3. Villamos energia szállítása gázokban i) Töltőhordozók képződése ii) Függő kisülés iii) Független kisülés
Hálózati nagyfeszültség 0 1 0 20 Elektromos vezetés 1. Vezetési mechanizmusok szalagmodell 2. Töltésszállítás szilárd anyagokban i) Vezetők hőmérsékletfüggése ii) Saját- és külső vezetés félvezetőkben iii) Villamosenergia-szállítás szigetelőkben iv) Fotovezetők 3. Villamosenergia-szállítás gázokban i) Töltőhordozók keletkezése ii) Alkalmazottak Kibocsátás iii) Független kisülés 4. Folyadékok jelenlegi áramlása i) Folyadékokban való ionvezetés ii) Faraday törvényei iii) Elektrolízis és egyéb alkalmazások Töltésszállítás gázokban Feszültség a lemez kondenzátoron A levegőben áram nem áramlik, a levegő jó szigetelő vagy rossz vezető Az E. táblázatban beépített CFC-N12-1 0,00 koaxiális kábel 10-7 A bemenet kv kv 0 16 kv kimeneti táblázat E F1 táblázat F E1 röntgensugár PM 2535 0,00 V eszköz 4; Az F táblába telepített gyertyák vagy röntgensugarak az 1. áramlást indítják el
Töltés töltése gázokban Honnan származnak a levegőben vagy a gázban lévő ingyenes töltőhordozók? A gázatomokat ionokra és elektronokra kell osztani (ionizáció): ionok és elektronok keveréke plazma energiaellátás az elektron leválasztására ionizációs mechanizmusok: fotoionizációs ütés-ionizációs hőmérséklet-ionizációs radioaktivitás Izzás-emisszió (csak elektronok jelennek meg magas hőmérsékleten a fémfelületekről) De: Az ionok és az elektronok is rekombinálja újra az EE vezetősávot hν fotoionizációs fényvezető: az elektron a vegyérték sávból a vezetősávba emelkedik, ha hν> E, és így hozzájárul a hν vezetőértékének vezetőképességéhez. A fotoionizációs elektron energiája hν hν> W ion Ha hν> ionizációs energia W ion pozitív töltésű atom (ion ) Negatív töltésű szabad elektron (már semmi köze az atomhoz) Az ion és az elektron hozzájárul az elektromossághoz Ha hν> W ion
Ionizációs energia Az ionizációs energiát minden elemre az atomhéj héjaszerkezete határozza meg. Ütési ionizáció W kin Atom Atom + vagy ion A töltéshordozók (elektronok, ionok) felgyorsulnak a mezőben Rugalmas ütközés semleges részecskékkel Az elektronok kiütnek (W kin> W ion) Az atom ionizált 3
Hőmérsékleti ionizálás Magas hőmérsékleten (nagy sebességgel) elég kinetikus energia ahhoz, hogy ütközés esetén ionizálódjon 10 000K 30 000K A gázok ionizációs foka a hőmérséklettől függően T = 5000K a nap felülete A H atomok 10-4. Része ionizált gyertya lemez hőmérsékletén is alacsony, de lángban ionok Töltés transzport gázokban Az atomokat külső hatások ionizálják. A vezetés ionokon vagy szabad elektronokon keresztül zajlik Áram = szám x töltés x mobilitás x E-mező x terület I = nze µ EA mobilitás [cm 2/Vs] Na + 1,3 Na - 1,8 O + 2 2,2 ionok vízben 10-4 elektron félvezetőben 10 3 elektron fémben 10 szilárd> mozgékony gáz >> folyékony áram, de olyan alacsony, mert n nagyon kicsi 4
Nem független gázkisülés Töltőhordozó a külső hatás által létrehozott gázáramhoz A U z. B. Beeső ionizáló sugárzás (N foton) N p töltéshordozót generál. Anódkatód-ionizációs feszültséget alkalmaznak és megváltoztatják. Mi történik? Hogyan változik az áram a feszültséggel? Feszültségfüggés A töltések felgyorsulnak az E-mező Ohm tartományú elektródákig - rekombinációs tartomány: alacsony feszültség: kis gyorsulás A töltéshordozók lassan, sokan újrakombinálódnak, mielőtt hozzájárulnának a vezetéshez Telítettségi terület: gyorsulás erősebb, az összes generált töltéshordozó hozzájárul a N/N p 1 ohmos területen történő vezetéshez még nagyobb feszültségen történik? N/N p> 1-rel több töltéshordozó mért, mint amennyit generált 5
Ionizációs kamra Az ionizáló sugárzás erősségének mérése A telítettségi tartományban az alábbiak vonatkoznak az I áramra I I A létrehozott töltéshordozók száma N p = az ionizáló részecskék száma Gázkisülés A feszültség nagyon magas, az elektronok erősen felgyorsultak nagy elektronenergia Hatásionizáció: lavinahatás Az áram függetlenné válik az ionizáció által generált töltéshordozók számától 6
Geiger-Müller számlálócső Gázzal töltött fémcső Töltőhordozó képződése ionizáló részecskék révén A tér erőssége a vezeték területén: Hőionizálás Lavina lebontás Áramimpulzus Hangszóró Áramimpulzus az ionizáció típusától függetlenül Egy kullancs egy ionizáló részecske, gyakran sok független gázkisülés Gázkisülés fenntartható külső hatások nélkül, nincs külső ionizációs forrás, hőforrás. Minden teherhordó biztosítja a saját pótát. Hogyan csinálja? Az ionok ütköznek a katóddal és kiütik az elektronokat. Az energetikai elektronok ütésionizálás révén ionizálják a semleges részecskéket. Követelmény A részecskéknek nagy kinetikus energiával kell rendelkezniük, vagyis gyorsaknak kell lenniük, vagyis nagyfeszültséggel kell felgyorsítaniuk 7
AGB A gázkibocsátás jelleggörbéje USA telítettség CEFDUCUZ kritikus gyújtás U Függő kisülés A: Lineáris terület Ohm törvénye Az egyensúly generálása/rekombinációja B: Rekombinációs terület C: Telítettségi terület Az összes töltéshordozó elfolyik CD: Ütési ionizációs készletek D-ben: Gyulladási pont független kisülés E kin (ütközések között)> E ionizáció minden töltés biztosítja a saját helyettesítését E: izzó kisülés (nagyon alacsony nyomással) F: az űr töltés hatásai fontossá válnak az űr töltés árnyékolásában G: ív kisülés (nagy nyomással) nagy áramú izzó elektródák izzik az elektronok fénykibocsátása a kisülés során h elektron és ion rekombin foton kibocsátott: A h fotoionizációval ellentétes folyamat az atomtól és a kiindulási állapottól függ. gerjesztett állapotok (sokk gerjesztés) gerjesztési energiát bocsátanak ki: egy foton emissziója hν hν = E (atom-specifikus) hν 8
Gáznyomás-függőség Kísérlet: nagy nyomás nincs áramlás közepes nyomás áram áramló kis izzó nyomás nincs áram áramlik Emlékeztető: nyomás egy gázban, az egységnyi térfogatban lévő részecskék számának mérése Ütésionizálás A részecskék minimális sebességének v = gyorsulás x idő = a T = erő/tömeg x Idő = F/m T = térerősség töltés x idő/tömeg = e ET/me, m állandó E: alkalmazott feszültség a cső hosszán keresztül De mi az a T? T Két ütközés közötti idő: nagy, ha kevés részecske, kicsi, ha sok részecske Nyomásfüggőség Nagy nyomás: sok ütközés, kicsi v nincs önálló kisülés Közepes nyomás: v jó, elegendő részecske Kis nyomás: nagy v, de nincs több ütközés, mert nincs részecske gyújtási feszültség a nyomás függvényében (Paschen-görbe) 9
Izzó kisülés Áramlás a gázcsőben: különböző fényerejű izzító izzító kisülési zónák Magyarázat bonyolult legnagyobb részben pozitív oszlop: egyenletesen diffúz fényű fluoreszcens cső fénycső, higanygőzzel töltött izzó kisüléssel A higanyt főként UV-átalakításban bocsátják szét látható fénnyel (foszfor)
Neoncsövek A neoncsövek tiszta kisülési lámpák. A működéshez nagyfeszültségre van szükség. 15 000 V ! Töltőgáz Világító szín Neonvörös Argon sárga, zöld, kék Ívkisülés Ha nagy nyomás és nagy áram hatására az elektródák felmelegednek, az elektronok elszöknek. Az ionizációval már nem kell töltőhordozókat generálni. Szén-ív kisülés Intenzív fényforrás a projektorokhoz Elektrofúzió 11
Rövid idejű ívkisülések Szikra kisül A zseblámpa energiája a kondenzátorban korlátozott Kibocsátás a gázcsőben Független gázkisülés az energia felhasználásáig Fel Áramáram gázokban Annak érdekében, hogy egy áram áramoljon a gázban, ionizációval töltéshordozókat kell létrehozni. Függő gázkisülés, azaz külső ionizáció szükséges a fenntartásához. Függő gázkisülést használnak az ionizáló (radioaktív) sugárzás detektálására és jellemzésére, pl. Geiger Müller számlálócső A független gázkisülés külső hatások nélkül zajlik, de nagyobb feszültséget és meghatározott nyomásviszonyokat igényel Függő gázkisülés esetén világító jelenségek gerjesztett állapotok lazításával és rekombinációs izzó kisüléssel mérsékelt nyomáson és feszültségen ív kisülés és szikra kisülés h nyomás és áramlás nélkül 12