تخلیه هاله‌ای: رقص نور در آستانه رعد و برق
تخلیه هاله‌ای چیست و چگونه کار می‌کند؟
هوا در حالت عادی یک عایق است و جریان برق را از خود عبور نمی‌دهد. اما وقتی یک هادی (مانند سیم برق) دارای ولتاژ بسیار بالایی باشد، می‌تواند میدان الکتریکی بسیار قدرتمندی در اطراف خود ایجاد کند. این میدان قوی، مولکول‌های هوای اطراف را تحت فشار قرار می‌دهد و باعث می‌شود الکترون‌ها از این مولکول‌ها کنده شوند. به این فرآیند یونیزاسیون۲ می‌گویند. الکترون‌های آزاد شده، خود با برخورد به مولکول‌های دیگر، الکترون‌های بیشتری آزاد می‌کنند و یک واکنش زنجیره‌ای کوچک ایجاد می‌شود. این یون‌های مثبت و منفی در هوا شتاب می‌گیرند و وقتی با مولکول‌های خنثی برخورد می‌کنند، انرژی خود را به صورت نور (معمولاً آبی-بنفش) و گرما آزاد می‌کنند. این همان نوری است که در تخلیه هاله‌ای می‌بینیم.
یک مثال ساده: فرض کنید یک بادکنک را به موهایتان مالش داده‌اید. حالا اگر آن را به آرامی به دیوار نزدیک کنید، ممکن است یک جرقه‌ی کوچک و صدای "تِق" بشنوید. این یک تخلیه الکتریکی کوچک است. تخلیه هاله‌ای شبیه به همان جرقه است، اما بسیار ضعیف‌تر و پیوسته. در خطوط برق فشار قوی، این پدیده به صورت یک هاله‌ی نورانی و صدای وزوز مداوم در اطراف سیم‌ها دیده و شنیده می‌شود.
تفاوت تخلیه هاله‌ای با قوس و جرقه
تخلیه الکتریکی در گازها می‌تواند به اشکال مختلفی ظاهر شود. درک تفاوت آن‌ها بسیار مهم است.
| نوع تخلیه | شرایط وقوع | شدت جریان | نمونه |
|---|---|---|---|
| تخلیه هاله‌ای | میدان قوی، اما فاصله بین هادی‌ها زیاد است. | خیلی کم (میکروآمپر) | خطوط انتقال برق |
| جرقه | میدان آنقدر قوی است که یک مسیر یونیزه شده را در یک لحظه می‌سوزاند. | کوتاه و قوی | رعد و برق، جرقه شمع خودرو |
| قوس الکتریکی | پس از ایجاد جرقه، جریان به طور پیوسته و با چگالی بالا برقرار می‌ماند. | بسیار زیاد (آمپر) | جوشکاری قوس الکتریکی |
کاربردهای شگفت‌انگیز تخلیه هاله‌ای در فناوری و طبیعت
این پدیده که گاهی یک مشکل محسوب می‌شود (مانند تلفات انرژی در خطوط برق)، در بسیاری از فناوری‌های مدرن به خوبی مهار شده و به کار گرفته می‌شود.
تصفیه‌ی هوا: در برخی تصفیه‌کننده‌های هوا، از تخلیه هاله‌ای برای تولید یون‌های مثبت و منفی استفاده می‌شود. این یون‌ها به ذرات گرد و غبار، دود و باکتری‌ها در هوا می‌چسبند و باعث می‌شوند آن‌ها سنگین شده و روی زمین بنشینند یا به صفحه‌ای با بار مخرب جذب شوند. به این ترتیب هوا پاک می‌شود.
چاپگرهای لیزری و فتوکپی: در داخل این دستگاه‌ها، یک سیم باریک به نام "سیم کرونا" وجود دارد که با ایجاد تخلیه هاله‌ای، بار الکتریکی یکنواختی را روی استوانه‌ی حساس به نور (درام) ایجاد می‌کند. این بارگذاری اولیه، اولین گام برای چاپ تصویر است.
طبیعت: پدیده‌ی "آتش سنت المو۳" یک نمونه طبیعی و بسیار زیبا از تخلیه هاله‌ای است. این پدیده در طوفان‌های تندری و معمولاً در نوک تیز اجسام بلند مانند دکل کشتی‌ها، صاعقه‌گیرها یا بال هواپیما رخ می‌دهد. در این حالت، میدان الکتریکی ابرها آنقدر قوی می‌شود که باعث درخشش آبی-بنفش رنگ در نوک این اجسام می‌گردد، گویی که آن‌ها در آتش می‌سوزند!
اشتباهات رایج و پرسش‌های مهم
به خودی خود و در مقیاس کوچک (مانند دستگاه‌های الکترونیکی) معمولاً خطرناک نیست. اما در سیستم‌های ولتاژ بسیار بالا (مانند پست‌های برق)، این پدیده می‌تواند نشانه‌ای از میدان الکتریکی بسیار قوی باشد که نزدیک شدن به آن بدون تجهیزات ایمنی، بسیار خطرناک است. همچنین این پدیده به مرور زمان می‌تواند به عایق‌های الکتریکی آسیب برساند.
همانطور که در فرمول میدان الکتریکی دیدیم، میدان الکتریکی در نوک اجسام با انحنای زیاد (شعاع کم) بسیار متمرکز و قوی می‌شود. این تمرکز میدان، احتمال یونیزه کردن مولکول‌های هوا و ایجاد تخلیه هاله‌ای را به شدت افزایش می‌دهد. به همین دلیل است که صاعقه‌گیرها را نوک‌تیز می‌سازند.
خیر. رنگ نور بستگی به نوع گازی دارد که تخلیه در آن رخ می‌دهد. نور آبی-بنفش معمولاً مربوط به یونیزاسیون نیتروژن و اکسیژن موجود در هوا است. اگر این پدیده در گازهای دیگری مانند نئون یا آرگون رخ دهد، رنگ نور می‌تواند قرمز یا آبی متفاوت باشد. از این خاصیت در لامپ‌های نئون برای ایجاد نورهای رنگی استفاده می‌شود.
پاورقی
۱تخلیه هاله‌ای (Corona Discharge): نوعی تخلیه الکتریکی ناقص در گازها که در اثر میدان الکتریکی بسیار قوی در اطراف یک هادی ایجاد می‌شود.
۲یونیزاسیون (Ionization): فرآیندی که در آن اتم یا مولکول یک یا چند الکترون از دست داده یا به دست می‌آورد و به ذره‌ای باردار به نام یون تبدیل می‌شود.
۳آتش سنت المو (St. Elmo's Fire): پدیده‌ی هواشناسی که به شکل تخلیه هاله‌ای درخشان در نوک اجسام بلند در خلال طوفان‌ها دیده می‌شود.