Епохата, в която живеем, може да се нарече епоха на електричеството. Работата на компютри, телевизори, автомобили, сателити, устройства за изкуствено осветление са само малка част от примерите, където се използва. Един от интересните и важни процеси за човек е електрическият разряд. Нека разгледаме по-отблизо какво представлява.
Кратка история на изследването на електричеството
Кога човекът се е запознал с електричеството? Трудно е да се отговори на този въпрос, тъй като е поставен по неправилен начин, защото най-поразителният природен феномен е мълнията, позната от незапомнени времена.
Смисловото изследване на електрическите процеси започва едва в края на първата половина на 18-ти век. Тук трябва да се отбележи сериозен принос към представите на човека за електричеството на Чарлз Кулон, който изучава силата на взаимодействие на заредените частици, Джордж Ом, който описва математически параметрите на тока в затворена верига, и Бенджамин Франклин, който проведе много експерименти, изучавайки естеството на гореспоменатитемълния. Освен тях голяма роля в развитието на физиката на електричеството изиграват учени като Луиджи Галвани (изучаването на нервните импулси, изобретяването на първата „батерия“) и Майкъл Фарадей (изучаване на тока в електролитите).
Постиженията на всички тези учени създадоха солидна основа за изучаване и разбиране на сложни електрически процеси, един от които е електрически разряд.
Какво е изхвърляне и какви условия са необходими за съществуването му?
Разрядът на електрически ток е физически процес, който се характеризира с наличието на поток от заредени частици между две пространствени области с различни потенциали в газова среда. Нека разбием това определение.
Първо, когато хората говорят за изхвърляне, те винаги имат предвид газ. Могат да се появят и разряди в течности и твърди тела (разрушаване на твърд кондензатор), но процесът на изучаване на това явление е по-лесен за разглеждане в среда с по-малко плътност. Освен това, изхвърлянията в газове са често наблюдавани и са от голямо значение за човешкия живот.
На второ място, както е посочено в дефиницията за електрически разряд, това се случва само когато са изпълнени две важни условия:
- когато има потенциална разлика (силност на електрическото поле);
- наличие на носители на заряд (свободни йони и електрони).
Потенциалната разлика осигурява насоченото движение на заряда. Ако надвишава определена прагова стойност, тогава несамоподдържащото се разреждане се превръща всамоиздържащ се или самоиздържащ се.
Що се отнася до безплатните носители на заряд, те винаги присъстват във всеки газ. Тяхната концентрация, разбира се, зависи от редица външни фактори и свойствата на самия газ, но самият факт на тяхното присъствие е безспорен. Това се дължи на съществуването на такива източници на йонизация на неутрални атоми и молекули като ултравиолетовите лъчи от Слънцето, космическата радиация и естествената радиация на нашата планета.
Връзката между потенциалната разлика и концентрацията на носителя определя естеството на разряда.
Видове електрически разряди
Нека изброим тези видове и след това ще характеризираме всеки един от тях по-подробно. Така че всички изхвърляния в газообразна среда обикновено се разделят на следните:
- тлеещ;
- искра;
- arc;
- корона.
Физически те се различават един от друг само по мощност (плътност на тока) и в резултат на това по температура, както и по естеството на проявата им във времето. Във всички случаи говорим за прехвърляне на положителен заряд (катиони) към катода (зона с нисък потенциал) и отрицателен заряд (аниони, електрони) към анода (зона с висок потенциал).
Glow Discharge
За съществуването му е необходимо да се създаде ниско налягане на газа (стотици и хиляди пъти по-ниско от атмосферното налягане). Светещ разряд се наблюдава в катодни тръби, които са пълни с някакъв вид газ (например Ne, Ar, Kr и други). Прилагането на напрежение към електродите на тръбата води до активиране на следния процес: наличен в газакатионите започват да се движат бързо, достигайки до катода, удрят го, предавайки импулс и избивайки електрони. Последното, при наличие на достатъчно кинетична енергия, може да доведе до йонизация на неутралните газови молекули. Описаният процес ще бъде самоподдържащ се само при достатъчна енергия на бомбардиращи катода катиони и определено количество от тях, което зависи от потенциалната разлика на електродите и налягането на газа в тръбата.
Светещ разряд свети. Излъчването на електромагнитни вълни се дължи на два паралелни процеса:
- рекомбинация на електрон-катионни двойки, придружена от освобождаване на енергия;
- преход на неутрални газови молекули (атоми) от възбудено състояние в основно състояние.
Типичните характеристики на този тип разряд са малки токове (няколко милиампера) и малки стационарни напрежения (100-400 V), но праговото напрежение е няколко хиляди волта, в зависимост от налягането на газа.
Примери за светещ разряд са флуоресцентни и неонови лампи. В природата този тип може да се припише на северното сияние (движението на йонните потоци в магнитното поле на Земята).
Искров разряд
Това е типичен атмосферен електрически разряд, който изглежда като мълния. За неговото съществуване е необходимо не само наличието на високо газово налягане (1 атм или повече), но и огромни напрежения. Въздухът е доста добър диелектрик (изолатор). Неговата пропускливост варира от 4 до 30 kV/cm, в зависимост отналичието на влага и твърди частици в него. Тези цифри показват, че минимум 4 000 000 волта трябва да бъдат приложени към всеки метър въздух, за да се получи пробив (искра)!
В природата такива състояния възникват в купести облаци, когато в резултат на триене между въздушните маси, въздушна конвекция и кристализация (кондензация) зарядите се преразпределят по такъв начин, че долните слоеве на облаците са заредени отрицателно, а горните слоеве положително. Потенциалната разлика постепенно се натрупва, когато нейната стойност започне да надвишава изолационните възможности на въздуха (няколко милиона волта на метър), тогава се появява мълния - електрически разряд, който продължава за част от секундата. Силата на тока в него достига 10-40 хиляди ампера, а температурата на плазмата в канала се повишава до 20 000 K.
Минималната енергия, която се отделя по време на процеса на мълния, може да се изчисли, ако вземем предвид следните данни: процесът се развива по време на t=110-6 s, I=10 000 A, U=109 B, тогава получаваме:
E=IUt=10 милиона J
Получената цифра е еквивалентна на енергията, освободена от експлозията на 250 кг динамит.
Дъгово разреждане
Освен искра, тя се появява, когато има достатъчно налягане в газа. Характеристиките му са почти напълно подобни на искрата, но има разлики:
- Първо, токовете достигат десет хиляди ампера, но напрежението в същото време е няколкостотин волта, което е свързано ссилно проводима среда;
- на второ място, дъговият разряд съществува стабилно във времето, за разлика от искрата.
Преходът към този тип разряд се извършва чрез постепенно увеличаване на напрежението. Разрядът се поддържа поради термионна емисия от катода. Ярък пример за това е заваръчната дъга.
Коронен разряд
Този тип електрически разряд в газове често се наблюдава от моряци, пътували до Новия свят, открит от Колумб. Наричаха синкавото сияние в краищата на мачтите „Светлините на Св. Елмо“.
Коронен разряд възниква около обекти, които имат много силно електрическо поле. Такива условия се създават в близост до остри предмети (мачти на кораби, сгради с двускатен покрив). Когато едно тяло има някакъв статичен заряд, тогава силата на полето в краищата му води до йонизация на околния въздух. Получените йони започват своя дрейф към източника на полето. Тези слаби токове, които предизвикват подобни процеси като при светещия разряд, водят до появата на сияние.
Опасност от изхвърляния за човешкото здраве
Корона и светещи разряди не представляват особена опасност за хората, тъй като се характеризират с ниски токове (милиампера). Другите две от горните изхвърляния са смъртоносни в случай на директен контакт с тях.
Ако човек наблюдава приближаването на мълния, тогава той трябва да изключи всички електрически уреди (включително мобилни телефони), както и да се позиционира така, че да не се откроява от околността по отношение нависочина.
