Vek, v ktorom žijeme, možno nazvať vekom elektriny. Prevádzka počítačov, televízorov, automobilov, satelitov, zariadení umelého osvetlenia je len malá časť príkladov, kde sa používa. Jedným zo zaujímavých a dôležitých procesov pre človeka je elektrický výboj. Pozrime sa bližšie na to, čo to je.
Stručná história štúdia elektriny
Kedy sa človek zoznámil s elektrinou? Na túto otázku je ťažké odpovedať, pretože bola položená nesprávne, pretože najvýraznejším prírodným javom je blesk, známy od nepamäti.
Zmysluplné štúdium elektrických procesov sa začalo až na konci prvej polovice 18. storočia. Tu treba poznamenať vážny príspevok k predstavám človeka o elektrine od Charlesa Coulomba, ktorý študoval silu interakcie nabitých častíc, Georgea Ohma, ktorý matematicky opísal parametre prúdu v uzavretom okruhu a Benjamina Franklina, ktorý vykonal mnoho experimentov, študoval povahu vyššie uvedenéhoblesk. Okrem nich zohrali veľkú úlohu vo vývoji fyziky elektriny vedci ako Luigi Galvani (štúdium nervových impulzov, vynález prvej „batérie“) a Michael Faraday (náuka prúdu v elektrolytoch).
Úspechy všetkých týchto vedcov vytvorili pevný základ pre štúdium a pochopenie zložitých elektrických procesov, z ktorých jedným je elektrický výboj.
Čo je výboj a aké podmienky sú potrebné na jeho existenciu?
Výboj elektrického prúdu je fyzikálny proces, ktorý je charakterizovaný prítomnosťou toku nabitých častíc medzi dvoma priestorovými oblasťami s rôznym potenciálom v plynnom médiu. Poďme rozobrať túto definíciu.
Po prvé, keď ľudia hovoria o výtoku, vždy majú na mysli plyn. Môžu sa vyskytnúť aj výboje v kvapalinách a pevných látkach (rozpad pevného kondenzátora), ale proces štúdia tohto javu je ľahšie zvážiť v menej hustom médiu. Okrem toho sú to výboje v plynoch, ktoré sú často pozorované a majú veľký význam pre ľudský život.
Po druhé, ako je uvedené v definícii elektrického výboja, dochádza k nemu iba vtedy, keď sú splnené dve dôležité podmienky:
- keď existuje potenciálny rozdiel (sila elektrického poľa);
- prítomnosť nosičov náboja (voľné ióny a elektróny).
Potenciálny rozdiel zabezpečuje riadený pohyb náboja. Ak prekročí určitú prahovú hodnotu, potom sa nesamostatný výboj zmení nasamonosné alebo samonosné.
Pokiaľ ide o bezplatné nosiče náboja, sú vždy prítomné v akomkoľvek plyne. Ich koncentrácia, samozrejme, závisí od množstva vonkajších faktorov a vlastností samotného plynu, no samotný fakt o ich prítomnosti je nespochybniteľný. Je to spôsobené existenciou takých zdrojov ionizácie neutrálnych atómov a molekúl, ako sú ultrafialové lúče zo Slnka, kozmické žiarenie a prirodzené žiarenie našej planéty.
Vzťah medzi potenciálnym rozdielom a koncentráciou nosiča určuje povahu výboja.
Typy elektrických výbojov
Vymenujme si tieto druhy a potom si každý z nich bližšie charakterizujeme. Všetky výboje v plynných médiách sa teda zvyčajne delia na:
- smoldering;
- spark;
- arc;
- koruna.
Fyzicky sa od seba líšia iba výkonom (prúdovou hustotou) a v dôsledku toho aj teplotou, ako aj povahou ich prejavu v čase. Vo všetkých prípadoch hovoríme o prenose kladného náboja (katióny) na katódu (oblasť nízkeho potenciálu) a záporného náboja (anióny, elektróny) na anódu (zóna vysokého potenciálu).
Žiarivý výboj
Pre svoju existenciu je potrebné vytvárať nízke tlaky plynu (stotisíckrát menšie ako atmosférický tlak). Žiarivý výboj sa pozoruje v katódových trubiciach, ktoré sú naplnené nejakým druhom plynu (napríklad Ne, Ar, Kr a iné). Aplikácia napätia na elektródy trubice vedie k aktivácii nasledujúceho procesu: dostupného v plynekatióny sa začnú rýchlo pohybovať, dosiahnu katódu, zasiahnu ju, prenesú hybnosť a vyradia elektróny. Ten môže v prítomnosti dostatočnej kinetickej energie viesť k ionizácii molekúl neutrálneho plynu. Opísaný proces bude samoudržateľný iba v prípade dostatočnej energie katiónov bombardujúcich katódu a ich určitého množstva, ktoré závisí od rozdielu potenciálov na elektródach a tlaku plynu v trubici.
Žiarivý výboj svieti. Emisia elektromagnetických vĺn je spôsobená dvoma paralelnými procesmi:
- rekombinácia elektrón-katiónových párov sprevádzaná uvoľnením energie;
- prechod molekúl neutrálneho plynu (atómov) z excitovaného stavu do základného stavu.
Typickými charakteristikami tohto typu výboja sú malé prúdy (niekoľko miliampérov) a malé stacionárne napätia (100-400 V), ale prahové napätie je niekoľko tisíc voltov v závislosti od tlaku plynu.
Príkladom žeravého výboja sú žiarivky a neónové lampy. V prírode možno tento typ pripísať severným svetlám (pohyb tokov iónov v magnetickom poli Zeme).
Iskrový výboj
Toto je typický atmosférický elektrický výboj, ktorý sa javí ako blesk. Pre jeho existenciu je nevyhnutná nielen prítomnosť vysokého tlaku plynu (1 atm alebo viac), ale aj obrovské namáhanie. Vzduch je pomerne dobré dielektrikum (izolant). Jeho priepustnosť sa pohybuje od 4 do 30 kV/cm, v závislosti odprítomnosť vlhkosti a pevných častíc v ňom. Tieto čísla naznačujú, že na každý meter vzduchu sa musí použiť minimálne 4 000 000 voltov, aby sa vytvorila porucha (iskra)!
V prírode nastávajú v kupovitých oblakoch také podmienky, keď v dôsledku trenia medzi vzduchovými hmotami, konvekciou vzduchu a kryštalizáciou (kondenzáciou) dochádza k prerozdeleniu nábojov tak, že spodné vrstvy oblakov sú nabité záporne a horné vrstvy kladne. Potenciálny rozdiel sa postupne akumuluje, keď jeho hodnota začne presahovať izolačné schopnosti vzduchu (niekoľko miliónov voltov na meter), potom dôjde k blesku – elektrickému výboju, ktorý trvá zlomok sekundy. Súčasná sila v ňom dosahuje 10-40 tisíc ampérov a teplota plazmy v kanáli stúpa na 20 000 K.
Minimálnu energiu, ktorá sa uvoľní počas procesu blesku, možno vypočítať, ak vezmeme do úvahy nasledujúce údaje: proces sa vyvíja počas t=110-6 s, I=10 000 A, U=109 B, potom dostaneme:
E=IUt=10 miliónov J
Výsledný údaj zodpovedá energii uvoľnenej pri výbuchu 250 kg dynamitu.
Oblúkový výboj
Okrem iskry vzniká, keď je v plyne dostatočný tlak. Jeho vlastnosti sú takmer úplne podobné iskru, existujú však rozdiely:
- Po prvé, prúdy dosahujú desaťtisíc ampérov, ale napätie je zároveň niekoľko stoviek voltov, čo súvisí svysoko vodivé médium;
- po druhé, oblúkový výboj existuje stabilne v čase, na rozdiel od iskry.
Prechod na tento typ výboja sa uskutočňuje postupným zvyšovaním napätia. Výboj je udržiavaný vďaka termionickej emisii z katódy. Pozoruhodným príkladom je zvárací oblúk.
Korónový výboj
Tento typ elektrického výboja v plynoch často pozorovali námorníci, ktorí cestovali do Nového sveta objaveného Kolumbom. Nazvali modrastú žiaru na koncoch stožiarov „Svetlá sv. Elma.“
Korónový výboj sa vyskytuje okolo predmetov, ktoré majú veľmi silné elektrické pole. Takéto podmienky sa vytvárajú v blízkosti ostrých predmetov (stožiare lodí, budovy so sedlovými strechami). Keď má telo nejaký statický náboj, potom sila poľa na jeho koncoch vedie k ionizácii okolitého vzduchu. Výsledné ióny sa začnú unášať smerom k zdroju poľa. Tieto slabé prúdy, ktoré spôsobujú podobné procesy ako v prípade žeravého výboja, vedú k vzniku žiary.
Nebezpečenstvo výbojov pre ľudské zdravie
Korónové a žeravé výboje nepredstavujú pre človeka zvláštne nebezpečenstvo, pretože sa vyznačujú nízkymi prúdmi (miliampéry). Ďalšie dva z vyššie uvedených výbojov sú smrteľné v prípade priameho kontaktu s nimi.
Ak človek spozoruje približovanie sa blesku, musí vypnúť všetky elektrické spotrebiče (vrátane mobilných telefónov) a tiež sa postaviť tak, aby nevyčnieval z okolia z hľadiskavýška.
