Elektrický proud v plynech

Pokus

Prostředky, kterými se vyvolá ionizace, se nazývají ionizátory. Elektrický proud v plynech se za normálních podmínek nevyskytuje, plyn je izolant. Plyn může vést el. proud za zvláštních podmínek. Tyto podmínky musí v plynu způsobit vznik volných částic s elektrickým nábojem. IONIZACE PLYNU Podmínky, za kterých se plyn stane vodivým, jsou: -- silné elektrické pole, -- vysoká teplota -- nízký tlak plynu. Prostředky, kterými se vyvolá ionizace, se nazývají ionizátory.

Ionizace – odtržení elektronu od neurálního atomu nebo molekuly působením ionizátoru. (Vzniká elektron a kladný iont.) Ionty, vytvořené ionizací, nemají neomezenou životnost. Protože mají opačné náboje, opět se vzájemně přitahují a spojují se v neutrální molekuly - dochází k rekombinaci iontů. Ionizace a rekombinace probíhají v plynu současně. Převládá-li v určitém okamžiku ionizace, vodivost plynu roste, převládá-li rekombinace, počet iontů klesá a vodivost plynu se zmenšuje

Elektrický proud v plynech je způsoben usměrněným pohybem kladných a záporných iontů v elektrickém poli mezi katodou a anodou. Tento děj se nazývá VÝBOJ V PLYNU. nesamostatný výboj -proud se udržuje jen po dobu působení ionizátoru samostatný výboj. - ionty získají v elektrickém poli dostatek energie, aby mohly samy ionizovat další neutrální molekuly. Výboj pokračuje i bez přítomnosti vnějšího ionizátoru,

VA charakteristika výboje v plynu Za přítomnosti ionizátoru vznikají v plynu volné ionty a elektrony, které se pohybují k příslušným elektrodám. Kromě toho vzájemně rekombinují. Čím je napětí větší, tím rychleji se ionty pohybují a tím méně jich stačí zrekombinovat. Proud lineárně roste s napětím, platí Ohmův zákon. 

Při jistém napětí se pohybují ionty už tak rychle, že prakticky nerekombinují a všechny vzniklé ionty  dospějí k elektrodám. Proud tak se zvyšujícím se napětím nemůže dále růst - nasycený proud. 

Uz - zápalné napětí - rychlost (a energie) elektronů je tak velká, že může ionizovat neutrální molekulu, do které narazí. Zvyšuje se tak počet nosičů náboje a proud opět roste. Navíc v této oblasti už není potřeba žádný ionizátor - ionizace nárazem je dostačující Nastává samostatný výboj v plynu.

Druhy samostatných výbojů v plynech :   Jiskrový výboj Obloukový výboj Doutnavý výboj Koróna Katodové a kanálové záření

Jiskrový výboj - nastává za normálního tlaku při překročení intenzity elektrického pole, která způsobí ionizaci atomů. - nastává například tehdy, když jste nabiti (sundáte svetr z umělých materiálů) a dotknete se nějakého uzeměného předmětu. Z toho, jak je jiskra dlouhá, můžete určit napětí mezi Vámi a tímto předmětem. Jeden milimetr dlouhá jiskra znamená napětí 3 kV. Video: jiskrový výboj mezi elektrodami Rhumkorffova transformátoru

Mohutnější jiskrový výboj je blesk Napětí mezi mrakem a zemí dosahuje až 109 V, bleskovým kanálkem může po dobu tisíciny sekundy téci proud až 105 A.

Obloukový výboj                                       Tím, že se tyčinky dotknou, jimi začíná procházet proud. Zdaleka největší elektrický odpor je v místě dotyku tyčinek, proto se toto místo značně zahřívá. Tak se ionizuje vzduch v blízkosti tyčinek a po jejich oddálení mezi nimi i nadále protéká proud - výboj v plynu. Ionty se emitují i z tyčinek - elektrod. Teplota elektrod je 3000 K - 5000 K. Elektrody poměrně rychle uhořívají. Výboj vydává intenzivní světlo, které obsahuje ultrafialovou složku a je nebezpečné pro lidský zrak.

Poznámka: Obloukový výboj se dříve používal na svícení. Obloukovou lampu význačně zdokonalil český vynálezce František Křižík ¤. , Lampy se používaly na osvětlování budov, majáků, v promítacích přístrojích,světlometech ... . V těchto aplikacích jsou dnes nahrazeny vysokotlakými výbojkami. Dnes se obloukového výboje používá ke sváření. Jednu elektrodu tvoří svařované předměty, druhá elektroda je vlastní "svářečka", kterou drží svářeč v ruce a která je obalena struskotvorným materiálem

Doutnavý výboj nastává v plynu za nízkého tlaku, zhruba 1 Pa - 1000 Pa ve výbojové trubici

má-li plyn nízký tlak, obsahuje méně molekul, ty se tedy méně často srážejí. Proto když máme v plynu nějaký iont nebo elektron, stačí relativně malé napětí k tomu, aby získal energii dostatečnou k ionizaci molekuly, na kterou narazí (může se urychlovat po poměrně dlouhé dráze). konkrétně napětí asi 30 kV stačí na výboj v délce cca. 20 cm. proud při výboji malý (řádově desítky miliampér).  ,, Různé plyny svítí při doutnavém výboji různou barvou (video) Měníme-li tlak ve výbojové trubici, mění se i charakter výboje (video)

Zářivka Základem zářivky je trubice plněná rtuťovými parami a argonem. V nich nastává doutnavý výboj, který ale září v neviditelné ultrafialové oblasti. Toto záření dopadá na stěny trubice, které jsou pokryty luminoforem. Tato látka absorbuje ultrafialové záření a sama září ve viditelné oblasti. Zářivka tak svítí.                                                              

Koróna Koróna je trsovitý výboj, který vzniká v blízkosti hrotů a hran vodičů s vysokým napětím vůči okolí. Vzniká je- li intenzita el. pole dostatečná pro vyvolání lavinové ionizace. Výboj je slabý a prakticky neviditelný.

Katodové a kanálové záření Při doutnavém výboji v plynu se elektrony pohybují směrem ke katodě a kladné ionty k anodě. Pokud uděláme v katodě i v anodě otvor, elektrony i ionty se šíří za elektrody. Proud elektronů se nazývá katodové záření. Proud kladných iontů za anodou se nazývá kanálové záření. Katodové záření se využívá v obrazovkách - dopadá na luminofor na přední stěně obrazovky a ten pak září.