrică; impuritățile din semiconductori pot crește conductivitatea electrică în unele cazuri de zeci de mii de ori. Conductivitatea electrică a cristalelor nemetalice depinde semnificativ de presiune, la o presiune de 3-4 atm. Poate deveni egală cu conductivitatea cristalelor metalice.
Conductivitatea electrică a semiconductorilor se explică prin particularitatea structurii lor cristaline. Luați în considerare rețeaua cristalină a germaniului. Germaniul este un semiconductor tipic (z=32). Cele patru învelișuri de electroni ale germaniului conțin 32 de electroni - 2, 8, 18, 4. Cele trei învelișuri interioare sunt stabile, adică în reacții chimice nu participă, electronii lor au o legătură puternică cu nucleul lor. Există 4 electroni de valență în învelișul exterior al atomilor de germaniu. Când un atom dat se apropie de vecinii săi, electronii de valență ai atomilor vecini interacționează între ei. Fiecare atom de germaniu se află la aceeași distanță de patru atomi vecini și formează legături covalente cu ei, adică astfel de legături în care fiecare dintre electronii de valență aparține simultan la doi atomi vecini. Electronii de valență se pot muta de la unul legătură covalentă la altul, mișcă-te în jurul cristalului. O astfel de mișcare este haotică, deci nu creează curent.
Conductibilitatea intrinsecă a semiconductorilor.
Energia de ionizare a atomilor de germaniu este comparabilă cu energia mișcării termice chiar și la temperatura camerei. Prin urmare, unii dintre electronii exteriori sunt socializați de atomii vecini și trec ușor de la un atom la altul, devenind particule rătăcitoare (electronii au devenit liberi). Numărul de astfel de electroni crește semnificativ atunci când sunt încălziți sau iluminați. Sub influența unui câmp electric, electronii liberi se vor mișca într-o direcție și vor crea un curent electric, numit curent de electroni. Concomitent cu apariția unui electron rătăcitor (liber), la atomul semiconductor apare un loc liber într-o legătură covalentă, care se numește în mod obișnuit gaură. Această gaură poate fi ocupată de un electron din legătura covalentă a unui atom vecin, care la rândul său formează o gaură. Astfel, rătăcirea electronilor în rețeaua cristalină implică rătăcirea găurilor.
„Mișcarea” găurilor de la un atom la altul este similară cu mișcarea unei sarcini pozitive, adică o sarcină pozitivă este atribuită găurilor. Sub acțiunea unui câmp electric, „găurile” se vor deplasa în direcția opusă mișcării electronilor, creând conducție de gaură. Curentul dintr-un semiconductor este suma curenților de electroni și de găuri.În semiconductori puri din punct de vedere chimic, curentul de electroni este egal cu curentul de gaură, iar conductivitatea semiconductorilor puri se numește proprii.
Conductibilitatea impurităților semiconductorilor.
Conductivitatea semiconductorilor depinde nu numai de condițiile externe, în special de temperatură și presiune. Conductivitatea crește în prezența impurităților special selectate. Apoi, odată cu conducția intrinsecă, apare și conducerea impurităților. De obicei, principalul semiconductor este germaniu sau siliciu.
Dacă o substanță pentavalentă, de exemplu, arsenul, este adăugată ca impuritate la siliciul tetravalent, atunci patru electroni de valență de la fiecare atom sunt suficienți pentru a forma o legătură covalentă între atomii de siliciu și arsen. În acest caz, al cincilea electron de valență al arsenului se dovedește a fi liber, adică. electron de conducere. O impuritate a cărei valență este mai mare decât valența semiconductorului principal se numește donor (donarea unui electron). Semiconductori dopați de donatori sunt numiți semiconductori de tip n. În semiconductori - cum ar fi conductivitatea electronică prevalează asupra găurii. Electronii sunt numiți purtători majoritari de sarcină, găurile sunt numite purtători minoritari.
Dacă o substanță trivalentă, de exemplu, indiul, este adăugată la siliciu ca impuritate, atunci în timpul formării unei legături covalente între atomii de siliciu și indiu, va lipsi un electron. Prin urmare, se formează o gaură suplimentară pentru fiecare atom de indi.O impuritate a cărei valență este mai mică decât valența semiconductorului principal se numește acceptor(gazdă). Semiconductorii cu un dopant acceptor se numesc semiconductori de tip p. În semiconductoarele de tip p, conducția prin gaură predomină asupra conducției electronice. Găurile sunt principalii purtători de sarcină.
2. Transformări nucleare. Legea dezintegrarii radioactive.
Dezintegrarea radioactivă este transformarea radioactivă a nucleelor atomice, care este însoțită de apariția nucleului altui element chimic și eliberarea uneia dintre particulele elementare. dezintegrarea radioactivă se supune regula deplasării.
În dezintegrarea α, se obține nucleul unui element chimic, deplasat de două celule la început sistem periodic, în timp ce numărul de masă scade cu patru unități.
Acestea. dezintegrarea α are loc conform schemei
De exemplu
ß Există două tipuri de dezintegrare: electronică și pozitronă. La ß- dezintegrarea electronilor, se formează un nucleu, situat o celulă la dreapta celui original, de exemplu
În timpul dezintegrarii pozitronilor (pozitronul este antiparticula electronului, diferă de electron doar prin semnul sarcinii), se formează nucleul unui element chimic, deplasând o celulă la începutul tabelului periodic, de exemplu
Dezintegrarea duce la scăderea numărului de atomi ai substanței radioactive și este aleatorie. Este imposibil de prezis în avans care dintre atomi se va descompune și când.
Până în momentul decăderii, nici în miez, nici în învelișul de electroni un atom, nu au loc procese care predetermina dezintegrarea. Prin urmare, putem vorbi doar despre probabilitatea dezintegrarii oricărui atom într-o anumită perioadă de timp. Timpul T în care jumătate din numărul inițial de atomi radioactivi se descompune se numește timp de înjumătățire.
Legea dezintegrarii radioactive este legea statistica, arată ca:
N= N 0 ·2 - t/ T , unde N 0 este numărul inițial de nuclee radioactive, N este numărul de nuclee nedezintegrate după un timp t de la începutul dezintegrarii, T este timpul de înjumătățire.
Timpurile de înjumătățire ale elementelor radioactive variază foarte mult. De exemplu, pentru uraniu-238 este de 4,5·10 9 ani, pentru toriu-234 este de 24,1 zile, iar pentru poloniu-214 este de numai 1,5·10 -4 s.
Independența timpului de înjumătățire al elementelor radioactive este utilizată pentru a determina vârsta rocii în care sunt conținute aceste elemente (de obicei se folosește izotopul de uraniu. Vârsta compusi organici determinată de obicei de conținutul de carbon.
Biletul numărul 8
1. Contactul a doi semiconductori cu diferite tipuri de conductivitate. Proprietățile sale și aplicarea în dispozitive electronice.
Dacă doi semiconductori cu diferite tipuri de conductivitate sunt aduși în contact, atunci va începe contradifuzia electronilor și a găurilor. Electronii de conducție dintr-un semiconductor de tip n vor merge la un semiconductor de tip p, iar găurile de la un semiconductor de tip p la un semiconductor de tip n. Prin urmare, procesul în stratul de contact al semiconductorilor tipuri diferite numită tranziție p-n sau tranziție electron-gaură. Ca rezultat al contradifuziei electronilor și găurilor, semiconductorul de tip n va primi o sarcină pozitivă, iar semiconductorul de tip p va primi o sarcină negativă. Un câmp electric apare în stratul de contact (diferența de potențial de contact), care împiedică difuzarea ulterioară a electronilor și a găurilor.
Proprietăți ale tranziției electron-gaură.
Dacă conectați un semiconductor de tip n la polul negativ al sursei de curent și un semiconductor de tip p la polul pozitiv, atunci câmpul electric al sursei va compensa câmpul stratului de contact și difuzia electronilor. iar găurile prin stratul de contact vor apărea continuu. Prin contact trece un curent electric, numit curent continuu tranziție p-n.
Dacă un semiconductor de tip n este conectat la polul pozitiv al sursei de curent, iar un semiconductor de tip p la polul negativ al sursei de curent, atunci câmpul sursă va coincide cu câmpul stratului de contact. Rezistența stratului de contact va fi foarte mare, iar curentul practic nu va curge prin el (invers slab p-n curent tranziția este creată de purtători minoritari de taxe).
În acest fel, strat de contact din doi semiconductori tipuri variate are o conducere unilaterală.
Un dispozitiv semiconductor bazat pe un p-n se numește diodă semiconductoare. Dioda este folosită pentru a redresa curentul alternativ.
Un dispozitiv semiconductor bazat pe două p-n se numește triodă sau tranzistor semiconductor. Tranzistoarele sunt împărțite în p-n-p și n-p-n. Regiunea mijlocie mai îngustă a tranzistorului se numește bază, ea împarte cristalul în două regiuni cu aceeași conductivitate, numite emițător și colector. Tranzistorii sunt folosiți pentru a recepționa și amplifica oscilații electrice frecventa inalta.
2. Structura nucleului atomic. Energia de legare a nucleelor atomice.
În 1919, Rutherford, efectuând prima reacție nucleară artificială, a obținut o particulă elementară în stare liberă, a cărei sarcină era egală cu modulul de sarcină a electronilor, iar masa sa era aproximativ egală cu 1 amu. (unitatea de masă atomică). Particula a fost numită proton (mai târziu s-a dovedit că este nucleul unui izotop de hidrogen). Am fost de acord să desemnăm protonul p sau
De ceva timp, s-a crezut că nucleele constau numai din protoni, dar o astfel de idee a nucleului a contrazis unele fapte experimentale. În 1932 Chadwick a obținut o particulă elementară în stare liberă, care nu avea încărcătură, masa particulei s-a dovedit a fi aproximativ egală cu masa unui proton. Această particulă a fost numită neutron -. După descoperirea neutronului de către D.D. Ivanenko și fizicianul german Heisenberg au propus un model proton-neutron al nucleului: nucleul este format din protoni și neutroni. Denumirea generală a particulelor nucleare este nucleoni. Numărul de protoni Z coincide cu numărul de serie al elementului din tabelul periodic, adică. numărul de protoni determină sarcina nucleului. Suma protonilor Z și neutronilor N este egală cu numărul de masă A (masa elementului chimic, rotunjită la o valoare întreagă) Z+N=A Modelul proton-neutron al nucleului a explicat existența izotopilor. Izotopii sunt substanțe care au același lucru proprietăți chimice(ocupând un loc în tabelul periodic), dar având diferit proprietăți fizice(radioactivitate diferită în principal). Toate elementele chimice au izotopi, unele dintre elementele chimice sunt naturale, iar altele sunt artificiale, de exemplu. obţinute în procesul reacţiilor nucleare. Nucleele izotopilor aceluiaşi element chimic au acelaşi număr de protoni şi număr diferit neutroni.
De exemplu: izotopi de hidrogen - Z=1, N=0 - hidrogen ușor
Z=1, N=1 - deuteriu
Z=1, N=2 - tritiu
izotopi de uraniu - Z=92, N=143
Substanțele cu aceleași numere de masă se numesc izobare, de exemplu
forte nucleare- forte care asigura existenta nucleelor stabile, exemplu de interactiuni puternice. Forțele nucleare sunt forțe de natură specială. Caracteristicile forțelor nucleare: 1) forțele nucleare sunt doar forțe de atracție; 2) forțele nucleare sunt forțe cu rază scurtă de acțiune; 3) forțele nucleare au proprietăți de independență a sarcinii; 4) forțele nucleare nu sunt centrale; 5) forțele nucleare au proprietăți de saturație, adică un nucleu nu poate avea orice număr de nucleoni
defect de masă. Energia de legare a nucleelor. Energia de legare este energia necesară pentru a împărți nucleul în nucleoni fără a le conferi energie cinetică. A fost calculată pe baza formulei pentru relația dintre masă și energie (formula lui Einstein) E=mc 2 .
E sv =Δmс 2, Δm – defect de masă, Δm=Zm p +Nm n -M i; Zm p este masa protonilor care intră în nucleu, Nm n este masa neutronilor care intră în nucleu, M i este masa întregului nucleu, c este viteza luminii în vid.
Energia de legare specifică E bate este energia de legare per nucleon.
E bate \u003d E St / A. Cea mai mare energie de legare pentru elementele chimice cu un număr de masă de la 40 la 120. La A> 120, energia de legare specifică scade monoton. La un< 20 удельная энергия связи имеет характерные максимумы и минимумы. Удельная энергия связи определена для всех химических элементов.
Biletul numărul 9
1. 1. Câmp magnetic. Surse camp magnetic. Inducerea câmpului magnetic. Linii de forță magnetice.
În funcție de presiunea gazului, de tensiunea aplicată electrozilor, de forma și natura locației electrozilor, se disting următoarele tipuri de descărcare independentă: strălucire, coroană, arc și scânteie.
descărcare strălucitoare observată la presiuni scăzute ale gazului (aproximativ 0,1 mm Hg). Dacă se aplică o tensiune constantă de câteva sute de volți electrozilor lipiți într-un tub de sticlă și apoi aerul este pompat treptat din tub, atunci se observă următorul fenomen: când presiunea gazului scade, la un moment dat apare o descărcare în tubul, care are forma unui cordon luminos care leagă tuburile anod și catodic (fig. 1). Cu o scădere suplimentară a presiunii, acest filament se extinde și umple întreaga secțiune transversală a tubului, iar strălucirea din apropierea catodului slăbește. Primul spațiu întunecat se formează lângă catod 1 , care este adiacent stratului luminos ionic 2 (luminozitate mocnitoare), care are o limită ascuțită pe partea catodului și dispare treptat pe partea anodului. În spatele strălucirii mocnite, există din nou un gol întunecat 3 , numit faraday sau al doilea spațiu întunecat. În spatele lui se află o zonă strălucitoare 4 extinzându-se la anod sau o coloană pozitivă.
De o importanță deosebită într-o descărcare strălucitoare sunt doar două dintre părțile sale - spațiul întunecat catodic și strălucirea strălucitoare, în care au loc principalele procese care mențin descărcarea. Electronii care ionizează gazul sunt produși prin fotoemisia de la catod și ciocnirile ionilor pozitivi cu catodul tubului.
În prezent, descărcarea strălucitoare este utilizată pe scară largă ca sursă de lumină în diferite tuburi de gaz.În sursele de lumină de zi, descărcarea are loc de obicei în vapori de mercur. Conductele de gaz sunt folosite și în scopuri publicitare și decorative.
O descărcare strălucitoare este utilizată pentru pulverizarea catodică a metalelor, deoarece substanța catodică din descărcarea strălucitoare trece treptat într-o stare gazoasă și se depune sub formă de praf metalic pe pereții tubului. Prin plasarea diferitelor obiecte într-o descărcare strălucitoare, acestea le acoperă cu straturi uniforme și durabile de metal. Această metodă este utilizată pentru fabricarea oglinzilor metalice de înaltă calitate.
descărcare de scânteie, des observat în natură, este fulgerul. Fulgerul este o descărcare între doi nori încărcați sau între un nor și pământ. Purtătorii de încărcare din nori sunt picături de apă încărcate sau fulgi de zăpadă.
În condiții de laborator, o descărcare de scânteie poate fi obținută prin creșterea treptată a tensiunii dintre doi electrozi aflați în aerul atmosferic și având o astfel de formă încât câmpul electric dintre ei să difere puțin de unul uniform. La o anumită tensiune, apare o scânteie electrică. În acest caz, descărcarea de scânteie pătrunde în golul de descărcare cu mare viteză, se stinge și reapare. Un canal de scânteie curbat strălucitor conectează ambii electrozi și are o ramificare complexă (Fig. 2). Strălucirea în scânteie este rezultatul unor procese intense de ionizare. Efectele sonore care însoțesc scânteia sunt generate de o creștere a presiunii (până la sute de atmosfere) datorită încălzirii gazului (până la 10 5 °C) în locurile unde trece descărcarea. O scânteie apare atunci când intensitatea câmpului electric dintr-un gaz atinge o anumită valoare specifică, care depinde de tipul de gaz și de starea acestuia.
Dacă, lăsând tensiunea constantă, reduceți distanța dintre electrozi, atunci intensitatea câmpului în spațiul de gaz va crește. La o anumită valoare, va avea loc o descărcare de scânteie. Cu cât tensiunea aplicată este mai mare, cu atât distanța dintre electrozi este mai mare la care va avea loc o descărcare de scânteie. Principiul de funcționare al unui voltmetru cu scânteie - un dispozitiv pentru măsurarea tensiunilor foarte înalte - se bazează tocmai pe acest fenomen.
descărcare cu arc poate fi observată în următoarele condiții: dacă, după aprinderea descărcării scânteii, rezistența circuitului este redusă treptat, atunci curentul în scânteie va crește. Când rezistența circuitului devine suficient de mică, va apărea o nouă formă de descărcare de gaz, numită arc. În acest caz, puterea curentului crește brusc, ajungând la zeci și sute de amperi, iar tensiunea pe intervalul de descărcare scade la câteva zeci de volți. Aceasta arată că în descărcare apar noi procese, dând gazului o conductivitate electrică foarte mare.
În prezent, un arc electric care arde la presiunea atmosferică se obține cel mai adesea între electrozii speciali de carbon. Cel mai fierbinte punct al arcului este depresiunea care se formează pe electrodul pozitiv și se numește craterul arcului. Temperatura sa la presiunea atmosferică este de aproximativ 4000 °C.
Arcul electric este o sursă de lumină puternică și este utilizat pe scară largă în instalații de proiecție, reflectoare și alte instalații de iluminat. Datorită temperaturii ridicate, arcul este utilizat pe scară largă pentru sudarea și tăierea metalelor. Temperatura ridicată a arcului este utilizată și în construcția cuptoarelor cu arc electric, care joacă un rol important în electrometalurgia modernă.
descărcare corona observat la presiuni relativ mari ale gazelor (de exemplu, la presiunea atmosferică) într-un câmp electric puternic neomogen. Pentru a obține o neomogenitate semnificativă a câmpului, electrozii trebuie să aibă suprafețe puternic diferite, adică. un electrod - o suprafață foarte mare, iar celălalt - unul foarte mic. Deci, de exemplu, o descărcare corona poate fi obținută cu ușurință prin plasarea unui fir subțire în interiorul unui cilindru metalic, a cărui rază este mult mai mare decât raza firului.
Intensitatea câmpului în apropierea firului are cea mai mare valoare. Când intensitatea câmpului atinge valoarea Ε ≈ 3 MV/m, se aprinde o descărcare între fir și cilindru, iar în circuit apare un curent. În același timp, în apropierea firului se observă o strălucire, care are forma unei cochilii sau a unei coroane care înconjoară firul, de la care provine numele descărcării.
Descărcarea corona are loc atât la un potențial negativ pe fir (corona negativă), cât și la unul pozitiv (corona pozitivă), precum și la o tensiune alternativă între fir și cilindru.
Descărcarea Corona este utilizată în inginerie pentru construcția de precipitatoare electrostatice concepute pentru a purifica gazele industriale din impuritățile solide și lichide.
În natură, o descărcare corona are uneori sub acțiunea unui câmp electric atmosferic pe ramurile copacilor, vârfurile catargelor (așa-numitele focuri ale Sfântului Elmo). Descărcarea corona poate apărea pe fire subțiri sub tensiune. Apariția unei descărcări corona pe vârfurile conductorilor explică acțiunea unui paratrăsnet care protejează clădirile și liniile de transmisie de loviturile de trăsnet.
Literatură
Aksenovich L. A. Fizica în liceu: Teorie. Sarcini. Teste: Proc. indemnizație pentru instituțiile care oferă general. medii, educație / L. A. Aksenovich, N. N. Rakina, K. S. Farino; Ed. K. S. Farino. - Mn.: Adukatsy i vykhavanne, 2004. - C. 289-291.
Curentul electric în gaze. Categoriile independente și neindependente. Tipuri de autodescărcare și aplicarea lor tehnică. Gazele în stare normală sunt izolatoare, deoarece sunt formate din atomi și molecule neutre din punct de vedere electric și, prin urmare, nu conduc electricitatea. Conductorii pot fi doar gaze ionizate, care conțin electroni, ioni pozitivi și negativi. Ionizarea este procesul de separare a electronilor de atomi și molecule. Ionizarea are loc sub influența temperaturilor ridicate și a diferitelor radiații (raze X, radioactive, ultraviolete, raze cosmice) din cauza unei coliziuni particule rapide sau atomi cu atomi și molecule de gaze. Electronii și ionii rezultați fac din gaz un conductor de electricitate. Fluxul de curent printr-un gaz se numește descărcare gazoasă. Descărcările cauzate de acțiunea unui ionizator extern se numesc descărcări de gaze care nu se autosusțin. Aplicație: în camere de ionizare și contoare de gaz ale particulelor încărcate rapid. Tensiunea la care descărcarea neauto-susținută devine independentă se numește tensiune de defalcare, iar procesul în sine se numește defalcare electrică a gazului. Descărcarea gazoasă care continuă după terminarea ionizatorului extern se numește descărcare auto-susținută, deoarece ionii necesari pentru a menține o conductivitate electrică ridicată sunt creați de descărcarea însăși ca urmare a proceselor interne care au loc în gaz.
Sunt posibile diferite procese de ionizare: 1. prin impact electronic; 2. ionizare termică; 3. fotoionizare; Ionizarea prin impactul electronului are loc atunci când un electron se ciocnește cu un atom numai în cazul în care electronul de pe calea liberă medie (λ) dobândește energie kinetică suficient pentru a face munca de îndepărtare a unui electron dintr-un atom. Ionizarea termică este procesul de generare de electroni liberi și ioni pozitivi ca urmare a ciocnirilor la temperatură ridicată. Ionizarea atomilor și moleculelor sub acțiunea luminii se numește fotoionizare. În funcţie de procesele de formare a ionilor în descărcare la diverse presiuni gaz și tensiuni aplicate electrozilor, există mai multe tipuri de descărcări independente: 1. strălucitoare; 2. scânteie; 3. coroană; 4. arc. Strălucirea este o descărcare la presiuni scăzute. Descărcarea este caracterizată printr-o intensitate mare a câmpului electric și o scădere mare corespunzătoare a potențialului în apropierea catodului. Aplicație: 1. în tuburi cu raze X ionice și electronice; 2. ca sursă de lumină în tuburile cu descărcare în gaz; 3. pentru pulverizarea catodică a metalelor; 4. pentru fabricarea oglinzilor metalice de înaltă calitate; 5. în laserele cu gaz.
Descărcare scânteie - conectarea electrozilor și având forma unui canal luminos curbat subțire (streamer) cu multe ramuri. Apare la presiuni de ordinul atmosferei. Exemple: 1. fulger. Puterea curentului de la 10 la 105 kA. Tensiunea dintre electrozi (nor - Pământ) ajunge la 108 - 109 V. Durata este de aproximativ o microsecundă. Lungimea canalului luminos este de până la 10 km. Diametru până la 4 m. 2. Descărcare condensator; 3. scântei la pieptănarea părului Descărcarea corona se observă la o presiune apropiată de cea atmosferică într-un câmp electric foarte neomogen. Gazul strălucește, formând o „coroană” înconjurând electrodul. Exemple: în condiții naturale, descărcarea corona are loc sub influența electricității atmosferice pe vârfurile copacilor, catargele navelor (focurile Sf. Elm). Aplicație: precipitatoare electrostatice pentru purificarea gazelor industriale din impurități. Descărcările corona sunt surse de interferență radio și curenți de scurgere nocivi în apropierea liniilor de transmisie de înaltă tensiune (sursa principală de pierderi). Arc - o descărcare caracterizată printr-o putere mare a curentului (zeci și sute de amperi) și o intensitate scăzută a câmpului (câteva zeci de volți) în spațiul de descărcare dintre electrozi. Descărcarea este menținută prin emisie termoionică de la suprafața catodului. Aplicație: 1. cuptor electric pentru topirea metalelor; 2. surse de lumină puternice (reflectoare, camere de proiecție); 3. sudarea și tăierea metalelor.
descărcare corona - acesta este un fenomen asociat cu ionizarea aerului într-un câmp electric de intensitate mare (strălucire a gazelor într-un câmp electric neomogen de intensitate mare).
Zonele cu intensitate mare se formează adesea din cauza neomogenității câmpului electric care apare:
1) Atunci când alegeți parametrii greșiți în timpul procesului de proiectare;
2) Ca urmare a poluării apărute în timpul lucrului;
3) Ca urmare a deteriorării mecanice și a uzurii echipamentului.
Câmpuri similare se formează la electrozii cu o curbură foarte mare a suprafeței (puncte, fire subțiri). Când intensitatea câmpului atinge valoarea limită pentru aer (aproximativ 30 kV / cm), în jurul electrodului apare o strălucire, care are forma unei cochilii sau a unei coroane (de unde și numele). Descărcarea Corona este utilizată pentru curățarea gazelor de praf și alți contaminanți (precipitator electrostatic), pentru a diagnostica starea structurilor (vă permite să detectați fisuri în produse). Pe liniile electrice, apariția unei descărcări corona este nedorită, deoarece provoacă pierderi semnificative în energia transmisă. Pentru a reduce curbura relativă a electrozilor, se folosesc linii cu mai multe fire (3, 5 sau mai multe fire într-un anumit fel).
Tipuri de coroane și identificarea lor
Coroană negativă „asemănătoare unei flăcări”. Acest tip de coroană apare de obicei pe un conductor încărcat negativ, cum ar fi în timpul semi-undă negativă a tensiunii de rețea. Acest tip de coroană arată ca o flacără, a cărei formă, direcție și dimensiune se schimbă constant. Această coroană este foarte sensibilă la modificările parametrilor. mediu inconjurator. Apariția acestuia duce, de asemenea, la apariția unui semnal audio de aproximativ dublu față de frecvența industrială (de exemplu, 100 Hz) sau un multiplu al acesteia.
avarii
Defecțiunile se formează, de obicei, între două plăci metalice izolate, dar strâns distanțate. Curentul de scurgere de-a lungul suportului induce anumite niveluri de tensiune între plăci și astfel o descărcare între ele. Aceste descărcări sunt de obicei dificil de localizat, deoarece nu există o conexiune directă la linia de înaltă tensiune. Într-o cameră CoroCAM, aceste spații de scânteie vor apărea ca obiecte mici, permanente și foarte luminoase. Sunetul produs de aceste descărcări are o înălțime mai mare decât coroanele negative și pare să nu aibă legătură cu frecvența puterii. Eclatoarele de scânteie cauzează, de obicei, interferențe radio și televiziune mari (de exemplu RI ridicat - interferență radio).
Coroană strălucitoare pozitivă
O descărcare corona luminoasă pozitivă se formează pe un conductor încărcat pozitiv (de exemplu, în timpul unei semi-unde pozitive a tensiunii de rețea). Se găsește de obicei în locuri cu colțuri ascuțite. Acest tip de coroană este de dimensiuni mici și arată ca o strălucire în jurul unui anumit loc. Aceasta este o sursă corona relativ slabă și produce un semnal audio foarte mic.
Cât de gravă este corona/descărcarea în ceea ce privește tensiunea de interferență radio (RIV)?
Remarci generale:
Toate eclatoarele provoacă interferențe radio grave.
Dacă corona este complet vizibilă cu ochiul liber (noaptea), atunci va provoca interferențe radio grave. (Folosiți camera CoroCAM pentru a localiza rapid toate sursele de corona și apoi încercați să le vedeți cu ochiul liber.)
Corona strălucitoare pozitivă nu provoacă interferențe radio grave.
Aplicarea descărcării corona
Curățarea electrică a gazelor (precipitatoare electrostatice).
Un vas plin cu fum devine brusc complet transparent dacă în el se introduc electrozi metalici ascuțiți conectați la o mașină electrică și toate particulele solide și lichide vor fi depuse pe electrozi. Explicația experienței este următoarea: de îndată ce corona este aprinsă, aerul din interiorul tubului este puternic ionizat. Ionii de gaz se lipesc de particulele de praf și le încarcă. Deoarece în interiorul tubului acționează un câmp electric puternic, particulele de praf încărcate se deplasează sub acțiunea câmpului către electrozi, unde se depun.
Contoare de particule elementare.
Contorul de particule elementare Geiger-Muller constă dintr-un mic cilindru metalic echipat cu o fereastră acoperită cu folie și un fir metalic subțire întins de-a lungul axei cilindrului și izolat de acesta. Contorul este conectat la un circuit care conține o sursă de curent, a cărei tensiune este egală cu câteva mii de volți. Tensiunea este aleasă necesară pentru apariția unei descărcări corona în interiorul contorului.
Când un electron în mișcare rapidă intră în contor, acesta din urmă ionizează moleculele de gaz din interiorul contorului, determinând o oarecare scădere a tensiunii necesare pentru a aprinde coroana. În contor are loc o descărcare, iar în circuit apare un curent slab de scurtă durată. Pentru a-l detecta, în circuit este introdusă o rezistență foarte mare (câțiva megaohmi) și este conectat în paralel un electrometru sensibil. De fiecare dată când un electron rapid lovește interiorul contorului, foile electrometrului se vor înclina.
Astfel de contoare fac posibilă înregistrarea nu numai a electronilor rapizi, ci, în general, a oricăror particule încărcate, care se mișcă rapid, capabile să producă ionizare prin ciocniri. Contoarele moderne pot detecta cu ușurință chiar și o singură particulă care le lovește și, prin urmare, fac posibilă verificarea cu o certitudine deplină și o claritate foarte mare că particulele încărcate elementare există cu adevărat în natură.
paratrăsnet
Se estimează că aproximativ 1800 de furtuni apar simultan în atmosfera întregului glob, care dau o medie de aproximativ 100 de fulgere pe secundă. Și deși probabilitatea de a fi lovit de fulger de oricare persoana individuala neglijabil, cu toate acestea, fulgerul face mult rău. Este suficient să subliniem că, în prezent, aproximativ jumătate din toate accidentele din liniile electrice mari sunt cauzate de fulgere. Prin urmare, protecția împotriva trăsnetului este o sarcină importantă.
Lomonosov și Franklin nu numai că au explicat natura electrică a fulgerului, dar au subliniat și cum să construiți un paratrăsnet care să protejeze împotriva unui fulger. Paratrăsnetul este un fir lung, al cărui capăt superior este ascuțit și întărit deasupra celui mai înalt punct al clădirii protejate. Capătul inferior al firului este conectat la o foaie de metal, iar foaia este îngropată în pământ la nivelul apei din sol. În timpul unei furtuni, pe Pământ apar sarcini induse mari și un câmp electric mare apare lângă suprafața Pământului. Intensitatea sa este foarte mare în apropierea conductoarelor ascuțite și, prin urmare, o descărcare corona este aprinsă la capătul paratrăsnetului. Ca urmare, sarcinile induse nu se pot acumula pe clădire și nu apar fulgere. În acele cazuri în care fulgerul încă mai apare (și astfel de cazuri sunt foarte rare), acesta lovește paratrăsnetul și încărcăturile ajung pe Pământ fără a dăuna clădirii.
În unele cazuri, descărcarea corona de la paratrăsnet este atât de puternică încât la vârf apare o strălucire clar vizibilă. O astfel de strălucire apare uneori lângă alte obiecte ascuțite, de exemplu, la capetele catargelor navei, vârfurile ascuțite ale copacilor etc. Acest fenomen a fost observat cu câteva secole în urmă și a provocat groaza superstițioasă a navigatorilor care nu i-au înțeles adevărata esență.
Sub influența unei descărcări corona
Precipitatoarele electrostatice sunt cele mai eficiente dispozitive de curățare a gazelor, deoarece. costurile de operare pentru întreținerea acestora, în comparație cu alte colectoare de praf și cenușă, sunt mult mai mici. În același timp, precipitatoarele electrostatice îndeplinesc cel mai pe deplin cerințele unui dispozitiv absolut de colectare a prafului.
Instalația pentru curățarea electrică a gazelor include un precipitator electrostatic și o unitate de alimentare. Gazul de purificat intră în precipitatorul electrostatic, ai cărui electrozi sunt alimentați cu o tensiune înaltă, între electrozi are loc o descărcare corona, în urma căreia spațiul interelectrod este umplut cu ioni de gaz încărcați negativ, care, sub acțiune a unui câmp electric se trece de la electrozii corona la cei de precipitare.
Electrozii de colectare sunt împărțiți în plăci, tubulari, în formă de cutie, tijă, buzunar, canelat, în formă de C, în formă de lalele etc.
Conform metodei de îndepărtare a prafului, precipitatoarele electrostatice sunt împărțite în umede și uscate. La precipitatoarele electrostatice uscate, scuturarea electrozilor se realizează prin metode de șoc-ciocan, șoc-impuls, vibrații etc. În precipitatoarele electrostatice umede se efectuează spălarea periodică sau continuă a electrozilor. În direcția de mișcare a gazului purificat, precipitatoarele electrostatice sunt împărțite în verticale și orizontale. În plus, precipitatoarele electrostatice sunt cu o singură zonă, în care încărcarea și depunerea particulelor se efectuează într-o singură zonă și cu două zone, în care încărcarea și depunerea sunt efectuate în zone diferite: ionizatorul și precipitatorul.
Precipitator electrostatic tubular Sturtevant
Conform principiului creării unei descărcări corona, precipitatoarele electrostatice vin cu puncte fixe ale unei descărcări corona și o descărcare corona nefixă.
În funcție de tipul de sisteme cu electrozi corona, precipitatoarele electrostatice pot fi împărțite în două grupe principale: cu electrozi corona cu cadru și cu electrozi corona suspendați liber. Scuturarea electrozilor de precipitare si corona se realizeaza cu ajutorul impactului, scuturarii soc-ciocan, sistem soc-impuls, mecanisme de vibratie, spalare periodica si continua.
Fizica unei descărcări corona este analizată în detaliu în cartea lui N.A. Kaptsov „Descărcarea corona și aplicarea ei în precipitatoarele electrostatice”, publicată în 1947. Fenomenul unei descărcări electrice în gaze este explicat prin mai multe teorii ale descărcării. Baza primei teorii - teoria avalanșelor - a fost pusă de Townsend în 1900. După 30 de ani, a fost dezvoltată în continuare în lucrările lui Rogovsky și, după cum scrie N.A. Kaptsov, „și a servit până acum ca bază pentru explicarea. fenomenele unei descărcări corona." A doua teorie - teoria plasmei cu descărcare de gaz - a fost dezvoltată încă din 1924 de Lengryum și școala sa, dar, potrivit lui N.A. Kaptsov, nu are nicio legătură directă cu explicația fizicii unei descărcări corona. A treia teorie - teoria plasmei izoterme - a fost dezvoltată în anii prebelici de Elenbas și alți fizicieni olandezi.
Descărcarea gazoasă se numește independent dacă continuă după terminarea ionizatorului extern. Formarea de sarcini libere într-un gaz în timpul autodescărcării are loc datorită proceselor cauzate de acțiunea unui câmp electric. În funcție de tipul de descărcare, pe lângă ionizarea de impact, aceasta poate fi eliminarea electronilor din catod de către ionii pozitivi, fotoionizarea și ionizarea termică a gazului, emisia termoionică, emisia de electroni reci. Tensiunea la care are loc tranziția unei descărcări neauto-susținute într-una independentă se numește tensiunea de aprindere sau tensiunea de avarie. Valoarea sa depinde de materialul catodului, natura chimica gaz, din prezența impurităților în gaz, presiunea gazului, distanța dintre electrozi, forma și dimensiunea acestora.
Să estimăm efectul avalanșelor de electroni asupra intensității curentului într-o descărcare de gaz (Fig. 61.1). Lăsați să se formeze electroni liberi lângă catod în fiecare secundă. La distanta X din catod numarul lor este P. În strat dx ca urmare a ionizării prin impact dn electroni liberi. Evident, dn~dxși dn~n. Atunci poti scrie: dn ~n dx. Trecând la egalitate, obținem
unde α este coeficientul de ionizare de impact.
Din formula (61.1) obținem
După integrare, găsim:
Valoarea constantei de integrare DIN găsim prin substituirea în formula (61.2) și :
Combinăm formulele (61.2) și (61.3):
Să potențam expresia rezultată:
După cum rezultă din formula obținută, cu creșterea distanței X de la catod, numărul de electroni liberi crește exponențial.
Dacă nu ar exista ionizare prin impact, electronii ar ajunge la anod în fiecare secundă și ar apărea un curent de saturație, a cărui putere (secțiunea soareîn figura 60.2). Ca urmare a ionizării prin impact, anodul ajunge la electroni în fiecare secundă și puterea curentului devine egală, adică de ori mai mare (secțiunea CDîn figura 60.2).
Apariția avalanșelor de electroni este o condiție necesară pentru aprinderea unei descărcări auto-susținute. Cu toate acestea, acest proces în sine nu este suficient, deoarece necesită apariția electronilor primari în apropierea catodului, ceea ce va provoca formarea de avalanșe de electroni. Apariția acestor electroni poate apărea ca rezultat al emisiei termoionice, emisiei reci de electroni, scoaterii electronilor din catod de către ionii pozitivi și altor procese cauzate de acțiunea unui câmp electric.
În funcție de presiunea gazului, de configurația electrozilor și de parametrii circuitului extern, există patru tipuri de autodescărcare:
Mocnit;
scânteie;
Arc;
Coroană.
Când le descriem, vom indica în ce condiții apar, din cauza ce procese se formează ionii și electronii, ce lumină și efecte sonore sunt însoțiți și unde își găsesc aplicație practică.
descărcare strălucitoare apare în gazele rarefiate la o presiune de câțiva milimetri de mercur și o tensiune de ordinul lui V. Taxe gratuite sunt formate din cauza ionizării prin impact și a scoaterii electronilor din catod de către ionii pozitivi. Puterea curentului într-o descărcare luminoasă este de obicei mică. Descărcarea este însoțită de o strălucire nu foarte strălucitoare, care are loc în timpul recombinării ionilor și trecerea atomilor excitați la starea normală. O descărcare strălucitoare este utilizată în lămpile cu neon de semnal, lămpile indicatoare digitale, diodele Zener.
descărcare de scânteie în Apare la presiuni normale și înalte, când intensitatea câmpului atinge valoarea puterii electrice a unui gaz dat. La presiunea atmosferică pentru aer, este de 30 kV/cm. După defecțiune, rezistența canalului este scăzută și un impuls de curent mare trece prin el. Dacă sursa de putere este scăzută, atunci descărcarea se oprește. Tensiunea crește din nou și scânteia sare din nou. Gazul din canal se încălzește, presiunea acestuia crește brusc și apare o undă de șoc. Descărcarea este însoțită de o crăpătură puternică și o strălucire intermitentă strălucitoare. Un exemplu de descărcare de scânteie este fulgerul, în care canalul de scânteie poate atinge o lungime de până la 10 km cu un diametru de până la 40 cm. Puterea curentului ajunge la A, temperatura este de până la K și presiunea este crescută. la Pa.
Într-o descărcare de scânteie în apropierea catodului, are loc o avalanșă de electroni, care, pe drum, produce ionizarea și excitarea moleculelor de gaz. Fotonii emiși de moleculele excitate produc fotoionizare și dau naștere la noi avalanșe de electroni. Avalanșele de electroni separați se prind una pe cealaltă și, îmbinându-se, formează un canal puternic ionizat (streamer), prin care curge curentul.
Temperatura și presiunea ridicată în descărcarea scânteii fac posibilă utilizarea acestuia pentru prelucrarea electrospark a metalului, în sistemele de aprindere ale motoarelor cu ardere internă. Descărcarea scânteii este, de asemenea, utilizată în voltmetre cu scântei, eclatoare.
descărcare cu arcîntre doi electrozi de carbon a fost descoperit de fizicianul rus V.V.Petrov în 1802. Apare la orice presiune la o tensiune de câteva zeci de volți. Curentul din arc poate ajunge la zeci și sute de amperi. O descărcare de scânteie trece într-o descărcare cu arc la o sursă de putere suficient de mare și la o distanță mică între electrozi.
În timpul unei descărcări cu arc, electrozii (în special anodul) devin foarte fierbinți. Emisia termoionică are loc din catod. Ionizarea termică și fotoionizarea gazului se observă în descărcarea în sine. Arcul cu catod rece (de obicei în vapori de mercur) este menținut prin emisia rece de electroni din catod și ionizarea prin impact a gazului.
Descărcarea cu arc a fost folosit pentru prima dată de P. N. Yablochkov, care în 1876 a creat lămpi cu arc („lumânarea lui Yablochkov”). În 1882, N. N. Benardos a implementat utilizarea unei descărcări cu arc cu un electrod de carbon pentru tăierea și sudarea metalelor. În 1888
N. G. Slavyanov a îmbunătățit această metodă prin înlocuirea electrodului de carbon cu unul metalic.
Descărcarea arcului cu catod rece este o sursă de radiație ultravioletă, ceea ce explică utilizarea sa în lămpile cu cuarț și lămpile fluorescente. Se mai foloseste si in tiratroni, gastrons, fuzibile cu arc.
descărcare corona apare la presiunea atmosferică într-un câmp electric foarte neomogen, adică în apropierea electrozilor cu o curbură mare. Când intensitatea câmpului electric în apropierea electrodului atinge aproximativ 3∙ V / m, în jurul acestuia apare o strălucire, care are forma unei cochilii sau a unei coroane, de la care provine numele sarcinii. Prezența unui al doilea electrod este opțională, dar obiectele metalice împământate din jur își pot juca rolul.
Descărcarea corona negativă se menține datorită ionizării prin impact și scoaterii electronilor din catod de către ionii pozitivi, cea pozitivă se datorează fotoionizării.
Descărcarea corona, care are loc în liniile de transmisie de înaltă tensiune, duce la pierderi de putere. Pentru a reduce corona, raza conductorilor este mărită, iar suprafața lor este netedă. O descărcare corona este utilizată în precipitatoarele electrostatice de fum, atunci când se imprimă pe hârtie și alte materiale într-un mod grafic electronic.
