PROFILPELAJAR.COM

Elektrický proud v plynech se vyskytuje pouze za určitých podmínek, které v plynu způsobí vznik volných částic s elektrickým nábojem (elektronů nebo iontů). Podmínkami vzniku elektrického proudu plynů jsou silné elektrické pole, radioaktivní záření, vysoká teplota nebo nízký tlak plynu. Za těchto podmínek dochází k ionizaci plynu a jeho elektrické vodivosti. Děj, který v něm probíhá, se nazývá elektrický výboj nebo elektrický oblouk.

Elektrickou vodivost plynů, přesněji vlastnosti katodového záření, studoval anglický experimentální fyzik Joseph John Thomson, který v roce 1897 objevil elektron. Za tento objev, kterým započala éra částicové fyziky, obdržel v roce 1906 Nobelovu cenu za fyziku.

Za objevitele ionizujícího záření a zakladatele jaderné fyziky je považován Ernst Rutherford. Ionizující záření je souhrnné označení pro záření, jehož kvanta mají energii postačující k ionizaci atomů nebo molekul ozářené látky. Ionizující záření vzniká při radioaktivním rozpadu, vlivem kosmického záření nebo jej lze vytvořit uměle. Za své objevy obdržel v roce 1908 Nobelovu cenu za chemii.

Ionizace plynu

Plyny jsou za normálního tlaku a teploty tvořeny elektricky neutrálními molekulami, jejich elektrická vodivost je zanedbatelná a jsou proto velmi dobrými elektrickými izolanty. Při ionizaci se z elektricky neutrální molekuly uvolňují elektrony a zbytek molekuly tvoří kladný iont. Elektrony se mohou zachytit na neutrálních molekulách a vznikají záporné ionty. Minimální energie potřebná k odtržení jednoho elektronu se nazývá ionizační potenciál (ionizační energie). Je to minimální energie, kterou musí mít dopadající částice, aby mohlo dojít k ionizaci a vytvoření kationtu. Při připojení elektronu k atomu dojde naopak k uvolnění energie, která se nazývá elektronová afinita.

Opačný děj k ionizaci plynu je rekombinace iontů, které se spojují a vytvářejí opět neutrální molekuly plynu. Oba děje často probíhají současně. Pokud trvá ionizace plynu, nastane rovnovážný stav mezi ionizací a rekombinací. Počet nosičů proudu je pak relativně stálý a tomu odpovídá určitá elektrická vodivost plynu. Přestanou-li na plyn působit vlivy, které vedou k ionizaci, nosiče náboje zanikají a plyn se stává opět nevodivým.

Při dostatečně vysokých teplotách probíhá v plynu převážně ionizace nárazem a plyn přechází do stavu označovaného jako plazma. Plazma se jako celek jeví elektricky neutrální, neboť hustota kladných a záporných iontů je prakticky stejná. Je to čtvrté skupenství hmoty a tvoří až 99 % pozorované atomární hmoty vesmíru. Nachází se nejenom v mezihvězdném prostoru s velmi malou hustotou průměrně méně než jeden atom na cm³, ale tvoří nitro Slunce a hvězd.

Ionizační energie

Polární záře v Norsku způsobená ionizací plynu

Ionizační energii (ionizační potenciál) potřebnou k odtržení elektronů dodávají ionizační činidla - ionizátory. Může to být vliv silného elektrické pole, radioaktivní záření, vysoká teplota nebo nízký tlak plynu.

V přírodních podmínkách je ionizátorem nejčastěji dopadající elektromagnetické záření, tedy fotony. Vzduch je vždy alespoň částečně ionizován účinkem kosmického záření a radioaktivity zemské kůry. Běžně vzniká a zaniká v 1 cm³ vzduchu každou sekundu přibližně 10 kladných iontů a elektronů. Naše Země je obklopena vrstvou ionizovaného plynu, označovaného jako ionosféra.

Vodivost plynů

Vodivost plynů v elektrickém poli je způsobena elektrickými sílami, které způsobují pohyb elektricky nabitých částic plynu. Tento pohyb však není jednoduchý, protože nabité částice se pohybují v prostředí, v němž jsou i neutrální molekuly. Dochází k jejich vzájemným srážkám a nabité částice předávají molekulám energii, která má za následek jejich ionizaci nárazem. Tak vznikají další nosiče proudu, vodivost plynu se zvětšuje a plynem prochází větší proud.

Podle podmínek, za nichž plynem prochází proud, rozlišujeme:

Nesamostatný výboj plynu, kdy je ionizace plynu vyvolána vnějším působením. Jestliže toto působení zanikne, zanikne i výboj v plynu.
Samostatný výboj plynu, který je podmíněn ionizací nárazem. Tento výboj se udrží i bez vnějšího působení.

Elektrický výboj

Elektrický výboj (bleskový výboj, jiskrový výboj) vzniká působením silného elektrického pole, které způsobí vytrhávání elektronů z atomů a molekul plynu (ionizaci plynu). Elektrický proud je pak tvořen směsí volných elektronů, kladných a záporných iontů v plynu. Elektrický výboj trvá většinou krátce (do vybití vnějšího elektrického pole), protože se jedná o krátkodobé uvolnění nahromaděné potenciální elektrické energie a volných nábojů. Ale může jít i o velký vyrovnávací zkratový proud (krátké spojení) od jednoho elektrického pólu zdroje ke druhému.

Elektrický výboj pozorujeme při bouřce jako blesk, kolem elektrického vedení s vysokým napětím jako korónu, při spínání nebo vypínání silnoproudých elektrických obvodů nebo při vzájemném tření umělohmotných kusů oblečení.

Doutnavý výboj je elektrický výboj za nízkého tlaku. Je způsoben snížením tlaku v plynu (vyčerpáním částic), kdy dojde ke zvětšení střední volné dráhy částic plynu. Tím mohou částice dosáhnout větší rychlosti a kinetické energie, která je dostatečná pro ionizaci plynu. Tento elektrický výboj se vyvolává v trubicích s vyčerpaným vzduchem (katodové trubice), případně naplněné nějakým plynem. Různé druhy plynu a různé tlaky vyvolávají různé světelné jevy, které se využívají například ve výbojkách, zářivkách a doutnavkách.

Elektrický oblouk

Elektrický oblouk vzniká při vysokých teplotách, které dodají částicím plynu velkou kinetickou energii a při jejich nárazech může docházet k vyrážení elektronů z atomů nebo molekul. Elektrický oblouk objevili nezávisle na sobě anglický chemik Humphry Davy roku 1801 a ruský vědec Vasilij Vladimírovič Petrov roku 1803.^[1]^[2]^[3]^[4]

Elektrický oblouk se vyznačuje velmi jasným světelným zářením, které se využívá v obloukových lampách. Vysoké teploty elektrického oblouku se rovněž využívá při obloukovém svařování, řezání plechů nebo v elektrických tavicích pecích.

Odkazy

Reference

↑ SEJPKA, Ladislav. Historie svařování v českých zemích.Téma: Úvod do historie svařování. Poznámky k historii obloukového svařování [online]. CWS ANB, 2009-05-13, rev. 2009-05-13 [cit. 2010-09-13]. Dostupné online.
↑ SAPP, Mark E. History of welding, Welding Timeline, 1800-1900 [online]. weldinghistory.org [cit. 2011-01-07]. Dostupné v archivu pořízeném dne 2010-07-22. (anglicky)
↑ LEZHNEVA, Olga A. Petrov, Vasily Vladimirovich [online]. Complete Dictionary of Scientific Biography, Encyclopedia.com [cit. 2011-06-16]. Dostupné online. (angličtina)
↑ AMBROŽ, Oldřich; KANDUS, Bohumil; KUBÍČEK, Jaroslav. Technologie svařování a zařízení. Recenzent Václav Minařík. 1. vyd. Ostrava: Česká svářečská společnost ANB, ZEROSS - svářečské nakladatelství, 2001. 395 s. ISBN 80-85771-81-0. S. 13.