Warto przeczytać

Jeśli przyjrzeć się uważnie fotografii burzy poniżej (Fot. 1.) widać, że wyładowanie elektryczne nie przebiega regularnie.

R177ZbZlDYVFQ

Fot. 1. Zdjęcie przedstawia wyładowania elektryczne (pioruna) podczas burzy. Jest bardzo efektowne kolorystycznie, na tle ciemnofioletowego nieba widoczne są liczne wyładowania elektryczne w postaci przecinających niebo białych nieregularnych błyskawic. Pomiędzy "nitkami" błyskawic rozcinających niebo, widoczna jest nieco większa rozświetlona błyskawica.

Linia często skręca, a czasem nawet zawraca, rozgałęzia się, kończy się niespodziewanie… w tym materiale wyjaśnimy, dlaczego tak się dzieje.

Wstęp o jonizacji

Temat, który będziemy rozważać dotyczy gazów, czyli zbioru atomów lub cząsteczek poruszających się swobodnie w całej dostępnej objętości. W dalszej części tego materiału, dla uproszczenia, będziemy zakładać, że mamy do czynienia z gazem jednoatomowym, którego atomy, poza momentami zderzeń, nie oddziałują ze sobą.

Pojedyncze atomy są elektrycznie obojętne. Składają się one z dodatniego jądra atomowego oraz ujemnych elektronów, poruszających się po ściśle określonych orbitach - powłokach elektronowych. Pod wpływem energii dostarczonej z zewnątrz, elektron może oderwać się od atomu i potem, już jako swobodna naładowana cząstka, może swobodnie poruszać się w całej objętości gazu. Pozbawiony elektronu atom staje się jonem, czyli atomem naładowanym elektrycznie. Przy odpowiednio dużej energii takich oderwanych od atomu elektronów może być więcej lub mogą one pochodzić z wewnętrznych powłok elektronowych. Opisany proces nosi nazwę jonizacji. Jony mogą być, tak jak w tym przypadku, naładowane dodatnio – wtedy nazywamy je kationamiKationkationami. Po podłączeniu elektrod o różnych potencjałach kationy są przyciągane przez ujemnie naładowaną katodę. Jony ujemne, poruszające się w kierunku dodatnio naładowanej anody, nazywamy anionamiAnionanionami.

Aby doszło do procesu jonizacji, dostarczona energia powinna być na tyle duża, by pokonać przyciąganie elektronu przez dodatnio naładowane jądro atomowe. Najmniejsza taka energia nazywa się energią jonizacji. Jej wartość zależy od szczegółów budowy atomu każdego z pierwiastków i wynosi od kilku do kilkudziesięciu elektronowoltów. ElektronowoltElektronowolt (eV)Elektronowolt, to taka ilość energii, jaką uzyska elektron przyspieszany różnicą potencjałów 1 wolta (1 eV ≈ 1,6 · 10Indeks górny -19^-19 J).

Energia potrzebna do zjonizowania atomu może pochodzić z różnych źródeł. Jak powiedzieliśmy na początku, atomy gazu poruszają się swobodnie ale mogą się ze sobą zderzać. Jeśli ich energia kinetyczna jest wystarczająco duża, dochodzi do jonizacji jednego z nich. W takiej sytuacji mamy do czynienia z tzw. jonizacją termiczną (energia kinetyczna atomów gazu jest proporcjonalna do temperatury, zob. e‑materiał pt. Jaki jest związek związek pomiędzy temperaturą w skali Kelvina a średnią energią ruchu cząsteczek gazu doskonałego i jego energią wewnętrzną?). Z obojętnym atomem gazu może się też zderzyć inna cząstka, np.: proton, cząstka promieniowania alfaCząstka alfaalfa, betaCząstka betabeta lub gammaCząstka gammagamma, pochodzące z samoistnych reakcji jądrowych lub promieniowania kosmicznego.

Czynnikiem jonizującym gazy jest też silne pole elektryczne. Po pierwsze, przy odpowiednio dużym jego natężeniu, przeciwnie skierowane siły, które działają na dodatnio i ujemnie naładowane elementy atomu, mogą spowodować oderwanie elektronu. Po drugie (i ten efekt ma największe znaczenie), elektrony wybite wskutek jonizacji jednych atomów mogą zostać przyspieszone przez to pole do prędkości wystarczających, by zderzając się z kolejnymi atomami zjonizować je, czyli wybić następne elektrony, które będąc przyspieszone do wystarczających prędkości jonizują  kolejne atomy i tak dalej ... . Opisane zjawisko nazywa się jonizacją lawinowąJonizacja lawinowajonizacją lawinową.

Warunki wystarczające do zajścia zjawiska jonizacji lawinowejJonizacja lawinowajonizacji lawinowej mogą zostać wytworzone na dwa sposoby. Jednym z nich jest działanie odpowiednio silnego pola elektrycznego (tak, jak w przypadku błyskawicy), a drugim - zmniejszenie ciśnienia gazu (rozrzedzenie go, tak jak w lampach jarzeniowych lub komorach jonizacyjnych). W wyniku zmniejszenia gęstości gazu średnia droga elektronów, jaką przebywają one między zderzeniami, jest wystarczająco długa, by zostały one rozpędzone do odpowiednio dużych energii.

Jak wytworzyć łuk elektryczny?

Aby wystarczająco przyspieszyć elektrony, nie trzeba dużych napięć. Jeżeli energia jonizacji wynosi kilkanaście eV, to do wywołania jonizacji lawinowej wystarcza napięcie rzędu kilkudziesięciu woltów. Fakt ten ma znaczenie przy zapoczątkowaniu łuku elektrycznego. Jeżeli elektrody znajdują się blisko siebie, dochodzi do lawinowej jonizacji gazu znajdującego się między nimi. Powstające ładunki zmniejszają różnicę potencjałów i proces może wygasnąć. Jeżeli jednak źródło zasilania ma dużą moc, proces będzie trwał. Znaczne zmniejszenie oporu elektrycznego gazu wskutek jonizacji powoduje, że natężenie płynącego prądu elektrycznego osiąga bardzo dużą wartość. Powoduje to wzrost temperatury do 5000 – 6000 K. W takich warunkach gaz między elektrodami tworzy plazmę, czyli mieszaninę silnie zjonizowanych atomów i elektronów. Wyładowanie elektryczne trwa w sposób ciągły, nawet po oddaleniu elektrod. Łuk elektryczny wykorzystuje się do spawania i w lampach łukowych.

R1Np5up0J6q28

Fot. 2. Zdjęcie przedstawia łuk elektryczny wytworzony w laboratorium. Łuk elektryczny pokazano w postaci świecącej poziomej kreski długości mniejszej niż centymetr. Łuk świeci pomiędzy dwoma drutami podczepionymi do izolowanych kabli podłączonych do wysokiego napięcia.

Iskry małe i duże

Inaczej przebiega zjawisko wyładowania elektrycznego, które nazywamy wyładowaniem iskrowym. Zachodzi ono pod wpływem bardzo wysokich wartości natężenia pola elektrycznego i ma charakter impulsowy. Z powodu opisanej na wstępie jonizacji zderzeniowej, w gazie zawsze znajduje się pewna liczba elektronów uwolnionych z atomów. Wyładowanie iskrowe rozpoczyna się od jonizacji lawinowej, która jest wywołana przyspieszaniem elektronów siłami elektrostatycznymi i przebiega w wąskim kanale gazu. Kształt takiego kanału jest przypadkowy i zależy od tego, gdzie akurat zgromadziło się najwięcej elektronów zdolnych do wywołania dalszej jonizacji lawinowej. Obecność lawiny elektronów różnie wpływa też na wartość natężenia pola elektrycznego w jej bliskim sąsiedztwie. Tworzące ją ładunki elektryczne powodują powstanie dodatkowego, wytworzonego przez te ładunki, pola elektrycznego. W niektórych miejscach wypadkowe pole może mieć większe, a w niektórych mniejsze natężenie, niż pierwotne pole wytworzone przez chmurę. Umożliwia to powstanie nowych lawin, tam gdzie natężenie pola przekracza wartość progową, ale może też może spowodować zakończenie procesu jonizacji lawinowej. To dlatego linia pioruna często skręca, rozgałęzia się i kończy się niespodziewanie.

Z reguły przeskok iskry jest więc zjawiskiem przebiegającym nieregularnie i przypadkowo. Z elektrostatyki pamiętamy jednak, że wartość natężenia pola elektrycznego jest największa wokół naładowanych przewodników o bardzo małym promieniu krzywizny, czyli np. ostro zakończonych przedmiotów. W takich miejscach panują najlepsze warunki do jonizacji lawinowej, czyli powstania kanałów, wzdłuż których przebiega wyładowanie iskrowe.

Wskutek przepływu dużej liczby elektronów, wewnątrz kanału wytwarza się wysoka temperatura (nawet do 10 000 K). Wywołuje to procesy jonizacji termicznej, które zwielokrotniają liczbę elektronów zdolnych do przewodzenia prądu. W kanale powstaje plazma, czyli niemal całkowicie zjonizowana materia. Ponadto, nagły wzrost temperatury w kanale powoduje skokowy wzrost ciśnienia gazu do kilkuset atmosfer, objawiający się charakterystycznym trzaskiem lub grzmotem.

Przykładem takiego wyładowania może być zarówno przeskok iskry podczas zdejmowania swetra przez głowę, jak i piorun w czasie burzy. To samo zjawisko zachodzi także w samochodowych świecach zapłonowych oraz podczas pracy maszyny elektrostatycznej w szkolnej pracowni fizyki.

Jak działa kula plazmowa?

Ciekawym przykładem jonizacji gazu wskutek działania pola elektrycznego jest wynaleziona przez Teslę zabawka, zwana kulą plazmową. Jest ona szklaną bańką wypełnioną rozrzedzonym gazem, z elektrodą znajdującą się w środkowej części, która jest zasilana napięciem ok. 10 000 V. Wokół elektrody zachodzi jonizacja lawinowa i powstają kanały plazmowe, widoczne jako jasne włókna. Opisana wyżej przypadkowość procesu lawinowej jonizacji gazu powoduje, że kształt włókien jest nieregularny. Obniżone ciśnienie gazu ułatwia tworzenie się takich włókien i ich docieranie do powierzchni bańki.

RMLptgalowKVZ

Fot. 3. Zdjęcie wykonane w ciemni przedstawia kulę plazmową. Pokazuje świecącą na kolor różowoczerwony elektrodę znajdującą się wewnątrz kuli, od niej odchodzą, wyglądające jak nitki, niebieskie włókna. Włókna są krzywymi, swobodnie falującymi. Kończą się na powierzchni kuli, gdzie ich zetknięcie ze szkłem daje obraz ciemnoróżowych plamek. Kolor zależny jest od rodzaju gazu wypełniającego kulę.

Dotknięcie palcem powierzchni kuli sprawia, że w tym miejscu potencjał spada do zera (uziemiamy to miejsce), a więc różnica potencjałów między nim a elektrodą jest znacznie większa, niż w innych punktach. Wzrost natężenia pola elektrycznego w pobliżu palca znacznie ułatwia wywołanie jonizacji lawinowej i powoduje zwiększenie koncentracji włókien plazmowych.

Słowniczek