uabooks.top » Fizika » 7. Elektromos áram a gázokban
Інформація про новину
  • Переглядів: 83
  • Дата: 2-07-2020, 04:01
2-07-2020, 04:01

7. Elektromos áram a gázokban

Категорія: Fizika




A Világmindenség anyagainak 99%-a plazma állapotban van: ilyenek a csillagokban és galaktikus ködökben lévő anyagok, plazma tölti ki a csillagközi teret. A Földön is gyakran van dolgunk plazmával: a gáz plazma állapotban van a villámcsatornában, a lángnyelvekben, a fényreklámok csöveiben; a Föld körüli plazmában végbemenő folyamatok okozzák a mágneses viharokat, sarki fényt... A plazma -részlegesen vagy teljes egészében ionizált gáz, amelyben a pozitív és negatív töltések koncentrációja majdnem azonos.

Ebben a paragrafusban a gáz ionizálásának módjával (plazma létrehozásával), valamint az elektromos térbe helyezett ionizált gázban végbemenő folyamatokkal ismerkedhettek meg.

Milyen feltételek mellett válnak a gázok vezetővé?

A fémektől és elektrolitoktól eltérően a gázok elektromosan semleges atomokból és molekulákból állnak, és közönséges körülmények között

nem tartalmaznak töltéshordozókat, vagyis dielektrikumok. Ha viszont valamilyen módon az elektront az atom elhagyására kényszerítik, akkor a gázban pozitív ionok és szabad elektronok keletkeznek; egyes elektronok a semleges molekulákhoz és atomokhoz csatlakozhatnak, ezáltal negatív ionokat hozva létre (7.1. ábra).

Pozitív és negatív ionok, valamint szabad elektronok létrejöttének folyamatát semleges molekulákból és atomokból, ionizációnak nevezzük.

Hogy az elektront az atom elhagyására kényszerítsék, minimális mennyiségű energiát — ionizációs energiát (Wí) - kell vele közölni, ami a gáz kémiai természetétől függ. Attól függően, honnan teremtik elő ezt az energiát, többféle ionizációt különböztetnek meg (lásd pl. a 7.2. áb-rát).

Termikus ionizáció: a

szükséges energia a magas hőmérséklet hatására nagy sebességre felgyorsult molekulák rugalmatlan ütközéseiből jön létre.

Ionizáló sugárzás: az

atomnak a szükséges energiát a magas frekvenciájú elektromágneses sugárzás biztosítja.

Ha az ionizált gázt elektromos térbe helyezik, a pozitív ionok a tér erővonalainak az irányába mozdulnak el, a negatív ionok és elektronok - ellenkező irányba (7.3. ábra). A gázban elektromos áram jön létre.

Az elektromos áram a gázokban nem más, mint gázkisülés, azaz szabad elektronok, pozitív és negatív ionok irányított mozgása.

Önálló és gerjesztett gázkisülés

Kísérletek bizonyítják: ha megszűnik az ionizációs hatás (kikapcsolják az égőt, a sugárforrást), akkor rendszerint megszűnik a gázkisülés. Ennek néhány magyarázata lehet.

1. A pozitív ion és az elektron ütközése következtében semleges gázmolekula (atom) keletkezik. Ezt a folyamatot rekombinációnak nevezik.

2. Az anód elnyeli a szabad elektronokat.

3. A szabad ionok az elektródok mellett semleges részecskékké alakulnak át: a negatív ionok „leadják” az anódnak „fölös” elektronjaikat, majd a pozitív ionok „elveszik” a kátédtól a nekik „szükséges” elektronokat. Ezek után a semleges részecskék (molekulák és atomok) visszatérnek a gázba.

Az olyan gázkisülést, amely külső ionizátor hatására jön létre, gerjesztett kisülésnek nevezzük.

Gondolhatnánk, hogy a feszültség növelése a lemezek között a kisülési áramerősség növekedését eredményezi, még abban az esetben is, ha az ionizátor intenzitása nem változik. Ez viszont nincs mindig így. A kisülési áramerősség és az elektródokon mért potenciálkülönbség közötti összefüggés grafikonja a 7.4. ábrán látható. A grafikon néhány jellemző szakaszra bontható.

1. szakasz (a grafikonon égszínkékkel van jelölve). Az áramerősség és feszültség közötti ösz-szefüggés Ohm törvényének van alárendelve.

2. szakasz (kék vonal). A feszültség növekszik, az áramerősség változatlan marad. Arról van szó, hogy erős elektromos térben az ionizátor által létrehozott összes töltéssel rendelkező részecske eléri az elektródokat. Az adott ionizátor hatásakor létrejövő áramerősség legnagyobb értékét telítési áramnak nevezzük.

3. szakasz (lilával jelölve). Az áramerősség hirtelen megnő, a feszültség növekedése viszont csekély mértékű. A 8. osztályos fizika tananyagából már tudjátok, hogy ez a gázok elektromos ütközéses ionizációjának a hatására megy végbe, melynek következtében a szabad töltött részecskék száma lavinaszerűen megnövekszik (7.5. ábra).

Az ütközéses ionizáció következtében létrejött elektronok az anód felé tartanak, ami végül elnyeli azokat. Viszont a gázkisülés az ionizátor eltávolítása után is fennmaradhat. Az új elektronok egyik forrása a kátéd felszíne: a pozitív ionok „bombázzák” a katódot és új elektronokat ütnek ki belőle — a kátéd felszínéről elektronok kisugárzása (emissziója) megy végbe.

Az olyan gázkisülést, amely külső ionizátor hatása nélkül megy végbe, önálló gázkisülésnek nevezzük.

A gáz nyomásától és hőmérsékletétől, az elektródok konfigurációjától és a közöttük lévő feszültségtől függően négyféle gázkisülést különböztetünk meg: szikrakisülés, parázsló kisülés, ívkisülés és koronakisülés.

Önálló gázkisülések fajtái

Normál légnyomáson és az elektródok közötti magas feszültség mellett jön létre. Cikcakkban mozgó elágazó szalagra hasonlít, néhány ezredmásodpercig tart, és csak a rá jellemző effektusok (csattanás, recsegés, dörgés) kísérik. A technikában a benzinmotorok gyújtó-gyertyáiban vagy a különösen kemény fémek felszínének megmunkálására, a villanyvezetékek túlfeszültségének megakadályozására (szikraleválasztók) használják.

A természetben a grandiózus szikrakisülés példája a villámlás.

Kis feszültségnél és alacsony (néhány tized- vagy század higanymilliméter) értékű nyomáson figyelhető meg-, ilyen kis nyomás esetén a molekulák közötti távolság elég ahhoz, hogy akár gyenge elektromos térben az elektron akkora mértékű sebességet érjen el, hogy energiára tegyen szert, amely elég az ütközéses ionizációhoz.

Nappali fénycsövekben (lumineszcens csövekben), reklámfénycsövekben (a fény színét a gáz természete határozza meg) használják. Legfontosabb alkalmazási területe a fény kvantumgenerátorai - a gázlézerek.

Magas hőmérsékleten (több mint 4000 °С) és bármilyen nyomáson létrejön. Alakja ív formájú lángra emlékeztet. Ilyen magas hőmérsékleten a katód felszínéről az elektronok folyamatosan „párolognak”, a felizzított gázoszlopban pedig termikus ionizáció megy végbe. A katód és anód magas hőmérsékletét az elektródoknak az elektromos tér által felgyorsított pozitív és negatív ionokkal, valamint elektronokkal történő bombázása tartja fenn. Alkalmazzák a fémkohászatban (ívkemencék, hegesztés), nagyteljesítményű fényforrásokként a fényszórókban.

Normál légnyomásnál erős (E > 500 kV/m), hirtelen nem homogén elektromos térben jön létre. Ilyen terek hegyes elektródok (csúcsok, vékony huzalok) közelében alakulnak ki. Korona formájú gyenge fénykéve.

Alkalmazási területe: gázok tisztítása (elektromos szűrők), elemi részecskék számlálóiban (Geiger-Müller számláló); a koronakisülés létrejötte a villámhárító működésének az alapja.

A természetben általában vihar előtt figyelhető meg vagy vihar közben magas tárgyak vékony hegyein (tornyok, sziklacsúcs, hajóárbóc); nevezik még „Szent Elmo tüzének”.

Jegyezzétek meg! Az elektron, amikor atommal ütközik, nem mindig üt ki belőle elektront — saját energiája egy részét az atom elektronfelhőjének adhatja le. Az atom gerjesztett állapotba kerül, vagyis elektronfelhője magasabb energiaszintű állapotba megy át. Viszont az atom nagyon csekély ideig lesz gerjesztett állapotban (néhány nanoszekundumig) — szinte egy pillanat alatt visszatér eredeti állapotába, a fölös energiát pedig meghatározott „fényadagokban” (kvantumokban) sugározza ki. Mivel gázkisülés során nagy mennyiségű atom gerjed fel, a gázkisülést általában felvillanás kíséri.

Gyakoroljuk a feladatok megoldását!

Feladat. Mekkora legkisebb sebességgel kell rendelkeznie az elektronnak ahhoz, hogy ionizálja a hidrogénatomot? A hidrogénatom ionizációs energiája 13,6 eV (elektron-volt — az energia rendszeren kívüli egysége: 1 eV = 1,610-19 J).

A fizikai probléma elemzése. A hidrogénatom ionizálásához az elektronnak akkora mozgási energiával kell rendelkeznie, amely megegyezik a hidrogén-atom ionizációs energiájával. Az elektron minimális sebességét az Ε^= IV; képlet segítségével határozzuk meg.

Összegezés

Pozitív és negatív ionok, valamint szabad elektronok létrejöttének folyamatát elektromosan semleges gázatomokból (molekulákból), ionizációnak nevezzük.

Az elektromos áram a gázokban (gázkisülés) - a gázban ionizáció eredményeként létrejött szabad elektronok, pozitív és negatív ionok irányított mozgása.

Az olyan gázkisülést, amely külső ionizátor hatására jön létre, gerjesztett kisülésnek nevezzük; a külső ionizátor hatása nélkül végbemenő kisülés — önálló gázkisülés.

A gáz nyomásától és hőmérsékletétől, az elektródok konfigurációjától és a közöttük lévő feszültségtől függően négyféle gázkisülést különböztetünk meg: szikrakisülés, parázsló kisülés, ívkisülés és koronakisülés.

Ellenőrző kérdések

1. Mi a plazma? 2. Normális körülmények között a gáz miért nem vezeti az elektromos áramot? 3. Mi az ionizáció? Milyen típusait ismered? 4. Milyen gázkisülést nevezünk önállónak? Gerjesztettnek? 5. írjátok le az ütközéses ionizáció mechanizmusát! 6. írjátok le az önálló gázkisülések alaptípusait: milyen feltételek mellett jönnek létre; hogyan néznek ki; hol alkalmazzák azokat!

7. gyakorlat

1. Milyen gázkisülést írt le Lucius Annaeus Seneca római filozófus és költő (i. e. 4-65), amikor azt mondta, hogy „a csillagok mintha lehullanának az égboltról és a hajók árbocaira ülnének”?

2. 1953. november 5-én nyitották meg a kijevi Paton-hídon — a világ elsó' egy darabba hegesztett hídján — a forgalmat (nevét Jevhen Oszkarovics Paton (1870-1953) neves szovjet-ukrán tudós tiszteletére kapta, akinek a vezetésével építették meg a létesítményt). Milyen gázkisülés alkalmazási technológiáját vizsgálta és alkalmazta Paton?

Mekkora legkisebb sebességgel kell rendelkeznie az elektronnak ahhoz, hogy egy nitrogénatomot ionizálhasson? A nitrogén ionizációs energiája 14,5 eV.

4. Mekkora hőmérséklettel kell rendelkeznie az atomos hidrogénnek, hogy atomjainak átlagos kinetikus energiája elegendő legyen az ütközéses ionizációhoz? A hidrogénatom ionizációs energiája 13,6 eV.

5. Kis csoportokban készítsetek rövid bemutatókat vagy beszámolókat az önálló gázkisülések alkalmazásáról és megjelenéséről a természetben!

 

 

Fizika tankönyv 11. osztályosok szerzők Dovgy, Baryakhtar, Loktev

 




^