Изучение электрического разряда является одной из первых проблем, которыми занималась Российская Академия наук. На базе работ Ломоносова , Рихмана и других ученых блестящая плеяда русских исследователей - во главе с академиком В. В. Петровым, П. Н. Яблочковым. А. Н. Лодыгиным, В. Н. Чиколевым, Н. Н. Бенардосом, Н. Г. Славяновым, А. С. Поповым развила учение об электрических явлениях и использовала их для практических нужд.
Среди этих явлений существенную роль играла электрическая дуга, получившая широкое распространение в качестве мощного источника света и применяемая для об работки металлов.
Электрический разряд, используемый в современной электротехнике, имеет различные формы и может происходить в газообразных, жидких и твердых средах. В зависимости от физических и химических характеристик среды, разряды имеют различные электрические параметры и свои особенности развития.
Основными электрическими характеристиками разряда являются протекающий вдоль его канала ток и распределение напряжения, а также полное напряжение на электродах , при котором образуется разряд, различают высоковольтный разряд с напряжением на электродах в тысячи и миллионы вольт и низковольтный, который образуется при напряжении в сотни вольт. Токи, протекающие через канал разряда, колеблются в широких пределах от тысячных долей ампера до сотен тысяч ампер.
Молния и искра изучались одновременно. Сведения, полученные при изучении одного из этих явлений, помогали затем пониманию процессов, происходящих в другом.
Первые исследования, которые пролили свет на механизм образования длинных искр, связаны с изучением грозовых разрядов. При помощи специальной аппаратуры регистрировались многочисленные молнии, анализ которых позволил выяснить общую картину развития грозовых, разрядов.
Начавшееся после того углубленное изучение искры позволило обнаружить некоторые новые стороны ее образования, что, в свою очередь, заставило начать поиски этих явлений у грозовых разрядов. Так развивалось учение о молнии, расширяя наше представление об электрических процессах в атмосфере и вообще об электричестве.
Широкое распространение грозозащитных устройств в народном хозяйстве требует все более и более достоверных сведений о физических процессах, протекающих в молнии. Добывать эти сведения путем изучения молнии - очень сложно, дорого и длительно.
На помощь приходят установки, создающие искусственные молнии. В таких исследованиях природная молния заменяется лабораторными разрядами. При разрядах важно установить подобие физических процессов в искре и молнии.
Если модель воспроизводит молнию в геометрическом отношении, - этого недостаточно. Нужно, чтобы в модели и процессы протекали подобно процессам в молнии - как в пространстве, так и во времени.
Лабораторное моделирование молнии дает возможность производить неограниченное число разрядов при произвольном изменении условий развития.
Однако продолжительность лабораторных разрядов в сотни и тысячи раз меньшая, нежели продолжительность молнии. Это означает, что при одинаковых скоростях развития отдельных стадий искры, время их образования в сотни и тысячи раз соответственно уменьшается по сравнению с временем развития тех же стадий у молнии.
Таким образом, исследования модели молнии связаны со значительными экспериментальными трудностями.
Генератор искусственных молний
Характерной особенностью молнии является ее стремительное развитие и громадная электрическая мощность при кратковременном действии.
Энергия есть произведение мощности на время, поэтому, имея в распоряжении ограниченные запасы электрической энергии, можно получать в течение малых промежутков времени весьма большие мощности.
Реализация этой идеи возможна с помощью устройства, называемого конденсатором.
В принципе устройство конденсатора крайне простое: два металлических тела например, плоские металлические пластины, расположенные параллельно друг другу, разделены слоем какого-либо изолятора, например воздуха или стекла.
Противоположные заряды (плюс и минус) размещаются один против другого на пластинах. Чем больше поверхность пластины и тоньше слой стекла, тем больше заряд, запасаемый конденсатором. Так же как вместимость бочки оценивается ее объемом, так и способность конденсатора запасать электрический заряд определяется его емкостью, измеряемой фарадами.
Конденсатор обладает замечательной особенностью:
- запасаемый в нем электрический заряд можно накапливать небольшими порциями, в течение длительного времени;
- при необходимости же использовать электричество, разрядить конденсатор можно весьма быстро.
Эти замечательные свойство конденсатора широко используются в электротехнике.
Во многих лабораториях существуют генераторы импульсных напряжений (сокращенно ГИН), построенные на миллионы вольт. ГИН с наибольшим напряжением был сооружен на открытом участке в Харьковском электротехническом институте.
Оригинальная конструкция ГИНа осуществлена в лаборатории высоковольтного газового разряда Энергетического института им. Г. М. Кржижановского. Генератор укреплен на высоте около 26 метров и состоит из 33 конденсаторов, заряжаемых от источника постоянного напряжения. Все конденсаторы одновременно параллельно заряжаются до некоторого напряжения, после чего автоматически происходит их последовательное соединение. Общее напряжение ГИН становится равным сумме напряжений всех конденсаторов и достигает 3 миллионов вольт.
Суммарное напряжение прикладывается к разрядному промежутку, который может иметь различную конструкцию. Для получения искусственной молнии применяется промежуток, одним из электродов которого служит вертикально расположенный стержень, присоединенный к ГИН, а другим - плоскость, лежащая на полу лаборатории и имеющая хорошее заземление.
ГИН дает возможность получать многометровые искры и повторять их неограниченное число раз. Так решается одна часть задачи. Другая, более сложная, состоит в анализе процесса развития искры. А процесс этот весьма многогранен. В сложных зависимостях находятся ток, напряжение, мощность (изменяющие свои значения в доли микросекунды), скорость развития искры, энергия разряда и другие факторы. Поэтому для охвата всей картины необходимы оптические и электрические экспериментальные методы. А для этого нужно было создать новую, особую измерительную аппаратуру.