Doba u kojem živimo možemo nazvati dobom struje. Rad računala, televizora, automobila, satelita, uređaja za umjetnu rasvjetu samo su mali dio primjera gdje se koristi. Jedan od zanimljivih i važnih procesa za osobu je električno pražnjenje. Pogledajmo pobliže što je to.
Kratka povijest proučavanja elektriciteta
Kada se čovjek upoznao sa strujom? Teško je odgovoriti na ovo pitanje, jer je pogrešno postavljeno, jer najupečatljiviji prirodni fenomen je munja, poznata od pamtivijeka.
Smisaono proučavanje električnih procesa počelo je tek krajem prve polovice 18. stoljeća. Ovdje treba istaknuti ozbiljan doprinos idejama čovjeka o elektricitetu Charlesa Coulomba, koji je proučavao silu interakcije nabijenih čestica, Georgea Ohma, koji je matematički opisao parametre struje u zatvorenom krugu, i Benjamina Franklina, koji je proveo mnoge eksperimente, proučavajući prirodu gore navedenogmunja. Osim njih, veliku ulogu u razvoju fizike elektriciteta imali su znanstvenici poput Luigija Galvanija (proučavanje živčanih impulsa, izum prve "baterije") i Michaela Faradayja (proučavanje struje u elektrolitima).
Postignuća svih ovih znanstvenika stvorili su čvrst temelj za proučavanje i razumijevanje složenih električnih procesa, od kojih je jedan električno pražnjenje.
Što je iscjedak i koji su uvjeti potrebni za njegovo postojanje?
Praznjenje električne struje je fizički proces koji karakterizira prisutnost protoka nabijenih čestica između dva prostorna područja s različitim potencijalima u plinovitom mediju. Rastavimo ovu definiciju.
Prvo, kada ljudi govore o pražnjenju, uvijek misle na plin. Može doći i do pražnjenja u tekućinama i krutim tvarima (propad čvrstog kondenzatora), ali je proces proučavanja ove pojave lakše razmotriti u manje gustom mediju. Štoviše, česta su pražnjenja u plinovima koja su od velike važnosti za ljudski život.
Drugo, kao što je navedeno u definiciji električnog pražnjenja, ono se događa samo kada su ispunjena dva važna uvjeta:
- kada postoji razlika potencijala (jačina električnog polja);
- prisutnost nositelja naboja (slobodni ioni i elektroni).
Razlika potencijala osigurava usmjereno kretanje naboja. Ako prijeđe određenu graničnu vrijednost, tada se nesamoodrživo pražnjenje pretvara usamonosivi ili samonosivi.
Što se tiče besplatnih nosača punjenja, oni su uvijek prisutni u svakom plinu. Njihova koncentracija, naravno, ovisi o nizu vanjskih čimbenika i svojstvima samog plina, ali sama činjenica njihove prisutnosti je neosporna. To je zbog postojanja takvih izvora ionizacije neutralnih atoma i molekula kao što su ultraljubičaste zrake sa Sunca, kozmičko zračenje i prirodno zračenje našeg planeta.
Odnos između razlike potencijala i koncentracije nosača određuje prirodu pražnjenja.
Vrste električnih pražnjenja
Nabrojimo ove vrste, a zatim ćemo svaku od njih detaljnije okarakterizirati. Dakle, sva ispuštanja u plinovitim medijima obično se dijele na sljedeće:
- tinja;
- iskrica;
- arc;
- kruna.
Fizički se međusobno razlikuju samo po snazi (gustoći struje) i, kao rezultat toga, po temperaturi, kao i po prirodi njihove manifestacije u vremenu. U svim slučajevima govorimo o prijenosu pozitivnog naboja (kationa) na katodu (područje niskog potencijala) i negativnog naboja (anioni, elektroni) na anodu (zona visokog potencijala).
Glow Discharge
Za njegovo postojanje potrebno je stvoriti niske tlakove plina (stotine i tisuće puta manje od atmosferskog). U katodnim cijevima koje su napunjene nekom vrstom plina (na primjer Ne, Ar, Kr i drugi) opaža se užareno pražnjenje. Primjena napona na elektrode cijevi dovodi do aktiviranja sljedećeg procesa: dostupnog u plinukationi se počinju brzo kretati, dosežući katodu, udaraju u nju, prenoseći zamah i izbacujući elektrone. Potonji, u prisutnosti dovoljne kinetičke energije, može dovesti do ionizacije neutralnih molekula plina. Opisani proces će biti samoodrživi samo u slučaju dovoljne energije kationa koji bombardiraju katodu i određene količine, što ovisi o razlici potencijala na elektrodama i tlaku plina u cijevi.
Svjetleće pražnjenje svijetli. Emisija elektromagnetskih valova posljedica je dva paralelna procesa:
- rekombinacija elektron-kationskih parova popraćena oslobađanjem energije;
- prijelaz neutralnih molekula plina (atoma) iz pobuđenog stanja u osnovno stanje.
Tipične karakteristike ove vrste pražnjenja su male struje (nekoliko miliampera) i mali stacionarni naponi (100-400 V), ali granični napon je nekoliko tisuća volti, ovisno o tlaku plina.
Primjeri svjetlećeg pražnjenja su fluorescentne i neonske svjetiljke. U prirodi se ovaj tip može pripisati sjevernom svjetlu (kretanje ionskih tokova u Zemljinom magnetskom polju).
Iskreni izboj
Ovo je tipično atmosfersko električno pražnjenje koje se pojavljuje kao munja. Za njegovo postojanje potrebna je ne samo prisutnost visokih tlakova plina (1 atm ili više), već i velika naprezanja. Zrak je prilično dobar dielektrik (izolator). Njegova propusnost se kreće od 4 do 30 kV/cm, ovisno oprisutnost vlage i čvrstih čestica u njemu. Ove brojke pokazuju da se minimalno 4 000 000 volti mora primijeniti na svaki metar zraka kako bi došlo do kvara (iskre)!
U prirodi se takvi uvjeti javljaju u kumulusnim oblacima, kada se kao posljedica trenja između zračnih masa, konvekcije zraka i kristalizacije (kondenzacije) naboji preraspodijele na način da se donji slojevi oblaka nabijen negativno, a gornji slojevi pozitivno. Razlika potencijala se postupno akumulira, kada njezina vrijednost počne premašivati izolacijske sposobnosti zraka (nekoliko milijuna volti po metru), tada se javlja munja - električno pražnjenje koje traje djelić sekunde. Snaga struje u njemu doseže 10-40 tisuća ampera, a temperatura plazme u kanalu raste do 20 000 K.
Minimalna energija koja se oslobađa tijekom procesa munje može se izračunati ako uzmemo u obzir sljedeće podatke: proces se razvija tijekom t=110-6 s, I=10 000 A, U=109 B, tada dobivamo:
E=IUt=10 milijuna J
Rezultirajuća brojka je ekvivalentna energiji oslobođenoj eksplozijom 250 kg dinamita.
Lučno pražnjenje
Kao i iskra, javlja se kada postoji dovoljan tlak u plinu. Njegove karakteristike su gotovo potpuno slične iskri, ali postoje razlike:
- Prvo, struje dosežu deset tisuća ampera, ali napon je u isto vrijeme nekoliko stotina volti, što je povezano svisoko vodljivi medij;
- drugo, lučno pražnjenje postoji stabilno u vremenu, za razliku od iskre.
Prelazak na ovu vrstu pražnjenja vrši se postupnim povećanjem napona. Pražnjenje se održava zbog termoionske emisije s katode. Upečatljiv primjer toga je luk zavarivanja.
Koronsko pražnjenje
Ovu vrstu električnog pražnjenja u plinovima često su promatrali mornari koji su putovali u Novi svijet koji je otkrio Kolumbo. Nazvali su plavkasti sjaj na krajevima jarbola "svjetla svetog Elma."
Koronsko pražnjenje događa se oko objekata koji imaju vrlo jaku jakost električnog polja. Takvi se uvjeti stvaraju u blizini oštrih predmeta (jarboli brodova, zgrade s dvostrešnim krovovima). Kada tijelo ima statički naboj, tada jačina polja na njegovim krajevima dovodi do ionizacije okolnog zraka. Rezultirajući ioni počinju se kretati prema izvoru polja. Ove slabe struje, koje uzrokuju slične procese kao u slučaju užarenog pražnjenja, dovode do pojave sjaja.
Opasnost od pražnjenja za ljudsko zdravlje
Korona i svjetleće pražnjenja ne predstavljaju posebnu opasnost za ljude, budući da ih karakteriziraju niske struje (miliamperi). Druga dva od gore navedenih pražnjenja smrtonosna su u slučaju izravnog kontakta s njima.
Ako osoba promatra približavanje munje, tada mora isključiti sve električne uređaje (uključujući mobitele), a također se postaviti tako da se ne izdvaja od okolnog prostora u smisluvisina.
