Absztrakt villámcsapás - természetes állapotú gázkibocsátás - absztrakt, esszé, jelentés,
7. A golyó villámlásának rejtélye.
7.1 A feldolgozási megfigyelések eredményei.
A gázkibocsátás kifejezést akkor használjuk, amikor azt akarjuk mondani, hogy egy elektromos áram folyik gáz halmazállapotú közegben, a gázok elektromos áramai sok tekintetben sokfélék. Ezek nemcsak nagyságrendben és időtartamon belül különböznek egymástól, hanem a bennük végrehajtott fizikai folyamatokban is, elsősorban azokban a folyamatokban, amelyek felelősek a gáz elektromos vezetőképességéért; az ingyenes töltéshordozók megjelenése. A különbség a mechanizmus a vezetőképesség és fenntartása rögzített, mint a „megjelenése” jelenség (azaz intenzitás, spektrum, térbeli és időbeli eloszlása a sugárzás), és annak elektromos jellemzőit - a külső (áram-feszültség, voltsekundnaya stb ) és belső (az elektromos tér térbeli és időbeli eloszlása, áramsűrűség, térfogat-töltés, elektronion koncentráció stb.).
Tekintettel a gázok ilyen sokféle áramára, ezek szisztematikus vizsgálata megköveteli a besorolást, amelyet természetesen a különféle folyó vagy lényegében előforduló fizikai folyamatok külső (fenomenológiai) jelével folytatnak.
A gázok vezetési áramai független és nem független áramokra oszthatók. Ez a felosztás a gáz fő tulajdonságával függ össze -, hogy a normál állapotban lévő áram nem vezetője legyen. Emiatt a gáz tulajdonságai a vezetési áram előfordulásához szükségesek:
a szabad töltéshordozók (elektronok és ionok) gázban való megjelenése, azaz a vezetőképesség előfordulása;
üzenetet küld az irányított forgalom fuvarozóinak.
Ha egy gázban az elektromos teret ráadásul mindkét funkció olyan mértékben végzi, hogy ahhoz, hogy áramot biztosítsanak, elegendő csak ezt a mezőt támogatni, akkor az ilyen áramot függetlennek nevezik. Olyan esetekben, amikor külső áramforrás szükséges a gáz áramának fenntartásához, és amelynek megszüntetése az áram eltűnéséhez vezet, az áramot nem önfenntartó áramnak nevezik.
A független áramlatokat, mint minden fizikai jelenséget, a dinamika alapvető kritériumának - az idő jelenségének áramlása - a megalapozott és instabil értékek szerint oszthatók fel.
Mert bizonytalan (álló) áramot kell tulajdonítani csak az áramlatok, amelyek teljesítménye nem változik az idő múlásával (i = const), és minden jelenlegi erőssége, amely időben változó tekinthető bizonytalan.
Kényelmesen megkülönböztetni 3 típusú álló gázkibocsátást (áram) az ac áramtól függően:
Townsend. vagy sötét kisülés (a kisütési áram nem magasabb, mint 10 -6 A).
Egy független áram folyik egy homogén vagy gyengén inhomogén területen. Ennek a sűrűségnek a sűrűsége olyan kicsi, hogy nem kíséri észrevehető fény (ezáltal a név); elsősorban alacsony gáznyomás esetén történik.
Glow discharge (kb. 10 -6-10 -1 A áram).
Az elektromos tér a legnagyobb mértékben a katód egy korlátozott tartományában van. Az ilyen típusú mentesítéshez az egyenlőség
Uk a katódpotenciál;
Ui az ionizált gázpotenciál.
Kis nyomás esetén jelentkezik.
Arcáteresztés (kb. 10 -1 A és magasabb)
Az elektromos tér is a legnagyobb feszültséggel bír. De az adott kategória esetében a következő egyenlőtlenség jellemző
Uk -7 mp és még kevésbé.
A független áramlás előfordulásával ellentétes folyamat a gáz eredete ("kioltás"). A reziduális vezetőképesség és a bomlás (gáz-ionizáció) jelensége, valamint a reziduális áramok különféle fajtái (például az ionos kapuk visszirányú áramai) összefüggésben állnak vele. A gázvezeték eltűnése legalább 10 -5 másodpercig tart.
Természetes körülmények között a gázkibocsátás gyakori előfordulás, villám és aurorák alakulnak ki a felső légkörben, nagyon alacsony nyomáson.
3.1. Ionizáció és gázok rekombinációja.
A normál körülmények között működő gázok elektromos semleges atomokból és molekulákból állnak, ezért nem vezetnek villamos energiát. A gáz vezetõvé válik, ha néhány molekulája ionizált, azaz a semleges atomok és molekulák eloszlása pozitív és negatív ionokká és szabad elektronokká - ezeket a gázokat ionizáltnak nevezik. Ionok gázokban mogu4t fordulnak elő az intézkedés alapján ionizálónál (ionizáció aktivátorok) - magas hőmérséklet, X-ray és az UV sugárzás, valamint az ütközési gáz atomok és elektronok és atomi részecskék, stb
Normális körülmények között azonban a gázok, például a levegő elektromos vezetőképességűek, bár nagyon jelentéktelenek. Ezt a vezetőképességet a Föld felszínén jelen lévő radioaktív anyagok sugárzása, valamint a kozmikus sugárzás okozza.
Az elektromos áramok és a gázkibocsátások rendszeres sugárzását csak a 19. század végén indították el. A gázkibocsátás jellegét különböző körülmények között állapították meg. A gázkibocsátás a gázok áramának áthaladása. E jelenségek összetettsége miatt azonban pontos mennyiségi elmélet nem létezik eddig.
A gáz ionizációját, amely az elektronok molekulákból és atomokból történő kinyeréséből származik, úgy hívják, hogy ömlesztett ionizációt alkalmaznak. mert Az ionforrások itt olyan térfogatban vannak elosztva, amely a gázot foglalja el. A térfogati ionizáció mellett felületi ionizáció is létezik. Ezzel az ionizációval az ionok vagy elektronok bejutnak a gázba az edény falaiból, ahol zárt vagy a gázba bevezetett testek felületéről. Például, egy elektron forrás lehet izzótest (elektronemisszió érdekében) vagy fém megvilágított felület ultraibolya és más rövid hullámhosszú elektromágneses sugárzás (fényelektromos hatás).
Annak érdekében, hogy egy molekulát (atomot) elpusztítsanak egy elektronból, szükséges egy bizonyos energiát elfogyasztani. Ennek az energiának a minimális értékét a molekula (atom) ionizációs energiájának nevezik, a különböző anyagok atomjainak értéke 4 25 eV tartományban van.
A gáz ionizációs folyamatával párhuzamosan mindig fordított folyamat van - a rekombináció folyamata: pozitív és negatív ionok és molekulák. Minél több ion jelenik meg az ionizátor hatása alatt, annál intenzívebb a rekombinációs folyamat. A rekombináció eredményeképpen a gáz vezetőképessége eltűnik vagy visszatér eredeti értékéhez.
Amint fent említettük, az atom egy atomból való eltávolítása (egy atom ionizációja) egy bizonyos energia kiadását igényli. Ha egy pozitív ion és egy elektron rekombinálódik, akkor ez az energia szabadul fel. Leggyakrabban fény formájában bocsátják ki, ezért az ionok rekombinációját egy izzó (rekombináció fénye) kíséri. Ha a koncentráció pozitív és negatív ionok magas, és a szám a rekombinációs események előforduló minden második is nagy lesz, és rekombináció lumineszcencia nagy lehet, és a rekombináció lumineszcencia nagyon erős lehet.
Ionizációs egy külső ionizátor figyelembe véve csak abban az esetben egy viszonylag gyenge elektromos mező, a kinetikus energia angolna, felhalmozott elektron (vagy ion) a szabad úthossz L kisebb, mint az ionizációs energia Ei
Az Ek érték növekszik a nyomás növelésével. A kritikus térerősség és az adott gáz gáznyomásának p aránya továbbra is közelít a nyomásváltozások széles tartományához: Ek / p const. (Ez a törvény a Townsend segítségével igazolható).
Minél nagyobb a feszültségnövekedés, annál nagyobb a C kapacitás az elektródák között. Ezért a kondenzátor párhuzamos befogása a kisülési hézaggal növeli a két egymást követő szikra közötti időt, és a szikrák maguk is erősebbek lesznek. Egy nagy elektromos töltés áthalad a szikracsatornán, ezért az aktuális impulzus amplitúdója és időtartama megnő. Nagy C kapacitással a szikracsatorna fényesen világít és szélessávú megjelenésű. Ugyanez történik az áramforrás növelése esetén is. Aztán egy kondenzált szikramentesítésről vagy egy kondenzált szikraről beszélünk. Az impulzus maximális áramerőssége, szikrakibocsátással, széles határok között változik, a kiáramlási áramkör paramétereitől és a kisülési rés körülményeitől függően, több száz kilowatt elérve. A forrás teljesítményének további növelésével a szikrafolyás áthalad az ívkisülésbe.
Az áramimpulzusnak a szikracsatornán történő áthaladása következtében nagy mennyiségű energiát szabadít fel a csatorna (0,1-1 J sorrendben a csatorna hossza minden centiméterére). Az energia kibocsátásával a környező gázban a nyomás hirtelen megnövekedése hengeres lökéshullám kialakulásával jár. a hőmérséklet, amelynek előlapján
10 4 K. A szikracsatornának gyors növekedése van, a gáz atomok hősebességének sorrendjével. Ahogy a lökéshullám mozog, az elülső hõmérséklet elkezd csökkenni, és maga az elülsõ magasság is elszakad a csatorna határtól. A lökéshullámok megjelenése megmagyarázza a szikramentesítést kísérő hanghatásokat: a gyenge kiáramlások jellemző karakterisztikája és erős villámcsapások.
A csatorna létezésének idején, különösen nagy nyomáson, a szikrakiürítés fényesebb ragyogása figyelhető meg. A fény világossága nem egységes a csatorna keresztmetszete mentén, és a középpontban maximum van.
Tekintsük a szikrakiömlés mechanizmusát.
Jelenleg a szikramentesítés ún. Streamer-elmélete általánosan elfogadott. közvetlen kísérletekkel igazolták. Minőségi szempontból ez magyarázza a szikramentesítés főbb jellemzőit, bár mennyiségi szempontból nem tekinthető teljesnek. Ha egy elektron lavina felmerült a katód közelében, akkor a molekulák és gázatomok ionizációja és gerjesztése halad az útján. Lényeges, hogy a gerjesztett atomok és molekulák által kibocsátott fénykvantumok, amelyek a fénysebességgel az anódhoz terjednek, önmagukban a gáz ionizációját eredményezik, és előidéznek az első elektrontartományt. Ilyen módon a gáz teljes térfogatában gyengén ragaszkodnak az ionizált gáz klaszterekhez - szivernek nevezik. Fejlesztése során az egyéni elektronikus lavina felzárkózik egymással, és összeolvasztva egy jól vezető hídot képez a szalagokból. Ezért egy későbbi időpontban egy szikramentesítő csatornát létrehozó erős elektronáram folyik. Mivel a vezetőhíd szinte egyidejűleg bekövetkező szalagok összevonása eredményeképpen alakul ki, a kialakulásának ideje sokkal kisebb, mint az a idő, amelyet egy külön elektron-lavina szükséges ahhoz, hogy a katódtól az anódig terjedjen. A negatív szalagokkal együtt. azaz a katódról az anódra terjedő szalagok, vannak pozitív szalagok is. amelyek az ellenkező irányba terjednek.
A villámlás történelmi nézetei.
A villám és a mennydörgés kezdetben az emberek által az istenek akaratának kifejezése, és különösen az Isten haragjának megnyilvánulása volt. Ugyanakkor a kíváncsi emberi elme régóta megpróbálja megérteni a villám és a mennydörgés természetét, hogy megértsék a természetes okokat. Az ókorban Arisztotelész tükrözte ezt. A villámlás természetét Lucretius tükrözte. Nagyon naiv, elképzelni, hogy megpróbálja megmagyarázni a mennydörgést azzal a következménnyel, hogy "a felhők kopognak le a szél támadásai alatt".
Sok században, köztük a középkorban, azt hitték, hogy a villám - egy tüzes gőz, a vízgőzfelhőkbe szorítva. Kibővítve, a leggyengébb helyen szétzúzza őket, és gyorsan az aljára, a föld felszínére rohan.
1752-ben Benjamin Franklin kísérletileg bizonyította, hogy a villám erős elektromos kisülés. A tudós egy híres kísérletet tett egy kite-vel, amely a levegőbe került, amikor a vihar közeledett.
Tapasztalat: A kígyó kereszténél egy hegyes drótot rögzítettek, a kulcsot és a kötél végéhez kötött selyemszalagot, amelyet kezével tartott. Amint a mennydörgés a kígyó felett volt, az élesített vezeték elkezdett elektromos töltést kivonni, az olvadék az elektromágneses villamossal együtt villamossá vált. Miután az eső nedvesíti a kígyót a zsineggel, így szabadon végezhet el elektromos töltést, megfigyelheti, hogy az elektromos töltés "lecsapódik" az ujj közeledtével.
Egyidejűleg Franklin tanulmányával a villám elektromos jellege miatt az MV-t bevonták. Lomonosov és GV Richman.
A 18. század közepén végzett kutatásuknak köszönhetően a villám elektromos jellege bizonyult. Ettől az időtől világossá vált, hogy a villám erőteljes elektromos kisülés, amely akkor következik be, amikor a felhők eléggé elektromosan vannak felmelegítve.
A legtöbb villám a felhő és a föld felszíne között keletkezik, azonban vannak olyan villámcsapások, amelyek a felhők között keletkeznek. Mindezeket a villámokat lineárisnak hívják. Egyetlen lineáris villám hossza kilométerben mérhető. (Egy lineáris villám megszerezhető mesterségesen - egy csúszó kisülés.)
Egy másik típusú villám szalagos villám. A következő kép olyan, mintha több közel azonos vonalú villámcsapás tolódott volna egymáshoz képest.
Megfigyelték, hogy egyes esetekben a villámcsapás különálló szent helyszínekre bomlik, néhány tíz méter hosszúságban. Ez a jelenség kapta a villámcsapot. Szerint Malan (1961), ez a fajta villám magyarázata alapján az elhúzódó mentesítés, amely után a lumineszcens tűnik élénkebb azon a helyen, ahol a csatorna van hajlítva az irányt a megfigyelő megfigyelése a végét is. És Hume (1962) úgy vélte, hogy ezt a jelenséget a "ping-effektus" példájaként kell tekinteni, amely a kisülési oszlop sugarának periódusos változásával párhuzamosan többszörös mikrométeres periódusban áll.
A lineáris villám fizikája
A lineáris villám egy pár impulzus, amely gyorsan követi egymást. Minden impulzus a felhő és a föld közötti légrés, amely szikramentesítésként jelentkezik. Az elején megfontoljuk az első impulzust. A fejlõdésnek két fázisa van: elõször a felhõ és a föld között egy kisülõcsatorna keletkezik, majd a fõ áramimpulzus gyorsan átjut a kialakult csatornán.
Az első szakasz (a kisülési csatorna kialakulása) a 3. ábrán látható. Mindez a felhő alsó részében igen nagy intenzitású elektromos tér kialakulásával kezdődik - 10 5 ... 10 6 V / m.
A szabad elektronok óriási gyorsulást kapnak ezen a területen. Ezek a gyorsulások lefelé irányulnak, mivel a felhő alsó része negatív töltésű, és a föld felszíne pozitív. Az első ütközéstől a másikig az elektronok jelentős kinetikus energiát nyernek. Ezért, amikor atomokkal vagy molekulákkal ütköznek, ionizálják őket. Ennek eredményeként létrejövő új (másodlagos) elektronok keletkeznek, amelyek viszont felgyorsulnak a felhő területén, majd ütközéskor új atomokat és molekulákat ionizálnak. A felhő legmagasabb részén, a plazma "szálak" - egy szalag, a gyors elektronok lavinái vannak.
Összekapcsolva egymással, a szalagok plazmacsatornát hoznak létre