Сколько вольт пробивает 1 см воздуха

Сборка печатных плат от $30 + БЕСПЛАТНАЯ доставка по всему миру + трафарет

Компэл расширил и существенно пополнил склад LED-драйверами компании MEAN WELL, одновременно снизив цену на них. В настоящий момент на складе представлена широкая линейка продукции для наружного (семейства HLG, ELG, XLG, LPC, LPV), и для внутреннего (APC, LCM, SLD, APV) освещения. Имеется большой выбор моделей с различными режимами стабилизации выходных параметров. Кроме того, есть в наличии и линейка DC/DC-драйверов, как понижающих (семейство LDD), так и повышающих (семейство LDH).

Компания MORNSUN разработала универсальный понижающе-повышающий неизолированный стабилизатор (DC/DC-преобразователь) с выходным током до 10 А — KUB4836EB-10A. Этот стабилизатор можно использовать при входном напряжении в диапазоне 9…60 В (питающие шины с номинальным значением напряжения 12/24/48 В), а выходное напряжение можно подстраивать в диапазоне от 0 до 60 В. Преобразователь выполнен в корпусе 1/8 Brick с возможностью установки на печатную плату, имеется разновидность для монтажа на шасси — KUB4836EBF-10A.

Последний раз редактировалось Yarik9610 Пн фев 20, 2012 18:34:12, всего редактировалось 1 раз.

Думаю, что различные авторы измеряли данное значение разными косвенными методами: измеряли напряжение пробоя при фиксированном расстоянии между электродами (или наоборот) в различных условиях. Затем напряжение делили на расстояние, получали якобы искомую напряженность пробоя, совершенно забывая, что на требуемую разность потенциалов электродов влияет не только расстояние между электродами, но и их форма, размеры, материал. Так же напряженность поля в пространстве между электродами разная, равно как и у поверхности электродов в различных местах.

Вообще, пробой воздуха довольно сложное явление, какие-либо количественные измерения ещё более сложны. Почитайте о том, какие бывают разновидности электрических разрядов в газах. Это довольно увлекательно и познавательно.

_________________

И ты врёшь. © Vladisman

Там ещё давление воздуха и температура влияют. И если есть желание повторить дома замеры то нужно взять сферические электроды.
По справочнику диэлектрическая прочность воздуха 3 МВ/м при зазоре 0,01 м .
а вот перевести это в напряжение сложней. нужно указать форму электродов.
хотя вот даже таблицы есть

между острыми электродами напряжение нужно гораздо меньше.

_________________

И ты врёшь. © Vladisman

в электрике, принято грубо считать (с запасом) 1 мм = 1 кВольт

Часовой пояс: UTC + 3 часа

Кто сейчас на форуме

Сейчас этот форум просматривают: нет зарегистрированных пользователей и гости: 8

Пробой воздушного промежутка

Пробой воздушного промежутка является следствием ударной ионизации. Напряженность электрического поля, при которой возникает ударная ионизация, приводящая к образованию электронных лавин, называется начальной напряженностью.

Вследствие различной подвижности электронов и положительных ионов, образующихся под действием ударной ионизации, в промежутке возникает объемный заряд, который искажает электрическое поле. При дальнейшем повышении напряжения, приложенного к промежутку, происходит пробой, причем на пробивное напряжение существенное влияние оказывает степень неоднородности электрического поля.

В случае электродов, образующих близкое к однородному электрическое поле при небольших разрядных промежутках, возникновение ударной ионизации мгновенно приводит к пробою промежутка, то есть пробой воздуха происходит без развития дополняющих пробой процессов. В таких условиях пробивное напряжение совпадает с начальной напряженностью поля.

Для неоднородного электрического поля характерным является наличие трех стадий развития пробоя воздуха. По сравнению с однородным полем начальное напряжение здесь значительно ниже. В результате ударной ионизации в местах с максимальной напряженностью поля возникает коронный разряд (локальная ионизация), сопровождающийся свечением. С повышением напряжения коронный разряд переходит в кистевой, при котором свечение не концентрируется вокруг электрода, а распространяется в виде отдельных пучков, исходящих из одного электрода, но не доходящих до другого. При дальнейшем увеличении напряжения кистевой разряд замыкает оба электрода. Между электродами образуется искра, свидетельствующая о полном пробое воздушного промежутка. Если мощность источника напряжения достаточна, то искра переходит в электрическую дугу. Развитие указанных выше процессов приводит к заметному снижению пробивного напряжения воздушного промежутка по сравнению с однородным электрическим полем при прочих равных условиях.

Электрическая прочность воздушных промежутков зависит не только от степени неоднородности электрического поля, но и от температуры, давления и влажности воздуха. Например, амплитудное значение пробивного напряжения Uпр воздуха при частоте 50 Гц в однородном поле, МВ, определяется по эмпирической формуле:

Наибольшая степень неоднородности электрического поля присуща системам стержень – плоскость и стержень – стержень.

Случаи электрического пробоя воздушного промежутка

Замечательный пример инженерной ошибки. О пользе знания физики и применения измерительных приборов.

Замечательный он потому, что, во-первых, от этой ошибки никто не пострадал. Во-вторых, пример очень простой, но показательный — в нем есть полный набор: ошибка в постановке задачи, неправильный выбор модели процесса, расчет и проведение измерений в соответствии с ней.
Выставка «Связь-Экпокомм», год примерно 2005 … Мы привезли с собой прибор «Искра» ( история разработки
техническое описание
). На соседнем стенде среди антенн, разветвителей и антенных фильтров – коаксиальный «грозоразрядник», напряжение срабатывания по паспорту — 400 Вольт. «А давайте проверим нашим прибором» — «да проверяйте, конечно». «Грозоразрядник» не пробивается ни на 400 Вольтах, ни на 800 (предел измерения). «Прибор у вас неправильный, у нас точно всё посчитано». Выясняется, что внутри «грозоразрядника» между центральным проводником и корпусом сделан искровой промежуток 0,2 мм и выставлен он «прецизионно».

Ошибка в постановке задачи. Искровой воздушный разрядник для таких задач не подходит по многим причинам, которые здесь рассматривать не будем.

Типовая конструкция устройства коаксиальной защиты с применением газонаполненных разрядников описана здесь
.
Для узкополосных сигналов может быть использовано соединение внутреннего и внешнего (заземленного корпуса устройства) проводников через проводник с длиной, равной четверти длины волны сигнала.

Неправильно выбранная физическая модель. С этого момента становится уже интересно.

Коллеги исходили из значения электрической прочности (напряжения пробоя) сухого воздуха, которая составляет примерно 2 кВ/мм (см. например, инженерный справочник DVPA

). Следовательно, для того, чтобы получить напряжение пробоя 0,4 кВ, расстояние между электродами должно быть 0,2 мм.

Давайте посмотрим, что есть на эту тему в сети. На первой же странице поиска нашёл два подходящих графика.

Как видим шкала в обеих измерениях линейная и порядок напряжения пробоя действительно составляет порядка 2 кВ/мм, обратите внимание на зависимость его значения от частоты. Понятно, что эти графики относятся к технике высоких напряжениях и высоковольтным электроустановкам (электрические машины, трансформаторы, высоковольтные ЛЭП). Нас же интересуют гораздо меньшие напряжения и масштабы.

Пробой газов

Для газов характерен чисто электрический пробой в сильных электрических полях, приводящий к внезапному резкому возрастанию плотности электрического тока к моменту пробоя. Данный вид пробоя происходит за очень короткое время (порядка 10–8 с). Примером явления чисто электрического пробоя является молния.

Газы состоят из нейтральных молекул, а обязательным условием возникновения разряда в газах является наличие в них свободных зарядов – электронов и ионов. Рассмотрим процесс возникновения и исчезновения заряженных частиц в газе.

Когда электроны находятся на орбитах, ближайших к ядру, то потенциальная энергия атома минимальна. Такое состояние атома является устойчивым и называется нормальным. Переход одного или нескольких электронов с нормальных орбит на более удаленные от ядра называется возбуждением

атома. Энергию, необходимую для возбуждения, атом (молекула) может получить при столкновении с электроном или при поглощении коротковолнового излучения. Энергия возбуждения (
Wв
) равна разнице энергий электрона на удаленной и нормальной орбитах.

Время пребывания атома в возбужденном состоянии составляет примерно 10–10 с. Возвращение атома в нормальное состояние происходит самопроизвольно и сопровождается излучением фотона. Чем большую энергию получает атом при столкновении с электроном или при поглощении фотона, тем на более удаленную орбиту переходит электрон. Когда электрон удаляется от ядра настолько, что взаимодействие его с ядром практически исчезает, то электрон становится свободным. Происходит ионизация

атома, в результате которой образуются две независимые частицы: электрон и положительно заряженный ион. Энергия, которую необходимо сообщить атому (молекуле) для осуществления ионизации, называется
энергией ионизации
(
Wи
).

Энергии возбуждения и ионизации принято выражать в электрон-вольтах. 1 эВ – это энергия, которую электрон получает от электрического поля, пройдя разность потенциалов в 1 В. Минимальные энергии возбуждения и ионизации некоторых газов приведены в табл. 3.

Минимальные энергии возбужденияи ионизации некоторых газов

Одновременно с ионизацией атомов и молекул газа происходит процесс взаимной нейтрализации заряженных частиц – рекомбинация

С увеличением количества заряженных частиц возрастает частота встреч частиц с противоположными знаками и скорость рекомбинации возрастает. Вследствие действия двух противоположных факторов – ионизации и рекомбинации – устанавливается равновесное состояние, при котором в единицу времени возникает и рекомбинирует одинаковое количество заряженных частиц.

При воздействии естественных ионизаторов (ультрафиолетовое излучение, радиоактивное излучение, тепло) в воздухе ежесекундно образуется около одной пары зарядов в кубическом сантиметре. Небольшое количество в газе положительных ионов и электронов, как и нейтральные молекулы газа, находится в беспорядочном (хаотичном) тепловом движении.

Если к промежутку между электродами в газе приложено напряжение, то заряженные частицы кроме тепловой энергии, приобретают под действием электрического поля направленную скорость. При этом заряженная частица газа приобретает дополнительную (кинетическую) энергию:

– заряд частицы,
Ul
– падение напряжения на длине свободного пробега (
l
).

Длина свободного пробега – это расстояние, которое преодолевает заряженная частица под действием внешнего электрического поля от одного до другого столкновения с нейтральными молекулами. Ионизация молекул в результате столкновения с разогнанными электрическим полем заряженными частицами называется ударной

ионизацией, а за счет захвата фотонов –
фотонной
.

Так как скорость электронов значительно больше скорости ионов, то ударная ионизация ионами малоэффективна и определяющей является ударная ионизация электронами.

Случайно появившийся в промежутке электрон при достаточной напряженности электрического поля может при столкновении ионизировать молекулу газа. Образовавшийся при этом свободный электрон вместе с начальным ионизирует новые молекулы и т.д. Такой процесс нарастания числа электронов, движущихся в электрическом поле по направлению к аноду, получил название лавины электронов.

Подвижность ионов значительно меньше, чем электронов, и за время развития лавины они практически не успевают переместиться в промежутке. Таким образом, после прохождения лавины электронов в газе остаются положительные, а в электроотрицательных газах и отрицательные ионы, которые искажают (уменьшают или увеличивают) внешнее электрическое поле в промежутке. Под действием электрического поля ионы сравнительно медленно движутся к электродам.

Помимо ионизации электроны лавины производят возбуждение атомов и молекул газа. Поскольку энергия возбуждения существенно меньше энергии ионизации, то число возбужденных частиц значительно больше, чем ионизированных. Переход возбужденных частиц в нормальное состояние сопровождается излучением фотонов, что наблюдается в виде свечения газа. Часть излученных фотонов имеет достаточно высокую энергию и принадлежит ультрафиолетовой области спектра.

При столкновении электрона с нейтральным атомом или молекулой возможен захват ими электрона и образование отрицательного иона. Газы, в которых возможно образование отрицательных ионов, называются электроотрицательными (кислород, фтор, хлор).

Для возникновения ударной ионизации необходимо, чтобы энергия электрона была больше энергии ионизации или равнялась ей (условие ионизации):

– энергия теплового движения частиц или собственная энергия молекулы или атома (обычно небольшая при нормальной температуре);
Wдоп
– дополнительная энергия, приобретенная электроном под действием внешнего электрического поля, определяемая по формуле (31).

Энергия ионизации для различных газов составляет 4÷25 эВ.

Падение напряжения на длине свободного пробега в однородном электрическом поле определяется по выражению:

– напряженность электрического поля, кВ/мм;
l
– длина свободного пробега электрона.

Тогда условие ионизации приобретает следующий вид:

– электрическая прочность газа, соответствующая напряженности электрического поля, при которой произошел пробой.

Пробой газа происходит практически мгновенно (при расстоянии между электродами 1 см время пробоя составляет порядка 10–8 с).

Электрическая прочность воздуха при нормальных атмосферных условиях (t

= 20 º
С
, относительная влажность
φ
= 60 %, давление
р
= 760 мм рт.ст.= 0,1 МПа) при расстоянии между электродами 10 мм в однородном электрическом поле составляет 3 кВ/мм. Следовательно, электрическая прочность воздуха не остается постоянной, т.к. зависит от температуры, влажности, давления, неоднородности электрического поля и расстояния между электродами.

С увеличением температуры энергия теплового движения молекул увеличивается и для их ионизации требуется меньшая дополнительная энергия. И хотя длина свободного пробега электронов уменьшается с возрастанием температуры вследствие увеличения скорости движения молекул, электрическая прочность воздуха снижается. Увеличение температуры на 3°С

приводит к уменьшению пробивного напряжения на 1 %.

Повышение влажности воздуха также приводит к уменьшению его электрической прочности. Увеличение абсолютной влажности воздуха в 1,5 раза приводит к уменьшению Uпрна 5 %.

Подъем на каждые 100 м над уровнем моря (уменьшение атмосферного давления) приводит к снижению пробивного напряжения на 1 %.

Следует отметить, что указанное влияние атмосферных условий на Uпр воздуха относится к межэлектродным расстояниям до одного метра. При расстоянии между электродами более 1 м влияние атмосферных условий снижается по мере увеличения расстояний.

Зависимость электрической прочности воздуха от давления приведена на рис. 29.

Рис.29. Зависимость электрической прочности воздуха от давления

Точкой отсчета для приведенной характеристики является нормальное атмосферное давление, равное 0,1 МПа (1 атм).

При давлениях, больших атмосферного, увеличивается плотность воздуха, следовательно, расстояние между молекулами становится меньше, что приводит к уменьшению длины свободного пробега электрона и дополнительной энергии, которую он приобретает до столкновения с молекулой. Поэтому электрическая прочность газов увеличивается при повышении давления, что делает эффективным использование сжатых газов в качестве изоляции в электрооборудовании (например, элегаза в высоковольтных выключателях).

При уменьшении давления вначале происходит уменьшение электрической прочности, что связано с увеличением длины свободного пробега электронов и, следовательно, увеличением их кинетической энергии, т.е. улучшаются условия возникновения ударной ионизации, а тем самым и условия пробоя.

При дальнейшем снижении давления и высокой степени разряжения Епр начинает возрастать. Это увеличение электрической прочности объясняется уменьшением числа молекул газа в единице объема и снижением вероятности столкновений электронов с молекулами.

«Полочка» в зависимости Епрот давления характеризует электрическую прочность вакуума. На первый взгляд кажется, что пробой вакуума не возможен, так как вакуум не содержит свободных носителей заряда, то есть является идеальным изоляционным материалом. В действительности, при достаточно большой напряженности электрического поля происходит пробой вакуума, что объясняется тем, что электрическое поле может вызвать холодную эмиссию электронов с поверхности металлических электродов. Поэтому электрическая прочность вакуума зависит от материала, из которого изготовлены электроды, и от состояния их поверхности. Высокие электроизоляционные свойства вакуума используются в вакуумных конденсаторах и вакуумных выключателях.

Явление пробоя воздуха зависит и от степени однородности электрического поля, в котором осуществляется пробой. Однородное электрическое поле можно получить между плоскими электродами с закругленными краями, а также между сферами при расстоянии между ними, соизмеримом с диаметром сферы.

В таком поле пробой наступает практически мгновенно при достижении напряжения строго определенной величины, зависящей от температуры и давления газа. Между электродами возникает искра, которая затем переходит в дугу, если источник напряжения имеет достаточную мощность.

Электрическая прочность также зависит от расстояния между электродами.

Электрическая прочность Епр увеличивается при уменьшении расстояния между электродами (h

= 0,1 мм и менее) (рис. 30). Это связано с тем, что при таких малых расстояниях свободные электроны и ионы не успевают приобрести энергию, достаточную для ударной ионизации молекул, и разряжаются, достигнув электродов.

Рис. 30. Зависимость электрической прочности воздуха при нормальном давлении в однородном электрическом поле от расстояния между электродами

Пробой газа в неоднородном электрическом поле отличается от пробоя в однородном электрическом поле как по величине пробивного напряжения Uпр, так, и по характеру развития самого процесса пробоя. Пробой газа в неоднородном поле, как правило, происходит при меньшем пробивном напряжении по сравнению с пробоем того же слоя газа в однородном электрическом поле. Неоднородное поле образуется между электродами, хоты бы один из которых имеет малую площадь, например, между острием и плоскостью, между проводами воздушных линий электропередач, между двумя остриями, между сферическими электродами при расстоянии между ними, превышающем диаметр сферы.

Особенностью пробоя газа в неоднородном электрическом поле является возникновение частичного разряда в виде короны в местах, где напряженность поля достигает критических значений, с дальнейшим переходом короны в искровой разряд и дугу при возрастании напряжения.

В газообразных электроизоляционных материалах в неоднородном постоянном электрическом поле проявляется эффект полярности. Это явление иллюстрирует рис. 31, на котором показана зависимость пробивного напряжения газа от расстояния между электродами типа «острие-плоскость». При прочих равных условиях, пробивное напряжение при положительной полярности острия существенно ниже, чем при отрицательной.

Рис. 31. Эффект полярности в газообразных диэлектриках: 1 – положительная полярность иглы; 2 – отрицательная полярность иглы.

Этот эффект вызван тем, что в неоднородном электрическом поле в месте наибольшей неоднородности, т.е. вблизи острия, возникают положительные объемные заряды. Эти заряды создают электрическое поле, напряженность которого при положительной полярности острия направлена согласно с напряженностью внешнего электрического поля (объемный положительный заряд является как бы продолжением острия) и пробой наступает при меньшем напряжении.

Вернуться к содержанию

Напряжение пробоя воздуха.

Сборка печатных плат от $30 + БЕСПЛАТНАЯ доставка по всему миру + трафарет

Обобщив богатый опыт и ноу-хау в сфере силовой электроники, компания Infineon представляет CoolSiC™ MOSFET. Мы сделали подборку статей о технологии CoolSiC™, которая поможет вам вывести КПД и надёжность ваших устройств силовой электроники на высочайший уровень!

SoC BlueNRG-LP — новая микросхема от STMicroelectronics со встроенным микроконтроллером Cortex®-M0+ и приемопередатчиком BLE. В данной статье мы рассмотрели режимы пониженного потребления и программную поддержку пониженного энергопотребления в программном пакете BlueNRG-LP DK, процедуру обновления прошивки по эфиру с помощью специального BLE-сервиса, особенности работы UART-загрузчика с функцией защиты памяти, и другое.

Последний раз редактировалось Yarik9610 Пн фев 20, 2012 18:34:12, всего редактировалось 1 раз.
ПРИСТ расширяет ассортимент
Думаю, что различные авторы измеряли данное значение разными косвенными методами: измеряли напряжение пробоя при фиксированном расстоянии между электродами (или наоборот) в различных условиях. Затем напряжение делили на расстояние, получали якобы искомую напряженность пробоя, совершенно забывая, что на требуемую разность потенциалов электродов влияет не только расстояние между электродами, но и их форма, размеры, материал. Так же напряженность поля в пространстве между электродами разная, равно как и у поверхности электродов в различных местах.

Вообще, пробой воздуха довольно сложное явление, какие-либо количественные измерения ещё более сложны. Почитайте о том, какие бывают разновидности электрических разрядов в газах. Это довольно увлекательно и познавательно.

И ты врёшь. ©
Vladisman
Там ещё давление воздуха и температура влияют. И если есть желание повторить дома замеры то нужно взять сферические электроды. По справочнику диэлектрическая прочность воздуха 3 МВ/м при зазоре 0,01 м . а вот перевести это в напряжение сложней. нужно указать форму электродов. хотя вот даже таблицы есть

между острыми электродами напряжение нужно гораздо меньше.

И ты врёшь. ©
Vladisman
в электрике, принято грубо считать (с запасом) 1 мм = 1 кВольт

Часовой пояс: UTC + 3 часа

Пробой воздушного промежутка

Пробой воздушного промежутка является следствием ударной ионизации. Напряженность электрического поля, при которой возникает ударная ионизация, приводящая к образованию электронных лавин, называется начальной напряженностью.

Вследствие различной подвижности электронов и положительных ионов, образующихся под действием ударной ионизации, в промежутке возникает объемный заряд, который искажает электрическое поле. При дальнейшем повышении напряжения, приложенного к промежутку, происходит пробой, причем на пробивное напряжение существенное влияние оказывает степень неоднородности электрического поля.

В случае электродов, образующих близкое к однородному электрическое поле при небольших разрядных промежутках, возникновение ударной ионизации мгновенно приводит к пробою промежутка, то есть пробой воздуха происходит без развития дополняющих пробой процессов. В таких условиях пробивное напряжение совпадает с начальной напряженностью поля.

Для неоднородного электрического поля характерным является наличие трех стадий развития пробоя воздуха. По сравнению с однородным полем начальное напряжение здесь значительно ниже. В результате ударной ионизации в местах с максимальной напряженностью поля возникает коронный разряд (локальная ионизация), сопровождающийся свечением. С повышением напряжения коронный разряд переходит в кистевой, при котором свечение не концентрируется вокруг электрода, а распространяется в виде отдельных пучков, исходящих из одного электрода, но не доходящих до другого. При дальнейшем увеличении напряжения кистевой разряд замыкает оба электрода. Между электродами образуется искра, свидетельствующая о полном пробое воздушного промежутка. Если мощность источника напряжения достаточна, то искра переходит в электрическую дугу. Развитие указанных выше процессов приводит к заметному снижению пробивного напряжения воздушного промежутка по сравнению с однородным электрическим полем при прочих равных условиях.

Электрическая прочность воздушных промежутков зависит не только от степени неоднородности электрического поля, но и от температуры, давления и влажности воздуха. Например, амплитудное значение пробивного напряжения Uпр воздуха при частоте 50 Гц в однородном поле, МВ, определяется по эмпирической формуле:

Наибольшая степень неоднородности электрического поля присуща системам стержень – плоскость и стержень – стержень.

Какое напряжение нужно для пробоя 1 см воздуха

Но какое электрическое поле необходимо для пробоя воздуха?

ФИЗИКА И ХАРАКТЕРИСТИКИ МОЛНИЕВЫХ ПРОЦЕССОВ

Механизм пробоя воздуха

В естественных условиях воздух является хорошим изолятором. Это свойство воздуха используют, когда строят воздушные линии электропередач.

Для протекания тока через любой материал необходимо, чтобы в материале были свободные заряды. Самый легкий из них — электрон. Электрон самый быстрый и эффективный носитель электрического тока. Ионы (ионизированые атомы или молекулы) в несколько тысяч раз тяжелее электрона, поэтому их скорость в электрическом поле в сотни раз меньше, чем у электронов.

В обычных условиях в каждом кубическом сантиметре воздуха содержится около 10 электронов и примерно 1000 ионов. В канале молнии плотность электронов увеличивается примерно в 10 14 раз. Чтобы лучше ощутить эту огромную цифру, можно привести такое сравнение: мысленно увеличивая радиус атома в 10 14 раз, получим шарик радиусом в 10 км.

Откуда берется такая армада электронов в канале молнии? Ответ простой: надо извлечь электроны из атомов. В самом простом из них, атоме водорода, имеется один электрон, в азоте и кислороде (основных компонентах воздуха) соответственно 7 и 8 электронов. В каждом кубическом сантиметре воздуха при нормальном давлении имеется 2,6*10 19 молекул. Так что электронов хватает, надо только уметь их извлекать из атомов.

Рассмотрим, насколько это сложно. Возьмем атом водорода с одним электроном на орбите. По справочным данным, электрон водорода несет отрицательный заряд

е=-1,6*10 -19 Кл. Это самый маленький заряд в природе. Атом нейтрален, т.к. его ядро содержит положительно заряженный протон с зарядом, равным атому. Радиус атома около 10 -8 см. Именно на таком расстоянии электрон вращается вокруг протона. Между ними действует сила притяжения, которую считают по закону Кулона

где k_e — коэффициент пропорциональности, равный для воздуха и других газов 9*10 9 , если заряды представлять в кулонах, а расстояние между ними в метрах. Тогда, учитывая, что q₁ = q₂ , получаем

Чтобы оторвать электрон от атома, надо приложить такую силу. Эта сила может содержаться в электрическом поле заряда в грозовом облаке.

Обычно пользуются в этом случае характеристикой напряженности электрического поля. Она показывает, сколько вольт действует на единице длины изоляционного промежутка, если к промежутку приложено напряжение U. Следовательно, ели длина промежутка равна d, то

и измеряется в вольтах на метр (В/м)

В весьма примитивных опытах с наэлектризованной расческой было получено напряжение пробоя воздуха 30 кВ/см.

Как известно, напряженность поля действует на заряд с силой

Если это заряд электрона q, то . Вот теперь можно понять, какую напряженность поля надо иметь, чтобы оторвать электрон от атома. Для этого приравняем (1) и (2):

Подставляя в эту формулу е=-1,6*10 -19 Кл, k_e = 9*10 9 , r=10 -8 см=10 -10 м, получим:

Это фантастическое по уровню электрическое поле! Значит, чтобы вырвать электрон у атома, надо создать такое же внешнее поле.

Как же удается это сделать наэлектризованной расческе? Ведь у неё поле в 50 000 раз меньше!

Весь секрет в механизме отрывания электрона.

Рассмотри этот природный секрет.

Если к воздушному промежутку прикладывать электрическое поле, то электрон будет перемещаться под его действием, при этом сталкиваясь с атомами молекул. Пока скорость электрона мала, столкновения его с атомами являются упругими, и электрон подобно теннисному мячику отскакивает от атома. Картина кардинально меняется, когда электрон настолько ускоряется, что в результате своей кинетической энергии, отданной при ударе, он может выбить электрон из атома. Такой процесс называется ударной ионизацией. В атмосферном воздухе ударная ионизация возникает при напряженности электрического поля примерно 30 кВ/м. Это доказано и теоретически, и экспериментально.

Как было сказано выше, в 1 см 3 воздуха существует около 10 электронов. если хотя бы один из низ разгонится до состояния, когда он способен выбить дркгой электрон из атома, появляются уже два свободныз электрона, каждый с энергией, достаточной, чтобы выбить из следующих атомов по 1 электрону каждый, а это уже получается 4 электрона. Далее процесс повторяется, но в каждом последующем случае число электронов удваивается: 1, 2, 4, 8, 16, 32, 64, 128, 256, 512, 1024, 248, т.е процесс образования новых электронов нарастает лавиноообразно. Соответственно, воздух становится все более проводящим.

Наблюдения показывают, что в воздушном промежутке одновременно несколько лавин, при очень высокой напряженности электрического поля их число может быть очень большим. Этот процесс называют электрическим пробоем воздуха.

Но какое электрическое поле необходимо для пробоя воздуха?

Как известно, свойства молниевого разряда исследовали на искусственных высоковольтных генераторах в виде искрового разряда. Оказывается, средняя напряженность электрического поля существенно зависит от расстояния между электродами:

Анализируя график, видим, что в промежутке 2 м пробой наступает при 4 кВ/м, в промежутке 10 м — достаточно 2 кВ/м, а при промежутке 100 м для пробоя требуется всего 500 В/м.

Чтобы понять причину нелинейной зависимости удельной напряженности пробоя от длины воздушного промежутка, еще в 30-х годах прошлого столетия осуществлялись исследования развития молний, а затем на искусственных генераторах исследования длинных искровых разрядов. Использовались в основном фоторазвертки процессов. Из зарубежных исследователей известен Б.Шонланд, в СССР — И.С.Стекольников.

Процесс развития молнии

Как известно, 80-90% молний развиваются из отрицательно заряженных областей грозового облака.

По мере концентрации отрицательных зарядов в облаке увеличивается напряженность электрического поля Е. Когда Е достигает критического значения,зависящего от высоты над землей, становится возможной ионизация воздуха, и в сторону земли начинает развиваться разряд. На начальной стадии, называемой лидерной, канал разряда развивается ступенчато. Ступени следуют друг за другом с интервалами 30-50 мкс. Во время каждой ступени канал удлиняется на 5-100 м. Новая часть разрядного канала вспыхивает ярко, в то время как старая светится более тускло (рис.2, дискретная развертка). Лидерный процесс развивается со средней скоростью 1…2х10 5 м/с (360000…720000 км/ч) и продолжается 10-30 мс. Ток в лидерной стадии молнии составляет от десятков до сотен ампер. Радиус зоны ионизации лидерного канала – 2…20 м.

Рис. 2. Схема развития нисходящей молнии: 1 — ступенчатый лидер;

2 — стрело­видный лидер; 3- главный разряд; 4 — ветвь

Заряды облака и лидера индуктируют на поверхности земли и на расположенных на ней объектах заряды противоположного знака. По мере приближения лидера к земле индуктированный заряд и напряженность электрического поля на вершинах возвышающихся над поверхностью земли объектов возрастают, и с них могут развиваться встречные лидеры.

Когда канал развивающегося от облака лидера приближается к земле или к к одному из встречных лидеров на расстояние 25-100 м, то между ними возникает высокая напряженность электрического поля, среднее значение которой составляет 10 кВ/см. При этом промежуток между лидерами пробивается за несколько микросекунд, и в нем выделяется энергия 0,5…5 МДж, которая расходуется на нагрев и термоионизацию промежутка. Проводимость этой части канала резко возрастает. Область высокой напряженности поля, образовавшаяся на границе контактирующего с землей хорошо проводящего канала и зоны ионизации лидера, перемещается к облаку со скоростью от 1,5·10 7 до 1,5·10 8 м/с (0,05…0,5 скорости света). При этом происходит нейтрализация зарядов лидера. Ток в канале за 5..10 мкс достигает многих десятков килоампер, а затем за время 25-200 мкс спадает до половины максимального значения. Этот процесс, называемый главным разрядом, сопровождается сильным свечением канала разряда и электромагнитным излучением. Канал главного разряда, разогретый до температуры 20…30·10 3 К, быстро расширяется, что вызывает распространение в окружающем воздухе ударной волны, воспринимаемой как гром. В завершающей (финальной) стадии молнии по каналу в течение десятков миллисекунд проходит ток порядка десятков и сотен ампер (нейтрализуются заряды облака).

В грозовом облаке во многих случаях образуется не одна об­ласть концентрации зарядов, а несколько. Располагаются они, как показывает анализ изменения электрического поля во время удара молнии, в основном на разной высоте. Поэтому развитие разряда из нижней заряженной области по другим направлени­ям, кроме земли, затруднено. Только после нейтрализации заря­да нижней области становится возможным разряд из следующей по высоте области концентрации зарядов (рис. 3).

Рис. 3. Схема развития двухкомпонентной молнии

Лидер повторного разряда развивается по ионизированному пути, проложенному первым разрядом, поэтому скорость его выше и имеет порядок 106 м/с. Развивается он непрерывно, без ступеней. Ярко светится только его головка, прочерчивая на фоторазвертке по времени непрерывную линию (см. рис. 2). Особенности развития лидера повторных разрядов дали основание называть его стреловидным.

По достижении стреловидным лидером наземного объекта или встречного лидера происходит повторный главный разряд, сопровождающийся прохождением по каналу большого тока и ярким его свечением.

В большинстве случаев молния состоит из двух-трех отдельных разрядов (компонентов), однако наблюдаются молнии и с большим числом компонентов (до 20-30). На рис. 4 показаны вероятности возникновения молний с разным числом компонентов. Многокомпонентная молния может длиться до 1,3 с (самое большое зарегистрированное время). Чаще же всего длительность молнии не превышает 0,1 с. Следующие друг за другом яркие вспышки канала при повторных импульсах тока воспринимаются наблюдателем как мерцание молнии.

Рис. 4. Распределение числа компо­нентов в ударе молнии

Если высота объекта составляет сотни метров, то напряженность электрического поля на его вершине может достигнуть критического значения раньше, чем напряженность поля в облаке. В таких случаях развитие молнии начинается не с облака, а с вершины объекта. Большинство разрядов, поражающих Останкинскую телебашню в Москве, начинается развитием лидера с ее вершины (540 м над поверхностью земли).

Такие молнии не имеют резко выраженной главной стации. Лидеры повторных разрядов в этих случаях всегда развиваются от облака к земле, и повторные компоненты не отличаются от нисходящих от облака молний (рис. 5).

Рис.5 Схема развития восходящей молнии:

1 — ступенчатый лидер; 2 — стрело­видный лидер; 3 — главный разряд.

Классификация молний. Как упоминалось выше, молнии могут быть отрицательные (их около 90%) или положительные в за­висимости от знака заряда облака. Из самой структуры грозово­го облака (см. предыдущую лекцию) следует, что в некоторых случаях они могут быть биполярными, т.е. в начальной части на землю проходит, например, отрицательный ток (переносятся отрицательные заряды), а потом его полярность меняется на положительную. В зависимости от направления развития лидера — от облака к земле или наоборот — молнии разделяются на нисходящие (на­правленные вниз) и на восходящие (направленные вверх). По­следние наблюдаются при поражениях высоких объектов и в горах. Вероятность возникновения восходящих молний возраста­ет с увеличением высоты объекта. При поражениях конструкций высотой около 100 м только в 10% случаев молнии бывают на­правленными вверх, в то время как при высоте конструкций более 400 м восходящие молнии составляют 95%.

Наряду с завершенными разрядами, образующими канал об­лако-земля, могут быть и незавершенные разряды. В последнем случае лидерный канал прекращает свое развитие, не доходя до противоположного электрода — земли или облака. Причиной этому могут быть быстро меняющиеся условия в недостаточно зрелом грозовом облаке. Классификация молний по К. Бергеру (Швейцария, исследования молний проводились с 1943 г. по 1973 г., результаты заслуживают наибольшего доверия) показана на рис. 6. Для большинства наземных сооружений характерны типы молний 1в и Зв.

Рис.6 Классификация молний по К. Бергеру (1977):

Л – направление развития лидера; ГР – направление развития главного разряда

В общей сложности в лаборатории К. Бергера были зарегистри­рованы и обработаны результаты регистрации примерно 2000 ударов молний. Результаты измерений статистически обработа­ны и отражены во многих публикациях.

Для того чтобы проиллюстрировать особенности тока раз­личного вида молний, приведем типичные осциллограммы, по­лученные К. Бергером.

На рис. 7 показан ток многокомпонентной молнии с отри­цательно заряженного облака. Между импульсами и в конце процесса протекает ток. Чтобы продемонстрировать этот ток, начиная с 300 мс масштаб тока резко уменьшен.

Рис. 7. Осциллограм­ма тока молнии, разви­вающейся с отрицатель­но заряженного облака

Рассмотрим токи молний в месте удара в землю или объект, расположенный на земле.

Незавершенные восходящие молнии, развивающиеся, как правило, с высоких объектов в направлении облака, сопровождаются небольшими по значению лидерными токами, протекаю­щими по объекту, и обычно не представляющими для них опас­ности. При незавершенных нисходящих молниях через объекты, находящиеся на земле, могут проходить лишь токи, обусловлен­ные перемещением индуктированных зарядов, которые гораздо меньше, чем лидерные токи.

Известно, что примерно 90% грозовых разрядов на землю происходит с от­рицательно заряженных облаков. Эти молнии по классификации К. Бергера подразделяются на нисходящие и восходящие и со­держат, как правило, несколько компонентов. Ток у земли нисходящей молнии с отрицательно заряженного облака начинается с импульса главного разряда первой вспышки (рис. 8, а), за ним протекает постоянная составляющая, на ко­торую накладываются импульсы главных разрядов последующих компонентов молнии. Амплитуда импульса тока первого разряда, как правило, на десятки процентов выше, чем последующих (см., например, осциллограмму на рис. 7), однако крутизна второго импульса тока в несколько раз превышает крутизну первого импульса.

При восходящей отрицательной молнии через объект на землю протекает ток развивающихся восходящих лидеров, переходящий в ток постоянной составляющей (рис. 8, б), на который накладываются последующие импульсы токов главных разрядов. Ток главного разряда первого импульса через объект не протекает. Это объясняется тем, что даже при

Рис. 8. Типы молний и характерные для них токи

восходящей молнии все последующие вспыш­ки происходят путем развития нисходящих лидеров по каналу разряда, образованному первой вспышкой.

Иногда наблюдаются грозовые разряды с переменой направ­ления прохождения тока, что схематически показано на рис. 8, е. Такой характер процесса объясняется тем, что при развитии грозового разряда подключаются другие участки гро­зового облака, имеющие заряды противоположного знака.

Нисходящие молнии с положительно заряженного облака ха­рактеризуются сравнительно длительным импульсом тока глав­ного разряда (см. рис. 8, г), при котором большая часть заряда облака переносится на землю во время импульса; при таких мол­ниях трудно выделить стадию постоянной составляющей тока.

При восходящих положительных молниях через объект про­текают лишь лидерный ток и постоянная составляющая тока (рис. 8, д), обусловленная стеканием заряда из облака на землю.

Представленные на рис. 8 процессы формирования токов молний различных типов составлены на основе данных, полученных непосредственным измерением токов молний.

При решении проблем молниезащиты и обеспечения молниеустойчивости объектов часто бывает достаточным знать наибо­лее опасные основные параметры тока молнии. Важнейшим из них является максимальное значение тока.

Как уже отмечалось, наибольшие по значению токи в объек­тах, расположенных на земле, при отрицательном заряде облака наблюдаются при нисходящих молниях, причем это токи первых главных разрядов. Ста­тистические данные о значени­ях токов главных разрядов приведены на рис. 9, где по оси ординат отложена вероят­ность Р того, что амплитуда тока равна заданному значе­нию I_м или превышает его. За­висимости 1 и2 построены по данным К. Бергера.

Рис.9. Статистические данные о максимальных значениях токов молний:

1 – по результатам измерений К.Бергера

Следует отметить, что данные, полученные Е. Гарбаньяти и др. [2.11, 2.12], при р