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
Присоединим шаровые электроды к батарее конденсаторов (рис. 151) и начнем зарядку конденсаторов при помощи электрической машины. По мере зарядки конденсаторов будет увеличиваться разность потенциалов между электродами, а следовательно, будет увеличиваться и напряженность поля в газе. Пока напряженность поля невелика, в газе нельзя заметить никаких изменений. Однако при достаточно большой напряженности поля (около 3 МВ/м) 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. Конденсаторы в этой установке существуют для того, чтобы сделать искру более мощной.
Рис. 151. Если напряженность поля в воздухе достигает приблизительно 3 МВ/м, то наступает электрический пробой газа и возникает электрическая искра
Описанная форма газового разряда носит название искрового разряда или искрового пробоя газа. При наступлении искрового разряда газ внезапно, скачком, 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).
При заданном напряжении между электродами напряженность поля тем меньше, чем дальше находятся электроды друг от друга. Поэтому, 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 (рис. 152), удобного для грубой оценки больших напряжении (например, в рентгеновских установках). Он состоит из двух металлических изолированных шаров, один из которых может плавно перемещаться. Шары присоединяют к источнику, напряжение которого желают измерить, и сближают их до тех пор, пока не возникнет искра. Измеряя расстояние между шарами и соответствующее напряжение, при котором происходит пробой, составляют специальные таблицы, при помощи которых затем определяют напряжение но длине искры. В качестве примера укажем, что при расстоянии 0,5 см между шарами диаметра 5 см напряжение пробоя равно 17,5 кВ, а при расстоянии 5 см – около 100 кВ.
Рис. 152. Искровой вольтметр
Возникновение пробоя объясняется следующим образом. В газе всегда есть некоторое число ионов и электронов, возникающих от случайных причин. Обычно, однако, число их настолько мало, что газ практически не проводит электричества. При сравнительно небольших значениях напряженности поля, с какими мы встречаемся при изучении несамостоятельной проводимости газов, соударения ионов, движущихся в электрическом поле, с нейтральными молекулами газа происходят так же, как соударения упругих шаров. При каждом соударении движущаяся частица передает покоящейся часть своей кинетической энергии, и обе частицы после соударения разлетаются, но никаких внутренних изменений в них не происходит. Однако при достаточной напряженности поля кинетическая энергия, накопленная ионом в промежутке между двумя соударениями, может сделаться достаточной, чтобы ионизовать нейтральную молекулу при соударении. В результате образуется новый отрицательный электрон и положительно заряженный остаток – ион. 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 увеличивают 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, этот процесс «усиливает сам себя», и ионизация в газе быстро достигает очень большой величины. Все явление вполне аналогично снежной лавине в горах, для зарождения которой бывает достаточно ничтожного комка снега. Поэтому и описанный процесс был назван ионной лавиной (рис. 153 и 154). Образование ионной лавины и есть процесс искрового пробоя, а то минимальное напряжение, при котором возникает ионная лавина, есть напряжение пробоя. Мы видим, что при искровом пробое причина ионизации газа заключается в разрушении атомов и молекул при соударениях с ионами (ударная ионизация).
Рис. 153. 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 расщепляют их на электроны 3 и 4 и свободные положительные ионы, и т. д.
Рис. 154. Лавинообразное размножение положительных ионов и электронов при соударении положительных ионов с нейтральными молекулами
93.1. Известно, что чем меньше давление газа (при неизменной температуре), тем меньшее число атомов содержится в единице объема газа и тем больший путь свободно пролетают атомы между двумя последовательными соударениями. Учитывая это, сообразите, как будет изменяться (увеличиваться или уменьшаться) напряжение пробоя газового промежутка при уменьшении давления газа.
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.
В зависимости от давления газа, конфигурации электродов и параметров внешней цепи существует четыре типа самостоятельных разрядов:
- тлеющий разряд;
- искровой разряд;
- дуговой разряд;
- коронный разряд.
1. Тлеющий разряд возникает при низких давлениях. Его можно наблюдать в стеклянной трубке с впаянными у концов плоскими металлическими электродами (рис. 8.5). Вблизи катода располагается тонкий светящийся слой, называемый катодной светящейся пленкой 2.
Между катодом и пленкой находится астоново темное пространство 1. Справа от светящейся пленки помещается слабо светящийся слой, называемый катодным темным пространством 3. Этот слой переходит в светящуюся область, которую называют тлеющим свечением 4, с тлеющим пространством граничит тёмный промежуток – фарадеево тёмное пространство 5. Все перечисленные слои образуют катодную часть тлеющего разряда. Вся остальная часть трубки заполнена святящимся газом. Эту часть называют положительным столбом 6.
При понижении давления катодная часть разряда и фарадеево тёмное пространство увеличивается, а положительный столб укорачивается.
Измерения показали, что почти все падения потенциала приходятся на первые три участка разряда (астоново темное пространство, катодная святящаяся плёнка и катодное тёмное пятно). Эту часть напряжения, приложенного к трубке, называют катодным падением потенциала .
В области тлеющего свечения потенциал не изменяется – здесь напряженность поля равна нулю. Наконец, в фарадеевом тёмном пространстве и положительном столбе потенциал медленно растёт.
Такое распределение потенциала вызвано образованием в катодном темном пространстве положительного пространственного заряда, обусловленного повышенной концентрацией положительных ионов.
Положительные ионы, ускоренные катодным падением потенциала, бомбардируют катод и выбивают из него электроны. В астоновом темном пространстве эти электроны, пролетевшие без столкновений в область катодного тёмного пространства, имеют большую энергию, вследствие чего они чаще ионизируют молекулы, чем возбуждают. Т.е. интенсивность свечения газа уменьшается, но зато образуется много электронов и положительных ионов. Образовавшиеся ионы в начале имеют очень малую скорость и потому в катодном тёмном пространстве создаётся положительный пространственный заряд, что и приводит к перераспределению потенциала вдоль трубки и к возникновению катодного падения потенциала.
Электроны, возникшие в катодном тёмном пространстве, проникают в область тлеющего свечения, которая характеризуется высокой концентрацией электронов и положительных ионов коленарным пространственным зарядом, близким к нулю (плазма). Поэтому напряженность поля здесь очень мала. В области тлеющего свечения идёт интенсивный процесс рекомбинации, сопровождающийся излучением выделяющейся при этом энергии. Таким образом, тлеющее свечение есть, в основном, свечение рекомбинации.
Из области тлеющего свечения в фарадеево тёмное пространство электроны и ионы проникают за счёт диффузии. Вероятность рекомбинации здесь сильно падает, т.к. концентрация заряженных частиц невелика. Поэтому в фарадеевом тёмном пространстве имеется поле. Увлекаемые этим полем электроны накапливают энергию и часто в конце концов возникают условия, необходимые для существования плазмы. Положительный столб представляет собой газоразрядную плазму. Он выполняет роль проводника, соединяющего анод с катодными частями разряда. Свечение положительного столба вызвано, в основном, переходами возбужденных молекул в основное состояние.
2. Искровой разряд возникает в газе обычно при давлениях порядка атмосферного. Он характеризуется прерывистой формой. По внешнему виду искровой разряд представляет собой пучок ярких зигзагообразных разветвляющихся тонких полос, мгновенно пронизывающих разрядный промежуток, быстро гаснущих и постоянно сменяющих друг друга (рис. 8.6). Эти полоски называют искровыми каналами .
 |
Т газа = 10 000 К ~ 40 см I = 100 кА t = 10 –4 c l ~ 10 км |
После того, как разрядный промежуток «пробит» искровым каналом, сопротивление его становится малым, через канал проходит кратковременный импульс тока большой силы, в течение которого на разрядный промежуток приходится лишь незначительное напряжение. Если мощность источника не очень велика, то после этого импульса тока разряд прекращается. Напряжение между электродами начинает повышаться до прежнего значения, и пробой газа повторяется с образованием нового искрового канала.
В естественных природных условиях искровой разряд наблюдается в виде молнии. На рисунке 8.7 изображен пример искрового разряда – молния, продолжительностью 0,2 ÷ 0,3 с силой тока 10 4 – 10 5 А, длиной 20 км (рис. 8.7).
3. Дуговой разряд . Если после получения искрового разряда от мощного источника постепенно уменьшать расстояние между электродами, то разряд из прерывистого становится непрерывным, возникает новая форма газового разряда, называемая дуговым разрядом (рис. 8.8).
 |  |
|
| ~ 10 3 А | ||
| Рис. 8.8 | ||
При этом ток резко увеличивается, достигая десятков и сотен ампер, а напряжение на разрядном промежутке падает до нескольких десятков вольт. Согласно В.Ф. Литкевичу (1872 – 1951), дуговой разряд поддерживается, главным образом, за счет термоэлектронной эмиссии с поверхности катода. На практике – это сварка, мощные дуговые печи.
4. Коронный разряд (рис. 8.9).возникает в сильном неоднородном электрическом поле при сравнительно высоких давлениях газа (порядка атмосферного). Такое поле можно получить между двумя электродами, поверхность одного из которых обладает большой кривизной (тонкая проволочка, острие).
 |
 |
Наличие второго электрода необязательна, но его роль могут играть ближайшие, окружающие заземленные металлические предметы. Когда электрическое поле вблизи электрода с большой кривизной достигает примерно 3∙10 6 В/м, вокруг него возникает свечение, имеющее вид оболочки или короны, откуда и произошло название заряда.
Искровой разряд
Искрово́й разря́д (искра электрическая) - нестационарная форма электрического разряда , происходящая в газах . Такой разряд возникает обычно при давлениях порядка атмосферного и сопровождается характерным звуковым эффектом - «треском» искры. Температура в главном канале искрового разряда может достигать 10 000 . В природе искровые разряды часто возникают в виде молний . Расстояние, «пробиваемое» искрой в воздухе, зависит от напряжения и считается равным 10 кВ на 1 сантиметр.
Условия
Искровой разряд обычно происходит, если мощность источника энергии недостаточна для поддержания стационарного дугового разряда или тлеющего разряда . В этом случае одновременно с резким возрастанием разрядного тока напряжение на разрядном промежутке в течение очень короткого времени (от несколько микросекунд до нескольких сотен микросекунд) падает ниже напряжения погасания искрового разряда, что приводит к прекращению разряда. Затем разность потенциалов между электродами вновь растет, достигает напряжения зажигания и процесс повторяется. В других случаях, когда мощность источника энергии достаточно велика, также наблюдается вся совокупность явлений, характерных для этого разряда, но они являются лишь переходным процессом, ведущим к установлению разряда другого типа - чаще всего дугового . Если источник тока не способен поддерживать самостоятельный электрический разряд в течение длительного времени, то наблюдается форма самостоятельного разряда, называемая искровым разрядом.
Природа
Искровой разряд представляет собой пучок ярких, быстро исчезающих или сменяющих друг друга нитевидных, часто сильно разветвленных полосок - искровых каналов. Эти каналы заполнены плазмой , в состав которой в мощном искровом разряде входят не только ионы исходного газа, но и ионы вещества электродов , интенсивно испаряющегося под действием разряда. Механизм формирования искровых каналов (и, следовательно, возникновения искрового разряда) объясняется стримерной теорией электрического пробоя газов. Согласно этой теории, из электронных лавин, возникающих в электрическом поле разрядного промежутка, при определенных условиях образуются стримеры - тускло светящиеся тонкие разветвленные каналы, которые содержат ионизированные атомы газа и отщепленные от них свободные электроны. Среди них можно выделить т. н. лидер - слабо светящийся разряд, «прокладывающий» путь для основного разряда. Он, двигаясь от одного электрода к другому, перекрывает разрядный промежуток и соединяет электроды непрерывным проводящим каналом. Затем в обратном направлении по проложенному пути проходит главный разряд, сопровождаемый резким возрастанием силы тока и количества энергии, выделяющегося в них. Каждый канал быстро расширяется, в результате чего на его границах возникает ударная волна. Совокупность ударных волн от расширяющихся искровых каналов порождает звук, воспринимаемый как «треск» искры (в случае молнии - гром).
Напряжение зажигания искрового разряда, как правило, достаточно велико. Напряженность электрического поля в искре понижается от нескольких десятков киловольт на сантиметр (кв/см) в момент пробоя до ~100 вольт на сантиметр (в/см) спустя несколько микросекунд. Максимальная сила тока в мощном искровом разряде может достигать значений порядка нескольких сотен тысяч ампер.
Особый вид искрового разряда - скользящий искровой разряд , возникающий вдоль поверхности раздела газа и твёрдого диэлектрика, помещенного между электродами, при условии превышения напряженностью поля пробивной прочности воздуха. Области скользящего искрового разряда, в которых преобладают заряды какого-либо одного знака, индуцируют на поверхности диэлектрика заряды другого знака, вследствие чего искровые каналы стелются по поверхности диэлектрика, образуя при этом так называемые фигуры Лихтенберга . Процессы, близкие к происходящим при искровом разряде, свойственны также кистевому разряду, который является переходной стадией между коронным и искровым.
Поведение искрового разряда очень хорошо можно разглядеть на замедленной съёмке разрядов (Fимп.=500 Гц,U=400 кВ) , полученных с трансформатора Тесла. Средний ток и длительность импульсов недостаточна для зажигания дуги, но для образования яркого искрового канала вполне пригодна.
Примечания
Источники
- А. А. Воробьев, Техника высоких напряжений. - Москва-Ленинград, ГосЭнергоИздат, 1945.
- Физическая энциклопедия, т.2 - М.:Большая Российская Энциклопедия стр.218 .
- Райзер Ю. П. Физика газового разряда. - 2-е изд. - М .: Наука, 1992. - 536 с. - ISBN 5-02014615-3
См. также
Wikimedia Foundation . 2010 .
Смотреть что такое "Искровой разряд" в других словарях:
- (искра), неустановившийся электрич. разряд, возникающий в том случае, когда непосредственно после пробоя разрядного промежутка напряжение на нём падает в течение очень короткого времени (от неск. долей мкс до сотен мкс) ниже величины напряжения… … Физическая энциклопедия
искровой разряд - Электрический импульсный разряд в форме светящейся нити, происходящий при высоком давлении газа и характеризующийся большой интенсивностью спектральных линий ионизированных атомов или молекул. [ГОСТ 13820 77] искровой разряд Полный разряд в… … Справочник технического переводчика
- (искра электрическая) нестационарный электрический разряд в газе, возникающий в электрическом поле при давлении газа до нескольких атмосфер. Отличается извилистой разветвленной формой и быстрым развитием (ок. 10 7 с). Температура в главном канале … Большой Энциклопедический словарь
Искровой разряд - (искра) электрический импульсный разряд в форме светящейся нити, проходящий при высоком давлении газа и характеризующийся большой интенсивностью спектральных линий ионизированных атомов и молекул … Российская энциклопедия по охране труда
Искровой разряд - 3.19 Искровой разряд полный разряд в газовом или жидком диэлектрике. Источник … Словарь-справочник терминов нормативно-технической документации
- (искра электрическая), нестационарный электрический разряд в газе, возникающий в электрическом поле при давлении газа до нескольких атмосфер. Отличается извилистой разветвлённой формой и быстрым развитием (около 10–7 с). Температура в главном… … Энциклопедический словарь
искровой разряд - kibirkštinis išlydis statusas T sritis fizika atitikmenys: angl. spark discharge vok. Funkenentladung, f; Funkentladung, f rus. искровой разряд, m pranc. décharge par étincelles, f … Fizikos terminų žodynas
Искра, одна из форм электрического разряда в газах; возникает обычно при давлениях порядка атмосферного и сопровождается характерным звуковым эффектом «треском» искры. В природных условиях И. р. наиболее часто наблюдается в виде молнии… … Большая советская энциклопедия
Искра электрическая, нестационарный электрический разряд в газе, возникающий в электрич. поле при давлении газа до неск. сотен кПа. Отличается извилистой разветвлённой формой и быстрым развитием (ок. 10 7 с), сопровождается характерным звуковым… … Большой энциклопедический политехнический словарь
- (искра электрическая), нестационарный электрич. разряд в газе, возникающий в электрич. поле при давлении газа до неск. атм. Отличается извилистой разветвлённой формой и быстрым развитием (ок. 10 7с). Темп pa в гл. канале И. р. достигает 10 000 К … Естествознание. Энциклопедический словарь