Tiden vi lever i kan kalles elektrisitetens tidsalder. Driften av datamaskiner, TV-er, biler, satellitter, kunstig belysningsenheter er bare en liten del av eksemplene der det brukes. En av de interessante og viktige prosessene for en person er en elektrisk utladning. La oss se nærmere på hva det er.
A Brief History of the Study of Electricity
Når ble mennesket kjent med elektrisitet? Det er vanskelig å svare på dette spørsmålet, fordi det ble formulert på en feil måte, fordi det mest slående naturfenomenet er lyn, kjent i uminnelige tider.
Det meningsfulle studiet av elektriske prosesser begynte først på slutten av første halvdel av 1700-tallet. Her bør det bemerkes et seriøst bidrag til menneskets ideer om elektrisitet av Charles Coulomb, som studerte kraften i samspillet mellom ladede partikler, George Ohm, som matematisk beskrev parametrene til strømmen i en lukket krets, og Benjamin Franklin, som utført mange eksperimenter, og studerte naturen til de ovennevntelyn. I tillegg til dem spilte forskere som Luigi Galvani (studiet av nerveimpulser, oppfinnelsen av det første "batteriet") og Michael Faraday (studiet av strøm i elektrolytter) en stor rolle i utviklingen av elektrisitetsfysikken.
Prestasjonene til alle disse forskerne har skapt et solid grunnlag for studier og forståelse av komplekse elektriske prosesser, hvorav en er en elektrisk utladning.
Hva er en utslipp og hvilke betingelser er nødvendige for at den eksisterer?
Utladning av elektrisk strøm er en fysisk prosess, som er karakterisert ved tilstedeværelsen av en strøm av ladede partikler mellom to romlige områder med forskjellige potensialer i et gassformig medium. La oss bryte ned denne definisjonen.
For det første, når folk snakker om utslipp, mener de alltid gass. Utladninger i væsker og faste stoffer kan også forekomme (nedbrytning av en fast kondensator), men prosessen med å studere dette fenomenet er lettere å vurdere i et mindre tett medium. Dessuten er det utslippene i gasser som ofte observeres og har stor betydning for menneskers liv.
For det andre, som angitt i definisjonen av en elektrisk utladning, skjer det bare når to viktige betingelser er oppfylt:
- når det er en potensiell forskjell (elektrisk feltstyrke);
- tilstedeværelse av ladningsbærere (frie ioner og elektroner).
Potensialforskjellen sikrer den rettede bevegelsen av ladningen. Hvis den overskrider en viss terskelverdi, blir den ikke-selvopprettholdte utslippet tilselvforsørgende eller selvforsørgende.
Når det gjelder gratis fraktbærere, er de alltid til stede i enhver gass. Konsentrasjonen deres avhenger selvfølgelig av en rekke eksterne faktorer og egenskapene til selve gassen, men selve faktumet av deres tilstedeværelse er udiskutabelt. Dette skyldes eksistensen av slike kilder til ionisering av nøytrale atomer og molekyler som ultrafiolette stråler fra solen, kosmisk stråling og den naturlige strålingen fra planeten vår.
Forholdet mellom potensialforskjellen og bærerkonsentrasjonen bestemmer utslippets art.
Typer elektriske utladninger
La oss liste disse artene, og så vil vi karakterisere hver av dem mer detaljert. Så alle utslipp i gassformige medier er vanligvis delt inn i følgende:
- ulme;
- gnist;
- arc;
- crown.
Fysisk skiller de seg bare fra hverandre i kraft (strømtetthet) og, som et resultat, i temperatur, så vel som i arten av deres manifestasjon i tid. I alle tilfeller snakker vi om overføring av en positiv ladning (kationer) til katoden (lavpotensialområdet) og en negativ ladning (anioner, elektroner) til anoden (høypotensialsonen).
Glow Discharge
For dens eksistens er det nødvendig å skape lave gasstrykk (hundrevis og tusenvis av ganger mindre enn atmosfærisk trykk). En glødeutladning observeres i katoderør som er fylt med en slags gass (for eksempel Ne, Ar, Kr og andre). Påføring av spenning til elektrodene til røret fører til aktivering av følgende prosess: tilgjengelig i gassenkationer begynner å bevege seg raskt, når katoden, de treffer den, overfører momentum og slår ut elektroner. Sistnevnte, i nærvær av tilstrekkelig kinetisk energi, kan føre til ionisering av nøytrale gassmolekyler. Den beskrevne prosessen vil være selvopprettholdende bare i tilfelle av tilstrekkelig energi av kationene som bombarderer katoden og en viss mengde av dem, som avhenger av potensialforskjellen ved elektrodene og gasstrykket i røret.
Glødeutslipp gløder. Emisjonen av elektromagnetiske bølger skyldes to parallelle prosesser:
- rekombinasjon av elektron-kation-par ledsaget av energifrigjøring;
- overgang av nøytrale gassmolekyler (atomer) fra eksitert tilstand til grunntilstand.
Typiske kjennetegn ved denne typen utladninger er små strømmer (noen milliampere) og små stasjonære spenninger (100-400 V), men terskelspenningen er flere tusen volt, avhengig av trykket på gassen.
Eksempler på glødeutladning er lysrør og neonlamper. I naturen kan denne typen tilskrives nordlyset (bevegelsen av ionstrømmer i jordens magnetfelt).
gnistutslipp
Dette er en typisk atmosfærisk elektrisk utladning som fremstår som lyn. For dens eksistens er ikke bare tilstedeværelsen av høye gasstrykk (1 atm eller mer), men også store påkjenninger nødvendig. Luft er en ganske god dielektrikum (isolator). Dens permeabilitet varierer fra 4 til 30 kV/cm, avhengig avtilstedeværelsen av fuktighet og faste partikler i den. Disse tallene indikerer at minimum 4 000 000 volt må tilføres hver meter luft for å produsere et sammenbrudd (gnist)!
I naturen oppstår slike forhold i cumulusskyer, når ladningene som følge av friksjon mellom luftmasser, luftkonveksjon og krystallisering (kondensering) omfordeles på en slik måte at de nedre lagene av skyene blir ladet negativt, og de øvre lagene positivt. Potensialforskjellen akkumuleres gradvis, når verdien begynner å overskride isolasjonsevnen til luft (flere millioner volt per meter), så oppstår lynet - en elektrisk utladning som varer i en brøkdel av et sekund. Strømstyrken i den når 10-40 tusen ampere, og plasmatemperaturen i kanalen stiger til 20 000 K.
Minste energi som frigjøres under lynprosessen kan beregnes hvis vi tar hensyn til følgende data: prosessen utvikler seg i løpet av t=110-6 s, I=10 000 A, U=109 B, da får vi:
E=IUt=10 millioner J
Det resulterende tallet tilsvarer energien som frigjøres ved eksplosjonen av 250 kg dynamitt.
Arc Discharge
I tillegg til gnist oppstår det når det er tilstrekkelig trykk i gassen. Dens egenskaper er nesten helt lik gnisten, men det er forskjeller:
- For det første når strømmene ti tusen ampere, men spenningen er samtidig flere hundre volt, som er knyttet tilsterkt ledende medium;
- for det andre eksisterer bueutladningen stabilt i tid, i motsetning til gnisten.
Overgangen til denne typen utladning skjer ved en gradvis økning i spenningen. Utladningen opprettholdes på grunn av termionisk emisjon fra katoden. Et slående eksempel på dette er sveisebuen.
Corona-utslipp
Denne typen elektrisk utladning i gasser ble ofte observert av sjømenn som reiste til den nye verden oppdaget av Columbus. De k alte den blåaktige gløden i endene av mastene "St. Elmo's lights."
En koronautladning oppstår rundt gjenstander som har en veldig sterk elektrisk feltstyrke. Slike forhold skapes nær skarpe gjenstander (master på skip, bygninger med gavltak). Når et legeme har en viss statisk ladning, fører feltstyrken i endene til ionisering av luften rundt. De resulterende ionene begynner å drive mot kilden til feltet. Disse svake strømmene, som forårsaker lignende prosesser som ved en glødeutladning, fører til at det ser ut til en glød.
Fare for utslipp for menneskers helse
Korona- og glødeutladninger utgjør ingen spesiell fare for mennesker, siden de er preget av lave strømmer (milliampere). De to andre av utslippene ovenfor er dødelige ved direkte kontakt med dem.
Hvis en person observerer at lynet nærmer seg, så må han slå av alle elektriske apparater (inkludert mobiltelefoner), og også posisjonere seg for ikke å skille seg ut fra området rundt mht.høyde.
