L'età in cui viviamo può essere definita l'era dell'elettricità. Il funzionamento di computer, televisori, automobili, satelliti, dispositivi di illuminazione artificiale sono solo una piccola parte degli esempi in cui viene utilizzato. Uno dei processi interessanti e importanti per una persona è una scarica elettrica. Diamo un'occhiata più da vicino a cosa è.
Una breve storia dello studio dell'elettricità
Quando l'uomo ha conosciuto l'elettricità? È difficile rispondere a questa domanda, perché è stata posta in modo errato, perché il fenomeno naturale più sorprendente è il fulmine, noto da tempo immemorabile.
Lo studio significativo dei processi elettrici iniziò solo alla fine della prima metà del 18° secolo. Qui va notato un serio contributo alle idee dell'uomo sull'elettricità di Charles Coulomb, che studiò la forza di interazione delle particelle cariche, George Ohm, che descrisse matematicamente i parametri della corrente in un circuito chiuso, e Benjamin Franklin, che condotto molti esperimenti, studiando la natura di quanto soprafulmine. Oltre a loro, scienziati come Luigi Galvani (lo studio degli impulsi nervosi, l'invenzione della prima "batteria") e Michael Faraday (lo studio della corrente negli elettroliti) hanno svolto un ruolo importante nello sviluppo della fisica dell'elettricità.
I risultati di tutti questi scienziati hanno creato una solida base per lo studio e la comprensione di processi elettrici complessi, uno dei quali è una scarica elettrica.
Cos'è una scarica e quali condizioni sono necessarie per la sua esistenza?
La scarica di corrente elettrica è un processo fisico, caratterizzato dalla presenza di un flusso di particelle cariche tra due regioni spaziali aventi diversi potenziali in un mezzo gassoso. Analizziamo questa definizione.
In primo luogo, quando le persone parlano di scarico, intendono sempre gas. Possono verificarsi anche scariche in liquidi e solidi (rottura di un condensatore solido), ma il processo di studio di questo fenomeno è più facile da considerare in un mezzo meno denso. Inoltre, sono gli scarichi nei gas che si osservano spesso e sono di grande importanza per la vita umana.
In secondo luogo, come affermato nella definizione di scarica elettrica, si verifica solo quando sono soddisfatte due condizioni importanti:
- quando c'è una differenza di potenziale (intensità del campo elettrico);
- presenza di portatori di carica (ioni ed elettroni liberi).
La differenza di potenziale assicura il movimento diretto della carica. Se supera un certo valore di soglia, si trasforma in una scarica non autosufficienteautoportante o autoportante.
Per quanto riguarda i vettori gratuiti, sono sempre presenti in qualsiasi gas. La loro concentrazione, ovviamente, dipende da una serie di fattori esterni e dalle proprietà del gas stesso, ma il fatto stesso della loro presenza è indiscutibile. Ciò è dovuto all'esistenza di tali fonti di ionizzazione di atomi e molecole neutre come i raggi ultravioletti del Sole, la radiazione cosmica e la radiazione naturale del nostro pianeta.
La relazione tra la differenza di potenziale e la concentrazione del vettore determina la natura della scarica.
Tipi di scariche elettriche
Elenchiamo queste specie e poi le caratterizzeremo ciascuna in modo più dettagliato. Quindi, tutti gli scarichi nei mezzi gassosi sono generalmente suddivisi come segue:
- fumante;
- scintilla;
- arco;
- corona.
Fisicamente, differiscono l'uno dall' altro solo per la potenza (densità di corrente) e, di conseguenza, per la temperatura, oltre che per la natura della loro manifestazione nel tempo. In tutti i casi si tratta del trasferimento di una carica positiva (cationi) al catodo (area a basso potenziale) e di una carica negativa (anioni, elettroni) all'anodo (zona ad alto potenziale).
Scarica a bagliore
Per la sua esistenza, è necessario creare basse pressioni del gas (centinaia e migliaia di volte inferiori alla pressione atmosferica). Una scarica a bagliore si osserva nei tubi catodici riempiti con un tipo di gas (ad esempio Ne, Ar, Kr e altri). L'applicazione della tensione agli elettrodi del tubo porta all'attivazione del seguente processo: disponibile nel gasi cationi iniziano a muoversi rapidamente, raggiungendo il catodo, lo colpiscono, trasferendo quantità di moto e mettendo fuori combattimento gli elettroni. Quest'ultimo, in presenza di sufficiente energia cinetica, può portare alla ionizzazione di molecole di gas neutri. Il processo descritto sarà autosufficiente solo nel caso di energia sufficiente dei cationi che bombardano il catodo e di una certa quantità di essi, che dipende dalla differenza di potenziale agli elettrodi e dalla pressione del gas nel tubo.
La scarica incandescente si illumina. L'emissione di onde elettromagnetiche è dovuta a due processi paralleli:
- ricombinazione di coppie elettrone-catione accompagnata da rilascio di energia;
- transizione di molecole di gas neutre (atomi) dallo stato eccitato allo stato fondamentale.
Caratteristiche tipiche di questo tipo di scarica sono piccole correnti (pochi milliampere) e piccole tensioni stazionarie (100-400 V), ma la tensione di soglia è di diverse migliaia di volt, a seconda della pressione del gas.
Esempi di scarica a bagliore sono le lampade fluorescenti e al neon. In natura, questo tipo può essere attribuito all'aurora boreale (il movimento degli ioni scorre nel campo magnetico terrestre).
Scarico di scintille
Questa è una tipica scarica elettrica atmosferica che appare come un fulmine. Per la sua esistenza, sono necessarie non solo la presenza di elevate pressioni di gas (1 atm o più), ma anche enormi sollecitazioni. L'aria è un dielettrico (isolante) abbastanza buono. La sua permeabilità varia da 4 a 30 kV/cm, a secondala presenza di umidità e particelle solide al suo interno. Queste cifre indicano che un minimo di 4.000.000 di volt deve essere applicato a ogni metro d'aria per produrre un guasto (scintilla)!
In natura tali condizioni si verificano nei cumuli, quando, per attrito tra masse d'aria, convezione dell'aria e cristallizzazione (condensazione), le cariche vengono ridistribuite in modo tale che gli strati inferiori delle nubi siano caricato negativamente e gli strati superiori positivamente. La differenza di potenziale si accumula gradualmente, quando il suo valore inizia a superare le capacità isolanti dell'aria (diversi milioni di volt per metro), quindi si verifica un fulmine: una scarica elettrica che dura una frazione di secondo. L'attuale potenza raggiunge i 10-40 mila ampere e la temperatura del plasma nel canale sale a 20.000 K.
L'energia minima che viene rilasciata durante il processo di fulmine può essere calcolata se prendiamo in considerazione i seguenti dati: il processo si sviluppa durante t=110-6 s, I=10 000 A, U=109 B, quindi otteniamo:
E=IUt=10 milioni J
La cifra risultante è equivalente all'energia rilasciata dall'esplosione di 250 kg di dinamite.
Scarico ad arco
Oltre alla scintilla, si verifica quando c'è una pressione sufficiente nel gas. Le sue caratteristiche sono quasi del tutto simili alla scintilla, ma ci sono delle differenze:
- In primo luogo, le correnti raggiungono i diecimila ampere, ma la tensione allo stesso tempo è di diverse centinaia di volt, che è associata amezzo altamente conduttivo;
- in secondo luogo, la scarica dell'arco esiste stabilmente nel tempo, a differenza della scintilla.
Il passaggio a questo tipo di scarica avviene tramite un graduale aumento della tensione. La scarica viene mantenuta grazie all'emissione termoionica dal catodo. Un esempio lampante è l'arco di saldatura.
Dimissione della corona
Questo tipo di scarica elettrica nei gas veniva spesso osservato dai marinai che viaggiavano nel Nuovo Mondo scoperto da Colombo. Chiamarono il bagliore bluastro alle estremità degli alberi "Luci di Sant'Elmo".
Una scarica corona si verifica intorno a oggetti che hanno un'intensità di campo elettrico molto forte. Tali condizioni si creano vicino a oggetti appuntiti (alberi di navi, edifici con tetti a due falde). Quando un corpo ha una carica statica, l'intensità del campo alle sue estremità porta alla ionizzazione dell'aria circostante. Gli ioni risultanti iniziano la loro deriva verso la sorgente del campo. Queste deboli correnti, che causano processi simili come nel caso di una scarica a bagliore, portano alla comparsa di un bagliore.
Pericolo di scariche per la salute umana
Le scariche corona e bagliore non rappresentano un pericolo particolare per l'uomo, poiché sono caratterizzate da correnti basse (milliampere). Gli altri due di questi scarichi sono mortali in caso di contatto diretto con loro.
Se una persona osserva l'avvicinarsi di un fulmine, deve spegnere tutti gli apparecchi elettrici (compresi i telefoni cellulari) e anche posizionarsi in modo da non distinguersi dall'area circostante in termini di altezza.
