7. Misterul fulgerului cu bile.
7.1 Rezultatele procesării observațiilor.
Termenul de descărcare de gaze este utilizat atunci când cineva vrea să spună că un curent electric curge într-un mediu gazos. Curenții electrici în gaze sunt diferiți în multe privințe. Ele pot fi diferite unele de altele, nu numai de amploarea și durata, dar, de asemenea, ceea ce se întâmplă în procesele lor fizice, în primul rând pentru acele procese care se datorează conductivitatea electrică a gazului, adică, apariția de transportatori gratuit în ea. Diferența în mecanismul de conductivitate și menținerea înregistrată ca în fenomenul „aparență“ (adică intensitatea, spectrul, distribuția temporală și spațială a radiației sale) și în caracteristicile sale electrice - extern (curent-tensiune, voltsekundnaya etc. ) și interne (distribuția spațială și temporară a câmpului electric, densitatea curentului, încărcările de volum, concentrația de ioni de electroni etc.).
Având în vedere diversitatea actuală a speciilor din gaze, un studiu sistematic al clasificării lor impune ca să aibă loc în mod natural, fie în afara ei (fenomenologică) dispun de diferite tipuri de procese curente sau fizice care au loc în mod esențial.
Curenții de conducere din gaze sunt împărțiți în curenți independenți și ne-independenți. Această diviziune este legată de proprietatea principală a gazului - de a fi un nonconductor al curentului în stare normală. Datorită acestui fapt, sunt necesare proprietățile gazului pentru apariția unui curent de conducție în el:
apariția în gaz a purtătorilor de sarcină liberă (electroni și ioni), adică apariția conductivității;
mesaj către acești operatori de trafic direcționat.
Dacă într-un gaz câmpul electric impus asupra lui realizează ambele funcții într-o asemenea măsură încât pentru a asigura un curent este suficient să susținem numai acest câmp, atunci un astfel de curent este numit independent. În cazul în care curentul de menținere a gazului într-o sursă externă de ionizare și eliminarea care are ca rezultat dispariția curentului, curentul se numește non-self.
Curenții independenți, la fel ca toate fenomenele fizice, pot fi împărțiți în funcție de criteriul de bază al dinamicii - fluxul fenomenului de timp - la nivelul stabilit și instabil.
Pentru curenți ineglae (staționare) ar trebui să fie atribuită numai curenții a căror putere nu se modifică în timp (i = const), și orice intensitate a curentului de care este variabilă în timp este considerată instabilă.
Este convenabil să se facă distincția între 3 tipuri de descărcări staționare de gaz (curent), în funcție de curentul de curent alternativ:
Townsend. sau o descărcare întunecată (curent de descărcare nu depășește 10 -6 A).
Este un curent independent care curge într-un câmp omogen sau slab neomogen. Densitatea acestui curent este atât de mică încât nu este însoțită de o strălucire vizibilă (de aici și numele); are loc în principal la o presiune scăzută a gazelor.
Glowout (curent de aproximativ 10 -6 la 10 -1 A).
Câmpul electric are cea mai mare intensitate într-o regiune limitată a catodului. Pentru acest tip de evacuare, egalitatea
Marea Britanie este potențialul catodic;
Ui este potențialul gazului ionizat.
Se produce la presiuni reduse.
Arc descărcare (curent de aproximativ 10 -1 A și mai mare)
Câmpul electric are, de asemenea, cea mai mare tensiune. Dar pentru categoria dată următoarea inegalitate este caracteristică
Uk -7 sec și chiar mai puțin.
Procesul opus producerii unui curent independent în gaz este originea sa ("stingerea"). Fenomenul conductivității reziduale și degradarea acesteia (deionizarea gazului), precum și diferitele tipuri de curenți reziduali (de exemplu, curenții inversi ai supapelor ionice) sunt asociate cu acesta. Dispariția conductivității gazelor durează 10-5 secunde sau mai mult.
Evacuările de gaze în condiții naturale sunt o întâlnire obișnuită, ele sunt fulgere și aurouri formate în atmosfera superioară la o presiune foarte scăzută.
3.1 Ionizarea și recombinarea gazelor.
Gazele în condiții normale constau din atomi și molecule electrice neutre și din acest motiv nu conduc energia electrică. Gazul devine un conductor atunci când unele dintre moleculele sale sunt ionizate, adică va exista o divizare a atomilor și a moleculelor neutre în ioni pozitivi și negativi și electroni liberi - aceste gaze se numesc ionizate. Ioni în gaze pot apărea sub acțiunea ionizatorilor (agenți ionizanți) - temperaturi înalte, raze X și raze ultraviolete, radiații radioactive și, de asemenea, ca urmare a coliziunii atomilor de gaz cu electroni și particule atomice etc.
Cu toate acestea, în condiții normale, gazele, de exemplu aerul, au conductivitate electrică, deși foarte nesemnificativă. Această conductivitate este cauzată de radiația substanțelor radioactive prezente pe suprafața Pământului, precum și de razele cosmice.
Radiația sistematică a curenților electrici și a deversărilor în gaze a fost declanșată abia la sfârșitul secolului al XIX-lea. Natura descărcării de gaz a fost stabilită în diferite condiții. O descărcare de gaz este trecerea unui curent electric prin gaze. Cu toate acestea, având în vedere complexitatea acestor fenomene, nu există o teorie exactă cantitativă până acum.
Ionizarea gazului, care rezultă din extragerea electronilor din moleculele și atomii gazului în sine, se numește ionizare în vrac. deoarece Sursele ionice de aici sunt distribuite într-un volum care ocupă gazul. În plus față de ionizarea volumetrică, există ionizarea de suprafață. Prin această ionizare, ionii sau electronii intră în gazul din pereții vasului în care este închis sau din suprafața corpurilor introduse în gaz. De exemplu, sursa de electroni poate fi corpuri strălucitoare (emisii termice) sau suprafețe metalice, iluminate de radiațiile ultraviolete și alte radiații electromagnetice de scurtă durată (efect fotoelectric).
Pentru a scoate un electron dintr-o moleculă (atom), este necesar să existe o anumită energie. Valoarea minimă a acestei energii se numește energia de ionizare a moleculei (atomului), valoarea ei pentru atomii de substanțe diferite se situează în intervalul de 4 25 eV.
Simultan cu procesul de ionizare a gazului, există întotdeauna un proces invers - procesul de recombinare: ioni pozitivi și negativi și molecule. Mai mulți ioni apar sub acțiunea ionizatorului, cu atât mai intens are loc procesul de recombinare. Ca rezultat al recombinării, conductivitatea gazului dispare sau revine la valoarea inițială.
După cum sa menționat mai sus, detașarea unui electron de la un atom (ionizarea unui atom) necesită cheltuieli pentru o anumită energie. Atunci când un ion pozitiv și un electron sunt recombinate, această energie, pe de altă parte, este eliberată. Cel mai adesea se emite sub formă de lumină și, prin urmare, recombinarea ionilor este însoțită de o strălucire (strălucirea recombinării). Dacă concentrația de ioni pozitivi și negativi este ridicată, atunci numărul evenimentelor de recombinare care apar în fiecare secundă va fi de asemenea mare, iar luminescența recombinării poate fi mare, iar luminescența recombinării poate fi foarte puternică.
Ionizarea sub acțiunea unui ionizator extern este luată în considerare numai în cazul câmpurilor electrice relativ slabe, când energia cinetică eEL acumulată de un electron (sau ion) pe calea medie liberă L este mai mică decât energia de ionizare Ei
Valoarea lui Ek crește odată cu creșterea presiunii. Raportul dintre intensitatea câmpului critic și presiunea gazului p pentru un anumit gaz rămâne aproximativ într-o gamă largă de schimbări de presiune: Ek / p const. (Această lege poate fi justificată cu ajutorul lui Townsend).
În momentul în care creșterea tensiunii este mai mare, cu atât este mai mare capacitatea C între electrozii. Prin urmare, includerea unui condensator paralel cu decalajul de descărcare crește timpul dintre cele două scânteiere ulterioare, iar scânteile devin din ce în ce mai puternice. O sarcină electrică mare trece prin canalul de scânteie și, prin urmare, amplitudinea și durata creșterii pulsului curent. Cu o capacitate mare C, canalul de scânteie strălucește luminos și are aspectul benzilor largi. Același lucru se întâmplă atunci când sursa de alimentare este mărită. Apoi vorbim despre o descărcare de sarcină condensată sau o scânteie condensată. Rezistența maximă a curentului într-un impuls, cu descărcare prin scânteie, variază în limite largi, în funcție de parametrii circuitului de descărcare și de condițiile din spațiul de evacuare, ajungând la câteva sute de kilograme. Cu o creștere suplimentară a puterii sursei, descărcarea cu scânteie trece în descărcarea arcului.
Ca urmare a trecerii impulsului curent prin canalul de scânteie, în canal se eliberează o cantitate mare de energie (de ordinul a 0,1-1 J pentru fiecare centimetru din lungimea canalului). Odată cu eliberarea energiei, o creștere bruscă a presiunii în gazul înconjurător este asociată cu formarea unui val de șoc cilindric. la temperatura din față
10 4 K. Există o expansiune rapidă a canalului de scânteie, cu o viteză de ordinul vitezei termice a atomilor de gaz. Odată cu trecerea undelor de șoc, temperatura de pe front începe să scadă și frontul însuși se îndepărtează de limita canalului. Aspectul undelor de șoc explică efectele sonore care însoțesc o descărcare cu scânteie: o fisură caracteristică în descărcările slabe și petele puternice în cazul fulgerelor.
La momentul existenței canalului, în special la presiuni mari, se observă o strălucire mai strălucitoare a descărcării prin scânteie. Luminozitatea strălucirii este neuniformă de-a lungul secțiunii transversale a canalului și are maximum în centrul său.
Să luăm în considerare mecanismul unei descărcări de scântei.
În prezent, așa-numita teorie a fluxului de descărcare prin scânteie este în general acceptată. confirmată prin experimente directe. Din punct de vedere calitativ, se explică principalele caracteristici ale descărcării prin scânteie, deși nu poate fi considerată completă în termeni cantitativi. Dacă o avalanșă de electroni a apărut lângă catod, atunci ionizarea și excitarea moleculelor și a atomilor de gaz trece pe calea sa. Este esențial ca cuantele de lumină emise de atomii și moleculele excitate, care se propagă în anod cu viteza luminii, ele însele produc ionizarea gazului și dau naștere la primele avalanșe de electroni. În acest fel, în întregul volum al gazului apar clusterele de gaz ionizat, aderente slabe, numite streamers. În cursul dezvoltării sale, avalanțele electronice individuale se recuperează între ele și, îmbinând împreună, formează o punte bine dirijată de la streamers. Prin urmare, într-un moment ulterior de timp, un curent puternic de electroni care formează un canal de descărcare de scânteie se aprinde. Deoarece podul conductor este format ca urmare a fuziunii fluxurilor care apar aproape simultan, timpul de formare este mult mai scurt decât timpul necesar pentru o avalanșă de electroni separată pentru a deplasa distanțele de la catod la anod. Împreună cu streamers negativ. și anume fluxurile care se propagă de la catod la anod, există și fluxuri pozitive. care se răspândesc în direcția opusă.
Vederi istorice asupra trăsnetului.
Fulgere și tunete au fost inițial percepute de oameni ca o expresie a voinței zeilor și, în special, ca o manifestare a mâniei lui Dumnezeu. În același timp, mintea umană curioasă încearcă mult timp să înțeleagă natura fulgerului și a tunetului, să înțeleagă cauzele lor naturale. În antichitate, Aristotel sa reflectat asupra acestui lucru. Deasupra naturii fulgerului se reflectă Lucretius. Este foarte naiv să-și imagineze încercările sale de a explica tunetul ca o consecință a faptului că "norii se bate acolo sub atacul vânturilor".
Multe secole, inclusiv Evul Mediu, se credea că fulgerul - o vapori de foc, se fixa în norii de vapori de apă. Extinzându-se, le sparge în cel mai slab loc și se grăbește rapid spre fund, spre suprafața pământului.
În 1752, Benjamin Franklin a demonstrat experimental că fulgerul este o descărcare electrică puternică. Omul de știință a realizat un experiment faimos cu un zmeu care a fost lansat în aer când furtuna sa apropiat.
Experiență: La crucea șarpelui sa fixat un fir ascuțit, cheia și o panglică de mătase legată la capătul frânghiei, pe care o ținea cu mâna. De îndată ce furtuna a fost peste șarpe, firul ascuțit a început să extragă din el o încărcătură electrică, plasa, împreună cu biciul, este electrificată. După ploaie umeziți șarpele împreună cu sfoara, făcându-i liberi să efectueze o încărcare electrică, puteți observa cum se va "drena" încărcătura electrică când se apropie degetul.
Simultan cu studiul lui Franklin despre natura electrică a fulgerului, MV a fost angajat. Lomonosov și GV Richman.
Datorită cercetărilor efectuate la mijlocul secolului al XVIII-lea, natura electrică a fulgerului a fost dovedită. Din acest moment a devenit clar că fulgerul este o descărcare electrică puternică care apare atunci când norii sunt suficient de electrificați.
Majoritatea fulgerului apare între nor și suprafața pământului, însă există lumini care apar între nori. Toate aceste fulgere sunt numite liniare. Lungimea unui singur fulger liniar poate fi măsurată în kilometri. (Un fulger liniar poate fi obținut artificial - o descărcare de glisare.)
Un alt tip de trăsnet este fulgerul cu bandă. Imaginea următoare este ca și când mai multe iluminări liniare aproape identice s-au schimbat unul față de celălalt.
S-a observat că, în unele cazuri, fulgerul se împarte în zone luminoase separate de câteva zeci de metri lungime. Acest fenomen se numește fulger cu margele. Potrivit Malan (1961), acest tip de fulger este explicat pe baza descărcării prelungite, după care luminescenta ar părea mai vii în locul în care canalul este îndoit în direcția observatorului observând sfârșitul lui să se. Un Yuman (1962) crede că acest fenomen ar trebui privit ca un exemplu de „ping-efect“, care este o variație periodică a razei coloanei de evacuare cu o perioadă de câteva microsecunde.
Fizica fulgerului liniar
Lumina liniară este câteva impulsuri care se urmează repede unul pe altul. Fiecare impuls este o defalcare a decalajului de aer dintre nor și pământ, care apare ca o descărcare de scânteie. La început vom considera primul impuls. Există două etape în dezvoltarea sa: mai întâi se formează un canal de descărcare de gestiune între nor și pământ, iar apoi pulsul principal de curent trece rapid prin canalul format.
Prima etapă (formarea canalului de descărcare) este prezentată în figura 3. Totul începe cu formarea unui câmp electric cu intensitate foarte mare în partea inferioară a norului - 10 5 ... 10 6 V / m.
Electronii liberi primesc accelerații uriașe în acest domeniu. Aceste accelerații sunt orientate în jos, deoarece partea inferioară a norului este încărcată negativ, iar suprafața pământului este pozitivă. Pe drumul de la prima ciocnire la celălalt, electronii dobândesc o energie cinetică semnificativă. Prin urmare, când se ciocnesc cu atomi sau molecule, ei îi ionizează. Ca rezultat, se generează electroni noi (secundari), care, la rândul lor, sunt accelerați în câmpul norului și apoi în coliziuni ionizează atomi și molecule noi. Există avalanșe de electroni rapizi care formează la partea de jos a norului, "firele" de plasmă - un streamer.
Fuzionând unul cu celălalt, fluxurile dau naștere unui canal de plasmă, de-a lungul căruia
Articole similare
Trimiteți-le prietenilor: