Elektrický proud v plynech

Ionizace, ionizátor, ionizovaný plyn

Ionizace

• = proces, kdy se z plynu stane vodič
• Aby mohl plyn vést el. proud, musí obsahovat volné částice s nábojem a musí být v elektrickém poli
• Děj, při kterém se vnějším zásahem z molekuly plynu uvolňují elektrony a zbytek molekuly utvoří kladný iont. Elektrony se také mohou zachytit na neutrálních molekulách a vzniknou záporné ionty
• Elektrický proud v plynech zprostředkují kladné a záporné ionty a elektrony vznikající při ionizaci plynu.
• Současně s ionizací probíhá rekombinace iontů
  • opačně nabité ionty, popř. kladné ionty a elektrony se spojují v neutrální molekuly plynu
  • převládá-li ionizace, zvyšuje se počet ionizovaných molekul, a tím i vodivost plynu, v opačném případě ztrácí plyn vodivost

Ionizátor

• = dodá plynu energii potřebnou k vytvoření volných nabitých částic
• např. zahřátím plynu (plamenem, topnou spirálou), ozářením ultrafialovým, rentgenovým nebo radioaktivním zářením, katodovým zářením
• Ionizované molekuly plynu urychlené elektrickým polem mohou způsobit ionizaci nárazem (ionizátorem tu jsou elektrony)
• Nejmenší energie potřebná k uvolnění elektronu je ionizační energie (H - 13,53 eV)

Ionizovaný plyn

• mimo elektrické pole:
  • částice se pohybují chaoticky (el. proud neprotéká)
• v elektrickém poli:
  • částice se pohybují uspořádaně k elektrodám, plynem prochází proud – nastává tzv. elektrický výboj v plynu
• Pokud je ionizovaný plyn nachází v el. poli mezi dvěma elektrodami, vznikne el. proud jako uspořádaný pohyb částic, ionty, které dorazí na elektrody, odevzdají svůj náboj a mění se v neutrální částice
• Elektrický proud v ionizovaném plynu nazýváme elektrický výboj v plynu

Nesamostatný elektrický výboj

• Jedná se o takový el. výboj, při němž ionizaci vyvolává trvale působící vnější ionizátor
• Využívá se ionizační komora
  • resp. je to deskový kondenzátor, který je izolovaně umístěn v kovové krabici s okénkem pro působící ionizátor a připojen na zdroj vysokého napětí

1. Zvyšujeme-li napětí od nuly nejdříve o malé hodnoty, roste proud přímo úměrně, tedy podle Ohmova zákona, úsek OA
2. Při dalším zvyšování napětí urychluje elektrické pole ionty a elektrony natolik, že nestačí rekombinovat, plynem prochází stále větší proud, ale už neroste přímo úměrně, úsek AB
3. Při napětí Un, kdy jsou všechny ionty vytvořené ionizátorem zachyceny na deskách kondenzátoru, dosáhne proud hodnoty In a dále se s rostoucím napětím nezvyšuje, úsek BC

• Komorou prochází nasycený proud, pro který neplatí Ohmův zákon

= Voltampérová charakteristika výboje

Un – komorou prochází nasycený proud Uz – zápalné napětí

Samostatný elektrický výboj

• Výboj, který je nezávislý na působení ionizátoru, pokračuje i po jeho odstranění (je způsoben ionizací nárazem)
• Nastává při překročení zápalného napětí Uz, poté se napětí zvětšuje lavinovitě, ionizace převládá nad rekombinací
• Plyn se ionizuje vlastními ionty, hlavně elektrony, proto roste i proud procházející plynem
• Nesamostatný výboj přešel v samostatný, proud se prudce zvyšuje s napětím, úsek CD
• Přechod z nesamostatného na samostatný výboj nazýváme elektrický průraz plynu
• Charakter samostatného výboje záleží na: ch. složení plynu, teplotě, tlaku, kvalitě elektrod, jejich vzdálenosti,..
• Bývá většinou doprovázen zvukovými a světelnými efekty
• Vysoce ionizovaný plyn při samostatném výboji se nazývá plazma
  • hustota kladných a záporných iontů v plazmatu je stejná - jako celek je plazma neutrální
  • asi 99 % hmoty ve vesmíru, na naší planetě se přirozeně nevyskytuje
  • za plazmu je někdy označován plamen, ale není tomu tak, protože kromě dostatečného počtu nabitých částic obsahuje také dost částic neutrálních
  • např. blesk, polární záře, svítící plyn v zářivkách a neonech

Samostatný výboj za atmosferického tlaku

• nastanou 3 druhy samostatného výboje:

Obloukový výboj

• Vznikne, jestliže uhlíkové elektrody krátce přitiskneme k sobě a pak je oddálíme na několik milimetrů. Během dotyku se elektrody rozžhaví a po oddálení způsobí tepelnou ionizaci okolního vzduchu
• Vysoký proud a teplota
• Mezi elektrodami vzniká plazma - ↑ teplota a intenzivní světlo
• Využití: svařování kovů, tavení kovů, zdroj světla - vysokotlaké výbojky (pouliční osvětlení), do výbojek se ještě přidává sodík, barva se změní na žlutou a intenzita je 5x větší než běžné žárovky

Jiskrový výboj

• Dochází k němu tehdy, když velikost intenzity el. pole mezi elektrodami dosáhne hodnoty potřebné k lavinovité ionizaci, ale zdroj není schopen trvale dodávat el. proud, např. při vybíjení kondenzátoru
• Od obloukového výboje se liší krátkou dobou trvání
• Přeskok jiskry je doprovázen zvukovou vlnou
• např. blesk (průtok proudu vzduchem mezi nabitými tělesy – mraky), zážehové motory
• V rozvodech elektrické energie představují velké ztráty, el. vedení proto musí být dokonale izolováno od kovových stožárů

Korona

• Vzniká v nehomogenním elektrickém poli - okolo drátů, hran a hrotů s vysokým potenciálem, ztráty na vedení vysokého napětí
• Jedná se o trsovitý výboj
• Způsobuje ztráty el. energie na vedeních velmi vysokého napětí

Výboj ve zředěných plynech

• Zředěním plynu dosáhneme prodloužením doby mezi srážkami iontů a elektronů s molekulami, zlepší se tím podmínky pro vznik samostatného výboje za nízkého tlaku

Doutnavý (tichý) výboj

• výbojová trubice = do skleněného válce jsou umístěny elektrody, popř. je možné vývěvou odčerpávat plyn
• Při poklesu tlaku v trubici asi na 1000 Pa až 100 Pa vznikne v trubici doutnavý náboj
• Od obloukového se liší malým proudem (μA) a nízkou teplotou elektrod i trubice
• Využití: doutnavky - krátké výbojky plněné neonem při tlaku asi 1 kPa, doutnavé světlo pokrývá zápornou elektrodu - např. jako kontrolky (světla s nepatrnou spotřebou)

Termoemise

• Uvolňování elektronů z povrchu pevných nebo kapalných těles při vysoké teplotě
• V praxi se ze souboru letících elektronů vymezuje úzký paprsek, elektronový paprsek
  • šíří se přímočaře (není-li pod vlivem el. nebo mag. pole), vychyluje se v el. a mag. poli, proniká velmi tenkými materiály a rozptyluje se, tepelné a chemické účinky
• Využití: obrazovka, osciloskop - obrazovky s elektrostatickým vychylováním el. paprsku

Katodové záření

• Je-li žhavící vlákno (1) chladné – proud neprotéká
• Je-li vlákno rozžhavené – zahřeje se katoda, nastane termoemise – elektrony vyletují z katody (2) – pohybují se směrem k anodě a trubicí protéká proud
• Elektrony prolétají otvorem anody (3), na stěně trubice vzniká katodové záření (4)
• využití:
  • Rentgenka – trubice vyzařující rentgenové záření (použití v lékařství)
  • Elektronka – v minulosti základní prvek počítačů
  • Obrazovka (obrazová elektronka) – nejrozšířenější zařízení, které využívá elektronový paprsek

Obrazovka

• = obrazová elektronka
• K – katoda, W – řídicí elektroda, A1, A2 – anody, D1, D2 – vychylovací destičky, S – stínítko
• Katoda obrazovky K je rozžhavena pomocí žhavícího vlákna a uvolňuje elektrony tepelnou emisí. Aby se snížila výstupní práce, kterou musí elektron vykonat při výstupu z katody, je její povrch pokryt vrstvou oxidu barnatého.
• Emitované elektrony vystupují malým otvorem v řídící elektrodě W (Wehneltův válec).
• Potom jsou soustavou anod A1, A2 urychlovány a soustřeďovány do elektronového paprsku, který prochází dvěma páry vychylovacích destiček D1, D2 a dopadá na stínítko S, pokryté vrstvou sulfidu zinečnatého ZnS.
• V místě dopadu vznikne svítící stopa.