A era em que vivemos pode ser chamada de era da eletricidade. O funcionamento de computadores, televisores, automóveis, satélites, dispositivos de iluminação artificial são apenas uma pequena parte dos exemplos em que é utilizado. Um dos processos interessantes e importantes para uma pessoa é uma descarga elétrica. Vamos dar uma olhada no que é.
Uma Breve História do Estudo da Eletricidade
Quando o homem conheceu a eletricidade? É difícil responder a esta pergunta, pois foi colocada de forma incorreta, pois o fenômeno natural mais marcante é o raio, conhecido desde tempos imemoriais.
O estudo significativo dos processos elétricos começou apenas no final da primeira metade do século XVIII. Aqui deve-se notar uma séria contribuição para as ideias do homem sobre eletricidade por Charles Coulomb, que estudou a força de interação de partículas carregadas, George Ohm, que descreveu matematicamente os parâmetros da corrente em um circuito fechado, e Benjamin Franklin, que conduziu muitos experimentos, estudando a natureza dosraio. Além deles, cientistas como Luigi Galvani (o estudo dos impulsos nervosos, a invenção da primeira "bateria") e Michael Faraday (o estudo da corrente nos eletrólitos) desempenharam um grande papel no desenvolvimento da física da eletricidade.
As realizações de todos esses cientistas criaram uma base sólida para o estudo e compreensão de processos elétricos complexos, um dos quais é uma descarga elétrica.
O que é uma descarga e quais as condições necessárias para sua existência?
A descarga de corrente elétrica é um processo físico, que se caracteriza pela presença de um fluxo de partículas carregadas entre duas regiões espaciais de diferentes potenciais em um meio gasoso. Vamos quebrar essa definição.
Primeiro, quando as pessoas falam sobre descarga, elas sempre querem dizer gás. Descargas em líquidos e sólidos também podem ocorrer (quebra de um capacitor sólido), mas o processo de estudar esse fenômeno é mais fácil de considerar em um meio menos denso. Além disso, são as descargas de gases que são frequentemente observadas e de grande importância para a vida humana.
Em segundo lugar, como indicado na definição de descarga elétrica, ela ocorre apenas quando duas condições importantes são atendidas:
- quando há uma diferença de potencial (intensidade do campo elétrico);
- presença de portadores de carga (íons e elétrons livres).
A diferença de potencial garante o movimento direcionado da carga. Se exceder um determinado valor limite, a descarga não auto-sustentada se transforma emautossustentável ou autossustentável.
Quanto aos carregadores livres, eles estão sempre presentes em qualquer gás. Sua concentração, é claro, depende de vários fatores externos e das propriedades do próprio gás, mas o próprio fato de sua presença é indiscutível. Isso se deve à existência de fontes de ionização de átomos e moléculas neutras como os raios ultravioleta do Sol, a radiação cósmica e a radiação natural do nosso planeta.
A relação entre a diferença de potencial e a concentração do transportador determina a natureza da descarga.
Tipos de descargas elétricas
Vamos listar essas espécies e, em seguida, caracterizaremos cada uma delas com mais detalhes. Assim, todas as descargas em meio gasoso são geralmente divididas da seguinte forma:
- smoldering;
- faísca;
- arco;
- coroa.
Fisicamente, eles diferem um do outro apenas em potência (densidade de corrente) e, como resultado, em temperatura, bem como na natureza de sua manifestação no tempo. Em todos os casos, estamos falando da transferência de uma carga positiva (cátions) para o cátodo (área de baixo potencial) e uma carga negativa (ânions, elétrons) para o ânodo (zona de alto potencial).
Descarga Brilhante
Para sua existência, é necessário criar baixas pressões de gás (centenas e milhares de vezes menores que a pressão atmosférica). Uma descarga incandescente é observada em tubos catódicos que são preenchidos com algum tipo de gás (por exemplo, Ne, Ar, Kr e outros). A aplicação de tensão nos eletrodos do tubo leva à ativação do seguinte processo: disponível no gáscátions começam a se mover rapidamente, atingindo o cátodo, eles o atingem, transferindo momento e eliminando elétrons. Este último, na presença de energia cinética suficiente, pode levar à ionização de moléculas de gás neutro. O processo descrito será autossustentável apenas no caso de energia suficiente dos cátions bombardeando o cátodo e uma certa quantidade deles, que depende da diferença de potencial nos eletrodos e da pressão do gás no tubo.
A descarga de brilho brilha. A emissão de ondas eletromagnéticas se deve a dois processos paralelos:
- recombinação de pares elétron-cátion acompanhada de liberação de energia;
- transição de moléculas de gás neutro (átomos) do estado excitado para o estado fundamental.
As características típicas deste tipo de descarga são pequenas correntes (alguns miliampères) e pequenas tensões estacionárias (100-400 V), mas a tensão limite é de vários milhares de volts, dependendo da pressão do gás.
Exemplos de descarga luminosa são lâmpadas fluorescentes e neon. Na natureza, esse tipo pode ser atribuído às luzes do norte (o movimento dos fluxos de íons no campo magnético da Terra).
Descarga de faísca
Esta é uma descarga elétrica atmosférica típica que aparece como um relâmpago. Para sua existência, são necessárias não apenas a presença de altas pressões de gás (1 atm ou mais), mas também grandes tensões. O ar é um bom dielétrico (isolante). Sua permeabilidade varia de 4 a 30 kV/cm, dependendoa presença de umidade e partículas sólidas nele. Esses números indicam que um mínimo de 4.000.000 volts deve ser aplicado a cada metro de ar para produzir uma avaria (faísca)!
Na natureza, tais condições ocorrem em nuvens cumulus, quando, por atrito entre massas de ar, convecção do ar e cristalização (condensação), as cargas são redistribuídas de tal forma que as camadas inferiores das nuvens são carregados negativamente e as camadas superiores positivamente. A diferença de potencial se acumula gradualmente, quando seu valor começa a exceder as capacidades isolantes do ar (vários milhões de volts por metro), então ocorre um raio - uma descarga elétrica que dura uma fração de segundo. A força atual atinge 10-40 mil amperes, e a temperatura do plasma no canal sobe para 20.000 K.
A energia mínima que é liberada durante o processo do raio pode ser calculada se levarmos em conta os seguintes dados: o processo se desenvolve durante t=110-6 s, I=10 000 A, U=109 B, então temos:
E=IUt=10 milhões J
O valor resultante é equivalente à energia liberada pela explosão de 250 kg de dinamite.
Descarga de Arco
Assim como a faísca, ocorre quando há pressão suficiente no gás. Suas características são quase completamente semelhantes à faísca, mas existem diferenças:
- Em primeiro lugar, as correntes atingem dez mil amperes, mas a tensão ao mesmo tempo é de várias centenas de volts, o que está associado ameio altamente condutor;
- segundo, a descarga do arco existe de forma estável no tempo, ao contrário da faísca.
A transição para este tipo de descarga é realizada por um aumento gradual da tensão. A descarga é mantida devido à emissão termiônica do cátodo. Um exemplo notável disso é o arco de soldagem.
Corona quitação
Esse tipo de descarga elétrica em gases era frequentemente observado por marinheiros que viajavam para o Novo Mundo descoberto por Colombo. Chamaram o brilho azulado nas extremidades dos mastros de "luzes de St. Elmo".
Uma descarga corona ocorre em torno de objetos que têm uma força de campo elétrico muito forte. Tais condições são criadas perto de objetos pontiagudos (mastros de navios, edifícios com telhados de duas águas). Quando um corpo tem alguma carga estática, então a força do campo em suas extremidades leva à ionização do ar circundante. Os íons resultantes começam sua deriva em direção à fonte do campo. Essas correntes fracas, que causam processos semelhantes como no caso de uma descarga incandescente, levam ao aparecimento de um incandescência.
Perigo de descargas para a saúde humana
As descargas corona e incandescente não representam um perigo particular para os seres humanos, pois são caracterizadas por correntes baixas (miliamperes). As outras duas descargas acima são mortais em caso de contato direto com elas.
Se uma pessoa observar a aproximação de um raio, deve desligar todos os aparelhos elétricos (incluindo telefones celulares), e também se posicionar de modo a não se destacar da área circundante em termos de altura.
