Tidak ada dielektrik mutlak di alam. Pergerakan partikel yang teratur - pembawa muatan listrik - yaitu arus, dapat disebabkan dalam media apa pun, tetapi ini memerlukan kondisi khusus. Kami akan mempertimbangkan di sini bagaimana fenomena listrik berlangsung dalam gas dan bagaimana gas dapat diubah dari dielektrik yang sangat baik menjadi konduktor yang sangat baik. Kami akan tertarik pada kondisi di mana ia muncul, serta fitur apa yang mencirikan arus listrik dalam gas.
Sifat listrik gas
Dielektrik adalah zat (medium) di mana konsentrasi partikel - pembawa bebas muatan listrik - tidak mencapai nilai yang signifikan, sehingga konduktivitasnya dapat diabaikan. Semua gas adalah dielektrik yang baik. Sifat isolasi mereka digunakan di mana-mana. Misalnya, dalam pemutus sirkuit apa pun, pembukaan sirkuit terjadi ketika kontak dibawa ke posisi sedemikian rupa sehingga celah udara terbentuk di antara mereka. Kabel di saluran listrikjuga terisolasi satu sama lain oleh lapisan udara.
Satuan struktural dari setiap gas adalah molekul. Ini terdiri dari inti atom dan awan elektron, yaitu kumpulan muatan listrik yang didistribusikan di ruang angkasa dalam beberapa cara. Molekul gas dapat menjadi dipol listrik karena kekhasan strukturnya, atau dapat terpolarisasi di bawah aksi medan listrik eksternal. Sebagian besar molekul yang membentuk gas bersifat netral secara listrik dalam kondisi normal, karena muatan di dalamnya saling meniadakan.
Jika medan listrik diterapkan pada gas, molekul akan mengambil orientasi dipol, menempati posisi spasial yang mengkompensasi efek medan. Partikel bermuatan yang ada dalam gas di bawah pengaruh gaya Coulomb akan mulai bergerak: ion positif - ke arah katoda, ion negatif dan elektron - menuju anoda. Namun, jika medan memiliki potensi yang tidak mencukupi, aliran muatan terarah tunggal tidak muncul, dan seseorang dapat berbicara tentang arus terpisah, yang begitu lemah sehingga harus diabaikan. Gas berperilaku seperti dielektrik.
Jadi, untuk terjadinya arus listrik dalam gas, diperlukan konsentrasi besar pembawa muatan bebas dan adanya medan.
Ionisasi
Proses peningkatan jumlah muatan bebas seperti longsoran dalam gas disebut ionisasi. Dengan demikian, gas di mana ada sejumlah besar partikel bermuatan disebut terionisasi. Dalam gas seperti itulah arus listrik dibuat.
Proses ionisasi dikaitkan dengan pelanggaran netralitas molekul. Sebagai hasil dari pelepasan elektron, ion positif muncul, penempelan elektron ke molekul mengarah pada pembentukan ion negatif. Selain itu, ada banyak elektron bebas dalam gas terionisasi. Ion positif dan terutama elektron adalah pembawa muatan utama untuk arus listrik dalam gas.
Ionisasi terjadi ketika sejumlah energi diberikan ke partikel. Dengan demikian, elektron eksternal dalam komposisi molekul, setelah menerima energi ini, dapat meninggalkan molekul. Tabrakan timbal balik antara partikel bermuatan dengan partikel netral menyebabkan tersingkirnya elektron baru, dan prosesnya mengambil karakter seperti longsoran salju. Energi kinetik partikel juga meningkat, yang sangat mendorong ionisasi.
Dari mana asal energi yang digunakan untuk membangkitkan arus listrik dalam gas? Ionisasi gas memiliki beberapa sumber energi, yang sesuai dengan jenisnya.
- Ionisasi oleh medan listrik. Dalam hal ini, energi potensial medan diubah menjadi energi kinetik partikel.
- Termoionisasi. Peningkatan suhu juga menyebabkan pembentukan sejumlah besar muatan bebas.
- Fotoionisasi. Inti dari proses ini adalah bahwa elektron disuplai dengan energi oleh kuanta radiasi elektromagnetik - foton, jika mereka memiliki frekuensi yang cukup tinggi (ultraviolet, sinar-x, gamma kuanta).
- Ionisasi tumbukan adalah hasil konversi energi kinetik partikel yang bertumbukan menjadi energi pemisahan elektron. Sebaikionisasi termal, ini berfungsi sebagai faktor eksitasi utama dalam gas arus listrik.
Setiap gas dicirikan oleh nilai ambang tertentu - energi ionisasi yang dibutuhkan elektron untuk melepaskan diri dari molekul, mengatasi penghalang potensial. Nilai untuk elektron pertama ini berkisar dari beberapa volt hingga dua puluh volt; lebih banyak energi diperlukan untuk melepaskan elektron berikutnya dari molekul, dan seterusnya.
Harus diperhitungkan bahwa bersamaan dengan ionisasi dalam gas, proses sebaliknya terjadi - rekombinasi, yaitu pemulihan molekul netral di bawah aksi gaya tarik Coulomb.
Debit Gas dan Jenisnya
Jadi, arus listrik dalam gas disebabkan oleh gerakan teratur partikel bermuatan di bawah aksi medan listrik yang diterapkan padanya. Kehadiran muatan seperti itu, pada gilirannya, dimungkinkan karena berbagai faktor ionisasi.
Jadi, ionisasi termal membutuhkan suhu yang signifikan, tetapi nyala api terbuka karena beberapa proses kimia berkontribusi pada ionisasi. Bahkan pada suhu yang relatif rendah dengan adanya nyala api, munculnya arus listrik dalam gas dicatat, dan eksperimen dengan konduktivitas gas memudahkan untuk memverifikasi ini. Hal ini diperlukan untuk menempatkan nyala api pembakar atau lilin di antara pelat kapasitor bermuatan. Rangkaian yang sebelumnya terbuka karena celah udara pada kapasitor akan menutup. Galvanometer yang terhubung ke rangkaian akan menunjukkan adanya arus.
Arus listrik dalam gas disebut pelepasan gas. Harus diingat bahwauntuk menjaga stabilitas pelepasan, aksi ionizer harus konstan, karena karena rekombinasi yang konstan, gas kehilangan sifat konduktif listriknya. Beberapa pembawa arus listrik dalam gas - ion - dinetralkan pada elektroda, yang lain - elektron - jatuh pada anoda, diarahkan ke "plus" sumber medan. Jika faktor pengion berhenti beroperasi, gas akan segera menjadi dielektrik lagi, dan arus akan berhenti. Arus seperti itu, bergantung pada aksi ionizer eksternal, disebut pelepasan tidak mandiri.
Fitur aliran arus listrik melalui gas dijelaskan oleh ketergantungan khusus kekuatan arus pada tegangan - karakteristik tegangan arus.
Mari kita perhatikan perkembangan pelepasan gas pada grafik ketergantungan arus-tegangan. Ketika tegangan naik ke nilai tertentu U1, arus meningkat secara proporsional, yaitu, hukum Ohm terpenuhi. Energi kinetik meningkat, dan karenanya kecepatan muatan dalam gas, dan proses ini mendahului rekombinasi. Pada nilai tegangan dari U1 hingga U2 rasio ini dilanggar; ketika U2 tercapai, semua pembawa muatan mencapai elektroda tanpa memiliki waktu untuk bergabung kembali. Semua muatan gratis terlibat, dan peningkatan tegangan lebih lanjut tidak menyebabkan peningkatan arus. Sifat pergerakan muatan ini disebut arus saturasi. Dengan demikian, kita dapat mengatakan bahwa arus listrik dalam gas juga disebabkan oleh kekhasan perilaku gas terionisasi dalam medan listrik dengan berbagai kekuatan.
Ketika beda potensial di seluruh elektroda mencapai nilai tertentu U3, tegangan menjadi cukup untuk medan listrik untuk menyebabkan ionisasi gas seperti longsoran salju. Energi kinetik elektron bebas sudah cukup untuk ionisasi tumbukan molekul. Pada saat yang sama, kecepatannya di sebagian besar gas adalah sekitar 2000 km/s dan lebih tinggi (dihitung dengan rumus perkiraan v=600 Ui, di mana Ui adalah potensial ionisasi). Pada saat ini, kerusakan gas terjadi dan peningkatan arus yang signifikan terjadi karena sumber ionisasi internal. Oleh karena itu, pelepasan seperti itu disebut independen.
Keberadaan external ionizer dalam hal ini tidak lagi berperan dalam menjaga arus listrik dalam gas. Sebuah pelepasan mandiri dalam kondisi yang berbeda dan dengan karakteristik yang berbeda dari sumber medan listrik dapat memiliki fitur tertentu. Ada jenis self-discharge seperti glow, spark, arc dan corona. Kita akan melihat bagaimana arus listrik berperilaku dalam gas, secara singkat untuk masing-masing jenis ini.
Pembuangan Cahaya
Dalam gas yang dijernihkan, perbedaan potensial dari 100 (bahkan lebih kecil) hingga 1000 volt sudah cukup untuk memulai pelepasan independen. Oleh karena itu, pelepasan pijar, yang ditandai dengan kekuatan arus yang rendah (dari 10-5 A hingga 1 A), terjadi pada tekanan tidak lebih dari beberapa milimeter air raksa.
Dalam tabung dengan gas yang dimurnikan dan elektroda dingin, pelepasan cahaya yang muncul terlihat seperti kabel bercahaya tipis di antara elektroda. Jika Anda terus memompa gas dari tabung, Anda akan mengamatikabel menjadi kabur, dan pada tekanan sepersepuluh milimeter air raksa, cahaya memenuhi tabung hampir seluruhnya. Cahaya tidak ada di dekat katoda - dalam apa yang disebut ruang katoda gelap. Sisanya disebut kolom positif. Dalam hal ini, proses utama yang memastikan keberadaan pelepasan dilokalisasi tepat di ruang katoda gelap dan di wilayah yang berdekatan dengannya. Di sini, partikel gas bermuatan dipercepat, menjatuhkan elektron dari katoda.
Dalam pelepasan pijar, penyebab ionisasi adalah emisi elektron dari katoda. Elektron yang dipancarkan oleh katoda menghasilkan dampak ionisasi molekul gas, ion positif yang muncul menyebabkan emisi sekunder dari katoda, dan seterusnya. Cahaya kolom positif terutama disebabkan oleh mundurnya foton oleh molekul gas yang tereksitasi, dan gas yang berbeda dicirikan oleh cahaya dengan warna tertentu. Kolom positif mengambil bagian dalam pembentukan pelepasan pijar hanya sebagai bagian dari rangkaian listrik. Jika Anda mendekatkan elektroda, Anda dapat mencapai hilangnya kolom positif, tetapi pelepasannya tidak akan berhenti. Namun, dengan pengurangan lebih lanjut dalam jarak antara elektroda, pelepasan pijar tidak akan ada.
Perlu dicatat bahwa untuk jenis arus listrik dalam gas ini, fisika dari beberapa proses belum sepenuhnya dijelaskan. Sebagai contoh, sifat gaya-gaya yang menyebabkan pemuaian pada permukaan katoda dari daerah yang mengambil bagian dalam pelepasan masih belum jelas.
Pelepasan bunga api
Sparkkerusakan memiliki karakter impulsif. Itu terjadi pada tekanan yang mendekati atmosfer normal, dalam kasus di mana kekuatan sumber medan listrik tidak cukup untuk mempertahankan pelepasan stasioner. Dalam hal ini, kuat medannya tinggi dan dapat mencapai 3 MV/m. Fenomena ini ditandai dengan peningkatan tajam dalam pelepasan arus listrik dalam gas, pada saat yang sama tegangan turun sangat cepat, dan pelepasan berhenti. Kemudian beda potensial meningkat lagi, dan seluruh proses diulang.
Dengan jenis pelepasan ini, saluran percikan jangka pendek terbentuk, yang pertumbuhannya dapat dimulai dari titik mana pun di antara elektroda. Hal ini disebabkan oleh fakta bahwa ionisasi tumbukan terjadi secara acak di tempat-tempat di mana jumlah ion terbesar saat ini terkonsentrasi. Di dekat saluran percikan, gas memanas dengan cepat dan mengalami ekspansi termal, yang menyebabkan gelombang akustik. Oleh karena itu, pelepasan percikan disertai dengan derak, serta pelepasan panas dan cahaya terang. Proses ionisasi longsoran menghasilkan tekanan dan suhu tinggi hingga 10 ribu derajat dan lebih di saluran percikan.
Contoh paling jelas dari pelepasan percikan alami adalah petir. Diameter saluran percikan petir utama dapat berkisar dari beberapa sentimeter hingga 4 m, dan panjang saluran dapat mencapai 10 km. Besarnya arus mencapai 500 ribu ampere, dan beda potensial antara awan petir dan permukaan bumi mencapai satu miliar volt.
Petir terjauh sejauh 321 km diamati pada tahun 2007 di Oklahoma, AS. Pemegang rekor untuk durasi itu adalah kilat, tercatatpada 2012 di Pegunungan Alpen Prancis - itu berlangsung lebih dari 7,7 detik. Saat disambar petir, udara bisa memanas hingga 30 ribu derajat, yaitu 6 kali suhu permukaan Matahari yang terlihat.
Dalam kasus di mana kekuatan sumber medan listrik cukup besar, pelepasan percikan berkembang menjadi busur.
Pembuangan Busur
Jenis self-discharge ini ditandai dengan kepadatan arus yang tinggi dan tegangan rendah (kurang dari glow discharge). Jarak kerusakan kecil karena kedekatan elektroda. Pelepasan dimulai oleh emisi elektron dari permukaan katoda (untuk atom logam, potensi ionisasi kecil dibandingkan dengan molekul gas). Selama kerusakan antara elektroda, kondisi dibuat di mana gas menghantarkan arus listrik, dan pelepasan percikan terjadi, yang menutup sirkuit. Jika daya sumber tegangan cukup besar, pelepasan bunga api berubah menjadi busur listrik yang stabil.
Ionisasi selama pelepasan busur mencapai hampir 100%, kekuatan arus sangat tinggi dan bisa dari 10 hingga 100 ampere. Pada tekanan atmosfer, busur dapat memanas hingga 5–6 ribu derajat, dan katoda - hingga 3 ribu derajat, yang mengarah pada emisi termionik yang intens dari permukaannya. Pemboman anoda dengan elektron menyebabkan kehancuran sebagian: ceruk terbentuk di atasnya - kawah dengan suhu sekitar 4000 °C. Peningkatan tekanan menyebabkan peningkatan suhu yang lebih besar.
Saat menyebarkan elektroda, pelepasan busur tetap stabil hingga jarak tertentu,yang memungkinkan Anda untuk menanganinya di area peralatan listrik yang berbahaya karena korosi dan kejenuhan kontak yang disebabkan olehnya. Ini adalah perangkat seperti sakelar tegangan tinggi dan otomatis, kontaktor, dan lainnya. Salah satu metode untuk memerangi busur yang terjadi saat membuka kontak adalah penggunaan peluncuran busur berdasarkan prinsip perpanjangan busur. Banyak metode lain juga digunakan: menjembatani kontak, menggunakan bahan dengan potensi ionisasi tinggi, dan sebagainya.
Corona keluar
Perkembangan pelepasan korona terjadi pada tekanan atmosfer normal di medan yang sangat tidak homogen di dekat elektroda dengan kelengkungan permukaan yang besar. Ini bisa berupa menara, tiang, kabel, berbagai elemen peralatan listrik yang bentuknya rumit, dan bahkan rambut manusia. Elektroda semacam itu disebut elektroda korona. Proses ionisasi dan, karenanya, pancaran gas hanya terjadi di dekatnya.
Korona dapat terbentuk di katoda (korona negatif) ketika dibombardir dengan ion, dan di anoda (positif) sebagai akibat dari fotoionisasi. Korona negatif, di mana proses ionisasi diarahkan menjauh dari elektroda sebagai akibat dari emisi termal, ditandai dengan cahaya yang merata. Di korona positif, pita dapat diamati - garis bercahaya dengan konfigurasi terputus yang dapat berubah menjadi saluran percikan.
Contoh pelepasan korona dalam kondisi alami adalah kebakaran St. Elmo yang terjadi di ujung tiang tinggi, puncak pohon dan sebagainya. Mereka terbentuk pada tegangan listrik yang tinggiladang di atmosfer, sering sebelum badai petir atau selama badai salju. Selain itu, mereka dipasang di kulit pesawat yang jatuh ke awan abu vulkanik.
Corona discharge pada kabel saluran listrik menyebabkan kerugian yang signifikan dari listrik. Pada tegangan tinggi, pelepasan korona dapat berubah menjadi busur. Ini diperangi dengan berbagai cara, misalnya, dengan meningkatkan jari-jari kelengkungan konduktor.
Arus listrik dalam gas dan plasma
Gas yang terionisasi sebagian atau seluruhnya disebut plasma dan dianggap sebagai materi keempat. Secara keseluruhan, plasma bersifat netral, karena muatan total partikel penyusunnya adalah nol. Ini membedakannya dari sistem partikel bermuatan lainnya, seperti berkas elektron.
Dalam kondisi alami, plasma biasanya terbentuk pada suhu tinggi karena tumbukan atom gas dengan kecepatan tinggi. Sebagian besar materi barionik di alam semesta berada dalam bentuk plasma. Ini adalah bintang, bagian dari materi antarbintang, gas antargalaksi. Ionosfer bumi juga merupakan plasma terionisasi lemah yang dijernihkan.
Derajat ionisasi merupakan karakteristik penting dari plasma - sifat konduktifnya bergantung padanya. Derajat ionisasi didefinisikan sebagai perbandingan jumlah atom yang terionisasi dengan jumlah total atom per satuan volume. Semakin terionisasi plasma, semakin tinggi konduktivitas listriknya. Selain itu, ditandai dengan mobilitas yang tinggi.
Oleh karena itu, kita melihat bahwa gas-gas yang menghantarkan listrik berada di dalamsaluran pembuangan tidak lain adalah plasma. Jadi, pelepasan cahaya dan korona adalah contoh plasma dingin; saluran percikan petir atau busur listrik adalah contoh plasma panas yang hampir terionisasi sempurna.
Arus listrik dalam logam, cair dan gas - perbedaan dan persamaan
Mari kita perhatikan fitur-fitur yang menjadi ciri pelepasan gas dibandingkan dengan sifat-sifat arus di media lain.
Dalam logam, arus adalah pergerakan elektron bebas yang terarah yang tidak memerlukan perubahan kimia. Konduktor jenis ini disebut konduktor jenis pertama; ini termasuk, selain logam dan paduan, batu bara, beberapa garam dan oksida. Mereka dibedakan oleh konduktivitas elektronik.
Konduktor jenis kedua adalah elektrolit, yaitu larutan alkali cair, asam dan garam. Aliran arus dikaitkan dengan perubahan kimia dalam elektrolit - elektrolisis. Ion suatu zat yang dilarutkan dalam air, di bawah aksi perbedaan potensial, bergerak ke arah yang berlawanan: kation positif - ke katoda, anion negatif - ke anoda. Proses tersebut disertai dengan evolusi gas atau pengendapan lapisan logam pada katoda. Konduktor jenis kedua dicirikan oleh konduktivitas ionik.
Adapun konduktivitas gas, pertama, bersifat sementara, dan kedua, memiliki tanda persamaan dan perbedaan masing-masing. Jadi, arus listrik dalam elektrolit dan gas adalah aliran partikel bermuatan berlawanan yang diarahkan ke elektroda yang berlawanan. Namun, sementara elektrolit dicirikan oleh konduktivitas ionik murni, dalam pelepasan gas dengan kombinasijenis konduktivitas elektronik dan ionik, peran utama adalah elektron. Perbedaan lain antara arus listrik dalam cairan dan gas adalah sifat ionisasi. Dalam elektrolit, molekul senyawa terlarut terdisosiasi dalam air, tetapi dalam gas, molekul tidak terurai, tetapi hanya kehilangan elektron. Oleh karena itu, pelepasan gas, seperti arus dalam logam, tidak terkait dengan perubahan kimia.
Fisika arus listrik pada zat cair dan gas juga tidak sama. Konduktivitas elektrolit secara keseluruhan mematuhi hukum Ohm, tetapi tidak diamati selama pelepasan gas. Karakteristik volt-ampere gas memiliki karakter yang jauh lebih kompleks terkait dengan sifat-sifat plasma.
Perlu disebutkan ciri-ciri umum dan khas arus listrik dalam gas dan vakum. Vakum hampir merupakan dielektrik yang sempurna. "Hampir" - karena dalam ruang hampa, meskipun tidak ada (lebih tepatnya, konsentrasi yang sangat rendah) dari pembawa muatan bebas, arus juga dimungkinkan. Tetapi pembawa potensial sudah ada dalam gas, mereka hanya perlu terionisasi. Pembawa muatan dibawa ke ruang hampa dari materi. Sebagai aturan, ini terjadi dalam proses emisi elektron, misalnya, ketika katoda dipanaskan (emisi termionik). Namun, seperti yang telah kita lihat, emisi juga berperan penting dalam berbagai jenis pelepasan gas.
Penggunaan pelepasan gas dalam teknologi
Efek berbahaya dari pelepasan tertentu telah dibahas secara singkat di atas. Sekarang mari kita perhatikan manfaat yang mereka bawa dalam industri dan kehidupan sehari-hari.
Pembuangan cahaya digunakan dalam teknik listrik(penstabil tegangan), dalam teknologi pelapisan (metode sputtering katoda berdasarkan fenomena korosi katoda). Dalam elektronik, digunakan untuk menghasilkan berkas ion dan elektron. Bidang aplikasi yang terkenal untuk pelepasan pijar adalah lampu fluoresen dan yang disebut lampu ekonomis serta tabung pelepasan neon dan argon dekoratif. Selain itu, pelepasan cahaya digunakan dalam laser gas dan spektroskopi.
Pembuangan bunga api digunakan dalam sekering, dalam metode elektroerosif dari pemrosesan logam presisi (pemotongan bunga api, pengeboran, dan sebagainya). Tapi paling dikenal untuk digunakan dalam busi mesin pembakaran internal dan peralatan rumah tangga (kompor gas).
Pembuangan busur, pertama kali digunakan dalam teknologi pencahayaan pada tahun 1876 (lilin Yablochkov - "cahaya Rusia"), masih berfungsi sebagai sumber cahaya - misalnya, pada proyektor dan lampu sorot yang kuat. Dalam teknik listrik, busur digunakan dalam penyearah merkuri. Selain itu, digunakan dalam pengelasan listrik, pemotongan logam, tungku listrik industri untuk peleburan baja dan paduan.
Corona discharge digunakan dalam presipitator elektrostatik untuk pembersihan gas ion, penghitung partikel dasar, penangkal petir, sistem pendingin udara. Pelepasan korona juga bekerja di mesin fotokopi dan printer laser, di mana ia mengisi dan mengeluarkan drum fotosensitif dan mentransfer bubuk dari drum ke kertas.
Dengan demikian, pelepasan gas dari semua jenis paling banyak ditemukanaplikasi yang luas. Arus listrik dalam gas berhasil dan efektif digunakan di banyak bidang teknologi.
