7. Искровой разряд
Искровой разряд, в отличии от других видов разряда, является прерывистым даже при пользовании источником постоянного напряжения. По внешнему виду искровой разряд представляет собой пучок ярких зигзагообразных полос, постоянно сменяющих одна другую. Светящиеся полосы - искровые каналы - распространяются от обоих электродов. Разрядный промежуток в случае искры неоднороден, поэтому количественное исследование процессов в искровом разряде является затруднительным. Одним из основных методов исследования искрового разряда является фотографирование.
Потенциал зажигания искрового разряда весьма высок. Однако, когда промежуток уже пробит, сопротивление его резко уменьшается, и через промежуток проходит значительный ток. Если мощность источника мала, то разряд гаснет. После этого напряжение на разрядном промежутке снова возрастает и разряд вновь может зажечься. Такой процесс носит название релаксационных колебаний разряда. Если разрядный промежуток имеет большую ёмкость, каналы искры ярко светятся и производят впечатление широких полос. Это конденсированный искровой разряд.
Если между электродами находится какое-нибудь препятствие, то искра пробивает его, образуя более или менее узкое отверстие. Установлено, что температура газа в канале искры может возрастать до очень больших значений (10000-12000 К). Образование областей высокого давления и их передвижение в газе носят взрывной характер и сопровождаются звуковыми эффектами. Это может быть слабое потрескивание (при незначительных избыточных давлениях) или гром.
Особым видом искрового разряда является скользящий разряд, происходящий вдоль поверхности раздела какого-либо твёрдого диэлектрика и газа вокруг металлического электрода (острия), касающегося этой поверхности. Если в качестве диэлектрика использовать фотопластинку, то можно сделать эту картину видимой для глаза. Очертания, получаемые при помощи искрового разряда на поверхности диэлектрика, называют фигурами Лихтенберга. Фигуры Лихтенберга могут служить для определения полярности разряда и для определения высокого напряжения, так как максимальное напряжение разрядного импульса прямо пропорционально радиусу поверхности, которую занимает фигура. На этом принципе основаны приборы для измерения очень высоких напряжений - клинодографы. Если расстояние между электродами мало, то искровой разряд сопровождается разрушением анода - эрозией. Этот эффект используется для точечной сварки и резки металлов.
На основе многочисленных наблюдений над искровым разрядом в 1940 году Мик и независимо от него Ретер выдвинули теорию искрового разряда, которая получила название стримерной. Стример - это область газа с высокой степенью ионизации, распространяющаяся в направлении катода (положительный стример) или в направлении анода (отрицательный стример). Стримерная теория представляет собой теорию однолавинного пробоя. Согласно этой теории между электродами проходит лавина электронов. После прохождения лавины электроны попадают на анод, а положительные ионы, имея значительно меньшие скорости, образуют конусообразное ионизированное пространство. Плотность ионов в этом пространстве недостаточна для пробоя. Однако под действием фотоэлектронов возникают дополнительные лавины. Эти лавины будут двигаться к стволу главной лавины, если поле её пространственного заряда соизмеримо с приложенным напряжением. Таким образом пространственный заряд непрерывно увеличивается, и процесс развивается как самораспространяющийся стример. Когда напряжение, приложенное к разрядному промежутку, превышает минимальное пробивное значение, поле пространственного заряда, образованное лавиной, будет соизмеримо с величиной внешнего поля ещё до того, как лавина достигнет анода. В этом случае стримеры возникают в середине промежутка. Таким образом, для возникновения стримера необходимо соблюдение двух основных условий: 1) поле лавины и поле, созданное приложенным к электродам напряжением, должны находиться в определённом соотношении и 2) фронт лавины должен излучать достаточное количество фотонов для поддержания и развития стримера.
При большой мощности источника искровой разряд переходит в дуговой. К искровым разрядам относится и молния. В этом случае одним электродом является облако, а другим - земля. Напряжение в молнии достигает миллионов вольт, а ток - до сотни килоампер. Переносимый молнией заряд обычно составляет 10-30 кулон, а в отдельных случаях достигает 300 кулон.
Искровой разряд.
Если между двумя электродами в воздухе появляется электрическое поле напряженностью порядка 3·10 В/м, то возникает электрическая искра в виде ярко светящегося сложно изогнутого тонкого канала, соединяющего оба электрода (рис.4.8).
Пример искрового разряда – молния. Особенности такого разряда объясняются теорией стримеров. Согласно этой теории возникновению ярко светящегося канала искры предшествует появление отдельных слабо светящихся скоплений ионизированных частиц. В промежутке между электродами эти скопления – стримеры образуют проводящие мостики, по которым затем устремляется мощный поток электронов. Причиной возникновения стримеров является как образование электронных лавин, так и фотоионизация, т.е. ионизация газа возникающим в разряде излучением. В результате образуются вторичные лавины, которые нагоняют друг друга, образуя хорошо проводящий канал. Так, сила тока в канале молнии может составлять от 10 до 10 А, а напряжение между облаком и землей перед возникновением молнии достигает 10 – 10 В.
Съемки камерой с вращающимся объективом показали, что молнии предшествует развитие слабо светящегося канала – лидера, распространяющегося от облака к земле со скоростью 10 – 10 м/с. При этом происходит сильный разогрев воздуха в главном канале и возникает ударная звуковая волна – гром.
В промышленности используют электроискровую обработку металлов – упрочнение поверхности и сверление.
Коронный разряд.
Если один электрод тонкий (провод), а другой имеет большую поверхность (цилиндр) (рис.4.9), то возникает неоднородное электрическое поле. У провода силовые линии сгущаются и при напряженности поля 3·10 В/м возникают электронные лавины и свечение у провода в виде короны.
При удалении от провода напряженность поля уменьшается и электронные лавины обрываются.
Коронный разряд возникает при отрицательном потенциале на проводе, при положительном и при переменном напряжении между проводом и цилиндром. Меняется только направление лавин.
Электроны вылетающие за пределы короны, присоединяются к нейтральным атомам, заряжая их отрицательно. Это используют в электростатических фильтрах для очистки промышленных газов. Газ с пылью пропускают через систему электродов провод – цилиндр. Пыль заряжается прилипающими электронами и притягивается к цилиндру, затем стряхивается в бункер, а в атмосферу выходит газ без пыли.
Коронный разряд может возникнуть возле любых тонких проводников, заострений. Такой разряд наблюдался в предгрозовую пору на верхушках корабельных мачт, деревьев. Можно наблюдать зажигание короны возле проводов, находящихся под высоким напряжением. Для предотвращения коронного разряда и токов утечки, проводники должны иметь достаточно большой диаметр.
Дуговой разряд.
Дуговой разряд был открыт в 1802 году профессором физики В.Петровым. Он получил разряд в виде светящейся дуги, раздвигая два угольных электрода, предварительно приведенные в соприкосновение и присоединенные к мощной батарее гальванических элементов. В месте контакта сопротивление цепи высокое и происходит сильный разогрев, угли раскаляются. В результате возникает термоэлектронная эмиссия из катода. Электроны бомбардируют анод, образуя в нем углубление – кратер. Температура анода около 4000 К, при 20 атм она может подняться до 7000 К. Сила тока достигает десятков и сотен ампер, а напряжение на разрядном промежутке составляет несколько десятков вольт. Этот тип дугового разряда применяется для сварки и резки металлов.
4. Плазмой называют сильно ионизованный газ, в котором концентрации положительных ионов и отрицательных электронов практически одинаковы. Плазма может быть высокотемпературной, полученной при высоких температурах термической ионизацией атомов, например, при термоядерном синтезе или в области дугового разряда. Газоразрядная низкотемпературная плазма возникает в электрическом поле.
Плазма имеет сходство с обычными газами и подчиняется газовым законам. Однако по электропроводности она приближается к металлам, для нее характерно сильное взаимодействие с электрическими и магнитными полями. Наличие подвижных разноименно заряженных частиц сопровождается их рекомбинацией и свечением.
Плазма используется в магнитогидродинамических (МГД) генераторах электрического тока. Низкотемпературная плазма применяется в газовых лазерах и плазменных телевизорах.
ЛЕКЦИЯ 5
Тема: Магнитное поле в вакууме и в веществе
Вопросы: 1) Действие магнитного поля на проводник с током. Магнитная
индукция.
2) Магнитное поле проводника с током. Закон Био-Савара-Лапласа.
3) Контур с током в магнитном поле.
4) Работа в магнитном поле.
1. В 1820 году Ампер открыл действие тока на магнитную стрелку: при пропускании тока через проводник расположенная рядом с ним магнитная стрелка поворачивается перпендикулярно к проводнику. Опыты Ампера показали, что проводники с током притягиваются друг к другу, если токи в них текут в одну сторону, и отталкиваются, если токи текут в противоположных направлениях. Таким образом, было установлено, что вокруг проводников с током существует магнитное поле. Обнаружить его можно по действию на проводник с током или постоянный магнит.
Пусть в однородном магнитном поле помещен прямой проводник длиной l с током I (рис.5.1).
Из опытов было установлено, что на проводник со стороны магнитного поля действует сила (сила Ампера)
F = I l B sinα,
где α – угол между проводником и направлением магнитного поля.
Направление силы можно определить по правилу левой руки (если четыре пальца расположить по направлению тока, а силовые линии магнитного поля будут входить в ладонь, то отогнутый большой палец покажет направление силы).
Если угол α между направлениями вектора В и тока в проводнике отличен от 90°, то для определения направления силы более удобно пользоваться правилом буравчика: воображаемый буравчик располагается перпендикулярно плоскости, содержащей вектор В и проводник с током, затем его рукоятка поворачивается от направления тока к направлению вектора В . Поступательное перемещение буравчика будет показывать направление силы. Правило буравчика часто называют правилом правого винта.
Сила Ампера зависит как от силы тока, так и от магнитного поля. Величина В называется магнитной индукцией и служит основной силовой характеристикой магнитного поля.
Если положить I = 1 А, l = 1 м, α = 90º, то B = F. Отсюда вытекает физический смысл В. Магнитной индукцией В называется физическая величина, численно равная силе, с которой магнитное поле действует на прямой проводник единичной длины с током единичной силы, расположенный перпендикулярно к силовым линиям магнитного поля.
Единица измерения магнитной индукции: [B] = Н/А·м = Тл (тесла).
Теперь становится понятным, почему два проводника с током притягиваются или отталкиваются: в зависимости от направления токов магнитное поле одного проводника выталкивает или втягивает другой проводник с током.
Магнитное поле удобно изображать с помощью силовых линий. Представление о таких линиях дает расположение железных опилок возле полюсов постоянного магнита.
Линией магнитной индукции (силовой линией) называется такая линия, проведенная в магнитном поле, касательная к которой в любой точке совпадает с вектором магнитной индукции в этой точке. Линии магнитной индукции замкнуты и охватывают проводник с током. Тот факт, что силовые линии не имеют начала, говорит об отсутствии магнитных зарядов.
Направление силовых линий определяется по правилу буравчика: если ввинчивать буравчик так, чтобы винт двигался по направлению тока, то направление движения рукоятки совпадет с направлением силовой линии. Густота силовых линий пропорциональна величине магнитной индукции. Вблизи проводника с током магнитное поле неоднородно, чем ближе к проводнику, тем поле сильнее и силовые линии гуще. Однородное магнитное поле можно создать внутри длинной катушки с током.
Как видно из рисунка 5.6, магнитное поле катушки с током аналогично магнитному полю постоянного магнита, т.е. имеет «северный» конец N, из которого выходят силовые линии, и «южный» S, в который силовые линии входят. Индикаторные магнитные стрелки ориентируются по направлению касательных к линиям индукции.
Введем понятие – магнитный поток или поток Ф вектора магнитной индукции сквозь площадку S: Ф =В Scosα, где α – угол между нормалью (перпендикуляром) к площадке и магнитной индукцией В .
Единица измерения потока вектора магнитной индукции [Ф] = Тл·м² = Вб (вебер).
Если поле неоднородное и поверхность не плоская, то ее разбивают на бесконечно малые элементы dS так, что каждый элемент можно считать плоским, а поле однородным. Поток вектора магнитной индукции через элемент поверхности dФ = ВdScosα, а через всю поверхность
2. В результате многих опытов разных ученых был выведен закон Био – Савара – Лапласа, позволяющий рассчитывать магнитную индукцию полей, создаваемых проводниками с током.
Тогда величина магнитной индукции в точке, удаленной от проводника на расстояние r определяется по закону Био-Савара-Лапласа, как
,
где величина μ0 = 4π·10 Гн/м называется магнитной постоянной.
Направление вектора dВ перпендикулярно плоскости, в которой лежат dl и r. Вектор dВ направлен по касательной ксиловой линии, проведенной через рассматриваемую точку поля, в соответствии с правилом буравчика.
Для магнитного поля выполняется принцип суперпозиции: если имеется несколько проводников с током, то магнитная индукция в любой точке равна векторной сумме магнитных индукций, создаваемых в этой точке каждым проводником отдельно. Принцип суперпозиции справедлив и для элементов тока. Применяя совместно закон Био-Савара-Лапласа и принцип суперпозиции, можно определить магнитную индукцию различных проводников с током.
Пример. Магнитное поле в центре кругового проводника с током.
Магнитные индукции каждого элемента тока dl в центре направлены в одну сторону, перпендикулярную к плоскости контура проводника, и просто суммируются. Это можно понять, если провести через центр силовые линии каждого элемента проводника с током и построить к ним касательные. Направление магнитной индукции кругового проводника с током можно определять и по правилу буравчика: если ввинчивать буравчик, вращая рукоятку по направлению тока, то винт покажет направление магнитной индукции в центре.
Величину магнитной индукции определим по закону Био-Савара-Лапласа
Создаваемые круговыми токами магнитные поля удобно описывать с помощью магнитного момента pm = IS, где I–ток в контуре, а S– площадь, обтекаемая током. За направление магнитного момента принимают направление нормали к плоскости витка, совпадающее с направлением вектора В
в центре. Тогда 
Можно показать, что магнитная индукция внутри длинной катушки с током (соленоида) B = μ0μnI, где n – число витков на единице длины катушки.
3. Поместим проводник, согнутый в виде прямоугольной рамки, в однородное магнитное поле.
При протекании тока по проводнику на каждую его сторону действует сила со стороны магнитного поля. На верхнюю и нижнюю стороны действуют растягивающие контур силы. На боковые стороны действуют силы F1 = F2 = IBl sin90º, где l - длина боковой стороны. Каждая из этих сил создает вращающий момент М = Fd, где d – плечо силы.
Момент пары сил М = 2Fd.= 2IBl d. Из рис.5.10 видно, что . Тогда M = IBla sinα или M = IBSsinα, где S – площадь рамки. Контур с током поворачивается до тех пор, пока его вращающий момент не станет равным нулю, т.е. станет равным нулю угол α. Таким образом, рамка с током в магнитном поле стремиться развернуться перпендикулярно к силовым линиям. Можно связать вращающий момент и магнитный момент контура с током
Вращающий момент перестает действовать, когда магнитный момент контура с током ориентирован вдоль направления магнитной индукции поля.
Рис.5.11
3. Магнитное поле может перемещать проводник с током, значит, поле совершает работу. Пусть прямой проводник длиной l под действием однородного магнитного поля переместится на расстояние dx в направлении, перпендикулярном к силовым линиям магнитного поля.
Рис.5.12
Работа dA = Fdx = Il Bdx. Так как произведение перемещения на длину проводника – это площадь dS, описываемая проводником при движении, то dA = IBdS, или dA = IdФ. Следовательно, работа по перемещению проводника в магнитном поле равна произведению силы тока в проводнике на магнитный поток, проходящий сквозь площадь, описываемую проводником при движении.
ЛЕКЦИЯ 6
Тема: Действие магнитного поля на движущийся заряд. Магнитное поле в
веществе
Вопросы: 1) Сила Лорентца.
2) Движение заряда в магнитном поле.
3) Магнитное поле в веществе.
4) Ферромагнетики.
1. Проводник с током создает в окружающем пространстве магнитное поле. Поскольку электрический ток представляет собой направленное движение заряженных частиц, то и любой движущийся заряд создает магнитное поле. Можно записать закон Био-Савара-Лапласа для одного заряда. Для этого преобразуем Idl = jSdl = nqvSdl = Nqv. Здесь j – плотность тока, n - число заряженных частиц в единице объема (концентрация частиц), v - скорость частиц. N – полное число частиц в отрезке dl проводника. Теперь магнитная индукция, создаваемая отрезком проводника с током, может быть представлена как
,
а магнитная индукция поля, создаваемого в вакууме одним зарядом q на расстоянии r от заряда
Направление силовых линий определяется по правилу буравчика.
Магнитное поле действует на ток, а значит и на каждый заряд должна тоже действовать сила. Выражение для нее получил Г.Лорентц.
На заряд q, движущийся в магнитном поле со скоростью v действует сила F = qvBsinα, где α – угол между направлением скорости и магнитной индукции. Направление силы для положительного заряда определяется по правилу левой руки или правого винта (вращать от v к B ).
Таким образом, между движущимися зарядами существует как электрическое, так и магнитное взаимодействие.
2. Пусть частица с зарядом q и скоростью v влетает в однородное магнитное поле перпендикулярно к линиям магнитной индукции B (рис.6.3).
Сила, действующая на частицу, F = qvBsin90º. Сила перпендикулярна к скорости, значит, она не совершает работы и не меняет энергию и величину скорости частицы. Однако, сила, перпендикулярная к скорости, всегда вызывает центростремительное ускорение и движение по окружности, т.е.
Радиус окружности траектории тем больше, чем больше скорость частицы. С увеличением магнитной индукции радиус уменьшается. Он зависит также от удельного заряда q/m частицы.
Период обращения частицы Т = 2πR/v. Подставив выражение для радиуса, получим , т.е. период от скорости не зависит.
Пусть теперь заряженная частица влетает в магнитное поле под углом α к направлению магнитной индукции (рис.6.4).
В этом случае скорость частицы v0 можно представить как векторную сумму тангенциальной скорости vt, направленной вдоль В, и нормальной скорости vn, перпендикулярной к В.
vt = v0 cosα, подставив эту скорость в выражение для силы Лорентца, получим F = qvtBsin0º, т.е. F = 0. Значит, вдоль силовой линии сила на частицу не действует и она движется равномерно и прямолинейно в этом направлении.
vn = v0 sinα,. сила Лоренца F = qvnBsin90º вызывает центростремительное ускорение и движение по окружности с радиусом и периодом . В результате частица описывает траекторию в виде цилиндрической спирали с шагом (расстояние между витками спирали, на которое частица перемещается вдоль силовой линии, сделав один полный оборот) f = vt T.
Закономерности движения заряженных частиц в магнитных и электрических полях используются в ускорителях, магнетронах, масс-спектрометрах и др.
3. Все вещества состоят из атомов и молекул, движение электронов в которых представляет собой замкнутые молекулярные токи. Каждый из этих токов создает магнитное поле, т.е. обладает магнитным моментом
где I – сила тока, S - площадь, обтекаемая током, n - единичный вектор нормали к плоскости витка с током.
В обычных условиях в результате теплового движения частиц магнитные моменты молекулярных токов разориентированы. Если поместить вещество в магнитное поле, то магнитные моменты частиц частично или полностью ориентируются вдоль внешнего магнитного поля, усиливая его (рис.6.6).
Вещества, способные намагничиваться, называются магнетиками. Магнитное состояние вещества характеризуется вектором намагничения, т.е. магнитным моментом единицы объема вещества
Единица измерения намагниченности – тесла. Для удобства рассмотрения ввели физическую величину Н –
напряженность магнитного поля. Это силовая характеристика магнитного поля, связанная с магнитной индукцией соотношением . Она характеризует магнитное поле в вакууме. Из опытов следует, что вектор намагничения пропорционален напряженности магнитного поля 
, где χ – магнитная восприимчивость вещества.
Полное значение магнитной индукции в магнетике равно
Значит, магнитная индукция в веществе 
, где μ – магнитная проницаемость вещества. Она показывает, во сколько раз магнитное поле в веществе сильнее, чем в вакууме.
Есть некоторые вещества, у которых μ<1, их называют диамагнетиками (азот, вода, серебро, висмут). У них магнитный момент молекулярных токов устанавливается против поля, что объясняется появлением дополнительного вращения электронных орбиталей (прецессии) в магнитном поле.
У многих веществ μ >1, их называют парамагнетиками (кислород, алюминий и др.). У диамагнетиков и парамагнетиков магнитная проницаемость близка к единице, т.е. они намагничиваются слабо.
На границе раздела двух различных сред с разными значениями магнитной проницаемости линии магнитной индукции преломляются. Нормальная составляющая ветора магнитной индукции не меняется
Касательные к границе раздела составляющие индукции испытывают скачок, причем
Из этих формул вытекает закон преломления линий индукции
где - угол между линиями магнитной индукции в среде 1 и нормалью к поверхности раздела, а - соответствующий угол в среде 2. Значит, линии индукции, входя в среду с большей магнитной проницаемостью, удаляются от нормали и сгущаются (рис.6.7).
Рис.6.7 а – шар в магнитном поле (μ шара больше μ среды);
б - шар в магнитном поле (μ шара меньше μ среды);
в - железный цилиндр помещен в первоначально однородное
магнитноеполе.
4. Есть вещества, которые способны сильно намагничиваться, их магнитная проницаемость имеет величину порядка тысяч единиц и может достигать в специальных случаях миллиона. Такие свойства проявляет железо и его сплавы, поэтому этот класс веществ назвали ферромагнетиками. Свойства ферромагнетиков проявляют и другие металлы (табл.6.1).
Табл.6.1 Ферромагнитные металлы
Ферромагнетики - вещества (как правило, в твёрдом кристаллическом или аморфном состоянии), в которых ниже определённой критической температуры ТК (точки Кюри) устанавливается дальний ферромагнитный порядок магнитных моментов атомов. Иными словами, ферромагнетик - такое вещество, которое при охлаждении ниже определённой температуры приобретает магнитные свойства. Выше точки Кюри ферромагнитные свойства исчезают.
Для ферромагнетиков характерна сильная ориентировка магнитных моментов атомов без внешнего магнитного поля. В результате обменного взаимодействия электронов образуются отдельные области самопроизвольного намагничения – домены. Такие домены были обнаружены на опыте с помощью порошковых фигур. На хорошо отполированную поверхность ферромагнетика помещают слой жидкости с порошком оксида железа. Крупинки оседают в местах неоднородности магнитного поля, то есть у стенок доменов, и границы доменов хорошо видны в микроскопе (рис.6.7).
Рис. 6.7 а – без магнитного поля; б – магнитное поле перпендикулярно плоскости чертежа; в – магнитное поле противоположного направления.
Направления намагничения в отдельных доменах различны и таковы, что полный магнитный момент ферромагнетика равен нулю. При включении внешнего магнитного поля растут домены, у которых вектор намагничения составляет острый угол с направлением внешнего магнитного поля, а объем доменов с тупым углом уменьшается.
Рис.6.8 Процесс намагничения ферромагнетика: а,б,в – смещение
границ; г и д – вращение вектора намагничения
В случае слабых полей (область 1) смещения границ обратимы и точно следуют за изменением поля. При увеличении поля смещения границ доменов делаются необратимыми и невыгодные домены исчезают. Затем при еще большем увеличении поля изменяется направление магнитного момента внутри домена. В очень сильном магнитном поле магнитные моменты всех доменов устанавливаются параллельно полю и ферромагнетик теперь намагничен до насыщения.
Все эти процессы намагничивания происходят с некоторой задержкой, то есть отстают от изменения поля, это явление называется гистерезисом (рис.6.8).
Рис.6.9 Петля гистерезиса
Если уменьшать магнитное поле, то когда поле Н станет равным нулю, в магнетике наблюдается остаточное намагничение +В. Чтобы полностью размагнитить магнетик, надо приложить магнитное поле противоположного знака –Нс. Это поле называют коэрцитивной силой ферромагнетика.
При циклическом перемагничении ферромагнетика изменение индукции в нем будет изображаться петлей гистерезиса. Работа при циклическом перемагничении пропорциональна площади петли гистерезиса. На нее затрачивается энергия магнитного поля, которая в конечном итоге превращается в тепло.
Электрическая искра имеет вид тонкой, прихотливо изогнутой и ярко светящейся полоски, которая обычно сильно разветвлена (рис. 174). Этот светящийся канал искры никогда, однако, не бывает хоть сколько-нибудь похож на те остроугольные зигзаги, посредством которых принято условно изображать молнию.
Рис. 174. Характерный вид искры.
Полоска искры с огромной быстротой пронизывает разрядный промежуток, гаснет и вновь возникает. Фотографирование искры посредством камеры с быстро движущимся объективом (камеры Бейса) или с быстро движущейся пленкой показывает, что по одному и тому же каналу искры, который иногда деформируется, пробегает несколько разрядов. Для исследования отдельных стадий развития искры применяют фотозатворы, управляемые высокочастотным током и основанные на применении явления Керра (§ 95). Одно из первых исследований строения искры было выполнено проф. Рожанским в 1911 г. Рожанский производил фотографирование искры, отклоняя искру действием магнитного поля.
Пробой газа, завершающийся искровым разрядом, происходит при определенной напряженности поля, которая должна быть тем больше, чем больше плотность газа и чем меньше его начальная ионизация.
Ниже приведены числовые данные, характеризующие величину искрового промежутка в комнатном воздухе. Напряженность электрического поля близ электродов сильно зависит от кривизны
поверхности электрода, поэтому минимальные напряжения, при которых для данного расстояния между электродами начинается лавинный разряд, неодинаковы для электродов различной формы; между остриями искровой разряд начинается при более низком напряжении, чем между шарами или плрскими электродами.
Величина искрового промежутка в комнатном воздухе
(см. скан)
В комнатном воздухе обычно содержится лишь очень незначительное число ионов, примерно несколько тысяч в кубическом сантиметре (при нормальном электрическом состоянии атмосферы у поверхности земли - в среднем около 700 пар ионов в 1 см
Рис. 175. Схема развития отрицательного стримера
Когда к электродам приложено достаточно высокое напряжение, то начинается рост электронных лавин, но благодаря малому начальному числу ионов требуется время, чтобы начавшийся процесс завершился образованием искры. Если соединить электроды с источником тока высокого напряжения на чрезвычайно короткое время, то развитие электронных лабин не успеет завершиться искровым разрядом. Измерение времени, в течение которого в газе благодаря развитию лавин образуются каналы повышенной электропроводности, показало, что в данном случае большую роль играет фотонная ионизация.
На рис. 175 представлена схема, поясняющая, почему рост электропроводящего канала, или, как говорят, распространение
стримера, происходит быстрее, чем продвижение электронной лавины. На этом рисунке лавины условно показаны в виде заштрихованных конусов, а волнистыми линиями изображены пути фотонов. Нужно представить себе, что внутри каждого конуса, изображающего развивающуюся лавину, газ ионизируется ударами электронов; новоотщепленные электроны, разгоняемые полем, ионизируют встречаемые ими частицы газа, и таким образом лавинно нарастает число электронов, движущихся к аноду, и число положительных ионов, дрейфующих к катоду. Левые концы волнистых линий показывают атомы, которые были «возбуждены» ударом электрона и вслед за тем испустили фотон. Двигаясь со скоростью фотоны обгоняют лавину и в каком-то месте, которое изображено концом волнистой линии, ионизируют частицу газа. Отщепленный здесь электрон, устремляясь к аноду, порождает новую лавину далеко впереди первой лавины. Таким образом, пока первая лавина вырастает, скажем, на величину малой стрелки показанной на рис. 175, намечающийся канал повышенной электропроводности газа, т. е. стример, распространяется на величину большой стрелки показанной на том же рисунке. В следующей стадии отдельные лавины в отрицательном стримере, нагоняя друг друга, сливаются, образуя целостный канал ионизированного газа (на рисунке первая лавина уже нагнала вторую, а четвертая нагнала пятую).
Физико-математические условия, при соблюдении которых может происходить развитие стримеров, были теоретически изучены Миком и Лебом 1940 г.). Как уже было пояснено выше, отрицательный стример представляет собой, в сущности, ускоренное действием фотоионизации продвижение электронных лавин и их слияние в общий электропроводящий канал.
Совершенно иное строение и существенно иные свойства имеет положительный стример. Общей чертой его с отрицательным стримером является только фотоионизация, которая в обоих случаях играет главенствующую роль.
Положительный стример представляет собой канал газоразрядной плазмы, стремительно вырастающий от анода к катоду. На рис. 176 схематически пояснено, как происходит развитие такого канала. Возникновению положительного стримера предшествует пробег электронных лавин по газоразрядному промежутку. Они оставляют на своем пути большое число новообразованных положительных ионов, концентрация которых особенно велика там, где лавины получили свое наибольшее развитие, т. е. около анода (рис. 176, наверху слева). Если концентрация положительных ионов здесь достигает определенной величины (близкой к ионам в ), то, во-первых, обнаруживается интенсивная фотоионизация, во-вторых, электроны, освобождаемые частицами газа, поглотившими фотоны, притягиваются положительным пространственным зарядом в головную часть положительного стримера, и, в-третьих, вследствие фотоионизации концентрация положительных ионов на пути стримера к катоду возрастает. На рис. 176 пути фотонов показаны волнистыми линиями; фотоны выбрасываются в разные стороны из области положительного пространственного заряда (короткие стрелки указывают направление движения отщепленных электронов); видно, что многие электроны вовлекаются в область наибольисей концентрации положительных ионов в головную часть положительного стримера. Насыщение электронами пространства, заполненного положительными зарядами, превращает эту область в газоразрядную плазму.
(кликните для просмотра скана)
Так формируется в газе канал, обладающий высокой электропроводностью. Формирование этого канала с газоразрядной плазмой и является развитием положительного стримера (рис. 176). Если на пути прорастания этого канала в направлении к катоду в головной части стримера имеется достаточная концентрация положительных ионов, то стример продвигается с громадной скоростью. В противном случае он обрывается.
Поясненные выше схемы развития стримеров дают только приблизительное представление о подготовительной стадии искрового разряда. Действительная картина развития стримера более сложна, так как образующиеся пространственные заряды резко искажают электрическое поле, вызвавшее возникновение стримера.
В длинных газоразрядных промежутках неравномерности поля и недостаточная фотоионизация по направлению кратчайшего расстояния от головной части стримера к электроду приводят к искривлениям канала и возникновению многочисленных ответвлений.
Развитие положительных стримеров начинается у положительного электрода в местах наибольшей напряженности поля: около острых выступов, острых кромок и других неровностей поверхности анода. Поэтому при разряде между острием и диском часто наблюдаются искры, соединяющие положительное острие с центром отрицательного диска, и искры, соединяющие кромки положительно заряженного диска с отрицательным острием (рис. 177); в первом случае пробой происходит при меньшем напряжении.
Рис. 177. Характерный вид искрового разряда между острием и диском при большом разрядном промежутке.
Рис. 178. Фотография искры на движущейся пленке.
Деформации поля зарядами, образующимися в стримере, и сочетание сложных процессов, происходящих в стримере, приводят к тому, что искровой разряд часто развивается толчками. При этом
новый стример пробегает путь, проложенный предыдущим угасшим стримером. На рис. 178 представлена фотография единичного искрового разряда на. быстро движущейся фотопленке. Здесь видно толчкообразное развитие искры и видно, что отрицательный и положительный стримеры растут навстречу друг другу. Когда головки стримеров встречаются, образуется проводящий канал, по которому и происходит разряд.
Аналогичная, но еще более сложная картина обнаруживается при развитии молнии. Начальной стадией является развитие пилотирующего стримера молнии, свечение которого почти неуловимо. Обычно пилотирующий стример распространяется от отрицательно заряженного облака. По еще узкому каналу повышенной ионизации, образованному пилотирующим стримером молнии, устремляются со скоростью порядка тысяч километров в секунду мощные электронные лавины, создающие довольно яркое свечение. Электропроводность канала при этом чрезвычайно возрастает и сечение канала расширяется. Эту стадию называют развитием лидера молнии. При малой начальной ионизации воздуха развитие лидера происходит скачкообразно - с остановками на десятки миллисекунд через каждые его распространения (такие лидеры называют «ступенчатыми» в отличие от так называемых «стрельчатых», которые распространяются с непрерывной стремительностью).
Рис. 179. Фотография молнии на движущейся пленке. Здесь паузы между первыми ударами последняя пауза в чечетыре раза длиннее.
При приближении лидера к земле в земле индуцируются заряды противоположного знака, и от высоких зданий, молниеотводов, деревьев вырастает встречный лидер. В момент его слияния с лидером, опускающимся от облака, т. е. когда разрядный промежуток между облаком и землей оказывается замкнутым электропроводящим каналом, по этому каналу пробегает главный разряд молнии со скоростью порядка десятков тысяч километров в секунду. Если канал имел разветвления (а так обычно и бывает), то главный разряд распространяется по всем ответвлениям Диаметр основного канала
молнии обычно имеет величину 10-20 см и наиболее яркое свечение в нижней части. В канале создается повышенное давление, которое после удара молнии вызывает разрыв канала, что и порождает явление грома. Заряд, переносимый молнией, обычно составляет несколько кулонов и часто несколько десятков кулонов. Мгновенное значение величины тока молнии часто составляет десятки, а иногда и сотни тысяч амперов.
Молниевой разряд уносит заряды обычно только из некоторой части облака. К этому месту устремляются заряды из других частей облака. Поэтому чаще всего вслед за первым ударом молнии через сотые доли секунды по тому же, но иногда несколько деформированному или иначе разветвленному каналу происходят повторные удары молнии (два, три и больше); каждому из них предшествует лидер, восстанавливающий электропроводность канала.
Рис. 180. Схема грозового (кучевс-дождевого) облака.
Рис. 179 воспроизводит картину пяти ударов молнии по одному каналу, снятых на движущуюся пленку. В некоторых случаях сильный ветер так смещает канал молнии, что даже при фотографировании обычным аппаратом можно различить отдельные удары разрядов.
На рис. 180 показана схема наиболее часто встречающегося распределения зарядов в грозовом облаке. На переднем крае облака и по нижней части его обычно распределены отрицательные заряды. Здесь же имеется область положительных зарядов; положительно заряжена также вся верхняя часть облака. Направление ветра, (на рисунке оно указано стрелками), уносящего облако, обычно противоположно наземному ветру. Вначале сильный дождь уносит из облака положительный заряд, позже идет умеренный отрицательно заряженный дождь.
В отсутствие грозы электрическое поле в атмосфере направлено сверху вниз, так как земля заряжена отрицательно, а положительный заряд рассеян в атмосфере.
Когда отсутствуют возмущающие влияния, создаваемые, в частности, грозовыми облаками, напряженность электрического поля в атмосфере уменьшается с высотой. У земли напряженность электрического поля имеет порядок На высоте она равна а на высоте примерно Напряженность поля на высоте 20 км в 100 раз меньше, чем у земли.
Это быстрое уменьшение напряженности электрического поля с высотой показывает, что в сравнении с однородным полем электрическое поле в атмосфере весьма усложнено зарядами, распределенными в атмосферном воздухе.
При грозах напряженность поля в атмосфере может в 100 и 1000 раз превышать нормальную.
Под грозовым облаком направление поля чаще всего меняется на обратное, от земли к отрицательно заряженному нижнему краю облака, а напряженность поля вблизи земли перед молниевым разрядом может достигать 200-300 тысяч вольт на метр. Разность потенциалов между облаком и землей перед ударом молнии часто составляет сотни миллионов, а иногда и миллиарды вольт. Большинство ударов молний происходит от отрицательно заряженных облаков. Молнии нередко имеют в длину несколько километров. Часто молниевые разряды происходят между отдельными тучами. Наблюдались грозы, при которых насчитывалось 4-7 тысяч ударов молний за час. На земном шаре в среднем за сутки происходит около 44 тысяч гроз (единовременно в среднем около 1800 гроз) и ежеминутно происходит несколько тысяч ударов молний.
Рис. 181. Фотография шаровой молнии
В редких случаях наблюдаются молниевые разряды совершенно иного типа. На рис. 181 воспроизведена одна из фотографий шаровой молнии. По описанию наблюдателей шаровые молнии обычно имеют вид светящихся шаров диаметром около 10-20 см, а иногда и нескольких метров. Шаровые молнии передвигаются плавно, с небольшой скоростью и в некоторых случаях скачкообразно. Отмечены случаи, когда шаровые молнии, касаясь земли или каких-либо предметов, взрывались и причиняли сильные разрушения.
Многочисленные попытки лабораторного воспроизведения такого типа разряда не дали удовлетворительных результатов, несмотря на то, что некоторым исследователям (Плантэ в Гезехусу в 1900 г., Кэвуду и др.)
удавалось получать разряды шарового типа. На рис. 182 пояснен опыт Плантэ. Если, применяя высоковольтный источник постоянного напряжения, анод погрузить в электролит и подносить к поверхности электролита катод, то зажигается дуговой разряд. Но когда в электролит погружен катод и к поверхности электролита подносится анод, дуга не может образоваться, так как исключается возможность накала и термоэлектронной эмиссии из датода. Плантэ обнаружил, что в этом случае при соблюдении определенных условий между анодом и поверхностью электролита образуется светящийся и быстро вращающийся шарик, который через некоторое время проскальзывает по поверхности электролита к катоду.
Рис. 182. Схема опыта Плантэ.
Рис. 183. Фотография четочной молнии.
Одна из многочисленных гипотез, предложенных для объяснения шаровой молнии (гипотеза Мейснера), трактует этот тип разряда как завихрение газоразрядной плазмы, происходящее в изгибе линейной молнии. По другой гипотезе (Матиаса) предполагается, что в шаровой молнии химически аккумулируется энергия разряда, причем образуются неустойчивые, способные разлагаться со взрывом высшие соединения азота с кислородом.
Иногда молния оказывается состоящей из нескольких десятков небольших светящихся шаров (диаметром меньше 10 см), удаленных один от другого на расстояние менее метра. Этот вид разряда называют неточной молнией (рис. 183). Приемлемой, достаточно обоснованной теории шаровых и четочных молний еще не имеется.
Если при использовании высокого постоянного напряжения между электродами поставлена пластина из твердого диэлектрика (стекла, эбонита и т. п.) и пластина эта имеет такую толщину, что искра ее не пробивает, а ширину не слишком большую, то наблюдается скользящий искровой разряд, который проходит по поверхности пластины и огибает ее. Для исследования этого разряда его создают на фотографической пластинке и потом проявляют ее (рис. 184). Получаемые таким путем изображения разряда называют фигурами Лихтенберга. Их радиус пропорционален напряжению разрядного импульса. Этим пользуются (применяя особые приборы для фотографирования скользящего разряда - клидонографы) при массовом, статистическом исследовании молний»
В СССР ведется систематическое изучение молний и методов грозозащиты. Ведущая роль в этой области принадлежит высоковольтной лаборатории Энергетического института Академии наук СССР.
Когда напряжение недостаточно велико для пробоя газоразрядного промежутка, на электродах наблюдается особый тип разряда-корона.
Рис. 184. Скользящий разрядит положительного электрода.
Коронный разряд на высоковольтных сетях вызывает утечки электроэнергии.
Исследование короны показало, что на положительном электроде коронный разряд при относительно невысоких напряжениях состоит из ряда электронно-лавинных импульсов, длящихся каждый десятитысячные доли секунды. При более высоком напряжении прерывистость явлений менее сказывается и основную роль играют стримеры, обрывающиеся там, где напряженность поля слишком мала для их распространения. Строение и характер свечения коронного разряда на отрицательном электроде в некоторой мере сходны с околокатодной зоной тлеющего разряда.
Искровой разряд, 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 . И. р. в собственном смысле этого термина происходит, если мощность питающего его 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 мксек до нескольких сотен мксек ) падает ниже напряжения погасания И. р., что приводит к прекращению разряда. Затем разность потенциалов между электродами вновь растет, достигает напряжения зажигания И. р. и процесс повторяется. В других случаях, когда мощность источника энергии достаточно велика, также наблюдается вся совокупность явлений, характерных для И. р., но они являются лишь переходным процессом, ведущим к установлению разряда другого типа - чаще всего дугового.
И. р. 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 И. р. входят не только ионы исходного газа, но и ионы вещества электродов, интенсивно испаряющегося под действием разряда. Механизм формирования искровых каналов (и, следовательно, возникновения И. р.) объясняется стримерной теорией электрического пробоя газов. Согласно этой теории, из электронных лавин, возникающих в электрическом поле разрядного промежутка, при определённых условиях образуются стримеры - тускло светящиеся тонкие разветвленные каналы, которые содержат ионизированные атомы газа и отщепленные от них свободные электроны. Стримеры, удлиняясь, перекрывают разрядный промежуток и соединяют электроды непрерывными проводящими нитями. Происходящее затем превращение стримеров в искровые каналы сопровождается резким возрастанием силы тока и количества энергии, выделяющегося в них. Каждый канал быстро расширяется, в нём скачкообразно повышается давление, 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).
Величины, характеризующие И. р. (напряжение зажигания, напряжение погасания, максимальная сила тока, длительность), могут меняться в широких пределах в зависимости от параметров разрядной цепи, величины разрядного промежутка, геометрии электродов, давления газа и т. д. Напряжение зажигания И. р., как правило, достаточно велико. Градиент напряжения в искре понижается от нескольких десятков кв /см в момент пробоя до 100 в /см спустя несколько микросекунд. Максимальная сила тока в мощном И. р. может достигать значений порядка нескольких сотен ка .
Особый вид И. р. - скользящий И. р., возникающий вдоль поверхности раздела газа и твёрдого диэлектрика, помещенного между электродами. Области скользящего И. р., в которых преобладают заряды какого-либо одного знака, индуцируют на поверхности диэлектрика заряды другого знака, вследствие чего искровые каналы стелются по поверхности диэлектрика (см. Лихтенберга фигуры ). Процессы, близкие к происходящим при И. р., свойственны также кистевому разряду .
И. р. нашёл разнообразные применения в технике. С его помощью инициируют взрывы и процессы горения, измеряют высокие напряжения; его используют в спектроскопическом анализе, в переключателях электрических цепей, для высокоточной обработки металлов (см. Электроискровая обработка ) и т. п.
Лит. см. при ст. Электрический разряд в газах .
Большая Советская Энциклопедия М.: "Советская энциклопедия", 1969-1978
Искровой разряд возникает в тех случаях, когда напряженность электрического поля достигает пробивного для данного газа значения Значение зависит от давления газа; для воздуха при атмосферном давлении оно составляет около . С увеличением давления возрастает. Согласно экспериментальному закону Пашена отношение пробивной напряженности поля к давлению приблизительно постоянно:
Искровой разряд сопровождается образованием ярко светящегося извилистого, разветвленного канала, по которому проходит кратковременный импульс тока большой силы. Примером можт служить молния; длина ее бывает до 10 км, диаметр канала - до 40 см, сила тока может достигать 100 000 и более ампер, продолжительность импульса составляет около .
Каждая молния состоит из нескольких (до 50) импульсов, следующих по одному и тому же каналу; их общая длительность (вместе с промежутками между импульсами) может достигать нескольких секунд. Температура газа в искровом канале бывает до 10000 К. Быстрый сильный нагрев газа приводит к резкому повышению давления и возникновению ударных и звуковых волн. Поэтому искровой разряд сопровождается звуковыми явлениями - от слабого треска при искре малой мощности до раскатов грома, сопровождающих молнию.
Возникновению искры предшествует образование в газе сильно ионизированного канала, получившего название стримера. Этот канал получается путем перекрытия отдельных электронных лавин, возникающих на пути искры. Родоначальником каждой лавины служит электрон, образующийся путем фотоионизации. Схема развития стримера показана на рис. 87.1. Пусть напряженность поля такова, что электрон, вылетевший за счет какого-либо процесса из катода, приобретает на длине свободного пробега энергию, достаточную для ионизации.
Поэтому происходит размножение электронов - возникает лавина (образующиеся при этом положительные ионы не играют существенной роли вследствие гораздо меньшей подвижности; они лишь обусловливают пространственный заряд, вызывающий перераспределение потенциала). Коротковолновое излучение, испускаемое атомом, у которого при ионизации был вырван один из внутренних электронов (это излучение показано на схеме волнистыми линиями), вызывает фотоионизацию молекул, причем образовавшиеся электроны порождают все новые лавины. После перекрывания лавин образуется хорошо проводящий канал - стример, по которому устремляется от катода к аноду мощный поток электронов - происходит пробой.
Если электроды имеют форму, при которой поле в межэлектродном пространстве приблизительно однородно (например, представляет собой шары достаточно большого диаметра), то пробой возникает при вполне определенном напряжении значение которого зависит от расстояния между шарами . На этом основан искровой вольтметр, с помощью которого измеряют высокое напряжение . При измерениях определяется наибольшее расстояние при котором возникает искра. Умножив затем на получают значение измеряемого напряжения.
Если один из электродов (или оба) имеет очень большую кривизну (например, электродом служит тонкая проволока или острие) то при не слишком большом напряжении возникает так называемый коронный разряд. При увеличении напряжения этот разряд переходит в искровой или дуговой.
При коронном разряде ионизация и возбуждение молекул происходят не во всем межэлектродном пространстве, а лишь вблизи электрода с малым радиусом кривизны, где напряженность ноля достигает значений, равных или превышающих . В этой части разряда газ светится. Свечение имеет вид короны, окружающей электрод, чем и вызвано название этого вида разряда. Коронный разряд с острия имеет вид светящейся кисти, в связи с чем его иногда называют кистевым разрядом. В зависимости от знака коронирующего электрода говорят о положительной или отрицательной коронах. Между коронирующим слоем и некоронирующим электродом расположена внешняя область короны. Режим пробоя существует только в пределах коронирующего слоя. Поэтому можно сказать, что коронный разряд представляет собой неполный пробой газового промежутка.
В случае отрицательной короны явления на катоде сходны с явлениями на катоде тлеющего разряда. Ускоренные полем положительные ионы выбивают из катода электроны, которые вызывают ионизацию и возбуждение молекул в коронирующем слое. Во внешней области короны поле недостаточно для того, чтобы сообщить электронам энергию, необходимую для ионизации или возбуждения молекул.
Поэтому проникшие в эту область электроны дрейфуют под действием ноля к аноду. Часть электронов захватывается молекулами, вследствие чего образуются отрицательные ионы. Таким образом, ток во внешней области обусловливается только отрицательными носителями - электронами и отрицательными ионами. В этой области разряд имеет несамостоятельный характер.
В положительной короне электронные лавины зарождаются у внешней границы короны и устремляются к коронирующему электроду - аноду. Возникновение электронов, порождающих лавины, обусловлено фотоионизацией, вызванной излучением коронирующего слоя. Носителями тока во внешней области короны служат положительные ионы, которые дрейфуют под действием поля к катоду.
Если оба электрода имеют большую кривизну (два коронирующих электрода), вблизи каждого из них протекают процессы, присущие коронирующему электроду данного знака. Оба коронирующих слоя разделяются внешней областью, в которой движутся встречные потоки положительных и отрицательных носителей тока. Такая корона называется двуполярной.
Упоминавшийся в § 82 при рассмотрении счетчиков самостоятельный газовый разряд представляет собой коронный разряд.
Толщина коронирующего слоя и сила разрядного тока растут с увеличением напряжения. При небольшом напряжении размеры короны малы и ее свечение незаметно. Такая микроскопическая корона возникает вблизи острия, с которого стекает электрический ветер (см. § 24).
Корона, появляющаяся под действием атмосферного электричества на верхушках корабельных мачт, деревьев и т. п., получила в старину название огней святого Эльма.
В высоковольтных устройствах, в частности в линиях высоковольтных передач, коронный разряд приводит к вредным утечкам тока. Поэтому приходится принимать меры для его предотвращения. С этой целью, например, провода высоковольтных линий берут достаточно большого диаметра, тем большего, чем выше напряжение линии.
Полезное применение в технике коронный разряд нашел в электрофильтрах. Очищаемый газ движется в трубе, по оси которой расположен отрицательный коронирующий электрод. Отрицательные ионы, имеющиеся в большом количестве во внешней области короны, оседают на загрязняющих газ частицах или капельках и увлекаются вместе с ними к внешнему некоронирующему электроду. Достигнув этого электрода, частицы нейтрализуются и оседают на нем. Впоследствии при ударах по трубе осадок, образованный уловленными частицами, осыпается в сборник.