VÝBOJE V PLYNECH PŘI RŮZNÉM TLAKU
Pomůcky: sada 6 výbojových trubic se vzduchem různého tlaku: 53 hPa, 13 hPa, 8 hPa, 4 hPa, 0,18 hPa a 0,13 hPa, spojovací vodiče, zdroj vysokého napětí (Ruhmkorffův transformátor a akumulátor 6 V)
Demonstrátor postupně připojuje trubice ke zdroji napětí (desítky kV).
Pozorujte výboje.
Vzhled a charakter výboje závisí na tlaku plynu ve výbojce.
Proč dochází k výboji?
Elektrický výboj je elektrický proud v ionizovaném plynu.
Co je to elektrický proud (jev)?
Co musí plyn (vzduch) obsahovat, aby mohl vést (aby mohl vzniknout elektrický proud)?
Kdy začne procházet proud ionizovaným vzduchem?
Vzduch je vždy alespoň částečně ionizován (obsahuje malé množství částic s elektrickým nábojem) působením ionizátorů - kosmického záření a radioaktivity zemské kůry, ale za běžných podmínek je izolantem (nevede měřitelný proud).
Proč se stane vzduch vodivým (kde se vezme dostatečné množství ionizovaného vzduchu)?
Existují různé typy ionizace. Ve video ukázce se uplatňuje tzv. ionizace nárazem.
Při dostatečně vysokém napětí (zápalné napětí) dochází k ionizace nárazem. Elektrony (uvolněné z katody nebo ty, které už byly ve vzduchu nebo v plynu) a ionty, které jsou urychlovány elektrickým polem, narážejí při svém pohybu k elektrodám na neutrální molekuly a mohou způsobit jejich ionizaci, pokud získají dostatečně velkou energii (předávají molekulám část své kinetické energie).
Ionizací nárazem se počet iontů lavinovitě zvětšuje. (Ionizace převládá nad rekombinací – opačně nabité ionty, popř. kladné ionty a elektrony se spojují v neutrální molekuly plynu.) Nastává výboj nezávislý na vnějším ionizátoru, tzv. samostatný výboj.
Samostatný elektrický výboj může vzniknout v plynu (ve vzduchu) i za sníženého tlaku.
Elektrody jsou umístěny ve skleněné trubici, z které byl odčerpán vzduch – tzv. výbojová trubice (výbojka).
Díky zředěnému plynu (sníženému tlaku) je delší střední volná dráha elektronů a iontů (a tím i doba mezi srážkami nabitých částic s neutrálními molekulami plynu).
Nabité částice ve zředěném plynu jsou mezi dvěma nárazy více urychleny a získají větší energii než za atmosférického tlaku. K samostatnému výboji dochází při mnohem menším napětí mezi elektrodami než za tlaku atmosférického.
V trubici pozorujeme úzký vlnící se pruh výboje, který se s klesajícím tlakem rozšiřuje.
V trubici probíhá doutnavý výboj (modrofialové katodové doutnavé světlo), který se liší od obloukového malým proudem (10-3 A) a nízkou teplotou elektrod i výbojové trubice.
Výboje za sníženého tlaku se užívá např. v doutnavkách, což jsou krátké výbojky plněné neonem při tlaku 1kPa (zápalné napětí 80 V- 150 V). Používají se například jako kontrolní světla s nepatrnou spotřebou. Jako úsporný zdroj světla slouží také zářivky (obsahují rtuťové výbojky). Světlo výbojek je při daném příkonu asi pětkrát intenzivnější než světlo klasických žárovek.
Poznámka:
Jeden z typů samostatného výboje za atmosférického tlaku (jiskrový výboj) lze shlédnout ve video ukázkách „Ruhmkorffův transformátor“ a „Jiskření – indukční elektrika“.