Между двумя электродами фильтра возникает искровой заряд. Искровой разряд. Представление об искровом разряде Этот разряд характеризуется прерывистой формой. Он возникает в газе обычно при давлениях порядка атмосферного

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.

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.

Искровой разряд возникает в тех случаях, когда напряженность электрического поля достигает пробивного для данного газа значения Значение зависит от давления газа; для воздуха при атмосферном давлении оно составляет около . С увеличением давления возрастает. Согласно экспериментальному закону Пашена отношение пробивной напряженности поля к давлению приблизительно постоянно:

Искровой разряд сопровождается образованием ярко светящегося извилистого, разветвленного канала, по которому проходит кратковременный импульс тока большой силы. Примером можт служить молния; длина ее бывает до 10 км, диаметр канала - до 40 см, сила тока может достигать 100 000 и более ампер, продолжительность импульса составляет около .

Каждая молния состоит из нескольких (до 50) импульсов, следующих по одному и тому же каналу; их общая длительность (вместе с промежутками между импульсами) может достигать нескольких секунд. Температура газа в искровом канале бывает до 10000 К. Быстрый сильный нагрев газа приводит к резкому повышению давления и возникновению ударных и звуковых волн. Поэтому искровой разряд сопровождается звуковыми явлениями - от слабого треска при искре малой мощности до раскатов грома, сопровождающих молнию.

Возникновению искры предшествует образование в газе сильно ионизированного канала, получившего название стримера. Этот канал получается путем перекрытия отдельных электронных лавин, возникающих на пути искры. Родоначальником каждой лавины служит электрон, образующийся путем фотоионизации. Схема развития стримера показана на рис. 87.1. Пусть напряженность поля такова, что электрон, вылетевший за счет какого-либо процесса из катода, приобретает на длине свободного пробега энергию, достаточную для ионизации.

Поэтому происходит размножение электронов - возникает лавина (образующиеся при этом положительные ионы не играют существенной роли вследствие гораздо меньшей подвижности; они лишь обусловливают пространственный заряд, вызывающий перераспределение потенциала). Коротковолновое излучение, испускаемое атомом, у которого при ионизации был вырван один из внутренних электронов (это излучение показано на схеме волнистыми линиями), вызывает фотоионизацию молекул, причем образовавшиеся электроны порождают все новые лавины. После перекрывания лавин образуется хорошо проводящий канал - стример, по которому устремляется от катода к аноду мощный поток электронов - происходит пробой.

Если электроды имеют форму, при которой поле в межэлектродном пространстве приблизительно однородно (например, представляет собой шары достаточно большого диаметра), то пробой возникает при вполне определенном напряжении значение которого зависит от расстояния между шарами . На этом основан искровой вольтметр, с помощью которого измеряют высокое напряжение . При измерениях определяется наибольшее расстояние при котором возникает искра. Умножив затем на получают значение измеряемого напряжения.

Если один из электродов (или оба) имеет очень большую кривизну (например, электродом служит тонкая проволока или острие) то при не слишком большом напряжении возникает так называемый коронный разряд. При увеличении напряжения этот разряд переходит в искровой или дуговой.

При коронном разряде ионизация и возбуждение молекул происходят не во всем межэлектродном пространстве, а лишь вблизи электрода с малым радиусом кривизны, где напряженность ноля достигает значений, равных или превышающих . В этой части разряда газ светится. Свечение имеет вид короны, окружающей электрод, чем и вызвано название этого вида разряда. Коронный разряд с острия имеет вид светящейся кисти, в связи с чем его иногда называют кистевым разрядом. В зависимости от знака коронирующего электрода говорят о положительной или отрицательной коронах. Между коронирующим слоем и некоронирующим электродом расположена внешняя область короны. Режим пробоя существует только в пределах коронирующего слоя. Поэтому можно сказать, что коронный разряд представляет собой неполный пробой газового промежутка.

В случае отрицательной короны явления на катоде сходны с явлениями на катоде тлеющего разряда. Ускоренные полем положительные ионы выбивают из катода электроны, которые вызывают ионизацию и возбуждение молекул в коронирующем слое. Во внешней области короны поле недостаточно для того, чтобы сообщить электронам энергию, необходимую для ионизации или возбуждения молекул.

Поэтому проникшие в эту область электроны дрейфуют под действием ноля к аноду. Часть электронов захватывается молекулами, вследствие чего образуются отрицательные ионы. Таким образом, ток во внешней области обусловливается только отрицательными носителями - электронами и отрицательными ионами. В этой области разряд имеет несамостоятельный характер.

В положительной короне электронные лавины зарождаются у внешней границы короны и устремляются к коронирующему электроду - аноду. Возникновение электронов, порождающих лавины, обусловлено фотоионизацией, вызванной излучением коронирующего слоя. Носителями тока во внешней области короны служат положительные ионы, которые дрейфуют под действием поля к катоду.

Если оба электрода имеют большую кривизну (два коронирующих электрода), вблизи каждого из них протекают процессы, присущие коронирующему электроду данного знака. Оба коронирующих слоя разделяются внешней областью, в которой движутся встречные потоки положительных и отрицательных носителей тока. Такая корона называется двуполярной.

Упоминавшийся в § 82 при рассмотрении счетчиков самостоятельный газовый разряд представляет собой коронный разряд.

Толщина коронирующего слоя и сила разрядного тока растут с увеличением напряжения. При небольшом напряжении размеры короны малы и ее свечение незаметно. Такая микроскопическая корона возникает вблизи острия, с которого стекает электрический ветер (см. § 24).

Корона, появляющаяся под действием атмосферного электричества на верхушках корабельных мачт, деревьев и т. п., получила в старину название огней святого Эльма.

В высоковольтных устройствах, в частности в линиях высоковольтных передач, коронный разряд приводит к вредным утечкам тока. Поэтому приходится принимать меры для его предотвращения. С этой целью, например, провода высоковольтных линий берут достаточно большого диаметра, тем большего, чем выше напряжение линии.

Полезное применение в технике коронный разряд нашел в электрофильтрах. Очищаемый газ движется в трубе, по оси которой расположен отрицательный коронирующий электрод. Отрицательные ионы, имеющиеся в большом количестве во внешней области короны, оседают на загрязняющих газ частицах или капельках и увлекаются вместе с ними к внешнему некоронирующему электроду. Достигнув этого электрода, частицы нейтрализуются и оседают на нем. Впоследствии при ударах по трубе осадок, образованный уловленными частицами, осыпается в сборник.

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.

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: