Если у вас возникли сложности с курсовой, контрольной, дипломной, рефератом, отчетом по практике, научно-исследовательской и любой другой работой - мы готовы помочь.
Предоплата всего
Подписываем
§ 56. Искровой разряд. Молния
Электрическая искра имеет вид тонкой, прихотливо изогнутой и ярко светящейся полоски, которая обычно сильно разветвлена (рис. 215).
Рис. 215. Характерный вид искры.
Этот светящийся канал искры никогда, однако, не бывает хоть сколько-нибудь похож на те остроугольные зигзаги, посредством которых принято условно изображать молнию. 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 плёнкой показывает, что по одному и тому же каналу искры, который иногда деформируется, пробегает несколько разря дов. Для исследования отдельных стадий развития искры применяют фотозатворы, управляемые высокочастотным током и основанные на применении явления Керра (§ 101). Одно из первых исследова ний строения искры было выполнено проф. Д. А. Рожанским в 1911 г. Д. А. Рожанский производил фотографирование искры, отклоняя искру действием магнитного поля.
Пробой газа, завершающийся искровым разрядом, происходит при определённой напряжённости 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. Напряжённость электри ческого поля близ электродов сильно зависит от кривизны поверхно сти 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 плоскими электродами.
Величина искрового промежутка в комнатном воздухе
В комнатном воздухе обычно содержится лишь очень незначи тельное число ионов, примерно несколько тысяч в кубическом сан тиметре. Когда к электродам приложено достаточно высокое напря жение, то начинается рост электронных лавин, но благодаря малому начальному числу ионов требуется время, чтобы начавшийся процесс завершился образованием искры. Если соединить электроды с источ ником тока высокого напряжения на чрезвычайно короткое время, то развитие электронных лавин не успеет завершиться искровым раз рядом. 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. 216 представлена схема, поясняющая, почему рост элек тропроводящего 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 раз вивающуюся лавину, газ ионизируется ударами электронов; новоот щепленные электроны, разгоняемые полем, ионизируют встречаемые ими частицы газа, и таким образом лавинно нарастает число элек тронов, движущихся к аноду, и число положительных ионов, дрей фующих к катоду. Левые концы волнистых линий показывают атомы, которые были «возбуждены» ударом электрона и вслед за тем ис пустили фотон. Двигаясь со скоростью 300000 км/сек, фотоны об гоняют лавину и в каком-то месте, которое изображено концом вол нистой 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 АВ, показанной на рис. 216, намечающийся канал повышенной электропроводности газа, т. е. стример, распро страняется на величину большой стрелки CD, показанной на том же рисунке.
Рис. 216. Схема развития отрицательного стримера.
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 че твёртая нагнала пятую). Физико-математические условия, при соблю дении которых может происходить развитие стримеров, были теоре тически изучены Миком и Лёбом (1940).
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 главенствую щую роль.
Положительный стример представляет собой канал газоразряд ной плазмы, стремительно вырастающий от анода к катоду. На рис. 217 и 218 схематически пояснено, как происходит развитие такого канала. Возникновению положительного стримера предшествует пробег электронных лавин по газоразрядному промежутку. Они оста вляют на своём пути большое число новообразованных положительных ионов, концентрация которых особенно велика там, где лавины полу чили своё наибольшее развитие, т. е. около анода (верх левой части рис. 217). Если концентрация положительных ионов здесь достигает определённой величины (близкой к 1012 ионам в 1 см3), то, во-пер вых, обнаруживается интенсивная фотоионизация, во-вторых, элек троны, освобождаемые частицами газа, поглотившими фотоны, при тягиваются положительным пространственным зарядом в головную часть положительного стримера, и, в-третьих, вследствие фотоионизации концентрация положительных ионов на пути стримера к катоду воз растает.
Рис. 217. Схема возникновения положительного стримера.
На рис. 217 пути фотонов показаны волнистыми стрелками; фотоны выбрасываются в разные стороны из области положительного пространственного заряда (короткие стрелки указывают направление движения отщепленных электронов); видно, что многие электроны вовлекаются в область наибольшей концентрации положительных ионов — в головную часть положительного стримера. Насыщение электронами пространства, заполненного положительными зарядами, превращает эту область в газоразрядную плазму.
Так формируется в газе канал, обладающий высокой электропро водностью. Формирование этого канала с газоразрядной плазмой и является развитием положительного стримера (рис. 218).
Рис. 218. Схема развития положительного стримера.
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.
Пояснённые выше схемы развития стримеров дают только прибли зительное представление о подготовительной стадии искрового раз ряда. Действительная картина развития стримера более сложна, так как образующиеся пространственные заряды резко искажают элек трическое 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 напряжённости поля: около острых . выступов, острых кромок и других неровностей поверхности анода. Поэтому при разряде между остриём и диском часто наблюдаются искры, соединяющие положительное остриё с центром отрицательно заряженного диска, и искры, соединяющие кромки положительно заряженного диска с отрицательным остриём (рис. 219); в первом случае пробой происходит при меньшем напряжении.
Рис. 219. Характерный вид искрового разряда между остриём и диском при большом разрядном проме жутке.
Деформации поля зарядами, образующимися в стримере, и соче тание сложных процессов, происходящих в стримере, приводят к тому, что искровой разряд часто развивается толчками. При этом новый стример пробегает путь, проложенный предыдущим угасшим стри мером. На рис. 220 представлена фотография единичного искрового разряда на быстро движущейся фотоплёнке.
Рис. 220. Фотография искры на движущейся плёнке.
Здесь видно толчкооб разное развитие искры и видно, что отрицательный и положительный стримеры растут навстречу друг другу. Когда головки стримеров встречаются, образуется проводящий канал, по которому и происхо дит разряд.
Аналогичная, но ещё более сложная картина обнаруживается при развитии молнии. Начальной стадией является развитие пилотирую щего стримера молнии, свечение которого почти неуловимо. Обычно пилотирующий стример распространяется от отрицательно заряжен ного облака. По ещё узкому каналу повышенной ионизации, образо ванному 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 проис ходит скачкообразно — с остановками на десятки миллисекунд через каждые 5—10 м его распространения (такие лидеры называют «ступенчатыми» в отличие от так называе мых «стрельчатых», которые распространя ются с непрерывной стремительностью).
При приближении лидера к земле в земле индуцируются заряды противоположного зна ка, и от высоких зданий, молниеотводов, деревьев вырастает встречный лидер. В мо мент его слияния с лидером, опускающимся от облака, т. е. когда разрядный проме жуток между облаком и землёй оказывается замкнутым электропроводящим каналом, по этому каналу пробегает главный разряд молнии со скоростью порядка десятков ты сяч 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 создаётся повышенное давление, которое после удара молнии вызывает раз рыв канала, что и порождает явление грома. Заряд, переносимый молнией, обычно состав ляет несколько кулонов и часто несколько десятков кулонов. Мгновенное значение ве личины тока молнии часто составляет де сятки, а иногда и сотни тысяч ампер.
Молниевой разряд уносит заряды обыч но 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 раз ветвлённому каналу происходят повторные удары молнии (два, три и больше); каждому из них предшествует лидер, восста навливающий электропроводность канала. Развитие первого и по вторного ударов молнии схематически представлено на рис. 221.
Рис. 221. Схема развития молнии.
Рис. 222 воспроизводит пять ударов молнии по одному каналу, снятых на движущуюся плёнку.
Рис. 222. Фотография молнии на движу щейся плёнке. Здесь паузы между первыми ударами 0,03 сек.; последняя пауза в четы ре раза длиннее.
В некоторых случаях сильный ветер так смещает канал молнии, что даже при фотографировании обычным аппаратом можно различить отдельные удары разрядов.
На рис. 223 показана схема наиболее часто встречающегося рас пределения зарядов в грозовом облаке.
Рис. 223. Схема грозового (кучево-дождевого) облака.
На переднем крае облака и по нижней части его обычно распределены отрицательные заряды.
Здесь же имеется область положительных зарядов; положительно за ряжена также вся верхняя часть облака. Направление ветра (на ри сунке оно указано стрелками), уносящего облако, обычно противо положно наземному ветру. Вначале сильный дождь уносит из облака положительный заряд, позже идёт умеренный отрицательно заряжен ный дождь.
В отсутствии грозы электрическое поле в атмосфере направлено сверху вниз, так как земля заряжена отрицательно, а положи тельный заряд рассеян в атмосфере. Напряженность поля у поверх ности земли обычно составляет около 100 в/м (§15). Под гро зовым облаком направление поля чаще всего меняется на обратное, от земли к отрицательно заряженному нижнему краю облака, а напряжённость поля вблизи земли перед молниевым разрядом может достигать 200—300 тысяч вольт на метр. Разность потенциалов между облаком и землёй 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. Средняя численность ударов молнии на земном шаре составляет примерно 1800 молний в секунду.
В редких случаях наблюдаются молниевые разряды совершенно иного типа. На рис. 224 воспроизведены фотографии шаровой молнии.
Рис. 224. Фотографии шаровой молнии.
По описанию наблюдателей шаровые молнии обычно имеют вид све тящихся 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 мол нии, касаясь земли или каких-либо предметов, взрывались и причиняли сильные разрушения.
Многочисленные попытки лаборатор ного воспроизведения такого типа раз ряда не дали удовлетворительных ре зультатов, несмотря на то, что некото рым исследователям (Плантэ в 1883 г., Н. А. Гезехусу в 1900 г., Кэвуду и др.) удавалось получать разряды шарового типа. На рис. 225 пояснен опыт Плантэ.
Рис. 225. Схема опыта Плантэ.
Если, применяя высоковольтный источ ник постоянного напряжения, анод по грузить в электролит и подносить к поверхности электролита катод, то за жигается дуговой разряд. Но когда в электролит погружён катод и к поверхности электролита подно сится анод, дуга не может образоваться, так как исключается возможность накала и термоэлектронной эмиссии из катода. Плантэ обнаружил, что в этом случае при соблюдении определённых условий между анодом и поверхностью электролита образуется светящийся и быстро вращающийся шарик, который через некоторое время про скальзывает по поверхности электролита к катоду.
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 ги потезе (Матиаса) предпола гается, что в шаровой мол нии химически аккумули руется энергия разряда, причём образуются неустой чивые, способные разла гаться со взрывом высшие соединения азота с кисло родом.
Иногда молния оказы вается состоящей из несколь ких десятков небольших све тящихся шаров (диаметром меньше 10 см), удалённых один от другого на расстоя ние менее метра. Этот вид разряда называют чёточной молнией (рис. 226).
Рис. 226. Фотография чёточной молнии.
Прием лемой, достаточно обоснованной теории шаровых и чёточных молний ещё не имеется.
Если при использовании высокого постоянного напряжения между электродами поставлена пластина из твёрдого диэлектрика (стекла, эбонита и т. п.) и пластина эта имеет такую толщину, что искра её не пробивает, а ширину не слишком большую, то наблюдается скользящий искровой разряд, который проходит по поверхности пластины и огибает её. Для исследования этого разряда его создают на фотографической пластинке и потом проявляют её (рис. 227 и 228).
Рис. 227. Скользящий разряд от отрицательного элек трода.
Рис. 228. Скользящий разряд от положительного электрода.
Получаемые таким путём изображения разряда называют фигу рами Лихтенберга. Их радиус пропорционален напряжению разряд ного импульса. Этим пользуются (применяя особые приборы для фотографирования скользящего разряда — клидонографы) при массовом, статистическом исследовании молний.
В СССР ведётся систематическое изучение молний и мето дов 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. 229. Схема положительной короны.
Рис. 230. Схема отрицательной короны.
Исследование короны показало, что на положительном электроде коронный разряд при относительно невысоких напряжениях состоит из ряда электронно-лавинных импульсов, длящихся каждый десяти тысячные доли секунды. При более высоком напряжении прерыви стость явлений менее сказывается и основную роль играют стримеры, обрывающиеся там, где напряжённость поля слишком мала для их распространения. На рис. 229 показана схема коронного разряда на положительном электроде. Строение и характер свечения коронного разряда на отрицательном электроде в некоторой мере сходны с околокатодной зоной тлеющего разряда (рис. 230).
Коронный разряд на высоковольтных сетях вызывает утечки элек троэнергии. Но этот тип разряда имеет и положительные применения, в частности при очистке газов от загрязнений (в электрофильтрах),
При малой длине разрядного промежутка искровой разряд вызы вает разрушение металла анода (эрозию). Лауреатами Сталинской премии инж. Б. П. и Н. И. Лазаренко это явление использовано в особом методе электроискроввй точной резки, сверления и других видов точной обработки металлов.