Amžius, kuriame gyvename, gali būti vadinamas elektros amžiumi. Kompiuterių, televizorių, automobilių, palydovų, dirbtinio apšvietimo prietaisų veikimas – tai tik maža dalis pavyzdžių, kur jis naudojamas. Vienas įdomių ir žmogui svarbių procesų – elektros iškrova. Pažiūrėkime atidžiau, kas tai yra.
Trumpa elektros studijų istorija
Kada žmogus susipažino su elektra? Sunku atsakyti į šį klausimą, nes jis pateiktas neteisingai, nes ryškiausias gamtos reiškinys yra žaibas, žinomas nuo neatmenamų laikų.
Prasmingas elektrinių procesų tyrimas pradėtas tik XVIII amžiaus pirmosios pusės pabaigoje. Čia reikėtų pažymėti rimtą indėlį į žmogaus idėjas apie elektrą Charles Coulomb, tyrinėjęs įkrautų dalelių sąveikos jėgą, George'as Ohmas, matematiškai apibūdinęs srovės parametrus uždaroje grandinėje, ir Benjamin Franklin, kuris atliko daug eksperimentų, tirdamas minėtųjų prigimtįžaibas. Be jų, tokie mokslininkai kaip Luigi Galvani (nervinių impulsų tyrimas, pirmosios „baterijos“išradimas) ir Michaelas Faradėjus (elektrolitų srovės tyrimas) suvaidino didelį vaidmenį plėtojant elektros fiziką.
Visų šių mokslininkų pasiekimai sukūrė tvirtą pagrindą sudėtingų elektrinių procesų, iš kurių vienas yra elektros iškrova, tyrinėjimui ir supratimui.
Kas yra iškrova ir kokios sąlygos būtinos jo egzistavimui?
Elektros srovės iškrovimas yra fizinis procesas, kuriam būdingas įkrautų dalelių srautas tarp dviejų erdvinių sričių, turinčių skirtingą potencialą dujinėje terpėje. Išskaidykime šį apibrėžimą.
Pirma, kai žmonės kalba apie iškrovas, jie visada turi omenyje dujas. Taip pat gali atsirasti iškrovų skysčiuose ir kietose medžiagose (sugedęs kietas kondensatorius), tačiau šio reiškinio tyrimo procesą lengviau apsvarstyti ne tokia tankioje terpėje. Be to, dažnai pastebimi dujų išmetimai, kurie yra labai svarbūs žmogaus gyvybei.
Antra, kaip nurodyta elektros iškrovos apibrėžime, ji atsiranda tik tada, kai įvykdomos dvi svarbios sąlygos:
- kai yra potencialų skirtumas (elektrinio lauko stiprumas);
- krūvininkų (laisvųjų jonų ir elektronų) buvimas.
Potencialų skirtumas užtikrina kryptingą krūvio judėjimą. Jei jis viršija tam tikrą ribinę vertę, tada nesavarankiškas iškrovimas virstasave išlaikantis arba save išlaikantis.
Kalbant apie nemokamus krūvininkus, jų visada yra bet kokiose dujose. Jų koncentracija, žinoma, priklauso nuo daugelio išorinių veiksnių ir pačių dujų savybių, tačiau pats jų buvimo faktas yra neginčijamas. Taip yra dėl to, kad egzistuoja tokie neutralių atomų ir molekulių jonizacijos š altiniai, kaip ultravioletiniai saulės spinduliai, kosminė spinduliuotė ir natūrali mūsų planetos spinduliuotė.
Ryšys tarp potencialų skirtumo ir nešiklio koncentracijos lemia iškrovos pobūdį.
Elektros iškrovų tipai
Išvardykime šias rūšis, o tada apibūdinsime kiekvieną iš jų išsamiau. Taigi, visi išmetimai dujinėse terpėse paprastai skirstomi į:
- rūksta;
- kibirkštis;
- arkas;
- karūna.
Fiziškai jie skiriasi vienas nuo kito tik galia (srovės tankiu) ir dėl to temperatūra bei pasireiškimo laike pobūdžiu. Visais atvejais kalbame apie teigiamo krūvio (katijonų) perkėlimą į katodą (mažo potencialo plotas), o apie neigiamo krūvio (anijonų, elektronų) perkėlimą į anodą (didelio potencialo zoną).
Švytėjimo išmetimas
Jo egzistavimui būtina sukurti žemą dujų slėgį (šimtus ir tūkstančius kartų mažesnį už atmosferos slėgį). Švytėjimo išlydis stebimas katodiniuose vamzdeliuose, užpildytuose tam tikromis dujomis (pavyzdžiui, Ne, Ar, Kr ir kt.). Pajungus įtampą vamzdžio elektrodams, suaktyvinamas toks procesas: esantis dujosekatijonai pradeda greitai judėti, pasiekę katodą, jie atsitrenkia į jį, perkeldami impulsą ir išmušdami elektronus. Pastaroji, esant pakankamai kinetinei energijai, gali sukelti neutralių dujų molekulių jonizaciją. Aprašytas procesas bus savarankiškas tik esant pakankamai katodą bombarduojančių katijonų energijos ir tam tikro jų kiekio, kuris priklauso nuo potencialų skirtumo prie elektrodų ir dujų slėgio vamzdyje.
Švyti iškrova šviečia. Elektromagnetinės bangos sklinda dėl dviejų lygiagrečių procesų:
- elektronų ir katijonų porų rekombinacija kartu su energijos išsiskyrimu;
- neutralių dujų molekulių (atomų) perėjimas iš sužadintos būsenos į pagrindinę būseną.
Tipinės šio tipo iškrovos charakteristikos yra mažos srovės (keli miliamperai) ir nedidelė stacionari įtampa (100–400 V), tačiau slenkstinė įtampa yra keli tūkstančiai voltų, priklausomai nuo dujų slėgio.
Švytėjimo išlydžio pavyzdžiai yra fluorescencinės ir neoninės lempos. Gamtoje šį tipą galima priskirti šiaurės pašvaistėms (jonų judėjimas teka Žemės magnetiniame lauke).
Kibirkštinis išlydis
Tai tipinė atmosferos elektros iškrova, kuri atrodo kaip žaibas. Jo egzistavimui būtinas ne tik didelis dujų slėgis (1 atm ar daugiau), bet ir didžiulis įtempis. Oras yra gana geras dielektrikas (izoliatorius). Jo pralaidumas svyruoja nuo 4 iki 30 kV/cm, priklausomai nuodrėgmės ir kietųjų dalelių buvimas jame. Šie skaičiai rodo, kad kiekvienam oro metrui reikia įjungti mažiausiai 4 000 000 voltų, kad susidarytų gedimas (kibirkštis)!
Gamtoje gumuliniuose debesyse susidaro tokios sąlygos, kai dėl oro masių trinties, oro konvekcijos ir kristalizacijos (kondensacijos) krūviai persiskirsto taip, kad apatiniai debesų sluoksniai yra įkrautas neigiamai, o viršutiniai sluoksniai – teigiamai. Potencialų skirtumas palaipsniui kaupiasi, kai jo vertė pradeda viršyti oro izoliacines galimybes (keli milijonai voltų vienam metrui), tada įvyksta žaibas - elektros iškrova, kuri trunka sekundės dalį. Srovės stiprumas jame siekia 10-40 tūkstančių amperų, o plazmos temperatūra kanale pakyla iki 20 000 K.
Mažiausią energiją, kuri išsiskiria žaibo proceso metu, galima apskaičiuoti, jei atsižvelgsime į šiuos duomenis: procesas vystosi per t=110-6 s, I=10 000 A, U=109 B, tada gauname:
E=IUt=10 mln. J
Gautas skaičius atitinka energiją, išsiskiriančią sprogus 250 kg dinamito.
Lanko iškrovimas
Be kibirkšties, ji atsiranda, kai dujose yra pakankamas slėgis. Jo charakteristikos beveik visiškai panašios į kibirkštį, tačiau yra skirtumų:
- Pirma, srovės siekia dešimt tūkstančių amperų, tačiau įtampa tuo pačiu metu yra keli šimtai voltų, o tai yra susijusi sulabai laidi terpė;
- antra, lanko iškrova laikui bėgant egzistuoja stabiliai, skirtingai nei kibirkštis.
Perėjimas prie tokio tipo iškrovimo atliekamas laipsniškai didinant įtampą. Iškrova palaikoma dėl katodo šilumos emisijos. Ryškus to pavyzdys yra suvirinimo lankas.
Koronos iškrova
Šio tipo elektros iškrovą dujose dažnai pastebėjo jūreiviai, keliavę į Kolumbo atrastą Naująjį pasaulį. Melsvą švytėjimą stiebų galuose jie pavadino „Šv. Elmo žiburiais“.
Karūnos iškrova atsiranda aplink objektus, kurių elektrinio lauko stiprumas labai stiprus. Tokios sąlygos susidaro prie aštrių daiktų (laivų stiebų, pastatų su dvišlaičiais stogais). Kai kūnas turi tam tikrą statinį krūvį, tada lauko stiprumas jo galuose sukelia supančio oro jonizaciją. Susidarę jonai pradeda savo dreifą link lauko š altinio. Šios silpnos srovės, sukeliančios panašius procesus kaip ir švytėjimo iškrovos atveju, sukelia švytėjimą.
Išmetimų pavojus žmonių sveikatai
Korona ir švytėjimo iškrovos nekelia ypatingo pavojaus žmonėms, nes jiems būdingos mažos srovės (miliamperai). Kiti du iš pirmiau minėtų išmetimų yra mirtini, jei su jais tiesiogiai liečiasi.
Jei žmogus pastebi artėjantį žaibą, jis turi išjungti visus elektros prietaisus (taip pat ir mobiliuosius telefonus), taip pat išsidėstyti taip, kad neišsiskirtų iš aplinkiniųaukštis.
