Looduses pole absoluutseid dielektrikuid. Osakeste – elektrilaengu kandjate – ehk voolu korrastatud liikumist võib tekitada mis tahes keskkonnas, kuid selleks on vaja eritingimusi. Vaatleme siin, kuidas elektrilised nähtused gaasides kulgevad ja kuidas saab gaasi muuta väga heast dielektrikust väga heaks juhiks. Oleme huvitatud sellest, millistel tingimustel see tekib ja millised omadused iseloomustavad gaaside elektrivoolu.
Gaaside elektrilised omadused
Dielektrik on aine (keskkond), milles osakeste - elektrilaengu vabade kandjate - kontsentratsioon ei saavuta mingit olulist väärtust, mille tulemusena on juhtivus tühine. Kõik gaasid on head dielektrikud. Nende isoleerivaid omadusi kasutatakse kõikjal. Näiteks suvalises kaitselülitis toimub vooluringi avanemine, kui kontaktid viiakse sellisesse asendisse, et nende vahele tekib õhuvahe. Juhtmed elektriliinideson ka üksteisest õhukihiga eraldatud.
Iga gaasi struktuuriüksus on molekul. See koosneb aatomituumadest ja elektronipilvedest ehk see on mingil moel ruumis jaotunud elektrilaengute kogum. Gaasi molekul võib oma ehituse iseärasuste tõttu olla elektriline dipool või välise elektrivälja toimel polariseerunud. Valdav enamus gaasi moodustavatest molekulidest on tavatingimustes elektriliselt neutraalsed, kuna neis olevad laengud tühistavad üksteist.
Kui gaasile rakendatakse elektrivälja, võtavad molekulid dipoolorientatsiooni, hõivates ruumi mõju, mis kompenseerib välja mõju. Coulombi jõudude mõjul gaasis olevad laetud osakesed hakkavad liikuma: positiivsed ioonid - katoodi suunas, negatiivsed ioonid ja elektronid - anoodi suunas. Kui aga väljal on ebapiisav potentsiaal, ei teki ühtset suunatud laenguvoogu ja pigem võib rääkida eraldiseisvatest vooludest, nii nõrkadest, et need tuleks tähelepanuta jätta. Gaas käitub nagu dielektrik.
Seega on gaasides elektrivoolu tekkimiseks vajalik vabade laengukandjate suur kontsentratsioon ja välja olemasolu.
Ionisatsioon
Gaasi vabade laengute arvu laviinilaadse suurenemise protsessi nimetatakse ionisatsiooniks. Seetõttu nimetatakse gaasi, milles on märkimisväärne kogus laetud osakesi, ioniseeritud. Just sellistes gaasides tekib elektrivool.
Ionisatsiooniprotsessi seostatakse molekulide neutraalsuse rikkumisega. Elektroni eraldumise tulemusena tekivad positiivsed ioonid, elektroni kinnitumine molekulile viib negatiivse iooni moodustumiseni. Lisaks on ioniseeritud gaasis palju vabu elektrone. Positiivsed ioonid ja eriti elektronid on gaaside elektrivoolu peamised laengukandjad.
Ionisatsioon toimub siis, kui osakesele antakse teatud kogus energiat. Seega võib molekuli koostises olev väline elektron, olles selle energia saanud, molekulist lahkuda. Laetud osakeste vastastikused kokkupõrked neutraalsete osakestega toovad kaasa uute elektronide väljalöömise ja protsess omandab laviinilaadse iseloomu. Samuti suureneb osakeste kineetiline energia, mis soodustab oluliselt ionisatsiooni.
Kust pärineb gaasides elektrivoolu ergutamiseks kasutatav energia? Gaaside ioniseerimisel on mitu energiaallikat, mille järgi on tavaks nimetada selle liike.
- Ioniseerimine elektrivälja abil. Sel juhul muudetakse välja potentsiaalne energia osakeste kineetiliseks energiaks.
- Termoioniseerimine. Temperatuuri tõus toob kaasa ka suure hulga tasuta tasude teket.
- Fotoioniseerimine. Selle protsessi olemus seisneb selles, et elektrone varustavad energiaga elektromagnetkiirguse kvantid – footonid, kui neil on piisav alt kõrge sagedus (ultraviolett, röntgen, gamma kvantid).
- Löögiionisatsioon on põrkuvate osakeste kineetilise energia muundamise tulemus elektronide eraldumise energiaks. Sama hästi kuitermiline ionisatsioon, toimib see elektrivoolugaaside peamise ergastustegurina.
Iga gaasi iseloomustab teatud läviväärtus – ionisatsioonienergia, mis on vajalik elektroni molekulist lahtimurdmiseks, ületades potentsiaalse barjääri. See esimese elektroni väärtus ulatub mitmest voldist kuni kahe kümne voltini; Järgmise elektroni eemaldamiseks molekulist on vaja rohkem energiat ja nii edasi.
Tuleb arvestada, et samaaegselt gaasis ioniseerumisega toimub ka vastupidine protsess – rekombinatsioon, st neutraalsete molekulide taastamine Coulombi tõmbejõudude toimel.
Gaasilahendus ja selle liigid
Niisiis, elektrivool gaasides on tingitud laetud osakeste korrapärasest liikumisest neile rakenduva elektrivälja toimel. Selliste laengute esinemine on omakorda võimalik erinevate ionisatsioonitegurite tõttu.
Niisiis, termiline ionisatsioon nõuab märkimisväärseid temperatuure, kuid lahtine leek, mis on tingitud teatud keemilistest protsessidest, aitab kaasa ionisatsioonile. Isegi suhteliselt madalal temperatuuril leegi juuresolekul registreeritakse elektrivoolu ilmnemine gaasides ja gaasi juhtivusega katsetamine muudab selle kontrollimise lihtsaks. Laetud kondensaatori plaatide vahele on vaja asetada põleti või küünla leek. Varem kondensaatori õhupilu tõttu avatud vooluahel sulgub. Ahelaga ühendatud galvanomeeter näitab voolu olemasolu.
Gaasides esinevat elektrivoolu nimetatakse gaaslahenduseks. Seda tuleb meeles pidadatühjenemise stabiilsuse säilitamiseks peab ionisaatori toime olema konstantne, kuna pideva rekombinatsiooni tõttu kaotab gaas oma elektrit juhtivad omadused. Mõned elektrivoolu kandjad gaasides - ioonid - neutraliseeritakse elektroodidel, teised - elektronid - langevad anoodile, suunatakse väljaallika "plussile". Kui ioniseeriv tegur lakkab töötamast, muutub gaas kohe uuesti dielektrikuks ja vool lakkab. Sellist välise ionisaatori tööst sõltuvat voolu nimetatakse mitteiseseisvaks tühjenemiseks.
Elektrivoolu gaaside kaudu liikumise omadusi kirjeldab voolutugevuse eriline sõltuvus pingest – voolu-pinge karakteristik.
Vaatleme gaasilahenduse kujunemist voolu-pinge sõltuvuse graafikul. Kui pinge tõuseb teatud väärtuseni U1, suureneb vool sellega võrdeliselt, see tähendab, et Ohmi seadus on täidetud. Suureneb kineetiline energia ja seega ka laengute kiirus gaasis ning see protsess on rekombinatsiooni ees. Pinge väärtustel U1 kuni U2 on see suhe rikutud; kui U2 on saavutatud, jõuavad kõik laengukandjad elektroodideni, ilma et neil oleks aega uuesti kombineerida. Kaasatud on kõik tasuta tasud ja pinge edasine tõus ei too kaasa voolu suurenemist. Sellist laengute liikumise olemust nimetatakse küllastusvooluks. Seega võime öelda, et gaaside elektrivool on tingitud ka ioniseeritud gaasi käitumise iseärasustest erineva tugevusega elektriväljades.
Kui potentsiaalide erinevus elektroodide vahel jõuab teatud väärtuseni U3, muutub pinge piisavaks, et elektriväli tekitaks laviinitaolise gaasiionisatsiooni. Vabade elektronide kineetiline energia on juba piisav molekulide löökioniseerimiseks. Samal ajal on nende kiirus enamikes gaasides umbes 2000 km/s ja rohkem (see arvutatakse ligikaudse valemiga v=600 Ui, kus Ui on ionisatsioonipotentsiaal). Sel hetkel toimub gaasi rike ja sisemise ionisatsiooniallika tõttu suureneb vool oluliselt. Seetõttu nimetatakse sellist tühjendust sõltumatuks.
Välise ionisaatori olemasolu ei mängi antud juhul enam rolli elektrivoolu säilitamisel gaasides. Isemajandav tühjenemine erinevates tingimustes ja elektrivälja allika erinevate omadustega võib omada teatud tunnuseid. On olemas sellised isetühjenemise tüübid nagu kuma, säde, kaar ja koroona. Vaatleme lühid alt, kuidas elektrivool gaasides käitub.
Glow Discharge
Harreldatud gaasi puhul piisab sõltumatu tühjenemise algatamiseks potentsiaalide erinevusest 100 (ja isegi vähem) kuni 1000 volti. Seetõttu tekib hõõglahendus, mida iseloomustab madal voolutugevus (10-5 A kuni 1 A), rõhul, mis ei ületa mõne millimeetri elavhõbedat.
Haruldase gaasi ja külma elektroodidega torus näeb tekkiv hõõglahendus elektroodide vahel välja nagu peenike helendav juhe. Kui jätkate torust gaasi pumpamist, siis jälgitenööri hägustumine ja kümnendikkumillimeetrise elavhõbeda rõhu korral täidab hõõg toru peaaegu täielikult. Katoodi lähedal - nn pimedas katoodiruumis - helendus puudub. Ülejäänud osa nimetatakse positiivseks veeruks. Sel juhul paiknevad peamised tühjenemise olemasolu tagavad protsessid täpselt pimedas katoodiruumis ja sellega külgnevas piirkonnas. Siin kiirendatakse laetud gaasiosakesi, mis löövad elektronid katoodist välja.
Hõõglahenduse korral on ionisatsiooni põhjuseks elektronide emissioon katoodist. Katoodi poolt emiteeritud elektronid tekitavad gaasimolekulide löökionisatsiooni, tekkivad positiivsed ioonid põhjustavad katoodilt sekundaarset emissiooni jne. Positiivse kolonni kuma tuleneb peamiselt footonite tagasilöögist ergastatud gaasimolekulide poolt ning erinevaid gaase iseloomustab teatud värvi kuma. Positiivne kolonn osaleb hõõglahenduse moodustamisel ainult elektriahela osana. Kui viia elektroodid üksteisele lähemale, võite saavutada positiivse veeru kadumise, kuid tühjenemine ei peatu. Kuid elektroodide vahelise kauguse edasise vähendamise korral ei saa hõõglahendust eksisteerida.
Tuleb märkida, et seda tüüpi elektrivoolu gaasides ei ole mõne protsessi füüsika veel täielikult välja selgitatud. Näiteks jääb ebaselgeks nende jõudude olemus, mis põhjustavad paisumist tühjenemises osaleva piirkonna katoodpinnal.
Sädelahendus
Sädelagunemisel on impulsiivne iseloom. See tekib normaalsele atmosfäärirõhule lähedasel rõhul juhtudel, kui elektrivälja allika võimsus ei ole statsionaarse tühjenemise säilitamiseks piisav. Sel juhul on väljatugevus suur ja võib ulatuda 3 MV/m. Nähtust iseloomustab gaasi tühjenemise elektrivoolu järsk tõus, samal ajal pinge langeb äärmiselt kiiresti ja tühjenemine peatub. Seejärel suureneb potentsiaalide erinevus uuesti ja kogu protsessi korratakse.
Sellise tühjenemise korral tekivad lühiajalised sädemekanalid, mille kasv võib alata suvalisest elektroodidevahelisest punktist. See on tingitud asjaolust, et löökionisatsioon toimub juhuslikult kohtades, kus praegu on koondunud kõige rohkem ioone. Sädemekanali läheduses gaas soojeneb kiiresti ja läbib soojuspaisumise, mis põhjustab akustilisi laineid. Seetõttu kaasneb sädelahendusega praksumine, aga ka soojuse eraldumine ja särav sära. Laviini ionisatsiooniprotsessid tekitavad sädemekanalis kõrge rõhu ja temperatuuri kuni 10 tuhat kraadi ja rohkem.
Loomuliku sädelahenduse selgeim näide on välk. Peamise välgusädemekanali läbimõõt võib ulatuda mõnest sentimeetrist 4 meetrini ja kanali pikkus võib ulatuda 10 km-ni. Voolutugevus ulatub 500 tuhande amprini ning äikesepilve ja Maa pinna potentsiaalide erinevus ulatub miljardini.
Pikimat 321 km pikkust välku täheldati 2007. aastal USA-s Oklahomas. Kestvuse rekordiomanik oli välk, salvestatud2012. aastal Prantsuse Alpides – see kestis üle 7,7 sekundi. Välgulöögi korral võib õhk soojeneda kuni 30 tuhande kraadini, mis on 6 korda kõrgem kui Päikese nähtava pinna temperatuur.
Juhul, kui elektrivälja allika võimsus on piisav alt suur, areneb sädelahendus kaareks.
Kaarlahendus
Seda tüüpi isetühjenemist iseloomustab suur voolutihedus ja madal (vähem kui hõõglahendus) pinge. Läbilöögikaugus on elektroodide läheduse tõttu väike. Tühjenemise algatab elektroni emissioon katoodi pinn alt (metalliaatomite puhul on ionisatsioonipotentsiaal gaasimolekulidega võrreldes väike). Elektroodide vahelise rikke ajal luuakse tingimused, mille korral gaas juhib elektrivoolu ja tekib sädelahendus, mis sulgeb vooluringi. Kui pingeallika võimsus on piisav alt suur, muutuvad sädelahendused stabiilseks elektrikaareks.
Ionisatsioon kaarlahenduse ajal saavutab peaaegu 100%, voolutugevus on väga suur ja võib olla 10 kuni 100 amprit. Atmosfäärirõhul võib kaar soojeneda kuni 5–6 tuhande kraadini ja katood kuni 3 tuhande kraadini, mis põhjustab selle pinn alt intensiivse termilise emissiooni. Anoodi pommitamine elektronidega viib osalise hävimiseni: sellele moodustub süvend - kraater, mille temperatuur on umbes 4000 °C. Rõhu tõus põhjustab temperatuuri veelgi suuremat tõusu.
Elektroodide hajutamisel püsib kaarlahendus stabiilsena kuni teatud kauguseni,mis võimaldab sellega tegeleda nendes elektriseadmete piirkondades, kus see on sellest põhjustatud korrosiooni ja kontaktide läbipõlemise tõttu kahjulik. Need on sellised seadmed nagu kõrgepinge- ja automaatlülitid, kontaktorid ja teised. Üks kontaktide avamisel tekkiva kaare vastu võitlemise meetodeid on kaare rennid, mis põhinevad kaare pikendamise põhimõttel. Kasutatakse ka paljusid muid meetodeid: kontaktide sildamine, suure ionisatsioonipotentsiaaliga materjalide kasutamine jne.
Korona eraldumine
Koronalahendus tekib normaalsel atmosfäärirõhul järsult ebahomogeensetes väljades suure pinnakõverusega elektroodide läheduses. Need võivad olla tornid, mastid, juhtmed, mitmesugused keeruka kujuga elektriseadmete elemendid ja isegi inimese juuksed. Sellist elektroodi nimetatakse koroonaelektroodiks. Ionisatsiooniprotsessid ja vastav alt ka gaasi hõõgumine toimuvad ainult selle läheduses.
Koroon võib tekkida nii katoodile (negatiivne kroon) ioonidega pommitamisel kui ka anoodile (positiivne) fotoionisatsiooni tulemusena. Negatiivset kroonit, mille puhul ionisatsiooniprotsess on soojuse emissiooni tulemusena elektroodilt eemale suunatud, iseloomustab ühtlane helendus. Positiivses koroonas võib täheldada striimereid – katkise konfiguratsiooniga helendavaid jooni, mis võivad muutuda sädekanaliteks.
Näiteks koroonalahendusest looduslikes tingimustes on St. Elmo tulekahjud, mis tekivad kõrgete mastide, puulatvade ja nii edasi. Need moodustuvad elektrilise kõrgepinge juuresväljad atmosfääris, sageli enne äikest või lumetormi ajal. Lisaks kinnitati need vulkaanilise tuha pilve kukkunud lennukite nahale.
Koronalahendus elektriliinide juhtmetel põhjustab olulisi elektrikadusid. Kõrgepinge korral võib koroonalahendus muutuda kaareks. Selle vastu võideldakse mitmel viisil, näiteks suurendades juhtide kõverusraadiust.
Elektrivool gaasides ja plasmas
Täielikult või osaliselt ioniseeritud gaasi nimetatakse plasmaks ja seda peetakse aine neljandaks olekuks. Plasma on üldiselt elektriliselt neutraalne, kuna selles sisalduvate osakeste kogulaeng on null. See eristab seda teistest laetud osakeste süsteemidest, näiteks elektronkiirtest.
Looduslikes tingimustes tekib plasma reeglina kõrgetel temperatuuridel gaasiaatomite suurel kiirusel kokkupõrke tõttu. Valdav osa universumi barüoonsest ainest on plasma olekus. Need on tähed, osa tähtedevahelisest ainest, galaktikatevaheline gaas. Maa ionosfäär on samuti haruldane, nõrg alt ioniseeritud plasma.
Ionisatsiooniaste on plasma oluline omadus – sellest sõltuvad selle juhtivad omadused. Ionisatsiooniaste on määratletud kui ioniseeritud aatomite arvu suhe aatomite koguarvusse ruumalaühiku kohta. Mida rohkem ioniseeritud plasma, seda suurem on selle elektrijuhtivus. Lisaks iseloomustab seda suur liikuvus.
Seetõttu näeme, et elektrit juhtivad gaasid on seestühjenduskanalid pole muud kui plasma. Seega on kuma- ja koroonalahendused külma plasma näited; välgu sädekanal või elektrikaar on kuuma, peaaegu täielikult ioniseeritud plasma näited.
Elektrivool metallides, vedelikes ja gaasides – erinevused ja sarnasused
Vaatleme gaaslahendust iseloomustavaid omadusi võrreldes voolu omadustega muudes allikates.
Metallides on vool vabade elektronide suunatud liikumine, mis ei too kaasa keemilisi muutusi. Seda tüüpi juhte nimetatakse esimest tüüpi juhtideks; nende hulka kuuluvad lisaks metallidele ja sulamitele kivisüsi, mõned soolad ja oksiidid. Neid eristab elektrooniline juhtivus.
Teist tüüpi juhid on elektrolüüdid, st leeliste, hapete ja soolade vedelad vesilahused. Voolu läbimine on seotud elektrolüüdi keemilise muutusega - elektrolüüsiga. Vees lahustunud aine ioonid liiguvad potentsiaalide erinevuse mõjul vastupidises suunas: positiivsed katioonid - katoodile, negatiivsed anioonid - anoodile. Protsessiga kaasneb gaasi eraldumine või metallikihi sadestumine katoodile. Teist tüüpi juhte iseloomustab ioonjuhtivus.
Mis puudutab gaaside juhtivust, siis see on esiteks ajutine ja teiseks on sellel märke sarnasuste ja erinevuste kohta. Seega on nii elektrolüütide kui gaaside elektrivool vastupidiselt laetud osakeste triiv, mis on suunatud vastaselektroodide poole. Kui elektrolüüte iseloomustab aga puht alt ioonjuhtivus, siis gaaslahenduses koos kombinatsioonigaJuhtivuse elektrooniliste ja iooniliste tüüpide puhul on juhtiv roll elektronidel. Veel üks erinevus vedelike ja gaaside elektrivoolu vahel on ionisatsiooni olemus. Elektrolüüdis lahustunud ühendi molekulid dissotsieeruvad vees, gaasis aga molekulid ei lagune, vaid kaotavad ainult elektrone. Seetõttu ei ole gaasilahendus, nagu ka metallide vool, seotud keemiliste muutustega.
Elektrivoolu füüsika vedelikes ja gaasides ei ole samuti sama. Elektrolüütide juhtivus tervikuna järgib Ohmi seadust, kuid seda ei täheldata gaaslahenduse ajal. Gaaside volt-amprikarakteristikul on plasma omadustega seotud palju keerulisem iseloom.
Tasub mainida elektrivoolu üldisi ja eristavaid omadusi gaasides ja vaakumis. Vaakum on peaaegu täiuslik dielektrik. "Peaaegu" – sest vaakumis on vaatamata vabade laengukandjate puudumisele (täpsem alt ülimadalale kontsentratsioonile) võimalik ka vool. Kuid potentsiaalsed kandjad on gaasis juba olemas, need tuleb ainult ioniseerida. Laengukandjad viiakse mateeriast vaakumisse. Reeglina toimub see elektronide emissiooni protsessis, näiteks katoodi kuumutamisel (termiooniline emissioon). Kuid nagu nägime, mängib emissioon olulist rolli ka erinevat tüüpi gaasiheitmete puhul.
Gaasilahenduste kasutamine tehnoloogias
Teatud heitmete kahjulikest mõjudest on eespool juba põgus alt juttu olnud. Nüüd pöörame tähelepanu eelistele, mida need toovad tööstuses ja igapäevaelus.
Hõõglahendust kasutatakse elektrotehnikas(pingestabilisaatorid), katmistehnoloogias (katoodikorrosiooni nähtusel põhinev katoodpihustusmeetod). Elektroonikas kasutatakse seda ioon- ja elektronkiirte tootmiseks. Tuntud kasutusala hõõglahendustele on luminofoor- ja nn säästlikud lambid ning dekoratiivsed neoon- ja argoonlahendustorud. Lisaks kasutatakse hõõglahendusi gaasilaserites ja spektroskoopias.
Sädelahendust kasutatakse kaitsmetes, metalli täppistöötlemise elektroerosioonimeetodites (sädelõikamine, puurimine jne). Kuid see on tuntud eelkõige selle kasutamise poolest sisepõlemismootorite süüteküünaldes ja kodumasinates (gaasipliit).
Kaarlahendus, mida kasutati valgustehnikas esmakordselt 1876. aastal (Jablotškovi küünal – "Vene valgus"), toimib siiani valgusallikana – näiteks projektorites ja võimsates prožektorites. Elektrotehnikas kasutatakse kaare elavhõbedalaldites. Lisaks kasutatakse seda elektrikeevitamisel, metallide lõikamisel, tööstuslikes elektriahjudes terase ja sulamite sulatamiseks.
Koronalahendust kasutatakse elektrostaatilistes filtrites ioongaaside puhastamiseks, elementaarosakeste loendurites, piksevarrastes ja kliimaseadmetes. Koroonalahendus töötab ka koopiamasinates ja laserprinterites, kus see laeb ja tühjendab valgustundlikku trumlit ning kannab pulbrit trumlist paberile.
Seega leiavad igat tüüpi gaasiheitmed kõige rohkemlai rakendus. Elektrivoolu gaasides kasutatakse eduk alt ja tõhus alt paljudes tehnoloogiavaldkondades.
