Біз өмір сүріп жатқан дәуірді электр қуатының ғасыры деуге болады. Компьютерлердің, теледидарлардың, автомобильдердің, спутниктердің, жасанды жарықтандыру құрылғыларының жұмысы - бұл қолданылатын мысалдардың кішкене бөлігі ғана. Адам үшін қызықты және маңызды процестердің бірі - электр разряды. Оның не екенін егжей-тегжейлі қарастырайық.
Электр энергиясын зерттеудің қысқаша тарихы
Адамзат электр тогымен қашан танысты? Бұл сұраққа жауап беру қиын, себебі ол дұрыс емес қойылды, өйткені ең таң қалдыратын табиғат құбылысы - ежелден белгілі найзағай.
Электрлік процестерді мағыналы зерттеу 18 ғасырдың бірінші жартысының аяғында ғана басталды. Бұл жерде зарядталған бөлшектердің өзара әрекеттесу күшін зерттеген Чарльз Кулонның, тұйық контурдағы токтың параметрлерін математикалық сипаттаған Джордж Омның және Бенджамин Франклиннің электр тогы туралы идеяларына қосқан елеулі үлесін атап өткен жөн. жоғарыда аталғандардың табиғатын зерттей отырып, көптеген тәжірибелер жүргіздінайзағай. Олардан басқа Луиджи Гальвани (жүйке импульстарын зерттеу, бірінші «аккумуляторды» ойлап табу) және Майкл Фарадей (электролиттердегі токты зерттеу) сияқты ғалымдар электр энергиясының физикасын дамытуда үлкен рөл атқарды.
Осы ғалымдардың барлығының жетістіктері күрделі электрлік процестерді зерттеу және түсіну үшін берік негіз құрады, олардың бірі электр разряды.
Разряд дегеніміз не және оның болуы үшін қандай жағдайлар қажет?
Электр тогының разряды – газ ортасындағы потенциалдары әртүрлі екі кеңістіктік аймақтар арасында зарядталған бөлшектер ағынының болуымен сипатталатын физикалық процесс. Осы анықтаманы бөліп көрейік.
Біріншіден, адамдар разряд туралы айтқанда, олар әрқашан газды білдіреді. Сұйықтар мен қатты денелердегі разрядтар да болуы мүмкін (қатты конденсатордың бұзылуы), бірақ бұл құбылысты зерттеу процесін азырақ тығыз ортада қарастыру оңайырақ. Оның үстіне газдардағы разрядтар жиі байқалады және адам өмірі үшін үлкен маңызға ие.
Екіншіден, электр разрядының анықтамасында айтылғандай, ол екі маңызды шарт орындалғанда ғана пайда болады:
- потенциалды айырмашылық болған кезде (электр өрісінің кернеулігі);
- заряд тасымалдаушылардың болуы (бос иондар мен электрондар).
Потенциалды айырмашылық зарядтың бағытталған қозғалысын қамтамасыз етеді. Егер ол белгілі бір шекті мәннен асып кетсе, онда өздігінен жүрмейтін разряд айналадыөзін-өзі қолдау немесе өзін-өзі қамтамасыз ету.
Тегін заряд тасымалдаушыларға келетін болсақ, олар әрқашан кез келген газда болады. Олардың концентрациясы, әрине, бірқатар сыртқы факторларға және газдың қасиеттеріне байланысты, бірақ олардың болуының өзі даусыз. Бұл күннің ультракүлгін сәулелері, ғарыштық сәулелену және планетамыздың табиғи сәулеленуі сияқты бейтарап атомдар мен молекулалардың иондану көздерінің болуына байланысты.
Потенциалды айырмашылық пен тасымалдаушы концентрациясы арасындағы байланыс разрядтың сипатын анықтайды.
Электр разрядтарының түрлері
Бұл түрлерді тізіп көрейік, содан кейін олардың әрқайсысына толығырақ сипаттама береміз. Сонымен, газ тәрізді ортадағы барлық разрядтар әдетте келесіге бөлінеді:
- түтіру;
- spark;
- доға;
- тәж.
Физикалық жағынан олар бір-бірінен тек қуат (ток тығыздығы) бойынша және соның нәтижесінде температурада, сондай-ақ уақыт бойынша көріну сипатында ғана ерекшеленеді. Барлық жағдайда біз оң зарядтың (катиондардың) катодқа (төмен потенциалдық аймақ) және теріс зарядтың (аниондар, электрондар) анодқа (потенциалды аймақ) ауысуы туралы болып отыр.
Жарқыраған разряд
Оның өмір сүруі үшін төмен газ қысымын жасау қажет (атмосфералық қысымнан жүздеген және мың есе аз). Газдың қандай да бір түрімен толтырылған катодты түтіктерде жарқырау разряды байқалады (мысалы, Ne, Ar, Kr және т.б.). Түтіктің электродтарына кернеуді қолдану келесі процестің белсендірілуіне әкеледі: газда баркатиондар жылдам қозғала бастайды, катодқа жетеді, олар оны соғып, импульсті тасымалдап, электрондарды сөндіреді. Соңғысы жеткілікті кинетикалық энергия болған жағдайда бейтарап газ молекулаларының иондалуына әкелуі мүмкін. Сипатталған процесс катодты бомбалаушы катиондардың жеткілікті энергиясы және электродтардағы потенциалдар айырмашылығына және түтіктегі газ қысымына байланысты олардың белгілі бір мөлшері болған жағдайда ғана өзін-өзі қамтамасыз етеді.
Жарқыраған разряд жарқырайды. Электромагниттік толқындардың сәулеленуі екі параллель процеске байланысты:
- энергия бөлінуімен жүретін электрон-катиондық жұптардың рекомбинациясы;
- бейтарап газ молекулаларының (атомдарының) қозған күйден негізгі күйге ауысуы.
Бұл разряд түрінің типтік сипаттамалары шағын токтар (бірнеше миллиампер) және шағын стационарлық кернеулер (100-400 В), бірақ шекті кернеу газдың қысымына байланысты бірнеше мың вольтты құрайды.
Жарқырау разрядының мысалдары флуоресцентті және неон шамдары болып табылады. Табиғатта бұл түрді солтүстік жарықтарға жатқызуға болады (Жердің магнит өрісіндегі ион ағындарының қозғалысы).
Ұшқын разряды
Бұл найзағай сияқты көрінетін әдеттегі атмосфералық электр разряды. Оның болуы үшін жоғары газ қысымының болуы ғана емес (1 атм немесе одан да көп), сонымен қатар үлкен кернеулер қажет. Ауа өте жақсы диэлектрик (оқшаулағыш). Оның өткізгіштігі байланысты 4-тен 30 кВ/см-ге дейінондағы ылғалдың және қатты бөлшектердің болуы. Бұл сандар бұзылу (ұшқын) тудыру үшін ауаның әрбір метріне кемінде 4 000 000 вольт беру керек екенін көрсетеді!
Табиғатта мұндай жағдайлар ауа массалары арасындағы үйкеліс, ауа конвекциясы және кристалдану (конденсация) нәтижесінде зарядтар бұлттардың төменгі қабаттары болатындай етіп қайта бөлінетін кезде пайда болады. теріс зарядталған, ал жоғарғы қабаттар оң зарядталған. Потенциалды айырмашылық бірте-бірте жинақталады, оның мәні ауаның оқшаулау мүмкіндіктерінен (метрге бірнеше миллион вольт) аса бастағанда, найзағай пайда болады - секундтың бір бөлігіне созылатын электр разряды. Ондағы ток күші 10-40 мың амперге жетеді, ал арнадағы плазма температурасы 20 000 К дейін көтеріледі.
Найзағай процесі кезінде бөлінетін минималды энергияны келесі деректерді ескерсек есептеуге болады: процесс t=110-6 с ішінде дамиды, I=10 000 A, U=109 B, содан кейін аламыз:
E=IUt=10 миллион J
Алынған сан 250 кг динамит жарылысынан бөлінетін энергияға баламалы.
Доғалық разряд
Ұшқын сияқты, ол газда жеткілікті қысым болған кезде пайда болады. Оның сипаттамалары ұшқынға толығымен ұқсас, бірақ айырмашылықтары бар:
- Біріншіден, токтар он мың амперге жетеді, бірақ бір уақытта кернеу бірнеше жүз вольтты құрайды, бұлжоғары өткізгіш орта;
- екіншіден, доғаның разряды ұшқыннан айырмашылығы уақыт бойынша тұрақты болады.
Разрядтың бұл түріне көшу кернеуді біртіндеп арттыру арқылы жүзеге асырылады. Разряд катодтан термиондық эмиссия есебінен сақталады. Мұның жарқын мысалы - дәнекерлеу доғасы.
Корона разряды
Газдардағы электр разрядының бұл түрін Колумб ашқан Жаңа әлемге саяхаттаған теңізшілер жиі байқаған. Олар діңгектердің ұшындағы көкшіл жарқырауды «Әулие Эльмо шамдары» деп атады.
Тәж разряды өте күшті электр өрісінің күші бар нысандардың айналасында пайда болады. Мұндай жағдайлар үшкір заттардың жанында жасалады (кемелердің мачталары, төбесі төбесі бар ғимараттар). Дененің қандай да бір статикалық заряды болса, оның шеттеріндегі өріс кернеулігі қоршаған ауаның иондалуына әкеледі. Алынған иондар өріс көзіне қарай жылжи бастайды. Жарқырау разрядындағы сияқты процестерді тудыратын бұл әлсіз токтар жарқыраудың пайда болуына әкеледі.
Адам денсаулығына ағызу қаупі
Корона және жарқырау разрядтары адамдар үшін ерекше қауіп төндірмейді, өйткені олар төмен токтармен (миллиампер) сипатталады. Жоғарыда аталған разрядтардың қалған екеуі олармен тікелей байланыста болған жағдайда өлімге әкеледі.
Егер адам найзағайдың жақындағанын байқаса, онда ол барлық электр құралдарын (соның ішінде ұялы телефондарды) өшіруі керек, сондай-ақ қоршаған ортадан ерекшеленбейтін етіп орналасуы керек.биіктігі.
