Vedení elektrického proudu v plynech

1. Vedení elektrického proudu v plynech (Učebnice strana 55 – 59) Do elektrického obvodu zapojíme zdroj elektrického napětí, ampérmetr a spínač. Obvod není uzavřen, protože v jednom místě je přerušen vodič. 4,5 Obvodem neprochází elektrický proud. Vzduch je za normálních podmínek izolant. Pod místem, kde je přerušený vodič, zapálíme svíčku. Vzduch se zahřívá, dojde k jeho ionizaci – to znamená, že se zvětší rychlost neuspořádaného pohybu částic, dochází k vzájemným srážkám částic a přitom se odtrhnou elektrony z atomů, tak vzniknou volné částice s elektrickým nábojem – elektrony a ionty. Ionizaci vzduchu či jiného plynu může způsobit např. zahřátí, silné elektrické pole nebo záření (rentgenového, radioaktivního). Ionizované plyny se nazývají plazma, svými vlastnostmi se liší od ostatních skupenstvích látek, proto někdy mluvíme o čtvrtém skupenství látek.

2. K ionizaci vzduchu dochází např. v létě před bouřkou. Ve vzduchu se nachází malé množství částic s nábojem, zejména kladných iontů i za pěkného počasí. Před bouřkou vzniká mezi mrakem a zemí velmi silné elektrické pole, jehož působením jsou kladné ionty urychlovány. Když takto urychlený iont narazí na neutrální molekulu, rozštěpí ji na kladný iont a volný elektron. Vzduch se ionizuje. Jeho vodivost rychle stoupá a v určitém okamžiku nastane jiskrový výboj. Vzduch se v okolí jiskrového výboje silně zahřeje a jeho prudké rozpínání způsobuje silný hluk – hrom. Energii potřebnou k ionizaci dodává molekulám ionizátor, například silné elektrické pole, rentgenové nebo radioaktivní záření apod. Jiskrový výboj můžeme pozorovat mezi elektrodami van de Graafova generátoru. Při přeskočení jiskry slyšíme jemné zapraskání.

3. Elektrický proud vede pouze ionizovaný plyn. Odstraníme-li ionizátor, ionty rekombinací rychle zanikají a výboj zaniká. Proud se udržuje jen po dobu působení ionizátoru a proto mluvíme o nesamostatném výboji. Jestliže však napětí mezi elektrodami přesáhne velikost tzv. zápalného napětí, získají v elektrickém poli vzniklé ionty dostatek energie a mohou samy ionizovat další neutrální molekuly. Výboj pak pokračuje i bez přítomnosti vnějšího ionizátoru, vznikne samostatný výboj. Aby došlo k výboji za normálního tlaku, musí být mezi elektrodami buď velké napětí (doutnavý nebo jiskrový výboj), nebo musí být prostor mezi elektrodami silně ionizovaný (obloukový výboj). Jiskrový výbojKrátkodobý intenzivní výboj v silném elektrickém poli je provázen světelným zábleskem - jiskrou. Jiskrový výboj můžeme pozorovat mezi póly zdrojů vysokého napětí (van de Graaffův generátor, indukční elektrika, induktor). V zážehovém motoru se směs benzínu se vzduchem zapaluje elektrickou jiskrou, která přeskočí mezi kontakty zapalovací svíčky. Potřebné vysoké napětí - několik kilovoltů - vytváří zapalovací cívka.

4. Doutnavý výbojTento výboj se projevuje v okolí vodičů s velmi vysokým napětím (nad 100 000 V) a nazývá se korona. Projevuje se jako světélkování, zejména na hrotech a hranách a může způsobit značné ztráty při dálkovém přenosu elektrické energie. Korona - světélkování hrotů - vzniká i vlivem atmosférické elektřiny například na vrcholcích stožárů (tzv. Eliášovo světlo). Obloukový výbojKe vzniku obloukového výboje stačí napětí několik desítek voltů, ale prostor mezi elektrodami musí být silně zahřátý, aby se vzduch ionizoval. Výboj začíná vzájemným dotykem obou elektrod, při kterém dojde ke zkratu a průchodem silného proudu se elektrody rozžhaví až na teplotu 4000°C - 5000°C. Silně ionizovaný vzduch pak vede elektrický proud i při oddálení elektrod. Vysoké teploty oblouku se využívá například v obloukových pecích k tavení kovů, světelných účinků oblouku se dříve využívalo jako zdoje silného světla v obloukových lampách. Elektrický oblouk ve rtuťových parách je zdrojem ultrafialového záření v tzv. horském slunci.

5. Elektrický oblouk Zapojme dvě uhlíkové tyčinky do elektrického obvodu se zdrojem napětí alespoň 60 V. Přiblížíme tyčinky, aby se navzájem dotýkaly zahrocenými konci. + alespoň 60 V - Uzavřeme-li elektrický obvod, konce tyčinek se zahřívají. Jestliže po chvíli tyčinky trocha oddálíme, vytvoří se mezi jejich rozžhavenými hroty elektrický oblouk. Oblouk nesmíme pozorovat přímo, protože bychom se mohli poškodit zrak, pozorujeme ho přes tmavé sklo.

6. Při obloukovém svařování je svařovaný materiál připojen k jednomu pólu zdroje, kovová svařovací elektroda k druhému pólu. Na začátku svařování se dotykem elektrody a materiálu vytvoří elektrický oblouk a poté se elektroda vede těsně nad svařovanými místy. Žárem oblouku se svařovaný materiál i elektroda taví, tavenina po ztuhnutí dokonale spojí svařované součásti. Před intenzivním světlem se musí svářeč chránit ochranným filtrem. Při svařování tvoří kovové díly jednu elektrodu a druhou elektrodu drží svářeč v dobře izolovaném držáku svářečky.

7. Při zřeďování plynu se v elektrickém poli dráha iontů mezi dvěma srážkami (tzv. volná dráha) zvětšuje a na delší dráze získávají ionty větší energii. Proto dochází snadněji k nárazové ionizaci a ve zředěných plynech vzniká výboj už při nižším napětí. Připojíme-li skleněnou trubici s elektrodami ke zdroji vysokého napětí, vznikají průchodem proudu různé světelné jevy. Jejich charakter závisí na tlaku plynu v trubici, barva světla je dána druhem plynu. Nejvyužívanější je tzv. doutnavý výboj, zejména v různých typech světelných zdrojů a v různobarevných reklamních trubicích. Z trubice je částečně vyčerpán vzduch a jsou do ní zataveny dvě elektrody, které připojíme ke zdroji vysokého napětí. V trubici vznikne světélkující elektrický výboj, mezi elektrodami prochází elektrický proud. Barva světélkujícího výboje závisí na velikosti tlaku ve výbojkové trubici.

8. Obsahuje-li trubice nepatrné množství jiného plynu (krypton, xenon, neon…), má elektrický výboj jinou barvu než ve vzduchu. Výboje v trubicích plněných různými plyny V různých plynech je různě zbarven. Výbojové trubice s barevnými světly známe z reklamních svítících nápisů. Ve výbojových trubicích je vzduch velmi zředěn, a proto volné ionty a elektrony jsou urychlovány na delší dráze, než narazí na další částici. Tím získají větší pohybovou energii a mohou nárazem štěpit další molekuly. výbojková trubice

9. Běžná zářivka je skleněná trubice, naplněná argonem a rtuťovými parami. Aby se plyn v trubici uvedl do ionizovaného stavu, jsou na koncích trubice žhavicí vlákna a do obvodu je zapojen tzv. startér s bimetalovým kontaktem. Při zapnutí začne nejprve svítit doutnavka startéru, doutnavý výboj zahřeje bimetal a ten uzavře obvod. Vlákny začne procházet proud a z rozžhavených vláken vylétají do trubice elektrony - záporné ionty. Elektrony začnou ionizovat molekuly plynu a vznikne samostatný výboj. Přitom však poklesne napětí na startéru, jeho doutnavka zhasne a bimetal rozpojí obvod žhavicího proudu. Pro stabilizaci proudu se do obvodu zapojuje tlumivka. Při výboji ve rtuťových parách vzniká hlavně neviditelné ultrafialové záření. Vnitřní stěny trubice jsou pokryty luminiscenční látkou, která toto ultrafialové záření přeměňuje na viditelné světlo. Světelná účinnost zářivek je až 4 krát větší než u klasických žárovek. V posledních letech jsou stále populárnější kompaktní zářivky, které jsou pětkrát účinnější než žárovky a mají oproti nim více než 8 krát delší životnost.

10. Plazmová koule je skleněná koule naplněná určitým plynem, v němž probíhá elektrický výboj mezi centrální elektrodou a sklem. Sklo má ve srovnání s centrální elektrodou výrazně menší elektrický potenciál. Dotkneme-li se skla prstem, elektrický potenciál skla bude téměř nulový (přes lidské tělo se sklo uzemní) a elektrický výboj se zintenzivní. Elektrický proud v plynech je tvořen usměrněným pohybem volných iontů a elektronů. Využití – jiskrový výboj (zápalná svíčka), obloukový výboj (svařování, obloukové pece), výboj ve zředěném plynu (reklamní trubice, zářivky). Otázky a úlohy k opakování – učebnice strana 59.