Co způsobuje jiskru?

Elektron má nejmenší záporný elektrický náboj. Proton má kladný elektrický náboj, který se v absolutní hodnotě rovná náboji elektronu. Záporný náboj je označen znaménkem mínus a kladný náboj znaménkem plus.

K interakci elektrických nábojů dochází prostřednictvím elektrického pole, ve kterém se projevují elektrické síly spojené s těmito náboji. Elektrické pole je prostor kolem elektrického náboje (nabitého tělesa).

Emise pole ve vakuu

Je tedy známo, že v kovech existují vodivostní elektrony. A i když se neustále podílejí na tepelném pohybu, jsou stále zadržovány uvnitř kovu v důsledku působení sil směřujících z povrchu kovu – do něj a zabraňujících elektronům svévolně opouštět tento kov. Tyto síly jsou přitažlivé síly působící na elektrony z kladně nabitých iontů kovové krystalové mřížky.

V důsledku toho se v blízkosti povrchu uvnitř kovu nachází elektrické pole E, které určuje potenciálový rozdíl φ při přechodu z prostoru vně kovu dovnitř. To znamená potenciální energie elektronů, aby mohla proniknout zvenčí do kovu, musí klesnout o hodnotu eφ.

Podívejme se na energetický diagram. Zde je znázorněno: W0 je energie elektronu v klidu mimo kov; Ec je minimální energie vodivostního elektronu.

Je zde potenciální studna, jejíž hloubka je přesně rovna eφ = W0 – Ec. Tato hodnota se nazývá elektronová afinita a charakterizuje konkrétní látku. Pokud tedy určitý elektron uvnitř kovu má energii W1, která je menší než W0, pak takový elektron jednoduše nemá dostatek energie, aby opustil kov.

Ale elektronům uvnitř kovu může být nějakým způsobem poskytnuta dodatečná kinetická energie, takže některé elektrony mohou kov opustit, a budeme pozorovat jev emise elektronů, tedy emise elektronů z povrchu daného kovu.

Jedním ze speciálních případů elektronického vyzařování je emise pole je emise elektronů z kovového povrchu pod vlivem dostatečně silného elektrického pole.

Vezměme si příklad evakuovaná trubice, uvnitř kterého jsou na obou stranách připájeny dvě elektrody, z nichž jedna (jmenovitě katoda) má špičatý tvar a druhá má relativně velký povrch.

Katoda, jak její název napovídá, je připojena k zápornému pólu zdroje napětí a anoda ke kladnému pólu. V této situaci budou čáry intenzity elektrického pole E v blízkosti katody více koncentrované ve srovnání s prostorem v blízkosti anody.

Podívejme se na situaci podrobněji. Řekněme, že máme anodu ve tvaru koule o poloměru b a katoda je malá kulička o poloměru a s b>>a a katoda je instalována přesně ve středu koule. V tomto případě v bodě ve vzdálenosti r od středu koule bude intenzita elektrického pole rovna:

A pokud vezmeme r = a, pak najdeme intenzitu pole E na samotném povrchu katody. Bude se přibližně rovnat:

To znamená, že již při napětí mezi katodou a anodou 1000 voltů a poloměru katody 0,01 mm bude intenzita elektrického pole na jejím povrchu rovna 100 MV/m! Za takových podmínek vznikne ve vakuové trubici slabý elektrický proud (měřeno v mikroampérech), když elektrony začnou opouštět hrot katody a stávají se nositeli tohoto proudu. A čím vyšší zvedneme napětí mezi katodou a anodou, tím větší bude tento proud.

V tomto případě může být katoda studená, proto se tomuto typu emise říká studené emise nebo polní emise. Pokud se napětí dále zvyšuje, katoda se začne zahřívat, dokud se kov neodpaří a v této trubici dojde k výboji plynu.

Není těžké pochopit, že k emisi pole dochází jednoduše díky tomu, že silné elektrické pole v blízkosti katody mění potenciálovou bariéru na kovovém povrchu – výška bariéry se zmenšuje, a proto se zmenšuje požadovaná pracovní funkce pro elektrony. Bariéra se také ztenčuje, což znamená, že se zvyšuje celková pravděpodobnost, že přes ni pronikne elektron a opustí kovový povrch.

Při vysoké intenzitě elektrického pole na katodě se emise pole může projevit i při docela nízké teplotě, za těchto podmínek není vůbec nutné katodu zahřívat nebo osvětlovat ultrafialovým nebo rentgenovým zářením. Připomeňme, že jsme zde uvažovali o procesu emise ve vakuu.

Samostatný výboj v plynu za použití vzduchu jako příkladu

V normálním stavu plyny nevedou elektrický proud. Ale pokud plyn vystavíte určitému vnějšímu vlivu, může být elektricky vodivý.

Například nabité částice se objevují v atmosférickém vzduchu pod vlivem ultrafialových paprsků. To se děje proto, že se z atomů plynu zbavují elektrony a místo neutrálních atomů budou ve vzduchu také kladné ionty a elektrony. Některé elektrony budou brzy zachyceny neutrálními atomy a poté se v tomto objemu objeví i záporné ionty.

Pro plynné ionty platí tvrzení, že rychlost uspořádaného pohybu iontů je úměrná síle elektrického pole E, ve kterém se nacházejí, a také pohyblivosti iontů b:

Pohyblivost iontů je definována jako průměrná rychlost, kterou plynné ionty získávají v elektrickém poli 1 V/m. Mobility záporných a kladných iontů se navíc liší:

Výše uvedené tvrzení platí, když je počet srážek dostatečně velký a průměrná délka volné dráhy plynových iontů je výrazně menší než vzdálenost mezi katodou a anodou. Za normálních podmínek je tato poloha téměř vždy splněna, protože tlak v plynu asi desetiny mmHg je již dostatečný, jinak by se dalo uvažovat, že proces probíhá ve vakuu. V důsledku toho je mobilita iontů nepřímo úměrná tlaku plynu v širokém rozsahu tlaků.

Stojí za zmínku, že povaha pohybu iontů v plynech je mnohem složitější než povaha pohybu elektronů v kovech. Faktem je, že ionty v plynu jsou často mezi elektrodami distribuovány nerovnoměrně, takže mezi elektrony existuje určitý gradient koncentrace iontů, což způsobuje tok difúze iontů.

Protože proudy kladných a záporných iontů se navzájem nerovnají, vznikají v plynu prostorové náboje, které komplikují rozložení síly elektrického pole mezi elektrodami. Kromě toho zde mohou vznikat i nosiče náboje v důsledku nárazová ionizace elektronya koncentrace iontů proto může záviset na síle elektrického pole. To vše vede k tomu, že Ohmův zákon není v plynu obvykle splněn.

Za podmínek ionizace v plynu je to možné výskyt samostatného výboje podle lavinového principu. Řekněme, že z katody vyletí elektron. Na volné dráze se vlivem elektrického pole pohybuje zrychleně a získává kinetickou energii.

Pokud je tato energie větší nebo rovna ionizační energii atomů plynu, pak při srážce s atomem bude atom ionizován, stane se kladným iontem, v důsledku toho již existuje pohybující se kladný iont a nový elektron . Elektrony se budou pohybovat směrem k anodě a kladné ionty směrem ke katodě.

Po srážkách získají elektrony energii a další srážky produkují čtyři elektrony. Potom osm, pak šestnáct atd. To vytvoří lavinu elektronů, když se pohybují směrem k anodě (a odpovídající počet kladných iontů pohybujících se směrem ke katodě).

Počet párů iontů a elektronů vytvořených na jednotkovou cestu z jednoho elektronu se nazývá objemový ionizační koeficient α. A protože je energie elektronu větší, čím větší je síla elektrického pole E, pak na síle E závisí objemový ionizační koeficient α.

Koeficient α je také úměrný tlaku plynu. Aby se výboj osamostatnil, je nutné, aby elektronová lavina byla podpořena procesem dodávání nových elektronů, které nahradí ty, které jdou na anodu.

Jedním z těchto procesů může být sekundární emise elektronů, ve kterém některé zvláště rychlé kladné ionty vyrazí určitý počet elektronů z katody.

Za určitých hypotetických podmínek (za určitých napětí) oba procesy společně povedou ke vzniku samovybíjení.

Ale ve skutečnosti k nekonečnému nárůstu elektronových lavin nedojde, protože vybíjecí obvod má odpor, s výrazným nárůstem proudu se napětí v mezeře sníží, což znamená, že se také sníží elektrické pole. Proto je hodnota proudu konečná a závisí jak na emf zdroje, tak na odporu obvodu.

Jiskra ve vzduchu

Vraťme se k atmosférickému vzduchu. Postupně budeme zvyšovat napětí mezi katodou a anodou, které mají tvar velkých koulí. Elektrické pole mezi nimi bude téměř rovnoměrné.

V určitém okamžiku, v procesu zvyšování intenzity elektrického pole, a elektrická jiskra – tenký zakřivený světelný kanál spojující elektrody.

K tomu dojde v okamžiku, kdy elektrická intenzita E dosáhne určité kritické hodnoty Ek. Pro vzduch za normálních podmínek je to 3 MV/m. Při přiložení externího ionizátoru do vzduchu se průrazné napětí samozřejmě sníží.

Zdálo by se, že proces tvorby jisker by se dal vysvětlit elektronovou lavinou, podle výše uvedeného diagramu. Ale ne! Pokud by u jiskry hrála podstatnou roli pouze nárazová ionizace elektrony, pak by doba vývoje jiskry byla řádově 10 – 100 μs, ale v praxi to není více než 100 ns – stokrát méně!

Ve skutečnosti je proces tvorby jisker dobře vysvětlen teorie streamerů. Podle teorie streameru se v prvním okamžiku objeví shluk ionizovaných částic se slabou září. Tyto částice pronikají mezerou mezi katodou a anodou a vytvářejí četné vodivé kanály, kterými se řítí silnější toky elektronů. Podílejí se zde nejen elektronové laviny nárazové ionizace, ale i faktor ionizace plynu zářením samotného jiskrového výboje.

Kromě první elektronové laviny, která vzniká přímo v blízkosti katody, se tedy v bodech nacházejících se daleko před „hlavou“ počáteční laviny generují nové laviny, které jsou důsledkem výskytu zárodečných elektronů v důsledku fotoionizace. od záření předchozí laviny.

Jednotlivé laviny, které se k sobě dostávají, se spojují a tvoří vysoce vodivý streamer kanál. Celková dráha „jiskrového“ streameru je tedy několikanásobně větší než dráha, kterou urazila úplně první lavina. Paralelně se streamery šířícími se od katody ke katodě (negativní streamery) existují také pozitivní streamery pohybující se od anody ke katodě.

• Role zdroje EMF v elektrickém obvodu
• Bezdrátové radiokomunikace, elektromagnetické pole, elektromagnetické vlny a jejich spektrum
• Výkonové transformátory v rozvodnách 6 – 35 kV: vše, co potřebujete vědět

Doufám, že vám byl tento článek užitečný. Podívejte se také na další články z kategorie Elektrická energie v každodenním životě i v práci » Pomoci začínajícím elektrikářům

Přihlaste se k odběru našeho kanálu na Telegram: World of Electricity

Zde můžete zanechat komentář, položit otázku a jen chatovat:
Chat na elektrická témata

Sdílejte tento článek se svými přáteli: