Zaman yang kita jalani bisa disebut sebagai zaman listrik. Pengoperasian komputer, televisi, mobil, satelit, perangkat penerangan buatan hanyalah sebagian kecil dari contoh penggunaannya. Salah satu proses yang menarik dan penting bagi seseorang adalah pelepasan listrik. Mari kita lihat lebih dekat apa itu.
Sejarah Singkat Studi Ketenagalistrikan
Kapan manusia mengenal listrik? Sulit untuk menjawab pertanyaan ini, karena ditempatkan dengan cara yang salah, karena fenomena alam yang paling mencolok adalah kilat, yang diketahui sejak dahulu kala.
Studi yang berarti tentang proses kelistrikan baru dimulai pada akhir paruh pertama abad ke-18. Di sini perlu dicatat kontribusi serius terhadap gagasan manusia tentang listrik oleh Charles Coulomb, yang mempelajari gaya interaksi partikel bermuatan, George Ohm, yang secara matematis menggambarkan parameter arus dalam rangkaian tertutup, dan Benjamin Franklin, yang melakukan banyak percobaan, mempelajari sifat yang disebutkan di ataspetir. Selain mereka, para ilmuwan seperti Luigi Galvani (studi impuls saraf, penemuan "baterai") pertama dan Michael Faraday (studi arus dalam elektrolit) memainkan peran besar dalam pengembangan fisika listrik.
Prestasi semua ilmuwan ini telah menciptakan landasan yang kokoh untuk mempelajari dan memahami proses kelistrikan yang kompleks, salah satunya adalah pelepasan listrik.
Apa itu pelepasan dan kondisi apa yang diperlukan untuk keberadaannya?
Pelepasan arus listrik adalah proses fisik, yang ditandai dengan adanya aliran partikel bermuatan antara dua wilayah spasial yang memiliki potensi berbeda dalam medium gas. Mari kita urai definisi ini.
Pertama, ketika orang berbicara tentang pelepasan, mereka selalu berarti gas. Pelepasan muatan dalam cairan dan padatan juga dapat terjadi (pemecahan kapasitor padat), tetapi proses mempelajari fenomena ini lebih mudah untuk dipertimbangkan dalam media yang kurang padat. Selain itu, pelepasan gas yang sering diamati dan sangat penting bagi kehidupan manusia.
Kedua, seperti yang dinyatakan dalam definisi pelepasan muatan listrik, itu terjadi hanya jika dua kondisi penting terpenuhi:
- bila ada beda potensial (kuat medan listrik);
- adanya pembawa muatan (ion dan elektron bebas).
Perbedaan potensial memastikan pergerakan muatan yang terarah. Jika melebihi nilai ambang batas tertentu, maka debit non-berkelanjutan berubah menjadimandiri atau mandiri.
Adapun operator biaya gratis, mereka selalu hadir dalam gas apapun. Konsentrasi mereka, tentu saja, tergantung pada sejumlah faktor eksternal dan sifat-sifat gas itu sendiri, tetapi fakta keberadaan mereka tidak dapat disangkal. Ini karena adanya sumber ionisasi atom dan molekul netral seperti sinar ultraviolet dari Matahari, radiasi kosmik, dan radiasi alami planet kita.
Hubungan antara beda potensial dan konsentrasi pembawa menentukan sifat pelepasan.
Jenis pelepasan listrik
Mari kita buat daftar spesies ini, dan kemudian kita akan mengkarakterisasi masing-masing spesies secara lebih rinci. Jadi, semua pelepasan di media gas biasanya dibagi menjadi berikut:
- membara;
- percikan;
- arc;
- mahkota.
Secara fisik, mereka berbeda satu sama lain hanya dalam daya (kerapatan arus) dan, sebagai akibatnya, dalam suhu, serta dalam sifat manifestasinya dalam waktu. Dalam semua kasus, kita berbicara tentang transfer muatan positif (kation) ke katoda (daerah potensial rendah) dan muatan negatif (anion, elektron) ke anoda (zona potensial tinggi).
Pembuangan Cahaya
Untuk keberadaannya, perlu untuk menciptakan tekanan gas rendah (ratusan dan ribuan kali lebih kecil dari tekanan atmosfer). Discharge cahaya diamati dalam tabung katoda yang diisi dengan beberapa jenis gas (misalnya, Ne, Ar, Kr, dan lain-lain). Penerapan tegangan ke elektroda tabung mengarah ke aktivasi proses berikut: tersedia dalam gaskation mulai bergerak cepat, mencapai katoda, mereka menabraknya, mentransfer momentum dan merobohkan elektron. Yang terakhir, dengan adanya energi kinetik yang cukup, dapat menyebabkan ionisasi molekul gas netral. Proses yang dijelaskan akan mandiri hanya dalam kasus energi yang cukup dari kation membombardir katoda dan jumlah tertentu, yang tergantung pada perbedaan potensial pada elektroda dan tekanan gas dalam tabung.
Cairan debit bersinar. Emisi gelombang elektromagnetik disebabkan oleh dua proses paralel:
- rekombinasi pasangan elektron-kation disertai pelepasan energi;
- transisi molekul gas netral (atom) dari keadaan tereksitasi ke keadaan dasar.
Karakteristik khas dari jenis pelepasan ini adalah arus kecil (beberapa miliampere) dan tegangan stasioner kecil (100-400 V), tetapi tegangan ambang batas adalah beberapa ribu volt, tergantung pada tekanan gas.
Contoh pelepasan cahaya adalah lampu neon dan lampu neon. Di alam, jenis ini dapat dikaitkan dengan cahaya utara (pergerakan aliran ion di medan magnet bumi).
Pelepasan bunga api
Ini adalah pelepasan listrik khas atmosfer yang muncul sebagai kilat. Untuk keberadaannya, tidak hanya adanya tekanan gas tinggi (1 atm atau lebih), tetapi juga diperlukan tekanan besar. Udara merupakan dielektrik (isolator) yang cukup baik. Permeabilitasnya berkisar antara 4 hingga 30 kV/cm, tergantung padaadanya uap air dan partikel padat di dalamnya. Angka-angka ini menunjukkan bahwa minimal 4.000.000 volt harus diterapkan pada setiap meter udara untuk menghasilkan kerusakan (percikan)!
Di alam, kondisi seperti itu terjadi di awan kumulus, ketika, sebagai akibat dari gesekan antara massa udara, konveksi udara dan kristalisasi (kondensasi), muatan didistribusikan kembali sedemikian rupa sehingga lapisan bawah awan terdistribusi. bermuatan negatif, dan lapisan atas positif. Perbedaan potensial secara bertahap terakumulasi, ketika nilainya mulai melebihi kemampuan isolasi udara (beberapa juta volt per meter), maka petir terjadi - pelepasan listrik yang berlangsung selama sepersekian detik. Kekuatan arus di dalamnya mencapai 10-40 ribu ampere, dan suhu plasma di saluran naik menjadi 20.000 K.
Energi minimum yang dilepaskan selama proses petir dapat dihitung jika kita memperhitungkan data berikut: proses berkembang selama t=110-6 s, I=10.000 A, U=109 B, maka didapat:
E=IUt=10 juta J
Angka yang dihasilkan setara dengan energi yang dilepaskan oleh ledakan 250 kg dinamit.
Pembuangan Busur
Seperti halnya percikan, itu terjadi ketika ada tekanan yang cukup di dalam gas. Karakteristiknya hampir sepenuhnya mirip dengan percikan, tetapi ada perbedaan:
- Pertama, arus mencapai sepuluh ribu ampere, tetapi tegangan pada saat yang sama beberapa ratus volt, yang terkait denganmedia yang sangat konduktif;
- kedua, pelepasan busur ada secara stabil dalam waktu, tidak seperti percikan.
Transisi ke jenis pelepasan ini dilakukan dengan peningkatan tegangan secara bertahap. Pelepasan dipertahankan karena emisi termionik dari katoda. Contoh mencolok dari hal ini adalah busur las.
Corona keluar
Jenis pelepasan listrik dalam gas ini sering diamati oleh para pelaut yang melakukan perjalanan ke Dunia Baru yang ditemukan oleh Columbus. Mereka menyebut cahaya kebiruan di ujung tiang sebagai "Lampu St. Elmo".
Sebuah pelepasan korona terjadi di sekitar benda yang memiliki kuat medan listrik yang sangat kuat. Kondisi seperti itu dibuat di dekat benda tajam (tiang kapal, bangunan dengan atap runcing). Ketika sebuah benda memiliki muatan statis, maka kekuatan medan pada ujungnya menyebabkan ionisasi udara di sekitarnya. Ion yang dihasilkan mulai bergerak menuju sumber medan. Arus lemah ini, yang menyebabkan proses serupa seperti dalam kasus pelepasan pijar, menyebabkan munculnya pancaran.
Bahaya pembuangan bagi kesehatan manusia
Pelepasan korona dan pijar tidak menimbulkan bahaya khusus bagi manusia, karena dicirikan oleh arus rendah (miliampere). Dua pelepasan lainnya di atas mematikan jika terjadi kontak langsung dengan mereka.
Jika seseorang mengamati datangnya petir, maka ia harus mematikan semua peralatan listrik (termasuk telepon seluler), dan juga memposisikan dirinya agar tidak menonjol dari daerah sekitarnya dalam h altinggi.
