Výboje v plynech

Za běžných podmínek je vzduch špatně elektricky nevodivý. Je tvořen neutrálními molekulami a neobsahuje volné nositele náboje. Tuto vlastnost bereme jako samozřejmost při každém použití vypínače: rozpojením vzniká mezi kontakty nevodivá vzduchová mezera, obvod se přeruší, spotřebič přestane pracovat.

Aby se vzduch a plyny obecně staly vodivými, je třeba v nich nositele náboje vytvořit. Lze to v principu provést dvěma mechanismy, totiž působením vnějšího záření nebo prudkými srážkami mezi částicemi plynu. Prudkých srážek lze dosáhnout urychlením nabitých částic v urychlovači nebo zahřátím plynu na vysokou teplotu. Pokud plynem teče elektrický proud, říkáme, že v něm probíhá elektrický výboj.

Proces, kterým se z neutrálního atomu nebo molekuly stává nabitý iont, se nazývá ionizace. Když neutrální atom ztratí jeden nebo více elektronů ze svého obalu, stává se z něj kladný iont (kationt). Pokud naopak neutrální atom zachytí do svého obalu elektron volně se pohybující v okolí, stává se z něj záporný iont (aniont). Obrácený proces, kdy z nabitých iontů vznikají neutrální částice, se nazývá rekombinace. Ionizovaný plyn označujeme termínem plazma.

Elektrony v obalu jsou k atomovému jádru vázány elektrickou silou a k jejich uvolnění je třeba zevnějšku atomu dodat energii. Této energii se říká ionizační energie a závisí na druhu atomu. Například pro vodík v základním stavu má hodnotu 13,6 eV. K ionizaci neutrálních atomů nese dostatečnou energii ultrafialové záření, rentgenové záření, záření radioaktivních látek a kosmické záření.

Neutrální atom či molekula může získat dostatečnou energii také nepružnou srážkou s jinou částicí plynu. Tento mechanismus lze vyvolat uměle například dopadem urychlených elektronů. Ionizace srážkami převažuje přirozeně při vysokých teplotách, například ve hvězdách nebo v plameni, kdy rychlost tepelného pohybu částic zaručuje dosažení ionizační energie.

Kontrolní otázka

Vyberte všechny správné možnosti. Při elektrickém výboji v plynu jsou nositelem náboje:

atomy,
ionty,
molekuly,
díry,
volné elektrony.

Odeslat  

Kontrolní otázka

Vyberte všechny správné možnosti. Převládá-li v plynu ionizace nad rekombinací,

zvyšuje se počet ionizovaných molekul,
zvyšuje se počet volných elektronů,
vodivost plynu roste.

Odeslat  

K pokusům s výboji se nejčastěji používá skleněná trubice naplněná plynem a opatřená dvěma elektrodami – viz obrázek 18.39. Po připojení ke zdroji napětí začne elektrická síla přitahovat nabité částice v plynu k elektrodám. Jedná se vlastně o urychlování nabité částice, které jsme podrobně studovali v oddílu 18.4 s tím rozdílem, že se tato urychlená částice může po cestě srážet s ostatními částicemi plynu.

Při nízkém napětí na zdroji se nabité urychlené částice srážkami opět zpomalují a po cestě k elektrodě často rekombinují. K udržení výboje potřebujeme vnější zdroj záření – ionizátor. Při určité hodnotě napětí na zdroji, které se nazývá zápalné napětí, získá nabitá částice mezi dvěma srážkami dostatečnou rychlost a energii, aby mohla nárazem ionizovat další neutrální částice plynu.

V plynu tak vzniká lavina nabitých částic mířících k příslušné elektrodě. Po překročení zápalného napětí probíhá samostatný výboj i bez působení ionizátoru. Poznamenejme, že vzduch (plyn) vždy obsahuje jisté množství iontů díky přirozenému radioaktivnímu pozadí a tyto ionty výboj „nastartují“.

Druhou možností, jak dosáhnout samostatného výboje, je zvětšit střední volnou dráhu mezi dvěma srážkami, aby na ní nabitá částice získala patřičnou energii. To lze provést jednoduše zředěním plynu, tj. snížením jeho tlaku.

Při atmosférickém tlaku v suchém vzduchu nastane samostatný výboj při intenzitě elektrického pole 30 kV/cm. Této hraniční intenzitě pole, při níž se nevodivý plyn stává samostatně vodivým, se říká dielektrická pevnost. Překročení této hodnoty se obvykle nazývá průraz. Dielektrická pevnost vlhkého vzduchu je přibližně 10 kV/cm.

Elektrický výboj je často doprovázen vyzařováním světla. Podrobnější vysvětlení, jak vzniká světlo, najdete v kapitole 25. Přesto už na tomto místě můžeme prozradit, že během srážky mezi částicemi nemusí vždy dojít přímo k ionizaci. Nárazem se může předat jen malá část energie, která nestačí k odtržení elektronu, ale která stačí k přechodu elektronu na vyšší energiovou hladinu atomu. Takto excitovaný atom se potom samovolně zbavuje příslušné energie vyzařováním světla, když přechází zpět na nižší energiovou hladinu.

Kontrolní otázka

Při pokusech s Wimshurstovým generátorem přeskočí jiskra mezi koulemi jiskřiště ve vzdálenosti 2,5 cm. Jak velké napětí tento přístroj vytváří? Napište číselnou hodnotu v kV. Dielektrická pevnost vzduchu při experimentu je 20 kV/cm.

Odeslat

Následující galerie ukazuje nejběžnější příklady výboje v plynu: za atmosférického tlaku je to obloukový výboj, jiskrový výboj a koróna, za sníženého tlaku doutnavý výboj.

Samostatný výboj v plynu – využití v praxi

Poznámka na okraj: Zajímavosti k výbojům

Filamentní výboj za vyššího tlaku

Zatímco za nízkého tlaku mohou elektrony a excitované atomy ve výboji vlivem delší střední dráhy difundovat i do vzdálenějších míst (což vede k difúzní čili „rozmazané“ podobě výboje), za vyššího tlaku, tj. např. tlaku atmosférického, se atom mezi srážkami s ostatními atomy daleko nedostane, řádově 100 nm. Samotný výboj má navíc od výboje za nízkého tlaku velmi odlišný způsob vzniku tzv. streamerovým průrazem. Při streamerovém průrazu elektrony a ionty vzniklé ionizací plynu samy vytváří dodatečné elektrické pole, které umožňuje rychle ionizovat další atomy v okolí. V tomto procesu hraje velkou roli i samotné záření plynu, které, pokud má vysokou energii (kupř. UV), může ionizovat i vzdálenější atomy. Náhodnost těchto procesů stojí za náhodnou, chaotickou strukturou výboje.

Doutnavý výboj

Doutnavý výboj v dusíku je příkladem klasického, stejnosměrného (DC) výboje za nízkého tlaku. Běžně lze rozlišit katodové a záporné světlo u katody a kladný sloupec, který obvykle vyplňuje zbytek výbojky. Jak světlo fialové, tak i růžové barvy je v tomto případě výsledkem vyzařování molekuly dusíku N₂, případně jejího iontu. Stejným způsobem svítí i nejznámější výboj ve vzduchu – blesk, nebo pozoruhodný ionosférický úkaz – výboj označovaný jako „červený skřítek“ (red sprite). Na výboji je patrná stratifikace kladného sloupce.

Při velmi nízkém tlaku elektrony snadno dosáhnou stěn výbojky a předají jim svou energii. Přebytečné energie se stěna zbavuje světélkováním čili luminescencí (zelené světlo).

Výboj v neonu

I když je představa neonových pouličních reklam modrá, čistý neon svítí krásnou červenooranžovou barvou, neboť atom neonu intenzivně vyzařuje viditelné světlo při přechodech mezi stavy elektronové konfigurace 3s–3p. Jejich spektrální čáry leží v intervalu 585 až 743 nm. Použití neonu není náhodné: je to inertní plyn (a tedy chemicky nereaguje s elektrodami), neuniká přes sklo tak snadno jako helium a má nejnižší zápalné napětí ze všech čistých plynů.

Klouzavý výboj

Klouzavý výboj (gliding arc) je přechodovým typem výboje mezi výbojem doutnavým a obloukovým. K zapálení dochází v nejnižší části, kde je nejmenší vzdálenost elektrod, výboj je poté vynesen do horní části, kde zaniká a situace se opakuje. Při střídavém napájení nízké frekvence (50 Hz) můžeme na záznamu pozorovat blikání výboje i střídání elektrod vytvářející postupně na fotografii strukturu podobnou žebříku.

Jak vzniká blesk

Blesk je příkladem jiskrového elektrického výboje. Je charakteristický velkými proudy, které mohou dosáhnout až 30 kA, a krátkým trváním hlavního výboje, které se pohybuje kolem jedné milisekundy.

Bouřku doprovázenou blesky pozorujeme nejčastěji v létě a na podzim. Během dlouhých dní se zemský povrch slunečním zářením intenzivně prohřívá. Od něj se zahřívá i přízemní vzduch a dochází také k vypařování vlhkosti. Teplý vzduch spolu s vodní párou stoupají vzhůru a dávají vzniknout oblakům. Pokud je toto proudění opravdu silné, může oblak přerůst do podoby bouřkového mraku zvaného cumulonimbus. Bouřkový oblak se od běžné letní oblačnosti liší svými rozměry a tvarem: základna se může rozprostírat do délky několika desítek kilometrů, z ní vzhůru vyrůstá sloupec charakteristický intenzivním turbulentním prouděním, který se ve vyšších oblastech rozlévá do typického tvaru kovadliny. Výška bouřkového oblaku může přesáhnout i deset kilometrů.

V závislosti na teplotních a tlakových podmínkách uvnitř oblaku vodní pára přímo desublimuje nebo kondenzuje a kapalná voda následně tuhne. Vznikají tak ledové krystalky, vodní kapky a kroupy. Při vzájemných srážkách dochází k přeskoku elektronu z krystalku na kapku respektive na kroupu. Lehoučké kladné ledové krystalky jsou unášeny stoupavými proudy vzhůru, naopak těžší kapky a ledové kroupy mrakem klesají. Horní část mraku se tím postupně nabíjí kladně, dolní okraj záporně.

Nabitý mrak kolem sebe vytváří elektrické pole. Zejména odpuzuje elektrony, které se nacházejí na povrchu Země v oblasti pod jeho základnou. Tím se pod mrakem indukuje oblast kladného náboje, která se pohybuje spolu s ním. Nejvíce kladného náboje se nahromadí na předmětech čnějících z povrchu – štíty hor, výškové budovy, stromy, kovová tyč bleskosvodu atd.

Poznamenejme, že mechanismus nabíjení mraku dosud není zcela pochopen. Popsané procesy se uplatňují v 90 % případů. Ve zbývajících 10 % případů se z ne zcela jasných důvodů nabije mrak opačně nebo se v dolní základně vytvoří malá oblast kladného náboje.

Na dolní okraj mraku a povrch Země se můžeme dívat jako na desky obřího kondenzátoru, mezi kterými je napětí řádově stovky megavoltů (10⁸ V). Dielektrikem tohoto kondenzátoru je vlhký vzduch. Ze spodní podstavy mraku směrem k zemi se v silném elektrickém poli vytvářejí skokovitě kanálky záporného náboje, které se mohou různě větvit. Z hrotů vystupujících ze Země podobně, avšak pomalejším tempem vznikají kanálky kladného náboje. V okamžiku, kdy se tyto dva kanálky propojí, vzniká vodivý kanál vedoucího výboje. Nejdříve jím protečou elektrony z mraku do země (jsou lehčí, pohybují se v elektrickém poli s větším zrychlením). Ihned poté nastává zpětný výboj, v podstatě lavina kladných iontů tekoucích ze země do mraku. Proud relativně těžkých a velkých urychlených kladných iontů srážkami zahřeje oblast vodivého kanálu na teplotu typicky 30 000 K. Tato skutečnost má pozorovatelné následky: jednak se dotčená oblast stane zdrojem světla, a spatříme záblesk, jednak se v ní zahřátím zvýší tlak na pětinásobek tlaku atmosférického, což v okolním vzduchu vyvolá tlakovou rázovou vlnu, kterou vnímáme jako hrom.

Vytvořeným kanálem mohou výboje projít opakovaně. Zatímco záporný a následně zpětný výboj trvají přibližně milisekundu, prodleva mezi dvěma sériemi výbojů se pohybuje kolem 30 až 50 milisekund. Opakovaná kratičká zjasnění a následná ztemnění kanálu vedoucího výboje jsou příliš rychlá na to, abychom je dokázali zrakem přesně identifikovat. Světelný obraz na sítnici oka přetrvává přibližné 25 milisekund, takže se nám jednotlivé záblesky „spojí“ nebo je vnímáme jako „zablikání“.

Zvuková vlna se vzduchem k pozorovateli šíří rychlostí zhruba 340 m/s, takže za tři sekundy urazí vzdálenost přibližně jeden kilometr. Oproti tomu světelný záblesk se vzduchem šíří rychlostí 300 000 km/s a doba mezi vznikem světla při výboji a jeho zaregistrováním pozorovatelem je v porovnání se zvukem zanedbatelná. Chcete-li tedy určit vzdálenost bouřky v kilometrech, stačí spočítat počet sekund mezi zábleskem a hromem a údaj vydělit třemi.

Během bouřky vám hrozí nebezpečí na vrcholcích a hřebenech hor, v blízkosti vyvýšených předmětů (stromy, rozhledny, …), ve vodních nádržích a řekách, v blízkosti kovových předmětů (zábradlí, řetězy na horách). Skrýt se můžete nejlépe uvnitř budov se zavřenými okny. V nouzovém případě můžete bouřku přečkat i v autě, neboť elektrický proud při zásahu auta proteče kolem pasažérů kovovou karoserií (ovšem posádku vozu může ohrozit případný požár pneumatik). Pokud se nacházíte ve volné krajině, doporučuje se v ideálním případě vyhledat prohlubeň a dřepnout si s nohama blízko u sebe. Při zalehnutí na zem hrozí zranění krokovým napětím od výboje, který eventuelně udeří v blízkosti.

Blesky

Poznámka na okraj: Zajímavosti k bleskům

Až do konce 18. století se věřilo, že zvonění kostelních zvonů odhání blesky, a tak mnoho kostelních zvonů neslo nápis „Fulgura frango“, což znamená „Přemáhám blesky“. Během bouřky zvoníci běželi do zvonice a zvonili na zvony. Vysoká věž s kovovým zvonem však byla ve skutečnosti tím nejhorším místem. V letech 1753 až 1786 bylo ve Francii celkem 103 zvoníků zasaženo a zabito bleskem, což následně vedlo k zákazu tohoto zvyku.

Další zajímavosti na https://www.metoffice.gov.uk/weather/learn-about/weather/types-of-weather/thunder-and-lightning/facts-about-lightning