Das Zeit alter, in dem wir leben, kann als Zeit alter der Elektrizität bezeichnet werden. Der Betrieb von Computern, Fernsehern, Autos, Satelliten, künstlichen Beleuchtungsgeräten sind nur ein kleiner Teil der Anwendungsbeispiele. Einer der interessanten und wichtigen Prozesse für eine Person ist eine elektrische Entladung. Schauen wir uns genauer an, was es ist.
Eine kurze Geschichte des Studiums der Elektrizität
Wann lernte der Mensch Elektrizität kennen? Diese Frage ist schwer zu beantworten, weil sie falsch gestellt wurde, denn das auffälligste Naturphänomen ist der seit jeher bekannte Blitz.
Das sinnvolle Studium elektrischer Prozesse begann erst Ende der ersten Hälfte des 18. Jahrhunderts. Hier ist ein ernsthafter Beitrag zu den Vorstellungen des Menschen über Elektrizität von Charles Coulomb zu erwähnen, der die Wechselwirkungskraft geladener Teilchen untersuchte, George Ohm, der die Parameter des Stroms in einem geschlossenen Stromkreis mathematisch beschrieb, und Benjamin Franklin, der führte viele Experimente durch und untersuchte die Natur des oben ErwähntenBlitz. Neben ihnen spielten Wissenschaftler wie Luigi Galvani (das Studium der Nervenimpulse, die Erfindung der ersten „Batterie“) und Michael Faraday (das Studium des Stroms in Elektrolyten) eine große Rolle bei der Entwicklung der Physik der Elektrizität.
Die Errungenschaften all dieser Wissenschaftler haben eine solide Grundlage für das Studium und Verständnis komplexer elektrischer Prozesse geschaffen, von denen einer eine elektrische Entladung ist.
Was ist eine Entladung und welche Bedingungen sind für ihre Existenz notwendig?
Entladung von elektrischem Strom ist ein physikalischer Vorgang, der durch das Vorhandensein einer Strömung geladener Teilchen zwischen zwei räumlichen Bereichen mit unterschiedlichen Potentialen in einem gasförmigen Medium gekennzeichnet ist. Lassen Sie uns diese Definition aufschlüsseln.
Erstens, wenn Leute von Entladung sprechen, meinen sie immer Gas. Entladungen in Flüssigkeiten und Feststoffen können ebenfalls auftreten (Durchbruch eines Festkörperkondensators), aber der Prozess der Untersuchung dieses Phänomens ist in einem weniger dichten Medium einfacher zu betrachten. Darüber hinaus sind es die häufig beobachteten Entladungen in Gasen, die für das menschliche Leben von großer Bedeutung sind.
Zweitens, wie in der Definition einer elektrischen Entladung angegeben, tritt sie nur auf, wenn zwei wichtige Bedingungen erfüllt sind:
- bei Potenzialunterschied (elektrische Feldstärke);
- Vorhandensein von Ladungsträgern (freie Ionen und Elektronen).
Die Potentialdifferenz sorgt für die gerichtete Bewegung der Ladung. Überschreitet sie einen bestimmten Schwellwert, dann geht die nicht selbsterh altende Entladung in überselbsttragend oder selbsttragend.
Freie Ladungsträger sind in jedem Gas immer vorhanden. Ihre Konzentration hängt natürlich von einer Reihe äußerer Faktoren und den Eigenschaften des Gases selbst ab, aber die Tatsache ihrer Anwesenheit ist unbestreitbar. Dies liegt an der Existenz solcher Ionisationsquellen neutraler Atome und Moleküle wie ultraviolette Strahlen der Sonne, kosmische Strahlung und die natürliche Strahlung unseres Planeten.
Die Beziehung zwischen der Potentialdifferenz und der Ladungsträgerkonzentration bestimmt die Art der Entladung.
Arten elektrischer Entladungen
Lassen Sie uns diese Arten auflisten, und dann werden wir jede von ihnen detaillierter charakterisieren. Daher werden alle Entladungen in gasförmigen Medien normalerweise wie folgt unterteilt:
- schwelend;
- spark;
- arc;
- Krone.
Physikalisch unterscheiden sie sich nur in der Leistung (Stromdichte) und damit in der Temperatur sowie in der Art ihrer zeitlichen Erscheinung. In allen Fällen handelt es sich um die Übertragung einer positiven Ladung (Kationen) auf die Kathode (Niederpotentialbereich) und einer negativen Ladung (Anionen, Elektronen) auf die Anode (Hochpotentialbereich).
Glimmentladung
Für seine Existenz ist es notwendig, niedrige Gasdrücke zu erzeugen (Hundert- und Tausendmal weniger als der atmosphärische Druck). Eine Glimmentladung wird in Kathodenröhren beobachtet, die mit einer Art Gas gefüllt sind (z. B. Ne, Ar, Kr und andere). Das Anlegen einer Spannung an die Elektroden der Röhre führt zur Aktivierung des folgenden Prozesses: im Gas vorhandenKationen beginnen sich schnell zu bewegen, erreichen die Kathode, treffen auf sie, übertragen Impuls und schlagen Elektronen heraus. Letzteres kann bei ausreichender kinetischer Energie zur Ionisation neutraler Gasmoleküle führen. Der beschriebene Vorgang ist nur bei ausreichender Energie der die Kathode beschießenden Kationen und einer bestimmten Menge davon, die von der Potentialdifferenz an den Elektroden und dem Gasdruck in der Röhre abhängt, selbstunterh altend.
Glimmentladung leuchtet. Die Emission elektromagnetischer Wellen beruht auf zwei parallelen Prozessen:
- Rekombination von Elektron-Kation-Paaren unter Energiefreisetzung;
- Übergang neutraler Gasmoleküle (Atome) vom angeregten Zustand in den Grundzustand.
Typische Eigenschaften dieser Art der Entladung sind kleine Ströme (einige Milliampere) und kleine stationäre Spannungen (100-400 V), die Schwellenspannung beträgt jedoch je nach Druck des Gases mehrere tausend Volt.
Beispiele für Glimmentladungen sind Leuchtstoff- und Neonlampen. In der Natur ist dieser Typ dem Nordlicht (der Bewegung von Ionenströmen im Erdmagnetfeld) zuzuordnen.
Funkenentladung
Dies ist eine typische atmosphärische elektrische Entladung, die als Blitz erscheint. Für seine Existenz sind nicht nur hohe Gasdrücke (1 atm oder mehr), sondern auch enorme Spannungen erforderlich. Luft ist ein ziemlich gutes Dielektrikum (Isolator). Seine Permeabilität liegt je nach Art zwischen 4 und 30 kV/cmdas Vorhandensein von Feuchtigkeit und festen Partikeln darin. Diese Zahlen zeigen, dass mindestens 4.000.000 Volt an jeden Meter Luft angelegt werden müssen, um einen Funkenschlag zu erzeugen!
In der Natur treten solche Zustände in Cumuluswolken auf, wenn durch Reibung zwischen Luftmassen, Luftkonvektion und Kristallisation (Kondensation) die Ladungen so umverteilt werden, dass die unteren Schichten der Wolken es sind negativ und die oberen Schichten positiv geladen. Die Potentialdifferenz baut sich allmählich auf, wenn ihr Wert die Isolierfähigkeit von Luft (mehrere Millionen Volt pro Meter) zu überschreiten beginnt, kommt es zu einem Blitz - einer elektrischen Entladung, die den Bruchteil einer Sekunde dauert. Die Stromstärke darin erreicht 10-40 Tausend Ampere und die Plasmatemperatur im Kanal steigt auf 20.000 K.
Die minimale Energie, die während des Blitzvorgangs freigesetzt wird, lässt sich berechnen, wenn man folgende Daten berücksichtigt: Der Vorgang läuft während t=110-6 s ab, I=10 000 A, U=109 B, dann erh alten wir:
E=IUt=10 Millionen J
Die resultierende Zahl entspricht der Energie, die bei der Explosion von 250 kg Dynamit freigesetzt wird.
Lichtbogenentladung
Er entsteht nicht nur bei Funken, sondern auch bei ausreichendem Druck im Gas. Seine Eigenschaften sind dem Funken fast vollständig ähnlich, aber es gibt Unterschiede:
- Erstens erreichen die Ströme zehntausend Ampere, aber die Spannung beträgt gleichzeitig mehrere hundert Volt, was mit verbunden isthochleitfähiges Medium;
- zweitens existiert die Bogenentladung im Gegensatz zum Funken zeitlich stabil.
Der Übergang zu dieser Art der Entladung erfolgt durch einen allmählichen Spannungsanstieg. Die Entladung wird aufgrund der thermionischen Emission von der Kathode aufrechterh alten. Ein markantes Beispiel dafür ist der Lichtbogen.
Corona-Entladung
Diese Art der elektrischen Entladung in Gasen wurde oft von Seeleuten beobachtet, die in die von Kolumbus entdeckte Neue Welt reisten. Sie nannten das bläuliche Leuchten an den Enden der Masten "St. Elmo's Lights".
Eine Koronaentladung tritt in der Nähe von Objekten auf, die eine sehr starke elektrische Feldstärke haben. Solche Bedingungen entstehen in der Nähe von scharfen Gegenständen (Schiffsmasten, Gebäude mit Satteldächern). Wenn ein Körper statisch aufgeladen ist, führt die Feldstärke an seinen Enden zu einer Ionisation der umgebenden Luft. Die resultierenden Ionen beginnen ihre Drift in Richtung der Quelle des Feldes. Diese schwachen Ströme, die ähnliche Vorgänge wie bei einer Glimmentladung hervorrufen, führen zum Auftreten eines Glimmens.
Gefahr von Einleitungen für die menschliche Gesundheit
Korona- und Glimmentladungen stellen keine besondere Gefahr für den Menschen dar, da sie durch geringe Ströme (Milliampere) gekennzeichnet sind. Die anderen beiden der oben genannten Entladungen sind bei direktem Kontakt mit ihnen tödlich.
Wenn eine Person die Annäherung eines Blitzes beobachtet, muss sie alle Elektrogeräte (einschließlich Mobiltelefone) aussch alten und sich auch so positionieren, dass sie sich nicht von der Umgebung abhebtHöhe.
