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 10¹⁴ раз. Чтобы лучше ощутить эту огромную цифру, можно привести такое сравнение: мысленно увеличивая радиус атома в 10¹⁴ 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*10¹⁹ 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*10⁹, если заряды представлять в кулонах, а расстояние между ними в метрах. Тогда, учитывая, что q₁ = q₂, получаем

. (1)

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

. (2)

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*10⁹, r =10^-8 см=10^{-10 м, получим:}

/м=1.440.000 кВ /см.

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 см³ 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:

Среднее пробивное поле, кВ/см
		Длина промежутка, м

 

Рис.1

 

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…2х10⁵ 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 1,5·10⁷ до 1,5·10⁸ 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…30·10³ 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~ 50% практически не отличаются от данных К. Бергера.

Из сопоставления зависимостей 1 и 2 на рис. 9 можно сде­лать вывод о том, что при разработке систем обеспечения молниеустойчивости объектов нельзя пренебрегать протеканием через объект токов до нескольких сотен килоампер, обусловлен­ных положительными молниями. Несмотря на то, что положи­тельные молнии наблюдаются в значительно реже, чем отрица­тельные, с вероятностью р~ 1% общего числа поражений воз­можны токи 300-400 кА.

 

 

Рис. 10. Типы молний и характерные для них токи

 

 

 

 

 

 

Литература

1. Базелян Э.М. Осторожно, молния! – М.: Изд-во «Спорт и Культура – 2000», 2012. 160 с.

2. Кужекин И.П., Ларионов В.П., Прохоров Е.Н. Молния и молниезащита. - М.: "Знак", 2003. - 330 с.