Hoe werkt de elektronvolt en hoe ontstaan vonken in gassen?

De elektronvolt (eV) is een eenheid van energie die veel wordt gebruikt in de deeltjesfysica en atoomfysica, omdat de energieën op dit niveau erg klein zijn in Joule (J). Eén elektronvolt is de hoeveelheid kinetische energie die een enkel elektron (met elementaire lading $e$) verkrijgt wanneer het versneld wordt door een spanningsverschil van 1 Volt.

De elementaire lading $e$ is ongeveer $1.602 \times 10^{-19}$ Coulomb. Met de formule $\Delta E = Q \times U$ (waarbij $\Delta E$ de energie is, $Q$ de lading en $U$ de spanning), geldt: $1 \text{ eV} = (1.602 \times 10^{-19} \text{ C}) \times (1 \text{ V})$ $1 \text{ eV} = 1.602 \times 10^{-19} \text{ J}$

Deze omrekenfactor is essentieel om energieën tussen Joule en elektronvolt om te rekenen. Veelgebruikte veelvouden zijn keV ($10^3$ eV), MeV ($10^6$ eV) en GeV ($10^9$ eV).

Vonken in gassen ontstaan door een kortstondige elektrische ontlading, ook wel diëlektrische doorslag genoemd. Dit gebeurt wanneer de elektrische spanning tussen twee punten zo groot wordt dat het gas ertussen plotseling geleidend wordt. Dit proces werkt als volgt:

1. Hoge spanning en sterk elektrisch veld: Wanneer een voldoende hoge spanning wordt aangelegd tussen twee geleiders, ontstaat er een sterk elektrisch veld tussen deze geleiders.
2. Ionisatie door botsing: Gassen bevatten altijd een klein aantal vrije elektronen en ionen. Als het elektrische veld sterk genoeg is, krijgen deze vrije elektronen zoveel energie dat ze bij botsingen met neutrale gasmoleculen elektronen uit die moleculen kunnen 'slaan'. Dit proces heet ionisatie door botsing.
3. Lawine-ionisatie: De nieuw ontstane vrije elektronen en positieve ionen worden op hun beurt versneld door het elektrische veld en veroorzaken weer nieuwe botsingen. Dit leidt tot een kettingreactie, een zogenaamde lawine-ionisatie, waardoor het gas plotseling geleidend wordt.
4. Diëlektrische veldsterkte: De kritische veldsterkte waarbij dit gebeurt, heet de diëlektrische veldsterkte van het gas. Voor droge lucht bij normale druk is dit ongeveer $3 \times 10^6 \text{ V/m}$ (3 miljoen Volt per meter).
5. Factoren die vonken beïnvloeden:
   • Afstand tussen geleiders: Een kleinere afstand tussen geleiders versterkt het elektrische veld voor een gegeven spanning ($E = U/d$), waardoor doorslag eerder optreedt.
   • Vorm van geleiders (puntontlading): Bij scherpe punten of randen concentreert het elektrische veld zich sterk, wat ionisatie lokaal vergemakkelijkt en vaak leidt tot een vonk die bij zo'n punt begint.
   • Druk en samenstelling van het gas: Bij lagere druk kunnen elektronen langere afstanden afleggen en meer energie opbouwen voor botsingen, wat ionisatie makkelijker maakt. Verschillende gassen hebben ook verschillende diëlektrische veldsterktes.

Samenvattend ontstaat een vonk wanneer het elektrische veld in het gas zo sterk wordt dat het gas ioniseert en geleidend wordt, wat resulteert in een plotselinge stroomdoorgang.