Tato prezentace byla vytvořena v rámci projektu Orbis pictus 21. století

Vedení proudu v plynech a ve vakuu Orbis pictus 21. století Vedení proudu v plynech a ve vakuu Obor: Elektrikář Ročník: 1. Vypracoval: Ing. Ivana Jakubová OB21-OP-EL-ZEL-JAK-U-1-012 Tento projekt je spolufinancován Evropským sociálním fondem a státním rozpočtem České republiky

Obsah prezentace: Za jakých podmínek může látkou protékat proud Ionizace a rekombinace Nesamostatný a samostatný výboj v plynech Voltampérová charakteristika výboje Druhy výbojů v plynu Jejich praktické využití Vedení proudu ve vakuu

Vedení proudu v látkách Elektrický proud je uspořádaný pohyb elektricky nabitých částic v látce v elektrickém poli. Podmínkou průtoku elektrického proudu je tedy: - přítomnost volně pohyblivých elektricky nabitých částic, - přítomnost elektrického pole. Volné elektricky nabité částice jsou např. elektrony v ko-vech („elektronový plyn“), volné elektrony a díry v polo-vodičích, kladné a záporné ionty např. v roztocích solí a také v ionizovaných plynech. Neionizovaný plyn neobsahuje dostatek volných nosičů náboje a chová se proto jako izolant.

Ionizace plynu Při ionizaci plynu se z původně elektricky neutrálních částic (molekuly, atomy) uvolní po dodání potřebné energie jeden nebo více elektronů a vzniknou volné elektrony a kladné ionty, kationty. Záporně nabité ionty, anionty, mají naopak převahu elektronů v elektronovém obalu částice. K ionizaci plynu může dojít např. působením tepla - zahřátím se zvýší rychlost chaotického pohybu částic a ty se při vzájemných srážkách mohou rozpadat na elektricky nabité ionty a volné elektrony, elektrického pole, které urychluje pohyb již elektricky nabitých částic a tak zvyšuje pravděpodobnost, že se při vzájemných srážkách částic uvolní další elektrony, radioaktivního záření α, β, elektromagnetického záření (zejména rentgenového, ultrafialového) – částice může přijmout kvantum energie záření a uvolnit elektron. Plyn, v němž je velká část částic již elektricky nabitá, je ve skupenství plazmatickém.

Rekombinace volných nosičů náboje Bez přítomnosti elektrického pole se všechny částice, neutrální i elektricky nabité, pohybují chaoticky. V elektrickém poli se uvolněné elektrony a vzniklé ionty pohybují uspořádaně, směrem k elektrodě s opačným nábojem: ionizovaným plynem protéká proud. Při chaotickém i uspořádaném pohybu se mohou opačně nabité částice (např. elektron a kladný iont) setkat, vzájemně se přitáhnout a vytvořit elektricky neutrální částici. Dojde k tzv. rekombinaci. Rekombinace je opačný proces k ionizaci. Rekombinací se počet elektricky nabitých částic v plynu snižuje. Plyn tak ztrácí schopnost vést proud. Proč bývá v zařízeních využívajících výboje v plynech často snížený tlak plynu? Při nižší koncentraci částic je menší pravděpodobnost srážky s jinou částicí. Je tedy menší nebezpečí rekombinace a naopak je větší šance, že se elektricky nabité částice nesrazí s jinou částicí předčasně při nízké rychlosti, ale budou elektrickým polem urychleny na vyšší rychlost, takže až dojde ke srážce, vzniknou při ní další volné nosiče náboje.

Nesamostatný a samostatný výboj Nesamostatný výboj vznikne pouze za podmínek, že plyn je ioni-zován působením nějakého ionizátoru (např. zahříváním). Elektricky nabité částice vznikají působením ionizátoru, část jich opět zaniká rekombinací. S rostoucím napětím se pohyb nabitých částic směrem k elektrodám zrychluje, takže při vyšším napětí jich dospěje na elek-trody více. Proto proud s napětím lineárně roste. Bez působení ionizá-toru však převládne rekombinace a výboj zanikne ( proto nesamo-statný). Po překročení určité hodnoty napětí se rychlost pohybu nabitých částic může zvýšit natolik, že většina nabitých částic dospěje k elektrodě dříve, než zrekombinují. Proto se již proud dále nezvyšuje (saturace). . Samostatný výboj: Při napětí vyšším než tzv. zápalné napětí se na-bité částice vlivem elektrického pole urychlí tak, že při srážkách s do-sud elektricky neutrálními částicemi z nich mohou odtrhnout elektron a tím je ionizovat (lavinová ionizace nárazem). Počet elektricky nabi-tých částic rychle vzrůstá a spolu s tím narůstá také proud.

Ampérvoltová charakteristika výboje v plynech může mít poměrně komplikovaný tvar lišící se podle mnoha okolností. Jako příklad je uvedena ampérvoltová charakteristika doutnavky (převzato z wikipedie). Na ampérvoltové charakteristice bývá úsek, kde proud s napětím roste (0-A, B-C), může na ní být úsek saturace proudu, v němž proud s rostoucím napětím zůstává konstantní (viz předchozí výklad), a může v ní být úsek, v němž napětí při rostoucím proudu klesá (A-B): zde je výboj nestabilní a musí být stabilizován (třeba zapojením stabili-začního rezistoru, nebo tlumivky jako u zářivek apod.). Zapalovací napětí bývá často vyšší než napětí, při němž pak se výboj udrží (viz také výklad činnosti zářivky).

Druhy výboje v plynech Jaký druh výboje vznikne, záleží na vlastnostech plynu (druh, tlak, teplota a zejména stupeň ionizace), na velikosti elektrického napětí a proudu, případně na dalších okolnostech (např. tvar a materiál elektrod). Druhy výboje v plynech: obloukový výboj koróna jiskrový výboj doutnavý výboj Výboj v plynech je často provázen vývinem tepla, světelnými i zvukovými efekty (praskání, hrom). Příklady praktického využití výbojů v plynech jsou uvedeny dále.

Obloukový výboj vzniká mezi elektrodami v plynu nebo parách za atmosférického tlaku (např. v Křižíkově uhlíkové obloukové lampě mezi dvěma vhodně tvarovanými uhlíkovými elektrodami, které se nejprve do-týkají a rozžhaví se průchodem velkého proudu a pak se oddálí na několik mm: ve vysoce ionizovaném zahřátém plynu vznikne elektrický oblouk). Obloukový výboj je hojně využíván: svařování elektrickým obloukem (jedna z elektrod se taví), elektrické obloukové pece, vysokotlaké xenonové výbojky (světlomety), vysokotlaké sodíkové výbojky (ve veřejném osvětlení), rtuťové výbojky (zdroj zejména ultrafialového záření).

Koróna a jiskrový výboj Koróna vzniká v plynu o atmosférickém tlaku při vysokých hodnotách intenzity elektrického pole, která stačí vyvolat ionizaci plynu v blízkém okolí výrazných nehomogenit. Koróna má podobu trsovitého výboje a vyskytuje se zejména před bouří kolem hrotů, drátů, stěžňů lodí („Eliášův oheň“) apod. Koróna způsobuje ztráty na vn vedeních. Jiskrový výboj vzniká při vysoké intenzitě elektrického pole, která je schopna vyvolat lavinovou ionizaci dráhy výboje, ale zdroj není schopen dodávat vysoký proud po delší dobu. Jiskrový výboj je krátkodobý a je provázen výraznými světelnými i zvukovými efekty (v přírodě blesk+hrom). Praktické využití jiskrového výboje: jiskrové obrábění.

Doutnavý výboj vzniká v plynu o nízkém tlaku při poměrně malých napětích a proudech. Je pro něj typická nízká hodnota proudu a nízká teplota elektrod i plynu ve výbojové trubici. Na udržení vodivosti se významně podílejí také elektrony, které jsou uvolněny z katody po dopadu kladných iontů (sekundární emise elektronů). V blízkosti katody se vyvine modravé katodové doutnavé světlo a většinu výbojové trubice vyplní narůžovělý anodový sloupec. Doutnavý výboj se využívá v doutnavkách a zářivkách.

Doutnavky Doutnavky jsou krátké trubice plněné plynem (neon, argon, helium, …) při sníženém tlaku přibližně desetin kPa. Zápalné napětí může být 70 V až 150 V. V doutnavkách se objevuje pouze doutnavé katodové světlo kolem katody. Používají se jako kontrolky s velmi nízkou spotřebou. Mohou mít dekorativní tvar (např. plamínku svíčky). Ve doutnavkové zkoušečce je doutnavka se zapalovacím napětím kolem 70 V zapojena v sérii s vysokým omezovacím rezistorem. Jedna elektroda je spojena se zkušebním hrotem, druhá s dotykovou ploškou. Při dostatečně vysokém napětí se objeví výboj – doutnavka signalizuje přítomnost vyššího napětí. Nepatrný proud se zcela bez nebezpečí uzavírá přes tělo člověka.

Zářivka je nízkotlaká výbojka, naplněná rtuťovými parami a argonem. Doutnavý výboj produkuje neviditelné ultrafialové záření, které dopadá na stěny tru-bice, pokryté luminoforem. Luminofor je absorbuje a přijatou energii pak vyzáří ve viditelné oblasti. Nepřímo žhavené elektrody jsou pokryty oxidy barya, stroncia a vápníku, které dobře emitují elektrony. Zářivka potřebuje startér (doutnavka, jejíž zapalovací napětí je nižší než u hlavní zářivkové trubice, ale vyšší než napětí na výboji hlavní trubice v tr-valém provozu). Zapálením výboje startéru se začnou žhavit elektrody a nahřívá se bimetal ve startéru, který po chvíli výboj startéru zkratuje. Napě-ťová špička indukovaná na tlumivce zapálí výboj v zářivce. Po zapálení výboje v trubici úbytek napětí poklesne, ale proud narůstá. Proto musí být do série zapojen omezovací rezistor, nebo zmíněná tlumivka, nebo elektronický předřadník. (Animace převzata z wikipedie.)

Výbojky se zářícím anodovým sloupcem („neonky“) Obvykle dlouhé různě tvarované skleněné trubice plněné většinou vzácnými plyny. Barva zářícího anodového sloupce je dána druhem náplně (např. neon září červeně, xenon fialově, argon růžově a ve směsi s para-mi rtuti modře). Zápalná napětí jsou velmi vysoká (např. zapalovací napětí 5000 V na metr, při provozu nižší 1000 V). Užívají se pro reklamní účely.

Vedení proudu ve vakuu Aby mohl vakuem procházet elektrický proud, je třeba dodat nosiče náboje – elektrony. V kovech je dostatek volných elektronů, které se za vysokých teplot pohybují tak rychle, že mohou kovovou elektrodu opustit: dojde k tzv. tepelné emisi elektronů, termoemisi. Podmínkou intenzívní termoemise je vysoká teplota katody, která musí být žhavena buď přímo průchodem elektrického proudu vodičem katody, nebo častěji nepřímo topným drátem. Elektrony uvolněné z katody jsou přitahovány anodou. Vzniká orientovaný pohyb elektronů: vakuem protéká elektrický proud. Použití: různé druhy elektronek, magnetrony, obrazovky (CRT).

Děkuji Vám za pozornost Střední průmyslová škola Uherský Brod, 2010 Ing. Ivana Jakubová Střední průmyslová škola Uherský Brod, 2010 Tento projekt je spolufinancován Evropským sociálním fondem a státním rozpočtem České republiky