Não há dielétricos absolutos na natureza. O movimento ordenado de partículas - portadoras de carga elétrica - ou seja, corrente, pode ser causado em qualquer meio, mas isso requer condições especiais. Consideraremos aqui como os fenômenos elétricos ocorrem em gases e como um gás pode ser transformado de um dielétrico muito bom em um condutor muito bom. Estaremos interessados nas condições em que ela surge, bem como quais características caracterizam a corrente elétrica em gases.
Propriedades elétricas dos gases
Um dielétrico é uma substância (meio) na qual a concentração de partículas - portadores livres de uma carga elétrica - não atinge nenhum valor significativo, pelo que a condutividade é desprezível. Todos os gases são bons dielétricos. Suas propriedades isolantes são usadas em todos os lugares. Por exemplo, em qualquer disjuntor, a abertura do circuito ocorre quando os contatos são colocados em uma posição que forma um entreferro entre eles. Fios em linhas de energiatambém são isolados uns dos outros por uma camada de ar.
A unidade estrutural de qualquer gás é uma molécula. Consiste em núcleos atômicos e nuvens de elétrons, ou seja, é um conjunto de cargas elétricas distribuídas no espaço de alguma forma. Uma molécula de gás pode ser um dipolo elétrico devido às peculiaridades de sua estrutura, ou pode ser polarizada sob a ação de um campo elétrico externo. A grande maioria das moléculas que compõem um gás são eletricamente neutras em condições normais, uma vez que as cargas nelas se cancelam.
Se um campo elétrico for aplicado a um gás, as moléculas assumirão uma orientação dipolar, ocupando uma posição espacial que compensa o efeito do campo. As partículas carregadas presentes no gás sob a influência das forças de Coulomb começarão a se mover: íons positivos - na direção do cátodo, íons negativos e elétrons - em direção ao ânodo. No entanto, se o campo tem potencial insuficiente, não surge um único fluxo direcionado de cargas, e pode-se falar de correntes separadas, tão fracas que devem ser desprezadas. O gás se comporta como um dielétrico.
Assim, para a ocorrência de corrente elétrica em gases, é necessária uma grande concentração de portadores de carga livres e a presença de um campo.
Ionização
O processo de aumento semelhante a uma avalanche no número de cargas livres em um gás é chamado de ionização. Assim, um gás no qual há uma quantidade significativa de partículas carregadas é chamado de ionizado. É nesses gases que uma corrente elétrica é criada.
O processo de ionização está associado à violação da neutralidade das moléculas. Como resultado do destacamento de um elétron, aparecem íons positivos, a ligação de um elétron a uma molécula leva à formação de um íon negativo. Além disso, existem muitos elétrons livres em um gás ionizado. Os íons positivos e especialmente os elétrons são os principais portadores de carga para a corrente elétrica nos gases.
A ionização ocorre quando uma certa quantidade de energia é transmitida a uma partícula. Assim, um elétron externo na composição de uma molécula, tendo recebido essa energia, pode sair da molécula. Colisões mútuas de partículas carregadas com partículas neutras levam à eliminação de novos elétrons, e o processo assume um caráter de avalanche. A energia cinética das partículas também aumenta, o que promove grandemente a ionização.
De onde vem a energia usada para excitar a corrente elétrica nos gases? A ionização de gases possui diversas fontes de energia, segundo as quais costuma-se nomear seus tipos.
- Ionização por campo elétrico. Neste caso, a energia potencial do campo é convertida na energia cinética das partículas.
- Termoionização. Um aumento na temperatura também leva à formação de um grande número de cargas livres.
- Fotoionização. A essência deste processo é que os elétrons são fornecidos com energia por radiação eletromagnética quanta - fótons, se eles tiverem uma frequência suficientemente alta (ultravioleta, raios-x, gama quanta).
- A ionização por impacto é o resultado da conversão da energia cinética das partículas em colisão em energia de separação de elétrons. Assim comoionização térmica, serve como principal fator de excitação em gases de corrente elétrica.
Cada gás é caracterizado por um certo valor limiar - a energia de ionização necessária para um elétron se separar de uma molécula, superando uma barreira de potencial. Este valor para o primeiro elétron varia de vários volts a duas dezenas de volts; mais energia é necessária para remover o próximo elétron da molécula, e assim por diante.
Deve-se levar em conta que simultaneamente com a ionização no gás ocorre o processo inverso - recombinação, ou seja, a restauração de moléculas neutras sob a ação das forças de atração de Coulomb.
Descarga de gás e seus tipos
Então, a corrente elétrica nos gases se deve ao movimento ordenado de partículas carregadas sob a ação de um campo elétrico aplicado a elas. A presença de tais cargas, por sua vez, é possível devido a diversos fatores de ionização.
Então, a ionização térmica requer temperaturas significativas, mas uma chama aberta devido a alguns processos químicos contribui para a ionização. Mesmo a uma temperatura relativamente baixa na presença de uma chama, o aparecimento de uma corrente elétrica nos gases é registrado, e o experimento com a condutividade do gás facilita a verificação disso. É necessário colocar a chama de um queimador ou vela entre as placas de um capacitor carregado. O circuito anteriormente aberto devido ao entreferro no capacitor fechará. Um galvanômetro conectado ao circuito mostrará a presença de corrente.
A corrente elétrica em gases é chamada de descarga de gás. Deve-se ter em mente quepara manter a estabilidade da descarga, a ação do ionizador deve ser constante, pois devido à recombinação constante, o gás perde suas propriedades eletricamente condutoras. Alguns portadores de corrente elétrica em gases - íons - são neutralizados nos eletrodos, outros - elétrons - caindo no ânodo, são direcionados para o "mais" da fonte de campo. Se o fator ionizante parar de operar, o gás imediatamente se tornará um dielétrico novamente e a corrente cessará. Tal corrente, dependente da ação de um ionizador externo, é chamada de descarga não auto-sustentada.
As características da passagem da corrente elétrica através dos gases são descritas por uma dependência especial da intensidade da corrente na tensão - a característica corrente-tensão.
Vamos considerar o desenvolvimento de uma descarga de gás no gráfico da dependência corrente-tensão. Quando a tensão sobe para um determinado valor U1, a corrente aumenta proporcionalmente a ele, ou seja, a lei de Ohm é cumprida. A energia cinética aumenta e, portanto, a velocidade das cargas no gás, e esse processo está à frente da recombinação. Em valores de tensão de U1 a U2 essa relação é violada; quando U2 é alcançado, todos os portadores de carga atingem os eletrodos sem ter tempo para recombinar. Todas as cargas gratuitas estão envolvidas e um aumento adicional na tensão não leva a um aumento na corrente. Essa natureza do movimento das cargas é chamada de corrente de saturação. Assim, podemos dizer que a corrente elétrica nos gases também se deve às peculiaridades do comportamento do gás ionizado em campos elétricos de várias intensidades.
Quando a diferença de potencial entre os eletrodos atinge um certo valor U3, a tensão se torna suficiente para que o campo elétrico cause uma ionização de gás semelhante a uma avalanche. A energia cinética dos elétrons livres já é suficiente para a ionização por impacto das moléculas. Ao mesmo tempo, sua velocidade na maioria dos gases é de cerca de 2000 km/s e superior (é calculada pela fórmula aproximada v=600 Ui, onde Ui é o potencial de ionização). Neste momento, ocorre uma quebra de gás e um aumento significativo na corrente ocorre devido a uma fonte de ionização interna. Portanto, tal descarga é chamada de independente.
A presença de um ionizador externo neste caso não desempenha mais um papel na manutenção da corrente elétrica nos gases. Uma descarga auto-sustentada sob diferentes condições e com diferentes características da fonte de campo elétrico pode ter certas características. Existem tipos de auto-descarga como brilho, faísca, arco e corona. Veremos como a corrente elétrica se comporta nos gases, brevemente para cada um desses tipos.
Descarga Brilhante
Em um gás rarefeito, uma diferença de potencial de 100 (e até menos) a 1000 volts é suficiente para iniciar uma descarga independente. Portanto, uma descarga incandescente, caracterizada por uma baixa intensidade de corrente (de 10-5 A a 1 A), ocorre em pressões não superiores a alguns milímetros de mercúrio.
Em um tubo com gás rarefeito e eletrodos frios, a descarga de brilho emergente parece um fino cordão luminoso entre os eletrodos. Se você continuar bombeando gás do tubo, você observaráembaçamento do cordão, e a pressões de décimos de milímetros de mercúrio, o brilho enche o tubo quase completamente. O brilho está ausente perto do cátodo - no chamado espaço escuro do cátodo. O resto é chamado de coluna positiva. Nesse caso, os principais processos que garantem a existência da descarga estão localizados precisamente no espaço catódico escuro e na região adjacente a ele. Aqui, partículas de gás carregadas são aceleradas, expulsando elétrons do cátodo.
Em uma descarga luminosa, a causa da ionização é a emissão de elétrons do cátodo. Os elétrons emitidos pelo cátodo produzem ionização de impacto das moléculas de gás, os íons positivos emergentes causam emissão secundária do cátodo e assim por diante. O brilho da coluna positiva é principalmente devido ao recuo de fótons por moléculas de gás excitadas, e diferentes gases são caracterizados por um brilho de uma determinada cor. A coluna positiva participa da formação de uma descarga incandescente apenas como uma seção do circuito elétrico. Se você aproximar os eletrodos, poderá obter o desaparecimento da coluna positiva, mas a descarga não será interrompida. No entanto, com uma redução adicional na distância entre os eletrodos, a descarga incandescente não poderá existir.
Ress alte-se que para este tipo de corrente elétrica em gases, a física de alguns processos ainda não foi totalmente elucidada. Por exemplo, a natureza das forças que causam uma expansão na superfície do cátodo da região que participa da descarga permanece incerta.
Descarga de faísca
Faíscaa ruptura tem um caráter impulsivo. Ocorre em pressões próximas à atmosférica normal, nos casos em que a potência da fonte do campo elétrico não é suficiente para manter uma descarga estacionária. Neste caso, a intensidade do campo é alta e pode chegar a 3 MV/m. O fenômeno é caracterizado por um aumento acentuado na corrente elétrica de descarga no gás, ao mesmo tempo em que a tensão cai extremamente rapidamente e a descarga é interrompida. Então a diferença de potencial aumenta novamente e todo o processo é repetido.
Com este tipo de descarga, formam-se canais de faísca de curta duração, cujo crescimento pode começar a partir de qualquer ponto entre os eletrodos. Isso se deve ao fato de que a ionização de impacto ocorre aleatoriamente em locais onde o maior número de íons está concentrado atualmente. Perto do canal de faísca, o gás aquece rapidamente e sofre expansão térmica, o que causa ondas acústicas. Portanto, a descarga da faísca é acompanhada de crepitação, bem como a liberação de calor e um brilho intenso. Os processos de ionização de avalanche geram altas pressões e temperaturas de até 10 mil graus e mais no canal de faísca.
O exemplo mais claro de uma descarga de faísca natural é o relâmpago. O diâmetro do canal principal de faíscas pode variar de alguns centímetros a 4 m, e o comprimento do canal pode chegar a 10 km. A magnitude da corrente chega a 500 mil amperes, e a diferença de potencial entre uma nuvem de tempestade e a superfície da Terra chega a um bilhão de volts.
O raio mais longo de 321 km foi observado em 2007 em Oklahoma, EUA. O recordista da duração foi o relâmpago, gravadoem 2012 nos Alpes franceses - durou mais de 7,7 segundos. Quando atingido por um raio, o ar pode aquecer até 30 mil graus, que é 6 vezes a temperatura da superfície visível do Sol.
Nos casos em que a potência da fonte do campo elétrico é grande o suficiente, a descarga da faísca se desenvolve em um arco.
Descarga de Arco
Este tipo de auto-descarga é caracterizado por alta densidade de corrente e baixa tensão (menos que a descarga de brilho). A distância de ruptura é pequena devido à proximidade dos eletrodos. A descarga é iniciada pela emissão de um elétron da superfície do cátodo (para átomos de metal, o potencial de ionização é pequeno em comparação com moléculas de gás). Durante uma ruptura entre os eletrodos, são criadas condições sob as quais o gás conduz uma corrente elétrica e ocorre uma descarga de faísca, que fecha o circuito. Se a potência da fonte de tensão for grande o suficiente, as descargas de faísca se transformam em um arco elétrico estável.
A ionização durante uma descarga de arco atinge quase 100%, a força da corrente é muito alta e pode ser de 10 a 100 amperes. À pressão atmosférica, o arco pode aquecer de 5 a 6 mil graus e o cátodo - até 3 mil graus, o que leva a intensa emissão termiônica de sua superfície. O bombardeio do ânodo com elétrons leva à destruição parcial: um recesso é formado nele - uma cratera com temperatura de cerca de 4000 ° C. Um aumento na pressão causa um aumento ainda maior nas temperaturas.
Ao espalhar os eletrodos, a descarga do arco permanece estável até uma certa distância,que permite lidar com ele nas áreas de equipamentos elétricos onde é prejudicial devido à corrosão e queima de contatos causados por ele. São dispositivos como chaves automáticas e de alta tensão, contatores e outros. Um dos métodos para combater o arco que ocorre na abertura dos contatos é o uso de calhas de arco baseado no princípio da extensão do arco. Muitos outros métodos também são usados: contatos em ponte, uso de materiais com alto potencial de ionização e assim por diante.
Corona quitação
O desenvolvimento de uma descarga corona ocorre à pressão atmosférica normal em campos nitidamente não homogêneos perto de eletrodos com uma grande curvatura da superfície. Estes podem ser pináculos, mastros, fios, vários elementos de equipamentos elétricos que têm uma forma complexa e até cabelos humanos. Esse eletrodo é chamado de eletrodo corona. Os processos de ionização e, consequentemente, o brilho do gás ocorrem apenas perto dele.
Uma coroa pode se formar tanto no cátodo (coroa negativa) quando bombardeada com íons, quanto no ânodo (positivo) como resultado da fotoionização. A corona negativa, na qual o processo de ionização é direcionado para longe do eletrodo como resultado da emissão térmica, é caracterizada por um brilho uniforme. Na corona positiva, podem ser observadas serpentinas - linhas luminosas de configuração quebrada que podem se transformar em canais de faísca.
Um exemplo de descarga corona em condições naturais são os incêndios de St. Elmo que ocorrem nas pontas de mastros altos, copas de árvores e assim por diante. Eles são formados em uma alta tensão da corrente elétricacampos na atmosfera, muitas vezes antes de uma tempestade ou durante uma tempestade de neve. Além disso, eles foram fixados na pele de aeronaves que caíram em uma nuvem de cinzas vulcânicas.
A descarga de corona nos fios das linhas de energia leva a perdas significativas de eletricidade. Em alta tensão, uma descarga corona pode se transformar em um arco. É combatido de várias maneiras, por exemplo, aumentando o raio de curvatura dos condutores.
Corrente elétrica em gases e plasma
O gás total ou parcialmente ionizado é chamado de plasma e é considerado o quarto estado da matéria. Em geral, o plasma é eletricamente neutro, pois a carga total de suas partículas constituintes é zero. Isso o distingue de outros sistemas de partículas carregadas, como feixes de elétrons.
Sob condições naturais, o plasma é formado, via de regra, em altas temperaturas devido à colisão de átomos de gás em altas velocidades. A grande maioria da matéria bariônica no Universo está no estado de plasma. Estas são estrelas, parte da matéria interestelar, gás intergaláctico. A ionosfera da Terra também é um plasma rarefeito e fracamente ionizado.
O grau de ionização é uma característica importante de um plasma - suas propriedades condutoras dependem dele. O grau de ionização é definido como a razão entre o número de átomos ionizados e o número total de átomos por unidade de volume. Quanto mais ionizado o plasma, maior sua condutividade elétrica. Além disso, é caracterizada pela alta mobilidade.
Vemos, portanto, que os gases que conduzem eletricidade estão dentrocanais de descarga nada mais são do que plasma. Assim, as descargas de brilho e corona são exemplos de plasma frio; um canal de faísca de relâmpago ou um arco elétrico são exemplos de plasma quente, quase completamente ionizado.
Corrente elétrica em metais, líquidos e gases - diferenças e semelhanças
Vamos considerar as características que caracterizam a descarga de gás em comparação com as propriedades da corrente em outros meios.
Nos metais, a corrente é um movimento direcionado de elétrons livres que não acarreta mudanças químicas. Condutores deste tipo são chamados de condutores do primeiro tipo; estes incluem, além de metais e ligas, carvão, alguns sais e óxidos. Eles se distinguem pela condutividade eletrônica.
Condutores do segundo tipo são eletrólitos, ou seja, soluções aquosas líquidas de álcalis, ácidos e sais. A passagem da corrente está associada a uma mudança química no eletrólito - eletrólise. Os íons de uma substância dissolvida em água, sob a ação de uma diferença de potencial, se movem em direções opostas: cátions positivos - para o cátodo, ânions negativos - para o ânodo. O processo é acompanhado pela evolução de gás ou deposição de uma camada de metal no cátodo. Condutores do segundo tipo são caracterizados pela condutividade iônica.
Quanto à condutividade dos gases, ela é, em primeiro lugar, temporária e, em segundo lugar, apresenta sinais de semelhanças e diferenças com cada um deles. Assim, a corrente elétrica em eletrólitos e gases é uma deriva de partículas de carga oposta direcionadas para eletrodos opostos. No entanto, enquanto os eletrólitos são caracterizados por condutividade puramente iônica, em uma descarga de gás com uma combinaçãotipos eletrônicos e iônicos de condutividade, o papel principal pertence aos elétrons. Outra diferença entre a corrente elétrica em líquidos e gases é a natureza da ionização. Em um eletrólito, as moléculas de um composto dissolvido dissociam-se na água, mas em um gás, as moléculas não se quebram, mas apenas perdem elétrons. Portanto, a descarga de gás, como a corrente nos metais, não está associada a alterações químicas.
A física da corrente elétrica em líquidos e gases também não é a mesma. A condutividade dos eletrólitos como um todo obedece à lei de Ohm, mas não é observada durante uma descarga de gás. A característica volt-ampere dos gases tem um caráter muito mais complexo associado às propriedades do plasma.
Vale a pena mencionar as características gerais e distintivas da corrente elétrica nos gases e no vácuo. O vácuo é quase um dielétrico perfeito. "Quase" - porque no vácuo, apesar da ausência (mais precisamente, uma concentração extremamente baixa) de portadores de carga livre, uma corrente também é possível. Mas os potenciais portadores já estão presentes no gás, eles só precisam ser ionizados. Os portadores de carga são trazidos para o vácuo a partir da matéria. Como regra, isso ocorre no processo de emissão de elétrons, por exemplo, quando o cátodo é aquecido (emissão termiônica). Mas, como vimos, a emissão também desempenha um papel importante em vários tipos de descargas de gás.
Uso de descargas de gás na tecnologia
Os efeitos nocivos de certas descargas já foram brevemente discutidos acima. Agora vamos prestar atenção aos benefícios que eles trazem na indústria e na vida cotidiana.
Descarga de brilho é usada em engenharia elétrica(estabilizadores de tensão), em tecnologia de revestimento (método de pulverização catódica baseado no fenômeno da corrosão catódica). Na eletrônica, é usado para produzir feixes de íons e elétrons. Um campo de aplicação bem conhecido para descargas incandescentes são lâmpadas fluorescentes e as chamadas lâmpadas econômicas e tubos de descarga de néon e argônio decorativos. Além disso, as descargas luminosas são usadas em lasers de gás e em espectroscopia.
Descarga de faísca é usada em fusíveis, em métodos eletroerosivos de processamento de metal de precisão (corte de faísca, perfuração e assim por diante). Mas é mais conhecido por seu uso em velas de ignição de motores de combustão interna e em eletrodomésticos (fogões a gás).
Descarga de arco, sendo usada pela primeira vez na tecnologia de iluminação em 1876 (vela de Yablochkov - "luz russa"), ainda serve como fonte de luz - por exemplo, em projetores e holofotes poderosos. Na engenharia elétrica, o arco é usado em retificadores de mercúrio. Além disso, é utilizado em soldagem elétrica, corte de metais, fornos elétricos industriais para fundição de aço e ligas.
A descarga Corona é utilizada em precipitadores eletrostáticos para limpeza de gás iônico, contadores de partículas elementares, pára-raios, sistemas de ar condicionado. A descarga Corona também funciona em copiadoras e impressoras a laser, onde carrega e descarrega o tambor fotossensível e transfere o pó do tambor para o papel.
Assim, descargas de gás de todos os tipos encontramampla aplicação. A corrente elétrica em gases é usada com sucesso e eficácia em muitas áreas da tecnologia.
