عصری که در آن زندگی می کنیم را می توان عصر برق نامید. عملکرد رایانه، تلویزیون، خودرو، ماهواره، دستگاه های روشنایی مصنوعی تنها بخش کوچکی از نمونه هایی است که در آن مورد استفاده قرار می گیرد. یکی از فرآیندهای جالب و مهم برای یک فرد تخلیه الکتریکی است. بیایید نگاه دقیق‌تری به چیستی آن بیندازیم.
تاریخچه مختصر از مطالعه برق
انسان از چه زمانی با برق آشنا شد؟ پاسخ به این سوال دشوار است، زیرا به روشی نادرست مطرح شده است، زیرا چشمگیرترین پدیده طبیعی رعد و برق است که از زمان های بسیار قدیم شناخته شده است.
مطالعه معنی دار فرآیندهای الکتریکی تنها در پایان نیمه اول قرن هجدهم آغاز شد. در اینجا باید به مشارکت جدی چارلز کولمب که نیروی برهمکنش ذرات باردار را مورد مطالعه قرار داد، جورج اهم که پارامترهای جریان را در یک مدار بسته به طور ریاضی توصیف کرد و بنجامین فرانکلین که به طور ریاضیاتی پارامترهای جریان را در مدار بسته توصیف کرد، به ایده های انسان در مورد الکتریسیته اشاره کرد. آزمایش های زیادی را انجام داد و ماهیت موارد فوق را مطالعه کردرعد و برق. علاوه بر آنها، دانشمندانی مانند لوئیجی گالوانی (مطالعه تکانه های عصبی، اختراع اولین "باتری") و مایکل فارادی (مطالعه جریان در الکترولیت ها) نقش زیادی در توسعه فیزیک الکتریسیته داشتند.
دستاوردهای همه این دانشمندان پایه محکمی برای مطالعه و درک فرآیندهای الکتریکی پیچیده ایجاد کرده است که یکی از آنها تخلیه الکتریکی است.
ترشح چیست و چه شرایطی برای وجود آن لازم است؟
تخلیه جریان الکتریکی یک فرآیند فیزیکی است که با وجود جریانی از ذرات باردار بین دو ناحیه فضایی با پتانسیل های مختلف در یک محیط گازی مشخص می شود. بیایید این تعریف را تجزیه کنیم.
اول، وقتی مردم در مورد ترشح صحبت می کنند، همیشه منظورشان گاز است. تخلیه در مایعات و جامدات نیز می تواند رخ دهد (تجزیه یک خازن جامد)، اما فرآیند مطالعه این پدیده در محیطی با چگالی کمتر آسان تر است. علاوه بر این، این ترشحات در گازها است که اغلب مشاهده می شود و برای زندگی انسان اهمیت زیادی دارد.
دوم، همانطور که در تعریف تخلیه الکتریکی گفته شد، تنها زمانی رخ می دهد که دو شرط مهم برآورده شود:
- وقتی اختلاف پتانسیل وجود دارد (قدرت میدان الکتریکی)؛
- وجود حامل های بار (یون ها و الکترون های آزاد).
تفاوت پتانسیل حرکت هدایت شده شارژ را تضمین می کند. اگر از مقدار آستانه معینی فراتر رود، تخلیه غیرخودپایدار تبدیل بهخود حمایت کننده یا خود حمایت کننده.
در مورد حامل های شارژ رایگان، آنها همیشه در هر گازی وجود دارند. البته غلظت آنها به تعدادی از عوامل خارجی و خواص خود گاز بستگی دارد، اما وجود آنها غیرقابل انکار است. این به دلیل وجود چنین منابع یونیزاسیون اتم‌ها و مولکول‌های خنثی مانند پرتوهای فرابنفش خورشید، تابش کیهانی و تشعشعات طبیعی سیاره ماست.
رابطه بین اختلاف پتانسیل و غلظت حامل ماهیت تخلیه را تعیین می کند.
انواع تخلیه الکتریکی
بیایید این گونه ها را فهرست کنیم و سپس هر یک از آنها را با جزئیات بیشتری توصیف می کنیم. بنابراین، تمام تخلیه‌ها در محیط‌های گازی معمولاً به موارد زیر تقسیم می‌شوند:
- دود؛
- جرقه;
- arc;
- تاج.
از نظر فیزیکی فقط از نظر قدرت (چگالی جریان) و در نتیجه در دما و همچنین در ماهیت تجلی آنها در زمان با یکدیگر تفاوت دارند. در همه موارد، ما در مورد انتقال یک بار مثبت (کاتیون ها) به کاتد (منطقه با پتانسیل کم) و یک بار منفی (آنیون ها، الکترون ها) به آند (منطقه با پتانسیل بالا) صحبت می کنیم.
تخلیه براق
برای وجود آن، ایجاد فشارهای گاز پایین (صدها و هزاران برابر کمتر از فشار اتمسفر) ضروری است. در لوله های کاتدی که با نوعی گاز (به عنوان مثال Ne، Ar، Kr و غیره) پر شده اند، تخلیه درخششی مشاهده می شود. اعمال ولتاژ به الکترودهای لوله منجر به فعال شدن فرآیند زیر می شود: موجود در گازکاتیون‌ها به سرعت شروع به حرکت می‌کنند، به کاتد می‌رسند، به آن ضربه می‌زنند و تکانه را منتقل می‌کنند و الکترون‌ها را از بین می‌برند. دومی، در حضور انرژی جنبشی کافی، می تواند منجر به یونیزاسیون مولکول های گاز خنثی شود. فرآیند توصیف شده تنها در صورت انرژی کافی کاتیون های بمباران کننده کاتد و مقدار معینی از آنها که به اختلاف پتانسیل در الکترودها و فشار گاز در لوله بستگی دارد، خودپایدار خواهد بود.
تخلیه براق می درخشد. انتشار امواج الکترومغناطیسی به دلیل دو فرآیند موازی است:
- بازترکیب جفت الکترون-کاتیون همراه با آزادسازی انرژی؛
- انتقال مولکول های گاز خنثی (اتم ها) از حالت برانگیخته به حالت پایه.
ویژگی های معمول این نوع تخلیه جریان های کوچک (چند میلی آمپر) و ولتاژهای ثابت کوچک (100-400 ولت) است، اما ولتاژ آستانه، بسته به فشار گاز، چندین هزار ولت است.
نمونه هایی از تخلیه درخشش لامپ های فلورسنت و نئون هستند. در طبیعت، این نوع را می توان به شفق شمالی (حرکت یون در میدان مغناطیسی زمین) نسبت داد.
ترشح جرقه
این یک تخلیه الکتریکی اتمسفر معمولی است که به صورت رعد و برق ظاهر می شود. برای وجود آن، نه تنها وجود فشار گاز بالا (1 اتمسفر یا بیشتر)، بلکه تنش های عظیم نیز ضروری است. هوا یک دی الکتریک (عایق) نسبتاً خوب است. نفوذپذیری آن بسته به نوع آن از 4 تا 30 کیلوولت بر سانتی متر متغیر استوجود رطوبت و ذرات جامد در آن. این ارقام نشان می دهد که برای ایجاد یک شکست (جرقه) باید حداقل 4000000 ولت به هر متر هوا اعمال شود!
در طبیعت، چنین شرایطی در ابرهای کومولوس رخ می دهد، زمانی که در نتیجه اصطکاک بین توده های هوا، همرفت هوا و تبلور (تراکم)، بارها به گونه ای توزیع می شوند که لایه های پایینی ابرها بار منفی، و لایه های بالایی مثبت. اختلاف پتانسیل به تدریج جمع می شود، زمانی که مقدار آن شروع به فراتر رفتن از قابلیت های عایق هوا (چند میلیون ولت در هر متر) می کند، سپس رعد و برق رخ می دهد - یک تخلیه الکتریکی که برای کسری از ثانیه طول می کشد. قدرت فعلی در آن به 10-40 هزار آمپر می رسد و دمای پلاسما در کانال به 20000 کلوین می رسد.
حداقل انرژی آزاد شده در طول فرآیند رعد و برق را می توان با در نظر گرفتن داده های زیر محاسبه کرد: فرآیند در طول t=110-6 ثانیه توسعه می یابد، I=10 000 A، U=109 B، سپس دریافت می کنیم:
E=IUt=10 میلیون J
رقم به دست آمده معادل انرژی آزاد شده از انفجار 250 کیلوگرم دینامیت است.
تخلیه قوس
همچنین جرقه، زمانی رخ می دهد که فشار کافی در گاز وجود داشته باشد. ویژگی های آن تقریباً کاملاً شبیه به جرقه است، اما تفاوت هایی وجود دارد:
- اول اینکه جریان به ده هزار آمپر می رسد، اما ولتاژ در همان زمان چند صد ولت است که بامحیط بسیار رسانا؛
- ثانیاً، تخلیه قوس بر خلاف جرقه به طور پایدار در زمان وجود دارد.
انتقال به این نوع تخلیه با افزایش تدریجی ولتاژ انجام می شود. تخلیه به دلیل انتشار ترمیونی از کاتد حفظ می شود. نمونه بارز این قوس جوشکاری است.
ترخیص کرونا
این نوع تخلیه الکتریکی در گازها اغلب توسط ملوانانی که به دنیای جدید کشف شده توسط کلمب سفر می کردند مشاهده می شد. آنها درخشش آبی در انتهای دکل ها را "چراغ های سنت المو" نامیدند.
تخلیه تاج در اطراف اجسامی که دارای قدرت میدان الکتریکی بسیار قوی هستند رخ می دهد. چنین شرایطی در نزدیکی اجسام تیز (دکل کشتی ها، ساختمان هایی با سقف های شیروانی) ایجاد می شود. هنگامی که یک جسم مقداری بار ساکن دارد، آنگاه قدرت میدان در انتهای آن منجر به یونیزه شدن هوای اطراف می شود. یون های حاصل حرکت خود را به سمت منبع میدان آغاز می کنند. این جریان‌های ضعیف، که فرآیندهای مشابهی را در مورد تخلیه درخشش ایجاد می‌کنند، منجر به ظهور یک درخشش می‌شوند.
خطر ترشحات برای سلامت انسان
ترشحات کرونا و درخشش خطر خاصی برای انسان ایجاد نمی کنند، زیرا با جریان کم (میلی آمپر) مشخص می شوند. دو مورد دیگر از ترشحات فوق در صورت تماس مستقیم با آنها کشنده است.
اگر شخصی نزدیک شدن رعد و برق را مشاهده کرد، باید تمام وسایل برقی (از جمله تلفن همراه) را خاموش کند و همچنین خود را طوری قرار دهد که از نظر محیط اطراف متمایز نباشد.ارتفاع.
