7. Загадка кульової блискавки.
7.1 Підсумки обробки спостережень.
Терміном газовий розряд користуються, коли хочуть сказати, що в газоподібному середовищі протікає електричний струм, Електричні струми в газах різноманітні у багатьох відношеннях. Вони можуть відрізняться між собою не тільки за величиною і тривалості, а й по тим, що відбувається в них фізичних процесів, в першу чергу у тих процесах, якими обумовлена електрична провідність газу, тобто появи в ньому вільних носіїв заряду. Різниця в механізмі виникнення і підтримування провідності відбивається як у «зовнішньому вигляді» явища (тобто в інтенсивності, спектрі, просторовому і тимчасовому розподілі його випромінювання), так і в його електричних характеристиках - зовнішніх (вольтамперная, вольтсекундная і т.д. ) і внутрішніх (просторове і тимчасовий розподіл електричного поля, щільності струму, об'ємних зарядів, концентрації електронів іонів і т.д.).
Зважаючи на таке різноманіття видів струмів в газах, систематичне вивчення їх потребує класифікації, яку природно проводити або його зовнішнім (феноменологічним) ознакою різних видів струму, або по суті відбуваються фізичних процесів.
Токи провідності в газах діляться на самостійні і несамостійні. Цей поділ пов'язано з основною властивістю газу - бути ізолятор струму в нормальному стані. Внаслідок цієї властивості газу для виникнення в ньому струму провідності потрібно:
поява в газі вільних носіїв заряду (електронів та іонів), тобто виникнення провідності;
повідомлення цих носіїв спрямованого руху.
Якщо в газі накладене на нього електричне поле здійснює обидві функції в такій мірі, що для забезпечення струму, досить підтримувати тільки це поле, то такий струм називається самостійним. У випадках, коли для підтримки струму в газі необхідний зовнішній джерело іонізації і усунення якого наводить зникнення струму, струм називається несамостійним.
Самостійні струми, як і всі фізичні явища, можна розділити за основним критерієм динаміки - по протіканню явища часу - на усталені і несталі.
До несталим (стаціонарним) струмам слід відносити тільки струми, сила яких не змінюється з плином часу (i = const), а всякий струм сила якого змінна в часі вважають несталими.
Зручно виділити 3 типи стаціонарного газового розряду (струму), в залежності від змінного їм струму:
Таунсендовскій. або темний розряд (струм розряду не вище 10 -6 А).
Це самостійний струм, що протікає в однорідному або слабо неоднорідному полі. Щільність цього струму настільки мала, що він не супроводжується помітним світінням (звідси назва); має місце переважно при низькому тиску газу.
Тліючий розряд (струм приблизно від 10 -6 до 10 -1 А).
Електричне поле володіє найбільшою напруженістю в обмеженій області катода. Для цього виду розряду вірно рівність
Uk - катод потенціалу;
Ui - іонізований потенціал газу.
Виникає при низькому тиску.
Дугового розряд (струм близько 10 -1 А і вище)
Електричне поле також володіє найбільшою напруженістю. Але для цього розряду характерно наступної нерівність
Uk -7 сек. і навіть менше.
Процесом, зворотним виникненню самостійного струму в газі його походження ( «гасіння»). З ним пов'язано явище залишкової провідності і її розпаду (деионизации газу), а також різні види залишкових струмів (наприклад, зворотні струми іонних вентилів). Зникнення газової провідності триває 10 -5 сек і більше.
Газові розряди в природних умовах - звичне явище, це - блискавки і полярні сяйва, що утворюються у верхній атмосфері при дуже низькому тиску.
3.1 Іонізація і рекомбінація газів.
Гази при нормальних умовах складаються з електричних нейтральних атомів і молекул і з цієї причини не проводять електрики. Газ стає провідником, коли деяка частина його молекул іонізується, тобто відбудеться розщеплення нейтральних атомів і молекул на позитивні і негативні іони і вільні електрони - такі гази називають іонізованими. Іони в газах могу4т виникати під дією іонізаторів (збудники іонізації) - високої температури, рентгенівських і ультрафіолетових променів, радіоактивного випромінювання, а також в результаті зіткнення атомів газу з електронами і атомними частками і т.д.
Втім, і в нормальних умовах гази, наприклад повітря, мають електричну провідність, хоча і вельми незначною. Ця провідність викликана випромінюванням радіоактивних речовин, що є на поверхні Землі, а також космічними променями.
Систематичне випромінювання електричних струмів і розрядів в газах було розпочато лише в кінці 19 століття. Була встановлена природа газового розряду в різних умовах. Газовим розрядом називається проходження електричного струму через гази. Однак через складність цих явищ, точної кількісної теорії їх не існує до теперішнього часу.
Іонізація газу, що виникає в результаті виривання електронів з молекул і атомів самого газу, називається об'ємною іонізацією. тому джерела іонів тут розподілені в обсязі, який займає газ. Крім об'ємної іонізації існує поверхнева іонізація. При такій іонізації іони або електрони надходять в газ зі стінок посудини, в якому він укладений, або з поверхні тіл, що вносяться до газ. Наприклад, джерелом електронів можуть служити розпечені тіла (термоелектронна емісія) або поверхні металів, освітлювані ультрафіолетовими та іншими короткохвильовими електромагнітними випромінюваннями (фотоелектричний ефект).
Для того щоб вибити з молекули (атома) один електрон, необхідно затратити певну енергію. Мінімальне значення такої енергії називається енергією іонізації молекули (атома), її значення для атомів різних речовин лежать в межах 4 25еВ.
Одночасно з процесом іонізації газу завжди йде і зворотний процес - процес рекомбінації: позитивні і негативні іони і молекул. Чим більше іонів виникає під дією іонізатора, тим інтенсивніше йде і процес рекомбінації. В результаті рекомбінації провідність газу пропадає або повертається до свого початкового значення.
Як говорилося вище, для відриву електрона від атома (іонізація атома) необхідна витрата певної енергії. При рекомбінації позитивного іона і електрона ця енергія, навпаки, звільняється. Найчастіше вона випромінюється у вигляді світла, і тому рекомбінація іонів супроводжується світінням (свічення рекомбінації). Якщо концентрація позитивних і негативних іонів велика, то і число щомиті відбуваються актів рекомбінації також буде великим, і свічення рекомбінації може бути великим, і свічення рекомбінації може бути дуже сильним.
Іонізація під дією зовнішнього іонізатора береться до уваги тільки в разі порівняно слабких електричних полів, коли кінетична енергія eEL, накопичена електроном (або іоном) на довжині вільного пробігу L менше енергії іонізації Ei
Величина Ек збільшується зі збільшенням тиску. Ставлення критичної напруженості поле до тиску газу р для даного газу залишається приблизними в широкій області зміни тиску: Ек / р const. (Цей закон можна обґрунтувати за допомогою Таунсенда).
Час наростання напруги тим більше, чим більше ємність С між електродами. Тому включення конденсатора паралельно разрядному проміжку збільшує час між двома наступними іскрами, а самі іскри стають більш потужними. Через канал іскри проходить великий електричний заряд, і тому збільшується амплітуда і тривалість імпульсу струму. При великій ємності С канал іскри яскраво світиться і має вигляд широких смуг. Те ж саме відбувається при збільшенні потужності джерела струму. Тоді говорять про конденсированном искровом розряді, або про конденсованої іскрі. Максимальна сила струму в імпульсі, при искровом розряді, змінюється в широких межах, залежно від параметрів ланцюга розряду і умов в розрядному проміжку, досягаючи декількох сотень кілоампер. При подальшому збільшенні потужності джерела, іскровий розряд переходить в дугового розряд.
В результаті проходження імпульсу струму через канал іскри в каналі виділяється велика кількість енергії (порядку 0,1 - 1 Дж на кожен сантиметр довжини каналу). З виділенням енергії пов'язано стрибкоподібне збільшення тиску в навколишньому газі - освіту циліндричної ударної хвилі. температура на фронті якої
10 4 К. Відбувається швидке розширення каналу іскри, зі швидкістю близько теплової швидкості атомів газу. У міру просування ударної хвилі температура на її фронті починає падати, а сам фронт відходить від кордону каналу. Виникнення ударних хвиль пояснюються звукові ефекти, що супроводжують іскровий розряд: характерне потріскування в слабких розрядах і потужні гуркіт в разі блискавок.
У момент існування каналу, особливо при високому тиску, спостерігається більш яскраве світіння іскрового розряду. Яскравість світіння неоднорідна по перетину каналу має максимум в його центрі.
Розглянемо механізм іскрового розряду.
В даний час загальноприйнятою вважається так звана стримерний теорія іскрового розряду. підтверджена прямими дослідами. Якісно вона пояснює основні особливості іскрового розряду, хоча в кількісному відношенні і не може вважатися завершеною. Якщо поблизу катода зародилася електронна лавина, то на 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 в усьому обсязі газу з'являються слабо свячень скупчення іонізованого газу, звані стримерами. У процесі свого розвитку окремі електронні лавини наздоганяють одне одного і, зливаючись разом, утворюють добре проводить місток з стримеров. З цього в наступний момент часу і спрямовується потужний потік електронів, який утворює канал іскрового розряду. Оскільки проводить місток утворюється в результаті злиття практично одночасно виникають стримеров, час його утворення багато менше часу, який потрібен окремої електронної лавині для проходження відстаней від катода до анода. Поряд з негативними стримерами. тобто стримерами, що поширюються від катода до анода, існують також позитивні стримери. які поширюються в протилежному напрямку.
Історичні погляди на блискавки.
Блискавка і грім спочатку сприймалися людьми як вираження волі богів і, зокрема, як прояв божого гніву. Разом з тим допитливий людський розум з давніх часів намагався збагнути природу блискавок і грому, зрозуміти їх природні причини. У стародавні століття над цим розмірковував Аристотель. Над природою блискавок замислювався Лукрецій. Вельми наївно представляються його спроби пояснити грім як наслідок того, що «хмари збивають там під натиском вітрів».
Багато століть, включаючи і середні століття, вважалося, що блискавка - це вогненний пар, затиснутий в водяних парах хмар. Зростаючи, він прориває їх в найбільш слабкому місці і швидко спрямовується в низ, до поверхні землі.
У 1752 р Бенджамін Франклін експериментально довів, що блискавка - це сильний електричний розряд. Вчений виконав знаменитий досвід з повітряним змієм, який був запущений в повітря при наближенні грози.
Досвід: На хрестовині змія була укріплена загострена зволікання, до кінця мотузки прив'язані ключ і шовкова стрічка, яку він утримував рукою. Як тільки грозова хмара виявилася над змієм, загострена дріт стала витягувати з неї електричний заряд, ізмей разом з линвою наелектризується. Після того, як дощ змочить змія разом з мотузкою, зробивши їх тим самим вільними проводити електричний заряд, можна спостерігати як електричний заряд буде «стікати» при наближенні пальця.
Одночасно з Франкліном дослідженням електричної природи блискавки займалися М.В. Ломоносов і Г.В.Ріхман.
Завдяки їхнім дослідженням в середині 18 століття була доведена електрична природа блискавки. З цього часу стало ясно, що блискавка являє собою потужний електричний розряд, що виникає при досить сильною електризації хмар.
Більшість блискавок виникає між хмарою і земною поверхнею, однак, є блискавки, що виникають між хмарами. Всі ці блискавки прийнято називати лінійними. Довжина окремої лінійної блискавки може вимірюватися кілометрами. (Лінійну блискавку можна отримати штучно - ковзний розряд.)
Ще одним видом блискавок є стрічкова блискавка. При цьому наступна картина, як якщо б виникли кілька майже однакових лінійних блискавок, зсунутих відносно один одного.
Було відмічено, що в деяких випадках спалах блискавок розпадається на окремі свячень ділянки довжиною в кілька десятків метрів. Це явище отримало назву четочная блискавки. Згідно Маланки (1961) такий вид блискавок пояснюється на основі затяжного розряду, після світіння якого здавалося б більш яскравим в тому місці, де канал згинається в напрямку спостерігача, який спостерігає його кінцем до себе. А Юманіте (1962) вважав, що це явище варто розглядати як приклад «пінг-ефекту», який полягає в періодичному зміні радіуса розрядної стовпа з періодом в декілька мікросекунд.
Фізика лінійної блискавки
Лінійна блискавка представля6т собою кілька імпульсів, швидко наступних один за одним. Кожен імпульс - це пробою повітряного проміжку між хмарою і землею, що відбувається у вигляді іскрового розряду. На початку розглянемо перший імпульс. У його розвитку є дві стадії: спочатку утворюється канал розряду між хмарою і землею, а потім по утворився каналу швидко проходить імпульс основного струму.
Перша стадія (освіта каналу розряду) показана на рис 3. Все починається з того, що в нижній частині хмари формується електричне поле дуже великий напруженості - 10 5 ... 10 6 В / м.
Вільні електрони отримують в такому полі величезні прискорення. Ці прискорення спрямовані вниз, оскільки нижня частина хмари заряджена негативно, а поверхня землі позитивно. На шляху від першого зіткнення до іншого, електрони набувають значну кінетичну енергію. Тому, стикаючись з атомами або молекулами, вони іонізують їх. В результаті народжуються нові (вторинні) електрони, які, в свою чергу, прискорюються в поле хмари і потім в зіткненнях ионизуют нові атоми і молекули. Виникають цілі лавини швидких електронів, що утворюють у самого «дна» хмари, плазмові «нитки» - стример.
Зливаючись один з одним, стримери дають початок плазмовому каналу, по якому в