يمكن أن يسمى العمر الذي نعيش فيه عصر الكهرباء. يعد تشغيل أجهزة الكمبيوتر والتلفزيون والسيارات والأقمار الصناعية وأجهزة الإضاءة الاصطناعية مجرد جزء صغير من الأمثلة التي يتم استخدامها فيها. يعتبر التفريغ الكهربائي من العمليات الشيقة والمهمة للشخص. دعونا نلقي نظرة فاحصة على ما هو عليه
تاريخ موجز لدراسة الكهرباء
متى تعرف الانسان على الكهرباء؟ من الصعب الإجابة على هذا السؤال ، لأنه تم وضعه بطريقة غير صحيحة ، لأن الظاهرة الطبيعية الأكثر لفتًا للنظر هي البرق ، المعروف منذ الأزل.
بدأت الدراسة الهادفة للعمليات الكهربائية فقط في نهاية النصف الأول من القرن الثامن عشر. وهنا تجدر الإشارة إلى مساهمة جادة في أفكار الإنسان حول الكهرباء من قبل تشارلز كولوم ، الذي درس قوة تفاعل الجسيمات المشحونة ، جورج أوم ، الذي وصف حسابيًا معلمات التيار في دائرة مغلقة ، وبنيامين فرانكلين ، الذي أجرى العديد من التجارب ، ودراسة طبيعة ما سبقبرق. بالإضافة إلى ذلك ، لعب علماء مثل لويجي جالفاني (دراسة النبضات العصبية ، واختراع أول "بطارية") ومايكل فاراداي (دراسة التيار في الإلكتروليت) دورًا كبيرًا في تطوير فيزياء الكهرباء.
خلقت إنجازات كل هؤلاء العلماء أساسًا متينًا لدراسة وفهم العمليات الكهربائية المعقدة ، أحدها هو التفريغ الكهربائي.
ما هو التفريغ وما هي الشروط اللازمة لوجوده
تفريغ التيار الكهربائي هو عملية فيزيائية تتميز بوجود تدفق للجسيمات المشحونة بين منطقتين مكانيتين لهما إمكانات مختلفة في وسط غازي. دعونا نكسر هذا التعريف
أولاً ، عندما يتحدث الناس عن التفريغ ، فإنهم يقصدون دائمًا الغاز. يمكن أيضًا حدوث تصريفات في السوائل والمواد الصلبة (انهيار مكثف صلب) ، ولكن من السهل دراسة هذه الظاهرة في وسط أقل كثافة. علاوة على ذلك ، فإن التصريفات في الغازات هي التي يتم ملاحظتها غالبًا وهي ذات أهمية كبيرة لحياة الإنسان.
ثانيًا ، كما هو مذكور في تعريف التفريغ الكهربائي ، فإنه يحدث فقط عند استيفاء شرطين مهمين:
- عندما يكون هناك فرق جهد (شدة المجال الكهربائي) ؛
- وجود ناقلات الشحن (الأيونات والإلكترونات الحرة).
يضمن الاختلاف المحتمل الحركة الموجهة للشحنة. إذا تجاوزت قيمة حدية معينة ، فإن التفريغ غير الذاتي يتحول إلىالدعم الذاتي أو الدعم الذاتي.
بالنسبة لشركات الشحن المجانية ، فهي موجودة دائمًا في أي غاز. يعتمد تركيزها ، بالطبع ، على عدد من العوامل الخارجية وخصائص الغاز نفسه ، لكن حقيقة وجودها لا جدال فيها. ويرجع ذلك إلى وجود مصادر تأين للذرات والجزيئات المحايدة مثل الأشعة فوق البنفسجية القادمة من الشمس والإشعاع الكوني والإشعاع الطبيعي لكوكبنا.
العلاقة بين فرق الجهد وتركيز الناقل تحدد طبيعة التفريغ.
أنواع التفريغ الكهربائي
لندرج هذه الأنواع ، وبعد ذلك سنقوم بتمييز كل منها بمزيد من التفصيل. لذلك ، عادةً ما يتم تقسيم جميع التصريفات في الوسائط الغازية إلى ما يلي:
- مشتعل ؛
- شرارة ؛
- قوس ؛
- تاج
ماديًا ، يختلفون عن بعضهم البعض فقط في القوة (الكثافة الحالية) ، ونتيجة لذلك ، في درجة الحرارة ، وكذلك في طبيعة ظهورهم في الوقت المناسب. في جميع الحالات ، نحن نتحدث عن نقل شحنة موجبة (كاتيونات) إلى الكاثود (منطقة منخفضة الجهد) وشحنة سالبة (الأنيونات ، إلكترونات) إلى القطب الموجب (منطقة عالية الجهد).
التفريغ الوهج
لوجودها ، من الضروري إنشاء ضغوط غاز منخفضة (مئات وآلاف المرات أقل من الضغط الجوي). لوحظ تفريغ توهج في أنابيب الكاثود المملوءة بنوع من الغاز (على سبيل المثال ، Ne ، Ar ، Kr ، وغيرها). يؤدي تطبيق الجهد على أقطاب الأنبوب إلى تنشيط العملية التالية: متوفر في الغازتبدأ الكاتيونات في التحرك بسرعة ، لتصل إلى القطب السالب ، فتضربه ، وتنقل الزخم وتطرح الإلكترونات. هذا الأخير ، في وجود طاقة حركية كافية ، يمكن أن يؤدي إلى تأين جزيئات الغاز المحايدة. ستكون العملية الموصوفة ذاتية الاكتفاء فقط في حالة وجود طاقة كافية من الكاتيونات التي تقصف الكاثود وكمية معينة منها ، والتي تعتمد على فرق الجهد عند الأقطاب الكهربائية وضغط الغاز في الأنبوب.
توهج التفريغ. انبعاث الموجات الكهرومغناطيسية ناتج عن عمليتين متوازيتين:
- إعادة تركيب أزواج الإلكترونات المصحوبة بإطلاق الطاقة ؛
- انتقال جزيئات الغاز المحايدة (الذرات) من الحالة المثارة إلى الحالة الأرضية.
الخصائص النموذجية لهذا النوع من التفريغ هي التيارات الصغيرة (بضعة مللي أمبير) والجهود الصغيرة الثابتة (100-400 فولت) ، لكن جهد العتبة هو عدة آلاف من الفولتات ، اعتمادًا على ضغط الغاز.
أمثلة على تفريغ الوهج هي مصابيح الفلورسنت والنيون. في الطبيعة ، يمكن أن يُعزى هذا النوع إلى الأضواء الشمالية (حركة تدفق الأيونات في المجال المغناطيسي للأرض).
تفريغ شرارة
هذا تفريغ كهربائي نموذجي في الغلاف الجوي يظهر على شكل برق. لوجودها ، ليس فقط وجود ضغوط غاز عالية (1 atm أو أكثر) ، ولكن أيضًا ضغوط هائلة ضرورية. الهواء هو عازل جيد إلى حد ما. نفاذه تتراوح من 4 إلى 30 كيلو فولت / سم ، حسبوجود رطوبة وجزيئات صلبة فيه. تشير هذه الأرقام إلى أنه يجب تطبيق ما لا يقل عن 4،000،000 فولت على كل متر من الهواء لإحداث انهيار (شرارة)!
في الطبيعة ، تحدث مثل هذه الظروف في السحب الركامية ، عندما يتم إعادة توزيع الشحنات نتيجة الاحتكاك بين الكتل الهوائية والحمل الحراري والتبلور (التكثيف) بطريقة تجعل الطبقات السفلية للسحب مشحونة سلبا ، والطبقات العليا إيجابيا. يتراكم فرق الجهد تدريجيًا ، عندما تبدأ قيمته في تجاوز قدرات عزل الهواء (عدة ملايين فولت لكل متر) ، ثم يحدث البرق - وهو تفريغ كهربائي يستمر لجزء من الثانية. تصل شدته الحالية إلى 10-40 ألف أمبير ، وترتفع درجة حرارة البلازما في القناة إلى 20000 كلفن.
يمكن حساب الحد الأدنى من الطاقة التي يتم إطلاقها أثناء عملية البرق إذا أخذنا في الاعتبار البيانات التالية: تتطور العملية أثناء t=110-6s ، أنا=10000 A ، U=109B ، ثم نحصل على:
E=IUt=10 مليون J
الرقم الناتج يعادل الطاقة المنبعثة من انفجار 250 كجم من الديناميت.
تفريغ القوس
بالإضافة إلى الشرارة ، تحدث عندما يكون هناك ضغط كافٍ في الغاز. تتشابه خصائصه تقريبًا تمامًا مع الشرارة ، لكن هناك اختلافات:
- أولاً ، تصل التيارات إلى عشرة آلاف أمبير ، لكن الجهد في نفس الوقت يبلغ عدة مئات من الفولتات ، وهو ما يرتبط بـوسط موصل للغاية ؛
- ثانيًا ، يوجد تفريغ القوس بثبات في الوقت المناسب ، على عكس الشرارة.
يتم الانتقال إلى هذا النوع من التفريغ من خلال زيادة تدريجية في الجهد. يتم الحفاظ على التفريغ بسبب الانبعاث الحراري من الكاثود. وخير مثال على ذلك هو قوس اللحام.
تفريغ كورونا
غالبًا ما لوحظ هذا النوع من التفريغ الكهربائي في الغازات من قبل البحارة الذين سافروا إلى العالم الجديد الذي اكتشفه كولومبوس. أطلقوا على الوهج المزرق في نهايات الصواري "أضواء سانت إلمو".
يحدث تفريغ إكليلي حول الأشياء التي لها مجال كهربائي قوي جدًا. يتم إنشاء مثل هذه الظروف بالقرب من الأشياء الحادة (صواري السفن والمباني ذات الأسقف الجملونية). عندما يكون للجسم بعض الشحنة الساكنة ، فإن شدة المجال في نهايته تؤدي إلى تأين الهواء المحيط. تبدأ الأيونات الناتجة في الانجراف نحو مصدر الحقل. هذه التيارات الضعيفة والتي تسبب عمليات مشابهة كما في حالة التفريغ المتوهج تؤدي إلى ظهور وهج.
خطر الإفرازات على صحة الإنسان
تصريفات كورونا والتوهج لا تشكل خطرا خاصا على الإنسان ، لأنها تتميز بتيارات منخفضة (ملي أمبير). الاثنان الآخران من التصريفات المذكورة أعلاه مميتة في حالة الاتصال المباشر بهم.
إذا لاحظ الشخص اقتراب البرق فعليه إطفاء جميع الأجهزة الكهربائية (بما في ذلك الهواتف المحمولة) ، وكذلك وضع نفسه حتى لا يبرز من المنطقة المحيطة من حيثالارتفاع
