Jonizacja gazu poprzez napięcie: Definicja i mechanizm
- Szczegóły
Temat, który będziemy rozważać dotyczy gazów, czyli zbioru atomów lub cząsteczek poruszających się swobodnie w całej dostępnej objętości.
Pojedyncze atomy są elektrycznie obojętne. Składają się one z dodatniego jądra atomowego oraz ujemnych elektronów, poruszających się po ściśle określonych orbitach - powłokach elektronowych.
Pod wpływem energii dostarczonej z zewnątrz, elektron może oderwać się od atomu i potem, już jako swobodna naładowana cząstka, może swobodnie poruszać się w całej objętości gazu. Pozbawiony elektronu atom staje się jonem, czyli atomem naładowanym elektrycznie.
Opisany proces nosi nazwę jonizacji. Jony mogą być, tak jak w tym przypadku, naładowane dodatnio - wtedy nazywamy je kationami.
Po podłączeniu elektrod o różnych potencjałach kationy są przyciągane przez ujemnie naładowaną katodę. Jony ujemne, poruszające się w kierunku dodatnio naładowanej anody, nazywamy anionami.
Przeczytaj także: Profesjonalna stylizacja włosów w domu
Aby doszło do procesu jonizacji, dostarczona energia powinna być na tyle duża, by pokonać przyciąganie elektronu przez dodatnio naładowane jądro atomowe. Najmniejsza taka energia nazywa się energią jonizacji.
Energia potrzebna do zjonizowania atomu może pochodzić z różnych źródeł. Jak powiedzieliśmy na początku, atomy gazu poruszają się swobodnie ale mogą się ze sobą zderzać.
Jeśli ich energia kinetyczna jest wystarczająco duża, dochodzi do jonizacji jednego z nich. W takiej sytuacji mamy do czynienia z tzw. jonizacją termiczną.
Czynnikiem jonizującym gazy jest też silne pole elektryczne. Po pierwsze, przy odpowiednio dużym jego natężeniu, przeciwnie skierowane siły, które działają na dodatnio i ujemnie naładowane elementy atomu, mogą spowodować oderwanie elektronu.
Po drugie (i ten efekt ma największe znaczenie), elektrony wybite wskutek jonizacji jednych atomów mogą zostać przyspieszone przez to pole do prędkości wystarczających, by zderzając się z kolejnymi atomami zjonizować je, czyli wybić następne elektrony, które będąc przyspieszone do wystarczających prędkości jonizują kolejne atomy i tak dalej ... . Opisane zjawisko nazywa się jonizacją lawinową.
Przeczytaj także: Wszystko o prostownicy z laserową jonizacją
Warunki wystarczające do zajścia zjawiska jonizacji lawinowej mogą zostać wytworzone na dwa sposoby. Jednym z nich jest działanie odpowiednio silnego pola elektrycznego (tak, jak w przypadku błyskawicy), a drugim - zmniejszenie ciśnienia gazu (rozrzedzenie go, tak jak w lampach jarzeniowych lub komorach jonizacyjnych).
Wykorzystanie jonizacji w praktyce
Prąd jonizacji w kotłach grzewczych
Prąd jonizacji to prąd płynący pomiędzy specjalną elektrodą (w branży grzewczej nosi ona nazwę elektrody jonizacyjnej) a masą palnika w obecności płomienia. Płomień powoduje wzrost temperatury gazów a oznacza to zwiększenie energii kinetycznej cząsteczek gazu. Prowadzi to do powstania jonów (cząstek obdarzonych ładunkiem elektrycznym) posiadającym właściwości przewodzenia prądu elektrycznego. W wyniku różnicy potencjałów w zjonizowanym za pomocą płomienia gazie pomiędzy elektrodą jonizacyjną a masą urządzenia zaczyna płynąć prąd.
Po zgłoszeniu zapotrzebowania na ciepło kocioł grzewczy aby dostarczyć energię cieplną do systemu grzewczego musi dokonać zapłonu mieszanki gazowej. Krok po kroku opiszemy w jaki sposób dochodzi do powstania płomienia i w jaki sposób automatyka kotła informowana jest o jego obecności.
- Automatyka kotła grzewczego zgłasza zapotrzebowanie na ciepło. Może to być potrzeba ogrzania wody do kąpieli lub naszego budynku
- Na elektrodę jonizacyjną podawane jest napięcie o wartości od 110 do 190 Volt aby mógł powstać prąd jonizacji. W normalnej temperaturze otoczenia, przy braku płomienia w układzie nie płynie prąd.
- Za pomocą transformatora podawane jest napięcie o wartości kilku tysięcy Voltów na elektrodę zapłonową. Powoduje to powstanie łuku elektrycznego, wytwarza się potrzebna do zapłonu iskra.
- Automatyka kotła podaje napięcie na cewkę elektrozaworu gazowego. Powodując to jego otwarcie i następuje dostarczenie mieszanki gazowej na palnik naszego urządzenia. W obecności iskry następuje jej zapłon.
- Pomiędzy masą kotła a elektrodą jonizacyjną zaczyna płynąć prąd jonizacji, który informuje układ elektroniczny naszego pieca o obecności płomienia
Prąd jonizacji jest prądem stosunkowo słabym, jego natężenie wynosi około kilkunastu miliamperów. Tak słaby prąd w przypadku wystąpienia anomalii takich jak zanieczyszczenia czy deformacje elektrody, uszkodzenia porcelany izolacyjnej może ulec osłabieniu i nie zostanie wykryty. Nastąpi wówczas blokada urządzenia, kocioł wejdzie w stan awarii.
Zła polaryzacja podłączeń elektrycznych, silne zabrudzenia, korozja kotła, stara instalacja elektryczna, zawilgocenia, zła regulacja palnika oraz nieodpowiednie ciśnienie gazu mogą być przyczyną wystąpienia tego typu awarii.
Przeczytaj także: Pyły zawieszone, filtry i jonizacja w oczyszczaczach powietrza
Eliminatory ładunków elektrostatycznych (Jonizatory)
Eliminator ładunków elektrostatycznych służy do wymuszonego usuwania wytworzonego ładunku. Eliminator ładunków statycznych jest również nazywany jonizatorem, ale jego pierwotne znaczenie jest inne. Ponieważ zasada działania eliminatora ładunków elektrostatycznych polega na jonizacji powietrza w celu wyeliminowania elektryczności statycznej, ponieważ jest mylony termin ten jest używany bez rozróżnienia.
Eliminator ładunków elektrostatycznych (eliminator ładunków statycznych) generuje jony (jon cząsteczek gazu) o biegunowości przeciwnej do biegunowości ładunku naładowanego ciała, neutralizując w ten sposób naładowany ładunek ciała.
Elektryzacja przedmiotu to całkowity lub częściowy nadmiar lub nierównomierność ładunków dodatnich lub ujemnych. Zwykle występuje przeciwna polaryzacja ładunku, spowodowana jonizacją jonów z powietrza emisji.
Eliminator ładunków elektrostatycznych wykorzystuje wysokie napięcie do jonizacji powietrza, tworząc zarówno dodatnie, jak i ujemne jony powietrza oraz pokrywając naładowany materiał taką samą ilością ujemnych jonów powietrza, co dodatnie jony powietrza.
Jeśli ładunek na naładowanym obiekcie jest dodatni, przyciągnie jony ujemne i zniknie samoczynnie. W tej chwili ilość jonów dodatnich i ujemnych musi być taka sama.
Idealnie byłoby, gdyby neutralizacja ładunku została całkowicie zneutralizowana, ale w rzeczywistości całkowita neutralizacja nie jest możliwa. Powodem jest to, że jony nie są całkowicie obojętne (równowaga jonowa nazywa się 0V).
Łuk elektryczny i iskry
Jeżeli energia jonizacji wynosi kilkanaście eV, to do wywołania jonizacji lawinowej wystarcza napięcie rzędu kilkudziesięciu woltów. Fakt ten ma znaczenie przy zapoczątkowaniu łuku elektrycznego.
Jeżeli elektrody znajdują się blisko siebie, dochodzi do lawinowej jonizacji gazu znajdującego się między nimi. Powstające ładunki zmniejszają różnicę potencjałów i proces może wygasnąć.
Jeżeli jednak źródło zasilania ma dużą moc, proces będzie trwał. Znaczne zmniejszenie oporu elektrycznego gazu wskutek jonizacji powoduje, że natężenie płynącego prądu elektrycznego osiąga bardzo dużą wartość. Powoduje to wzrost temperatury do 5000 - 6000 K.
W takich warunkach gaz między elektrodami tworzy plazmę, czyli mieszaninę silnie zjonizowanych atomów i elektronów. Wyładowanie elektryczne trwa w sposób ciągły, nawet po oddaleniu elektrod. Łuk elektryczny wykorzystuje się do spawania i w lampach łukowych.
Inaczej przebiega zjawisko wyładowania elektrycznego, które nazywamy wyładowaniem iskrowym. Zachodzi ono pod wpływem bardzo wysokich wartości natężenia pola elektrycznego i ma charakter impulsowy.
Wyładowanie iskrowe rozpoczyna się od jonizacji lawinowej, która jest wywołana przyspieszaniem elektronów siłami elektrostatycznymi i przebiega w wąskim kanale gazu.
Wskutek przepływu dużej liczby elektronów, wewnątrz kanału wytwarza się wysoka temperatura (nawet do 10 000 K). Wywołuje to procesy jonizacji termicznej, które zwielokrotniają liczbę elektronów zdolnych do przewodzenia prądu.
Przykładem takiego wyładowania może być zarówno przeskok iskry podczas zdejmowania swetra przez głowę, jak i piorun w czasie burzy. To samo zjawisko zachodzi także w samochodowych świecach zapłonowych oraz podczas pracy maszyny elektrostatycznej w szkolnej pracowni fizyki.
Kula plazmowa
Ciekawym przykładem jonizacji gazu wskutek działania pola elektrycznego jest wynaleziona przez Teslę zabawka, zwana kulą plazmową. Jest ona szklaną bańką wypełnioną rozrzedzonym gazem, z elektrodą znajdującą się w środkowej części, która jest zasilana napięciem ok. 10 000 V.
Wokół elektrody zachodzi jonizacja lawinowa i powstają kanały plazmowe, widoczne jako jasne włókna. Opisana wyżej przypadkowość procesu lawinowej jonizacji gazu powoduje, że kształt włókien jest nieregularny.
Dotknięcie palcem powierzchni kuli sprawia, że w tym miejscu potencjał spada do zera (uziemiamy to miejsce), a więc różnica potencjałów między nim a elektrodą jest znacznie większa, niż w innych punktach. Wzrost natężenia pola elektrycznego w pobliżu palca znacznie ułatwia wywołanie jonizacji lawinowej i powoduje zwiększenie koncentracji włókien plazmowych.
Słowniczek
- Anion: jon naładowany ujemnie, dążący do dodatniej anody.
- Cząstka alfa: jądro helu, rodzaj promieniowania jonizującego.
- Cząstka beta: elektron, rodzaj promieniowania jonizującego.
- Cząstka gamma: foton, kwant promieniowania elektromagnetycznego o dużej energii, rodzaj promieniowania jonizującego.
- Elektronowolt (eV): jednostka energii używana w fizyce atomowej, równa energii, jaką uzyska elektron przyspieszany różnicą potencjałów równą 1 woltowi.
- Energia jonizacji: najmniejsza energia, wystarczająca do oderwania elektronu od atomu, charakterystyczna dla danego pierwiastka.
- Foton: cząstka elementarna, kwant pola elektromagnetycznego, np. światła.
- Jonizacja: zjawisko powstawania atomu (lub cząsteczki) naładowanego z obojętnego.
- Jonizacja lawinowa: proces zachodzący w gazach, w którym elektrony uwolnione wskutek pierwotnej jonizacji i przyspieszane polem elektrycznym mają na tyle dużą energię, by doprowadzić do jonizacji kolejnych napotkanych na swej drodze atomów.
- Jonizacja termiczna: jonizacja następująca wskutek zderzeń atomów o dużej energii kinetycznej, wynikającej z ruchów termicznych.
- Łuk elektryczny: ciągłe wyładowanie elektryczne w gazie pod ciśnieniem normalnym, zachodzące miedzy elektrodami wskutek jonizacji cząsteczek gazu wywołanej elektronami przyspieszanymi przez pole elektryczne.
- Kation: jon naładowany dodatnio, dążący do ujemnej katody.
- Komora jonizacyjna: urządzenie do pomiaru promieniowania, wykorzystujące zjawisko jonizacji gazu.
- Plazma: stan materii, w którym niemal wszystkie lub wszystkie atomy są zjonizowane, nazywany czasem czwartym stanem skupienia.
tags: #jonizacja #gazu #poprzez #napięcie #definicja
