Електрично пражњење

Ватра светог Илије на јарболима брода.

Електрични лук на трачницама влака.

Ручно електролучно заваривање обложеном електродом је најчешћи облик електролучног заваривања.

Ионизацијска комора у дозиметру.

Геигеров бројач.

Цроокесова цијев приказује различита подручја електричног избијања у разријеђеним плиновима.

Дијаграм електрични напон-јакост електричне струје који приказује оф електрични избој плина неона код тлака од 0,001 бар, с двије електроде размакнуте 500 мм:
А: случајни избоји узроковани козмичким зрачењем
Б: струја засићења
C: Тоwнсенд (лавина) избој
D: самоодрживи Тоwнсенд избој
Е: нестабилно подручје: коронални избој
Ф: поднормална тињава свјетлост
Г: нормална тињава свјетлост
Х: изнаднормална тињава свјетлост
I: нестабилно подручје: пријелаз у електрични лук
Ј: електрични лук
К: електрични лук
А-D подручје: тамни избој; појава ионизације, струја испод 10 микроампера.
Ф-Х подручје: тињава свјетлост; плазма емитира тињаву свјетлост.
I-К подручје: електрични лук; велика количина зрачења се ствара.

Сувремена израда Геисслерове цијеви.

Цроокесова цијев (2 погледа): на свјетлу и у тами. Електрони путују равно с лијеве стране гдје је катода, на десну страну гдје је анода (жица на дну цијеви десно). Као доказ струје електрона постављен је Малтешки криж који баца сјену на десну страну цијеви.

Корона је свјетлећи избој који се појављује обично на мјестима гдје су водичи високог напона свинути под оштрим кутом.

Муња удара Спаце Схуттле Цхалленгер прије лансирања.

Електрично пражњење, избијање или избој је пролазак електричнога набоја кроз плинове у електричном пољу при којем због судара међу честицама долази до одређених (свјетлосних, акустичких, топлинских) попратних појава. Плинови су изврсни изолатори на температурама нижим од 1000 К (727 °Ц), па ће електрична струја потећи тек ако се због некога вањског утјецаја (на примјер зрачења) у њима појаве слободни носиоци електричнога набоја (електрони, иони). Својства електричних избоја овисе о увјетима у којима је дошло до избоја (на примјер електричном напону електричног поља, тлаку, температури и врсти плина). Увјети настанка и својства електричних избоја проучавају се приликом осмишљавања градње расвјетних тијела и израде високонапонске електричне опреме.

Појаве везане за електрични избој су електрични лук, ватра светог Илије, ионизација, Сунчева корона и муња.

Ватра светог Илије

Ватра светог Илије, ватра светог Николе или ватра светог Елма је готово непрекидно слабо до умјерено електрично избијање у атмосфери праћено свјетлошћу, које се запажа на повишеним објектима (громобранима, вјетруљама, јарболима, опћенито шиљцима и изложеним дијеловима, па и на крилима и елисама зракоплова). Појављује се за изражених грмљавинских олуја када је врло појачано електрично поље у доњем слоју атмосфере. У хрватској се традицији та појава везује уз светог Николу, заштитника помораца и путника, па се користи и назив ватра светог Николе (први запис код Бенедикта Котруљевића у дјелу О пловидби, 1464.). У метеорологији је у упораби и назив ватра светог Илије.

Електрични лук

Електрични лук је трајно самостално избијање електрицитета у плиновима, међу графитним или металним електродама, означено високом температуром и великом густоћом струје, појавом ужарене катодне мрље с јаком термоелектронском и фотоелектронском емисијом, те падајућом значајком напон – електрична струја. Због сложености експерименталних истраживања, још су и данас нека питања теорије лука недовољно објашњена, премда је до првих открића о луку дошло већ почетком 19. стољећа (Василиј V. Петров 1802., Хумпхрy Давy 1809). Подизањем наринутога напона долази најприје до различитих врста пражњења (тамно, тињаво, прамено избијање) уз незнатне густоће струје, што на крају доводи до тренутачнога пробоја у облику искре. Ако је извор струје довољно јак, искра прелази у електрични лук.

Свјетлосни и топлински учинци електричнога лука имају разноврсну техничку примјену (лучнице, живине и сличне жаруље, лучне пећи за таљење, апарат за ручно електролучно заваривање). Важна је улога електричнога лука у процесима прекидања струјних кругова у електричним склопним апаратима и у процесима исправљања измјеничне струје у елекричним живиним исправљачима.

Ионизација

Ионизирање или ионизација је настајање електрички набијених честица, иона, из неутралних атома или молекула. Ионизацију може изазвати друга електрички набијена честица (ион, електрон, позитрон, мезон, протон, алфа-честица, деутерон) која се гиба кроз плиновиту, капљевиту или чврсту твар, ако је кинетичка енергија честице довољно велика да у судару с неутралним атомима или молекулама избаци из њих електроне. Најмања за то потребна енергија је енергија ионизације (ионизацијски потенцијал), то јест енергија која је довољна да изолирани атом или молекула у плиновитом стању изгубе један електрон, при чему настаје ионски пар: позитивно набијени ион и избачени електрон. Енергија ионизације мјера је способности неког кемијског елемента да улази у кемијске реакције уз стварање иона. Прва енергија ионизације односи се на губитак најслабије везаног електрона у неутралном атому, друга, већа енергија ионизације односи се на ионизацију тако насталога катиона и тако даље. Укупан број ионских парова насталих на јединици дуљине уздуж пута честице назива се ионизацијска густоћа (специфична ионизација) и мјери се најчешће у односу према ионизацијској густоћи у зраку. Она овиси о енергији, маси и набоју честице, за разлику од тоталне ионизације, то јест укупнога броја ионских парова насталих уздуж цијеле стазе честице, који овиси углавном само о енергији с којом је честица ушла у твар. Атоми или молекуле могу ионизацијом изгубити по један електрон или више њих, а избачени електрон може кратко вријеме остати слободан, може се везати уз неки неутрални атом или молекулу и тако створити негативно набијен ион, или се пак спојити с неким позитивно набијеним ионом. Просјечни пут који ослобођени електрон пријеђе прије него што се споји с другом честицом назива се средњи слободни пут и овиси углавном о тлаку плина и ступњу ионизације, то јест о омјеру између броја насталих иона и преосталих неутралних атома, односно молекула. Гибајући се кроз средство, честица која узрокује ионизацију поступно губи енергију и коначно се може зауставити. У зраку при температури од 15 °Ц и тлаку од 101 325 Па утрошак енергије по настајању једног ионскога пара износи око 32,5 еВ и не овиси о узрочнику ионизације.

Уз примарну ионизацију, коју изравно узрокује честица, збива се и секундарна ионизација, то јест процес настајања иона дјеловањем електрона и иона који су настали примарном ионизацијом, ако су приликом својега постанка добили довољно велику енергију. Неутралне честице, на примјер неутрон или неутрални мезон, могу узроковати само секундарну ионизацију, предајући или сву своју енергију или само њезин дио некој електрички набијеној честици, на примјер протону.

Електрично избијање у разријеђеним плиновима

Плинови и паре су лоши водичи електрицитета код обичног тлака и ниског електричног напона. Тек онда кад се приближе два тијела, између којих постоји високи напон од неколико тисућа волти, прескочит ће електрична искра. Тако је на примјер зрак код обичног тлака врло лош водич електрицитета, па за прескок искре треба врло велики напон, око 30 000 V по центиметру дуљине искре.

У разријеђеним плиновима појаве електричног пражњења су савим другачије. Узме се стаклена цијев која је цјевчицом спојена са зрачном сисаљком. Стаклена цијев дуга је око 400 мм, промјера 40 мм и испуњена зраком. Цијев се постепено исисава зрачном сисаљком. На крајевима цијеви налазе се полне електроде. Позитивна електрода или анода састоји се од танке алуминијске нити, а негативна електрода или катода је округла алуминијска плочица. Електроде се могу спојити с извором струје високог напона. Док је зрак још под атмосферским тлаком од око 1 бар, у цијеви не постоји никакво избијање. Код разрјеђења од 0,05 бара појави се између полова танка вијугава, плавкаста свијетла нит. Снизујемо ли тлак и даље, нит постаје све шира, па ће код тлака од 0,001 бар испунити готово цијелу стаклену цијев, тако да испред аноде буде љубичаста свјетлост која се зове позитивни ступ свјетлости. На катоди се јавља танки слој плаве свјетлости која се зове тињава свјетлост. Између тињаве свјетлости на катоди и позитивног ступа на аноди налази се тамно подручје, такозвани Фарадаyев тамни простор. Код разјеђења од 0,000 5 бара нестаје позитивни ступ свјетлости, а негативна тињава свјетлост долази готово до аноде, док се Цроокесов тамни простор проширује. Кад тлак падне на 0,000 03 бара, нестаје и негативне тињаве свјетлости, па се избијање више не види. Код овог разрјеђења у цијеви из катоде излазе зраке које на стакленој цијеви проузрокују свјетлуцање (флуоресценција). Те се зраке зову катодне зраке. Код разрјеђења од 0,000 001 бар престаје флуоресценција и сваки пролаз електричне струје кроз разријеђени плин.

Све ове појаве су посљедица ионизације разријеђеног зрака коју производе електрони. У сваком се наиме плину, па и у зраку, налазе уз неутралне атоме и атоми с електричним набојем, такозвани иони. На те ионе дјелује електрично поље привлачном силом и настаје гибање позитивних иона према катоди, а негативних иона према аноди. У дугачким цијевима добивају иони велике брзине, а тиме и велику кинетичку енергију, па долази до судара с другим молекулама из којих избијају електрони и тако стварају нове електричне набоје. Свјетлосне појаве које се јављају у разријеђеним плиновима искоришћују се код различитих свјетиљки. Позитивну свјетлост искоришћују такозване флуоресцентне цијеви које се све више употребљавају за електричну расвјету јер дају јачу свјетлост него електричне жаруље, а осим тога троше много мање електричне енергије.

То су равне стаклене цијеви које се израђују у дуљинама од 230 до 1 500 мм с промјером од 16 до 54 мм. На сваком крају цијеви налази се електрода, начињена од волфрамове жице у облику спирале. Цијев је испуњена аргоном под малим тлаком, и у њој се налази мала капљица живе. Цијеви су флуоросцентне јер су с унутарње стране премазане специјалном масом која се зове луминофор. Како се у цијеви развијају ултраљубичасте зраке, то луминофор флуоресцира под њиховим утјецајем. Боја свјетла коју даје цијев овиси о материјалу који је употријебљен као луминофор. Могу се постићи различите боје свјетла, па и посве бијело свјетло и свјетло слично дањем. За паљење такве свјетиљке треба посебан упаљач или стартер и пригушница. Кад се прикључи на електрични напон, струјни круг је затворен преко упаљача (стартера) флуоросцентне цијеви. Услијед тока струје угрију се електроде. Након кратког времена упаљач прекида струјни круг. Кад се струја прекине, настаје услијед самоиндукције пригушнице релативно велики напон између електрода. Због тога се цијев упали, па је струјни круг затворен кроз цијев мимо упаљача, који је отворен.

Међу свјетиљке на ударну ионизацију спадају такођер тињалице које искоришћују негативну тињаву свјетлост.

Катодно зрачење

Катодно зрачење је назив за струју електрона који у цијевима с плинским избојем или у електронским цијевима струје од катоде према аноди. Данас је назив катодно зрачење проширен на свако одашиљање електрона из катоде. Раби се у неким врстама електронских цијеви, за добивање рендгенскога зрачења и друго (на примјер катодна цијев).

Геисслерова цијев

Геисслерова цијев је стаклена цијев с утаљеним електродама, у којима се под сниженим тлаком налази неки плин (на примјер неон или хелиј) или смјеса плинова. Назване су према њемачком стаклопухачу Хеинрицху Геисслеру, који их је израђивао по наруџби њемачкога физичара Јулиуса Плüцкера (зато су се каткад називале и Плüцкеровим цијевима). При високом напону настаје између електрода у цијеви електрично избијање, а због ионизације плина настају и свјетлосне појаве. Цијеви намијењене истраживању свјетлоснога спектра у средини су стањене у капилару. Од Геисслерових цијеви развиле су се свијетлеће цијеви, које служе за расвјету и данас се, обликоване у слова, знакове или ликове, врло много употребљавају за израдбу свијетлећих натписа, реклама и слично. Боја свјетлости овиси о врсти и тлаку плина у цијеви те о врсти и боји стакла, а постиже се и додатком пара неких метала, па тако цијеви пуњене неоном свијетле црвено, оне пуњене аргоном и живиним парама плаво, а натријевим парама жуто итд.

Цроокесова цијев

Цроокесова цијев је вакуумска цијев, претеча рендгенске цијеви којом су откривене катодне зраке. То је стаклена цијев пуњена плином нискога тлака, с двије електроде на које се доводи високи напон. Названа је по њеном откривачу Wиллиаму Цроокесу.

Рендгенска цијев

Рендгенска цијев је извор рендгенског зрачења у данашњим рендгенским уређајима и стројевима. Данас се употребљавају рендгенске цијеви с ужареном катодом, које су много учинковитије у емитирању електрона од хладне катоде у ионским цијевима, као што су биле Цроокесова цијев или Цоолидгеова цијев.

Корона

У физици и електротехници, корона је свјетлећи избој који се појављује обично на мјестима гдје су водичи високог напона свинути под оштрим кутом. Уз одређене метеоролошке увјете који погодују стварању иона, корона се опажа на простору око овјесишта далеководних жица. Појава дјелује корозивно, а узрокује и губитке електричне енергије, па се при конструкцији далековода настоје избјећи оштре промјене смјера водича.

Муња

Муња је нагло пражњење атмосферског електричнога набоја концентрираног у олујним, грмљавинским облацима (кумулонимбусима), повезано с појавом интензивнога бљеска и снажнога звучног удара (гром). Унутар грмљавинских облака електрични потенцијал нарасте и до 3 милијуна Волти па зрак више није достатан изолатор и настаје избијање електричнога набоја унутар облака, према другом облаку, према околному зраку или према тлу (једно такво избијање на сваких десет). Муња се може видјети и на удаљеностима до 150 километара. Најчешћа је изломљена линеарна муња. Од њезина главног пута често се одваја више грана. Истраживања линеарне муње ултрабрзим камерама показала су да муња између облака и тла настаје у неколико фаза: свакој муњи претходи почетно, слабије претпражњење, које напредује брзином од приближно 50 м/с и поступном ионизацијом зрака ствара такозвани канал муње, свјетлосни, интензивно угријан (до 30 000 К) коридор промјера неколико центиметара. Када канал повеже облак и тло (или два супротно набијена облака), наступи кроза њ у супротном смјеру обилно електрично пражњење, главни удар муње, који чешће путује од тла (или морске површине) према облаку него обратно. Таквих је повратних удара у једној муњи више, просјечно два, али их може бити и до 40, с временским размаком од просјечно 0,03 секунде.

Електрични напони између крајњих точка муње износе и до 100 милијуна Волта; максималне су струје неких муња 100 000 Ампера, а трају од 0,1 до 0,6 секунда, уз температуру у каналу муње вишу од 20 000 Келвина. Због загријавања, ионизације и дисоцијације уздуж пута муње нагло се и драстично мијења тлак зрака, што је узрок настанка грома. Опажене су и тихе муње. Муње показују двострук разорни учинак: код врло јаких струја настаје краткотрајно, али врло јако магнетско поље, које даје експлозивни учинак; струје до 500 А теку доста дуго (с обзиром на трајање самога свјетлосног ефекта муње), па узрокују јак топлински учинак, који дјелује разорно, особито на водиче.

Уз често запажене облике разгранате муње, која удара према тлу, појављује се гдјекад и такозвана бисерна муња у облику низа од 20 до 30 свјетлосних зрна, промјера приближно 10 цм и одвојених тамним просторима. Плошна муња електрично је избијање унутар облака, код којега су освијетљене велике површине облака, но сам канал муње није замјетљив. Топлинска муња појава је муње на великој удаљености од проматрача, превеликој да би се чула грмљавина; она може бити црвене боје због распршења и апсорпције свјетлости у зраку. Кугласта муња врло је ријетка и до данас још неразјашњена појава електричнога избијања; појављује се у облику жуте до црвене свјетлеће кугле промјера 10 до 20 цм, ријетко и до 1 м, у којој је температура 4000 до 5000 °Ц. Кратко се вријеме лагано креће и нестаје тихо или уз прасак, остављајући за собом јак мирис по сумпору и нитриту.

Када се због повишене влаге повећа електрична проводност зрака, као за грмљавинских процеса, може се на истакнутим врховима планина, шиљцима високих зграда, јарболима и ступовима појавити такозвана ватра светог Илије или ватра светог Елма, електрично избијање у облику свјетлеће зеленкасте или плавичасте короне. Познат је и такозвани плави млаз, слаби млаз плаве свјетлости која избија из врха кумулонимбуса и диже се непознатим механизмом до висине од 40 до 50 км брзином већом од 90 км/с, те такозвани црвени вилењак, свјетлосна појава у мезосфери, црвенкасте до плаве боје и најразноврснијих облика, од великих мјехура до облика налик на велику хоботницу, повезана са снажним електричним избијањем из кумулонимбуса у тло.

Повезано

• Електрични потенцијал
• Електрични набој