Ionisoinnin, dissosiaation ja virityksen määritelmä ja esimerkit
Määritelmä ionisaatio
Ionisointi on prosessi, jolla molekyylit tai atomit muunnetaan ioneiksi pelkistämällä tai lisäämällä varattuja hiukkasia, kuten muita tavallisia elektroneja. Negatiivisten tai positiivisten varausten ionisaatioprosessi on hieman erilainen. Positiivisesti varautunut ioni saadaan, kun molekyyliin tai atomiin sitoutunut elektroni absorboi tarpeeksi energiaa välttääkseen sitä sitovan sähköisen potentiaalin. Tarvittava energia tunnetaan myös ionisaatiopotentiaalina.
Negatiivisesti varautuneet ionit saadaan, kun vapaat elektronit hajotetaan atomien kanssa ja loukkuun atomikuorissa, joilla on tietty sähköpotentiaali. Ionisointi koostuu kahdesta tyypistä, nimittäin peräkkäinen ionisaatio ja ei-peräkkäinen ionisaatio. Klassisessa fysiikassa voi esiintyä vain peräkkäistä ionisaatiota, joten sitä kutsutaan klassiseksi ionisaatioksi. Ei-peräkkäinen ionisaatio rikkoo joitain klassisen fysiikan lakeja, ja se selitetään kvantti-ionisaatiota käsittelevässä osassa.
Lue myös: Ero ionisten yhdisteiden ja molekyylien välillä
Klassinen ionisaatio
Klassisen fysiikan ja Bohsin atomimallin perusteella atomi- ja molekyyli-ionisaatiokuormitus on hyvin määritelty. Klassisen fysiikan mukaan elektronin energia ylittää sen kuoren sähköisen potentiaalienergian, jossa elektroni on erilainen, elektroni liikkuu. Tätä voidaan verrata henkilöön, joka ei voi hypätä yli metrin aidan, ellei hän voi hypätä metrin korkeuteen.
Elektroni ei voi kulkea 13,6 eV: n sähköpotentiaalikuoren läpi, jos sillä ei ole vähintään 13,6 eV: n energiaa. Tämän periaatteen mukaan vapaiden elektronien energian on oltava suurempaa kuin potentiaaliset kuoret.
Jos elektronilla on tarpeeksi energiaa tähän, se menee alimmalle ymmärtämistasolle ja loput energiasta säteilee. Peräkkäinen ionisaatio kuvaa periaatteessa, että ionin atomiluku voidaan saada vain lähimmästä varausluvusta ja se on yksi luku. Esimerkiksi ioni, jolla on +2 varausta, voidaan saada vain ionista, jolla on varaus +1 tai +3.
Ionisoinnin perusprosessi
Ihanteellinen ilma on kaasu, joka koostuu vain neutraaleista molekyyleistä, joten se ei voi johtaa sähkövirtaa. Mutta todellisuudessa todellinen ilma koostuu paitsi neutraaleista molekyyleistä myös pienistä osista siitä ionien ja vapaiden elektronien muodossa, mikä saa ilman ja kaasun virtaamaan, vaikka se onkin rajallinen. Ilmassa tai kaasussa esiintyvä sähkövika riippuu ensisijaisesti ilmassa tai kaasussa olevien vapaiden elektronien määrästä.
Näiden vapaiden elektronien pitoisuus on normaalisti hyvin pieni ja sen määräävät ulkoiset radioaktiiviset vaikutukset. Tämä vaikutus voi olla auringonvalon ultraviolettisäteilyä, maan radioaktiivista säteilyä, kosminen säteily ulkoavaruudesta ja niin edelleen, jotka kaikki voivat aiheuttaa ilmaa ionisoitu. Jos niiden välille syötetään jännite V, syntyy sähkökenttä E, jolla on tietty suuruus ja suunta. Sähkökentässä vapaat elektronit saavat tarpeeksi vahvan energian voidakseen stimuloida ionisaatioprosessia.
Lue myös: Elementtien, atomien ja isotooppien määritelmä
Energian määrä on:
U = e. V = .me.ve2
Missä ;
e = elektronivaraus
V = kahden elektrodin välinen potentiaaliero
me= elektronien massa
ve = elektroninopeus
Elektronien törmäyksestä johtuva ionisaatio
Jos jännitegradientti on riittävän korkea, ionisoitujen elektronien määrä on suurempi kuin happimolekyylien sieppaamien ionien lukumäärä. Kukin näistä elektronista kulkee sitten anodille jatkuvasti ja tekee törmäyksiä, jotka vapauttavat enemmän elektroneja. Iskujen aiheuttama ionisaatio on tärkeä perus- prosessi ilman tai kaasun vikaantumisessa.
Yksittäinen ulkoisen vaikutuksen vapauttama elektroni aiheuttaa elektronivirran (lumivyöry), joka on elektroniryhmä, joka kasvaa nopeasti ja liikkuu eteenpäin. jättäen positiivisen ionin polulleen. elektronien törmäyksistä (törmäyksistä) johtuvan ionisaation tehokkuus määräytyy energian (katso yhtälö 1-1) tai elektronin lyönnin nopeuden perusteella tuo on :
Ve= √ (2.v.e / me)
Jos elektronin nopeus on hyvin hidas, esimerkiksi koska käytetty jännite V on pieni, se ei ionisaatioprosessi tapahtuu, koska tuotettu energia ei ole tarpeeksi vahva elektronien vapauttamiseksi Seuraava. Jos elektronin nopeus on liian suuri, myös ionisaatio on vaikeaa. Tällaisessa tilanteessa on mahdollista, että liikkumisen vapaat elektronit lähestyvät atomia poistamatta elektroneja siitä. Näistä kahdesta asiasta voidaan päätellä, että ionisaatioprosessissa on optimaalinen elektroninopeus, jossa todennäköisyys (todennäköisyys 0 on suurin).
Optimaalisella elektroninopeudella tarkoitetaan nopeutta, joka on oikea pystyä hajottamaan atomit elektroneiksi ja ioneiksi. Tämän optimaalisen nopeuden on lisäksi oltava usein niin, että jos ensimmäinen liike ei onnistu osui atomiin, seuraavan liikkeen odotetaan osuvan atomiin ja vapaisiin elektroneihin hänelle. Ionisointiprosessissa määritetään ionisaatioyksikkö tai ionisaation todennäköisyys. ioniparien lukumääränä, jotka elektronit voivat vapauttaa 1 cm: n polkua pitkin kaasussa 1 mm: n paineessa Hg.
Valon aiheuttama ionisaatio (Photoionization)
Jotta kulkue voidaan tehdä, tarvitaan energiaa. Taajuuden sisältävän säteen (valon) energia on:
U = hν
Missä
h = Planckin vakio
Tämä kvanttienergia tai fotoni voi ionisoida neutraalin molekyylin kaasussa, jos
U = hv eVi
Missä
Vi = ionisaatiopotentiaali.
Yhtälöstä voidaan nähdä, että tulevan energian on oltava suurempi tai yhtä suuri kuin energia, jota tarvitaan elektronin vapauttamiseksi kaasumolekyylistä.
Kun hν eVi
Tällöin tuleva energia ei aiheuta ionisaation tapahtumista. Mutta molekyyli absorboi tämän energian tai atomi nousee korkeammalle tasolle kuin alkuperäinen energia. Tämä voidaan ilmaista seuraavasti:
A + hν - ›A1
Kun hν eV1
Sitten tämä ylimääräinen energia siirtyy vapautuneille elektronille kineettisen energian muodossa
hν = eV1 + mev2
Lämmön aiheuttama ionisaatio (terminen ionisaatio)
Periaatteessa lämmön aiheuttama ionisaatioprosessi ei eroa iskujen ja valon aiheuttamasta ionisaatioprosessista. Ero on molekyylille tai neutraalille kaasulle annetussa energiatyypissä. Jos kaasu kuumennetaan riittävän korkeaan lämpötilaan, monet neutraalit atomit saavat energian, joka tarvitaan niiden atomien ionisointiin, joiden kanssa ne törmäävät.
ionisaatioprosessissa vapautuneet elektronit
Termi terminen ionisaatio käsittää yleensä seuraavat:
- Ionisointi molekyylien tai kaasuatomien törmäyksistä, jotka liikkuvat suurella nopeudella korkeiden lämpötilojen vuoksi.
- Lämpösäteilystä / elektronien törmäyksestä johtuva ionisaatio. Terminen ionisaatio on tärkein ionisaation lähde korkeapaineliekeissä ja -kaarissa.
Määritelmä dissosiaatio
Biokemiassa ja kemiassa dissosiaatio on prosessi, jossa ioniset yhdisteet (kompleksit tai suolat) erottuvat ja pienempiin hiukkasiin, ioneihin tai radikaaleihin, ja yleensä ne voidaan palauttaa muodossa aluksi.
Esimerkki
Esimerkiksi kun Brønsted-Lowry-happo laitetaan veteen, atomien väliset kovalenttiset sidokset elektronegatiivi vetyatomin kanssa jakautuu heterolyyttisellä fissiolla, mikä voi tuottaa negatiivisia ioneja ja protonit. Dissosiaatio on assosiaation ja rekombinaation vastakohta. Prosessi ei ole kuin ionisaatio.
Lue myös: Määritelmä perusratkaisusta
Määritelmä viritys
Viritys (fysiikka) on erillisen energiamäärän (viritysenergia) lisääminen järjestelmänä, kuten atomi tai molekyyli, atomituuma, jotta se voi johtaa muutokseen, yleensä alimmasta energiatilasta (perustilassa) yhdeksi korkeampista energioista (tila) innoissaan).
Ydin-, molekyyli- ja atomijärjestelmissä viritystiloja ei tarvitse jakaa, mutta niillä on tiettyjä erillisiä energia-arvoja. Toisin sanoen ulkoinen energia (viritysenergia) voidaan absorboida erillisinä määrinä.
Siten vetyatomissa (yhden protonin ytimeen liittyy kiertävä elektroni) energia 10,2 elektronivoltin viritys vaaditaan elektronien kuljettamiseksi perustilasta viritettyyn tilaan ensimmäinen. Erilainen 912,1 elektronivoltin viritysenergia vaaditaan elektronin nostamiseksi perustilasta toiseen viritettyyn tilaan.
Viritysjärjestelmä
1. Herätysjärjestelmä harjalla
Harjaa käyttävässä herätesysteemissä sähkövirtalähde tulee tasavirta-generaattorista (DC) tai vaihtovirta (AC) generaattori, joka korjataan ensin käyttämällä tasasuuntaaja.
Jos käytät vaihtovirtageneraattorin sähkölähdettä tai PMG-kestomagneettigeneraattoria, magneettikenttä on kestomagneetti. Tasasuuntaajakaapissa vaihtovirtajännite muunnetaan tai tasataan tasavirtajännitteeksi pääherätinkentän kelan ohjaamiseksi.
Viritysvirran tyhjentämiseksi pääherätteestä generaattorin roottoriin liukurenkaiden ja hiiliharjojen avulla sekä virran jakautumisesta ohjaushälyttimestä pää herätteeseen.
Kuva 1. Herätysjärjestelmä harjalla (Brush Excitation).
Harjan herätysjärjestelmän toimintaperiaate
Ensimmäinen vahvistin on shunttiin kytketty tasavirta-generaattori, joka tuottaa vahvistusvirtaa toiselle vahvistingeneraattorille. Synkronigeneraattorin generaattorivahvistin (herätin) on päävirtageneraattori.
Lue myös: Lämpökemia: Määritelmä, yhtälöt, reaktiot, kaavat ja esimerkkiongelmat
Jännitteen säätö päägeneraattorissa tapahtuu säätämällä viritysvirran määrää (vahvistusvirtaa) säätämällä potentiometriä tai käynnistysvastusta. Potentiometri tai käynnistysvastus säätelee ensimmäisen generaattorin vahvistinvirtaa ja toinen generaattori tuottaa päägeneraattorin virran. Tällä tavalla säädetyn vahvistimen virta ei ole liian suuri (verrattuna toiseen vahvistingeneraattorin virtaan), joten potentiometrin tehohäviö ei ole liian suuri. Päägeneraattorin vahvistinvirta PMT on varustettu vastuksella, joka ottaa vastaan päägeneraattorin magneettikentän energian, koska jos se katkaistaan, päägeneraattorin vahvistimen virta on purettava vastukseen.
Nyt monet vaihtovirtageneraattorit on varustettu tasasuuntaajilla tasavirran tuottamiseksi, jota voidaan käyttää vahvistukseen päägeneraattoria siten, että toisen generaattorin generaattorin tasavirran jakautuminen päägeneraattorin vahvistukselle ei vaadi liukurengasta koska. Tasasuuntaaja pyörii generaattorin akselin mukana. Leikkausrengasta käytetään lähettämään virta ensimmäisestä vahvistingeneraattorista toisen vahvistingeneraattorin vahvistuskenttään. Vahvistusvirran arvo on pieni, joten liukurenkaiden käyttö ei aiheuta ongelmia.
Päägeneraattorin vahvistusvirran suuruuden asettaminen tapahtuu automaattisella jännitesäätimellä siten, että generaattorin kiinnitysjännitteen arvo on vakio. Automaattinen jännitesäätö perustui alun perin mekaanisiin periaatteisiin, mutta nyt siitä on tullut elektroninen.
Viritysjärjestelmän kehittäminen synkronisessa generaattorissa, jossa on harjaton viritysjärjestelmä, koska harja voi aiheuttaa palohypyn suurella nopeudella. Harjojen irrottamiseen käytetään ankkuriin kiinnitettyjä pyöriviä diodeja. Kuvassa 2 on harjaton viritysjärjestelmä.
2. Harjaton viritysjärjestelmä
Harjojen tai liukurenkaiden käytöllä viritysvirran ohjaamiseksi generaattorin roottoriin on heikkous, koska puuhiilellä kulkevan virran määrä on suhteellisen pieni. Hiiliharjan rajoitusten poistamiseksi käytetään harjatonta viritysjärjestelmää.
Harjattoman herätysjärjestelmän etuja ovat:
- Herätykseen tarvittava energia saadaan pääakselista, joten luotettavuus on korkea
- Ylläpitokustannukset vähenevät, koska harjaton viritysjärjestelmä ei sisällä harjoja, kommutaattoreita ja liukurenkaita.
- Harjattomassa herätesysteemissä ei ole eristysvaurioita johtuen hiilipölyn kiinnittymisestä farssiin hiiliharjan takia.
- Vähentää huonosta ilmasta (huonosta ilmapiiristä) johtuvia vahinkoja (ongelmia), koska kaikki laitteet sijoitetaan suljettuun tilaan
- Käytön aikana harjaa ei tarvitse vaihtaa, mikä parantaa jatkuvan käytön luotettavuutta pitkään.
- Generaattorin katkaisijoita, kenttägeneraattoreita ja väyläherätteitä tai kaapeleita ei enää tarvita
- Perustuskustannukset pienenevät, koska lentolinjat ja väylän herätteet tai kaapelit eivät vaadi perustusta
Kuva 2. Harjaton viritysjärjestelmä
Kuvateksti:
MINU: Pääherätin
MG: Päägeneraattori
PE: Pilot Exciter
AVR: Automaattinen jännitteen säädin
V: Generaattorin jännite
AC: Vaihtovirta (vaihtovirta)
DC: Tasavirta
Kuva 3. Harjaton herätysjärjestelmä
Harjattoman herätysjärjestelmän toimintaperiaate
Ensimmäistä vahvistingeneraattoria kutsutaan ohjaushälyttimeksi ja toista vahvistavaa generaattoria kutsutaan pääherätteeksi. Pääherätin on vaihtovirtageneraattori, jonka navat ovat staattorissa. Roottori tuottaa vaihtovirtaa diodilla, joka pyörii pääherätysakselilla (yksi akseli päägeneraattorin kanssa). Diodin tuottama tasavirta pyörii päägeneraattorin vahvistavaksi virraksi. Vaihtovirta-generaattorin ohjainherätin roottorin kanssa pyörivän kestomagneettinavan muodossa indusoi staattorin käämityksen. Vaihtojännite tasataan diodin tasasuuntaajalla, ja se tuottaa tasavirran, joka syötetään pääherätinstaattorin magneettinapoihin. Pääherätinnapaan virtaavan tasavirran määrää säätelee automaattinen jännitesäädin (AVR).
Virran määrä vaikuttaa pää herätteen tuottaman virran määrään, joten pää herätevirran suuruus vaikuttaa myös päägeneraattorin tuottaman jännitteen määrään.
Harjattomissa herätesysteemeissä ongelmia syntyy oikosulun tai viallisen oikosulun sattuessa roottorissa ja jos jokin pyörivän diodin sulakkeista palaa, sen on kyettävä havaittu. Pyörivän roottorin häiriöt voivat aiheuttaa päägeneraattorin magneettikentän vääristymiä ja aiheuttaa voimakasta tärinää generaattorissa.