Věk, ve kterém žijeme, lze nazvat věkem elektřiny. Provoz počítačů, televizorů, automobilů, satelitů, zařízení umělého osvětlení jsou jen malou částí příkladů, kde se používá. Jedním ze zajímavých a pro člověka důležitých procesů je elektrický výboj. Pojďme se blíže podívat, co to je.
Stručná historie studia elektřiny
Kdy se člověk seznámil s elektřinou? Na tuto otázku je těžké odpovědět, protože byla položena nesprávně, protože nejnápadnějším přírodním jevem je blesk, známý odnepaměti.
Smysluplné studium elektrických procesů začalo teprve na konci první poloviny 18. století. Zde je třeba poznamenat vážný příspěvek k myšlenkám člověka o elektřině Charlese Coulomba, který studoval sílu interakce nabitých částic, George Ohma, který matematicky popsal parametry proudu v uzavřeném okruhu, a Benjamina Franklina, který provedl mnoho experimentů, studoval povahu výše uvedenéhoBlesk. Kromě nich se na rozvoji fyziky elektřiny velkou měrou podíleli vědci jako Luigi Galvani (nauka o nervových vzruchech, vynález první „baterie“) a Michael Faraday (nauka o proudu v elektrolytech).
Úspěchy všech těchto vědců vytvořily pevný základ pro studium a pochopení složitých elektrických procesů, z nichž jedním je elektrický výboj.
Co je to výboj a jaké podmínky jsou nutné pro jeho existenci?
Vybíjení elektrického proudu je fyzikální proces, který je charakterizován přítomností toku nabitých částic mezi dvěma prostorovými oblastmi s různými potenciály v plynném prostředí. Pojďme si tuto definici rozebrat.
Za prvé, když lidé mluví o výboji, vždy myslí plyn. Může také dojít k výbojům v kapalinách a pevných látkách (rozpad pevného kondenzátoru), ale proces studia tohoto jevu je snazší uvažovat v méně hustém médiu. Navíc jsou to výboje v plynech, které jsou často pozorovány a mají velký význam pro lidský život.
Zadruhé, jak je uvedeno v definici elektrického výboje, dojde k němu pouze tehdy, když jsou splněny dvě důležité podmínky:
- když existuje rozdíl potenciálů (síla elektrického pole);
- přítomnost nosičů náboje (volné ionty a elektrony).
Potenciální rozdíl zajišťuje řízený pohyb náboje. Pokud překročí určitou prahovou hodnotu, pak se samoudržovací výboj změní nasamonosné nebo samonosné.
Pokud jde o bezplatné nosiče náboje, jsou vždy přítomny v jakémkoli plynu. Jejich koncentrace samozřejmě závisí na řadě vnějších faktorů a vlastnostech samotného plynu, ale samotný fakt jejich přítomnosti je neoddiskutovatelný. To je způsobeno existencí takových zdrojů ionizace neutrálních atomů a molekul, jako jsou ultrafialové paprsky ze Slunce, kosmické záření a přirozené záření naší planety.
Vztah mezi rozdílem potenciálů a koncentrací nosiče určuje povahu výboje.
Typy elektrických výbojů
Vyjmenujme si tyto druhy a poté každý z nich podrobněji charakterizujeme. Všechny výboje v plynných médiích se tedy obvykle dělí na následující:
- doutnající;
- spark;
- arc;
- koruna.
Fyzicky se od sebe liší pouze výkonem (proudovou hustotou) a v důsledku toho i teplotou a také povahou jejich projevu v čase. Ve všech případech hovoříme o přenosu kladného náboje (kationtů) na katodu (nízkopotenciální oblast) a záporného náboje (anionty, elektrony) na anodu (vysokopotenciální zóna).
Žhavý výboj
Pro jeho existenci je nutné vytvořit nízké tlaky plynu (stotisíckrát menší než atmosférický tlak). Doutnavý výboj je pozorován v katodových trubicích, které jsou naplněny nějakým druhem plynu (například Ne, Ar, Kr a další). Přivedení napětí na elektrody trubice vede k aktivaci následujícího procesu: dostupného v plynukationty se začnou rychle pohybovat, dosáhnou katody, narazí na ni, přenesou hybnost a vyřadí elektrony. Ten může za přítomnosti dostatečné kinetické energie vést k ionizaci molekul neutrálního plynu. Popsaný proces bude samoudržitelný pouze v případě dostatečné energie kationtů bombardujících katodu a jejich určitého množství, které závisí na rozdílu potenciálů na elektrodách a tlaku plynu v trubici.
Doutnavý výboj svítí. Emise elektromagnetických vln je způsobena dvěma paralelními procesy:
- rekombinace elektron-kationtových párů doprovázená uvolněním energie;
- přechod molekul neutrálního plynu (atomů) z excitovaného stavu do základního stavu.
Typickými charakteristikami tohoto typu výboje jsou malé proudy (několik miliampérů) a malá stacionární napětí (100-400 V), ale prahové napětí je několik tisíc voltů v závislosti na tlaku plynu.
Příklady doutnavého výboje jsou zářivky a neonové lampy. V přírodě lze tento typ připsat severním světlům (pohyb toků iontů v magnetickém poli Země).
Jiskrový výboj
Jedná se o typický atmosférický elektrický výboj, který se jeví jako blesk. Pro jeho existenci je nezbytná nejen přítomnost vysokých tlaků plynů (1 atm nebo více), ale také velká napětí. Vzduch je docela dobré dielektrikum (izolant). Jeho propustnost se pohybuje od 4 do 30 kV/cm, v závislosti napřítomnost vlhkosti a pevných částic v něm. Tato čísla naznačují, že na každý metr vzduchu musí být přivedeno minimálně 4 000 000 voltů, aby došlo k poruše (jiskření)!
V přírodě nastávají u kupovitých oblaků takové podmínky, kdy v důsledku tření mezi vzduchovými hmotami, konvekcí vzduchu a krystalizací (kondenzací) dochází k přerozdělení nábojů tak, že spodní vrstvy oblaků jsou nabité záporně a horní vrstvy kladně. Potenciální rozdíl se postupně kumuluje, když jeho hodnota začne překračovat izolační schopnosti vzduchu (několik milionů voltů na metr), pak dojde k blesku – elektrickému výboji, který trvá zlomek vteřiny. Síla proudu v něm dosahuje 10-40 tisíc ampér a teplota plazmy v kanálu stoupá na 20 000 K.
Minimální energii, která se uvolní během procesu blesku, lze vypočítat, pokud vezmeme v úvahu následující údaje: proces se vyvíjí během t=110-6 s, I=10 000 A, U=109 B, pak dostaneme:
E=IUt=10 milionů J
Výsledné číslo odpovídá energii uvolněné výbuchem 250 kg dynamitu.
Výboj oblouku
Stejně jako jiskra vzniká, když je v plynu dostatečný tlak. Jeho vlastnosti jsou téměř úplně podobné jiskře, ale existují rozdíly:
- Za prvé, proudy dosahují deseti tisíc ampér, ale napětí je zároveň několik set voltů, což souvisí svysoce vodivé médium;
- zadruhé, obloukový výboj existuje stabilně v čase, na rozdíl od jiskry.
Přechod na tento typ vybíjení se provádí postupným zvyšováním napětí. Výboj je udržován díky termionické emisi z katody. Pozoruhodným příkladem je svařovací oblouk.
Koronový výboj
Tento typ elektrického výboje v plynech byl často pozorován námořníky, kteří cestovali do Nového světa objeveného Kolumbem. Nazvali namodralou záři na koncích stožárů „světla svatého Elma.“
Koronový výboj se vyskytuje kolem objektů, které mají velmi silné elektrické pole. Takové podmínky se vytvářejí v blízkosti ostrých předmětů (stěžně lodí, budovy se sedlovou střechou). Když má tělo nějaký statický náboj, pak intenzita pole na jeho koncích vede k ionizaci okolního vzduchu. Výsledné ionty začnou svůj drift směrem ke zdroji pole. Tyto slabé proudy, které způsobují podobné procesy jako v případě doutnavého výboje, vedou ke vzniku záře.
Nebezpečí výbojů pro lidské zdraví
Korónové a doutnavé výboje nepředstavují pro člověka zvláštní nebezpečí, protože se vyznačují nízkými proudy (miliampéry). Další dva z výše uvedených výbojů jsou smrtelné v případě přímého kontaktu s nimi.
Pokud člověk zpozoruje blížící se blesk, musí vypnout všechny elektrické spotřebiče (včetně mobilních telefonů) a také se postavit tak, aby nevyčníval z okolí z hlediskavýška.
