Најважније из лекције
Термоелектронска емисија: Избијање електрона из загрејаног метала; користи се у катодним цевима где се снопом електрона управља електричним и магнетним пољима.
Струја у гасовима: Омогућена јонизацијом (стварањем позитивних јона и електрона).
Несамостално пражњење: Зависи од спољашњег јонизатора; карактеришу га Омов део, засићење струје и почетак ударне јонизације.
Самостално пражњење: Настаје након пробоја гаса услед ударне јонизације (\(E_{\text{ваздух}} \approx 30\,000\text{ V/cm}\)); облици су варница, тињаво пражњење и електрични лук.
Плазма: Високојонизовани гас изузетне проводљивости који чини преко \( 99\% \) материје у свемиру (Сунце, звезде, муња).
Струја у гасовима: Омогућена јонизацијом (стварањем позитивних јона и електрона).
Несамостално пражњење: Зависи од спољашњег јонизатора; карактеришу га Омов део, засићење струје и почетак ударне јонизације.
Самостално пражњење: Настаје након пробоја гаса услед ударне јонизације (\(E_{\text{ваздух}} \approx 30\,000\text{ V/cm}\)); облици су варница, тињаво пражњење и електрични лук.
Плазма: Високојонизовани гас изузетне проводљивости који чини преко \( 99\% \) материје у свемиру (Сунце, звезде, муња).
Термоелектронска емисија јесте појава емитовања електрона с површине метала услед његовог загревања. Електрони који напуштају метал називају се термоелектрони.
Ова појава је основа рада катодних цеви (стаклених цеви из којих је извучен ваздух). Загрејана катода (најчешће волфрамова нит) емитује електроне, који се затим убрзавају електричним пољем према позитивној аноди са отвором, стварајући усмерен електронски млаз.
Млазом електрона у катодној цеви може се управљати (скретати га) помоћу спољашњег електричног или магнетног поља.
Зашто се у катодној цеви мора створити вакуум (извући ваздух)?
Ваздух се извлачи да се емитовани електрони не би сударали са молекулима гаса, што би довело до расипања и кочења електронског млаза пре него што стигне до екрана.
Гасови су у нормалним условима добри изолатори јер се састоје од електронеутралних атома и молекула.
Јонизација је процес одвајања електрона од неутралног атома или молекула под дејством неког спољашњег утицаја (загревања, радиоактивног или ултраљубичастог зрачења).
Протицање електричне струје кроз гас назива се гасно пражњење.
Слободни носиоци струје у гасовима су позитивни јони и слободни електрони (а у одређеним условима и негативни јони).
Несамостално пражњење је пражњење које траје само док делује спољашњи јонизатор (пламен, зрачење). Када спољашњи утицај престане, гас поново постаје изолатор.
Струјно-напонска карактеристика несамосталног пражњења има четири карактеристичне области:
Зависност струје од напона је линеарна; важи Омов закон.
Пораст струје се успорава јер део јона и електрона рекомбинује (поново се спаја у неутралне атоме).
Сви јони и електрони које спољашњи извор створи одлазе на електроде. Јачина струје не расте са даљим повећањем напона.
Јако електрично поље даје електронима довољну кинетичку енергију да при судару са неутралним атомима избијају нове електроне (ударна јонизација), што доводи до наглог раста струје.
Самостално пражњење је електрично пражњење које се одржава само од себе (путем ланчане ударне јонизације) без потребе за спољашњим јонизатором.
Прелазак несамосталног у самостално пражњење назива се пробој гаса, а напон на ком се то дешава је пробојни напон.
За ваздух на нормалном атмосферском притиску пробојно електрично поље износи око \( 30\,000\text{ V/cm} \) (односно \( 3\text{ kV/mm} \)).
Облици самосталног пражњења:
- Варнично пражњење (варница/искра): настаје при вишим притисцима (нпр. атмосферском) у виду светлећих извијуганих канала (пример: муња).
- Тињаво пражњење: јавља се при сниженом притиску гаса; праћено је равномерним светљењем гаса (пример: неонске цеви, штедљиве сијалице).
- Електрични лук: настаје при великим јачинама струје и високим температурама електрода (пример: пражњење при електролучном заваривању).
Плазма је високојонизовани гас који садржи велики број слободних електрона, позитивних јона и неутралних честица.
Основне особине плазме:
- Изузетно велика електрична проводљивост.
- Емитовање светлости.
- Честице међусобно интерреагују електромагнетним силама дугог домета.
Примери плазме у природи и техници су муња, пламен, плазма-кугла, као и звезде (укључујући наше Сунце). Процењује се да се око \( 99\% \) видљиве супстанце у свемиру налази у стању плазме.
Задаци за вежбање
Задатак 1 (лак): Који су основни носиоци електричне струје у гасовима при гасном пражњењу и чиме се разликују од носилаца струје у металима?
У гасовима су носиоци струје позитивни јони и слободни електрони (а могу бити и негативни јони), док су у металима носиоци наелектрисања искључиво слободни електрони.
Задатак 2 (средњи): Колики је минимални напон потребан да би дошло до пробоја ваздуха и појаве електричне варнице дужине \( d = 20\text{ cm} \) на нормалном атмосферском притиску, ако је јачина пробојног поља \( E_p = 30\,000\text{ V/cm} \)?
Напон пробоја рачунамо по формули:
\[ U = E_p \cdot d \]
\[ U = 30\,000\text{ V/cm} \cdot 20\text{ cm} = 600\,000\text{ V} = 600\text{ kV} \]
Одговор: Потребан је напон од \( 600\,000\text{ V} \).
Задатак 3 (средњи): Зашто се при несамосталном пражњењу, након повећања напона преко вредности \( U_2 \), јачина струје више не повећава (област засићења), а затим изнад \( U_3 \) нагло скаче?
У области засићења (\( U_2 < U \le U_3 \)), сви јони и електрони које спољашњи јонизатор створи у јединици времена стижу до електрода, па нема нових носилаца који би повећали струју. Када напон пређе вредност \( U_3 \), електрично поље постаје толико јако да убрзава постојеће електроне до енергија довољних да у сударима сами стварају нове јоне (ударна јонизација), што доводи до лавинског пораста струје.
Задатак 4 (тежак): Наведите барем три фундаменталне разлике између неутралног гаса и плазме.
- Електрична проводљивост: Неутрални гас је одличан изолатор, док је плазма одличан проводник електричне струје због високе концентрације слободних јона и електрона.
- Интеракција међу честицама: Код неутралног гаса честице међусобно делују само при директним сударима (кратког домета), док у плазми наелектрисане честице међусобно делују електромагнетним силама великог домета.
- Оптичке особине: За разлику од обичног гаса, плазма интензивно емитује светлост услед сталних процеса ексцитације и рекомбинације.
