Het tijdperk waarin we leven kan het tijdperk van de elektriciteit worden genoemd. De werking van computers, televisies, auto's, satellieten, kunstmatige verlichtingsapparaten zijn slechts een klein deel van de voorbeelden waar het wordt gebruikt. Een van de interessante en belangrijke processen voor een persoon is een elektrische ontlading. Laten we eens nader bekijken wat het is.
Een korte geschiedenis van de studie van elektriciteit
Wanneer maakte de mens kennis met elektriciteit? Het is moeilijk om deze vraag te beantwoorden, omdat het op een verkeerde manier is gesteld, omdat het meest opvallende natuurverschijnsel bliksem is, dat al sinds mensenheugenis bekend is.
De betekenisvolle studie van elektrische processen begon pas aan het einde van de eerste helft van de 18e eeuw. Hier moet worden opgemerkt dat een serieuze bijdrage aan de ideeën van de mens over elektriciteit door Charles Coulomb, die de kracht van interactie van geladen deeltjes bestudeerde, George Ohm, die wiskundig de parameters van de stroom in een gesloten circuit beschreef, en Benjamin Franklin, die veel experimenten uitgevoerd, het bestuderen van de aard van de bovengenoemdebliksem. Naast hen speelden wetenschappers als Luigi Galvani (de studie van zenuwimpulsen, de uitvinding van de eerste "batterij") en Michael Faraday (de studie van stroom in elektrolyten) een grote rol in de ontwikkeling van de fysica van elektriciteit.
De prestaties van al deze wetenschappers hebben een solide basis gelegd voor de studie en het begrip van complexe elektrische processen, waaronder een elektrische ontlading.
Wat is een lozing en welke voorwaarden zijn nodig voor het bestaan ervan?
Ontlading van elektrische stroom is een fysiek proces, dat wordt gekenmerkt door de aanwezigheid van een stroom geladen deeltjes tussen twee ruimtelijke gebieden met verschillende potentialen in een gasvormig medium. Laten we deze definitie opsplitsen.
Ten eerste, als mensen over ontlading praten, bedoelen ze altijd gas. Er kunnen ook ontladingen in vloeistoffen en vaste stoffen optreden (afbraak van een vaste condensator), maar het proces om dit fenomeen te bestuderen is gemakkelijker te overwegen in een minder dicht medium. Bovendien zijn het de lozingen in gassen die vaak worden waargenomen en van groot belang zijn voor het menselijk leven.
Ten tweede, zoals vermeld in de definitie van een elektrische ontlading, treedt deze alleen op als aan twee belangrijke voorwaarden wordt voldaan:
- wanneer er een potentiaalverschil is (elektrische veldsterkte);
- aanwezigheid van ladingsdragers (vrije ionen en elektronen).
Het potentiaalverschil zorgt voor de gerichte beweging van de lading. Als het een bepaalde drempelwaarde overschrijdt, verandert de niet-zelfvoorzienende ontlading inzelfvoorzienend of zelfvoorzienend.
Gratis ladingdragers zijn altijd aanwezig in elk gas. Hun concentratie hangt natuurlijk af van een aantal externe factoren en de eigenschappen van het gas zelf, maar het feit van hun aanwezigheid staat buiten kijf. Dit komt door het bestaan van bronnen van ionisatie van neutrale atomen en moleculen zoals ultraviolette stralen van de zon, kosmische straling en de natuurlijke straling van onze planeet.
De relatie tussen het potentiaalverschil en de dragerconcentratie bepa alt de aard van de ontlading.
Soorten elektrische ontladingen
Laten we deze soorten opsommen, en dan zullen we ze allemaal in meer detail karakteriseren. Dus alle lozingen in gasvormige media worden meestal als volgt onderverdeeld:
- smeul;
- vonk;
- arc;
- kroon.
Fysiek verschillen ze alleen van elkaar in vermogen (stroomdichtheid) en, als resultaat, in temperatuur, evenals in de aard van hun manifestatie in de tijd. In alle gevallen hebben we het over de overdracht van een positieve lading (kationen) naar de kathode (laag potentiaalgebied) en een negatieve lading (anionen, elektronen) naar de anode (hoog potentiaalgebied).
Gloeiontlading
Voor zijn bestaan is het noodzakelijk om lage gasdrukken te creëren (honderden en duizenden keren minder dan atmosferische druk). Een glimontlading wordt waargenomen in kathodebuizen die zijn gevuld met een soort gas (bijvoorbeeld Ne, Ar, Kr en andere). Het aanbrengen van spanning op de elektroden van de buis leidt tot de activering van het volgende proces: beschikbaar in het gaskationen beginnen snel te bewegen en bereiken de kathode, ze raken deze, brengen momentum over en schakelen elektronen uit. Dit laatste kan, in aanwezigheid van voldoende kinetische energie, leiden tot de ionisatie van neutrale gasmoleculen. Het beschreven proces zal alleen zelfvoorzienend zijn in het geval van voldoende energie van de kationen die de kathode bombarderen en een bepaalde hoeveelheid ervan, die afhangt van het potentiaalverschil bij de elektroden en de gasdruk in de buis.
Glow-ontlading gloeit. De emissie van elektromagnetische golven is het gevolg van twee parallelle processen:
- recombinatie van elektron-kationparen vergezeld van energieafgifte;
- overgang van neutrale gasmoleculen (atomen) van de aangeslagen toestand naar de grondtoestand.
Typische kenmerken van dit type ontlading zijn kleine stromen (enkele milliampère) en kleine stationaire spanningen (100-400 V), maar de drempelspanning is enkele duizenden volts, afhankelijk van de druk van het gas.
Voorbeelden van glimontlading zijn fluorescentielampen en neonlampen. In de natuur kan dit type worden toegeschreven aan het noorderlicht (de beweging van ionenstromen in het aardmagnetisch veld).
Vonkenontlading
Dit is een typische atmosferische elektrische ontlading die eruitziet als bliksem. Voor zijn bestaan zijn niet alleen de aanwezigheid van hoge gasdrukken (1 atm of meer), maar ook enorme spanningen noodzakelijk. Lucht is een redelijk goed diëlektricum (isolator). De doorlaatbaarheid varieert van 4 tot 30 kV/cm, afhankelijk vande aanwezigheid van vocht en vaste deeltjes erin. Deze cijfers geven aan dat er minimaal 4.000.000 volt op elke meter lucht moet staan om een storing (vonk) te veroorzaken!
In de natuur komen dergelijke omstandigheden voor in cumuluswolken, wanneer, als gevolg van wrijving tussen luchtmassa's, luchtconvectie en kristallisatie (condensatie), de ladingen zodanig worden herverdeeld dat de onderste lagen van de wolken negatief geladen en de bovenste lagen positief. Het potentiaalverschil stapelt zich geleidelijk op, wanneer de waarde de isolerende capaciteiten van lucht begint te overschrijden (enkele miljoenen volt per meter), dan treedt bliksem op - een elektrische ontlading die een fractie van een seconde aanhoudt. De stroomsterkte daarin bereikt 10-40 duizend ampère en de plasmatemperatuur in het kanaal stijgt tot 20.000 K.
De minimale energie die vrijkomt tijdens het bliksemproces kan worden berekend als we rekening houden met de volgende gegevens: het proces ontwikkelt zich gedurende t=110-6 s, I=10 000 A, U=109 B, dan krijgen we:
E=IUt=10 miljoen J
Het resulterende cijfer is gelijk aan de energie die vrijkomt bij de explosie van 250 kg dynamiet.
Boogontlading
Het treedt niet alleen op als er een vonk is, maar ook wanneer er voldoende druk in het gas is. De kenmerken zijn bijna volledig vergelijkbaar met de vonk, maar er zijn verschillen:
- Ten eerste bereiken de stromen tienduizend ampère, maar de spanning is tegelijkertijd enkele honderden volt, wat wordt geassocieerd metsterk geleidend medium;
- ten tweede, de boogontlading bestaat stabiel in de tijd, in tegenstelling tot de vonk.
De overgang naar dit type ontlading wordt uitgevoerd door een geleidelijke toename van de spanning. De ontlading wordt gehandhaafd door thermionische emissie van de kathode. Een treffend voorbeeld hiervan is de lasboog.
Corona-ontlading
Dit type elektrische ontlading in gassen werd vaak waargenomen door zeelieden die naar de door Columbus ontdekte Nieuwe Wereld reisden. Ze noemden de blauwachtige gloed aan de uiteinden van de masten "St. Elmo's lichten."
Een corona-ontlading vindt plaats rond objecten met een zeer sterke elektrische veldsterkte. Dergelijke omstandigheden worden gecreëerd in de buurt van scherpe voorwerpen (masten van schepen, gebouwen met puntdaken). Wanneer een lichaam enige statische lading heeft, leidt de veldsterkte aan de uiteinden tot ionisatie van de omringende lucht. De resulterende ionen beginnen hun drift naar de bron van het veld. Deze zwakke stromen, die soortgelijke processen veroorzaken als in het geval van een glimontlading, leiden tot het verschijnen van een gloed.
Gevaar van lozingen voor de menselijke gezondheid
Corona- en glimontladingen vormen geen bijzonder gevaar voor de mens, omdat ze worden gekenmerkt door lage stromen (milliampère). De andere twee van de bovenstaande lozingen zijn dodelijk in geval van direct contact met hen.
Als een persoon de nadering van bliksem waarneemt, moet hij alle elektrische apparaten (inclusief mobiele telefoons) uitschakelen en zich ook zo opstellen dat hij niet opv alt in termen vanhoogte.
