Электрические разряды в газах. Молния Опасность разрядов для здоровья человека

Разряд электрический* - Потеря электричества каким-либо наэлектризованным телом, т. е. Разряд электрический* этого тела, может происходить различными способами, вследствие чего и явления, сопровождающие Разряд электрический*, могут получаться по характеру весьма неодинаковые. Все разнообразные формы Разряд электрический* можно подразделить на три главнейших вида: Разряд электрический* в виде электрического тока, или Разряд электрический* проводящий, Разряд электрический* конвекционный и Разряд электрический* разрывной. Разряд электрический* в виде тока происходит тогда, когда наэлектризованное тело соединяется с землей или с другим телом, обладающим м, равным по количеству и противоположным по знаку с электричеством на разряжающемся теле, при посредстве проводников или даже изоляторов, но изоляторов, у которых покрыта слоем, проводящим электричество, напр. поверхность смочена или загрязнена. В этих случаях происходит полный Разряд электрический* данного тела, причем продолжительность этого Разряд электрический* обусловливается м и формой (см. ) проводников, чрез которые происходит Разряд электрический* Чем меньше сопротивление и самоиндукции проводников, тем быстрее происходит Разряд электрический* тела. Тело разряжается отчасти, т. е. его Разряд электрический* происходит неполный, когда оно соединяется проводниками с каким-либо другим телом, не наэлектризованным или наэлектризованным слабее, чем оно. В этих случаях тем большая часть электричества теряется телом, чем больше емкость того тела, которое присоединяется к нему при помощи проводников. Явления, сопровождающие Разряд электрический* в виде тока, качественно одинаковы с явлениями, которые вызываются электрическим током, возбуждаемым обыкновенными гальваническими элементами. Разряд электрический* конвенционный происходит в том случае, когда хорошо изолированное тело находится в среде жидкой или газообразной, содержащей в себе частицы, способные электризоваться и под влиянием электрических сил способные двигаться в этой среде. Разряд электрический* разрывной - это Разряд электрический* тела или в землю, или в другое тело, противоположно наэлектризованное, через среду, не проводящую электричество. Явление происходит так, как будто непроводящая среда уступает действию тех натяжений, которые возникают в ней под влиянием электризации тела, и предоставляет путь электричеству. Такой разрывной Разряд электрический* всегда сопровождается световыми явлениями и может происходить в различных формах. Но все эти формы разрывного Разряд электрический* можно подразделить на три категории: Разряд электрический* при помощи искры, Разряд электрический* при помощи кисти, Разряд электрический* сопровождающийся сиянием, или тихий P. Все эти Разряд электрический* имеют между собой сходство в том отношении, что, несмотря на малую продолжительность, каждый из них представляет совокупность нескольких Разряд электрический*, т. е. при этих Разряд электрический* тело теряет свое электричество не непрерывно, а перемежающимся образом. Разряд электрический* при помощи искры является в большинстве случаев колебательным (см. Колебательный Разряд электрический*). Разряд электрический* при помощи искры образуется тогда, когда к наэлектризованному телу, находящемуся в каком-либо газе немалой упругости или в жидкости, приближено достаточно близко другое тело, проводящее электричество и соединенное с землей или же наэлектризованное противоположно данному телу. Искра может образоваться и тогда, когда между такими двумя телами будет находиться слой какого-либо твердого изолятора. В этом случае искра пробивает этот слой, образуя в нем сквозное отверстие и трещины. Искра сопровождается всегда особым треском, происходящим от быстрого потрясения той среды, в которой она получается. Когда искра коротка, она имеет вид светлой прямолинейной черты. Толщина этой черты обусловливается м электричества, которое теряется наэлектризованным телом при помощи этой искры. По мере увеличения длины искры она становится тоньше и вместе с тем отклоняется от вида прямолинейной черты, принимает форму зигзагообразной линии, а затем, при дальнейшем удлинении, разветвляется и, наконец, переходит в форму кисти (табл., фиг. 1). При помощи вращающегося зеркала можно обнаружить, что появляющаяся искра состоит в действительности из целого ряда отдельных искорок, следующих одна за другой через некоторый времени. Длина образующейся искры, или так называемое разрядное расстояние, зависит от разности потенциалов тех тел, между которыми получается эта искра. Однако и при одной и той же разности потенциалов двух тел длина образующейся между ними искры изменяется несколько в зависимости от формы этих тел. Так, при данной разности потенциалов искра получается длиннее, когда она образуется между двумя дисками, чем в том случае, когда она должна проскочить между двумя шарами. Да и для различных шаров искра не одинаковой длины. Она тем длиннее, чем больше разнятся друг от друга по размерам два шара. При данной разности потенциалов получается наиболее короткая искра, т. е. получается наименьшее разрядное расстояние, в том случае, когда искра должна получиться между двумя шарами одинаковых размеров. Изменение упругости газа оказывает весьма большое влияние на величину разности потенциалов, необходимой для образования искры данной длины. С уменьшением упругости газа эта разность потенциалов также уменьшается. газа, в котором является искра, оказывает немалое влияние на величину необходимой разности потенциалов. При одной и той же длине искры и при одной и той же упругости газа эта разность потенциалов - наименьшая для водорода, она больше для воздуха и еще больше для угольной кислоты. Для получения искры в жидкости требуется разность потенциалов большая, чем для получения такой же искры в газе. Вещество тел, между которыми образуется искра, оказывает весьма малое влияние на разность потенциалов, нужную для возникновения искры. При малых длинах искры в воздухе или в другом каком-либо газе образующая искру разность потенциалов весьма близко пропорциональна длине искры. При больших длинах искры связь между длиною искры и необходимой для этого разностью потенциалов не так проста. В этом случае при возрастании разности потенциалов длина искры увеличивается быстре увеличения разности потенциалов. В следующей таблице содержатся данные для выражения длины искр и соответствующих им разностей потенциалов (искры образуются между двумя дисками, у одного поверхность мало выпуклая).

РАЗРЯД ЭЛЕКТРИЧЕСКИЙ.

Электрический разряд - Потеря электричества каким-либо наэлектризованным телом, т. е. Р. этого тела, может происходить различными способами, вследствие чего и явления, сопровождающие Р., могут получаться по характеру весьма неодинаковые. Все разнообразные формы Р. можно подразделить на три главнейших вида: Р. в виде электрического тока, или Р. проводящий, Р. конвекционный и Р. разрывной. Р. в виде тока происходит тогда, когда наэлектризованное тело соединяется с землей или с другим телом, обладающим электричеством, равным по количеству и противоположным по знаку с электричеством на разряжающемся теле, при посредстве проводников или даже изоляторов, но изоляторов, у которых поверхность покрыта слоем, проводящим электричество , напр. поверхность смочена или загрязнена. В этих случаях происходит полный Р. данного тела, причем продолжительность этого Р. обусловливается сопротивлением и формой (см. Самоиндукция) проводников, чрез которые происходит Р. Чем меньше сопротивление и коэффициент самоиндукции проводников, тем быстрее происходит Р. тела. Тело разряжается отчасти, т. е. его Р. происходит неполный, когда оно соединяется проводниками с каким-либо другим телом, не наэлектризованным или наэлектризованным слабее, чем оно. В этих случаях тем большая часть электричества теряется телом, чем больше емкость того тела, которое присоединяется к нему при помощи проводников. Явления, сопровождающие Р. в виде тока, качественно одинаковы с явлениями, которые вызываются электрическим током, возбуждаемым обыкновенными гальваническими элементами. Р. конвенционный происходит в том случае, когда хорошо изолированное тело находится в среде жидкой или газообразной, содержащей в себе частицы, способные электризоваться и под влиянием электрических сил способные двигаться в этой среде. Р. разрывной - это Р. тела или в землю, или в другое тело, противоположно наэлектризованное, через среду, не проводящую электричество. Явление происходит так, как будто непроводящая среда уступает действию тех натяжений, которые возникают в ней под влиянием электризации тела, и предоставляет путь электричеству. Такой разрывной Р. всегда сопровождается световыми явлениями и может происходить в различных формах. Но все эти формы разрывного Р. можно подразделить на три категории: Р. при помощи искры, Р. при помощи кисти, Р. сопровождающийся сиянием, или тихий P. Все эти Р. имеют между собой сходство в том отношении, что, несмотря на малую продолжительность, каждый из них представляет совокупность нескольких Р., т. е. при этих Р. тело теряет свое электричество не непрерывно, а перемежающимся образом. Р. при помощи искры является в большинстве случаев колебательным (см. Колебательный Р.). Р. при помощи искры образуется тогда, когда к наэлектризованному телу, находящемуся в каком-либо газе немалой упругости или в жидкости, приближено достаточно близко другое тело, проводящее электричество и соединенное с землей или же наэлектризованное противоположно данному телу. Искра может образоваться и тогда, когда между такими двумя телами будет находиться слой какого-либо твердого изолятора. В этом случае искра пробивает этот слой, образуя в нем сквозное отверстие и трещины. Искра сопровождается всегда особым треском, происходящим от быстрого потрясения той среды, в которой она получается. Когда искра коротка, она имеет вид светлой прямолинейной черты. Толщина этой черты обусловливается количеством электричества, которое теряется наэлектризованным телом при помощи этой искры. По мере увеличения длины искры она становится тоньше и вместе с тем отклоняется от вида прямолинейной черты, принимает форму зигзагообразной линии, а затем, при дальнейшем удлинении, разветвляется и, наконец, переходит в форму кисти (табл., фиг. 1). При помощи вращающегося зеркала можно обнаружить, что появляющаяся искра состоит в действительности из целого ряда отдельных искорок, следующих одна за другой через некоторый промежуток времени. Длина образующейся искры, или так называемое разрядное расстояние, зависит от разности потенциалов тех тел, между которыми получается эта искра. Однако и при одной и той же разности потенциалов двух тел длина образующейся между ними искры изменяется несколько в зависимости от формы этих тел. Так, при данной разности потенциалов искра получается длиннее, когда она образуется между двумя дисками, чем в том случае, когда она должна проскочить между двумя шарами. Да и для различных шаров искра не одинаковой длины. Она тем длиннее, чем больше разнятся друг от друга по размерам два шара. При данной разности потенциалов получается наиболее короткая искра, т. е. получается наименьшее разрядное расстояние, в том случае, когда искра должна получиться между двумя шарами одинаковых размеров. Изменение упругости газа оказывает весьма большое влияние на величину разности потенциалов, необходимой для образования искры данной длины. С уменьшением упругости газа эта разность потенциалов также уменьшается. Природа газа, в котором является искра, оказывает немалое влияние на величину необходимой разности потенциалов. При одной и той же длине искры и при одной и той же упругости газа эта разность потенциалов - наименьшая для водорода, она больше для воздуха и еще больше для угольной кислоты. Для получения искры в жидкости требуется разность потенциалов большая, чем для получения такой же искры в газе. Вещество тел, между которыми образуется искра, оказывает весьма малое влияние на разность потенциалов, нужную для возникновения искры. При малых длинах искры в воздухе или в другом каком-либо газе образующая искру разность потенциалов весьма близко пропорциональна длине искры. При больших длинах искры связь между длиною искры и необходимой для этого разностью потенциалов не так проста. В этом случае при возрастании разности потенциалов длина искры увеличивается быстре увеличения разности потенциалов. В следующей таблице содержатся данные для выражения длины искр и соответствующих им разностей потенциалов (искры образуются между двумя дисками, у одного поверхность мало выпуклая).

РАЗРЯД ЭЛЕКТРИЧЕСКИЙ.

Явление статического электричества наблюдается обычно в диэлектриках. Если в диэлектрике химическая связь ионная, то из-за несовершенства структуры вещества количество положительных и отрицательных ионов в единице объема вещества не одинаково. Это означает, что практически любое диэлектрическое тело с ионной связью изначально обладает электрическим зарядом, вокруг которого существует электростатическое поле.

В реальных условиях этот заряд обычно компенсируется зарядами из окружающей среды, которые осаждаются на поверхности диэлектрика. В результате, электростатическое поле вокруг такого тела отсутствует.

Если в диэлектрике химическая связь ковалентная, то диэлектрик может обладать ненулевым электрическим дипольным моментом и, вследствие этого, создает вокруг себя электростатическое поле. В реальных условиях из окружающей среды на поверхности такого диэлектрика осаждаются компенсирующие заряды, таким образом, что электрическое поле вокруг такого тела становится равным нулю.

Механическое взаимодействие тел может приводить к снятию компенсирующих зарядов с соответствующих поверхностей и появлению в окружающем пространстве электрического поля, которое может наводить помехи на входах электрических устройств. Это электрическое поле в некоторых случаях может привести к пробою диэлектрика (например, воздуха).

Разряды, связанные с этим пробоем, формируют в пространстве электромагнитные импульсы, которые также передают помехи.

Полное внутреннее сопротивление источника от 1 до 30 кОм.

Суммарная индуктивность пути разряда 0,3 – 1,5 мкГн.

Емкость составляет от 100 до 300 пФ.

Максимальное напряжение до 15 кВ.

Максимальный ток импульса разряда до 30 А.

Скорость нарастания тока от 2 до 35 А/нс.

Примерная форма импульса тока при разряде электричества:

Примерная форма импульса тока Спектральная характеристика:

при разряде электричества:

Классификация источников помех

Различают функциональные источники и нефункциональные.

Функциональные источники – это радио- и телепередатчики, которые распространяют электромагнитные волны в окружающую среду в целях передачи информации. К этой группе относятся все устройства, которые излучают электромагнитные волны не для целей коммуникации, но для выполнения своей технической функции, например, генератор высокой частоты для промышленного или медицинского применения, микроволновые устройства радиоуправления.

К нефункциональным источникам относятся автомобильные устройства зажигания, люминесцентные лампы, сварочное оборудование, релейные и защитные катушки, выпрямители тока, контактные и бесконтактные переключатели, проводные линии и компоненты электрических узлов, переговорные устройства, атмосферные разряды, коронные разряды в линиях, коммутационные процессы, разряды статического электричества, быстро меняющиеся токи и напряжения в лабораториях техники высоких напряжений.

Различают также широкополосные и узкополосные источники помех.

Широкополосные – это помехи, обладающие широким частотным спектром, а узкополосные – узким.

Опыт показывает, что если постепенно повышать напряжение между двумя электродами в газе, то можно достигнуть некоторого его значения, зависящего от природы га­за и давления, при котором в газе возникает электрический ток и без воздействия внешних ионизаторов. Явление прохождения через газ электрического тока, не зависящего от внешних ионизаторов, называет­ся самостоятельным разрядом в газе .

Основной механизм ионизации га­за при самостоятельном электриче­ском разряде - ионизация атомов и молекул ударами электронов.

Развитие самостоятельного элект­рического разряда в газе протекает следующим образом. Как только в га­зе появляется свободный электрон, он под действием электрического по­ля ускоряется, его кинетическая энергия возрастает, и если выполня­ется условие eEλ ≥ A и, то он при соу­дарении с молекулой ионизует ее. Первичный электрон и вторичный, возникший в результате ударной ионизации, вновь ускоряются под действием электрического поля, и каждый из них при следующих соу­дарениях освобождает еще по одно­му электрону и т. д. Число свобод­ных электронов нарастает лавино­образно до тех пор, пока они не достигнут анода.

Положительные ионы, возникаю­щие в газе, движутся под действи­ем электрического поля от анода к катоду. При ударах положительных ионов о катод, а также под дейст­вием излучения, возникающего при развитии разряда, с катода могут освобождаться новые электроны. Они разгоняются электрическим по­лем и создают новые электронно-ионные лавины, и этот процесс мо­жет продолжаться непрерывно. Самостоятельный разряд бывает разных видов. Рассмот­рим несколько видов самостоятельного разряда: искровой, тлеющий, коронный, дуговой.

Искровой разряд. Если источник тока не способен поддерживать само­стоятельный электрический разряд в течение длительного времени, то на­блюдается форма самостоятельного разряда, называемая искровым раз­рядом . Искровой разряд прекраща­ется через короткий промежуток вре­мени после начала разряда в ре­зультате значительного уменьшения напряжения. Примеры искрового разряда - искры, возникающие при расчесывании волос, разделении лис­тов бумаги, разряде конденсатора. Самые большие «искры» - мол­нии - наблюдаются во время грозы. Исследования показали, что причи­ной возникновения гроз является разделение электрических зарядов в грозовых облаках.

Коронный разряд. В сильно неоднородных электрических полях, образующихся, например, между острием и плоскостью или между проводом линии электропередачи и поверхностью Земли, возникает особая форма самостоятельного разряда в газах, называемая коронным разрядом. |Основная особенность коронного разряда заключается в том, что процесс ионизации атомов электрон­ным ударом происходит лишь на небольших расстояниях одним из элек­тронов в области с высокими значениями напряженности электрическо­го поля. С коронным разрядом приходится считаться при передаче электроэнер­гии на большие расстояния. Наи­большая напряженность поля создается около проводов. Так как элект­роэнергия на большие расстояния пе­редается по сравнительно тонким проводам при высоком напряжении между ними, то около проводов про­исходит довольно интенсивный ко­ронный разряд. Это ведет к потере части передаваемой электроэнергии. Потери на коронный разряд в таких линиях тем больше, чем выше на­пряжение между проводами и чем больше протяженность линии.

Дуговой разряд. Известна еще одна важная форма самостоятель­ного разряда в газах, получившая название электрической дуги . Она была впервые открыта профессором физики Петербургской медико-хи­рургической академии В. В. Петро­вым в 1802 г. Слегка раздвинув на небольшое расстояние два соприка­сающихся угольных электрода, при­соединенных к источнику тока, мы увидим между концами углей яркое свечение газа, а сами угли при этом раскаляются.

Рассматривая дуговой разряд че­рез темное стекло, можно заметить, что свет исходит преимущественно от концов углей. Свечение самой дуги - яркой изогнутой полоски, образую­щейся в газовом промежутке меж­ду концами углей, значительно слабее. Для горения дуги достаточно сравнительно небольшого напряже­ния 40-50 В, но сила тока в дуге достигает десятков и даже сотен ампер. Это указывает на то, что сопротивление газа в дуговом разря­де сравнительно мало.

Л Е К Ц И Я

по дисциплине "Электроника и пожарная автоматика" для курсантов и студентов

по специальности 030502.65 – «Судебная экспертиза»

по теме № 1. «Полупроводниковые, электронные, ионные приборы»

Тема лекции «Индикаторные и фотоэлектрические приборы».

Индикаторные приборы

Электрический разряд в газах.

Газоразрядными (ионными) называют электровакуумные приборы с электрическим разрядом в газе или парах. Газ в таких приборах находится под пониженным давлением. Электрический разряд в газе (в паре) это совокупность явлений, сопровождающих прохождение через него электрического тока. При таком разряде протекает несколько процессов.

Возбуждение атомов.

Под ударом электрона один из электронов атома газа переходит на более удаленную орбиту (на более высокий энергетический уровень). Такое возбужденное состояние атома длится 10 -7 – 10 -8 секунды, после чего электрон возвращается на нормальную орбиту, отдавая при этом в виде излучения полученную при ударе энергию. Излучение сопровождается свечением газа, если излучаемые лучи относятся к видимой части электромагнитного спектра. Для того, чтобы произошло возбуждение атома, ударяющий электрон должен иметь определенную энергию, так называемую энергию возбуждения.

Ионизация.

Ионизация атомов (или молекул) газа происходит при энергии ударяющего электрона большей, чем энергия возбуждения. В результате ионизации из атома выбивается электрон. Следовательно, в пространстве будут два свободных электрона, а сам атом превратится в положительный ион. Если эти два электрона при движении в ускоряющем поле наберут достаточную энергию, каждый из них может ионизировать новый атом. Свободных электронов будет уже четыре, а ионов – три. Происходит лавинообразное нарастание числа свободных электронов и ионов.

Возможна ступенчатая ионизация. От удара одного электрона атом переходит в возбужденное состояние и, не успев вернуться к нормальному состоянию, ионизируется от удара другого электрона. Увеличение в газе числа заряженных частиц за счет ионизации (свободных электронов и ионов) называют электризацией газа .

Рекомбинация.

Наряду с ионизацией в газе происходит и обратный процесс нейтрализации противоположных по знаку зарядов. Положительные ионы и электроны совершают в газе хаотическое движение, и приближаясь друг к другу могут соединиться, образуя нейтральный атом. Этому способствует взаимное притяжение разноименно заряженных частиц. Восстановление нейтральных атомов называют рекомбинацией . Так как на ионизацию затрачивается энергия, положительный ион и электрон в сумме имеют энергию большую, чем нейтральный атом. Поэтому рекомбинация сопровождается излучением энергии. Обычно при этом наблюдается свечение газа .

При возникновении электрического разряда в газе перевес имеет ионизация, при уменьшении его интенсивности – рекомбинация. При постоянной интенсивности электрического разряда в газе наблюдается установившийся режим, при котором число свободных электронов (и положительных ионов), возникающих за единицу времени вследствие ионизации в среднем равно числу нейтральных атомов, получающихся вследствие рекомбинации. С прекращением разряда ионизация исчезает и, вследствие рекомбинации, восстанавливается нейтральное состояние газа.

Для рекомбинации требуется некоторый отрезок времени, поэтому деионизация совершается за 10 -5 – 10 -3 секунд. Таким образом, по сравнению с электронными приборами, газоразрядные приборы значительно более инерционны.

Виды электрических разрядов в газах.

Различают самостоятельный и несамостоятельный разряды в газе. Самостоятельный разряд поддерживается под действием только электрического напряжения. Несамостоятельный разряд может существовать при условии, что помимо напряжения действуют еще какие-либо дополнительные факторы. Ими могут быть излучение света, радиоактивное излучение, термоэлектронная эмиссия накаленного электрода и т.д.

Несамостоятельным является темный или тихий разряд . Свечение газа обычно незаметно. В газоразрядных приборах он практически не используется.

К самостоятельным относится тлеющий разряд. Для него характерно свечение газа, напоминающее свечение тлеющего угля. Разряд поддерживается за счет электронной эмиссии катода под ударами ионов. К приборам тлеющего разряда относятся стабилитроны (газоразрядные стабилизаторы напряжения), газосветные лампы, тиратроны тлеющего разряда, знаковые индикаторные лампы и декатроны (газоразрядные счетные приборы).

Дуговой разряд может быть как несамостоятельным, так и самостоятельным. Дуговой разряд получается при плотности тока значительно большей, чем в тлеющем разряде и сопровождается интенсивным свечением газа. К приборам несамостоятельного дугового разряда относятся газотроны и тиратроны с накаленным катодом. К приборам самостоятельного дугового разряда относятся ртутные вентили (экситроны) и игнитроны, имеющие жидкий ртутный катод, а также газовые разрядники.

Искровой разряд имеет сходство с дуговым разрядом. Он представляет собой кратковременный импульсный электрический разряд. Используется в разрядниках, служащих для кратковременного замыкания тех или иных цепей.

Высокочастотный разряд может возникать в газе под действием переменного электромагнитного поля даже при отсутствии токопроводящих электродов.

Коронный разряд является самостоятельным и используется в газоразрядных приборах для стабилизации напряжения. Наблюдается в случаях, когда один из электродов имеет очень малый радиус.