Pelepasan percikan terjadi ketika kuat medan listrik mencapai nilai tembusnya gas tertentu.Nilainya bergantung pada tekanan gas; untuk udara pada tekanan atmosfer adalah sekitar . Ketika tekanan meningkat, tekanannya meningkat. Menurut hukum eksperimen Paschen, rasio kekuatan medan tembus terhadap tekanan kira-kira konstan:

Pelepasan percikan api disertai dengan pembentukan saluran bercabang yang bercahaya terang, berliku-liku, yang dilalui oleh pulsa arus jangka pendek. kekuatan yang besar. Contohnya adalah petir; panjangnya bisa mencapai 10 km, diameter saluran mencapai 40 cm, kuat arusnya bisa mencapai 100.000 ampere atau lebih, durasi pulsa sekitar .

Setiap petir terdiri dari beberapa (hingga 50) pulsa yang mengikuti saluran yang sama; durasi totalnya (bersama dengan interval antar pulsa) bisa mencapai beberapa detik. Suhu gas di saluran percikan bisa mencapai 10.000 K. Pemanasan gas yang cepat dan kuat menyebabkan peningkatan tekanan yang tajam dan munculnya gelombang kejut dan suara. Oleh karena itu, pelepasan percikan api disertai dengan fenomena suara - mulai dari suara retakan samar dari percikan api berkekuatan rendah hingga gemuruh guntur yang menyertai kilat.

Terjadinya percikan api diawali dengan terbentuknya saluran yang sangat terionisasi di dalam gas, yang disebut streamer. Saluran ini diperoleh dengan memblokir longsoran elektron individu yang terjadi di sepanjang jalur percikan. Pendiri setiap longsoran salju adalah elektron yang dibentuk oleh fotoionisasi. Diagram pengembangan streamer ditunjukkan pada Gambar. 87.1. Biarkan kekuatan medan sedemikian rupa sehingga elektron yang dikeluarkan dari katoda karena suatu proses memperoleh energi yang cukup untuk ionisasi pada jalur bebas rata-rata.

Oleh karena itu, elektron berlipat ganda - terjadi longsoran salju (ion positif yang terbentuk dalam hal ini tidak memainkan peran penting karena mobilitasnya jauh lebih rendah; mereka hanya menentukan muatan ruang, menyebabkan potensi redistribusi). Radiasi gelombang pendek yang dipancarkan oleh atom yang salah satu elektron internalnya telah terkoyak selama ionisasi (radiasi ini ditunjukkan pada diagram dengan garis bergelombang) menyebabkan fotoionisasi molekul, dan elektron yang dihasilkan menghasilkan semakin banyak longsoran salju. Setelah longsoran tumpang tindih, saluran penghantar yang baik terbentuk - pita, di mana aliran elektron yang kuat mengalir dari katoda ke anoda - terjadi kerusakan.

Jika elektroda memiliki bentuk yang medan di ruang antarelektroda kira-kira seragam (misalnya, bola dengan diameter cukup besar), maka kerusakan terjadi pada tegangan yang sangat spesifik, yang nilainya bergantung pada jarak antara elektroda. bola. Ini adalah dasar dari voltmeter percikan, yang digunakan untuk mengukur tegangan tinggi. Selama pengukuran, jarak terjauh terjadinya percikan api ditentukan. Kemudian kalikan dengan untuk mendapatkan nilai tegangan terukur.

Jika salah satu elektroda (atau keduanya) mempunyai kelengkungan yang sangat besar (misalnya kawat tipis atau ujungnya berfungsi sebagai elektroda), maka pada tegangan yang tidak terlalu tinggi terjadi apa yang disebut lucutan korona. Ketika tegangan meningkat, pelepasan ini berubah menjadi percikan atau busur.

Selama pelepasan korona, ionisasi dan eksitasi molekul tidak terjadi di seluruh ruang antarelektroda, tetapi hanya di dekat elektroda dengan radius kelengkungan kecil, dimana kuat medan mencapai nilai yang sama atau melebihi . Pada bagian pelepasan ini gasnya bersinar. Cahaya tersebut tampak seperti mahkota yang mengelilingi elektroda, itulah sebabnya jenis pelepasan ini diberi nama. Pelepasan korona dari ujungnya tampak seperti sikat bercahaya, oleh karena itu kadang-kadang disebut pelepasan sikat. Tergantung pada tanda elektroda corona, mereka berbicara tentang corona positif atau negatif. Di antara lapisan korona dan elektroda non-korona terdapat daerah korona bagian luar. Mode kerusakan hanya ada di dalam lapisan corona. Oleh karena itu, kita dapat mengatakan bahwa pelepasan korona merupakan pemecahan celah gas yang tidak lengkap.

Dalam kasus korona negatif, fenomena di katoda serupa dengan fenomena lucutan pijar di katoda. Ion positif yang dipercepat oleh medan melumpuhkan elektron dari katoda, yang menyebabkan ionisasi dan eksitasi molekul di lapisan korona. Di dalam daerah luar Medan korona tidak cukup untuk menyediakan energi yang diperlukan elektron untuk mengionisasi atau mengeksitasi molekul.

Oleh karena itu, elektron yang menembus wilayah ini melayang di bawah pengaruh nol ke anoda. Beberapa elektron ditangkap oleh molekul, sehingga terbentuk ion negatif. Jadi, arus di daerah luar hanya ditentukan oleh pembawa negatif - elektron dan ion negatif. Di wilayah ini, pembuangan limbah tidak dapat dilakukan secara mandiri.

Pada corona positif, longsoran elektron berasal dari batas terluar corona dan mengalir menuju elektroda corona – anoda. Kemunculan elektron yang menimbulkan longsoran disebabkan oleh fotoionisasi yang disebabkan oleh radiasi lapisan korona. Pembawa arus di wilayah terluar mahkota adalah ion positif, yang melayang di bawah pengaruh medan menuju katoda.

Jika kedua elektroda memiliki kelengkungan yang besar (dua elektroda mahkota), proses yang merupakan karakteristik elektroda mahkota dengan tanda tertentu terjadi di dekat masing-masing elektroda. Kedua lapisan korona dipisahkan oleh daerah luar dimana aliran pembawa arus positif dan negatif bergerak. Korona seperti ini disebut bipolar.

Pelepasan gas independen yang disebutkan dalam § 82 ketika mempertimbangkan meter adalah pelepasan korona.

Ketebalan lapisan korona dan kekuatan arus pelepasan meningkat seiring dengan meningkatnya tegangan. Pada tegangan rendah, ukuran korona kecil dan pancarannya tidak terlihat. Korona mikroskopis seperti itu muncul di dekat ujung tempat aliran angin listrik (lihat § 24).

Mahkota muncul di bawah pengaruh listrik atmosfer di puncak tiang kapal, pohon, dll, pada zaman dahulu mendapat nama lampu St. Elmo.

Dalam aplikasi tegangan tinggi, khususnya saluran transmisi tegangan tinggi, lucutan korona menyebabkan kebocoran arus yang berbahaya. Oleh karena itu, tindakan harus diambil untuk mencegahnya. Untuk keperluan ini misalnya diambil kabel saluran tegangan tinggi dengan diameter yang cukup besar, semakin besar tegangan salurannya semakin tinggi.

Pelepasan corona telah menemukan penerapan yang berguna dalam teknologi pengendap listrik. Gas yang akan dimurnikan bergerak dalam pipa yang sepanjang sumbunya terdapat elektroda korona negatif. Ion negatif, yang terdapat dalam jumlah besar di wilayah terluar mahkota, mengendap pada partikel atau tetesan yang mencemari gas dan terbawa bersamanya ke elektroda non-korona bagian luar. Setelah mencapai elektroda ini, partikel dinetralkan dan diendapkan di atasnya. Selanjutnya, ketika pipa terbentur, sedimen yang terbentuk dari partikel-partikel yang terperangkap jatuh ke dalam tangki pengumpul.

Munculnya pita-pita pada volume antar elektroda tidak selalu menimbulkan percikan api, tetapi juga dapat menyebabkan pelepasan jenis lain, yaitu pelepasan korona. Gambar tersebut menunjukkan diagram perangkat yang dapat digunakan untuk mereproduksi pelepasan korona. Pada perangkat ini, kawat tipis ditempatkan di sepanjang sumbu silinder logam berongga.

Ketika ada tegangan antara kawat dan silinder, timbul medan listrik tidak seragam di ruang antara keduanya dengan intensitas maksimum di dekat kawat. Ketika kuat medan di dekat kawat mendekati nilai tembus tegangan udara (sekitar U p =30.000 V/m), lucutan korona dinyalakan antara kawat dan silinder dan arus mengalir dalam rangkaian, yaitu. Cahaya muncul di sekitar kawat—korona. Kemunculan corona pada potensial kawat negatif (korona negatif) agak berbeda dengan corona positif.

Pada potensial kawat negatif, longsoran elektron dimulai dari kawat, menyebar ke anoda, dan pada jarak tertentu pita-pita tersebut putus karena penurunan kekuatan medan. Pada kasus corona positif, longsoran elektron berasal dari batas luar (permukaan) corona dan bergerak menuju kawat. Berbeda dengan lucutan percikan, pada lucutan korona terjadi pemecahan celah gas yang tidak sempurna, karena di dalamnya longsoran elektron tidak menembus seluruh lapisan gas E = .

Di dalam corona terdapat ion positif dan negatif. Di luar corona hanya akan ada ion-ion yang bertanda satu: negatif dengan corona negatif; ion positif dengan corona positif.

Pelepasan korona dapat terjadi tidak hanya pada kawat, tetapi juga pada ujung dan secara umum pada semua elektroda, yang di dekatnya terbentuk medan tidak homogen yang sangat kuat. Keluarnya corona disertai dengan suara mendesis dan sedikit bunyi berderak. Pelepasan corona terjadi pada saluran listrik bertegangan tinggi dan menyebabkan kebocoran muatan elektronik, yaitu listrik.

Penerapan pelepasan corona.

1. Pemurnian gas listrik (electric precipitator). Ada eksperimen terkenal - bejana berisi asap langsung menjadi transparan sepenuhnya jika elektroda logam tajam bertegangan tinggi dimasukkan ke dalamnya.

Efek ini digunakan untuk memurnikan gas. Partikel padat dan cair yang terkandung dalam gas pelepasan korona berinteraksi dengan ion dan menjadi partikel bermuatan (ion “menempel” pada partikel debu) kemudian diarahkan ke elektroda dan diendapkan. Selain itu, pengendap elektrostatis semacam itu memungkinkan ekstraksi berton-ton produk berharga dari gas dalam produksi asam sulfat dan logam non-besi dalam produksi linier.

2. Penghitung partikel elektron.

Tegangan U dipilih sedemikian rupa sehingga sedikit lebih kecil dari tegangan “kritis”, yaitu. diperlukan untuk menyalakan lucutan korona di dalam meteran. Ketika elektron yang bergerak cepat memasuki counter, ia mengionisasi molekul gas di dalam volume, menyebabkan tegangan penyalaan korona menurun. Pelepasan terjadi di meteran, dan pulsa arus jangka pendek yang lemah muncul di sirkuit. Untuk merekam sinyal, digunakan elektrometer sensitif E; setiap kali sebuah partikel (bahkan satu elektron) memasuki volume penghitung, daun elektrometer terlempar ke belakang.

§7. Klasifikasi muatan listrik.

Pelepasan listrik dalam gas berlangsung dengan cara yang berbeda-beda, yaitu. dalam suatu pelepasan, proses-proses mendasar (dasar) tertentu diwujudkan yang khusus untuk jenis pelepasan tertentu dan menentukan bentuknya; ciri khasnya.

Seperti yang telah kita ketahui, ada sejumlah proses dasar yang dapat diwujudkan dalam volume pelepasan gas; mari kita daftarkan lagi proses-proses ini:

1) Tumbukan partikel gas mengakibatkan: pertukaran energi, momentum, eksitasi atom, ionisasi.

2) Hasil penambahan elektron: muncul ion negatif, konsentrasi elektron berkurang.

3) Hasil rekombinasi: lahirlah radiasi (foton).

4) Penerimaan dan emisi radiasi dalam volume pelepasan.

5) Difusi partikel bermuatan.

6) Efek elektroda: emisi termionik; efek fotolistrik eksternal, emisi akibat tumbukan elektron, emisi akibat tumbukan ion positif: emisi akibat tumbukan atom netral; emisi auto-elektronik.

Pada saat yang sama, semua proses dasar dan mendasar dalam kategori ini tidak terwujud. Tergantung pada kondisinya, hanya beberapa proses yang direalisasikan, dan rangkaian proses dasar ini menentukan sifat dasar pelepasan, yaitu. Jenis pelepasan ini berbeda dari yang lain dalam serangkaian proses dasar. Kumpulan atau jenis pelepasan ini sendiri ditentukan oleh parameter sistem berikut: besarnya arus dan tegangan antar elektroda; tekanan gas, geometri ruang pelepasan, bahan elektroda dan kondisi permukaannya, suhu elektroda, dll.

Jenis pelepasan terutama ditentukan oleh tegangan pada elektroda, besarnya arus pelepasan dan tekanan dalam ruang pelepasan. Dalam hal ini, tegangan dan arus merupakan parameter independen dari sistem.

Dengan demikian, ketergantungan tegangan pada arus menjadi karakteristik integral terpenting dari suatu pelepasan listrik U = f(I) disebut juga karakteristik tegangan arus dari pelepasan tersebut. Itu terbentuk tergantung pada proses internal, oleh karena itu, jenis pelepasan dapat ditentukan darinya.

Jadi, mari kita perhatikan bagaimana satu jenis pelepasan diubah menjadi jenis lain menggunakan karakteristik arus-tegangan.

Bagian OB adalah pelepasan gelap yang tidak mandiri, pembentukan pembawa arus hanya terjadi karena ionizer eksternal, rekombinasi terjadi di bagian OA, dan di AB semua muatan mencapai elektroda, rekombinasi muatan dapat diabaikan.

Di luar titik B, ionisasi partikel netral akibat tumbukan elektron dimulai, dan longsoran elektron dan ion muncul. Namun, jika Anda melepaskan ionizer eksternal, pelepasannya akan berhenti. Ini adalah pelepasan Townsend yang tidak independen - ini adalah bagian dari Angkatan Bersenjata.

Elektron sekunder, yang dikeluarkan dari katoda oleh ion positif, kuanta cahaya, dan molekul tereksitasi, memainkan peran penting di wilayah CD. Tidak perlu mempertahankan ionisasi karena energi dari sumber eksternal - pelepasan menjadi independen, disebut juga pelepasan Townsend independen (ini adalah bagian SE).

Di bagian EF, lucutan Townsend berubah menjadi lucutan pijar normal, yang sesuai dengan bagian FH. Tegangan pada bagian NK meningkat seiring dengan meningkatnya tegangan. Pelepasan yang sesuai dengan bagian NK disebut pelepasan cahaya anomali.

Selanjutnya, dengan meningkatnya arus, suhu katoda meningkat, peran emisi termionik meningkat, pelepasan berkurang dan pelepasan busur terbentuk. Pelepasan busur dipertahankan oleh emisi termionik dari katoda.

Pelepasan cahaya stasioner pada tekanan rendah.

Dengan meningkatnya arus, pelepasan Townsell independen (bagian CEF) dapat berkembang dalam berbagai cara dan memiliki beberapa bentuk. Jika pada tekanan sekitar 1 mm. rt. Seni. pelepasan terjadi antara elektroda yang terhubung ke sumber arus searah, maka debit normal terwujud.

Bagian FH dari karakteristik tegangan arus berhubungan dengan lucutan pijar. Ciri khas lucutan pijar adalah distribusi potensial yang khas sepanjang celah antarelektroda. Distribusi potensial mengarah pada fakta bahwa lucutan pijar memiliki karakteristik kenampakan yang tidak seragam, dan oleh karena itu strukturnya tidak seragam; lucutan tersebut tampaknya terbagi menjadi beberapa bagian. Pelepasan pijar terdiri dari daerah katoda dan kolom positif.

Mari kita lihat bagian-bagian berbeda dari keputihan. Mulai dari katoda hingga anoda.

Daerah pelepasan katoda.

Elektron yang diperlukan untuk mempertahankan pelepasan sebagian besar dipancarkan ketika katoda dibombardir dengan ion positif. Elektron sekunder meninggalkan katoda dengan kecepatan rendah; akibatnya, mereka (di dekat permukaan mereka membentuk muatan ruang negatif) belum memiliki energi yang cukup untuk mengeksitasi molekul gas, sehingga molekul tidak memancarkan, dan ruang gelap terisi dengan lambat. elektron terbentuk langsung pada permukaan katoda. Lapisan gas yang sangat tipis dan tidak bercahaya ini disebut ruang gelap Aston. Arus di wilayah ini sebagian besar dihasilkan oleh ion positif.

Selanjutnya, elektron dipercepat oleh medan, energi kinetik elektron menjadi cukup untuk mengeksitasi molekul gas dan ini menyebabkan munculnya lapisan gas tipis bercahaya, yang disebut cahaya katoda pertama. Di wilayah ini, elektron kehilangan kecepatan sebagian atau seluruhnya selama tumbukan. Oleh karena itu, setelah katoda pertama menyala, ruang katoda gelap berikutnya terbentuk. Di wilayah ini terdapat rekombinasi elektron dengan ion positif yang lemah, sehingga sangat sedikit emisi yang terjadi di sini. Di ruang katoda gelap, elektron dipercepat dengan kuat hingga kecepatan mereka mengionisasi molekul gas secara intensif dan, akibatnya, berkembang biak.

Di ujung ruang katoda gelap kedua, jumlah elektron sudah begitu besar sehingga arus hampir seluruhnya dibawa oleh elektron, dan elektron tersebut secara nyata mengurangi muatan ruang positif, bahkan membentuk daerah muatan ruang negatif. Di wilayah ini, percepatan elektron lebih lanjut terhenti, dan energi yang terakumulasi di wilayah ruang gelap katoda kedua dihabiskan terutama untuk eksitasi intens dan ionisasi molekul. Hal ini terjadi pada daerah pancaran katoda kedua (cahaya katoda negatif). Akibatnya energi elektron berkurang, lambat laun intensitas eksitasi dan ionisasi juga berkurang, sehingga jumlah elektron berkurang (dan akibat rekombinasi dan difusi), sedemikian rupa sehingga muatan ruang negatif menjadi nol. Dengan demikian, kuat medan listrik berubah dan pada titik hilangnya muatan negatif E mengambil nilai konstan (sekitar 1 V/cm) dan tidak berubah hingga daerah muatan anoda. Pada titik ini kolom positif lucutan pijar dimulai.

Ruang yang ditempati oleh ruang gelap Aston dari pancaran katoda pertama dan ruang gelap kedua disebut daerah penurunan potensial katoda. Seperti dapat dilihat dari gambar, penurunan potensial antar elektroda hampir sepenuhnya terjadi di area kecil dekat katoda. Panjang bagian ini berbanding terbalik dengan tekanan gas. Pada P = 1 mm Hg. DC sekitar 10 mm, dan U=100-250 V.

Dalam lucutan pijar normal, rapat arus tetap konstan seiring dengan bertambahnya atau berkurangnya arus pelepasan. Tapi itu tergantung pada tekanan P dan berubah menurut hukum P 2. Misalnya pada P = 1 mm Hg. kepadatan rata-rata J= 0,1 mA/cm2 = 1·104 A/cm2. Tetapi J tergantung juga pada sifat gas dan bahan katoda. Dari saya=jS Oleh karena itu, pada arus rendah, sebagian daerah tersebut ikut serta dalam pelepasan.

Pada kondisi tersebut, penurunan potensial katoda Uk juga tetap konstan. Untuk tekanan berkisar 1-10 mm Hg. nilai U k tidak bergantung pada tekanan dan ditentukan secara unik oleh sifat gas dan bahan katoda. Contoh

Ketika arus pelepasan meningkat, tiba saatnya seluruh area katoda mengambil bagian dalam pelepasan; mulai saat ini, dengan peningkatan arus lebih lanjut, penurunan potensial katoda mulai meningkat. Kekuatan medan E meningkat hingga ionisasi yang diperlukan tercapai untuk mempertahankan peningkatan arus. Dalam kondisi ini, lucutan pijar normal berubah menjadi lucutan pijar anomali.

dimana, k adalah konstanta tergantung pada jenis gas dan bahan katoda.

Pilar positif.

Kolom positif terdiri dari plasma, dan plasma adalah media penghantar listrik netral. Oleh karena itu, kolom pijar positif berperan sebagai konduktor biasa yang menghubungkan daerah dekat katoda dengan bagian pelepasan dekat anoda. Berbeda dengan bagian lucutan pijar lainnya, yang memiliki dimensi dan struktur tertentu tergantung pada jenis gas, tekanannya, dan rapat arus pelepasan, panjang kolom positif ditentukan oleh dimensi ruang pelepasan, dan struktur kolom. adalah gas terionisasi ( n e ≈ n saya), yaitu panjangnya bisa berapa saja. Kuat medannya sekitar 1 V/cm dan cenderung meningkat seiring meningkatnya tekanan. Intensitas juga berubah ketika jari-jari ruang (tabung) berubah - kompresi pelepasan meningkatkan medan: E selalu mengambil nilai yang cukup untuk mempertahankan derajat ionisasi dalam kolom yang diperlukan untuk pembakaran stasioner pelepasan. Energi dalam kolom cukup untuk ionisasi. Dan proses ionisasi mengkompensasi hilangnya elektron dan ion akibat rekombinasi dan difusi, diikuti dengan netralisasi pada elektroda dan dinding ruang, pancaran kolom positif dihubungkan dengan semua proses ini. Tidak seperti bagian lain, dalam kolom positif lucutan pijar, pergerakan kacau partikel bermuatan lebih mendominasi daripada pergerakan terarah.

wilayah anoda.

Anoda menarik elektron dari kolom positif dan muatan ruang negatif terbentuk di dekat lokasi pengikatan dan kekuatan medan meningkat, akibatnya arus pelepasan ditransfer ke permukaan anoda. Daerah jatuh anoda merupakan bagian pasif dari pelepasan. Anoda tidak mengeluarkan muatan. Pelepasan pijar dapat terjadi tanpa daerah anoda, maupun tanpa kolom positif. Kolom pelepasan positif tidak bergantung pada proses dekat elektroda. Perbedaan antara bagian katoda terutama terletak pada pergerakan elektron dan ion yang terarah.

Penerapan pelepasan cahaya.

Pelepasan pijar dalam gas yang dibuang dapat digunakan dalam berbagai aplikasi pada penyearah berisi gas, konverter, indikator, penstabil tegangan, dan lampu fluoresen cahaya gas. Misalnya, pada lampu neon (untuk tujuan persinyalan), pelepasan cahaya digunakan pada neon, elektroda dilapisi dengan lapisan barium dan memiliki potensi penurunan katoda sekitar 70 V dan menyala ketika dihubungkan ke jaringan penerangan.

Pada lampu neon, pelepasan cahaya terjadi pada uap merkuri. Radiasi dari uap merkuri diserap oleh lapisan fosfor yang menutupi permukaan bagian dalam tabung lampu gas.

Pelepasan cahaya juga digunakan untuk sputtering katoda logam. Selama pelepasan cahaya, permukaan katoda, karena pemboman dengan ion gas positif, menjadi sangat panas di area kecil tertentu dan oleh karena itu secara bertahap berubah menjadi uap. Dengan menempatkan benda di dekat katoda pelepasan, benda tersebut dapat dilapisi dengan lapisan logam yang seragam.

Dalam beberapa tahun terakhir, pelepasan cahaya telah diterapkan dalam kimia plasma dan teknologi laser. Di dalamnya, pelepasan cahaya digunakan dalam mode anomali pada tekanan tinggi.

1. p = 6,7 kPa ≈ 50 mm. rt. Seni.

ay= 15,7 m/s

2. p = 8 kPa ≈ 60 mm. rt. Seni.

ay= 21m/s

Karakteristik arus-tegangan khas dari lucutan pijar dalam aliran udara melintang.

1mm. rt. Seni. = 133Pa. 1kPa=1000/133 = 8mmHg.

Dengan peningkatan tegangan lebih lanjut dari U 3 ke atas, kekuatan arus mulai meningkat tajam. Jika Anda melepas ionizer eksternal, pelepasannya akan terus berlanjut. Ini berarti bahwa muatan yang diperlukan untuk menjaga konduktivitas listrik gas kini dihasilkan oleh pelepasan itu sendiri. Pelepasan gas yang terjadi tanpa aksi ionizer eksternal disebut pelepasan independen. Tegangan Uz di mana pelepasan menjadi independen disebut tegangan penyalaan pelepasan gas atau tegangan rusaknya. Pelepasan gas mandiri dipertahankan karena dampak ionisasi oleh elektron yang dipercepat oleh medan listrik. Di bawah pengaruh medan listrik, kecepatan elektron meningkat sedemikian rupa sehingga ketika sebuah elektron bertabrakan dengan sebuah atom, atom tersebut kehilangan sebuah elektron. Jika kuat medan listrik cukup, kedua elektron memperoleh energi yang cukup sebelum tumbukan berikutnya untuk mengionisasi atom berikutnya. Jumlah elektron bertambah sangat cepat; mereka mengatakan longsoran ion elektron terbentuk. Ini tidak cukup; elektron yang hilang di anoda perlu dikompensasi. Elektron ini dapat keluar dari katoda dengan membombardir katoda dengan ion positif dan foton (ketika katoda menyala) bergerak menuju katoda di bawah pengaruh medan listrik.

Jenis pelepasan independen:

A) Pelepasan corona

terjadi pada tekanan atmosfer dalam medan listrik yang sangat tidak homogen di dekat elektroda dengan kelengkungan permukaan yang besar

B) Pelepasan percikan

terjadi pada kuat medan listrik yang tinggi.

V) Pelepasan busur

Jika, setelah penyalaan percikan api dari sumber yang kuat, jarak antara elektroda berkurang secara bertahap, maka pelepasan menjadi kontinu - terjadi pelepasan busur. Dalam hal ini, arus meningkat tajam, mencapai ratusan ampere, dan tegangan melintasi celah pelepasan turun hingga beberapa puluh volt. Pelepasan busur dapat diperoleh dari sumber tegangan rendah, melewati tahap percikan. Untuk melakukan hal ini, elektroda-elektroda disatukan hingga saling bersentuhan; elektroda-elektroda tersebut menjadi sangat panas. sengatan listrik, kemudian dipisahkan dan diperoleh busur listrik (inilah yang ditemukan oleh V.V. Petrov). Pada tekanan atmosfer, suhu katoda kira-kira 3900 K. Pelepasan busur dipertahankan oleh suhu katoda yang tinggi karena emisi termionik yang intens, serta ionisasi termal molekul karena suhu gas yang tinggi. Pelepasan busur digunakan untuk mengelas dan memotong logam, memproduksi baja berkualitas tinggi di tungku busur, dan penerangan (lampu sorot).

G) Keluarnya cahaya terjadi pada tekanan rendah. Pelepasan pijar adalah pancaran tabung cahaya gas dalam prasasti dan iklan; ini adalah lampu neon. Sifat cahayanya tergantung pada komposisi kimia gas dalam tabung dan komposisi zat yang menutupi permukaan bagian dalam tabung.

2. Radioaktivitas alami. Jenis-jenis radiasi radioaktif dan sifat-sifatnya.

Fenomena radioaktivitas menegaskan hal ini komposisi yang kompleks atom. Radioaktivitas terletak pada kenyataan bahwa inti dari beberapa unsur kimia secara spontan, tanpa pengaruh faktor eksternal, mereka menciptakan radiasi tak kasat mata yang memiliki sifat tertentu. Radioaktivitas ditemukan pada tahun 1896. Henri Becquerel untuk uranium. Sinar tak kasat mata bekerja pada pelat fotografi, mengionisasi gas, dan memiliki kemampuan penetrasi yang tinggi. Studi tentang radioaktivitas (istilah ini muncul kemudian) dilanjutkan oleh banyak ilmuwan. Pada tahun 1898 Fisikawan Perancis Marie Curie dan Pierre Curie memperoleh dua unsur kimia baru dari limbah bijih uranium. Pertama, polonium (Po) yang menempati sel ke-84 dalam tabel periodik, dan kemudian radium (Ra) yang menempati sel ke-88. Radiasi radium sangat kuat; istilah radioaktivitas mulai digunakan setelah ditemukannya radium. Keluarga Curie juga menemukan bahwa semua unsur, dimulai dengan 83, bersifat radioaktif dengan derajat yang berbeda-beda.

E. Rutherford, ketika mempelajari radiasi radioaktif, menemukan heterogenitasnya. Dalam medan magnet dan listrik, radiasi dibagi menjadi tiga bagian. Komponen radiasi diberi nama: sinar alfa (α), sinar beta (ß), sinar gamma (γ).

Sinar α dibelokkan secara lemah dalam medan listrik dan magnet sebagai partikel bermuatan positif. Massa partikel-partikel ini empat kali massa atom hidrogen. Belakangan ditentukan bahwa sinar α adalah inti atom helium. Sinar α mempunyai kemampuan pengion yang sangat kuat, namun kemampuan penetrasinya lemah, yaitu radiasi ini diserap dengan baik oleh materi.

ß -Sinar dibelokkan dalam medan magnet dan listrik yang berlawanan dengan sinar α, namun jauh lebih kuat; sinar tersebut mewakili aliran elektron yang cepat. Kemampuan penetrasi ß -sinar jauh lebih besar daripada sinar α, dan sinar pengion jauh lebih lemah.

γ -sinarnya tidak dibelokkan dalam medan listrik dan magnet, ternyata sangat keras radiasi elektromagnetik(gelombang elektromagnetik dengan panjang sangat pendek, daya tembus tinggi). Menemukan γ -sinar mungkin terjadi bahkan setelah melewati pelat besi setebal satu meter.

Tiket nomor 7

1. Arus listrik pada semikonduktor. Konduktivitas intrinsik dan pengotor semikonduktor.

Ada sekelompok besar zat yang, dengan caranya sendiri, sifat listrik menempati posisi perantara antara konduktor dan dielektrik. Zat-zat ini disebut semikonduktor. Ini termasuk silikon, germanium, fosfor, arsenik, antimon, selenium, oksida beberapa logam, sulfida, dan telurida.

Semikonduktor berbeda dari logam dalam konsentrasi muatan bebas; dalam semikonduktor di kondisi normal konsentrasi elektron bebas satu miliar kali lebih sedikit dibandingkan logam. Oleh karena itu, resistivitas semikonduktor beberapa kali lipat lebih tinggi dibandingkan logam. Jika ketika logam dipanaskan, resistansi konduktor meningkat, maka ketika semikonduktor dipanaskan, resistansinya berkurang secara signifikan. Konduktivitas beberapa semikonduktor meningkat secara signifikan ketika terkena cahaya. Pengotor dalam logam secara signifikan mengurangi konduktivitas listriknya; pengotor dalam semikonduktor dapat meningkatkan konduktivitas listrik dalam beberapa kasus hingga puluhan ribu kali lipat. Konduktivitas listrik kristal bukan logam sangat bergantung pada tekanan, pada tekanan 3-4 atm. Ini bisa menjadi sama dengan konduktivitas kristal logam.

Konduktivitas listrik semikonduktor dijelaskan oleh kekhasannya struktur kristal. Mari kita perhatikan kisi kristal germanium. Germanium adalah semikonduktor tipikal (z=32). Empat kulit elektron germanium mengandung 32 elektron - 2, 8, 18, 4. Tiga kulit bagian dalam stabil, yaitu. reaksi kimia tidak berpartisipasi, elektron-elektronnya mempunyai ikatan yang kuat dengan nukleusnya. Kulit terluar atom germanium memiliki 4 elektron valensi. Ketika suatu atom tertentu mendekati atom tetangganya, elektron valensi atom tetangganya berinteraksi satu sama lain. Setiap atom germanium berada pada jarak yang sama dari empat atom tetangganya dan membentuk ikatan kovalen dengannya, yaitu ikatan di mana masing-masing elektron valensi dimiliki secara bersamaan oleh dua atom tetangga. Elektron valensi dapat berpindah dari satu Ikatan kovalen ke yang lain, pindahkan ke seluruh kristal. Pergerakan tersebut bersifat semrawut sehingga tidak menimbulkan arus.

Konduktivitas intrinsik semikonduktor.

Energi ionisasi atom germanium sebanding dengan energi gerak termal yang sudah ada suhu kamar. Oleh karena itu, beberapa elektron terluar digunakan bersama oleh atom-atom tetangganya dan dengan mudah berpindah dari satu atom ke atom lainnya, menjadi partikel yang mengembara (Elektron menjadi bebas). Jumlah elektron tersebut meningkat secara signifikan ketika dipanaskan atau diterangi. Di bawah pengaruh medan listrik, elektron bebas akan bergerak ke suatu arah dan menimbulkan arus listrik yang disebut arus elektron. Bersamaan dengan munculnya elektron (bebas) yang mengembara, muncul tempat bebas dalam ikatan kovalen pada atom semikonduktor, yang biasa disebut lubang. Lubang ini dapat ditempati oleh elektron dari ikatan kovalen atom tetangganya, yang selanjutnya membentuk lubang. Jadi, pengembaraan elektron dalam kisi kristal menyebabkan pengembaraan lubang.

“Pergerakan” lubang dari satu atom ke atom lainnya mirip dengan pergerakan muatan positif, yaitu lubang diberi muatan positif. Di bawah pengaruh medan listrik, lubang akan bergerak ke arah yang berlawanan dengan pergerakan elektron, sehingga menimbulkan konduksi lubang. Arus dalam semikonduktor terdiri dari arus elektron dan lubang. Dalam semikonduktor murni secara kimia, arus elektron sama dengan arus lubang, dan konduktivitas semikonduktor murni disebut memiliki.

Konduktivitas pengotor semikonduktor.

Konduktivitas semikonduktor tidak hanya bergantung pada kondisi eksternal, khususnya pada suhu dan tekanan. Konduktivitas meningkat dengan adanya pengotor yang dipilih secara khusus. Kemudian, seiring dengan konduktivitas intrinsik, muncul konduktivitas pengotor. Biasanya semikonduktor utama adalah germanium atau silikon.

Jika zat pentavalen, misalnya arsenik, ditambahkan ke silikon tetravalen sebagai pengotor, maka empat elektron valensi dari setiap atom cukup untuk membentuk ikatan kovalen antara atom silikon dan arsenik. Dalam hal ini, elektron valensi kelima arsenik ternyata bebas, yaitu. elektron konduksi. Pengotor yang valensinya lebih besar dari semikonduktor utama disebut donor (menyumbangkan elektron). Semikonduktor dengan pengotor donor disebut semikonduktor tipe-n. Dalam semikonduktor, konduktivitas elektronik tipe lebih unggul daripada konduktivitas lubang. Elektron disebut pembawa muatan mayoritas, lubang disebut pembawa muatan minoritas.

Jika zat trivalen, misalnya indium, ditambahkan ke silikon sebagai pengotor, maka ketika ikatan kovalen terbentuk antara atom silikon dan indium, satu elektron akan hilang. Oleh karena itu, untuk setiap atom indium terbentuk satu lubang tambahan. Pengotor yang valensinya lebih kecil dari valensi semikonduktor utama disebut akseptor(sang penyelenggara). Semikonduktor dengan pengotor akseptor disebut semikonduktor tipe-p. Pada semikonduktor tipe p, konduktivitas lubang lebih dominan dibandingkan konduktivitas elektronik. Lubang merupakan pembawa muatan utama.

2. Transformasi nuklir. Hukum peluruhan radioaktif.

Peluruhan radioaktif adalah transformasi radioaktif inti atom, yang disertai dengan munculnya inti unsur kimia lain dan pelepasan salah satu darinya. partikel elementer. Peluruhan radioaktif mengikuti aturan perpindahan.

Selama peluruhan α, inti suatu unsur kimia diperoleh, digeser dua sel ke awal tabel periodik, sedangkan nomor massa berkurang empat satuan.

Itu. Peluruhan α terjadi sesuai skema

Misalnya

ß -peluruhan hadir dalam dua jenis: elektron dan positron. Pada ß- peluruhan elektron menghasilkan inti yang terletak satu sel di sebelah kanan sel aslinya, misalnya

Selama peluruhan positron (positron adalah antipartikel elektron, berbeda dari elektron hanya pada tanda muatannya), inti suatu unsur kimia terbentuk, bergeser satu sel ke awal tabel periodik, misalnya

Peluruhan menyebabkan berkurangnya jumlah atom suatu zat radioaktif dan bersifat acak. Tidak mungkin untuk memprediksi sebelumnya atom mana yang akan meluruh dan kapan.

Sampai saat peluruhan, baik di dalam inti maupun di dalam kulit elektron atom, tidak ada proses yang menentukan peluruhan yang terjadi. Oleh karena itu, kita hanya dapat berbicara tentang kemungkinan peluruhan suatu atom dalam jangka waktu tertentu. Waktu T selama separuh jumlah awal atom radioaktif meluruh disebut waktu paruh.

Hukum peluruhan radioaktif merupakan hukum statistik, berbentuk:

N= N 0 ·2 - t/ T, dimana N 0 adalah jumlah awal inti radioaktif, N adalah jumlah inti yang tidak meluruh setelah waktu t sejak awal peluruhan, T adalah waktu paruh.

Waktu paruh unsur radioaktif sangat bervariasi. Misalnya uranium-238 4,5·10 9 tahun, thorium-234 24,1 hari, dan polonium-214 hanya 1,5·10 -4 s.

Kemandirian waktu paruh unsur radioaktif digunakan untuk menentukan umur batuan yang mengandung unsur-unsur tersebut (biasanya digunakan isotop uranium. Umur senyawa organik biasanya ditentukan oleh kandungan karbon.

Tiket nomor 8

1. Kontak dua semikonduktor dengan jenis konduktivitas berbeda. Sifat dan penerapannya pada perangkat elektronik.

Jika Anda mendekatkan dua semikonduktor dengan jenis konduktivitas berbeda, maka difusi balik elektron dan lubang akan dimulai. Elektron konduksi dari semikonduktor tipe-n akan berpindah ke semikonduktor tipe-p, dan hole dari semikonduktor tipe-p ke semikonduktor tipe-n. Oleh karena itu, proses di lapisan kontak semikonduktor jenis yang berbeda disebut sambungan p-n atau sambungan lubang elektron. Akibat difusi balik elektron dan hole, semikonduktor tipe-n akan menerima muatan positif, dan semikonduktor tipe-p akan menerima muatan negatif. Medan listrik (perbedaan potensial kontak) muncul di lapisan kontak, mencegah difusi elektron dan lubang lebih lanjut.

Sifat transisi elektron-lubang.

Jika Anda menghubungkan semikonduktor tipe-n ke kutub negatif sumber arus, dan semikonduktor tipe-p ke kutub positif, maka medan listrik sumber akan mengimbangi bidang lapisan kontak, dan difusi elektron dan lubang melalui lapisan kontak akan terjadi terus menerus. Arus listrik yang disebut arus searah terjadi melalui kontak. persimpangan р-n.

Jika semikonduktor tipe-n dihubungkan ke kutub positif sumber arus, dan semikonduktor tipe-p dihubungkan ke kutub negatif sumber arus, maka medan sumber akan berimpit dengan medan lapisan kontak. Resistansi lapisan kontak akan sangat tinggi dan praktis tidak ada arus yang mengalir melaluinya (kebalikan lemah p-n saat ini transisi diciptakan oleh pembawa muatan minoritas).

Dengan demikian, lapisan kontak dua semikonduktor berbagai jenis mempunyai konduktivitas satu arah.

Perangkat semikonduktor yang didasarkan pada satu pn disebut dioda semikonduktor. Dioda digunakan untuk menyearahkan arus bolak-balik.

Perangkat semikonduktor yang didasarkan pada dua pn disebut triode semikonduktor atau transistor. Transistor dibagi menjadi p-n-p dan n-p-n. Daerah tengah yang lebih sempit pada transistor disebut basis, dan membagi kristal menjadi dua daerah dengan konduktivitas yang sama yang disebut emitor dan kolektor. Transistor digunakan untuk menghasilkan dan memperkuat osilasi listrik frekuensi tinggi.

2. Struktur inti atom. Energi ikat inti atom.

Pada tahun 1919, Rutherford, yang melakukan reaksi nuklir buatan pertama, memperoleh partikel elementer dalam keadaan bebas, yang muatannya sama dengan modulus muatan elektron, dan massanya kira-kira sama dengan 1 sma. (satuan massa atom). Partikel itu disebut proton (kemudian diketahui bahwa itu adalah inti dari isotop hidrogen). Mereka sepakat untuk menunjuk proton P atau

Untuk beberapa waktu diyakini bahwa inti hanya terdiri dari proton, tetapi gagasan tentang inti ini bertentangan dengan beberapa fakta eksperimental. Pada tahun 1932 Chadwick memperoleh partikel elementer dalam keadaan bebas yang tidak bermuatan; massa partikel tersebut ternyata kira-kira sama dengan massa proton. Partikel ini disebut neutron. Setelah penemuan neutron D.D. Ivanenko dan fisikawan Jerman Heisenberg mengusulkan model inti proton-neutron: inti terdiri dari proton dan neutron. Nama umum partikel nuklir adalah nukleon. Jumlah proton Z bertepatan dengan nomor seri unsur dalam tabel periodik, yaitu jumlah proton menentukan muatan inti. Jumlah proton Z dan neutron N sama dengan nomor massa A (massa suatu unsur kimia, dibulatkan ke nilai bilangan bulat terdekat) Z+N=A Model inti proton-neutron menjelaskan keberadaan isotop. Isotop adalah zat yang mempunyai sifat kimia yang sama (menempati tempat yang sama dalam tabel periodik), namun berbeda properti fisik(kebanyakan radioaktivitas berbeda). Semua unsur kimia memiliki isotop, beberapa unsur kimia memilikinya secara alami, dan beberapa memilikinya secara buatan, yaitu. diperoleh dalam proses reaksi nuklir. Inti isotop dari unsur kimia yang sama memiliki jumlah proton yang sama dan jumlah neutron yang berbeda.

Misalnya: isotop hidrogen - Z=1, N=0 - hidrogen ringan

Z=1, N=1 - deuterium

Z=1, N=2 - tritium

isotop uranium - Z=92, N =143

Zat dengan nomor massa yang sama disebut isobar, misalnya

Kekuatan nuklir– kekuatan yang memastikan keberadaan inti stabil, contoh interaksi kuat. Kekuatan nuklir adalah kekuatan yang bersifat khusus. Ciri-ciri gaya nuklir: 1) kekuatan nuklir hanyalah kekuatan tarik-menarik; 2) gaya nuklir merupakan gaya jarak pendek; 3) gaya nuklir mempunyai sifat kemandirian muatan; 4) kekuatan nuklir bukanlah hal yang utama; 5) gaya nuklir mempunyai sifat saturasi, yaitu. tidak mungkin ada sejumlah nukleon di dalam inti

Cacat massal Energi pengikatan nuklir. Energi ikat adalah energi yang diperlukan untuk memecah inti menjadi nukleon tanpa memberikan energi kinetik kepada inti tersebut. Dihitung berdasarkan rumus hubungan massa dan energi (rumus Einstein) E=mc 2.

Е св =Δmс 2, Δm – cacat massa, Δm=Zm p +Nm n -M i; Zm p adalah massa proton yang masuk ke dalam inti, Nm n adalah massa neutron yang masuk ke dalam inti, M i adalah massa seluruh inti, c adalah kecepatan cahaya dalam ruang hampa.

Energi spesifik ikatan E mengalahkan – energi ikat per nukleon.

E beat = E St / A. Energi ikat tertinggi adalah untuk unsur kimia dengan nomor massa 40 sampai 120. Pada A>120, energi ikat spesifik menurun secara monoton. Di A< 20 удельная энергия связи имеет характерные максимумы и минимумы. Удельная энергия связи определена для всех химических элементов.

Tiket nomor 9

1. 1. Medan magnet. Sumber Medan gaya. Induksi medan magnet. Garis gaya magnet.

  • prinsip pengoperasian laser helium-neon. Sinar bercahaya di tengahnya adalah pelepasan listrik.

    • Keluarnya cahaya

    Pelepasan pijar biasanya disebut pelepasan mandiri di mana katoda memancarkan elektron karena pemboman oleh ion positif dan foton yang dihasilkan dalam gas.

    Berbeda dengan lucutan Townsend, yang rapat arus listriknya kecil dan pengaruh muatan ruangnya tidak signifikan, pada lucutan pijar rapat arusnya jauh lebih tinggi, dan muatan ruang yang timbul karena perbedaan besar massa elektron dan muatan positif. ion membuat medan listrik dalam gas menjadi tidak homogen. Pelepasan pijar dicirikan oleh kuat medan listrik yang tinggi dan penurunan potensial yang besar di dekat katoda (penurunan katoda).

    Mengurangi tekanan menjadi 0,1 0,01 mm Hg. Seni. mengarah pada munculnya berbagai bagian volume gas di wilayah tertentu, meskipun tidak selalu jelas. Urutan utama dan paling mencolok dari sisi katoda (Gbr. 7.8) adalah:

    1) lapisan katoda adalah lapisan tipis bercahaya tempat atom dan molekul tereksitasi oleh tumbukan elektron, tetapi belum terjadi ionisasi. Kembali ke keadaan normal, atom yang tereksitasi memancarkan kuanta cahaya, yang menjelaskan cahaya tersebut;

    2) ruang katoda gelap (ruang Crookes gelap atau ruang Gittorff gelap). Faktanya, warnanya tidak sepenuhnya gelap, tetapi hanya tampak dengan latar belakang area pelepasan yang berdekatan dan lebih terang. Di bagian ruang ini, ionisasi atom dan molekul serta pertumbuhan longsoran elektron dimulai. Karena kemungkinan ionisasi, kemungkinan eksitasi atom dan molekul berkurang, yang berhubungan dengan melemahnya pancaran gas. Wilayah ruang katoda gelap paling penting untuk menjaga pelepasan muatan, karena ion positif yang tercipta di sini memberikan emisi elektron yang diperlukan dari katoda;

    3) cahaya membara negatif (smoldering glow), yang dilewati ruang katoda gelap. Cahaya ini sangat terbatas hanya pada sisi katoda. Cahaya terjadi karena rekombinasi elektron dengan ion positif, serta karena transisi kuantum atom yang tereksitasi ke tingkat energi yang lebih rendah;

    4) ketika bergerak menuju anoda, kecerahan cahaya yang membara melemah, dan secara bertahap berpindah ke apa yang disebut ruang gelap Faraday, di mana elektron cepat dari longsoran elektron tidak lagi mencapai (lihat Gambar 7.8);

    5) inti pelepasan adalah kolom gas bercahaya terionisasi dalam tabung yang kurang lebih sempit. Kadang-kadang disebut cahaya positif atau kolom pelepasan positif. Biasanya meluas sampai ke permukaan anoda. Dalam kondisi tertentu, ruang anoda gelap terlihat antara kolom positif dan anoda, dan cahaya anoda, atau film bercahaya anoda, terlihat di permukaan itu sendiri. Kolom positif kadang-kadang dibagi menjadi garis-garis (strata) terang dan gelap yang berselang-seling. Dalam hal ini, pelepasannya disebut kompleks. Kehadiran kolom positif tidak penting untuk mempertahankan debit, meskipun demikian sangat penting dalam aplikasi debit.

    Cahaya pada kolom positif terjadi terutama karena rekombinasi elektron dengan ion positif. Selama beberapa jalur bebas terakhir (yang disebut wilayah jatuh anodik), elektron dapat mengumpulkan energi kinetik yang cukup untuk menyebabkan atom menjadi tereksitasi, sementara ion positif ditarik menjauh dari anoda. Hal ini menyebabkan anoda bersinar.

    Empat area pertama yang terdaftar disebut bagian katoda pelepasan. Semua proses yang diperlukan untuk mempertahankan debit terjadi di dalamnya.

    Pada resistansi eksternal yang tinggi, ketika kuat arus dalam tabung pelepasan kecil, permukaan katoda, yang ditutupi dengan pendaran dan mengambil bagian dalam pelepasan, sebanding dengan kuat arus dalam tabung (hukum Gel). Ketika arus berubah, kepadatannya kira-kira tetap konstan. Seiring dengan itu, penurunan potensial katoda tetap konstan. Dalam hal ini disebut penurunan katodik normal. Dalam kebanyakan kasus, suhunya terletak pada kisaran 100 - 300 V. Suhu katoda tidak mempengaruhi nilai penurunan katoda normal sampai emisi termionik dari permukaan katoda meningkat. Untuk perkiraan yang baik, penurunan katoda normal sebanding dengan fungsi kerja elektron yang meninggalkan katoda. Ini digunakan untuk merancang tabung dengan potensi penyalaan yang sangat rendah. Misalnya saja bola lampu neon yang elektrodanya berupa dua lembar daun besi yang dilapisi lapisan barium untuk mengurangi fungsi kerja. Penurunan katoda dalam hal ini hanya 70 V, dan lucutan pijar dinyalakan pada bola lampu neon ketika dihubungkan ke jaringan penerangan biasa.

    Ketika, dengan meningkatnya arus, seluruh permukaan katoda ditutupi dengan pendaran, penurunan katoda mulai meningkat. Dalam hal ini, disebut penurunan katoda anomali, dan pelepasannya disebut pelepasan cahaya anomali.

    Elektron yang dikeluarkan dari permukaan katoda oleh ion positif dipercepat pada daerah penurunan potensial katoda. Ketika tekanan gas menurun, jalur bebas rata-rata elektron meningkat, dan dengan itu ruang katoda gelap juga meningkat. Pada tekanan 0,01 0,001 mm Hg. Seni. (tergantung pada ukuran tabung), ruang katoda gelap mengisi hampir seluruh tabung, dan berkas elektron bergerak di dalamnya hampir tanpa tumbukan. Berkas elektron seperti ini disebut sinar katoda. Mereka ditemukan oleh Crookes bahkan sebelum didirikan sifat fisik(sebelum ditemukannya elektron itu sendiri). Jika sebuah layar logam ditempatkan pada jalur sinar katoda, maka bayangannya diamati di belakangnya pada sisi berlawanan dari tabung. Ketika magnet didekatkan, berkas sinar dan bayangan yang ditimbulkannya bergeser ke samping. Elektron sinar katoda yang dilepaskan dari katoda dipercepat oleh medan listrik di dekat permukaannya dan kemudian bergerak tegak lurus terhadapnya secara inersia. Ketika elektron menumbuk dinding tabung, elektron memberikan muatan negatif padanya. Namun, katoda dinetralkan oleh ion positif yang mengalir dari gas ke dinding tabung, dan ion negatif gas memasuki anoda. Jika permukaan katoda diberi bentuk bola cekung, maka sinar katoda akan terfokus pada pusat bola tersebut. Ketika tekanan dalam tabung sangat rendah sehingga wilayah ruang katoda gelap menyelimuti anoda, pelepasan cahaya dalam tabung berhenti. Bersamaan dengan itu, pancaran sinar katoda dan pendaran dinding tabung juga terhenti.

    Sinar katoda digunakan dalam apa yang disebut tabung sinar-X ion untuk menghasilkan sinar-X. Tabung sinar-X ion mempunyai kelemahan yaitu akibat dari berbagai proses, jumlah gas di dalam tabung semakin berkurang seiring berjalannya waktu. Ketika tekanan gas di dalam tabung menjadi kurang dari 0,001 ¸ 0,0001 mmHg. Art., pelepasan cahaya tidak terjadi di dalamnya dan tabung berhenti bekerja. Saat ini, tabung sinar-X elektron, yang pengoperasiannya lebih stabil dibandingkan tabung ion, digunakan hampir secara eksklusif. Mereka tidak menggunakan pelepasan cahaya.

    Jika lubang-lubang kecil dibor pada katoda, maka ion-ion positif yang membombardir katoda, melewati lubang-lubang tersebut, akan jatuh ke ruang katoda dan merambat kesana dalam bentuk sinar lurus. Sinar ini disebut sinar positif atau sinar saluran karena muncul dari lubang katoda seolah-olah merupakan saluran. Sinar saluran terlihat di dalam tabung dalam bentuk berkas cahaya redup.

    Mereka, seperti sinar katoda, menyebabkan kaca tabung bersinar. Karena adanya proses pertukaran muatan, berkas berkas saluran tidak hanya mengandung ion positif, tetapi juga ion negatif, serta partikel netral yang cepat dan tereksitasi sebagian. Dalam medan magnet, berkas tersebut dibagi menjadi tiga berkas: ion positif dibelokkan ke satu arah, ion negatif ke arah berlawanan, dan molekul serta atom netral tidak mengalami pembelokan apa pun. Ketika berkas-berkas tersebut melewati medan magnet lagi, masing-masing berkas kembali terpecah menjadi tiga berkas. Oleh karena itu, proses pertukaran muatan tidak hanya terjadi di depan katoda, tetapi juga berlanjut di ruang belakang katoda.

    Pelepasan percikan

    Pelepasan percikan dicirikan oleh bentuk yang terputus-putus bahkan ketika menggunakan sumber arus searah. Biasanya terjadi pada gas pada tekanan sekitar tekanan atmosfer. Secara alami kondisi alam lucutan bunga api diamati dalam bentuk kilat. Oleh penampilan itu adalah sekumpulan strip tipis bercabang zigzag terang yang langsung menembus celah pelepasan, dengan cepat padam dan secara bertahap saling menggantikan (Gbr. 7.9). Strip ini disebut saluran percikan. Mereka dimulai pada elektroda positif dan elektroda negatif, dan pada titik mana pun di antara keduanya. Saluran yang berkembang dari elektroda positif memiliki garis seperti benang yang jelas, sedangkan saluran yang berkembang dari elektroda negatif memiliki tepi yang menyebar dan percabangan yang lebih halus.

    Karena pelepasan bunga api terjadi pada tekanan gas yang tinggi, potensi penyalaan menjadi sangat tinggi. Namun, setelah celah pelepasan “ditembus” oleh saluran percikan, resistansi celah ini menjadi sangat kecil; pulsa jangka pendek dari arus arus tinggi melewati saluran, di mana hanya tegangan kecil yang jatuh pada celah pelepasan. Jika daya sumber tidak terlalu tinggi, maka setelah pulsa arus tersebut, pelepasannya berhenti. Tegangan antara elektroda mulai meningkat ke nilai sebelumnya, dan pemecahan gas diulangi dengan pembentukan saluran percikan baru. Semakin besar kapasitansi C antar elektroda maka semakin besar waktu kenaikan tegangan t. Oleh karena itu, menghubungkan kapasitor secara paralel dengan celah pelepasan akan meningkatkan waktu antara dua percikan api yang berurutan, dan percikan api itu sendiri menjadi lebih kuat. Muatan listrik yang besar melewati saluran percikan, dan oleh karena itu amplitudo dan durasi pulsa arus meningkat. Dengan kapasitas besar, saluran percikan bersinar terang dan tampak seperti garis-garis lebar. Hal yang sama terjadi ketika kekuatan sumber arus meningkat. Kemudian mereka berbicara tentang percikan api yang kental, atau percikan api yang kental. Kekuatan arus maksimum dalam pulsa selama pelepasan percikan sangat bervariasi tergantung pada parameter rangkaian pelepasan dan kondisi celah pelepasan, mencapai beberapa ratus kiloamper. Dengan peningkatan lebih lanjut dalam daya sumber, pelepasan percikan berubah menjadi pelepasan busur.

    Akibat lewatnya pulsa arus melalui saluran percikan, percikan api dilepaskan di saluran tersebut sejumlah besar energi (sekitar 0,1 - 1 J per sentimeter panjang saluran). Pelepasan energi dikaitkan dengan peningkatan tajam tekanan gas di sekitarnya, pembentukan gelombang kejut berbentuk silinder, dan suhu di depannya ~10 4 K. Perluasan saluran percikan yang cepat terjadi dengan kecepatan berdasarkan urutan kecepatan termal atom gas. Saat gelombang kejut bergerak maju, suhu di bagian depannya mulai turun, dan bagian depannya sendiri menjauh dari batas saluran. Munculnya gelombang kejut menjelaskan efek suara yang menyertai pelepasan percikan: karakteristik suara berderak pada pelepasan lemah dan gemuruh guntur yang kuat jika terjadi petir.

    Ketika saluran ada, terutama pada tekanan tinggi, pancaran percikan api paling terang diamati. Kecerahan pancarannya tidak seragam pada penampang saluran dan maksimum di tengahnya.

    Mekanisme pelepasan percikan, dari sudut pandang teori modern yang diterima secara umum, yang disebut teori gangguan percikan, yang dikonfirmasi secara eksperimental, adalah bahwa jika longsoran elektron berasal dari dekat katoda, maka ionisasi dan eksitasi molekul gas dan atom terjadi di sepanjang jalurnya. Penting agar kuanta cahaya yang dipancarkan oleh atom dan molekul yang tereksitasi, merambat ke anoda dengan kecepatan cahaya, dengan sendirinya menghasilkan ionisasi gas dan menimbulkan longsoran elektron baru. Dengan cara ini, akumulasi gas terionisasi yang bercahaya redup, yang disebut pita, muncul di seluruh volume gas. Dalam proses perkembangannya, longsoran elektron individu saling mengejar dan, bergabung bersama, membentuk jembatan pita yang terkonduksi dengan baik. Pada saat berikutnya, aliran elektron yang kuat mengalir melalui jembatan ini, membentuk saluran pelepasan percikan. Karena jembatan penghantar terbentuk sebagai hasil penggabungan pita-pita yang muncul hampir bersamaan, waktu pembentukannya jauh lebih singkat daripada waktu yang dibutuhkan longsoran elektron untuk menempuh jarak dari katoda ke anoda. Perkembangan streamer negatif ditunjukkan pada Gambar. 7.10. Seiring dengan streamer negatif, mis. pita merambat dari katoda ke anoda, ada juga pita positif yang merambat ke arah berlawanan.

    Perlu dicatat bahwa teori ini menjelaskan ciri-ciri utama pelepasan percikan, meskipun secara kuantitatif tidak dapat dianggap lengkap.

    Pelepasan corona

    Pelepasan korona terjadi pada tekanan gas yang relatif tinggi (urutan atmosfer) dalam medan listrik yang sangat tidak homogen, yang dapat diperoleh antara dua elektroda, yang permukaan salah satunya memiliki kelengkungan yang besar (kawat tipis, ujung). Skema untuk memperoleh pelepasan korona ditunjukkan pada Gambar. 7.11. Perlu dicatat bahwa keberadaan elektroda kedua tidak diperlukan; elektroda ground di sekitarnya dapat berperan. Ketika kuat medan listrik di dekat elektroda dengan kelengkungan besar mencapai nilai orde 3×10 4 V/m, maka muncullah cahaya di sekitar elektroda tersebut dalam bentuk cangkang atau mahkota, dari situlah nama pelepasannya. datang dari. Jika corona terjadi di sekitar elektroda negatif, maka disebut negatif. Sebaliknya, corona disebut positif. Penampakan corona positif ditunjukkan pada Gambar. 7.12 di sebelah kiri, pemandangan negatif corona di sebelah kanan. Mekanisme terjadinya keputihan pada kedua kasus ini berbeda.

    Dalam kasus korona negatif, ion positif yang dihasilkan oleh longsoran elektron dipercepat dalam medan listrik yang sangat tidak homogen di dekat katoda. Ketika mereka mengenai katoda, mereka mengeluarkan elektron darinya (emisi elektron sekunder). Elektron yang tersingkir, setelah berinteraksi dengan katoda, menghasilkan longsoran elektron baru di sepanjang jalurnya. Karena medan listrik berkurang seiring dengan jarak dari elektroda, pada jarak tertentu longsoran elektron terputus, elektron jatuh ke wilayah “gelap” dan menempel pada molekul gas netral. Ion negatif yang dihasilkan adalah pembawa arus utama di wilayah “gelap”. Muatan negatif spasial dari ion-ion ini di dekat anoda membatasi arus pelepasan total. Dalam kasus gas elektropositif murni, ion negatif tidak terbentuk, dan pembawa muatan di wilayah “gelap” adalah elektron itu sendiri. Di wilayah “gelap”, pembuangannya tidak dapat bertahan dengan sendirinya.

    Pada korona positif, bila katoda merupakan elektroda dengan radius kelengkungan yang besar, maka medan listrik di katoda lemah. Oleh karena itu, longsoran elektron tidak dapat dihasilkan oleh elektron yang terlempar dari katoda akibat emisi sekunder. Longsoran elektron dihasilkan oleh elektron yang dihasilkan di dekat anoda selama ionisasi volume gas oleh foton yang dipancarkan oleh lapisan korona. Mereka berasal dari batas luar lapisan korona dan merambat ke elektroda positif (yang memiliki kelengkungan lebih besar). Ion positif, bergerak melalui wilayah “gelap” menuju katoda, membentuk muatan ruang, yang sekali lagi membatasi kekuatan arus pelepasan.

    Ketika tegangan antara elektroda meningkat, wilayah “gelap” dari pelepasan korona menghilang, dan pelepasan percikan terjadi dengan kerusakan total pada celah pelepasan.

    Korona terkadang terjadi secara alami akibat pengaruh listrik atmosfer pada puncak pohon, tiang kapal, dan lain-lain.

    Terjadinya lucutan corona harus diperhitungkan dalam teknologi tegangan tinggi. Korona yang terbentuk di sekitar kabel saluran transmisi listrik tegangan tinggi, mengionisasi udara di sekitarnya, sehingga mengakibatkan kebocoran arus yang berbahaya. Untuk mengurangi arus bocor ini, kabel saluran tegangan tinggi, serta kabel suplai ke instalasi tegangan tinggi, harus cukup tebal. Pelepasan corona, karena terjadi secara intermiten, merupakan sumber interferensi radio yang signifikan.

    Pelepasan korona digunakan dalam pengendap listrik yang dirancang untuk memurnikan gas industri dari kotoran partikel padat dan cair (asap dalam produksi asam sulfat, di pengecoran pabrik, dll.).

    Pelepasan busur

    Jika, setelah menerima pelepasan percikan dari sumber yang kuat, jarak antara elektroda (atau resistansi rangkaian eksternal) berkurang secara bertahap, maka pelepasan dari intermiten menjadi kontinu. Terjadi bentuk pelepasan gas baru, yang disebut pelepasan busur. Dalam hal ini, arus meningkat tajam, mencapai puluhan dan ratusan ampere, dan tegangan melintasi celah pelepasan turun hingga beberapa puluh volt.

    Pelepasan busur dapat diperoleh dari sumber tegangan rendah, melewati tahap percikan. Caranya, elektroda-elektroda tersebut didekatkan hingga bersentuhan, akibatnya menjadi sangat panas (pijar) oleh arus listrik, setelah itu elektroda-elektroda tersebut ditarik terpisah sehingga menghasilkan busur listrik yang terang. Dengan cara inilah busur listrik pertama kali diperoleh pada tahun 1802 oleh fisikawan Rusia V.V. Petrov.

    Saat ini, pembakaran busur listrik pada tekanan atmosfer paling sering dihasilkan antara elektroda karbon khusus yang terbuat dari grafit tekan dengan bahan pengikat (Gbr. 7.13).

    Menurut V.F. Mitkevich, pelepasan busur dipertahankan terutama karena emisi termionik dari permukaan katoda. Sudut pandang ini dapat dikonfirmasi oleh fakta eksperimental bahwa dalam banyak kasus busur stabil hanya diperoleh jika suhu katoda cukup tinggi. Saat katoda mendingin, busur terbakar secara tidak stabil, padam secara berkala dan menyala kembali. Mendinginkan anoda tidak mengganggu mode pembakaran busur yang stabil.

    Ketika arus pelepasan meningkat, resistansi busur R menurun drastis karena peningkatan emisi termionik dari katoda dan ionisasi gas di celah pelepasan. Dalam hal ini, resistansi berkurang lebih besar daripada kenaikan arus. Akibatnya, dengan meningkatnya arus, tegangan pada celah pelepasan tidak bertambah, melainkan menurun. Mereka mengatakan bahwa busur memiliki karakteristik tegangan arus turun, yaitu. karakteristik seperti itu ketika tegangan melintasi celah pelepasan berkurang dengan meningkatnya arus. Oleh karena itu, untuk menjaga kestabilan busur selama perubahan arus yang tidak disengaja, misalnya karena pendinginan katoda, tegangan pada elektroda busur harus ditingkatkan. Untuk tujuan ini, resistansi pemberat dimasukkan secara seri dalam rangkaian busur. Jika arus berkurang secara tidak sengaja, tegangan pada resistansi pemberat berkurang. Oleh karena itu, dengan tegangan total masukan yang konstan, tegangan melintasi celah pelepasan gas akan meningkat, yang menjamin pembakaran busur yang stabil.

    Selain pelepasan busur yang disebabkan oleh emisi termionik, terdapat juga pelepasan jenis lain. Contohnya adalah pelepasan busur api pada lampu merkuri. Lampu merkuri adalah silinder kuarsa atau kaca yang telah dievakuasi sebelumnya yang mentransmisikan sinar ultraviolet, diisi dengan uap merkuri (Gbr. 7.14). Pelepasan busur api dipicu oleh percikan listrik antara dua kolom air raksa, yang berfungsi sebagai elektroda lampu. Busur merkuri adalah sumber sinar ultraviolet yang kuat. Oleh karena itu, lampu tersebut digunakan dalam pengobatan dan penelitian ilmiah.

    Penelitian telah menunjukkan bahwa sumber emisi elektron yang kuat pada lampu merkuri adalah titik kecil bercahaya terang yang muncul di katoda dan terus mengalir di sepanjang permukaannya (yang disebut titik katoda). Kepadatan arus di titik katoda sangat besar dan dapat mencapai 10 6 ¸ 10 7 A/cm 2 . Bintik katoda dapat terjadi tidak hanya pada permukaan elektroda merkuri, tetapi juga pada elektroda logam lainnya.

    Busur merkuri dan busur serupa dengan elektroda logam disebut busur katoda dingin. Faktanya adalah sebelumnya diyakini bahwa katoda benar-benar dingin di seluruh permukaannya. Oleh karena itu, emisi termionik dari katoda tidak terjadi atau tidak berperan sama sekali. Langmuir menyarankan bahwa dalam kasus katoda dingin, pelepasan busur didukung oleh emisi medan dari katoda. Memang benar, penurunan potensial katoda (~10 V) terjadi selama periode urutan jalur bebas elektron. Oleh karena itu, medan listrik yang kuat muncul di dekat katoda, cukup untuk menimbulkan emisi medan yang nyata. Tidak diragukan lagi, emisi medan pada busur dengan katoda “dingin” memainkan peran penting. Belakangan, ada indikasi kemungkinan memanaskan katoda tersebut pada titik-titik tertentu hingga suhu di mana terjadi emisi termionik yang besar, yang, bersama dengan emisi medan, mendukung pelepasan busur. Meskipun masalah ini belum cukup dipelajari.


    7.4. Konsep plasma. Frekuensi plasma.
    Panjangnya sampai jumpa. Konduktivitas listrik plasma

    Plasma adalah gas kuasinetral terionisasi yang menempati volume besar sehingga tidak terjadi pelanggaran kuasineutralitas yang nyata di dalamnya karena fluktuasi termal. Kuasinetralitas plasma berarti jumlah muatan positif dan negatif di dalamnya hampir sama. Setiap unsur volume yang secara fisik sangat kecil bersifat netral (volume makroskopisnya kecil, tetapi masih mengandung banyak elektron dan ion). Muatan ion positif dan negatif sama dan setara dengan muatan elektron.

    Dampak yang cukup kuat terhadap plasma dapat menyebabkan pemisahan muatan di beberapa wilayahnya. Efek seperti itu dapat diberikan pada plasma, misalnya, oleh partikel bermuatan cepat dari antara elektron atau ion plasma itu sendiri (pada suhu yang cukup tinggi - fluktuasi termal) atau yang datang dari luar.

    Pemisahan muatan positif dan negatif dalam plasma mirip dengan proses polarisasi dielektrik. Namun, dalam dielektrik, partikel bermuatan tidak dapat bergerak dalam jarak yang jauh (~10 -10 m), dan dalam plasma pergerakan partikel apa pun dapat terjadi.

    Jika, karena fluktuasi termal, muatan negatif dipindahkan sejauh x, maka muatan makroskopik yang bertanda berlawanan dengan kerapatan permukaan akan muncul di batas plasma.

    di mana n adalah konsentrasi partikel dengan tanda muatan yang sama.

    Mengingat bahwa , maka dalam kasus yang sedang dipertimbangkan

    , (7.31)

    dimana P adalah momen dipol listrik per satuan volume plasma.

    Jika plasma tidak terbatas dan tidak ada yang gratis muatan listrik, yang merupakan sumber vektor D, yang kita miliki

    . (7.32)

    Dari rumus (7.32) kuat medan listrik yang dihasilkan dalam plasma diperoleh

    Untuk rapat energi medan listrik

    . (7.34)

    Gaya yang bekerja pada setiap elektron adalah

    . (7.35)

    Dari persamaan (7.35) jelas bahwa gaya sebanding dengan perpindahan dan arahnya berlawanan dengan perpindahan, yaitu. ini mirip dengan gaya kuasi-elastis. Akibatnya, gaya yang bekerja pada elektron dalam plasma menyebabkan getaran harmonis dengan frekuensi

    di mana m adalah massa elektron.

    Frekuensi ini disebut frekuensi plasma.

    Osilasi elektron yang terjadi di suatu tempat tertentu dalam plasma akan menimbulkan gelombang dengan frekuensi yang sama yang merambat melalui plasma.

    Karena energi medan listrik diambil dari energi kinetik gerak termal partikel gas, nilai w 0 tidak boleh melebihi 3nkT. Rata-rata, bagian partikel negatif per satuan volume menyumbang energi kinetik (dan energi yang sama untuk bagian positif). Oleh karena itu, jika kita menghilangkan koefisien numerik 3, maka relasi tersebut harus dipenuhi

    (nxe) 2<(nkT)×2e 0 ,

    . (7.37)

    Besaran D disebut panjang Debye atau jari-jari Debye. Jadi, agar plasma dapat mempertahankan kuasinetralitas, dimensi liniernya harus melebihi radius Debye.

    Tergantung pada derajat ionisasinya A membedakan: plasma terionisasi lemah (at A urutan pecahan persen), plasma terionisasi sedang ( A beberapa persen) dan plasma terionisasi penuh. Dalam kondisi alam terestrial, plasma cukup jarang ditemukan (misalnya di saluran petir). Di lapisan atas atmosfer, yang lebih banyak terkena faktor pengion (sinar ultraviolet dan kosmik), plasma yang terionisasi lemah (ionosfer) selalu ada. Ionosfer memantulkan gelombang radio dan memungkinkan komunikasi radio dalam jarak jauh (sesuai urutan jarak antara titik-titik yang berlawanan secara diametral di dunia). Di luar angkasa, plasma adalah wujud materi yang paling umum. Matahari dan bintang panas yang bersuhu tinggi terdiri dari plasma yang terionisasi penuh. Oleh karena itu, banyak permasalahan dalam astrofisika yang berkaitan dengan studi tentang sifat fisik plasma. Berdasarkan astrofisika, hidrodinamika magnetik muncul, di mana plasma yang bergerak dalam medan magnet dianggap sebagai media cair kontinu dengan konduktivitas tinggi. Plasma terbentuk dalam berbagai bentuk pelepasan gas, misalnya pada kolom positif pelepasan pijar, serta pada saluran utama pelepasan percikan. Fisika plasma adalah cabang fisika yang relatif baru dan berkembang pesat, yang dikhususkan untuk mata kuliah khusus.

    Mari kita perkirakan konduktivitas spesifiknya G plasma terionisasi penuh yang terdiri dari elektron dan ion bermuatan positif, yang masing-masing memiliki muatan Ze. Pergerakan ion, karena massanya yang besar, dapat diabaikan dan dapat diasumsikan bahwa seluruh arus dihasilkan oleh pergerakan elektron cahaya. Besarnya G ditentukan oleh tumbukan elektron dengan ion. Tumbukan elektron satu sama lain tidak mempengaruhi nilai arus, karena selama tumbukan tersebut momentum total elektron tidak berubah. Anda dapat mengalihkan pikiran Anda dari bentrokan ini. Gaya tarik menarik Coulomb bekerja antara ion dan elektron plasma - ini adalah gaya jarak jauh. Relatif jarang sebuah elektron mendekati ion pada jarak yang begitu pendek sehingga arah geraknya berubah tajam dan bersifat lompatan. Yang jauh lebih penting adalah interaksi elektron dengan sejumlah besar ion sekaligus, di mana arah lintasan elektron berubah dengan lancar dan terus menerus. Penyimpangan elektron pada sudut besar dari arah gerak awal terjadi sebagai akibat akumulasi penyimpangan kecil selama interaksinya dengan ion “jauh”. Oleh karena itu, kita dapat berbicara tentang tumbukan, panjang dan waktu lintasan bebas hanya dalam pengertian yang bersyarat. Jarak waktu T, di mana arah gerak elektron berubah dengan sudut orde 90 o, umumnya dianggap sebagai waktu jalur bebas.

    Untuk memperkirakan nilai i, kita asumsikan bahwa elektron bergerak dalam medan ion positif bermuatan Ze. Jika v adalah kecepatan elektron di tak terhingga, dan r p adalah parameter tumbukan, maka ketika melewati ion, lintasan elektron menyimpang dengan sudut Q, ditentukan oleh rumus

    , (7.38)

    di mana m adalah massa elektron.

    Parameter dampak rp, yang Q = 90 o, ditentukan oleh ekspresi

    Ini sesuai dengan “penampang efektif”:

    . (7.40)

    Mempertimbangkan interaksi jarak jauh menghasilkan hasil yang sama, tetapi meningkat sebesar L kali:

    . (7.41)

    Koefisien L disebut logaritma Coulomb. Hal ini hampir tidak bergantung pada suhu dan kepadatan plasma. Untuk plasma yang terdiri dari deuterium terionisasi penuh, pada kT ~ 10 keV dan konsentrasi elektron n ~ 10 12 ¸ 10 15 cm -3, L » 15. Karena setiap ion positif mengandung muatan unsur Z, konsentrasi ion-ion tersebut adalah , dan panjang rata-rata dan waktu "jalur bebas" Perbedaan besar dalam massa elektron dan ion plasma memungkinkan terjadinya keadaan kuasi-ekuilibrium dalam plasma sehingga, pada perkiraan tertentu, dapat dicirikan oleh dua suhu. Memang benar, mari kita asumsikan bahwa distribusi awal kecepatan elektron dan ion plasma adalah isotropik, tetapi tidak Maxwellian. Ketika sebuah elektron bertabrakan dengan elektron lain, mereka bertukar energi, yang besarnya sesuai dengan urutan energi awal elektron itu sendiri. Oleh karena itu, waktu terjadinya distribusi energi elektron (yaitu distribusi Maxwellian) akibat tumbukan antar elektron dapat diperkirakan dengan menggunakan rumus (7.41), jika di dalamnya massa elektron m digantikan dengan massa tereduksi . Kali ini disebut waktu relaksasi elektronik , sebanding dengan akar kuadrat massa elektron .

    Dengan cara yang sama, waktu relaksasi ion ditentukan, di mana distribusi energi antar ion akibat tumbukan di antara ion-ion tersebut dapat ditentukan: .

    Ketika elektron bertabrakan dengan ion, partikel cepat hanya mentransfer sebagian kecil energinya ke partikel lambat, yang rata-rata sesuai dengan sebagian kecil dari urutan energi awal partikel cepat. Waktu relaksasi akan diperlukan untuk menyelaraskan energi lebih dari . Dengan demikian,

    . (7.45)

    Dari (7.45) sebagai berikut:

    .

    Jika plasma dibiarkan sendiri, pertama-tama distribusi kecepatan elektron Maxwellian akan terbentuk, kemudian ion. Keadaan kuasi-kesetimbangan muncul di mana elektron akan memiliki suhu T e , dan ion akan memiliki suhu T i . Dalam hal ini T e ¹ T i . Dalam hal ini, plasma disebut non-isotermal atau dua suhu. Kemudian, sebagai hasil pertukaran energi antara elektron dan ion, distribusi Maxwellian akan terbentuk untuk seluruh plasma, yang ditandai dengan suhu umum elektron dan ion (plasma isotermal).

    Ketika plasma berada dalam medan listrik, arus listrik mulai ada di dalamnya dan panas Joule dilepaskan. Dalam hal ini, energi dari medan diterima hampir secara eksklusif oleh elektron, sebagai partikel yang paling bergerak. Ion memanas terutama karena energi yang diterimanya dari elektron “panas” selama interaksi Coulomb dengan elektron tersebut. Karena proses terakhir terjadi relatif lambat, suhu elektron dalam plasma lebih tinggi daripada suhu ion. Perbedaan di antara keduanya bisa sangat signifikan. Jadi, dalam kolom positif lucutan pijar pada tekanan orde 0,1 mm Hg. suhu elektron bisa mencapai 50.000 o C dan lebih tinggi, sedangkan suhu ion tidak melebihi beberapa ratus derajat.

    Kepentingan praktis utama fisika plasma terkait dengan pemecahan masalah fusi termonuklir terkendali. Agar reaksi termonuklir yang cukup intens dapat dimulai dalam suatu zat, zat tersebut harus dipanaskan hingga suhu beberapa keV atau puluhan keV, dan pada suhu tersebut zat apa pun berada dalam keadaan plasma. “Zat kerja” yang paling menjanjikan untuk reaktor termonuklir adalah isotop hidrogen: deuterium dan tritium. Lebih mudah untuk memperoleh reaksi fusi termonuklir bukan pada deuterium murni, tetapi pada campurannya dengan tritium. Jumlah total deuterium di lautan adalah ~ 4 × 10 13 ton, yang setara dengan energi ~ 10 20 kW tahun (total daya yang dikonsumsi di seluruh dunia adalah ~ 10 10 kW). Tritium, sebagai unsur radioaktif tinggi, tidak terbentuk secara alami, melainkan diproduksi secara buatan. Dalam reaktor termonuklir masa depan, konsumsi tritium harus diisi ulang secara melimpah melalui reproduksi (regenerasi) sebagai hasil iradiasi Li 6 dengan neutron yang dihasilkan dalam reaktor termonuklir itu sendiri.

    Karena reaksi termonuklir harus terjadi relatif lancar dan lambat, maka plasma panas perlu ditahan dalam waktu yang cukup lama dalam volume terbatas ruang kerja dan mengisolasinya dari dinding ruang ini. Untuk ini, diusulkan untuk menggunakan isolasi termal magnetik, mis. tempatkan plasma dalam medan magnet yang kuat, yang mencegah ion dan elektron bergerak dalam arah melintang dan menuju ke dinding ruangan.

    Persyaratan penting yang harus dipenuhi oleh setiap reaktor termonuklir adalah bahwa energi yang dilepaskan dalam reaksi nuklir lebih dari sekadar mengkompensasi energi yang dikonsumsi dari sumber eksternal. Sumber utama hilangnya energi adalah radiasi bremsstrahlung elektron selama tumbukan Coulomb, serta radiasi magnetobremsstrahlung (siklotron atau betatron) yang dihasilkan dari percepatan pergerakan elektron dalam medan magnet. Untuk reaksi termonuklir yang berkelanjutan, plasma perlu dipanaskan hingga suhu “kritis” tertentu (~50 keV). Dalam hal ini, apa yang disebut kriteria Lawson (nt>10 16 s/cm 3) harus dipenuhi, di mana n adalah konsentrasi ion plasma (dengan tanda yang sama), dan t adalah waktu retensi plasma rata-rata.

    Kesulitan utama yang menghalangi terciptanya fusi termonuklir terkendali terkait dengan perolehan plasma yang tenang atau stabil. Faktanya adalah karena sifat gaya Coulomb yang berjangkauan panjang, berbagai proses kolektif terjadi di dalam plasma, misalnya kebisingan dan osilasi yang terjadi secara spontan yang membuat plasma tidak stabil. Upaya utama dalam menyelesaikan masalah fusi termonuklir terkendali ditujukan untuk menekan ketidakstabilan tersebut.

    Pelepasan corona - ini adalah fenomena yang berhubungan dengan ionisasi udara dalam medan listrik dengan intensitas tinggi (pancaran gas dalam medan listrik tidak seragam dengan intensitas tinggi).

    Daerah bertegangan tinggi seringkali terbentuk karena ketidakhomogenan medan listrik, yang terjadi:

    1) Saat memilih parameter yang salah selama proses desain;

    2) Akibat pencemaran yang timbul selama bekerja;

    3) Akibat kerusakan mekanis dan keausan peralatan.

    Medan serupa terbentuk pada elektroda dengan kelengkungan permukaan yang sangat besar (titik, kabel tipis). Ketika kekuatan medan mencapai nilai batas untuk udara (sekitar 30 kV/cm), cahaya muncul di sekitar elektroda, tampak seperti cangkang atau mahkota (sesuai dengan namanya). Pelepasan korona digunakan untuk membersihkan gas dari debu dan kontaminan lainnya (pengendap listrik), untuk mendiagnosis kondisi struktur (memungkinkan Anda mendeteksi retakan pada produk). Terjadinya lucutan korona pada saluran listrik tidak diinginkan karena menyebabkan hilangnya energi yang ditransmisikan secara signifikan. Untuk mengurangi kelengkungan relatif elektroda, digunakan saluran multi-kawat (3, 5 atau lebih kabel yang disusun dengan cara tertentu).

    Jenis-jenis mahkota dan identifikasinya

    Mahkota negatif "seperti api". Korona jenis ini biasanya terjadi pada penghantar bermuatan negatif, misalnya pada setengah gelombang negatif tegangan listrik. Mahkota jenis ini tampak seperti nyala api yang bentuk, arah dan ukurannya terus berubah. Mahkota ini sangat sensitif terhadap perubahan parameter lingkungan. Kemunculannya juga menyebabkan munculnya sinyal audio kira-kira dua kali frekuensi industri (misalnya, 100 Hz) atau kelipatannya.

    Jerawat

    Kerusakan biasanya terjadi antara dua pelat logam yang terisolasi tetapi berdekatan. Arus bocor di sepanjang penyangga menginduksi tingkat tegangan tertentu di antara pelat dan dengan demikian terjadi pelepasan di antara keduanya. Pelepasan ini biasanya sulit dilokalisasi karena tidak ada sambungan langsung ke saluran tegangan tinggi. Pada kamera CoroCAM, celah percikan ini akan tampak sebagai objek kecil, persisten, dan sangat terang. Suara yang dihasilkan oleh pelepasan muatan listrik ini memiliki nada yang lebih tinggi dibandingkan dengan suara korona negatif dan tampaknya tidak berhubungan dengan frekuensi daya. Celah percikan biasanya menyebabkan interferensi radio dan televisi yang besar (misalnya, RI tinggi - interferensi radio).

    Pelepasan corona berpendar positif

    Pelepasan korona pijar positif terbentuk pada konduktor bermuatan positif (misalnya, selama setengah gelombang positif dari tegangan listrik). Biasanya ditemukan di tempat-tempat dengan sudut tajam. Mahkota jenis ini berukuran kecil dan tampak bercahaya di sekitar lokasi tertentu. Ini adalah sumber lucutan korona yang relatif lemah dan menghasilkan sinyal suara yang sangat sedikit.

    Seberapa seriuskah corona/debitan dalam menyebabkan Tegangan Interferensi Radio (RIV)?

    Catatan umum:

    Semua celah percikan menyebabkan interferensi radio yang serius.

    Jika corona terlihat seluruhnya dengan mata telanjang (pada malam hari), maka akan menimbulkan gangguan radio yang parah. (Gunakan CoroCAM untuk menemukan semua sumber corona dengan cepat dan kemudian mencoba melihatnya dengan mata telanjang.)

    Korona pancaran positif tidak menimbulkan interferensi radio yang berarti.

    Penerapan pelepasan corona

    Pemurnian gas listrik (electric precipitator).

    Sebuah bejana berisi asap tiba-tiba menjadi transparan sepenuhnya jika elektroda logam tajam yang dihubungkan ke mesin listrik dimasukkan ke dalamnya, dan semua partikel padat dan cair mengendap di elektroda. Penjelasan percobaan ini adalah sebagai berikut: segera setelah korona dinyalakan di dalam kawat, udara di dalam tabung menjadi sangat terionisasi. Ion gas menempel pada partikel debu dan mengisi dayanya. Karena terdapat medan listrik yang kuat di dalam tabung, partikel debu bermuatan bergerak di bawah pengaruh medan tersebut ke elektroda, tempat mereka mengendap.

    Penghitung partikel.

    Penghitung partikel Geiger–Müller terdiri dari silinder logam kecil yang dilengkapi dengan jendela yang dilapisi foil dan kawat logam tipis yang direntangkan sepanjang sumbu silinder dan diisolasi darinya. Meteran dihubungkan ke rangkaian yang berisi sumber arus yang tegangannya beberapa ribu volt. Tegangan dipilih sesuai kebutuhan untuk munculnya lucutan korona di dalam meteran.

    Ketika elektron yang bergerak cepat memasuki pencacah, elektron tersebut mengionisasi molekul gas di dalam pencacah, menyebabkan tegangan yang diperlukan untuk menyalakan korona sedikit berkurang. Pelepasan terjadi di meteran, dan arus jangka pendek yang lemah muncul di sirkuit. Untuk mendeteksinya, resistansi yang sangat tinggi (beberapa megaohm) dimasukkan ke dalam rangkaian dan elektrometer sensitif dihubungkan secara paralel dengannya. Setiap kali elektron cepat mengenai penghitung, lembaran elektrometer akan terlepas.

    Penghitung tersebut memungkinkan untuk mencatat tidak hanya elektron cepat, tetapi juga, secara umum, setiap partikel bermuatan dan bergerak cepat yang mampu menghasilkan ionisasi melalui tumbukan. Penghitung modern dengan mudah mendeteksi masuknya satu partikel saja ke dalamnya dan oleh karena itu memungkinkan untuk memverifikasi dengan keandalan penuh dan kejelasan yang sangat jelas bahwa partikel bermuatan elementer benar-benar ada di alam.

    Penangkal petir

    Diperkirakan sekitar 1.800 badai petir terjadi secara bersamaan di atmosfer seluruh bumi, menghasilkan rata-rata sekitar 100 sambaran petir per detik. Meskipun kemungkinan seseorang tersambar petir dapat diabaikan, namun petir tetap menimbulkan banyak kerugian. Cukuplah untuk menunjukkan bahwa saat ini sekitar setengah dari seluruh kecelakaan di jaringan listrik besar disebabkan oleh petir. Oleh karena itu, proteksi petir merupakan tugas yang penting.

    Lomonosov dan Franklin tidak hanya menjelaskan sifat listrik petir, tetapi juga menunjukkan cara membuat penangkal petir yang melindungi dari sambaran petir. Penangkal petir adalah kawat panjang yang ujung atasnya diasah dan diperkuat di atas kawat itu sendiri. titik tinggi bangunan yang dilindungi. Ujung bawah kawat dihubungkan ke lembaran logam, dan lembaran itu dikubur di dalam tanah setinggi air tanah. Selama badai petir, muatan induksi yang besar muncul di bumi dan medan listrik yang besar muncul di permukaan bumi. Ketegangannya sangat tinggi di dekat konduktor tajam, sehingga lucutan korona tersulut di ujung penangkal petir. Akibatnya, muatan induksi tidak dapat terakumulasi pada bangunan dan tidak terjadi petir. Jika petir benar-benar terjadi (dan kasus seperti ini sangat jarang terjadi), petir akan menyambar penangkal petir dan muatannya akan masuk ke dalam bumi tanpa menyebabkan kerusakan pada bangunan.

    Dalam beberapa kasus, pelepasan korona dari penangkal petir begitu kuat sehingga muncul pancaran cahaya yang terlihat jelas di ujungnya. Cahaya ini terkadang muncul di dekat benda runcing lainnya, misalnya di ujung tiang kapal, puncak pohon yang tajam, dll. Fenomena ini diketahui beberapa abad yang lalu dan menimbulkan kengerian takhayul di kalangan pelaut yang tidak memahami esensi sebenarnya.

    Di bawah pengaruh pelepasan corona

    Alat pengendap elektrostatis merupakan alat pembersih gas yang paling efektif, karena... biaya operasional untuk pemeliharaannya, dibandingkan dengan pengumpul debu dan abu lainnya, jauh lebih rendah. Pada saat yang sama, alat pengendap listrik paling memenuhi persyaratan alat pengumpul debu absolut.

    Instalasi pemurnian gas listrik meliputi alat pengendap listrik dan unit tenaga. Gas yang akan dimurnikan memasuki alat pengendap listrik, yang elektroda-elektrodanya disuplai dengan tegangan tinggi; pelepasan korona terjadi di antara elektroda-elektroda, akibatnya ruang antarelektroda diisi dengan ion-ion gas bermuatan negatif, yang, di bawah pengaruh medan listrik, berpindah dari elektroda corona ke elektroda presipitasi.

    Elektroda pengendapan dibagi menjadi pelat, tabung, kotak, batang, saku, beralur, berbentuk C, berbentuk tulip, dll.

    Menurut metode penghilangan debu, alat pengendap elektrostatis dibagi menjadi basah dan kering. Pada pengendap elektrostatis kering, pengocokan elektroda dilakukan dengan menggunakan metode kejut palu, denyut nadi, getaran, dll. Pada pengendap elektrostatis basah, pencucian elektroda dilakukan secara berkala atau terus menerus. Berdasarkan arah pergerakan gas yang dimurnikan, presipitator listrik dibagi menjadi vertikal dan horizontal. Selain itu, presipitator elektrostatis dapat berupa zona tunggal, di mana pengisian dan sedimentasi partikel dilakukan dalam satu zona, dan zona ganda - di mana pengisian dan sedimentasi dilakukan di zona berbeda: ionizer dan presipitator.

    Alat pengendap elektrostatis berbentuk tabung Sturtevant


    Sesuai dengan prinsip pembentukan lucutan korona, tersedia alat pengendap elektrostatis dengan titik lucutan korona tetap dan titik lucutan korona tidak tetap.

    Berdasarkan jenis sistem elektroda corona, pengendap elektrostatis dapat dibagi menjadi dua kelompok utama: dengan elektroda corona berbingkai dan dengan elektroda corona yang tersuspensi bebas. Pengocokan elektroda pengumpul dan korona dilakukan dengan menggunakan tumbukan, pengocokan palu, sistem kejut-pulsa, mekanisme getaran, pencucian berkala dan terus menerus.

    Fisika pelepasan korona dibahas secara rinci dalam buku N.A. Kaptsov “Pelepasan Korona dan Penerapannya pada Pengendap Listrik”, yang diterbitkan pada tahun 1947. Fenomena pelepasan listrik dalam gas dijelaskan oleh beberapa teori pelepasan. Landasan teori pertama - teori longsoran salju - diletakkan oleh Townsend pada tahun 1900. 30 tahun kemudian, teori ini dikembangkan lebih lanjut dalam karya Rogowski dan, seperti yang ditulis N.A. Kaptsov, “sampai sekarang teori tersebut menjadi dasar untuk menjelaskan fenomena pelepasan corona.” Teori kedua – teori plasma pelepasan gas – telah dikembangkan sejak tahun 1924 oleh Langrum dan alirannya, namun menurut N.A. Kaptsov tidak berkaitan langsung dengan penjelasan fisika pelepasan korona. Teori ketiga, teori plasma isotermal, dikembangkan pada tahun-tahun sebelum perang oleh Elenbas dan fisikawan Belanda lainnya.