--PAGE_BREAK--
Лидер
Развитие электрического разряда в межэлектродном пространстве. Можно отметить следующий этап развития после стримера, который называется лидером.
Лидер представляет собой сильно ионизированный канал, который распространяется между электродами в значительной мере переносит потенциал одного электрода к другому.
Этот сильно ионизированный канал представляет собой электронейтральную плазму, которая имеет острие в сторону противоположенного электрода. На этом острие сосредоточен потенциал катода. Это острие с большой скоростью распространяется в направлении анода, тем самым как бы приближая электроды друг к другу. В результате напряженность Е электрического поля между электродами с развитием лидера резко возрастает, потому что Е – это разность потенциалов на расстоянии =1 E=U/L.
Этот высокоионизированный канал со временем замыкает электроды.
За счет высокой ионизации плазмы электропроводность ее имеет высокое значение. По лидерному каналу протекает большой ток. Ток в свою очередь разогревает плазму, температура столба резко возрастает, следовательно, возрастает давление, канал начинает расширяться создавая акустическую волну, Мы ее фиксируем в виде грома.
Когда лидер достигает противоположного электрода, в обратном направлении начинает распространяться обратная волна. Обратная волна кладет начало развитию непрерывного разряда. Распространение обратной волны можно характеризовать следующим образом. По мере приближения головки к катоду или аноду резко возрастает напряженность в непроводящем зазоре.
Когда головка лидера касается противоположного электрода, возрастает эмиссия электронов, резко увеличивается концентрация электронов.
Обратная волна приводит к стеканию заряда между электродами.
ЛидерI=100 A.
E=100 В/см.
d=1 мм.
=10 КА/.
— проводимость плазмы.
— скорость распространения лидера.
— скорость расширения.
Стример распространяется перед лидером, примерно на расстоянии 1м., если расстояние между электродами 10 м.
Для лидера не обязательна высокая напряженность, как для стримера. Для этого достаточно 200-500 В/см.
Молния. Грозовое облако.
Первопричиной электрических разрядов в атмосфере, является разделение электрический заряд. Как правило облака имеют положительный заряд в верхней части и отрицательный в верхней части по отношению к земле.
Только в 10 % случаях бывают другие распределения зарядов.
Разность потенциалов в облаках достигают В. Электрический заряд грозового облака = 4Кл. Расстояние между зарядами в облаке примерно 2¸5км. При этом средняя напряженность достаточна для пробоев.
Механизм ионизации в грозовом облаке:
1. Фотоионизация.
2. Электризация капель при дроблении, при этом отрываемые капли имеют “-“ заряд.
3. Двойной электрический слой на поверхности капли. =0,26 В.
Двойной электрический слой возникает за счет того, что молекулы воды, являясь диполями имеют пространственную ориентацию.
В этом случае капля воды будет преимущественно захватывать отрицательные ионы из атмосферы, приобретая избыточный отрицательный заряд. Пока не достигнута разность потенциалов двойного электрического слоя.
Исследование зарядки капель провели в нашей лаборатории. Размер капли воды ; ; N– количество поглощенных ионов поверхностью частицы. Если , то .
4. Оседание отрицательных капель под действием силы тяжести.
Положительный заряд сохраняется в виде ионовв атмосфере.
Все эти процессы создают нижнюю часть облака , верхнюю — .
Световая вспышка молний длится в среднем 200 мс с интервалом 40мс. Каждый импульс начинается с прорастанием к земле лидерного канала, который светит достаточно слабо. Ток в этом канале приблизительно 100 А. Приближаясь к земле канал начинает ветвиться.
После столкновения лидера с землей, обратно к облаку распространяется яркий световой канал .
Главная стадия возвращения удара проходит при I=100 кА. Далее, через этот искровой канал, в течении 40 мс. и при I=200 A. на землю стекает весь “–“ заряд.
Основные параметры внутриоблачных разрядов.
Длительные вспышки – от 0,01 до 2 секунд. Число импульсов от 1 до 26. Интервал от 3 до 100 мс. Заряд облака от 3 до 80 Кл.
Ступенчатый лидер:
L– от 3 до 200 м.
Пауза – от 30 до 125 мс.
– от до см/с.
q– от 3 до 20 Кл.
Стреловидный лидер:
— от до см/с.
Возвратный удар:
L
– от 2 до 14 км.
— от до см/с.
=120 кА.
Длительность пика – до 200 мкс.
q– до 20 Кл.
Шаровая молния.
Усредненные параметры шаровой молнии:
d=28 ± 4 см.
— от 8 до 15 с.
— от 3 до 5 м/с.
Энергия – приблизительно 20 кДж.
Плотность энергии – от 15 до 40 .
Световой поток – 1000 до 2000 люмен.
Цвет: белый 24 %, желтый 24 %, красный 18 %, оранжевый 14 %, голубой и фиолетовый 12 %.
В 80 % случаях молния наблюдается в грозовую погоду.
В 50 – 70 % случайный распад происходит со взрывом. Вероятность появления .
Вероятность сферической формы 89 %.
Одиночная электронная лавина
Индивидуальная лавина является первичным и неотъемлемым элементом какого либо механизма пробоя. Рассмотрим лавину в одномерном внешнем поле между плоскими электродами. Пусть она начинается от 1-го электрона, вылетевшего из катода в t
=0. OXнаправим от этого места в сторону А.
Числа и диффузионные пространственные распределения зарядов.
С учетом возможного образования и полные числа электронов и i
нарастает по мере продвижения лавины, как
(1) ;
;
.
(2) ;
;
, где ,a– коэффициенты ионизации и прилипания.
Все нарождающиеся электроны летят к аноду одной группой со скоростью дрейфа . Однако, в следствии диффузии, электронное облако расплывается около центральной точки , r=0. Плотность электронов в облаке подчиняется общему уравнению диффузии, в котором должны быть приняты во внимание дрейфовое движение и рождение. Решение уравнения имеет вид
(3)
Не падает с расстоянием от движущегося центра (по гауссову закону). Радиус сферы, на которой плотность рывков в eраз больше плотности в центре , растет с течением времени или по мере продвижения лавины по характерному для диффузии закону
(4)
где — средняя хаотическая энергия электронов.
За время пролета лавины до анода ионпрактически не успевает сдвинуться с места, поэтому в каждом месте они накапливаются. Плотность +ионов составляет .
Чтобы получить , надо вместо поставить а. в формуле задается (3). В отсутствии прилипания в пределе и не слишком далеко от оси приближенное вычисление интеграла дает
(5)
Этот результат имеет наглядный физический смысл. Плотность ионовв следе лавины растет с расстоянием xот k. В соответствии с законом размножения . В радиальном же направлении она в каждом сечении x
спадает от оси по тому же закону, что и плотность рождающих i
-ы -ой. В тот момент, когда центр электронного облака проходит через данное сечение.
Видимые очертания лавины.Каким бы мы способом не фиксировали на опыте изображения лавины, границы его будут соответствовать более или менее определенной величине абсолютной, а не относительной плотности активных частиц. Величина эта в общем определяется чувствительностью регистрационной аппаратуры. Поскольку чувствительность подбирается достаточно высокой minплотность, которая еще регистрируется, k, где . Поэтому низкой плотности частиц на видимом контуре лавины отвечает наибольшее значение показателя экспоненты, . Следовательно, контур соответствует приближенному обращению показателя в нуль и является не параболическим ~, а клиновидным.
.
В области головки клин переходит в закругление. Пространственное распространение зарядов в лавине в два последовательных момента времени показано на рисунке.
Ассоциации сферических аэрозолей в газе и плазме. При диффузии аэрозолей в воздухе наступает такой момент, когда их поверхности соприкасаются. Тогда за счет взаимодействия, а также за счет химических процессов на поверхности, аэрозоли не слипаются, т.е. происходит их ассоциация. Пусть радиус одного сорта аэрозолей равняется , радиус второго . В начале рассмотрим случай, когда один аэрозоль первого сорта покоится, так что на его поверхность приходит диффузионный поток аэрозолей второго сорта. Полный ток аэрозолей на расстоянии r
от центра пробного аэрозоля равняется , где D– коэффициент диффузии аэрозолей второго типа — их плотность. Так как аэрозоли не поглощаются в объеме, то и ток не зависит от расстояния r, т.е. i
=const:
, где — плотность аэрозолей второго типа вдали от поглощающего центра при проходит ассоциация аэрозолей, т.е. от . . Уравнение баланса для ассоциационных аэрозолей имеет вид:
,
где — плотность аэрозолей первого типа, — константа скорости ассоциации, которая равна .
При диффузном характере движения каждого из аэрозолей для среднего квадрата относительного расстояния между аэрозолями имеем
.
Если r
много больше — длина свободного пробега, тогда сила сопротивления аэрозоли будет определяться функцией стокса и при движении аэрозолей радиус со скоростью , где — вязкость воздуха. Придадим аэрозолю заряд e
,тогда подвижность , где t– температура воздуха , где E– напряженность электрического поля (3). Вводя число Клудсена . Для воздуха при атмосферном давлении температуре равной 300К эта формула имеет вид , из (3) в (2) . Для воздуха при температуре t=300K. kне зависит от сорта аэрозолей.
Рассмотрим теперь заряженные аэрозоли. Пусть 1-, 2-. При расстоянии rмежду ними сила их взаимодействия равна . Эта сила уравновешена с силой Стокса, так что + аэрозоли движутся на встречу – заряду со скоростью , где — радиус положительной аэрозоли.
.
За пробный возьмем положительный аэрозоль и проведем вокруг него сферу радиуса r
.Частота ассоциаций для рассматриваемого положительного аэрозоля есть произведение площади выбранной сферы на поток отрицательно заряженных частиц, пересекает ее . Введем константу скорости ассоциации заряженной аэрозоли в соответствии с уравнением баланса
(7)
Сравнив (6) и (7) => диффузионный механизм существен для аэрозолей больших размеров: . В этом случае энергия кулоновского взаимодействия двух аэрозолей при соприкосновении
Рассмотрим ассоциационный аэрозоль во внешнем электрическом поле. Электрическое поле наводит на аэрозоль дополнительные моменты, а взаимодействие этих дипольных моментов при некоторых их пространственных конфигурациях отвечает притяжение частиц. В этом случае взаимодействие приводит к сближению и ассоциации аэрозолей.
Потенциал взаимодействия двух частиц с дипольной молекулой и .
,
где r– расстояние между частицами, n– единичный вектор вдоль направления соединения частиц.
Поскольку в рассматриваемом случае дипольные моменты аэрозолей наводятся внешним полем, то ( — компонента тензора поляризуемости аэрозолей в направлении электрического поля ). В соответствии с условием задачи, направление Eи Dсовпадают. Тогда , — угол между направлениями соединений аэрозолей (0 — притяжение).
Для силы, действующей на взаимодействие аэрозолей при больших расстояниях между ними запишем
;
;
изменяется меньше и в области притяжения стремится его уменьшить, тем самым у3скоряет ассоциацию аэрозолей. При =0, когда притяжение аэрозолей максимально, =0, т.е., при которой ассоциация проходит наиболее эффективно, не существенно, т.е. ею можно пренебречь
;
;
выделяем элементарный объем Vвблизи проб. аэрозоли. Поверхность V
обеспечивает одинаковое значение tассоциационной аэрозоли. , , где — расстояние до поверхности при =0.
dW– вероятность того, что в dSнаходится аэрозоль, тогда количество в объеме его нет
;
; .
(9)
Для сферической аэрозоли рассчитывается ;
(10)
Сравним (6) и (10).
. продолжение
--PAGE_BREAK--