С.Г. Калашников - Электричество (1115533), страница 84
Текст из файла (страница 84)
Молния Молния представляет собой гигантскую электрическую искру. Электрическая природа молнии была впервые доказана известными опытами Франклина с воздушным змеем и многочисленными исследованиями М.В. Ломоносова и Рихмана. Наблюдая за показаниями электроскопа, соединенного с высоким металлическим шестом, Ломоносов обнаружил, что электрическое поле у поверхности земли существует и в отсутствие грозы, сильно увеличиваясь в предгрозовые периоды Он создал первую теорию возникновения электрических зарядов в атмосфере, указав на важную роль восходящих и нисходящих потоков воздуха, и этим положил начало науке об атмосферном электричестве Молнии возникают либо между облаками, либо между облаком и землей. Сила тока в молнии огромна н колеблется обычно от 10 до 1000 кА, а напряжение между облаком и землей перед возникновением молнии достигает 10з- 10э В.
Длительность отдельного разряда молнии очень мала, порядка микросекунды. Поэтому общий заряд, переносимый отдельной молнией, обычно невелик (0,1-10 Кл). Очень часто молния представляет собой ряд искровых рырядов, следующих друг за другом по одному пути (кратные молнии). Число таких разрядов может достигать нескольких десятков, а общая длительность молнии — 1 с. Особенно интересные результаты получаются при фотографировании молнии камерой с враща7ощимся объективом.
Подобные фотографии позволяют проследить за последовательными стадиями развития молнии. Они показывают, что молнии предшествует развятне слабо светящегося канала — лидера, распространяющегося обычно от облака к земле и аналогичного стрнмеру Я 172) в коротких лабораторных искрах. Когда лидер достигает земли, по пути, пробитому лидером, устремляются большие заряды и развивается ярко светящийся главный канал молнии, распространяющийся с огромной скоростью 10— 7 — 10з м/с от земли к облаку. При этом происходит сильное разогревзлие воздуха в главном канале и возникает ударная звуковая волна — гром. Хотя основные процессы в молнии, по-видимому, такие же, как в коротких лабораторных искрах, особенности развития обоих типов разрядов все же несколько различны.
Это видно, например, из следующего любопытного факта. Как говорилось вьппе (~ 172), искровой разряд (короткий) в воздухе при нор- 403 ДУГОВОЙ РАЗРЯД 1 175 мзльных условиях возникает при напряженности поля Е„= = 3000 кВ/м. Многочисленные же измерения напряженности поля в атмосфере показывают, что даже во время грозы она значительно меньше и не превышает 200 — 400 кВ/м. Такое снижение пробойной напряженности поля наблюдается и в очень длинных лабораторных искрах (длиной до 10 м).
Оно объясняется, по-видимому, тем, что в очень длинных разрядных промежутках могут возникать случайные большие местные усиления электрического поля, в которых и зарождаются стримеры искрового разряда. Кроме обычных молний, наблюдаются, хотя и редко, так называемые шаровые молнии. Они имеют вид светящихся шаров диаметром 10 — 20 см, которые либо медленно движутся, либо прикрепляются к неподвижным предметам. Шаровые молнии зарождаются обычно при ударе очень сильных молний и через несколько секунд, а иногда и минут, исчезают с сильным взрывом. Сущность этого явления окончательно еще не понята. 8 175. Дуговой разряд Если после зажигания искрового разряда постепенно уменьшать сопротивление цепи, то сила тока в искре будет увеличиваться. Когда сопротивление цепи станет достаточно малым, возникает новая форма газового разряда, называемая дуговым разрядом.
При этом сила тока резко увеличивается, достигая десятков и сотен ампер, а напряжение на разрядном промежутке уменьшается до нескольких десятков вольт. Это показывает, что в разряде возникают новые процессы, сообщающие газу очень большую проводимость.
Дуговой разряд можно получить, минуя стадию искры Профессор физики Петербург ской медико-хирургической академии В В Петров, открывший в 1802 г эту важную форму газового разряда, получил электрическую дугу, раздвигая два кусочка древесного угля, предварительно приведенные в соприкосновение и присоединенные к мощной батарее гальванических элементов Он обнаружил, что при этом между концами углей возникает ярко светящийся столб газа„а сами угли раскаляются до ослепительного свечения В настоящее время электрическую дугу, горящую при атмосферном давлении, чаще всего получают между специальными угольными электродами, изготовленными прессованием порошкообразного графита и связующих веществ (дуговые угли).
Фотография подобной дуги приведена на рис. 300. Наиболее горячим местом дуги является углубление, образующееся на положительном электроде и называемое кратером дуги. Его температура при атмосферном давлении равна около 4000 К, а при давлении в 20 атм превышает 7000 К, т.е. больше температуры внешней поверхности Солнца ~примерно б000 К). 404 гл хл РЛЗРЯДЫ В ГЛЗАХ Что же является основной причиной большой злектропроводности газа в дуговом разряце? Установлено, что хорошая электропроводность дуги поддерживается за счет высокой температуры отрицательного электрода из-за интенсивной термоэлектронной эмиссии. Это хорошо подтверждается тем фактом, что во многих случаях устойчивую дугу можно получить только при условии, что катод имеет высокую температуру, температура же анода не имеет существенного значения.
Так, например, если одним из электродов дуги сделать угольный стержень, а другим — массивную, хорошо охлажцагощуюся медную пластину и перемещать угольный стержень возле пластины (чтобы она не могла разог реться), то устойчивая дуга возникает только при отрицательном угле. Если же отрицательным полюсом служит пластина, то дуга периодически зажигается и снова гаснет, а получить ее устойчивое горение нельзя. Дуговой разряд возникает во всех случаях, когда вследствие разогревания катода основной причиной ионизации газа становится терРис 300 Фотография дугового разряда между угольными электродами пр моэлектронная эмиссия.
Так, атмосферном давлении например, в тлеющем раз- ряде положительные ионы, бомбардирующие катод, не только вызывают вторичную эмиссию электронов, но и нагревают катод Поэтому если увеличивать силу тока в тлеющем разряде, то температура катода увеличивается,и когда она достигает такой величины,что начинается заметная термозлектронная эмиссия, тлеющий разряд переходит в дуговой. При этом исчезает н катодное падение потенциала.
Дуговой разряд мы получим и в том случае, если введем в разреженный гвз в качестве катода металлическую спираль, раскаливаемую током. Наряду с рассмотренными выше термоэлектронными дугами наблюдаются и дуговые разряды другого типа. Примером может служить дуговой разряд в так называемой ртутной дуговой лампе, изображенной на рис. 301. Такая лампа предварительно откачивается и электрическая дуга в ней возникает в 1 175 ДУГОВОЙ РАЗРЯД ртутном паре. Электродами же являются столбики жидкой ртути. Так как температура электродов в этом случае не превышает немногих сотен градусов, то и термоэлектронная эмиссия здесь не может играть заметной роли. Отметим, что дуга, горящая в ртутном паре, является мощным источником ультрафиолетовых лучей.
Поэтому ртутные лампы широко применяются в медицине (аискусственное горное солнце» ) и в научных исследованиях, а баллоны таких ламп делают из кварца или специальных сортов стекла, хорошо пропускающих ультрафиолетовое излучение. Нх Многочисленные исследования электрических дуг с холодными электродами показывают, что источником мощной электронной эмиссии с катода является небольшое., ярко светящееся и непрерывно движущееся пятнышко на катоде, всегда возникающее в подобных дугах (каглвдное пятно). Плотность тока в катодном пятне огромна и может достигать 10'о — 10'1 А,1м~. Причина образования катодного пятна заключается в сильном увеличении концентрации положительных ионов у катода, которое создает очень сильное местное электРическое поле, вызы- Ря, За1 С„с„а вающее мощную автоэлектронную эмиссию устройства ртутной Я 1бб).
Поэтому электрические дуги с хо- дуговой лампы лодными катодами иногда называются автпоэлекглрокн»»А»и ддгвА»и. Катодное пятно может возникнуть не только у поверхности ртути, но и у любого металлического твердого электрода Применения дугового разряда. Электрическая дуга является мощным источником света н широко применяется в проекционных (кино), прожекторных и других установках. Расходуемая ею удельная мощность меньше, чем у ламп накаливания. В качестве источников света употребляют также дуговые лампы высокого давления Дуговой разряд в этих лампах происходит в парах ртути или же в инертном газе при высоком давлении (десятки атмосфер).
Зажигание дуги производится разрядом от источника высокого напряжения с помощью третьего электрода. Вследствие высокой температуры дуги ее применяют для сварки и резания металлов. Высокую температуру дуги используют также прн устройстве дуговых электрических печей, играющих важную роль в современной электрометаллургни 406 РАЗРЯДЫ В ГАЗАХ ГЛ ХЧ! Автоэлектронные дуги с ртутным катодом применяют для выпрямления переменного электрического тока. Схема устройства ртутного выпрямителя и его включение показаны на рис. 302.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
