Vârsta în care trăim poate fi numită epoca electricității. Funcționarea computerelor, televizoarelor, automobile, sateliților, dispozitivelor de iluminat artificial sunt doar o mică parte din exemplele în care este utilizat. Unul dintre procesele interesante și importante pentru o persoană este o descărcare electrică. Să aruncăm o privire mai atentă la ce este.
O scurtă istorie a studiului electricității
Când s-a familiarizat omul cu electricitatea? Este dificil să răspunzi la această întrebare, deoarece a fost pusă într-un mod incorect, pentru că cel mai frapant fenomen natural este fulgerul, cunoscut din timpuri imemoriale.
Studiul semnificativ al proceselor electrice a început abia la sfârșitul primei jumătate a secolului al XVIII-lea. Aici trebuie remarcată o contribuție serioasă la ideile omului despre electricitate a lui Charles Coulomb, care a studiat forța de interacțiune a particulelor încărcate, George Ohm, care a descris matematic parametrii curentului într-un circuit închis și Benjamin Franklin, care a efectuat multe experimente, studiind natura celor menționate mai susfulger. Pe lângă aceștia, oameni de știință precum Luigi Galvani (studiul impulsurilor nervoase, inventarea primei „baterie”) și Michael Faraday (studiul curentului în electroliți) au jucat un rol important în dezvoltarea fizicii electricității.
Realizările tuturor acestor oameni de știință au creat o bază solidă pentru studiul și înțelegerea proceselor electrice complexe, dintre care unul este o descărcare electrică.
Ce este o descărcare și ce condiții sunt necesare pentru existența ei?
Descărcarea curentului electric este un proces fizic, care se caracterizează prin prezența unui flux de particule încărcate între două regiuni spațiale având potențiale diferite într-un mediu gazos. Să descompunem această definiție.
În primul rând, când oamenii vorbesc despre descărcare, se referă întotdeauna la gaz. Pot apărea și descărcări în lichide și solide (defalcarea unui condensator solid), dar procesul de studiere a acestui fenomen este mai ușor de luat în considerare într-un mediu mai puțin dens. Mai mult decât atât, evacuările în gaze sunt adesea observate și sunt de mare importanță pentru viața umană.
În al doilea rând, așa cum se menționează în definiția unei descărcări electrice, aceasta apare numai atunci când sunt îndeplinite două condiții importante:
- când există o diferență de potențial (intensitatea câmpului electric);
- prezența purtătorilor de sarcină (ioni și electroni liberi).
Diferența de potențial asigură mișcarea direcționată a sarcinii. Dacă depășește o anumită valoare de prag, atunci descărcarea ne-susținută se transformă înautoportant sau autoportant.
În ceea ce privește purtătorii de taxe gratuite, aceștia sunt întotdeauna prezenți în orice gaz. Concentrația lor depinde, desigur, de o serie de factori externi și de proprietățile gazului în sine, dar însuși faptul prezenței lor este incontestabil. Acest lucru se datorează existenței unor astfel de surse de ionizare a atomilor și moleculelor neutre precum razele ultraviolete de la Soare, radiațiile cosmice și radiațiile naturale ale planetei noastre.
Relația dintre diferența de potențial și concentrația purtătorului determină natura descărcării.
Tipuri de descărcări electrice
Să enumeram aceste specii, apoi le vom caracteriza pe fiecare dintre ele mai detaliat. Deci, toate evacuările în medii gazoase sunt de obicei împărțite în următoarele:
- foc;
- spark;
- arc;
- coroană.
Fizic, ele diferă între ele doar prin putere (densitatea curentului) și, ca urmare, prin temperatură, precum și prin natura manifestării lor în timp. În toate cazurile, vorbim despre transferul unei sarcini pozitive (cationi) la catod (zona cu potențial scăzut) și a unei sarcini negative (anioni, electroni) către anod (zona cu potențial ridicat).
Descărcare strălucitoare
Pentru existența sa, este necesar să se creeze presiuni scăzute ale gazelor (de sute și mii de ori mai mici decât presiunea atmosferică). Se observă o descărcare strălucitoare în tuburile catodice care sunt umplute cu un fel de gaz (de exemplu, Ne, Ar, Kr și altele). Aplicarea tensiunii la electrozii tubului duce la activarea următorului proces: disponibil în gazcationii încep să se miște rapid, ajungând la catod, îl lovesc, transferând impuls și eliminând electronii. Acesta din urmă, în prezența unei energii cinetice suficiente, poate duce la ionizarea moleculelor de gaz neutru. Procesul descris se va autosusține numai în cazul unei energii suficiente a cationilor care bombardează catodul și o anumită cantitate a acestora, care depinde de diferența de potențial la electrozi și de presiunea gazului din tub.
Descărcarea strălucitoare strălucește. Emisia de unde electromagnetice se datorează a două procese paralele:
- recombinarea perechilor electroni-cationi însoțită de eliberare de energie;
- tranziția moleculelor de gaz neutru (atomi) de la starea excitată la starea fundamentală.
Caracteristicile tipice ale acestui tip de descărcare sunt curenții mici (câțiva miliamperi) și tensiuni staționare mici (100-400 V), dar tensiunea de prag este de câteva mii de volți, în funcție de presiunea gazului.
Exemple de descărcare luminoasă sunt lămpile fluorescente și neon. În natură, acest tip poate fi atribuit luminilor boreale (mișcarea fluxurilor de ioni în câmpul magnetic al Pământului).
Descărcare cu scântei
Aceasta este o descărcare electrică tipică atmosferică care apare ca un fulger. Pentru existența sa, sunt necesare nu numai prezența unor presiuni mari de gaz (1 atm sau mai mult), ci și solicitări uriașe. Aerul este un dielectric (izolator) destul de bun. Permeabilitatea sa variază de la 4 la 30 kV/cm, în funcție deprezența umidității și a particulelor solide în ea. Aceste cifre indică faptul că trebuie aplicat un minim de 4.000.000 de volți pentru fiecare metru de aer pentru a produce o defecțiune (scânteie)!
În natură, astfel de condiții apar în norii cumuluși, când, ca urmare a frecării dintre masele de aer, a convecției aerului și a cristalizării (condensării), sarcinile sunt redistribuite în așa fel încât straturile inferioare ale norilor să fie încărcat negativ, iar straturile superioare pozitiv. Diferența de potențial se acumulează treptat, când valoarea sa începe să depășească capacitățile de izolare ale aerului (câteva milioane de volți pe metru), apoi apare fulgerul - o descărcare electrică care durează o fracțiune de secundă. Puterea curentă în acesta ajunge la 10-40 de mii de amperi, iar temperatura plasmei din canal crește la 20.000 K.
Energia minimă care este eliberată în timpul procesului de fulger poate fi calculată dacă luăm în considerare următoarele date: procesul se dezvoltă în timpul t=110-6 s, I=10 000 A, U=109 B, apoi obținem:
E=IUt=10 milioane J
Cifra rezultată este echivalentă cu energia eliberată de explozia a 250 kg de dinamită.
Descărcare arc
Pe lângă scânteie, aceasta apare atunci când există o presiune suficientă în gaz. Caracteristicile sale sunt aproape complet similare cu scânteia, dar există diferențe:
- În primul rând, curenții ajung la zece mii de amperi, dar tensiunea în același timp este de câteva sute de volți, ceea ce este asociat cumediu foarte conductiv;
- în al doilea rând, descărcarea arcului există stabil în timp, spre deosebire de scânteie.
Trecerea la acest tip de descărcare se realizează printr-o creștere treptată a tensiunii. Descărcarea se menține datorită emisiei termoionice din catod. Un exemplu izbitor în acest sens este arcul de sudare.
Descărcare corona
Acest tip de descărcare electrică în gaze a fost adesea observat de marinarii care au călătorit în Lumea Nouă descoperită de Columb. Ei au numit strălucirea albăstruie de la capetele catargelor „luminile Sfântului Elmo”.
O descărcare corona are loc în jurul obiectelor care au o intensitate foarte puternică a câmpului electric. Asemenea condiții sunt create în apropierea obiectelor ascuțite (catarge de nave, clădiri cu acoperișuri în două versante). Când un corp are o sarcină statică, atunci intensitatea câmpului de la capetele sale duce la ionizarea aerului înconjurător. Ionii rezultați își încep deriva spre sursa câmpului. Acești curenți slabi, care provoacă procese similare ca în cazul unei descărcări strălucitoare, duc la apariția unei străluciri.
Pericol de scurgeri pentru sănătatea umană
Descărcările corona și strălucitoare nu prezintă un pericol deosebit pentru oameni, deoarece sunt caracterizate de curenți scăzuti (miliamperi). Celel alte două deversări de mai sus sunt mortale în cazul contactului direct cu acestea.
Dacă o persoană observă apropierea fulgerului, atunci trebuie să oprească toate aparatele electrice (inclusiv telefoanele mobile) și, de asemenea, să se poziționeze astfel încât să nu iasă în evidență de zona înconjurătoare în ceea ce priveșteînălțime.
