Молния - газовый разряд в природных условиях
Содержание.
Цель.
Теоретическое положение.
1. Введение.
3. Ток в газах.
3.1 Ионизация и рекомбинация.
3.2 Ионизация электронными ударами.
3.3 Самостоятельный и несамостоятельный разряд.
4. Разряды.
4.1 Виды разрядов.
4.2 Искровой разряд.
5. Исторические воззрения на молнии.
6. Молния.
6.1 Виды молний.
6.2 Физика линейной молнии.
7. Загадка шаровой молнии.
7.1 Итоги обработки наблюдений.
7.2 Гипотезы.
Практическое задание.
2. Введение.
Термином газовый разряд пользуются, когда хотят сказать, что в
газообразной среде протекает электрический ток, Электрические токи в газах
разнообразны во многих отношениях. Они могут отличатся между собой не
только по величине и длительности, но и по происходящим в них физическим
процессам, в первую очередь по тем процессам, которыми обусловлена
электрическая проводимость газа, т.е. появления в нем свободных носителей
заряда. Различие в механизме возникновения и поддерживания проводимости
отражается как во «внешнем виде» явления (т.е. в интенсивности, спектре,
пространственном и временном распределении его излучения), так и в его
электрических характеристиках – внешних (вольтамперная, вольтсекундная и
т.д.) и внутренних (пространственное и временное распределение
электрического поля, плотности тока, объемных зарядов, концентрации
электронов ионов и т.д.).
Ввиду такого разнообразия видов токов в газах, систематическое
изучение их требует классификации, которую естественно проводить либо его
внешним (феноменологическим) признаком различных видов тока, либо по
существу происходящих физических процессов.
Токи проводимости в газах делятся на самостоятельные и
несамостоятельные. Это деление связано с основным свойством газа – быть
непроводником тока в нормальном состоянии. Вследствие этого свойства газа
для возникновения в нем тока проводимости требуется:
a) появление в газе свободных носителей заряда (электронов и ионов), т.е.
возникновение проводимости;
b) сообщение этим носителям направленного движения.
Если в газе наложенное на него электрическое поле осуществляет обе
функции в такой степени, что для обеспечения тока, достаточно поддерживать
только это поле, то такой ток называется самостоятельным. В случаях, когда
для поддержания тока в газе необходим внешний источник ионизации и
устранение которого приводит исчезновению тока, ток называется
несамостоятельным.
Самостоятельные токи, как и все физические явления, можно разделить по
основному критерию динамики – по протеканию явления времени – на
установившиеся и неустановившиеся.
К неустановившимся (стационарным) токам следует относить только токи,
сила которых не меняется с течением времени (i=const), а всякий ток сила
которого переменна во времени считают неустановившимися.
Удобно выделить 3 типа стационарного газового разряда (тока), в
зависимости от переменного им тока:
1. Таунсендовский, или темный разряд (ток разряда не выше 10-6А).
Это самостоятельный ток, протекающий в однородном или слабо неоднородном
поле. Плотность этого тока настолько мала, что он не сопровождается
заметным свечением (отсюда название); имеет место преимущественно при
низком давлении газа.
2. Тлеющий разряд (ток приблизительно от10-6 до 10-1 А).
Электрическое поле обладает наибольшей напряженностью в ограниченной
области катода. Для этого вида разряда верно равенство
Uk>>Ui,
Uk – катодное потенциала;
Ui – ионизированный потенциал газа.
Возникает при низких давлениях.
3. Дуговой разряд (ток около 10-1 А и выше)
Электрическое поле также обладает наибольшей напряженностью. Но для данного
разряда характерно следующей неравенство
Uk< Ui
Нестационарные разряды, или искры могут возникать в широком диапазоне токов
и давлений. К ним можно отнести В4 – токи (высококачественные). Например,
«факельный разряд» - В4 – ток при высоком давлении. Однако
классифицировать, нестационарные разряды нелегко, но в принципе в этом и
нет необходимости.
Появление самостоятельного тока в газе (пробой газа), называемый
также «зажиганием», связан с появлением значительной проводимости в газе,
ранее не проводившем вовсе. Для начала пробоя необходимо, чтобы в газовом
промежутке были свободные носители заряда – электроны, ионы (хотя бы один
электрон). Здесь возможны два случая:
a) свободные носители заряда появляются под действием постороннего фактора
(таким образом происходит переход несамостоятельного иона в
самостоятельный.
b) свободные носители остались от предыдущего прохождения самостоятельного
тока – случай «повторного зажигания».
Пробой газа происходит за время движения электронных лавин и может быть
порядка 10-7 сек. и даже меньше.
Процессом, обратным возникновению самостоятельного тока в газе его
происхождение («гашение»). С ним связано явление остаточной проводимости и
ее распада (деионизации газа), а также различные виды остаточных токов
(например, обратные токи ионных вентилей). Исчезновение газовой
проводимости длится 10-5 сек и более.
Газовые разряды в природных условиях – привычное явление, это – молнии
и полярные сияния, образующиеся в верхней атмосфере при очень низком
давлении.
3. Ток в газах.
3.1 Ионизация и рекомбинация газов.
Газы при нормальных условиях состоят из электрических нейтральных
атомов и молекул и по этой причине не проводят электричества. Газ
становится проводником, когда некоторая часть его молекул ионизируется,
т.е. произойдет расщепление нейтральных атомов и молекул на положительные и
отрицательные ионы и свободные электроны – такие газы называют
ионизированными. Ионы в газах могу4т возникать под действием ионизаторов
(возбудители ионизации) – высокой температуры, рентгеновских и
ультрафиолетовых лучей, радиоактивного излучения, а также в результате
столкновения атомов газа с электронами и атомными частицами и т.д.
Впрочем, и в нормальных условиях газы, например воздух, обладают
электрической проводимостью, хотя и весьма ничтожной. Эта проводимость
вызвана излучением радиоактивных веществ, имеющихся на поверхности Земли, а
также космическими лучами.
Систематическое излучение электрических токов и разрядов в газах было
начато лишь в конце 19 века. Была установлена природа газового разряда в
различных условиях. Газовым разрядом называется прохождение электрического
тока через газы. Однако ввиду сложности этих явлений, точной количественной
теории их не существует до настоящего времени.
Ионизация газа, возникающая в результате вырывания электронов из молекул и
атомов самого газа, называется объемной ионизацией, т.к. источники ионов
здесь распределены в объеме, который занимает газ. Помимо объемной
ионизации существует поверхностная ионизация. При такой ионизации ионы или
электроны поступают в газ со стенок сосуда, в котором он заключен, или с
поверхности тел, вносимых в газ. Например, источником электронов могут
служить раскаленные тела (термоэлектронная эмиссия) или поверхности
металлов, освещаемые ультрафиолетовыми и прочими коротковолновыми
электромагнитными излучениями (фотоэлектрический эффект).
Для того чтобы выбить из молекулы (атома) один электрон, необходимо
затратить определенную энергию. Минимальное значение такой энергии
называется энергией ионизации молекулы (атома), ее значение для атомов
различных веществ лежат в пределах 4[pic]25эВ.
Одновременно с процессом ионизации газа всегда идет и обратный
процесс – процесс рекомбинации: положительные и отрицательные ионы и
молекул. Чем больше ионов возникает под действием ионизатора, тем
интенсивнее идет и процесс рекомбинации. В результате рекомбинации
проводимость газа пропадает или возвращается к своему исходному значению.
Как говорилось выше, для отрыва электрона от атома (ионизация атома)
необходима затрата определенной энергии. При рекомбинации положительного
иона и электрона эта энергия, напротив, освобождается. Чаще всего она
излучается в виде света, и поэтому рекомбинация ионов сопровождается
свечением (свечение рекомбинации). Если концентрация положительных и
отрицательных ионов велика, то и число ежесекундно происходящих актов
рекомбинации также будет большим, и свечение рекомбинации может быть
большим, и свечение рекомбинации может быть очень сильным.
Ионизация под действием внешнего ионизатора принимается во внимание
только в случае сравнительно слабых электрических полей, когда кинетическая
энергия eEL, накопленная электроном (или ионом) на длине свободного пробега
L меньше энергии ионизации Ei
eEL и, следовательно, при столкновении с нейтральными частицами электроны лишь изменяют направление движения (упругое рассеяние). Помимо данной ионизации возможна ионизация электронными ударами. 3.2 Ионизация электронными ударами. Данный процесс заключается в том, что свободный движущийся электрон, обладающий достаточной кинетической энергией при соударении с нейтральным атомом выбивает один (или несколько) из атомных электронов. В результате этого нейтральный атом превращается в положительный ион, (который также может ионизировать газ) и, кроме первичного, появляются новые электроны, которые ионизируют еще атомы, Таким образом, число электронов будет лавинообразно нарастать, этот процесс называется электронной лавиной. Этот вид ионизации наблюдается при сильных полях, когда eEL Для количественной характеристики ионизирующей способности электронов и ионов Таунсенд (1868 – 1957) ввел два «коэффициента объемной ионизации» [pic] и [pic]. [pic]определяется как среднее число ионов одного знака, производимое электроном на единице длины своего пути. Такой же смысл имеет коэффициент [pic], характеризующий ионизующую способность положительных ионов. Коэффициент ионизации электронами [pic]значительно превосходит коэффициент ионизации положительными ионами [pic]. Следующий классический опыт Таунсенда доказывает это утверждение.
