Den tid vi lever i kan kallas elektricitetens tidsålder. Driften av datorer, tv-apparater, bilar, satelliter, artificiell belysningsanordningar är bara en liten del av exemplen där det används. En av de intressanta och viktiga processerna för en person är en elektrisk urladdning. Låt oss ta en närmare titt på vad det är.
A Brief History of the Study of Electricity
När bekantade sig människan med elektricitet? Det är svårt att besvara denna fråga, eftersom den ställdes på ett felaktigt sätt, eftersom det mest slående naturfenomenet är blixten, känd sedan urminnes tider.
Det meningsfulla studiet av elektriska processer började först i slutet av första hälften av 1700-talet. Här bör det noteras ett allvarligt bidrag till människans idéer om elektricitet av Charles Coulomb, som studerade växelverkan mellan laddade partiklar, George Ohm, som matematiskt beskrev parametrarna för strömmen i en sluten krets, och Benjamin Franklin, som genomförde många experiment och studerade naturen hos ovannämndablixt. Utöver dem spelade forskare som Luigi Galvani (studiet av nervimpulser, uppfinningen av det första "batteriet") och Michael Faraday (studiet av ström i elektrolyter) en stor roll i utvecklingen av elektricitetens fysik.
Alla dessa forskares prestationer har skapat en solid grund för studier och förståelse av komplexa elektriska processer, varav en är en elektrisk urladdning.
Vad är en flytning och vilka villkor är nödvändiga för dess existens?
Urladdning av elektrisk ström är en fysisk process som kännetecknas av närvaron av ett flöde av laddade partiklar mellan två rumsliga regioner med olika potential i ett gasformigt medium. Låt oss bryta ner den här definitionen.
För det första, när folk pratar om urladdning menar de alltid gas. Utsläpp i vätskor och fasta ämnen kan också förekomma (nedbrytning av en fast kondensator), men processen att studera detta fenomen är lättare att överväga i ett mindre tätt medium. Dessutom är det utsläpp i gaser som ofta observeras och har stor betydelse för människors liv.
För det andra, som anges i definitionen av en elektrisk urladdning, inträffar det endast när två viktiga villkor är uppfyllda:
- när det finns en potentialskillnad (elektrisk fältstyrka);
- närvaro av laddningsbärare (fria joner och elektroner).
Potentialskillnaden säkerställer den riktade rörelsen av laddningen. Om det överskrider ett visst tröskelvärde, övergår den icke-självförsörjande urladdningen tillsjälvförsörjande eller självförsörjande.
När det gäller avgiftsbärare finns de alltid i vilken gas som helst. Deras koncentration beror naturligtvis på ett antal yttre faktorer och egenskaperna hos själva gasen, men själva faktumet av deras närvaro är obestridligt. Detta beror på förekomsten av sådana joniseringskällor av neutrala atomer och molekyler som ultravioletta strålar från solen, kosmisk strålning och vår planets naturliga strålning.
Släktskapet mellan potentialskillnaden och bärarkoncentrationen bestämmer arten av urladdningen.
Typer av elektriska urladdningar
Låt oss lista dessa arter, och sedan kommer vi att karakterisera var och en av dem mer i detalj. Så alla utsläpp i gasformiga medier delas vanligtvis in i följande:
- glödande;
- gnista;
- båge;
- crown.
Fysiskt skiljer de sig från varandra endast i kraft (strömtäthet) och, som ett resultat, i temperatur, såväl som i arten av deras manifestation i tiden. I alla fall talar vi om överföringen av en positiv laddning (katjoner) till katoden (lågpotentialarea) och en negativ laddning (anjoner, elektroner) till anoden (högpotentialzon).
Glow Discharge
För dess existens är det nödvändigt att skapa låga gastryck (hundratals och tusentals gånger lägre än atmosfärstrycket). En glödurladdning observeras i katodrör som är fyllda med någon slags gas (till exempel Ne, Ar, Kr och andra). Appliceringen av spänning på rörets elektroder leder till aktivering av följande process: tillgänglig i gasenkatjoner börjar röra sig snabbt, når katoden, de träffar den, överför momentum och slår ut elektroner. Det senare, i närvaro av tillräcklig kinetisk energi, kan leda till jonisering av neutrala gasmolekyler. Den beskrivna processen kommer att vara självförsörjande endast i fallet med tillräcklig energi hos katjonerna som bombarderar katoden och en viss mängd av dem, vilket beror på potentialskillnaden vid elektroderna och gastrycket i röret.
Glödurladdning lyser. Emissionen av elektromagnetiska vågor beror på två parallella processer:
- rekombination av elektron-katjonpar åtföljd av energifrisättning;
- övergång av neutrala gasmolekyler (atomer) från exciterat tillstånd till grundtillstånd.
Typiska egenskaper för denna typ av urladdning är små strömmar (några milliampere) och små stationära spänningar (100-400 V), men tröskelspänningen är flera tusen volt, beroende på gasens tryck.
Exempel på glödurladdning är lysrör och neonlampor. I naturen kan denna typ hänföras till norrskenet (jonernas rörelser i jordens magnetfält).
Gnisturladdning
Detta är en typisk atmosfärisk elektrisk urladdning som ser ut som en blixt. För dess existens krävs inte bara närvaron av höga gastryck (1 atm eller mer), utan också enorma påfrestningar. Luft är en ganska bra dielektrikum (isolator). Dess permeabilitet varierar från 4 till 30 kV/cm, beroende pånärvaron av fukt och fasta partiklar i den. Dessa siffror indikerar att minst 4 000 000 volt måste appliceras på varje meter luft för att ge ett haveri (gnista)!
I naturen uppstår sådana förhållanden i cumulusmoln, då laddningarna till följd av friktion mellan luftmassor, luftkonvektion och kristallisation (kondensation) omfördelas på ett sådant sätt att molnens nedre skikt är laddade negativt och de övre lagren positivt. Potentialskillnaden ackumuleras gradvis, när dess värde börjar överstiga luftens isoleringsförmåga (flera miljoner volt per meter), då uppstår blixtar - en elektrisk urladdning som varar i en bråkdel av en sekund. Strömstyrkan i den når 10-40 tusen ampere, och plasmatemperaturen i kanalen stiger till 20 000 K.
Minsta energi som frigörs under blixtprocessen kan beräknas om vi tar hänsyn till följande data: processen utvecklas under t=110-6 s, I=10 000 A, U=109 B, då får vi:
E=IUt=10 miljoner J
Den resulterande siffran motsvarar den energi som frigörs vid explosionen av 250 kg dynamit.
Arc Discharge
Förutom gnista uppstår det när det finns tillräckligt med tryck i gasen. Dess egenskaper liknar nästan helt gnistan, men det finns skillnader:
- För det första når strömmarna tio tusen ampere, men spänningen är samtidigt flera hundra volt, vilket är förknippat medstarkt ledande medium;
- för det andra existerar ljusbågsurladdningen stabilt i tiden, till skillnad från gnistan.
Övergången till denna typ av urladdning sker genom en gradvis ökning av spänningen. Urladdningen bibehålls på grund av termionisk emission från katoden. Ett slående exempel på detta är svetsbågen.
Corona-urladdning
Denna typ av elektrisk urladdning i gaser observerades ofta av sjömän som reste till den nya världen som upptäcktes av Columbus. De kallade det blåaktiga skenet i ändarna av masterna "S:t Elmos ljus."
En koronaurladdning uppstår runt föremål som har en mycket stark elektrisk fältstyrka. Sådana förhållanden skapas nära vassa föremål (master på fartyg, byggnader med sadeltak). När en kropp har någon statisk laddning leder fältstyrkan i dess ändar till jonisering av den omgivande luften. De resulterande jonerna börjar sin drift mot fältets källa. Dessa svaga strömmar, som orsakar liknande processer som i fallet med en glödurladdning, leder till uppkomsten av en glöd.
Risk för utsläpp för människors hälsa
Corona och glödurladdningar utgör ingen speciell fara för människor, eftersom de kännetecknas av låga strömmar (milliampere). De andra två av ovanstående utsläpp är dödliga vid direktkontakt med dem.
Om en person observerar när blixten närmar sig, då måste han stänga av alla elektriska apparater (inklusive mobiltelefoner), och även placera sig för att inte sticka ut från det omgivande området m.t.t.höjd.
