อายุที่เราอยู่สามารถเรียกได้ว่าเป็นยุคแห่งไฟฟ้า การใช้งานคอมพิวเตอร์ โทรทัศน์ รถยนต์ ดาวเทียม อุปกรณ์ให้แสงสว่าง เป็นเพียงส่วนเล็กๆ ของตัวอย่างที่ใช้ หนึ่งในกระบวนการที่น่าสนใจและสำคัญสำหรับบุคคลคือการคายประจุไฟฟ้า มาดูกันดีกว่าว่ามันคืออะไร
ประวัติโดยย่อของการศึกษาไฟฟ้า
มนุษย์มารู้จักไฟฟ้าตั้งแต่เมื่อไหร่? เป็นการยากที่จะตอบคำถามนี้ เพราะมันผิดวิธี เพราะปรากฏการณ์ทางธรรมชาติที่โดดเด่นที่สุดคือสายฟ้า ซึ่งรู้จักกันมาแต่ไหนแต่ไร
การศึกษากระบวนการทางไฟฟ้าที่มีความหมายเริ่มขึ้นเมื่อปลายครึ่งแรกของศตวรรษที่ 18 เท่านั้น ที่นี่ควรสังเกตว่าการมีส่วนร่วมอย่างจริงจังในความคิดของมนุษย์เกี่ยวกับไฟฟ้าโดย Charles Coulomb ผู้ศึกษาแรงของการปฏิสัมพันธ์ของอนุภาคที่มีประจุ George Ohm ผู้อธิบายพารามิเตอร์ของกระแสในวงจรปิดทางคณิตศาสตร์และ Benjamin Franklin ผู้ ได้ทำการทดลองต่างๆ มากมาย โดยศึกษาธรรมชาติของสิ่งที่กล่าวมาข้างต้นฟ้าผ่า. นอกจากนี้นักวิทยาศาสตร์เช่น Luigi Galvani (การศึกษาแรงกระตุ้นของเส้นประสาทการประดิษฐ์ "แบตเตอรี่ก้อนแรก") และ Michael Faraday (การศึกษากระแสไฟฟ้าในอิเล็กโทรไลต์) มีบทบาทสำคัญในการพัฒนาฟิสิกส์ของไฟฟ้า
ความสำเร็จของนักวิทยาศาสตร์เหล่านี้ได้สร้างรากฐานที่มั่นคงสำหรับการศึกษาและทำความเข้าใจกระบวนการทางไฟฟ้าที่ซับซ้อน ซึ่งหนึ่งในนั้นคือการปลดปล่อยไฟฟ้า
การปลดปล่อยคืออะไรและมีเงื่อนไขอะไรบ้างที่จำเป็นสำหรับการดำรงอยู่
การคายประจุของกระแสไฟฟ้าเป็นกระบวนการทางกายภาพ ซึ่งมีลักษณะเฉพาะโดยการปรากฏตัวของอนุภาคประจุไฟฟ้าระหว่างพื้นที่เชิงพื้นที่สองแห่งซึ่งมีศักยภาพต่างกันในตัวกลางที่เป็นก๊าซ มาทำลายคำจำกัดความนี้กัน
อย่างแรก เวลามีคนพูดถึงการคายประจุ พวกเขามักจะหมายถึงแก๊ส การคายประจุในของเหลวและของแข็งสามารถเกิดขึ้นได้เช่นกัน (การสลายตัวของตัวเก็บประจุแบบแข็ง) แต่กระบวนการศึกษาปรากฏการณ์นี้พิจารณาได้ง่ายกว่าในตัวกลางที่มีความหนาแน่นน้อยกว่า ยิ่งไปกว่านั้น การปล่อยก๊าซที่มักถูกสังเกตพบและมีความสำคัญอย่างยิ่งต่อชีวิตมนุษย์
ประการที่สอง ตามคำจำกัดความของการปล่อยไฟฟ้า จะเกิดขึ้นก็ต่อเมื่อตรงตามเงื่อนไขสำคัญสองประการเท่านั้น:
- เมื่อมีความแตกต่างที่อาจเกิดขึ้น (ความแรงของสนามไฟฟ้า);
- มีตัวพาประจุ (ไอออนและอิเล็กตรอนอิสระ)
ความแตกต่างที่อาจเกิดขึ้นทำให้มั่นใจได้ถึงการเคลื่อนที่ของประจุโดยตรง หากเกินค่าเกณฑ์ที่กำหนด การปลดปล่อยที่ไม่ยั่งยืนในตัวเองจะกลายเป็นเลี้ยงเองหรือเลี้ยงเอง
สำหรับผู้ให้บริการที่ไม่เสียค่าบริการ มักมีอยู่ในแก๊สทุกชนิด แน่นอนว่าความเข้มข้นของพวกมันขึ้นอยู่กับปัจจัยภายนอกหลายประการและคุณสมบัติของก๊าซเอง แต่ความจริงแล้วการมีอยู่ของพวกมันนั้นไม่อาจโต้แย้งได้ เนื่องจากการมีอยู่ของแหล่งกำเนิดไอออนไนซ์ของอะตอมและโมเลกุลที่เป็นกลาง เช่น รังสีอัลตราไวโอเลตจากดวงอาทิตย์ รังสีคอสมิก และการแผ่รังสีตามธรรมชาติของโลก
ความสัมพันธ์ระหว่างความต่างศักย์และความเข้มข้นของพาหะเป็นตัวกำหนดลักษณะของการปลดปล่อย
ประเภทของการปล่อยไฟฟ้า
เรามาลงรายการสายพันธุ์เหล่านี้กัน จากนั้นเราจะอธิบายลักษณะของพวกมันโดยละเอียดยิ่งขึ้น ดังนั้น การปล่อยทั้งหมดในตัวกลางที่เป็นก๊าซมักจะถูกแบ่งออกเป็นดังนี้:
- ระอุ;
- จุดประกาย;
- arc;
- มงกุฎ
ทางกายภาพ พวกมันแตกต่างกันในด้านพลังงานเท่านั้น (ความหนาแน่นกระแส) และด้วยเหตุนี้ อุณหภูมิ เช่นเดียวกับลักษณะที่ปรากฏในเวลา ในทุกกรณี เรากำลังพูดถึงการถ่ายโอนประจุบวก (ไพเพอร์) ไปยังแคโทด (พื้นที่ศักย์ต่ำ) และประจุลบ (แอนไอออน อิเล็กตรอน) ไปยังแอโนด (โซนศักยภาพสูง)
ปล่อยแสง
สำหรับการมีอยู่ของมัน จำเป็นต้องสร้างแรงดันแก๊สต่ำ (น้อยกว่าความดันบรรยากาศหลายร้อยเท่า) มีการสังเกตการปล่อยเรืองแสงในหลอดแคโทดที่เต็มไปด้วยก๊าซบางชนิด (เช่น Ne, Ar, Kr และอื่น ๆ) การใช้แรงดันไฟฟ้ากับอิเล็กโทรดของท่อนำไปสู่การกระตุ้นกระบวนการต่อไปนี้: มีอยู่ในแก๊สไพเพอร์เริ่มเคลื่อนที่อย่างรวดเร็ว ไปถึงแคโทด พวกมันโดนมัน ถ่ายโอนโมเมนตัมและผลักอิเล็กตรอนออกไป อย่างหลัง เมื่อมีพลังงานจลน์เพียงพอ สามารถนำไปสู่การแตกตัวเป็นไอออนของโมเลกุลก๊าซที่เป็นกลางได้ กระบวนการที่อธิบายไว้จะคงอยู่ได้เฉพาะในกรณีที่มีพลังงานเพียงพอของไอออนบวกที่ทิ้งระเบิดแคโทดและจำนวนหนึ่งซึ่งขึ้นอยู่กับความต่างศักย์ที่อิเล็กโทรดและแรงดันแก๊สในท่อ
เรืองแสงเรืองแสง. การปล่อยคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าเกิดจากกระบวนการคู่ขนานสองกระบวนการ:
- การรวมตัวกันของคู่อิเล็คตรอน-ไอออนบวกพร้อมกับการปล่อยพลังงาน
- การเปลี่ยนโมเลกุลก๊าซเป็นกลาง (อะตอม) จากสถานะตื่นเต้นเป็นสถานะพื้นดิน
ลักษณะทั่วไปของการคายประจุประเภทนี้คือกระแสขนาดเล็ก (ไม่กี่มิลลิแอมป์) และแรงดันไฟคงที่ขนาดเล็ก (100-400 V) แต่แรงดันที่จุดต่ำสุดคือหลายพันโวลต์ ขึ้นอยู่กับแรงดันของแก๊ส
ตัวอย่างการปล่อยเรืองแสง ได้แก่ หลอดฟลูออเรสเซนต์และหลอดนีออน โดยธรรมชาติแล้ว แสงประเภทนี้สามารถเกิดจากแสงเหนือ (การเคลื่อนที่ของไอออนในสนามแม่เหล็กโลก)
ประกายไฟ
นี่คือการคายประจุไฟฟ้าในบรรยากาศทั่วไปที่ปรากฏเป็นสายฟ้า สำหรับการดำรงอยู่ของมัน ไม่เพียงแต่การมีแรงดันแก๊สสูง (1 atm หรือมากกว่า) แต่ยังต้องมีความเครียดมหาศาลด้วย อากาศเป็นไดอิเล็กตริก (ฉนวน) ที่ค่อนข้างดี ความสามารถในการซึมผ่านได้ตั้งแต่ 4 ถึง 30 kV/ซม. ขึ้นอยู่กับมีความชื้นและอนุภาคของแข็งอยู่ในนั้น ตัวเลขเหล่านี้บ่งชี้ว่าต้องใช้ไฟฟ้าขั้นต่ำ 4,000,000 โวลต์ในแต่ละเมตรของอากาศเพื่อสร้างการสลาย (ประกายไฟ)!
โดยธรรมชาติแล้ว สภาพดังกล่าวเกิดขึ้นในก้อนเมฆคิวมูลัส เมื่อเป็นผลมาจากการเสียดสีระหว่างมวลอากาศ การพาอากาศ และการตกผลึก (การควบแน่น) ประจุจะถูกกระจายในลักษณะที่ชั้นล่างของเมฆเป็น ประจุลบและชั้นบนเป็นบวก ความต่างศักย์จะค่อยๆ สะสม เมื่อค่าของมันเริ่มเกินความสามารถในการเป็นฉนวนของอากาศ (หลายล้านโวลต์ต่อเมตร) จากนั้นฟ้าผ่าก็เกิดขึ้น - การคายประจุไฟฟ้าที่คงอยู่เพียงเสี้ยววินาที ความแรงของกระแสในนั้นสูงถึง 10-40,000 แอมแปร์และอุณหภูมิพลาสมาในช่องเพิ่มขึ้นเป็น 20,000 K.
พลังงานขั้นต่ำที่ปล่อยออกมาระหว่างกระบวนการฟ้าผ่าสามารถคำนวณได้หากเราคำนึงถึงข้อมูลต่อไปนี้: กระบวนการพัฒนาในช่วง t=110-6 s, I=10,000 A, U=109 B แล้วเราจะได้:
E=IUt=10 ล้าน J
ผลลัพธ์ที่ได้นั้นเทียบเท่ากับพลังงานที่ปล่อยออกมาจากการระเบิดไดนาไมต์ 250 กิโลกรัม
การปลดปล่อยอาร์ค
เช่นเดียวกับประกายไฟ เกิดขึ้นเมื่อมีแรงดันแก๊สเพียงพอ ลักษณะของมันเกือบจะคล้ายกับประกายไฟ แต่มีความแตกต่าง:
- ประการแรกกระแสถึงหมื่นแอมแปร์ แต่แรงดันพร้อมกันหลายร้อยโวลต์ซึ่งสัมพันธ์กับสื่อนำไฟฟ้าสูง
- อย่างที่สอง การปลดปล่อยอาร์คมีอยู่ตรงเวลา ไม่เหมือนประกายไฟ
การเปลี่ยนไปใช้การคายประจุประเภทนี้จะดำเนินการโดยการเพิ่มแรงดันไฟฟ้าทีละน้อย การคายประจุจะคงอยู่เนื่องจากการปล่อยความร้อนจากแคโทด ตัวอย่างที่โดดเด่นของสิ่งนี้คือส่วนโค้งของการเชื่อม
ปล่อยโคโรนา
การปล่อยไฟฟ้าประเภทนี้ในก๊าซมักถูกสังเกตโดยลูกเรือที่เดินทางไปยังโลกใหม่ซึ่งค้นพบโดยโคลัมบัส พวกเขาเรียกแสงสีน้ำเงินที่ปลายเสากระโดงว่า "ไฟเซนต์เอลโม่"
โคโรนาเกิดขึ้นรอบๆ วัตถุที่มีความแรงของสนามไฟฟ้าสูงมาก เงื่อนไขดังกล่าวถูกสร้างขึ้นใกล้กับวัตถุมีคม (เสากระโดงเรือ อาคารที่มีหลังคาหน้าจั่ว) เมื่อร่างกายมีประจุไฟฟ้าสถิต ความแรงของสนามที่ปลายจะนำไปสู่การแตกตัวเป็นไอออนของอากาศโดยรอบ ไอออนที่เกิดขึ้นจะเริ่มล่องลอยไปยังแหล่งกำเนิดของสนาม กระแสน้ำที่อ่อนเหล่านี้ซึ่งทำให้เกิดกระบวนการที่คล้ายคลึงกันในกรณีของการปล่อยเรืองแสง นำไปสู่ลักษณะที่ปรากฏของการเรืองแสง
อันตรายต่อสุขภาพของมนุษย์
การปล่อยโคโรน่าและเรืองแสงไม่ก่อให้เกิดอันตรายต่อมนุษย์โดยเฉพาะ เนื่องจากมีกระแสไฟฟ้าต่ำ (มิลลิแอมป์) การปล่อยประจุอีก 2 รายการข้างต้นเป็นอันตรายถึงชีวิตในกรณีที่สัมผัสโดยตรงกับพวกเขา
ถ้าคนสังเกตการเข้าใกล้ของฟ้าผ่า เขาต้องปิดเครื่องใช้ไฟฟ้าทั้งหมด (รวมถึงโทรศัพท์มือถือ) และจัดตำแหน่งตัวเองเพื่อไม่ให้โดดเด่นจากบริเวณโดยรอบในแง่ของส่วนสูง
