книги / Техника высоких напряжений
..pdf
|
|
|
|
|
|
|
дать. В первом случае обеспечено |
||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
распространение |
стримера до |
|
про |
|||||||
|
|
|
|
|
|
|
тивоположного электрода, т. е. пол |
||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
ный пробой промежутка; во втором |
||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
случае развитие стримера после до |
||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
стижения определенной длины пре |
||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
кращается, т. е. будет иметь место |
||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
коронный разряд. |
|
|
|
|
||||||
|
|
|
|
|
|
|
При |
отрицательной полярности |
|||||||||
|
|
|
|
|
|
|
стержня |
образование |
стримера |
||||||||
|
|
|
|
|
|
|
вблизи стержня (в этом случае он |
||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
называется |
катодным |
стримером) |
||||||||
|
|
|
|
|
|
|
оказывается |
сильно затрудненным. |
|||||||||
|
|
|
|
|
|
|
Сильное |
поле |
непосредственно |
око |
|||||||
|
|
|
|
|
|
|
ло стержня |
приводит |
к |
образова |
|||||||
|
|
|
|
|
|
|
нию большого числа лавин, распро |
||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
страняющихся |
|
по |
направлению |
|||||||
|
|
|
|
|
|
|
к окружающему стержень положи |
||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
тельному объемному заряду. Имен |
||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
но в силу большого числа одновре |
||||||||||
|
|
|
|
6) |
|
менно |
развивающихся |
лавин |
не |
||||||||
|
|
|
|
|
возникает условий для образования |
||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
заполненного |
плазмой |
узкого |
кана |
|||||||
|
|
|
|
|
|
|
ла, а создается более или менее |
||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
однородный |
плазменный |
слой, |
как |
|||||||
|
|
|
|
|
|
|
показано на рис. 4-8,а. Этот слой |
||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
играет роль |
как |
бы экрана |
с |
го |
||||||
|
|
|
|
|
|
|
раздо большим радиусом кривизны, |
||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
чем стержень, и благодаря его воз |
||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
никновению напряженность поля из |
||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
меняется приблизительно |
так, |
как |
||||||||
|
|
|
|
|
|
|
показано, на рис. 4-8,2 (кривая 2). |
||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
При |
дальнейшем |
возрастании |
на |
|||||||
|
|
|
|
|
|
|
пряжения |
ионизация |
длительное |
||||||||
|
|
|
|
|
г) |
|
время продолжает происходить толь |
||||||||||
|
|
|
|
|
|
ко в пространстве между стерж |
|||||||||||
Рис. 4-7. Образование |
анодного стримера |
||||||||||||||||
нем и плазменным слоем, который |
|||||||||||||||||
в |
промежутке |
положительный |
стержень — |
постепенно увеличивается |
в объеме |
||||||||||||
|
|
|
плоскость. |
|
и несколько вытягивается в сторо |
||||||||||||
а |
ионы |
создают |
показанный на |
ну |
противоположного |
электрода. |
|||||||||||
Напряженность поля |
на |
внешней |
|||||||||||||||
рис. 4-7,6 положительный объемный |
поверхности |
плазменного |
слоя |
по |
|||||||||||||
заряд, приводящий |
к дальнейшему |
степенно растет и при дальнейшем |
|||||||||||||||
усилению поля перед головкой стри |
возрастании напряжения возникают |
||||||||||||||||
мера. Вновь |
образованные лавины |
лавины электронов справа от этого |
|||||||||||||||
превращают |
этот объемный заряд |
слоя (рис. 4-8,6), Положительные |
|||||||||||||||
в |
продолжение |
канала |
стримера, |
заряды этих лавин вызывают даль |
|||||||||||||
который, |
таким |
образом, |
постепен |
нейшее возрастание напряженности |
|||||||||||||
но удлиняется, прорастая к аноду |
на границе плазменного слоя, бла |
||||||||||||||||
(рис. 4-7,в). |
|
|
|
|
годаря |
чему |
появляется |
большое |
|||||||||
|
В зависимости от степени неод |
число новых лавин, слияние кото |
|||||||||||||||
нородности |
поля |
и напряжения |
рых |
приводит |
к |
удлинению |
плаз |
||||||||||
между электродами |
напряженность |
менного слоя по направлению к ано |
|||||||||||||||
поля на головке стримера по мере |
ду и превращению его в стример. |
||||||||||||||||
его удлинения может расти или па |
Однако, так же как и в начале про- |
г )
Рис. 4-8. Образование катодного стримера в промежутке отрицательный стержень — плоскость.
пересечение стримером всего проме жутка между электродами обеспе чивает полный пробой, но не явля ется последней стадией разряда. Канал стримера является проводя щим и напряженность поля в кана ле относительно невелика. Поэтому стример служит как бы продолже нием стержня и его головка имеет потенциал, близкий к потенциалу стержня (но, конечно, меньше на величину падения напряжения в ка нале). Когда расстояние между го ловкой стримера и плоскостью де лается очень малым, напряженность поля в еще непробитой части про межутка сильно возрастает, возни кает весьма интенсивная иониза ция, превращаящая этот проме жуток в плазму с очень высокой плотностью ионов, гораздо большей, чем в канале стримера. Распреде ление поля в промежутке в этот мо мент показано на рис. 4-9. Большая напряженность поля на границе вновь образовавшегося канала при водит к постепенному распростра нению зоны интенсивной ионизации по направлению к стержню. Этот процесс обычно называется обрат ным (или главным) разрядом. Об ратный разряд развивается от плос кости к стержню, т. е. в направле нии, обратном движению стримера,
цесса, |
благодаря большому |
числу |
|
возникающих лавин |
головка |
стри |
|
мера |
оказывается |
размытой |
|
(рис. |
4-8,г) и возрастание |
напря |
женности поля на головке оказы вается гораздо меньшим, чем при положительном стержне (рис. 4-8,а, кривая 3).
В силу рассмотренных выше особенностей развитие стримера при отрицательном стержне происходит с гораздо большими трудностями, Поэтому и разрядное напряжение при отрицательном стержне значи тельно выше, чем при положитель ном (в 2—2,5 раза).
При обеих полярностях стержня
С♦-44«
у: }
Ш
Hlu 1 'Hi* 1
i ü i i _
+
а)
Рис. 4-9. Последовательные стадии разви тия обратного разряда и распределение продольной напряженности электрического поля в канале.
с очень большой скоростью поряд ка 109 см!сек и обеспечивает созда ние между электродами канала вы сокой проводимости, через который после этого начинает проходить ток короткого замыкания источника.
4-4. БАРЬЕРЫ В РЕЗКОНЕОДНОРОДНОМ ПОЛЕ
Барьером называется тонкая пластинка из изолирующего мате риала, обычно имеющая плоскую или цилиндрическую форму, кото рая устанавливается в газовом про межутке или промежутке, заполнен ном маслом, для увеличения его электрической прочности. В газовом промежутке, который мы сейчас рассматриваем, электрическая проч ность самого барьера не играет су щественной роли; в качестве барь ера, например, с успехом может ис пользоваться тонкий лист плотной бумаги, собственная электрическая прочность которого ничтожна. Зна чительное влияние, которое оказы вают барьеры в газовой среде на разрядное напряжение, связано
й>
Рис. 4-10. Распределение напряженности поля в промежутке положительный стер жень-плоскость при наличии барьера.
сизменением пространственного нем пространстве (справа от объ
объемного заряда, созданного в про цессе развития ионизации.
Рассмотрим в качестве примера промежуток стержень — плоскость, в котором установлен плоский барь ер, как показано на рис. 4-10,а. При положительной полярности стержня образующиеся вблизи него положи тельные ионы при отсутствии барь ера формируют концентрированный объемный положительный заряд, напряженность поля на границе ко торого сильно возрастает (рис. 4-5). Наличие области усиленного поля является основной причиной рас пространения ионизации в глубь промежутка и завершения его пол ного пробоя.
При установке барьера положи тельные ионы задерживаются барь ером и растекаются по его поверх ности, причем распределение поло жительных зарядов на барьере ока зывается тем более равномерным, чем дальше от стержня он установ лен. Напряженность поля во внеш-
емного заряда) по-прежнему уве личивается, но теперь это повыше ние напряженности распределяется более или менее равномерно на весь промежуток между барьером и плоскостью и сильного повышения напряженности на поверхности барьера не происходит (рис. 4-10,6). Поэтому при положительной поляр ности стержня барьер, установлен ный вблизи от стержня (не в непо средственной близости от него), приводит к значительному увели чению разрядного напряжения.
Иначе обстоит дело при отрица тельной полярности стержня. Элек троны, двигающиеся от стержня, по падая на барьер, теряют свою ско рость и большинство из них вместе с атомами кислорода образуют от рицательные ионы, распределяю щиеся по поверхности барьера. Та ким образом, барьер способствует созданию концентрированного отри цательного объемного заряда, кото рый при отсутствии барьера имел
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Можно считать, что в этом случае |
||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
прочность всего промежутка в зна |
||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
чительной |
мере |
определяется |
проч |
|||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
ностью |
промежутка |
между барье |
||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
ром и плоскостью, обладающего от |
||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
носительно однородным полем. Для |
||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
подтверждения |
этого |
на |
|
рис. |
|
4-11 |
||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
нанесена |
зависимость |
разрядного |
||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
напряжения в однородном поле от |
||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
расстояния Si между |
электродами. |
|||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
При расположении барьера в не |
||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
посредственной |
близости |
от |
поло |
|||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
жительного стержня его роль умень |
||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
шается, так как распределение объ |
||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
емных зарядов на барьере делает |
||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
ся резко неравномерным, напряжен |
||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
ность поля на поверхности барьера |
||||||||||||
Рис. |
4-11. |
Зависимость |
разрядного |
напря |
оказывается |
достаточно |
большой |
||||||||||||||||
для |
возникновения |
|
ионизации |
по |
|||||||||||||||||||
жения |
промежутка |
стержень — плоскость |
|
||||||||||||||||||||
при обеих полярностях стержня от место |
другую сторону |
барьера. |
Образо |
||||||||||||||||||||
положения |
барьера. |
|
Расстояние |
|
между |
ванные |
там |
положительные |
ионы |
||||||||||||||
электродами s =9,3 см. |
Постоянное |
|
напря |
барьером |
не задерживаются и спо |
||||||||||||||||||
жение. Штрих-пунктиром показана зависи |
собствуют |
|
развитию |
|
разряда |
||||||||||||||||||
мость разрядного напряжения |
в однород |
|
|
||||||||||||||||||||
|
|
ном поле от |
расстояния si. |
|
|
в глубь промежутка. Барьер, распо |
|||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
ложенный |
в непосредственной |
бли |
||||||||||
меньшую |
величину |
(часть |
электро |
зости |
от |
отрицательного |
стержня, |
||||||||||||||||
нов |
доходила |
до |
плоскости) |
и был |
т. е. в области очень сильного поля, |
||||||||||||||||||
сильно |
|
рассеян |
|
в |
пространстве |
уже не способен задерживать элек |
|||||||||||||||||
(рис. 4-6). Поэтому, если без барь |
троны, которые летят с большой |
||||||||||||||||||||||
ера основную роль играл положи |
скоростью и проходят сквозь барь |
||||||||||||||||||||||
тельный |
объемный |
заряд, |
умень |
ер, |
поэтому |
значительного отрица |
|||||||||||||||||
шавший |
напряженность |
поля во |
тельного объемного заряда на по |
||||||||||||||||||||
внешнем пространстве (рис. 4-6,в), |
верхности барьера не создается. По |
||||||||||||||||||||||
то при наличии барьера значитель |
ложительные |
|
ионы, |
образованные |
|||||||||||||||||||
ную роль начинает играть отрица |
ионизацией |
по |
другую |
сторону |
|||||||||||||||||||
тельный заряд, сконцентрированный |
барьера, заряжают его положитель |
||||||||||||||||||||||
на |
барьере, |
который |
увеличивает |
но и приводят к еще более сильно |
|||||||||||||||||||
напряженность |
поля |
во |
внешнем |
му уменьшению поля во внешнем |
|||||||||||||||||||
пространстве. Поэтому следует ожи |
пространстве. Поэтому при располо |
||||||||||||||||||||||
дать, что при отрицательной поляр |
жении |
барьера |
в |
непосредственной |
|||||||||||||||||||
ности |
|
стержня |
установленный |
близости |
от |
отрицательного стерж |
|||||||||||||||||
в средней части промежутка барьер |
ня, |
разрядное |
напряжение |
может |
|||||||||||||||||||
будет |
уменьшать |
разрядное |
напря |
несколько возрасти. |
установка |
барь |
|||||||||||||||||
жение. |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Таким |
образом, |
|||||||||||
|
В качестве примера на рис. 4-11 |
ера у стержня на расстоянии поряд |
|||||||||||||||||||||
показаны экспериментальные |
зави |
ка |
(0,25—0,3) |
длины |
промежутка |
||||||||||||||||||
симости |
разрядного |
напряжения |
может очень сильно |
(более чем в 2 |
|||||||||||||||||||
промежутка |
стержень — плоскость |
раза) |
увеличить |
разрядное |
напря |
||||||||||||||||||
от |
местоположения |
барьера |
при |
жение |
при |
положительной |
поляр |
||||||||||||||||
обеих |
полярностях |
стержня. |
|
|
ности стержня, и поэтому газовый |
||||||||||||||||||
|
Опыт показывает, что при рас |
промежуток |
|
с |
барьером |
явля |
|||||||||||||||||
положении барьера в средней части |
ется |
простейшим |
примером |
|
изо |
||||||||||||||||||
промежутка |
разрядные напряжения |
ляционной конструкции, |
в которой |
||||||||||||||||||||
при положительной и отрицательной |
применена |
удачная |
|
комбинация |
|||||||||||||||||||
полярностях |
близки |
друг |
к |
другу. |
двух диэлектриков—твердого и газо |
образного. С подобными комбина циями мы будем неоднократно встречаться в дальнейшем при рас смотрении конкретных изоляцион ных устройств, применяемых в элек трических аппаратах и машинах. Требования к каждому диэлектрику, входящему в состав комбинирован ной изоляции, вытекают из его на значения. Барьер в газовой среде предназначен задерживать ионы, поэтому, как отмечалось выше, его собственная электрическая проч ность не имеет существенного зна чения. Однако он .не должен быть пористым и появление в барьере даже мельчайших отверстий (на пример, в результате пробоя про межутка) может полностью унич тожить его положительное действие.
При переменном напряжении пробой происходит во время полупериода той полярности, при кото рой разрядное напряжение меньше. Поэтому при промышленной частоте влияние барьеров такое же, как и при постоянном напряжении поло жительной полярности.
4-5. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ РАЗРЯДА В ДЛИННЫХ ВОЗДУШНЫХ ПРОМЕЖУТКАХ. МОЛНИЯ
Совместно с опытами в камере Вильсона на коротких промежутках экспериментальное изучение длин ных искр дало необходимый факти ческий материал, на котором была построена стримерная теория раз ряда. Одним из важных средств исследования длинных искр служи ла специальная фотокамера, пленка которой во время экспозиции пе ремещается относительно объекти ва. Принцип устройства такого фо тоаппарата показан на рис. 4-12. Аппарат имеет два зеркала U кото рые через объектив 2 с большой светосилой направляют лучи света от излучаемого разряда на фото пленку 3, укрепленную на внутрен ней поверхности быстровращающегося барабана 4. Поскольку излу чение газового разряда наиболее интенсивно в ультрафиолетовой ча-
Рис. 4-12. Принцип устройства фотокамеры с вращающейся фотопленкой.
1 — зеркала, расположенные под углом 45° к го ризонтальной плоскости; 2 — фотообъективы; 3 — фотопленка; 4 — вращающийся барабан; А В — изучаемый разряд.
сти спектра, для таких камер часто применяется кварцевая оптика.
При развитии исследуемого раз ряда от точки А до точки В на не подвижной пленке получились бы два изображения ab и ахЬ\. При вращении пленки к моменту разви тия разряда до точки В барабан по вернется на некоторый угол <р, что соответствует линейному смещению пленки Ô. Вместо ab и афх на плен ке получатся смещенные изображе ния ab' и ахЬ'I. Если линейная ско
рость |
перемещения |
пленки |
равна |
||
Ü0J смещение развернутого |
изобра |
||||
жения |
относительно |
неподвижно |
|||
го Ô, |
а длина искры L, то средняя |
||||
скорость |
развития |
разряда |
vcp мо |
||
жет быть |
подсчитана |
по формуле |
Камера с перемещающейся плен кой была впервые использована для исследования молнии, где ома и до настоящего времени находит широ кое применение. В лабораторных условиях скорость развертки, обе спечиваемая фотокамерой, оказы вается в ряде случаев недостаточ ной, поэтому в последнее время в лабораториях начали применяться другие, более современные методы исследования (ячейки Керра, элек тронно-оптические преобразовате ли и др.), описание которых можно найти в специальной литературе.
Рис. 4-15. График изменения скорости лидера по мере его продвижения в глубь промежутка.
Построен по фоторазвертке разряда рис. 4'13.
ный характер. При положительном стержне лидерный ка1нал имеет мно гочисленные разветвления, направ ленные к плоскости. При отрица тельной игле лидер продвигается
ступенями (рис. 4-14). Навстречу |
Рис. 4-16. Сопоставление осциллограмм |
|||||||||||||||||
опускающемуся лидеру с плоскости |
тока |
в промежутке и напряжения |
между |
|||||||||||||||
поднимается целый |
ряд |
встречных |
электродами с |
фоторазверткой разряда |
||||||||||||||
|
|
|
(схематично). |
|
|
|||||||||||||
разрядов |
(встречные |
|
стримеры), |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||
возникновение которых обусловлено |
растет сначала медленно, а перед |
|||||||||||||||||
шероховатостями |
на |
|
плоскости. |
|||||||||||||||
Главный |
разряд |
начинается сразу |
самым |
обратным |
разрядом |
очень |
||||||||||||
же после того, как опускающийся |
быстро. Этот лидерный ток приво |
|||||||||||||||||
лидер |
соприкоснется |
с |
одним |
из |
дит к постепенному уменьшению на |
|||||||||||||
встречных |
стримеров. |
Распростра |
пряжения на промежутке за счет |
|||||||||||||||
нение главного разряда |
происходит |
падения |
напряжения |
в |
последова |
|||||||||||||
в обе |
стороны |
от |
места |
встречи. |
тельно |
включенном |
сопротивлении. |
|||||||||||
Пробивное напряжение промежутка |
Переход лидерной стадии в стадию |
|||||||||||||||||
при |
отрицательной |
игле |
больше, |
главного |
разряда |
сопровождается |
||||||||||||
чем при положительной, а скорость |
резким спадом напряжения на про |
|||||||||||||||||
отрицательного лидера |
|
меньше. И |
межутке до нуля. Всплеск тока |
|||||||||||||||
то и другое является следствием ра |
большой |
амплитуды |
длится |
очень |
||||||||||||||
зобранного выше влияния объемных |
короткое время, в течение которого |
|||||||||||||||||
зарядов. |
|
сопоставление осцил |
сопротивление падает до очень ма |
|||||||||||||||
Интересно |
лой |
величины, а |
напряжение сни |
|||||||||||||||
лограмм тока в промежутке и на |
жается |
практически до |
нуля. |
искро |
||||||||||||||
пряжения |
между |
электродами |
с |
Одной из разновидностей |
||||||||||||||
фоторазверткой |
разряда. Такое |
со |
вого разряда |
в длинных воздушных |
||||||||||||||
поставление схематически представ |
промежутках |
является |
молния, ос |
|||||||||||||||
лено на рис. 4-16. Как видно из чер |
новные |
количественные |
характери |
|||||||||||||||
тежа, в момент начала распростра |
стики которой и ее воздействие на |
|||||||||||||||||
нения лидерного канала в промежут |
электрические установки будут рас |
|||||||||||||||||
ке появляется |
лидерный ток, кото |
сматриваться |
в разд. |
2 |
настоящей |
|||||||||||||
рый по мере |
продвижения |
лидера |
книги. |
Особенности |
разряда |
мол |
нии, отличающие его от лаборатор ной искры, заключаются не только в гигантских размерах разряда, но и в своеобразии одного из электро дов — грозового облака.
В настоящее время предложе но большое число теорий, объяс няющих электризацию грозовых облаков, на которых мы за не достатком места останавливаться не будем. В облаках происходит разделение электрических зарядов, причем источником энергии являют ся мощные восхрдящие потоки воз духа, способствующие росту грозо вого облака по вертикали. Много численные измерения распределе ния зарядов в облаках показали, что это распределение имеет слож
ный и нерегулярный |
характер, но |
в основных чертах |
соответствует |
картине, показанной |
на рис. 4-17. |
Как правило, в результате действия процессов электризации в нижней части облака скапливаются заря женные отрицательно капельки во ды, а в верхней части — заряжен ные положительно капельки воды или кристаллики льда. Благодаря турбулентному характеру движения воздушных масс отрицательные за ряды могут сосредоточиваться в ви де отдельных изолированных друг от друга заряженных объемов. В ряде случаев в нижней части облака мо жет также возникнуть концентриро ванный положительный заряд, как это показано на рис. 4-17. В боль-
Рис. 4-17. Возможное распределение заря дов в грозовом облаке.
Стрелками показано направление восходя щих воздушных потоков.
Рис. 4-18. Стилизованная фоторазвертка многократного разряда молнии.
а — область предварительной ионизации перед го ловкой ступенчатого лидера; б — ступенчатый ли дер; в — стрелковый лидер; г — обратный (глав ный) разряд; д — разветвления от основного кана ла разряда.
Средние значения интервалов времени: tx-0,01 сек; /а= 50 • НН сек; /з=0,001 сек; Г—0.03 сек.
шинстве случаев положительный объемный заряд играет роль ини циатора разряда, так как он
увеличивает |
напряженность |
поля |
в области |
отрицательных |
за |
рядов, но иногда величина положи тельного заряда может оказаться настолько большой, что разряд на землю произойдет непосредственно из этого скопления зарядов. Таким образом, в большинстве случаев (80—90%) разряды молнии имеют отрицательную полярность, но иног да полярность разряда может быть и противоположной.
Размещение отрицательных раз рядов в отдельных изолированных друг от друга объемах приводит к тому, что разряд молнии обычно бывает многократным и состоит из нескольких, следующих друг за дру гом по одному и тому же пути раз рядов. Каждый отдельный разряд происходит из своего скопления за рядов, причем вначале разряжаются на землю нижние скопления заря дов, а затем верхние.
Стилизованная фотография мол нии, полученная на фотокамере с вращающейся пленкой, показана на рис. 4-18. Обращает на себя вни мание своеобразный характер раз вития лидера первого разряда мно гократной молнии. Как видно из ри сунка, лидер первого разряда про
двигается к |
земле |
не непрерывно, |
логичны лидерным разрядам лабо |
|||||
а ступенями, разделенными одна от |
раторной искры. |
|||||||
другой интервалами времени поряд |
Количество |
отдельных разрядов |
||||||
ка 50 мксек. Скорость развития каж |
молнии может изменяться в широ |
|||||||
дой ступени |
весьма |
велика |
(более |
ких пределах 1—20; в среднем мол |
||||
ния |
состоит из трех разрядов. |
|||||||
10° см[сек), но благодаря |
наличию |
|||||||
Благодаря |
большой длине кана |
|||||||
интервалов |
времени |
между |
ними |
|||||
ла молнии скорость обратного раз |
||||||||
скорость всего процесса |
в |
целом |
ряда |
можно |
надежно определить |
|||
значительно |
меньше |
(1,5—2Х |
? с помощью фоторазверток. Экспери |
|||||
ХЮ7 см/сек). Лидеры последую |
менты показали, что эта скорость |
|||||||
щих разрядов молнии имеют обыч |
обычно лежит в пределах (0,05—0,5) |
|||||||
ный стреловидный характер |
и ана |
скорости света. |
ГЛАВА ПЯТАЯ
ВРЕМЯ РАЗРЯДА
6-1. СТРУКТУРА
ВРЕМЕНИ РАЗРЯДА
электроны вблизи катода образуют ся или благодаря бомбардировке
Предположим, что к произволь катода положительными ионами, ному газовому промежутку прило всегда содержащимися в воздухе, жено напряжение, которое с неко или путем освобождения электро торой скоростью возрастает от нуля нов из отрицательных ионов, или, до максимума, а затем остается наконец, под действием внешнего неизменным (рис. 5-1). Если U0— ионизатора. Все эти процессы носят напряжение, при котором выпол статистический характер, поэтому няется условие самостоятельности интервалы времени между двумя разряда, то до момента времени U последовательными актами образо разряд в промежутке принципиаль вания электронов могут быть раз но произойти не может. Однако личными.
даже |
и |
в момент t\ |
разряд |
может |
|
Таким образом, |
развитие разря |
||||||||||
не начаться. Для развития разряда |
да |
в |
|
промежутке |
начнется |
не |
|||||||||||
вблизи |
катода должен появиться |
в |
момент |
времени tX |
а. в |
момент |
|||||||||||
хотя |
бы |
один |
эффективный |
элек |
t2 = tx-ИС1 где |
tc— так |
называемое |
||||||||||
трон, |
т. е. электрон, |
образующий |
статистическое |
время запаздывания, |
|||||||||||||
начальную |
лавину. |
Свободные |
является |
временем |
ожидания |
пер |
|||||||||||
|
|
|
|
|
|
вого эффективного электрона. |
|
|
|||||||||
|
|
|
|
|
|
|
Но |
в |
момент |
t2 |
разряд |
только |
|||||
|
|
|
|
|
|
начнет |
развиваться. |
Должно |
прой |
||||||||
|
|
|
|
|
|
ти |
еще |
некоторое |
время, |
которое |
|||||||
|
|
|
|
|
|
называется |
временем |
формирова |
|||||||||
|
|
|
|
|
|
ния разряда £ф, |
прежде чем |
про |
|||||||||
|
|
|
|
|
|
изойдет |
полный |
пробой |
проме |
||||||||
|
|
|
|
|
|
жутка. |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Итак, полное |
время |
разряда |
/р |
|||||||
|
|
|
|
|
|
состоит |
из |
трех слагаемых |
|
|
|
||||||
Рис 5-1. |
Составляющие |
времени |
разряда. |
|
|
|
|
/р= U+ tc + |
|
|
(5-1) |
4
причем сумму
tQ=tc + tф, |
(5-2) |
часто называют временем запазды вания разряда.
5-2. СТАТИСТИЧЕСКОЕ ВРЕМЯ ЗАПАЗДЫВАНИЯ
Судьба |
|
свободных |
электронов, |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||
образующихся у катода, может быть |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||||||
различной. Электрон может прилип |
Рис. 5-2. Зависимость мини |
|||||||||||||||||||||
нуть к атому |
с образованием |
отри |
||||||||||||||||||||
цательного |
|
иона; |
некоторые |
элек |
мальной |
величины |
статистиче |
|||||||||||||||
|
ского |
времени |
запаздывания |
|||||||||||||||||||
троны |
снова |
возвращаются |
на |
(*с) от работы |
выхода мате |
|||||||||||||||||
катод или выходят за пределы силь |
|
риала |
катода |
(при |
слабом |
|
||||||||||||||||
ного |
поля, |
|
так и не совершив ни |
|
|
|
освещении). |
|
|
|
||||||||||||
одного |
акта |
ионизации. |
Поэтому |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||
статистическое время |
запаздывания |
Увеличение |
напряжения |
между |
||||||||||||||||||
связано с ожиданием не любого |
электродами |
приводит |
к |
уменьше |
||||||||||||||||||
свободного |
электрона, |
|
а эффектив |
нию времени запаздывания, так как |
||||||||||||||||||
ного электрона, т. е. такого, |
кото |
при этом |
уменьшается |
вероятность |
||||||||||||||||||
рый образует |
начальную лавину. |
присоединения электронов к атомам |
||||||||||||||||||||
Время |
ожидания |
|
эффективного |
кислорода, |
уменьшается |
и |
число |
|||||||||||||||
электрона |
от |
разряда |
к |
разряду |
электронов, |
покидающих |
область |
|||||||||||||||
изменяется, |
поэтому |
целесообразно |
сильного поля, не совершив ни од |
|||||||||||||||||||
ввести понятие о среднем времени |
ного акта ионизации; иными сло |
|||||||||||||||||||||
статистического запаздывания. Пре |
вами, |
все |
большая |
доля |
освобож |
|||||||||||||||||
делы |
отклонения |
действительных |
даемых |
с |
|
катода |
электронов |
|||||||||||||||
величин |
от |
средней |
определяются |
делается |
|
эффективными. |
Если |
|||||||||||||||
главным образом |
экспериментально |
внешний ионизатор в среднем осво |
||||||||||||||||||||
в коротких промежутках с однород |
бождает |
каждую |
секунду |
п |
элек |
|||||||||||||||||
ным |
полем, |
где |
время |
формирова |
тронов с катода, |
то |
средний |
интер |
||||||||||||||
ния разряда мало и время запазды |
||||||||||||||||||||||
вал |
времени |
между |
появлением |
|||||||||||||||||||
вания практически |
равно |
времени |
||||||||||||||||||||
ожидания |
|
первого |
|
эффективного |
двух последующих свободных элек- |
|||||||||||||||||
электрона. |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
тронов равен |
—. К |
этои |
величине |
|||||||||
Среднее статистическое время за |
идолжн о стремиться |
статистическое |
||||||||||||||||||||
паздывания зависит от многих фак |
||||||||||||||||||||||
торов — интенсивности |
|
|
внешнего |
время |
запаздывания |
при |
сильном |
|||||||||||||||
ионизатора, материала катода и со |
возрастании |
|
напряжения |
|
между |
|||||||||||||||||
стояния |
его |
поверхности, |
напряже |
электродами. |
Экспериментальная |
|||||||||||||||||
ния между электродами. При неиз |
зависимость |
статистического |
време |
|||||||||||||||||||
менной |
|
интенсивности |
внешней |
ни запаздывания от напряжения ил |
||||||||||||||||||
ионизации |
|
число |
освобождаемых |
люстрируется |
кривыми |
рис. 5-3. Из |
споверхности катода свободных кривых следует, что статистическое
электронов |
увеличивается |
при |
время запаздывания при |
напряже |
|||
уменьшении |
работы выхода |
элек |
нии, приближающемся к U0, сильно |
||||
тронов с |
поверхности |
металла |
возрастает и при очень слабой ин |
||||
(табл. 2-2), а среднее время стати |
тенсивности |
внешней |
ионизации |
||||
стического запаздывания, |
наоборот, |
может достигать |
десятков микросе |
||||
уменьшается. Это может быть про |
кунд. Однако, даже небольшое уси |
||||||
иллюстрировано экспериментально |
ление внешней |
ионизации |
приводит |
||||
полученной |
зависимостью, |
показан |
к значительному |
уменьшению ста |
|||
ной на рис. 5-2. |
|
|
тистического запаздывания. |