Виды электрических разрядов

Размещено на http://www.allbest.ru/

ВВЕДЕНИЕ

Утверждение, что электричество открыли древние греки, справедливо лишь отчасти. Действительно, первые письменные упоминания о способности янтаря (по-гречески «янтарь» - «электрон») электризоваться находятся в трудах греческого философа и математика Фалеса Милетского и относятся к 6 веку до н.э. Но, несомненно, человек познакомился с природным электричеством с самого зарождения человечества (молнии, электрические рыбы и др.). Однако многие века гигантская электрическая искра, каковой является молния, была лишь загадочным и страшным явлением, считавшимся орудием богов. Научное изучение этого явления началось лишь в XVII веке.

Впервые искусственную электрическую искру, полученную от электрической машины трения, изобретённой Герике, наблюдал в 1672 г. немецкий философ, математик и физик Готфрид Лейбниц (1646-1716). Электрическая машина Отто фон Герике (1602-1686) представляла собой шар из серы величиной примерно с волейбольный мяч, насаженный на ось, укреплённую в деревянном штативе. При вращении шар электризовался ладонями рук.

Развитие электрических машин трения привело к возникновению так называемых «электрофорных» машин, сыгравших значительную роль в изучении законов электростатики и занявших достойное место в научных и учебных кабинетах Х1Х-ХХ веков. Однако более надежным, а главное, управляемым прибором для изучения искр высокого напряжения стала индукционная катушка, изобретенная в 1850 году французским физиком Румкорфом. Катушка Румкорфа стала впоследствии основой тех первых генераторов высокочастотных колебаний, которые использовали в качестве передатчиков Г. Герц и пионеры радиотехники конца XIX - начала XX веков. В настоящее время катушка Румкорфа является основной частью искровой системы зажигания карбюраторных двигателей внутреннего сгорания.

Что касается теории, то только в 1708 г. англичанин Уолл впервые высказал мысль об электрической природе молнии. Затем в 1745-1746 гг. сразу в двух местах: в Данциге (Клейст) и в Лейдене (проф. Мушенброк) - были изобретены так называемые лейденские банки - первые конденсаторы, позволившие получать искры сравнительно большой длины для их изучения.

Первым, доказавшим на опыте, что молния имеет электрическую природу, был американский учёный и государственный деятель Бенджамин Франклин. В 1749 г. он запустил воздушный змей, у которого в верхней части было прикреплено металлическое остриё, предназначенное для сбора электричества из туч. Когда дождь смочил нить, и она сделалась проводником, Франклин смог, используя атмосферное электричество, зарядить лейденскую банку.

В России опыты с атмосферным электричеством производил первый русский академик М. В. Ломоносов (1711-1765). В 1752 г. вместе с профессором Рихманом он построил «громовую машину» для извлечения электричества из туч, основой которой был высокий металлический шест над крышей дома. Нижний конец шеста проходил внутрь помещения. К нему прикреплялось устройство, напоминающее современный электроскоп. При близкой грозе из машины извлекались большие искры, при этом исследователи подвергались большой опасности. Во время одного из таких опытов в 1753г. Рихман был убит шаровой молнией.

В 1799г. итальянец Алессандро Вольта изобрёл мощный источник электрической энергии - «вольтов столб», позволивший начать изучение постоянного тока и интенсивней получать электрическую искру. В 1802 г. русский электротехник В. В. Петров (1761-1834) открыл явление вольтовой дуги и заложил основы электросварки металлов. В 1812г. вольтову дугу вторично и совершенно самостоятельно открыл английский физик и химик Гемфри Дэви, ассистентом которого в следующем году становится будущий великий физик Майкл Фарадей.

Только в 1840 г. делается первая попытка объяснить природу электрической искры. Сделал это американский электротехник Джозеф Генри (1797-1878). Генри открыл, что разряд лейденской банки в определённых условиях имеет колебательный характер.

Через семь лет величайший естествоиспытатель 19 века Герман Гельмгольц (1821-1894) доказал теоретически колебательный характер разряда. Учёным стало ясно, что электрическая искра порождается переменным током высокой частоты, который, как мы теперь знаем, является основой радиотехники.

В 1853 г. великий английский физик Вильям Томсон (впоследствии лорд Кельвин) теоретически выводит формулу, связывающую период колебаний с параметрами электрической цепи. Разработанную им теорию колебательного разряда в 1857 г. развил немецкий физик Густав Кирхгофф (1824-1887).

Однако всё, что предположили Генри и Гельмгольц и обосновали Томсон и Кирхгофф, было только теорией, ничем не подтверждённой на практике. Учёные не имели прибора, способного зарегистрировать длительность электрической искры и наглядно показать её колебательный характер.

Вполне надёжный прибор, позволивший на опыте подтвердить математические выкладки учёных и сфотографировать искру, построил в 1857г. немецкий физик Вильгельм Феддерсен. Прибор получил название «часов Феддерсена». Основной частью прибора являются два небольших вогнутых зеркала, равномерно вращающихся на общей оси. При вращении зеркала отбрасывают лучи электрической искры, полученной от лейденской банки, на фотопластинку. В течение 1858-59 гг. Феддерсен досконально изучил характер и условия возникновения электрических искр и, в частности, подтвердил на опыте правильность формулы Томсона. Длительность же искры оказалась равной миллионным долям секунды. На фотографиях искр чётко виден колебательный затухающий характер разряда.

Электрическая искра поступила на службу человеку. Впереди у неё будет много других побед. Искровое зажигание автомобилей, искровая электрорезка и обработка металлов, электрогравировка - вот неполный перечень областей применения искры в настоящее время.

1. ВИДЫ ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ РАЗРЯДОВ

1. Статические разряды

Статическое электричество - общеизвестное природное явление, с которым сталкивается всякий, кто, например, прикасается к дверной ручке после прогулки по ковру.

Возникающий при этом электрический разряд сам по себе безопасен, хотя от неожиданности человек может совершить непредсказуемые действия.

Однако кроме такого статический разряд может породить и другие явления, часть которых совершенно необходимо предотвратить. Их последствия могут быть самыми разнообразными: от выхода из строя электронной аппаратуры до взрыва всего здания.

1.1 Возникновение статического электричества; электрический разряд

Статическое электричество возникает всюду, где происходит движение твердых изоляторов или жидкостей - точнее, в момент их разделения. Экстремальный случай - обдувание стенки пыльным воздухом.

Напряжение разряда зависит от влажности. В сухом воздухе разряд бывает сильнее, чем во влажном. Электронные компоненты крайне чувствительны к таким разрядам. Даже разряд менее 30В может вывести их из строя или привести к неправильному срабатыванию.

Это может стать причиной необоснованного риска и непредсказуемых результатов. Вот почему электронные компоненты почти всегда оснащаются защитой.

электрический разряд тектонический метеорный

1.2 Статическое и динамическое электричество

Под динамическим электричеством имеется в виду электрический ток, обычно производимый электростанциями и поступающий по проводам. Он проявляется как напряжение на контактах. Статическое же электричество не подпитывается каким-либо источником напряжения. Оно выступает как своего рода разовое явление, которое не может повториться немедленно и требует времени для накопления перед новым разрядом.

2. Атмосферные разряды

Гроза - электрическое атмосферное явление, при котором в мощных кучево-дождевых облаках или между облаками и земной поверхностью возникают многократные электрические разряды (молнии), сопровождающиеся громом. Грозам обычно сопутствуют шквалистые ветры, ливневые осадки, нередко с градом.

Электрические явления в атмосфере: ионизация воздуха, электрическое поле атмосферы, электрические заряды облаков и осадков, электрические токи вызывают разряды в атмосфере. Такие разряды называют атмосферным

Одной из проблем безопасности полетов самолетов являются атмосферные электрические разряды, с которыми приходится сталкиваться экипажам воздушных судов, оборудованных системой дистанционного управления.

Пилоты, знакомящиеся с самолетом, оборудованным системой дистанционного управления, обычно задают законные вопросы о том, какой эффект оказывают молнии на системы этого технически усовершенствованного самолета.

В основном молнии имеют прямой и косвенный эффект на самолет.

1. Прямой эффект вызывает физические повреждения структуры самолета. Они вызваны высокой энергией, содержащейся в разряде молнии за одну секунду. Структура самолета, созданная для представления Faraday Cage, полностью прошита, а многие части сделаны из графитового волокнистого укрепленного пластика (CFRP), и с помощью специальных технологий достигнута их электрическая проводимость.

2. Косвенный эффект молнии отражается на легком нарушении или сильном повреждении системы авионики. Это повреждение связано с электромагнитными полями, возникающими из циркуляции высоковольтного тока в структуре самолета.

Например, от удара молнии напряжение может попасть на сигналы, которые не защищены от молнии, из-за чего общий сигнальный уровень поднимется в 500 раз. Ток, который возникнет в этом случае, может быть в 300 тыс. раз выше нормального состояния. Избыток входящей энергии, который встроенные фильтры должны нейтрализовать, может быть равен 500 кВт, в то время как потребление энергии всем оборудованием при нормальных обстоятельствах намного меньше 100 Вт.

Еще одним источником электрического разряда является такое явление, как шаровая молния (ШМ), практически неослабевающий интерес к которой обусловлен по-видимому тем, что до сих пор не существует какой-то одной общепринятой модели их внутреннего строения. Время жизни наблюдаемых ШМ достигает десятков секунд и учитывая их внезапное появление слишком мало для детального исследования. Отсюда основным источником информации об ШМ становятся последствия их взаимодействия с окружающими предметами.

Некоторые примеры из повреждения предметов после контакта с ШМ позволяют сделать оценки внутренней энергии, содержащейся в ШМ. Как следует из опыта контактов с ШМ, они обычно образуются вблизи источников сильных электромагнитных разрядов - при ударе молнии, при замыкании-размыкании высоковольтного или сильноточного электрооборудования, при высокочастотных импульсах мощных генераторов.

Молнии не контролируются природой. Они проводят свою энергию через крошечное острие. Концентрация этой энергии - источник физических повреждений. Задача всех защитных технологий - рассеять эту энергию. Заклепанная поверхность самолета не может полностью предохранить повреждение. Необходимо удалить статические заряды, возникшие от воздушного трения, и создать защиту от высокоинтенсивных радиационных полей.

3. Электрический разряд в газах (газовый разряд)

Особенность газов состоит в том, что электрический разряд в газах сам создает в них носители заряда - свободные электроны и ионы и обусловливает их концентрацию и распределение в объеме газа. В зависимости от давления, рода газа, процессов на электродах, плотности разрядного тока и др. возникают различные типы разрядов: тихий, тлеющий, дуговой, искровой, коронный, кистевой. По способу подведения энергии различают: разряд на постоянном токе, переменном токе низкой частоты, высокочастотный разряд и импульсный разряд.

Для примера рассмотрим одну из форм самостоятельного разряда в газах - так называемый тлеющий разряд. Для получения этого типа разряда удобно использовать стеклянную трубку длиной около полуметра, содержащую два металлических электрода.

Присоединим электроды к источнику постоянного тока с напряжением несколько тысяч вольт (годится электрическая машина) и будем постепенно откачивать из трубки воздух. При атмосферном давлении газ внутри трубки остается темным, так как приложенное напряжение в несколько тысяч вольт недостаточно для того, чтобы пробить длинный газовый промежуток. Однако когда давление газа достаточно понизится, в трубке вспыхивает светящийся разряд. Он имеет вид тонкого шнура (в воздухе - малинового цвета, в других газах других цветов), соединяющего оба электрода. В этом состоянии газовый столб хорошо проводит электричество.

Различают следующие две главные части разряда: 1) несветящуюся часть, прилегающую к катоду, получившую название темного катодного пространства; 2) светящийся столб газа, заполняющий всю остальную часть трубки, вплоть до самого анода. Эта часть разряда носит название положительного столба. При подходящем давлении положительный столб может распадаться на отдельные слои, разделенные темными промежутками, так называемые страты.

Описанная форма разряда называется тлеющим разрядом. При тлеющем разряде газ хорошо проводит электричество, а значит, в газе все время поддерживается сильная ионизация. Причинами ионизации газа в тлеющем разряде являются ударная ионизация и выбивание электронов с катода положительными ионами. Катодное падение потенциала зависит от материала катода и от рода газа.

В настоящее время трубки с тлеющим разрядом находят практическое применение как источник света - газосветные лампы. Для целей освещения с успехом применяются газосветные лампы, в которых разряд происходит в парах ртути, причем вредное для зрения ультрафиолетовое излучение поглощается слоем фосфоресцирующего вещества, покрывающего изнутри стенки лампы. Фосфоресцирующее вещество начинает светиться видимым светом, который добавляется к собственному свечению паров ртути, давая в результате свет, близкий по характеру к дневному свету (газосветные лампы дневного света). Такие лампы не только дают очень приятное «естественное» освещение, но и значительно (в 3-4 раза) экономичнее лампочек накаливания.

Газосветные лампы применяются также для декоративных целей. В этих случаях им придают очертания букв, различных фигур и т. д. и наполняют газом с красивым цветом свечения (неоном, дающим оранжево-красное свечение, или аргоном с синевато-зеленым свечением).

Дуговой разряд. Если после зажигания искрового разряда постепенно уменьшат сопротивление цепи, то сила тока в искре будет увеличиваться. Когда сопротивление цепи станет достаточно малым, возникает новая форма газового разряда, называемая дуговым разрядом.

Дуговой разряд возникает во всех случаях, когда вследствие разогревания катода основной причиной ионизации газа становится термоэлектронная эмиссия. Например, в тлеющем разряде положительные ионы, бомбардирующие катод, не только вызывают вторичную эмиссию электронов, но и нагревают катод. Поэтому, если увеличивать силу тока в тлеющем разряде, то температура катода увеличивается, и когда она достигает такой величины, что начинается заметная термоэлектронная эмиссия, тлеющий разряд переходит в дуговой. При этом исчезает и катодное падение потенциала.

Электрическая дуга является мощным источником света и широко применяется в проекционных, прожекторных и других установках. Расходуемая ею удельная мощность меньше, чем у ламп накаливания.

4. Биологические электроразряды

К биологическим видам-носителям электрического заряда относятся некоторые виды рыб, таких как общеизвестное семейство электрических скатов.

В пресных водах тропической Западной Африки и реки Нил, например, существует единственный вид семейства пресноводных - электрический сом - рыба отряда сомообразных длиной 20-65 см, иногда до 1 м, который имеет электрические органы. Являясь объектом местного промысла издавна используется местными жителями в народной медицине («электротерапия»).

Еще одним видом пресноводных, пользующийся природным электроразрядом является электрический угорь, рыба отряда карпообразных, живущий в реках Амазонка и Ориноко, являющийся также бъектом местного промысла. Это единственный вид семейства, который имеет электрические органы, занимающие около 4/5 длины тела. Может давать электрический разряд до 650 В (обычно - меньше). Длина особи - от 1 до 3 м, весит до 40 кг. Часто содержатся в больших аквариумах.

5. Электрические разряды на службе человека

Электрический ракетный двигатель - двигатель, в котором в качестве источника энергии для создания тяги используется электрическая энергия бортовой энергоустановки космического летательного аппарата. Применяется для коррекции траектории и ориентации космических аппаратов. Электрические ракетные двигатели разделяются на электротермические, электростатические и электромагнитные.

Электрическое обогащение (электросепарация), электроразрядное разделение полезных ископаемых или материалов по вещественному составу, основанное, как правило, на их различии в электропроводности.

Электрический стул, приспособление, которое использовалось в США для приведения в исполнение приговора о смертной казни с помощью электрического разряда тока высокого напряжения.

С электроразрядными процессами мы постоянно сталкиваемся и в медицине (электрофорез, химиотерапия, бактерицидное излучение при дезинфекции). Лампа Чижевского, например, в результате высоковольтного разряда образует отрицательно заряженные ионы воздуха, способные улучшать самочувствие, быстрое выздоровление, укреплять иммунную систему человека.

6. Тектонические и метеорные явления

В последнее время в печати появились публикации, посвященные проблеме взаимосвязи между тектоническими и метеорными явлениями. Постановка этой проблемы представляется чрезвычайно актуальной, так как сейсмические явления, связанные с пролетами в атмосфере Земли метеорных тел (МТ) уже давно представляет собой бесспорный факт и нуждаются в научном объяснении.

Геофизик же А. А. Воробьев полагает, что и сами землетрясения являются результатом мощных электроразрядных процессов («подземных гроз» по образному выражению Ж. Дари) в недрах планеты ВЭП могут быть приурочены к глубокими горизонтам земных недр, например - к границе коры и мантии; между ними и поверхностью Земли могут происходить электроразрядные импульсные пробои земной коры, в результате чего образуются трубки взрыва и некоторые кольцевые взрывные структуры.

Ряд геологов не без оснований объясняют электроразрядными процессами образование кимберлитовых трубок.

Другие же ученые допускают возможность накопления на МТ мощного электрического заряда и его дальнейшего взаимодействия с поверхностью Земли. Впервые эта идея была высказана геофизиком В. Ф. Соляником в 1951 году на пленуме Комиссии по кометам и метеоритам АН СССР.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Электрические разряды играли и играют важную роль не только в жизни человечества. Проблема возникновения жизни на Земле издавна не дает покоя многим ученым. С тех пор, как человек начал задаваться вопросом, откуда произошло все живое прошло много лет, и за все это время рассматривалось множество гипотез и предположений о зарождении жизни. Религиозная теория, теория самозарождения, теория панспермии, теория вечного существования жизни... Человечество до сих пор не может до конца разгадать эту загадку. За основную теорию возникновения жизни, тем не менее, принимается теория, предложенная А. И. Опариным в первой половине ХХ века. Она основана на предположении о химической эволюции в результате электроразрядных явлений, эволюции, которая постепенно переходит к биохимической, а затем - к биологической эволюции.

Образование клетки явилось сложнейшим явлением. Но оно и положило начало развитию жизни и всему ее многообразию.

С незапамятных времен происхождение жизни было загадкой для человечества. С момента своего появления благодаря труду человек начинает выделяться среди остальных живых существ. Но способность задавать себе вопрос «откуда мы?» человек получает сравнительно недавно - 7-8 тыс. лет назад, в начале нового каменного века (неолита). Первые примитивные формы веры в нереальные, сверхъестественные или божественные силы, существовавшие уже 35-40 тыс. лет назад, расширяются и укрепляются. Человек понимает, что он смертен, что одни рождаются, а другие умирают, что он создает орудия труда, обрабатывает землю и получает ее плоды. А что же лежит в основе всего, кто первосоздатель, кто создал землю и небо, животных и растения, воздух и воду, день и ночь, и, наконец, самого человека?

Список использованной литературы

1. Воробьев А.А. Равновесие и преобразование видов энергии в недрах. -Томск: Изд-во ТГУ, 1980. - 211 с.

2. Качурин Л. Г. Физические основы воздействия на атмосферные процессы. Л.: Гидрометиоиздат, 1990. - 463 с.

3. Ольховатов А.Ю. О вероятной природе взаимосвязи между метеорными и тектоническими явлениями // Изв.АН СССР. Физика Земли. - 1990. - №12. - С.101-103.

4. Светов Б.С. Неклассическая геоэлектрика //Физика Земли. - 1995. - №8.

5. Шкловский И. С. «Вселенная. Жизнь. Разум». - М.: Наука, 1987. - 164 с.

6. Федосин С.Г., Ким А.С. Электронно-ионная модель шаровой молнии. - М.: Наука, 2001. - 38 с.

Размещено на Allbest.ru