Электрическая искра
Несколько искровых рязрядов, отснятых при длительной выдержке
Искрово́й разря́д (искра электрическая) - нестационарная форма электрического разряда , происходящая в газах . Такой разряд возникает обычно при давлениях порядка атмосферного и сопровождается характерным звуковым эффектом - «треском» искры. Температура в главном канале искрового разряда может достигать 10 000 К. В природе искровые разряды часто возникают в виде молний .
Условия
Иcкровой разряд обычно происходит, если мощность источника энергии недостаточна для поддержания стационарного дугового разряда или тлеющего разряда . В этом случае одновременно с резким возрастанием разрядного тока напряжение на разрядном промежутке в течение очень короткого времени (от несколько микросекунд до нескольких сотен микросекунд) падает ниже напряжения погасания искрового разряда, что приводит к прекращению разряда. Затем разность потенциалов между электродами вновь растет, достигает напряжения зажигания и процесс повторяется. В других случаях, когда мощность источника энергии достаточно велика, также наблюдается вся совокупность явлений, характерных для этого разряда, но они являются лишь переходным процессом, ведущим к установлению разряда другого типа - чаще всего дугового .
Природа
Искровой разряд представляет собой пучок ярких, быстро исчезающих или сменяющих друг друга нитевидных, часто сильно разветвленных полосок - искровых каналов. Эти каналы заполнены плазмой , в состав которой в мощном искровом разряде входят не только ионы исходного газа, но и ионы вещества электродов , интенсивно испаряющегося под действием разряда. Механизм формирования искровых каналов (и, следовательно, возникновения искрового разряда) объясняется стримерной теорией электрического пробоя газов. Согласно этой теории, из электронных лавин, возникающих в электрическом поле разрядного промежутка, при определенных условиях образуются стримеры - тускло светящиеся тонкие разветвленные каналы, которые содержат ионизированные атомы газа и отщепленные от них свободные электроны. Среди них можно выделить т. н. лидер - слабо светящийся разряд, «прокладывающий» путь для основного разряда. Он, двигаясь от одного электрода к другому, перекрывает разрядный промежуток и соединяет электроды непрерывным проводящим каналом. Затем в обратном направлении по проложенному пути проходит главный разряд, сопровождаемый резким возрастанием силы тока и количества энергии, выделяющегося в них. Каждый канал быстро расширяется, в результате чего на его границах возникает ударная волна. Совокупность ударных волн от расширяющихся искровых каналов порождает звук, воспринимаемый как «треск» искры (в случае молнии - гром).
Напряжение зажигания искрового разряда, как правило, достаточно велико. Напряженность электрического поля в искре понижается от нескольких десятков киловольт на сантиметр (кв/см) в момент пробоя до ~100 вольт на сантиметр (в/см) спустя несколько микросекунд. Максимальная сила тока в мощном искровом разряде может достигать значений порядка нескольких сотен тысяч ампер.
Особый вид искрового разряда - скользящий искровой разряд , возникающий вдоль поверхности раздела газа и твёрдого диэлектрика, помещенного между электродами, при условии превышения напряженностью поля пробивной прочности воздуха. Области скользящего искрового разряда, в которых преобладают заряды какого-либо одного знака, индуцируют на поверхности диэлектрика заряды другого знака, вследствие чего искровые каналы стелются по поверхности диэлектрика, образуя при этом так называемые фигуры Лихтенберга. Процессы, близкие к происходящим при искровом разряде, свойственны также кистевому разряду, который является переходной стадией между коронным и искровым.
Источники
- А. А. Воробьев, Техника высоких напряжений. - Москва-Ленинград, ГосЭнергоИздат, 1945.
- Физическая энциклопедия, т.2 - М.:Большая Российская Энциклопедия стр.218 .
- Райзер Ю. П. Физика газового разряда. - 2-е изд. - М.: Наука, 1992. - 536 с. - ISBN 5-02014615-3
См. также
Wikimedia Foundation . 2010 .
Смотреть что такое "Электрическая искра" в других словарях:
Искра, перескакивающая с тела, в котором электричество накопилось в достаточном количестве на близко находящийся проводник; э. и. в громадных размерах представляет молния. Словарь иностранных слов, вошедших в состав русского языка. Павленков Ф.,… … Словарь иностранных слов русского языка
электрическая искра - — [Я.Н.Лугинский, М.С.Фези Жилинская, Ю.С.Кабиров. Англо русский словарь по электротехнике и электроэнергетике, Москва, 1999 г.] Тематики электротехника, основные понятия EN spark of electricityelectric spark … Справочник технического переводчика
То же, что Искровой разряд … Большая советская энциклопедия
См. Разряд электрический … Энциклопедический словарь Ф.А. Брокгауза и И.А. Ефрона
То же, что искровой разряд. * * * ИСКРА ЭЛЕКТРИЧЕСКАЯ ИСКРА ЭЛЕКТРИЧЕСКАЯ, то же, что искровой разряд (см. ИСКРОВОЙ РАЗРЯД) … Энциклопедический словарь
- (искр’а неправ.), искры, жен. 1. Мельчайшая частичка горящего или раскаленного вещества. «Мой костер в тумане светит, искры гаснут на лету.» Полонский. Выбить искру из камня. Электрическая искра. Заронить искру. 2. Мелкая блестящая частица с… … Толковый словарь Ушакова
искра - ы, мн. искр, ж. 1) Мельчайшая частичка какого л. горящего или раскаленного вещества. Искры костра. Электрическая искра. Чирикали птицы и были искренни. Сияло солнце на лаке карет. С точильного камня не сыпались искры, а сыпались гасли, в лучах… … Популярный словарь русского языка
Фалина М.С. 1
Моисеев В.Г. 1
1 Муниципальное казённое общеобразовательное учреждение «Николо-Поломская средняя общеобразовательная школа» Парфеньевского муниципального района Костромской области
Текст работы размещён без изображений и формул.
Полная версия работы доступна во вкладке "Файлы работы" в формате PDF
1. Введение.
Данный исследовательский проект направлен на исследование условий возникновения искрового разряда - молнии и возможности использования этой энергии.
Тема: Исследование свойств искрового разряда и его применение
Проблема: «Позавчера мы ничего не знали об электричестве, вчера мы ничего не знали об огромных резервах энергии, содержащихся в атомном ядре, о чем мы не знаем сегодня?»/Луи де Бройль/
Актуальность: Человек научился использовать энергию воды, строя гидроэлектростанции, энергию атома, строя атомные электростанции, энергию ветра, строя ветровые электростанции. Широко используется солнечная энергия, аккумулируемая с помощью солнечных батарей.
В будущем человечество будет искать и другие альтернативные источники энергии. Рано или поздно человек научится использовать энергию искрового разряда - молнии, будет строить грозовые электростанции. Во многих странах уже проводят такие исследования, например в США. В нашей стране тоже работают над проблемами использования искрового разряда. В этом состоит актуальность данной работы. Грозовая энергетика - это пока лишь теоретическое направление. Суть методики заключается в поимке энергии молний и перенаправлении ее в электросеть. Данный источник энергии возобновляем и относится к альтернативным, т.е. экологически безопасным.
Молния является чистой энергией, и ее применение будет не только устранять многочисленные экологические опасности, но также будет значительно уменьшать дороговизну производства энергии. Энергия молнии является возобновляемым источником и относится к альтернативным источникам энергии.
Гипотеза: Молния может стать экологически безопасным источником дешевой энергии и будет в будущем использована в разных областях жизни общества.
Цель: Исследование условий возникновения искрового разряда и возможности использования энергии искрового разряда для нужд энергетики.
Задачи:
Найти и изучить информацию о молнии, её свойствах
Подготовить необходимое оборудование.
Провести опыты.
1. Получить искровой разряд с помощью электростатической машины, оценить максимальное напряжение пробоя
2. Исследовать условия возникновения искрового разряда в преобразователе напряжения
3. Оценить пробивные возможности искрового разряда твердых тел (бумаги, фольги).
4. Получить искровой разряд - молнию с помощью трансформатора Тесла, оценить напряжение между электродами, а так же действие ионизатора на возникновение и протекание разряда.
4)Вести наблюдения и сделать анализ.
В работе были использованы известные методы исследования:
1. Теоретические методы - это гипотетический (изучение с помощью научной гипотезы)
и общелогические методы (анализ, синтез, аналогия, обобщение)
2. Эмпирические методы - это, прежде всего эксперимент (исскуственное воспроизведение явлений и процессов в заданных условиях, в ходе, которого проверяется гипотеза), наблюдение, сравнение, измерение, описание
1 этап - Организация исследования
1) Подбор литературы и дополнительной информации, изучение и оформление найденных материалов.
Много интересной и полезной для меня информации я нашла в сети Интернет, изучила большое количество статей об электрических разрядах.
1. Я знаю, что электрический заряд - это физическая величина, характеризующая способность тел вступать в электромагнитные взаимодействия. Измеряется в Кулонах.
А электрическое поле - это особая форма материи, существующая вокруг тел или частиц, обладающих электрическим зарядом, а также в свободном виде в электромагнитных волнах.
2. Я знаю, что такое молния - это гигантский электрический искровой разряд в атмосфере, обычно может происходить во время грозы, проявляющийся яркой вспышкой света и сопровождающим её громом. Совокупность импульсов - пробоев воздушного промежутка между грозовым облаком и землёй, происходящих в виде искрового разряда.
История исследования молнии.
Уже в 17-ом веке высказывались предположения, что молния - это гигантская искра, ничем, кроме размеров, не отличающаяся от искры, проскакивающей между двумя разноимённо заряженными шариками. А проскакивает молния между двумя разноименно заряженными грозовыми облаками или между грозовым облаком и землей. Исследования электричества проводились во многих странах, но наибольший вклад в создание теории атмосферного электричества внесли российские академики Михаил Васильевич Ломоносов и Георг Рихман. Электрическая природа молнии была раскрыта в исследованиях американского физика Б. Франклина, по идее которого был проведён опыт по извлечению электричества из грозового облака. Бенджамин Франклин - выдающийся американский политический деятель, занимался физикой всего семь лет, но успел сделать очень много. Франклин провёл всем известный опыт с воздушным змеем, запуская его при приближении грозовых туч. К верхнему концу вертикальной планки крестовины змея он прикрепил заостренную проволоку. Как только змей оказывался под грозовой тучей, эта проволока начинала извлекать из тучи электрический огонь. В 1752 г. Было доказано, что грозовые облака действительно сильно заряжены. Михаил Васильевич Ломоносов и его друг Георг Рихман в 1752-1753 гг. совместно проводили исследования атмосферного электричества, с помощью изобретенного Рихманом электрического указателя - прообраза электрометра. Рихман установил электрическое состояние атмосферы в отсутствие грома и молнии. А Ломоносов разработал теорию образования атмосферного электричества, происхождение которого он связывал с восходящими и нисходящими потоками воздуха. У себя дома Георг Рихман устроил экспериментальную установку по изучению грозовых разрядов - «громовую машину». 26 июля 1753 г. во время сильной грозы, когда ученый приблизился к электрометру «грозовой машины» на расстояние 30 см, неожиданно из толстого железного прута прямо в него ударил бледно-синий огненный шар величиной с кулак. Это была шаровая молния. Раздался оглушительный взрыв и Рихман упал замертво.
Ломоносов тяжело переживал смерть своего друга и сделал все от него зависящее, чтобы имя Георга Рихмана навсегда осталось в истории науки.
В 1989 году был обнаружен особый вид молний — эльфы, молнии в верхней атмосфере. В 1995 году был открыт другой вид молний в верхней атмосфере — джеты.
Искровой разряд и условия его возникновения
При большой напряженности электрического поля между электродами (около 3 10 6 В/м) в воздухе при атмосферном давлении возникает искровой разряд. Искровой разряд, в отличие от коронного, приводит к пробою воздушного промежутка. При искровом разряде в газе возникают каналы ионизированного газа - стриммеры, имеющие вид прерывистых ярких зигзагообразных нитей.
Нити пронизывают пространство между электродами и исчезают, сменяясь новыми. При этом наблюдается яркое свечение газа и выделяется большое количество теплоты. Вследствие нагревания давление газа в стриммерах сильно повышается. Расширяясь, газ излучает звуковые волны, сопровождающие разряд.
После пробоя разрядного промежутка напряжение на электродах сильно падает, так как в момент разряда проводимость газа вследствие его ионизации резко возрастает. В результате, если источник напряжения маломощный, разряд прекращается. Затем напряжение снова повышается и т.д.
В образовании искрового разряда наряду с ионизацией с помощью электронного удара большую роль играют процессы ионизации газа излучением самой искры.
Напряжение пробоя понижается при воздействии на газ внешнего ионизатора. Если приложить к газовому промежутку напряжение, несколько меньшее пробивного, и внести в пространство между электродами зажженную газовую горелку, то возникает искра. Такое же действие оказывает и освещение отрицательного электрода ультрафиолетовым светом, или направить лазерный луч вдоль электродов, а так же другие ионизаторы.
Молния - гигантский электрический искровой разряд в атмосфере, обычно происходит во время грозы, проявляющийся яркой вспышкой света и сопровождающим ее громом. Ток в разряде молнии достигает 10 - 100 тысяч ампер, напряжение достигает сотен миллионов вольт. Средняя длина молнии 2.5 км, некоторые разряды простираются в атмосфере на расстояние до 20 км. Молнии также были зафиксированы на Венере, Юпитере, Сатурне и Уране. Наиболее часто молния возникает в кучево-дождевых облаках, тогда они называются грозовыми; иногда молния образуется в слоисто-дождевых облаках, а также при вулканических извержениях, торнадо и пылевых бурях.
Существуют две заряженные области в облаках, положительная и отрицательная, это две половины электрической цепи, отрицательный разряд стремится к положительному, и этот заряд называется Лидером, практически не видимый глазом человека из-за огромной скорости протекания и слабой яркости. Другой положительный заряд, Стример, стремится к отрицательному лидеру, и этот заряд очень яркий и долгий по времени удара молнии. Электрический заряд Лидер исходит в основном из облака, а Стример исходит из поверхности земли или другого облака с положительно заряженной областью. Молния это не один разряд, а более нескольких десятков пульсирующих разрядов, почему и видимое мерцание молнии считается одним разрядом ошибочно.
3. Я знаю, что конденсаторы - это устройство для накопления зарядаи энергии электрического поля.
Молния - это кратковременный энергетический всплеск, длительность которого равна долям секунды, и его нужно очень быстро осваивать. Для решения этой задачи нужны мощнейшие конденсаторы, которых еще не существует, а цена их, вероятно, будет очень высока. Можно применить и разнообразные колебательные системы с контурами 2-го и 3-го рода, позволяющие согласовывать нагрузку с внутренним сопротивлением генератора. Мощность разрядов также сильно отличается. Большинство молний - это 5-20 кА, но бывают всполохи силой тока в 200 кА, а каждый из них нужно привести к стандарту в 220 В и 50-60 Гц переменного тока.
Плотность заряженных ионов в 1 куб. м атмосферы низка, сопротивление воздуха велико. Соответственно «поймать» молнию сможет только ионизированный электрод, максимально приподнятый над поверхностью земли, но он сможет улавливать энергию только в виде микротоков. Если же поднять электрод слишком близко к наэлектризованным облакам, это может спровоцировать молнию, т.е. получится кратковременный, но мощный всплеск напряжения, который приведет к поломке оборудования молниевой фермы.
4. Яузнала, что молния напрямую связана с плазмой. Пристально рассматривая многочисленные фотографии молний, полученные методом высокоскоростной съемки, мы приходим к выводу, что молния — это вовсе не лавина электрических зарядов, а полый плазменный канал, причем ток сосредоточен в его стенках. Становится ясна причина огромной, скорости обратного лидера молнии — яркого мерцания, которое возникает после того, как молния достигает земли во время так называемого основного процесса. Такой обратный лидер развивается как колебательный процесс внутри полой плазменной трубы, подобно колебаниям в замкнутом контуре. Это электрические колебания, скорость которых может быть несравнимо выше, чем у колебаний плотности воздуха.
5. Я изучила свойства плазмы:
1. Концентрация положительных и отрицательных частиц в плазме практически одинакова.
2. Высокая электропроводность - при высокой температуре плазма приближается к сверхпроводникам.
3. Плазма имеет сильное взаимодействие с электрическим и магнитным полем.
4. Каждая заряженная частица плазмы взаимодействует с большим числом заряженных частиц.
5. Плазма связана со свечением.
Эти свойства определяют качественное своеобразие плазмы, позволяющее считать её четвертым состоянием вещества.
6. Выписала для себя всё самое интересное.
2) Приобретение необходимого оборудования и веществ.
Мне понадобится: электростатическая машина, школьный преобразователь напряжения, источник питания.
2 этап - Экспериментальная работа с фотографиями основных работ
Описание исследований
Искровой разряд можно получить с помощью различных приборов.
Чтобы получить искровой разряд с помощью электростатической машины, ее нужно хорошо просушить.
Разведем шарики электростатической машины примерно на 2 см. После нескольких оборотов вращения ручки электростатической машины получаем искровой разряд. В электростатической машине механическая энергия вращения превращается в энергию искрового разряда. Постепенно, увеличивая расстояние между шариками электростатической машины получаем, что максимальное расстояние между шариками будет 55 мм. Напряжение пробоя составляет примерно 50 000 вольт.
Возьмем школьный преобразователь напряжения.
От источника питания 12 вольт он преобразует в 25 000 вольт. Расстояние между электродами можно менять. Установим между шариками преобразователя расстояние в 2 см.
При включении преобразователя возникает целая серия искровых разрядов.
Увеличиваем расстояние между шариками, разряды происходят реже и затем прекращаются. Значит, напряженность электрического поля стала меньше предельной, при которой происходит пробой искрового промежутка. Увеличим напряжение питания преобразователя, разряды возникают вновь, значит напряженность в искровом промежутке увеличилась и превысила напряжение пробоя. Увеличим расстояние между шариками до прекращения искрового разряда. Осветим искровой промежуток ультрафиолетовым излучением, серия разрядов возникает вновь. Значит в искровом промежутке, вследствие ионизации, появились ионы и электроны и возникает самостоятельный искровой разряд.
Помещая в искровой промежуток лист бумаги, картона, фольги
можно убедиться, что искровой разряд пробивает микроскопические отверстия,
отсюда вытекает возможность использования искрового разряда для механического воздействия на материалы, механическая обработка материалов интересует технологов.
Искровой разряд можно получить с помощью трансформатора Тесла.
При напряжении питания 12 В искровой разряд пробивает расстояние 105 мм, что соответствует напряжению между электродами примерно 100 000 В. При таком напряжении проскакивают электрические разряды очень похожие на молнии во время грозы.
Лидер каждого следующего разряда ищет и находит свой путь, свою траекторию, наблюдается пляска разрядов-молний.
Во время всех экспериментов с искровыми разрядами появляется характерный запах. При электрических разрядах образуется озон О 3 , который насыщает воздух кислородом. Так же как после грозы легко дышится, ощущается чистый насыщенный кислородом воздух.
3 этап - Выводы и заключения
В результате проведенных исследований и измерений было установлено, что искровой разряд возникает в сильном электрическом поле если напряженность поля превысит 3 х 10 6 В/м. Проводилась оценка напряжения пробоя, которое зависит от влажности воздуха и уменьшается при действии ионизатора. Искровой разряд оказывает механическое действие на материалы и может применяться в технологиях обработки материалов.
Во всех приборах, с помощью которых получали искровой разряд, использовались или конденсаторы, как накопители электрической энергии, или колебательные системы. Поймать молнию во время грозы, сохранить ее некоторое время, преобразовать ее в другие виды, заманчиво, но пока трудноосуществимо, но я считаю в будущем, возможно.
Таким образом, в ходе исследования выдвинутая гипотеза подтвердилась: молния может стать экологически безопасным источником дешевой энергии и будет в будущем использована в разных областях жизни общества.
Исследование искрового разряда тема очень важная, интересная, как сама гроза. Исследование ее можно только на время прервать, а не закончить.
Даже одно из применений говорит о его важности. Присоединяя электроды к телу больного, врачи дают импульсный разряд электрического тока напряжением 2500 - 4000 В. Угасшее, было, сердце встрепенется и начинает работать, человек обретает жизнь.
Молниевые фермы пока являются мечтой. Они бы стали неиссякаемыми экологически безопасными источниками весьма дешевой энергии. Развитию данного направления энергетики препятствует ряд фундаментальных проблем: предсказать время и место грозы невозможно, молния - это кратковременный энергетический всплеск, длительность которого равна долям секунды, и его нужно очень быстро осваивать Для решения этой задачи нужны мощнейшие конденсаторы, которых еще не существует, а цена их, вероятно, будет очень высока
Несмотря на очевидные сложности идея создания молниевых ферм жива: очень хочется человечеству укротить природу и получить доступ к огромным возобновляемым запасам энергии.
4 этап - Оформление проекта
5 этап - Оформление презентации
Литература
1. Под ред. Академика Г.С. Ландсберга «Элементарный учебник физики» т.2 Учебник. М.: «Наука», 1973.
2. Мякишев Г.Я. ,Синяков А.З. «Физика. Электродинамика ». 10 - 11 класс. Учебник.-М.:Дрофа, 2012.
3. Под ред. А.А. Пинского «Физика» 10 класс.Учебник.-М.: «Просвещение», 2014.
4.Учебник физики за 10 класс/ Г.Я.Мякишева и Б.Б.Буховцева
5.Современный справочник школьника 5-11 классы - все предметы/А.Н. Роганин, К.Э. Немченко
6.О природе/ М.М. Балашов
Электрическая искра имеет вид тонкой, прихотливо изогнутой и ярко светящейся полоски, которая обычно сильно разветвлена (рис. 174). Этот светящийся канал искры никогда, однако, не бывает хоть сколько-нибудь похож на те остроугольные зигзаги, посредством которых принято условно изображать молнию.
Рис. 174. Характерный вид искры.
Полоска искры с огромной быстротой пронизывает разрядный промежуток, гаснет и вновь возникает. Фотографирование искры посредством камеры с быстро движущимся объективом (камеры Бейса) или с быстро движущейся пленкой показывает, что по одному и тому же каналу искры, который иногда деформируется, пробегает несколько разрядов. Для исследования отдельных стадий развития искры применяют фотозатворы, управляемые высокочастотным током и основанные на применении явления Керра (§ 95). Одно из первых исследований строения искры было выполнено проф. Рожанским в 1911 г. Рожанский производил фотографирование искры, отклоняя искру действием магнитного поля.
Пробой газа, завершающийся искровым разрядом, происходит при определенной напряженности поля, которая должна быть тем больше, чем больше плотность газа и чем меньше его начальная ионизация.
Ниже приведены числовые данные, характеризующие величину искрового промежутка в комнатном воздухе. Напряженность электрического поля близ электродов сильно зависит от кривизны
поверхности электрода, поэтому минимальные напряжения, при которых для данного расстояния между электродами начинается лавинный разряд, неодинаковы для электродов различной формы; между остриями искровой разряд начинается при более низком напряжении, чем между шарами или плрскими электродами.
Величина искрового промежутка в комнатном воздухе
(см. скан)
В комнатном воздухе обычно содержится лишь очень незначительное число ионов, примерно несколько тысяч в кубическом сантиметре (при нормальном электрическом состоянии атмосферы у поверхности земли - в среднем около 700 пар ионов в 1 см
Рис. 175. Схема развития отрицательного стримера
Когда к электродам приложено достаточно высокое напряжение, то начинается рост электронных лавин, но благодаря малому начальному числу ионов требуется время, чтобы начавшийся процесс завершился образованием искры. Если соединить электроды с источником тока высокого напряжения на чрезвычайно короткое время, то развитие электронных лабин не успеет завершиться искровым разрядом. Измерение времени, в течение которого в газе благодаря развитию лавин образуются каналы повышенной электропроводности, показало, что в данном случае большую роль играет фотонная ионизация.
На рис. 175 представлена схема, поясняющая, почему рост электропроводящего канала, или, как говорят, распространение
стримера, происходит быстрее, чем продвижение электронной лавины. На этом рисунке лавины условно показаны в виде заштрихованных конусов, а волнистыми линиями изображены пути фотонов. Нужно представить себе, что внутри каждого конуса, изображающего развивающуюся лавину, газ ионизируется ударами электронов; новоотщепленные электроны, разгоняемые полем, ионизируют встречаемые ими частицы газа, и таким образом лавинно нарастает число электронов, движущихся к аноду, и число положительных ионов, дрейфующих к катоду. Левые концы волнистых линий показывают атомы, которые были «возбуждены» ударом электрона и вслед за тем испустили фотон. Двигаясь со скоростью фотоны обгоняют лавину и в каком-то месте, которое изображено концом волнистой линии, ионизируют частицу газа. Отщепленный здесь электрон, устремляясь к аноду, порождает новую лавину далеко впереди первой лавины. Таким образом, пока первая лавина вырастает, скажем, на величину малой стрелки показанной на рис. 175, намечающийся канал повышенной электропроводности газа, т. е. стример, распространяется на величину большой стрелки показанной на том же рисунке. В следующей стадии отдельные лавины в отрицательном стримере, нагоняя друг друга, сливаются, образуя целостный канал ионизированного газа (на рисунке первая лавина уже нагнала вторую, а четвертая нагнала пятую).
Физико-математические условия, при соблюдении которых может происходить развитие стримеров, были теоретически изучены Миком и Лебом 1940 г.). Как уже было пояснено выше, отрицательный стример представляет собой, в сущности, ускоренное действием фотоионизации продвижение электронных лавин и их слияние в общий электропроводящий канал.
Совершенно иное строение и существенно иные свойства имеет положительный стример. Общей чертой его с отрицательным стримером является только фотоионизация, которая в обоих случаях играет главенствующую роль.
Положительный стример представляет собой канал газоразрядной плазмы, стремительно вырастающий от анода к катоду. На рис. 176 схематически пояснено, как происходит развитие такого канала. Возникновению положительного стримера предшествует пробег электронных лавин по газоразрядному промежутку. Они оставляют на своем пути большое число новообразованных положительных ионов, концентрация которых особенно велика там, где лавины получили свое наибольшее развитие, т. е. около анода (рис. 176, наверху слева). Если концентрация положительных ионов здесь достигает определенной величины (близкой к ионам в ), то, во-первых, обнаруживается интенсивная фотоионизация, во-вторых, электроны, освобождаемые частицами газа, поглотившими фотоны, притягиваются положительным пространственным зарядом в головную часть положительного стримера, и, в-третьих, вследствие фотоионизации концентрация положительных ионов на пути стримера к катоду возрастает. На рис. 176 пути фотонов показаны волнистыми линиями; фотоны выбрасываются в разные стороны из области положительного пространственного заряда (короткие стрелки указывают направление движения отщепленных электронов); видно, что многие электроны вовлекаются в область наибольисей концентрации положительных ионов в головную часть положительного стримера. Насыщение электронами пространства, заполненного положительными зарядами, превращает эту область в газоразрядную плазму.
(кликните для просмотра скана)
Так формируется в газе канал, обладающий высокой электропроводностью. Формирование этого канала с газоразрядной плазмой и является развитием положительного стримера (рис. 176). Если на пути прорастания этого канала в направлении к катоду в головной части стримера имеется достаточная концентрация положительных ионов, то стример продвигается с громадной скоростью. В противном случае он обрывается.
Поясненные выше схемы развития стримеров дают только приблизительное представление о подготовительной стадии искрового разряда. Действительная картина развития стримера более сложна, так как образующиеся пространственные заряды резко искажают электрическое поле, вызвавшее возникновение стримера.
В длинных газоразрядных промежутках неравномерности поля и недостаточная фотоионизация по направлению кратчайшего расстояния от головной части стримера к электроду приводят к искривлениям канала и возникновению многочисленных ответвлений.
Развитие положительных стримеров начинается у положительного электрода в местах наибольшей напряженности поля: около острых выступов, острых кромок и других неровностей поверхности анода. Поэтому при разряде между острием и диском часто наблюдаются искры, соединяющие положительное острие с центром отрицательного диска, и искры, соединяющие кромки положительно заряженного диска с отрицательным острием (рис. 177); в первом случае пробой происходит при меньшем напряжении.
Рис. 177. Характерный вид искрового разряда между острием и диском при большом разрядном промежутке.
Рис. 178. Фотография искры на движущейся пленке.
Деформации поля зарядами, образующимися в стримере, и сочетание сложных процессов, происходящих в стримере, приводят к тому, что искровой разряд часто развивается толчками. При этом
новый стример пробегает путь, проложенный предыдущим угасшим стримером. На рис. 178 представлена фотография единичного искрового разряда на. быстро движущейся фотопленке. Здесь видно толчкообразное развитие искры и видно, что отрицательный и положительный стримеры растут навстречу друг другу. Когда головки стримеров встречаются, образуется проводящий канал, по которому и происходит разряд.
Аналогичная, но еще более сложная картина обнаруживается при развитии молнии. Начальной стадией является развитие пилотирующего стримера молнии, свечение которого почти неуловимо. Обычно пилотирующий стример распространяется от отрицательно заряженного облака. По еще узкому каналу повышенной ионизации, образованному пилотирующим стримером молнии, устремляются со скоростью порядка тысяч километров в секунду мощные электронные лавины, создающие довольно яркое свечение. Электропроводность канала при этом чрезвычайно возрастает и сечение канала расширяется. Эту стадию называют развитием лидера молнии. При малой начальной ионизации воздуха развитие лидера происходит скачкообразно - с остановками на десятки миллисекунд через каждые его распространения (такие лидеры называют «ступенчатыми» в отличие от так называемых «стрельчатых», которые распространяются с непрерывной стремительностью).
Рис. 179. Фотография молнии на движущейся пленке. Здесь паузы между первыми ударами последняя пауза в чечетыре раза длиннее.
При приближении лидера к земле в земле индуцируются заряды противоположного знака, и от высоких зданий, молниеотводов, деревьев вырастает встречный лидер. В момент его слияния с лидером, опускающимся от облака, т. е. когда разрядный промежуток между облаком и землей оказывается замкнутым электропроводящим каналом, по этому каналу пробегает главный разряд молнии со скоростью порядка десятков тысяч километров в секунду. Если канал имел разветвления (а так обычно и бывает), то главный разряд распространяется по всем ответвлениям Диаметр основного канала
молнии обычно имеет величину 10-20 см и наиболее яркое свечение в нижней части. В канале создается повышенное давление, которое после удара молнии вызывает разрыв канала, что и порождает явление грома. Заряд, переносимый молнией, обычно составляет несколько кулонов и часто несколько десятков кулонов. Мгновенное значение величины тока молнии часто составляет десятки, а иногда и сотни тысяч амперов.
Молниевой разряд уносит заряды обычно только из некоторой части облака. К этому месту устремляются заряды из других частей облака. Поэтому чаще всего вслед за первым ударом молнии через сотые доли секунды по тому же, но иногда несколько деформированному или иначе разветвленному каналу происходят повторные удары молнии (два, три и больше); каждому из них предшествует лидер, восстанавливающий электропроводность канала.
Рис. 180. Схема грозового (кучевс-дождевого) облака.
Рис. 179 воспроизводит картину пяти ударов молнии по одному каналу, снятых на движущуюся пленку. В некоторых случаях сильный ветер так смещает канал молнии, что даже при фотографировании обычным аппаратом можно различить отдельные удары разрядов.
На рис. 180 показана схема наиболее часто встречающегося распределения зарядов в грозовом облаке. На переднем крае облака и по нижней части его обычно распределены отрицательные заряды. Здесь же имеется область положительных зарядов; положительно заряжена также вся верхняя часть облака. Направление ветра, (на рисунке оно указано стрелками), уносящего облако, обычно противоположно наземному ветру. Вначале сильный дождь уносит из облака положительный заряд, позже идет умеренный отрицательно заряженный дождь.
В отсутствие грозы электрическое поле в атмосфере направлено сверху вниз, так как земля заряжена отрицательно, а положительный заряд рассеян в атмосфере.
Когда отсутствуют возмущающие влияния, создаваемые, в частности, грозовыми облаками, напряженность электрического поля в атмосфере уменьшается с высотой. У земли напряженность электрического поля имеет порядок На высоте она равна а на высоте примерно Напряженность поля на высоте 20 км в 100 раз меньше, чем у земли.
Это быстрое уменьшение напряженности электрического поля с высотой показывает, что в сравнении с однородным полем электрическое поле в атмосфере весьма усложнено зарядами, распределенными в атмосферном воздухе.
При грозах напряженность поля в атмосфере может в 100 и 1000 раз превышать нормальную.
Под грозовым облаком направление поля чаще всего меняется на обратное, от земли к отрицательно заряженному нижнему краю облака, а напряженность поля вблизи земли перед молниевым разрядом может достигать 200-300 тысяч вольт на метр. Разность потенциалов между облаком и землей перед ударом молнии часто составляет сотни миллионов, а иногда и миллиарды вольт. Большинство ударов молний происходит от отрицательно заряженных облаков. Молнии нередко имеют в длину несколько километров. Часто молниевые разряды происходят между отдельными тучами. Наблюдались грозы, при которых насчитывалось 4-7 тысяч ударов молний за час. На земном шаре в среднем за сутки происходит около 44 тысяч гроз (единовременно в среднем около 1800 гроз) и ежеминутно происходит несколько тысяч ударов молний.
Рис. 181. Фотография шаровой молнии
В редких случаях наблюдаются молниевые разряды совершенно иного типа. На рис. 181 воспроизведена одна из фотографий шаровой молнии. По описанию наблюдателей шаровые молнии обычно имеют вид светящихся шаров диаметром около 10-20 см, а иногда и нескольких метров. Шаровые молнии передвигаются плавно, с небольшой скоростью и в некоторых случаях скачкообразно. Отмечены случаи, когда шаровые молнии, касаясь земли или каких-либо предметов, взрывались и причиняли сильные разрушения.
Многочисленные попытки лабораторного воспроизведения такого типа разряда не дали удовлетворительных результатов, несмотря на то, что некоторым исследователям (Плантэ в Гезехусу в 1900 г., Кэвуду и др.)
удавалось получать разряды шарового типа. На рис. 182 пояснен опыт Плантэ. Если, применяя высоковольтный источник постоянного напряжения, анод погрузить в электролит и подносить к поверхности электролита катод, то зажигается дуговой разряд. Но когда в электролит погружен катод и к поверхности электролита подносится анод, дуга не может образоваться, так как исключается возможность накала и термоэлектронной эмиссии из датода. Плантэ обнаружил, что в этом случае при соблюдении определенных условий между анодом и поверхностью электролита образуется светящийся и быстро вращающийся шарик, который через некоторое время проскальзывает по поверхности электролита к катоду.
Рис. 182. Схема опыта Плантэ.
Рис. 183. Фотография четочной молнии.
Одна из многочисленных гипотез, предложенных для объяснения шаровой молнии (гипотеза Мейснера), трактует этот тип разряда как завихрение газоразрядной плазмы, происходящее в изгибе линейной молнии. По другой гипотезе (Матиаса) предполагается, что в шаровой молнии химически аккумулируется энергия разряда, причем образуются неустойчивые, способные разлагаться со взрывом высшие соединения азота с кислородом.
Иногда молния оказывается состоящей из нескольких десятков небольших светящихся шаров (диаметром меньше 10 см), удаленных один от другого на расстояние менее метра. Этот вид разряда называют неточной молнией (рис. 183). Приемлемой, достаточно обоснованной теории шаровых и четочных молний еще не имеется.
Если при использовании высокого постоянного напряжения между электродами поставлена пластина из твердого диэлектрика (стекла, эбонита и т. п.) и пластина эта имеет такую толщину, что искра ее не пробивает, а ширину не слишком большую, то наблюдается скользящий искровой разряд, который проходит по поверхности пластины и огибает ее. Для исследования этого разряда его создают на фотографической пластинке и потом проявляют ее (рис. 184). Получаемые таким путем изображения разряда называют фигурами Лихтенберга. Их радиус пропорционален напряжению разрядного импульса. Этим пользуются (применяя особые приборы для фотографирования скользящего разряда - клидонографы) при массовом, статистическом исследовании молний»
В СССР ведется систематическое изучение молний и методов грозозащиты. Ведущая роль в этой области принадлежит высоковольтной лаборатории Энергетического института Академии наук СССР.
Когда напряжение недостаточно велико для пробоя газоразрядного промежутка, на электродах наблюдается особый тип разряда-корона.
Рис. 184. Скользящий разрядит положительного электрода.
Коронный разряд на высоковольтных сетях вызывает утечки электроэнергии.
Исследование короны показало, что на положительном электроде коронный разряд при относительно невысоких напряжениях состоит из ряда электронно-лавинных импульсов, длящихся каждый десятитысячные доли секунды. При более высоком напряжении прерывистость явлений менее сказывается и основную роль играют стримеры, обрывающиеся там, где напряженность поля слишком мала для их распространения. Строение и характер свечения коронного разряда на отрицательном электроде в некоторой мере сходны с околокатодной зоной тлеющего разряда.
Если постепенно увеличивать напряжение между двумя электродами, находящимися в атмосферном воздухе и имеющими такую форму, что электрическое поле между ними не слишком сильно отличается от однородного (например, два плоских электрода с закругленными краями или два достаточно больших шара), то при некотором напряжении возникает электрическая искра. Она имеет вид ярко светящегося канала, соединяющего оба электрода, который обычно бывает сложным образом изогнут и разветвлен (см. приложение 1.2).
Электрическая искра возникает в том случае, если электрическое поле в газе достигает некоторого определенного значения Е к (критическая напряженность поля или напряженность пробоя), которая зависит от рода газа и его состояния. Для воздуха при нормальных условиях Е к 3*10 6 В/м. Чем больше расстояние между электродами, тем большее напряжение между ними необходимо для наступления искрового пробоя газа. Это напряжение называется напряжением пробоя.
Возникновение пробоя объясняется следующим образом: в газе всегда есть некоторое число ионов и электронов, возникающих от случайных причин. Однако, число их настолько мало, что газ практически не проводит электричества. При достаточно большой напряженности поля кинетическая энергия, накопленная ионом в промежутке между двумя соударениями, может сделаться достаточной, чтобы ионизировать нейтральную молекулу при соударении. В результате образуется новый отрицательный электрон и положительно заряженный остаток - ион.
Свободный электрон 1 при соударении с нейтральной молекулой расщепляет ее на электрон 2 и свободный положительный ион. Электроны 1 и 2 при дальнейшем соударении с нейтральными молекулами снова расщепляет их на электроны 3 и 4 и свободные положительные ионы, и т.д (рис. 3.2.1).
Такой процесс ионизации называют ударной ионизацией, а ту работу, которую нужно затратить, чтобы произвести отрывание электрона от атома - работой ионизации. Работа ионизации зависит от строения атома и поэтому различна для разных газов.
Образовавшиеся под влиянием ударной ионизации электроны и ионы увеличивает число зарядов в газе, причем в свою очередь они приходят в движение под действием электрического поля и могут произвести ударную ионизацию новых атомов. Таким образом, процесс усиливает сам себя, и ионизация в газе быстро достигает очень большой величины. Явление аналогично снежной лавине, поэтому этот процесс был назван ионной лавиной.
Образование ионной лавины и есть процесс искрового пробоя, а то минимальное напряжение, при котором возникает ионная лавина, есть напряжение пробоя.
Таким образом, при искровом пробое причина ионизации газа заключается в разрушении атомов и молекул при соударениях с ионами (ударная ионизация). Величина Е к увеличивается с увеличением давления. Отношение критической напряженности поля к давлению газа р для данного газа остается приблизительно постоянным в широкой области изменения давлений:
Этот закон позволяет определить Ек при разных давлениях, если известно его значение при каком-либо одном давлении.
Напряжение пробоя понижается при воздействии на газ внешнего ионизатора. Если приложить к газовому промежутку напряжение, несколько меньшее пробойного, и внести в пространство между электродами зажженную газовую горелку, то возникает искра. Такое же действие оказывает и освещение отрицательного электрода ультрафиолетовым светом, а также другие ионизаторы.
Для объяснения искрового разряда вначале казалось естественным предположить, что основными процессами в искре являются ионизация электронными ударами в объеме и ионизация положительными ионами (в объеме или на катоде). Однако впоследствии выяснилось, что эти процессы не могут объяснить многие особенности образования искры. Остановимся для примера на скорости развития искрового заряда. Если бы в искре существенную роль играла ионизация положительными ионами, то время развития искры было бы по крайней мере того же порядка, что и время перемещения положительных ионов от анода до катода. Это время легко оценить - оно оказывается порядка 10 -4 - 10 -5 с. Между тем, опыт показывает, что время ее развития на несколько порядков меньше.
Объяснение большой скорости развития искры, так же как и других особенностей этой формы разряда, дано так называемой стримерной теорией искры, в настоящее время обоснованной прямыми экспериментальными данными. Согласно этой теории, возникновению ярко светящегося канала искры предшествует появление слабо светящихся скоплений ионизированных частиц (стримеров). Пронизывая газоразрядный промежуток, стримеры образуют проводящие мостики, по которым в последующие стадии разряда и устремляются мощные потоки электронов. Причиной возникновения стримеров является не только образование электронных лавин посредством ударной ионизации, но еще и ионизация газа излучением, возникающим в самом разряде (фотоионизация).
Схема развития стримера изображена на рис. 3.2.2.
В виде конусов на этом рисунке показаны электронные лавины, зарождающиеся в точках вершин конусов и распространяющиеся от катода к аноду. Существенным в этой схеме является то обстоятельство, что, помимо первоначальной электронной лавины, зародившейся непосредственно у катода, происходит образование новых лавин в точках, расположенных далеко впереди от головы первоначальной лавины. Эти новые лавины возникают вследствие появления электронов в объеме газа в результате фотоионизации излучением, исходящим из лавин, возникших ранее (на рисунке это излучение показано схематически в виде волнистых линий). В процессе своего развития отдельные лавины нагоняют друг друга и сливаются вместе, в результате чего возникает хорошо проводящий канал стримера. Из приведенной схемы ясно, что вследствие возникновения многих лавин общий путь CD, проходимый стримером, намного больше расстояния АВ, проходимого одной первоначальной лавиной (различие в длинах АВ и CD в действительности намного больше, чем показано на рис. 3.2.2).
Из-за выделения при рассмотренных процессах большого количества энергии газ в искровом промежутке нагревается до 10000 С, что приводит к его свечению. Быстрый нагрев газа ведёт к повышению давления, достигающему 10 7 10 8 Па, и возникновению ударных волн, объясняющих звуковые эффекты при искровом разряде - характерное потрескивание в слабых разрядах и мощные раскаты грома в случае молнии, являющейся примером мощного искрового разряда между грозовым облаком и и Землёй или между двумя грозовыми облаками.
Искровой разряд используется для воспламенения горючей смеси в двигателях внутреннего сгорания. При малой длине разрядного промежутка искровой разряд вызывает специфическое разрушение анода, называемое эрозией. Это явление было использовано в электроискровом методе резки, сверления и других видах точной обработки металла. Его используют в спектральном анализе для регистрации заряженных частиц (искровые счетчики).
Искровой промежуток применяется в качестве предохранителя от перенапряжения (искровые разрядники) в электрических линиях передач (например, в телефонных линиях). Если вблизи линии проходит сильный кратковременный ток, то в проводах этой линии индуцируются напряжении и токи, которые могут разрушить электрическую установку, и опасны для жизни людей.
Во избежание этого используются специальные предохранители, состоящие из двух изогнутых электродов, один из которых присоединен к линии, а другой заземлен. Если потенциал линии относительно земли сильно возрастает, то между электродами возникает искровой разряд, который вместе с нагретым им воздухом поднимается вверх, удлиняется и обрывается.
Наконец, электрическая искра применяется для измерения больших разностей потенциалов с помощью шарового разрядника, электродами которого служат два металлических шара, закрепленных на стойках 1 и 2. Вторая стойка с шаром может приближаться или удаляться от первой при помощи винта. Шары присоединяют к источнику тока, напряжение которого требуется измерить, и сближают их до появления искры. Измеряя расстояние при помощи шкалы на подставке, можно дать грубую оценку напряжению по длине искры (пример: при диаметре шара 5 см и расстоянии 0,5 см напряжение пробоя равно 17,5 кВ, а при расстоянии 5 см - 100 кВ). Этим методом можно измерять с точностью до нескольких процентов разности потенциалов порядка десятков тысяч вольт.
