Doba u kojem živimo možemo nazvati dobom struje. Rad kompjutera, televizora, automobila, satelita, uređaja za umjetnu rasvjetu samo su mali dio primjera u kojima se koristi. Jedan od zanimljivih i važnih procesa za osobu je električno pražnjenje. Pogledajmo bliže šta je to.
Kratka istorija proučavanja električne energije
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 polovine 18. veka. Ovdje treba istaći ozbiljan doprinos idejama čovjeka o elektricitetu od strane Charlesa Coulomba, koji je proučavao silu interakcije nabijenih čestica, Georgea Ohma, koji je matematički opisao parametre struje u zatvorenom kolu, i Benjamina Franklina, koji je proveo mnoge eksperimente, proučavajući prirodu gore navedenogmunja. Pored njih, veliku ulogu u razvoju fizike elektriciteta imali su naučnici kao što su Luigi Galvani (proučavanje nervnih impulsa, pronalazak prve "baterije") i Michael Faraday (proučavanje struje u elektrolitima).
Dostignuća svih ovih naučnika stvorila su čvrstu osnovu za proučavanje i razumijevanje složenih električnih procesa, od kojih je jedan električno pražnjenje.
Šta je pražnjenje i koji su uslovi neophodni za njegovo postojanje?
Praznjenje električne struje je fizički proces, koji se karakteriše prisustvom toka naelektrisanih čestica između dva prostorna područja koja imaju različite potencijale u gasovitom mediju. Hajde da raščlanimo ovu definiciju.
Prvo, kada ljudi govore o pražnjenju, uvijek misle na plin. Može doći i do pražnjenja u tečnostima i čvrstim materijama (propad čvrstog kondenzatora), ali je proces proučavanja ove pojave lakše razmotriti u manje gustom mediju. Štaviše, česta su pražnjenja u gasovima koja su od velike važnosti za ljudski život.
Drugo, kao što je navedeno u definiciji električnog pražnjenja, ono se javlja samo kada su ispunjena dva važna uslova:
- kada postoji razlika potencijala (jačina električnog polja);
- prisustvo nosilaca naboja (slobodnih jona i elektrona).
Potencijalna razlika osigurava usmjereno kretanje punjenja. Ako prelazi 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, zavisi od niza vanjskih faktora i svojstava samog plina, ali je sama činjenica njihovog prisustva neosporna. To je zbog postojanja takvih izvora jonizacije neutralnih atoma i molekula kao što su ultraljubičasti zraci Sunca, kosmičko zračenje i prirodno zračenje naše planete.
Odnos između razlike potencijala i koncentracije nosioca određuje prirodu pražnjenja.
Vrste električnih pražnjenja
Nabrojimo ove vrste, a zatim ćemo svaku od njih detaljnije okarakterisati. Dakle, sva ispuštanja u gasovitim medijima obično se dijele na sljedeće:
- tinjanje;
- spark;
- arc;
- kruna.
Fizički se razlikuju jedni od drugih samo po snazi (gustini struje) i, kao rezultat, po temperaturi, kao i po prirodi njihovog ispoljavanja u vremenu. U svim slučajevima govorimo o prijenosu pozitivnog naboja (katjona) na katodu (područje niskog potencijala) i negativnog naboja (anjoni, elektroni) na anodu (zona visokog potencijala).
Glow Discharge
Za njegovo postojanje potrebno je stvoriti niske pritiske gasa (stotine i hiljade 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, dostižući katodu, udaraju u nju, prenoseći zamah i izbacujući elektrone. Potonje, u prisustvu dovoljne kinetičke energije, može dovesti do ionizacije neutralnih molekula plina. Opisani proces će biti samoodrživi samo u slučaju dovoljne energije kationa koji bombarduju katodu i određene količine istih, što zavisi od razlike potencijala na elektrodama i pritiska gasa u cevi.
Svjetleće pražnjenje svijetli. Emisija elektromagnetnih talasa nastaje zbog dva paralelna procesa:
- rekombinacija elektron-katjonskih parova praćena oslobađanjem energije;
- prijelaz neutralnih molekula plina (atoma) iz pobuđenog stanja u osnovno stanje.
Tipične karakteristike ovog tipa pražnjenja su male struje (nekoliko miliampera) i mali stacionarni naponi (100-400 V), ali granični napon je nekoliko hiljada volti, u zavisnosti od pritiska gasa.
Primjeri sjajnog pražnjenja su fluorescentne i neonske lampe. U prirodi se ovaj tip može pripisati sjevernom svjetlu (kretanje jonskih tokova u magnetskom polju Zemlje).
Svjetničko pražnjenje
Ovo je tipično atmosfersko električno pražnjenje koje izgleda kao munja. Za njegovo postojanje neophodno je ne samo prisustvo visokih pritisaka gasa (1 atm ili više), već i velika naprezanja. Vazduh je prilično dobar dielektrik (izolator). Njegova propusnost se kreće od 4 do 30 kV/cm, u zavisnosti odprisustvo vlage i čvrstih čestica u njemu. Ove brojke pokazuju da najmanje 4.000.000 volti mora biti primijenjeno na svaki metar zraka da bi došlo do kvara (iskre)!
U prirodi se takvi uslovi javljaju u kumulusnim oblacima, kada se kao rezultat trenja između vazdušnih masa, konvekcije vazduha i kristalizacije (kondenzacije), naelektrisanja preraspodele na način da se donji slojevi oblaka preraspodele naelektrisan negativno, a gornji slojevi pozitivno. Razlika potencijala se postepeno akumulira, kada njena vrijednost počne premašivati izolacijske mogućnosti zraka (nekoliko miliona volti po metru), tada se javlja munja - električno pražnjenje koje traje djelić sekunde. Jačina struje u njemu dostiže 10-40 hiljada ampera, a temperatura plazme u kanalu raste do 20.000 K.
Minimalna energija koja se oslobađa tokom procesa munje može se izračunati ako uzmemo u obzir sljedeće podatke: proces se razvija tokom t=110-6 s, I=10 000 A, U=109 B, tada dobijamo:
E=IUt=10 miliona J
Rezultirajuća cifra je ekvivalentna energiji oslobođenoj eksplozijom 250 kg dinamita.
Arc Discharge
Kao i varnica, javlja se kada postoji dovoljan pritisak u gasu. Njegove karakteristike su skoro potpuno slične iskri, ali postoje razlike:
- Prvo, struje dostižu deset hiljada ampera, ali napon u isto vrijeme iznosi nekoliko stotina volti, što je povezano savisoko provodljiv medij;
- drugo, lučno pražnjenje postoji stabilno u vremenu, za razliku od iskre.
Prelazak na ovu vrstu pražnjenja vrši se postepenim povećanjem napona. Pražnjenje se održava zahvaljujući termoionskoj emisiji iz katode. Upečatljiv primjer ovoga je luk zavarivanja.
Corona discharge
Ovu vrstu električnog pražnjenja u plinovima često su opažali mornari koji su putovali u Novi svijet koji je otkrio Kolumbo. Nazvali su plavkasti sjaj na krajevima jarbola "Svjetla Svetog Elma."
Koronsko pražnjenje se dešava oko objekata koji imaju veoma jaku jačinu električnog polja. Takvi uslovi se stvaraju u blizini oštrih predmeta (jarboli brodova, zgrade sa dvovodnim krovovima). Kada tijelo ima statički naboj, tada jačina polja na njegovim krajevima dovodi do jonizacije okolnog zraka. Rezultirajući ioni počinju svoj drift prema izvoru polja. Ove slabe struje, koje izazivaju slične procese kao u slučaju usijanog pražnjenja, dovode do pojave sjaja.
Opasnost od pražnjenja po ljudsko zdravlje
Korona i usijana pražnjenja ne predstavljaju posebnu opasnost za ljude, jer ih karakteriziraju niske struje (miliamperi). Druga dva od gore navedenih pražnjenja su smrtonosna u slučaju direktnog kontakta sa njima.
Ako osoba posmatra približavanje munje, tada mora isključiti sve električne aparate (uključujući i mobilne telefone), a takođe se postaviti tako da se ne izdvaja od okoline po pitanjuvisina.
