Výboje v plynech - fyzikální základy

Obsah >>>        

Ionizace plynu
Základní podmínkou, aby plyn vedl elektrický proud, je rozštěpení elektricky neutrálních molekul na kladné a záporné ionty. Tento děj se nazývá ionizace. K rozštěpení molekul je třeba dodat plynu nějakým způsobem tzv. ionizační energii. Ionizační energie se místo joulů udává obvykle v elektronvoltech (eV), přičemž platí

1 eV = 1,6.10-19 J

Velikost ionizační energie závisí na druhu molekul plynu:

PRVEK Ionizační energie (eV)
vodík 13,6
kyslík 13,6
neon 21,6
sodík 5,1
rtuť (páry) 10,4

Energii potřebnou k ionizaci dodává molekulám ionizátor, například silné elektrické pole, rentgenové nebo radioaktivní záření apod.

Od nesamostatného k samostatnému výboji
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. Počet iontů lavinovitě vzrůstá, ionizace nárazem výrazně převládá nad rekombinací.

Přechod od nesamostatného k samostatnému výboji můžeme graficky znázornit na voltampérové charakteristice výboje:
Výboj
Na vodorovné ose je napětí mezi anodou a katodou, na svislé ose je velikost procházejícího proudu (je úměrná počtu iontů v plynu). Jestliže ionizátor už není schopen vytvořit víc iontů, velikost procházejícího proudu se při zvyšování napětí nemění, proud je nasycený. Při překročení zápalného napětí Uz vzniká samostatný výboj vyvolaný nárazovou ionizací.

Samostatné výboje
Vznik samostatného výboje v plynu můžeme vysvětlit takto:
Silné elektrické pole mezi elektrodami působí na ionty plynu a ty se začnou pohybovat k opačně nabitým elektrodám. Při svém pohybu se srážejí s neutrálními molekulami plynu a mají-li dostatečně velkou energii, nárazem se molekuly rozštěpí. Iontů tak v prostoru mezi elektrodami přibývá, dochází k nárazové ionizaci a vznikne samostatný výboj. Charakter samostatného výboje záleží na tlaku plynu:
 
1. ZA NORMÁLNÍHO TLAKU
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).

Doutnavý výboj
Tento 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).

Jiskrový výboj
SvíčkaKrátkodobý 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 (obrázek).
Monumentálním příkladem jiskrového výboje je blesk, kterým se vyrovnává obrovské napětí mezi dvěma mraky nebo mezi mrakem a zemí. Na dráze blesku se ionizovaný vzduch silně zahřívá a prudce rozpíná - tak vzniká krátkodobý zvukový efekt neboli hrom.

Obloukový výboj
Ke 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.
SvařováníNejznámější uplatnění má elektrický oblouk při svařování. 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.

2. ZA SNÍŽENÉHO TLAKU
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.

Zářivka
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.
Princip zářivkyKompaktní zářivka