Ajastust, mil me elame, võib nimetada elektriajastuks. Arvutite, televiisorite, autode, satelliitide, tehisvalgustusseadmete töö on vaid väike osa näidetest, kus seda kasutatakse. Üks inimese jaoks huvitav ja oluline protsess on elektrilahendus. Vaatame lähem alt, mis see on.
Elektriuuringute lühiajalugu
Millal inimene elektriga tuttavaks sai? Sellele küsimusele on raske vastata, kuna see on valesti pandud, sest kõige silmatorkavam loodusnähtus on välk, mis on tuntud juba ammusest ajast.
Elektriprotsesside mõtestatud uurimine algas alles 18. sajandi esimese poole lõpus. Siinkohal väärib märkimist Charles Coulombi, kes uuris laetud osakeste vastastikmõju jõudu, George Ohmi, kes kirjeldas matemaatiliselt voolu parameetreid suletud vooluringis, ja Benjamin Franklini, kes on andnud tõsist panust inimese ideedesse elektri kohta. viis läbi palju katseid, uurides ülalnimetatute olemustvälk. Lisaks neile mängisid elektrifüüsika arengus suurt rolli sellised teadlased nagu Luigi Galvani (närviimpulsside uurimine, esimese "patarei" leiutamine) ja Michael Faraday (elektrolüütide voolu uurimine).
Kõigi nende teadlaste saavutused on loonud tugeva aluse keerukate elektriliste protsesside uurimiseks ja mõistmiseks, millest üks on elektrilahendus.
Mis on tühjendus ja millised tingimused on selle olemasoluks vajalikud?
Elektrivoolu tühjenemine on füüsiline protsess, mida iseloomustab laetud osakeste voog kahe erineva potentsiaaliga ruumilise piirkonna vahel gaasilises keskkonnas. Jagame selle määratluse lahti.
Esiteks, kui inimesed räägivad tühjenemisest, peavad nad alati silmas gaasi. Võib esineda ka tühjendeid vedelikes ja tahketes ainetes (tahke kondensaatori purunemine), kuid selle nähtuse uurimise protsessi on lihtsam kaaluda vähem tihedas keskkonnas. Veelgi enam, sageli täheldatakse just gaasiheitmeid, mis on inimelu jaoks väga olulised.
Teiseks, nagu on öeldud elektrilahenduse määratluses, toimub see ainult siis, kui on täidetud kaks olulist tingimust:
- kui esineb potentsiaalide erinevus (elektriväljatugevus);
- laengukandjate (vabade ioonide ja elektronide) olemasolu.
Potentsiaalide vahe tagab laengu suunatud liikumise. Kui see ületab teatud läviväärtust, muutub mitteiseseisev tühjenemine üleisemajandav või isemajandav.
Mis puutub vabadesse laengukandjatesse, siis need on alati igas gaasis olemas. Nende kontsentratsioon sõltub loomulikult paljudest välisteguritest ja gaasi enda omadustest, kuid nende olemasolu on vaieldamatu. Selle põhjuseks on selliste neutraalsete aatomite ja molekulide ionisatsiooniallikate olemasolu nagu Päikese ultraviolettkiired, kosmiline kiirgus ja meie planeedi looduslik kiirgus.
Potentsiaali erinevuse ja kandja kontsentratsiooni vaheline seos määrab tühjenemise olemuse.
Elektrilahenduste tüübid
Loetleme need liigid ja siis iseloomustame neid kõiki lähem alt. Seega jagatakse kõik gaasilises keskkonnas heitmed tavaliselt järgmisteks osadeks:
- hõõgub;
- säde;
- kaar;
- kroon.
Füüsiliselt erinevad nad üksteisest ainult võimsuse (voolutiheduse) ja sellest tulenev alt temperatuuri poolest, samuti ajas avaldumise olemuse poolest. Kõikidel juhtudel räägime positiivse laengu (katioonide) ülekandmisest katoodile (madala potentsiaaliga ala) ja negatiivse laengu (anioonid, elektronid) ülekandmisest anoodile (kõrge potentsiaaliga tsoon).
Glow Discharge
Selle olemasoluks on vaja luua madal gaasirõhk (atmosfäärirõhust sadu ja tuhandeid kordi väiksem). Hõõglahendust täheldatakse katoodtorudes, mis on täidetud mingisuguse gaasiga (näiteks Ne, Ar, Kr jt). Pinge rakendamine toru elektroodidele viib järgmise protsessi aktiveerimiseni: gaasis saadavalkatioonid hakkavad kiiresti liikuma, jõudes katoodini, tabavad seda, kandes edasi hoogu ja lööb välja elektrone. Viimane võib piisava kineetilise energia olemasolul viia neutraalsete gaasimolekulide ioniseerumiseni. Kirjeldatud protsess on isemajandav ainult katoodi pommitavate katioonide piisava energia ja nende teatud hulga korral, mis sõltub potentsiaalide erinevusest elektroodidel ja gaasi rõhust torus.
Hõõgusheide helendab. Elektromagnetlainete emissioon on tingitud kahest paralleelsest protsessist:
- elektron-katioonide paaride rekombinatsioon, millega kaasneb energia vabanemine;
- neutraalsete gaasimolekulide (aatomite) üleminek ergastatud olekust põhiolekusse.
Sellise tühjenemise tüüpilised omadused on väikesed voolud (mõni milliamper) ja väikesed statsionaarsed pinged (100–400 V), kuid lävipinge on sõltuv alt gaasi rõhust mitu tuhat volti.
Hõõglahenduse näideteks on luminofoor- ja neoonlambid. Looduses võib selle tüübi omistada virmalistele (ioonide liikumine voolab Maa magnetväljas).
Sädelahendus
See on tüüpiline atmosfääri elektrilahendus, mis paistab välguna. Selle olemasoluks on vajalik mitte ainult kõrge gaasirõhu olemasolu (1 atm või rohkem), vaid ka tohutud pinged. Õhk on üsna hea dielektrik (isolaator). Selle läbilaskvus on olenev alt 4 kuni 30 kV/cmniiskuse ja tahkete osakeste olemasolu selles. Need arvud näitavad, et rikke (sädeme) tekitamiseks tuleb iga õhumeetri kohta rakendada vähem alt 4 000 000 volti!
Looduses tekivad rünkpilvedes sellised tingimused, kui õhumasside vahelise hõõrdumise, õhu konvektsiooni ja kristalliseerumise (kondenseerumise) tulemusena jaotuvad laengud ümber selliselt, et pilvede alumised kihid laetud negatiivselt ja ülemised kihid positiivselt. Potentsiaalide erinevus koguneb järk-järgult, kui selle väärtus hakkab ületama õhu isolatsioonivõimet (mitu miljonit volti meetri kohta), siis tekib välk - elektrilahendus, mis kestab sekundi murdosa. Voolutugevus selles ulatub 10-40 tuhande amprini ja plasma temperatuur kanalis tõuseb 20 000 K-ni.
Väkseprotsessi käigus vabaneva minimaalse energia saab arvutada, kui võtta arvesse järgmisi andmeid: protsess areneb t=110-6 s jooksul, I=10 000 A, U=109 B, siis saame:
E=IUt=10 miljonit J
Saadud arv on võrdne energiaga, mis vabaneb 250 kg dünamiidi plahvatusel.
Kaarlahendus
Lisaks sädemele tekib see siis, kui gaasis on piisav rõhk. Selle omadused on peaaegu täielikult sarnased sädemega, kuid on erinevusi:
- Esiteks ulatuvad voolud kümne tuhande amprini, kuid pinge on samal ajal mitusada volti, mis on seotudväga juhtiv keskkond;
- teiseks, erinev alt sädemest eksisteerib kaarelahendus ajas stabiilselt.
Seda tüüpi tühjenemisele üleminek toimub pinge järkjärgulise suurendamise teel. Lahendus säilib tänu katoodi termilisele emissioonile. Selle ilmekaks näiteks on keevituskaar.
Korona eraldumine
Seda tüüpi elektrilahendust gaasides täheldasid sageli meremehed, kes reisisid Kolumbuse avastatud uude maailma. Nad nimetasid mastide otstes olevat sinakat helki "Püha Elmo tuledeks".
Väga tugeva elektrivälja tugevusega objektide ümber tekib koroonalahendus. Sellised tingimused luuakse teravate esemete läheduses (laevade mastid, viilkatusega hooned). Kui kehal on teatav staatiline laeng, põhjustab selle otste väljatugevus ümbritseva õhu ioniseerumist. Saadud ioonid hakkavad triivima välja allika suunas. Need nõrgad voolud, mis põhjustavad sarnaseid protsesse nagu hõõglahenduse korral, põhjustavad hõõgumise välimust.
Heidete oht inimeste tervisele
Koroona- ja hõõglahendus ei kujuta inimestele erilist ohtu, kuna neid iseloomustavad madalad voolud (milliamprid). Ülejäänud kaks ül altoodud heidet on nendega otsesel kokkupuutel surmavad.
Kui inimene jälgib välgu lähenemist, peab ta kõik elektriseadmed (ka mobiiltelefonid) välja lülitama ning asuma ka nii, et mitte paista ümbritsevast silma.kõrgus.
