Як називається прилад отримання іскрового розряду. Іскровий розряд

Блискавка - це іскровий розряд електростатичного заряду купової хмари, що супроводжується сліпучим спалахом та різким звуком (громом). Отже, слід розглянути докладно класифікацію розрядів і зрозуміти, чому ж блискавка блискавка.

Види розрядів

темний (таунсендівський);

коронний;

іскровий.

Іскровий розряд

Цей розряд характеризується переривчастою формою(навіть при користуванні джерелами постійного струму). Він виникає у газі зазвичай при тисках атмосферного порядку. У природних природних умовіскровий розряд спостерігається у вигляді блискавок. Зовні іскровий розряд являє собою пучок яскравих зигзагоподібних тонких смужок, що розгалужуються, миттєво пронизують розрядний проміжок, що швидко гаснуть і постійно змінюють один одного. Ці смужки називають іскровими каналами. Вони починаються як від позитивних, і від негативних, і навіть від будь-якої точки з-поміж них. Канали, що розвиваються від позитивного електрода, мають чіткі ниткоподібні обриси, а розвиваються від негативних - дифузні краї та дрібніше розгалуження.

Т.к. іскровий розряд виникає при великих тискахгазу, то потенціал запалення дуже високий. (Для сухого повітря, наприклад, при тиску 1 атм. і відстані між електродами 10 мм, пробивна напруга 30 кВ.) Але після того, як розрядний проміжок "іскровим" каналом, опір проміжку стає дуже малим, через канал проходить короткочасний імпульс струму великої сили, протягом якого розрядний проміжок припадає лише незначне опір. Якщо потужність джерела дуже велика, то після такого імпульсу струму розряд припиняється. Напруга між електродами починає зростати до колишнього значення, і пробій газу повторюється з утворенням нового іскрового каналу.

Електрична іскра виникає в тому випадку, якщо електричне поле в газі досягає певної певної величини Ек (критична напруженість поля або напруження пробою), яка залежить від роду газу та його стану. Наприклад, для повітря при нормальних умовахЕк3*106 В/м.

Величина Ек збільшується зі збільшенням тиску. Відношення критичної напруженості поле до тиску газу р для даного газу залишається приблизним у широкій області зміни тиску: Ек/рconst.

Час наростання напруги тим більше, чим більше ємність між електродами. Тому включення конденсатора паралельно розрядному проміжку збільшує час між двома наступними іскрами, а самі іскри стають потужнішими. Через канал іскри проходить великий електричний заряді тому збільшується амплітуда і тривалість імпульсу струму. При великій ємності канал іскри яскраво світиться і має вигляд широких смуг. Те саме відбувається зі збільшенням потужності джерела струму. Тоді говорять про конденсований іскровий розряд, або про конденсовану іскру. Максимальна силаструму в імпульсі, при іскровому розряді, змінюється в широких межах, залежно від параметрів ланцюга розряду та умов у розрядному проміжку, досягаючи кількох сотень кілоампер. При подальшому збільшенні потужності джерела іскровий розряд переходить у дуговий розряд.

Внаслідок проходження імпульсу струму через канал іскри у каналі виділяється велика кількістьенергії (порядку 0,1 – 1 Дж на кожен сантиметр довжини каналу). З виділенням енергії пов'язане стрибкоподібне збільшення тиску в навколишньому газі - утворення циліндричної ударної хвилі, температура на фронті якої ~104 К. Відбувається швидке розширення каналу іскри зі швидкістю порядку теплової швидкості атомів газу. У міру просування ударної хвилі температура її фронті починає падати, а сам фронт відходить від кордону каналу. Виникнення ударних хвиль пояснюються звукові ефекти, що супроводжують іскровий розряд: характерне потріскування у слабких розрядах і потужні гуркіт у разі блискавок.

У момент існування каналу, особливо при високих тисках, спостерігається яскравіше свічення іскрового розряду. Яскравість свічення неоднорідна за перерізом каналу має максимум у його центрі.

Розглянемо механізм іскрового розряду.

В даний час загальноприйнятою вважається так звана стримерна теорія іскрового розряду, підтверджена прямими дослідами. Якісно вона пояснює основні особливості іскрового розряду, хоч у кількісному відношенні і не може вважатися завершеною. Якщо поблизу катода зародилася електронна лавина, то її шляху проходить іонізація і збудження молекул і атомів газу. Істотно, що світлові кванти, що випускаються збудженими атомами і молекулами, поширюючись до анода зі швидкістю світла, самі виробляють іонізацію газу, і дають початок першим електронним лавинам. Таким шляхом у всьому обсязі газу з'являються скупчення іонізованого газу, що слабо святяться, звані стрімерами. У процесі свого розвитку окремі електронні лавини наздоганяють одна одну і, зливаючись разом, утворюють місток, що добре проводить, зі стримерів. Тому в наступний момент часу і спрямовується потужний потік електронів, що утворює канал іскрового розряду. Оскільки провідний місток утворюється в результаті злиття практично одночасно виникають стримерів, час його утворення набагато менше часу, що потрібно окремій електронній лавині для проходження відстаней від катода до анода. Поруч із негативними стримерами, тобто. стримерами, що поширюються від катода до анода, існують також позитивні стримери, які поширюються у протилежному напрямку.

Вільні електрони отримують у такому полі величезні прискорення. Ці прискорення спрямовані вниз, оскільки нижня частина хмари заряджена негативно, а поверхня позитивно. На шляху від першого зіткнення до іншого, електрони набувають значної кінетичну енергію. Тому, зіштовхуючись із атомами чи молекулами, вони іонізують їх. В результаті народжуються нові (вторинні) електрони, які, у свою чергу, прискорюються в полі хмари, а потім у зіткненнях іонізують нові атоми і молекули. Виникають цілі лавини швидких електронів, що утворюють біля самого "дна" хмари, плазмові "нитки" - стрімер.

Зливаючись один з одним, стримери дають початок плазмовому каналу, яким згодом пройде імпульс основного струму. Цей плазмовий канал, що розвивається від "дна" хмари до поверхні землі, наповнений вільними електронами та іонами, і тому може добре проводити електричний струм. Його називають лідером чи точніше ступінчастим лідером. Справа в тому, що канал формується не плавно, а стрибками - "східцями".

Чому в русі лідера наступають паузи і до того ж відносно регулярні – достеменно невідомо. Існує кілька теорій ступінчастих лідерів.

У 1938 році Шонланд висунув два можливі поясненнязатримки, що викликає східчастий характер лідера. Згідно з одним з них, має відбуватися рух електронів вниз каналом провідного стримера (пілота). Однак частина електронів захоплюється атомами і позитивно зарядженими іонами, так що потрібен деякий час для надходження нових електронів, що просуваються, перш ніж виникне градієнт потенціалу, достатній для того, щоб струм тривав. Згідно з іншою точкою зору, час потрібен для того, щоб позитивно заряджені іони зібралися під головкою каналу лідера і таким чином створили на ній достатній градієнт потенціалу. В 1944 Брюс запропонував інше пояснення, в основі якого лежить переростання тліючого розряду в дуговий. Він розглянув " коронний розряд " , аналогічний розряду вістря, що існує навколо каналу лідера як на головці каналу, а й у всій його довжині. Він дав пояснення тому, що умови для існування дугового розряду встановлюватимуться на деякий час після того, як канал розвинеться на певну відстань і, отже, виникнуть щаблі. Це ще до кінця не вивчено і конкретної теорії поки немає. А от фізичні процеси, що відбуваються поблизу головки лідера, цілком зрозумілі. Напруженість поля під хмарою досить велика - вона становить B/м; в області простору безпосередньо перед головкою лідера вона ще більша. Збільшення напруженості поля у цій галузі добре пояснює рис.4, де штриховими кривими показані перерізи еквіпотенційних поверхонь, а суцільними кривими - лінії напруженості поля. У сильному електричному полі поблизу головки лідера відбувається інтенсивна іонізація атомів та молекул повітря. Вона відбувається за рахунок, по-перше, бомбардування атомів і молекул швидкими електронами, що вилітають із лідера (так звана ударна іонізація), і, по-друге, поглинання атомами та молекулами фотонів ультрафіолетового випромінювання, що випускається лідером (фотоіонізація) Внаслідок інтенсивної іонізації плазмовий канал, що зустрічаються на шляху лідера атомів і молекул повітря, зростає, лідер рухається до поверхні землі.

З урахуванням зупинок на шляху лідеру, щоб досягти землі, знадобилося 10...20 мс на відстані 1 км між хмарою і земною поверхнею. Тепер хмару з'єднує із землею плазмовий канал, який чудово проводить струм. Канал іонізованого газу як би замкнув хмару із землею коротко. У цьому перша стадія розвитку початкового імпульсу закінчується.

Друга стадія протікає швидко та потужно. Прокладеним лідером шляху спрямовується основний струм. Імпульс струму триває приблизно 0,1 мс. Сила струму досягає значень порядку А. Вирізняється значна кількість енергії (до Дж). Температура газу у каналі досягає. Саме в цей момент народжується те надзвичайно яскраве світло, яке ми спостерігаємо при розряді блискавки, і виникає грім, спричинений раптовим розширенням раптово нагрітого газу.

Істотно, як і світіння, і розігрів плазмового каналу розвиваються у бік землі до хмари, тобто. знизу вгору. Для пояснення цього явища умовно розіб'ємо весь канал на кілька частин. Як тільки канал утворився (головка лідера досягла землі), вниз зіскакують насамперед електрони, які знаходилися в нижній його частині; тому нижня частина каналу першою починає світитися та розігріватися. Потім до землі спрямовуються електрони з наступної (високо перебуває частини каналу); починаються світіння та розігрів цієї частини. І так поступово - від низу до верху - в рух до землі включаються нові й нові електрони; в результаті свічення та розігрів каналу поширюються у напрямку знизу вгору.

Після того, як пройшов імпульс основного струму, пауза настає тривалістю від 10 до 50мс. За цей час канал практично гасне, його температура падає, ступінь іонізації каналу суттєво зменшується.

Однак у хмарі ще зберігся великий заряд, тому новий лідер прямує з хмари до землі, готуючи дорогу нового імпульсу струму. Лідери другого та наступних ударів є не ступінчастими, а стрілоподібними. Стрілоподібні лідери аналогічні щаблям ступінчастого лідера. Однак оскільки іонізований канал вже існує, необхідність у пілоті та щаблях відпадає. Так як іонізація в каналі стрілоподібного лідера "старше", ніж у ступінчастого лідера, рекомбінація та дифузія у носіїв носіїв заряду відбуваються інтенсивніше, а тому ступінь іонізації в каналі стрілоподібного лідера нижче. В результаті швидкість стрілоподібного лідера менша за швидкість окремих ступенів ступінчастого лідера, але більше швидкостіпілота. Значення швидкості стрілоподібного лідера становлять до м/с.

Якщо між наступними ударами блискавки пройде більше часу, ніж зазвичай, то ступінь іонізації може бути настільки низьким, особливо в нижній частині каналу, що виникає необхідність нового пілоту для повторної іонізації повітря. Це пояснює окремі випадки утворення ступенів на нижніх кінцях лідерів, що передують першому, а наступним головним ударам блискавки.

Як говорилося вище, новий лідер йде шляхом, який був проторений початковим лідером. Він без зупинки (1мс) пробігає весь шлях згори до низу. І знову слідує потужний імпульс основного струму. Після чергової паузи все повторюється. У результаті висвічуються кілька сильних імпульсів, які ми природно, сприймаємо як єдиний розряд блискавки, як єдиний яскравий спалах.

Іскровий розряд

Іскровий розряд(іскра електрична) - нестаціонарна форма електричного розряду, що відбувається у газах. Такий розряд виникає зазвичай при тисках атмосферного порядку і супроводжується характерним звуковим ефектом- "тріском" іскри. Температура у головному каналі іскрового розряду може досягати 10 000 . У природі іскрові розряди часто виникають у вигляді блискавок. Відстань, що «пробивається» іскрою в повітрі, залежить від напруги і вважається рівним 10 кВ на 1 сантиметр.

Умови

Іскровий розряд зазвичай відбувається, якщо потужність джерела енергії недостатня для підтримки стаціонарного дугового розряду або розряду, що тліє . У цьому випадку одночасно з різким зростанням розрядного струму напруга на розрядному проміжку протягом дуже короткого часу (від кількох мікросекунд до кількох сотень мікросекунд) падає нижче напруги згасання іскрового розряду, що призводить до припинення розряду. Потім різниця потенціалів між електродами знову зростає, досягає напруги запалювання і повторюється. В інших випадках, коли потужність джерела енергії досить велика, також спостерігається вся сукупність явищ, характерних для цього розряду, але є лише перехідним процесом, що веде до встановлення розряду іншого типу - найчастіше дугового. Якщо джерело струму не здатне підтримувати самостійний електричний розрядпротягом тривалого часу спостерігається форма самостійного розряду, звана іскровим розрядом.

Природа

Іскровий розряд є пучок яскравих, швидко зникаючих або змінюють один одного ниткоподібних, часто сильно розгалужених смужок - іскрових каналів. Ці канали заповнені плазмою , до складу якої потужному іскровому розряді входять як іони вихідного газу, а й іони речовини електродів , інтенсивно испаряющегося під впливом розряду. Механізм формування іскрових каналів (і, отже, виникнення іскрового розряду) пояснюється стримерною теорією електричного пробою газів. Відповідно до цієї теорії, з електронних лавин, що виникають в електричному полі розрядного проміжку, за певних умов утворюються стримери - тонкі розгалужені канали, що тьмяно світяться, містять іонізовані атоми газу і відщеплені від них вільні електрони. У тому числі можна назвати т. зв. лідер - розряд, що слабко світиться, «прокладає» шлях для основного розряду. Він, рухаючись від одного електрода до іншого, перекриває розрядний проміжок і з'єднує електроди безперервним провідним каналом. Потім у зворотному напрямкупрокладеним шляхом проходить головний розряд, що супроводжується різким зростанням сили струму і кількості енергії, що виділяється в них. Кожен канал швидко розширюється, у результаті на його кордонах виникає ударна хвиля. Сукупність ударних хвиль від іскрових каналів, що розширюються, породжує звук, сприйманий як «тріск» іскри (у разі блискавки - грім).

Напруга запалювання іскрового розряду, як правило, досить велика. Напруженість електричного поляв іскрі знижується від кількох десятків кіловольт на сантиметр (кв/см) у момент пробою до ~100 вольт на сантиметр (в/см) через кілька мікросекунд. Максимальна сила струму в потужному іскровому розряді може досягати значень кількох сотень тисяч ампер.

Особливий вид іскрового розряду ковзний іскровий розряд, що виникає вздовж поверхні поділу газу та твердого діелектрика, поміщеного між електродами, за умови перевищення напруженістю поля пробивної міцності повітря. Області ковзного іскрового розряду, в яких переважають заряди якогось одного знака, індукують на поверхні діелектрика заряди іншого знака, внаслідок чого іскрові канали стелиться поверхнею діелектрика, утворюючи при цьому так звані фігури Ліхтенберга. Процеси, близькі до тих, що відбуваються при іскровому розряді, властиві також кистьовий розряд, який є перехідною стадією між коронним і іскровим.

Поведінка іскрового розряду дуже добре можна розглянути на уповільненій зйомці розрядів (Fімп. = 500 Гц, U = 400 кВ), отриманих з трансформатора Тесла. Середній струм і тривалість імпульсів недостатня для запалювання дуги, але освіти яскравого іскрового каналу цілком придатна.

Примітки

Джерела

А. А. Воробйов, Техніка високої напруги. - Москва-Ленінград, Держенерговидав, 1945.
Фізична енциклопедія, т.2 - М.: Велика Російська Енциклопедія стор.218.
Райзер Ю. П.Фізика газового розряду. - 2-ге вид. – М.: Наука, 1992. – 536 с. - ISBN 5-02014615-3

Див. також

Wikimedia Foundation. 2010 .

Дивитись що таке "Іскровий розряд" в інших словниках:

- (Іскра), що не встановився електрич. розряд, що виникає в тому випадку, коли безпосередньо після пробою розрядного проміжку напруга на ньому падає протягом дуже короткого часу (від дек. часток мкс до сотень мкс) нижче величини напруги… Фізична енциклопедія

іскровий розряд- Електричний імпульсний розряд у формі нитки, що світиться, що відбувається при високому тискугазу та характеризується великою інтенсивністю спектральних ліній іонізованих атомів або молекул. [ГОСТ 13820 77] іскровий розряд Повний розряд у ... Довідник технічного перекладача

- (іскра електрична) нестаціонарний електричний розряд у газі, що виникає в електричному полі при тиску газу до кількох атмосфер. Відрізняється звивистою розгалуженою формою та швидким розвитком(бл. 10 7 с). Температура у головному каналі … Великий Енциклопедичний словник

Іскровий розряд- (іскра) електричний імпульсний розряд у формі нитки, що світиться, що проходить при високому тиску газу і характеризується великою інтенсивністю спектральних ліній іонізованих атомів і молекул. Російська енциклопедіяз охорони праці

Іскровий розряд- 3.19 Іскровий розряд повний розрядв газовому чи рідкому діелектрику. Джерело … Словник-довідник термінів нормативно-технічної документації

- (іскра електрична), нестаціонарний електричний розряд у газі, що виникає в електричному полі при тиску газу до кількох атмосфер. Відрізняється звивистою розгалуженою формою та швидким розвитком (близько 10-7 с). Температура в основному… Енциклопедичний словник

іскровий розряд- kibirkštinis išlydis statusas T sritis fizika atitikmenys: angl. spark discharge vok. Funkenentladung, f; Funkentladung, f rus. іскровий розряд, m pranc. décharge par étincelles, f … Fizikos terminų žodynas

Іскра, одна з форм електричного розряду у газах; виникає зазвичай при тисках атмосферного порядку і супроводжується характерним звуковим ефектом «тріском» іскри. У природних умовах І. н. найчастіше спостерігається у вигляді блискавки. Велика Радянська Енциклопедія

Іскра електрична, нестаціонарний електричний розряд у газі, що виникає в електрич. поле при тиску газу до дек. сотень кПа. Відрізняється звивистою розгалуженою формою та швидким розвитком (бл. 10 7 с), супроводжується характерним звуковим… Великий енциклопедичний політехнічний словник

- (Іскра електрична), нестаціонарний електрич. розряд у газі, що виникає в електрич. поле при тиску газу до дек. атм. Відрізняється звивистою розгалуженою формою та швидким розвитком (бл. 10 7с). Темп pa в гол. каналі І. н. досягає 10 000 До … Природознавство. Енциклопедичний словник

7. Іскровий розряд

Іскровий розряд, на відміну інших видів розряду, є уривчастим навіть за користування джерелом постійної напруги. за зовнішньому виглядуіскровий розряд є пучок яскравих зигзагоподібних смуг, що постійно змінюють одна одну. Смуги, що світяться - іскрові канали - поширюються від обох електродів. Розрядний проміжок у разі іскри неоднорідний, тому кількісне дослідженняпроцесів у іскровому розряді є скрутним. Одним із основних методів дослідження іскрового розряду є фотографування.

Потенціал запалювання іскрового розряду дуже високий. Однак, коли проміжок вже пробитий, його опір різко зменшується, і через проміжок проходить значний струм. Якщо потужність джерела мала, то розряд гасне. Після цього напруга на розрядному проміжку знову зростає і знову може запалитися розряд. Такий процес зветься релаксаційних коливань розряду. Якщо розрядний проміжок має велику ємність, канали іскри яскраво світяться і справляють враження широких смуг. Це конденсований іскровий розряд.

Якщо між електродами перебуває якесь перешкода, то іскра пробиває його, утворюючи більш-менш вузький отвір. Встановлено, що температура газу в каналі іскри може зростати до дуже великих значень(10000-12000 К). Утворення областей високого тиску та їх пересування в газі мають вибуховий характер і супроводжуються звуковими ефектами. Це може бути слабке потріскування (при незначних надлишкових тисках) чи грім.

Особливим видом іскрового розряду є ковзний розряд, що відбувається вздовж поверхні розділу будь-якого твердого діелектрика і газу навколо металевого електрода (вістря), що стосується цієї поверхні. Якщо як діелектрик використовувати фотопластинку, то можна зробити цю картину видимою для ока. Обриси, отримані з допомогою іскрового розряду лежить на поверхні діелектрика, називають фігурами Ліхтенберга. Фігури Ліхтенберга можуть служити визначення полярності розряду і визначення високої напруги, оскільки максимальне напруга розрядного імпульсу прямо пропорційно радіусу поверхні, яку займає постать. На цьому принципі засновані прилади для вимірювання дуже високої напруги - клінодографи. Якщо відстань між електродами замало, то іскровий розряд супроводжується руйнуванням анода – ерозією. Цей ефект використовується для точкового зварювання та різання металів.

На основі численних спостережень над іскровим розрядом у 1940 році Мік та незалежно від нього Ретер висунули теорію іскрового розряду, яка отримала назву стримерної. Стрімер - це область газу з високим ступенеміонізації, що поширюється у напрямку катода (позитивний стрімер) або у напрямку анода (негативний стрімер). Стримерна теорія є теорією однолавинного пробою. Відповідно до цієї теорії між електродами проходить лавина електронів. Після проходження лавини електрони потрапляють на анод, а позитивні іони, маючи значно менші швидкості, утворюють іонізований конусоподібний простір. Щільність іонів у цьому просторі недостатня для пробою. Проте під впливом фотоелектронів з'являються додаткові лавини. Ці лавини будуть рухатися до ствола головної лавини, якщо поле її просторового заряду можна порівняти з прикладеною напругою. Таким чином просторовий заряд безперервно збільшується, і процес розвивається як стример, що самопоширюється. Коли напруга, прикладена до розрядного проміжку, перевищує мінімальне пробивне значення, поле просторового заряду, утворене лавиною, буде порівняно з величиною зовнішнього поляще до того, як лавина досягне анода. У цьому випадку стримери виникають у середині проміжку. Таким чином, для виникнення стримеру необхідно дотримання двох основних умов: 1) поле лавини та поле, створене доданим до електродів напругою, повинні перебувати у певному співвідношенні та 2) фронт лавини повинен випромінювати достатню кількість фотонів для підтримки та розвитку стримеру.

За великої потужності джерела іскровий розряд перетворюється на дуговий. До іскрових розрядів відноситься і блискавка. В цьому випадку одним електродом є хмара, а іншим – земля. Напруга в блискавці сягає мільйонів вольт, а струм - до сотні кілоамперів. Заряд, що переноситься блискавкою, зазвичай становить 10-30 кулон, а в окремих випадках досягає 300 кулон.

Такий розряд виникає зазвичай при тисках атмосферного порядку і супроводжується характерним звуковим ефектом - «тріском» іскри. Температура у головному каналі іскрового розряду може досягати 10 000 . У природі іскрові розряди часто виникають у вигляді блискавок. Відстань, що «пробивається» іскрою в повітрі, залежить від напруженості електричного поля біля поверхні електродів та їх форми. Для сфер, радіус яких набагато більше розрядного проміжку, вона вважається рівною 30 кВна сантиметр, для голок – 10 кВ на сантиметр.

Умови [ | ]

Іскровий розряд зазвичай відбувається, якщо потужність джерела енергії недостатня для підтримки стаціонарного дугового розряду або розряду, що тліє . У цьому випадку одночасно з різким зростанням розрядного струму напруга на розрядному проміжку протягом дуже короткого часу (від кількох мікросекунд до кількох сотень мікросекунд) падає нижче напруги згасання іскрового розряду, що призводить до припинення розряду. Потім різницю потенціалів між електродами знову зростає, досягає напруги запалювання, і процес повторюється. В інших випадках, коли потужність джерела енергії досить велика, також спостерігається вся сукупність явищ, характерних для цього розряду, але є лише перехідним процесом, що веде до встановлення розряду іншого типу - найчастіше дугового.

Природа [ | ]

Іскровий розряд є пучок яскравих, швидко зникаючих або змінюють один одного ниткоподібних, часто сильно розгалужених смужок - . Ці канали заповнені плазмою , до складу якої потужному іскровому розряді входять як іони вихідного газу, а й іони речовини електродів , інтенсивно испаряющегося під впливом розряду. Механізм формування іскрових каналів (і, отже, виникнення іскрового розряду) пояснюється стримерною теорією електричного пробою газів. Згідно з цією теорією, з електронних лавин, що виникають в електричному полі розрядного проміжку, за певних умов утворюються стрімери- тонкі розгалужені канали, що тьмяно світяться, містять іонізовані атоми газу і відщеплені від них вільні електрони. Серед них можна виділити так званий лідер- Розряд, що слабо світиться, «прокладає» шлях для основного розряду. Він, рухаючись від одного електрода до іншого, перекриває розрядний проміжок і з'єднує електроди безперервним провідним каналом. Потім у зворотному напрямку прокладеним шляхом проходить головний розряд, що супроводжується різким зростанням сили струму і кількості енергії, що виділяється в них. Кожен канал швидко розширюється, у результаті на його кордонах виникає ударна хвиля. Сукупність ударних хвиль від іскрових каналів, що розширюються, породжує звук, сприйманий як «тріск» іскри (у разі блискавки - грім).

Напруга запалювання іскрового розряду, як правило, досить велика. Напруженість електричного поля в іскрі знижується від кількох десятків кіловольт на сантиметр (кВ/см) у момент пробою до порядку 100 В/см через кілька мікросекунд. Максимальна сила струму в потужному іскровому розряді може досягати значень кількох сотень кілоампер.

Процеси, близькі до тих, що відбуваються при іскровому розряді, властиві також кистьового розряду, який є перехідною стадією між

Електрична іскра має вигляд тонкої, вибагливо вигнутої смужки, що яскраво світиться, яка зазвичай сильно розгалужена (рис. 174). Цей іскри, що світиться, ніколи, однак, не буває хоч скільки-небудь схожий на ті гострокутні зигзаги, за допомогою яких прийнято умовно зображати блискавку.

Мал. 174. Характерний виглядіскри.

Смужка іскри з величезною швидкістю пронизує розрядний проміжок, гасне і знову виникає. Фотографування іскри за допомогою камери з об'єктивом, що швидко рухається (камери Бейса) або з швидко рухомою плівкою показує, що по тому самому каналу іскри, який іноді деформується, пробігає кілька розрядів. Для дослідження окремих стадій розвитку іскри застосовують фотозатвори, керовані високочастотним струмом та засновані на застосуванні явища Керра (§ 95). Одне з перших досліджень будови іскри було виконано проф. Рожанським у 1911 р. Рожанський робив фотографування іскри, відхиляючи іскру дією магнітного поля.

Пробій газу, що завершується іскровим розрядом, відбувається за певної напруженості поля, яка повинна бути тим більшою, ніж більше щільністьгазу і менше його початкова іонізація.

Нижче наведені числові дані, що характеризують величину іскрового проміжку кімнатному повітрі. Напруженість електричного поля поблизу електродів сильно залежить від кривизни

поверхні електрода, тому мінімальні напруги, при яких для даної відстані між електродами починається лавинний розряд, неоднакові для електродів різної форми; між вістрями іскровий розряд починається при більш низькій напрузі, ніж між кулями або плрськими електродами.

Величина іскрового проміжку у кімнатному повітрі

(Див. скан)

У кімнатному повітрі зазвичай міститься лише дуже незначна кількість іонів, приблизно кілька тисяч кубічному сантиметрі(при нормальному електричному стані атмосфери біля поверхні землі – у середньому близько 700 пар іонів в 1 см

Мал. 175. Схема розвитку негативного стримеру

Коли до електродів прикладено досить високу напругу, то починається зростання електронних лавин, але завдяки малому початковому числу іонів потрібен час, щоб процес завершився утворенням іскри. Якщо з'єднати електроди з джерелом високої напруги на надзвичайно короткий час, то розвиток електронних лабінів не встигне завершитися іскровим розрядом. Вимірювання часу, протягом якого в газі завдяки розвитку лавин утворюються канали підвищеної електропровідності, показало, що в даному випадку велику рольграє фотонна іонізація.

На рис. 175 представлена схема, що пояснює, чому зростання електропровідного каналу, або, як кажуть, поширення

стрімера відбувається швидше, ніж просування електронної лавини. На цьому малюнку лавини умовно показані у вигляді заштрихованих конусів, а хвилястими лініямизображені шляхи фотонів. Потрібно уявити собі, що всередині кожного конуса, що зображує лавину, що розвивається, газ іонізується ударами електронів; нововідщеплені електрони, що розганяються полем, іонізують частинки газу, що ними зустрічаються, і таким чином лавинно наростає число електронів, що рухаються до анода, і число позитивних іонів, що дрейфують до катода. Ліві кінці хвилястих ліній показують атоми, які були «збуджені» ударом електрона і потім випустили фотон. Рухаючись зі швидкістю фотони обганяють лавину і в якомусь місці, зображеному кінцем хвилястої лінії, іонізують частинку газу. Відщеплений тут електрон, прямуючи до анода, породжує нову лавину далеко попереду першої лавини. Таким чином, поки що перша лавина виростає, скажімо, на величину малої стрілки, показаної на рис. 175, що намічається канал підвищеної електропровідності газу, тобто стрімер, поширюється на величину великої стрілки показаної на тому ж малюнку. У наступній стадії окремі лавини в негативному стримері, наганяючи один одного, зливаються, утворюючи цілісний канал іонізованого газу (на малюнку перша лавина вже нагнала другу, а четверта нагнала п'яту).

Фізико-математичні умови, за дотримання яких може відбуватися розвиток стримерів, були теоретично вивчені Міком та Лебом 1940 р.). Як було пояснено вище, негативний стример є, по суті, прискорене дією фотоіонізації просування електронних лавин та його злиття у загальний електропровідний канал.

Зовсім інша будова та інші властивості має позитивний стример. Спільною рисоюйого з негативним стримером є лише фотоіонізація, що у обох випадках грає чільну роль.

Позитивний стрімер є каналом газорозрядної плазми, що стрімко виростає від анода до катода. На рис. 176 схематично пояснено, як відбувається розвиток такого каналу. Виникненню позитивного стримеру передує пробіг електронних лавин газорозрядним проміжком. Вони залишають на своєму шляху велике числоновостворених позитивних іонів, концентрація яких особливо велика там, де лавини отримали своє найбільший розвиток, Т. е. біля анода (рис. 176, нагорі зліва). Якщо концентрація позитивних іонів тут досягає певної величини (близької до іонів), то, по-перше, виявляється інтенсивна фотоіонізація, по-друге, електрони, що звільняються частинками газу, поглинули фотони, притягуються позитивним просторовим зарядом в головну частину позитивного стримеру, і по-третє, внаслідок фотоіонізації концентрація позитивних іонів на шляху стримеру до катода зростає. На рис. 176 шляхи фотонів показані хвилястими лініями; фотони викидаються в різні сторониз області позитивного просторового заряду (короткі стрілки вказують напрямок руху відщеплених електронів); видно, що багато електрони залучаються в область найбільшої концентрації позитивних іонів в головну частину позитивного стримеру. Насичення електронами простору, заповненого позитивними зарядами, перетворює цю область на газорозрядну плазму.

(Клацніть для перегляду скана)

Так формується в газі канал, що має високу електропровідність. Формування цього каналу з газорозрядною плазмою є розвитком позитивного стримеру (рис. 176). Якщо шляху проростання цього каналу у бік катоду у головній частині стримеру є достатня концентрація позитивних іонів, то стример просувається з величезною швидкістю. Інакше він обривається.

Пояснені вище схеми розвитку стримерів дають лише приблизне уявлення про підготовчу стадію іскрового розряду. Справжня картина розвитку стримеру складніша, оскільки утворювані просторові заряди різко спотворюють електричне полі, що викликало виникнення стримеру.

У довгих газорозрядних проміжках нерівномірності поля та недостатня фотоіонізація у напрямку найкоротшої відстані від головної частини стримеру до електрода призводять до викривлень каналу та виникнення численних відгалужень.

Розвиток позитивних стримерів починається у позитивного електрода у місцях найбільшої напруженості поля: біля гострих виступів, гострих кромок та інших нерівностей поверхні анода. Тому при розряді між вістрям і диском часто спостерігаються іскри, що з'єднують позитивне вістря з центром негативного диска, і іскри, що з'єднують крайки позитивно зарядженого диска з негативним вістрям (рис. 177); у першому випадку пробій відбувається при меншій напрузі.

Мал. 177. Характерний вид іскрового розряду між вістрям та диском при великому розрядному проміжку.

Мал. 178. Фотографія іскри на плівці, що рухається.

Деформації поля зарядами, що утворюються в стрімері, та поєднання складних процесів, що відбуваються у стрімері, призводять до того, що іскровий розряд часто розвивається поштовхами. При цьому

новий стрімер пробігає шлях, прокладений попереднім згаслим стрімером. На рис. 178 представлена фотографія одиничного іскрового розряду. фотоплівці, що швидко рухається. Тут видно поштовхоподібний розвиток іскри і видно, що негативний і позитивний стример ростуть назустріч один одному. Коли головки стримерів зустрічаються, утворюється провідний канал, яким і відбувається розряд.

Аналогічна, але ще складніша картина виявляється при розвитку блискавки. Початковою стадією є розвиток пілотуючого стрімера блискавки, світіння якого майже невловиме. Зазвичай пілотуючий стрімер поширюється від негативно зарядженої хмари. Ще вузьким каналом підвищеної іонізації, утвореним пілотуючим стрімером блискавки, спрямовуються зі швидкістю близько тисяч кілометрів на секунду потужні електронні лавини, що створюють досить яскраве свічення. Електропровідність каналу при цьому надзвичайно зростає та перетин каналу розширюється. Цю стадію називають розвитком лідера блискавки. При малій початковій іонізації повітря розвиток лідера відбувається стрибкоподібно – із зупинками на десятки мілісекунд через кожні його поширення (такі лідери називають «ступінчастими» на відміну від так званих «стрілчастих», які поширюються з безперервною стрімкістю).

Мал. 179. Фотографія блискавки на плівці, що рухається. Тут паузи між першими ударами остання пауза в чотири рази довша.

При наближенні лідера до землі на землі індукуються заряди протилежного знака, і от високих будівель, блискавковідводів, дерев виростає зустрічний лідер. У момент його злиття з лідером, що опускається від хмари, тобто коли розрядний проміжок між хмарою і землею виявляється замкнутим електропровідним каналом, цим каналом пробігає головний розряд блискавки зі швидкістю близько десятків тисяч кілометрів на секунду. Якщо канал мав розгалуження (а так зазвичай і буває), то головний розряд поширюється по всіх відгалуженнях.

блискавки зазвичай має величину 10-20 см і найбільш яскраве свічення у нижній частині. У каналі створюється підвищений тиск, який після удару блискавки викликає розрив каналу, що породжує явище грому. Заряд, що переноситься блискавкою, зазвичай становить кілька кулонів і часто кілька десятків кулонів. Миттєве значення величини струму блискавки часто становить десятки, інколи ж і сотні тисяч амперів.

Блискавковий розряд забирає заряди зазвичай тільки з деякої частини хмари. До цього місця спрямовуються заряди з інших частин хмари. Тому найчастіше слідом за першим ударом блискавки через соті частки секунди за тим самим, але іноді деформованим або інакше розгалуженим каналом відбуваються повторні удари блискавки (два, три і більше); кожному їх передує лідер, який відновлює електропровідність каналу.

Мал. 180. Схема грозової (кучевс-дощової) хмари.

Мал. 179 відтворює картину п'яти ударів блискавки по одному каналу, знятих на плівку, що рухається. У деяких випадках сильний вітер зміщує канал блискавки, що навіть при фотографуванні звичайним апаратом можна розрізнити окремі удари розрядів.

На рис. 180 показана схема розподілу зарядів, що найбільш часто зустрічається, в грозовому хмарі. на передньому країхмари та по нижній частині його зазвичай розподілені негативні заряди. Тут є область позитивних зарядів; позитивно заряджена також вся верхня частинахмари. Напрям вітру, (на малюнку воно вказано стрілками), що носить хмару, зазвичай протилежне до наземного вітру. Спочатку сильний дощ забирає з хмари позитивний заряд, Пізніше йде помірний негативно заряджений дощ

За відсутності грози електричне поле у атмосфері спрямоване зверху вниз, оскільки земля заряджена негативно, а позитивний заряд розсіяний у атмосфері.

Коли відсутні обурювальні впливи, що створюються, зокрема, хмарами, напруженість електричного поля в атмосфері зменшується з висотою. У землі напруженість електричного поля має порядок На висоті вона дорівнює а на висоті приблизно Напруженість поля на висоті 20 км у 100 разів менше, ніж у землі.

Це швидке зменшеннянапруженості електричного поля з висотою показує, що в порівнянні з однорідним полемЕлектричне поле в атмосфері дуже ускладнене зарядами, розподіленими в атмосферному повітрі.

При грозах напруженість поля в атмосфері може у 100 та 1000 разів перевищувати нормальну.

Під грозовою хмарою напрямок поля найчастіше змінюється на зворотне, від землі до негативно зарядженого нижньому краюхмари, а напруженість поля поблизу землі перед блискавичним розрядом може сягати 200-300 тисяч вольт на метр. Різниця потенціалів між хмарою та землею перед ударом блискавки часто становить сотні мільйонів, а іноді й мільярди вольт. Більшість ударів блискавок походить від негативно заряджених хмар. Блискавки нерідко мають завдовжки кілька кілометрів. Часто блискавкові розряди відбуваються між окремими хмарами. Спостерігалися грози, за яких налічувалося 4-7 тисяч ударів блискавок за годину. на земній кулів середньому за добу відбувається близько 44 тисячі грози (одноразово в середньому близько 1800 гроз) і щохвилини відбувається кілька тисяч ударів блискавок.

Мал. 181. Фотографія кульової блискавки

У поодиноких випадках спостерігаються блискавкові розряди зовсім іншого типу. На рис. 181 відтворено одну з фотографій кульової блискавки. За описом спостерігачів кульові блискавкизазвичай мають вигляд куль, що світятьсядіаметром близько 10-20 см, а іноді й кількох метрів. Кульові блискавки пересуваються плавно, з невеликою швидкістю та в деяких випадках стрибкоподібно. Відзначені випадки, коли кульові блискавки, торкаючись землі чи будь-яких предметів, вибухали та завдавали сильних руйнувань.

Численні спроби лабораторного відтворення такого типу розряду не дали задовільних результатів, незважаючи на те, що деяким дослідникам (Планте в Гезехусу 1900 р., Кевуду та ін.)

вдавалося одержувати розряди кульового типу. На рис. 182 пояснено досвід Планте. Якщо застосовуючи високовольтне джерело постійної напруги, анод занурити в електроліт і підносити до поверхні електроліту катод, то запалюється дуговий розряд. Але коли електроліт занурений катод і до поверхні електроліту підноситься анод, дуга неспроможна утворитися, оскільки виключається можливість напруження і термоелектронної емісії з датода. Планте виявив, що в цьому випадку за дотримання певних умовміж анодом і поверхнею електроліту утворюється кулька, що світиться і швидко обертається, який через деякий час прослизає по поверхні електроліту до катода.

Мал. 182. Схема досвіду Планте.

Мал. 183. Фотографія чіткої блискавки.

Одна з численних гіпотез, запропонованих пояснення кульової блискавки (гіпотеза Мейснера), трактує цей тип розряду як завихрення газорозрядної плазми, що у вигині лінійної блискавки. За іншою гіпотезою (Матіаса) передбачається, що в кульовій блискавці хімічно акумулюється енергія розряду, причому утворюються нестійкі, здатні розкладатися з вибухом вищі з'єднанняазоту із киснем.

Іноді блискавка виявляється складається з декількох десятків невеликих куль, що світяться (діаметром менше 10 см), віддалених один від одного на відстань менше метра. Цей вид розряду називають неточною блискавкою (рис. 183). Прийнятною, досить обґрунтованою теорією кульових і чітких блискавок ще немає.

Якщо при використанні високої постійної напруги між електродами поставлена пластина з твердого діелектрика(скла, ебоніту і т. п.) і ця пластина має таку товщину, що іскра її не пробиває, а ширину не занадто велику, то спостерігається ковзний іскровий розряд, який проходить по поверхні пластини і огинає її. Для дослідження цього розряду його створюють на фотографічній платівці і потім виявляють її (рис. 184). Отримані таким шляхом зображення розряду називають фігурами Ліхтенберга. Їхній радіус пропорційний напрузі розрядного імпульсу. Цим користуються (застосовуючи спеціальні прилади для фотографування ковзного розряду - клідонографи) при масовому, статистичному дослідженніблискавок»

У СРСР ведеться систематичне вивченняблискавок та методів грозозахисту. Провідна роль цій галузі належить високовольтної лабораторії Енергетичного інституту Академії наук СРСР.

Коли напруга недостатньо велика для пробою газорозрядного проміжку, на електродах спостерігається особливий типрозряду-корона.

Мал. 184. Ковзаючий розрядить позитивного електрода.

Коронний розряд на високовольтних мережах викликає витікання електроенергії.

Дослідження корони показало, що на позитивному електроді коронний розряд при відносно невисокій напругі складається з ряду електронно-лавинних імпульсів, що тривають кожну десятитисячну частку секунди. При більш високій напрузіпереривчастість явищ менш дається взнаки і основну роль відіграють стримери, що обриваються там, де напруженість поля занадто мала для їх поширення. Будова та характер світіння коронного розрядуна негативному електроді до певної міри подібні з околокатодной зоною тліючого розряду.