V�boje v plynech - fyzik�ln� z�klady |
Obsah >>> |
Ionizace plynu
Z�kladn� podm�nkou, aby plyn vedl elektrick� proud, je roz�t�pen� elektricky neutr�ln�ch molekul na kladn� a z�porn� ionty. Tento d�j se naz�v� ionizace. K roz�t�pen� molekul je t�eba dodat plynu n�jak�m zp�sobem tzv. ioniza�n� energii. Ioniza�n� energie se m�sto joul� ud�v� obvykle v elektronvoltech (eV), p�i�em� plat�
1 eV = 1,6.10-19 J
Velikost ioniza�n� energie z�vis� na druhu molekul plynu:
PRVEK Ioniza�n� energie (eV) vod�k 13,6 kysl�k 13,6 neon 21,6 sod�k 5,1 rtu� (p�ry) 10,4
Energii pot�ebnou k ionizaci dod�v� molekul�m ioniz�tor, nap��klad siln� elektrick� pole, rentgenov� nebo radioaktivn� z��en� apod.
Od nesamostatn�ho k samostatn�mu v�boji
Elektrick� proud vede pouze ionizovan� plyn. Odstran�me-li ioniz�tor, ionty rekombinac� rychle zanikaj� a v�boj zanik�. Proud se udr�uje jen po dobu p�soben� ioniz�toru a proto mluv�me o nesamostatn�m v�boji. Jestli�e v�ak nap�t� mezi elektrodami p�es�hne velikost tzv. z�paln�ho nap�t�, z�skaj� v elektrick�m poli vznikl� ionty dostatek energie a mohou samy ionizovat dal�� neutr�ln� molekuly. V�boj pak pokra�uje i bez p��tomnosti vn�j��ho ioniz�toru, vznikne samostatn� v�boj. Po�et iont� lavinovit� vzr�st�, ionizace n�razem v�razn� p�evl�d� nad rekombinac�.
P�echod od nesamostatn�ho k samostatn�mu v�boji m��eme graficky zn�zornit na voltamp�rov� charakteristice v�boje:
Na vodorovn� ose je nap�t� mezi anodou a katodou, na svisl� ose je velikost proch�zej�c�ho proudu (je �m�rn� po�tu iont� v plynu). Jestli�e ioniz�tor u� nen� schopen vytvo�it v�c iont�, velikost proch�zej�c�ho proudu se p�i zvy�ov�n� nap�t� nem�n�, proud je nasycen�. P�i p�ekro�en� z�paln�ho nap�t� Uz vznik� samostatn� v�boj vyvolan� n�razovou ionizac�.
Samostatn� v�boje
Vznik samostatn�ho v�boje v plynu m��eme vysv�tlit takto:
Siln� elektrick� pole mezi elektrodami p�sob� na ionty plynu a ty se za�nou pohybovat k opa�n� nabit�m elektrod�m. P�i sv�m pohybu se sr�ej� s neutr�ln�mi molekulami plynu a maj�-li dostate�n� velkou energii, n�razem se molekuly roz�t�p�. Iont� tak v prostoru mezi elektrodami p�ib�v�, doch�z� k n�razov� ionizaci a vznikne samostatn� v�boj. Charakter samostatn�ho v�boje z�le�� na tlaku plynu:
1. ZA NORM�LN�HO TLAKU
Aby do�lo k v�boji za norm�ln�ho tlaku, mus� b�t mezi elektrodami bu� velk� nap�t� (doutnav� nebo jiskrov� v�boj), nebo mus� b�t prostor mezi elektrodami siln� ionizovan� (obloukov� v�boj).
Doutnav� v�boj
Tento v�boj se projevuje v okol� vodi�� s velmi vysok�m nap�t�m (nad 100 000 V) a naz�v� se korona. Projevuje se jako sv�t�lkov�n�, zejm�na na hrotech a hran�ch a m��e zp�sobit zna�n� ztr�ty p�i d�lkov�m p�enosu elektrick� energie. Korona - sv�t�lkov�n� hrot� - vznik� i vlivem atmosf�rick� elekt�iny nap��klad na vrcholc�ch sto��r� (tzv. Eli�ovo sv�tlo).
Jiskrov� v�boj
Kr�tkodob� intenzivn� v�boj v siln�m elektrick�m poli je prov�zen sv�teln�m z�bleskem - jiskrou. Jiskrov� v�boj m��eme pozorovat mezi p�ly zdroj� vysok�ho nap�t� (van de Graaff�v gener�tor, induk�n� elektrika, induktor). V z�ehov�m motoru se sm�s benz�nu se vzduchem zapaluje elektrickou jiskrou, kter� p�esko�� mezi kontakty zapalovac� sv��ky. Pot�ebn� vysok� nap�t� - n�kolik kilovolt� - vytv��� zapalovac� c�vka (obr�zek).
Monument�ln�m p��kladem jiskrov�ho v�boje je blesk, kter�m se vyrovn�v� obrovsk� nap�t� mezi dv�ma mraky nebo mezi mrakem a zem�. Na dr�ze blesku se ionizovan� vzduch siln� zah��v� a prudce rozp�n� - tak vznik� kr�tkodob� zvukov� efekt neboli hrom.
Obloukov� v�boj
Ke vzniku obloukov�ho v�boje sta�� nap�t� n�kolik des�tek volt�, ale prostor mezi elektrodami mus� b�t siln� zah��t�, aby se vzduch ionizoval. V�boj za��n� vz�jemn�m dotykem obou elektrod, p�i kter�m dojde ke zkratu a pr�chodem siln�ho proudu se elektrody roz�hav� a� na teplotu 4000�C - 5000�C. Siln� ionizovan� vzduch pak vede elektrick� proud i p�i odd�len� elektrod. Vysok� teploty oblouku se vyu��v� nap��klad v obloukov�ch pec�ch k taven� kov�, sv�teln�ch ��ink� oblouku se d��ve vyu��valo jako zdoje siln�ho sv�tla v obloukov�ch lamp�ch. Elektrick� oblouk ve rtu�ov�ch par�ch je zdrojem ultrafialov�ho z��en� v tzv. horsk�m slunci.
Nejzn�m�j�� uplatn�n� m� elektrick� oblouk p�i sva�ov�n�. P�i obloukov�m sva�ov�n� je sva�ovan� materi�l p�ipojen k jednomu p�lu zdroje, kovov� sva�ovac� elektroda k druh�mu p�lu. Na za��tku sva�ov�n� se dotykem elektrody a materi�lu vytvo�� elektrick� oblouk a pot� se elektroda vede t�sn� nad sva�ovan�mi m�sty. ��rem oblouku se sva�ovan� materi�l i elektroda tav�, tavenina po ztuhnut� dokonale spoj� sva�ovan� sou��sti. P�ed intenzivn�m sv�tlem se mus� sv��e� chr�nit ochrann�m filtrem.
2. ZA SN͎EN�HO TLAKU
P�i z�e�ov�n� plynu se v elektrick�m poli dr�ha iont� mezi dv�ma sr�kami (tzv. voln� dr�ha) zv�t�uje a na del�� dr�ze z�sk�vaj� ionty v�t�� energii. Proto doch�z� snadn�ji k n�razov� ionizaci a ve z�ed�n�ch plynech vznik� v�boj u� p�i ni���m nap�t�. P�ipoj�me-li sklen�nou trubici s elektrodami ke zdroji vysok�ho nap�t�, vznikaj� pr�chodem proudu r�zn� sv�teln� jevy. Jejich charakter z�vis� na tlaku plynu v trubici, barva sv�tla je d�na druhem plynu. Nejvyu��van�j�� je tzv. doutnav� v�boj, zejm�na v r�zn�ch typech sv�teln�ch zdroj� a v r�znobarevn�ch reklamn�ch trubic�ch.
Z��ivka
B�n� z��ivka je sklen�n� trubice, napln�n� argonem a rtu�ov�mi parami. Aby se plyn v trubici uvedl do ionizovan�ho stavu, jsou na konc�ch trubice �havic� vl�kna a do obvodu je zapojen tzv. start�r s bimetalov�m kontaktem. P�i zapnut� za�ne nejprve sv�tit doutnavka start�ru, doutnav� v�boj zah�eje bimetal a ten uzav�e obvod. Vl�kny za�ne proch�zet proud a z roz�haven�ch vl�ken vyl�taj� do trubice elektrony - z�porn� ionty. Elektrony za�nou ionizovat molekuly plynu a vznikne samostatn� v�boj. P�itom v�ak poklesne nap�t� na start�ru, jeho doutnavka zhasne a bimetal rozpoj� obvod �havic�ho proudu. Pro stabilizaci proudu se do obvodu zapojuje tlumivka. P�i v�boji ve rtu�ov�ch par�ch vznik� hlavn� neviditeln� ultrafialov� z��en�. Vnit�n� st�ny trubice jsou pokryty luminiscen�n� l�tkou, kter� toto ultrafialov� z��en� p�em��uje na viditeln� sv�tlo. Sv�teln� ��innost z��ivek je a� 4 kr�t v�t�� ne� u klasick�ch ��rovek. V posledn�ch letech jsou st�le popul�rn�j�� kompaktn� z��ivky, kter� jsou p�tkr�t ��inn�j�� ne� ��rovky a maj� oproti nim v�ce ne� 8 kr�t del�� �ivotnost.