Ikää, jota elämme, voidaan kutsua sähkön aikakaudeksi. Tietokoneiden, televisioiden, autojen, satelliittien, keinovalaistuslaitteiden toiminta on vain pieni osa esimerkkejä, joissa sitä käytetään. Yksi mielenkiintoisista ja ihmisille tärkeistä prosesseista on sähköpurkaus. Katsotaanpa tarkemmin, mikä se on.
Sähkön tutkimuksen lyhyt historia
Milloin ihminen tutustui sähköön? Tähän kysymykseen on vaikea vastata, koska se on asetettu väärin, koska silmiinpistävin luonnonilmiö on salama, joka on tunnettu ikimuistoisista ajoista.
Sähköisten prosessien mielekäs tutkimus alkoi vasta 1700-luvun ensimmäisen puoliskon lopulla. Tässä on syytä mainita vakava panos sähköä koskeviin ihmiskäsityksiin Charles Coulombilta, joka tutki varautuneiden hiukkasten vuorovaikutusvoimaa, George Ohmin, joka kuvaili matemaattisesti virran parametreja suljetussa piirissä, ja Benjamin Franklinilta, joka suoritti monia kokeita tutkiessaan edellä mainittujen luonnettasalama. Niiden lisäksi tiedemiehillä, kuten Luigi Galvani (hermoimpulssien tutkimus, ensimmäisen "akun" keksintö) ja Michael Faraday (elektrolyyttien virran tutkimus) oli suuri rooli sähkön fysiikan kehityksessä.
Kaikkien näiden tiedemiesten saavutukset ovat luoneet vankan perustan monimutkaisten sähköprosessien tutkimukselle ja ymmärtämiselle, joista yksi on sähköpurkaus.
Mikä on purkaus ja mitkä edellytykset sen olemassaololle tarvitaan?
Sähkövirran purkautuminen on fysikaalinen prosessi, jolle on ominaista varautuneiden hiukkasten virtaus kahden eri potentiaalin omaavan spatiaalisen alueen välillä kaasumaisessa väliaineessa. Puretaan tämä määritelmä.
Ensinnäkin, kun ihmiset puhuvat päästöistä, he tarkoittavat aina kaasua. Purkauksia nesteissä ja kiinteissä aineissa voi myös tapahtua (kiinteän kondensaattorin hajoaminen), mutta tämän ilmiön tutkimista on helpompi harkita vähemmän tiheässä väliaineessa. Lisäksi kaasujen päästöt havaitaan usein ja niillä on suuri merkitys ihmisen elämälle.
Toiseksi, kuten sähköpurkauksen määritelmässä todetaan, se tapahtuu vain, kun kaksi tärkeää ehtoa täyttyy:
- kun on potentiaaliero (sähkökentänvoimakkuus);
- varauksenkantajien (vapaiden ionien ja elektronien) läsnäolo.
Potentiaaliero varmistaa varauksen suunnatun liikkeen. Jos se ylittää tietyn kynnysarvon, ei-itsepitävä purkaus muuttuuitsekannattava tai itsekannattava.
Mitä tulee ilmaisiin varauksenkuljettajiin, niitä on aina kaikissa kaasuissa. Niiden pitoisuus riippuu tietysti useista ulkoisista tekijöistä ja itse kaasun ominaisuuksista, mutta niiden läsnäolon tosiasia on kiistaton. Tämä johtuu sellaisista neutraalien atomien ja molekyylien ionisaatiolähteistä, kuten Auringon ultraviolettisäteilystä, kosmisesta säteilystä ja planeettamme luonnollisesta säteilystä.
Potentiaalieron ja kantoainepitoisuuden välinen suhde määrää purkauksen luonteen.
Sähköpurkaustyypit
Listataan nämä lajit, ja sitten luonnehdimme niitä jokaista tarkemmin. Joten kaikki päästöt kaasumaisissa väliaineissa jaetaan yleensä seuraaviin:
- kytemässä;
- kipinä;
- kaari;
- kruunu.
Fyysisesti ne eroavat toisistaan vain tehon (virrantiheyden) ja sen seurauksena lämpötilan sekä ajallisen ilmenemismuotonsa suhteen. Kaikissa tapauksissa puhumme positiivisen varauksen (kationien) siirtymisestä katodille (pienipotentiaalinen alue) ja negatiivisen varauksen (anionit, elektronit) siirtymisestä anodille (suuripotentiaalinen vyöhyke).
Hehkupurkaus
Sen olemassaoloa varten on luotava alhaiset kaasunpaineet (satoja ja tuhansia kertoja pienemmät kuin ilmakehän paine). Hehkupurkaus havaitaan katodiputkissa, jotka on täytetty jollakin kaasulla (esimerkiksi Ne, Ar, Kr ja muut). Jännitteen kohdistaminen putken elektrodeihin johtaa seuraavan prosessin aktivoitumiseen: kaasussakationit alkavat liikkua nopeasti, saavuttaen katodin, ne osuvat siihen siirtäen vauhtia ja tyrmäämällä elektroneja. Jälkimmäinen voi riittävän kineettisen energian läsnä ollessa johtaa neutraalien kaasumolekyylien ionisaatioon. Kuvattu prosessi on itseään ylläpitävä vain, jos katodia pommittavien kationien energia ja tietty määrä niitä on riittävästi, mikä riippuu elektrodien potentiaalierosta ja putken kaasun paineesta.
Hehkupurkaus hehkuu. Sähkömagneettisten a altojen emissio johtuu kahdesta rinnakkaisesta prosessista:
- elektronikationi-parien rekombinaatio, johon liittyy energian vapautuminen;
- neutraalien kaasumolekyylien (atomien) siirtyminen virittyneestä tilasta perustilaan.
Tällaisille purkaustyypeille tyypillisiä ominaisuuksia ovat pienet virrat (muutama milliampeeri) ja pienet kiinteät jännitteet (100-400 V), mutta kynnysjännite on useita tuhansia voltteja kaasun paineesta riippuen.
Esimerkkejä hehkupurkauksista ovat loistelamput ja neonlamput. Luonnossa tämän tyypin voidaan katsoa johtuvan revontulista (ionien liike virtaa Maan magneettikentässä).
Kipinäpurkaus
Tämä on tyypillinen ilmakehän sähköpurkaus, joka näkyy salamana. Sen olemassaoloon tarvitaan paitsi korkeiden kaasupaineiden (1 atm tai enemmän) läsnäolo, myös v altavia jännityksiä. Ilma on melko hyvä eriste (eriste). Sen läpäisevyys vaihtelee välillä 4 - 30 kV/cm, riippuenkosteuden ja kiinteiden hiukkasten läsnäolo siinä. Nämä luvut osoittavat, että jokaiseen ilmametriin on syötettävä vähintään 4 000 000 volttia häiriön (kipinän) aikaansaamiseksi!
Luonnossa kumpupilvissä esiintyy sellaisia olosuhteita, joissa ilmamassojen välisen kitkan, ilman konvektion ja kiteytymisen (tiivistymisen) seurauksena varaukset jakautuvat uudelleen siten, että pilvien alemmat kerrokset ovat ladattu negatiivisesti ja ylemmät kerrokset positiivisesti. Potentiaaliero kertyy vähitellen, kun sen arvo alkaa ylittää ilman eristysominaisuudet (useita miljoonia voltteja metriä kohti), sitten tapahtuu salama - sähköpurkaus, joka kestää sekunnin murto-osan. Sen virranvoimakkuus saavuttaa 10-40 tuhatta ampeeria ja plasman lämpötila kanavassa nousee 20 000 K.
Salamaprosessin aikana vapautuva minimienergia voidaan laskea, jos otamme huomioon seuraavat tiedot: prosessi kehittyy t=110-6 s aikana, I=10 000 A, U=109 B, niin saadaan:
E=IUt=10 miljoonaa J
Saatu luku vastaa energiaa, joka vapautuu 250 kg:n dynamiittia räjähtäessään.
Kaaripurkaus
Kipinän lisäksi se syntyy, kun kaasussa on riittävä paine. Sen ominaisuudet ovat lähes täysin samanlaiset kuin kipinällä, mutta eroja on:
- Ensinnäkin virrat saavuttavat kymmenentuhatta ampeeria, mutta samalla jännite on useita satoja voltteja, mikä liittyyerittäin johtava väliaine;
- toiseksi, kaaripurkaus on olemassa vakaasti ajassa, toisin kuin kipinä.
Siirtyminen tämän tyyppiseen purkaukseen tapahtuu asteittaisen jännitteen nousun avulla. Purkaus säilyy katodin lämpösäteilyn ansiosta. Silmiinpistävä esimerkki tästä on hitsauskaari.
Koronapurkaus
Tällaista sähköpurkausta kaasuissa havaitsivat usein merimiehet, jotka matkustivat Kolumbuksen löytämään uuteen maailmaan. He kutsuivat sinertävää hehkua mastojen päissä "Pyhän Elmon valoiksi".
Koronapurkaus tapahtuu kohteiden ympärillä, joilla on erittäin voimakas sähkökenttävoimakkuus. Tällaiset olosuhteet luodaan terävien esineiden lähellä (laivojen mastot, harjakattoiset rakennukset). Kun kappaleessa on staattinen varaus, sen päissä oleva kentänvoimakkuus johtaa ympäröivän ilman ionisaatioon. Tuloksena olevat ionit alkavat ajautua kohti kentän lähdettä. Nämä heikot virrat, jotka aiheuttavat samanlaisia prosesseja kuin hehkupurkauksen tapauksessa, johtavat hehkun esiintymiseen.
Päästöjen vaara ihmisten terveydelle
Korona- ja hehkupurkaukset eivät aiheuta erityistä vaaraa ihmisille, koska niille on ominaista alhaiset virrat (milliampeerit). Kaksi muuta edellä mainituista purkauksista ovat tappavia, jos ne joutuvat suoraan kosketukseen niiden kanssa.
Jos henkilö havaitsee salaman lähestyvän, hänen on sammutettava kaikki sähkölaitteet (mukaan lukien matkapuhelimet) ja myös asetettava itsensä niin, ettei se erotu ympäröivästä alueestakorkeus.
