Funkenentladung in Gasen. Funkenentladung und ihre Anwendung

Eine solche Entladung erfolgt normalerweise bei Drücken in der Größenordnung des Atmosphärendrucks und wird von einem charakteristischen Geräuscheffekt begleitet – dem „Knistern“ eines Funkens. Die Temperatur im Hauptkanal der Funkenentladung kann 10.000 erreichen. In der Natur treten Funkenentladungen häufig in Form von Blitzen auf. Die Distanz, die ein Funke in der Luft „durchdringt“, hängt von der Spannung ab elektrisches Feld an der Oberfläche der Elektroden und deren Form. Für Kugeln, deren Radius viel größer als die Entladungsstrecke ist, gilt er als gleich 30 kV pro Zentimeter, für Nadeln - 10 kV pro Zentimeter.

Bedingungen [ | ]

Funkenentladung Tritt normalerweise auf, wenn die Leistung der Energiequelle nicht ausreicht, um einen stationären Lichtbogen oder eine Glimmentladung zu unterstützen. In diesem Fall fällt gleichzeitig mit einem starken Anstieg des Entladestroms die Spannung an der Entladungsstrecke für sehr kurze Zeit (von mehreren Mikrosekunden bis zu mehreren hundert Mikrosekunden) unter die Löschspannung der Funkenentladung, was zur Beendigung von führt die Entladung. Dann steigt die Potentialdifferenz zwischen den Elektroden wieder an, erreicht die Zündspannung und der Vorgang wiederholt sich. In anderen Fällen, wenn die Leistung der Energiequelle ausreichend groß ist, werden auch alle für diese Entladung charakteristischen Phänomene beobachtet, es handelt sich jedoch nur um einen vorübergehenden Prozess, der zur Entstehung einer Entladung anderer Art führt – meistens eines Lichtbogens eins.

Die Natur [ | ]

Eine Funkenentladung ist eine Ansammlung heller, schnell verschwindender oder sich gegenseitig ersetzender fadenförmiger, oft stark verzweigter Streifen. Diese Kanäle sind mit Plasma gefüllt, das bei einer starken Funkenentladung nicht nur Ionen des Quellgases, sondern auch Ionen der Elektrodensubstanz enthält, die unter Einwirkung der Entladung intensiv verdampft. Der Mechanismus der Bildung von Funkenkanälen (und damit das Auftreten einer Funkenentladung) wird durch die Streamer-Theorie des elektrischen Durchschlags von Gasen erklärt. Nach dieser Theorie entstehen aus Elektronenlawinen, die im elektrischen Feld der Entladungsstrecke entstehen, unter bestimmten Bedingungen Streamer- schwach leuchtende dünne verzweigte Kanäle, die ionisierte Gasatome und von ihnen abgespaltene freie Elektronen enthalten. Unter ihnen können wir die sogenannten hervorheben Führer- eine schwach leuchtende Entladung, die den Weg für die Hauptentladung „ebnet“. Beim Übergang von einer Elektrode zur anderen schließt es die Entladungsstrecke und verbindet die Elektroden mit einem durchgehenden leitenden Kanal. Dann in umgekehrte Richtung Die Hauptentladung verläuft entlang des gelegten Weges, begleitet von einem starken Anstieg der Stromstärke und der darin freigesetzten Energiemenge. Jeder Kanal dehnt sich schnell aus, was an seinen Grenzen zu einer Schockwelle führt. Die Kombination von Stoßwellen aus den sich ausdehnenden Funkenkanälen erzeugt ein Geräusch, das als „Knall“ eines Funkens wahrgenommen wird (im Falle eines Blitzes Donner).

Die Zündspannung einer Funkenentladung ist meist recht hoch. Die elektrische Feldstärke im Funken sinkt von mehreren zehn Kilovolt pro Zentimeter (kV/cm) im Moment des Durchschlags auf etwa 100 V/cm nach wenigen Mikrosekunden. Der maximale Strom bei einer starken Funkenentladung kann Werte in der Größenordnung von mehreren hundert Kiloampere erreichen.

Eine besondere Art der Funkenentladung - Gleitfunkenentladung, die entlang der Grenzfläche zwischen einem Gas und einem festen Dielektrikum zwischen den Elektroden auftritt, vorausgesetzt, dass die Feldstärke die Durchschlagsstärke von Luft übersteigt. Bereiche einer Gleitfunkenentladung, in denen Ladungen eines Vorzeichens vorherrschen, induzieren Ladungen eines anderen Vorzeichens auf der Oberfläche des Dielektrikums, wodurch sich Funkenkanäle entlang der Oberfläche des Dielektrikums ausbreiten und die sogenannten Lichtenberg-Figuren bilden .

Auch für eine Büschelentladung, die eine Übergangsstufe dazwischen darstellt, sind Vorgänge charakteristisch, die denen einer Funkenentladung ähneln

Funkenentladung. Bei einer ausreichend hohen Feldstärke von etwa 3 MVm entsteht zwischen den Elektroden ein elektrischer Funke, der wie ein hell leuchtender, gewundener Kanal aussieht, der beide Elektroden verbindet.

Das Gas in der Nähe des Funkens erwärmt sich auf hohe Temperatur und dehnt sich plötzlich aus, wodurch Schallwellen entstehen und wir ein charakteristisches Knacken hören. Die beschriebene Form der Gasentladung wird Funkenentladung oder Gasfunkendurchschlag genannt. Bei einer Funkenentladung verliert das Gas plötzlich seine dielektrischen Eigenschaften und wird zu einem guten Leiter.

Die Feldstärke, bei der ein Gasfunkendurchschlag auftritt, hat andere Bedeutung für verschiedene Gase und hängt von deren Druck- und Temperaturzustand ab. Je größer der Abstand zwischen den Elektroden ist, desto größer ist die Spannung zwischen ihnen, damit es zum Funkendurchschlag des Gases kommt. Diese Spannung wird Durchbruchspannung genannt.

Zu wissen, wie die Durchbruchspannung vom Abstand zwischen den Elektroden abhängt eine bestimmte Form, kann die unbekannte Spannung aus der maximalen Funkenlänge gemessen werden. Darauf basiert das Gerät eines Funkenvoltmeters für große Hochspannungen. Es besteht aus zwei Metallkugeln, die auf den Ständern 1 und 2 montiert sind. Der zweite Ständer mit der Kugel kann mithilfe einer Schraube näher oder weiter von der ersten entfernt werden. Die Kugeln werden an eine Stromquelle angeschlossen, deren Spannung gemessen werden muss, und zusammengeführt, bis ein Funke entsteht.

Indem Sie den Abstand mithilfe einer Skala am Stativ messen, können Sie die Spannung entlang der Länge des Funkens grob abschätzen. Beispielsweise beträgt die Durchbruchspannung bei einem Kugeldurchmesser von 5 cm und einem Abstand von 0,5 cm 17,5 kV , und im Abstand von 5 cm 100 kV. Das Auftreten eines Zusammenbruchs wird wie folgt erklärt: In einem Gas gibt es immer eine bestimmte Anzahl von Ionen und Elektronen, die aus zufälligen Gründen entstehen. Allerdings ist ihre Zahl so gering, dass das Gas praktisch keinen Strom leitet. Bei einer ausreichend hohen Feldstärke kann die kinetische Energie, die das Ion in der Zeit zwischen zwei Kollisionen akkumuliert, ausreichen, um bei der Kollision ein neutrales Molekül zu ionisieren.

Dadurch entsteht ein neues negatives Elektron und ein positiv geladener Ionenrest. Wenn das freie Elektron 1 mit einem neutralen Molekül kollidiert, spaltet es es in Elektron 2 und ein freies positives Ion. Die Elektronen 1 und 2 spalten diese bei weiterer Kollision mit neutralen Molekülen wieder in die Elektronen 3 und 4 und freie positive Ionen usw. auf. Dieser Ionisationsprozess wird Stoßionisation genannt, und die Arbeit, die aufgewendet werden muss, um ein Elektron aus einem Atom zu entfernen, wird Ionisationsarbeit genannt.

Die Ionisationsarbeit hängt von der Struktur des Atoms ab und ist daher für verschiedene Gase unterschiedlich. Unter dem Einfluss der Stoßionisation gebildete Elektronen und Ionen erhöhen die Ladungszahl im Gas, geraten wiederum unter dem Einfluss eines elektrischen Feldes in Bewegung und können eine Stoßionisation neuer Atome bewirken.

Dadurch verstärkt sich der Prozess und die Ionisierung im Gas erreicht schnell einen sehr großen Wert. Das Phänomen ist ähnlich Schneelawine Daher wurde dieser Vorgang als Ionenlawine bezeichnet. Die Bildung einer Ionenlawine ist der Prozess des Funkendurchbruchs, und die Mindestspannung, bei der eine Ionenlawine auftritt, ist die Durchbruchspannung. Bei einem Funkendurchschlag ist die Ursache der Gasionisation also die Zerstörung von Atomen und Molekülen bei Kollisionen mit Ionen – Stoßionisation. 2.2.3. Lichtbogen Wenn nach der Zündung der Funkenentladung der Widerstand des Stromkreises allmählich abnimmt, erhöht sich die Stromstärke im Funken.

Wenn der Widerstand des Stromkreises ausreichend niedrig wird, kommt es zu einer neuen Form der Gasentladung, der sogenannten Bogenentladung. In diesem Fall steigt der Strom stark an und die Spannung an der Entladungsstrecke sinkt auf mehrere zehn Volt. Dies zeigt, dass in der Entladung neue Prozesse entstehen, die dem Gas eine sehr hohe Leitfähigkeit verleihen.

Derzeit wird ein Lichtbogen am häufigsten zwischen speziellen Kohlenstoffelektroden erzeugt. Der heißeste Punkt des Lichtbogens ist die Vertiefung, die sich auf der positiven Elektrode bildet und als Lichtbogenkrater bezeichnet wird. Seine Temperatur beträgt 4000 K und bei einem Druck von 20 atm übersteigt er 7000 K. Eine Bogenentladung tritt immer dann auf, wenn aufgrund der Erwärmung der Kathode thermionische Emission zur Hauptursache der Gasionisation wird. Bei einer Glimmentladung beispielsweise verursachen positive Ionen, die die Kathode bombardieren, nicht nur die Emission von Sekundärelektronen, sondern erwärmen auch die Kathode.

Wenn Sie also den Strom bei einer Glimmentladung erhöhen, steigt die Temperatur der Kathode, und wenn sie einen solchen Wert erreicht, dass eine spürbare thermionische Emission einsetzt, verwandelt sich die Glimmentladung in einen Lichtbogen. In diesem Fall verschwindet auch der Abfall des Kathodenpotentials. Der Lichtbogen ist eine leistungsstarke Lichtquelle und wird häufig in Projektions-, Flutlicht- und anderen Installationen eingesetzt. Der spezifische Stromverbrauch ist geringer als der von Glühlampen.

Als Lichtquellen kommen auch Hochdruckbogenlampen zum Einsatz. Der Lichtbogen wird durch eine Entladung einer Hochspannungsquelle mithilfe einer dritten Elektrode gezündet. Aufgrund der hohen Temperatur des Lichtbogens wird er zum Schweißen und Schneiden von Metallen verwendet. Autoelektronische Lichtbögen mit einer Quecksilberkathode werden zur Gleichrichtung von elektrischem Wechselstrom verwendet. 2.2.4. Koronaentladung Die so genannte Entladung wird bei relativ hohen Gasdrücken in einem stark inhomogenen Feld beobachtet. Um eine signifikante Feldinhomogenität zu erreichen, müssen die Elektroden eine sehr ungleiche Oberfläche haben, das heißt, eine sehr groß, die andere sehr klein.

Die elektrischen Feldstärkelinien werden dichter, wenn sie sich dem Draht nähern, und daher nimmt die Feldstärke in der Nähe des Drahtes zu Höchster Wert. Wenn sie ungefähr 3106 Vm erreicht, wird eine Entladung zwischen dem Draht und dem Zylinder gezündet und es entsteht ein Strom im Stromkreis. In diesem Fall entsteht in der Nähe des Drahtes ein Glühen, das die Form einer Hülle oder Krone hat, die den Draht umgibt, woher auch der Name der Entladung stammt.

Es kommt zu einer Koronaentladung, als ob negatives Potenzial Auf dem Draht herrscht eine negative Korona, und bei einer positiven Korona gibt es eine positive Korona, ebenso wie bei einer Wechselspannung zwischen Draht und Zylinder. Mit zunehmender Spannung zwischen Draht und Zylinder steigt auch der Strom in der Koronaentladung. Gleichzeitig nimmt die Dicke der Leuchtschicht der Korona zu. Die Prozesse innerhalb der Korona laufen auf Folgendes hinaus: Ist der Draht negativ geladen, werden bei Erreichen der Durchbruchspannung Elektronenlawinen an der Oberfläche des Drahtes erzeugt, die sich vom Draht zum Zylinder ausbreiten.

Bei einer positiven Korona entstehen Elektronenlawinen an der Außenfläche der Korona und bewegen sich in Richtung Draht. Koronaentladungen treten nicht nur in der Nähe von Drähten auf, sondern auch in der Nähe von Leitern mit geringer Oberfläche. Die Krone erscheint auch in der Natur unter dem Einfluss des atmosphärischen elektrischen Feldes und erscheint auf Baumwipfeln, Schiffsmasten usw. 3.

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7. Funkenentladung

Eine Funkenentladung verläuft im Gegensatz zu anderen Entladungsarten auch bei Verwendung einer Konstantspannungsquelle intermittierend. Von Aussehen Eine Funkenentladung besteht aus einer Ansammlung heller Zickzackstreifen, die sich ständig gegenseitig ersetzen. Von beiden Elektroden breiten sich leuchtende Streifen – Funkenkanäle – aus. Die Entladungsstrecke bei einem Funken ist ungleichmäßig, so dass eine quantitative Untersuchung der Vorgänge bei einer Funkenentladung schwierig ist. Eine der wichtigsten Methoden zur Untersuchung von Funkenentladungen ist die Fotografie.

Das Zündpotential einer Funkenentladung ist sehr hoch. Wenn die Lücke jedoch bereits durchbrochen ist, nimmt ihr Widerstand stark ab und es fließt ein erheblicher Strom durch die Lücke. Wenn die Quellenleistung niedrig ist, erlischt die Entladung. Danach steigt die Spannung an der Entladungsstrecke wieder an und die Entladung kann erneut gezündet werden. Dieser Vorgang wird als Relaxationsschwingungen der Entladung bezeichnet. Bei einer großen Kapazität der Entladungsstrecke leuchten die Funkenkanäle hell und erwecken den Eindruck breiter Streifen. Dabei handelt es sich um eine kondensierte Funkenentladung.

Befindet sich zwischen den Elektroden ein Hindernis, bricht der Funke durch und bildet ein mehr oder weniger schmales Loch. Es wurde festgestellt, dass die Gastemperatur im Funkenkanal auf sehr hohe Werte (10000-12000 K) ansteigen kann. Die Bildung von Hochdruckgebieten und deren Bewegung im Gas sind explosiver Natur und werden von Geräuscheffekten begleitet. Dabei kann es sich um ein leichtes Knistern (bei leichtem Überdruck) oder Donner handeln.

Eine besondere Art der Funkenentladung ist eine Gleitentladung, die entlang der Grenzfläche zwischen einem festen Dielektrikum und einem Gas um eine Metallelektrode (Spitze) herum auftritt, die diese Oberfläche berührt. Wenn Sie als Dielektrikum eine Fotoplatte verwenden, können Sie dieses Bild für das Auge sichtbar machen. Die durch eine Funkenentladung auf der Oberfläche eines Dielektrikums entstehenden Formen werden Lichtenberg-Figuren genannt. Lichtenberg-Figuren können zur Bestimmung der Polarität der Entladung und zur Bestimmung der Hochspannung dienen, da die maximale Spannung des Entladungsimpulses direkt proportional zum Radius der von der Figur eingenommenen Fläche ist. Auf diesem Prinzip basieren Instrumente zur Messung sehr hoher Spannungen – Klinodographen. Wenn der Abstand zwischen den Elektroden gering ist, geht die Funkenentladung mit einer Zerstörung der Anode einher – Erosion. Dieser Effekt wird beim Punktschweißen und Schneiden von Metallen genutzt.

Basierend auf zahlreichen Beobachtungen der Funkenentladung stellten Mick und unabhängig von ihm Rether 1940 eine Theorie der Funkenentladung auf, die Streamer-Theorie genannt wurde. Ein Streamer ist ein Gasbereich mit einem hohen Ionisierungsgrad, der sich zur Kathode (positiver Streamer) oder zur Anode (negativer Streamer) ausbreitet. Die Streamer-Theorie ist eine Theorie des Zusammenbruchs einzelner Lawinen. Nach dieser Theorie bewegt sich eine Elektronenlawine zwischen den Elektroden. Nachdem die Lawine vorbei ist, fallen Elektronen auf die Anode und positive Ionen mit deutlich geringerer Geschwindigkeit bilden einen kegelförmigen ionisierten Raum. Die Ionendichte in diesem Raum reicht für einen Durchschlag nicht aus. Unter dem Einfluss von Photoelektronen kommt es jedoch zu weiteren Lawinen. Diese Lawinen bewegen sich auf den Rumpf der Hauptlawine zu, wenn ihr Raumladungsfeld mit der angelegten Spannung übereinstimmt. Dadurch nimmt die Raumladung kontinuierlich zu und der Prozess entwickelt sich zu einem sich selbst ausbreitenden Streamer. Wenn die an die Entladungsstrecke angelegte Spannung den minimalen Durchbruchwert überschreitet, entspricht das durch die Lawine erzeugte Raumladungsfeld der Größe des externen Feldes, noch bevor die Lawine die Anode erreicht. In diesem Fall erscheinen Streamer in der Mitte der Lücke. Für die Entstehung eines Streamers müssen also zwei Grundvoraussetzungen erfüllt sein: 1) Das Lawinenfeld und das durch die an den Elektroden angelegte Spannung erzeugte Feld müssen in einem bestimmten Verhältnis stehen und 2) die Lawinenfront muss eine ausreichende Anzahl von Strahlung aussenden Photonen zur Aufrechterhaltung und Entwicklung des Streamers.

Bei hoher Quellenleistung geht die Funkenentladung in eine Bogenentladung über. Zu den Funkenentladungen gehören auch Blitze. In diesem Fall ist eine Elektrode die Wolke und die andere der Boden. Die Spannung im Blitz erreicht Millionen Volt und der Strom Hunderte von Kiloampere. Die vom Blitz übertragene Ladung beträgt normalerweise 10–30 Coulomb und erreicht in einigen Fällen 300 Coulomb.

Wenn Sie die Spannung zwischen zwei Elektroden schrittweise erhöhen atmosphärische Luft und eine solche Form haben, dass das elektrische Feld zwischen ihnen nicht zu sehr von einem gleichmäßigen abweicht (z. B. zwei flache Elektroden mit abgerundeten Kanten oder zwei ausreichend große Kugeln), dann entsteht bei einer bestimmten Spannung ein elektrischer Funke. Es sieht aus wie ein hell leuchtender Kanal, der beide Elektroden verbindet und meist komplex gekrümmt und verzweigt ist (siehe Anhang 1.2).

Ein elektrischer Funke entsteht, wenn das elektrische Feld in einem Gas einen bestimmten Wert erreicht E Zu(kritische Feldstärke oder Durchschlagsstärke), die von der Art des Gases und seinem Zustand abhängt. Für Luft bei normale Bedingungen E Zu 3*10 6 V/m. Je größer der Abstand zwischen den Elektroden ist, desto größer ist die Spannung zwischen ihnen, damit es zum Funkendurchschlag des Gases kommt. Diese Spannung wird Durchbruchspannung genannt.

Das Auftreten eines Zusammenbruchs wird wie folgt erklärt: In einem Gas gibt es immer eine bestimmte Anzahl von Ionen und Elektronen, die aus zufälligen Gründen entstehen. Allerdings ist ihre Zahl so gering, dass das Gas praktisch keinen Strom leitet. Bei einer ausreichend hohen Feldstärke kann die kinetische Energie, die das Ion in der Zeit zwischen zwei Kollisionen akkumuliert, ausreichen, um bei der Kollision ein neutrales Molekül zu ionisieren. Dadurch entstehen ein neues negatives Elektron und ein positiv geladener Rest – ein Ion.

Wenn das freie Elektron 1 mit einem neutralen Molekül kollidiert, spaltet es es in Elektron 2 und ein freies positives Ion. Die Elektronen 1 und 2 spalten diese bei weiterer Kollision mit neutralen Molekülen wieder in die Elektronen 3 und 4 und freie positive Ionen usw. auf (Abb. 3.2.1).

Dieser Ionisationsprozess wird Stoßionisation genannt Ionisation, und die Arbeit, die aufgewendet werden muss, um ein Elektron aus einem Atom zu entfernen, ist die Arbeit der Ionisation. Die Ionisationsarbeit hängt von der Struktur des Atoms ab und ist daher für verschiedene Gase unterschiedlich.

Unter dem Einfluss der Stoßionisation gebildete Elektronen und Ionen erhöhen die Ladungszahl im Gas, geraten wiederum unter dem Einfluss eines elektrischen Feldes in Bewegung und können eine Stoßionisation neuer Atome bewirken. Dadurch verstärkt sich der Prozess und die Ionisierung im Gas erreicht schnell einen sehr großen Wert. Das Phänomen ähnelt einer Schneelawine, daher wurde dieser Prozess als ionisch bezeichnet eine Lawine.

Die Bildung einer Ionenlawine ist der Prozess des Funkendurchbruchs, und die Mindestspannung, bei der eine Ionenlawine auftritt, ist die Durchbruchspannung.

Bei einem Funkendurchschlag ist die Ursache der Gasionisation also die Zerstörung von Atomen und Molekülen beim Zusammenstoß mit Ionen (Stoßionisation). Größe E Zu nimmt mit steigendem Druck zu. Verhältnis der kritischen Feldstärke zum Gasdruck R für ein gegebenes Gas bleibt über einen weiten Bereich von Druckänderungen annähernd konstant:

Dieses Gesetz ermöglicht es, Ek bei verschiedenen Drücken zu bestimmen, wenn sein Wert bei einem beliebigen Druck bekannt ist.

Die Durchbruchspannung nimmt ab, wenn das Gas einem externen Ionisator ausgesetzt wird. Legt man an den Gasspalt eine Spannung an, die geringfügig unter der Durchbruchspannung liegt, und bringt einen brennenden Gasbrenner in den Raum zwischen den Elektroden, entsteht ein Funke. Die Beleuchtung der negativen Elektrode mit ultraviolettem Licht sowie anderen Ionisatoren hat den gleichen Effekt.

Um die Funkenentladung zu erklären, schien es zunächst naheliegend anzunehmen, dass die Hauptprozesse im Funken die Ionisierung durch Elektronenstöße im Volumen und die Ionisierung durch positive Ionen (im Volumen oder an der Kathode) sind. Später stellte sich jedoch heraus, dass diese Prozesse viele Merkmale der Funkenbildung nicht erklären können. Betrachten wir als Beispiel die Entwicklungsgeschwindigkeit der Funkenladung. Wenn die Ionisierung durch positive Ionen eine wesentliche Rolle beim Funken spielen würde, dann würde die Zeit der Entwicklung des Funkens mindestens in der gleichen Größenordnung liegen wie die Zeit der Bewegung positiver Ionen von der Anode zur Kathode. Diese Zeit lässt sich leicht abschätzen – sie beträgt etwa 10 –4 – 10 –5 s. Mittlerweile zeigt die Erfahrung, dass die Entwicklungszeit um mehrere Größenordnungen kürzer ist.

Eine Erklärung für die hohe Entwicklungsgeschwindigkeit des Funkens sowie für andere Merkmale dieser Form der Entladung liefert die sogenannte Streamer-Theorie des Funkens, die derzeit durch direkte experimentelle Daten untermauert wird. Nach dieser Theorie geht dem Auftreten eines hell leuchtenden Funkenkanals das Auftreten schwach leuchtender Ansammlungen ionisierter Teilchen voraus ( Streamer ). Beim Durchdringen der Gasentladungsstrecke bilden Streamer leitende Brücken, entlang derer starke Elektronenströme in die nachfolgenden Stufen der Entladung strömen. Ursache für das Auftreten von Streamern ist nicht nur die Bildung von Elektronenlawinen durch Stoßionisation, sondern auch die Ionisation des Gases durch die bei der Entladung selbst entstehende Strahlung (Photoionisation).

Das Streamer-Entwicklungsdiagramm ist in Abb. dargestellt. 3.2.2.

Diese Abbildung zeigt in Form von Kegeln Elektronenlawinen, die an den Spitzen der Kegel entstehen und sich von der Kathode zur Anode ausbreiten. Wesentlich bei diesem Schema ist die Tatsache, dass zusätzlich zu der ersten Elektronenlawine, die direkt an der Kathode entstand, neue Lawinen an Punkten entstehen, die weit vor dem Kopf der ersten Lawine liegen. Diese neuen Lawinen entstehen durch das Auftreten von Elektronen im Gasvolumen infolge der Photoionisierung durch Strahlung früher entstandener Lawinen (in der Abbildung ist diese Strahlung schematisch in Form von Wellenlinien dargestellt). Während ihrer Entwicklung holen einzelne Lawinen einander auf und verschmelzen miteinander, sodass eine gut leitende Streamerrinne entsteht. Aus dem obigen Diagramm ist ersichtlich, dass aufgrund des Auftretens vieler Lawinen gemeinsamer Weg Die vom Streamer zurückgelegte CD ist viel größer als die von einer anfänglichen Lawine zurückgelegte Strecke AB (der Unterschied in den Längen von AB und CD ist tatsächlich viel größer als in Abb. 3.2.2 dargestellt).

Aufgrund der Freisetzung großer Energiemengen bei den betrachteten Prozessen erhitzt sich das Gas in der Funkenstrecke auf bis zu 10.000 °C, was zu seinem Glühen führt. Die schnelle Erwärmung des Gases führt zu einem Druckanstieg auf 10 7 10 8 Pa und zum Auftreten von Stoßwellen, die die Geräuscheffekte bei einer Funkenentladung erklären – ein charakteristisches Knistern bei schwachen Entladungen und kräftiges Donnergrollen in der Fall eines Blitzes, der ein Beispiel für eine starke Funkenentladung zwischen einer Gewitterwolke und am Boden oder zwischen zwei Gewitterwolken ist.

Eine Funkenentladung dient zur Zündung eines brennbaren Gemisches in Verbrennungsmotoren. Bei kurzer Entladungsstrecke führt die Funkenentladung zu einer gezielten Zerstörung der Anode, der sogenannten Erosion. Dieses Phänomen wurde bei der elektrischen Funkenmethode zum Schneiden, Bohren und anderen Arten der Präzisionsmetallbearbeitung genutzt. Es wird in der Spektralanalyse zur Registrierung geladener Teilchen (Funkenzähler) eingesetzt.

Die Funkenstrecke wird als Überspannungsschutz (Funkenstrecke) eingesetzt elektrische LeitungenÜbertragungen (zum Beispiel in Telefonleitungen). Fließt in der Nähe einer Leitung kurzzeitig ein starker Strom, so werden in den Leitungen dieser Leitung Spannungen und Ströme induziert, die die Elektroinstallation zerstören und lebensgefährlich sein können.

Um dies zu vermeiden, werden spezielle Sicherungen verwendet, die aus zwei gebogenen Elektroden bestehen, von denen eine mit der Leitung verbunden und die andere geerdet ist. Steigt das Potential der Leitung gegenüber der Erde stark an, kommt es zwischen den Elektroden zu einer Funkenentladung, die zusammen mit der von ihr erwärmten Luft aufsteigt, sich verlängert und abbricht.

Abschließend werden mithilfe eines elektrischen Funkens große Potentialdifferenzen mithilfe eines Kugelspalts gemessen, dessen Elektroden zwei auf den Ständern 1 und 2 montierte Metallkugeln sind. Der zweite Ständer mit der Kugel kann mithilfe einer Schraube näher an den ersten heran- oder von diesem weg bewegt werden . Die Kugeln werden an eine Stromquelle angeschlossen, deren Spannung gemessen werden muss, und zusammengeführt, bis ein Funke entsteht. Durch Messen des Abstands mithilfe der Skala am Ständer können Sie die Spannung entlang der Länge des Funkens grob abschätzen (Beispiel: Bei einem Kugeldurchmesser von 5 cm und einem Abstand von 0,5 cm beträgt die Durchbruchspannung 17,5 kV, und mit einem Abstand von 5 cm - 100 kV). Mit dieser Methode können Potenzialunterschiede in der Größenordnung von mehreren zehntausend Volt mit einer Genauigkeit von wenigen Prozent gemessen werden.

Konzept einer Funkenentladung Diese Entladung zeichnet sich durch eine intermittierende Form aus. Es tritt normalerweise in Gasen bei Drücken in der Größenordnung des Atmosphärendrucks auf. In Natur natürliche Bedingungen Eine Funkenentladung wird in Form eines Blitzes beobachtet. Äußerlich ist eine Funkenentladung ein Bündel heller, zickzackförmig verzweigter dünner Streifen, die sofort in die Entladungsstrecke eindringen, schnell erlöschen und sich ständig gegenseitig ersetzen. Diese Streifen werden Funkenkanäle genannt. Die von der positiven Elektrode ausgehenden Kanäle haben klare fadenförmige Umrisse, während die von der negativen Elektrode ausgehenden Kanäle diffuse Kanten und feinere Verzweigungen aufweisen.

Weil Da bei hohen Gasdrücken eine Funkenentladung auftritt, ist die Zündgefahr sehr hoch. Nachdem die Entladungsstrecke jedoch zu einem „Funken“-Kanal geworden ist, wird der Widerstand der Lücke sehr klein und ein kurzfristiger Stromimpuls fließt durch den Kanal große Stärke, wobei pro Entladungsstrecke nur ein geringer Widerstand vorhanden ist. Wenn die Quellenleistung nicht sehr hoch ist, stoppt die Entladung nach einem solchen Stromimpuls. Die Spannung zwischen den Elektroden beginnt auf ihren vorherigen Wert anzusteigen und der Gasdurchschlag wiederholt sich unter Bildung eines neuen Funkenkanals. Ein elektrischer Funke entsteht, wenn das elektrische Feld in einem Gas einen bestimmten spezifischen Wert Ek (kritische Feldstärke oder Durchschlagsstärke) erreicht, der von der Art des Gases und seinem Zustand abhängt. Beispielsweise beträgt für Luft unter Normalbedingungen Ek3 * 106 V/m. Der Wert von Ek steigt mit zunehmendem Druck. Das Verhältnis der kritischen Feldstärke zum Gasdruck p bleibt für ein gegebenes Gas über einen weiten Bereich von Druckänderungen ungefähr: Ek/pconst.

Je größer die Kapazität C zwischen den Elektroden ist, desto länger ist die Spannungsanstiegszeit. Daher verlängert das Einschalten eines Kondensators parallel zur Entladungsstrecke die Zeit zwischen zwei aufeinanderfolgenden Funken und die Funken selbst werden stärker. Eine große elektrische Ladung fließt durch den Funkenkanal und daher nehmen Amplitude und Dauer des Stromimpulses zu. Bei einer großen Kapazität C leuchtet der Funkenkanal hell und sieht aus wie breite Streifen. Das Gleiche passiert, wenn die Leistung der Stromquelle steigt. Dann spricht man von einer kondensierten Funkenentladung oder einem kondensierten Funken. Die maximale Stromstärke in einem Impuls während einer Funkenentladung variiert stark, abhängig von den Parametern des Entladekreises und den Bedingungen in der Entladungsstrecke, und erreicht mehrere hundert Kiloampere. Bei weiterer Erhöhung der Quellenleistung geht die Funkenentladung in eine Bogenentladung über. Durch den Durchgang eines Stromimpulses durch den Funkenkanal wird im Kanal ein Funke freigesetzt große Menge Energie (ca. 0,1 - 1 J pro Zentimeter Kanallänge). Die Energiefreisetzung ist mit einem abrupten Druckanstieg im umgebenden Gas verbunden – der Bildung einer zylindrischen Stoßwelle, deren Temperatur an der Vorderseite etwa 104 K beträgt.

Es kommt zu einer schnellen Ausdehnung des Funkenkanals mit einer Geschwindigkeit in der Größenordnung der thermischen Geschwindigkeit von Gasatomen. Während die Stoßwelle voranschreitet, beginnt die Temperatur an ihrer Front zu sinken und die Front selbst entfernt sich von der Kanalgrenze. Das Auftreten von Stoßwellen wird durch die Geräuscheffekte erklärt, die eine Funkenentladung begleiten: ein charakteristisches Knistern bei schwachen Entladungen und kräftiges Grollen bei Blitzen. Wenn der Kanal vorhanden ist, insbesondere bei hohen Drücken, ist ein helleres Leuchten der Funkenentladung zu beobachten. Die Helligkeit des Glühens ist über den Querschnitt des Kanals ungleichmäßig und hat in der Mitte ein Maximum.

Mechanismus der Funkenentladung Derzeit ist die sogenannte Streamer-Theorie der Funkenentladung allgemein anerkannt, die durch direkte Experimente bestätigt wird. Qualitativ erklärt es die Hauptmerkmale einer Funkenentladung, quantitativ kann es jedoch nicht als vollständig angesehen werden. Wenn in der Nähe der Kathode eine Elektronenlawine entsteht, kommt es auf ihrem Weg zu einer Ionisierung und Anregung von Gasmolekülen und Atomen. Wichtig ist, dass die von angeregten Atomen und Molekülen emittierten Lichtquanten, die sich mit Lichtgeschwindigkeit zur Anode ausbreiten, selbst eine Ionisierung des Gases bewirken und die ersten Elektronenlawinen auslösen.

Freie Elektronen erfahren in einem solchen Feld enorme Beschleunigungen. Diese Beschleunigungen sind nach unten gerichtet, da der untere Teil der Wolke negativ und die Erdoberfläche positiv geladen ist. Auf dem Weg von der ersten Kollision zur nächsten nehmen Elektronen an Bedeutung zu kinetische Energie. Wenn sie daher mit Atomen oder Molekülen kollidieren, ionisieren sie diese. Dadurch entstehen neue (Sekundär-)Elektronen, die wiederum im Feld der Wolke beschleunigt werden und dann bei Stößen neue Atome und Moleküle ionisieren. Es entstehen ganze Lawinen schneller Elektronen, die ganz unten Wolken bilden, Plasma-„Fäden“ – einen Streamer. Durch die Verschmelzung der Streamer entsteht ein Plasmakanal, durch den anschließend der Hauptstromimpuls fließt. Dieser Plasmakanal, der sich vom „Boden“ der Wolke zur Erdoberfläche entwickelt, ist mit freien Elektronen und Ionen gefüllt und kann daher elektrischen Strom gut leiten. Er wird Anführer genannt, genauer gesagt Stufenführer. Tatsache ist, dass der Kanal nicht glatt, sondern in Sprüngen – „Schritten“ – geformt ist.

Warum es in der Bewegung des Anführers zu Pausen kommt, und zwar relativ regelmäßig, ist nicht sicher bekannt. Es gibt mehrere Theorien über Stufenführer. Im Jahr 1938 schlug Schonland zwei mögliche Erklärungen für die Verzögerung vor, die die stufenartige Natur des Anführers verursacht. Einer von ihnen zufolge sollten sich Elektronen durch den Kanal des führenden Streamers (Piloten) bewegen. Einige Elektronen werden jedoch von Atomen und positiv geladenen Ionen eingefangen, sodass es einige Zeit dauert, bis neue vorrückende Elektronen eintreffen, bevor ein ausreichender Potentialgradient vorhanden ist, damit der Strom weiter fließen kann.

Einer anderen Sichtweise zufolge benötigen positiv geladene Ionen Zeit, um sich unter dem Kopf des Führungskanals anzusammeln und so einen ausreichenden Potentialgradienten darüber zu erzeugen. Im Jahr 1944 schlug Bruce eine andere Erklärung vor, die auf der Entwicklung einer Glimmentladung zu einer Bogenentladung beruhte. Er betrachtete eine „Koronaentladung“, ähnlich einer Spitzenentladung, die rund um den Führungskanal existierte, nicht nur am Kopf des Kanals, sondern über seine gesamte Länge. Er erklärte, dass die Bedingungen für die Existenz Bogenentladung wird sich für einige Zeit etablieren, nachdem sich der Kanal über eine bestimmte Distanz entwickelt hat und daher Stufen entstanden sind. Dieses Phänomen ist noch nicht vollständig untersucht und es gibt noch keine spezifische Theorie.

Es gibt also Blitze. Blitze und Donner wurden von den Menschen zunächst als Ausdruck des Willens der Götter und insbesondere als Manifestation des Zorns Gottes wahrgenommen. Gleichzeitig versucht der neugierige menschliche Geist seit langem, die Natur von Blitz und Donner zu verstehen und ihre natürlichen Ursachen zu verstehen. In der Antike dachte Aristoteles darüber nach. Lucretius dachte über die Natur des Blitzes nach. Seine Versuche, den Donner als Folge der Tatsache zu erklären, dass „Wolken dort unter dem Druck der Winde zusammenstoßen“, erscheinen sehr naiv.

Blitze sind eine natürliche Entladung großer Cluster elektrische Ladung in den unteren Schichten der Atmosphäre. Einer der ersten, der dies feststellte, war der amerikanische Staatsmann und Wissenschaftler B. Franklin. Im Jahr 1752 führte er ein Experiment mit einem Papierdrachen durch, an dessen Schnur ein Metallschlüssel befestigt war, und empfing während eines Gewitters Funken aus dem Schlüssel. Seitdem werden Blitze als interessantes Naturphänomen und aufgrund der schwerwiegenden Schäden an Stromleitungen, Häusern und anderen Bauwerken, die durch direkte Blitzeinschläge oder blitzinduzierte Spannungen verursacht werden, intensiv untersucht.

Arten von Blitzen Die meisten Blitze treten zwischen einer Wolke und einer Wolke auf Erdoberfläche Es gibt jedoch Blitze, die zwischen den Wolken auftreten. Alle diese Blitze werden üblicherweise als linear bezeichnet. Die Länge eines einzelnen linearen Blitzes kann in Kilometern gemessen werden. Eine andere Art von Blitz ist der Streifenblitz. In diesem Fall sieht das folgende Bild so aus, als würden mehrere nahezu identische lineare Blitze erscheinen, die relativ zueinander verschoben sind. Es wurde festgestellt, dass in manchen Fällen ein Blitz in mehrere Dutzend Meter lange einzelne leuchtende Bereiche zerfällt. Dieses Phänomen wird Perlenblitz genannt. Laut Malan wird diese Art von Blitz mit einer längeren Entladung erklärt, nach der das Leuchten an der Stelle heller zu sein scheint, an der sich der Kanal auf den Beobachter zubiegt, der ihn mit dem ihm zugewandten Ende beobachtet.

Physik linearer Blitze Lineare Blitze bestehen aus mehreren schnell aufeinanderfolgenden Impulsen. Jeder Impuls stellt eine Unterbrechung des Luftspalts zwischen der Wolke und dem Boden dar und erfolgt in Form einer Funkenentladung. Schauen wir uns zunächst den ersten Impuls an. Es gibt zwei Phasen seiner Entwicklung: Zuerst wird ein Entladungskanal zwischen der Wolke und dem Boden gebildet, und dann fließt der Hauptstromimpuls schnell durch den gebildeten Kanal.

Kugelblitz 1. Datum, Uhrzeit und Wetterbedingungen des Auftretens eines Kugelblitzes. – Beliebiges Datum und Uhrzeit. Der Höhepunkt der Beobachtungen liegt jedoch im Juli (45,4 % der Beobachtungen). Für andere Monate sieht die Statistik so aus: Mai – 6,4 %, Juni – 17,5 %, August – 20 %, September – 4,0 %, von Oktober bis April (insgesamt) – 6,7 %. – Alle Wetterbedingungen; am häufigsten werden Blitzeinschläge im Zusammenhang mit linearen Blitzentladungen bei Gewittern, Hurrikanen, Stürmen, Tornados, Schnee- oder Sandstürmen und Erdbeben beobachtet.

2. Die Beobachtungsdauer beträgt in der Regel nicht mehr als 1 Minute. 3. Farbe. In den meisten Fällen bemerken Beobachter die weiße (23 % der Beobachtungen), gelbe (23 %), rote (18 %), orange (14 %) Farbe von Kugelblitzen. Manchmal grün, blau, blau markiert, lila Farben oder eine Mischung aus Farben. 4. Manchmal sind die Bälle bewegungslos und bewegen sich reibungslos entlang einer komplexen Flugbahn, und manchmal bewegen sie sich ziemlich schnell. Sie können in der Luft schweben, auf Gebäuden platziert werden oder an Drähten oder Kanten von Gegenständen entlang rollen. 5. Sie können lautlos oder durch eine Explosion verschwinden und manchmal Dinge in der Umgebung beschädigen. Nach dem Verschwinden des CMM bleibt oft ein scharf riechender Dunst zurück. 6. Die Form des Balls kann klar definiert oder vage sein. 7. Manchmal meiden BLs gute Dirigenten, und manchmal fühlen sie sich zu ihnen hingezogen.

8. Bei der Beobachtung können BLs sowohl ruhig als auch funkelnd sein oder starkes Knistern und Zischen, leises Summen, Pfeifen und Zischen von sich geben. 9. Manchmal sind die BLs selbst in kleinere BLs unterteilt. Es gibt sogar Designs aus zwei BLs, die durch eine Kette aus leuchtenden Perlen verbunden sind. 10. Der Durchmesser des BL beträgt meistens 10 ÷ 25 cm, seltener mehr als 1 m. 11. Die Form ist meistens kugelförmig oder ovale Form, selten zigarrenförmig. Die Umrisse sind klar oder verschwommen. 11. Die Form ist meist kugelförmig oder oval, seltener zigarrenförmig. Die Umrisse sind klar oder verschwommen. 12. Die Helligkeit ist höher als die Hintergrundhelligkeit.