Dobo, v kateri živimo, lahko imenujemo doba elektrike. Delovanje računalnikov, televizorjev, avtomobilov, satelitov, naprav za umetno razsvetljavo je le majhen del primerov, kjer se uporablja. Eden od zanimivih in pomembnih procesov za človeka je električni razelektritev. Poglejmo si podrobneje, kaj je.
Kratka zgodovina študija elektrike
Kdaj se je človek seznanil z elektriko? Na to vprašanje je težko odgovoriti, ker je bilo postavljeno napačno, saj je najbolj presenetljiv naravni pojav strela, znana že od nekdaj.
Smiselno preučevanje električnih procesov se je začelo šele ob koncu prve polovice 18. stoletja. Tu je treba omeniti resen prispevek k zamislim človeka o elektriki Charlesa Coulomba, ki je preučeval silo interakcije nabitih delcev, Georgea Ohma, ki je matematično opisal parametre toka v zaprtem krogu, in Benjamina Franklina, ki je izvedel številne poskuse, preučeval naravo zgoraj omenjenegastrela. Poleg njih so veliko vlogo pri razvoju fizike elektrike odigrali znanstveniki, kot sta Luigi Galvani (preučevanje živčnih impulzov, izum prve "baterije") in Michael Faraday (preučevanje toka v elektrolitih).
Dosežki vseh teh znanstvenikov so ustvarili trdne temelje za preučevanje in razumevanje kompleksnih električnih procesov, med katerimi je tudi električna razelektritev.
Kaj je izpust in kateri pogoji so potrebni za njegov obstoj?
Razelektritev električnega toka je fizikalni proces, za katerega je značilna prisotnost toka nabitih delcev med dvema prostorskima območjema z različnimi potenciali v plinastem mediju. Razčlenimo to definicijo.
Prvič, ko ljudje govorijo o izpustu, vedno mislijo na plin. Pojavijo se lahko tudi razelektritve v tekočinah in trdnih snoveh (razpad trdnega kondenzatorja), vendar je proces preučevanja tega pojava lažje upoštevati v manj gostem mediju. Poleg tega so pogosto opaženi izpusti v plinih, ki so zelo pomembni za človeško življenje.
Drugič, kot je navedeno v definiciji električnega razelektritve, se pojavi le, če sta izpolnjena dva pomembna pogoja:
- ko obstaja potencialna razlika (moč električnega polja);
- prisotnost nosilcev naboja (prosti ioni in elektroni).
Potencialna razlika zagotavlja usmerjeno gibanje naboja. Če preseže določeno mejno vrednost, se nesamostojni izpust spremeni vsamonosno ali samonosno.
Kar zadeva brezplačne nosilce, so vedno prisotni v katerem koli plinu. Njihova koncentracija je seveda odvisna od številnih zunanjih dejavnikov in lastnosti samega plina, vendar je samo dejstvo njihove prisotnosti nesporno. To je posledica obstoja takšnih virov ionizacije nevtralnih atomov in molekul, kot so sončni ultravijolični žarki, kozmično sevanje in naravno sevanje našega planeta.
Razmerje med potencialno razliko in koncentracijo nosilca določa naravo izpusta.
Vrste električnih razelektritev
Naštejmo te vrste, nato pa bomo vsako od njih podrobneje opisali. Torej so vsi izpusti v plinastih medijih običajno razdeljeni na naslednje:
- tli;
- iskrica;
- arc;
- krona.
Fizično se med seboj razlikujejo le po moči (gostoti toka) in posledično po temperaturi, pa tudi po naravi njihove manifestacije v času. V vseh primerih govorimo o prenosu pozitivnega naboja (kationi) na katodo (območje nizkega potenciala) in negativnega naboja (anioni, elektroni) na anodo (območje z visokim potencialom).
Glow Discharge
Za njegov obstoj je potrebno ustvariti nizke tlake plina (stotine in tisočkrat nižji od atmosferskega). V katodnih ceveh, ki so napolnjene z nekakšnim plinom (na primer Ne, Ar, Kr in drugi), opazimo sijočo razelektritev. Uporaba napetosti na elektrodah cevi vodi do aktiviranja naslednjega procesa: na voljo v plinukationi se začnejo hitro premikati, dosežejo katodo, udarijo vanjo, prenašajo zagon in izbijajo elektrone. Slednje lahko v prisotnosti zadostne kinetične energije povzroči ionizacijo molekul nevtralnega plina. Opisani proces bo samovzdržen le v primeru zadostne energije kationov, ki bombardirajo katodo, in določene količine le-teh, ki je odvisna od potencialne razlike na elektrodah in tlaka plina v cevi.
Sajalni razelektritev sveti. Emisija elektromagnetnih valov je posledica dveh vzporednih procesov:
- rekombinacija elektron-kationskih parov, ki jo spremlja sproščanje energije;
- prehod nevtralnih plinskih molekul (atomov) iz vzbujenega v osnovno stanje.
Tipične značilnosti te vrste praznjenja so majhni tokovi (nekaj miliamperov) in majhne stacionarne napetosti (100-400 V), vendar je mejna napetost nekaj tisoč voltov, odvisno od tlaka plina.
Primeri sijalnega razelektritve so fluorescenčne in neonske sijalke. V naravi lahko to vrsto pripišemo severnemu siju (gibanje ionskih tokov v zemeljskem magnetnem polju).
iskerni izpust
To je tipična atmosferska električna razelektritev, ki je videti kot strela. Za njegov obstoj ni potrebna le prisotnost visokih plinskih tlakov (1 atm ali več), temveč tudi velike napetosti. Zrak je dokaj dober dielektrik (izolator). Njegova prepustnost se giblje od 4 do 30 kV/cm, odvisno odprisotnost vlage in trdnih delcev v njej. Te številke kažejo, da je treba na vsak meter zraka uporabiti najmanj 4.000.000 voltov, da pride do okvare (iskre)!
V naravi se takšne razmere pojavljajo v kumulusnih oblakih, ko se zaradi trenja med zračnimi masami, zračne konvekcije in kristalizacije (kondenzacije) naboji prerazporedijo tako, da se spodnje plasti oblakov prerazporedijo. nabiti negativno, zgornje plasti pa pozitivno. Potencialna razlika se postopoma kopiči, ko njena vrednost začne presegati izolacijske zmogljivosti zraka (nekaj milijonov voltov na meter), se pojavi strela - električna razelektritev, ki traja delček sekunde. Trenutna moč v njem doseže 10-40 tisoč amperov, temperatura plazme v kanalu pa se dvigne na 20.000 K.
Minimalno energijo, ki se sprosti med procesom strele, lahko izračunamo, če upoštevamo naslednje podatke: proces se razvije v času t=110-6 s, I=10 000 A, U=109 B, potem dobimo:
E=IUt=10 milijonov J
Nastala številka je enaka energiji, ki se sprosti pri eksploziji 250 kg dinamita.
obločni izpust
Tako kot iskra se pojavi, ko je v plinu zadosten tlak. Njegove lastnosti so skoraj popolnoma podobne iskri, vendar obstajajo razlike:
- Prvič, tokovi dosežejo deset tisoč amperov, napetost pa je hkrati nekaj sto voltov, kar je povezano zvisoko prevoden medij;
- drugič, obločno razelektritev obstaja stabilno v času, za razliko od iskre.
Prehod na to vrsto praznjenja se izvede s postopnim povečevanjem napetosti. Razelektritev se vzdržuje zaradi termoionske emisije iz katode. Osupljiv primer tega je varilni lok.
Corona discharge
To vrsto električnega razelektritve v plinih so pogosto opazili mornarji, ki so potovali v Novi svet, ki ga je odkril Kolumb. Modrikast sijaj na koncih jamborov so poimenovali "luči sv. Elma."
Koronska razelektritev se pojavi okoli predmetov, ki imajo zelo močno jakost električnega polja. Takšni pogoji so ustvarjeni v bližini ostrih predmetov (jambori ladij, zgradbe z dvokapnimi strehami). Ko ima telo nekaj statičnega naboja, potem jakost polja na njegovih koncih vodi do ionizacije okoliškega zraka. Nastali ioni se začnejo premikati proti izvoru polja. Ti šibki tokovi, ki povzročajo podobne procese kot v primeru žarečega razelektritve, vodijo do pojava sijanja.
Nevarnost izpustov za zdravje ljudi
Korona in žareče razelektritve ne predstavljajo posebne nevarnosti za ljudi, saj so zanje značilni nizki tokovi (miliamperi). Druga dva od zgornjih izpustov sta smrtonosna v primeru neposrednega stika z njimi.
Če oseba opazi približevanje strele, mora izklopiti vse električne naprave (vključno z mobilnimi telefoni) in se tudi postaviti tako, da ne izstopa iz okolice v smisluvišina.
