La era en la que vivimos puede llamarse la era de la electricidad. El funcionamiento de computadoras, televisores, automóviles, satélites, dispositivos de iluminación artificial son solo una pequeña parte de los ejemplos donde se utiliza. Uno de los procesos interesantes e importantes para una persona es una descarga eléctrica. Echemos un vistazo más de cerca a lo que es.
Una breve historia del estudio de la electricidad
¿Cuándo se familiarizó el hombre con la electricidad? Es difícil responder a esta pregunta, porque se planteó de forma incorrecta, porque el fenómeno natural más llamativo son los rayos, conocidos desde tiempos inmemoriales.
El estudio significativo de los procesos eléctricos comenzó a fines de la primera mitad del siglo XVIII. Aquí cabe señalar una seria contribución a las ideas del hombre sobre la electricidad por parte de Charles Coulomb, quien estudió la fuerza de interacción de las partículas cargadas, George Ohm, quien describió matemáticamente los parámetros de la corriente en un circuito cerrado, y Benjamin Franklin, quien llevó a cabo muchos experimentos, estudiando la naturaleza de los mencionados anteriormenterelámpago. Además de ellos, científicos como Luigi Galvani (el estudio de los impulsos nerviosos, la invención de la primera "batería") y Michael Faraday (el estudio de la corriente en los electrolitos) desempeñaron un papel importante en el desarrollo de la física de la electricidad.
Los logros de todos estos científicos han creado una base sólida para el estudio y la comprensión de procesos eléctricos complejos, uno de los cuales es una descarga eléctrica.
¿Qué es un vertido y qué condiciones son necesarias para su existencia?
La descarga de corriente eléctrica es un proceso físico, que se caracteriza por la presencia de un flujo de partículas cargadas entre dos regiones espaciales que tienen diferentes potenciales en un medio gaseoso. Analicemos esta definición.
En primer lugar, cuando la gente habla de descarga, siempre se refiere al gas. También pueden ocurrir descargas en líquidos y sólidos (ruptura de un capacitor sólido), pero el proceso de estudio de este fenómeno es más fácil de considerar en un medio menos denso. Además, son las descargas en gases las que se observan a menudo y son de gran importancia para la vida humana.
En segundo lugar, como se indica en la definición de descarga eléctrica, solo ocurre cuando se cumplen dos condiciones importantes:
- cuando hay una diferencia de potencial (intensidad de campo eléctrico);
- presencia de portadores de carga (iones y electrones libres).
La diferencia de potencial asegura el movimiento dirigido de la carga. Si excede un cierto valor de umbral, entonces la descarga no autosostenida se convierte enautosuficiente o autosuficiente.
En cuanto a los transportistas de carga gratuita, siempre están presentes en cualquier gas. Su concentración, por supuesto, depende de una serie de factores externos y de las propiedades del propio gas, pero el hecho mismo de su presencia es indiscutible. Esto se debe a la existencia de fuentes de ionización de átomos y moléculas neutras tales como los rayos ultravioleta del Sol, la radiación cósmica y la radiación natural de nuestro planeta.
La relación entre la diferencia de potencial y la concentración de portadores determina la naturaleza de la descarga.
Tipos de descargas eléctricas
Hagamos una lista de estas especies y luego caracterizaremos cada una de ellas con más detalle. Así, todas las descargas en medios gaseosos se suelen dividir en:
- ardiendo;
- chispa;
- arco;
- corona.
Físicamente, difieren entre sí solo en el poder (densidad de corriente) y, como resultado, en la temperatura, así como en la naturaleza de su manifestación en el tiempo. En todos los casos, estamos hablando de la transferencia de una carga positiva (cationes) al cátodo (zona de bajo potencial) y una carga negativa (aniones, electrones) al ánodo (zona de alto potencial).
Descarga luminosa
Para su existencia, es necesario crear bajas presiones de gas (cientos y miles de veces menos que la presión atmosférica). Se observa una descarga luminiscente en los tubos catódicos que están llenos de algún tipo de gas (por ejemplo, Ne, Ar, Kr y otros). La aplicación de voltaje a los electrodos del tubo conduce a la activación del siguiente proceso: disponible en el gaslos cationes comienzan a moverse rápidamente, alcanzando el cátodo, lo golpean, transfiriendo impulso y eliminando electrones. Este último, en presencia de suficiente energía cinética, puede conducir a la ionización de moléculas de gas neutro. El proceso descrito será autosuficiente sólo en el caso de suficiente energía de los cationes que bombardean el cátodo y una cierta cantidad de ellos, que depende de la diferencia de potencial en los electrodos y la presión del gas en el tubo.
La descarga luminosa brilla intensamente. La emisión de ondas electromagnéticas se debe a dos procesos paralelos:
- recombinación de pares de electrones-cationes acompañada de liberación de energía;
- transición de moléculas de gas neutro (átomos) del estado excitado al estado fundamental.
Las características típicas de este tipo de descarga son corrientes pequeñas (unos pocos miliamperios) y voltajes estacionarios pequeños (100-400 V), pero el voltaje umbral es de varios miles de voltios, dependiendo de la presión del gas.
Ejemplos de descarga luminiscente son las lámparas fluorescentes y de neón. En la naturaleza, este tipo se puede atribuir a la aurora boreal (el movimiento de los flujos de iones en el campo magnético de la Tierra).
Descarga de chispas
Esta es una descarga eléctrica atmosférica típica que aparece como un rayo. Para su existencia, no solo es necesaria la presencia de altas presiones de gas (1 atm o más), sino también grandes tensiones. El aire es un dieléctrico (aislante) bastante bueno. Su permeabilidad varía de 4 a 30 kV/cm, dependiendo dela presencia de humedad y partículas sólidas en el mismo. ¡Estas cifras indican que se debe aplicar un mínimo de 4,000,000 voltios a cada metro de aire para producir una ruptura (chispa)!
En la naturaleza, tales condiciones ocurren en los cúmulos, cuando, como resultado de la fricción entre las masas de aire, la convección del aire y la cristalización (condensación), las cargas se redistribuyen de tal manera que las capas inferiores de las nubes son cargado negativamente, y las capas superiores positivamente. La diferencia de potencial se acumula gradualmente, cuando su valor comienza a exceder las capacidades aislantes del aire (varios millones de voltios por metro), luego se produce un rayo, una descarga eléctrica que dura una fracción de segundo. La intensidad de corriente en él alcanza los 10-40 mil amperios, y la temperatura del plasma en el canal aumenta a 20,000 K.
La energía mínima que se libera durante el proceso del rayo se puede calcular si tenemos en cuenta los siguientes datos: el proceso se desarrolla durante t=110-6 s, I=10 000 A, U=109 B, entonces obtenemos:
E=IUt=10 millones J
La cifra resultante es equivalente a la energía liberada por la explosión de 250 kg de dinamita.
Descarga de arco
Además de la chispa, se produce cuando hay suficiente presión en el gas. Sus características son casi completamente similares a la chispa, pero hay diferencias:
- En primer lugar, las corrientes alcanzan diez mil amperios, pero el voltaje al mismo tiempo es de varios cientos de voltios, lo que está asociado conmedio altamente conductivo;
- en segundo lugar, la descarga del arco existe de forma estable en el tiempo, a diferencia de la chispa.
La transición a este tipo de descarga se realiza mediante un aumento gradual de la tensión. La descarga se mantiene debido a la emisión termoiónica del cátodo. Un ejemplo sorprendente de esto es el arco de soldadura.
Corona de descarga
Este tipo de descarga eléctrica en los gases fue observada a menudo por los marineros que viajaban al Nuevo Mundo descubierto por Colón. Llamaron al resplandor azulado en los extremos de los mástiles "luces de San Telmo".
Una descarga de corona se produce alrededor de objetos que tienen un campo eléctrico muy fuerte. Tales condiciones se crean cerca de objetos afilados (mástiles de barcos, edificios con techos a dos aguas). Cuando un cuerpo tiene algo de carga estática, la intensidad del campo en sus extremos conduce a la ionización del aire circundante. Los iones resultantes comienzan su deriva hacia la fuente del campo. Estas corrientes débiles, que provocan procesos similares a los de una descarga luminiscente, dan lugar a la aparición de un resplandor.
Peligro de vertidos para la salud humana
Las descargas corona y luminiscente no representan un peligro particular para los humanos, ya que se caracterizan por corrientes bajas (miliamperios). Las otras dos descargas anteriores son mortales en caso de contacto directo con ellas.
Si una persona observa la proximidad de un rayo, debe apagar todos los aparatos eléctricos (incluidos los teléfonos móviles) y también colocarse de manera que no sobresalga del área circundante en términos de altura.
