Elektrilahendus

Elektrilahendus on laengukandjate suunatud liikumine läbi gaasikeskkonna, vedeliku või tahkise. Elektrilahendus tähendab tavaliselt gaaslahenduses toimuvaid protsesse, kuna need on kõige laiemalt levinud ja uuritud. Elektrilahendused gaasis on olulised oma laia rakendatavuse tõttu. Geigeri loenduri radioaktiivsuse mõõtja torus tekkiv gaaslahenduse vooluimpulss võimaldab mõõta ioniseeriva kiirguse olemasolu. Gaaslahendusel põhinevad valgustid leiavad meie ümber üha enam igapäevast kasutust. Äikeselöökide võimsad valgussähvatused tekitavad aukartust looduse ees ja pakuvad paljudele silmailu. Tavatingimustes on gaasikeskkond isolaator. Nõrkades elektriväljades on gaasikeskkonna elektrijuhtivus määratud välise ionisaatori tekitatud elektronide ja ioonide kontsentratsiooniga. Väliseks ionisaatoriks võib olla ioniseeriv kiirgus, fotoefekti tõttu ainest väljunud elektronid või elektronikahuriga saadud elektronid. Alates teatud elektrivälja tugevusest omandavad elektronid energia, mis on piisav ionisatsiooniks ja tekib elektronlaviin ning gaasikeskkonna juhtivus kasvab. Kuna selliseks juhtivuse kasvuks on vaja välise allika tekitatud algelektrone, nimetatakse seda gaaslahenduse tüüpi sõltuvaks gaaslahenduseks (ingl k non self-sustained discharge). Piisavalt tugeva elektrivälja korral tekitab iga laviin teatud tõenäosusega elektronide sekundaaremissiooni. Sekundaaremissioon tekib elektronlaviini kiiratud valguse fotoefekti või positiivse iooni elektrilise tõmbejõu poolt katoodist väljunud elektronist. Kui see elektron saavutab elektriväljas piisavalt suure energia on ta teatud tõenäosusega võimeline põhjustama uute sekundaarelektronide emissiooni. Emissiooni tulemusel tekib laviinide seeria mida nimetatakse Townsendi lahenduseks.  Pikemalt artiklis Townsendi lahendus Townsendi lahendus (ka Townsendi läbilöök) on gaasi ionisatsiooni protsess, kus väike hulk vabu elektrone, mida kiirendatakse välise tugeva elektrivälja poolt, põhjustab gaasikeskkonnas laengukandjate laviinpaljunemise tõttu elektrivoolu. Lahenduse teke on määratud sekundaaremissiooni koefitsiendi suurusega. Kui vabu elektrone jääb vähemaks või elektriväli nõrgeneb siis lahendus katkeb. Protsessi iseloomustavad väga väikesed voolutugevused: tavalises gaasiga täidetud torus jääb lahenduse vool vahemikku 10−18 A kuni 10−5 A, seejuures lahendusele rakendatav pinge jääb peaaegu konstantseks. Voolutugevuse edasisel kasvamisel jõuame huumlahenduse ja lõpuks kaarlahenduse piirkonda, mille puhul gaasi ioniseerimine toimub samuti laviinpaljunemise läbi. Townsendi lahendus on nimetatud John Townsendi järgi ja seda teatakse ka "Townsendi laviini" nime all. Townsendi lahendust kasutatakse Geigeri loenduris ioniseeriva kiirguse mõõtmisel. Gaasikeskkonda jõudnud kiirgus ioniseerib selles mõne aatomi või molekuli ja kui väline elektriväli on piisavalt tugev tekib gaasis laviinläbilöök. Kiiresti liikuvad elektronid tekitavad põrgetel uusi vabu elektrone, mis kõik kiirenevad elektriväljas ja põhjustavad laengukandjate hulga kiire kasvu. Gaasikeskonda läbinud ja anoodile jõudnud osakeste tekitatud elektrivoolu on võimalik võimendada ja mõõta. Townsendi lahenduse tekkimispinge gaasis on oluline, kuna see määrab gaaslahenduse süttimise pinge igapäevastes rakendustes, näiteks neoonlambis või plasmateleri ekraanis. Pascheni seadus näitab, kuidas sõltub gaasi läbilöögipinge U rõhust p ja elektroodide vahekaugusest d. Pascheni seadus on nime saanud Friedrich Pascheni järgi, kes avaldas selle oma töös 1889. aastal. Paschen uuris elektrilise läbilöögi pingeid gaasikeskonnas paiknevate paralleelsete plaatide vahel sõltuvana rõhust ja plaatidevahelisest kaugusest. Rõhku langetades leidis ta, et elektrikaare tekitamiseks vajalik plaatidele rakendatav pinge väheneb kuni teatava rõhuni. Edasisel rõhu langetamisel suureneb lahenduse tekkeks vajaminev pinge järk-järgult üle oma esialgse väärtuse. Samuti leidis Paschen oma eksperimentides, et normaalrõhu korral langes lahenduse süttimise pinge plaatide vahekauguse vähendamisel, seda kuni teatava plaatidevahelise kauguseni millest edasi plaatide lähendamine toob kaasa vajaliku pinge kasvu üle esialgselt rakendatud pinge väärtuse. Varased elektrilahenduse eksperimendid madalatel gaasirõhkudel andsid üllatavaid tulemusi. Mõnikord tekkis sädelahendus mööda pikka ja ebaregulaarset trajektoori, mitte aga mööda minimaalset elektroodidevahelist teed. Näiteks rõhul 10−3 atmosfääri on vähim kaugus minimaalse läbilöögipinge jaoks umbes 7,5 mm. Selle vahemaa juures on sädeme tekkimiseks minimaalne pinge 327 V, suuremate ja väiksemate vahemaade korral on vajalik pinge suurem. Vahemaa 3,75 mm korral on see pinge 533 V, peaaegu kaks korda nii palju kui eelmisel juhul. Kui rakendada pinget 500 V ei ole see piisav läbilöögi tekkimiseks 2,85 mm vahemaa jaoks, kuid on piisav 7,5 mm kauguse korral. Efekt on tingitud sellest, et väiksemate vahemike korral on elektronide teekond lühike ja seega ka ionisatsioonide arv väiksem, väheste ionisatsioonide tõttu laviini tekkimine raskeneb ja sõltumatu lahenduse tagamiseks on vaja pinget tõsta. Vahemaade suurenemisel on vaja sama elektrivälja tugevuse tagamiseks rakendada elektroodidele suuremat pinget. Rõhu langetamine ehk gaasikeskonna hõrendamine tingib ionisatsioonide arvu vähenemise ja piisava hulga ionisatsioonide tagamiseks on vaja pinget tõsta. Rõhu tõstmisel osakeste vaba tee pikkus lüheneb ja seetõttu on ioniseerimiseks vaja tõsta osakeste kineetilist energiat ehk rakendada suuremat kiirendavat pinget. Paschen leidis, et läbilöögipinget kirjeldab võrrand: U = a p d ln ⁡ ( p d ) + b {\displaystyle U={\frac {apd}{\ln(pd)+b}}} Kus U on läbilöögipinge, p on rõhk, d plaatide vahekaugus. Konstandid a ja b sõltuvad gaasi koostisest. Õhu jaoks normaalrõhul (101 kPa) on a = 43,6×106 V/(atm·m) ja b = 12,8. Selle võrrandi tulemuseks on Pascheni kõverad, mis omavad miinimumpunkti. Minimaalse läbilöögipinge leidmiseks tuleb võrrandi tuletis võrdsustada nulliga ja leida pd: p d = e 1 − b {\displaystyle pd=e^{1-b}} See seos võimaldab ennustada pd väärtust, mille juures on läbilöögipinge minimaalne. Õhus on tavarõhul läbilöögipinge 327 V ja pd = 0,567 torr*cm, mis teeb elektroodide vahekauguseks 7,5 µm. Õhu koostis määrab nii minimaalse läbilöögipinge kui ka vahekauguse, mille juures läbilöök tekib. Näiteks argooni (Ar) jaoks on minimaalne pinge 137 V ja kaugus 12 µm. Vääveldioksiidi (SO2) puhul on pinge 457 V ainult 4,4 µm suuruse elektroodide vahekauguse korral. Tabelis on esitatud eri gaaside minimaalne läbilöögipinge ja sellele vastav pd korrutis. Striimer kujutab endas gaaslahendusvahemikus ühelt elektroodilt teisele liikuvat plasmakerakest, mille liikumisest jääb gaasi nõrgalt elektrit juhtiv kanal. Homogeenses elektriväljas tekib striimer siis, kui laengukandjate arv elektronlaviinis on suurusjärgus 108. Striimerid tekivad tavaliselt kõrgetel rõhkudel, madalamatel rõhkudel (u 100 Pa) tekib Townsendi läbilöök. Selliste laviinide korral hakkab positiivsete ioonide tekitatud ruumlaeng omama juba sama suurt mõju kui väline elektriväli. Kui laengukandjate arv anoodi lähedal laviinis saavutab väärtuse 108, siis on võimalik katoodi suunas leviva striimeri teke. Sekundaarsed laviinid tekivad sel puhul algse laviini emiteeritavate ja fotoionisatsiooni põhjustavate footonite poolt. Sekundaarlaviinid liiguvad esmase laviini tekitatud positiivse ruumlaengu suunas. Sõltuvalt ruumlaengu suurusest ja välisest elektriväljast tekib sekundaarlaviini ja esmase laviini ioonidest kvaasineutraalne plasma (ingl k quasineutral plasma). Kvaasineutraalses plasmas on positiivseid ja negatiivseid laenguid ühepalju ja summaarne laeng on võrdne nulliga. Aatomite ergastamise tõttu plasmas tekib pidevalt footoneid ning sekundaarlaviine ja striimeri protsess on ennast alalhoidev, kuni püsib väline elektriväli. Striimeri stabiilseks levikuks peab välise elektrivälja tugevus ületama teatud väärtuse, mis on õhus 4–5,5 kV/cm. Äikese ajal tekivad striimered maa pinnal asuvatelt kõrgetelt ja teravatelt objektidelt, mis koguvad pilve laengule vastasmärgilise laengu ja kuhu tekib tugeva elektriväljaga piirkondi. Maapinnalt arenev striimer kohtub pilvest maa poole liikuva põhikanaliga ja nende kohtumisel tekib meile tuttav välk. Maa pealt algab tavaliselt hulgaliselt striimereid, aga välk tekib tavaliselt ainult mõne üksikuga neist (alati ei pruugi tekkida ainult üks peakanal, vaid tekkida võib väga palju kanaleid, mille kaudu välk lööb). Pärast välgu lööki maa ja pilve vaheline elektriväli tavaliselt nõrgeneb ja tekkinud striimerid hajuvad, kuni tekib uuesti piisavalt tugeva elektriväljaga piirkondi looduslikel või tehislikel objektidel, kust arenevad järjekordsed striimerid.  Pikemalt artiklis Gaaslahendus Sõltumatu gaaslahendus võib sobivate tingimuste, elektroodidele rakendatud piisavalt suure pinge ja lahendust läbiva voolu korral minna üle Townsendi lahendusest huumlahenduseks ja voolu edasisel suurenemisel kaarlahenduseks. Kõrvaloleval joonisel on kujutatud nendele piirkondadele vastavad voolutugevuste hinnangud gaaslahenduses ja elektroodide pinge sõltuvus lahenduse voolust ja etapist. Dielektrik-barjäärlahendus Fotoelektriline efekt Huumlahendus Kaarlahendus Sädelahendus Koroonalahendus Laviinläbilöök Plasma Townsend (ühik) Friedrich Paschen (1889). "Ueber die zum Funkenübergang in Luft, Wasserstoff und Kohlensäure bei verschiedenen Drucken erforderliche Potentialdifferenz". Annalen der Physik. 273 (5): 69–75. Bibcode:1889AnP...273...69P. DOI:10.1002/andp.18892730505. "University of Rochester, Course Handout" (PDF). Originaali (PDF) arhiivikoopia seisuga 27. september 2011. Vaadatud 6. detsembril 2012. "Paschen's Law". Originaali arhiivikoopia seisuga 16. oktoober 2011. Vaadatud 6. detsembril 2012. High Voltage Experimenter's Handbook Breakdown Voltage vs. Pressure Paschen Equation Electrical Discharges How does voltage vary with altitude and temperature? Fotoionisatsiooni loengumaterjal Äike ja eksiarvamused | Horisont