Электрическая искра. Искровой разряд. Представление об искровом разряде Этот разряд характеризуется прерывистой формой. Он возникает в газе обычно при давлениях порядка атмосферного

Основные условия на входе в систему

Расход (Нм3/ч) 140,544

Расход (кг/ч) 192,000

H2O в газе (% объема) 2.3

CO2 в газе (% объема) 12.4

O2 в газе (% объема) 3.7

Температура (°C) 270

Время работы (часов в год) 8,760

Проектное рабочее давление Положительное

Пылевая нагрузка на входе в систему PM (мг/Нм3) 512

Гарантированный уровень содержания пыли на выходе PM (мг/Нм3) 10

Эффективность удаления пыли системой PM (%) 98.05

Прочее

Источник загрязнения кат крекинг

Ожидаемое потребление энергии (кВт) 136

Потребление полной нагрузки (кВт) 279

Общая потеря давления (мм в ст)

Объем поставки

Электрофильтр (электростатический осадитель):

Мы предлагаем Вам один модульный электрофильтр модели 39R-1330-3712P, включающий в себя все пластины, разрядные электроды, секции крыши, изоляционные отсеки, дверцы доступа, все внутренние компоненты и источники питания для создания полного модуля контроля загрязнения воздуха.

Электростатический осадитель будет иметь следующие конструктивные особенности:

Падение давления (мм в ст) 12,7

Проектная температура конструкции (гр С) 371

Проектное давление конструкции (мм в ст) +/- 890

Объем бункера (м3) 152

Кл- во бункеров 3

Размеры горловины 457 x 864

Кол-во газовых проходов 39

Выходное напряжение трансформатора (кВ) 55

Выходной ток трансформатора (ма) 1100

Кол-во трансформаторов 3

Осадительные пластины нового более тяжелого конструкторского стиля из сплошных стальных листов толщиной не менее 18 мм. Листы имеют более жесткий рельеф жесткости в форме коробки усиленной ребрами жесткости, которые формируют плавное течение газа на поверхности пластины, чтобы свести к минимуму повторный его захват. Как верхние, так и нижние направляющие, ребра жесткости и крепления будут обеспечивать выравнивание пластин, компенсируя тепловое расширение. Пластины будут рассчитаны на максимальную температуру до 371 ° С

Конструкцией предусмотрены электромагнитные подъемники встряхиватели с гравитационным воздействием. Системы встряхивания будут организованы для автоматической работы и будут направлены на минимизацию рециркуляции частиц. Рабочие параметры встряхивателя будут иметь регулируемые характеристики частоты и интенсивности.

В конструкции установлены жёсткие электроды, которые будут изготовлены из бесшовной трубки толщиной стенки 1,7 мм с равномерно распределенными коронирующими штырями, приваренными к трубе. Электроды стабилизированы по уровню для работы их во всех диапазонах температур работы осадителя.

Каждая рама разрядного электрода будет вибрировать индивидуально, и система будет сконструирована таким образом, чтобы можно было варьировать как длительность, так и частоту вибрации.

Осадитель оборудован ступенчатыми трансформаторами/ выпрямителями. Каждый комплект установлен наружи, оснащен масляной изоляцией, выпрямителем охлаждаются воздухом. Трансформатор и выпрямители находятся в едином резервуаре.

Трансформатор будет снабжен заземляющим переключателем и блокировкой клавиш. Каждый комплект будет рассчитан на температуру макс + 45 градусов C (при максимальной температуре окружающей среды +50 градусов C).

Изоляторы высокого напряжения цилиндрические, под сжимающей нагрузкой.

Изоляторы фарфоровые, глазурованные внутри и снаружи и имеют выводы заземления. Изоляторы расположены вне зоны обработки газа и очищаются продувочным воздухом.

Осадитель оснащен предохранительными замками с последовательным расположением клавиш для предотвращения доступа к любому высоковольтному оборудованию без блокировки источника питания и заземления высоковольтного оборудования. Следующее оборудование будет блокировано: все дверцы доступа для быстрого открытия осадителя, трансформатора / выпрямителя и высоковольтные выключатели.

Объемом поставки предусмотрены сварные стойкие к атмосферным воздействиям индивидуальные изоляционные отсеки для изоляторов. Изоляционные отсеки будут доступны обслуживанию дверями с предохранительными блокировками для предотвращения доступа ко всем областям высокого напряжения, за исключением случаев, когда осадитель обесточивается и заземляется.

Корпус электростатического осадителя будет изготовлен из стали ASTM A-36 толщиной 4,8 мм с внешними конструктивными элементами жесткости ASTM A-36, которые усиливают конструкцию противостоять внутреннему давлению, ветру, прочих нагрузок. Корпус уплотнен сваркой с образованием полностью газонепроницаемой структуры.

Осадитель оснащен бункерами с поперечным лотком. Каждый бункер изготовлен из стали ASTM A-36 толщиной 3,8 мм, котрый усилен ребрами жесткости из ASTM A-36. Каждый бункер спроектирован так, чтобы выдержать его вес, когда он заполнен частицами. Плотность частицы составляет 1041 кг/м3 для структурного просеивания и 320 кг/м3 для размера емкости бункера. Кроме того, бункеры будут иметь достаточную емкость для хранения частиц, собранных в течение минимального периода в 12 часов работы. Сторона будет наклонена, чтобы обеспечить минимальный угол стенки бункера, равный 60 градусам от горизонтали. Конечный угол будет регулироваться таким образом, чтобы обеспечить минимальный угол наклона бункера 55 градусов.

Опоры осадителя: Электрофильтр будет включать в себя все стальные конструкции с самосмазывающимися скользящими пластинами между осадителем и опорной конструкцией. Конструкция будет спроектирована таким образом, чтобы обеспечить зазор 2438 мм – 0 мм между разгрузкой бункера и землей.

Патрубки: Осадитель оснащен фланцевыми впускными и выпускными патрубками. Патрубки изготовлены из стали ASTM A-36 с внешними ребрами жесткости.

Входной патрубок: входной патрубок горизонтальный входной пирамидный тип с нижним углом патрубка 45 градусов от горизонтали. Впускное сопло включает в себя три распределительных устройства для обеспечения равномерного потока через осадитель. Организация внешнего доступа в патрубок не требуется.

Выходной патрубок: выходной патрубок представляет собой горизонтальный пирамидный тип с нижним углом патрубка 60 ° от горизонтали. Выпускной патрубок включает в себя устройство распределения потока, обеспечивающее равномерный поток через электрофильтр. Доступ не требуется.

Термоизоляция и внешнее покрытие: производитель обеспечит заводскую термоизоляцию электростатического осадителя (включая корпус, бункер, впускные и выпускные патрубки). Изоляция будет состоять из 76 мм толщины 128 кг/м3 плотности минеральной ваты на всех поверхностях, кроме крыши электростатического осадителя. Крыша осадителя будет изолирована 152 мм из 128 кг/м3 плотности минеральной ваты плюс 51 мм стекловолоконной изоляцией над ребрами жесткости, а затем закрыта 6,4 мм толщиной кожухом «клетчатая пластина.

Изоляция на впускном, выпускном патрубке и сторонах электрофильтра будет покрыта неокрашенным алюминиевым листом толщиной 0,8 мм тип 3003, 1 х 4 коробчатым ребристым алюминиевым листом или окрашенной гофрированной сталью. Листы будут установлены вертикально и будут перекрывать одной секцией все швы. Термоизоляция бункеров будет покрыта неокрашенным алюминиевым листом толщиной 0,8 мм тип 3003, 1 х 4 коробчатым ребристым алюминиевым листом или окрашенной гофрированной сталью. Все кровельные стыки также будут покрыты плоскими материалами.

Материал покрытия будут крепиться с помощью TEK № 4.5 12-24 x 1¼ "Климатические крепежные винты с неопреновыми шайбами. Все соединения между листами и листами будут выполнены с помощью штифтов ¼ - 14 x 7/8" с неопреновыми шайбами. Все кровельные швы будут герметизированы прозрачным силиконовым герметиком.

Покраска: Завод производитель окрасит структурные опоры, люки доступа, изоляционные отсеки, поручни и внешнюю поверхность крыши одним слоем красной грунтовки и одним слоем промышленной краски с эмалевым покрытием. Все горячие металлические поверхности, которые будут открыты после завершения термоизоляции, будут окрашены высокотемпературной черной краской. Все лестницы, платформы (включая опоры) и перила будут окрашены желтой эмалью для безопасности.

ЭЛЕКТРИЧЕСКОЕ УПРАВЛЕНИЕ: Следующее электрическое оборудование управления будет предоставлено в проекте.

Класс защиты Оборудования на крыше: Установлен 4 класс защиты в соответствии с EEMAC для оборудования на крыше осадителя, а именно щита управления встряхивателя пластин осаждения и щита управления вибратора электродов.

Панель управления продувочной воздуходувкой: панель управления продувочной воздуходувкой класса защиты 4 по EEMAC, установленная на крыше, будет оснащена встроенным стартером и управлением пуском/ остановки.

Контроллер T/R: Каждый трансформатор/ выпрямитель высокого напряжения будет оборудован щитом микропроцессорного управления в щите класса защиты 12 по EEMAC, и щит должен быть установлен в операторной заказчика. Все компоненты щита будут доступны обслуживанию через откидную переднюю дверцу. Управление напряжением будет полностью автоматическим с дополнительным ручным управлением. Как ручные, так и автоматические системы обеспечат полный контроль. Подавление дуги будет обеспечиваться устройством ограничения тока, чтобы уменьшить напряжение, когда искровое состояние существует в осадителе. Контроллеры рассчитаны на максимальную температуру окружающей среды 40° С. Все корпуса щитов изготовлены из стали 2,8 мм и окрашены серой эмалью ASA 61. Мы предоставим Вам удаленный контроллер графического напряжения (GVC) для каждого трансформатора / выпрямителя. Каждый контроллер GVC будет установлен на передней панели свободно стоящего блока управления высоким напряжением. Графический контроллер обеспечивает гистограмму и цифровые считывания первичных и вторичных напряжений и токов, а также мощность кВт, искрообразование, угол проводимости SCR (Кремниевого-управляемого выпрямителя) и состояние T/ R. Этот контроллер должен быть установлен в безопасной зоне операторной заказчика. Будут предусмотрены аварийные сигналы на блоке управления GVC для перегрузки по току переменного тока, перегрева T/ R, высокой температуры SCR, дисбаланса SCR, потери памяти, минимального напряжения постоянного тока и перенапряжения постоянного тока. Главное меню предоставляется для выбора функций работы и устранения неполадок. Дисплей графического контроллера составляет 16 строк по 40 символов. Устройство может производить кривые напряжения / тока, 24-часовые трендовые графики и 30-минутные трендовые графики. Оператор может удаленно устанавливать все параметры осадителя, такие как откат, скорость подъема, ограничение тока и т. д. В строке справки доступен текст для внесения всех настроек. Каждый контроллер также будет иметь три индикатора рядом с каждым GVC. Эти индикаторы предназначены для индикации включения управления, включения HV и сигнала тревоги.

Токоограничивающий реактор: для каждого трансформатора / выпрямителя будет установлен реактор ограничения по току, класса защиты 3R по EEMAC, которые будут размещены вблизи трансформатора / выпрямителя.

Электрооборудование установленное на заводе: Мы смонтируем на заводе производителе трансформаторы/ выпрямители и установим высоковольтные шинные каналы и шинные лотки. Мы предоставим кабелепровод и проложим кабель с панели управления / распределительной панели на крыше (PCDP) для встряхивателей, вибраторов и воздуходувок. Мы смонтируем все высоковольтные изоляторы, виброизоляторы и питающие изоляторы. Мы предоставим и установим клеммные коробки для всех соединений на крыше (ответственность заказчика по исходным условиям присоединения).

Проводная обвязка

Мы используем следующие типы проводки для указанных ниже соединений (оставляем за собой право заменить провод XLPE указанный ниже):

Кабель кабельных каналов

Этот кабель используется между панелями и соединительными коробками на крыше, а также между этими распределительными коробками и терминалами встряхивателей, воздуходувок и вибраторов. Каналы будут иметь номинальную 40% -ную загрузку в соответствии с N.E.C.

THHN / MTW / THWN-2 / T90 медный проводник

Стандарты Underwriters Laboratories UL-83, UL-1063, UL-758

AWM Спецификация 1316, 1317, 1318, 1319, 1320, 1321

ASTM класс скручивания B3, B8, B787

Федеральная специификация A-A-59544

Canadian Association стандарт C22.2 No. 75

NEMA WC70/ICEA S-95-658

Institute of Electrical and Electronics Engineers ARRA 2009; Section 1605

Проводник: Многожильные медные проводники без покрытия по ASTM-B3, ASTM-B787 и ASTM-B8

Изоляция: Цветной поливинилхлорид (ПВХ), теплостойкий и влагостойкий, огнезащитный компаунд по UL-1063 и UL-83

Оболочка: Жесткое покрытие из полиамида, нейлона по UL-1063 и UL-83. Скользкая, нейлоновая наружная оболочка для легкого вытягивания. VW-1 расчитана 14 AWG - 8 AWG. Все размеры бензин и маслостойкие.

Применения: Типовой строительный провод THHN / THWN-2 предназначен для применений общего назначения, как определено Национальным электрическим кодексом (NEC). Тип THHN / THWN-2 разрешен для новой конструкции или переустановки для приложений на 600 вольт. Применения, требующие типа THHN или THWN-2: проводник подходит для использования во влажных или сухих местах при температуре не выше 90 ° C или не превышать 75 ° C в масле или хладагентах. Применения, требующие типа MTW: проводник подходит для использования в сухих местах при температуре 90 ° C или не должен превышать 60 ° C во влажных местах или при воздействии на масла или охлаждающие жидкости. Применения, требующие типа AWM: проводник подходит для использования при температурах, не превышающих 105 ° C в сухих местах.

Виброизолирующий провод

Этот провод используется между коробками соединения каналов и встряхивателями, воздуходувками и вибраторами.

SOOW / SJOOW 90ºC Черный ROHS

Инженерная спецификация/ Стандарты:

UL Стандарт 62

NEC Статья 501.140 класс I Div. 2

NEC Статья 400

CSA C22.2 No. 49

CSA FT2 испытание пламенем

EPA 40 CFR, Часть 26, подпункт C, тяжелые металлы по Табл1, TCLP метод

Проводник: 18 AWG - 10 AWG Класс K скрученная голая медь по ASTM B-174

Изоляция: EPDM

Оболочка: CPE

Легенда: SOOW E54864 (UL) 600V -40C TO 90C -- CSA LL39753 SOOW 600V -40C TO 90C FT2 Водозащита P-07-KA070018-1-MSHA

Области применения: Изготовлены с использованием передовых синтетических резиновых смесей для работы при температуре от -40 ° C до 90 ° C с отличной устойчивостью к пламени, деформации, озону, маслам, кислотам и химикатам. SOOW имеет износостойкую и маслостойкую изоляцию и кожух. SOOW является гибким при низких температурах и исключительной гибкостью в нормальных условиях для электродвигателей, портативных ламп, зарядных устройств для аккумулятора, портативных осветительных приборов и переносного оборудования. Приложение «Национальный электрический кодекс» по статье 400.

Провод для подключения панелей

Этот провод используется для подключения различных компонентов внутри панелей (переключатели, источники света, plc, блоки, предохранители, клеммы и т. Д.).

MIL-W-16878/2 Тип C провод (M16878/2 провод) / Mil-DTL-16878/2

Инженерная спецификация/ Стандарты:

UL VW-1 испытание пламенем

RoHS Hook-up Wire RoHS соответствие

MIL-W-16878/2 Тип C провод (M16878/2 провод)

Описание:

Проводник: Луженая медь, твердая и многожильная

Изоляция: Поливинилхлорид (ПВХ), цветной

Применение: соединительный провод в соответствии с UL VW-1 испытание пламенем и используется в широком диапазоне отраслей, требующих высокотемпературного провода, который также может выдерживать суровые условия. Из-за его размера, негорючих материалов и стойкости к химическим веществам, типичные применения для провода MIL-Spec включают в себя сложные применения для военной или аэрокосмической промышленности. Провод может также использоваться для внутренней проводки электронного оборудования. Провод имеет температурный диапазон от -55 ° C до + 105 ° C (M16878 / 2 типа C) и 1000 вольт. Все типы кабелей MIL Spec имеют превосходный температурный диапазон и номинальное напряжение. M16878E подключается к проводным приложениям: военная техника, провод питания, проводка электроприборов и медицинская электроника. M16878EE может применяться для электронного использования в защищенных приложениях, где встречаются высокие температуры и является высоконадежным OEM-продуктом. M16878ET используется в аэрокосмических, промышленных, военных и многих других коммерческих рынках.

Целевые показатели и гарантии

ОПРЕДЕЛЕНИЕ: Предлагаемое нами здесь оборудование при проектных условиях и входной пылевой нагрузке 512 мг/ Нм3 гарантирует содержание пыли на выходе осадителя не более 10 мг/ Нм3 что составляет 98,05 % масс входной нагрузки. Если входная удельная нагрузка превысит расчетную, эффективность 98,05% так же гарантируется; если удельная нагрузка равна или меньше расчетной, гарантируется остаточное содержание пыли 10 мг/ нм3.

НЕПРОЗРАЧНОСТЬ: Завод гарантирует среднюю непрозрачность дымового газа менее 10% в течение одного часа при работе при расчетных условиях. Прозрачность должна определяться сертифицированным устройством считывания дыма или сертифицированным монитором непрозрачности.

Квалификация тестирования частиц: Метод отбора проб твердых частиц будет осуществляться по методу № 5 Агентства по охране окружающей среды, как указано в Федеральном реестре. Частицы определяются как твердые вещества в условиях эксплуатации осадителя, которые могут быть собраны. Конденсаты сюда не включены.

Искровой разряд. При достаточно большой напряженности поля около 3 МВм между электродами появляется электрическая искра, имеющая вид ярко светящегося извилистого канала, соединяющего оба электрода.

Газ вблизи искры нагревается до высокой температуры и внезапно расширяется, отчего возникают звуковые волны, и мы слышим характерный треск. Описанная форма газового разряда носит название искрового разряда или искрового пробоя газа. При наступлении искрового разряда газ внезапно утрачивает свои диэлектрические свойства и становится хорошим проводником.

Напряженность поля, при которой наступает искровой пробой газа, имеет различное значение у разных газов и зависит от их состояния давления, температуры. Чем больше расстояние между электродами, тем большее напряжение между ними необходимо для наступления искрового пробоя газа. Это напряжение называется напряжением пробоя.

Зная, как зависит напряжение пробоя от расстояния между электродами какой-либо определенной формы, можно измерить неизвестное напряжение по максимальной длине искры. На этом основано устройство искрового вольтметра для грубой больших напряжений. Он состоит из двух металлических шаров, закрепленных на стойках 1 и 2, 2-я 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. 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. 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. 2.2.3. Электрическая дуга Если после зажигания искового разряда постепенно уменьшат сопротивление цепи, то сила тока в искре будет увеличиваться.

Когда сопротивление цепи станет достаточно малым, возникает новая форма газового разряда, называемая дуговым разрядом. При этом сила тока резко увеличивается, а напряжение на разрядном промежутке уменьшается до нескольких десятков вольт. Это показывает, что в разряде возникают новые процессы, сообщающие газу очень большую проводимость.

В настоящее время электрическую дугу чаще всего получают между специальными угольными электродами. Наиболее горячим местом дуги является углубление, образующееся на положительном электроде и называемое кратером дуги. Его температура равна 4000 К, а при давлении в 20 атм превышает 7000 К. Дуговой разряд возникает во всех случаях, когда вследствие разогревания катода основной причиной ионизации газа становится термоэлектронная эмиссия. Например, в тлеющем разряде положительные ионы, бомбардирующие катод, не только вызывают вторичную эмиссию электронов, но и нагревают катод.

Поэтому, если увеличивать силу тока в тлеющем разряде, то температура катода увеличивается, и когда она достигает такой величины, что начинается заметная термоэлектронная эмиссия, тлеющий разряд переходит в дуговой. При этом исчезает и катодное падение потенциала. Электрическая дуга является мощным источником света и широко применяется в проекционных, прожекторных и других установках. Расходуемая ею удельная мощность меньше, чем у ламп накаливания.

В качестве источников света употребляют также дуговые лампы высокого давления. Зажигание дуги производится разрядом от источника высокого напряжения с помощью третьего электрода. Вследствие высокой температуры дуги ее применяют для сварки и резанья металлов. Автоэлектронные дуги с ртутным катодом применяют для выпрямления переменного электрического тока. 2.2.4. Коронный разряд Разряд, получивший такое название, наблюдается при сравнительно высоких давлениях газов в сильно неоднородном поле. Для получения значительной неоднородности поля электроды должны иметь очень неодинаковую поверхность, то есть, один - очень большую, другой - очень малую.

Линии напряженности электрического поля сгущаются по мере приближения к проволоке, а, следовательно, напряженность поля возле проволоки имеет наибольшее значение. Когда она достигает приблизительно 3106 Вм, между проволокой и цилиндром зажигается разряд и в цепи появляется ток. При этом возле проволоки возникает свечение, имеющее вид оболочки или короны, окружающей проволоку, откуда и произошло название разряда.

Коронный разряд возникает как при отрицательном потенциале на проволоке отрицательная корона, так и при положительном положительная корона, а также при переменном напряжении между проволокой и цилиндром. При увеличении напряжения между проволокой и цилиндром растет и ток в коронном разряде. При этом увеличивается толщина светящегося слоя короны. Процессы внутри короны сводятся к следующему если проволока заряжена отрицательно, то по достижении напряженности пробоя у поверхности проволоки зарождаются электронные лавины, которые распространяются от проволоки к цилиндру.

В случае положительной короны электронные лавины зарождаются на внешней поверхности короны и движутся по направлению к проволоке. Коронный разряд возникает не только возле проволок, но и возле любых проводников с малой поверхностью. Корона возникает также в природе под влиянием атмосферного электрического поля и появляется на верхушках деревьев, корабельных мачт и т.п. 3.

Конец работы -

Эта тема принадлежит разделу:

Электрический ток в неметаллах

К электролитам относят, например, растворы солей, кислот и щелочей. Электролитами также являются в ряде случаев расплавы каких-либо веществ или.. Электролиз - выделение вещества на электродах при прохождении через раствор электролит электрического тока. Законы..

Если Вам нужно дополнительный материал на эту тему, или Вы не нашли то, что искали, рекомендуем воспользоваться поиском по нашей базе работ:

Что будем делать с полученным материалом:

Если этот материал оказался полезным ля Вас, Вы можете сохранить его на свою страничку в социальных сетях:

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

Искровой разряд.

Если между двумя электродами в воздухе появляется электрическое поле напряженностью порядка 3·10 В/м, то возникает электрическая искра в виде ярко светящегося сложно изогнутого тонкого канала, соединяющего оба электрода (рис.4.8).

Пример искрового разряда – молния. Особенности такого разряда объясняются теорией стримеров. Согласно этой теории возникновению ярко светящегося канала искры предшествует появление отдельных слабо светящихся скоплений ионизированных частиц. В промежутке между электродами эти скопления – стримеры образуют проводящие мостики, по которым затем устремляется мощный поток электронов. Причиной возникновения стримеров является как образование электронных лавин, так и фотоионизация, т.е. ионизация газа возникающим в разряде излучением. В результате образуются вторичные лавины, которые нагоняют друг друга, образуя хорошо проводящий канал. Так, сила тока в канале молнии может составлять от 10 до 10 А, а напряжение между облаком и землей перед возникновением молнии достигает 10 – 10 В.

Съемки камерой с вращающимся объективом показали, что молнии предшествует развитие слабо светящегося канала – лидера, распространяющегося от облака к земле со скоростью 10 – 10 м/с. При этом происходит сильный разогрев воздуха в главном канале и возникает ударная звуковая волна – гром.

В промышленности используют электроискровую обработку металлов – упрочнение поверхности и сверление.

Коронный разряд.

Если один электрод тонкий (провод), а другой имеет большую поверхность (цилиндр) (рис.4.9), то возникает неоднородное электрическое поле. У провода силовые линии сгущаются и при напряженности поля 3·10 В/м возникают электронные лавины и свечение у провода в виде короны.

При удалении от провода напряженность поля уменьшается и электронные лавины обрываются.

Коронный разряд возникает при отрицательном потенциале на проводе, при положительном и при переменном напряжении между проводом и цилиндром. Меняется только направление лавин.

Электроны вылетающие за пределы короны, присоединяются к нейтральным атомам, заряжая их отрицательно. Это используют в электростатических фильтрах для очистки промышленных газов. Газ с пылью пропускают через систему электродов провод – цилиндр. Пыль заряжается прилипающими электронами и притягивается к цилиндру, затем стряхивается в бункер, а в атмосферу выходит газ без пыли.

Коронный разряд может возникнуть возле любых тонких проводников, заострений. Такой разряд наблюдался в предгрозовую пору на верхушках корабельных мачт, деревьев. Можно наблюдать зажигание короны возле проводов, находящихся под высоким напряжением. Для предотвращения коронного разряда и токов утечки, проводники должны иметь достаточно большой диаметр.

Дуговой разряд.

Дуговой разряд был открыт в 1802 году профессором физики В.Петровым. Он получил разряд в виде светящейся дуги, раздвигая два угольных электрода, предварительно приведенные в соприкосновение и присоединенные к мощной батарее гальванических элементов. В месте контакта сопротивление цепи высокое и происходит сильный разогрев, угли раскаляются. В результате возникает термоэлектронная эмиссия из катода. Электроны бомбардируют анод, образуя в нем углубление – кратер. Температура анода около 4000 К, при 20 атм она может подняться до 7000 К. Сила тока достигает десятков и сотен ампер, а напряжение на разрядном промежутке составляет несколько десятков вольт. Этот тип дугового разряда применяется для сварки и резки металлов.

4. Плазмой называют сильно ионизованный газ, в котором концентрации положительных ионов и отрицательных электронов практически одинаковы. Плазма может быть высокотемпературной, полученной при высоких температурах термической ионизацией атомов, например, при термоядерном синтезе или в области дугового разряда. Газоразрядная низкотемпературная плазма возникает в электрическом поле.

Плазма имеет сходство с обычными газами и подчиняется газовым законам. Однако по электропроводности она приближается к металлам, для нее характерно сильное взаимодействие с электрическими и магнитными полями. Наличие подвижных разноименно заряженных частиц сопровождается их рекомбинацией и свечением.

Плазма используется в магнитогидродинамических (МГД) генераторах электрического тока. Низкотемпературная плазма применяется в газовых лазерах и плазменных телевизорах.

ЛЕКЦИЯ 5

Тема: Магнитное поле в вакууме и в веществе

Вопросы: 1) Действие магнитного поля на проводник с током. Магнитная

индукция.

2) Магнитное поле проводника с током. Закон Био-Савара-Лапласа.

3) Контур с током в магнитном поле.

4) Работа в магнитном поле.

1. В 1820 году Ампер открыл действие тока на магнитную стрелку: при пропускании тока через проводник расположенная рядом с ним магнитная стрелка поворачивается перпендикулярно к проводнику. Опыты Ампера показали, что проводники с током притягиваются друг к другу, если токи в них текут в одну сторону, и отталкиваются, если токи текут в противоположных направлениях. Таким образом, было установлено, что вокруг проводников с током существует магнитное поле. Обнаружить его можно по действию на проводник с током или постоянный магнит.

Пусть в однородном магнитном поле помещен прямой проводник длиной l с током I (рис.5.1).

Из опытов было установлено, что на проводник со стороны магнитного поля действует сила (сила Ампера)

F = I l B sinα,

где α – угол между проводником и направлением магнитного поля.

Направление силы можно определить по правилу левой руки (если четыре пальца расположить по направлению тока, а силовые линии магнитного поля будут входить в ладонь, то отогнутый большой палец покажет направление силы).

Если угол α между направлениями вектора В и тока в проводнике отличен от 90°, то для определения направления силы более удобно пользоваться правилом буравчика: воображаемый буравчик располагается перпендикулярно плоскости, содержащей вектор В и проводник с током, затем его рукоятка поворачивается от направления тока к направлению вектора В . Поступательное перемещение буравчика будет показывать направление силы. Правило буравчика часто называют правилом правого винта.

Сила Ампера зависит как от силы тока, так и от магнитного поля. Величина В называется магнитной индукцией и служит основной силовой характеристикой магнитного поля.

Если положить I = 1 А, l = 1 м, α = 90º, то B = F. Отсюда вытекает физический смысл В. Магнитной индукцией В называется физическая величина, численно равная силе, с которой магнитное поле действует на прямой проводник единичной длины с током единичной силы, расположенный перпендикулярно к силовым линиям магнитного поля.

Единица измерения магнитной индукции: [B] = Н/А·м = Тл (тесла).

Теперь становится понятным, почему два проводника с током притягиваются или отталкиваются: в зависимости от направления токов магнитное поле одного проводника выталкивает или втягивает другой проводник с током.

Магнитное поле удобно изображать с помощью силовых линий. Представление о таких линиях дает расположение железных опилок возле полюсов постоянного магнита.

Линией магнитной индукции (силовой линией) называется такая линия, проведенная в магнитном поле, касательная к которой в любой точке совпадает с вектором магнитной индукции в этой точке. Линии магнитной индукции замкнуты и охватывают проводник с током. Тот факт, что силовые линии не имеют начала, говорит об отсутствии магнитных зарядов.

Направление силовых линий определяется по правилу буравчика: если ввинчивать буравчик так, чтобы винт двигался по направлению тока, то направление движения рукоятки совпадет с направлением силовой линии. Густота силовых линий пропорциональна величине магнитной индукции. Вблизи проводника с током магнитное поле неоднородно, чем ближе к проводнику, тем поле сильнее и силовые линии гуще. Однородное магнитное поле можно создать внутри длинной катушки с током.

Как видно из рисунка 5.6, магнитное поле катушки с током аналогично магнитному полю постоянного магнита, т.е. имеет «северный» конец N, из которого выходят силовые линии, и «южный» S, в который силовые линии входят. Индикаторные магнитные стрелки ориентируются по направлению касательных к линиям индукции.

Введем понятие – магнитный поток или поток Ф вектора магнитной индукции сквозь площадку S: Ф =В Scosα, где α – угол между нормалью (перпендикуляром) к площадке и магнитной индукцией В .

Единица измерения потока вектора магнитной индукции [Ф] = Тл·м² = Вб (вебер).

Если поле неоднородное и поверхность не плоская, то ее разбивают на бесконечно малые элементы dS так, что каждый элемент можно считать плоским, а поле однородным. Поток вектора магнитной индукции через элемент поверхности dФ = ВdScosα, а через всю поверхность

2. В результате многих опытов разных ученых был выведен закон Био – Савара – Лапласа, позволяющий рассчитывать магнитную индукцию полей, создаваемых проводниками с током.

Тогда величина магнитной индукции в точке, удаленной от проводника на расстояние r определяется по закону Био-Савара-Лапласа, как

,

где величина μ0 = 4π·10 Гн/м называется магнитной постоянной.

Направление вектора dВ перпендикулярно плоскости, в которой лежат dl и r. Вектор dВ направлен по касательной ксиловой линии, проведенной через рассматриваемую точку поля, в соответствии с правилом буравчика.

Для магнитного поля выполняется принцип суперпозиции: если имеется несколько проводников с током, то магнитная индукция в любой точке равна векторной сумме магнитных индукций, создаваемых в этой точке каждым проводником отдельно. Принцип суперпозиции справедлив и для элементов тока. Применяя совместно закон Био-Савара-Лапласа и принцип суперпозиции, можно определить магнитную индукцию различных проводников с током.

Пример. Магнитное поле в центре кругового проводника с током.

Магнитные индукции каждого элемента тока dl в центре направлены в одну сторону, перпендикулярную к плоскости контура проводника, и просто суммируются. Это можно понять, если провести через центр силовые линии каждого элемента проводника с током и построить к ним касательные. Направление магнитной индукции кругового проводника с током можно определять и по правилу буравчика: если ввинчивать буравчик, вращая рукоятку по направлению тока, то винт покажет направление магнитной индукции в центре.

Величину магнитной индукции определим по закону Био-Савара-Лапласа

Создаваемые круговыми токами магнитные поля удобно описывать с помощью магнитного момента pm = IS, где I–ток в контуре, а S– площадь, обтекаемая током. За направление магнитного момента принимают направление нормали к плоскости витка, совпадающее с направлением вектора В в центре. Тогда

Можно показать, что магнитная индукция внутри длинной катушки с током (соленоида) B = μ0μnI, где n – число витков на единице длины катушки.

3. Поместим проводник, согнутый в виде прямоугольной рамки, в однородное магнитное поле.

При протекании тока по проводнику на каждую его сторону действует сила со стороны магнитного поля. На верхнюю и нижнюю стороны действуют растягивающие контур силы. На боковые стороны действуют силы F1 = F2 = IBl sin90º, где l - длина боковой стороны. Каждая из этих сил создает вращающий момент М = Fd, где d – плечо силы.

Момент пары сил М = 2Fd.= 2IBl d. Из рис.5.10 видно, что . Тогда M = IBla sinα или M = IBSsinα, где S – площадь рамки. Контур с током поворачивается до тех пор, пока его вращающий момент не станет равным нулю, т.е. станет равным нулю угол α. Таким образом, рамка с током в магнитном поле стремиться развернуться перпендикулярно к силовым линиям. Можно связать вращающий момент и магнитный момент контура с током

Вращающий момент перестает действовать, когда магнитный момент контура с током ориентирован вдоль направления магнитной индукции поля.

Рис.5.11

3. Магнитное поле может перемещать проводник с током, значит, поле совершает работу. Пусть прямой проводник длиной l под действием однородного магнитного поля переместится на расстояние dx в направлении, перпендикулярном к силовым линиям магнитного поля.

Рис.5.12

Работа dA = Fdx = Il Bdx. Так как произведение перемещения на длину проводника – это площадь dS, описываемая проводником при движении, то dA = IBdS, или dA = IdФ. Следовательно, работа по перемещению проводника в магнитном поле равна произведению силы тока в проводнике на магнитный поток, проходящий сквозь площадь, описываемую проводником при движении.

ЛЕКЦИЯ 6

Тема: Действие магнитного поля на движущийся заряд. Магнитное поле в

веществе

Вопросы: 1) Сила Лорентца.

2) Движение заряда в магнитном поле.

3) Магнитное поле в веществе.

4) Ферромагнетики.

1. Проводник с током создает в окружающем пространстве магнитное поле. Поскольку электрический ток представляет собой направленное движение заряженных частиц, то и любой движущийся заряд создает магнитное поле. Можно записать закон Био-Савара-Лапласа для одного заряда. Для этого преобразуем Idl = jSdl = nqvSdl = Nqv. Здесь j – плотность тока, n - число заряженных частиц в единице объема (концентрация частиц), v - скорость частиц. N – полное число частиц в отрезке dl проводника. Теперь магнитная индукция, создаваемая отрезком проводника с током, может быть представлена как

,

а магнитная индукция поля, создаваемого в вакууме одним зарядом q на расстоянии r от заряда

Направление силовых линий определяется по правилу буравчика.

Магнитное поле действует на ток, а значит и на каждый заряд должна тоже действовать сила. Выражение для нее получил Г.Лорентц.

На заряд q, движущийся в магнитном поле со скоростью v действует сила F = qvBsinα, где α – угол между направлением скорости и магнитной индукции. Направление силы для положительного заряда определяется по правилу левой руки или правого винта (вращать от v к B ).

Таким образом, между движущимися зарядами существует как электрическое, так и магнитное взаимодействие.

2. Пусть частица с зарядом q и скоростью v влетает в однородное магнитное поле перпендикулярно к линиям магнитной индукции B (рис.6.3).

Сила, действующая на частицу, F = qvBsin90º. Сила перпендикулярна к скорости, значит, она не совершает работы и не меняет энергию и величину скорости частицы. Однако, сила, перпендикулярная к скорости, всегда вызывает центростремительное ускорение и движение по окружности, т.е.

Радиус окружности траектории тем больше, чем больше скорость частицы. С увеличением магнитной индукции радиус уменьшается. Он зависит также от удельного заряда q/m частицы.

Период обращения частицы Т = 2πR/v. Подставив выражение для радиуса, получим , т.е. период от скорости не зависит.

Пусть теперь заряженная частица влетает в магнитное поле под углом α к направлению магнитной индукции (рис.6.4).

В этом случае скорость частицы v0 можно представить как векторную сумму тангенциальной скорости vt, направленной вдоль В, и нормальной скорости vn, перпендикулярной к В.

vt = v0 cosα, подставив эту скорость в выражение для силы Лорентца, получим F = qvtBsin0º, т.е. F = 0. Значит, вдоль силовой линии сила на частицу не действует и она движется равномерно и прямолинейно в этом направлении.

vn = v0 sinα,. сила Лоренца F = qvnBsin90º вызывает центростремительное ускорение и движение по окружности с радиусом и периодом . В результате частица описывает траекторию в виде цилиндрической спирали с шагом (расстояние между витками спирали, на которое частица перемещается вдоль силовой линии, сделав один полный оборот) f = vt T.

Закономерности движения заряженных частиц в магнитных и электрических полях используются в ускорителях, магнетронах, масс-спектрометрах и др.

3. Все вещества состоят из атомов и молекул, движение электронов в которых представляет собой замкнутые молекулярные токи. Каждый из этих токов создает магнитное поле, т.е. обладает магнитным моментом

где I – сила тока, S - площадь, обтекаемая током, n - единичный вектор нормали к плоскости витка с током.

В обычных условиях в результате теплового движения частиц магнитные моменты молекулярных токов разориентированы. Если поместить вещество в магнитное поле, то магнитные моменты частиц частично или полностью ориентируются вдоль внешнего магнитного поля, усиливая его (рис.6.6).

Вещества, способные намагничиваться, называются магнетиками. Магнитное состояние вещества характеризуется вектором намагничения, т.е. магнитным моментом единицы объема вещества

Единица измерения намагниченности – тесла. Для удобства рассмотрения ввели физическую величину Н – напряженность магнитного поля. Это силовая характеристика магнитного поля, связанная с магнитной индукцией соотношением . Она характеризует магнитное поле в вакууме. Из опытов следует, что вектор намагничения пропорционален напряженности магнитного поля , где χ – магнитная восприимчивость вещества.

Полное значение магнитной индукции в магнетике равно

Значит, магнитная индукция в веществе , где μ – магнитная проницаемость вещества. Она показывает, во сколько раз магнитное поле в веществе сильнее, чем в вакууме.

Есть некоторые вещества, у которых μ<1, их называют диамагнетиками (азот, вода, серебро, висмут). У них магнитный момент молекулярных токов устанавливается против поля, что объясняется появлением дополнительного вращения электронных орбиталей (прецессии) в магнитном поле.

У многих веществ μ >1, их называют парамагнетиками (кислород, алюминий и др.). У диамагнетиков и парамагнетиков магнитная проницаемость близка к единице, т.е. они намагничиваются слабо.

На границе раздела двух различных сред с разными значениями магнитной проницаемости линии магнитной индукции преломляются. Нормальная составляющая ветора магнитной индукции не меняется

Касательные к границе раздела составляющие индукции испытывают скачок, причем

Из этих формул вытекает закон преломления линий индукции

где - угол между линиями магнитной индукции в среде 1 и нормалью к поверхности раздела, а - соответствующий угол в среде 2. Значит, линии индукции, входя в среду с большей магнитной проницаемостью, удаляются от нормали и сгущаются (рис.6.7).

Рис.6.7 а – шар в магнитном поле (μ шара больше μ среды);

б - шар в магнитном поле (μ шара меньше μ среды);

в - железный цилиндр помещен в первоначально однородное

магнитноеполе.

4. Есть вещества, которые способны сильно намагничиваться, их магнитная проницаемость имеет величину порядка тысяч единиц и может достигать в специальных случаях миллиона. Такие свойства проявляет железо и его сплавы, поэтому этот класс веществ назвали ферромагнетиками. Свойства ферромагнетиков проявляют и другие металлы (табл.6.1).

Табл.6.1 Ферромагнитные металлы

Ферромагнетики - вещества (как правило, в твёрдом кристаллическом или аморфном состоянии), в которых ниже определённой критической температуры ТК (точки Кюри) устанавливается дальний ферромагнитный порядок магнитных моментов атомов. Иными словами, ферромагнетик - такое вещество, которое при охлаждении ниже определённой температуры приобретает магнитные свойства. Выше точки Кюри ферромагнитные свойства исчезают.

Для ферромагнетиков характерна сильная ориентировка магнитных моментов атомов без внешнего магнитного поля. В результате обменного взаимодействия электронов образуются отдельные области самопроизвольного намагничения – домены. Такие домены были обнаружены на опыте с помощью порошковых фигур. На хорошо отполированную поверхность ферромагнетика помещают слой жидкости с порошком оксида железа. Крупинки оседают в местах неоднородности магнитного поля, то есть у стенок доменов, и границы доменов хорошо видны в микроскопе (рис.6.7).

Рис. 6.7 а – без магнитного поля; б – магнитное поле перпендикулярно плоскости чертежа; в – магнитное поле противоположного направления.

Направления намагничения в отдельных доменах различны и таковы, что полный магнитный момент ферромагнетика равен нулю. При включении внешнего магнитного поля растут домены, у которых вектор намагничения составляет острый угол с направлением внешнего магнитного поля, а объем доменов с тупым углом уменьшается.

Рис.6.8 Процесс намагничения ферромагнетика: а,б,в – смещение

границ; г и д – вращение вектора намагничения

В случае слабых полей (область 1) смещения границ обратимы и точно следуют за изменением поля. При увеличении поля смещения границ доменов делаются необратимыми и невыгодные домены исчезают. Затем при еще большем увеличении поля изменяется направление магнитного момента внутри домена. В очень сильном магнитном поле магнитные моменты всех доменов устанавливаются параллельно полю и ферромагнетик теперь намагничен до насыщения.

Все эти процессы намагничивания происходят с некоторой задержкой, то есть отстают от изменения поля, это явление называется гистерезисом (рис.6.8).

Рис.6.9 Петля гистерезиса

Если уменьшать магнитное поле, то когда поле Н станет равным нулю, в магнетике наблюдается остаточное намагничение +В. Чтобы полностью размагнитить магнетик, надо приложить магнитное поле противоположного знака –Нс. Это поле называют коэрцитивной силой ферромагнетика.

При циклическом перемагничении ферромагнетика изменение индукции в нем будет изображаться петлей гистерезиса. Работа при циклическом перемагничении пропорциональна площади петли гистерезиса. На нее затрачивается энергия магнитного поля, которая в конечном итоге превращается в тепло.

Представление об искровом разряде Этот разряд характеризуется прерывистой формой. Он возникает в газе обычно при давлениях порядка атмосферного. В естественных природных условиях искровой разряд наблюдается в виде молний. Внешне искровой разряд представляет собой пучок ярких зигзагообразных разветвляющихся тонких полосок, мгновенно пронизывающих разрядный промежуток, быстро гаснущих и постоянно сменяющих друг друга. Эти полоски называют искровыми каналами. Каналы, развивающиеся от положительного электрода, имеют четкие нитевидные очертания, а развивающиеся от отрицательных - диффузные края и более мелкое ветвление.

Т.к. искровой разряд возникает при больших давлениях газа, то потенциал зажигания очень высок. Но после того как разрядный промежуток становиться "искровым" каналом, сопротивление промежутка становится очень малым, через канал проходит кратковременный импульс тока большой силы, в течение которого на разрядный промежуток приходится лишь незначительное сопротивление. Если мощность источника не очень велика, то после такого импульса тока разряд прекращается. Напряжение между электродами начинает расти до прежнего значения, и пробой газа повторяется с образованием нового искрового канала. Электрическая искра возникает в том случае, если электрическое поле в газе достигает некоторой определенной величины Ек (критическая напряженность поля или напряженность пробоя), которая зависит от рода газа и его состояния. Например, для воздуха при нормальных условиях Ек3*106 В/м. Величина Ек увеличивается с увеличением давления. Отношение критической напряженности поле к давлению газа р для данного газа остается приблизительным в широкой области изменения давления: Ек/рconst.

Время нарастания напряжения тем больше, чем больше емкость С между электродами. Поэтому включение конденсатора параллельно разрядному промежутку увеличивает время между двумя последующими искрами, а сами искры становятся более мощными. Через канал искры проходит большой электрический заряд, и поэтому увеличивается амплитуда и длительность импульса тока. При большой емкости С канал искры ярко светится и имеет вид широких полос. То же самое происходит при увеличении мощности источника тока. Тогда говорят о конденсированном искровом разряде, или о конденсированной искре. Максимальная сила тока в импульсе, при искровом разряде, меняется в широких пределах, в зависимости от параметров цепи разряда и условий в разрядном промежутке, достигая нескольких сотен килоампер. При дальнейшем увеличении мощности источника, искровой разряд переходит в дуговой разряд. В результате прохождения импульса тока через канал искры в канале выделяется большое количество энергии (порядка 0,1 - 1 Дж на каждый сантиметр длины канала). С выделением энергии связано скачкообразное увеличение давления в окружающем газе - образование цилиндрической ударной волны, температура на фронте которой ~104 К.

Происходит быстрое расширение канала искры, со скоростью порядка тепловой скорости атомов газа. По мере продвижения ударной волны температура на ее фронте начинает падать, а сам фронт отходит от границы канала. Возникновение ударных волн объясняются звуковые эффекты, сопровождающие искровой разряд: характерное потрескивание в слабых разрядах и мощные раскаты в случае молний. В момент существования канала, особенно при высоких давлениях, наблюдается более яркое свечение искрового разряда. Яркость свечения неоднородна по сечению канала и имеет максимум в его центре.

Механизм искрового разряда В настоящее время общепринятой считается так называемая стримерная теория искрового разряда, подтвержденная прямыми опытами. Качественно она объясняет основные особенности искрового разряда, хотя в количественном отношении и не может считаться завершенной. Если вблизи катода зародилась электронная лавина, то на ее пути проходит ионизация и возбуждение молекул и атомов газа. Существенно, что световые кванты, испускаемые возбужденными атомами и молекулами, распространяясь к аноду со скорость света, сами производят ионизацию газа, и дают начало первым электронным лавинам.

Свободные электроны получают в таком поле огромные ускорения. Эти ускорения направлены вниз, поскольку нижняя часть тучи заряжена отрицательно, а поверхность земли положительно. На пути от первого столкновения до другого, электроны приобретают значительную кинетическую энергию. Поэтому, сталкиваясь с атомами или молекулами, они ионизируют их. В результате рождаются новые (вторичные) электроны, которые, в свою очередь, ускоряются в поле тучи и затем в столкновениях ионизуют новые атомы и молекулы. Возникают целые лавины быстрых электронов, образующие у самого "дна" тучи, плазменные "нити" - стример. Сливаясь друг с другом, стримеры дают начало плазменному каналу, по которому в последствии пройдет импульс основного тока. Этот развивающийся от "дна" тучи к поверхности земли плазменный канал наполнен свободными электронами и ионами, и поэтому может хорошо проводить электрический ток. Его называют лидером или точнее ступенчатым лидером. Дело в том, что канал формируется не плавно, а скачками - "ступенями".

Почему в движении лидера наступают паузы и притом относительно регулярные - точно неизвестно. Существует несколько теорий ступенчатых лидеров. В 1938 году Шонланд выдвинул два возможных объяснения задержки, которая вызывает ступенчатый характер лидера. Согласно одному из них, должно происходить движение электронов вниз по каналу ведущего стримера (пилота). Однако часть электронов захватывается атомами и положительно заряженными ионами, так что требуется некоторое время для поступления новых продвигающихся электронов, прежде чем возникнет градиент потенциала, достаточный для того, чтобы ток продолжался.

Согласно другой точке зрения, время требуется для того, чтобы положительно заряженные ионы скопились под головкой канала лидера и, таким образом, создали на ней достаточный градиент потенциала. В 1944 году Брюс предложил иное объяснение, в основе которого лежит перерастание тлеющего разряда в дуговой. Он рассмотрел "коронный разряд", аналогичный разряду острия, существующий вокруг канала лидера не только на головке канала, но и по всей его длине. Он дал объяснение тому, что условия для существования дугового разряда будут устанавливаться на некоторое время после того, как канал разовьется на определенное расстояние и, следовательно, возникнут ступени. Это явление еще до конца не изучено и конкретной теории пока нет.

Так что есть молнии Молния и гром первоначально воспринимались людьми как выражение воли богов и, в частности, как проявление божьего гнева. Вместе с тем пытливый человеческий ум с давних времен пытался постичь природу молний и грома, понять их естественные причины. В древние века над этим размышлял Аристотель. Над природой молний задумывался Лукреций. Весьма наивно представляются его попытки объяснить гром как следствие того, что "тучи сшибаются там под натиском ветров".

Молния - природный разряд больших скоплений электрического заряда в нижних слоях атмосферы. Одним из первых это установил американский государственный деятель и ученый Б.Франклин. В 1752 году он провел опыт с бумажным змеем, к шнуру которого был прикреплён металлический ключ, и получил от ключа искры во время грозы. С тех пор молния интенсивно изучалось как интересное явление природы, а также из-за серьезных повреждений линий электропередачи, домов и других строений, вызываемых прямым ударом молнии или наведенным ею напряжением.

Виды молний Большинство молний возникает между тучей и земной поверхностью, однако, есть молнии, возникающие между тучами. Все эти молнии принято называть линейными. Длина отдельной линейной молнии может измеряться километрами. Еще одним видом молний является ленточная молния. При этом следующая картина, как если бы возникли несколько почти одинаковых линейных молний, сдвинутых относительно друг друга. Было замечено, что в некоторых случаях вспышка молний распадается на отдельные святящиеся участки длиной в несколько десятков метров. Это явление получило название четочной молнии. Согласно Малану такой вид молний объясняется на основе затяжного разряда, после свечения которого казалось бы более ярким в том месте, где канал изгибается в направлении наблюдателя, наблюдающего его концом к себе.

Физика линейной молнии Линейная молния представля6т собой несколько импульсов, быстро следующих друг за другом. Каждый импульс - это пробой воздушного промежутка между тучей и землей, происходящий в виде искрового разряда. В начале рассмотрим первый импульс. В его развитии есть две стадии: сначала образуется канал разряда между тучей и землей, а затем по образовавшемуся каналу быстро проходит импульс основного тока.

Шаровая молния 1. Дата, время, метеоусловия появления ШМ. – Дата и время - любые. Вместе с тем, пик наблюдений приходится на июль месяц (45,4% наблюдений). По другим месяцам статистика выглядит так: май - 6,4%, июнь - 17,5%, август - 20%, сентябрь - 4,0%, с октября по апрель (суммарно) - 6,7%. – Метеоусловия любые, чаще всего ШМ наблюдают в связи с разрядами линейных молний при грозах, ураганах, штормах, смерчах, снежных или песчаных буранах, землетрясениях.

2. Длительность наблюдения обычно не более 1 минуты. 3. Цвет. В большинстве случаев наблюдатели отмечают белый (23% наблюдений), желтый (23%), красный (18%), оранжевый (14%) цвет шаровой молнии. Иногда отмечается зеленый, голубой, синий, фиолетовый цвета или смесь цветов. 4. Иногда ШМ неподвижны, плавно движутся по сложной траектории, а иногда двигаются достаточно быстро. Могут парить в воздухе, размещаться на строениях или катиться вдоль проводов или краёв предметов. 5. Могут исчезнуть бесшумно или со взрывом, повреждая иногда окружающие вещи. После исчезновения ШМ часто остается резко пахнущая дымка. 6. Форма ШМ может быть чётко очерченной или расплывчатой. 7. Иногда ШМ избегают хороших проводников, а иногда притягиваются к ним.

8. При наблюдении ШМ бывают как спокойными, так и искрящимися или издающими сильный треск и шипение, тихие жужжащие, свистящие, шипящие звуки. 9. Иногда ШМ сами разделяются на более мелкие ШМ. Встречаются даже конструкции из двух ШМ, соединённых цепью светящихся бусин. 10. Диаметр ШМ, чаще всего, - 10 ÷ 25 см, реже более 1м. 11. Форма чаще всего сферическая или овальная формы, редко сигарообразная. Очертания четкие или расплывчатые. 11. Форма чаще всего сферическая или овальная формы, редко сигарообразная. Очертания четкие или расплывчатые. 12. Яркость выше яркости фона.