Il n'y a pas de diélectriques absolus dans la nature. Le mouvement ordonné des particules - porteuses de charge électrique - c'est-à-dire du courant, peut être provoqué dans n'importe quel milieu, mais cela nécessite des conditions particulières. Nous verrons ici comment se déroulent les phénomènes électriques dans les gaz et comment un gaz peut passer d'un très bon diélectrique à un très bon conducteur. Nous nous intéresserons aux conditions dans lesquelles il se produit, ainsi qu'aux caractéristiques qui caractérisent le courant électrique dans les gaz.
Propriétés électriques des gaz
Un diélectrique est une substance (milieu) dans laquelle la concentration de particules - porteurs libres d'une charge électrique - n'atteint aucune valeur significative, de sorte que la conductivité est négligeable. Tous les gaz sont de bons diélectriques. Leurs propriétés isolantes sont utilisées partout. Par exemple, dans tout disjoncteur, l'ouverture du circuit se produit lorsque les contacts sont amenés dans une position telle qu'un entrefer se forme entre eux. Fils dans les lignes électriquessont également isolés les uns des autres par une couche d'air.
L'unité structurelle de tout gaz est une molécule. Il se compose de noyaux atomiques et de nuages d'électrons, c'est-à-dire qu'il s'agit d'un ensemble de charges électriques réparties dans l'espace d'une manière ou d'une autre. Une molécule de gaz peut être un dipôle électrique en raison des particularités de sa structure, ou elle peut être polarisée sous l'action d'un champ électrique extérieur. La grande majorité des molécules qui composent un gaz sont électriquement neutres dans des conditions normales, car les charges qu'elles contiennent s'annulent.
Si un champ électrique est appliqué à un gaz, les molécules prendront une orientation dipolaire, occupant une position spatiale qui compense l'effet du champ. Les particules chargées présentes dans le gaz sous l'influence des forces de Coulomb vont commencer à se déplacer: ions positifs - en direction de la cathode, ions négatifs et électrons - vers l'anode. Cependant, si le champ a un potentiel insuffisant, il ne se produit pas un seul flux dirigé de charges, et on peut plutôt parler de courants séparés, si faibles qu'ils doivent être négligés. Le gaz se comporte comme un diélectrique.
Ainsi, pour l'apparition d'un courant électrique dans les gaz, une grande concentration de porteurs de charge libres et la présence d'un champ sont nécessaires.
Ionisation
Le processus d'augmentation en avalanche du nombre de charges libres dans un gaz est appelé ionisation. En conséquence, un gaz dans lequel il y a une quantité importante de particules chargées est dit ionisé. C'est dans de tels gaz qu'un courant électrique est créé.
Le processus d'ionisation est associé à la violation de la neutralité des molécules. À la suite du détachement d'un électron, des ions positifs apparaissent, l'attachement d'un électron à une molécule conduit à la formation d'un ion négatif. De plus, il existe de nombreux électrons libres dans un gaz ionisé. Les ions positifs et en particulier les électrons sont les principaux porteurs de charge du courant électrique dans les gaz.
L'ionisation se produit lorsqu'une certaine quantité d'énergie est transmise à une particule. Ainsi, un électron externe entrant dans la composition d'une molécule, ayant reçu cette énergie, peut quitter la molécule. Les collisions mutuelles de particules chargées avec des particules neutres conduisent à la suppression de nouveaux électrons, et le processus prend un caractère d'avalanche. L'énergie cinétique des particules augmente également, ce qui favorise grandement l'ionisation.
D'où vient l'énergie utilisée pour exciter le courant électrique dans les gaz ? L'ionisation des gaz a plusieurs sources d'énergie, selon lesquelles il est d'usage de nommer ses types.
- Ionisation par champ électrique. Dans ce cas, l'énergie potentielle du champ est convertie en énergie cinétique des particules.
- Thermoionisation. Une augmentation de la température entraîne également la formation d'un grand nombre de charges gratuites.
- Photoionisation. L'essence de ce processus est que les électrons sont alimentés en énergie par les quanta de rayonnement électromagnétique - les photons, s'ils ont une fréquence suffisamment élevée (ultraviolet, rayons X, quanta gamma).
- L'ionisation par impact est le résultat de la conversion de l'énergie cinétique des particules en collision en énergie de séparation des électrons. Ainsi queionisation thermique, il sert de principal facteur d'excitation dans les gaz de courant électrique.
Chaque gaz est caractérisé par une certaine valeur seuil - l'énergie d'ionisation nécessaire pour qu'un électron se détache d'une molécule, surmontant une barrière de potentiel. Cette valeur pour le premier électron va de quelques volts à deux dizaines de volts; il faut plus d'énergie pour retirer l'électron suivant de la molécule, et ainsi de suite.
Il faut tenir compte du fait que simultanément à l'ionisation dans le gaz, le processus inverse se produit - la recombinaison, c'est-à-dire la restauration de molécules neutres sous l'action des forces d'attraction de Coulomb.
Décharge de gaz et ses types
Ainsi, le courant électrique dans les gaz est dû au mouvement ordonné de particules chargées sous l'action d'un champ électrique qui leur est appliqué. La présence de telles charges, à son tour, est possible en raison de divers facteurs d'ionisation.
Ainsi, l'ionisation thermique nécessite des températures importantes, mais une flamme nue due à certains processus chimiques contribue à l'ionisation. Même à une température relativement basse en présence d'une flamme, l'apparition d'un courant électrique dans les gaz est enregistrée, et l'expérience de la conductivité des gaz permet de le vérifier facilement. Il est nécessaire de placer la flamme d'un brûleur ou d'une bougie entre les plaques d'un condensateur chargé. Le circuit précédemment ouvert en raison de l'entrefer dans le condensateur se fermera. Un galvanomètre connecté au circuit indiquera la présence de courant.
Le courant électrique dans les gaz est appelé une décharge gazeuse. Il faut garder à l'esprit quepour maintenir la stabilité de la décharge, l'action de l'ioniseur doit être constante, car en raison de la recombinaison constante, le gaz perd ses propriétés électriquement conductrices. Certains porteurs de courant électrique dans les gaz - les ions - sont neutralisés sur les électrodes, d'autres - les électrons - tombant sur l'anode, sont dirigés vers le "plus" de la source de champ. Si le facteur ionisant cesse de fonctionner, le gaz redeviendra immédiatement un diélectrique et le courant cessera. Un tel courant, dépendant de l'action d'un ioniseur externe, est appelé une décharge non auto-entretenue.
Les caractéristiques du passage du courant électrique à travers les gaz sont décrites par une dépendance particulière de l'intensité du courant à la tension - la caractéristique courant-tension.
Considérons le développement d'une décharge de gaz sur le graphique de la dépendance courant-tension. Lorsque la tension atteint une certaine valeur U1, le courant augmente proportionnellement à celle-ci, c'est-à-dire que la loi d'Ohm est remplie. L'énergie cinétique augmente, et donc la vitesse des charges dans le gaz, et ce processus est en avance sur la recombinaison. Aux valeurs de tension de U1 à U2 ce rapport est violé; lorsque U2 est atteint, tous les porteurs de charge atteignent les électrodes sans avoir le temps de se recombiner. Toutes les charges libres sont impliquées et une augmentation supplémentaire de la tension n'entraîne pas une augmentation du courant. Cette nature du mouvement des charges est appelée courant de saturation. Ainsi, nous pouvons dire que le courant électrique dans les gaz est également dû aux particularités du comportement du gaz ionisé dans des champs électriques de différentes intensités.
Lorsque la différence de potentiel aux bornes des électrodes atteint une certaine valeur U3, la tension devient suffisante pour que le champ électrique provoque une ionisation de gaz de type avalanche. L'énergie cinétique des électrons libres est déjà suffisante pour l'ionisation par impact des molécules. Dans le même temps, leur vitesse dans la plupart des gaz est d'environ 2000 km/s et plus (elle est calculée par la formule approximative v=600 Ui, où Ui est le potentiel d'ionisation). A ce moment, une panne de gaz se produit et une augmentation significative du courant se produit en raison d'une source d'ionisation interne. Par conséquent, une telle décharge est appelée indépendante.
La présence d'un ioniseur externe dans ce cas ne joue plus de rôle dans le maintien du courant électrique dans les gaz. Une décharge auto-entretenue dans différentes conditions et avec différentes caractéristiques de la source de champ électrique peut avoir certaines caractéristiques. Il existe des types d'autodécharge tels que la lueur, l'étincelle, l'arc et la couronne. Nous examinerons brièvement le comportement du courant électrique dans les gaz pour chacun de ces types.
Glow Discharge
Dans un gaz raréfié, une différence de potentiel de 100 (et même moins) à 1000 volts suffit pour initier une décharge indépendante. Par conséquent, une décharge luminescente, caractérisée par une faible intensité de courant (de 10-5 A à 1 A), se produit à des pressions ne dépassant pas quelques millimètres de mercure.
Dans un tube avec un gaz raréfié et des électrodes froides, la décharge luminescente émergente ressemble à un fin cordon lumineux entre les électrodes. Si vous continuez à pomper du gaz du tube, vous observerezflou du cordon, et à des pressions de dixièmes de millimètres de mercure, la lueur remplit presque complètement le tube. La lueur est absente près de la cathode - dans l'espace dit de la cathode sombre. Le reste est appelé la colonne positive. Dans ce cas, les processus principaux qui assurent l'existence de la décharge sont localisés précisément dans l'espace cathodique noir et dans la région qui lui est adjacente. Ici, les particules de gaz chargées sont accélérées, chassant les électrons de la cathode.
Dans une décharge luminescente, la cause de l'ionisation est l'émission d'électrons par la cathode. Les électrons émis par la cathode produisent une ionisation par impact des molécules de gaz, les ions positifs émergents provoquent une émission secondaire de la cathode, etc. La lueur de la colonne positive est principalement due au recul des photons par les molécules de gaz excitées, et différents gaz sont caractérisés par une lueur d'une certaine couleur. La colonne positive participe à la formation d'une décharge luminescente uniquement en tant que section du circuit électrique. Si vous rapprochez les électrodes, vous pouvez obtenir la disparition de la colonne positive, mais la décharge ne s'arrêtera pas. Cependant, avec une réduction supplémentaire de la distance entre les électrodes, la décharge luminescente ne pourra pas exister.
Il convient de noter que pour ce type de courant électrique dans les gaz, la physique de certains processus n'a pas encore été entièrement élucidée. Par exemple, la nature des forces qui provoquent une expansion sur la surface cathodique de la région qui participe à la décharge reste incertaine.
Décharge d'étincelle
Étincellela panne a un caractère impulsif. Il se produit à des pressions proches de la normale atmosphérique, dans les cas où la puissance de la source de champ électrique n'est pas suffisante pour maintenir une décharge stationnaire. Dans ce cas, l'intensité du champ est élevée et peut atteindre 3 MV/m. Le phénomène se caractérise par une forte augmentation du courant électrique de décharge dans le gaz, en même temps la tension chute extrêmement rapidement et la décharge s'arrête. Ensuite, la différence de potentiel augmente à nouveau et tout le processus se répète.
Avec ce type de décharge, des canaux d'étincelles à court terme se forment, dont la croissance peut commencer à partir de n'importe quel point entre les électrodes. Cela est dû au fait que l'ionisation par impact se produit de manière aléatoire aux endroits où le plus grand nombre d'ions est actuellement concentré. Près du canal d'étincelle, le gaz s'échauffe rapidement et subit une dilatation thermique, ce qui provoque des ondes acoustiques. Par conséquent, la décharge d'étincelle s'accompagne de crépitements, ainsi que d'un dégagement de chaleur et d'une lueur brillante. Les processus d'ionisation par avalanche génèrent des pressions et des températures élevées pouvant atteindre 10 000 degrés et plus dans le canal d'étincelle.
L'exemple le plus clair d'une décharge d'étincelle naturelle est la foudre. Le diamètre du canal principal d'étincelles de foudre peut aller de quelques centimètres à 4 m, et la longueur du canal peut atteindre 10 km. La magnitude du courant atteint 500 000 ampères et la différence de potentiel entre un nuage orageux et la surface de la Terre atteint un milliard de volts.
Le plus long éclair de 321 km a été observé en 2007 dans l'Oklahoma, aux États-Unis. Le détenteur du record de la durée était la foudre, enregistréen 2012 dans les Alpes françaises - il a duré plus de 7,7 secondes. Lorsqu'il est frappé par la foudre, l'air peut chauffer jusqu'à 30 000 degrés, soit 6 fois la température de la surface visible du Soleil.
Dans les cas où la puissance de la source du champ électrique est suffisamment grande, la décharge d'étincelle se développe en un arc.
Décharge d'arc
Ce type d'autodécharge se caractérise par une densité de courant élevée et une tension faible (inférieure à la décharge luminescente). La distance de claquage est faible du fait de la proximité des électrodes. La décharge est initiée par l'émission d'un électron depuis la surface de la cathode (pour les atomes métalliques, le potentiel d'ionisation est faible par rapport aux molécules de gaz). Lors d'une panne entre les électrodes, des conditions sont créées dans lesquelles le gaz conduit un courant électrique et une décharge d'étincelle se produit, ce qui ferme le circuit. Si la puissance de la source de tension est suffisamment importante, les décharges d'étincelles se transforment en un arc électrique stable.
L'ionisation lors d'une décharge en arc atteint presque 100%, l'intensité du courant est très élevée et peut aller de 10 à 100 ampères. À la pression atmosphérique, l'arc peut chauffer jusqu'à 5 à 6 000 degrés et la cathode jusqu'à 3 000 degrés, ce qui entraîne une émission thermionique intense de sa surface. Le bombardement de l'anode avec des électrons entraîne une destruction partielle: un évidement se forme dessus - un cratère avec une température d'environ 4000 ° C. Une augmentation de la pression entraîne une augmentation encore plus importante des températures.
Lors de l'écartement des électrodes, la décharge d'arc reste stable jusqu'à une certaine distance,ce qui vous permet de le traiter dans les zones de l'équipement électrique où il est nocif en raison de la corrosion et de l'épuisement des contacts qu'il provoque. Ce sont des dispositifs tels que des interrupteurs haute tension et automatiques, des contacteurs et autres. L'une des méthodes pour lutter contre l'arc qui se produit lors de l'ouverture des contacts est l'utilisation de chambres de soufflage basées sur le principe de l'extension de l'arc. De nombreuses autres méthodes sont également utilisées: pontage des contacts, utilisation de matériaux à fort potentiel d'ionisation, etc.
Décharge corona
Le développement d'une décharge corona se produit à la pression atmosphérique normale dans des champs fortement inhomogènes près des électrodes avec une grande courbure de la surface. Il peut s'agir de flèches, de mâts, de fils, de divers éléments d'équipements électriques de forme complexe et même de cheveux humains. Une telle électrode est appelée électrode corona. Les processus d'ionisation et, par conséquent, la lueur du gaz n'ont lieu qu'à proximité.
Une couronne peut se former à la fois sur la cathode (couronne négative) lorsqu'elle est bombardée d'ions, et sur l'anode (positive) à la suite d'une photoionisation. La couronne négative, dans laquelle le processus d'ionisation est dirigé loin de l'électrode en raison de l'émission thermique, se caractérise par une lueur uniforme. Dans la couronne positive, on peut observer des streamers - des lignes lumineuses d'une configuration brisée qui peuvent se transformer en canaux d'étincelles.
Un exemple de décharge corona dans des conditions naturelles sont les incendies de Saint-Elme qui se produisent à l'extrémité des grands mâts, à la cime des arbres, etc. Ils sont formés à une haute tension de l'électricitéchamps dans l'atmosphère, souvent avant un orage ou pendant une tempête de neige. De plus, ils étaient fixés sur la peau d'avions tombés dans un nuage de cendres volcaniques.
Les décharges corona sur les fils des lignes électriques entraînent d'importantes pertes d'électricité. À haute tension, une décharge corona peut se transformer en arc. Elle est combattue de diverses manières, par exemple en augmentant le rayon de courbure des conducteurs.
Courant électrique dans les gaz et le plasma
Le gaz entièrement ou partiellement ionisé est appelé plasma et est considéré comme le quatrième état de la matière. Dans l'ensemble, le plasma est électriquement neutre, puisque la charge totale de ses particules constituantes est nulle. Cela le distingue des autres systèmes de particules chargées, comme les faisceaux d'électrons.
Dans des conditions naturelles, le plasma se forme, en règle générale, à des températures élevées en raison de la collision d'atomes de gaz à grande vitesse. La grande majorité de la matière baryonique de l'Univers est à l'état de plasma. Ce sont des étoiles, une partie de la matière interstellaire, du gaz intergalactique. L'ionosphère terrestre est également un plasma raréfié et faiblement ionisé.
Le degré d'ionisation est une caractéristique importante d'un plasma - ses propriétés conductrices en dépendent. Le degré d'ionisation est défini comme le rapport du nombre d'atomes ionisés au nombre total d'atomes par unité de volume. Plus le plasma est ionisé, plus sa conductivité électrique est élevée. De plus, il se caractérise par une grande mobilité.
On voit donc que les gaz qui conduisent l'électricité sont à l'intérieurles canaux de décharge ne sont rien d'autre que du plasma. Ainsi, les décharges luminescentes et corona sont des exemples de plasma froid; un canal d'étincelle de foudre ou un arc électrique sont des exemples de plasma chaud presque complètement ionisé.
Courant électrique dans les métaux, les liquides et les gaz - différences et similitudes
Considérons les caractéristiques qui caractérisent la décharge de gaz en comparaison avec les propriétés du courant dans d'autres médias.
Dans les métaux, le courant est un mouvement dirigé d'électrons libres qui n'entraîne pas de modifications chimiques. Les conducteurs de ce type sont appelés conducteurs du premier type; ceux-ci comprennent, outre les métaux et alliages, le charbon, certains sels et oxydes. Ils se distinguent par leur conductivité électronique.
Les conducteurs du deuxième type sont des électrolytes, c'est-à-dire des solutions aqueuses liquides d'alcalis, d'acides et de sels. Le passage du courant est associé à une modification chimique de l'électrolyte - électrolyse. Les ions d'une substance dissoute dans l'eau, sous l'action d'une différence de potentiel, se déplacent dans des directions opposées: cations positifs - vers la cathode, anions négatifs - vers l'anode. Le processus s'accompagne d'un dégagement gazeux ou du dépôt d'une couche métallique sur la cathode. Les conducteurs du second type sont caractérisés par une conductivité ionique.
Quant à la conductivité des gaz, elle est, premièrement, temporaire, et deuxièmement, elle présente des signes de similitudes et de différences avec chacun d'eux. Ainsi, le courant électrique dans les électrolytes et les gaz est une dérive de particules chargées de manière opposée dirigées vers des électrodes opposées. Cependant, alors que les électrolytes sont caractérisés par une conductivité purement ionique, dans une décharge gazeuse avec une combinaisontypes de conductivité électronique et ionique, le rôle principal appartient aux électrons. Une autre différence entre le courant électrique dans les liquides et les gaz est la nature de l'ionisation. Dans un électrolyte, les molécules d'un composé dissous se dissocient dans l'eau, mais dans un gaz, les molécules ne se décomposent pas, mais perdent seulement des électrons. Par conséquent, la décharge de gaz, comme le courant dans les métaux, n'est pas associée à des changements chimiques.
La physique du courant électrique dans les liquides et les gaz n'est pas non plus la même. La conductivité des électrolytes dans leur ensemble obéit à la loi d'Ohm, mais elle n'est pas observée lors d'une décharge gazeuse. La caractéristique volt-ampère des gaz a un caractère beaucoup plus complexe associé aux propriétés du plasma.
Il convient de mentionner les caractéristiques générales et distinctives du courant électrique dans les gaz et dans le vide. Le vide est un diélectrique presque parfait. "Presque" - car dans le vide, malgré l'absence (plus précisément, une concentration extrêmement faible) de porteurs de charge libres, un courant est également possible. Mais des porteurs potentiels sont déjà présents dans le gaz, il suffit de les ioniser. Les porteurs de charge sont amenés dans le vide à partir de la matière. En règle générale, cela se produit dans le processus d'émission d'électrons, par exemple lorsque la cathode est chauffée (émission thermo-ionique). Mais, comme nous l'avons vu, les émissions jouent également un rôle important dans divers types de rejets gazeux.
Utilisation des décharges gazeuses dans la technologie
Les effets néfastes de certains rejets ont déjà été brièvement évoqués ci-dessus. Faisons maintenant attention aux avantages qu'ils apportent dans l'industrie et dans la vie de tous les jours.
La décharge luminescente est utilisée en électrotechnique(stabilisateurs de tension), en technologie de revêtement (méthode de pulvérisation cathodique basée sur le phénomène de corrosion cathodique). En électronique, il est utilisé pour produire des faisceaux d'ions et d'électrons. Un domaine d'application bien connu pour les décharges luminescentes sont les lampes fluorescentes et dites économiques et les tubes à décharge décoratifs au néon et à l'argon. De plus, les décharges luminescentes sont utilisées dans les lasers à gaz et en spectroscopie.
La décharge par étincelle est utilisée dans les fusibles, dans les méthodes électroérosives de traitement de précision des métaux (coupe par étincelle, perçage, etc.). Mais il est surtout connu pour son utilisation dans les bougies d'allumage des moteurs à combustion interne et dans les appareils électroménagers (cuisinières à gaz).
La décharge d'arc, utilisée pour la première fois dans la technologie d'éclairage en 1876 (la bougie de Yablochkov - "Lumière russe"), sert toujours de source de lumière - par exemple, dans les projecteurs et les projecteurs puissants. En électrotechnique, l'arc est utilisé dans les redresseurs au mercure. En outre, il est utilisé dans le soudage électrique, la découpe des métaux, les fours électriques industriels pour la fusion de l'acier et des alliages.
La décharge Corona est utilisée dans les précipitateurs électrostatiques pour le nettoyage des gaz ioniques, les compteurs de particules élémentaires, les paratonnerres, les systèmes de climatisation. La décharge corona fonctionne également dans les copieurs et les imprimantes laser, où elle charge et décharge le tambour photosensible et transfère la poudre du tambour au papier.
Ainsi, les rejets gazeux de tous types trouvent le plusapplication large. Le courant électrique dans les gaz est utilisé avec succès et efficacité dans de nombreux domaines technologiques.
