Η εποχή που ζούμε μπορεί να ονομαστεί εποχή του ηλεκτρισμού. Η λειτουργία υπολογιστών, τηλεοράσεων, αυτοκινήτων, δορυφόρων, συσκευών τεχνητού φωτισμού είναι μόνο ένα μικρό μέρος των παραδειγμάτων όπου χρησιμοποιείται. Μια από τις ενδιαφέρουσες και σημαντικές διαδικασίες για ένα άτομο είναι μια ηλεκτρική εκκένωση. Ας ρίξουμε μια πιο προσεκτική ματιά σε τι είναι.
Μια Σύντομη Ιστορία της Μελέτης του Ηλεκτρισμού
Πότε ο άνθρωπος γνώρισε τον ηλεκτρισμό; Είναι δύσκολο να απαντηθεί αυτή η ερώτηση, γιατί τέθηκε με λάθος τρόπο, γιατί το πιο εντυπωσιακό φυσικό φαινόμενο είναι ο κεραυνός, γνωστός από αμνημονεύτων χρόνων.
Η ουσιαστική μελέτη των ηλεκτρικών διεργασιών ξεκίνησε μόλις στα τέλη του πρώτου μισού του 18ου αιώνα. Εδώ πρέπει να σημειωθεί μια σοβαρή συμβολή στις ιδέες του ανθρώπου για τον ηλεκτρισμό από τον Charles Coulomb, ο οποίος μελέτησε τη δύναμη αλληλεπίδρασης φορτισμένων σωματιδίων, τον George Ohm, ο οποίος περιέγραψε μαθηματικά τις παραμέτρους του ρεύματος σε ένα κλειστό κύκλωμα, και τον Benjamin Franklin, ο οποίος πραγματοποίησε πολλά πειράματα, μελετώντας τη φύση των παραπάνωαστραπή. Εκτός από αυτούς, επιστήμονες όπως ο Luigi Galvani (η μελέτη των νευρικών ερεθισμάτων, η εφεύρεση της πρώτης «μπαταρίας») και ο Michael Faraday (η μελέτη του ρεύματος στους ηλεκτρολύτες) έπαιξαν μεγάλο ρόλο στην ανάπτυξη της φυσικής του ηλεκτρισμού.
Τα επιτεύγματα όλων αυτών των επιστημόνων έχουν δημιουργήσει μια σταθερή βάση για τη μελέτη και την κατανόηση πολύπλοκων ηλεκτρικών διεργασιών, μία από τις οποίες είναι η ηλεκτρική εκκένωση.
Τι είναι μια έκκριση και ποιες προϋποθέσεις είναι απαραίτητες για την ύπαρξή της;
Η εκφόρτιση ηλεκτρικού ρεύματος είναι μια φυσική διαδικασία, η οποία χαρακτηρίζεται από την παρουσία μιας ροής φορτισμένων σωματιδίων μεταξύ δύο χωρικών περιοχών που έχουν διαφορετικά δυναμικά σε ένα αέριο μέσο. Ας αναλύσουμε αυτόν τον ορισμό.
Πρώτον, όταν οι άνθρωποι μιλούν για εκκένωση, εννοούν πάντα το αέριο. Μπορούν επίσης να προκύψουν εκκενώσεις σε υγρά και στερεά (διάσπαση ενός στερεού πυκνωτή), αλλά η διαδικασία μελέτης αυτού του φαινομένου είναι ευκολότερο να εξεταστεί σε ένα λιγότερο πυκνό μέσο. Επιπλέον, είναι οι εκκενώσεις σε αέρια που παρατηρούνται συχνά και έχουν μεγάλη σημασία για την ανθρώπινη ζωή.
Δεύτερον, όπως αναφέρεται στον ορισμό της ηλεκτρικής εκκένωσης, συμβαίνει μόνο όταν πληρούνται δύο σημαντικές προϋποθέσεις:
- όταν υπάρχει διαφορά δυναμικού (ισχύς ηλεκτρικού πεδίου);
- παρουσία φορέων φορτίου (ελεύθερα ιόντα και ηλεκτρόνια).
Η διαφορά δυναμικού εξασφαλίζει την κατευθυνόμενη κίνηση της φόρτισης. Εάν υπερβεί μια ορισμένη τιμή κατωφλίου, τότε η μη αυτοσυντηρούμενη απόρριψη μετατρέπεται σεαυτοϋποστηριζόμενο ή αυτο-υποστηριζόμενο.
Όσο για τους φορείς δωρεάν χρέωσης, υπάρχουν πάντα σε οποιοδήποτε αέριο. Η συγκέντρωσή τους, φυσικά, εξαρτάται από μια σειρά εξωτερικών παραγόντων και τις ιδιότητες του ίδιου του αερίου, αλλά το ίδιο το γεγονός της παρουσίας τους είναι αδιαμφισβήτητο. Αυτό οφείλεται στην ύπαρξη τέτοιων πηγών ιονισμού ουδέτερων ατόμων και μορίων όπως οι υπεριώδεις ακτίνες από τον Ήλιο, η κοσμική ακτινοβολία και η φυσική ακτινοβολία του πλανήτη μας.
Η σχέση μεταξύ της διαφοράς δυναμικού και της συγκέντρωσης του φορέα καθορίζει τη φύση της εκκένωσης.
Τύποι ηλεκτρικών εκκενώσεων
Ας απαριθμήσουμε αυτά τα είδη και στη συνέχεια θα χαρακτηρίσουμε το καθένα από αυτά με περισσότερες λεπτομέρειες. Έτσι, όλες οι εκκενώσεις σε αέρια μέσα χωρίζονται συνήθως στα ακόλουθα:
- smoldering;
- spark;
- arc;
- crown.
Σωματικά, διαφέρουν μεταξύ τους μόνο ως προς την ισχύ (πυκνότητα ρεύματος) και, κατά συνέπεια, στη θερμοκρασία, καθώς και στη φύση της εκδήλωσής τους στο χρόνο. Σε όλες τις περιπτώσεις, μιλάμε για μεταφορά θετικού φορτίου (κατιόντα) στην κάθοδο (περιοχή χαμηλού δυναμικού) και αρνητικού φορτίου (ανιόντα, ηλεκτρόνια) στην άνοδο (ζώνη υψηλού δυναμικού).
Glow Discharge
Για την ύπαρξή του είναι απαραίτητο να δημιουργηθούν χαμηλές πιέσεις αερίων (εκατοντάδες και χιλιάδες φορές μικρότερες από την ατμοσφαιρική πίεση). Παρατηρείται εκκένωση λάμψης σε καθοδικούς σωλήνες που είναι γεμάτοι με κάποιο είδος αερίου (για παράδειγμα, Ne, Ar, Kr και άλλα). Η εφαρμογή τάσης στα ηλεκτρόδια του σωλήνα οδηγεί στην ενεργοποίηση της ακόλουθης διαδικασίας: διαθέσιμη στο αέριοΤα κατιόντα αρχίζουν να κινούνται γρήγορα, φτάνοντας στην κάθοδο, την χτυπούν, μεταφέροντας ορμή και χτυπώντας έξω τα ηλεκτρόνια. Το τελευταίο, παρουσία επαρκούς κινητικής ενέργειας, μπορεί να οδηγήσει στον ιονισμό ουδέτερων μορίων αερίου. Η διαδικασία που περιγράφεται θα είναι αυτοσυντηρούμενη μόνο στην περίπτωση επαρκούς ενέργειας των κατιόντων που βομβαρδίζουν την κάθοδο και μιας ορισμένης ποσότητας αυτών, η οποία εξαρτάται από τη διαφορά δυναμικού στα ηλεκτρόδια και την πίεση του αερίου στον σωλήνα.
Η εκκένωση λάμψης λάμπει. Η εκπομπή ηλεκτρομαγνητικών κυμάτων οφείλεται σε δύο παράλληλες διεργασίες:
- ανασυνδυασμός ζευγών ηλεκτρονίων-κατιόντων συνοδευόμενος από απελευθέρωση ενέργειας;
- μετάβαση ουδέτερων μορίων αερίου (ατόμων) από τη διεγερμένη κατάσταση στη θεμελιώδη κατάσταση.
Τα τυπικά χαρακτηριστικά αυτού του τύπου εκφόρτισης είναι μικρά ρεύματα (μερικά milliamps) και μικρές σταθερές τάσεις (100-400 V), αλλά η τάση κατωφλίου είναι αρκετές χιλιάδες volt, ανάλογα με την πίεση του αερίου.
Παραδείγματα εκκένωσης λάμψης είναι οι λαμπτήρες φθορισμού και νέον. Στη φύση, αυτός ο τύπος μπορεί να αποδοθεί στο βόρειο σέλας (η κίνηση των ιόντων ρέει στο μαγνητικό πεδίο της Γης).
Αποφόρτιση σπινθήρα
Πρόκειται για μια τυπική ατμοσφαιρική ηλεκτρική εκκένωση που εμφανίζεται ως κεραυνός. Για την ύπαρξή του είναι απαραίτητη όχι μόνο η παρουσία υψηλών πιέσεων αερίου (1 atm ή περισσότερο), αλλά και τεράστιες καταπονήσεις. Ο αέρας είναι ένα αρκετά καλό διηλεκτρικό (μονωτικό). Η διαπερατότητά του κυμαίνεται από 4 έως 30 kV/cm, ανάλογατην παρουσία υγρασίας και στερεών σωματιδίων σε αυτό. Αυτοί οι αριθμοί υποδεικνύουν ότι πρέπει να εφαρμοστούν τουλάχιστον 4.000.000 βολτ σε κάθε μέτρο αέρα για να προκληθεί βλάβη (σπινθήρα)!
Στη φύση, τέτοιες συνθήκες συμβαίνουν στα σωρευτικά σύννεφα, όταν, ως αποτέλεσμα της τριβής μεταξύ των μαζών αέρα, της μεταφοράς αέρα και της κρυστάλλωσης (συμπύκνωση), τα φορτία ανακατανέμονται με τέτοιο τρόπο ώστε τα κατώτερα στρώματα των νεφών να είναι φορτίζονται αρνητικά και τα ανώτερα στρώματα θετικά. Η διαφορά δυναμικού συσσωρεύεται σταδιακά, όταν η τιμή της αρχίζει να υπερβαίνει τις μονωτικές ικανότητες του αέρα (μερικά εκατομμύρια βολτ ανά μέτρο), τότε εμφανίζεται κεραυνός - μια ηλεκτρική εκκένωση που διαρκεί για ένα κλάσμα του δευτερολέπτου. Η τρέχουσα ισχύς σε αυτό φτάνει τα 10-40 χιλιάδες αμπέρ και η θερμοκρασία πλάσματος στο κανάλι αυξάνεται στους 20.000 K.
Η ελάχιστη ενέργεια που απελευθερώνεται κατά τη διαδικασία του κεραυνού μπορεί να υπολογιστεί εάν λάβουμε υπόψη τα ακόλουθα δεδομένα: η διαδικασία αναπτύσσεται κατά τη διάρκεια t=110-6 s, I=10 000 A, U=109 B, τότε παίρνουμε:
E=IUt=10 εκατομμύρια J
Ο αριθμός που προκύπτει είναι ισοδύναμος με την ενέργεια που απελευθερώνεται από την έκρηξη 250 κιλών δυναμίτη.
Arc Discharge
Όπως και ο σπινθήρας, εμφανίζεται όταν υπάρχει επαρκής πίεση στο αέριο. Τα χαρακτηριστικά του είναι σχεδόν εντελώς παρόμοια με τη σπίθα, αλλά υπάρχουν διαφορές:
- Πρώτον, τα ρεύματα φτάνουν τα δέκα χιλιάδες αμπέρ, αλλά η τάση ταυτόχρονα είναι αρκετές εκατοντάδες βολτ, κάτι που σχετίζεται μεπολύ αγώγιμο μέσο;
- δεύτερον, η εκκένωση τόξου υπάρχει σταθερά στο χρόνο, σε αντίθεση με τον σπινθήρα.
Η μετάβαση σε αυτόν τον τύπο εκφόρτισης πραγματοποιείται με σταδιακή αύξηση της τάσης. Η εκκένωση διατηρείται λόγω θερμιονικής εκπομπής από την κάθοδο. Ένα εντυπωσιακό παράδειγμα αυτού είναι το τόξο συγκόλλησης.
εξιτήριο κορωνοϊού
Αυτός ο τύπος ηλεκτρικής εκκένωσης στα αέρια παρατηρήθηκε συχνά από ναυτικούς που ταξίδεψαν στον Νέο Κόσμο που ανακάλυψε ο Κολόμβος. Ονόμασαν τη γαλαζωπή λάμψη στα άκρα των ιστών "φώτα του Αγίου Έλμο."
Συμβαίνει μια εκκένωση κορώνας γύρω από αντικείμενα που έχουν πολύ ισχυρή ένταση ηλεκτρικού πεδίου. Τέτοιες συνθήκες δημιουργούνται κοντά σε αιχμηρά αντικείμενα (ιστοί πλοίων, κτίρια με δίρριχτη στέγη). Όταν ένα σώμα έχει κάποιο στατικό φορτίο, τότε η ένταση του πεδίου στα άκρα του οδηγεί σε ιονισμό του περιβάλλοντος αέρα. Τα προκύπτοντα ιόντα αρχίζουν να μετακινούνται προς την πηγή του πεδίου. Αυτά τα ασθενή ρεύματα, που προκαλούν παρόμοιες διεργασίες όπως στην περίπτωση εκκένωσης λάμψης, οδηγούν στην εμφάνιση μιας λάμψης.
Κίνδυνος απορρίψεων για την ανθρώπινη υγεία
Οι εκκενώσεις κορώνας και λάμψης δεν αποτελούν ιδιαίτερο κίνδυνο για τον άνθρωπο, καθώς χαρακτηρίζονται από χαμηλά ρεύματα (milliamps). Οι άλλες δύο από τις παραπάνω εκκρίσεις είναι θανατηφόρες σε περίπτωση άμεσης επαφής μαζί τους.
Εάν ένα άτομο παρατηρήσει την προσέγγιση του κεραυνού, τότε πρέπει να απενεργοποιήσει όλες τις ηλεκτρικές συσκευές (συμπεριλαμβανομένων των κινητών τηλεφώνων) και επίσης να τοποθετηθεί έτσι ώστε να μην ξεχωρίζει από τη γύρω περιοχή όσον αφοράύψος.
