Den tidsalder, vi lever i, kan kaldes elektricitetens tidsalder. Driften af computere, fjernsyn, biler, satellitter, kunstige belysningsanordninger er blot en lille del af de eksempler, hvor det bruges. En af de interessante og vigtige processer for en person er en elektrisk udladning. Lad os se nærmere på, hvad det er.
A Brief History of the Study of Electricity
Hvornår stiftede mennesket bekendtskab med elektricitet? Det er svært at besvare dette spørgsmål, fordi det blev formuleret på en forkert måde, fordi det mest iøjnefaldende naturfænomen er lyn, kendt fra umindelige tider.
Det meningsfulde studie af elektriske processer begyndte først i slutningen af første halvdel af det 18. århundrede. Her skal det bemærkes et seriøst bidrag til menneskets ideer om elektricitet af Charles Coulomb, der studerede vekselvirkningskraften mellem ladede partikler, George Ohm, der matematisk beskrev strømmens parametre i et lukket kredsløb, og Benjamin Franklin, der udførte mange eksperimenter, studerede arten af de ovennævntelyn. Ud over dem spillede forskere som Luigi Galvani (studiet af nerveimpulser, opfindelsen af det første "batteri") og Michael Faraday (studiet af strøm i elektrolytter) en stor rolle i udviklingen af elektricitetens fysik.
Alle disse videnskabsmænds resultater har skabt et solidt grundlag for undersøgelsen og forståelsen af komplekse elektriske processer, hvoraf den ene er en elektrisk udladning.
Hvad er en udledning, og hvilke betingelser er nødvendige for dens eksistens?
Afladning af elektrisk strøm er en fysisk proces, som er karakteriseret ved tilstedeværelsen af en strøm af ladede partikler mellem to rumlige områder med forskellige potentialer i et gasformigt medium. Lad os nedbryde denne definition.
For det første, når folk taler om udledning, mener de altid gas. Udledninger i væsker og faste stoffer kan også forekomme (nedbrydning af en fast kondensator), men processen med at studere dette fænomen er lettere at overveje i et mindre tæt medium. Desuden er det udledninger i gasser, der ofte observeres og har stor betydning for menneskers liv.
For det andet, som angivet i definitionen af en elektrisk udladning, sker det kun, når to vigtige betingelser er opfyldt:
- når der er en potentiel forskel (elektrisk feltstyrke);
- tilstedeværelse af ladningsbærere (frie ioner og elektroner).
Den potentialeforskel sikrer den rettede bevægelse af ladningen. Hvis den overskrider en vis tærskelværdi, bliver den ikke-selv-vedvarende udledning tilselvforsørgende eller selvforsørgende.
Hvad angår gratis afgiftsselskaber, er de altid til stede i enhver gas. Deres koncentration afhænger selvfølgelig af en række eksterne faktorer og egenskaberne af selve gassen, men selve kendsgerningen af deres tilstedeværelse er indiskutabel. Dette skyldes eksistensen af sådanne kilder til ionisering af neutrale atomer og molekyler som ultraviolette stråler fra Solen, kosmisk stråling og vores planets naturlige stråling.
Forholdet mellem potentialforskellen og bærerkoncentrationen bestemmer arten af udledningen.
Typer af elektriske udladninger
Lad os liste disse arter, og så vil vi karakterisere hver af dem mere detaljeret. Så alle udledninger i gasformige medier er norm alt opdelt i følgende:
- ulmer;
- gnist;
- arc;
- krone.
Fysisk adskiller de sig kun fra hinanden i kraft (strømtæthed) og, som et resultat, i temperatur, såvel som i arten af deres manifestation i tid. I alle tilfælde taler vi om overførsel af en positiv ladning (kationer) til katoden (område med lavt potentiale) og en negativ ladning (anioner, elektroner) til anoden (zonen med høj potentiale).
Glødeudladning
For dets eksistens er det nødvendigt at skabe lave gastryk (hundrede og tusinder af gange mindre end atmosfærisk tryk). En glødeudladning observeres i katoderør, der er fyldt med en slags gas (for eksempel Ne, Ar, Kr og andre). Påføring af spænding til rørets elektroder fører til aktivering af følgende proces: tilgængelig i gassenkationer begynder at bevæge sig hurtigt, når katoden, de rammer den, overfører momentum og slår elektroner ud. Sidstnævnte kan i nærvær af tilstrækkelig kinetisk energi føre til ionisering af neutrale gasmolekyler. Den beskrevne proces vil kun være selvbærende i tilfælde af tilstrækkelig energi af kationer, der bombarderer katoden og en vis mængde af dem, hvilket afhænger af potentialforskellen ved elektroderne og gastrykket i røret.
Glødeudladning gløder. Emissionen af elektromagnetiske bølger skyldes to parallelle processer:
- rekombination af elektron-kation-par ledsaget af energifrigivelse;
- overgang af neutrale gasmolekyler (atomer) fra den exciterede tilstand til grundtilstanden.
Typiske karakteristika for denne type udladning er små strømme (et par milliampere) og små stationære spændinger (100-400 V), men tærskelspændingen er flere tusinde volt, afhængigt af gastrykket.
Eksempler på glødeudladning er fluorescerende og neonlamper. I naturen kan denne type tilskrives nordlyset (ionstrømme i Jordens magnetfelt).
Gnistudladning
Dette er en typisk atmosfærisk elektrisk udladning, der fremstår som lyn. For dets eksistens er ikke kun tilstedeværelsen af høje gastryk (1 atm eller mere), men også store belastninger nødvendige. Luft er et ret godt dielektrikum (isolator). Dens permeabilitet varierer fra 4 til 30 kV/cm, afhængigt aftilstedeværelsen af fugt og faste partikler i det. Disse tal indikerer, at der skal tilføres mindst 4.000.000 volt til hver meter luft for at frembringe et sammenbrud (gnist)!
I naturen opstår sådanne forhold i cumulus-skyer, når ladningerne som følge af friktion mellem luftmasser, luftkonvektion og krystallisation (kondensation) omfordeles på en sådan måde, at de nederste lag af skyerne er ladet negativt, og de øverste lag positivt. Den potentielle forskel akkumuleres gradvist, når dens værdi begynder at overstige luftens isoleringsevne (flere millioner volt pr. meter), så opstår lynet - en elektrisk udladning, der varer i en brøkdel af et sekund. Strømstyrken i den når 10-40 tusinde ampere, og plasmatemperaturen i kanalen stiger til 20.000 K.
Den minimale energi, der frigives under lynprocessen, kan beregnes, hvis vi tager følgende data i betragtning: processen udvikler sig i løbet af t=110-6 s, I=10 000 A, U=109 B, så får vi:
E=IUt=10 millioner J
Det resulterende tal svarer til den energi, der frigives ved eksplosionen af 250 kg dynamit.
bueudladning
Uden gnist opstår det, når der er tilstrækkeligt tryk i gassen. Dens egenskaber ligner næsten fuldstændig gnisten, men der er forskelle:
- For det første når strømmene ti tusinde ampere, men spændingen er samtidig flere hundrede volt, hvilket er forbundet medstærkt ledende medium;
- for det andet eksisterer bueudladningen stabilt i tid, i modsætning til gnisten.
Overgangen til denne type afladning udføres ved en gradvis stigning i spændingen. Udledningen opretholdes på grund af termionisk emission fra katoden. Et slående eksempel på dette er svejsebuen.
Corona-udledning
Denne type elektrisk udladning i gasser blev ofte observeret af sømænd, der rejste til den nye verden opdaget af Columbus. De kaldte det blålige skær i enderne af masterne "St. Elmo's lights."
Der opstår en koronaudladning omkring genstande, der har en meget stærk elektrisk feltstyrke. Sådanne forhold skabes i nærheden af skarpe genstande (master på skibe, bygninger med gavltag). Når et legeme har en eller anden statisk ladning, så fører feltstyrken i dets ender til ionisering af den omgivende luft. De resulterende ioner begynder deres drift mod kilden til feltet. Disse svage strømme, der forårsager lignende processer som i tilfælde af en glødeudladning, fører til udseendet af en glød.
Fare for udledninger for menneskers sundhed
Corona- og glødeudladninger udgør ikke nogen særlig fare for mennesker, da de er karakteriseret ved lave strømme (milliampere). De to andre af ovenstående udledninger er dødelige i tilfælde af direkte kontakt med dem.
Hvis en person observerer, at lynet nærmer sig, så skal han slukke for alle elektriske apparater (inklusive mobiltelefoner), og også placere sig for ikke at skille sig ud fra det omkringliggende område m.h.t.højde.
