Az a kor, amelyben élünk, az elektromosság korának nevezhető. Számítógépek, televíziók, autók, műholdak, mesterséges világítóberendezések működése csak egy kis része a példáknak, ahol használják. Az egyik érdekes és fontos folyamat az ember számára az elektromos kisülés. Nézzük meg közelebbről, mi ez.
Az elektromosság tanulmányozásának rövid története
Mikor ismerkedett meg az ember az elektromossággal? Nehéz erre a kérdésre válaszolni, mert rosszul fogalmazták meg, mert a legszembetűnőbb természeti jelenség az ősidők óta ismert villámlás.
Az elektromos folyamatok érdemi vizsgálata csak a 18. század első felének végén kezdődött. Itt meg kell jegyezni Charles Coulomb, aki a töltött részecskék kölcsönhatási erejét tanulmányozta az emberről alkotott elképzeléseit, George Ohm, aki matematikailag írta le a zárt áramkörben folyó áram paramétereit, és Benjamin Franklin, aki az elektromosságról alkotott elképzeléseihez komolyan hozzájárult. számos kísérletet végzett, tanulmányozva a fent említettek természetétvillám. Rajtuk kívül olyan tudósok, mint Luigi Galvani (az idegimpulzusok tanulmányozása, az első "akkumulátor" feltalálása) és Michael Faraday (az elektrolitok áramának vizsgálata) nagy szerepet játszottak az elektromosság fizikájának fejlődésében.
Ezen tudósok eredményei szilárd alapot teremtettek az összetett elektromos folyamatok tanulmányozásához és megértéséhez, amelyek közül az egyik az elektromos kisülés.
Mi az a kisülés, és milyen feltételek szükségesek a létezéséhez?
Az elektromos áram kisülése egy fizikai folyamat, amelyet töltött részecskék áramlása jellemez két különböző potenciállal rendelkező térbeli tartomány között egy gáznemű közegben. Bontsuk fel ezt a definíciót.
Először is, amikor az emberek kisülésről beszélnek, mindig gázra gondolnak. Folyadékokban és szilárd anyagokban kisülések is előfordulhatnak (szilárd kondenzátor lebomlása), de ennek a jelenségnek a vizsgálati folyamata könnyebben megfontolható kevésbé sűrű közegben. Sőt, gyakran megfigyelhető a gázok kibocsátása, amelyek nagy jelentőséggel bírnak az emberi élet szempontjából.
Másodszor, amint az elektromos kisülés definíciójában is szerepel, csak akkor fordul elő, ha két fontos feltétel teljesül:
- ha potenciálkülönbség van (elektromos térerősség);
- töltéshordozók jelenléte (szabad ionok és elektronok).
A potenciálkülönbség biztosítja a töltés irányított mozgását. Ha túllép egy bizonyos küszöbértéket, akkor a nem önfenntartó kisülés átváltozikönfenntartó vagy önfenntartó.
Ami a szabad töltéshordozókat illeti, ezek mindig jelen vannak bármilyen gázban. Koncentrációjuk természetesen számos külső tényezőtől és magának a gáznak a tulajdonságaitól függ, de jelenlétük ténye vitathatatlan. Ez a semleges atomok és molekulák olyan ionizációs forrásainak köszönhető, mint a Nap ultraibolya sugarai, a kozmikus sugárzás és bolygónk természetes sugárzása.
A potenciálkülönbség és a hordozókoncentráció közötti kapcsolat határozza meg a kisülés természetét.
Elektromos kisülések típusai
Felsoroljuk ezeket a fajokat, majd mindegyiket jellemezzük részletesebben. Tehát a gáznemű közegben lévő összes kisülést általában a következőkre osztják:
- parázsló;
- szikra;
- ív;
- korona.
Fizikailag csak teljesítményben (áramsűrűségben) és ennek következtében hőmérsékletben, valamint időbeni megnyilvánulási jellegükben különböznek egymástól. Minden esetben pozitív töltés (kationok) a katódra (alacsony potenciálú terület) és negatív töltés (anionok, elektronok) az anódra (nagy potenciálú zóna) átviteléről beszélünk.
Izzáskisülés
Létéhez alacsony (a légköri nyomásnál több száz és ezerszer kisebb) gáznyomás létrehozása szükséges. Izzító kisülés figyelhető meg azokban a katódcsövekben, amelyek valamilyen gázzal vannak feltöltve (például Ne, Ar, Kr és mások). A cső elektródáira feszültség adása a következő folyamat aktiválásához vezet: elérhető a gázbana kationok gyorsan mozogni kezdenek, elérve a katódot, eltalálják, átadják a lendületet és kiütik az elektronokat. Ez utóbbi elegendő kinetikus energia jelenlétében semleges gázmolekulák ionizációjához vezethet. A leírt folyamat csak akkor lesz önfenntartó, ha a katódot bombázó kationok elegendő energiával rendelkeznek, és ezek bizonyos mennyisége, ami az elektródák potenciálkülönbségétől és a csőben lévő gáznyomástól függ.
Az izzó kisülés világít. Az elektromágneses hullámok kibocsátása két párhuzamos folyamatnak köszönhető:
- elektron-kation párok rekombinációja energiafelszabadulás kíséretében;
- semleges gázmolekulák (atomok) átmenete a gerjesztett állapotból az alapállapotba.
Az ilyen típusú kisülések jellemző jellemzői a kis áramok (néhány milliamper) és a kis állófeszültségek (100-400 V), de a küszöbfeszültség több ezer volt, a gáz nyomásától függően.
Az izzókisülésre példák a fénycsövek és a neonlámpák. A természetben ez a típus az északi fénynek tulajdonítható (az ionok mozgása a Föld mágneses mezőjében áramlik).
Szikrázó kisülés
Ez egy tipikus légköri elektromos kisülés, amely villámlásként jelenik meg. Létéhez nemcsak nagy gáznyomás (1 atm vagy több), hanem hatalmas feszültségek is szükségesek. A levegő meglehetősen jó dielektrikum (szigetelő). Permeabilitása 4-30 kV/cm, attól függőennedvesség és szilárd részecskék jelenléte benne. Ezek a számok azt mutatják, hogy legalább 4 000 000 V feszültséget kell alkalmazni minden levegőméterre, hogy meghibásodás (szikra) keletkezzen!
A természetben gomolyfelhőkben fordulnak elő olyan állapotok, amikor a légtömegek közötti súrlódás, a légkonvekció és a kristályosodás (kondenzáció) következtében a töltések újra eloszlanak oly módon, hogy a felhők alsó rétegei negatív töltésű, a felső rétegek pedig pozitívan. A potenciálkülönbség fokozatosan felhalmozódik, amikor értéke elkezdi meghaladni a levegő szigetelő képességét (több millió volt méterenként), akkor villámlás következik be - elektromos kisülés, amely a másodperc töredékéig tart. Az áramerősség benne eléri a 10-40 ezer ampert, a plazma hőmérséklete a csatornában 20 000 K-ra emelkedik.
A villámlás során felszabaduló minimális energia kiszámítható, ha figyelembe vesszük a következő adatokat: a folyamat t=110-6 s alatt fejlődik, I=10 000 A, U=109 B, akkor a következőt kapjuk:
E=IUt=10 millió J
A kapott szám megegyezik a 250 kg dinamit robbanása során felszabaduló energiával.
Ívkisülés
A szikra mellett akkor keletkezik, ha elegendő nyomás van a gázban. Jellemzői szinte teljesen hasonlóak a szikrához, de vannak eltérések:
- Először is, az áramok elérik a tízezer ampert, de a feszültség ugyanakkor több száz volt, ami aerősen vezetőképes közeg;
- másodszor, az ívkisülés időben stabilan létezik, ellentétben a szikrával.
Az ilyen típusú kisülésre való áttérés a feszültség fokozatos növelésével történik. A kisülés a katód hőkibocsátása miatt megmarad. Egy szembetűnő példa erre a hegesztőív.
Korona-kisülés
Ezt a típusú elektromos kisülést gázokban gyakran megfigyelték tengerészek, akik a Kolumbusz által felfedezett Újvilágba utaztak. Az árbocok végén lévő kékes fényt "Szent Elmo fényeinek" nevezték.
A nagyon erős elektromos térerősséggel rendelkező tárgyak körül koronakisülés lép fel. Ilyen körülmények éles tárgyak (hajók árbocai, nyeregtetős épületek) közelében jönnek létre. Ha egy testnek van valamilyen statikus töltése, akkor a végének térerőssége a környező levegő ionizációjához vezet. A keletkező ionok elkezdenek sodródni a mező forrása felé. Ezek a gyenge áramok, amelyek hasonló folyamatokat idéznek elő, mint az izzás kisülése esetén, izzás megjelenéséhez vezetnek.
A kibocsátások veszélye az emberi egészségre
A korona- és izzókisülések nem jelentenek különösebb veszélyt az emberre, mivel alacsony áramerősség (milliamper) jellemző rájuk. A fenti kibocsátások közül a másik kettő halálos, ha közvetlenül érintkezik velük.
Ha valaki megfigyeli a villám közeledését, ki kell kapcsolnia minden elektromos készüléket (beleértve a mobiltelefonokat is), és úgy kell elhelyezkednie, hogy ne tűnjön ki a környező területből.magasság.
