Для школьников.
Природу искрового разряда, условия его возникновения разберём, рассмотрев установку, состоящую из электрической машины (электростатического генератора), конденсаторов, электрометра.
Электроды в виде шариков (шариковые электроды) подсоединены к батарее конденсаторов, заряжающихся от электростатического генератора. На один шарик подаётся положительный заряд, на другой - отрицательный, то есть в пространстве между шариковыми электродами существует разность потенциалов - электрическое поле, характеризующееся напряжением (разностью потенциалов) и связанной с ним напряжённостью (см. Занятие 50).
Скажем основное об электростатическом генераторе, которым широко пользуются в школах и других учебных заведениях.
Электростатический генератор состоит из двух соосных дисков, выполненных из диэлектрического материала. С помощью ручки диски вращаются в противоположных направлениях. Если есть трение, то диски электризуются. Но главную роль в генерировании и разделении зарядов (в превращении механической энергии в электрическую) играет явление электростатической индукции. Наведённые заряды появляются на проводящих секторах, нанесённых на диэлектрические диски, при вращении дисков. Электростатический генератор позволяет получать очень высокое напряжение между шариковыми электродами.
Вернёмся к первому рисунку.
Опыты показывают, что при напряжённости электростатического поля около 3 МВ/м (или 30 кВ/см) между электродами проскакивает электрическая искра (наблюдается искровой разряд или искровой пробой воздуха).
Напряжение, при котором происходит искровой разряд называется напряжением пробоя.
При этом напряжении воздух (газ) скачком теряет свои диэлектрические свойства, становясь проводником. Между электродами проходит электрический ток (возникает ионная лавина). Почему она возникает? Объясняется это следующим.
В воздухе (газе) всегда есть некоторое количество электронов и ионов, которые в электрическом поле между электродами приходят в движение. Но их очень мало, и при малом напряжении между электродами тока практически нет, газ остаётся диэлектриком. Ионы и электроны при своём движении, конечно, сталкиваются с нейтральными молекулами газа, но это столкновение будет упругим.
При большом напряжении между электродами (напряжении пробоя) электроны и ионы получают такие энергии, что способны при ударе ионизовать нейтральные молекулы газа.
Происходит ударная ионизация, в результате которой количество электронов и ионов очень быстро (как ионная лавина) растёт - между электродами образуется кратковременный импульс тока большой силы - газ становится хорошим проводником.
Следующие два рисунка демонстрируют образование "ионной лавины".
Свободный электрон 1 при соударении с нейтральной молекулой расщепляет её на электрон 2 и свободный положительный ион. Электроны 1 и 2 при дальнейшем соударении с нейтральными молекулами снова расщепляют их на электроны и положительные ионы и т. д.
На этом рисунке показано образование ионной лавины при соударении положительных ионов с нейтральными молекулами.
Процесс образования свободных электронов и ионов усиливает сам себя, и ионизация в газе идёт очень быстро.
Образование ионной лавины и есть процесс искрового пробоя.
Искровой пробой сопровождается характерным треском. Это звуковые волны, которые возникают при внезапном расширении нагретого до высокой температуры газа.
То же самое происходит при искровом разряде статического электричества, например, при снятии шерстяной или синтетической одежды в темноте мы видим искорки и слышим треск.
Молния - это искровой разряд огромной мощности в атмосфере, происходящий между сильно наэлектризованными грозовыми облаками, заряженными противоположными знаками.
Причиной электризации грозовых облаков является трение между каплями и льдинками, из которых состоят облака. Эти частички находятся в постоянном движении, поднимаясь от Земли потоком тёплого воздуха.
Молнии ударяют и в Землю. Это происходит, когда заряженное грозовое облако индуцирует на поверхности Земли заряды противоположного знака. Когда напряжение электрического поля между облаком и Землёй станет достаточно большим, то происходит пробой - молния ударяет в Землю. Из - за очень высокой температуры воздух канала молнии сильно расширяется - возникает звуковая волна (гром).
Как защититься от молнии? Для защиты зданий от попадания молнии ставят громоотводы (молниеотводы).
Молниеотвод представляет собой тонкий металлический стержень (или проволоку), заострённый на одном конце, который укрепляется выше самой высокой точки здания. Другой конец молниеотвода заземлён (припаян к металлическому листу, закопанному в землю на уровне подземных вод).
Посмотрим, как молниеотвод способствует отведению молнии.
Во время грозы на Земле возникают индукционные заряды - образуется сильное электрическое поле между грозовым заряженным облаком и Землёй. Особенно сильное поле создаётся вблизи острых возвышающихся проводящих предметов, в том числе и вблизи заострённого конца молниеотвода, сопровождающееся ионизацией молекул воздуха.
Ионы противоположного знака (знаку заряда, индуцированного на острие) притягиваются к проводнику молниеотвода и уходят в землю. Ионы же одного знака с зарядом острия отталкиваются от острия, увлекая за собой нейтральные молекулы воздуха.
Создаётся ощущение движения газа, названного электрическим ветром. Заряд проводника уменьшается, он как бы стекает с острия. В результате угроза удара молнии в остриё проводника уменьшается. Если молния всё же ударит в остриё, то заряд уйдёт в Землю, не причинив вреда зданию.
Как человеку уберечься от молнии?
Если во время грозы окажемся на улице, то не надо находиться вблизи металлических предметов и возвышающихся предметов. Надо отключить мобильную связь, так как электромагнитные волны притягивают молнию. Не надо продолжать движение на велосипеде, мотоцикле. Следует отойти от них подальше. Находясь в машине во время грозы, следует отключить радиоприёмник, антенну, мобильник. Не надо открывать дверь, так как индукционные заряды распределяются по внешней поверхности проводника.
Здоровью человека вредят и статические заряды, возникающие на теле при контакте и работе с диэлектрическими материалами, например, при длительной работе с сыпучими материалами на пластиковых столах.
На предприятиях принимаются меры для уменьшения статического электричества. Заземляют рабочие столы, оборудование (в землю уходят и положительные, и отрицательные заряды). Делают проводящие полы и коврики, повышают влажность воздуха, применяют одежду из хлопка и принимают другие меры.
Итак, искровой разряд или искровой пробой диэлектрика - это процесс образования ионной лавины, образование кратковременного импульса тока большой силы. Происходит искровой разряд при определённом значении напряжённости электрического поля. Быстрый сильный нагрев газа приводит к резкому повышению его давления и сопровождается звуковыми явлениями, от слабого треска при искре малой мощности до грома, сопровождающего молнию.
К.В. Рулёва, к. ф.-м. н., доцент. Подписывайтесь на канал. Ставьте лайки. Спасибо.
Предыдущая запись: Почему, находясь в электрическом поле Земли, мы не ощущаем его?
Следующая запись: Занятие 51. Почему диэлектрик ослабляет внутри себя внешнее электрическое поле? Поляризация диэлектриков.
Ссылки на занятия до электростатики даны в Занятии 1.
Ссылки на занятия (начиная с электростатики) даны в конце Занятии 45.
