Вік, в якому ми живемо, можна назвати часом електрики. Робота комп’ютерів, телевізорів, автомобілів, супутників, приладів штучного освітлення – це лише мала частина прикладів, де воно використовується. Одним з цікавих і важливих для людини процесів є електричний розряд. Розглянемо детальніше, що він собою являє.
Коротка історія вивчення електрики
Коли людина познайомився з електрикою? Відповісти на це питання складно, оскільки він поставлений некоректним чином, адже найбільш яскраве природне явище – блискавка, відома з незапам’ятних часів.
Осмислене вивчення електричних процесів почалося лише з кінця першої половини XVIII століття. Тут слід відзначити серйозний внесок в уявлення людини про електриці Чарльза Кулона, досліджував силу взаємодії заряджених частинок, Георга Ома, математично описав параметри струму в замкнутому ланцюзі, і Бенджаміна Франкліна, який провів багато експериментів, вивчаючи природу вищеназваної блискавки. Крім них, велику роль у розвитку фізики електрики відіграли такі вчені, як Луїджі Гальвані (вивчення нервових імпульсів, винайдення першої «батарейки») і Майкл Фарадей (дослідження струму в електролітах).
Досягнення всіх названих вчених створили міцний фундамент для вивчення і розуміння складних електричних процесів, одним з яких є електричний розряд.
Що являє собою розряд і які умови необхідні для його існування?
Розряд електричного струму – це фізичний процес, який характеризується наявністю потоку заряджених частинок між двома просторовими областями, що мають різний потенціал у газовому середовищі. Розберемо це визначення.
По-перше, коли говорять про розряді, то завжди мають на увазі газ. Розряди в рідинах і твердих тілах теж можуть виникати (пробій твердого конденсатора), однак процес вивчення цього явища простіше розглянути в менш щільному середовищі. Більше того, саме розряди в газах часто спостерігаються і мають велике значення для життєдіяльності людини.
По-друге, як сказано у визначенні електричного розряду, він виникає тільки при дотриманні двох важливих умов:
- при існування різниці потенціалів (напруженості електричного поля);
- наявність носіїв заряду (вільних іонів та електронів).
Різниця потенціалів забезпечує спрямоване рух заряду. Якщо вона перевищує деяке граничне значення, то несамостійний розряд переходить в самопідтримуючий або самостійний.
Що стосується вільних носіїв заряду, то в будь-якому газі вони завжди присутні. Їх концентрація, природно, залежить від ряду зовнішніх факторів і властивостей самого газу, але сам факт їх наявності є безперечним. Це пов’язано з існуванням таких джерел іонізації нейтральних атомів і молекул, як ультрафіолетові промені від Сонця, космічне випромінювання та природна радіація нашої планети.
Співвідношення між різницею потенціалів і концентрацією носіїв визначає характер розряду.
Види електричних розрядів
Наведемо перелік цих видів, а потім детальніше охарактеризуємо кожний із них. Отже, всі розряди в газових середовищах прийнято поділяти на такі:
- тліючий;
- іскровий;
- дугового;
- коронний.
Фізично вони відрізняються один від одного лише потужністю (щільністю струму) і, як наслідок, температурою, а також характером їх прояву в часі. У всіх випадках мова йде про перенесення позитивного заряду (катіони) до катода (область низького потенціалу) і негативного заряду (аніони, електрони до анода (зона високого потенціалу).
Тліючий розряд
Для його існування необхідно створити низькі тиску газу (в сотні і тисячі разів менше атмосферного). Тліючий розряд спостерігається у катодних трубках, які заповнюються якимось газом (наприклад, Ne, Ar, Kr та інші). Додаток напруги до електродів трубки призводить до активації наступного процесу: наявні в газі катіони починають прискорено рухатися, досягнувши катода, вони вдаряють по ньому, передаючи імпульс і вибиваючи електрони. Останні при наявності достатньої кінетичної енергії можуть призводити до іонізації нейтральних молекул газу. Описаний процес самопідтримування тільки в разі достатньої енергії катіонів, що бомбардують катод, і їх певної кількості, що залежить від різниці потенціалів на електродах і тиску газу в трубці.
Тліючий розряд світиться. Випромінювання електромагнітних хвиль обумовлено двома йдуть паралельно процесами:
- рекомбінація пар електрон-катіон, що супроводжується виділенням енергії;
- перехід нейтральних молекул (атомів) газу із збудженого стану в основний.
Типовими характеристиками цього виду розряду є невеликі струми (кілька міліампер) і невеликі стаціонарні напруги (100-400 В), однак порогове напруга дорівнює кільком тисячам вольт, що залежить від тиску газу.
Прикладами тліючого розряду є люмінесцентні і неонові лампи. У природі до цього типу можна віднести північне сяйво (рух потоків іонів у магнітному полі Землі).
Іскровий розряд
Це типовий вид атмосферного електричного розряду, який проявляється у вигляді блискавки. Для його існування необхідно не тільки наявність великих тисків газу (1 атм і більше), але й у величезних напруг. Повітря являє собою досить хороший діелектрик (ізолятор). Його проникність лежить в межах від 4 до 30 кВ/см, що залежить від наявності в ньому вологи і твердих частинок. Ці цифри говорять про те, що для отримання пробою (іскри) необхідно прикласти мінімум 4 000 000 вольт на кожен метр повітря!
В природі такі умови виникають у купчастих хмарах, коли в результаті процесів тертя між повітряними масами, конвекції повітря і кристалізації (конденсації) відбувається перерозподіл зарядів таким чином, що нижні шари хмар заряджаються негативно, а верхні – позитивно. Різниця потенціалів поступово накопичується, коли його значення починає перевищувати ізоляційні можливості повітря (кілька млн вольт на метр), то виникає блискавка – електричний розряд, який триває протягом часток секунди. Сила струму в ньому досягає 10-40 тисяч ампер, а температура плазми в каналі піднімається до 20 000 К.
Мінімальну енергію, яка виділяється в процесі блискавки, можна вирахувати, якщо взяти до уваги наступні дані: процес розвивається протягом t=1*10-6 с, I = 10 000 А, U = 109, тоді отримаємо:
E = I*U*t = 10 млн Дж
Отримана цифра еквівалентна енергії, яка звільняється при вибуху 250 кг динаміту.
Дуговий розряд
Так само як і іскровий, він виникає при наявності достатнього тиску в газі. Його характеристики практично повністю аналогічні іскрового, але є і відмінності:
- по-перше, струми досягають десяти тисяч ампер, а напруга при цьому становить кілька сотень вольт, що пов’язано з високою провідністю середовища;
- по-друге, дуговий розряд існує стабільно в часі, на відміну від іскрового.
Перехід на цей вид розряду здійснюється поступовим підвищенням напруги. Підтримується розряд за рахунок термоелектронної емісії з катода. Яскравим його прикладом є зварювальна дуга.
Коронний розряд
Цей тип електричного розряду в газах часто спостерігали моряки, які подорожували в Новий Світ, відкритий Колумбом. Вони називали синювате світло на кінцях щогл «вогнями Святого Ельма».
Виникає коронний розряд навколо об’єктів, які мають дуже сильну напруженість електричного поля. Такі умови створюються поблизу гострих предметів (щогл кораблів, будівель з загостреними дахами). Коли тіло має певний статичний заряд, то напруженість поля на його кінцях призводить до іонізації навколишнього повітря. Виникли іони починають свій дрейф до джерела поля. Ці слабкі струми, що викликають аналогічні процеси, що й у випадку тліючого розряду, що призводять до появи світіння.
Небезпека розрядів для здоров’я людини
Коронний і тліючий розряди особливої небезпеки не представляють для людини, оскільки вони характеризуються низькими струмами (міліампери). Два інших з вищеназваних розрядів є смертельно небезпечними в разі прямого контакту з ними.
Якщо людина спостерігає наближення блискавки, то він повинен вимкнути всі електроприлади (включаючи мобільні телефони), а також розташуватися так, щоб не виділятися серед навколишньої місцевості в плані висоти.
