Dujinis išlydis technikoje ir gamtoje

Plazma – ketvirtoji agregatinė medžiagos būsena. Ji sudaro didžiąją – 99,9 % – matomos Visatos medžiagos dalį. Žvaigždės, taigi, ir Saulė, tarpžvaigždinės dujos, kosminiai ūkai yra sudaryti iš plazmos. Plazma – iš dalies arba visiškai jonizuotos dujos, kurių teigiamųjų ir neigiamųjų krūvių tankis beveik vienodas. Vadinasi, plazma yra elektriškai neutrali. Manoma, kad tik 0,1 % Visatos medžiagos sudaro tokie kosminiai kūnai kaip Žemė. Mūsų planetoje gamtinės plazmos nėra dėl didelio tankio ir žemos temperatūros.

Plazmos susidarymą lemia dvi sąlygos:

• aukšta temperatūra (10³–10⁸ ℃),
• aukšta įtampa (2 000–5 000 V).

Esant aukštai temperatūrai arba aukštai įtampai pavieniai elektronai juda labai greitai. Kai jie susiduria su atomais, prasideda smūginė jonizacija – randasi teigiamieji ir neigiamieji jonai bei laisvieji elektronai (5.2.4 pav.).

Dalies elektronų kinetinės energijos nepakanka dujų atomams jonizuoti. Šiuo atveju energija, kurią įgyja atomas susidurdamas su elektronu, jį tik sužadina (5.3.1 pav., a). Sužadinto atomo elektronai peršoka į aukštesnius energijos lygmenis (5.3.1 pav., b), o paskui grįžta į pradinį energijos lygmenį (5.3.1 pav., c). Elektronams grįžtant į pradinį energijos lygmenį išspinduliuojamos elektromagnetinės bangos, kurias žmogus suvokia kaip šviesą.

Plazma gali susidaryti ir esant žemai temperatūrai. Pavyzdžiui, Saulės spinduliuotės jonizuoti viršutiniai atmosferos sluoksniai (jonosfera) yra žemos temperatūros plazma. Ji supa mūsų planetą 100–300 km aukštyje.

Plazmos rutulys, arba plazminė lempa, yra skaidraus stiklo indas, pripildytas inertinių dujų – neono, argono ar ksenono mišinio. Neonas skleidžia raudoną šviesą, argonas – rausvą, ksenonas – pilką arba mėlyną (5.3.2 pav.). Plazmos rutulyje vyksta kibirkštinis išlydis. Kibirkštinis išlydis – tai labai plona stipriai jonizuotų dujų gija, kuria teka stipri elektros srovė.

Plazmos rutulio (5.3.3 pav., a) centre yra aukštosios įtampos elektrodas, sukuriantis 2 000–5 000 V įtampą. Kitas elektrodas – stiklo rutulys. Įjungus elektros srovę prasideda smūginė jonizacija, susidaro plazma. Plazminiai siūlai driekiasi išilgai elektrinio lauko linijų (5.3.3 pav., b) – nuo vidinio elektrodo iki išorinio stiklo (izoliatoriaus). Susidaro daugybė nuolatinių spalvotos šviesos spindulių (5.3.3 pav., a). Plazmos rutuliai buvo naujovė devintajame praėjusio amžiaus dešimtmetyje, o mūsų dienomis tapo paprasčiausia namų interjero detale.

Palietus plazmos rutulį ranka šviesos kibirkštys lietimo zonoje suintensyvėja (5.3.4 pav.), kadangi sukuriamas tiesus kelias elektronams įžeminti. Elektronams lengviau nutekėti į žemę žmogaus kūnu (geresnis laidininkas) nei oru. Rutulio stiklas šiuo atveju veikia kaip dielektriko sluoksnis kondensatoriuje, kurio viena plokštė – aukštosios įtampos elektrodas, kita – žmogaus pirštai (5.3.4 pav.).

Žaibas yra kibirkštinio išlydžio gamtoje pavyzdys. Žinių apie šį reiškinį šiek tiek įgijote nagrinėdami 1.6 temą. Primename, kad žaibas – trumpalaikė elektros srovė, tekanti tarp debesies ir debesies arba tarp debesies ir Žemės paviršiuje esančių kūnų (5.3.5 pav.). Pavojingiausi žaibai yra iš debesies į Žemę. Jie sudaro 9–10 % visų žaibų. Kai debesyje ir Žemės paviršiuje susikaupia didelis elektros krūvis, elektrinis laukas tarp debesies ir Žemės sustiprėja, ore prasideda smūginė jonizacija.

Elektrinis laukas priverčia laisvuosius elektronus judėti nuo debesies link Žemės arba nuo vieno debesies prie kito (5.3.5 pav.). Elektros srovės stipris žaibo kelyje siekia apie 500 kA, o įtampa – apie 3 MV. Elektros srovės kelyje oras jonizuojamas, susidaro plazma – švytintis žaibas (1.6.6 pav., c). Žaibai padaro daug nuostolių: sukelia gaisrus, atima žmonėms gyvybę.

Vainikinis išlydis – prie didelio kreivumo paviršių (plieninių lynų, smaigalių, elektros perdavimo laidų) atsirandantis dujinis išlydis (5.3.6 pav.).

Kartais šį išlydį lydi šnypštimas. Vainikinis išlydis atsiranda, kai šalia elektrodų yra nevienalytis elektrinis laukas. Stipriausias jis būna prie didelio kreivumo paviršių (antgalių, laidų). Stiprus elektrinis laukas sukelia smūginę jonizaciją. Dėl jos aplink plonus laidus, laivų stiebus atsiranda švytėjimas – vainikinis išlydis, dar vadinamas koronos švytėjimu. Gamtoje pasitaikantis vainikinis išlydis dar vadinamas šventojo Elmo ugnimis. Jas galima išvysti prie žaibolaidžių, bažnyčių smailių. Šis vainikinio išlydžio pavadinimas siejamas su Italijoje pastatyta Šv. Elmo bažnyčia, kur jis ir buvo pastebėtas. Elektros perdavimo linijose dėl vainikinio išlydžio prarandama elektros energija, mažėja įtampa.

Savaiminis dujinis išlydis, atsirandantis reklaminiuose vamzdeliuose, dienos šviesos lempose, vadinamas rusenančiuoju išlydžiu (5.3.7 pav., a).

Dienos šviesos (liuminescencinę) lempą sudaro stiklinis vamzdelis su dviem įmontuotais elektrodais (5.3.7 pav., b).

Vidinis vamzdelio paviršius padengtas švytalu – medžiaga, kuri veikiama ultravioletinių spindulių skleidžia regimąją šviesą. Stiklinis vamzdelis pripildytas gyvsidabrio garų. Elektrinio lauko veikiami elektronai skrieja vamzdeliu ir sužadina gyvsidabrio atomus. Gyvsidabrio atomų elektronai pereina į aukštesnį energijos lygmenį. Grįždami į pradinį energijos lygmenį jie išspinduliuoja ultravioletinius spindulius. Ultravioletiniai spinduliai veikia švytalą ir sukelia regimąją šviesą (5.3.7 pav., b). Šviesos spalva priklauso nuo švytalo cheminės sudėties. Keičiant cheminę švytalo sudėtį galima išgauti įvairių spalvų šviesą (5.3.7 pav., c). Dienos šviesos lempose yra kenksmingų medžiagų: gyvsidabrio garų, fosforo. Todėl netinkamas naudoti lempas būtina utilizuoti laikantis saugumo reikalavimų.

Elektros lankas, arba blyksnis, susidaro, kai įtampa yra neaukšta (40–50 V), o elektros srovė – labai stipri, siekianti dešimtis ar net šimtus amperų. Elektros lankas gaunamas prijungiant neaukštos įtampos šaltinį (40–50 V) prie dviejų anglinių elektrodų (5.3.8 pav.). Elektrodų galai iš pradžių suglaudžiami. Kontakto vietoje elektrodai staiga įkaista ir ima spinduliuoti elektronus. Paskui elektrodai šiek tiek atitolinami vienas nuo kito. Išspinduliuoti elektronai jonizuoja orą tarp elektrodų. Prasideda smūginė jonizacija ir čia sušvinta akinantis elektros lankas. Jo temperatūra siekia apie 4 000 ℃. Tokios temperatūros pakanka metalams virinti, pjaustyti ir lydyti. Elektros lankas gali sukelti gaisrą, nudeginti ar pažeisti regėjimą. Todėl nepatartina žiūrėti į suvirinimo aparato liepsną.