Як називається прилад отримання іскрового розряду. Іскровий розряд та його застосування

Якщо поступово збільшувати напругу між двома електродами, що знаходяться в атмосферному повітріі мають таку форму, що електричне поле між ними не дуже відрізняється від однорідного (наприклад, два плоских електроди з закругленими краями або два достатньо великих кулі), то при певній напрузі виникає електрична іскра. Вона має вигляд каналу, що яскраво світиться, що з'єднує обидва електроди, який зазвичай буває складним чином вигнутий і розгалужений (див. додаток 1.2).

Електрична іскра виникає в тому випадку, якщо електричне поле в газі досягає деякого певного значення Е до(Критична напруженість поля або напруженість пробою), яка залежить від роду газу та його стану. Для повітря при нормальних умовах Е до 3*10 6 В/м. Чим більша відстаньміж електродами, тим більше напруга між ними необхідне настання іскрового пробою газу. Ця напруга називається напругою пробою.

Виникнення пробою пояснюється так: у газі завжди є кілька іонів і електронів, що виникають від випадкових причин. Однак, кількість їх настільки мала, що газ практично не веде електрики. При досить великій напруженості поля кінетична енергія, накопичена іоном у проміжку між двома суударениями, може стати достатньою, щоб іонізувати нейтральну молекулу при зіткненні. В результаті утворюється новий негативний електрон та позитивно заряджений залишок - іон.

Вільний електрон 1 при зіткненні з нейтральною молекулою розщеплює її на електрон 2 і позитивний вільний іон. Електрони 1 і 2 при подальшому зіткненні з нейтральними молекулами знову розщеплює їх на електрони 3 і 4 та вільні позитивні іони, і т.д (рис. 3.2.1).

Такий процес іонізації називають ударною іонізацією, а роботу, яку треба витратити, щоб зробити відривання електрона від атома - роботою іонізації. Робота іонізації залежить від будови атома і тому різна для різних газів.

Електрони та іони, що утворилися під впливом ударної іонізації, збільшує кількість зарядів у газі, причому у свою чергу вони починають рухатися під дією електричного поляі можуть зробити ударну іонізацію нових атомів. Таким чином, процес посилює сам себе, і іонізація в газі швидко сягає дуже великої величини. Явище аналогічне сніговій лавинітому цей процес був названий іонною лавиною.

Утворення іонної лавини є процес іскрового пробою, бо мінімальна напруга, у якому виникає іонна лавина, є напруга пробою.

Таким чином, при іскровому пробої причина іонізації газу полягає в руйнуванні атомів і молекул при зіткненнях з іонами (ударна іонізація). Величина Е до збільшується із збільшенням тиску. Відношення критичної напруженості поля до тиску газу рдля даного газу залишається приблизно постійним у широкій області зміни тисків:

Цей закон дозволяє визначити Ек при різних тискахякщо відомо його значення при якому-небудь одному тиску.

Напруга пробою знижується при дії на газ зовнішнього іонізатора. Якщо прикласти до газового проміжку напругу, дещо меншу за пробійну, і внести в простір між електродами запалений газовий пальник, то виникає іскра. Таку ж дію має і освітлення негативного електрода. ультрафіолетовим світлом, а також інші іонізатори.

Для пояснення іскрового розряду спочатку здавалося природним припустити, що основними процесами в іскрі є іонізація електронними ударами обсягом і іонізація позитивними іонами (обсязі чи катоді). Однак згодом з'ясувалося, що ці процеси не можуть пояснити багато особливостей освіти іскри. Зупинимося для прикладу швидкості розвитку іскрового заряду. Якби в іскрі істотну рольграла іонізація позитивними іонами, той час розвитку іскри було б принаймні того ж порядку, що час переміщення позитивних іоніввід анода до катода. Цей час легко оцінити - воно виявляється близько 10 -4 - 10 -5 с. Тим часом досвід показує, що час її розвитку на кілька порядків менший.

Пояснення великої швидкостірозвитку іскри, як і інших особливостей цієї форми розряду, дано так званої стримерной теорією іскри, нині обгрунтованої прямими експериментальними даними. Згідно з цією теорією, виникненню яскраво світиться каналу іскри передує поява скупчень, що слабо світяться, іонізованих частинок (стримерів ). Пронизуючи газорозрядний проміжок, стримери утворюють провідні містки, якими в наступні стадії розряду і спрямовуються потужні потоки електронів. Причиною виникнення стримерів є не тільки утворення електронних лавин за допомогою ударної іонізації, але ще й іонізація газу випромінюванням, що виникає в розряді (фотоіонізація).

Схема розвитку стримеру зображена на рис. 3.2.2.

У вигляді конусів на цьому малюнку показані електронні лавини, що зароджуються в точках вершин конусів і поширюються від катода до анода. Істотною в цій схемі є та обставина, що, крім первісної електронної лавини, що зародилася безпосередньо біля катода, відбувається утворення нових лавин у точках, розташованих далеко попереду голови початкової лавини. Ці нові лавини виникають внаслідок появи електронів в обсязі газу в результаті фотоіонізації випромінюванням, що виходять з лавин, що виникли раніше (на малюнку це випромінювання показано схематично у вигляді хвилястих ліній). У процесі свого розвитку окремі лавини наганяють одна одну і зливаються разом, в результаті чого виникає канал стримеру, що добре проводить. З наведеної схеми ясно, що внаслідок виникнення багатьох лавин загальний шлях CD, прохідний стримером, набагато більше відстані АВ, що проходить однією початковою лавиною (відмінність у довжинах АВ і CD насправді набагато більша, ніж показано на рис. 3.2.2).

Через виділення при розглянутих процесах великої кількості енергії, газ в іскровому проміжку нагрівається до 10000 С, що призводить до його світіння. Швидке нагрівання газу веде до підвищення тиску, що досягає 10 7 10 8 Па, і виникнення ударних хвиль, що пояснюють звукові ефектипри іскровому розряді - характерне потріскування в слабких розрядах і потужні гуркіт грому у разі блискавки, що є прикладом потужного іскрового розряду між грозовим хмарою і Землею або між двома грозовими хмарами.

Іскровий розрядвикористовується для займання горючої суміші в двигунах внутрішнього згоряння. При малій довжині розрядного проміжку іскровий розряд викликає специфічне руйнування анода, зване ерозією. Це було використано в електроіскровому методі різання, свердління та інших видах точної обробки металу. Його використовують у спектральному аналізідля реєстрації заряджених частинок (іскрові лічильники).

Іскровий проміжок застосовується як запобіжник від перенапруги ( іскрові розрядники) в електричних лініях передач (наприклад, телефонних лініях). Якщо поблизу лінії проходить сильний короткочасний струм, то проводах цієї лінії індукуються напрузі і струми, які можуть зруйнувати електричну установку, і небезпечні життя людей.

Щоб уникнути цього, використовуються спеціальні запобіжники, що складаються з двох вигнутих електродів, один з яких приєднаний до лінії, а інший заземлений. Якщо потенціал лінії щодо землі сильно зростає, між електродами виникає іскровий розряд, який разом із нагрітим ним повітрям піднімається вгору, подовжується і обривається.

Нарешті, електрична іскра застосовується для вимірювання великих різниць потенціалів за допомогою кульового розрядника, електродами якого служать дві металеві кулі, закріплених на стійках 1 і 2. Друга стійка з кулею може наближатися або віддалятися від першої за допомогою гвинта. Кулі приєднують до джерела струму, напруга якого потрібно виміряти, і зближують до появи іскри. Вимірюючи відстань за допомогою шкали на підставці, можна дати грубу оцінку напрузі по довжині іскри (приклад: при діаметрі кулі 5 см і відстані 0,5 см напруга пробою дорівнює 17,5 кВ, а при відстані 5 см - 100 кВ). Цим методом можна вимірювати з точністю до кількох відсотків різниці потенціалів близько десятків тисяч вольт.

Приєднаємо кульові електроди до батареї конденсаторів (рис. 151) і почнемо заряджання конденсаторів за допомогою електричної машини. У міру зарядки конденсаторів збільшуватиметься різниця потенціалів між електродами, а отже, збільшуватиметься і напруженість поля в газі. Поки напруженість поля невелика, у газі не можна помітити жодних змін. Однак при досить великій напруженості поля (близько 3 МВ/м) між електродами з'являється електрична іскра, що має вигляд звивистого каналу, що яскраво світиться, з'єднує обидва електроди. Газ поблизу іскри нагрівається до високої температури і раптово розширюється, чому виникають звукові хвилі, і ми чуємо характерний тріск. Конденсатори в цій установці існують для того, щоб зробити іскру потужнішою.

Мал. 151. Якщо напруженість поля в повітрі досягає приблизно 3 МВ/м, то настає електричний пробій газу і виникає електрична іскра

Описана форма газового розрядузветься іскрового розряду або іскрового пробою газу. При настанні іскрового розряду газ раптово, стрибком втрачає свої діелектричні властивості і стає хорошим провідником. Напруженість поля, за якої настає іскровою пробою газу, має різне значенняу різних газів і залежить від їхнього стану (тиску, температури).

При заданій напрузі між електродами напруженість поля тим менше, що далі знаходяться електроди один від одного. Тому, чим більша відстань між електродами, тим більша напруга між ними необхідна настання іскрового пробою газу. Ця напруга називається напругою пробою.

Знаючи, як залежить напруга пробою від відстані між електродами будь-якої певної форми, можна виміряти невідому напругу максимальної довжині іскри. На цьому засновано пристрій іскрового вольтметра (рис. 152), зручного для грубої оцінки великої напруги (наприклад, у рентгенівських установках). Він складається із двох металевих ізольованих куль, одна з яких може плавно переміщатися. Кулі приєднують до джерела, напруга якого хочуть виміряти, і зближують їх до того часу, поки виникне іскра. Вимірюючи відстань між кулями і відповідну напругу, при якій відбувається пробій, складають спеціальні таблиці, за допомогою яких потім визначають напругу та довжину іскри. Як приклад вкажемо, що з відстані 0,5 див між кулями діаметра 5 див напруга пробою дорівнює 17,5 кВ, а з відривом 5 див – близько 100 кВ.

Мал. 152. Іскровий вольтметр

Виникнення пробою пояснюється так. У газі завжди є кілька іонів і електронів, що виникають від випадкових причин. Зазвичай, однак, їх кількість настільки мала, що газ практично не проводить електрики. При порівняно невеликих значеннях напруженості поля, з якими зустрічаємося щодо несамостійної провідності газів, зіткнення іонів, які у електричному полі, з нейтральними молекулами газу відбуваються як і, як зіткнення пружних куль. При кожному зіткненні частинка, що рухається, передає частину своєї кінетичної енергії, що покоїться, і обидві частинки після зіткнення розлітаються, але ніяких внутрішніх зміну них не відбувається. Однак при достатній напруженості поля кінетична енергія, накопичена іоном у проміжку між двома сударениями, може стати достатньою, щоб іонізувати нейтральну молекулу при зіткненні. В результаті утворюється новий негативний електрон та позитивно заряджений залишок – іон. Такий процес іонізації називають ударною іонізацією, а роботу, яку потрібно витратити, щоб зробити відривання електрона від атома, – роботою іонізації. Робота іонізації залежить від будови атома і тому різна для різних газів.

Електрони та іони, що утворилися під впливом ударної іонізації, збільшують число зарядів у газі, причому у свою чергу вони починають рух під дією електричного поля і можуть зробити ударну іонізацію нових атомів. Таким чином, цей процес «підсилює сам себе», і іонізація в газі швидко сягає дуже великої величини. Все явище цілком аналогічне сніговій лавині в горах, для зародження якої буває досить нікчемного грудка снігу. Тому й описаний процес був названий іонною лавиною (рис. 153 та 154). Утворення іонної лавини є процес іскрового пробою, бо мінімальна напруга, у якому виникає іонна лавина, є напруга пробою. Ми бачимо, що при іскровому пробої причина іонізації газу полягає в руйнуванні атомів і молекул при зіткненнях з іонами (ударна іонізація).

Мал. 153. Вільний електрон 1 при зіткненні з нейтральною молекулою розщеплює її на електрон 2 та вільний позитивний іон. Електрони 1 і 2 при подальшому зіткненні з нейтральними молекулами знову розщеплюють їх на електрони 3 і 4 і вільні позитивні іони, і т.д.

Мал. 154. Лавиноподібне розмноження позитивних іонів та електронів при зіткненні позитивних іонів з нейтральними молекулами

93.1. Відомо, що чим менше тиск газу (при незмінній температурі), тим менше атомів міститься в одиниці об'єму газу і тим більший шляхвільно пролітають атоми між двома послідовними зіткненнями. Зважаючи на це, зрозумійте, як змінюватиметься (збільшуватиметься чи зменшуватиметься) напруга пробою газового проміжку при зменшенні тиску газу.

Іскровий розряд має вигляд яскравих зигзагоподібних ниток-каналів, що розгалужуються, які пронизують розрядний проміжок і зникають, змінюючись новими. Дослідження показали, що канали іскрового розряду починають зростати іноді від позитивного електрода, іноді від негативного, а іноді від якоїсь точки між електродами. Це пояснюється тим, що іонізація ударом у разі іскрового розряду відбувається не по всьому об'єму газу, а по окремим каналам, що проходить у тих місцях, у яких концентрація іонів випадково виявилася найбільшою. Іскровий розряд супроводжується виділенням великої кількості теплоти, яскравим свіченням газу, тріском або громом. Всі ці явища викликаються електронними та іонними лавинами, які виникають у іскрових каналах і призводять до величезного збільшення тиску, що досягає 107108 Па, та підвищення температури до 10000 С.

Характерним прикладом іскрового розряду є блискавка. Головний канал блискавки має діаметр від 10 до 25 см, а довжина блискавки може досягати кількох кілометрів. Максимальна силаструму імпульсу блискавки досягає десятків і сотень тисяч ампер.

При малій довжині розрядного проміжку іскровий розряд викликає специфічне руйнування анода, що називається ерозією. Це було використано в електроіскровому методі різання, свердління та інших видах точної обробки металу.

Іскровий проміжок застосовується як запобіжник від перенапруги в електричних лініях передач (наприклад, телефонних лініях). Якщо поблизу лінії проходить сильний короткочасний струм, то проводах цієї лінії індукуються напрузі і струми, які можуть зруйнувати електричну установку і небезпечні життя людей. Щоб уникнути цього, використовуються спеціальні запобіжники, що складаються з двох вигнутих електродів, один з яких приєднаний до лінії, а інший заземлений. Якщо потенціал лінії щодо землі сильно зростає, між електродами виникає іскровий розряд, який разом із нагрітим ним повітрям піднімається вгору, подовжується і обривається.

Нарешті, електрична іскра застосовується для вимірювання великих різниць потенціалів за допомогою кульового розрядника, електродами якого служать дві металеві кулі з полірованою поверхнею. Кулі розсувають, і на них подається різниця потенціалів, що вимірюється. Потім кулі зближують доти, доки між ними не проскочить іскра. Знаючи діаметр куль, відстань між ними, тиск, температуру та вологість повітря, знаходять різницю потенціалів між кулями за спеціальними таблицями. Цим методом можна вимірювати з точністю до кількох відсотків різниці потенціалів близько десятків тисяч вольт.

Фаліна М.С. 1

Моїсеєв В.Г. 1

1 Муніципальне казенне загальноосвітня установа«Миколо-Поломська середня загальноосвітня школа» Парфеньевського муніципального районуКостромській області

Текст роботи розміщено без зображень та формул.
Повна версіяроботи доступна у вкладці "Файли роботи" у форматі PDF

1. Вступ.

Даний дослідницький проектспрямований на дослідження умов виникнення іскрового розряду – блискавки та можливості використання цієї енергії.

Тема: Дослідження властивостей іскрового розряду та його застосування

Проблема:«Позавчора ми нічого не знали про електрику, вчора ми нічого не знали про величезні резерви енергії, що містяться в атомному ядрі, Про що ми не знаємо сьогодні? »/ Луї де Бройль /

Актуальність: Людина навчилася використовувати енергію води, ладу гідроелектростанції, енергію атома, ладу атомні електростанції, енергію вітру, будування вітрових електростанцій. Широко використовується сонячна енергія, що акумулюється за допомогою сонячних батарей.

У майбутньому людство шукатиме й інші альтернативні джерела енергії. Рано чи пізно людина навчиться використовувати енергію іскрового розряду - блискавки, будуватиме грозові електростанції. У багатьох країнах вже проводять такі дослідження, наприклад, у США. У нашій країні також працюють над проблемами використання іскрового розряду. У цьому полягає актуальність цієї роботи. Грозова енергетика - це поки що лише теоретичний напрямок. Суть методики полягає в затриманні енергії блискавок і перенаправленні її в електромережу. Дане джерелоенергії відновлюємо та належить до альтернативних, тобто. екологічно безпечним.

Блискавка є чистою енергією, і її застосування не тільки усуватиме численні екологічні небезпеки, але також значно зменшуватиме дорожнечу виробництва енергії. Енергія блискавки є відновлюваним джерелом і відноситься до альтернативним джереламенергії.

Гіпотеза: Блискавка може стати екологічно безпечним джерелом дешевої енергії і буде в майбутньому використана в різних областяхжиття суспільства.

Ціль: Дослідження умов виникнення іскрового розряду та можливості використання енергії іскрового розряду для потреб енергетики.

Завдання:

Знайти та вивчити інформацію про блискавку, її властивості

Підготувати потрібне обладнання.

Провести досліди.

1. Отримати іскровий розряд за допомогою електростатичної машини, оцінити максимальну напругу пробою

2. Дослідити умови виникнення іскрового розряду у перетворювачі напруги

3. Оцінити пробивні можливості іскрового розряду твердих тіл(папери, фольги).

4. Отримати іскровий розряд - блискавку за допомогою трансформатора Тесла, оцінити напругу між електродами, а також дію іонізатора на виникнення та перебіг розряду.

4)Вести спостереження та зробити аналіз.

У роботі були використані відомі методи дослідження:

1. Теоретичні методи- це гіпотетичний (вивчення за допомогою наукової гіпотези)

та загальнологічні методи (аналіз, синтез, аналогія, узагальнення)

2. Емпіричні методи- це, перш за все експеримент (штучне відтворення явищ і процесів у заданих умов, в ході якого перевіряється гіпотеза), спостереження, порівняння, вимір, опис

1 етап - Організація дослідження

1) Підбір літератури та додаткової інформації, вивчення та оформлення знайдених матеріалів.

Багато цікавої та корисної для мене інформації я знайшла у мережі Інтернет, вивчила велика кількістьстатей про електричних розрядах.

1. Я знаю, що електричний заряд- це фізична величина, Що характеризує здатність тіл вступати в електромагнітні взаємодії. Вимірюється у Кулонах.

А електричне поле- це особлива формаматерії, що існує навколо тіл або частинок, які мають електричнимзарядом, а також у вільному виглядіу електромагнітних хвилях.

2. Я знаю, що таке блискавкаце гігантський електричний іскровий розряд в атмосфері, зазвичай може відбуватися під час грози, що виявляється яскравим спалахом світла і громом, що супроводжує її. Сукупність імпульсів - пробоїв повітряного проміжку між грозовим хмарою і землею, які у вигляді іскрового розряду.

Історія дослідження блискавки.

Вже в 17-му столітті висловлювалися припущення, що блискавка - це гігантська іскра, що нічим, крім розмірів, що не відрізняється від іскри, що проскакує між двома різноіменно зарядженими кульками. А проскакує блискавка між двома різноіменно зарядженими грозовими хмарами або між грозовою хмарою та землею. Дослідження електрики проводилися у багатьох країнах, але найбільший внесок у створення теорії атмосферної електрики зробили російські академікиМихайло Васильович Ломоносов та Георг Ріхман. Електрична природаблискавки було розкрито у дослідженнях американського фізикаБ. Франкліна, за ідеєю якого було проведено досвід із вилучення електрики з грозової хмари. Бенджамін Франклін - видатний американський політичний діяч, займався фізикою лише сім років, але встиг зробити дуже багато. Франклін провів усім відомий досвід із повітряним змієм, запускаючи його при наближенні грозових хмар. До верхнього кінця вертикальної планки хрестовини змія він прикріпив загострений дріт. Як тільки змій опинявся під грозової хмари, цей дріт починав вилучати з хмари електричний вогонь. У 1752 р. доведено, що грозові хмари справді сильно заряджені. Михайло Васильович Ломоносов та його друг Георг Ріхман у 1752-1753 pp. спільно проводили дослідження атмосферної електрики, за допомогою винайденого Ріхманом електричного покажчика – прообразу електрометра. Ріхман встановив електричний стан атмосфери без грому і блискавки. А Ломоносов розробив теорію утворення атмосферної електрики, походження якої він пов'язував із висхідними та низхідними потоками повітря. У себе вдома Георг Ріхман влаштував експериментальну установкуз вивчення грозових розрядів – «громову машину». 26 липня 1753 р. під час сильної грози, коли вчений наблизився до електрометра «грозової машини» на відстань 30 см, несподівано з товстого залізного прута прямо в нього вдарив блідо-синій вогненна кулязавбільшки з кулак. Це була кульова блискавка. Пролунав оглушливий вибух і Ріхман упав мертвий.

Ломоносов важко переживав смерть свого друга і зробив все від нього залежне, щоб ім'я Георга Ріхмана назавжди залишилося в історії науки.

У 1989 році був виявлений особливий виглядблискавок - ельфи, блискавки в верхній атмосфері. 1995 року було відкрито інший вид блискавок у верхній атмосфері — джети.

Іскровий розряд та умови його виникнення

При великій напруженості електричного поля між електродами (близько 3 10 6 В/м) у повітрі при атмосферному тискувиникає іскровий розряд.Іскровий розряд, на відміну коронного, призводить до пробою повітряного проміжку. При іскровому розряді в газі виникають канали іонізованого газу. стримери,мають вигляд переривчастих яскравих зигзагоподібних ниток.

Нитки пронизують простір між електродами та зникають, змінюючись новими. При цьому спостерігається яскраве свічення газу та виділяється велика кількість теплоти. Внаслідок нагрівання тиск газу в стримерах сильно підвищується. Розширюючись, газ випромінює звукові хвилі, що супроводжують розряд.

Після пробою розрядного проміжку напруга на електродах сильно падає, тому що в момент розряду провідність газу внаслідок його іонізації різко зростає. В результаті, якщо джерело напруги малопотужне, розряд припиняється. Потім напруга знову підвищується і т.д.

В освіті іскрового розряду поряд з іонізацією за допомогою електронного удару велику рольграють процеси іонізації газу випромінюванням самої іскри.

Напруга пробою знижується при дії на газ зовнішнього іонізатора. Якщо прикласти до газового проміжку напругу, дещо меншу за пробивну, і внести в простір між електродами запалений газовий пальник, то виникає іскра. Таку ж дію надає і освітлення негативного електрода ультрафіолетовим світлом, або направити лазерний проміньвздовж електродів, а також інші іонізатори.

Блискавка - гігантський електричний іскровий розряд в атмосфері, що зазвичай відбувається під час грози, що проявляється яскравим спалахом світла і супроводжуючим її громом. Струм у розряді блискавки досягає 10 - 100 тисяч ампер, напруга досягає сотень мільйонів вольт. Середня довжинаблискавки 2,5 км, деякі розряди простягаються в атмосфері на відстань до 20 км. Блискавки також були зафіксовані на Венері, Юпітері, Сатурні та Урані. Найчастіше блискавка виникає у купово-дощових хмарах, тоді вони називаються грозовими; іноді блискавка утворюється в шарувато-дощових хмарах, а також при вулканічних виверженнях, торнадо та пилових бурях.

Існують дві заряджені області у хмарах, позитивна та негативна, це дві половини електричного ланцюга, Негативний розряд прагне позитивного, і цей заряд називається Лідером, практично не видимий окомлюдини через величезну швидкість протікання та слабку яскравість. Інший позитивний заряд, Стрімер, прагне негативного лідера, і цей заряд дуже яскравий і довгий за часом удару блискавки. Електричний заряд Лідер виходить здебільшого з хмари, а Стрімер виходить із поверхні землі або іншої хмари з позитивно зарядженою областю. Блискавка це не один розряд, а більше кількох десятків пульсуючих розрядів, чому видиме мерехтіння блискавки вважається одним розрядом помилково.

3. Я знаю, що конденсатори- це пристрій для накопичення заряду енергії електричного поля.

Блискавка – це короткочасний енергетичний сплеск, тривалість якого дорівнює часткам секунди, і його потрібно дуже швидко освоювати. Для вирішення цього завдання потрібні найпотужніші конденсатори, яких ще немає, а ціна їх, ймовірно, буде дуже високою. Можна застосувати і різноманітні коливальні системиз контурами 2-го та 3-го роду, що дозволяють узгоджувати навантаження з внутрішнім опоромгенератора. Потужність розрядів також дуже відрізняється. Більшість блискавок - це 5-20 кА, але бувають сполохи силою струму 200 кА, а кожен з них потрібно привести до стандарту 220 В і 50-60 Гц змінного струму.

Щільність заряджених іонів 1 куб. м атмосфери низька, опір повітря велике. Відповідно "зловити" блискавку зможе тільки іонізований електрод, максимально піднятий над поверхнею землі, але він зможе вловлювати енергію тільки у вигляді мікрострумів. Якщо підняти електрод занадто близько до наэлектризованным хмар, це може спровокувати блискавку, тобто. вийде короткочасний, але потужний сплеск напруги, що призведе до поломки обладнання блискавкової ферми.

4. Я дізналася, що блискавка безпосередньо пов'язана з плазмою.Уважно розглядаючи численні фотографії блискавок, отримані методом високошвидкісної зйомки, ми приходимо до висновку, що блискавка — це зовсім не лавина електричних зарядіва порожнистий плазмовий канал, причому струм зосереджений у його стінках. Стає зрозумілою причина величезної швидкості зворотного лідера блискавки — яскравого мерехтіння, яке виникає після того, як блискавка досягає землі під час так званого основного процесу. Такий зворотний лідер розвивається як коливальний процес усередині порожнистої плазмової труби, подібно до коливань в замкнутому контурі. Це електричні коливання, швидкість яких може бути незрівнянно вищою, ніж у коливань щільності повітря.

5. Я вивчила властивості плазми:

1. Концентрація позитивних та негативних частиноку плазмі практично однакова.

2. Висока електропровідність - при високій температуріплазма наближається до надпровідників.

3. Плазма має сильну взаємодію з електричним та магнітним полем.

4. Кожна заряджена частка плазми взаємодіє з більшим числомзаряджених частинок.

5. Плазма пов'язана зі свіченням.

Ці властивості визначають якісну своєрідність плазми, що дозволяє вважати її четвертим станом речовини.

6. Виписала для себе все найцікавіше.

2) Придбання необхідного обладнаннята речовин.

Мені знадобиться: електростатична машина, шкільний перетворювач напруги, джерело живлення.

2 етап - Експериментальна роботаз фотографіями основних робіт

Опис досліджень

Іскровий розряд можна одержати за допомогою різних приладів.

Щоб отримати іскровий розряд за допомогою електростатичної машини, потрібно добре просушити.

Розведемо кульки електростатичної машини приблизно на 2 см. Після кількох обертів обертання ручки електростатичної машини отримуємо іскровий розряд. В електростатичній машині механічна енергіяобертання перетворюється на енергію іскрового розряду. Поступово збільшуючи відстань між кульками електростатичної машини отримуємо, що максимальна відстань між кульками буде 55 мм. Напруга пробою становить приблизно 50 000 вольт.

Візьмемо шкільний перетворювач напруги.

Від джерела живлення 12 вольт він перетворює на 25 000 вольт. Відстань між електродами можна міняти. Встановимо між кульками перетворювача відстань 2 див.

При включенні перетворювача виникає ціла серіяіскрових розрядів.

Збільшуємо відстань між кульками, розряди відбуваються рідше, а потім припиняються. Значить, напруженість електричного поля стала меншою за граничну, при якій відбувається пробою іскрового проміжку. Збільшимо напругу живлення перетворювача, розряди виникають знову, отже, напруженість в іскровому проміжку збільшилася і перевищила напругу пробою. Збільшимо відстань між кульками до припинення іскрового розряду. Освітимо іскровий проміжок ультрафіолетовим випромінюванням, серія розрядів з'являється знову. Значить у іскровому проміжку, внаслідок іонізації, з'явилися іони та електрони та виникає самостійний іскровий розряд.

Поміщаючи в іскровий проміжок аркуш паперу, картону, фольги

можна переконатися, що іскровий розряд пробиває мікроскопічні отвори,

звідси випливає можливість використання іскрового розряду для механічного на матеріали, механічна обробка матеріалів цікавить технологів.

Іскровий розряд можна отримати за допомогою трансформатора Тесла.

При напрузі живлення 12 В іскровий розряд пробиває відстань 105 мм, що відповідає напрузі між електродами приблизно 100 000 В. При такій напрузі електричні розряди дуже схожі на блискавки під час грози.

Лідер кожного наступного розряду шукає і знаходить свій шлях, свою траєкторію, спостерігається танець розрядів-блискавок.

Під час усіх експериментів із іскровими розрядами з'являється характерний запах. При електричних розрядах утворюється озон О 3 який насичує повітря киснем. Так само як після грози легко дихається, відчувається чисте насичене киснем повітря.

3 етап - Висновки та висновки

В результаті проведених досліджень та вимірювань було встановлено, що іскровий розряд виникає в сильному електричному полі, якщо напруженість поля перевищить 3 х 10 6 В/м. Проводилася оцінка напруги пробою, яка залежить від вологості повітря та зменшується при дії іонізатора. Іскровий розряд механічно впливає на матеріали і може застосовуватися в технологіях обробки матеріалів.

У всіх приладах, за допомогою яких отримували іскровий розряд, використовувалися або конденсатори, як накопичувачі електричної енергії, або коливальні системи. Спіймати блискавку під час грози, зберегти її деякий час, перетворити її на інші види, привабливо, але поки що важко здійснити, але я вважаю в майбутньому, можливо.

Таким чином, у ході дослідження висунута гіпотеза підтвердилася: блискавка може стати екологічно безпечним джерелом дешевої енергії та буде в майбутньому використана у різних сферах життя суспільства.

Дослідження іскрового розряду тема дуже важлива, цікава як сама гроза. Дослідження її можна лише на якийсь час перервати, а не закінчити.

Навіть одне із застосувань свідчить про його важливість. Приєднуючи електроди до тіла хворого, лікарі дають імпульсний розряд. електричного струмунапругою 2500 - 4000 В. Згасло, було, серце стрепенеться і починає працювати, людина знаходить життя.

Блискавкові ферми поки що є мрією. Вони стали б невичерпними екологічно безпечними джерелами дуже дешевої енергії. розвитку даного напрямуенергетики перешкоджає ряд фундаментальних проблем: передбачити час і місце грози неможливо, блискавка - це короткочасний енергетичний сплеск, тривалість якого дорівнює часткам секунди, і його потрібно дуже швидко освоювати Для вирішення цього завдання потрібні найпотужніші конденсатори, яких ще не існує, а ціна їх, ймовірно , буде дуже висока

Незважаючи на очевидні складнощі, ідея створення блискавкових ферм жива: дуже хочеться людству приборкати природу і отримати доступ до величезних відновлюваних запасів енергії.

4 етап - Оформлення проекту

5 етап - Оформлення презентації

Література

1. За ред. Академіка Г.С. Ландсберга « Елементарний підручникфізики» т.2 Підручник. М.: "Наука", 1973.

2. Мякішев Г.Я. , Синяков А.З. «Фізика. Електродинаміка». 10 – 11 клас. Підручник.-М.: Дроф, 2012.

3. За ред. А.А. Пінського «Фізика» 10 клас. Підручник.-М.: «Освіта», 2014.

4.Підручник фізики за 10 клас / Г.Я.Мякішева та Б.Б.Буховцева

5. Сучасний довідник школяра 5-11 класи – всі предмети / О.М. Роганін, К.Е. Немченко

6.Про природу/М.М. Балашов

Залежно від тиску газу, конфігурації електродів та параметрів зовнішнього ланцюга існує чотири типи самостійних розрядів:

• тліючий розряд;
• іскровий розряд;
• дуговий розряд;
• коронний розряд.

1. Тліючий розряд виникає при низький тиск. Його можна спостерігати в скляній трубці з впаяними в кінці плоскими металевими електродами (рис. 8.5). Поблизу катода розташовується тонкий шар, що світиться, званий катодною плівкою, що світиться 2.

Між катодом та плівкою знаходиться астоновий темний простір 1. Праворуч від світиться плівки міститься шар, що слабо світиться, званий катодним темним простором 3. Цей шар переходить у область, що світиться, яку називають тліючим світінням 4, з тліючим простором межує темний проміжок – фарадєєво темний простір 5. Усі перелічені шари утворюють катодну частинутліючого розряду. Вся решта трубки заповнена газом, що святиться. Цю частину називають позитивним стовпом 6.

При зниженні тиску катодна частина розряду і фарадєєво темний простір збільшується, а позитивний стовп коротшає.

Вимірювання показали, що майже всі падіння потенціалу припадають на перші три ділянки розряду (астоновий темний простір, катодна плівка, що святиться, і катодна. темна пляма). Цю частину напруги, доданої до трубки, називають катодним падінням потенціалу.

В області тліючого світіння потенціал не змінюється - тут напруженість поля дорівнює нулю. Нарешті, у фарадеєвому темному просторі та позитивному стовпі потенціал повільно зростає.

Такий розподіл потенціалу викликаний утворенням у темному катодному просторі позитивного просторового заряду, обумовленого підвищеною концентрацією позитивних іонів.

Позитивні іони, прискорені падінням катодним потенціалу, бомбардують катод і вибивають з нього електрони. В астоновому темному просторі ці електрони, що пролетіли без зіткнень в область темного катодного простору, мають велику енергію, внаслідок чого вони частіше іонізують молекули, ніж збуджують. Тобто. інтенсивність свічення газу зменшується, зате утворюється багато електронів і позитивних іонів. Іони, що утворилися, на початку мають дуже малу швидкість і тому в катодному темному просторі створюється позитивний просторовий заряд, що і призводить до перерозподілу потенціалу вздовж трубки і до виникнення катодного падіння потенціалу.

Електрони, що виникли в темному катодному просторі, проникають в область тліючого світіння, яка характеризується високою концентрацією електронів і позитивних іонів коленарним просторовим зарядом, близьким до нуля (плазма). Тож напруженість поля тут дуже мала. В області тліючого свічення йде інтенсивний процесрекомбінації, що супроводжується випромінюванням енергії, що виділяється при цьому. Отже, тліюче світіння є, переважно, світіння рекомбінації.

З області тліючого свічення у фарадєєво темний простір електрони та іони проникають за рахунок дифузії. Імовірність рекомбінації тут сильно знижується, т.к. концентрація заряджених часток невелика. Тому у фарадеєвому темному просторі є поле. Електрони, що захоплюються цим полем, накопичують енергію і часто зрештою виникають умови, необхідні для існування плазми. Позитивний стовп є газорозрядною плазмою. Він виконує роль провідника, що з'єднує анод із катодними частинами розряду. Світіння позитивного стовпа викликане, переважно, переходами збуджених молекул в основний стан.

2. Іскровий розряд виникає у газі зазвичай за тисків порядку атмосферного. Він характеризується переривчастою формою. за зовнішньому виглядуіскровий розряд являє собою пучок яскравих зигзагоподібних тонких смуг, що розгалужуються, миттєво пронизують розрядний проміжок, що швидко гаснуть і постійно змінюють один одного (рис. 8.6). Ці смужки називають іскровими каналами.

Тгазу = 10 000 К ~ 40 см I= 100 кА t= 10 -4 c l~ 10 км

Після того, як розрядний проміжок «пробить» іскровим каналом, опір його стає малим, через канал проходить короткочасний імпульс струму. великої сили, протягом якого розрядний проміжок припадає лише незначне напруга. Якщо потужність джерела невелика, то після цього імпульсу струму розряд припиняється. Напруга між електродами починає підвищуватися до колишнього значення, і пробій газу повторюється з утворенням нового іскрового каналу.

У природних природних умовіскровий розряд спостерігається у вигляді блискавки. На малюнку 8.7 зображено приклад іскрового розряду – блискавка, тривалістю 0,2 ÷ 0,3 із силою струму 10 4 – 10 5 А, завдовжки 20 км (рис. 8.7).



3. Дуговий розряд . Якщо після отримання іскрового розряду від потужного джерелапоступово зменшувати відстань між електродами, то розряд із переривчастого стає безперервним, виникає нова формагазового розряду, звана дуговим розрядом(Рис. 8.8).

~ 10 3 А
Мал. 8.8

У цьому струм різко збільшується, досягаючи десятків і сотень ампер, а напруга на розрядному проміжку падає кілька десятків вольт. Відповідно до В.Ф. Літкевич (1872 – 1951), дуговий розряд підтримується, головним чином, за рахунок термоелектронної емісії з поверхні катода. Насправді – це зварювання, потужні дугові печі.

4. Коронний розряд (рис. 8.9).виникає в сильному неоднорідному електричному полі при порівняно високих тискахгазу (порядку атмосферного). Таке поле можна отримати між двома електродами, поверхня одного з яких має великою кривизною(Тонкий тяганина, вістря).

Наявність другого електрода необов'язкова, та його роль можуть грати найближчі, оточуючі заземлені металеві предмети. Коли електричне поле поблизу електрода з великою кривизною досягає приблизно 3∙10 6 В/м, навколо нього виникає свічення, що має вигляд оболонки або корони, звідки і походить назва заряду.