Фундаментальные процессы в искровом разряде

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И  НАУКИ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ

Федеральное государственное бюджетное  образовательное учреждение

высшего профессионального образования

«НАЦИОНАЛЬНЫЙ ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИЙ

ТОМСКИЙ ПОЛИТЕХНИЧЕСКИЙ  УНИВЕРСИТЕТ»

Институт дистанционного образования

Направление 140400 «Электроэнергетика и электротехника»

Реферат

На тему: «Фундаментальные процессы в искровом разряде»

по курсу «Учебно-исследовательская работа студентов»

Выполнил:

студент гр

Проверил:

Томск 2013

Фундаментальные процессы в искровом разряде.

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 искровой разряд наиболее часто наблюдается  в виде молнии. Искровой разряд 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 мк сек до нескольких сотен мк сек) падает ниже напряжения погасания искровой разряд, что приводит к прекращению разряда. Затем разность потенциалов между электродами вновь растет, достигает напряжения зажигания искрового разряда и процесс повторяется. В других случаях, когда мощность источника энергии достаточно велика, также наблюдается вся совокупность явлений, характерных для искрового разряда, но они являются лишь переходным процессом, ведущим к установлению разряда другого типа — чаще всего дугового.

Искровой разряд представляет собой пучок ярких, быстро исчезающих или сменяющих друг друга нитевидных, часто сильно разветвленных полосок  — искровых каналов. Эти каналы заполнены  плазмой, в состав которой в мощном искровом разряде входят не только ионы исходного газа, но и ионы вещества электродов, интенсивно испаряющегося  под действием разряда.

Механизм возникновения  разряда.

 В основе механизма любого разряда, в том числе и искрового, лежит ионизация молекул и атомов газа электронным ударом. Скорость ионизации чрезвычайно резко зависит от напряженности электрического поля, и с заметной скоростью, обеспечивающей рождение плазмы, ионизация протекает только в достаточно сильных полях. Количественный критерий понятия «достаточно сильное поле» зависит от рода газа и ряда конкретных условий.

Механизм формирования искровых каналов (и, следовательно, возникновения  искрового разряда) объясняется  стримерной теорией электрического пробоя газов. Согласно этой теории, из электронных лавин, возникающих  в электрическом поле разрядного промежутка, при 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).

Молния, как пример искрового  разряда.

Наиболее часто молния возникает в кучево-дождевых облаках, тогда они называются грозовыми; иногда молния образуется в слоисто-дождевых облаках, а также при вулканических извержениях, торнадо и пылевых бурях.

Обычно наблюдаются линейные молнии, которые относятся к так  называемым безэлектродным разрядам, так как они начинаются (и заканчиваются) в скоплениях заряженных частиц. Это определяет их некоторые до сих пор не объяснённые свойства, отличающие молнии от разрядов между электродами. Так, молнии не бывают короче нескольких сотен метров; они возникают в электрических полях значительно более слабых, чем поля при межэлектродных разрядах; сбор зарядов, переносимых молнией, происходит за тысячные доли секунды с миллиардов мелких, хорошо изолированных друг от друга частиц, расположенных в объёме нескольких км³. Наиболее изучен процесс развития молнии в грозовых облаках, при этом молнии могут проходить в самих облаках - внутриоблачные молнии, а могут ударять в землю - наземные молнии. Для возникновения молнии необходимо, чтобы в относительно малом (но не меньше некоторого критического) объёме облака образовалось электрическое поле с напряжённостью, достаточной для начала электрического разряда (~ 1 МВ/м), а в значительной части облака существовало бы поле со средней напряжённостью, достаточной для поддержания начавшегося разряда (~ 0,1—0,2 МВ/м). В молнии электрическая энергия облака превращается в тепловую, световую и звуковую.

Внутриоблачные молнии включают в себя обычно только лидерные стадии; их длина колеблется от 1 до 150 км. Доля внутриоблачных молний растет по мере смещения к экватору, меняясь от 0,5 в умеренных широтах до 0,9 в экваториальной полосе. Прохождение молнии сопровождается изменениями электрических и магнитных полей и радиоизлучением, так называемыми атмосфериками.

Вероятность поражения молнией  наземного объекта растет по мере увеличения его высоты и с увеличением электропроводности почвы на поверхности или на некоторой глубине (на этих факторах основано действие громоотвода). Если в облаке существует электрическое поле, достаточное для поддержания разряда, но недостаточное для его возникновения, роль инициатора молнии может выполнить длинный металлический трос или самолёт - особенно, если он сильно электрически заряжен. Таким образом иногда «провоцируются» молнии в слоисто-дождевых и мощных кучевых облаках.

Процесс развития наземной молнии состоит из нескольких стадий. На первой стадии, в зоне, где электрическое  поле достигает критического значения, начинается ударная ионизация, создаваемая вначале свободными зарядами, всегда имеющимися в небольшом количестве в воздухе, которые под действием электрического поля приобретают значительные скорости по направлению к земле и, сталкиваясь с молекулами, составляющими воздух, ионизуют их.

По более современным  представлениям, ионизация атмосферы  для прохождения разряда происходит под влиянием высокоэнергетического космического излучения - частиц с энергиями 1012-1015 эВ, формирующих широкий атмосферный ливень (ШАЛ) с понижением пробивного напряжения воздуха на порядок от такового при нормальных условиях.

По одной из гипотез, частицы  запускают процесс, получивший название пробоя на убегающих электронах («спусковым крючком» процесса при этом являются космические лучи). Таким образом, возникают электронные лавины, переходящие в нити электрических разрядов - стримеры, представляющие собой хорошо проводящие каналы, которые, сливаясь, дают начало яркому термоионизованному каналу с высокой проводимостью - ступенчатому лидеру молнии.

Движение лидера к земной поверхности происходит ступенями  в несколько десятков метров со скоростью ~ 50000 километров в секунду, после  чего его движение приостанавливается на несколько десятков микросекунд, а свечение сильно ослабевает; затем  в последующей стадии лидер снова  продвигается на несколько десятков метров. Яркое свечение охватывает при этом все пройденные ступени; затем следуют снова остановка  и ослабление свечения. Эти процессы повторяются при движении лидера до поверхности земли со средней  скоростью 200000 метров в секунду.

По мере продвижения лидера к земле напряжённость поля на его конце усиливается и под  его действием из выступающих  на поверхности Земли предметов выбрасывается ответный стример, соединяющийся с лидером. Эта особенность молнии используется для создания молниеотвода.

В заключительной стадии по ионизованному лидером каналу следует  обратный (снизу вверх), или главный, разряд молнии, характеризующийся токами от десятков до сотен тысяч ампер, яркостью, заметно превышающей яркость  лидера, и большой скоростью продвижения, вначале доходящей до ~ 100000 километров в секунду, а в конце уменьшающейся до ~ 10000 километров в секунду. Температура канала при главном разряде может превышать 20000-30000 °C. Длина канала молнии может быть от 1 до 10 км, диаметр - несколько сантиметров. После прохождения импульса тока ионизация канала и его свечение ослабевают. В финальной стадии ток молнии может длиться сотые, и даже десятые доли секунды, достигая сотен и тысяч ампер. Такие молнии называют затяжными, они наиболее часто вызывают пожары. Но земля не является заряженой, поэтому принято считать что разряд молнии происходит от облака по направлению к земле(сверху вниз).

Главный разряд разряжает  нередко только часть облака. Заряды, расположенные на больших высотах, могут дать начало новому (стреловидному) лидеру, движущемуся непрерывно со скоростью в тысячи километров в  секунду. Яркость его свечения близка к яркости ступенчатого лидера. Когда  стреловидный лидер доходит до поверхности  земли, следует второй главный удар, подобный первому. Обычно молния включает несколько повторных разрядов, но их число может доходить и до нескольких десятков. Длительность многократной молнии может превышать 1 сек. Смещение канала многократной молнии ветром создаёт так называемую ленточную молнию - светящуюся полосу.

Величины, характеризующие  искровой разряд (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 искрового разряда, 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 искровом разряде может достигать значений порядка нескольких сотен кА.

Особый вид искрового разряда - скользящий искровой разряд, возникающий вдоль поверхности раздела газа и твёрдого диэлектрика, помещенного между электродами. Области скользящего искрового разряда, в которых преобладают заряды какого-либо одного знака, индуцируют на поверхности диэлектрика заряды другого знака, вследствие чего искровые каналы стелются по поверхности диэлектрика (образуя фигуры Лихтенберга). Процессы, близкие к происходящим при искровом разряде, свойственны также кистевому разряду.

Прорастающий в область  слабого внешнего поля плазменный канал  в районе своего переднего фронта (своей головки) сам себе создает  достаточно сильное для ионизации  поле. Вместе с зоной сильного поля продвигается и область интенсивной  ионизации, благодаря которой не ионизованный ранее газ превращается в плазму. Все наблюдения и эксперименты показывают, что радиус прорастающего  канала очень мал — в сотни  и тысячи раз меньше его длины, т. е. плазменный канал представляет собой тонкий шнур. Те же наблюдения говорят о том, что иногда заметное, а большей частью даже незаметное боковое расширение канала (увеличение его радиуса) происходит гораздо медленнее, чем удлинение шнура, а радиус передней головной части канала, скорее всего, вообще мало зависит от длины шнура. Это означает, что структура передней части канала (той, где не ионизованный газ превращается в плазму) остается почти неизменной во времени, перемещаясь вперед со скоростью прорастания канала. Иными словами, структура головной части канала остается стационарной в связанной с нею системе координат, точнее квазистационарной, если скорость прорастания относительно медленно меняется во времени. В таких случаях правомерно говорить о волне сильного поля и волне ионизации, только в отличие от чаще рассматриваемых одномерных плоских волн (ударной волны, волны горения и др.) данная волна имеет очень малый поперечный размер, сравнимый с шириной ее фронта.

Причиной прорастания плазменного канала является нарождение новых участков плазмы вследствие ионизации газа в сильном поле, создаваемом головной частью плазменного шнура. Начало процессу дают свободные электроны, которые всегда присутствуют в воздухе в результате действия космического излучения или радиоактивного фона Земли. Потом в ходе ионизации рождаются возбужденные молекулы. Они излучают фотоны, от которых перед головкой появляются первичные затравочные электроны.

Хотя физическим источником поля у головки в значительной мере служит электрический заряд  самой головки канала, дополнительным (а иногда даже существенным) источником высокого потенциала головки может  стать заряд, распределенный вдоль  проводящего канала. В случае идеального проводника роли обеих составляющих одинаковы

Заряд головки Q образуется вследствие оттока части электронов из головки в канал под действием  электрического поля. В конечном счете, электроны уходят в анод благодаря проводящим свойствам канала. В предельном случае «идеально» проводящего канала он ведет себя как металлический стержень, проводимость его «бесконечна», поле в канале нулевое, но величина их произведения, т. е. плотность электрического тока, конечна, поскольку по мере удлинения стержня в него нужно нагнетать положительный заряд, чтобы потенциал стержня сохранялся и оставался равным потенциалу анода. Последнее диктуется чистой электростатикой. В том же пределе идеально проводящей головки ее заряд Q сосредоточен на ее поверхности, подобно тому как заряд канала сосредоточен на его цилиндрической поверхности. В реальном случае проводимость в канале конечна и в нем имеется какое-то конечное продольное поле (градиент потенциала). Под действием указанной разности потенциалов в канал от анода поступает ток, нагнетающий в него положительный заряд. И в канале, и в головке заряд теперь распределен по объему, т. е. является пространственным зарядом.

Полная задача описания удлиняющегося канала разбивается на две более или менее самостоятельные задачи. Первая — это вопрос о продвижении волны ионизации, ее скорости, о достигаемой в волне степени ионизации газа, т. е. о начальной проводимости канала. Благодаря квазистационарности волны в системе координат, связанной с ее фронтом, ее характеристики зависят в основном от происходящих внутри фронта (головки) процессов и, естественно, от каких-то «внешних» по отношению к этим процессам параметров. Таковым является максимальное поле или потенциал головки, поскольку эти величины связаны между собой через радиус головки. Особую проблему представляет собой вопрос о радиусе головки, с которым совпадает начальный радиус канала. Механизмы, благодаря которым у плазменного проводника устанавливается определенный, и при том весьма малый эффективный радиус (эффективный — потому что плазменный проводник не имеет столь резкой границы, как металлический), возможно, выходят за рамки стационарных процессов ионизации, движения зарядов и формирования электростатического поля в области развитой ионизации.