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Gasontlading

Gasentladung ist ein elektrische Entladung in einem gasgefüllten Vakuumröhre. Das Gas ionisiert zu Plasma, das heißt, es kommt in einen elektrischen Zustand. Dadurch ist die Leitfähigkeit des Gases um ein Vielfaches höher. Die freie Elektrizität, Elektronen, sind elektrisches Feld die die Gasentladung aufrechterhalten, in kurzer Zeit beschleunigen und hohe Energieniveaus erreichen. Das Gas wird durch Kollisionen der Elektronen mit Atomen/Molekülen ionisiert. Diese Ionisation kann sprunghaft erfolgen. Der elektrische Zustand des Gases, der die Lichtemission begleitet, wird ständig aufgehoben. Im Schalenmodell der Atome wird dies als die Wiederaufnahme von Elektronen in einer Schale dargestellt, wobei Energie in Form von Licht freigesetzt wird. Oft so sichtbar Licht, aber auch als uv. Blitze erzeugen hauptsächlich sichtbares Licht.

Starten einer Gasentladung

Zur Einleitung einer Gasentladung ist eine hohe elektrische Feldstärke erforderlich. Die allgegenwärtige sehr geringe Menge geladener Teilchen, beispielsweise durch natürliche Radioaktivität, wird dann so beschleunigt, dass sie genügend Energie erhält, um Moleküle im Gas zu ionisieren. Dadurch werden neben positiv geladenen Ionen auch freie Elektronen gebildet. Aufgrund ihrer geringen Masse und weil sie aufgrund ihrer geringen Größe weniger wahrscheinlich mit etwas kollidieren, können die Elektronen sehr stark beschleunigt werden, bevor sie wieder mit einem Atom oder Molekül kollidieren und ein neues Ion-Elektron-Paar erzeugen. Bei ausreichend hoher Feldstärke kommt es zum Durchbruch, einem Lawineneffekt, bei dem immer mehr Elektronen und Ionen gebildet werden. Stromdichte werden erreicht.

Die zum Starten der Gasentladung erforderliche hohe elektrische Feldstärke kann durch eine hohe elektrische Spannung (z Zündspule für die Zündkerzen eines Autos, oder a Ballast in einem Röhrenlichthalterung) oder durch einen geringen Abstand zwischen den Elektroden, zwischen denen die Entladung stattfindet (für Elektroschweißen).Nach dem Durchschlag fällt die Spannung am Lichtbogen bei externer Strombegrenzung in der Regel stark ab. Ist diese nicht oder nur eingeschränkt vorhanden, wird der Strom sehr stark ansteigen.

Aufrechterhaltung einer Gasentladung

Da sich alle positiv geladenen Teilchen (die Ionen) in Richtung des negativen Pols (der Kathode) aus der Gasentladung und die negativ geladenen Elektronen wandern zum Pluspol (de Anode) würden alle geladenen Teilchen schließlich verschwinden. Für kontinuierliche Entladungsprozesse wie bei Gasentladungslampen müssen daher von mindestens einem der Pole kontinuierlich geladene Teilchen zugeführt werden. In der Regel sind dies Elektronen, die durch Elektronenemission aus der Kathode gezogen werden, wobei Elektronen durch die elektrische Feldstärke aus dem Metall der Elektrode entweichen können. Dieses Entweichen ist leichter, wenn die Elektronen eine höhere Geschwindigkeit im Metall haben, was bei einer hohen Temperatur des Metalls der Fall ist. Weiterhin können auf die Elektroden sogenannte Emittermaterialien aufgebracht werden, wodurch bei relativ niedriger Temperatur mehr Elektronen aus dem Metall in das Gas entweichen können. Die Beziehung zwischen der Elektrodentemperatur und der Anzahl der Elektronen, die aus der Elektrode extrahiert werden können, ist gegeben durch Richardson-Dushman-GleichungAufgrund des Schneeballeffekts bei einer Bogenentladung, bei der ständig neue Ionen und Elektronen gebildet werden, ist bei einer kontinuierlich laufenden Gasentladung eine externe Strombegrenzung erforderlich, beispielsweise in Form von a Ballast. Es stellt sich dann eine Gleichgewichtssituation ein, in der der Ionisationsgrad des Gases konstant bleibt.

Form des Entladungsbogens

Die Gasentladung konzentriert sich normalerweise in einem Entladungskanal mit relativ kleinem Durchmesser, wie wir mit Blitzen sehen können. Dies geschieht auch bei Gasentladungslampen.

Paschenkurve

Osterkurve: Durchbruchspannung in Luft zwischen kugelförmigen Elektroden in 1 cm Abstand cm

Der deutsche Physiker Friedrich Ostern im neunzehnten Jahrhundert die Durchbruchspannung in Luft als Funktion des Luftdrucks bestimmt. Eine minimale Durchbruchspannung tritt bei etwa 100 N/m . auf2. Die Erklärung dafür ist, dass bei sehr niedrigem Luftdruck die Kollisionswahrscheinlichkeit von Elektronen mit Gasmolekülen stark abnimmt, weil es sehr wenige Gasmoleküle gibt. Bei hohem Luftdruck ist der mittlere freie Weg zwischen Kollisionen der Elektronen mit Atomen oder Molekülen sehr kurz. Mit freier Straßenlänge l (in m) und einer elektrischen Feldstärke E (in V/m) erhalten die Elektronen eine Energie W = q * E * l. Wenn wir e als Ladungseinheit wählen, dann brauchen wir q Geben Sie den Wert 1 ein und erhalten Sie W als Einheit Elektronenvolt.

Um in diesem kurzen Stück Weglänge bei hohem Druck genügend Energie zu erhalten, um Atome oder Moleküle (mehr als 10 eV) zu ionisieren, muss dann die elektrische Feldstärke E viel höher werden. Die Paschen-Kurve hat Konsequenzen zum Beispiel für Radargeräte in Flugzeugen und Geräte in Raumfahrzeugen. Wird in Paschens Experiment eine der kugelförmigen Elektroden durch eine elektrisch leitfähige Nadel mit spitzer Spitze ersetzt, erfolgt der Durchbruch bereits bei einer viel geringeren Spannung, weil die Feldstärke an der spitzen Spitze stark erhöht wird.

Noch ein paar Details

Arten von Kollisionen mit geladenen Teilchen:

  • Hochenergetisches Elektron kollidiert mit Atom oder Elektron: ionisierender Stoß, ein zusätzliches Elektron und ein neues Ion werden erzeugt. Größenordnung der Energie 10 eV.
  • Elektron mit etwas geringerer Energie kollidiert mit einem Atom, Molekül oder Ion: a wird gebildet aufgeregter Zustand Atom, Molekül oder Ion (bei Ionen selten, aber möglich), Elektronen fallen nach einiger Zeit unter Emission eines Photons (elektromagnetische Strahlung) zurück. Größenordnung der Energie 1 bis 5 eV.
  • Elektron und Ion rekombinieren zu einem neutralen Teilchen: Atom oder Molekül. Dies ist normalerweise selten. Jedoch können Elektronen in einer Entladungsröhre an deren Innenwand landen. Dies zieht auch Ionen an, die sich schließlich mit den Elektronen zu neutralen Teilchen rekombinieren.
  • Elektron oder Ion kollidiert mit Atom, Ion oder Molekül und wird abgelenkt, aber sonst passiert nichts: elastische Kollision
  • Bei Gewitter bildet sich auch Luft Ozon. Außerdem werden negative Ionen gebildet. Diese sind in der Luft immer vorhanden, ebenso wie ein gewisser Anteil an positiven Ionen. Diese Partikel werden auch bei einer Gasentladung in Luft eine Rolle spielen.
  • Elektronen oder Ionen kollidieren mit der Elektrode. Abhängig von den Umständen (Elektrodenmaterial, Energie der Elektronen und Ionen) kann sich die Elektrodenoberfläche verändern (Verschleiß). Biene Elektroschweißen Ist dies ein gewünschter Effekt, bei Gasentladungsröhren für Beleuchtungszwecke (zum Beispiel Leuchtstoffröhre) ist dies unerwünscht und wird durch die richtige Materialwahl weitestgehend vermieden. Die positiven Ionen, die auf der Kathode landen, werden dort durch Elektronen neutralisiert. Sie können auch ein zusätzliches (Sekundär-)Elektron von der Kathode freisetzen.

Es werden verschiedene Arten von Gasentladungen unterschieden. Unmittelbar nach der Zündung erfolgt eine sogenannte Townsend-Entladung. In den meisten Fällen danach eine sogenannte Glimmentladung. Diese Form der Entladung tritt zum Beispiel in den Neonröhren auf, die Spannungsprüfer sitzen, platzieren. Bei großen Strömen geht die Entladung in eine Bogenentladung über. Weitere Details finden Sie unter den externen Links 1, 3 und 4.

Schematische Darstellung der Gasentladung in einer Entladungsröhre

Die Leitung in der Bogenentladung erfolgt eigentlich nur durch Elektronen. Die typische Geschwindigkeit von Elektronen in einer Gasentladung beträgt 106 m/Sek. Die Ionen bewegen sich mehr als 100-mal langsamer.[1] Bei einer Gleichstrombogenentladung erfolgt die Vervielfachung der aus der Kathode austretenden Elektronen direkt an der Kathode. Die elektrische Feldstärke ist hier relativ hoch, so dass nach jeder Kollision mit einem Atom oder Molekül Elektronen so stark beschleunigt werden, dass die Wahrscheinlichkeit einer ionisierenden Kollision relativ groß ist, wodurch zusätzliche Elektronen entstehen. Die resultierenden Ionen kehren direkt zur Kathode zurück. Der dafür erforderliche Spannungsabfall an der Kathode ist der Kathodenabfall. Die zur Kathode zurückkehrenden Ionen erhitzen diese zusätzlich, da sie im elektrischen Feld eine relativ große Energie erhalten. Elektronen können leicht von der Kathode zu den Ionen gelangen, um sie zu neutralisieren, sie müssen nicht wirklich austreten. Außerdem wird der Austritt freier Elektronen durch das Vorhandensein von Ionen auf der Kathodenoberfläche erleichtert.

Der größte Teil der Entladung besteht aus der sogenannten positiven Säule. Es enthält ungefähr die gleiche Menge an positiver Ladung in Form von Ionen wie negative Ladung (die Elektronen). Damit wird der sich gegenseitig abstoßenden Wirkung der Elektronen aufgrund der Raumladung entgegengewirkt, die bei nur negativ geladenen Elektronen entstehen würde: Nur eine relativ geringe elektrische Feldstärke wird benötigt, um die Elektronen in Bewegung zu halten. Da sich die Elektronen mehr als 100-mal so schnell bewegen wie die Ionen, müssen pro Zeiteinheit relativ wenige Ionen „erzeugt“ werden. (Stellen Sie sich eine Straße vor, auf der Autos die gleiche Entfernung fahren, in die eine Richtung 1 km/h (die positiven Ionen) und in die andere Richtung 100 km/h (die Elektronen).) Die Rekombination von Ionen und Elektronen wird durch die Erzeugung von compensate kompensiert neue Ionen-Elektronen-Paare durch ionisierende Kollisionen. An der Anode entsteht die Anodenfalle, eine etwas höhere Feldstärke, in der die benötigten Ionen erzeugt werden. Die Elektronen, die auf der Anode landen, erhitzen diese auch etwas aufgrund ihrer kinetische Energie.

Bei höheren Entladungsströmen sind mehr Elektronen und Ionen im Lichtbogen vorhanden, was den effektiven Widerstand des Lichtbogens verringert. Bei gleicher elektrischer Feldstärke fließt mehr Strom.

Beispiele für Gasentladungen

Siehe auch

Externer Link

Nüsse

  1. ↑Eigentlich sollte man hier von Driftgeschwindigkeit sprechen, der Geschwindigkeit, mit der sich Elektronen und Ionen in Richtung des elektrischen Feldes (Ionen) oder dagegen (Elektronen) bewegen. Außerdem bewegen sich Teilchen durch thermische Bewegung auch immer in zufällige Richtungen