Epoka në të cilën jetojmë mund të quhet epoka e energjisë elektrike. Funksionimi i kompjuterëve, televizorëve, automobilave, satelitëve, pajisjeve të ndriçimit artificial janë vetëm një pjesë e vogël e shembujve ku përdoret. Një nga proceset interesante dhe të rëndësishme për një person është një shkarkesë elektrike. Le të hedhim një vështrim më të afërt se çfarë është.
Një histori e shkurtër e studimit të energjisë elektrike
Kur u njoh njeriu me energjinë elektrike? Është e vështirë t'i përgjigjesh kësaj pyetjeje, sepse është shtruar në mënyrë të gabuar, sepse fenomeni natyror më i spikatur është rrufeja, e njohur që nga kohra të lashta.
Studimi kuptimplotë i proceseve elektrike filloi vetëm në fund të gjysmës së parë të shekullit të 18-të. Këtu duhet theksuar një kontribut serioz në idetë e njeriut për energjinë elektrike nga Charles Coulomb, i cili studioi forcën e bashkëveprimit të grimcave të ngarkuara, George Ohm, i cili përshkroi matematikisht parametrat e rrymës në një qark të mbyllur dhe Benjamin Franklin, i cili kreu shumë eksperimente, duke studiuar natyrën e të lartpërmendurverrufeja. Përveç tyre, shkencëtarë si Luigi Galvani (studimi i impulseve nervore, shpikja e "baterisë" së parë) dhe Michael Faraday (studimi i rrymës në elektrolite) luajtën një rol të madh në zhvillimin e fizikës së elektricitetit.
Arritjet e të gjithë këtyre shkencëtarëve kanë krijuar një bazë solide për studimin dhe kuptimin e proceseve komplekse elektrike, një prej të cilave është një shkarkesë elektrike.
Çfarë është një shkarkim dhe cilat kushte janë të nevojshme për ekzistencën e tij?
Shkarkimi i rrymës elektrike është një proces fizik, i cili karakterizohet nga prania e një rrjedhe grimcash të ngarkuara ndërmjet dy rajoneve hapësinore që kanë potenciale të ndryshme në një mjedis të gaztë. Le ta zbërthejmë këtë përkufizim.
Së pari, kur njerëzit flasin për shkarkimin, ata gjithmonë nënkuptojnë gazin. Mund të ndodhin edhe shkarkime në lëngje dhe të ngurta (prishje e një kondensatori të ngurtë), por procesi i studimit të këtij fenomeni është më i lehtë për t'u marrë parasysh në një mjedis më pak të dendur. Për më tepër, janë shkarkimet në gazra ato që vërehen shpesh dhe kanë një rëndësi të madhe për jetën e njeriut.
Së dyti, siç thuhet në përkufizimin e një shkarkimi elektrik, ai ndodh vetëm kur plotësohen dy kushte të rëndësishme:
- kur ka një ndryshim potencial (forca e fushës elektrike);
- prania e bartësve të ngarkesës (joneve dhe elektroneve të lira).
Diferenca potenciale siguron lëvizjen e drejtuar të ngarkesës. Nëse tejkalon një vlerë të caktuar pragu, atëherë shkarkimi jo i vetëqëndrueshëm shndërrohet nëvetë-mbështetës ose vetë-mbështetës.
Sa për transportuesit e tarifave falas, ato janë gjithmonë të pranishme në çdo gaz. Përqendrimi i tyre, natyrisht, varet nga një sërë faktorësh të jashtëm dhe nga vetitë e vetë gazit, por vetë fakti i pranisë së tyre është i padiskutueshëm. Kjo është për shkak të ekzistencës së burimeve të tilla të jonizimit të atomeve dhe molekulave neutrale si rrezet ultravjollcë nga Dielli, rrezatimi kozmik dhe rrezatimi natyror i planetit tonë.
Marrëdhënia midis diferencës së mundshme dhe përqendrimit të bartësit përcakton natyrën e shkarkimit.
Llojet e shkarkimeve elektrike
Le t'i rendisim këto specie dhe më pas do t'i karakterizojmë secilën prej tyre më në detaje. Pra, të gjitha shkarkimet në media të gazta zakonisht ndahen në sa vijon:
- djeg;
- shkëndija;
- hark;
- kurorë.
Fizikisht, ato ndryshojnë nga njëri-tjetri vetëm për nga fuqia (dendësia e rrymës) dhe, si rezultat, në temperaturë, si dhe në natyrën e shfaqjes së tyre në kohë. Në të gjitha rastet, bëhet fjalë për kalimin e një ngarkese pozitive (katione) në katodë (zona me potencial të ulët) dhe një ngarkesë negative (anione, elektrone) në anodë (zona me potencial të lartë).
Shkarkim me shkëlqim
Për ekzistencën e tij, është e nevojshme të krijohen presione të ulëta të gazit (qindra e mijëra herë më pak se presioni atmosferik). Një shkarkesë shkëlqimi vërehet në tubat katodë që janë të mbushur me një lloj gazi (për shembull, Ne, Ar, Kr dhe të tjerët). Aplikimi i tensionit në elektrodat e tubit çon në aktivizimin e procesit të mëposhtëm: disponohet në gazkationet fillojnë të lëvizin me shpejtësi, duke arritur në katodë, ata e godasin atë, duke transferuar momentin dhe duke rrëzuar elektronet. Kjo e fundit, në prani të energjisë së mjaftueshme kinetike, mund të çojë në jonizimin e molekulave të gazit neutral. Procesi i përshkruar do të jetë i vetëqëndrueshëm vetëm në rastin e energjisë së mjaftueshme të kationeve që bombardojnë katodën dhe një sasi të caktuar të tyre, e cila varet nga diferenca potenciale në elektroda dhe presioni i gazit në tub.
Shkarkimi i shkëlqimit shkëlqen. Emetimi i valëve elektromagnetike është për shkak të dy proceseve paralele:
- rikombinim i çifteve elektron-kation i shoqëruar me çlirim energjie;
- kalimi i molekulave (atomeve) të gazit neutral nga gjendja e ngacmuar në gjendjen bazë.
Karakteristikat tipike të këtij lloji shkarkimi janë rrymat e vogla (disa miliamp) dhe tensionet e vogla të palëvizshme (100-400 V), por tensioni i pragut është disa mijëra volt, në varësi të presionit të gazit.
Shembuj të shkarkimit të shkëlqimit janë llambat fluoreshente dhe neoni. Në natyrë, ky lloj mund t'i atribuohet dritave veriore (lëvizja e joneve rrjedh në fushën magnetike të Tokës).
Shkarkim i shkëndijës
Kjo është një shkarkesë elektrike tipike atmosferike që shfaqet si rrufe. Për ekzistencën e tij, jo vetëm prania e presioneve të larta të gazit (1 atm ose më shumë), por edhe strese të mëdha janë të nevojshme. Ajri është një dielektrik (izolues) mjaft i mirë. Përshkueshmëria e tij varion nga 4 deri në 30 kV/cm, në varësi tëprania e lagështisë dhe grimcave të ngurta në të. Këto shifra tregojnë se një minimum prej 4,000,000 volt duhet të aplikohet në çdo metër ajri për të prodhuar një avari (shkëndijë)!
Në natyrë, kushte të tilla ndodhin në retë kumulus, kur, si rezultat i fërkimit midis masave të ajrit, konvekcionit të ajrit dhe kristalizimit (kondensimit), ngarkesat rishpërndahen në atë mënyrë që shtresat e poshtme të reve të jenë ngarkuar negativisht, dhe shtresat e sipërme pozitivisht. Diferenca potenciale grumbullohet gradualisht, kur vlera e saj fillon të tejkalojë aftësitë izoluese të ajrit (disa milion volt për metër), atëherë ndodh rrufeja - një shkarkesë elektrike që zgjat për një pjesë të sekondës. Fuqia aktuale në të arrin 10-40 mijë amper, dhe temperatura e plazmës në kanal rritet në 20,000 K.
Energjia minimale që lirohet gjatë procesit të rrufesë mund të llogaritet nëse marrim parasysh të dhënat e mëposhtme: procesi zhvillohet gjatë t=110-6 s, I=10 000 A, U=109 B, atëherë marrim:
E=IUt=10 milion J
Shifra që rezulton është ekuivalente me energjinë e çliruar nga shpërthimi i 250 kg dinamit.
Shkarkim hark
Ashtu si shkëndija, ndodh kur ka presion të mjaftueshëm në gaz. Karakteristikat e tij janë pothuajse plotësisht të ngjashme me shkëndijën, por ka dallime:
- Së pari, rrymat arrijnë dhjetë mijë amper, por tensioni në të njëjtën kohë është disa qindra volt, gjë që shoqërohet memedium shumë përçues;
- së dyti, shkarkimi i harkut ekziston në mënyrë të qëndrueshme në kohë, ndryshe nga shkëndija.
Tranzicioni në këtë lloj shkarkimi kryhet nga një rritje graduale e tensionit. Shkarkimi mbahet për shkak të emetimit termionik nga katoda. Një shembull i mrekullueshëm i kësaj është harku i saldimit.
Shkarkim nga Corona
Ky lloj shkarkimi elektrik në gaze u vu re shpesh nga marinarët që udhëtuan në Botën e Re të zbuluar nga Kolombi. Ata e quajtën shkëlqimin k altërosh në skajet e direkut "Dritat e Shën Elmos".
Një shkarkim korona ndodh rreth objekteve që kanë një forcë shumë të fortë të fushës elektrike. Kushte të tilla krijohen pranë objekteve të mprehta (direku i anijeve, ndërtesat me çati me çati). Kur një trup ka një ngarkesë statike, atëherë forca e fushës në skajet e tij çon në jonizimin e ajrit përreth. Jonet që rezultojnë fillojnë të lëvizin drejt burimit të fushës. Këto rryma të dobëta, të cilat shkaktojnë procese të ngjashme si në rastin e shkarkimit të shkëlqimit, çojnë në shfaqjen e një shkëlqimi.
Rreziku i shkarkimeve për shëndetin e njeriut
Shkarkimet e koronës dhe shkëlqimit nuk përbëjnë një rrezik të veçantë për njerëzit, pasi ato karakterizohen nga rryma të ulëta (miliamper). Dy të tjerat nga shkarkimet e mësipërme janë vdekjeprurëse në rast kontakti të drejtpërdrejtë me to.
Nëse një person vëzhgon afrimin e rrufesë, atëherë ai duhet të fikë të gjitha pajisjet elektrike (përfshirë celularët) dhe gjithashtu të pozicionohet në mënyrë që të mos dallohet nga zona përreth për sa i përketlartësia.
