Реферат: Коронный разряд

… Большой отрядвоинов Древнего Рима находился в ночном походе. Надвигалась гроза. И вдруг надотрядом показались сотни голубоватых огоньков. Это засветились острия копийвоинов. Казалось, железные копья солдат горят не сгорая! Природы удивительногоявления в те времена никто не знал, и солдаты решили, что такое сияние накопьях предвещает им победу. Тогда это явление называли огнями Кастора иПоллукса – по имени мифологических героев-близнецов. А позднее переименовали вогни Эльма – по названию церкви святого Эльма в Италии, где они появлялись.

Особенно частотакие огни наблюдали на мачтах кораблей. Римский философ и писатель ЛуцийСенека говорил, что во время грозы «звезды как бы нисходят с неба и садятся намачты кораблей». Среди многочисленных рассказов об этом интересно свидетельствокапитана одного английского парусника.

Случилось это в1695 году, в Средиземном море, у Балеарских островов, во время грозы.

Опасаясь бури,капитан приказал спустить паруса. И тут моряки увидели в разных местах кораблябольше тридцати огней Эльма. На флюгере большой мачты огонь достиг болееполуметра в высоту. Капитан послал матроса с приказом снять его. Поднявшисьнаверх, тот крикнул, что огонь шипит, как ракета из сырого пороха. Ему приказалиснять его вместе с флюгером и принести вниз. Но как только матрос снял флюгер,огонь перескочил на конец мачты, откуда снять его было невозможно.

Еще болеевпечатляющую картину увидели в 1902 году моряки парохода «Моравия». Находясь уостровов Зеленого Мыса, капитан Симпсон записал в судовом журнале: «Целый час вморе полыхали молнии. Стальные канаты, верхушки мачт, нок-реи, ноки грузовыхстрел – все светилось. Казалось, что на шканцах через каждые четыре футаповесили зажженные лампы, а на концах мачт и нок-рей засветили яркие огни».Свечение сопровождалось необычным шумом:

«Словно мириадыцикад поселились в оснастке или с треском горел валежник и сухая трава...»

Огни святого Эльмаразнообразны. Бывают они в виде равномерного свечения, в виде отдельных мерцающихогоньков, факелов. Иногда они настолько похожи на языки пламени, что ихбросаются тушить.

Американскийметеоролог Хэмфри, наблюдавший огни Эльма на своем ранчо, свидетельствует: этоявление природы, «превращая каждого быка в чудище с огненными рогами,производит впечатление чего-то сверхъестественного». Это говорит человек,который по самому своему положению не способен, казалось бы, удивлятьсяподобным вещам, а должен принимать их без лишних эмоций, опираясь только наздравый смысл. Можно смело утверждать, что и ныне, несмотря на господство, –далеко, правда, не повсеместное, – естественнонаучного мировоззрения, найдутсялюди, которые, окажись они в положении Хэмфри, увидели бы в огненных бычьихрогах нечто неподвластное разуму. О средневековье и говорить нечего: тогда втех же рогах усмотрели бы, скорее всего, происки сатаны.

Коронный разряд, электрическая корона, разновидность тлеющегоразряда; возникает при резко выраженной неоднородности электрическогополя вблизи одного или обоих электродов. Подобные поля формируются у электродовс очень большой кривизной поверхности (острия, тонкие провода). При Коронном разряде эти электроды окружены характерным свечением, также получившим названиекороны, или коронирующего слоя. Примыкающая к короне несветящаяся («тёмная»)область межэлектродного пространства называется внешней зоной. Корона частопоявляется на высоких остроконечных предметах (святого Эльма огни),вокруг проводов линий электропередач и т. д   Коронный  разрядможет иметь место при различных давлениях газа в разрядном промежутке, нонаиболее отчётливо он проявляется при давлениях не ниже атмосферного.

Появлениекоронного разряда объясняется ионной лавиной. В газе всегда есть некотороечисло ионов и электронов, возникающих от случайных причин. Однако, число ихнастолько мало, что газ практически не проводит электричества. При достаточнобольшой напряженности поля кинетическая энергия, накопленная ионом в промежуткемежду двумя соударениями, может сделаться достаточной, чтобы ионизироватьнейтральную молекулу при соударении. В результате образуется новыйотрицательный электрон и положительно заряженный остаток – ион.

Свободныйэлектрон 1 при соударении с нейтральной молекулой расщепляет ее на электрон 2 исвободный положительный ион. Электроны 1 и 2 при дальнейшем соударении снейтральными молекулами снова расщепляет их на электроны 3 и 4 и свободныеположительные ионы, и т.д.

Такой процессионизации называют ударной ионизацией, а ту работу, которую нужнозатратить, чтобы произвести отрывание электрона от атома – работой ионизации.Работа ионизации зависит от строения атома и поэтому различна для разных газов.Образовавшиеся под влиянием ударной ионизации электроны и ионы увеличиваетчисло зарядов в газе, причем в свою очередь они приходят в движение поддействием электрического поля и могут произвести ударную ионизацию новыхатомов. Таким образом, процесс усиливает сам себя, и ионизация в газе быстродостигает очень большой величины. Явление аналогично снежной лавине, поэтомуэтот процесс был назван ионной лавиной.

Натянем надвух высоких изолирующих подставках металлическую проволоку ab,имеющую диаметр несколько десятых миллиметра, и соединим ее с отрицательнымполюсом генератора, дающего напряжение несколько тысяч вольт. Второй полюсгенератора отведем к Земле. Получится своеобразный конденсатор, обкладкамикоторого являются проволока и стены комнаты, которые, конечно, сообщаются сЗемлей.

Поле в этомконденсаторе весьма неоднородно, и напряженность его вблизи тонкой проволокиочень велика. Повышая постепенно напряжение и наблюдая за проволокой в темноте,можно заметить, что при известном напряжении возле проволоки появляется слабоесвечение (корона), охватывающее со всех сторон проволоку; оно сопровождаетсяшипящим звуком и легким потрескиванием. Если между проволокой и источникомвключен чувствительный гальванометр, то с появлением свечения гальванометр показываетзаметный ток, идущий от генератора по проводам к проволоке и от нее по воздухукомнаты к стенам, между проволокой и стенами переносится ионами, образованнымив комнате благодаря ударной ионизации. Таким образом, свечение воздуха ипоявление тока указывает на сильную ионизацию воздуха под действиемэлектрического поля. Коронный разряд может возникнуть не только вблизипроволоки, но и у острия и вообще вблизи любых электродов, возле которыхобразуется очень сильное неоднородное поле.

 Применениекоронного разряда. Электрическая очистка газов (электрофильтры).Сосуд, наполненный дымом, внезапно делается совершенно прозрачным, если внестив него острые металлические электроды, соединенные с электрической машиной, авсе твердые и жидкие частицы будут осаждаться на электродах. Объяснение опытазаключается в следующем: как только и проволоки зажигается корона, воздухвнутри трубки сильно ионизируется. Газовые ионы прилипают к частицам пыли изаряжают их. Так как внутри трубки действует сильное электрическое поле,заряженные частицы пыли движутся под действием поля к электродам, где иоседают.

/> <td/> />
 Счетчики элементарных частиц. Счетчик элементарных частиц Гейгера –Мюллера состоит из небольшого металлического цилиндра, снабженного окошком,закрытым фольгой, и тонкой металлической проволоки, натянутой по оси цилиндра иизолированной от него. Счетчик включают в цепь, содержащую источник тока,напряжение которого равно нескольким тысячам вольт. Напряжение выбираютнеобходимым для появления коронного разряда внутри счетчика.

 При попаданиив счетчик быстро движущегося электрона последний ионизирует молекулы газавнутри счетчика, отчего напряжение, необходимое для зажигания короны, несколькопонижается. В счетчике возникает разряд, а в цепи появляется слабыйкратковременный ток. Чтобы обнаружить его, в цепь вводят очень большоесопротивление (несколько мегаом) и подключают параллельно с ним чувствительныйэлектрометр. При каждом попадании быстрого электрона внутрь счетчика листкаэлектрометра будут откланяться.

Подобныесчетчики позволяют регистрировать не только быстрые электроны, но и вообщелюбые заряженные, быстро движущиеся частицы, способные производить ионизациюпутем соударений. Современные счетчики легко обнаруживают попадание в них дажеодной частицы и позволяют поэтому с полной достоверностью и очень большойнаглядностью убедиться, что в природе действительно существуют элементарныезаряженные частицы.

 Громоотвод.Подсчитано, что в атмосфере всего земного шара происходит одновременно около1800 гроз, которые дают в среднем около 100 молний в секунду. И хотявероятность поражения молнией какого-либо отдельного человека ничтожно мала,тем не менее молнии причиняют немало вреда. Достаточно указать, что в настоящеевремя около половины всех аварий в крупных линиях электропередачи вызываетсямолниями. Поэтому, защита от молнии представляет собой важную задачу.

Ломоносов иФранклин не только объяснили электрическую природу молнии, но и указали, какможно построить громоотвод, защищающий от удара молнии. Громоотвод представляетсобой длинную проволоку, верхний конец которой заостряется и укрепляется вышесамой высокой точки защищаемого здания. Нижний конец проволоки соединяют сметаллическим листом, а лист закапывают в Землю на уровне почвенных вод. Вовремя грозы на Земле появляются большие индуцированные заряды и у поверхностиЗемли появляется большое электрическое поле. Напряженность его очень великаоколо острых проводников, и поэтому на конце громоотвода зажигается коронныйразряд. Вследствие этого индуцированные заряды не могут накапливаться на зданиии молнии не происходит. В тех же случаях, когда молния все же возникает (атакие случаи очень редки), она ударяет в громоотвод и заряды уходят в Землю, непричиняя вреда зданию.

 В некоторыхслучаях коронный разряд с громоотвода бывает настолько сильным, что у остриявозникает явно видимое свечение. Такое свечение иногда появляется и возледругих заостренных предметов, например, на концах корабельных мачт, острыхверхушек деревьев, и т.д. Это явление было замечено еще несколько веков томуназад и вызывало суеверный ужас мореплавателей, не понимавших истинной егосущности.

 

Молния.Красивое и небезопасное явление природы – молния – представляет собой искровойразряд в атмосфере.

Уже в середине18-го века обратили внимание на внешнее сходство молнии с электрической искрой.Высказалось предположение, что грозовые облака несут в себе большиеэлектрические заряды и что молния есть гигантская искра, ничем, кроме размеров,не отличающаяся от искры между шарами электрической машины. На это указывал,например, русский физик и химик Михаил Васильевич Ломоносов (1711-65), наряду сдругими научными вопросами занимавшийся атмосферным электричеством.

Это былодоказано на опыте 1752-53 г.г. Ломоносовым и американским ученым БенджаминомФранклином (1706-90), работавшими одновременно и независимо друг от друга.

Ломоносовпостроил «громовую машину» — конденсатор, находившийся в его лаборатории изаряжавшийся атмосферным электричеством посредством провода, конец которого былвыведен из помещения и поднят на высоком шесте. Во время грозы из конденсатораможно было рукой извлекать искры.

Франклин вовремя грозы пустил на бечевке змея, который был снабжен железным острием; кконцу бечевки был привязан дверной ключ. Когда бечевка намокла и сделаласьпроводником электрического тока, Франклин смог извлечь из ключа электрическиеискры, зарядить лейденские банки и проделать другие опыты, производимые сэлектрической машиной (Следует отметить, что такие опыты чрезвычайно опасны,так как молния может ударить в змей, и при этом большие заряды пройдут черезтело экспериментатора в Землю. В истории физики были такие печальные случаи.Так погиб в 1753 г. в Петербурге Г.В. Рихман, работавший вместе с Ломоносовым).

Обычная линейная молнияпредставляет собой гигантский электрический искровой разряд между слоямиатмосферы или между облаками и земной поверхностью длиной несколько километровпри напряжении несколько сотен миллионов вольт и длительностью десятые долисекунды. Форма молнии обычно похожа на разветвленные корни разросшегося вподнебесье дерева. Тому есть свои причины.

    Проводимость верхних слоев атмосферы достаточно велика, чтобы атмосферуможно было считать сферическим проводником. Существующее между отрицательнозаряженной поверхностью Земли и положительно заряженной верхней атмосферойэлектрическое поле могло бы разрядиться менее чем за 5 минут из-за непрерывнойионизации молекул воздуха под действием космического излучения и естественнойрадиоактивности Земли. Однако этого не происходит, поскольку в результатегрозовой активности поддерживается постоянный приток электронов к Земле.Разность потенциалов между нашим носом и ступнями могла бы достигать 200 В,если бы не высокая проводимость человеческого тела.

    При разряде молнии заряды в облаке распределяются следующим образом: восновании облака сосредотачивается относительно небольшой запас положительныхзарядов, в середине – большой отрицательный, наверху – огромный положительный.Вначале возникает разряд между основанием облака и его отрицательно заряженнойсерединой, при котором электроны переходят в основание облака. Предельноенапряжение пробоя, вызывающее образование ионизованного канала, составляетпримерно 3 млн В/м. Далее разряд продвигается вниз в виде ступенчатого лидера,прыгающего скачками по 50 м с паузами по 50 мкс, и с каждым скачкомотрицательный заряд перемещается из облака в нижнюю часть проделанного лидеромканала. Светится лишь нижняя часть лидера, но из-за быстрого движения нам виденполностью светящийся канал. Лидер скачет по ломаной линии, отклоняясь поддействием разбросанных в воздухе положительно заряженных островков. Еслинеоднородность велика, лидер может изменить направление с вертикального нагоризонтальное.

    Вблизи заостренных предметов на поверхности Земли электрическое поледостигает таких значений, что навстречу лидеру устремляется положительныйзаряд, а в месте встречи возникает яркая вспышка, продолжающаяся до полнойнейтрализации электричества. Ярко светящаяся область устремляется вверх поканалу лидера и достигает облака. Если движение вниз совершается примерно за 20мс, то обратное движение происходит всего за 0,1 мс. Диаметр разряда-лидераоценивается метрами, а обратного разряда – несколько сантиметров. Свечение происходитот центральной части канала. Из-за неспособности человеческого глаза следить застоль быстрыми движениями, светящимся кажется весь ствол с ответвлениями.

    При вспышке молнии возникают импульсы электромагнитного излучения в широкомдиапазоне – от сверхнизких частот до 30 кГц и выше. Наибольшее излучениерадиоволн находится в диапазоне от 5 до 10 кГц. Такие низкочастотныерадиопомехи сосредоточены в пространстве между нижней границей ионосферы иземной поверхностью и способны распространяться на расстояния в тысячикилометров от источника.

    Электрический разряд молнии вызывает резкое расширение воздуха, врезультате чего создается цилиндрическая ударная волна и образуется гром. Рядомс ударившей молнией можно расслышать шипение, производимое коронным разрядом, иследующий за ним щелчок – звук движущегося вверх сверхзвукового лидера.Сопровождающий молнию гром редко распространяется на расстояние более 25километров, хотя те же орудийные выстрелы и взрывы снарядов разносятсязначительно дальше. Дело в том, что скорость звука в теплом воздухе выше, чем вхолодном. Поскольку с увеличением высоты температура уменьшается, верхняя частьзвуковой волны, распространявшейся вначале горизонтально, движется медленнее,чем нижняя ее часть. Вследствие этого траектория волны загибается вверх. Вхолодный же день звук может отклоняться не вверх, а вниз, распространяясь набольшие расстояние по поверхности земли (увы, в морозные дни молнии несверкают). Кроме того, достигая относительно более теплых слоев стратосферы,траектория волны может искривиться таким образом, что снова устремляется вниз,поглощаясь и рассеиваясь рельефом местности. Между областью, которой достигаетпрямая звуковая волна, и отраженной от стратосферы областью находится«мертвая зона», в которой звук источника не слышен. За пределамимертвой зоны, вне видимости грозы, отраженный звук может появиться снова,предупреждая о нашествии стихии.

Иногда во время грозы можнонаблюдать разряд молнии, обрывающийся на полпути к земле, что означает промежуточнуюнейтрализацию лидера положительным зарядом объемного воздушного скопления. Ещереже возникает картинка из нескольких параллельных разрядов, производящихвпечатление свисающей с облака ленты – так называемая ленточная молния.«Лента» образуется при сильном ветре, перемещающем канал молнии ссерией следующих друг за другом разрядов. Интересна по структуре и напоминаетнанизанные на нитку бусинки четочная молния. Эффект четок возникает при сильнодожде, когда разряд частично заслонен каплями воды и дождевыми струями. Впоследнем случае участки канала молнии, совпадающие с направлением зрениянаблюдателя, заметны несколько дольше остальных, поскольку видны с торца и даютбольше света.

     Причиной возникновения молнии, помимо распространенных природных явлений,могут послужить также ядерный взрыв, извержение вулкана и землетрясение. Привзрыве водородной бомбы молнии могут возникать в результате разделения зарядовот гамма-излучения, а лидеры возникают вблизи металлических сооружений.Подобные лидеры молний, идущие снизу вверх, иногда наблюдаются над крышаминебоскребов и остроконечными пиками гор. При вулканическом извержениираскаленная лава сползает в море и поднимает вверх облака положительнозаряженного пара, электроны по каналу разряда затем движутся вверх. Чтокасается провоцирования гроз землетрясениями, ученые выдвигают гипотезу опьезоэлектрическом эффекте в скальных глубинах, где распространяетсясейсмическая волна. На подобном электрическом эффекте основано воспроизведениемузыки с грампластинки.

Молниезащита. Доизобретения электричества и громоотвода люди боролись с разрушительнымипоследствиями ударов молний заклинаниями. В Европе действенным средством борьбысчитался непрерывный колокольный звон во время грозы. Согласно статистике, итогом30-летней борьбы с молниями в Германии стало разрушение 400 колоколен и гибель150 звонарей.

    Первым человеком, придумавшим эффективный способ нейтрализации молниевыхударов, стал небезызвестный гражданин США Бенджамин Франклин – универсальныйгений своей эпохи (1706-1790).


    Результатом семилетнего увлечения Франклина электричеством сталоизобретение громоотвода. В 1750 Франклин предложил Лондонскому королевскомуобществу поставить опыт с железной штангой, укрепленной на изолирующемосновании и установленной на высокой башне. Он предполагал, что при приближениигрозового облака к башне на верхнем конце первоначально нейтральной штангисосредоточится заряд противоположного знака, а на нижнем – заряд того же знака,что у основания облака. Если напряженность электрического поля при разрядемолнии возрастет достаточно сильно, заряд с верхнего конца штанги частичноперетечет в воздух, а штанга приобретет заряд того же знака, что и основаниеоблака.

    Предложенный Франклином эксперимент был осуществлен не в Англии, а подПарижем (в местечке Марли) в 1752 году французским физиком Жаном д'Аламбером.Француз использовал вставленную в стеклянную банку, служившую изолятором,железную штангу длиной 12 м, но не водрузил ее на башню. В мае 1752 года ассистентученого сообщил, что при прохождении грозового облака над штангой, приподнесении к ней заземленной проволоки возникали искры. В последующие годыВеликой французской революции Робеспьер и Марат пытались каждый по-своемубороться с идеей громоотводов, за что даже «немножко порезали друг друга». В товремя громоотводы ломали из благочестивых соображений, руководствуясьбожественным происхождением человека и верой в «кару Божью».

  Действие громоотвода не такпросто, как может показаться на первый взгляд. Предполагается, что громоотводпритягивает приблизившегося к нему ступенчатого лидера, образуя защитный конусс углом 900 ниже верхушки громоотвода. Устройство простейшего громоотводавключает три основных элемента: молниеприемник, токоотвод и заземлитель. Частомолниеотвод имеет форму металлического штыря, троса или сетки., Устанавливатьгромоотвод необходимо на высоту с учетом 900 конуса защиты окружающегопространства. Поскольку при молниевых разрядах в высоковольтных линияхэлектропередач могут возникать кратковременные импульсы в десятки киловольт, вэлектросеть добавляют электронные средства защиты.

     Тем временем изобретатели продолжают искать новые способы спасения отпопадания молний зданий и сооружений. Недавно ведущий инженер Московского институтатеплотехники Борис Игнатов запатентовал «универсальный молниеотвод»для защиты от линейных и шаровых молний. По теории Игнатова, поскольку ядрошаровой молнии является мощным магнитным диполем, при установке в зоне обычногогромоотвода постоянного магнита, шаровая молния должна обязательно притянутьсяк этому магниту. Важно обеспечить надежный сток электрического заряда на землю.

     Принципиально новый способ борьбы с молниями предлагает калифорнийскаякомпания BoltBlocker. По замыслу, громоотвод будет состоять из бьющей ввысь вовремя грозы водяной струи, диметр которой составит 1 см, а максимальная высотадо 300 м. Подобными громоотводами компания планирует оснастить спортивные идетские площадки наиболее «молниеопасных» районов США.

Если же молния застала человекана открытом пространстве, то не стоит паниковать и попытаться найти реальноеубежище. Таким убежищем может послужить лес. Не рекомендуется прятаться возлеодиноких деревьев, поскольку возможно короткое замыкание между деревом и человеком(сопротивление человека около 500 Ом – меньше, чем у дерева). Нельзя во времягрозы плавать в воде, поскольку вода является хорошим проводникомэлектричества. Признаком того, что вы находитесь в электрическом поле, могутпослужить вставшие дыбом волосы, которые начнут издавать легкое потрескивание.Но это только сухие волосы. Если поблизости нет убежища, для уменьшенияопасности во время грозы лучше сесть на корточки в наиболее низком месте ипереждать ненастье. Если гроза успешно миновала, можно продолжить занятие своимделом. Если же молния вас задела, но вы еще в состоянии думать, следует какможно скорее обратиться к врачу. Медики полагают, что человек, выживший послеудара молнии (а таких людей немало), даже не получив сильных ожогов головы итела, впоследствии может получить осложнения в виде отклонений всердечно-сосудистой и невралгической деятельности от нормы. Впрочем, может иобойтись.

еще рефераты
Еще работы по физике