Нека да свържем сферичните електроди към батерията от кондензатори (фиг. 151) и да започнем да зареждаме кондензаторите с помощта на електрическа машина. Тъй като кондензаторите се зареждат, потенциалната разлика между електродите ще се увеличи и следователно силата на полето в газа ще се увеличи. Докато силата на полето е ниска, не могат да се забележат промени в газа. Въпреки това, при достатъчно висока напрегнатост на полето (около 3 MV/m), между електродите се появява електрическа искра, която има вид на ярко светещ навиващ се канал, свързващ двата електрода. Газът в близост до искрата се нагрява до висока температура и внезапно се разширява, което води до появата на звукови вълни и чуваме характерен пукащ звук. Кондензаторите в тази настройка съществуват, за да направят искрата по-мощна.
Ориз. 151. Ако напрегнатостта на полето във въздуха достигне приблизително 3 MV/m, тогава възниква електрически пробив на газа и възниква електрическа искра
Описаната форма на газов разряд се нарича искров разряд или газова искра. Когато възникне искров разряд, газът внезапно, внезапно губи своите диелектрични свойства и става добър проводник. Напрегнатостта на полето, при която възниква пробив на газова искра, има различна стойност за различните газове и зависи от тяхното състояние (налягане, температура).
За дадено напрежение между електродите, напрегнатостта на полето е по-малка, колкото по-далеч са електродите един от друг. Следователно, колкото по-голямо е разстоянието между електродите, толкова по-голямо напрежение между тях е необходимо, за да се получи искров пробив на газа. Това напрежение се нарича напрежение на пробив.
Знаейки как напрежението на пробив зависи от разстоянието между електродите с определена форма, е възможно да се измери неизвестното напрежение по дължината на максималната дължина на искрата. Това е основата за дизайна на искров волтметър (фиг. 152), удобен за груба оценка на високи напрежения (например в рентгенови инсталации). Състои се от две метални изолирани топки, едната от които може да се движи плавно. Топките се свързват към източника, чието напрежение искат да измерят, и се събират заедно, докато се появи искра. Чрез измерване на разстоянието между топчетата и съответното напрежение, при което възниква пробив, се съставят специални таблици, с помощта на които след това се определя напрежението по дължината на искрата. Като пример посочваме, че на разстояние 0,5 cm между топки с диаметър 5 cm пробивното напрежение е 17,5 kV, а на разстояние 5 cm то е около 100 kV.
Ориз. 152. Искров волтметър
Появата на повреда се обяснява по следния начин. Винаги има определен брой йони и електрони в газа, произтичащи от случайни причини. Обикновено обаче техният брой е толкова малък, че газът практически не провежда електричество. При относително ниска напрегнатост на полето, каквато срещаме, когато изучаваме несамопроводимостта на газовете, сблъсъците на йони, движещи се в електрическо поле, с неутрални газови молекули се случват по същия начин като сблъсъците на еластични топки. При всеки сблъсък движещата се частица предава част от кинетичната си енергия на почиващата и двете частици след сблъсъка се разлитат, но в тях не настъпват вътрешни промени. Въпреки това, ако силата на полето е достатъчна, кинетичната енергия, натрупана от йона в интервала между два сблъсъка, може да стане достатъчна, за да йонизира неутрална молекула при сблъсък. В резултат на това се образуват нов отрицателен електрон и положително зареден остатък - йон. Този процес на йонизация се нарича ударна йонизация, а работата, която трябва да бъде изразходвана за отстраняване на електрон от атом, се нарича йонизационна работа. Работата по йонизация зависи от структурата на атома и следователно е различна за различните газове.
Електроните и йоните, образувани под въздействието на ударна йонизация, увеличават броя на зарядите в газа и от своя страна се задвижват под въздействието на електрическо поле и могат да предизвикат ударна йонизация на нови атоми. Така този процес се „подсилва“ и йонизацията в газа бързо достига много голяма стойност. Целият феномен доста прилича на снежна лавина в планината, за възникването на която е достатъчна незначителна снежна буца. Затова описаният процес беше наречен йонна лавина (фиг. 153 и 154). Образуването на йонна лавина е процесът на искров разпад, а минималното напрежение, при което възниква йонна лавина, е пробивното напрежение. Виждаме, че по време на искров разпад причината за йонизацията на газа е разрушаването на атоми и молекули по време на сблъсък с йони (ударна йонизация).
Ориз. 153. Свободен електрон 1 при сблъсък с неутрална молекула я разделя на електрон 2 и свободен положителен йон. Електрони 1 и 2, при по-нататъшен сблъсък с неутрални молекули, отново ги разделят на електрони 3 и 4 и свободни положителни йони и т.н.
Ориз. 154. Лавинообразно размножаване на положителни йони и електрони при сблъсъци на положителни йони с неутрални молекули
93.1. Известно е, че колкото по-ниско е налягането на газа (при постоянна температура), толкова по-малко атоми се съдържат в единица обем газ и толкова по-дълго разстоянието, което атомите изминават свободно между два последователни сблъсъка. Като вземете това предвид, помислете как напрежението на пробив на газовата междина ще се промени (увеличи или намали), когато налягането на газа намалява.
Искров разряд възниква в случаите, когато напрегнатостта на електрическото поле достигне стойност на пробив за даден газ, зависи от налягането на газа; за въздух при атмосферно налягане е около . С увеличаване на налягането то се увеличава. Съгласно експерименталния закон на Пашен съотношението на силата на пробивното поле към налягането е приблизително постоянно:
Искровото разреждане се придружава от образуването на ярко светещ, извит, разклонен канал, през който преминава краткотраен импулс на силен ток. Пример за това е светкавицата; дължината му може да бъде до 10 km, диаметърът на канала е до 40 cm, силата на тока може да достигне 100 000 ампера или повече, продължителността на импулса е около .
Всяка светкавица се състои от няколко (до 50) импулса, следващи един и същи канал; общата им продължителност (заедно с интервалите между импулсите) може да достигне няколко секунди. Температурата на газа в искровия канал може да достигне до 10 000 K. Бързото силно нагряване на газа води до рязко повишаване на налягането и появата на ударни и звукови вълни. Следователно искровият разряд е придружен от звукови явления - от слаб пукащ звук от искра с ниска мощност до тътен на гръмотевици, придружаващ светкавица.
Появата на искра се предшества от образуването на силно йонизиран канал в газа, наречен стример. Този канал се получава чрез блокиране на отделни електронни лавини, които възникват по пътя на искрата. Основателят на всяка лавина е електрон, образуван чрез фотойонизация. Диаграмата на развитие на стримера е показана на фиг. 87.1. Нека напрегнатостта на полето е такава, че електрон, изхвърлен от катода поради някакъв процес, придобива енергия, достатъчна за йонизация при средния свободен път.
Поради това електроните се размножават - възниква лавина (положителните йони, образувани в този случай, не играят съществена роля поради много по-ниската си подвижност; те само определят пространствения заряд, предизвиквайки преразпределение на потенциала). Късовълновата радиация, излъчвана от атом, от който един от вътрешните електрони е бил отстранен по време на йонизацията (това лъчение е показано на диаграмата с вълнообразни линии), причинява фотойонизация на молекулите и получените електрони генерират все повече и повече лавини. След припокриването на лавините се образува добре проводим канал - стример, през който мощен поток от електрони се втурва от катода към анода - възниква разбивка.
Ако електродите имат форма, при която полето в междуелектродното пространство е приблизително равномерно (например, те са топки с достатъчно голям диаметър), тогава пробивът възниква при много специфично напрежение, чиято стойност зависи от разстоянието между топки. Това е основата на искровия волтметър, който се използва за измерване на високо напрежение. По време на измерванията се определя най-голямото разстояние, на което възниква искра. След това умножете по, за да получите стойността на измереното напрежение.
Ако един от електродите (или и двата) има много голяма кривина (например тънък проводник или връх служи като електрод), тогава при не много високо напрежение възниква така нареченият коронен разряд. С увеличаването на напрежението този разряд се превръща в искра или дъга.
По време на коронен разряд йонизацията и възбуждането на молекулите не се случват в цялото междуелектродно пространство, а само в близост до електрода с малък радиус на кривина, където силата на полето достига стойности, равни или надвишаващи . В тази част на разряда газът свети. Сиянието има вид на корона, заобикаляща електрода, което води до името на този тип разряд. Коронният разряд от върха има вид на светеща четка и затова понякога се нарича четков разряд. В зависимост от знака на корониращия електрод се говори за положителна или отрицателна корона. Между слоя на короната и некорониращия електрод има външна област на короната. Режимът на разрушаване съществува само в коронния слой. Следователно можем да кажем, че коронният разряд е непълен разпад на газовата междина.
В случай на отрицателна корона, явленията на катода са подобни на тези на катода на тлеещ разряд. Положителните йони, ускорени от полето, избиват електрони от катода, което причинява йонизация и възбуждане на молекулите в слоя на короната. Във външната област на короната полето не е достатъчно, за да осигури на електроните енергията, необходима за йонизиране или възбуждане на молекули.
Следователно електроните, които проникват в тази област, се отклоняват под въздействието на нула към анода. Някои електрони се улавят от молекули, което води до образуването на отрицателни йони. По този начин токът във външната област се определя само от отрицателни носители - електрони и отрицателни йони. В този регион изхвърлянето не е самоподдържащо се.
В положителната корона електронните лавини възникват от външната граница на короната и се устремяват към корониращия електрод - анода. Появата на електрони, които генерират лавини, се дължи на фотойонизация, причинена от радиация от коронния слой. Токоносителите във външната област на короната са положителни йони, които под въздействието на полето се движат към катода.
Ако и двата електрода имат голяма кривина (два корониращи електрода), в близост до всеки от тях протичат процеси, характерни за корониращ електрод с даден знак. И двата коронни слоя са разделени от външна област, в която се движат насрещни потоци от положителни и отрицателни токоносители. Такава корона се нарича биполярна.
Независимият газов разряд, споменат в § 82, когато се разглеждат измервателните уреди, е коронен разряд.
Дебелината на слоя корона и силата на разрядния ток се увеличават с увеличаване на напрежението. При ниско напрежение размерът на короната е малък и светенето й е незабележимо. Такава микроскопична корона се появява близо до върха, от който изтича електрическият вятър (вижте § 24).
Короната, която се появява под въздействието на атмосферното електричество върху върховете на корабни мачти, дървета и др., В древността се е наричала огънят на Свети Елмо.
При приложения с високо напрежение, особено високоволтови преносни линии, коронният разряд води до вредно изтичане на ток. Затова трябва да се вземат мерки за предотвратяването му. За тази цел, например, проводниците на високоволтови линии се вземат с доста голям диаметър, колкото по-голям е, толкова по-високо е мрежовото напрежение.
Коронният разряд е намерил полезно приложение в технологията на електрическите утаители. Газът за пречистване се движи в тръба, по оста на която е разположен отрицателен корониращ електрод. Отрицателните йони, присъстващи в големи количества във външната област на короната, се утаяват върху замърсяващи газ частици или капчици и се пренасят заедно с тях към външния електрод без корона. Достигайки до този електрод, частиците се неутрализират и отлагат върху него. Впоследствие, когато тръбата бъде ударена, утайката, образувана от уловените частици, попада в събирателния резервоар.
В зависимост от налягането на газа, конфигурацията на електрода и параметрите на външната верига има четири вида независими разряди:
- тлеещ разряд;
- искров разряд;
- дъгов разряд;
- коронен разряд.
1. Светещ разряд възниква при ниско налягане. Може да се наблюдава в стъклена тръба с плоски метални електроди, запоени в краищата (фиг. 8.5). В близост до катода има тънък светещ слой, наречен катоден светещ филм 2.
Между катода и филма има Тъмното пространство на Астън 1. Вдясно от светещия филм се поставя слабо светещ слой т.нар катодно тъмно пространство 3. Този слой преминава в светеща област, която се нарича тлеещ блясък 4, тлеещото пространство е оградено с тъмна празнина - Тъмно пространство на Фарадей 5. Всички горепосочени слоеве се формират катодна часттлеещ разряд. Останалата част от тръбата е пълна с нажежен газ. Тази част се нарича положителна колона 6.
С намаляването на налягането катодната част на разряда и Фарадеевото тъмно пространство се увеличават, а положителният стълб се скъсява.
Измерванията показаха, че почти всички потенциални спадове се появяват в първите три секции на разряда (тъмното пространство на Астън, светещият филм на катода и тъмното петно на катода). Тази част от напрежението, приложено към тръбата, се нарича катоден потенциален спад.
В областта на тлеещото сияние потенциалът не се променя - тук силата на полето е нула. И накрая, в тъмното пространство на Фарадей и положителния стълб потенциалът бавно нараства.
Това разпределение на потенциала е причинено от образуването на положителен пространствен заряд в тъмното пространство на катода, поради повишената концентрация на положителни йони.
Положителните йони, ускорени от спада на потенциала на катода, бомбардират катода и избиват електрони от него. В тъмното пространство на Астън тези електрони, летящи без сблъсъци в областта на катодното тъмно пространство, имат висока енергия, в резултат на което по-често йонизират молекулите, отколкото ги възбуждат. Тези. Интензивността на газовото сияние намалява, но се образуват много електрони и положителни йони. Получените йони първоначално имат много ниска скорост и поради това в катодното тъмно пространство се създава положителен пространствен заряд, което води до преразпределение на потенциала по дължината на тръбата и възникване на катоден потенциален спад.
Електроните, генерирани в катодното тъмно пространство, проникват в областта на тлеещо сияние, което се характеризира с висока концентрация на електрони и положителни йони и полярен пространствен заряд, близък до нула (плазма). Следователно силата на полето тук е много ниска. В областта на тлеещото сияние протича интензивен процес на рекомбинация, придружен от излъчване на енергия, освободена при този процес. По този начин тлеещият блясък е предимно рекомбинационен блясък.
От зоната на тлеещо сияние в тъмното пространство на Фарадей проникват електрони и йони поради дифузия. Вероятността за рекомбинация тук намалява значително, защото концентрацията на заредени частици е ниска. Следователно в тъмното пространство на Фарадей има поле. Електроните, увлечени от това поле, натрупват енергия и често в крайна сметка създават условията, необходими за съществуването на плазма. Положителната колона представлява газоразрядна плазма. Той действа като проводник, свързващ анода с катодните части на разряда. Светенето на положителния стълб се причинява главно от преходи на възбудени молекули в основно състояние.
2. Искров разряд възниква в газ обикновено при налягане от порядъка на атмосферното налягане. Характеризира се с интермитентна форма. На външен вид искровият разряд е куп ярки зигзагообразни разклоняващи се тънки ивици, които незабавно проникват в разрядната междина, бързо изгасват и постоянно се заменят (фиг. 8.6). Тези ленти се наричат искрови канали.
 |
Tгаз = 10 000 K ~ 40 см аз= 100 kA T= 10 –4 s л~ 10 км |
След като разрядната междина е „счупена“ от искровия канал, съпротивлението му става малко, през канала преминава краткотраен импулс с висок ток, по време на който върху разрядната междина пада само малко напрежение. Ако мощността на източника не е много висока, тогава след този токов импулс разреждането спира. Напрежението между електродите започва да нараства до предишната си стойност и разпадането на газа се повтаря с образуването на нов искров канал.
При естествени условия се наблюдава искров разряд под формата на мълния. Фигура 8.7 показва пример за искров разряд - мълния, продължителност 0,2 ÷ 0,3 със сила на тока 10 4 - 10 5 A, дължина 20 km (фиг. 8.7).
3. Дъгов разряд . Ако след получаване на искров разряд от мощен източник разстоянието между електродите постепенно се намалява, тогава разрядът от прекъсване става непрекъснат и възниква нова форма на газов разряд, т.нар. дъгов разряд(фиг. 8.8).
 |  |
|
| ~ 10 3 A | ||
| Ориз. 8.8 | ||
В този случай токът се увеличава рязко, достигайки десетки и стотици ампера, а напрежението в разрядната междина пада до няколко десетки волта. Според V.F. Литкевич (1872 - 1951), дъговият разряд се поддържа главно поради термоелектронна емисия от повърхността на катода. На практика това означава заваряване, мощни дъгови пещи.
4. Коронен разряд (фиг. 8.9). възниква в силно нееднородно електрическо поле при относително високо налягане на газа (от порядъка на атмосферното). Такова поле може да се получи между два електрода, повърхността на единия от които е с голяма кривина (тънка тел, връх).
 |
 |
Наличието на втори електрод не е необходимо, но неговата роля могат да играят близки, заобикалящи заземени метални предмети. Когато електрическото поле в близост до електрод с голяма кривина достигне приблизително 3∙10 6 V/m, около него се появява сияние, което прилича на черупка или корона, откъдето идва и името на заряда.
Фалина М.С. 1
Моисеев В.Г. 1
1 Общинска държавна образователна институция „Николо-Поломская гимназия“ на Парфеньевски общински район на Костромска област
Текстът на работата е публикуван без изображения и формули.
Пълната версия на произведението е достъпна в раздела "Работни файлове" в PDF формат
1. Въведение.
Този изследователски проект е насочен към изучаване на условията за възникване на искров разряд - мълния и възможността за използване на тази енергия.
Предмет: Изследване на свойствата на искровия разряд и неговото приложение
проблем:„Завчера не знаехме нищо за електричеството, вчера не знаехме нищо за огромните запаси от енергия, съдържащи се в атомното ядро, за които днес не знаем?“ /Луи дьо Бройл/
Уместност: Човекът се е научил да използва енергията на водата чрез изграждане на водноелектрически централи, атомната енергия чрез изграждане на атомни електроцентрали, вятърната енергия чрез изграждане на вятърни електроцентрали. Слънчевата енергия, акумулирана чрез слънчеви панели, се използва широко.
В бъдеще човечеството ще търси други алтернативни източници на енергия. Рано или късно човек ще се научи да използва енергията на искров разряд - мълния и ще изгради светкавични електроцентрали. Много страни вече провеждат такива изследвания, например в САЩ. У нас също се работи по проблемите на използването на искрови разряди. Това е уместността на тази работа. Светкавичната енергия все още е само теоретична посока. Същността на техниката е да улови енергията на мълнията и да я пренасочи към електрическата мрежа. Този енергиен източник е възобновяем и се класифицира като алтернативен, т.е. природосъобразен.
Мълнията е чиста енергия и нейното използване не само ще елиминира многобройни опасности за околната среда, но и значително ще намали разходите за производство на енергия. Мълниеносната енергия е възобновяем източник и принадлежи към алтернативните енергийни източници.
Хипотеза: Мълнията може да се превърне в екологично чист източник на евтина енергия и ще се използва в различни сфери на обществото в бъдеще.
Мишена: Изследване на условията за възникване на искров разряд и възможността за използване на енергията на искров разряд за енергийни нужди.
Задачи:
Намерете и проучете информация за мълнията и нейните свойства
Подгответе необходимото оборудване.
Провеждайте експерименти.
1. Получете искров разряд с помощта на електростатична машина, изчислете максималното напрежение на пробив
2. Изследвайте условията за възникване на искров разряд в преобразувател на напрежение
3. Оценявайте разрушаващите способности на искрови разряди на твърди вещества (хартия, фолио).
4. Получете искров разряд - мълния с помощта на трансформатор на Тесла, оценете напрежението между електродите, както и ефекта на йонизатора върху възникването и протичането на разряда.
4) Направете наблюдения и направете анализ.
В работата са използвани добре известни изследователски методи:
1. Теоретични методи - това е хипотетично (изследване с помощта на научна хипотеза)
и общи логически методи (анализ, синтез, аналогия, обобщение)
2. Емпиричните методи са преди всичко експеримент (изкуствено възпроизвеждане на явления и процеси при определени условия, по време на които се проверява хипотеза), наблюдение, сравнение, измерване, описание
Етап 1 - Организация на изследването
1) Подбор на литература и допълнителна информация, проучване и оформяне на намерени материали.
Намерих много интересна и полезна за мен информация в Интернет и проучих голям брой статии за електрическите разряди.
1. Познавам този електрически заряде физическа величина, която характеризира способността на телата да влизат в електромагнитни взаимодействия. Измерено в кулони.
И електрическото поле- е специална форма на материя, която съществува около тела или частици, които имат електрическизаряд, както и в свободна форма в електромагнитни вълни.
2. Знам какво е мълния -Това е гигантски електрически искров разряд в атмосферата, обикновено възникващ по време на гръмотевична буря, което води до ярка светкавица и придружаваща гръмотевица. Набор от импулси - прекъсвания на въздушната междина между гръмотевичен облак и земята, възникващи под формата на искров разряд.
История на изследването на мълнията.
Още през 17-ти век се предполага, че светкавицата е гигантска искра, която не се различава по нищо от искра, прескачаща между две противоположно заредени топки. И светкавица проблясва между два гръмотевични облака с различен заряд или между гръмотевичен облак и земята. Изследванията на електричеството са проведени в много страни, но най-голям принос за създаването на теорията за атмосферното електричество имат руските академици Михаил Василиевич Ломоносов и Георг Рихман. Електрическата природа на мълнията е разкрита в изследванията на американския физик Б. Франклин, по чиято идея е проведен експеримент за извличане на електричество от гръмотевичен облак. Бенджамин Франклин, изключителен американски политик, учи физика само седем години, но успя да направи много. Франклин провежда добре познатия експеримент с хвърчило, пускайки го при приближаване на гръмотевични облаци. Той прикрепи заточена тел към горния край на вертикалната греда на напречната част на хвърчилото. Веднага щом хвърчилото беше под гръмотевичен облак, тази жица започна да произвежда електрически огън от облака. През 1752 г. е доказано, че гръмотевичните облаци наистина са силно заредени. Михаил Василиевич Ломоносов и неговият приятел Георг Рихман през 1752-1753 г. съвместно провеждат изследвания на атмосферното електричество, използвайки електрическия индикатор, изобретен от Ричман - прототипа на електрометъра. Ричман установява електрическото състояние на атмосферата при липса на гръмотевици и светкавици. И Ломоносов разработи теория за образуването на атмосферното електричество, чийто произход свързва с възходящи и низходящи въздушни течения. В дома си Георг Рихман създава експериментална инсталация за изучаване на мълниеносни разряди - "гръмотевична машина". На 26 юли 1753 г., по време на силна гръмотевична буря, когато ученият се приближи до електрометъра на „машината за гръмотевична буря“ на разстояние 30 см, внезапно бледосиня огнена топка с размерите на юмрук го удари директно от дебел железен прът. Беше кълбовидна мълния. Последва оглушителна експлозия и Ричман падна мъртъв.
Ломоносов приема сериозно смъртта на своя приятел и прави всичко по силите си името на Георг Рихман да остане завинаги в историята на науката.
През 1989 г. е открит специален вид мълния - елфи, мълния в горните слоеве на атмосферата. През 1995 г. е открит друг вид мълнии в горните слоеве на атмосферата – джетове.
Искров разряд и условия за възникването му
При висока напрегнатост на електрическото поле между електродите (около 3 10 6 V/m) във въздух при атмосферно налягане, искров разряд.Искровият разряд, за разлика от коронния разряд, води до разрушаване на въздушната междина. По време на искров разряд в газа се появяват канали от йонизиран газ - стримери,имащи вид на прекъсващи ярки зигзагообразни нишки.
Нишките проникват в пространството между електродите и изчезват, заменени от нови. В този случай се наблюдава ярко сияние на газ и се отделя голямо количество топлина. Поради нагряването налягането на газа в стримерите се увеличава значително. Докато газът се разширява, той излъчва звукови вълни, които придружават изхвърлянето.
След разрушаването на разрядната междина напрежението на електродите намалява значително, тъй като в момента на разреждане проводимостта на газа се увеличава рязко поради неговата йонизация. В резултат на това, ако източникът на напрежение е с ниска мощност, разреждането спира. След това напрежението отново се повишава и т.н.
При образуването на искров разряд, наред с йонизацията чрез електронен удар, важна роля играят процесите на йонизация на газа чрез излъчване на самата искра.
Пробивното напрежение намалява, когато газът е изложен на външен йонизатор. Ако към газовата междина се приложи напрежение малко по-ниско от напрежението на пробив и в пространството между електродите се постави запалена газова горелка, възниква искра. Същият ефект има и осветяването на отрицателния електрод с ултравиолетова светлина или насочването на лазерен лъч по протежение на електродите, както и други йонизатори.
Светкавицата е гигантски електрически искров разряд в атмосферата, обикновено възникващ по време на гръмотевична буря, което води до ярка светкавична светкавица и придружаващ гръм. Токът при разряд на мълния достига 10 - 100 хиляди ампера, напрежението достига стотици милиони волта. Средната дължина на мълнията е 2,5 км, някои изхвърляния се простират до 20 км в атмосферата. Светкавици са регистрирани и на Венера, Юпитер, Сатурн и Уран. Най-често мълнията се появява в купесто-дъждовни облаци, тогава те се наричат гръмотевични бури; Светкавици понякога се образуват в облаци от слоесто-нимбо, както и по време на вулканични изригвания, торнадо и прашни бури.
В облаците има две заредени зони, положителна и отрицателна, това са две половини на електрическата верига, отрицателният разряд клони към положителния и този заряд се нарича Лидер, практически невидим за човешкото око поради огромния дебит и ниска яркост. Друг положителен заряд, Streamer, клони към отрицателния лидер и този заряд е много ярък и дълъг по време на удар на мълния. Електрическият заряд на Leader идва предимно от облака, докато Streamer идва от повърхността на земята или друг облак с положително заредена област. Светкавицата не е един разряд, а повече от няколко десетки пулсиращи разряда, поради което видимото трептене на мълния погрешно се счита за един разряд.
3. Знам, че кондензаторите- Това е устройство за натрупване на заряд и енергия на електрическо поле.
Светкавицата е кратък изблик на енергия, продължаващ част от секундата и трябва да бъде овладян много бързо. За да разрешим този проблем, се нуждаем от много мощни кондензатори, които все още не съществуват и цената им вероятно ще бъде много висока. Можете също така да използвате различни осцилационни системи с вериги от 2-ри и 3-ти вид, които позволяват да се съгласува натоварването с вътрешното съпротивление на генератора. Мощността на разрядите също варира значително. Повечето светкавици са 5-20 kA, но има светкавици с интензитет на тока 200 kA и всеки от тях трябва да бъде приведен до стандарта от 220 V и 50-60 Hz променлив ток.
Плътност на заредените йони в 1 кубичен метър. m атмосфера е ниска, съпротивлението на въздуха е високо. Съответно, само йонизиран електрод, повдигнат колкото е възможно повече над повърхността на земята, може да „улови“ мълния, но може да улови енергия само под формата на микротокове. Ако повдигнете електрода твърде близо до наелектризирани облаци, това може да провокира мълния, т.е. ще се получи краткотраен, но силен скок на напрежението, което ще доведе до повреда на оборудването на фермата за мълнии.
4. Научих, че мълнията е пряко свързана с плазмата.Внимателно разглеждайки множество снимки на мълния, получени чрез високоскоростна фотография, стигаме до извода, че мълнията изобщо не е лавина от електрически заряди, а кух плазмен канал, в стените на който е концентриран ток. Причината за огромната скорост на обратния лидер на светкавицата - яркото трептене, което се получава след като мълнията достигне земята по време на така наречения основен процес - става ясна. Такъв обратен лидер се развива като осцилационен процес вътре в куха плазмена тръба, подобно на трептения в затворен контур. Това са електрически трептения, чиято скорост може да бъде несравнимо по-висока от тази на флуктуациите на плътността на въздуха.
5. Изследвах свойствата на плазмата:
1. Концентрацията на положителни и отрицателни частици в плазмата е почти еднаква.
2. Висока електропроводимост - при високи температури плазмата се доближава до свръхпроводниците.
3. Плазмата има силно взаимодействие с електрическите и магнитните полета.
4. Всяка заредена плазмена частица взаимодейства с голям брой заредени частици.
5. Плазмата се свързва със сиянието.
Тези свойства определят качествената уникалност на плазмата, което ни позволява да я считаме за четвъртото състояние на материята.
6. Записах всички най-интересни неща за себе си.
2) Придобиване на необходимо оборудване и материали.
Ще ми трябват: електростатична машина, училищен преобразувател на напрежение, захранване.
Етап 2 -Експериментална работа със снимки на основните произведения
Описание на изследванията
Искров разряд може да се получи с помощта на различни устройства.
За да се получи искров разряд с помощта на електростатична машина, тя трябва да бъде напълно изсушена.
Нека разделим топките на електростатичната машина на около 2 см. След няколко завъртания на дръжката на електростатичната машина получаваме искров разряд. В електростатична машина механичната ротационна енергия се преобразува в енергия на искров разряд. Постепенно увеличавайки разстоянието между топките на електростатичната машина, получаваме, че максималното разстояние между топките ще бъде 55 мм. Напрежението на пробив е приблизително 50 000 волта.
Да вземем училищен преобразувател на напрежение.
От 12-волтово захранване се преобразува в 25 000 волта. Разстоянието между електродите може да се променя. Нека зададем разстояние от 2 см между топките на трансдюсера.
Когато преобразувателят е включен, възниква цяла поредица от искрови разряди.
Увеличаваме разстоянието между топките, изхвърлянията се появяват по-рядко и след това спират. Това означава, че напрегнатостта на електрическото поле е станала по-малка от границата, при която настъпва пробив на искрова междина. Увеличаваме захранващото напрежение на преобразувателя, отново се появяват разряди, което означава, че напрежението в искровата междина се е увеличило и е надвишило напрежението на пробив. Нека увеличим разстоянието между топките, докато искровото изхвърляне спре. Осветяваме искровата междина с ултравиолетово лъчение, отново се появява серия от разряди. Това означава, че в искрова междина, поради йонизация, са се появили йони и електрони и възниква независимо искрово разреждане.
Поставяне на лист хартия, картон или фолио в искрова междина
можете да се уверите, че искровият разряд пробива микроскопични дупки,
Това предполага възможността за използване на искров разряд за механично въздействие върху материалите, което представлява интерес за технолозите.
Искров разряд може да се получи с помощта на трансформатор на Тесла.
При захранващо напрежение от 12 V, искровият разряд прониква на разстояние от 105 mm, което съответства на напрежение между електродите от приблизително 100 000 V. При това напрежение възникват електрически разряди, много подобни на светкавици по време на гръмотевична буря.
Водачът на всеки следващ разряд търси и намира своя път, своята траектория и се наблюдава танц на мълниеносни разряди.
По време на всички експерименти с искрови разряди се появява характерна миризма. По време на електрически разряди се образува озон O 3, който насища въздуха с кислород. Точно както можете да дишате лесно след гръмотевична буря, можете да усетите чистия, богат на кислород въздух.
Етап 3 - Изводи и заключения
В резултат на изследванията и измерванията е установено, че в силно електрическо поле възниква искров разряд, ако напрегнатостта на полето надвишава 3 x 10 6 V/m. Направена е оценка на пробивното напрежение, което зависи от влажността на въздуха и намалява под действието на йонизатор. Искровият разряд има механичен ефект върху материалите и може да се използва в технологиите за обработка на материали.
Във всички устройства, с помощта на които се получава искров разряд, се използват или кондензатори като устройства за съхранение на електрическа енергия, или осцилаторни системи. Улавянето на мълния по време на гръмотевична буря, съхраняването й за известно време, трансформирането й в други видове е изкушаващо, но в момента трудно за изпълнение, но вярвам, че ще бъде възможно в бъдеще.
По този начин по време на изследването се потвърждава изложената хипотеза: мълнията може да се превърне в екологичен източник на евтина енергия и ще се използва в различни сфери на обществото в бъдеще.
Изследването на искровия разряд е много важна тема, толкова интересна, колкото и самата гръмотевична буря. Проучването му може да бъде прекъснато само за известно време и да не бъде завършено.
Дори едно от употребите говори за важността му. Прикрепвайки електроди към тялото на пациента, лекарите дават импулсен разряд на електрически ток с напрежение 2500 - 4000 V. Сърцето, след като угасне, се съживява и започва да работи, човекът намира живот.
Светкавичните ферми все още са мечта. Те биха се превърнали в неизчерпаеми екологични източници на много евтина енергия. Развитието на тази област на енергетиката е възпрепятствано от редица фундаментални проблеми: невъзможно е да се предвиди времето и мястото на гръмотевична буря, светкавицата е краткотраен енергиен изблик, чиято продължителност е равна на части от второ, и трябва да се овладее много бързо, за да се реши този проблем, трябват най-мощните кондензатори, които все още не съществуват, а цената им вероятно ще бъде много висока.
Въпреки очевидните трудности, идеята за създаване на ферми за светкавици е жива: човечеството наистина иска да опитоми природата и да получи достъп до огромни запаси от възобновяема енергия.
Етап 4 - Проектиране
Етап 5 - Дизайн на презентация
Литература
1. Изд. Академик Г.С. Ландсберг “Начален учебник по физика” том 2 Учебник. М.: "Наука", 1973 г.
2. Мякишев Г.Я. ,Синяков А.З. "Физика. Електродинамика“. 10-11 клас. Учебник.-М .: Дропла, 2012.
3. Изд. А.А. Пински “Физика” 10 клас.-М.: “Просвещение”, 2014.
4. Учебник по физика за 10 клас / Г. Я. Мякишева и Б. Б. Буховцева
5. Модерен справочник за ученици 5-11 клас - всички предмети / A.N. Роганин, К.Е. Немченко
6.За природата / M.M. Балашов
Такова изхвърляне обикновено се получава при налягане от порядъка на атмосферното налягане и е придружено от характерен звуков ефект - „пращене“ на искра. Температурата в главния канал на искровия разряд може да достигне 10 000. В природата искровите разряди често се появяват под формата на мълния. Разстоянието, „пронизано“ от искра във въздуха зависи от напрегнатостта на електрическото поле на повърхността на електродите и тяхната форма. За сфери, чийто радиус е много по-голям от разрядната междина, той се счита за равен на 30 kVна сантиметър, за игли - 10 kV на сантиметър.
Условия [ | ]
Искров разряд обикновено възниква, когато мощността на източника на енергия е недостатъчна, за да поддържа постоянен дъгов разряд или тлеещ разряд. В този случай, едновременно с рязко увеличаване на разрядния ток, напрежението в разрядната междина за много кратко време (от няколко микросекунди до няколкостотин микросекунди) пада под напрежението на изгасване на искровия разряд, което води до прекратяване на освобождаването от отговорност. След това потенциалната разлика между електродите отново се увеличава, достига напрежението на запалване и процесът се повтаря. В други случаи, когато мощността на източника на енергия е достатъчно голяма, също се наблюдава цялата съвкупност от явления, характерни за този разряд, но те са само преходен процес, водещ до установяване на разряд от друг тип - най-често дъгова дъга. един.
Природата [ | ]
Искровият разряд е куп ярки, бързо изчезващи или заместващи една друга нишковидни, често силно разклонени ивици. Тези канали са пълни с плазма, която при мощен искров разряд включва не само йони на изходния газ, но и йони на електродното вещество, което интензивно се изпарява под действието на разряда. Механизмът за образуване на искрови канали (и следователно възникването на искров разряд) се обяснява със стримерната теория за електрическо разпадане на газове. Според тази теория, от електронни лавини, възникващи в електрическото поле на разрядната междина, при определени условия, стримери- слабо светещи тънки разклонени канали, които съдържат йонизирани газови атоми и свободни електрони, отделени от тях. Сред тях можем да откроим т.нар лидер- слабо светещ разряд, "проправящ" пътя за основния разряд. Придвижвайки се от един електрод към друг, той затваря разрядната междина и свързва електродите с непрекъснат проводящ канал. След това основният разряд преминава в обратна посока по протежения път, придружен от рязко увеличаване на силата на тока и количеството енергия, освободена в тях. Всеки канал бързо се разширява, което води до ударна вълна на неговите граници. Комбинацията от ударни вълни от разширяващите се искрови канали генерира звук, възприеман като „пукане“ на искра (в случай на светкавица, гръм).
Напрежението на запалване на искров разряд обикновено е доста високо. Силата на електрическото поле в искрата намалява от няколко десетки киловолта на сантиметър (kV/cm) в момента на пробив до около 100 V/cm след няколко микросекунди. Максималният ток при мощен искров разряд може да достигне стойности от порядъка на няколкостотин килоампера.
Специален тип искров разряд - плъзгащ се искров разряд, което възниква по границата между газ и твърд диелектрик, поставен между електродите, при условие че напрегнатостта на полето надвишава силата на пробив на въздуха. Областите на плъзгащ искров разряд, в които преобладават заряди от един знак, индуцират заряди от различен знак върху повърхността на диелектрика, в резултат на което искровите канали се разпространяват по повърхността на диелектрика, образувайки така наречените фигури на Лихтенберг .
Процеси, близки до тези, протичащи по време на искров разряд, също са характерни за четковия разряд, който е преходен етап между