Laikmetu, kurā dzīvojam, var saukt par elektrības laikmetu. Datoru, televizoru, automašīnu, satelītu, mākslīgā apgaismojuma ierīču darbība ir tikai neliela daļa no piemēriem, kur tas tiek izmantots. Viens no interesantākajiem un svarīgajiem procesiem cilvēkam ir elektriskā izlāde. Apskatīsim tuvāk, kas tas ir.
Īsa elektroenerģijas izpētes vēsture
Kad cilvēks iepazinās ar elektrību? Uz šo jautājumu ir grūti atbildēt, jo tas tika uzdots nepareizi, jo visspilgtākā dabas parādība ir zibens, kas zināms no neatminamiem laikiem.
Elektrisko procesu jēgpilna izpēte sākās tikai 18. gadsimta pirmās puses beigās. Šeit jāatzīmē nopietns ieguldījums cilvēka priekšstatos par elektrību, ko sniedza Čārlzs Kulons, kurš pētīja lādētu daļiņu mijiedarbības spēku, Džordžs Oma, kurš matemātiski aprakstīja strāvas parametrus slēgtā ķēdē, un Bendžamins Franklins, kurš veica daudzus eksperimentus, pētot iepriekšminēto būtībuzibens. Papildus tiem lielu lomu elektrības fizikas attīstībā spēlēja tādi zinātnieki kā Luidži Galvani (nervu impulsu izpēte, pirmās "akumulatora" izgudrošana) un Maikls Faradejs (elektrolītu strāvas izpēte).
Visu šo zinātnieku sasniegumi ir radījuši stabilu pamatu sarežģītu elektrisko procesu izpētei un izpratnei, no kuriem viens ir elektriskā izlāde.
Kas ir izlāde un kādi nosacījumi ir nepieciešami tās pastāvēšanai?
Elektriskās strāvas izlāde ir fizisks process, ko raksturo lādētu daļiņu plūsma starp diviem telpiskiem reģioniem ar atšķirīgu potenciālu gāzveida vidē. Sadalīsim šo definīciju.
Pirmkārt, kad cilvēki runā par izlādi, viņi vienmēr domā gāzi. Var rasties arī izlādes šķidrumos un cietās vielās (cieta kondensatora sabrukums), taču šīs parādības izpētes procesu ir vieglāk apsvērt mazāk blīvā vidē. Turklāt bieži tiek novērotas izplūdes gāzēs, kurām ir liela nozīme cilvēka dzīvē.
Otrkārt, kā teikts elektriskās izlādes definīcijā, tā notiek tikai tad, ja ir izpildīti divi svarīgi nosacījumi:
- kad ir potenciālu atšķirība (elektriskā lauka stiprums);
- lādiņnesēju (brīvo jonu un elektronu) klātbūtne.
Potenciālā starpība nodrošina virzītu lādiņa kustību. Ja tas pārsniedz noteiktu sliekšņa vērtību, tad nepastāvīga izlāde pārvēršas parpašpietiekams vai pašatbalstošs.
Kas attiecas uz bezmaksas lādiņu nesējiem, tie vienmēr atrodas jebkurā gāzē. To koncentrācija, protams, ir atkarīga no vairākiem ārējiem faktoriem un pašas gāzes īpašībām, taču pats to klātbūtnes fakts ir neapstrīdams. Tas ir saistīts ar tādu neitrālu atomu un molekulu jonizācijas avotu esamību kā Saules ultravioletie stari, kosmiskais starojums un mūsu planētas dabiskais starojums.
Attiecība starp potenciālu starpību un nesēja koncentrāciju nosaka izlādes raksturu.
Elektrisko izlāžu veidi
Uzskaitīsim šīs sugas, un tad raksturosim katru no tām sīkāk. Tātad visas izplūdes gāzveida vidē parasti iedala šādi:
- gruzd;
- dzirksts;
- loka;
- kronis.
Fiziski tie atšķiras viens no otra tikai pēc jaudas (strāvas blīvuma) un līdz ar to arī ar temperatūru, kā arī pēc to izpausmes rakstura laikā. Visos gadījumos runa ir par pozitīva lādiņa (katjonu) pārnešanu uz katodu (zema potenciāla laukums) un negatīva lādiņa (anjoni, elektroni) pārnešanu uz anodu (augsta potenciāla zona).
Glow Discharge
Tā pastāvēšanai nepieciešams radīt zemu gāzes spiedienu (simtiem un tūkstošiem reižu mazāku par atmosfēras spiedienu). Kvēlizlāde tiek novērota katoda lampās, kas ir piepildītas ar kāda veida gāzi (piemēram, Ne, Ar, Kr un citām). Sprieguma pielikšana caurules elektrodiem noved pie šāda procesa aktivizēšanas: pieejams gāzēkatjoni sāk strauji kustēties, sasniedzot katodu, tie ietriecas tajā, pārnesot impulsu un izsitot elektronus. Pēdējais pietiekamas kinētiskās enerģijas klātbūtnē var izraisīt neitrālu gāzes molekulu jonizāciju. Aprakstītais process būs pašpietiekams tikai pie pietiekamas katodu bombardējošo katjonu enerģijas un noteikta to daudzuma, kas ir atkarīgs no potenciālu starpības pie elektrodiem un gāzes spiediena caurulē.
Spīd izlāde mirdz. Elektromagnētisko viļņu emisija ir saistīta ar diviem paralēliem procesiem:
- elektronu-katjonu pāru rekombinācija kopā ar enerģijas izdalīšanos;
- neitrālu gāzes molekulu (atomu) pāreja no ierosinātā stāvokļa uz pamatstāvokli.
Tipiski šāda veida izlādes raksturlielumi ir nelielas strāvas (daži miliamperi) un mazs stacionārs spriegums (100–400 V), bet sliekšņa spriegums ir vairāki tūkstoši voltu atkarībā no gāzes spiediena.
Kvēlizlādes piemēri ir dienasgaismas un neona spuldzes. Dabā šo tipu var attiecināt uz ziemeļblāzmu (jonu kustība plūst Zemes magnētiskajā laukā).
Dzirksteļaizlāde
Šī ir tipiska atmosfēras elektriskā izlāde, kas parādās kā zibens. Tā pastāvēšanai ir nepieciešams ne tikai augsts gāzes spiediens (1 atm vai vairāk), bet arī milzīgi spriegumi. Gaiss ir diezgan labs dielektriķis (izolators). Tās caurlaidība svārstās no 4 līdz 30 kV/cm atkarībā nomitruma un cieto daļiņu klātbūtne tajā. Šie skaitļi norāda, ka katram gaisa skaitītājam jāpieliek vismaz 4 000 000 voltu, lai radītu bojājumu (dzirksteles)!
Dabā tādi apstākļi rodas gubu mākoņos, kad gaisa masu berzes, gaisa konvekcijas un kristalizācijas (kondensācijas) rezultātā lādiņi tiek pārdalīti tā, ka mākoņu apakšējie slāņi tiek pārdalīti. uzlādēts negatīvi, bet augšējie slāņi pozitīvi. Potenciālā starpība pamazām uzkrājas, kad tās vērtība sāk pārsniegt gaisa izolācijas spējas (vairāki miljoni voltu uz metru), tad notiek zibens - elektriskā izlāde, kas ilgst sekundes daļu. Strāvas stiprums tajā sasniedz 10-40 tūkstošus ampēru, un plazmas temperatūra kanālā paaugstinās līdz 20 000 K.
Minimālo enerģiju, kas izdalās zibens procesa laikā, var aprēķināt, ja ņemam vērā šādus datus: process attīstās t=110-6 s laikā, I=10 000 A, U=109 B, tad iegūstam:
E=IUt=10 miljoni J
Iegūtais skaitlis ir līdzvērtīgs enerģijai, ko izdala 250 kg dinamīta sprādziens.
Loka izlāde
Tāpat kā dzirkstele, tā rodas, ja gāzē ir pietiekams spiediens. Tās īpašības ir gandrīz pilnībā līdzīgas dzirkstelei, taču pastāv atšķirības:
- Pirmkārt, strāvas sasniedz desmit tūkstošus ampēru, bet spriegums tajā pašā laikā ir vairāki simti voltu, kas ir saistīts araugsti vadoša vide;
- otrkārt, loka izlāde pastāv stabili laikā, atšķirībā no dzirksteles.
Pāreja uz šāda veida izlādi tiek veikta, pakāpeniski palielinot spriegumu. Izlāde tiek uzturēta katoda termiskās emisijas dēļ. Spilgts piemērs tam ir metināšanas loks.
Koronas izlāde
Šāda veida elektrisko izlādi gāzēs bieži novēroja jūrnieki, kas ceļoja uz Kolumba atklāto Jauno pasauli. Viņi sauca zilganu spīdumu mastu galos par "Sv. Elmo gaismām".
Koronas izlāde notiek ap objektiem, kuriem ir ļoti spēcīgs elektriskā lauka stiprums. Šādi apstākļi tiek radīti asu priekšmetu tuvumā (kuģu masti, ēkas ar divslīpju jumtiem). Ja ķermenim ir kāds statiskais lādiņš, lauka stiprums tā galos izraisa apkārtējā gaisa jonizāciju. Iegūtie joni sāk virzīties uz lauka avotu. Šīs vājās strāvas, kas izraisa līdzīgus procesus kā svelmes izlādes gadījumā, izraisa mirdzuma parādīšanos.
Izplūdes briesmas cilvēku veselībai
Korona un spīduma izlādes nerada īpašu bīstamību cilvēkiem, jo tām ir raksturīga zema strāva (miliamperi). Pārējās divas no iepriekš minētajām izplūdēm ir nāvējošas tiešā saskarē ar tām.
Ja cilvēks novēro zibens tuvošanos, tad viņam ir jāizslēdz visas elektroierīces (arī mobilie tālruņi), kā arī jānovietojas tā, lai neizceltos no apkārtnesaugstums.
