Definícia elektrického výboja. Blesk. Normálny žeravý výboj

L E K T I A

v odbore „Elektronika a požiarna automatika“ pre kadetov a študentov

špecializácia 030502.65 - "Forenzné vyšetrenie"

k téme číslo 1."Polovodičové, elektronické, iónové zariadenia"

Témou prednášky je „Indikačné a fotoelektrické zariadenia“.

Indikátorové zariadenia

Elektrický výboj v plynoch.

Zariadenia s plynovým výbojom (iónové) sa nazývajú elektrovákuové zariadenia s elektrickým výbojom v plyne alebo pare. Plyn v takýchto zariadeniach je pod zníženým tlakom. Elektrický výboj v plyne (v pare) je súbor javov, ktoré ním sprevádzajú prechod elektrického prúdu. Pri takomto výboji prebieha niekoľko procesov.

Excitácia atómov.

Pod dopadom elektrónu sa jeden z elektrónov atómu plynu presunie na vzdialenejšiu obežnú dráhu (na vyššiu energetickú hladinu). Takýto excitovaný stav atómu trvá 10 -7 - 10 -8 sekúnd, po ktorých sa elektrón vráti na svoju normálnu obežnú dráhu, pričom energiu prijatú počas dopadu vydá vo forme žiarenia. Žiarenie je sprevádzané žiarou plynu, ak vyžarované lúče patria do viditeľnej časti elektromagnetického spektra. Aby došlo k excitácii atómu, dopadajúci elektrón musí mať určitú energiu, takzvanú excitačnú energiu.

Ionizácia.

K ionizácii atómov (alebo molekúl) plynu dochádza vtedy, keď je energia dopadajúceho elektrónu väčšia ako excitačná energia. V dôsledku ionizácie je elektrón vyrazený z atómu. V dôsledku toho budú vo vesmíre dva voľné elektróny a samotný atóm sa zmení na kladný ión. Ak tieto dva elektróny získajú pri pohybe v urýchľujúcom poli dostatočnú energiu, každý z nich môže ionizovať nový atóm. Budú tam štyri voľné elektróny a tri ióny. Dochádza k lavínovému nárastu počtu voľných elektrónov a iónov.

Je možná postupná ionizácia. Po dopade jedného elektrónu sa atóm dostane do excitovaného stavu a nemá čas vrátiť sa do normálneho stavu, je ionizovaný dopadom iného elektrónu. Zvýšenie počtu nabitých častíc v plyne v dôsledku ionizácie (voľné elektróny a ióny) sa nazývajú elektrifikácia plynu.

Rekombinácia.

Spolu s ionizáciou v plyne prebieha aj opačný proces neutralizácie nábojov opačného znamienka. Kladné ióny a elektróny sa v plyne pohybujú chaoticky a keď sa k sebe približujú, môžu sa spojiť a vytvoriť neutrálny atóm. To je uľahčené vzájomnou príťažlivosťou opačne nabitých častíc. Redukcia neutrálnych atómov sa nazýva rekombinácia. Pretože energia sa vynakladá na ionizáciu, kladný ión a elektrón majú spolu energiu väčšiu ako neutrálny atóm. Preto je rekombinácia sprevádzaná emisiou energie. Zvyčajne sa to pozoruje plynová žiara.

Pri výskyte elektrického výboja v plyne prevláda ionizácia, s poklesom jej intenzity, rekombinácia. Pri konštantnej intenzite elektrického výboja v plyne sa pozoruje ustálený stav, v ktorom sa počet voľných elektrónov (a kladných iónov) vznikajúcich za jednotku času v dôsledku ionizácie v priemere rovná počtu neutrálnych atómov, ktoré sú výsledkom rekombinácie. S ukončením výboja ionizácia zmizne a v dôsledku rekombinácie sa obnoví neutrálny stav plynu.

Rekombinácia vyžaduje určitý čas, takže deionizácia je dokončená za 10 -5 - 10 -3 sekúnd. V porovnaní s elektronickými zariadeniami sú teda zariadenia na výboj plynu oveľa zotrvačnejšie.

Druhy elektrických výbojov v plynoch.

Rozlišujte medzi autonómnymi a nesamostatnými výbojmi v plyne. Samovybíjanie je udržiavané iba pôsobením elektrického napätia. Samostatný výboj môže existovať za predpokladu, že okrem napätia pôsobia aj niektoré ďalšie faktory. Môžu to byť svetelné žiarenie, rádioaktívne žiarenie, termionická emisia horúcej elektródy atď.

T je závislý tichý alebo tichý výboj. Žiara plynu je zvyčajne nepostrehnuteľná. V zariadeniach na vypúšťanie plynu sa prakticky nepoužíva.

K nezávislým patrí t tečúci výboj. Vyznačuje sa žiarou plynu, ktorá pripomína žiaru tlejúceho uhlia. Výboj je udržiavaný v dôsledku emisie elektrónov z katódy pod vplyvom iónov. Medzi zariadenia s tlmivým výbojom patria zenerove diódy (stabilizátory napätia plynového výboja), plynové lampy, tyratróny s tlmivým výbojom, signálne indikátory a dekatróny (počítadlá plynových výbojov).

oblúkový výboj môže byť závislý aj nezávislý. Oblúkový výboj sa získava pri prúdovej hustote oveľa vyššej ako pri žeravom výboji a je sprevádzaný intenzívnou žiarou plynu. Nesamostatné oblúkové výbojové zariadenia zahŕňajú gastrony a tyratróny s horúcou katódou. Zariadenia na nezávislý oblúkový výboj zahŕňajú ortuťové ventily (excitróny) a ignitróny s kvapalnou ortuťovou katódou, ako aj plynové výbojky.

iskrový výboj je podobný oblúkovému výboju. Ide o krátkodobý pulzný elektrický výboj. Používa sa v zvodičoch, ktoré slúžia na krátkodobé obvody určitých obvodov.

vysokofrekvenčný výboj sa môže vyskytnúť v plyne pri pôsobení striedavého elektromagnetického poľa, dokonca aj bez vodivých elektród.

korónový výboj je nezávislý a používa sa v plynových výbojových zariadeniach na stabilizáciu napätia. Pozoruje sa v prípadoch, keď má jedna z elektród veľmi malý polomer.

Za normálnych podmienok je vodivosť izolantov veľmi nízka. V dostatočne silných elektrických poliach však dochádza k takzvanému rozpadu izolantu, čiže k elektrickému výboju. V mieste rozpadu sa vodivosť izolátora prudko zvyšuje a komplexne závisí od intenzity poľa, prúdu, počiatočných podmienok a mnohých ďalších faktorov.

Začnime elektrickým výbojom v plyne. Vodivosť plynu v slabých poliach je spojená s prítomnosťou malého počtu iónov a elektrónov v ňom, ktoré vznikajú v dôsledku ionizácie molekúl plynu pôsobením kozmického žiarenia, rádioaktivity zemskej kôry a v menšej miere ultrafialové žiarenie zo Slnka. Napríklad na hladine mora vytvára kozmické žiarenie asi dva páry iónov na kubický centimeter za sekundu. Na zemskom povrchu sa k tomu kvôli rádioaktivite zemskej kôry pridáva ešte asi päť párov iónov. Priemerná koncentrácia všetkých iónov v blízkosti zemského povrchu je asi 100 s. Po takú dlhú dobu majú všetky elektróny, ktoré vznikli v dôsledku ionizácie, čas na vytvorenie záporných iónov, ktoré „priľnú“ k molekulám kyslíka. Za normálnych podmienok na to potrebuje elektrón asi 105 zrážok, teda len s. To ukazuje, že za normálnych podmienok je vodivosť plynu v slabých poliach iónová. Skutočný obraz je ešte komplikovanejší: vodivosť je určená hlavne iónovými zhlukmi obsahujúcimi desiatky atómov plynu. Vodivosť vzduchu pri povrchu Zeme, zatiaľ čo vodivosť najlepších pevných izolantov (jantár, tavený kremeň) je a pre bežné sklo -

V kvapaline, na rozdiel od plynu, nie je koncentrácia iónov určená vonkajšou ionizáciou, ale disociáciou molekúl v dôsledku ich vzájomnej interakcie. Táto kvapalina sa nazýva elektrolyt. Disociácia je zvlášť uľahčená, ak je kvapalinou roztok, takže tento roztok má vo všeobecnosti významnú vodivosť. Napríklad vodivosť roztoku síranu meďnatého, ktorá je stále o sedem rádov menšia ako vodivosť medi. Vysvetľuje to skutočnosť, že nosiče náboja v elektrolyte (ako aj v plyne) sú ťažké ióny a viskozita kvapaliny je oveľa vyššia ako viskozita elektrónového plynu v kove.

Vráťme sa teraz k plynu a zvážme jeho správanie v silnejších poliach. Na obr. II 1.5 schematicky znázorňuje charakteristiku prúdového napätia plynovej medzery. Slabý poľný región

Ryža. 111,5. Voltampérová charakteristika plynovej medzery.

Ryža. 111,6. Paschenove krivky pre niektoré plyny.

zodpovedá sekcii a, kde platí Ohmov zákon. Nasleduje tzv. plató (oblasť, kde je prúd prakticky nezávislý od intenzity poľa. V tejto oblasti elektrické pole vytiahne všetky narodené elektróny (v medzere). V ešte silnejších poliach (sekcia c)) , prúd prudko narastá a dochádza k poruche. spojené s procesmi sekundárnej ionizácie, čo vedie k lavínovému „množeniu“ elektrónov. urýchľovaný vonkajším poľom na takú energiu (~ 10 eV), že môže sám ionizovať ostatné atómy.

Elektrónová lavína sama o sebe vedie len k zvýšeniu vodivého prúdu v plynovej medzere (sekcia c, pozri obr. III.5). Pre vznik elektrického, alebo presnejšie samoudržiavacieho výboja je potrebná aj takzvaná spätná väzba medzi elektródami plynovej medzery. Je potrebné, aby elektrónová lavína pohybujúca sa smerom k anóde nejako vyvolala nové lavíny z katódy. Jedným z možných mechanizmov takejto spätnej väzby je fotoelektrický efekt z katódy pri pôsobení fotónov emitovaných excitovanými atómami plynu alebo anódy.

Podmienky vznietenia výboja sú charakterizované takzvanou Paschenovou krivkou (obr. III.6), ktorá spája tri hlavné veličiny: napätie na výbojovej medzere V, dĺžku medzery a tlak plynu. ukazuje sa, že zapálenie výboja závisí len od produktu, kde je dĺžková voľná dráha elektrónu. Charakterizuje rýchlosť vývoja elektrónovej lavíny.

Závislosť výbojového zapaľovacieho napätia na má charakteristické minimum. Tvar Paschenovej krivky sa dá ľahko kvalitatívne vysvetliť zvážením prípadu konštantného tlaku. Vývoj lavíny je určený intenzitou poľa, takže zápalné napätie sa zvyšuje približne úmerne s dĺžkou medzery. Pri veľmi malých hodnotách je však ťažký aj vývoj elektrónovej lavíny, keďže elektróny sa nestihnú zraziť s atómami plynu v medzere. Je zaujímavé poznamenať, že pri napätiach menších ako

minimálne, medzera sa za žiadnych podmienok neprerazí.

Pri veľmi vysokých tlakoch (presnejšie veľkých hodnotách) sa mechanizmus vývoja výboja výrazne mení. V dôsledku krátkej strednej voľnej dráhy elektrónov je výboj najskôr lokalizovaný v malej oblasti medzery v blízkosti miesta primárnej ionizácie. Za týchto podmienok , výboj sa šíri najmä v dôsledku fotoionizácie susedných oblastí plynu. Takýto proces sa nazýva streamer. Príkladom streamerového výboja je blesk.

Jednou zo zaujímavých aplikácií streamerového výboja je takzvaná streamerová komora, v ktorej možno pozorovať stopy nabitých častíc. V komore sa na veľmi krátky čas vytvorí silné elektrické pole. Nabitá častica, ktorá prešla komorou tesne pred zapnutím poľa, produkuje ionizáciu plynu pozdĺž svojej trajektórie a vytvorené voľné elektróny v tomto prípade slúžia ako centrá pre vznik streamerov. Žiara streamerov umožňuje pozorovať stopy nabitých častíc (obr. III.7). Vzhľadom na impulzívny charakter poľa zostávajú rozmery streamerov malé, čo zaisťuje vysoký stupeň lokalizácie trajektórie (rádovo 0,3 mm).

Pri veľmi nízkych tlakoch, t. j. vo vysokom vákuu, je prerušenie medzery determinované takmer výlučne procesmi na elektródach. Výboj sa vyvíja v dôsledku autoelektronickej („studenej“) emisie elektrónov z mikrobodov na povrchu katódy, keď intenzita poľa na nich stúpne na V/cm. Emisný prúd, ktorého hustota dosahuje na hrote obrovské hodnoty, hrot zahrieva a odparuje a silné elektrické pole odtrháva a ťahá malé kúsky katódy k anóde. Tie spôsobujú odparovanie materiálu anódy a výsledné ióny bombardujú katódu, zahrievajú ju a spôsobujú emisiu termionov.

Ryža. 111,7. Fotografie elektrónových a pozitrónových stôp v strunovej komore (a) a výboja (b) v kvapaline (hexán). Intenzita elektrického poľa 700 kV/cm, expozičný čas 5ns.

Opísaný mechanizmus vývoja výboja vo vysokom vákuu umožňuje pochopiť účinok "trénovania" vákuovej medzery, čo je dôležité z praktického hľadiska. Tréning sa vykonáva opakovaným rozbíjaním medzery pri nízkom výbojovom výkone a vedie k roztaveniu hrotov na katóde.

Je tiež celkom prirodzené, že elektrická pevnosť medzery sa výrazne zvyšuje pri veľmi krátkom trvaní vysokého napätia alebo pri jeho vysokej frekvencii. Takže napríklad at s vákuovou medzerou odolá poľu okolo, zatiaľ čo at s touto hodnotou klesne na a ďalej nezávisí od .

Fenomén statickej elektriny sa zvyčajne pozoruje v dielektrikách. Ak je chemická väzba v dielektriku iónová, potom v dôsledku nedokonalosti štruktúry látky nie je počet kladných a záporných iónov na jednotku objemu látky rovnaký. To znamená, že takmer každé dielektrické teleso s iónovou väzbou má spočiatku elektrický náboj, okolo ktorého je elektrostatické pole.

V reálnych podmienkach je tento náboj väčšinou kompenzovaný nábojmi z okolia, ktoré sa ukladajú na povrchu dielektrika. Výsledkom je, že okolo takéhoto telesa nie je žiadne elektrostatické pole.

Ak je chemická väzba v dielektriku kovalentná, potom dielektrikum môže mať nenulový elektrický dipólový moment a v dôsledku toho okolo seba vytvára elektrostatické pole. V reálnych podmienkach sa na povrchu takéhoto dielektrika ukladajú kompenzačné náboje z okolia, takže elektrické pole okolo takéhoto telesa sa stáva nulovým.

Mechanická interakcia telies môže viesť k odstráneniu kompenzačných nábojov z príslušných povrchov a vzniku elektrického poľa v okolitom priestore, ktoré môže rušiť vstupy elektrických zariadení. Toto elektrické pole môže v niektorých prípadoch viesť k poruche dielektrika (napríklad vzduchu).

Výboje spojené s týmto prierazom tvoria elektromagnetické impulzy v priestore, ktoré tiež prenášajú rušenie.

Celkový vnútorný odpor zdroja je od 1 do 30 kOhm.

Celková indukčnosť výbojovej dráhy je 0,3 - 1,5 μH.

Kapacita sa pohybuje od 100 do 300 pF.

Maximálne napätie do 15 kV.

Maximálny vybíjací impulzný prúd je až 30 A.

Aktuálna rýchlosť nábehu od 2 do 35 A/ns.

Približná forma prúdového impulzu počas výboja elektriny:

Približný tvar prúdového impulzu Spektrálna charakteristika:

pri vybíjaní elektriny:

Klasifikácia zdrojov rušenia

Rozlišujte funkčné zdroje a nefunkčné.

Funkčné zdroje sú rádiové a televízne vysielače, ktoré šíria elektromagnetické vlny do okolia za účelom prenosu informácií. Do tejto skupiny patria všetky zariadenia, ktoré vyžarujú elektromagnetické vlny nie na účely komunikácie, ale na plnenie svojej technickej funkcie, napríklad vysokofrekvenčný generátor na priemyselné alebo lekárske použitie, mikrovlnné rádiové ovládacie zariadenia.

Medzi nefunkčné zdroje patria automobilové zapaľovacie zariadenia, žiarivky, zváracie zariadenia, reléové a ochranné cievky, usmerňovače, kontaktné a bezdotykové spínače, drôtové vedenia a elektrické komponenty, interkomy, atmosférické výboje, korónové výboje vo vedení, spínacie procesy, výboje statickej elektriny , rýchlo sa meniace prúdy a napätia vo vysokonapäťových laboratóriách.

Existujú tiež širokopásmové a úzkopásmové zdroje rušenia.

Širokopásmové pripojenie je rušenie so širokým frekvenčným spektrom a úzke pásmo je úzke.

Odoslanie dobrej práce do databázy znalostí je jednoduché. Použite nižšie uvedený formulár

Študenti, postgraduálni študenti, mladí vedci, ktorí pri štúdiu a práci využívajú vedomostnú základňu, vám budú veľmi vďační.

Uverejnené dňa http://www.allbest.ru/

elektrický výboj

Elektrický výboj je zložitý proces tvorby vodivého kanála, keď aplikované elektrické pole dosiahne kritickú hodnotu. V dôsledku výboja vznikajú rôzne druhy plazmy. Akýkoľvek výboj začína vytvorením elektrónovej lavíny. Elektrónová lavína je proces zvyšovania počtu primárnych elektrónov v dôsledku ionizácie.

Uvažujme plochú štrbinu so vzdialenosťou medzi elektródami d, na ktorú je privedené napätie V. Intenzita elektrického poľa v medzere bude. Dá sa predstaviť, že v blízkosti katódy vznikol jeden elektrón. Tento elektrón sa začne pohybovať smerom k anóde, pričom ionizuje plyn na svojej ceste, t.j. produkujúce sekundárne elektróny, tvoriace lavínu. Lavína sa vyvíja v čase a priestore, pretože sekundárne elektróny sa tiež začínajú pohybovať smerom k anóde.

Obrázok 1. - Elektrónová lavína

Ionizačný proces je vhodne opísaný nie ionizačným koeficientom, ale Townsenovým ionizačným koeficientom?, ktorý ukazuje počet elektrónov produkovaných na jednotku dĺžky.

kde n e je počiatočná hustota elektrónov, príp

Townsenov ionizačný koeficient súvisí s ionizačným koeficientom nasledovne.

Kde? i - ionizačná frekvencia vzhľadom na jeden elektrón;

D je rýchlosť driftu elektrónov;

E - mobilita elektrónov;

K i () - ionizačný koeficient.

Berúc do úvahy, že lavína sa začína pohybovať pri izbovej teplote a pohyblivosť elektrónov je nepriamo úmerná tlaku, je vhodné písať α ako, ktoré závisí od hodnoty.

Podľa definície? každý primárny elektrón generuje kladné ióny v medzere. Elektróny sa môžu stratiť rekombináciou a pripojením k elektronegatívnym molekulám, ako je kyslík. V tejto fáze tieto straty zanedbávame. Všetky kladné ióny narodené v medzere sa pohybujú smerom ku katóde a vytvárajú na nej sekundárne elektróny, kde je emisný koeficient ión-elektrón, ktorý závisí od materiálu katódy, stavu povrchu, typu plynu. Typické hodnoty? v elektrických výbojoch 0,01-0,1. V rovnakom pomere? zahŕňa sekundárnu emisiu elektrónov v dôsledku fotónov a metastabilných atómov a molekúl. Aby bol medzerový prúd sebestačný, je potrebné, aby Teraz môže byť stav vybitia zapísaný ako

Vypočítajme kritickú hodnotu elektrického poľa pre vznik výboja. Na základe výrazov (1.3, 1.4) môžeme písať

kde p je tlak.

Parametre A a B sú uvedené v tabuľke 1.1.

Spojením (1.4) a (1.5) získame vzorec na výpočet elektrického poľa.

Tabuľka 1.1 - Parametre A a B

Základ prirodzeného logaritmu.

Výsledkom je, že keď sa medzi kovové elektródy aplikuje kritická hodnota elektrického poľa, objaví sa vodivý kanál, cez ktorý prechádza veľký prúd, pretože kritické napätie je dostatočne vysoké a odpor kanála je nízky. V dôsledku toho dochádza k silnému zahrievaniu plynu, ktoré je v mnohých plazmochemických procesoch nežiaduce.

elektrický výboj ionizačný streamer

Obrázok 2 - Mechanizmus tvorby streamerov

Na odstránenie tohto iskrového výboja bol vyvinutý mechanizmus bariérového výboja.

Hostené na Allbest.ru

Podobné dokumenty

Podmienky vzniku elektrického výboja v plynoch. Princíp ionizácie plynu. Mechanizmus elektrickej vodivosti plynov. Nesamostatný výboj plynu. Nezávislé vypúšťanie plynu. Rôzne typy samovybíjania a ich technické využitie.

abstrakt, pridaný 21.05.2008


Štúdium fyzikálnych vlastností a javov, ktoré popisujú tok elektrického prúdu v plynoch. Obsah procesu ionizácie a rekombinácie plynov. Žiarivé, iskrové, korónové výboje ako typy nezávislých výbojov plynu. Fyzikálna povaha plazmy.

ročníková práca, pridaná 2.12.2014


Mechanizmy vzniku elektrického výboja v plynoch, podmienky ich elektrickej vodivosti. Iónová elektrická vodivosť plynov. Rôzne typy samovybíjania a ich technické využitie. Iskrové, korónové a oblúkové výboje. "Oheň svätého Elma".

prezentácia, pridané 02.07.2011


Štúdium žeravého plynového výboja ako jedného z typov stacionárneho nezávislého elektrického výboja v plynoch. Vytváranie kvantových svetelných zdrojov v žiarivkách. Tvorba žeravého výboja plynu pri nízkom tlaku plynu, nízkom prúde.

prezentácia, pridané 13.04.2015


Metódy experimentálneho stanovenia koeficientu ionizácie plynu. Vybíjacie napätie. Voltampérová charakteristika nízkoprúdového plynového výboja v argóne s molybdénovou katódou. Rozloženie potenciálu v plynovej výtlačnej medzere.

test, pridaný 28.11.2011


Analýza hlavných foriem samovoľného výboja v plyne. Skúmanie vplyvu relatívnej hustoty vzduchu na elektrickú pevnosť výbojovej medzery. Určenie hodnoty vzdialenosti medzi elektródami, polomeru ich zakrivenia pre elektrické pole.

laboratórne práce, doplnené 02.07.2015


Elektrický prúd v polovodičoch. Vytvorenie páru elektrón-diera. Faradayove zákony elektrolýzy. Prechod elektrického prúdu cez plyn. Elektrický oblúk (oblúkový výboj). Blesk je iskrový výboj v atmosfére. Druhy samovybíjania.

prezentácia, pridaná 15.10.2010


Korónový výboj, elektrická koróna, druh žeravého výboja; sa vyskytuje s výraznou nehomogenitou elektrického poľa v blízkosti jednej alebo oboch elektród. Podobné polia sa vytvárajú na elektródach s veľmi veľkým zakrivením povrchu.

prednáška, pridaná 21.12.2004


Žeravý výboj ako jeden z typov stacionárneho nezávislého elektrického výboja v plynoch. Používa sa ako zdroj svetla v neónových lampách, plynových lampách a plazmových obrazovkách. Vytvorenie kvantového zdroja svetla, plynové lasery.

prezentácia, pridané 13.01.2015


Štúdium hlavných foriem samostatného výboja v plyne, vplyvu hlavných vlastností plynu a geometrických charakteristík na elektrickú pevnosť a elektrické pole výbojovej medzery. Využitie týchto zákonitostí v elektroenergetike.

Vek, v ktorom žijeme, môžeme nazvať vekom elektriny. Prevádzka počítačov, televízorov, áut, satelitov, zariadení umelého osvetlenia - to je len malá časť príkladov, kde sa používa. Jedným zo zaujímavých a dôležitých procesov pre človeka je elektrický výboj. Poďme sa bližšie pozrieť, čo to je.

Stručná história štúdia elektriny

Kedy sa človek zoznámil s elektrinou? Je ťažké odpovedať na túto otázku, pretože bola položená nesprávne, pretože najvýraznejším prírodným javom je blesk, známy od nepamäti.

Zmysluplné štúdium elektrických procesov začalo až koncom prvej polovice 18. storočia. Tu treba poznamenať vážny príspevok k myšlienkam človeka o elektrine od Charlesa Coulomba, ktorý študoval silu interakcie nabitých častíc, Georgea Ohma, ktorý matematicky opísal parametre prúdu v uzavretom okruhu a Benjamina Franklina, ktorý uskutočnil mnoho experimentov, ktoré študovali povahu vyššie uvedeného blesku. Okrem nich sa na vývoji veľkou mierou podieľali vedci ako Luigi Galvani (štúdium nervových impulzov, vynález prvej „batérie“) a Michael Faraday (náuka prúdu v elektrolytoch).

Úspechy všetkých týchto vedcov vytvorili pevný základ pre štúdium a pochopenie zložitých elektrických procesov, z ktorých jedným je elektrický výboj.

Čo je to výboj a aké podmienky sú potrebné na jeho existenciu?

Výboj elektrického prúdu je fyzikálny proces, ktorý je charakterizovaný prítomnosťou toku nabitých častíc medzi dvoma priestorovými oblasťami s rôznym potenciálom v plynnom médiu. Poďme analyzovať túto definíciu.

Po prvé, keď ľudia hovoria o výboji, vždy majú na mysli plyn. Môžu sa vyskytnúť aj výboje v kvapalinách a pevných látkach (rozpad pevného kondenzátora), ale proces štúdia tohto javu je ľahšie zvážiť v menej hustom médiu. Okrem toho sú to výboje v plynoch, ktoré sú často pozorované a majú veľký význam pre ľudský život.

Po druhé, ako je uvedené v definícii elektrického výboja, vyskytuje sa iba vtedy, keď sú splnené dve dôležité podmienky:

• keď existuje potenciálny rozdiel (sila elektrického poľa);
• prítomnosť nosičov náboja (voľné ióny a elektróny).

Rozdiel potenciálov zabezpečuje usmernený pohyb náboja. Ak presiahne určitú prahovú hodnotu, potom sa nesamostatný výboj stane samoudržiavacím alebo samoudržujúcim.

Pokiaľ ide o bezplatné nosiče náboja, sú vždy prítomné v akomkoľvek plyne. Ich koncentrácia samozrejme závisí od množstva vonkajších faktorov a vlastností samotného plynu, no samotný fakt o ich prítomnosti je nespochybniteľný. Je to spôsobené existenciou takých zdrojov ionizácie neutrálnych atómov a molekúl, ako sú ultrafialové lúče zo Slnka, kozmické žiarenie a prirodzené žiarenie našej planéty.

Vzťah medzi potenciálnym rozdielom a koncentráciou nosiča určuje charakter výboja.

Druhy elektrických výbojov

Tu je zoznam týchto typov a potom si každý z nich bližšie charakterizujeme. Všetky výboje v plynných médiách sa teda zvyčajne delia na:

• tlejúci;
• iskra;
• oblúk;
• koruna.

Fyzicky sa navzájom líšia iba výkonom (prúdovou hustotou) a v dôsledku toho aj teplotou, ako aj povahou ich prejavu v čase. Vo všetkých prípadoch hovoríme o prenose kladného náboja (katióny) na katódu (oblasť nízkeho potenciálu) a záporného náboja (anióny, elektróny) na anódu (zóna vysokého potenciálu).

žeravý výboj

Pre jeho existenciu je potrebné vytvárať nízke tlaky plynu (stotisíckrát menšie ako atmosférický tlak). Žiarivý výboj sa pozoruje v katódových trubiciach, ktoré sú naplnené nejakým druhom plynu (napríklad Ne, Ar, Kr a iné). Aplikácia napätia na elektródy trubice vedie k aktivácii nasledujúceho procesu: katióny prítomné v plyne sa začnú rýchlo pohybovať, dosiahnu katódu, narážajú na ňu, prenášajú hybnosť a vyraďujú elektróny. Ten môže za prítomnosti dostatočnej kinetickej energie viesť k ionizácii molekúl neutrálneho plynu. Opísaný proces bude samoudržateľný iba v prípade dostatočnej energie katiónov bombardujúcich katódu a ich určitého množstva, ktoré závisí od rozdielu potenciálov na elektródach a tlaku plynu v trubici.

Žiarivý výboj svieti. Emisia elektromagnetických vĺn je spôsobená dvoma paralelnými procesmi:

• rekombinácia elektrón-katiónových párov sprevádzaná uvoľnením energie;
• prechod neutrálnych molekúl (atómov) plynu z excitovaného stavu do základného stavu.

Typickými charakteristikami tohto typu výboja sú malé prúdy (niekoľko miliampérov) a malé stacionárne napätia (100-400 V), ale prahové napätie je niekoľko tisíc voltov, čo závisí od tlaku plynu.

Príkladmi žeravých výbojov sú žiarivky a neónové lampy. V prírode možno tomuto typu pripísať polárnu žiaru (pohyb tokov iónov v magnetickom poli Zeme).

iskrový výboj

Ide o typický typ výboja, ktorý sa prejavuje v Pre jeho existenciu je nevyhnutná nielen prítomnosť vysokého tlaku plynu (1 atm a viac), ale aj obrovské napätie. Vzduch je celkom dobré dielektrikum (izolant). Jeho priepustnosť sa pohybuje od 4 do 30 kV/cm v závislosti od prítomnosti vlhkosti a pevných častíc v ňom. Tieto čísla naznačujú, že na dosiahnutie prerušenia (iskry) musí byť na každý meter vzduchu privedené minimálne 4 000 000 voltov!

V prírode takéto podmienky vznikajú v kupovitých oblakoch, keď sa v dôsledku trenia medzi vzduchovými hmotami, konvekciou vzduchu a kryštalizáciou (kondenzáciou) prerozdeľujú náboje tak, že spodné vrstvy oblakov sú nabité záporne a horné vrstvy sú kladne nabité. Potenciálny rozdiel sa postupne akumuluje, keď jeho hodnota začne presahovať izolačné schopnosti vzduchu (niekoľko miliónov voltov na meter), potom dôjde k blesku – elektrickému výboju, ktorý trvá zlomok sekundy. Súčasná sila v ňom dosahuje 10 - 40 000 ampérov a teplota plazmy v kanáli stúpa na 20 000 K.

Minimálnu energiu, ktorá sa uvoľní počas procesu blesku, môžeme vypočítať, ak vezmeme do úvahy nasledujúce údaje: proces sa vyvíja počas t=1*10 -6 s, I = 10 000 A, U = 10 9 V, potom dostaneme:

E = I*U*t = 10 miliónov J

Výsledné číslo zodpovedá energii, ktorá sa uvoľní pri výbuchu 250 kg dynamitu.

Rovnako ako iskra vzniká, keď je v plyne dostatočný tlak. Jeho vlastnosti sú takmer úplne podobné iskru, existujú však rozdiely:

• po prvé, prúdy dosahujú desaťtisíc ampérov, ale napätie v tomto prípade je niekoľko stoviek voltov, čo súvisí s vysokou vodivosťou média;
• po druhé, oblúkový výboj existuje stabilne v čase, na rozdiel od iskrového výboja.

Prechod na tento typ výboja sa uskutočňuje postupným zvyšovaním napätia. Výboj je udržiavaný vďaka termionickej emisii z katódy. Hlavným príkladom je zvárací oblúk.

korónový výboj

Tento typ elektrického výboja v plynoch často pozorovali námorníci, ktorí cestovali do Nového sveta objaveného Kolumbom. Modrastú žiaru na koncoch stožiarov nazvali „ohne svätého Elma“.

Korónový výboj sa vyskytuje okolo predmetov, ktoré majú veľmi silné elektrické pole. Takéto podmienky sa vytvárajú v blízkosti ostrých predmetov (stožiare lodí, budovy so sedlovými strechami). Keď má telo nejaký statický náboj, potom intenzita poľa na jeho koncoch vedie k ionizácii okolitého vzduchu. Výsledné ióny začnú svoj drift smerom k zdroju poľa. Tieto slabé prúdy, ktoré spôsobujú podobné procesy ako v prípade žeravého výboja, vedú k vzniku žiary.

Nebezpečenstvo výbojov pre ľudské zdravie

Korónové a žeravé výboje nepredstavujú pre človeka zvláštne nebezpečenstvo, pretože sa vyznačujú nízkymi prúdmi (miliampéry). Ďalšie dva z vyššie uvedených výbojov sú smrteľné v prípade priameho kontaktu s nimi.

Ak človek spozoruje približovanie sa blesku, tak musí vypnúť všetky elektrospotrebiče (aj mobilné telefóny), a tiež sa postaviť tak, aby výškovo nevyčnieval z okolia.