3SVT, 723644352, L1/600-0809

1. 3SVT, 723644352, L1/600-0809 ElektrotechnikaELE1R060-809 Kapitola 6. Elektrický proud v plynech a vakuu FPG 116-127 Připomínky nebo úpravy:geryk@sssvt.cz Výhradně pro individuální studijní účely – neprošlo redakcí.

2. 6.1 Nesamostatný a samostatný výboj v plynu

3. FPG117 6.1 Výboje v plynech – Samostatný a nesamostatný výboj 1 Vodivost plynu Vodivost plynu - závisí na tlaku a míře ionizace, tj. vytvoření rozštěpených nosičů nábojů – iontů. Plyny - podobné kapalinám - čím obtížněji se ionizují a čím mají větší tlak, tím jsou lepší izolant. Výborným izolantem je tlakový suchý dusík, používá se k izolování vysokovýkonných vlnovodů u radarů. KATODA ANODA • Elektron • Kladný iont • Záporný iont Ve vakuu je putování nábojů prostorem mezi katodou a anodou mnohem jednodušší, protože mu nebrání molekuly plynu. Prakticky se využívají jen elektrony, vyráběné v tzv. elektronovém dělu, jehož základem je rozžhavená kovová katoda, která vyzařuje elektrony (viz obrazovka)

4. FPG117 6.1 Výboje v plynech – Samostatný a nesamostatný výboj 2 • Pro zkoumání vodivosti plynu slouží trubice s kovovými vodivými deskami • katodou a anodou. • Plyn se přivádí vždy suchý a s možností měnit tlak. • Takové uspořádání se nazýváionizační komora. • Mezi elektrodami nastavujeme různé hodnoty vysokého napětí (VN)a měříme • mikroampérmetrem velikost protékajícího proudu

5. FPG117 6.1 Výboje v plynech – Ionizátory 3 Ionizátory působí štěpení jednotlivých atomů plynu na elektrony, kladné a záporné ionty. Ionty pak v elektrickém poli putují podle polarity ke kladné nebo záporné elektrodě, kde rekombinují a předávají své náboje. Tím vzniká proud, tekoucí přes plyn v komoře. Ionizátory jsou tedy = vnější fyzikální vlivy které přispívají k štěpení molekul na ionty a elektrony. Nejznámější ionizátory: Vysoká teplota, probíhající chemické reakce (hoření), sopečné výbuchy, atomový výbuch Záření světelné, ultrafialové, roentgenové, kosmické, radioaktivita Silné elektrické pole (vytrhování elektronů z hrotů)

6. FPG117 6.1 Výboje v plynech – Nesamostatný výboj 4 PLYNY a jejich schopnost ionizace. Netečné (inertní) plyny– argon, krypton, neon a xenon mají. dobrou schopnost ionizace, neboť nemají molekulové vazby. Používají se široce ve výbojkách, nahrazujících žárovky (úsporkách), zářivkách a neonových reklamách. Suchý vzduchje ionizaci dost odolný. Pokud však vzduch obsahuje vodní páry, plynné sloučeniny nebo pevné částice - jeho vodivost pak prudce roste. Praktické ionizátory Elektrické pole Při zvýšení napětí elektrického pole nad jistou hodnotu dochází ke štěpení díky energii elektrického pole Prach, kouř, páry kapalin i pevných látek mají podstatně vyšší vodivost. Samy o sobě jsou totiž už ionizovány při vzniku. Této vlastnosti se využívá ve výbojkách, ale také v požárních hlásičích EPS. Radioaktivní záření

7. FPG117 6.1 Výboje v plynech – Ionizace a rekombinace 5 Ionizátor Zpravidla elektrické pole nebo tepelné či mechanické vlivy, které dodávají energii, potřebnou pro odtržení elektronů z molekulární vazby Ionizační energie Je to hodnota energie pro odtržení jednoho elektronu. Udává se v elektronvoltech [eV] 1 eV = 1,6 10-19 Joule Rekombinace Opak ionizace, dochází k opětnému spojení elektronů a molekul a uvolnění energie (zpravidla ve formě světelného nebo UV záření).

8. FPGXX 6.1 Výboje v plynech – Ionizace v okolí Země - ionosféra 6 Ionosféra (ionosférická vrstva okolo Země) Vrstva z iontů stopového množství vzduchu přibližně ve výšce 200 až 350 km od povrchu Země. Vzniká ionizací ionosféry kosmickým zářením a zářením Slunce (především ultrafialovým). Není prostupná pro radiové kmitočty pásma krátkých vln, které odráží směrem k Zemi. Existence ionosféry umožnila poprvé mezikontinentální radiové spojení (po roce 1930), což byl jediný způsob dálkové světové komunikace až do zavedení družicové služby po roce 1970.

9. FPG118 6.1 Výboje v plynech – VA charakteristika ionizační komory 7 Oblasti VA charakteristiky Při nastavení určeného tlaku zkoušeného plynu měníme napětí od nuly do vysokých hodnot hodnot až po zapálení samostatného výboje. 1 – Oblast lineárního přírůstku proudu se zvyšováním napětí, tzv. ohmická oblast. 2 – Oblast nasyceného proudu. Zde začne mít proud skoro konstantní hodnotu, závislou jen na velikosti působení vnějšího ionizátoru. Používá se proto pro měření ionizačních vlivů (radioaktivity – Geiger-Mullerův detektor) 3 – Oblast zapálení samostatného výboje. Vzniká vlastní lavinová ionizace nárazem. Vzrůstá teplota, záření a plyn se mění na plazma. Je to doutnavý výboj, používá se pro stabilizaci VN napětí, indikaci vysokého napětí, neonové reklamy a jiné široké využití. 3 2 1

10. FPG118 6.1 Výboje v plynech – VA char. vysokotlakých výbojek 8 Každá výbojka se zapaluje v oblasti samostatného doutnavého výboje (3-4) a při protékání proudu se zvyšuje teplota výbojky a tím i tlak ve výbojce. Tím roste velmi lavinová ionizace (oblast 4-5) a ve výbojce dochází k zvýšení proudu, poklesu napětí a růstu záření. Mezi oblastí 5-6 dochází k výboji, který má charakter buď jiskry či blesku (pokud je k dispozici malá elektrická energie) nebo ke vzniku hořícího oblouku (oblast 6). Oblouk (oblast 6) má velký proud, relativně nízké napětí a je zdrojem velmi silného záření. Existuje v uzavřených vysokotlakých velmi horkých výbojkách (veřejné osvětlení, moderní světelné xenonové zdroje) nebo také za běžného tlaku jako svařovací oblouk

11. FPG119 6.1 Výboje v plynech – Samostatný (lavinový) výboj 9 Nesamostatný výboj je v oblasti 1 a 2 předchozí VA charakteristiky. Pokud ale zvýšíte napětí na elektrodách na vysokou hodnotu a udržíte velký proud, dojde k lavinové ionizaci nárazem jednotlivých iontů a elektronů a počet nosičů proudu prudce stoupne. Nesamostatný výboj se změní na výboj samostatný (oblast 3-6). Horký a prakticky úplně na ionty proměněný plyn se nazývá plazma a je zdrojem silného záření (tepelného, světelného, ultrafialového, roentgenového atd.)

12. 6.2 Samostatný výboj v plynu za atmosférického a za sníženého tlaku

13. FPG122 6.2 Výboje v plynech – Samostatný výboj při sníženém tlaku 10 Samostatný výboj ve plynu při sníženém tlaku: D) Doutnavky a zářivky Katoda: Katodové světloviz 1 Používá se v indikátorech nočního osvětlení Anoda: Anodový sloupecviz 2 Používá se v zářivkách a neonových reklamních trubicích Pracovní oblast zářivek Zářivky a doutnavky mají v oblasti doutnavého výboje nepříliš proměnné napětí (mezi 70 až 140V podle druhu plynu). Proto musí být napájeny přes proud omezující prvky (tlumivky). Zářivky a úsporné „žárovky“ (úsporky) využívají světlý růžový anodový sloupec, který sám o sobě nezáří, ale produkuje velmi silné ultrafialové záření. Toto záření v zářivkách dopadá na vnitřní stěnu trubice pokrytou bílým luminoforem. Tento luminofor vydává silné bílé světlo jako své sekundární záření. Vneonových reklamáchmá jinou potřebnou barvu. Plyny: Neon Ne, Argon Ar, Krypton Kr, Xenon Xe

14. FPG122 6.2 Výboje v plynech – Samostatný výboj při sníženém tlaku 11 Doutnavkové stabilizátory napětí Doutnavková zkoušečka vysokého napětí Zářivky pro stolní lampičky Doutnavý samostatný výboj - použití

15. FPG121 6.2 Výboje v plynech – Samostatný výboj při atmosférickém tlaku 12 Samostatný výboj ve vzduchu při atmosférickém tlaku: B) Jiskrový výboj v přírodě, blesk a koróna Jiskrový výboj se projeví při nechtěném spojení výkonových elektrických obvodů – zkratu.Od oblouku se liší jen tím, že trvá tak dlouho, dokud se nevyčerpá elektrická kapacita zkratovaného obvodu. Je provázen ránou (zvukem) a odtavuje kousky kovu (vodič, šroubovák). Bleskje mohutný přírodní úkaz – výboj mezi mraky nebo mezi mraky a zemí. Musí mu předcházet nahodilá ionizace vzdušné vybíjecí cesty a po té se při bouřce čas od času uskuteční velmi dlouhý výboj, provázený ohlušujícím zvukem (hromem). Blesk má napětí několik miliard voltů, proud řádově stovky tisíc ampér. Výkon je tedy značný a má na straně země často ničivý účinek, kterému se bráníme bleskosvody.Bleskosvodsvede energii blesku do země bez způsobení škody. Elektrická práce jednoho blesku ale představuje cca půlměsíční spotřebu elektřiny malého bytu. Koróna je přírodní jev stejného původu, jako blesk. Na lodních stožárech a věžích bývá nazývána Eliášův oheň. Nevznikne při u ní celá vybíjecí cesta a vysoké napětí se snižuje sršivým syčivým výbojem. Ve dne slyšitelné syčení případně praskot poblíže stožárů, vrcholových pomníčků a křížků bývají často předzvěstí nebezpečí blesku a je nutno se okamžitě z takových míst vzdálit. Sršení vedenívysokého napětí zvláště za mlhy je stejný jev bez jakéhokoliv nebezpečí, pokud nelezeme na stožáry VN.

16. 13 Blesk se po stejné cestě vybíjí několikrát za sebou v rozmezí až jedné sekundy.

17. FPG120 6.2 Výboje v plynech – Samostatný výboj při vysokém tlaku 14 Samostatný výboj v plynu nebo parách při vysokém tlaku: C) Vysokotlaké výbojky Výboj ve vysokotlaké výbojce začíná jako doutnavý výboj (výbojka se jakoby „rozjíždí“), ale při zvyšující se teplotě a tlaku ve výbojce přechází doskoro obloukového výboje a plyn se rozštěpením na ionty změní na plazma. Xenonové výbojky - v projektorech obrazu, světlometech apod. Vydávají bílé světlo. Sodíkové výbojky – osvětlení veřejných prostranství, ulic a pod. Vydávají žluté světlo. Rtuťové výbojky – používají se v soláriích, detektorech bankovek. Vydávají ultrafialové záření.

18. FPG120 6.2 Výboje v plynech – Samostatný výboj při atmosférickém tlaku 15 Samostatný výboj ve vzduchu při atmosférickém tlaku: A) Elektrický oblouk Podmínky: Napětí U = 50 - 90 V Proud I = 10 – 20 A Odpor: R = 10-30 ohmů I U R Obloukové svařování kovů Jedna elektroda je svařovaný díl, druhá je drát s tavidlem

19. FPG Kapitola 1. Elektrostatika – Záložka T2B jocker T2B konec Až sem jsme došli dne: 11.12.08

20. 6.3 Katodové a kanálové záření. Obrazovka

21. FPG123 6.3 Katodové a kanálové záření – Vznik tohoto záření 16 Samostatný výboj ve plynu při sníženém tlaku: Vznik katodového a kanálového záření Provrtáme-li v katodě i anodě testovací trubice otvory, dojde k jevu, který byl naprosto historický a umožnil spoustu technologických aplikací i mnoho fyzikálních objevů. Při velmi nízkém tlaku plynuse kromě katodového světla a anodového sloupce objeví mimo jejich prostor i dva druhy záření: Kanálové záření (3): Za katodovým otvorem se objeví setrvačností prolétající elektrickým polem urychlené kladné ionty plynu nebo páry, obsažené v trubici. Katodové záření (4): Za anodovým otvorem se objeví svazek urychlených elektronů, které dopadají na stěny trubice za anodou a vyzařují svou energii.

22. FPG123 6.3 Katodové a kanálové záření – Kanálové záření 17 Samostatný výboj ve plynu při sníženém tlaku: A) Kanálové záření Použijeme jako anodu misku s roztaveným kovem nebo sloučeninu kovů. Katoda bude ve tvaru síťky nad touto miskou. Po roztavení kovu a přiložení vysokého záporného napětí na katodu budou ionty kovu vystupovat jako páry z hladiny taveniny a budou urychleny prolétat katodou. Na předmětech, uložených za katodou dojde k jejich dopadu a nárazovou energií i k přichycení na povrchu vloženého předmětu. Na tomto principu byly vyvinuty dnes velmi využívané technologie vakuového napařování a vakuového naprašování kovů a také iontů různých jiných sloučenin Vakuové napařování a naprašování vrstev se používá nejen v mikroelektronice, strojních operacích, ale dnes se pokovuje i spousta dílů spotřebního zboží.

23. FPG125 6.3 Katodové záření – Konstrukce elektronky - triody 18 B) Katodové záření Elektronky – využívají pohybu elektronů ve vakuu Byly to historicky první zesilovací prvky elektrických signálů. Používaly se až do sedmdesátých let minulého století. Cathode = žhavené vlákno – katoda Grid = řídící mřížka (vstup signálu) Plate = anoda, na kterou dopadají elektrony z katody a odtud se odebírá zesílený signál. Elektronky se dodnes používají ve vysoce výkonových stupních koncových zesilovačů hudebních skupin Použijeme-li jako katodu rozžhavenou trubičku, pokrytou sloučeninami kovů, které rychle uvolňují elektrony (wolfram, thorium, cesium) a vytvoříme-li v elektronce maximální vakuum, dojde v prostoru okolo katody k vytvoření oblaku volných elektronů – který kladná anoda hojně odsává. Řízení míry odsávání je řešeno záporným napětím na mřížce (skrz kterou musí elektrony prolétnout) – tím se napětím mřížky velmi silně řídí anodový proud = zesilování!!!

24. FPG Kapitola 1. Elektrostatika – Záložka T2Ajocker T2A Až sem jsme došli dne: 15.12.08

25. 19 Elektronkový zvukový zesilovač - booster Elektronky se dodnes používají ve vysoce výkonových stupních koncových zesilovačů hudebních skupin (spec. techno)

26. FPG125 6.3 Katodové záření – Konstrukce elektronek a obrazovek 20 Provedení elektronek a malé osciloskopické obrazovky

27. FPG125 6.3 Katodové záření – Elektronové dělo 21 Vytvoření svazku elektronů ve vakuu C) Katodové záření v obrazovce Použijeme-li poblíže katody K soustavu W, A1 a A2 kladně nabitých válcových elektrod (urychlovacích anod), vznikne velmi silný zdroj elektronů, vylétajících z otvoru poslední anody a letících do prostoru volného vakua trubice. Takovouto sestavu trubice nazýváme elektronové dělo a jím vytvářený elektronový svazek (paprsek) základem funkce vakuových TV a PC obrazovek (monitorů). K – katoda W-Wehneltův válec A1-první anoda A2 druhá anoda

28. FPG125 6.3 Katodové záření – Konstrukce elektrostatické obrazovky 22 Elektronové dělo Zářící paprsek Katoda Stínítko Vychylovací destičky Katoda Vychylovací destičky Stínítko Elektronový svazek Skleněná baňka Řídící mřížka Elektrostatické vychylování paprsku destičkami se používá především u měřících osciloskopických speciálních obrazovek.

29. FPG Kapitola 1. Elektrostatika – Záložka T2C jocker T2C konec Až sem jsme došli dne: 15.12.08

30. FPG125 6.3 Katodové záření – Konstrukce barevné obrazovky 23 Barevná obrazovka jsou v principu tři obrazovky v jedné baňce, každá pro jedno barevné světlo. Bílé světlo se skládá zčerveného R, zeleného G a modrého B světla. Tři elektronové paprsky R, G, B se musí ostřit a vychylovat tak, aby po celé ploše padaly vždy současně do jednoho bodu. Magnetické vychylování paprsku vychylovacími cívkami se používá především u TV obrazovek a obrazovek vakuových PC monitorů.

31. FPG125 6.3 Katodové záření – Zobrazení signálu u osciloskopu 25 Obrázek průběhu signálu na stínítku obrazovky Napětí signálu na vertikálních destičkách Zobrazení sinusového průběhu signálu na obrazovce osciloskopu. Signál je přiveden na vertikální destičky a na horizontální destičky se přivádí rozmítací pilové napětí (tzv. časová základna). Na stínítku se vytvoří obraz průběhu signálu Pilové napětí na vodorovných destičkách

32. FPG125 6.3 Katodové záření – Vychylování paprsku u obrazovek 24 Vychylování paprsku je dvojí: Elektrostatické – pomocí vychylovacích destiček. Vhodné pro osciloskopické a radarové obrazovky. Tyto obrazovky jsou velmi přesné, ale mají malý vychylovací úhel (do 20 stupňů). Používají se u radarů a zaměřévačů, dále u starších (klasických) osciloskopů. U současných přístrojů je tato obrazovka nahrazena LCD displejem. Magnetické - pomocí vychylovacích magnetických cívek. V magnetickém poli se elektronový paprsek vychyluje kolmo na magnetické pole vytvářené pomocí tzv. vychylovacích cívek. Byly používané jsou ve starších televizorech a v monitorech PC protože dosahují velkých vychylovacích úhlů (i přes 110 stupňů).