ניתן לקרוא לעידן בו אנו חיים עידן החשמל. ההפעלה של מחשבים, טלוויזיות, מכוניות, לוויינים, מכשירי תאורה מלאכותית הם רק חלק קטן מהדוגמאות שבהן נעשה שימוש. אחד התהליכים המעניינים והחשובים לאדם הוא פריקה חשמלית. בואו נסתכל מקרוב על מה זה.
קיצור היסטוריה של חקר החשמל
מתי התוודע האדם לחשמל? קשה לענות על שאלה זו, כי היא הונחה בצורה לא נכונה, כי תופעת הטבע הבולטת ביותר היא הברק, הידוע מימים ימימה.
המחקר המשמעותי של תהליכים חשמליים החל רק בסוף המחצית הראשונה של המאה ה-18. כאן יש לציין תרומה רצינית לרעיונותיו של האדם על חשמל מאת צ'ארלס קולומב, שחקר את כוח האינטראקציה של חלקיקים טעונים, ג'ורג' אוהם, שתיאר מתמטית את הפרמטרים של הזרם במעגל סגור, ובנג'מין פרנקלין, אשר ערך ניסויים רבים, בחן את טיבם של האמור לעילבָּרָק. בנוסף אליהם, מדענים כמו לואיג'י גלוואני (חקר הדחפים העצביים, המצאת ה"סוללה" הראשונה) ומייקל פאראדיי (חקר הזרם באלקטרוליטים) מילאו תפקיד גדול בהתפתחות הפיזיקה של החשמל.
ההישגים של כל המדענים הללו יצרו בסיס איתן לחקר והבנה של תהליכים חשמליים מורכבים, שאחד מהם הוא פריקה חשמלית.
מהי פריקה ומה התנאים הדרושים לקיומה?
פריקה של זרם חשמלי הוא תהליך פיזיקלי, המאופיין בנוכחות של זרימה של חלקיקים טעונים בין שני אזורים מרחביים בעלי פוטנציאלים שונים בתווך גזי. בואו נפרק את ההגדרה הזו.
ראשית, כשאנשים מדברים על פריקה, הם תמיד מתכוונים לגז. הפרשות בנוזלים ומוצקים עלולות להתרחש גם (פירוק קבל מוצק), אך קל יותר לשקול את תהליך חקר התופעה במדיום פחות צפוף. יתרה מכך, הפרשות בגזים הן שנצפות לעתים קרובות והן בעלות חשיבות רבה לחיי אדם.
שנית, כפי שנאמר בהגדרה של פריקה חשמלית, היא מתרחשת רק כאשר מתקיימים שני תנאים חשובים:
- כאשר יש הבדל פוטנציאלי (חוזק שדה חשמלי);
- נוכחות של נושאי מטען (יונים ואלקטרונים חופשיים).
הפרש הפוטנציאל מבטיח את התנועה המכוונת של המטען. אם זה חורג מערך סף מסוים, אז הפריקה הלא מתמשכת הופכת לתמיכה עצמית או תמיכה עצמית.
באשר לספקי תשלום בחינם, הם תמיד נמצאים בכל גז. ריכוזם תלוי כמובן במספר גורמים חיצוניים ובתכונות הגז עצמו, אך על עצם נוכחותם אין עוררין. זאת בשל קיומם של מקורות יינון של אטומים ומולקולות ניטרליות כמו קרניים אולטרה סגולות מהשמש, קרינה קוסמית והקרינה הטבעית של כוכב הלכת שלנו.
הקשר בין הפרש הפוטנציאל לריכוז הנשא קובע את אופי הפריקה.
סוגי פריקות חשמליות
בואו נרשום את המינים הללו, ולאחר מכן נאפיין כל אחד מהם ביתר פירוט. לכן, כל הפרשות באמצעי גז מחולקים בדרך כלל לגורמים הבאים:
- מעשן;
- spark;
- arc;
- crown.
מבחינה פיזית, הם נבדלים זה מזה רק בכוח (צפיפות זרם) וכתוצאה מכך בטמפרטורה, כמו גם באופי הביטוי שלהם בזמן. בכל המקרים, אנחנו מדברים על העברה של מטען חיובי (קטיונים) לקתודה (אזור פוטנציאל נמוך) ומטען שלילי (אניונים, אלקטרונים) לאנודה (אזור פוטנציאל גבוה).
פריקת זוהר
למען קיומו, יש צורך ליצור לחצי גז נמוכים (פחות מאות ואלפי מונים מלחץ אטמוספרי). פריקת זוהר נצפית בצינורות קתודה המלאים בגז כלשהו (לדוגמה, Ne, Ar, Kr ואחרים). הפעלת המתח על האלקטרודות של הצינור מוביל להפעלת התהליך הבא: זמין בגזקטיונים מתחילים לנוע במהירות, מגיעים לקתודה, הם פוגעים בה, מעבירים מומנטום ומפילים אלקטרונים. זה האחרון, בנוכחות אנרגיה קינטית מספקת, יכול להוביל ליינון של מולקולות גז ניטרליות. התהליך המתואר יתקיים מעצמו רק במקרה של אנרגיה מספקת של הקטיונים המפציצים את הקתודה וכמות מסוימת מהם, התלויה בהפרש הפוטנציאלים באלקטרודות ובלחץ הגז בצינור.
פריקת זוהר זוהרת. פליטת גלים אלקטרומגנטיים נובעת משני תהליכים מקבילים:
- ריקומבינציה של זוגות אלקטרונים-קטונים מלווה בשחרור אנרגיה;
- מעבר של מולקולות גז ניטרליות (אטומים) מהמצב הנרגש למצב הקרקע.
מאפיינים אופייניים של פריקה מסוג זה הם זרמים קטנים (כמה מיליאמפר) ומתחים נייחים קטנים (100-400 V), אך מתח הסף הוא כמה אלפי וולט, תלוי בלחץ הגז.
דוגמאות לפריקת זוהר הן מנורות פלורסנט וניאון. בטבע ניתן לייחס את הסוג הזה לאורות הצפוניים (תנועת היונים זורמת בשדה המגנטי של כדור הארץ).
פריקת ניצוץ
זוהי פריקה חשמלית אטמוספרית טיפוסית הנראית כמו ברק. לקיומה, לא רק נוכחות של לחצי גז גבוהים (1 atm או יותר), אלא גם מתחים עצומים נחוצים. אוויר הוא דיאלקטרי (מבודד) טוב למדי. החדירות שלו נעה בין 4 ל-30 קילו וולט/ס מ, בהתאםנוכחות של לחות וחלקיקים מוצקים בו. נתונים אלה מצביעים על כך שיש להפעיל מינימום של 4,000,000 וולט על כל מטר אוויר כדי לייצר התמוטטות (ניצוץ)!
בטבע, תנאים כאלה מתרחשים בענני מצטבר, כאשר כתוצאה מחיכוך בין מסות אוויר, הסעת אוויר והתגבשות (עיבוי), המטענים מתחלקים מחדש באופן שהשכבות התחתונות של העננים יהיו טעון שלילי, והשכבות העליונות חיוביות. הפרש הפוטנציאל מצטבר בהדרגה, כאשר ערכו מתחיל לעלות על יכולות הבידוד של האוויר (כמה מיליוני וולט למטר), אז מתרחש ברק - פריקה חשמלית שנמשכת שבריר שנייה. עוצמת הזרם בו מגיעה ל-10-40 אלף אמפר, וטמפרטורת הפלזמה בערוץ עולה ל-20,000 K.
ניתן לחשב את האנרגיה המינימלית שמשתחררת במהלך תהליך הברק אם ניקח בחשבון את הנתונים הבאים: התהליך מתפתח במהלך t=110-6 s, I=10,000 A, U=109 B, ואז נקבל:
E=IUt=10 מיליון J
הנתון המתקבל שווה ערך לאנרגיה המשתחררת מפיצוץ של 250 ק ג דינמיט.
פריקת קשת
כמו גם ניצוץ, הוא מתרחש כאשר יש מספיק לחץ בגז. המאפיינים שלו דומים כמעט לחלוטין לניצוץ, אבל יש הבדלים:
- ראשית, הזרמים מגיעים לעשרת אלפים אמפר, אבל המתח בו-זמנית הוא כמה מאות וולט, מה שקשור למדיום מוליך גבוה;
- שנית, פריקת הקשת קיימת ביציבות בזמן, בניגוד לניצוץ.
המעבר לסוג זה של פריקה מתבצע על ידי עלייה הדרגתית במתח. הפריקה נשמרת עקב פליטה תרמיונית מהקתודה. דוגמה בולטת לכך היא קשת הריתוך.
הפרשת קורונה
סוג זה של פריקה חשמלית בגזים נצפה לעתים קרובות על ידי מלחים שנסעו לעולם החדש שגילה קולומבוס. הם קראו לזוהר הכחלחל בקצות התורנים "האורות של אלמו הקדוש."
פריקת קורונה מתרחשת סביב עצמים בעלי חוזק שדה חשמלי חזק מאוד. תנאים כאלה נוצרים ליד חפצים חדים (תרנים של ספינות, מבנים עם גגות גמלונים). כאשר לגוף יש מטען סטטי כלשהו, אז עוצמת השדה בקצותיו מובילה ליינון של האוויר שמסביב. היונים שנוצרו מתחילות את הסחף שלהן לעבר מקור השדה. זרמים חלשים אלו, הגורמים לתהליכים דומים כמו במקרה של פריקת זוהר, מובילים להופעת זוהר.
סכנת הפרשות לבריאות האדם
פריקות קורונה וזוהר אינן מהוות סכנה מיוחדת לבני אדם, מכיוון שהן מאופיינות בזרמים נמוכים (מיליאמפר). שתי האחרות מההפרשות הנ ל הן קטלניות במקרה של מגע ישיר איתן.
אם אדם צופה בהתקרבות של ברק, אזי עליו לכבות את כל המכשירים החשמליים (כולל טלפונים ניידים), וגם להתמקם כך שלא יבלוט מהסביבה מבחינתגובה.
