L'âge dans lequel nous vivons peut être appelé l'âge de l'électricité. Le fonctionnement des ordinateurs, des téléviseurs, des automobiles, des satellites, des dispositifs d'éclairage artificiel ne sont qu'une petite partie des exemples où il est utilisé. L'un des processus intéressants et importants pour une personne est une décharge électrique. Regardons de plus près ce que c'est.
Une brève histoire de l'étude de l'électricité
Quand l'homme s'est-il familiarisé avec l'électricité ? Il est difficile de répondre à cette question, car elle a été posée de manière incorrecte, car le phénomène naturel le plus frappant est la foudre, connue depuis des temps immémoriaux.
L'étude significative des processus électriques n'a commencé qu'à la fin de la première moitié du XVIIIe siècle. Il convient de noter ici une contribution sérieuse aux idées de l'homme sur l'électricité par Charles Coulomb, qui a étudié la force d'interaction des particules chargées, George Ohm, qui a décrit mathématiquement les paramètres du courant dans un circuit fermé, et Benjamin Franklin, qui mené de nombreuses expériences, étudiant la nature deséclair. En plus d'eux, des scientifiques tels que Luigi Galvani (l'étude de l'influx nerveux, l'invention de la première "batterie") et Michael Faraday (l'étude du courant dans les électrolytes) ont joué un rôle important dans le développement de la physique de l'électricité.
Les réalisations de tous ces scientifiques ont créé une base solide pour l'étude et la compréhension de processus électriques complexes, dont l'un est une décharge électrique.
Qu'est-ce qu'une décharge et quelles sont les conditions nécessaires à son existence ?
La décharge de courant électrique est un processus physique caractérisé par la présence d'un flux de particules chargées entre deux régions spatiales ayant des potentiels différents dans un milieu gazeux. Décomposons cette définition.
Premièrement, quand les gens parlent de décharge, ils parlent toujours de gaz. Des décharges dans les liquides et les solides peuvent également se produire (claquage d'un condensateur solide), mais la démarche d'étude de ce phénomène est plus facile à envisager dans un milieu moins dense. De plus, ce sont les rejets dans les gaz qui sont souvent observés et qui sont d'une grande importance pour la vie humaine.
Deuxièmement, comme indiqué dans la définition d'une décharge électrique, elle ne se produit que lorsque deux conditions importantes sont remplies:
- lorsqu'il y a une différence de potentiel (intensité du champ électrique);
- présence de porteurs de charge (ions libres et électrons).
La différence de potentiel assure le mouvement dirigé de la charge. Si elle dépasse une certaine valeur seuil, alors la décharge non auto-entretenue se transforme enautoportant ou autoportant.
Quant aux porteurs de charge gratuits, ils sont toujours présents dans n'importe quel gaz. Leur concentration dépend bien sûr d'un certain nombre de facteurs externes et des propriétés du gaz lui-même, mais le fait même de leur présence est incontestable. Cela est dû à l'existence de sources d'ionisation d'atomes et de molécules neutres telles que les rayons ultraviolets du Soleil, le rayonnement cosmique et le rayonnement naturel de notre planète.
La relation entre la différence de potentiel et la concentration en porteurs détermine la nature de la décharge.
Types de décharges électriques
Énumérons ces espèces, puis nous caractériserons chacune d'elles plus en détail. Ainsi, tous les rejets dans les milieux gazeux sont généralement divisés comme suit:
- couvant;
- étincelle;
- arc;
- couronne.
Physiquement, ils ne diffèrent les uns des autres que par leur puissance (densité de courant) et, par conséquent, par leur température, ainsi que par la nature de leur manifestation dans le temps. Dans tous les cas, il s'agit du transfert d'une charge positive (cations) vers la cathode (zone de bas potentiel) et d'une charge négative (anions, électrons) vers l'anode (zone de haut potentiel).
Glow Discharge
Pour son existence, il est nécessaire de créer de faibles pressions de gaz (des centaines et des milliers de fois inférieures à la pression atmosphérique). Une décharge luminescente est observée dans les tubes cathodiques remplis d'un certain type de gaz (par exemple, Ne, Ar, Kr et autres). L'application d'une tension aux électrodes du tube entraîne l'activation du processus suivant: disponible dans le gazles cations commencent à se déplacer rapidement, atteignant la cathode, ils la frappent, transférant de l'élan et assommant des électrons. Cette dernière, en présence d'une énergie cinétique suffisante, peut conduire à l'ionisation de molécules de gaz neutre. Le processus décrit ne sera auto-entretenu que dans le cas d'une énergie suffisante des cations bombardant la cathode et d'une certaine quantité d'entre eux, qui dépend de la différence de potentiel aux électrodes et de la pression du gaz dans le tube.
La décharge luminescente brille. L'émission d'ondes électromagnétiques est due à deux processus parallèles:
- recombinaison de paires électron-cation accompagnée d'une libération d'énergie;
- transition des molécules de gaz neutre (atomes) de l'état excité à l'état fondamental.
Les caractéristiques typiques de ce type de décharge sont de petits courants (quelques milliampères) et de petites tensions stationnaires (100-400 V), mais la tension de seuil est de plusieurs milliers de volts, en fonction de la pression du gaz.
Des exemples de décharge luminescente sont les lampes fluorescentes et les lampes au néon. Dans la nature, ce type peut être attribué aux aurores boréales (le mouvement des flux d'ions dans le champ magnétique terrestre).
Décharge d'étincelle
Il s'agit d'une décharge électrique atmosphérique typique qui apparaît comme un éclair. Pour son existence, non seulement la présence de hautes pressions de gaz (1 atm ou plus), mais aussi d'énormes contraintes sont nécessaires. L'air est un assez bon diélectrique (isolant). Sa perméabilité varie de 4 à 30 kV/cm, selonla présence d'humidité et de particules solides dans celui-ci. Ces chiffres indiquent qu'un minimum de 4 000 000 volts doit être appliqué à chaque mètre d'air pour produire une panne (étincelle) !
Dans la nature, de telles conditions se produisent dans les cumulus, lorsque, en raison du frottement entre les masses d'air, de la convection de l'air et de la cristallisation (condensation), les charges sont redistribuées de telle manière que les couches inférieures des nuages sont chargées négativement et les couches supérieures positivement. La différence de potentiel s'accumule progressivement, lorsque sa valeur commence à dépasser les capacités isolantes de l'air (plusieurs millions de volts par mètre), puis la foudre se produit - une décharge électrique qui dure une fraction de seconde. L'intensité du courant y atteint 10 à 40 000 ampères et la température du plasma dans le canal s'élève à 20 000 K.
L'énergie minimale libérée pendant le processus de foudre peut être calculée si l'on prend en compte les données suivantes: le processus se développe pendant t=110-6 s, I=10 000 A, U=109 B, alors on obtient:
E=IUt=10 millions J
Le chiffre obtenu équivaut à l'énergie dégagée par l'explosion de 250 kg de dynamite.
Décharge d'arc
En plus de l'étincelle, elle se produit lorsqu'il y a une pression suffisante dans le gaz. Ses caractéristiques sont presque complètement similaires à celles de l'étincelle, mais il existe des différences:
- Premièrement, les courants atteignent dix mille ampères, mais la tension en même temps est de plusieurs centaines de volts, ce qui est associé àmilieu hautement conducteur;
- deuxièmement, la décharge d'arc existe de manière stable dans le temps, contrairement à l'étincelle.
Le passage à ce type de décharge s'effectue par une augmentation progressive de la tension. La décharge est maintenue grâce à l'émission thermionique de la cathode. L'arc de soudage en est un exemple frappant.
Décharge corona
Ce type de décharge électrique dans les gaz a souvent été observé par les marins qui se sont rendus dans le Nouveau Monde découvert par Christophe Colomb. Ils appelaient la lueur bleutée aux extrémités des mâts "les lumières de Saint-Elme".
Une décharge corona se produit autour d'objets qui ont un champ électrique très fort. De telles conditions sont créées à proximité d'objets tranchants (mâts de navires, bâtiments à toits à pignons). Lorsqu'un corps a une certaine charge statique, l'intensité du champ à ses extrémités conduit à l'ionisation de l'air environnant. Les ions résultants commencent leur dérive vers la source du champ. Ces courants faibles, qui provoquent des processus similaires à ceux d'une décharge luminescente, conduisent à l'apparition d'une lueur.
Danger de rejets pour la santé humaine
Les décharges corona et luminescentes ne présentent pas de danger particulier pour l'homme, car elles se caractérisent par des courants faibles (milliampères). Les deux autres décharges ci-dessus sont mortelles en cas de contact direct avec elles.
Si une personne observe l'approche de la foudre, elle doit alors éteindre tous les appareils électriques (y compris les téléphones portables), et également se positionner de manière à ne pas se démarquer de la zone environnante en termes dehauteur.
