Wiek, w którym żyjemy, można nazwać erą elektryczności. Działanie komputerów, telewizorów, samochodów, satelitów, urządzeń sztucznego oświetlenia to tylko niewielka część przykładów, w których jest używany. Jednym z interesujących i ważnych procesów dla człowieka jest wyładowanie elektryczne. Przyjrzyjmy się bliżej, co to jest.
Krótka historia badań nad elektrycznością
Kiedy człowiek zapoznał się z elektrycznością? Trudno odpowiedzieć na to pytanie, ponieważ zostało ono błędnie postawione, ponieważ najbardziej uderzającym zjawiskiem naturalnym jest znana od niepamiętnych czasów błyskawica.
Wymowne badanie procesów elektrycznych rozpoczęło się dopiero pod koniec pierwszej połowy XVIII wieku. W tym miejscu należy zauważyć poważny wkład w idee człowieka dotyczące elektryczności przez Charlesa Coulomba, który badał siłę oddziaływania naładowanych cząstek, George'a Ohma, który matematycznie opisał parametry prądu w obwodzie zamkniętym, oraz Benjamina Franklina, który przeprowadziła wiele eksperymentów, badając naturę wwBłyskawica. Oprócz nich dużą rolę w rozwoju fizyki elektryczności odegrali naukowcy, tacy jak Luigi Galvani (badanie impulsów nerwowych, wynalezienie pierwszej „baterii”) i Michael Faraday (badanie prądu w elektrolitach).
Osiągnięcia wszystkich tych naukowców stworzyły solidne podstawy do badania i zrozumienia złożonych procesów elektrycznych, z których jednym jest wyładowanie elektryczne.
Co to jest wyładowanie i jakie warunki są niezbędne do jego istnienia?
Wyładowanie prądu elektrycznego jest procesem fizycznym, który charakteryzuje się występowaniem przepływu naładowanych cząstek między dwoma obszarami przestrzennymi o różnych potencjałach w ośrodku gazowym. Rozłóżmy tę definicję.
Po pierwsze, kiedy ludzie mówią o wyładowaniu, zawsze mają na myśli gaz. Mogą również wystąpić wyładowania w cieczach i ciałach stałych (rozpad kondensatora stałego), ale proces badania tego zjawiska jest łatwiejszy do rozważenia w mniej gęstym medium. Co więcej, to właśnie wyładowania w gazach są często obserwowane i mają ogromne znaczenie dla ludzkiego życia.
Po drugie, zgodnie z definicją wyładowania elektrycznego, występuje ono tylko wtedy, gdy spełnione są dwa ważne warunki:
- gdy występuje różnica potencjałów (natężenie pola elektrycznego);
- obecność nośników ładunku (wolne jony i elektrony).
Różnica potencjałów zapewnia ukierunkowany ruch ładunku. Jeśli przekroczy określoną wartość progową, wówczas niesamodzielne wyładowanie zamienia się wsamonośne lub samonośne.
Jeśli chodzi o bezpłatne nośniki, są one zawsze obecne w każdym gazie. Ich stężenie oczywiście zależy od wielu czynników zewnętrznych i właściwości samego gazu, ale sam fakt ich obecności jest bezdyskusyjny. Wynika to z istnienia takich źródeł jonizacji neutralnych atomów i molekuł jak promienie ultrafioletowe ze Słońca, promieniowanie kosmiczne i naturalne promieniowanie naszej planety.
Zależność między różnicą potencjałów a stężeniem nośnika określa charakter wyładowania.
Rodzaje wyładowań elektrycznych
Wymieńmy te gatunki, a następnie scharakteryzujemy każdy z nich bardziej szczegółowo. Tak więc wszystkie wyładowania w mediach gazowych są zwykle podzielone na następujące:
- tlący się;
- iskra;
- arc;
- korona.
Fizycznie różnią się one od siebie jedynie mocą (gęstością prądu) iw rezultacie temperaturą, a także charakterem ich manifestacji w czasie. We wszystkich przypadkach mówimy o przeniesieniu ładunku dodatniego (kationów) na katodę (obszar niskiego potencjału) oraz ładunku ujemnego (aniony, elektrony) na anodę (strefa wysokiego potencjału).
Wyładowanie żarowe
Dla jego istnienia konieczne jest wytworzenie niskich ciśnień gazu (setki i tysiące razy niższych niż ciśnienie atmosferyczne). Wyładowanie jarzeniowe obserwuje się w rurach katodowych wypełnionych jakimś rodzajem gazu (na przykład Ne, Ar, Kr i innymi). Przyłożenie napięcia do elektrod rury prowadzi do aktywacji następującego procesu: dostępnego w gaziekationy zaczynają się szybko poruszać, docierając do katody, uderzają w nią, przenosząc pęd i wybijając elektrony. Ten ostatni, w obecności wystarczającej energii kinetycznej, może prowadzić do jonizacji cząsteczek gazu obojętnego. Opisany proces będzie samowystarczalny tylko w przypadku wystarczającej energii kationów bombardujących katodę i pewnej ich ilości, która zależy od różnicy potencjałów na elektrodach i ciśnienia gazu w rurze.
Wyładowanie żarowe świeci. Emisja fal elektromagnetycznych wynika z dwóch równoległych procesów:
- rekombinacja par elektron-kation wraz z uwolnieniem energii;
- przejście cząsteczek gazu obojętnego (atomów) ze stanu wzbudzonego do stanu podstawowego.
Typowe cechy tego typu wyładowań to małe prądy (kilka miliamperów) i małe napięcia stacjonarne (100-400 V), ale napięcie progowe wynosi kilka tysięcy woltów, w zależności od ciśnienia gazu.
Przykładami wyładowań jarzeniowych są świetlówki i neony. W naturze ten typ można przypisać zorzy polarnej (ruch jonów płynie w polu magnetycznym Ziemi).
Wyładowanie iskry
Jest to typowe atmosferyczne wyładowanie elektryczne, które objawia się jako błyskawica. Do jego istnienia niezbędna jest nie tylko obecność wysokich ciśnień gazu (1 atm lub więcej), ale także ogromne naprężenia. Powietrze jest dość dobrym dielektrykiem (izolatorem). Jego przepuszczalność waha się od 4 do 30 kV/cm, w zależności od:obecność w nim wilgoci i cząstek stałych. Liczby te wskazują, że co najmniej 4 000 000 woltów musi być przyłożone do każdego metra powietrza, aby spowodować przebicie (iskrę)!
W naturze takie warunki występują w chmurach cumulusowych, gdy w wyniku tarcia między masami powietrza, konwekcji powietrza i krystalizacji (kondensacji) ładunki są rozłożone w taki sposób, że dolne warstwy chmur są naładowane ujemnie, a górne warstwy dodatnio. Różnica potencjałów stopniowo się kumuluje, gdy jej wartość zaczyna przekraczać możliwości izolacyjne powietrza (kilka milionów woltów na metr), następuje piorun – wyładowanie elektryczne trwające ułamek sekundy. Obecna siła w nim osiąga 10-40 tysięcy amperów, a temperatura plazmy w kanale wzrasta do 20 000 K.
Minimalną energię uwalnianą podczas procesu wyładowania atmosferycznego można obliczyć, jeśli weźmiemy pod uwagę następujące dane: proces rozwija się w czasie t=110-6 s, I=10 000 A, U=109 B, wtedy otrzymujemy:
E=IUt=10 milionów J
Wynikowa liczba odpowiada energii uwolnionej przez eksplozję 250 kg dynamitu.
Wyładowanie łukowe
Oprócz iskry, pojawia się, gdy w gazie jest wystarczające ciśnienie. Jego właściwości są prawie całkowicie podobne do iskry, ale istnieją różnice:
- Po pierwsze, prądy osiągają dziesięć tysięcy amperów, ale napięcie w tym samym czasie wynosi kilkaset woltów, co jest związane zmedium wysoce przewodzące;
- Po drugie, wyładowanie łuku trwa stabilnie w czasie, w przeciwieństwie do iskry.
Przejście do tego typu rozładowania odbywa się poprzez stopniowy wzrost napięcia. Wyładowanie jest utrzymywane dzięki emisji termojonowej z katody. Uderzającym tego przykładem jest łuk spawalniczy.
Wyładowanie koronowe
Ten rodzaj wyładowania elektrycznego w gazach był często obserwowany przez marynarzy, którzy podróżowali do Nowego Świata odkrytego przez Kolumba. Niebieskawy blask na końcach masztów nazwali „światłem św. Elma”.
Wyładowania koronowe występują wokół obiektów, które mają bardzo silne pole elektryczne. Takie warunki powstają w pobliżu ostrych obiektów (masztów statków, budynków z dachami dwuspadowymi). Kiedy ciało ma pewien ładunek statyczny, siła pola na jego końcach prowadzi do jonizacji otaczającego powietrza. Powstałe jony zaczynają dryfować w kierunku źródła pola. Te słabe prądy, które powodują podobne procesy jak w przypadku wyładowania jarzeniowego, prowadzą do pojawienia się poświaty.
Niebezpieczeństwo zrzutów dla zdrowia ludzkiego
Wyładowania koronowe i jarzeniowe nie stanowią szczególnego zagrożenia dla ludzi, ponieważ charakteryzują się niskim prądem (miliamperów). Pozostałe dwa z powyższych wyładowań są śmiertelne w przypadku bezpośredniego kontaktu z nimi.
Jeśli osoba obserwuje zbliżanie się pioruna, musi wyłączyć wszystkie urządzenia elektryczne (w tym telefony komórkowe), a także ustawić się tak, aby nie wyróżniać się z otoczenia pod względemwzrost.
