какое нужно напряжение чтобы пробить 1 см воздуха
Электрический пробой
В воздухе при атмосферном давлении необходимо напряжение в 30 тыс. в, чтобы пробить зазор в 1 см между шарами с радиусом также в 1 см. Раздвинем шары. Придется приложить более высокое напряжение, чтобы пробить воздушный промежуток.
Невольно напрашивается аналогия из механики. В стальной баллон накачивается воздух. Он давит на стенки. При очень высоком давлении они в конце концов могут разорваться. Чем толще стенки, тем более высокое давление выдерживает баллон. При электрическом пробое кажется естественным, что больший слой воздуха выдерживает большее напряжение.
Вместо того чтобы увеличивать расстояние между электродами, можно увеличить плотность окружающего их воздуха, поместить электроды в сжатый газ. Это также увеличит пробивное напряжение.
В двигателях внутреннего сгорания смесь поджигается электрической искрой. В цилиндр двигателя ввинчивается «свеча» с двумя никелевыми электродами на расстоянии около миллиметра один от другого. При атмосферном давлении этот зазор между электродами пробивается при 3—5 кв. А когда смесь в цилиндре сжата, требуется напряжение, в несколько раз большее.
Иная зависимость пробивного напряжения от давления и зазора в электровакуумных приборах. В тиратронах, например, уменьшают зазор между сеткой и анодом, чтобы увеличить пробивное напряжение. В тиратронах уменьшение расстояния увеличивает электрическую прочность прибора.
Пробой газового промежутка развивается так: в зазоре между электродами всегда имеется некоторое количество свободных электронов. Когда к электродам прикладывается напряжение, то электроны начинают двигаться к положительному электроду. На своем пути эти электроны могут встречать нейтральные молекулы газа. Расстояние между двумя такими встречами, двумя соударениями называется свободным пробегом электрона. Свободный пробег зависит от плотности газа. При атмосферном давлении свободный пробег — это ничтожные доли миллиметра. А при высоком разрежении свободный пробег достигает нескольких сантиметров.
Если электрон ударяется о нейтральную молекулу с достаточно большой скоростью, он разбивает ее — вырывает из нее один или даже несколько электронов. Эти электроны совместно с начальными движутся также к положительному электроду. На пути они могут встретить еще нейтральные молекулы, вырвать из них еще новые электроны. Когда напряжение между электродами достаточно велико, то возникает электронная лавина. Небольшое начальное количество электронов в результате многочисленных столкновений возрастает, как снежный ком, катящийся с горы.
Возникновение электронной лавины — это и есть пр’обой. Когда плотность газа велика, то электрон на пробеге между двумя соударениями может накопить достаточно энергии, чтобы выбить из молекулы новый электрон лишь при высоком напряжении между электродами. Чем больше плотность газа, тем выше напряжение, при котором может образоваться электронная лавина и произойдет пробой.
Если же плотность газа мала, свободный пробег электронов велик, то большое их число будет пролетать между электродами, вообще не встречая молекул газа и не выбивая новых электронов.
В этом случае чем меньше плотность газа или чем меньше расстояние между электродами, тем большее напряжение необходимо, чтобы вызвать лавину электронов, произвести пробой.
На фиг. 7-22 приведена примерная кривая зависимости пробивного напряжения от произведения плотности газа на зазор между электродами.
Фиг. 7-22. Зависимость пробивного напряжения между ‘двумя электродами от произведения плотности р газа, окружающего электроды, на расстояние d между электродами.
Наименьшее пробивное напряжение получается, когда свободный пробег электрона имеет величину одного порядка с расстоянием между электродами. Пробивное напряжение возрастает в обоих случаях: и когда свободный пробег электрона значительно меньше расстояния между электродами (область высоких давлений) и когда свободный пробег электрона значительно больше расстояния между электродами (область низких давлений).
Наименьшее напряжение требуется для пробоя, когда расстояние между электродами одного порядка со свободным пробегом электрона. В электрических цепях часто применяются разрядники. Они действуют как предохранительные клапаны. Их назначение быть самым слабым местом в электрической цепи. В разрядниках так подбирают конструктивные размеры, что они соответствуют минимуму кривой пробоя.
При атмосферном давлении, чтобы получить малое пробивное напряжение, надо давать зазор между электродами разрядника несколько микрон. Удобнее поместить электроды разрядника в колбу с пониженным дав лением. Тогда минимальное пробивное напряжение соответствует зазору в несколько миллиметров.
Минимальное пробивное напряжение может быть 100—200 в. Если уменьшить плотность газа, окружающего электроды, величина пробивного напряжения возрастет. В газотронах (фиг. 2-4) расстояние между катодом и анодом такое же, как и в разрядниках, но в разрядниках давление газа в баллоне — несколько миллиметров ртутного столба, а в газотронах давление равно всего лишь нескольким десятитысячным миллиметра ртутного столба. Пробивное напряжение газотрона около 20 000 в. При еще большем разрежении между электродами пробивное напряжение возрастает до нескольких сотен тысяч вольт.
Плоскогорье вместо вершины
Бывает, что точка максимума выражена неотчетливо.
При индукционном нагреве в плавильной печи (фиг.
При низкой частоте тока в индукторе изделие, как уже говорилось, прозрачно для магнитного потока. Вихревые токи в изделии слабы, мощность, ими выделяемая, ничтожна по сравнению с потерями в индукторе. С повышением частоты тока в индукторе мощность в изделии растет сначала как квадрат частоты. Быстро растет к. п. д. Но затем рост к. п. д. замедляется. Вихревой ток в изделии не может быть интенсивнее, нежели породивший его ток индуктора. Коэффициент полезного действия приближается к некоторому предельному значению. Эго предельное значение к. п. д. η„ зависит от сопротивления материала индуктора рь сопротивления материала нагреваемого изделия рв и от соотношения поверхностей, омываемых быстропеременным магнитным потоком в индукторе St и изделии Sa.
Можно повысить частоту тока в 10 или даже в. 100 раз, но к. п. д. никогда не достигнет значения η0 При еще большем повышении частоты к. п. д. может начать падать из-за того, что индуктор станет излучать электромагнитную энергию во все стороны, как антенна широковещательной радиостанции, и появятся большие потери в окружающих индуктор предметах. Но до этого предела обычно никогда не доходят по ряду других причин.
Фиг. 7·23. Коэффициент полезного действия индуктора, нагревающего шар, в зависимости от частоты тока. Размеры шара и индуктора показаны в верхнем леЕсм углу рисунка.
На фиг. 7-23 представлен ход кривых к. п. д. для случая нагрева шаров диаметром 50 мм из разных материалов, помещаемых внутрь индуктора в виде цилиндрической спирали с высотой и диаметром, равным 100 мм (кривые построены на основе расчетов, проведенных мною перед войной на заводе «Светлана»).
Как здесь определить наивыгоднейшую частоту? Точки максимума на этих кривых нет. После крутого подъема идет перегиб, а затем почти горизонтальный участок.
Прежде всего надо указать, что нагревательный индуктор — это лишь одно звено установки высокочастотного нагрева. С индуктором всегда соединена (непосредственно или через трансформатор) конденсаторная батарея. И стоимость этой батареи, и потери в ней зависят от частоты. При одной и той же передаваемой полезной мощности затраты на батарею конденсаторов для разных частот могут отличаться в несколько раз.
От частоты тока зависит и тип генератора. Если частота тока выше 10 000 гц, то целесообразно применять только генераторы с электронными лампами. Потери энергии в этих лампах могут превышать 20% от преобразуемой мощности. При более низких частотах можно применять и машинные генераторы, и генераторы с ионными лампами, в которых потери меньше 10%. Может оказаться выгодным несколько пожертвовать к. п. д. индуктора, но зато выиграть на к. п. д. генератора.
Можно построить кривую полного к. п. д. и полных эксплоатационных расходов нагревательной установки в зависимости от частоты тока. Но и эта кривая большей частью не имеет вида острого пика, а напоминает собой плоскогорье.
Но здесь электрик должен прислушаться к голосу металлурга и машиностроителя. При высокочастотном нагреве металлов энергетика — только служанка технологии. Основное назначение нагревательной установки — это не экономить энергию, а давать продукцию высшего качества. При поверхностной закалке часто приходится выбирать частоту, значительно более высокую, чем это нужно по соображениям к. п. д. Так бывает при нагреве изделий сложной формы. Только высокочастотный ток может обойти ‘по всем выступам и впадинам изделия. Иногда же, наоборот, выбирают явно заниженную с точки зрения электрика частоту, для того чтобы получить прогрев сразу в толстом слое и узкую переходную зону между нагретым и сердцевинным металлом.
Поэтому на кривой зависимости к. п. д. нагревательного индуктора от частоты тока надо иметь только какую-то опорную точку. Точку, ниже которой к. п. д. растет быстро, а выше — медленно. Но это не такая определенная вещь, как точка максимума или минимума, которая определяется математически совершенно однозначно. Точка перехода от крутого склона к пологой части (колено на кривой) это понятие условное.
В моей книге «Индукционный нагрев металлов» я так определил минимально допустимую частоту тока, или, что одно и то же, максимальную допустимую длину волны:
«При нагреве цилиндра. или шара из немагнитного материала надо, чтобы длина электромагнитной волны в этом цилиндре или шаре была меньше его радиуса. Коэффициент полезного действия сильно ухудшается, если ток имеет более низкую частоту и, следовательно, более длинную волну. При нагреве шара из магнитного материала колено кривой к. п. д. соответствует волне, которая в магнитную проницаемость ( μ) раз меньше радиуса шара. Когда нагревается не шаровое и не цилиндрическое изделие, а плоская плита, то желательно, чтобы ширина индуктора была больше длины волны».
Разные авторы неоднократно предлагали иные формулировки дляграницы «достаточного электрического к. п. д.». Одни писали, что волна должна в полтора, два раза быть меньше радиуса нагреваемого цилиндра, а другие, наоборот, считали, что достаточно иметь волну, равную трем четвертям от радиуса.
Мне приходилось слышать споры: «Ваш критерий не точен, а вот формула такого-то дает прекрасные [результаты». Другие, наоборот, хвалили мое определение. Кто же прав? Да никто. Определение «достаточного электрического к. п. д.»—это не формула и не критерий, это скорее мнемоническое правило. Никакой особой точки на колене не существует. Это правило только указывает «быстро» или «медленно» растет к. п. д. на данном участке кривой. А конкретные значения этого к. п. д. надо получать полным расчетом.
И в других областях электротехники приходится сталкиваться с кривыми, не имеющими максимума. Кривая намагничения стали идет сначала круто, а затем переходит в пологий участок. Где здесь точка насыщения? При каком значении индукции происходит перегиб в кривой? И здесь нельзя дать точною однозначного указания, а можно лишь отметить некоторую область магнитных индукций. Ниже нет насыщения, выше оно есть.
Источник: Электричество работает Г.И.Бабат 1950-600M
Влияние давления на электрическую прочность воздуха
Электрическая прочность — воздух
Электрическая прочность воздуха при повышении давления значительно возрастает, при понижении давления — уменьшается: при достижении глубокого вакуума электрическая прочность воздуха и других газов вновь возрастает. [5]
Электрическая прочность воздуха зависит от условий погоды: влажности, температуры, барометрического давления. [7]
Электрическая прочность воздуха зависит от величины зазора, формы электродов и давления. [8]
Электрическая прочность воздуха зависит от условий погоды: влажности, температуры, барометрического давления. [9]
Электрическая прочность воздуха заметно зависит от частоты переменного электрического поля, то снижаясь, то повышаясь в различных диапазонах частот. [10]
Электрическая прочность воздуха в нормальных условиях невелика по сравнению с большинством жидких и твердых диэлектриков. Пробой воздуха, как и других газов, следует рассматривать, как следствие развития процессов ударной и фотоионизации. [11]
Снижение электрической прочности воздуха при пониженном атмосферном давлении создает опасность пробоя воздушных зазоров и перекрытий по поверхности конденсаторов. [12]
Вообще же электрическая прочность воздуха при нормальных условиях зависит от расстояния между электродами. Эта зависимость представлена на рис. 2 — 6 при пробое в однородном поле. [14]
Пробой газообразных диэлектриков в неоднородном поле
Особенности пробоя газообразных диэлектриков в однородном поле.
Поле является однородным, если вектор напряженности поля во всех его точках одинаков. На практике однородное поле встречается крайне редко. Электрическая прочность газов существенно зависит от большого числа разнообразных внешних факторов.
Зависимость электрической прочности газов от давления. Зависимость электрической прочности газа от давления объясняется изменением концентрации молекул в единице объема, приводящему к изменению длины свободного пробега электрона λ
. В области атмосферных давления зависимость
Eпр(р)
является практически линейной и теряет линейность в областях, близких к вакууму.
Зависимость электрической прочности газов от расстояния между электродами.При уменьшении расстояния между электродамиEпр
быстро возрастает, что объясняется трудностью формирования разряда в малом промежутке. Электроны не успевают набрать необходимую для ионизации энергию до столкновения с анодом.
Форма электродовсущественно влияет на электрическую прочность газов, что объясняется в первую очередь неоднородностью электрического поля и появлением локальных перенапряжений.
Зависимость электрической прочности воздуха от частоты приложенного напряжения имеет место только в области ультразвуковых частот, радиочастот и СВЧ. В области промышленных частот электрическая прочность газа практически не зависит от частоты напряжения.
Неоднородное электрическое поле возникает между электродами типа стержень — плоскость, типа стержень – стержень, между проводами воздушных линий электропередач. Области с высокой напряженностью электрического поля часто образуются вследствие неоднородности электрического поля, возникающей:
1) При выборе неверных параметров в процессе конструирования
2) В результате загрязнений, возникающих в процессе работы
3) В результате механических повреждений и износа оборудования
На практике мы обычно имеем именно неоднородные электрические поля. Пробою газа в неоднородном поле предшествует возникновение коронного разряда, являющегося фактически неполным пробоем. Коронный разряд — это явление, связанное с ионизацией воздуха в электрическом поле с высокой напряженностью (свечение газов в неоднородном электрическом поле высокой напряжённости). Подобные поля формируются у электродов с очень большой кривизной поверхности (острия, тонкие провода). Когда напряженность поля достигает предельного значения для воздуха (около 30 кВ/см), вокруг электрода возникает свечение, имеющее вид оболочки или короны (отсюда название). Возникающие разряды вначале не достигают второго электрода. С повышением напряжения коронный разряд переходит в искровой, а затем – в дуговой разряд.
Условия возникновения короны и пробоя газа в неоднородном поле зависят от полярности напряжения, приложенного к стержневому электроду. При положительной полярности стержневого электрода корона появляется при более низких напряжениях. Увеличение влажности пробивное напряжение воздушного промежутка возрастает.
На линиях электропередачи возникновение коронного разряда нежелательно, так как вызывает значительные потери передаваемой энергии. С целью уменьшения относительной кривизны электродов применяются многопроводные линии (3, 5 или более определенным образом расположенных проводов).
Пробой воздуха
ЛЕКЦИЯ (продолжение)
Тема: Электрическая прочность диэлектриков
Влияние частоты на электрическую прочность связано с возможностью формирования разряда за время Т/2.
Время формирования разряда —
1-ый участок — при f до
за время Т/2 успевает сформироваться разряд.
2-ой участок – при f
в межэлектродном промежутке накапливается объёмный положительный заряд, в результате чего искажается электрическое поле, и это способствует образованию токопроводящего канала между электродами. Электрическое поле усиливается, а значит, электрическая прочность снижается.
3-ий участок – при частотах
и выше затрудняются условия формирования разряда, потому что затруднено выполнение условия (2) из-за малой длины свободного пробега. Выполнение условия (2) возможно лишь при повышении скорости движения свободных зарядов.
Механизм пробоя воздуха
ФИЗИКА И ХАРАКТЕРИСТИКИ МОЛНИЕВЫХ ПРОЦЕССОВ
В естественных условиях воздух является хорошим изолятором. Это свойство воздуха используют, когда строят воздушные линии электропередач.
Для протекания тока через любой материал необходимо, чтобы в материале были свободные заряды. Самый легкий из них — электрон. Электрон самый быстрый и эффективный носитель электрического тока. Ионы (ионизированые атомы или молекулы) в несколько тысяч раз тяжелее электрона, поэтому их скорость в электрическом поле в сотни раз меньше, чем у электронов.
В обычных условиях в каждом кубическом сантиметре воздуха содержится около 10 электронов и примерно 1000 ионов. В канале молнии плотность электронов увеличивается примерно в 1014 раз. Чтобы лучше ощутить эту огромную цифру, можно привести такое сравнение: мысленно увеличивая радиус атома в 1014 раз, получим шарик радиусом в 10 км
Откуда берется такая армада электронов в канале молнии? Ответ простой: надо извлечь электроны из атомов. В самом простом из них, атоме водорода, имеется один электрон, в азоте и кислороде (основных компонентах воздуха) соответственно 7 и 8 электронов. В каждом кубическом сантиметре воздуха при нормальном давлении имеется 2,6*1019 молекул. Так что электронов хватает, надо только уметь их извлекать из атомов.
Рассмотрим, насколько это сложно. Возьмем атом водорода с одним электроном на орбите. По справочным данным, электрон водорода несет отрицательный заряд
-1,6*10-19 Кл. Это самый маленький заряд в природе. Атом нейтрален, т.к. его ядро содержит положительно заряженный протон с зарядом, равным атому. Радиус атома около 10-8 см. Именно на таком расстоянии электрон вращается вокруг протона. Между ними действует сила притяжения, которую считают по закону Кулона
коэффициент пропорциональности, равный для воздуха и других газов 9*109, если заряды представлять в кулонах, а расстояние между ними в метрах. Тогда, учитывая, что
q1 = q2
, получаем
Чтобы оторвать электрон от атома, надо приложить такую силу. Эта сила может содержаться в электрическом поле заряда в грозовом облаке.
Обычно пользуются в этом случае характеристикой напряженности электрического поля. Она показывает, сколько вольт действует на единице длины изоляционного промежутка, если к промежутку приложено напряжение U.
Следовательно, ели длина промежутка равна
d
, то
и измеряется в вольтах на метр (В/м)
В весьма примитивных опытах с наэлектризованной расческой было получено напряжение пробоя воздуха 30 кВ/см.
Как известно, напряженность поля действует на заряд с силой
Если это заряд электрона q
Подставляя в эту формулу е=
Это фантастическое по уровню электрическое поле! Значит, чтобы вырвать электрон у атома, надо создать такое же внешнее поле.
Как же удается это сделать наэлектризованной расческе? Ведь у неё поле в 50 000 раз меньше!
Весь секрет в механизме отрывания электрона.
Рассмотри этот природный секрет.
Если к воздушному промежутку прикладывать электрическое поле, то электрон будет перемещаться под его действием, при этом сталкиваясь с атомами молекул. Пока скорость электрона мала, столкновения его с атомами являются упругими, и электрон подобно теннисному мячику отскакивает от атома. Картина кардинально меняется, когда электрон настолько ускоряется, что в результате своей кинетической энергии, отданной при ударе, он может выбить электрон из атома. Такой процесс называется ударной ионизацией. В атмосферном воздухе ударная ионизация возникает при напряженности электрического поля примерно 30 кВ/м. Это доказано и теоретически, и экспериментально.
Как было сказано выше, в 1 см3 воздуха существует около 10 электронов. если хотя бы один из низ разгонится до состояния, когда он способен выбить дркгой электрон из атома, появляются уже два свободныз электрона, каждый с энергией, достаточной, чтобы выбить из следующих атомов по 1 электрону каждый, а это уже получается 4 электрона. Далее процесс повторяется, но в каждом последующем случае число электронов удваивается: 1, 2, 4, 8, 16, 32, 64, 128, 256, 512, 1024, 248, т.е процесс образования новых электронов нарастает лавиноообразно. Соответственно, воздух становится все более проводящим.
Наблюдения показывают, что в воздушном промежутке одновременно несколько лавин, при очень высокой напряженности электрического поля их число может быть очень большим. Этот процесс называют электрическим пробоем воздуха.
Дата добавления: 2017-11-21; просмотров: 690; ЗАКАЗАТЬ НАПИСАНИЕ РАБОТЫ
Но какое электрическое поле необходимо для пробоя воздуха?
ФИЗИКА И ХАРАКТЕРИСТИКИ МОЛНИЕВЫХ ПРОЦЕССОВ
Механизм пробоя воздуха
В естественных условиях воздух является хорошим изолятором. Это свойство воздуха используют, когда строят воздушные линии электропередач.
В обычных условиях в каждом кубическом сантиметре воздуха содержится около 10 электронов и примерно 1000 ионов. В канале молнии плотность электронов увеличивается примерно в 10 14 раз. Чтобы лучше ощутить эту огромную цифру, можно привести такое сравнение: мысленно увеличивая радиус атома в 10 14 раз, получим шарик радиусом в 10 км.
Откуда берется такая армада электронов в канале молнии? Ответ простой: надо извлечь электроны из атомов. В самом простом из них, атоме водорода, имеется один электрон, в азоте и кислороде (основных компонентах воздуха) соответственно 7 и 8 электронов. В каждом кубическом сантиметре воздуха при нормальном давлении имеется 2,6*10 19 молекул. Так что электронов хватает, надо только уметь их извлекать из атомов.
Рассмотрим, насколько это сложно. Возьмем атом водорода с одним электроном на орбите. По справочным данным, электрон водорода несет отрицательный заряд
. (1)
Чтобы оторвать электрон от атома, надо приложить такую силу. Эта сила может содержаться в электрическом поле заряда в грозовом облаке.
Обычно пользуются в этом случае характеристикой напряженности электрического поля. Она показывает, сколько вольт действует на единице длины изоляционного промежутка, если к промежутку приложено напряжение U. Следовательно, ели длина промежутка равна d, то
и измеряется в вольтах на метр (В/м)
В весьма примитивных опытах с наэлектризованной расческой было получено напряжение пробоя воздуха 30 кВ/см.
Как известно, напряженность поля действует на заряд с силой
. (2)
Если это заряд электрона q, то 
. Вот теперь можно понять, какую напряженность поля надо иметь, чтобы оторвать электрон от атома. Для этого приравняем (1) и (2):
.
/м=1.440.000 кВ /см.
Это фантастическое по уровню электрическое поле! Значит, чтобы вырвать электрон у атома, надо создать такое же внешнее поле.
Как же удается это сделать наэлектризованной расческе? Ведь у неё поле в 50 000 раз меньше!
Весь секрет в механизме отрывания электрона.
Рассмотри этот природный секрет.
Если к воздушному промежутку прикладывать электрическое поле, то электрон будет перемещаться под его действием, при этом сталкиваясь с атомами молекул. Пока скорость электрона мала, столкновения его с атомами являются упругими, и электрон подобно теннисному мячику отскакивает от атома. Картина кардинально меняется, когда электрон настолько ускоряется, что в результате своей кинетической энергии, отданной при ударе, он может выбить электрон из атома. Такой процесс называется ударной ионизацией. В атмосферном воздухе ударная ионизация возникает при напряженности электрического поля примерно 30 кВ/м. Это доказано и теоретически, и экспериментально.
Как было сказано выше, в 1 см 3 воздуха существует около 10 электронов. если хотя бы один из низ разгонится до состояния, когда он способен выбить дркгой электрон из атома, появляются уже два свободныз электрона, каждый с энергией, достаточной, чтобы выбить из следующих атомов по 1 электрону каждый, а это уже получается 4 электрона. Далее процесс повторяется, но в каждом последующем случае число электронов удваивается: 1, 2, 4, 8, 16, 32, 64, 128, 256, 512, 1024, 248, т.е процесс образования новых электронов нарастает лавиноообразно. Соответственно, воздух становится все более проводящим.
Наблюдения показывают, что в воздушном промежутке одновременно несколько лавин, при очень высокой напряженности электрического поля их число может быть очень большим. Этот процесс называют электрическим пробоем воздуха.
Но какое электрическое поле необходимо для пробоя воздуха?
Как известно, свойства молниевого разряда исследовали на искусственных высоковольтных генераторах в виде искрового разряда. Оказывается, средняя напряженность электрического поля существенно зависит от расстояния между электродами:
| Среднее пробивное поле, кВ/см |  |
| Длина промежутка, м |
Процесс развития молнии
Как известно, 80-90% молний развиваются из отрицательно заряженных областей грозового облака.
По мере концентрации отрицательных зарядов в облаке увеличивается напряженность электрического поля Е. Когда Е достигает критического значения,зависящего от высоты над землей, становится возможной ионизация воздуха, и в сторону земли начинает развиваться разряд. На начальной стадии, называемой лидерной, канал разряда развивается ступенчато. Ступени следуют друг за другом с интервалами 30-50 мкс. Во время каждой ступени канал удлиняется на 5-100 м. Новая часть разрядного канала вспыхивает ярко, в то время как старая светится более тускло (рис.2, дискретная развертка). Лидерный процесс развивается со средней скоростью 1…2х10 5 м/с (360000…720000 км/ч) и продолжается 10-30 мс. Ток в лидерной стадии молнии составляет от десятков до сотен ампер. Радиус зоны ионизации лидерного канала – 2…20 м.
Заряды облака и лидера индуктируют на поверхности земли и на расположенных на ней объектах заряды противоположного знака. По мере приближения лидера к земле индуктированный заряд и напряженность электрического поля на вершинах возвышающихся над поверхностью земли объектов возрастают, и с них могут развиваться встречные лидеры.
Когда канал развивающегося от облака лидера приближается к земле или к к одному из встречных лидеров на расстояние 25-100 м, то между ними возникает высокая напряженность электрического поля, среднее значение которой составляет 10 кВ/см. При этом промежуток между лидерами пробивается за несколько микросекунд, и в нем выделяется энергия 0,5…5 МДж, которая расходуется на нагрев и термоионизацию промежутка. Проводимость этой части канала резко возрастает. Область высокой напряженности поля, образовавшаяся на границе контактирующего с землей хорошо проводящего канала и зоны ионизации лидера, перемещается к облаку со скоростью от 1,5·10 7 до 1,5·10 8 м/с (0,05…0,5 скорости света). При этом происходит нейтрализация зарядов лидера. Ток в канале за 5..10 мкс достигает многих десятков килоампер, а затем за время 25-200 мкс спадает до половины максимального значения. Этот процесс, называемый главным разрядом, сопровождается сильным свечением канала разряда и электромагнитным излучением. Канал главного разряда, разогретый до температуры 20…30·10 3 К, быстро расширяется, что вызывает распространение в окружающем воздухе ударной волны, воспринимаемой как гром. В завершающей (финальной) стадии молнии по каналу в течение десятков миллисекунд проходит ток порядка десятков и сотен ампер (нейтрализуются заряды облака).
В грозовом облаке во многих случаях образуется не одна область концентрации зарядов, а несколько. Располагаются они, как показывает анализ изменения электрического поля во время удара молнии, в основном на разной высоте. Поэтому развитие разряда из нижней заряженной области по другим направлениям, кроме земли, затруднено. Только после нейтрализации заряда нижней области становится возможным разряд из следующей по высоте области концентрации зарядов (рис. 3).
Рис. 3. Схема развития двухкомпонентной молнии
Лидер повторного разряда развивается по ионизированному пути, проложенному первым разрядом, поэтому скорость его выше и имеет порядок 106 м/с. Развивается он непрерывно, без ступеней. Ярко светится только его головка, прочерчивая на фоторазвертке по времени непрерывную линию (см. рис. 2). Особенности развития лидера повторных разрядов дали основание называть его стреловидным.
По достижении стреловидным лидером наземного объекта или встречного лидера происходит повторный главный разряд, сопровождающийся прохождением по каналу большого тока и ярким его свечением.
В большинстве случаев молния состоит из двух-трех отдельных разрядов (компонентов), однако наблюдаются молнии и с большим числом компонентов (до 20-30). На рис. 4 показаны вероятности возникновения молний с разным числом компонентов. Многокомпонентная молния может длиться до 1,3 с (самое большое зарегистрированное время). Чаще же всего длительность молнии не превышает 0,1 с. Следующие друг за другом яркие вспышки канала при повторных импульсах тока воспринимаются наблюдателем как мерцание молнии.
Рис. 4. Распределение числа компонентов в ударе молнии
Если высота объекта составляет сотни метров, то напряженность электрического поля на его вершине может достигнуть критического значения раньше, чем напряженность поля в облаке. В таких случаях развитие молнии начинается не с облака, а с вершины объекта. Большинство разрядов, поражающих Останкинскую телебашню в Москве, начинается развитием лидера с ее вершины (540 м над поверхностью земли).
Такие молнии не имеют резко выраженной главной стации. Лидеры повторных разрядов в этих случаях всегда развиваются от облака к земле, и повторные компоненты не отличаются от нисходящих от облака молний (рис. 5).
Рис.5 Схема развития восходящей молнии:
Рис.6 Классификация молний по К. Бергеру (1977):
Л – направление развития лидера; ГР – направление развития главного разряда
В общей сложности в лаборатории К. Бергера были зарегистрированы и обработаны результаты регистрации примерно 2000 ударов молний. Результаты измерений статистически обработаны и отражены во многих публикациях.
Для того чтобы проиллюстрировать особенности тока различного вида молний, приведем типичные осциллограммы, полученные К. Бергером.
На рис. 7 показан ток многокомпонентной молнии с отрицательно заряженного облака. Между импульсами и в конце процесса протекает ток. Чтобы продемонстрировать этот ток, начиная с 300 мс масштаб тока резко уменьшен.
Рис. 7. Осциллограмма тока молнии, развивающейся с отрицательно заряженного облака
Рассмотрим токи молний в месте удара в землю или объект, расположенный на земле.
Незавершенные восходящие молнии, развивающиеся, как правило, с высоких объектов в направлении облака, сопровождаются небольшими по значению лидерными токами, протекающими по объекту, и обычно не представляющими для них опасности. При незавершенных нисходящих молниях через объекты, находящиеся на земле, могут проходить лишь токи, обусловленные перемещением индуктированных зарядов, которые гораздо меньше, чем лидерные токи.
Известно, что примерно 90% грозовых разрядов на землю происходит с отрицательно заряженных облаков. Эти молнии по классификации К. Бергера подразделяются на нисходящие и восходящие и содержат, как правило, несколько компонентов. Ток у земли нисходящей молнии с отрицательно заряженного облака начинается с импульса главного разряда первой вспышки (рис. 8, а), за ним протекает постоянная составляющая, на которую накладываются импульсы главных разрядов последующих компонентов молнии. Амплитуда импульса тока первого разряда, как правило, на десятки процентов выше, чем последующих (см., например, осциллограмму на рис. 7), однако крутизна второго импульса тока в несколько раз превышает крутизну первого импульса.
При восходящей отрицательной молнии через объект на землю протекает ток развивающихся восходящих лидеров, переходящий в ток постоянной составляющей (рис. 8, б), на который накладываются последующие импульсы токов главных разрядов. Ток главного разряда первого импульса через объект не протекает. Это объясняется тем, что даже при
Рис. 8. Типы молний и характерные для них токи
восходящей молнии все последующие вспышки происходят путем развития нисходящих лидеров по каналу разряда, образованному первой вспышкой.
Иногда наблюдаются грозовые разряды с переменой направления прохождения тока, что схематически показано на рис. 8, е. Такой характер процесса объясняется тем, что при развитии грозового разряда подключаются другие участки грозового облака, имеющие заряды противоположного знака.
Нисходящие молнии с положительно заряженного облака характеризуются сравнительно длительным импульсом тока главного разряда (см. рис. 8, г), при котором большая часть заряда облака переносится на землю во время импульса; при таких молниях трудно выделить стадию постоянной составляющей тока.
При восходящих положительных молниях через объект протекают лишь лидерный ток и постоянная составляющая тока (рис. 8, д), обусловленная стеканием заряда из облака на землю.
Представленные на рис. 8 процессы формирования токов молний различных типов составлены на основе данных, полученных непосредственным измерением токов молний.
При решении проблем молниезащиты и обеспечения молниеустойчивости объектов часто бывает достаточным знать наиболее опасные основные параметры тока молнии. Важнейшим из них является максимальное значение тока.
Как уже отмечалось, наибольшие по значению токи в объектах, расположенных на земле, при отрицательном заряде облака наблюдаются при нисходящих молниях, причем это токи первых главных разрядов. Статистические данные о значениях токов главных разрядов приведены на рис. 9, где по оси ординат отложена вероятность Р того, что амплитуда тока равна заданному значению Iм или превышает его. Зависимости 1 и2 построены по данным К. Бергера.
Рис.9. Статистические данные о максимальных значениях токов молний:
1 – по результатам измерений К.Бергера
Следует отметить, что данные, полученные Е. Гарбаньяти и др. [2.11, 2.12], при р
50% практически не отличаются от данных К. Бергера.
Из сопоставления зависимостей 1 и 2 на рис. 9 можно сделать вывод о том, что при разработке систем обеспечения молниеустойчивости объектов нельзя пренебрегать протеканием через объект токов до нескольких сотен килоампер, обусловленных положительными молниями. Несмотря на то, что положительные молнии наблюдаются в значительно реже, чем отрицательные, с вероятностью р
1% общего числа поражений возможны токи 300-400 кА.
 |
Рис. 10. Типы молний и характерные для них токи
 |
 |
 |
1. Базелян Э.М. Осторожно, молния! – М.: Изд-во «Спорт и Культура – 2000», 2012. 160 с.