L'edat en què vivim es pot anomenar l'era de l'electricitat. El funcionament d'ordinadors, televisors, automòbils, satèl·lits, aparells d'il·luminació artificial són només una petita part dels exemples on s'utilitza. Un dels processos interessants i importants per a una persona és una descàrrega elèctrica. Mirem més de prop què és.
Una breu història de l'estudi de l'electricitat
Quan es va familiaritzar l'home amb l'electricitat? És difícil respondre a aquesta pregunta, perquè s'ha plantejat de manera incorrecta, perquè el fenomen natural més cridaner és el llamp, conegut des de temps immemorials.
L'estudi significatiu dels processos elèctrics va començar només a finals de la primera meitat del segle XVIII. Aquí cal destacar una contribució seriosa a les idees de l'home sobre l'electricitat per part de Charles Coulomb, que va estudiar la força d'interacció de les partícules carregades, George Ohm, que va descriure matemàticament els paràmetres del corrent en un circuit tancat, i Benjamin Franklin, que va realitzar molts experiments, estudiant la naturalesa dels esmentats anteriormentllamp. A més d'ells, científics com Luigi Galvani (estudi dels impulsos nerviosos, invenció de la primera "bateria") i Michael Faraday (estudi del corrent en electròlits) van tenir un paper important en el desenvolupament de la física de l'electricitat.
Els èxits de tots aquests científics han creat una base sòlida per a l'estudi i la comprensió de processos elèctrics complexos, un dels quals és una descàrrega elèctrica.
Què és una descàrrega i quines condicions són necessàries per a la seva existència?
La descàrrega de corrent elèctric és un procés físic, que es caracteritza per la presència d'un flux de partícules carregades entre dues regions espacials amb potencials diferents en un medi gasós. Desglossem aquesta definició.
En primer lloc, quan la gent parla de descàrrega, sempre es refereix al gas. També es poden produir descàrregues en líquids i sòlids (avaria d'un condensador sòlid), però el procés d'estudi d'aquest fenomen és més fàcil de considerar en un medi menys dens. A més, són les descàrregues en gasos les que s'observen sovint i són de gran importància per a la vida humana.
En segon lloc, tal com s'indica a la definició de descàrrega elèctrica, només es produeix quan es compleixen dues condicions importants:
- quan hi ha una diferència de potencial (intensitat del camp elèctric);
- presencia de portadors de càrrega (ions i electrons lliures).
La diferència de potencial assegura el moviment dirigit de la càrrega. Si supera un determinat valor llindar, la descàrrega no autosostenida es converteix enautoportant o autoportant.
Pel que fa als transportistes de càrrega gratuïta, sempre estan presents en qualsevol gas. La seva concentració, per descomptat, depèn d'una sèrie de factors externs i de les propietats del propi gas, però el fet mateix de la seva presència és indiscutible. Això es deu a l'existència de fonts d'ionització d'àtoms i molècules neutres com ara els raigs ultraviolats del Sol, la radiació còsmica i la radiació natural del nostre planeta.
La relació entre la diferència de potencial i la concentració del portador determina la naturalesa de la descàrrega.
Tipus de descàrregues elèctriques
Enumerem aquestes espècies, i després caracteritzarem cadascuna d'elles amb més detall. Per tant, totes les descàrregues en medis gasosos solen dividir-se en els següents:
- ardent;
- spark;
- arc;
- corona.
Físicament, es diferencien entre si només en la potència (densitat de corrent) i, com a resultat, en la temperatura, així com en la naturalesa de la seva manifestació en el temps. En tots els casos, estem parlant de la transferència d'una càrrega positiva (cations) al càtode (àrea de baix potencial) i d'una càrrega negativa (anions, electrons) a l'ànode (zona d' alt potencial).
Descàrrega brillant
Per a la seva existència, cal crear pressions de gas baixes (centenars i milers de vegades inferiors a la pressió atmosfèrica). S'observa una descàrrega brillant als tubs catòdics que s'omplen amb algun tipus de gas (per exemple, Ne, Ar, Kr i altres). L'aplicació de tensió als elèctrodes del tub comporta l'activació del següent procés: disponible en el gasEls cations comencen a moure's ràpidament, arribant al càtode, el toquen, transferint impuls i eliminant electrons. Aquest últim, en presència d'energia cinètica suficient, pot conduir a la ionització de molècules de gas neutre. El procés descrit serà autosuficient només en el cas que hi hagi prou energia dels cations que bombardegen el càtode i una certa quantitat d'ells, que depèn de la diferència de potencial als elèctrodes i de la pressió del gas al tub.
La descàrrega brillant brilla. L'emissió d'ones electromagnètiques es deu a dos processos paral·lels:
- recombinació de parells electron-catió acompanyada d'alliberament d'energia;
- transició de molècules de gas neutre (àtoms) de l'estat excitat a l'estat fonamental.
Les característiques típiques d'aquest tipus de descàrrega són corrents petites (uns pocs mil·liampers) i tensions estacionàries petites (100-400 V), però la tensió llindar és de diversos milers de volts, depenent de la pressió del gas.
Exemples de descàrrega brillant són les làmpades fluorescents i de neó. A la natura, aquest tipus es pot atribuir a les aurores boreals (el moviment dels fluxos d'ions en el camp magnètic terrestre).
Descàrrega d'espurna
Aquesta és una típica descàrrega elèctrica atmosfèrica que apareix com un llamp. Per a la seva existència, no només cal la presència d'eleves pressions de gas (1 atm o més), sinó també grans tensions. L'aire és un dielèctric (aïllant) força bo. La seva permeabilitat oscil·la entre 4 i 30 kV/cm, segonsla presència d'humitat i partícules sòlides en ell. Aquestes xifres indiquen que cal aplicar un mínim de 4.000.000 de volts a cada metre d'aire per produir una avaria (espurna)!
A la natura, aquestes condicions es donen en núvols cúmulus, quan, com a resultat de la fricció entre masses d'aire, la convecció de l'aire i la cristal·lització (condensació), les càrregues es redistribueixen de manera que les capes inferiors dels núvols es reparteixen. carregat negativament, i les capes superiors positivament. La diferència de potencial s'acumula gradualment, quan el seu valor comença a superar les capacitats d'aïllament de l'aire (uns quants milions de volts per metre), aleshores es produeix un llamp: una descàrrega elèctrica que dura una fracció de segon. La força actual arriba als 10-40 mil amperes i la temperatura del plasma al canal s'eleva a 20.000 K.
L'energia mínima que s'allibera durant el procés del llamp es pot calcular si tenim en compte les dades següents: el procés es desenvolupa durant t=110-6 s, I=10 000 A, U=109 B, llavors obtenim:
E=IUt=10 milions de J
La xifra resultant és equivalent a l'energia alliberada per l'explosió de 250 kg de dinamita.
Descàrrega d'arc
A més de l'espurna, es produeix quan hi ha prou pressió al gas. Les seves característiques són gairebé completament semblants a l'espurna, però hi ha diferències:
- Primer, els corrents arriben als deu mil amperes, però la tensió al mateix temps és de diversos centenars de volts, que s'associa ambmitjà altament conductor;
- en segon lloc, la descàrrega de l'arc existeix estable en el temps, a diferència de l'espurna.
La transició a aquest tipus de descàrrega es realitza mitjançant un augment gradual de la tensió. La descàrrega es manté a causa de l'emissió termoiònica del càtode. Un exemple sorprenent d'això és l'arc de soldadura.
Descàrrega Corona
Aquest tipus de descàrrega elèctrica en gasos va ser observat sovint pels mariners que viatjaven al Nou Món descobert per Colom. A la resplendor blavosa dels extrems dels pals van anomenar "Llums de Sant Elmo".
Una descàrrega de corona es produeix al voltant d'objectes que tenen una intensitat de camp elèctric molt forta. Aquestes condicions es creen prop d'objectes afilats (pals de vaixells, edificis amb sostres a dues aigües). Quan un cos té una mica de càrrega estàtica, la força del camp als seus extrems condueix a la ionització de l'aire circumdant. Els ions resultants comencen la seva deriva cap a la font del camp. Aquests corrents febles, que provoquen processos similars al cas d'una descàrrega brillant, donen lloc a l'aparició d'una resplendor.
Perill d'abocaments per a la salut humana
Les descàrregues de corona i resplendor no suposen un perill particular per als humans, ja que es caracteritzen per corrents baixes (miliamperis). Les altres dues descàrregues anteriors són mortals en cas de contacte directe amb elles.
Si una persona observa l'aproximació d'un llamp, llavors ha d'apagar tots els aparells elèctrics (inclosos els telèfons mòbils) i també col·locar-se per no destacar de l'entorn pel que fa aalçada.
