Зміст.
Мета.
Теоретичне положення.
1. Введення.
3. Струм в газах.
3.1 Іонізація і рекомбінація.
3.2 Іонізація електронними ударами.
3.3 Самостійний і несамостійний розряд.
4. Розряди.
4.1 Види розрядів.
4.2 іскровий розряд.
5. Історичні погляди на блискавки.
6. Блискавка.
6.1 Види блискавок.
6.2 Фізика лінійної блискавки.
7. Загадка кульової блискавки.
7.1 Підсумки обробки спостережень.
7.2 Гіпотези.
Практичне завдання.
2. Введення.
Терміном газовий розряд користуються, коли хочуть сказати, що вгазоподібному середовищі протікає електричний струм, Електричні струми в газахрізноманітні у багатьох відношеннях. Вони можуть відрізнятись між собою нетільки за величиною та тривалістю, але й з тим, що відбувається в них фізичнимпроцесів, у першу чергу з тих процесів, якими обумовленаелектрична провідність газу, тобто появи в ньому вільних носіївзаряду. Різниця в механізмі виникнення і підтримання провідностівідбивається як у «зовнішньому вигляді» явища (тобто в інтенсивності, спектрі,просторовому і часовому розподілі його випромінювання), так і в йогоелектричних характеристиках - зовнішніх (вольтамперних, вольтсекундная ітощо) та внутрішніх (просторовий і часовий розподілелектричного поля, щільності струму, об'ємних зарядів, концентраціїелектронів іонів і т.д.).
Зважаючи на таке різноманіття видів струмів в газах, систематичневивчення їх вимагає класифікації, яку природно проводити або йогозовнішнім (феноменологічним) ознакою різних видів струму, або посуті відбуваються фізичних процесів.
Токи провідності в газах діляться на самостійні інесамостійні. Цей поділ пов'язано з основною властивістю газу - бутинепроводніком струму в нормальному стані. Внаслідок цієї властивості газудля виникнення в ньому струму провідності потрібно:a) поява в газі вільних носіїв заряду (електронів та іонів), тобто виникнення провідності;b) повідомлення цим носіям направленого руху.
Якщо в газі накладене на нього електричне поле здійснює обидвіфункції в такій мірі, що для забезпечення струму, досить підтримуватитільки це поле, то такий струм називається самостійним. У випадках, колидля підтримки струму в газі необхідний зовнішнє джерело іонізації іусунення якого наводить зникнення струму, струм називаєтьсянесамостійним.
Самостійні струми, як і всі фізичні явища, можна розділити заосновним критерієм динаміки - по протіканню явища часу - насталі і несталими.
До несталими (стаціонарним) струмам слід відносити тільки струми,сила яких не змінюється з часом (i = const), а кожен ток силаякого мінлива в часі вважають несталими.
Зручно виділити 3 типи стаціонарного газового розряду (струму), взалежно від змінного струму їм:
1. Таунсендовскій, або темний розряд (струм розряду не вище 10-6А).
Це самостійний струм, що протікає в однорідному або слабо неоднорідномуполе. Щільність цього струму настільки мала, що він не супроводжуєтьсяпомітним світінням (звідси назва); має місце переважно принизькому тиску газу.
2. Тліючий розряд (струм приблизно від 10-6 до 10-1 А).
Електричне поле володіє найбільшою напруженістю в обмеженійобласті катода. Для цього виду розряду вірно рівність
Uk>> Ui,
Uk - катодного потенціалу;
Ui - іонізований потенціал газу.
Виникає при низькому тиску.
3. Дугового розряду (струм близько 10-1 А і вище)
Електричне поле також володіє найбільшою напруженістю. Але для цьогорозряду характерно наступного нерівність
Uk Нестаціонарний розряди, або іскри можуть виникати в широкому діапазоні струміві тисків. До них можна віднести В4 - струми (високоякісні). Наприклад,
«Факельний розряд» - В4 - струм при високому тиску. Однаккласифікувати, нестаціонарні розряди нелегко, але в принципі в цьому інемає необхідності.
Поява самостійного струму в газі (пробій газу), званийтакож «запалюванням», пов'язаний з появою значної провідності в газі,раніше не проводив зовсім. Для початку пробою необхідно, щоб у газовомупроміжку були вільні носії заряду - електрони, іони (хоча б одинелектрон). Тут можливі два випадки:a) вільні носії заряду з'являються під дією стороннього чинника
(таким чином відбувається перехід несамостійного іона в самостійний.b) вільні носії залишилися від попереднього проходження самостійного струму - випадок «повторного запалювання».
Пробій газу відбувається за час руху електронних лавин і може бутипорядку 10-7 сек. і навіть менше.
Процесом, зворотним виникнення самостійного струму в газі йогопоходження ( «гасіння»). З ним пов'язане явище залишкової провідності іїї розпаду (деіонізація газу), а також різні види залишкових струмів
(наприклад, зворотні струми іонних вентилів). Зникнення газовоїпровідності триває 10-5 сек і більше.
Газові розряди в природних умовах - звичне явище, це - блискавкиі полярні сяйва, що утворюються у верхній атмосфері при дуже низькомутиску.
3. Струм в газах.
3.1 Іонізація і рекомбінація газів.
Гази при нормальних умовах складаються з електричних нейтральнихатомів і молекул і з цієї причини не проводять електрики. Газстає провідником, коли деяка частина його молекул іонізується,тобто відбудеться розщеплення нейтральних атомів і молекул на позитивні танегативні іони і вільні електрони - такі гази називаютьіонізованими. Іони в газах могу4т виникати під дією іонізаторів
(збудники іонізації) - високої температури, рентгенівських іультрафіолетових променів, радіоактивного випромінювання, а також в результатізіткнення атомів газу з електронами та атомними частками і т.д.
Втім, і в нормальних умовах гази, наприклад повітря, маютьелектричну провідність, хоча і досить незначною. Ця провідністьвикликана випромінюванням радіоактивних речовин, що є на поверхні Землі, атакож космічними променями.
Систематичне випромінювання електричних струмів і розрядів в газах булозапочатковано лише наприкінці 19 століття. Була встановлена природа газового розряду врізних умовах. Газовим розрядом називається проходження електричногоструму через гази. Однак зважаючи на складність цих явищ, точної кількісноїтеорії їх не існує до теперішнього часу.
Іонізація газу, що виникає в результаті виривання електронів з молекул іатомів самого газу, називається об'ємною іонізацією, тому що джерела іонівтут розподілені в обсязі, який займає газ. Крім об'ємноїіонізації існує поверхнева іонізація. При такій іонізації іони абоелектрони надходять в газ зі стінок судини, в якому його укладено, або зповерхні тіл, що вносяться в газ. Наприклад, джерелом електронів можутьслужити розпечені тіла (термоелектронна емісія) або поверхніметалів, освітлювані ультрафіолетовими та іншими короткохвильовимелектромагнітними випромінюваннями (фотоелектричний ефект).
Для того щоб вибити з молекули (атома) один електрон, необхіднозатратити певну енергію. Мінімальне значення такої енергіїназивається енергією іонізації молекули (атома), її значення для атоміврізних речовин лежать в межах 425еВ.
Одночасно з процесом іонізації газу завжди йде і зворотнийпроцес - процес рекомбінації: позитивні і негативні іони імолекул. Чим більше іонів виникає під дією іонізатора, тимінтенсивніше відбувається і процес рекомбінації. У результаті рекомбінаціїпровідність газу пропадає або повертається до свого початкового значення.
Як говорилося вище, для відриву електрона від атома (іонізація атома)необхідна витрата певної енергії. При рекомбінації позитивногоіона і електрона ця енергія, навпаки, звільняється. Найчастіше вонавипромінюється у вигляді світла, і тому рекомбінація іонів супроводжуєтьсясвітінням (свічення рекомбінації). Якщо концентрація позитивних інегативних іонів велика, то і число щомиті відбуваються актіврекомбінації також буде великим, і свічення рекомбінації може бутивеликим, і свічення рекомбінації може бути дуже сильним.
Іонізація під дією зовнішнього іонізатора береться до увагитільки у випадку порівняно слабких електричних полів, коли кінетичнаенергія eEL, накопичена електроном (або іоном) на довжині вільного пробігу
L менше енергії іонізації Ei
eEL
