Phänomene des elektrischen Stroms in Gasen. Anwendung von Gasentladungen in der Technik. Elektrische Eigenschaften von Gasen

Themen des Einheitlichen Staatsexamen-Kodifikators: Träger freier elektrischer Ladungen in Gasen.

Unter normalen Bedingungen bestehen Gase aus elektrisch neutralen Atomen oder Molekülen; Bei Gasen gibt es fast keine kostenlosen Gebühren. Deshalb sind Gase Dielektrika- Durch sie fließt kein elektrischer Strom.

Wir haben „fast keine“ gesagt, weil in Gasen und insbesondere in der Luft tatsächlich immer eine gewisse Menge freier geladener Teilchen vorhanden ist. Sie entstehen durch die ionisierende Wirkung der Strahlung radioaktiver Substanzen, aus denen die Erdkruste besteht, der ultravioletten und Röntgenstrahlung der Sonne sowie der kosmischen Strahlung – Ströme hochenergetischer Teilchen, die von außen in die Erdatmosphäre eindringen Raum. Anschließend werden wir auf diese Tatsache zurückkommen und ihre Bedeutung diskutieren, aber vorerst nur darauf hinweisen, dass unter normalen Bedingungen die Leitfähigkeit von Gasen, verursacht durch die „natürliche“ Menge an freien Ladungen, vernachlässigbar ist und ignoriert werden kann.

Die Wirkung von Schaltern in Stromkreisen beruht auf den isolierenden Eigenschaften des Luftspalts (Abb. 1). Beispielsweise reicht ein kleiner Luftspalt in einem Lichtschalter aus, um den Stromkreis in Ihrem Zimmer zu öffnen.

Reis. 1 Schlüssel

Es ist jedoch möglich, Bedingungen zu schaffen, unter denen ein elektrischer Strom im Gasspalt auftritt. Betrachten wir die folgende Erfahrung.

Laden wir die Platten des Luftkondensators auf und verbinden sie mit einem empfindlichen Galvanometer (Abb. 2, links). Bei Raumtemperatur und nicht zu feuchter Luft zeigt das Galvanometer keinen merklichen Strom an: Unser Luftspalt ist, wie gesagt, kein Stromleiter.

Reis. 2. Das Auftreten von Strömung in der Luft

Bringen wir nun eine Brenner- oder Kerzenflamme in den Spalt zwischen den Kondensatorplatten (Abb. 2, rechts). Der Strom erscheint! Warum?

Kostenlose Benzingebühren

Das Auftreten eines elektrischen Stroms zwischen den Platten des Kondensators bedeutet, dass in der Luft unter dem Einfluss einer Flamme eine Flamme entstanden ist kostenlose Gebühren. Was für?

Die Erfahrung zeigt, dass elektrischer Strom in Gasen die geordnete Bewegung geladener Teilchen ist drei Typen. Das Elektronen, positive Ionen Und negative Ionen.

Lassen Sie uns herausfinden, wie diese Ladungen im Gas auftreten können.

Wenn die Temperatur eines Gases steigt, werden die thermischen Schwingungen seiner Teilchen – Moleküle oder Atome – intensiver. Der Zusammenstoß von Teilchen gegeneinander erreicht eine solche Kraft, dass er beginnt Ionisation- Zerfall neutraler Teilchen in Elektronen und positive Ionen (Abb. 3).

Reis. 3. Ionisierung

Ionisationsgrad ist das Verhältnis der Anzahl der zerfallenen Gaspartikel zur gesamten Anfangsanzahl der Partikel. Wenn beispielsweise der Ionisationsgrad gleich ist, bedeutet dies, dass die ursprünglichen Gasteilchen in positive Ionen und Elektronen zerfallen sind.

Der Grad der Gasionisierung hängt von der Temperatur ab und steigt mit der Temperatur stark an. Bei Wasserstoff beispielsweise überschreitet der Ionisationsgrad bei einer Temperatur darunter nicht , und bei einer Temperatur darüber liegt der Ionisationsgrad nahe bei (d. h. Wasserstoff ist fast vollständig ionisiert (ein teilweise oder vollständig ionisiertes Gas wird als Gas bezeichnet). Plasma)).

Neben hohen Temperaturen gibt es noch andere Faktoren, die eine Gasionisierung verursachen.

Wir haben sie bereits am Rande erwähnt: Es handelt sich um radioaktive Strahlung, Ultraviolettstrahlung, Röntgen- und Gammastrahlung, kosmische Teilchen. Jeder solche Faktor, der die Ionisierung eines Gases verursacht, wird aufgerufen Ionisator.

Die Ionisierung erfolgt also nicht von selbst, sondern unter dem Einfluss eines Ionisators.

Gleichzeitig findet der umgekehrte Vorgang statt – Rekombination, also die Wiedervereinigung eines Elektrons und eines positiven Ions zu einem neutralen Teilchen (Abb. 4).

Reis. 4. Rekombination

Der Grund für die Rekombination ist einfach: Es ist die Coulomb-Anziehung entgegengesetzt geladener Elektronen und Ionen. Unter dem Einfluss elektrischer Kräfte rasen sie aufeinander zu, treffen aufeinander und können ein neutrales Atom (oder Molekül, je nach Gasart) bilden.

Bei einer konstanten Intensität der Ionisatorwirkung stellt sich ein dynamisches Gleichgewicht ein: Die durchschnittliche Anzahl der pro Zeiteinheit zerfallenden Teilchen ist gleich der durchschnittlichen Anzahl der rekombinierenden Teilchen (mit anderen Worten, die Ionisationsrate ist gleich der Rekombinationsrate). Wenn Wird die Wirkung des Ionisators erhöht (z. B. durch Erhöhung der Temperatur), dann verschiebt sich das dynamische Gleichgewicht auf die Seite der Ionisierung und die Konzentration geladener Teilchen im Gas steigt. Im Gegenteil, wenn Sie den Ionisator ausschalten, beginnt die Rekombination zu überwiegen und die freien Ladungen verschwinden nach und nach vollständig.

Durch die Ionisierung entstehen also positive Ionen und Elektronen im Gas. Woher kommt die dritte Ladungsart – negative Ionen? Es ist ganz einfach: Ein Elektron kann auf ein neutrales Atom treffen und sich daran festsetzen! Dieser Vorgang ist in Abb. dargestellt. 5 .

Reis. 5. Das Auftreten eines negativen Ions

Die so gebildeten negativen Ionen sind zusammen mit positiven Ionen und Elektronen an der Stromerzeugung beteiligt.

Nicht selbsterhaltende Entladung

Wenn kein äußeres elektrisches Feld vorhanden ist, unterliegen freie Ladungen zusammen mit neutralen Gasteilchen einer chaotischen thermischen Bewegung. Wenn jedoch ein elektrisches Feld angelegt wird, beginnt die geordnete Bewegung geladener Teilchen – elektrischer Strom in Gas.

Reis. 6. Nicht selbsterhaltende Entladung

In Abb. In Abb. 6 sehen wir drei Arten geladener Teilchen, die unter der Wirkung eines Ionisators im Gasspalt entstehen: positive Ionen, negative Ionen und Elektronen. Durch die Gegenbewegung geladener Teilchen entsteht in einem Gas ein elektrischer Strom: positive Ionen – zur negativen Elektrode (Kathode), Elektronen und negative Ionen – zur positiven Elektrode (Anode).

Elektronen, die auf die positive Anode treffen, werden durch den Stromkreis zum „Plus“ der Stromquelle geleitet. Negative Ionen geben ein zusätzliches Elektron an die Anode ab und kehren als neutrale Teilchen in das Gas zurück; Das der Anode zugeführte Elektron strömt ebenfalls zum „Plus“ der Quelle. Positive Ionen, die an der Kathode ankommen, nehmen von dort Elektronen auf; Das daraus resultierende Defizit an Elektronen an der Kathode wird sofort durch deren Abgabe aus der „Minus“-Quelle ausgeglichen. Als Ergebnis dieser Prozesse kommt es im äußeren Stromkreis zu einer geordneten Bewegung der Elektronen. Dies ist der vom Galvanometer aufgezeichnete elektrische Strom.

Der beschriebene Vorgang ist in Abb. 6, genannt keine Selbstentladung im Gas. Warum abhängig? Um dies aufrechtzuerhalten, ist daher ein ständiger Betrieb des Ionisators erforderlich. Entfernen wir den Ionisator – und der Strom stoppt, da der Mechanismus verschwindet, der für das Auftreten freier Ladungen im Gasspalt sorgt. Der Raum zwischen Anode und Kathode wird wieder zum Isolator.

Strom-Spannungs-Kennlinien der Gasentladung

Die Abhängigkeit des Stroms durch den Gasspalt von der Spannung zwischen Anode und Kathode (sog Strom-Spannungs-Kennlinie der Gasentladung) ist in Abb. dargestellt. 7.

Reis. 7. Strom-Spannungs-Kennlinien der Gasentladung

Bei einer Spannung von Null ist die Stromstärke natürlich Null: Geladene Teilchen führen nur thermische Bewegung aus, es gibt keine geordnete Bewegung zwischen den Elektroden.

Wenn die Spannung niedrig ist, ist auch der Strom niedrig. Tatsache ist, dass nicht alle geladenen Teilchen dazu bestimmt sind, die Elektroden zu erreichen: Einige positive Ionen und Elektronen finden sich während ihrer Bewegung wieder und verbinden sich.

Mit zunehmender Spannung entwickeln sich freie Ladungen immer schneller und die Chance, dass ein positives Ion und ein Elektron aufeinandertreffen und sich rekombinieren, ist geringer. Daher erreicht ein zunehmender Teil der geladenen Teilchen die Elektroden und der Strom steigt (Abschnitt ).

Ab einem bestimmten Spannungswert (Punkt) wird die Geschwindigkeit der Ladungsbewegung so hoch, dass die Rekombination überhaupt keine Zeit mehr hat. Von diesem Moment an Alle geladene Teilchen, die unter der Wirkung des Ionisators entstehen, erreichen die Elektroden und Strom erreicht Sättigung- nämlich, dass sich die Stromstärke mit zunehmender Spannung nicht mehr ändert. Dies wird bis zu einem bestimmten Punkt passieren.

Selbstentladung

Nach Passieren des Punktes steigt die Stromstärke mit zunehmender Spannung stark an – die unabhängige Kategorie. Jetzt werden wir herausfinden, was es ist.

Geladene Gasteilchen bewegen sich von Kollision zu Kollision; In den Intervallen zwischen den Kollisionen werden sie durch das elektrische Feld beschleunigt, wodurch ihre kinetische Energie zunimmt. Wenn also die Spannung groß genug wird (an demselben Punkt), erreichen die Elektronen auf ihrem freien Weg solche Energien, dass sie bei Kollision mit neutralen Atomen diese ionisieren! (Anhand der Impuls- und Energieerhaltungssätze kann gezeigt werden, dass es Elektronen (nicht Ionen) sind, die durch ein elektrisches Feld beschleunigt werden und die maximale Fähigkeit haben, Atome zu ionisieren.)

Die sogenannte Elektronenstoßionisation. Aus ionisierten Atomen herausgeschlagene Elektronen werden ebenfalls durch das elektrische Feld beschleunigt und kollidieren mit neuen Atomen, ionisieren diese nun und erzeugen neue Elektronen. Durch die entstehende Elektronenlawine steigt die Zahl der ionisierten Atome rapide an, wodurch auch die Stromstärke rapide ansteigt.

Die Anzahl der kostenlosen Ladungen wird so groß, dass die Notwendigkeit eines externen Ionisators entfällt. Sie können es einfach entfernen. Dadurch entstehen nun freie geladene Teilchen intern im Gas ablaufende Prozesse - deshalb wird die Entladung als unabhängig bezeichnet.

Steht der Gasspalt unter Hochspannung, ist zur Selbstentladung kein Ionisator erforderlich. Es reicht aus, nur ein freies Elektron im Gas zu haben, und die oben beschriebene Elektronenlawine beginnt. Und es wird immer mindestens ein freies Elektron geben!

Erinnern wir uns noch einmal daran, dass es in Gas auch unter normalen Bedingungen eine gewisse „natürliche“ Menge an freien Ladungen gibt, die auf ionisierende radioaktive Strahlung aus der Erdkruste, hochfrequente Strahlung der Sonne und kosmische Strahlung zurückzuführen sind. Wir haben gesehen, dass bei niedrigen Spannungen die durch diese freien Ladungen verursachte Leitfähigkeit des Gases vernachlässigbar ist, aber jetzt – bei hohen Spannungen – erzeugen sie eine Lawine neuer Teilchen, die zu einer unabhängigen Entladung führt. Es wird passieren, wie sie sagen, abbauen Gasspalt.

Die für die Zerlegung trockener Luft erforderliche Feldstärke beträgt etwa kV/cm. Mit anderen Worten: Damit ein Funke zwischen den durch einen Zentimeter Luft getrennten Elektroden überspringen kann, muss an sie eine Kilovoltspannung angelegt werden. Stellen Sie sich die Spannung vor, die nötig ist, um mehrere Kilometer Luft zu durchbrechen! Aber genau solche Ausfälle passieren bei einem Gewitter – das sind Blitze, die Ihnen wohl bekannt sind.

Unter normalen Bedingungen sind Gase Dielektrika, weil bestehen aus neutralen Atomen und Molekülen und verfügen nicht über genügend freie Ladungen. Gase werden nur dann zu Leitern, wenn sie auf irgendeine Weise ionisiert werden. Der Prozess der Ionisierung von Gasen beinhaltet aus irgendeinem Grund die Entfernung eines oder mehrerer Elektronen aus einem Atom. Dadurch entsteht anstelle eines neutralen Atoms positives Ion Und Elektron.

Als Zerfall von Molekülen in Ionen und Elektronen bezeichnet man Gasionisation.

Einige der entstehenden Elektronen können dann von anderen neutralen Atomen eingefangen werden negativ geladene Ionen.

Somit gibt es in einem ionisierten Gas drei Arten von Ladungsträgern: Elektronen, positive Ionen und negative.

Das Entfernen eines Elektrons aus einem Atom erfordert den Aufwand einer bestimmten Energiemenge – Ionisationsenergie W ich. Die Ionisierungsenergie hängt von der chemischen Natur des Gases und dem Energiezustand des Elektrons im Atom ab. Um also das erste Elektron von einem Stickstoffatom zu entfernen, beträgt die erforderliche Energie 14,5 eV, um das zweite Elektron zu entfernen – 29,5 eV und um das dritte zu entfernen – 47,4 eV.

Faktoren, die eine Gasionisierung verursachen, werden genannt Ionisatoren.

Es gibt drei Arten der Ionisation: thermische Ionisation, Photoionisation und Stoßionisation.

Thermische Ionisation entsteht durch die Kollision von Atomen oder Gasmolekülen bei hoher Temperatur, wenn die kinetische Energie der Relativbewegung der kollidierenden Teilchen die Bindungsenergie des Elektrons im Atom übersteigt.

Photoionisierung tritt unter dem Einfluss elektromagnetischer Strahlung (Ultraviolett-, Röntgen- oder γ-Strahlung) auf, wenn die Energie, die zur Trennung eines Elektrons von einem Atom erforderlich ist, durch ein Strahlungsquant auf dieses übertragen wird.

Elektronenstoßionisation(oder Stoßionisation) ist die Bildung positiv geladener Ionen durch Kollisionen von Atomen oder Molekülen mit schnellen Elektronen mit hoher kinetischer Energie.

Der Prozess der Gasionisierung geht aufgrund ihrer elektrischen Anziehung immer mit dem umgekehrten Prozess der Reduktion neutraler Moleküle aus entgegengesetzt geladenen Ionen einher. Dieses Phänomen nennt man Rekombination. Bei der Rekombination wird Energie freigesetzt, die der für die Ionisierung aufgewendeten Energie entspricht. Dadurch kann beispielsweise Gas zum Leuchten gebracht werden.

Bei unveränderter Wirkung des Ionisators stellt sich im ionisierten Gas ein dynamisches Gleichgewicht ein, in dem pro Zeiteinheit die gleiche Anzahl von Molekülen wiederhergestellt wird, wenn sie in Ionen zerfallen. In diesem Fall bleibt die Konzentration geladener Teilchen im ionisierten Gas unverändert. Wenn die Wirkung des Ionisators gestoppt wird, beginnt die Rekombination gegenüber der Ionisierung zu dominieren und die Anzahl der Ionen sinkt schnell auf nahezu Null. Folglich ist das Vorhandensein geladener Teilchen in einem Gas ein vorübergehendes Phänomen (während der Ionisator in Betrieb ist).

Ohne ein äußeres Feld bewegen sich geladene Teilchen chaotisch.

Gasentladung

Wenn ein ionisiertes Gas in ein elektrisches Feld gebracht wird, beginnen elektrische Kräfte auf freie Ladungen einzuwirken und diese wandern parallel zu den Spannungslinien: Elektronen und negative Ionen zur Anode, positive Ionen zur Kathode (Abb. 1). An den Elektroden verwandeln sich die Ionen in neutrale Atome, geben Elektronen ab oder nehmen sie auf und schließen so den Stromkreis. Im Gas entsteht ein elektrischer Strom.

Elektrischer Strom in Gasen- das ist die gerichtete Bewegung von Ionen und Elektronen.

Elektrischer Strom in Gasen heißt Gasentladung.

Der Gesamtstrom im Gas besteht aus zwei Strömen geladener Teilchen: dem Strom zur Kathode und dem zur Anode gerichteten Strom.

Gase kombinieren elektronische Leitfähigkeit, ähnlich der Leitfähigkeit von Metallen, mit ionischer Leitfähigkeit, ähnlich der Leitfähigkeit wässriger Lösungen oder Elektrolytschmelzen.

Somit hat die Leitfähigkeit von Gasen ionenelektronischer Charakter.

Es entsteht durch die gerichtete Bewegung freier Elektronen und in diesem Fall treten keine Veränderungen in der Substanz auf, aus der der Leiter besteht.

Als Leiter werden solche Leiter bezeichnet, bei denen der Durchgang von elektrischem Strom nicht mit chemischen Veränderungen ihrer Substanz einhergeht Dirigenten erster Art. Hierzu zählen alle Metalle, Kohle und eine Reihe weiterer Stoffe.

Es gibt aber auch Leiter elektrischen Stroms in der Natur, in denen beim Stromdurchgang chemische Phänomene auftreten. Diese Dirigenten werden aufgerufen Dirigenten zweiter Art. Hierzu zählen vor allem verschiedene Lösungen von Säuren, Salzen und Laugen in Wasser.

Wenn Sie Wasser in ein Glasgefäß gießen und ein paar Tropfen Schwefelsäure (oder eine andere Säure oder Lauge) hinzufügen, dann zwei Metallplatten nehmen und Leiter daran anschließen, diese Platten in das Gefäß senken und eine Stromquelle anschließen Die anderen Enden der Leiter durch den Schalter und das Amperemeter, dann wird Gas aus der Lösung freigesetzt, und es wird kontinuierlich so lange fortgesetzt, wie der Stromkreis geschlossen ist, weil angesäuertes Wasser ist tatsächlich ein Leiter. Außerdem beginnen sich die Platten mit Gasblasen zu bedecken. Diese Blasen lösen sich dann von den Platten und treten heraus.

Wenn ein elektrischer Strom durch eine Lösung fließt, kommt es zu chemischen Veränderungen, die zur Freisetzung von Gas führen.

Leiter der zweiten Art werden Elektrolyte genannt, und zwar das Phänomen, das in einem Elektrolyten auftritt, wenn ein elektrischer Strom durch ihn fließt.

In einen Elektrolyten getauchte Metallplatten werden Elektroden genannt; Einer von ihnen, der mit dem Pluspol der Stromquelle verbunden ist, wird Anode genannt, und der andere, der mit dem Minuspol verbunden ist, wird Kathode genannt.

Was bestimmt den Stromfluss in einem flüssigen Leiter? Es stellt sich heraus, dass in solchen Lösungen (Elektrolyten) Säuremoleküle (Alkali, Salz) unter dem Einfluss eines Lösungsmittels (in diesem Fall Wasser) in zwei Komponenten zerfallen und Ein Teilchen des Moleküls hat eine positive elektrische Ladung, das andere eine negative.

Die elektrisch geladenen Teilchen eines Moleküls werden Ionen genannt. Wenn eine Säure, ein Salz oder ein Alkali in Wasser gelöst wird, erscheint eine große Anzahl sowohl positiver als auch negativer Ionen in der Lösung.

Nun sollte klar werden, warum ein elektrischer Strom durch die Lösung floss, denn zwischen den an die Stromquelle angeschlossenen Elektroden entstand eine Spannung, das heißt, eine von ihnen erwies sich als positiv und die andere als negativ. Unter dem Einfluss dieser Potentialdifferenz begannen sich positive Ionen in Richtung der negativen Elektrode – der Kathode – und negative Ionen – in Richtung der Anode zu vermischen.

So wurde aus der chaotischen Bewegung der Ionen eine geordnete Gegenbewegung negativer Ionen in die eine und positiver Ionen in die andere. Dieser Ladungsübertragungsprozess stellt den Stromfluss durch den Elektrolyten dar und findet statt, solange zwischen den Elektroden eine Potentialdifferenz besteht. Mit dem Verschwinden der Potentialdifferenz stoppt der Strom durch den Elektrolyten, die geordnete Bewegung der Ionen wird gestört und die chaotische Bewegung beginnt von neuem.

Betrachten wir als Beispiel das Phänomen der Elektrolyse, wenn ein elektrischer Strom durch eine Lösung von Kupfersulfat CuSO4 geleitet wird, in die Kupferelektroden eingetaucht sind.

Das Phänomen der Elektrolyse, wenn Strom durch eine Kupfersulfatlösung fließt: C – Gefäß mit Elektrolyt, B – Stromquelle, C – Schalter

Auch hier kommt es zu einer Gegenbewegung der Ionen zu den Elektroden. Das positive Ion ist das Kupferion (Cu) und das negative Ion ist das Säurerest-Ion (SO4). Kupferionen, die mit der Kathode in Kontakt kommen, werden entladen (die fehlenden Elektronen werden angehängt), d. h. sie verwandeln sich in neutrale Moleküle aus reinem Kupfer und lagern sich auf der Kathode in Form einer dünnen (molekularen) Schicht ab.

Negative Ionen, die die Anode erreicht haben, werden ebenfalls entladen (sie geben überschüssige Elektronen ab). Gleichzeitig gehen sie aber eine chemische Reaktion mit dem Kupfer der Anode ein, wodurch sich an den sauren Rückstand SO4 ein Kupfermolekül Cu anlagert und ein Kupfersulfatmolekül CuS O4 entsteht, das zurückgeführt wird zum Elektrolyten.

Da dieser chemische Prozess lange dauert, lagert sich Kupfer an der Kathode ab und wird aus dem Elektrolyten freigesetzt. In diesem Fall erhält der Elektrolyt anstelle der Kupfermoleküle, die zur Kathode gelangten, durch die Auflösung der zweiten Elektrode – der Anode – neue Kupfermoleküle.

Der gleiche Vorgang findet statt, wenn Zinkelektroden anstelle von Kupferelektroden verwendet werden und der Elektrolyt eine Lösung von Zinksulfat ZnSO4 ist. Zink wird auch von der Anode zur Kathode übertragen.

Auf diese Weise, Unterschied zwischen elektrischem Strom in Metallen und flüssigen Leitern liegt darin, dass die Ladungsträger in Metallen nur freie Elektronen, also negative Ladungen, sind, während sie in Elektrolyten von entgegengesetzt geladenen Stoffteilchen – Ionen, die sich in entgegengesetzte Richtungen bewegen – getragen werden. Deshalb sagen sie das Elektrolyte weisen eine Ionenleitfähigkeit auf.

Phänomen der Elektrolyse wurde 1837 von B. S. Jacobi entdeckt, der zahlreiche Experimente zur Erforschung und Verbesserung chemischer Stromquellen durchführte. Jacobi fand heraus, dass eine der Elektroden, die in eine Kupfersulfatlösung getaucht wurden, mit Kupfer beschichtet wurde, wenn elektrischer Strom durch sie floss.

Dieses Phänomen nennt man Galvanisieren, findet mittlerweile eine äußerst breite praktische Anwendung. Ein Beispiel hierfür ist die Beschichtung von Metallgegenständen mit einer dünnen Schicht anderer Metalle, z. B. Vernickeln, Vergolden, Versilbern usw.

Gase (einschließlich Luft) leiten unter normalen Bedingungen keinen elektrischen Strom. Nackte Exemplare beispielsweise sind parallel zueinander aufgehängt und durch eine Luftschicht voneinander isoliert.

Unter dem Einfluss hoher Temperaturen, großer Potentialunterschiede und aus anderen Gründen werden Gase jedoch wie flüssige Leiter ionisiert, d. h. in ihnen treten in großen Mengen Partikel von Gasmolekülen auf, die als Stromträger den Stromdurchgang erleichtern Strom durch das Gas.

Gleichzeitig unterscheidet sich die Ionisierung eines Gases jedoch von der Ionisierung eines flüssigen Leiters. Wenn in einer Flüssigkeit ein Molekül in zwei geladene Teile zerfällt, werden in Gasen unter dem Einfluss der Ionisation immer Elektronen von jedem Molekül getrennt und ein Ion verbleibt in Form eines positiv geladenen Teils des Moleküls.

Sobald die Ionisierung des Gases aufhört, ist es nicht mehr leitfähig, während eine Flüssigkeit immer ein Leiter für elektrischen Strom bleibt. Folglich ist die Gasleitfähigkeit ein vorübergehendes Phänomen, das von der Einwirkung äußerer Ursachen abhängt.

Es gibt jedoch noch einen namens Bogenentladung oder einfach ein Lichtbogen. Das Phänomen des Lichtbogens wurde Anfang des 19. Jahrhunderts vom ersten russischen Elektroingenieur V. V. Petrov entdeckt.

V. V. Petrov entdeckte durch zahlreiche Experimente, dass zwischen zwei an eine Stromquelle angeschlossenen Holzkohlen eine kontinuierliche elektrische Entladung durch die Luft auftritt, begleitet von hellem Licht. In seinen Schriften schrieb V. V. Petrov, dass in diesem Fall „dunkler Frieden ganz hell erleuchtet werden kann“. Auf diese Weise wurde erstmals elektrisches Licht gewonnen, das von einem anderen russischen Elektroingenieur Pavel Nikolaevich Yablochkov praktisch angewendet wurde.

Die Jablotschkow-Kerze, deren Funktionsweise auf der Verwendung eines Lichtbogens beruht, sorgte damals für eine echte Revolution in der Elektrotechnik.

Die Bogenentladung wird auch heute noch als Lichtquelle verwendet, beispielsweise in Scheinwerfern und Projektionsgeräten. Die hohe Temperatur der Lichtbogenentladung ermöglicht ihre Verwendung. Derzeit werden Lichtbogenöfen, die mit sehr hohem Strom betrieben werden, in einer Reihe von Branchen eingesetzt: zum Schmelzen von Stahl, Gusseisen, Ferrolegierungen, Bronze usw. Und im Jahr 1882 verwendete N.N. Benardos erstmals eine Lichtbogenentladung zum Schneiden und Schweißen von Metall.

Bei Gaslichtröhren, Leuchtstofflampen, Spannungsstabilisatoren, den sogenannten Glimmgasentladung.

Mittels Funkenentladung werden große Potentialunterschiede mithilfe eines Kugelspalts gemessen, dessen Elektroden zwei Metallkugeln mit polierter Oberfläche sind. Die Kugeln werden auseinander bewegt und mit einer gemessenen Potentialdifferenz beaufschlagt. Dann werden die Kugeln näher zusammengebracht, bis ein Funke zwischen ihnen überspringt. Wenn Sie den Durchmesser der Kugeln, den Abstand zwischen ihnen, den Druck, die Temperatur und die Luftfeuchtigkeit kennen, ermitteln Sie mithilfe spezieller Tabellen den Potenzialunterschied zwischen den Kugeln. Mit dieser Methode können Potenzialunterschiede in der Größenordnung von mehreren zehntausend Volt mit einer Genauigkeit von wenigen Prozent gemessen werden.

Elektrischer Strom ist ein Fluss, der durch die geordnete Bewegung elektrisch geladener Teilchen verursacht wird. Als Richtung des elektrischen Stroms wird die Ladungsbewegung angenommen. Elektrischer Strom kann kurzfristig oder langfristig sein.

Elektrisches Stromkonzept

Bei einer Blitzentladung kann ein elektrischer Strom entstehen, der als kurzzeitig bezeichnet wird. Und um den Strom über einen langen Zeitraum aufrechtzuerhalten, sind ein elektrisches Feld und freie elektrische Ladungsträger erforderlich.

Ein elektrisches Feld entsteht durch unterschiedlich geladene Körper. Die Stromstärke ist das Verhältnis der über einen Zeitintervall durch den Querschnitt eines Leiters übertragenen Ladung zu diesem Zeitintervall. Sie wird in Ampere gemessen.

Reis. 1. Aktuelle Formel

Elektrischer Strom in Gasen

Unter normalen Bedingungen leiten Gasmoleküle keinen elektrischen Strom. Sie sind Isolatoren (Dielektrika). Wenn sich jedoch die Umgebungsbedingungen ändern, können Gase zu Stromleitern werden. Durch Ionisation (beim Erhitzen oder unter dem Einfluss radioaktiver Strahlung) entsteht in Gasen ein elektrischer Strom, der häufig durch den Begriff „elektrische Entladung“ ersetzt wird.

Selbsterhaltende und nicht selbsterhaltende Gasentladungen

Entladungen in Gas können unabhängig oder nicht selbsterhaltend sein. Der Strom beginnt zu existieren, wenn kostenlose Gebühren erscheinen. Nicht selbsterhaltende Entladungen existieren, solange eine äußere Kraft, also ein äußerer Ionisator, auf sie einwirkt. Das heißt, wenn der externe Ionisator nicht mehr funktioniert, stoppt der Strom.

Selbstentladung des elektrischen Stroms in Gasen besteht auch nach Abschalten des externen Ionisators. Unabhängige Entladungen werden in der Physik in Ruhe, Glühen, Lichtbogen, Funken und Korona unterteilt.

• Ruhig – die schwächste der unabhängigen Kategorien. Die Stromstärke darin ist sehr gering (nicht mehr als 1 mA). Es wird nicht von Ton- oder Lichtphänomenen begleitet.
• Schwelend – Erhöht man die Spannung in einer ruhigen Entladung, geht es auf die nächste Stufe – eine Glimmentladung. In diesem Fall entsteht ein Leuchten, das mit einer Rekombination einhergeht. Rekombination – umgekehrter Ionisationsprozess, das Zusammentreffen eines Elektrons und eines positiven Ions. Wird in bakteriziden und Beleuchtungslampen verwendet.

Reis. 2. Glimmentladung

• Bogen – Die Stromstärke reicht von 10 A bis 100 A. Die Ionisierung beträgt nahezu 100 %. Eine solche Entladung tritt beispielsweise beim Betrieb einer Schweißmaschine auf.

Reis. 3. Lichtbogenentladung

• Funke – kann als eine der Arten der Bogenentladung angesehen werden. Bei einer solchen Entladung fließt in sehr kurzer Zeit eine bestimmte Menge Strom.
• Corona-Entladung – Die Ionisierung von Molekülen erfolgt in der Nähe von Elektroden mit kleinen Krümmungsradien. Diese Art der Aufladung entsteht, wenn sich die elektrische Feldstärke plötzlich ändert.

Was haben wir gelernt?

Die Atome und Moleküle eines Gases selbst sind neutral. Sie laden sich auf, wenn sie der Außenwelt ausgesetzt werden. Kurz gesagt handelt es sich bei elektrischem Strom in Gasen um die gerichtete Bewegung von Partikeln (positive Ionen zur Kathode und negative Ionen zur Anode). Es ist auch wichtig, dass sich die Leitfähigkeit eines Gases verbessert, wenn es ionisiert wird.

In der Natur gibt es keine absoluten Dielektrika. Die geordnete Bewegung von Teilchen – Trägern elektrischer Ladung – also Strom – kann in jeder Umgebung verursacht werden, erfordert jedoch besondere Bedingungen. Wir werden uns hier ansehen, wie elektrische Phänomene in Gasen auftreten und wie ein Gas von einem sehr guten Dielektrikum in einen sehr guten Leiter umgewandelt werden kann. Uns interessiert, unter welchen Bedingungen elektrischer Strom in Gasen entsteht und welche Merkmale er charakterisiert.

Elektrische Eigenschaften von Gasen

Ein Dielektrikum ist ein Stoff (Medium), in dem die Konzentration der Partikel – freie Träger elektrischer Ladung – keinen nennenswerten Wert erreicht, wodurch die Leitfähigkeit vernachlässigbar ist. Alle Gase sind gute Dielektrika. Ihre isolierenden Eigenschaften werden überall genutzt. Beispielsweise öffnet sich bei jedem Schalter der Stromkreis, wenn die Kontakte in eine solche Position gebracht werden, dass zwischen ihnen ein Luftspalt entsteht. Auch Drähte in Stromleitungen sind durch eine Luftschicht voneinander isoliert.

Die Struktureinheit jedes Gases ist ein Molekül. Es besteht aus Atomkernen und Elektronenwolken, ist also eine Ansammlung elektrischer Ladungen, die auf irgendeine Weise im Raum verteilt sind. Aufgrund der Besonderheiten seiner Struktur kann ein Gasmolekül unter dem Einfluss eines externen elektrischen Feldes polarisiert werden. Die überwiegende Mehrheit der Moleküle, aus denen ein Gas besteht, ist unter normalen Bedingungen elektrisch neutral, da sich die Ladungen in ihnen gegenseitig aufheben.

Wenn ein elektrisches Feld an ein Gas angelegt wird, nehmen die Moleküle eine Dipolorientierung an und nehmen eine räumliche Position ein, die die Wirkung des Feldes kompensiert. Die im Gas vorhandenen geladenen Teilchen beginnen sich unter dem Einfluss der Coulomb-Kräfte zu bewegen: positive Ionen – in Richtung Kathode, negative Ionen und Elektronen – in Richtung Anode. Wenn das Feld jedoch kein ausreichendes Potenzial aufweist, entsteht kein einzelner gerichteter Ladungsfluss, sondern man kann eher von einzelnen Strömen sprechen, die so schwach sind, dass sie vernachlässigt werden sollten. Gas verhält sich wie ein Dielektrikum.

Für das Auftreten von elektrischem Strom in Gasen sind daher eine hohe Konzentration an freien Ladungsträgern und das Vorhandensein eines Feldes erforderlich.

Ionisation

Der Vorgang einer lawinenartigen Zunahme der Anzahl freier Ladungen in einem Gas wird als Ionisation bezeichnet. Dementsprechend wird ein Gas, in dem eine erhebliche Menge geladener Teilchen vorhanden ist, als ionisiert bezeichnet. In solchen Gasen entsteht elektrischer Strom.

Der Ionisationsprozess ist mit einer Verletzung der Neutralität von Molekülen verbunden. Durch die Entfernung eines Elektrons entstehen positive Ionen, die Zugabe eines Elektrons zu einem Molekül führt zur Bildung eines negativen Ions. Darüber hinaus enthält ionisiertes Gas viele freie Elektronen. Positive Ionen und insbesondere Elektronen sind die Hauptladungsträger beim elektrischen Strom in Gasen.

Ionisation tritt auf, wenn einem Teilchen eine bestimmte Energiemenge zugeführt wird. Somit kann das äußere Elektron im Molekül, nachdem es diese Energie erhalten hat, das Molekül verlassen. Gegenseitige Kollisionen geladener Teilchen mit neutralen Teilchen führen zum Herausschlagen neuer Elektronen, und der Vorgang nimmt einen lawinenartigen Charakter an. Außerdem nimmt die kinetische Energie der Partikel zu, was die Ionisierung stark fördert.

Woher kommt die Energie, die zur Anregung des elektrischen Stroms in Gasen aufgewendet wird? Die Ionisierung von Gasen hat mehrere Energiequellen, nach denen ihre Typen üblicherweise benannt werden.

1. Ionisierung durch elektrisches Feld. Dabei wird die potentielle Energie des Feldes in kinetische Energie der Teilchen umgewandelt.
2. Thermische Ionisation. Auch eine Temperaturerhöhung führt zur Bildung einer großen Zahl freier Ladungen.
3. Photoionisierung. Der Kern dieses Prozesses besteht darin, dass den Elektronen Energie durch Quanten elektromagnetischer Strahlung – Photonen – verliehen wird, wenn sie eine ausreichend hohe Frequenz haben (Ultraviolett, Röntgenstrahlen, Gammaquanten).
4. Die Stoßionisation entsteht durch die Umwandlung der kinetischen Energie kollidierender Teilchen in die Energie der Elektronentrennung. Zusammen mit der thermischen Ionisation ist sie der Hauptfaktor bei der Anregung des elektrischen Stroms in Gasen.

Jedes Gas zeichnet sich durch einen bestimmten Schwellenwert aus – die Ionisierungsenergie, die erforderlich ist, damit sich ein Elektron aus dem Molekül löst und die Potentialbarriere überwindet. Dieser Wert für das erste Elektron liegt zwischen mehreren Volt und zwei Dutzend Volt; Um das nächste Elektron aus einem Molekül zu entfernen, ist mehr Energie erforderlich und so weiter.

Es ist zu berücksichtigen, dass gleichzeitig mit der Ionisierung im Gas der umgekehrte Prozess abläuft – die Rekombination, also die Wiederherstellung neutraler Moleküle unter dem Einfluss der Coulomb-Anziehungskräfte.

Gasentladung und ihre Arten

Der elektrische Strom in Gasen wird also durch die geordnete Bewegung geladener Teilchen unter dem Einfluss eines an sie angelegten elektrischen Feldes verursacht. Das Vorhandensein solcher Ladungen wiederum ist aufgrund verschiedener Ionisationsfaktoren möglich.

Daher erfordert die thermische Ionisierung erhebliche Temperaturen, eine offene Flamme in Verbindung mit bestimmten chemischen Prozessen fördert jedoch die Ionisierung. Selbst bei einer relativ niedrigen Temperatur in Gegenwart einer Flamme wird das Auftreten eines elektrischen Stroms in Gasen aufgezeichnet, und Experimente mit der Gasleitfähigkeit machen es einfach, dies zu überprüfen. Es ist notwendig, die Flamme eines Brenners oder einer Kerze zwischen die Platten eines geladenen Kondensators zu legen. Der Stromkreis, der zuvor aufgrund des Luftspalts im Kondensator geöffnet war, wird geschlossen. Ein an den Stromkreis angeschlossenes Galvanometer zeigt das Vorhandensein von Strom an.

Elektrischer Strom in Gasen wird als Gasentladung bezeichnet. Es ist zu beachten, dass zur Aufrechterhaltung der Entladungsstabilität die Wirkung des Ionisators konstant sein muss, da das Gas durch ständige Rekombination seine elektrisch leitenden Eigenschaften verliert. Einige Träger des elektrischen Stroms in Gasen – Ionen – werden an den Elektroden neutralisiert, andere – Elektronen – werden beim Erreichen der Anode zum „Plus“ der Feldquelle geleitet. Wenn der Ionisierungsfaktor nicht mehr wirkt, wird das Gas sofort wieder zum Dielektrikum und der Strom hört auf. Ein solcher Strom, der von der Wirkung eines externen Ionisators abhängt, wird als nicht selbsterhaltende Entladung bezeichnet.

Die Besonderheiten des Durchgangs von elektrischem Strom durch Gase werden durch eine besondere Abhängigkeit des Stroms von der Spannung beschrieben – die Strom-Spannungs-Kennlinie.

Betrachten wir die Entwicklung einer Gasentladung im Diagramm der Strom-Spannungs-Abhängigkeit. Wenn die Spannung auf einen bestimmten Wert U 1 ansteigt, steigt der Strom proportional dazu, d. h. das Ohmsche Gesetz ist erfüllt. Die kinetische Energie erhöht sich und damit die Geschwindigkeit der Ladungen im Gas, und dieser Prozess übertrifft die Rekombination. Bei Spannungswerten von U 1 bis U 2 ist dieser Zusammenhang verletzt; Bei Erreichen von U2 erreichen alle Ladungsträger die Elektroden, ohne Zeit zur Rekombination zu haben. Alle freien Ladungen werden genutzt und eine weitere Spannungserhöhung führt nicht zu einer Stromerhöhung. Diese Art der Ladungsbewegung wird Sättigungsstrom genannt. Wir können also sagen, dass der elektrische Strom in Gasen auch auf die Besonderheiten des Verhaltens von ionisiertem Gas in elektrischen Feldern unterschiedlicher Stärke zurückzuführen ist.

Wenn die Potentialdifferenz zwischen den Elektroden einen bestimmten Wert U 3 erreicht, reicht die Spannung aus, damit das elektrische Feld eine lawinenartige Ionisierung des Gases auslöst. Die kinetische Energie freier Elektronen reicht bereits für die Stoßionisation von Molekülen aus. Ihre Geschwindigkeit beträgt in den meisten Gasen etwa 2000 km/s und mehr (sie wird mit der Näherungsformel v=600 Ui berechnet, wobei Ui das Ionisierungspotential ist). In diesem Moment kommt es zu einem Gasdurchbruch und aufgrund der internen Ionisierungsquelle zu einem deutlichen Stromanstieg. Daher wird eine solche Entladung als unabhängig bezeichnet.

Das Vorhandensein eines externen Ionisators spielt in diesem Fall keine Rolle mehr für die Aufrechterhaltung eines elektrischen Stroms in den Gasen. Eine selbsterhaltende Entladung unter verschiedenen Bedingungen und mit unterschiedlichen Eigenschaften der elektrischen Feldquelle kann bestimmte Merkmale aufweisen. Es gibt Arten der Selbstentladung wie Glühen, Funken, Lichtbogen und Korona. Wir werden kurz für jeden dieser Typen untersuchen, wie sich elektrischer Strom in Gasen verhält.

Eine Potentialdifferenz von 100 (oder noch weniger) bis 1000 Volt reicht aus, um eine Selbstentladung auszulösen. Daher tritt eine Glimmentladung, die durch einen niedrigen Stromwert (von 10 -5 A bis 1 A) gekennzeichnet ist, bei Drücken von nicht mehr als einigen Millimetern Quecksilbersäule auf.

In einer Röhre mit verdünntem Gas und kalten Elektroden sieht die entstehende Glimmentladung wie eine dünne Glühschnur zwischen den Elektroden aus. Wenn Sie weiterhin Gas aus der Röhre pumpen, wird die Schnur ausgewaschen, und bei Drücken von Zehntelmillimetern Quecksilbersäule füllt das Glühen die Röhre fast vollständig aus. In der Nähe der Kathode – im sogenannten dunklen Kathodenraum – gibt es kein Leuchten. Der Rest wird als positive Spalte bezeichnet. In diesem Fall sind die Hauptprozesse, die das Vorhandensein der Entladung gewährleisten, genau im dunklen Kathodenraum und im angrenzenden Bereich lokalisiert. Dabei werden geladene Gasteilchen beschleunigt und dabei Elektronen aus der Kathode geschleudert.

Bei einer Glimmentladung ist die Ursache der Ionisierung die Elektronenemission aus der Kathode. Von der Kathode emittierte Elektronen erzeugen eine Stoßionisierung von Gasmolekülen, die resultierenden positiven Ionen verursachen eine Sekundäremission von der Kathode und so weiter. Das Leuchten einer positiven Säule ist hauptsächlich auf die Freisetzung von Photonen durch angeregte Gasmoleküle zurückzuführen, und verschiedene Gase zeichnen sich durch ein Leuchten einer bestimmten Farbe aus. Die positive Säule ist nur als Teil des Stromkreises an der Entstehung einer Glimmentladung beteiligt. Wenn Sie die Elektroden näher zusammenbringen, können Sie die positive Säule verschwinden lassen, aber die Entladung hört nicht auf. Bei einer weiteren Verringerung des Abstands zwischen den Elektroden kann es jedoch nicht zu einer Glimmentladung kommen.

Es ist zu beachten, dass für diese Art von elektrischem Strom in Gasen die Physik einiger Prozesse noch nicht vollständig geklärt ist. So bleibt beispielsweise die Natur der Kräfte unklar, die bei steigendem Strom eine Ausdehnung des an der Entladung beteiligten Bereichs auf der Kathodenoberfläche bewirken.

Funkenentladung

Der Funkendurchschlag ist gepulster Natur. Sie tritt bei Drücken nahe dem normalen Atmosphärendruck auf, wenn die Leistung der elektrischen Feldquelle nicht ausreicht, um eine stationäre Entladung aufrechtzuerhalten. Die Feldstärke ist hoch und kann 3 MV/m erreichen. Das Phänomen ist durch einen starken Anstieg des elektrischen Entladungsstroms im Gas gekennzeichnet, gleichzeitig sinkt die Spannung extrem schnell und die Entladung stoppt. Dann steigt die Potentialdifferenz wieder an und der gesamte Vorgang wiederholt sich.

Bei dieser Art der Entladung entstehen kurzzeitige Funkenkanäle, deren Wachstum an jedem Punkt zwischen den Elektroden beginnen kann. Dies liegt daran, dass die Stoßionisation zufällig an Orten auftritt, an denen derzeit die größte Anzahl von Ionen konzentriert ist. In der Nähe des Funkenkanals erwärmt sich das Gas schnell und erfährt eine thermische Ausdehnung, wodurch akustische Wellen entstehen. Daher geht eine Funkenentladung mit einem knisternden Geräusch sowie der Freisetzung von Wärme und einem hellen Leuchten einher. Lawinenionisationsprozesse erzeugen im Funkenkanal hohe Drücke und Temperaturen von bis zu 10.000 Grad und mehr.

Das auffälligste Beispiel einer natürlichen Funkenentladung ist der Blitz. Der Durchmesser des Hauptblitzfunkenkanals kann zwischen einigen Zentimetern und 4 m liegen und die Länge des Kanals kann 10 km erreichen. Die Stromstärke erreicht 500.000 Ampere und die Potentialdifferenz zwischen einer Gewitterwolke und der Erdoberfläche erreicht eine Milliarde Volt.

Der längste Blitzeinschlag mit einer Länge von 321 km wurde 2007 in Oklahoma, USA, beobachtet. Der Rekordhalter für die längste Dauer war ein Blitz, der 2012 in den französischen Alpen aufgezeichnet wurde – er dauerte über 7,7 Sekunden. Bei einem Blitzeinschlag kann sich die Luft auf bis zu 30.000 Grad erwärmen, was sechsmal höher ist als die Temperatur der sichtbaren Sonnenoberfläche.

In Fällen, in denen die Leistung der elektrischen Feldquelle ausreichend hoch ist, entwickelt sich die Funkenentladung zu einer Bogenentladung.

Diese Art der Selbstentladung zeichnet sich durch eine hohe Stromdichte und eine niedrige Spannung (weniger als eine Glimmentladung) aus. Aufgrund der großen Nähe der Elektroden ist die Durchschlagsstrecke kurz. Die Entladung wird durch die Emission eines Elektrons von der Kathodenoberfläche eingeleitet (bei Metallatomen ist das Ionisierungspotential im Vergleich zu Gasmolekülen klein). Bei einem Durchschlag entstehen zwischen den Elektroden Bedingungen, unter denen das Gas einen elektrischen Strom leitet und es kommt zu einer Funkenentladung, die den Stromkreis schließt. Wenn die Leistung der Spannungsquelle hoch genug ist, entwickeln sich die Funkenentladungen zu einem stabilen Lichtbogen.

Die Ionisierung während einer Bogenentladung erreicht fast 100 %, der Strom ist sehr hoch und kann zwischen 10 und 100 Ampere liegen. Bei atmosphärischem Druck kann sich der Lichtbogen auf bis zu 5.000 bis 6.000 Grad und die Kathode auf bis zu 3.000 Grad erhitzen, was zu einer intensiven thermionischen Emission von ihrer Oberfläche führt. Der Beschuss der Anode mit Elektronen führt zu einer teilweisen Zerstörung: Auf ihr entsteht eine Vertiefung – ein Krater mit einer Temperatur von etwa 4000 °C. Ein Druckanstieg führt zu einem noch stärkeren Temperaturanstieg.

Beim Trennen der Elektroden bleibt die Lichtbogenentladung bis zu einer bestimmten Entfernung stabil, was es ermöglicht, sie in den Bereichen elektrischer Geräte zu bekämpfen, in denen sie aufgrund der dadurch verursachten Korrosion und des Durchbrennens der Kontakte schädlich ist. Dabei handelt es sich um Geräte wie Hochspannungs- und Leistungsschalter, Schütze und andere. Eine der Methoden zur Bekämpfung von Lichtbögen, die beim Öffnen von Kontakten entstehen, ist der Einsatz von Lichtbogenlöschkammern, die auf dem Prinzip der Lichtbogenverlängerung basieren. Es kommen auch viele andere Methoden zum Einsatz: Umgehen von Kontakten, Verwendung von Materialien mit hohem Ionisierungspotential und so weiter.

Die Entwicklung einer Koronaentladung erfolgt bei normalem Atmosphärendruck in stark inhomogenen Feldern in der Nähe von Elektroden mit großer Oberflächenkrümmung. Dies können Türme, Masten, Drähte, verschiedene Elemente elektrischer Geräte mit komplexer Form und sogar menschliches Haar sein. Eine solche Elektrode wird Koronaelektrode genannt. Ionisationsprozesse und dementsprechend Gasglühen finden nur in seiner Nähe statt.

Eine Korona kann sich sowohl an der Kathode (negative Korona) bei Beschuss mit Ionen als auch an der Anode (positive Korona) durch Photoionisation bilden. Die negative Korona, bei der der Ionisationsprozess infolge thermischer Emission von der Elektrode weggerichtet ist, zeichnet sich durch ein gleichmäßiges Leuchten aus. In der positiven Korona sind Streamer zu beobachten – leuchtende Linien mit unterbrochener Konfiguration, die sich in Funkenkanäle verwandeln können.

Ein Beispiel für Koronaentladungen unter natürlichen Bedingungen sind solche, die an den Spitzen hoher Masten, Baumkronen usw. auftreten. Sie entstehen bei hoher elektrischer Feldstärke in der Atmosphäre, oft vor einem Gewitter oder während eines Schneesturms. Darüber hinaus wurden sie auf der Außenhaut von Flugzeugen aufgezeichnet, die in einer Wolke aus Vulkanasche gefangen waren.

Koronaentladungen an Stromleitungen führen zu erheblichen Stromverlusten. Bei hohen Spannungen kann aus einer Koronaentladung eine Bogenentladung werden. Ihm wird auf verschiedene Weise entgegengewirkt, beispielsweise durch Vergrößerung des Krümmungsradius der Leiter.

Elektrischer Strom in Gasen und Plasma

Ein vollständig oder teilweise ionisiertes Gas wird Plasma genannt und gilt als vierter Aggregatzustand. Im Allgemeinen ist Plasma elektrisch neutral, da die Gesamtladung seiner Teilchenbestandteile Null ist. Dies unterscheidet es von anderen Systemen geladener Teilchen, beispielsweise Elektronenstrahlen.

Unter natürlichen Bedingungen entsteht Plasma in der Regel bei hohen Temperaturen durch die Kollision von Gasatomen mit hoher Geschwindigkeit. Die überwiegende Mehrheit der baryonischen Materie im Universum befindet sich im Plasmazustand. Das sind Sterne, Teil der interstellaren Materie, des intergalaktischen Gases. Auch die Ionosphäre der Erde ist ein verdünntes, schwach ionisiertes Plasma.

Der Ionisationsgrad ist ein wichtiges Merkmal des Plasmas – seine Leitfähigkeit hängt davon ab. Der Ionisationsgrad ist definiert als das Verhältnis der Anzahl ionisierter Atome zur Gesamtzahl der Atome pro Volumeneinheit. Je stärker das Plasma ionisiert ist, desto höher ist seine elektrische Leitfähigkeit. Darüber hinaus zeichnet es sich durch eine hohe Mobilität aus.

Wir sehen also, dass Gase, die im Entladungskanal elektrischen Strom leiten, nichts anderes als Plasma sind. So sind Glüh- und Koronaentladungen Beispiele für kaltes Plasma; Ein Blitzfunkenkanal oder ein Lichtbogen sind Beispiele für heißes, fast vollständig ionisiertes Plasma.

Elektrischer Strom in Metallen, Flüssigkeiten und Gasen – Unterschiede und Gemeinsamkeiten

Betrachten wir die Merkmale, die eine Gasentladung charakterisieren, im Vergleich zu den Stromeigenschaften in anderen Medien.

In Metallen ist Strom die gerichtete Bewegung freier Elektronen, die keine chemischen Veränderungen mit sich bringt. Leiter dieser Art werden Leiter erster Art genannt; Dazu gehören neben Metallen und Legierungen auch Kohle, einige Salze und Oxide. Sie zeichnen sich durch elektronische Leitfähigkeit aus.

Leiter der zweiten Art sind Elektrolyte, also flüssige wässrige Lösungen von Laugen, Säuren und Salzen. Der Stromdurchgang ist mit einer chemischen Veränderung des Elektrolyten verbunden – der Elektrolyse. Ionen einer in Wasser gelösten Substanz bewegen sich unter dem Einfluss einer Potentialdifferenz in entgegengesetzte Richtungen: positive Kationen – zur Kathode, negative Anionen – zur Anode. Der Prozess geht mit der Freisetzung von Gas oder der Ablagerung einer Metallschicht auf der Kathode einher. Leiter des zweiten Typs zeichnen sich durch Ionenleitfähigkeit aus.

Was die Leitfähigkeit von Gasen betrifft, so ist sie erstens vorübergehend und zweitens weist sie bei jedem von ihnen Anzeichen von Ähnlichkeit und Unterschied auf. Somit ist elektrischer Strom sowohl in Elektrolyten als auch in Gasen eine Drift entgegengesetzt geladener Teilchen, die auf gegenüberliegende Elektroden gerichtet sind. Während sich Elektrolyte jedoch durch eine rein ionische Leitfähigkeit auszeichnen, kommt bei einer Gasentladung mit einer Kombination aus elektronischer und ionischer Leitfähigkeit den Elektronen die Hauptrolle zu. Ein weiterer Unterschied zwischen elektrischem Strom in Flüssigkeiten und Gasen ist die Art der Ionisierung. In einem Elektrolyten dissoziieren die Moleküle einer gelösten Verbindung in Wasser, in einem Gas kollabieren die Moleküle jedoch nicht, sondern verlieren nur Elektronen. Daher ist eine Gasentladung, wie ein Strom in Metallen, nicht mit chemischen Veränderungen verbunden.

Auch die Strömung in Flüssigkeiten und Gasen ist unterschiedlich. Die Leitfähigkeit von Elektrolyten folgt im Allgemeinen dem Ohmschen Gesetz, wird jedoch bei einer Gasentladung nicht beobachtet. Die Strom-Spannungs-Kennlinie von Gasen ist viel komplexer und hängt mit den Eigenschaften von Plasma zusammen.

Erwähnt werden sollten auch die allgemeinen und charakteristischen Merkmale des elektrischen Stroms in Gasen und im Vakuum. Vakuum ist ein nahezu perfektes Dielektrikum. „Fast“ – denn im Vakuum ist trotz der Abwesenheit (genauer: extrem geringer Konzentration) freier Ladungsträger auch ein Strom möglich. Potenzielle Träger sind jedoch bereits im Gas vorhanden; sie müssen nur noch ionisiert werden. Aus der Substanz werden Ladungsträger in das Vakuum eingebracht. Dies geschieht in der Regel durch den Vorgang der Elektronenemission, beispielsweise beim Erhitzen der Kathode (thermionische Emission). Aber wie wir gesehen haben, spielt die Emission bei verschiedenen Arten von Gasentladungen eine wichtige Rolle.

Anwendung von Gasentladungen in der Technik

Auf die schädlichen Auswirkungen bestimmter Ableitungen wurde bereits oben kurz eingegangen. Achten wir nun auf die Vorteile, die sie in der Industrie und im Alltag bringen.

Die Glimmentladung wird in der Elektrotechnik (Spannungsstabilisatoren) und in der Beschichtungstechnik (Kathodenzerstäubungsverfahren, basierend auf dem Phänomen der Kathodenkorrosion) eingesetzt. In der Elektronik wird es zur Erzeugung von Ionen- und Elektronenstrahlen eingesetzt. Weithin bekannte Einsatzgebiete der Glimmentladung sind Leuchtstoff- und sogenannte Energiesparlampen sowie dekorative Neon- und Argon-Gasentladungsröhren. Darüber hinaus wird die Glimmentladung in der Spektroskopie eingesetzt.

Die Funkenentladung wird in Sicherungen und in elektrischen Entladungsverfahren für die Präzisionsmetallbearbeitung (Funkenschneiden, Bohren usw.) verwendet. Am bekanntesten ist es jedoch für die Verwendung in Zündkerzen für Verbrennungsmotoren und in Haushaltsgeräten (Gasherden).

Die erstmals 1876 in der Lichttechnik eingesetzte Bogenentladung (Jablochkov-Kerze – „russisches Licht“) dient auch heute noch als Lichtquelle – beispielsweise in Projektionsgeräten und leistungsstarken Suchscheinwerfern. In der Elektrotechnik wird der Lichtbogen in Quecksilbergleichrichtern eingesetzt. Darüber hinaus wird es beim Elektroschweißen, beim Metallschneiden und in industriellen Elektroöfen zum Schmelzen von Stahl und Legierungen verwendet.

Koronaentladung wird in Elektrofiltern zur Ionengasreinigung, in Partikelzählern, in Blitzableitern und in Klimaanlagen eingesetzt. Die Koronaentladung funktioniert auch in Fotokopierern und Laserdruckern, wo sie eine lichtempfindliche Trommel lädt und entlädt und Pulver von der Trommel auf das Papier überträgt.

Somit finden Gasentladungen aller Art die breiteste Anwendung. Elektrischer Strom in Gasen wird in vielen Bereichen der Technik erfolgreich und effektiv eingesetzt.