Thời đại chúng ta đang sống có thể gọi là thời đại của điện. Hoạt động của máy tính, ti vi, ô tô, vệ tinh, thiết bị chiếu sáng nhân tạo chỉ là một phần nhỏ trong các ví dụ về nơi nó được sử dụng. Một trong những quá trình thú vị và quan trọng đối với một người là phóng điện. Chúng ta hãy xem xét kỹ hơn nó là gì.
Sơ lược về Lịch sử Nghiên cứu Điện
Con người làm quen với điện từ khi nào? Rất khó để trả lời câu hỏi này, bởi vì nó đã được đặt một cách không chính xác, bởi vì hiện tượng tự nhiên nổi bật nhất là sét, được biết đến từ thời xa xưa.
Việc nghiên cứu có ý nghĩa về các quá trình điện chỉ bắt đầu vào cuối nửa đầu thế kỷ 18. Ở đây, cần ghi nhận sự đóng góp nghiêm túc vào những ý tưởng của con người về điện của Charles Coulomb, người đã nghiên cứu lực tương tác của các hạt mang điện, George Ohm, người đã mô tả toán học các thông số của dòng điện trong một mạch kín, và Benjamin Franklin, người đã tiến hành nhiều thí nghiệm, nghiên cứu bản chất của cáctia chớp. Ngoài họ, các nhà khoa học như Luigi Galvani (nghiên cứu về xung thần kinh, phát minh ra "pin" đầu tiên) và Michael Faraday (nghiên cứu về dòng điện trong chất điện phân) đóng một vai trò lớn trong sự phát triển của vật lý điện.
Thành tựu của tất cả các nhà khoa học này đã tạo ra một nền tảng vững chắc cho việc nghiên cứu và hiểu biết về các quá trình điện phức tạp, một trong số đó là sự phóng điện.
Xả là gì và những điều kiện nào cần thiết cho sự tồn tại của nó?
Phóng điện là một quá trình vật lý, được đặc trưng bởi sự hiện diện của dòng các hạt mang điện giữa hai vùng không gian có điện thế khác nhau trong môi trường khí. Hãy phá vỡ định nghĩa này.
Thứ nhất, khi nói đến phóng điện, người ta luôn nói đến khí. Sự phóng điện trong chất lỏng và chất rắn cũng có thể xảy ra (đánh thủng tụ rắn), nhưng quá trình nghiên cứu hiện tượng này dễ dàng hơn trong môi trường ít đặc hơn. Hơn nữa, sự phóng điện trong các chất khí thường được quan sát thấy và có tầm quan trọng lớn đối với cuộc sống con người.
Thứ hai, như đã nêu trong định nghĩa về phóng điện, nó chỉ xảy ra khi đáp ứng hai điều kiện quan trọng:
- khi có hiệu điện thế (cường độ điện trường);
- sự hiện diện của hạt tải điện (ion và electron tự do).
Sự khác biệt tiềm ẩn đảm bảo sự chuyển động có hướng của điện tích. Nếu nó vượt quá một giá trị ngưỡng nhất định, thì phóng điện không tự duy trì chuyển thànhtự hỗ trợ hoặc tự hỗ trợ.
Còn đối với các hãng vận chuyển miễn phí, họ luôn có mặt trong bất kỳ khí tài nào. Tất nhiên, nồng độ của chúng phụ thuộc vào một số yếu tố bên ngoài và các đặc tính của chính khí, nhưng thực tế về sự hiện diện của chúng là không thể chối cãi. Điều này là do sự tồn tại của các nguồn ion hóa các nguyên tử và phân tử trung tính như tia cực tím từ Mặt trời, bức xạ vũ trụ và bức xạ tự nhiên của hành tinh chúng ta.
Mối quan hệ giữa hiệu điện thế và nồng độ hạt tải điện xác định bản chất của sự phóng điện.
Các loại phóng điện
Hãy liệt kê những loài này, và sau đó chúng ta sẽ mô tả chi tiết hơn về đặc điểm của từng loài. Vì vậy, tất cả sự phóng điện trong môi trường khí thường được chia thành những thứ sau:
- âm ỉ;
- tia lửa;
- cung;
- vương miện.
Về mặt vật lý, chúng chỉ khác nhau về công suất (mật độ dòng điện) và do đó, về nhiệt độ, cũng như về bản chất biểu hiện của chúng theo thời gian. Trong mọi trường hợp, chúng ta đang nói về sự chuyển điện tích dương (cation) sang cực âm (vùng có thế năng thấp) và điện tích âm (anion, electron) sang cực dương (vùng có thế năng cao).
Xả phát sáng
Để tồn tại, cần tạo ra áp suất khí thấp (nhỏ hơn hàng trăm, hàng nghìn lần so với áp suất khí quyển). Sự phóng điện phát sáng được quan sát thấy trong các ống catốt chứa đầy một số loại khí (ví dụ, Ne, Ar, Kr, và các loại khác). Việc đặt hiệu điện thế vào các điện cực của ống dẫn đến quá trình kích hoạt sau: có trong khícác cation bắt đầu chuyển động nhanh dần đều, tới cực âm, chúng đập vào nó, truyền động lượng và làm bật ra các electron. Sau đó, khi có đủ động năng, có thể dẫn đến sự ion hóa các phân tử khí trung hòa. Quá trình được mô tả sẽ chỉ tự duy trì trong trường hợp có đủ năng lượng của các cation bắn phá catốt và một lượng nhất định của chúng, điều này phụ thuộc vào hiệu điện thế ở các điện cực và áp suất khí trong ống.
XảGlow phát sáng. Sự phát ra sóng điện từ là do hai quá trình song song:
- sự tái kết hợp của các cặp electron-cation kèm theo sự giải phóng năng lượng;
- sự chuyển đổi của các phân tử khí trung hòa (nguyên tử) từ trạng thái kích thích sang trạng thái cơ bản.
Đặc điểm điển hình của kiểu phóng điện này là dòng điện nhỏ (vài miliampe) và điện áp tĩnh nhỏ (100-400 V), nhưng điện áp ngưỡng là vài nghìn vôn, tùy thuộc vào áp suất của khí.
Ví dụ về phóng điện phát sáng là đèn huỳnh quang và đèn neon. Trong tự nhiên, loại này có thể là do ánh sáng phương Bắc (chuyển động của các dòng ion trong từ trường Trái đất).
Xả tia
Đây là sự phóng điện điển hình trong khí quyển xuất hiện dưới dạng sét. Đối với sự tồn tại của nó, không chỉ sự hiện diện của áp suất khí cao (1 atm trở lên), mà còn cả những ứng suất rất lớn là cần thiết. Không khí là một chất điện môi (chất cách điện) khá tốt. Độ từ thẩm của nó nằm trong khoảng từ 4 đến 30 kV / cm, tùy thuộc vàosự hiện diện của hơi ẩm và các hạt rắn trong đó. Những con số này chỉ ra rằng phải đặt tối thiểu 4.000.000 vôn vào mỗi mét không khí để tạo ra sự cố (tia lửa)!
Trong tự nhiên, những điều kiện như vậy xảy ra trong các đám mây tích, khi do ma sát giữa các khối khí, đối lưu không khí và sự kết tinh (ngưng tụ), các điện tích được phân bố lại theo cách mà các lớp dưới của mây tích điện âm, và các lớp trên tích điện dương. Sự chênh lệch tiềm năng dần dần tích lũy, khi giá trị của nó bắt đầu vượt quá khả năng cách điện của không khí (vài triệu vôn trên mét), thì sét xảy ra - phóng điện kéo dài trong một phần giây. Cường độ dòng điện trong đó đạt 10-40 nghìn ampe, và nhiệt độ plasma trong kênh tăng lên 20.000 K.
Năng lượng tối thiểu được giải phóng trong quá trình sét có thể được tính nếu chúng ta tính đến dữ liệu sau: quá trình phát triển trong thời gian t=110-6s, I=10 000 A, U=109B, thì chúng ta nhận được:
E=IUt=10 triệu J
Con số thu được tương đương với năng lượng do vụ nổ 250 kg thuốc nổ giải phóng.
Phóng điện hồ quang
Cũng như tia lửa điện, nó xảy ra khi có đủ áp suất trong chất khí. Đặc điểm của nó gần như hoàn toàn giống với tia lửa, nhưng có sự khác biệt:
- Thứ nhất, dòng điện đạt tới 10 nghìn ampe, nhưng điện áp đồng thời là vài trăm vôn, liên quan đếnmôi trường dẫn điện cao;
- thứ hai, phóng điện hồ quang tồn tại ổn định trong thời gian, không giống như tia lửa.
Sự chuyển đổi sang kiểu phóng điện này được thực hiện bằng cách tăng dần điện áp. Sự phóng điện được duy trì do sự phát xạ nhiệt từ cực âm. Một ví dụ nổi bật về điều này là hồ quang hàn.
Corona xả
Loại phóng điện trong khí này thường được quan sát bởi các thủy thủ du hành đến Thế giới mới do Columbus phát hiện. Họ gọi ánh sáng hơi xanh ở đầu cột buồm là "đèn của Thánh Elmo."
Phóng điện hào quang xảy ra xung quanh các vật thể có cường độ điện trường rất mạnh. Những điều kiện như vậy được tạo ra gần các vật sắc nhọn (cột buồm của tàu, các tòa nhà có mái đầu hồi). Khi một cơ thể có một số điện tích tĩnh, thì cường độ trường ở các đầu của nó dẫn đến sự ion hóa không khí xung quanh. Các ion thu được bắt đầu trôi về phía nguồn của trường. Các dòng điện yếu này, gây ra các quá trình tương tự như trong trường hợp phóng điện phát sáng, dẫn đến sự xuất hiện của vầng sáng.
Nguy hiểm của chất thải đối với sức khỏe con người
Phóng điện hào quang và phát sáng không gây nguy hiểm đặc biệt cho con người, vì chúng được đặc trưng bởi dòng điện thấp (miliampe). Hai chất phóng điện khác ở trên có thể gây chết người nếu tiếp xúc trực tiếp với chúng.
Nếu một người quan sát thấy tia sét tiếp cận, thì anh ta phải tắt tất cả các thiết bị điện (bao gồm cả điện thoại di động), đồng thời định vị bản thân để không nổi bật so với khu vực xung quanhchiều cao.
