§ 84. Разрывной разряд.

Интенсивная ионизация газа под влиянием сильного электриче­ского поля, характеризующая стадию тихого разряда, может, как мы знаем, завершаться разрывным разрядом, если только в системе нет ограничений для чрезмерного возрастания тока. В естественной обстановке такой разрывной разряд мы называем мол­нией. Вредное, разрушительное действие грозовых разрывных разрядов заставляет изыскивать средства для их предотвращения или, по крайней мере, обезвреживания. В связи с этим, для защиты различных сооружений применяются так называемые громоотводы. Они известны двух систем: шестовые громоотводы типа Фран­клина и сеточные громоотводы типа Мельсана. Первые имеют целью отвести грозовой разряд от защищаемого сооружения путем предоставления ему более короткого и более легкого пути через хорошо заземленные металлические наконечники, укрепляемые на

277

длинных мачтах или шестах, располагаемых вблизи защищаемых сооружений (например, пороховых погребов) или на крышах гра­жданских сооружений. Громоотводы типа Мельсана являются, так сказать, более или менее предупредительными. Они рассчитаны на то, чтобы успеть израсходовать накопленную в атмосферном электрическом поле энергию при помощи искусственно создавае­мых условий для интенсивного развития тихого разряда. Для этой цели Мельсан предложил покрывать крышу охраняемого соору­жения целою сетью проводов, соответствующим образом изолиро­ванных от здания и присоединенных к надежному заземлению рядом вертикальных проводов, располагаемых вдоль стен здания. Сеть проводов над крышей сооружения, согласно Мельсану, снаб­жается большим количеством острий, образуемых обычно пучками или, вернее, кистями проволок, обращенных своими концами кверху. При всяком перенапряженном состоянии атмосферного электриче­ства, раньше чем может ударить молния, возникают обильные тихие разряды у концов проволок, образующих вышеуказанные кисти, и благодаря этому значительно понижается сила электри­ческого поля в районе защищаемого сооружения, вследствие чего сильно уменьшается вероятность разряда в виде молнии.

Линии передачи электрической энергии являются весьма уязви­мой со стороны грозовых разрядов частью современных крупных электротехнических сооружений. В связи с этим для защиты линий передачи часто применяют хорошо заземленный стальной трос, располагаемый над проводами линии. Кроме того, за последнее время стали обращать серьезное внимание и на меры предупреди­тельного характера. Дело в том, что вероятность удара молнии в то или иное сооружение тем больше, чем больше естественная ионизация воздуха в районе расположения этого сооружения, так как от степени этой исходной ионизации непосредственно зависит время, потребное для достаточного развития добавочной ионизации воздуха под действием атмосферного электрического поля. А это развитие интенсивной добавочной ионизации воздуха всегда, как мы знаем (см. § 81), предваряет возникновение разрывного разряда, в данном случае—молнии. Оказывается, что естественная ионизация воздуха в различных местах над поверхностью земли сильно изменяется от места к месту в зависимости от геологиче­ских условий, связанных, повидимому, с различной радиоактивно­стью отдельных пластов пород, из которых состоит структура толщи поверхностного слоя земли в разных местах. Наблюдения над естественной ионизацией воздуха, производимые за границей и, по инициативе М. А. Шателена, развиваемые за последнее время и у нас в Союзе, с очевидностью показывают, что особенно часто поражаются ударами молнии именно те участки поверхности земли, над которыми естественная ионизация воздуха имеет наибольшее значение. При этом иногда небольшое уклонение в сторону от подобных участков переводит нас в условия значительно меньшей естественной ионизации воздуха и, соответственно, сравнительно очень малой вероятности удара молнии. Из сказанного следует,

278

что при трасировке новых линий передачи, в целях предупрежде­ния расстройства их от грозовых разрядов, необходимо предва­рительное тщательное изучение соответствующего района в отно­шении интенсивности естественной ионизации воздуха. То же самое целесообразно, конечно, иметь в виду и при выборе мест по­стройки таких ответственных сооружений, как, например, порохо­вые погреба и т. п.

В искусственной обстановке разрывной разряд наблюдается в самых разнообразных условиях. Мы обычно называем его в этом случае искрой. То напряжение между электродами, при котором искра проскакивает, т. е. так называемое пробивное напряжение, зависит от расстояния между электродами и от формы их, от природы и давления газа и от целого ряда других факторов. Па­шен, много занимавшийся изучением искрового разряда, установил зависимость между разрядным напряжением, расстоянием между электродами и давлением газа. Закон Пашена гласит, что при прочих равных условиях разрядное напряжение определяется величиною произведения давления газа на длину искры и не изменяется, «ели это произведение сохраняет свою величину. При этом оказы­вается, что разрядное напряжение в первом приближении про­порционально данному произведению. Из разного рода факторов, влияющих на искру, вернее сказать, на пробивное напряжение, отметим действие ультрафиолетовых лучей, открытое Герцем. который нашел, что освещение искрового промежутка ультрафиоле­товыми лучами облегчает возникновение искры, т. е. понижает требуемое пробивное напряжение. Как показали дальнейшие опыты различных исследователей, в числе которых первым был Столетов, открытое Герцем явление теснейшим образом связано с фотоэлек­трическим эффектом, обусловливающим отделение отрицательно заряженных частиц (электронов) с поверхности катода (см. § 78, п. 9). Кроме того, имеет место и ионизация газа ультрафиолетовыми лучами. В. К. Лебединский открыл обратный фотоэффект в искре. Именно, он показал, что при известных условиях, при малой мощ­ности генератора, питающего искру, ультрафиолетовый свет, падающий на искровой промежуток, может гасить искру, превращая разрывной разряд в очень интенсивный тихий разряд. В. К. Лебедииский установил подобное же действие на искру и со стороны излучений радиоактивных веществ.

Технические применения искры основываются главным образом на том, что разряд этого, типа, могущий протекать при очень больших силах тока благодаря сильной ионизации газа на пути искры, наступает при благоприятных условиях чрезвычайно быстро. Таким образом, искра может служить, так сказать, автоматическим спускным механизмом, приводящим в действие ту или иную элек­трическую схему, в которой имеются условия для предварительного накопления электрической энергии. Такова, например, была роль искры в первоначальных радиотелеграфных устройствах, в которых получались затухающие колебания (см. § 124). В связи с этим радио­связь в старое время обычно называлась искровой телеграфией.

279

Искра играет роль вредного фактора во всех размыкающих цепь устройствах, применяемых в электротехнической практике, в особенности, когда имеются налицо благоприятные обстоятельства для перехода искры в вольтову дугу. Все контактные органы электрических аппаратов сильно страдают от образования искры, а часто от вызываемых искрой затяжек тока страдает и правильное функционирование схемы. Ввиду этого конструктору нередко приходится всячески изощряться в стремлении побороть вредное действие искры. Во всех подобных случаях самым надежным средством является принятие мер к тому, чтобы напряжение между контактными частями было возможно меньше в момент разведения их. Дело еще более осложняется в условиях, когда может возни­кать вольтова дуга. В этих случаях приходится принимать спе­циальные меры для гашения появляющейся дуги.

В области электрических измерений искровой разряд нашел применение для измерения высоких напряжений. При этом обычно пользуются электродами в виде шаров, т. е. так называемыми ша­ровыми разрядниками. Этот метод является наиболее простым и до настоящего времени наиболее распространенным для измерения высоких напряжений, вплоть до наивысших, какие можно получать от современных трансформаторов. Зависимость пробивного напряжения между двумя шарами от расстояния, диаметра шаров, плотности воздуха и других факторов изучена очень точно. По­этому шаровой разрядник может измерять напряжение с погреш­ностью не более 2%, а при очень тщательной работе с ними— даже около 1%. Для определения напряжения шаровым разряд­ником обычно пользуются специальной таблицей, принятой Аме­риканским обществом инженеров-электриков после тщательной теоре­тической и экспериментальной проработки этого вопроса. В виде примера ниже мы приводим некоторые цифры из этой таблицы. В первом столбце даны пробивные напряжения в действующих киловольтах при нормальном давлении и 25°С. В следующих столбцах даны соответствующие расстояния между изолированными от земли шарами различных диаметров.

280