електризація буде тільки в тому випадку, коли обидва тіла або хоча б одне з них є діелектриком. Значення накопиченого заряду та потенціал утвореного ним поля залежать від швидкості роз'єднання тіл та їх діелектричних властивостей. Якщо ж час розриву контакту двох тіл буде більший за час релаксації зарядів (тобто повернення їх в стан електричної рівноваги), то електризація не відбудеться.
Потенціал відносно землі чи заземленого обладнання при статичній електризації досягає десятків та сотень кВ.
Наприклад:
при розбризкуванні фарб -10 кВ;
при рухові гумованої стрічки транспортера (при швидкості 4 м/с і більше) – 45кВ;
при фільтрації бензину крізь шовк - 335кВ;
у виробництвах з розмелюванням речовин - до 15 кВ;
в кінофотоплівковій промисловості - більше 15 кВ.
Струми при електризації сягають від декількох до сотень міліампер.
Електризація може виникати:
при терті двох тіл між собою;
внаслідок електростатичної індукції.
Умови виникнення електризації тертям:
хоча б одне з двох тіл повинно бути діелектриком;
повинен мати місце попередній динамічний контакт цих двох тіл одне з другим;
електризація виникає при відділенні тіл одне від одного, тобто при розриві попереднього контакту.
Основними параметрами, які характеризують явище електризації, а також її ступінь, є:
1. Густина зарядів електризації (тобто характеристика кількості зарядів, накопичених на одиниці площі поверхні тіл, що електризуються). Вона вимірюється в Кл/м2, позначається через о.
Розрізняють густину зарядів:
поверхневу [Кл/м2] - (при площинній електризації твердих тіл);
об'ємну [Кл/м2] - (при об'ємній електризації газів та рідин).
2. Струм електризації [А] - (тобто швидкість накопичення зарядів).
3. Густина струму електризації [А/мм2] - (залежить від площі контакту при електризації).
4. Період релаксації електричних зарядів - Тс, [с] - (тобто час, протягом якого накопичені електричні заряди нейтралізуються через повітря або через точки контакту тіл).
5. Електрична напруженість поля зарядів - Е [В/м].
Зі всіх сучасних гіпотез, пояснюючих статичну електрику, найбільш поширеною являється теорія контактної електризації.
Згідно з цією гіпотезою електризація наступає при контакті двох різнорідних матеріалів з причини неврівноваженості атомних та молекулярних сил на поверхнях контакту. При цьому наступає перерозподіл електронів чи іонів речовин та утворення подвійного електричного шару з зарядами протилежних знаків.
Експериментами встановлено, що з двох контактуючих речовин додатньо заряджається та, яка має більшу діелектричну проникливість.
Фізичні умови електризації речовин і матеріалів
Знак зарядів, які накопичуються при електризації, залежить від роду речовини та від того, з якою іншою речовиною вона контактує. Щоб визначити знак (+ чи -) зарядів, які утворились, наприклад при електризації ниток, волокна або тканин, можна використати ебонітову паличку. Бо експериментальне встановлено, що при терті нею по вовні паличка набуває зарядів зі знаком (-).
Підносячи цю заряджену паличку до заряджених волокон, видно, чи вони притя- гуються чи відштовхуються від неї (тобто чи вони мають знак + чи -).
Відомо, що розділення зарядів виникає при вживанні різнорідних діелектричних матеріалів. На базі багатьох експериментів відкриті т. з.
трибоелектричні ряди. В цих рядах матеріали розміщені в такій послідовності, при якій кожний з них набуває від'ємного заряду при контакті з матеріалом, розта- шованим перед ним (вище нього) і додатного - при контакті з матеріалом, розташованим після нього (нижче нього) в цьому ряді. При цьому зі збільшенням відстані між двома матеріалами в ряді абсолютне значення розділених зарядів збільшується. В літературі зі статичної електрики наводиться закон Кена, згідно з яким з двох взаємоелектризованих діелектриків додатньо заряджується той, в якого більше значення діелектричної проникності. Але в цьому правилі стільки підтверджень, скільки й винятків. Нижче наводяться трибоелектричні ряди речовин за Леміком та Грюнером.
Додатний полюс
за Грюнером Вовна
Перлон Ш
Амідно-аміачний шовк Перлон П
Натуральний шовк Перлон І
Терилен Папір Сталь Скло Нейлон Алюміній Бавовна Шкіра Латунь Орлон
Поліхлорвініл Ебоніт
Гума
Від'ємний полюс
Використовуючи властивості трибоелектричних рядів, можна знизити, а іноді й попередити накопичення зарядів статичної електрики, тому що при контакті двох поверхонь одного й того ж матеріалу розділення зарядів не виникає.
за Леміком Скло
Людське волосся Нейлон
Вовна Віскоза Бавовна Папір
Луб'яне волокно Сталь
Ебоніт
Ацетатний шовк Синтетична гума Дакрон
Орлон Саран Поліетилен
Для попередження електризації, наприклад, частини верстатів, які контактують з матеріалом, що переробляється (валки, ролики тощо), личкуються тим самим матеріалом або використовують матеріали, суміжні між собою та розташовані всередині ряду.
Крім електризації, спричиненої тертям або переміщенням (тобто контактної електризації), можлива також електризація через індукцію від електрично зарядженого тіла.
Таким чином слід зробити висновок, що:
заряди СЕ можуть виникнути внаслідок тертя або взаємного перемішування речовин, тіл, матеріалів, а також внаслідок електростичної індукції;
причиною утворення зарядів СЕ е електризація тіл через тертя або вилив;
електричні заряди в процесі електризації не щезають самі по собі.
Вони переходять з одного тіла на інше, або перерозподіляються в межах тіла;
електризація не спостерігається, якщо тіла мають електричний зв'язок з землею, тому що надлишкові заряди тіла стікають у землю, де нейтралізуються зарядами протилежного знаку.
На ступінь електризації впливають слідуючі фактори:
діелектричні властивості тіл;
наявність домішок в рідинах;
ступінь шорсткості поверхонь;
швидкість взаємного переміщення;
режим руху, перемішування (для рідин пропорційно степені турбулентності).
Явище СЕ корисно використовується у ряді виробництв, а саме:
фарбування виробів в електростатичному полі;
електроворсування;
сепарація руд;
очищування газів, повітря в електростатичному полі;
лікування хворих.
Проте СЕ становить певну пожежну небезпеку, тому що електричні заряди в пожежо-вибуховому середовищі можуть привести до пожежі.
Як відомо, роз'єднані електричні заряди різних знаків намагаються з'єднатися між собою. Якщо навколишнє середовище електропровідне, то вони рухаються один до одного і при зустрічі нейтралізуються, утворюючи нейтральні атоми і молекули.
Але якщо середовище між ними є діелектриком, то вони не можуть рухатись одне до одного, і між ними виникає електрична напруженість, яка породжує сили, які намагаються з'єднати ці заряди між собою. Якщо ця напруженість не перевищує значення електричної міцності навколишнього середовища, то такий стан може зберігатися досить довго. Коли ж відбувається накопичення зарядів, то електрична напруженість зростає І може перевищити значення електричної міцності середовища. Тоді виникає електричне пробиття діелектричного проміжку між зарядами, тобто електричний розряд.
Такі процеси накопичення електричних зарядів можуть відбуватися як в природі, так і в антропогенних виробничих процесах.
Таким чином, в тих випадках, коли захисту не має віл статичної електрики або не приділяється достатньої уваги виникають пожежі та вибухи.
Крім пожежонебезпечних наслідків статична електрика спроможна привести до інших негативних процесів:
порушення технологічних процесів;
радіоперешкоди, коли спрацьовують системи автоматики або пошкоджуються ЕОМ;
порушують здоров'я людини (ступінь дії залежить від потужності розряду).
Енергія ж розряду залежить від кількості накопиченого заряду.
Експериментальна встановлено, що для запалення сумішей парів ЛЗР достатньо енергії іскри в 0,01 Дж при потенціалі від 3 кВ.
Мiнiмальна енергiя запалювання паро- i газоповiтряних сумiшей при рiзних температурах (мДж)
Найменування речовини 25° C 50° C 75° C 100° C 125° C 150° C
Акрилонiтрил 0,16
Акролеїн 0,175
Амiак 6,8
Ацетальдегiд 0,376
Ацетилен 0,011
Ацетон 0,406 0,28 0,25 0,214 0,203 0,188
1,3-Бутадiєн (дивiнiл) 0,19 0,16 0,14 0,12 0,11 0,09
Н-Бутан 0,25
Бутанол (Бутиловий спирт)
- 0,28 0,236 0,211 0,181 0.16
Бутанол-1 (н-Бутиловий спирт)
0,5 (20°C)
- - 0,143 0,124 0,106
Бутанол-2 (метил-
етилкетон) 0,28 - - - - -
Бутилацетат 0,5(20°C) - - - - -
н-Бутил хлористий 1,24*
Бутилен 0,28 0,25 0,24 0,23 0,22 0,21
Вiнiлацетат 0,31(15°C)
1,2*
Вiнiлацетилен 0,06 0,05 0,045 0.041 0,036 0,031
Водень 0,011 0,009 0,0086 0,0076 0,007 0,0051
1,5-Гексадiєн 0,23
н-Гексан 0,23
н-Гептан 0,26
0,7*
0,22 0,16 0,134 0,112 0,082
1-Гептин 0,93
Дивiнiл 0,188 0,164 0,142 0,123 0,115 0,092
Дигiдропiран 0,56*
Диметилбутан 0,25
2,2-Диметилбутан (неогексан)
0,25 1,64*
2,2-Диметилпропан 1,57*
Диметиловий ефiр 0,345 0,32 0,29 0,274 0,25 0,22
Диметилсульфiд 0,76*
цис-1,2-Диметил- циклопропан
0,23 Диметоксиметан
(метилаль)
0,42*
Ди-трет-бутила перекис 0,65*
Дiетилбензол - 2,06(65°
С)
0,796 - - -
- - 0,198
(85°C)
0,181 0,180 0,178
Дiетиловий ефiр 0,25 0,2 0,16 0,13 0,1 0,089
Найменування речовини 25° C 50° C 75° C 100° C 125° C 150° C Дiiзобутилен (2,4,4,-
триметил-1-пентен)
1,75*
Дiiзопропiл - (2,3- диметилбутан)
0,25 1,64*
Дiiзопропiловий ефiр 1,14*
1,4-Дiоксан (окис дiетилену)
0,9
Етан 0,29 0,28 0,23 0,22 0,21 0,208
Етиламiн 2,4* - - - - -
Етилацетат
(оцтовоетиловий ефiр)
0,282 0,335 (9°C)
0,252 0,224 0,201 0,18 0,161
Етилбензол 0,75
6,18(22°C)
0,23 0,2 0,164 0,15 0,114
Етилен 0,12 0,09 0,08 0,074 0,066 0,062
Етиленамiн 0,48*
Етиловий спирт (етанол) 0,25 0,22 0,20 0,18 0,16 0,14
Етилцелозольв 0,15
Iзобутан 0,38 0,34 0,32 0,30 0,29 0,282
Iзобутилен 0,47 0,41 0,36 0,32 0,28 0,25
Iзооктан (2,2,4- триметилпентан)
0,28 2,7*
- - 1,1* - 0,48*
(171°С) Iзооктиловий спирт 0,21
Iзопентан (2-метилбутан) 0,21 0,96*
Iзопропiламiн 2,0*
Iзопропiлбензол 20,0(30°
C)
0,232 (40°C)
- - - -
0,439(35°C )
0,225 0,206 0,184 0,158 0,137 Iзопропiлмеркаптан 0,87*
Iзопропiловий спирт (iзопропанол)
0,65*
Iзопропiл хлористий 1,55*
11,47 (27 °C)
0,404 0,356 0,331 0,301 0,26
Лiгроїн 0,26
Метан 0,3 0,28 0,26 0,24 0,20 0,17
2-Метилбутан 0,21 - - - - -
Метиловий спирт (метанол)
- 0,215*
- 0,14
(60°C)
- - -
-Метилстирол - - 0,156
(70°C)
- - -
Метилформiат 0,62*
Метилциклогексан 0,27
Нафтовий газ 0,26
Нiтропропан 0,32
Окис
вуглецю 8,0
Найменування речовини 25° C 50° C 75° C 100° C 125° C 150° C
етилену 0,06
пропiлену 0,14
Октан 0,42 0,342 0,303 0,257 0,207 0,17
Пентан 0,27 0,25 0,22 0,20 0,17 0,14
цис-2-Пентен 0,18
Перекис ди-трет-бутила 0,65*
Петролейний ефiр 0,36 0,28 0,26 0,25 0,21 0,195
Пропан 0,476 0,442 0,406 0,364 0,32 0,265
Пропiлен 0,24 0,23 0,22 0,216 0,2 0,187
Пропiлена окис (1,2- епоксипропан)
0,14 - - - - 0,09*
(182°C)
0,24* - - 0,15* - -
Пропiональдегiд 0,49*
Розрiджувачі
РДВ 0,24 0,19 0,163 - - -
РКБ-1 - 0,86 0.345 0,22 0,171 0,154
Розрiджувач Р-5 - 0,33 0,28 - - -
Розчинювателi
РФГ - 0,36 0,26 - - -
РЕ-2 - 0,34 0,24 - - -
646 - 0,251 0,166 - - -
647 - - 0,25 - - -
648 - 0,2 0,154 - - -
649 - 0,635 0,236 - - -
Р-4 0,34 0,213 0,159 - - -
Р-5 - 0,329 0,278 - - -
РС-1 - 0,196 0,18 - - -
Сiрководень 0,08
Сiрковуглець 0,01
0,015*
Скипидар (сумiш вуглеводнiв)
- 0,40 0,32 0,294 0,27 0,24
Сольвент
кам’яновугiльний
- - 0,248 - - -
Стирол - 0,28 0,22 0,11 0,07 0,051
- 0,990
(40°C) Тетрагiдропiран 0,22
1,21*
Тетрагiдрофуран 0,54*
Тiофуран (тiофен) 0,60*
Триетиламiн 1,15*
2,2,3-Триметилбутан 1,0* - - - - -
2,4,4-Триметилпентен (дiiозобутилен)
1,75* - - - - -
Фуран 0,23*
Хлористий
iзопропiл 1,55*
п-пропiл 1,08*
Найменування речовини 25° C 50° C 75° C 100° C 125° C 150° C
Циклогексан 0,24 0,2 0,19 0,17 0,15 0,145
Циклогексанол - - 0,77 0,37 0,35 0,28
Циклогексанон - 1,3 0,41 0,35 0,28 0,19
Циклогексен 0,86*
Циклопентадiєн 0,67*
Циклопентан 0,83*
Циклопропан 0,17
цис-2-Пентан 0,18
* Енергiя запалювання при стехiометричнiй концентрацiї сумiшi.
Розряди виникають в місцях розриву контактуючих точок, або поверхонь і бувають просторові (об'ємні) чи поверхневі (ковзкі).
У першому випадку йдеться про пробій об'єму, у другому - про сковзання іскри по поверхні тіла.
З пожежоохоронної точки зору, тобто залежно від можливості виникнення іскрових розрядів внаслідок небезпечного накопичення зарядів, ступінь електризації може бути безіскровою, слабкою, сильною.
При безіскровій - густина зарядів, струм електризації та напруженість поля не можуть бути такими, щоб викликати іскровий розряд.
При слабкій електризації вищевказані параметри електричного поля достатні для виникнення іскри тільки в газо-, пароповітряному просторі (мал.
13.2), але недостатні для пробиття твердих діелектриків.
При сильній електризації іскровий розряд може викликати поверхневий (ковзний) розряд (інакше кажучи - перекриття) або наскрізне пробиття діелектрика
Взагалі ж розряди статичної електрики не здатні запалити горючі суміші з мінімальною енергією загоряння 100 мДж і більше. Але їх енергії достатньо для запалювання паро- та газоповітряних сумішей (їх мінімальна енергія запалювання становить 0,009 - 2 мДж) та багатьох пилоповітряних сумішей (10 - 250 мДж).
Багато матеріалів зазнають лише слабкої електризації. До них відносять дисперсні системи, волокнисті та пористі речовини. Також слабкій електризації піддаються предмети одягу, побутового вжитку, транспортні стрічки, пасові передачі.
Сильно електризуються матеріали в пневмотранспортних системах, а також при індукційній (через вплив) електризації при перенапругах в електричних мережах.
Отже, з пожежоохоронної точки зору тільки безіскрова електризація може бути безпечною, а слабка і тим більше сильна електризація являють собою генератор небезпечних ДЗ.
Заходи по запобіганню утворень та накопичення зарядів статичної електрики:
1. Заземлення технологічного обладнання.
2. Використання розрядників (спецприлади, які призначені для зняття розряду в середині приладу).
3. Нанесення електропровідного шару на діелектричні поверхні ("Гамма" - для гумових пасів).
4. Зволоження оточуючого повітря (при 70% вологості електризація припиняється).
5. Внесення струмопровідних присадок в ЛЗР та ГР ("Шел").
6. Очищення ЛЗР, ГР та газів від домішок.
7. Внесення струмопровідних наповнювачів в гуму, пластмаси (сажа, алюмінієва пудра, графіт, цинковий пил, оміднення тощо).
8. Використання нейтралізаторів повітря у приміщеннях (індукційні, високовольтні, радіоізотопні, аеродинамічні та інші).
9. Використання явища релаксації електричних зарядів шляхом встановлення проміжної ємкості перед основним резервуаром, що призводить до зменшення швидкості потоку рідин.
10. Прошивка тканинних фільтрів металічними нитками.
11. Злив рідин у резервуари "підрівень", або "по стінці", щоб запобігти розбризкуванню.
12. Утворення скатів у бункерах для попередження здіймання пилу при розвантаженні та навантаженні.
13. Вилучення газів з рідин.
14. Обмеження швидкості руху рідин по трубопроводам, (наприклад, для:
нафти - до 7 м/с;
бензину - до 4 м/с;
ефіру, сірководню - до 1 м/с.
15. Використання струмопровідного взуття.
Електрична іскра
Електрична іскра – електричний розряд в діелектричному середовищі.
Фізично іскровий розряд – це електричне пробиття діелектричного середовища між контактами з різним електричним потенціалом.
Хоча електричний розряд можливий в різних за агрегатним станом середовищах (газ, рідина, тверде тіло), саме іскрою називають розряд у газоподібному середовищі, тобто видимий розряд. А розряд в рідині та твердому тілі називається пробиттям.
Механізм утворення іскри у повітрі, як у найбільш поширеному середовищі, що оточує реальні електроустановки, в яких можуть виникнути ці іскри, виглядає наступним чином. Внаслідок природної радіоактивності у повітрі постійно утворюються вільні заряди, тобто має місце природний процес іонізації нейтральних молекул та атомів повітря. Але одночасно з цим виникає також і зворотний процес рекомбінація, тобто утворення нейтральних атомів і молекул шляхом з'єднання вільних зарядів з різнойменними зарядами (іонів та електронів).
У результаті цих двох процесів у повітрі встановлюється динамічна рівновага, при якій постійна концентрація йонів обох знаків приблизно дорівнює 1000 пар йонів в 1 см3 повітря (всього в 1 см3 міститься біля 2,7∙1019 молекул) [5].
Між будь-якими контактами, які знаходяться під напругою, існує електричне поле. Під дією сил цього поля вільні заряди в повітрі переміщуються одні до аноду, інші до катоду.
При достатній напруженості поля ці заряди (електрони та іони), маючи певну кінетичну енергію, викликають т.з. ударну йонізацію атомів та молекул,
внаслідок чого утворюються нові електрони і йони, які, в свою чергу, викликають йонізацію наступних атомів і молекул і таким чином процес йонізації стає лавиноподібним.
Ця лавина йонізованого газу простягається між контактами, утворюючи іскру. Іскра супроводжується світінням свого каналу та звуковою хвилею (тріском). Температура йонізованого газу в каналі іскри інколидосягає 5-10 тис.
°С.
Іскра може бути тривалою або короткочасною, слабкою або з великою потужністю (все залежить від параметрів джерела живлення та інших елементів електричного кола).
Гігантською іскрою є розряд блискавки у навколишній атмосфері. В іскровому каналі може розвинутися енергія, достатня для запалювання горючого середовища. Умовою загорання такого середовища від іскри є таке співвідношення:
. minзапал
i W
W (2.1)
де Wi - енергія іскри [Дж];
Wminзапал. - мінімальна енергія, необхідна для запалювання горючої газо- або пилоповітряної суміші [Дж].
Для більшості пароповітряних вибухонебезпечних сумішей Wminзапал складає 0,009-2 мДж, а для пилоповітряних вибухонебезпечних сумішей Wmin.запал. сягає 10-250 мДж.
Слід враховувати, що на значення енергії запалювання впливає багато факторів: відстань між електродами, конфігурація і матеріал електродів;
концентрація, температура, тиск і вологість горючої суміші; тривалість, форма та частота електричних розрядів та ін.
Відомо, що іскра, яка наслідок йонізації повітря, виникає в момент перехідних процесів в електричних колах (наприклад, при розмиканні кіл, при перенапругах у них, у нещільних або ковзних контактах тощо).
Але існує багато випадків, коли іскра раптово виникає під час усталеного режиму і в тому середовищі, яке довго слугувало діелектриком, і причому виникає при значеннях напруги значно нижчих за пробивну для даного діелектрика. Частіше це явище спостерігається в рідинних та твердих діелектри- ках, тобто в матеріалах, які піддаються т. з. "старінню", інакше кажучи, природній втраті ізоляційних властивостей з плином часу. В газоподібних діелектриках
"старіння" не відбувається, тому що в газах існує інтенсивний і постійний рух атомів і молекул. Тому пробиття газоподібних діелектриків виникає, як правило, при значенні напруги, яке перевищує пробивну.
Розрізняють два основних види пробиття: теплове і електричне.
Теплове пробиття розвивається так. Оскільки будь-який діелектрик має хоч і великий, але скінчений об'ємний опір, то в ньому існує струм провідності. Цей струм, проходячи крізь діелектрик, розігріває його. При цьому нагріванні опір каналу струму в діелектрику зменшується, що, в свою чергу, веде до збільшення струму і до зростання температури. При робочій напрузі, на яку розрахований діелектрик, теплоутворення не перевищує тепловідвід, і тому зростання температури з часом припиняється і діелектрик знаходиться в усталеному тепловому стані. Але при "старінні" діелектрика ізоляційні властивості матеріалу знижуються (зокрема зменшується електричний опір) і навіть при робочій напрузі струм провідності збільшується, що веде до наступного зростання температури.
При досягненні певного значення теплоутворення наступає повна теплова руйнація матеріалу через різке зниження значення пробивної напруги, яка залежить від електричного опору матеріалу.
Винесення потенціалу – це потрапляння електричного потенціалу з електричної мережі на конструкції будівель і споруд, внаслідок їх дотику зі струмонесучими елементами електромережі.
При цьому виникає струм від струмонесучого елемента через точку дотику на землю, яка, як відомо, має нульовий потенціал, тому це явище називають також витоком струму.
Спочатку струми витоку є незначними. Але з часом зони збільшуються, що може призвести до КЗ. Цей процес збільшення струмів витоку можна пояснити так. Коливання температури струмоведучих елементів ведуть до конденсації вологи на них та поверхні ізоляції навколо них. Виникають струмопровідні шари вологи, чи т.з. перемички. Під впливом напруги через ці перемички проходить струм витоку, сила якого визначається опором перемички.
Проходження струму утворює теплоту, яка веде до випаровування вологи, але солі з вологи залишаються на поверхні. Коли волога повністю випарується, струм припиняється. Але при повторних зволожуваннях цей процес починається знову. Нове відкладення солей веде до збільшення електропровідності шляху витоку. Тому струм витоку раз у раз збільшується. Починається обвуглювання ізоляції вздовж шляху витоку, що може призвести до електричного перекриття поверхні і виникнення КЗ.
В електричних машинах, апаратах, приладах існують магнітопроводи (осердя трансформаторів, реле, ротори і статори електромашин та ін.). Вони є основним елементом магнітних кіл, в яких носієм енергії є змінний магнітний потік.
Як відомо, змінний магнітний потік фізично перемагнічує феромагнітні магнітопроводи, що веде до їх нагрівання. Крім того, в цих магнітопроводах виникають вихрові струми (струми Фуко), які також нагрівають магнітопроводи.
Ці теплові процеси неминучі, тому для зменшення нагрівання всі магнітопроводи виштамповуються з тонких пластин спеціальної магнітом'якої електротехнічної сталі.
Ці пластини електрично ізольовані одна від одної. Ізоляція виконується тонким спеціальним папером або шаром лаку, або за допомогою спеціальної металургійної обробки сталі (оксидування, фосфатування та інші).
Пожежна небезпека індукційного нагрівання порівняно невелика, тому що вона відбувається в негорючому середовищі (металі).
Електрична дуга
В нормальних умовах різні гази, їх суміші не проводять електричний струм.
Провідність виникає тоді коли в газовому середовищі крім молекул і атомів появляються вільні зарядженні частинки – електрони, позитивні і негативні іони і газ перетворюється в плазму.
Плазмою прийнято називати суміш, перебуваючи в четвертому стані (в доповнені до твердому, рідкому, газоподібному ), характеризується наявністю нейтральних молекул і атомів, а також заряджених частинок – електронів і іонів, проводячи електричний струм і підпорядковуються законам магнітної газодинаміки. Перехід газу в плазму проходить кількома стадіями. Для молекулярних газів першим процесом є дисоціація – утворення атомів.
Виникнення в газі заряджених частинок – іонізація газу – може проходити в результаті його нагріву, поглинання енергії рентгенівського і ультрафіолетового випромінювання, космічних променів, променів оптичного квантового генератора (лазера), дія електричного поля і т.д.
Негативні іони утворюються при захваті молекулою чи атомом вільних електронів, яке може лише для електронегативних елементів при дуже малій швидкості електронів. Позитивні іони виникають при загублені нейтральних частинок одного чи декількома електронами.
Утворення іонів потребує затрати енергії із зовні на пере долання кулонівських сил протягування між електроном і негативним іоном, названої енергією (роботою) іонізації Аі, яку визначають як добуток заряду електрона на потенціал іонізації Us: А=еоUі. Потенціал іонізації атома рівний різниці потенціалів, яку повинен пройти електрон, щоб отримати кінетичну енергію, достатню для іонізації атома при ударі з ним. Чисельно величини Аі і Uі рівні, якщо Аі виражена в електрон-вольтах.
Робота іонізації визначається хімічною активністю елемента, оскільки при іонізації відкриваються валентні електрони; Аі=3,9-26В і являється: для цезію – 3,9; калію – 4,3; цирконію – 6,8; металу – 7,9; водоводу – 13,6; азоту – 12,4;гелію - 24,6В. Після відриву найбільш слабо зв’язаного електрона від атома можуть відриватися електрони, зв’язані сильніше. При цьому утворюються багатократні іонізовані іони. Енергія іонізації при підвищенні кратності значно збільшується і становить, наприклад для Li 75еВ (двохкратна іонізація) і для трьохкратної іонізації, наприклад для Ве вона становить 153,8еВ.
Рух зарядженої частинки рівноприскорений, аналогічний вільному падінню тіла, але сила, яка діє на частинку, залежить від її заряду, а не від маси.
Рівняння сил, діючих на частинку з масою m і одиничним зарядам ео , має вид:
еоЕ=mdv\dτ=ma (2.2) де Е- напруження електричного поля, В\м; m – маса частинки, г; v - швидкість частинки, м\с; а – прискорення,м\с2.
При початковій швидкості, рівній нулю, швидкість в момент τ vτ=(ео\m) Еτ.
Пройдений шлях за час τ
Lτ=0.5vτ=(0.5ео\m) Еτ. (2.3) Швидкість і пройдений частинкою шлях визначаються її питомим зарядом - відношення заряду до маси ео\m. Тому при вільному русі частинок в одне і те ж поле швидкість електронів набагато більша ніж швидкість іонів.
Підставивши у співвідношення (2.2) значення Е=U\L, де U- різниця потенціалів на шляху L, знайдемо швидкість електрона
U m
U
e0 (2 e) 2.97105
Швидкість іона з атомною масою М, несучого Z зарядів, значно менше:
MU Z MM U
z v e
a
i 6.95 10 \
2
3
0
В цих значеннях - маса електрона; Ма=18822 - атомна одиниця маси.
Основним видом іонізації наявності електричного поля являється ударна іонізація електроном. Вийшовши із катода під дією градієнта поля прискорюється і при зіткненні з нейтральними атомами чи молекулами може вибити один електрон від катода до анода утвориться ряд зіткнень, в результаті чого температура газу підвищиться. При високому тиску і великих градієнтах поля цей вид іонізації може привести до значному зростанню температури збільшення наскрізного струму провідності.
Іони також можуть брати участь в іонізації, але оскільки їх швидкість набагато менша швидкості електронів, то роль іонізації в дугових розрядах не велика. Проте при високих температурах, коли швидкість теплового руху молекул значно збільшується, удари іонів і нейтральних частинок приводять до термічної іонізації газу. Роль цього виду іонізації значна при високих температурах і тисках.
Фотоіонізація – іонізація атомів опромінення може в тому випадку, якщо енергія фотона hv перевищує роботу іонізації Аі:
hv=с/λ≥Аі,
де v- частота опромінення,1/с; h- стала Планка; с- швидкість світла, м/с; λ- довжина світлової хвилі, м.
Так як всі види іонізації6 тепловий рух частинки, електричне поле, світлове опромінення – підвищують швидкість взаємного переміщення частинок, то слід припустити, що і накладання високочастотного напруження повинно привести до іонізації простору. Так це і відбувається . прикладання ВЧ - напруги приводить до значної іонізації – появленню ВЧ - корони навіть при низьких напружень.
Одночасно з процесом іонізації проходить де іонізація – рекомбінація позитивних негативних частинок і дифузія їх за границі іонізованого об’єму газу.
Між цими процесами в стаціонарних умовах існує рівновага, характеризуємо степені іонізації х, яка визначає відношення числа іонів і електронів до повного числа нейтральних атомів в одиниці об’єму. Залежність степеня іонізації від температури, тиску і роду газу описується рівнянням Саха:
T U kl
U
e i i
e T e
T x p
x 4 2.5 \( ) 4 2.5 11600 \
2 2
10 4 . 2 10
4 . 1 2
0
де р – тиск, Т – температура; еоUі – робота іонізації; k – стала Больцмана, Дж\К.
З рівняння Саха виходить що термічна іонізація стає замітною при температурі, яка перевищує 2000-3000 К, і приближається до 100%-ной при 10000-30000 К. Степінь іонізації особливо висока при наявності в газовому середовищі парів лужНИХ металів.
Рівняння процесу деіонізації атома, втраченим один електрон А+, запишемо у вигляді
А++е-=А0+ΔW
де А0 – нейтральний атом, ΔW – кількість теплоти виділеної в результаті цієї реакції, рівне енергії іонізації
ΔW= еоUі.
Процес де іонізації залежить від тиску і температури і в деякій степені визначається коефіцієнтом рекомбінації:
5 /
\T3
p g a const
Таким чином, при підвищенні тиску і пониженні температури плазма швидко де іонізується і втрачає електропровідність, переходячи в нейтральний газ. Процес де іонізації прискорюється дифузією заряджених частинок із нагрітих плазматичних об’ємів. Коефіцієнт дифузії
D= λv\3
де - середня швидкість заряджених часток, м/с; - довжина вільного пробігу, м.
Швидкість дифузії іонів невелика. Електрони дифундують помітно швидше. Загальна швидкість існуючих зарядів різних знаків в наслідок процесів іонізації і рекомбінації в об’ємні плазми приблизно однакова і сумарний заряд плазми дорівнює нулю. Таку плазму називають квазінейтральною тобто майже нейтральною.