Ang edad na ating ginagalawan ay matatawag na edad ng kuryente. Ang pagpapatakbo ng mga kompyuter, telebisyon, sasakyan, satellite, artipisyal na kagamitan sa pag-iilaw ay maliit na bahagi lamang ng mga halimbawa kung saan ito ginagamit. Ang isa sa mga kawili-wili at mahalagang proseso para sa isang tao ay isang electric discharge. Tingnan natin kung ano ito.
Isang Maikling Kasaysayan ng Pag-aaral ng Elektrisidad
Kailan nakilala ng tao ang kuryente? Mahirap sagutin ang tanong na ito, dahil nailagay ito sa maling paraan, dahil ang pinakakapansin-pansing natural na phenomenon ay ang kidlat, na kilala mula pa noong una.
Ang makabuluhang pag-aaral ng mga prosesong elektrikal ay nagsimula lamang sa pagtatapos ng unang kalahati ng ika-18 siglo. Dito dapat pansinin ang isang seryosong kontribusyon sa mga ideya ng tao tungkol sa kuryente ni Charles Coulomb, na nag-aral ng puwersa ng pakikipag-ugnayan ng mga sisingilin na particle, si George Ohm, na mathematically na inilarawan ang mga parameter ng kasalukuyang sa isang closed circuit, at Benjamin Franklin, na nagsagawa ng maraming mga eksperimento, na pinag-aaralan ang katangian ng mga nabanggit sa itaaskidlat. Bilang karagdagan sa kanila, ang mga siyentipiko tulad ni Luigi Galvani (ang pag-aaral ng mga nerve impulses, ang pag-imbento ng unang "baterya") at Michael Faraday (ang pag-aaral ng kasalukuyang sa electrolytes) ay may malaking papel sa pagbuo ng physics ng kuryente.
Ang mga nagawa ng lahat ng siyentipikong ito ay lumikha ng matibay na pundasyon para sa pag-aaral at pag-unawa sa mga kumplikadong proseso ng elektrikal, isa na rito ang electric discharge.
Ano ang discharge at anong mga kondisyon ang kinakailangan para sa pagkakaroon nito?
Ang paglabas ng electric current ay isang pisikal na proseso, na nailalarawan sa pagkakaroon ng daloy ng mga naka-charge na particle sa pagitan ng dalawang spatial na rehiyon na may magkaibang potensyal sa isang gaseous medium. Hatiin natin ang kahulugang ito.
Una, kapag pinag-uusapan ng mga tao ang tungkol sa discharge, ang ibig nilang sabihin ay gas. Ang mga paglabas sa mga likido at solido ay maaari ding mangyari (pagkasira ng isang solidong kapasitor), ngunit ang proseso ng pag-aaral ng hindi pangkaraniwang bagay na ito ay mas madaling isaalang-alang sa isang hindi gaanong siksik na daluyan. Bukod dito, ito ay ang mga discharges sa mga gas na madalas na sinusunod at napakahalaga para sa buhay ng tao.
Pangalawa, gaya ng nakasaad sa kahulugan ng isang paglabas ng kuryente, nangyayari lamang ito kapag natugunan ang dalawang mahahalagang kundisyon:
- kapag may potensyal na pagkakaiba (electric field strength);
- presensya ng mga tagadala ng singil (mga libreng ions at electron).
Ang potensyal na pagkakaiba ay tumitiyak sa direktang paggalaw ng singil. Kung ito ay lumampas sa isang tiyak na halaga ng threshold, pagkatapos ay ang di-self-sustained discharge ay magigingself-supporting o self-supporting.
Tulad ng para sa mga carrier ng libreng bayad, palagi silang naroroon sa anumang gas. Ang kanilang konsentrasyon, siyempre, ay nakasalalay sa isang bilang ng mga panlabas na kadahilanan at ang mga katangian ng gas mismo, ngunit ang mismong katotohanan ng kanilang presensya ay hindi mapag-aalinlanganan. Ito ay dahil sa pagkakaroon ng mga pinagmumulan ng ionization ng neutral atoms at molecules gaya ng ultraviolet rays mula sa Sun, cosmic radiation at natural radiation ng ating planeta.
Ang kaugnayan sa pagitan ng potensyal na pagkakaiba at ang konsentrasyon ng carrier ay tumutukoy sa likas na katangian ng paglabas.
Mga uri ng mga discharge ng kuryente
Ilista natin ang mga species na ito, at pagkatapos ay ilalarawan natin ang bawat isa sa kanila nang mas detalyado. Kaya, ang lahat ng discharges sa gaseous media ay karaniwang nahahati sa mga sumusunod:
- nauusok;
- spark;
- arc;
- korona.
Sa pisikal, sila ay naiiba sa bawat isa lamang sa kapangyarihan (kasalukuyang density) at, bilang resulta, sa temperatura, gayundin sa likas na katangian ng kanilang pagpapakita sa oras. Sa lahat ng kaso, pinag-uusapan natin ang paglipat ng isang positibong singil (cations) sa cathode (mababang potensyal na lugar) at isang negatibong singil (anion, mga electron) sa anode (mataas na potensyal na zone).
Glow Discharge
Para sa pagkakaroon nito, kinakailangan na lumikha ng mababang presyon ng gas (daan-daang at libu-libong beses na mas mababa kaysa sa atmospheric pressure). Ang isang glow discharge ay sinusunod sa mga cathode tube na puno ng ilang uri ng gas (halimbawa, Ne, Ar, Kr, at iba pa). Ang paglalapat ng boltahe sa mga electrodes ng tubo ay humahantong sa pag-activate ng sumusunod na proseso: magagamit sa gasAng mga cation ay nagsimulang gumalaw nang mabilis, na umaabot sa katod, tinamaan nila ito, naglilipat ng momentum at nagpapatumba ng mga electron. Ang huli, sa pagkakaroon ng sapat na kinetic energy, ay maaaring humantong sa ionization ng mga neutral na molekula ng gas. Ang inilarawang proseso ay magiging self-sustaining lamang sa kaso ng sapat na enerhiya ng mga cation na nagbobomba sa cathode at isang tiyak na halaga ng mga ito, na depende sa potensyal na pagkakaiba sa mga electrodes at ang presyon ng gas sa tubo.
Glow discharge ay kumikinang. Ang paglabas ng mga electromagnetic wave ay dahil sa dalawang parallel na proseso:
- recombination ng mga pares ng electron-cation na sinamahan ng paglabas ng enerhiya;
- transition ng neutral gas molecules (atoms) mula sa excited state patungo sa ground state.
Ang mga tipikal na katangian ng ganitong uri ng discharge ay maliliit na agos (ilang milliamps) at maliliit na nakatigil na boltahe (100-400 V), ngunit ang boltahe ng threshold ay ilang libong volt, depende sa presyon ng gas.
Ang mga halimbawa ng glow discharge ay mga fluorescent at neon lamp. Sa kalikasan, ang ganitong uri ay maaaring maiugnay sa hilagang mga ilaw (ang paggalaw ng ion ay dumadaloy sa magnetic field ng Earth).
Spark discharge
Ito ay isang tipikal na atmospheric electrical discharge na lumalabas bilang kidlat. Para sa pagkakaroon nito, hindi lamang ang pagkakaroon ng mataas na presyon ng gas (1 atm o higit pa), kundi pati na rin ang malalaking stress ay kinakailangan. Ang hangin ay isang medyo magandang dielectric (insulator). Ang permeability nito ay mula 4 hanggang 30 kV/cm, depende saang pagkakaroon ng kahalumigmigan at mga solidong particle sa loob nito. Isinasaad ng mga figure na ito na hindi bababa sa 4,000,000 volts ang dapat ilapat sa bawat metro ng hangin upang makagawa ng breakdown (spark)!
Sa kalikasan, ang mga ganitong kondisyon ay nangyayari sa cumulus clouds, kapag, bilang resulta ng friction sa pagitan ng air mass, air convection at crystallization (condensation), ang mga singil ay muling ipinamamahagi sa paraang ang mga mas mababang layer ng mga ulap ay negatibong sisingilin, at positibo ang itaas na mga layer. Ang potensyal na pagkakaiba ay unti-unting naipon, kapag ang halaga nito ay nagsimulang lumampas sa mga kakayahan ng insulating ng hangin (ilang milyong bolta bawat metro), pagkatapos ay nangyayari ang kidlat - isang de-koryenteng paglabas na tumatagal ng isang bahagi ng isang segundo. Ang kasalukuyang lakas dito ay umabot sa 10-40 libong amperes, at ang temperatura ng plasma sa channel ay tumataas sa 20,000 K.
Ang pinakamababang enerhiya na inilabas sa panahon ng proseso ng kidlat ay maaaring kalkulahin kung isasaalang-alang natin ang sumusunod na data: ang proseso ay bubuo sa panahon ng t=110-6 s, I=10 000 A, U=109 B, pagkatapos ay makukuha natin ang:
E=IUt=10 milyon J
Ang resultang figure ay katumbas ng enerhiya na inilabas ng pagsabog ng 250 kg ng dinamita.
Arc Discharge
Gayundin ang spark, nangyayari ito kapag may sapat na pressure sa gas. Ang mga katangian nito ay halos ganap na katulad ng spark, ngunit may mga pagkakaiba:
- Una, ang mga agos ay umabot sa sampung libong amperes, ngunit ang boltahe sa parehong oras ay ilang daang volts, na nauugnay samataas na conductive medium;
- pangalawa, ang arc discharge ay umiiral nang matatag sa oras, hindi katulad ng spark.
Ang paglipat sa ganitong uri ng discharge ay isinasagawa sa pamamagitan ng unti-unting pagtaas ng boltahe. Ang discharge ay pinananatili dahil sa thermionic emission mula sa cathode. Ang isang kapansin-pansing halimbawa nito ay ang welding arc.
Corona discharge
Ang ganitong uri ng electrical discharge sa mga gas ay madalas na naobserbahan ng mga mandaragat na naglakbay sa New World na natuklasan ni Columbus. Tinawag nilang "St. Elmo's lights" ang mala-bughaw na glow sa dulo ng mga palo.
May corona discharge na nangyayari sa paligid ng mga bagay na may napakalakas na lakas ng electric field. Ang ganitong mga kondisyon ay nilikha malapit sa mga matutulis na bagay (mga palo ng mga barko, mga gusali na may mga bubong na bubong). Kapag ang isang katawan ay may ilang static na singil, kung gayon ang lakas ng field sa mga dulo nito ay humahantong sa ionization ng nakapaligid na hangin. Ang mga nagresultang ion ay nagsisimula sa kanilang pag-anod patungo sa pinagmulan ng field. Ang mahinang agos na ito, na nagdudulot ng mga katulad na proseso tulad ng sa kaso ng glow discharge, ay humahantong sa paglitaw ng isang glow.
Panganib ng mga discharge sa kalusugan ng tao
Ang corona at glow discharges ay hindi nagdudulot ng partikular na panganib sa mga tao, dahil ang mga ito ay nailalarawan sa mababang agos (milliamps). Ang dalawa pa sa mga discharge sa itaas ay nakamamatay kung sakaling direktang makipag-ugnayan sa kanila.
Kung ang isang tao ay nagmamasid sa paglapit ng kidlat, dapat niyang patayin ang lahat ng mga de-koryenteng kasangkapan (kabilang ang mga mobile phone), at iposisyon din ang kanyang sarili upang hindi tumayo mula sa nakapaligid na lugar sa mga tuntunin ngtaas.
