7. Scarica di scintille

La scarica di scintille, a differenza di altri tipi di scarica, è intermittente anche quando si utilizza una sorgente di tensione costante. In apparenza, la scarica di scintille è un fascio di strisce luminose a zigzag, che si sostituiscono costantemente l'una con l'altra. Strisce luminose - canali di scintilla - si propagano da entrambi gli elettrodi. Il gap di scarica nel caso di una scintilla è disomogeneo, quindi uno studio quantitativo dei processi in una scarica di scintilla è difficile. Uno dei metodi principali per studiare una scarica di scintille è la fotografia.

Il potenziale di accensione della scarica di scintille è molto alto. Tuttavia, quando il divario è già rotto, la sua resistenza diminuisce drasticamente e una corrente significativa passa attraverso il divario. Se la potenza della sorgente è bassa, la scarica si interrompe. Successivamente, la tensione attraverso lo spazio di scarica aumenta di nuovo e la scarica può nuovamente accendersi. Questo processo è chiamato oscillazioni di rilassamento della scarica. Se lo spazio di scarica ha una grande capacità, i canali delle scintille si illuminano intensamente e danno l'impressione di bande larghe. Questa è una scarica di scintilla condensata.

Se c'è qualche ostacolo tra gli elettrodi, la scintilla lo attraversa, formando un foro più o meno stretto. È stato riscontrato che la temperatura del gas nel canale della scintilla può salire a valori molto elevati (10.000–12.000 K). La formazione di regioni di alta pressione e il loro movimento nel gas sono di natura esplosiva e sono accompagnate da effetti sonori. Potrebbe trattarsi di un leggero crepitio (con leggere sovrappressioni) o tuono.

Un tipo speciale di scarica di scintille è una scarica scorrevole che si verifica lungo l'interfaccia di un dielettrico solido e gas attorno a un elettrodo metallico (punto) che tocca questa superficie. Se una lastra fotografica viene utilizzata come dielettrico, questa immagine può essere resa visibile agli occhi. I contorni ottenuti per mezzo di una scarica di scintille sulla superficie di un dielettrico sono detti figure di Lichtenberg. Le figure di Lichtenberg possono servire per determinare la polarità della scarica e per determinare l'alta tensione, poiché la tensione massima dell'impulso di scarica è direttamente proporzionale al raggio della superficie che la figura occupa. Gli strumenti per la misura di tensioni molto elevate - i clinodografi - si basano su questo principio. Se la distanza tra gli elettrodi è piccola, la scarica della scintilla è accompagnata dalla distruzione dell'anodo - erosione. Questo effetto viene utilizzato per la saldatura a punti e il taglio di metalli.

Sulla base di numerose osservazioni di una scarica di scintille nel 1940, Meek e, indipendentemente da lui, Reter hanno avanzato una teoria di una scarica di scintille, che è stata chiamata teoria dello streamer. Uno streamer è una regione altamente ionizzata di gas che si propaga verso il catodo (streamer positivo) o verso l'anodo (streamer negativo). La teoria dello streamer è una teoria della rottura da valanga singola. Secondo questa teoria, una valanga di elettroni passa tra gli elettrodi. Dopo essere passati attraverso la valanga, gli elettroni raggiungono l'anodo e gli ioni positivi, avendo velocità molto più basse, formano uno spazio ionizzato a forma di cono. La densità degli ioni in questo spazio è insufficiente per la rottura. Tuttavia, sotto l'azione dei fotoelettroni, sorgono ulteriori valanghe. Queste valanghe si sposteranno verso il tronco della valanga principale se il suo campo di carica spaziale è commisurato alla tensione applicata. Pertanto, la carica spaziale aumenta continuamente e il processo si sviluppa come uno streamer autopropagante. Quando la tensione applicata attraverso il gap di scarica supera il valore minimo di rottura, il campo di carica spaziale formato dalla valanga sarà paragonabile all'entità del campo esterno anche prima che la valanga raggiunga l'anodo. In questo caso, gli streamer appaiono nel mezzo del divario. Pertanto, per la comparsa di uno streamer, devono essere soddisfatte due condizioni principali: 1) il campo di valanghe e il campo creato dalla tensione applicata agli elettrodi devono essere in un certo rapporto e 2) il fronte di valanga deve emettere un numero sufficiente di fotoni per mantenere e sviluppare lo streamer.

Con una fonte di energia elevata, la scarica di scintille si trasforma in una scarica ad arco. I fulmini appartengono anche alle scariche di scintille. In questo caso, un elettrodo è la nuvola e l'altro è la terra. La tensione nei fulmini raggiunge milioni di volt e la corrente raggiunge centinaia di kiloampere. La carica trasportata dal fulmine è solitamente di 10-30 coulomb e in alcuni casi raggiunge i 300 coulomb.

Attacchiamo gli elettrodi a sfera al banco di condensatori (Fig. 151) e iniziamo a caricare i condensatori usando una macchina elettrica. Quando i condensatori sono carichi, la differenza di potenziale tra gli elettrodi aumenterà e, di conseguenza, aumenterà anche l'intensità di campo nel gas. Finché l'intensità del campo è bassa, non si possono vedere cambiamenti nel gas. Tuttavia, a un'intensità di campo sufficientemente elevata (circa 3 MV/m), appare una scintilla elettrica tra gli elettrodi, che ha la forma di un canale tortuoso brillantemente luminoso che collega entrambi gli elettrodi. Il gas vicino alla scintilla viene riscaldato a una temperatura elevata e si espande improvvisamente, provocando onde sonore e sentiamo un caratteristico crepitio. I condensatori in questa configurazione sono lì per rendere la scintilla più potente.

Riso. 151. Se l'intensità del campo nell'aria raggiunge circa 3 MV / m, si verifica un'interruzione elettrica del gas e si verifica una scintilla elettrica

La forma descritta di scarica di gas è chiamata scarica di scintille o rottura di scintille di gas. Quando si verifica una scarica di scintille, il gas perde improvvisamente, bruscamente, le sue proprietà dielettriche e diventa un buon conduttore. L'intensità del campo a cui si verifica la rottura della scintilla di un gas ha un valore diverso per i diversi gas e dipende dal loro stato (pressione, temperatura).

Per una data tensione tra gli elettrodi, l'intensità del campo è minore, più gli elettrodi sono lontani l'uno dall'altro. Pertanto, maggiore è la distanza tra gli elettrodi, maggiore è la tensione tra di loro necessaria per l'inizio di una scarica di scintille del gas. Questa tensione è chiamata tensione di rottura.

Sapendo come la tensione di rottura dipenda dalla distanza tra gli elettrodi di qualsiasi forma particolare, è possibile misurare la tensione sconosciuta lungo la lunghezza massima della scintilla. Questa è la base per il dispositivo di un voltmetro a scintilla (Fig. 152), che è conveniente per una stima approssimativa delle alte tensioni (ad esempio, nelle installazioni a raggi X). È costituito da due sfere metalliche isolate, una delle quali può muoversi agevolmente. Le sfere sono collegate alla sorgente di cui vogliono misurare la tensione e vengono unite fino a quando non si verifica una scintilla. Misurando la distanza tra le sfere e la tensione corrispondente alla quale si verifica la rottura, vengono compilate tabelle speciali, con l'aiuto delle quali viene quindi determinata la tensione lungo la lunghezza della scintilla. Ad esempio, segnaliamo che a una distanza di 0,5 cm tra sfere con un diametro di 5 cm, la tensione di rottura è di 17,5 kV e a una distanza di 5 cm - circa 100 kV.

Riso. 152. Voltmetro a scintilla

Il verificarsi del guasto è spiegato come segue. C'è sempre un certo numero di ioni ed elettroni in un gas, derivanti da cause casuali. Di solito, però, il loro numero è così piccolo che il gas praticamente non conduce elettricità. A intensità di campo relativamente basse, che incontriamo nello studio della conduttività non autosostenuta dei gas, le collisioni di ioni che si muovono in un campo elettrico con molecole di gas neutre si verificano allo stesso modo delle collisioni di sfere elastiche. Ad ogni collisione, la particella in movimento trasferisce parte della sua energia cinetica alla particella a riposo ed entrambe le particelle si separano dopo la collisione, ma in esse non si verificano cambiamenti interni. Tuttavia, con un'intensità di campo sufficiente, l'energia cinetica accumulata dallo ione nell'intervallo tra due collisioni può diventare sufficiente per ionizzare la molecola neutra durante la collisione. Di conseguenza, si formano un nuovo elettrone negativo e un residuo caricato positivamente, uno ione. Tale processo di ionizzazione è chiamato ionizzazione per impatto e il lavoro che deve essere speso per produrre un distacco di elettroni da un atomo è chiamato lavoro di ionizzazione. Il lavoro di ionizzazione dipende dalla struttura dell'atomo ed è quindi diverso per i diversi gas.

Gli elettroni e gli ioni formati sotto l'influenza della ionizzazione per impatto aumentano il numero di cariche nel gas e, a loro volta, vengono messi in moto sotto l'azione di un campo elettrico e possono produrre la ionizzazione per impatto di nuovi atomi. Pertanto, questo processo "si rafforza" e la ionizzazione nel gas raggiunge rapidamente un valore molto elevato. L'intero fenomeno è del tutto analogo a una valanga in montagna, all'origine della quale è sufficiente un insignificante grumo di neve. Pertanto, il processo descritto è stato chiamato valanga di ioni (Fig. 153 e 154). La formazione di una valanga di ioni è il processo di rottura della scintilla e la tensione minima alla quale si verifica una valanga di ioni è la tensione di rottura. Vediamo che nel caso di una scintilla di rottura, la causa della ionizzazione del gas è la distruzione di atomi e molecole in collisione con ioni (ionizzazione per impatto).

Riso. 153. Un elettrone libero 1, quando entra in collisione con una molecola neutra, lo divide in un elettrone 2 e uno ione positivo libero. Gli elettroni 1 e 2, dopo un'ulteriore collisione con molecole neutre, le dividono nuovamente in elettroni 3 e 4 e liberano ioni positivi, ecc.

Riso. 154. Moltiplicazione a valanga di ioni positivi ed elettroni nella collisione di ioni positivi con molecole neutre

93.1. È noto che minore è la pressione di un gas (a temperatura costante), meno atomi sono contenuti in un volume unitario del gas e più a lungo gli atomi del percorso volano liberamente tra due collisioni successive. Considerando questo, considerare come cambierà la tensione di rottura del gap di gas (aumento o diminuzione) con una diminuzione della pressione del gas.

Il fulmine è una scarica di scintille della carica elettrostatica di un cumulo, accompagnata da un lampo accecante e da un suono acuto (tuono). Pertanto, si dovrebbe considerare in dettaglio la classificazione delle scariche e capire perché i fulmini lampeggiano.

Tipi di scarichi

scuro (townsend);

Corona;

scintilla.

scarica di scintille

Questa scarica è caratterizzata da una forma intermittente (anche quando si utilizzano sorgenti di corrente continua). Si verifica in un gas solitamente a pressioni dell'ordine di quella atmosferica. In condizioni naturali, si osserva una scarica di scintille sotto forma di fulmine. Esternamente, la scarica della scintilla è un raggio di strisce sottili ramificate a zigzag, che penetrano istantaneamente nello spazio di scarica, svaniscono rapidamente e si sostituiscono costantemente l'una con l'altra. Queste strisce sono chiamate canali di scintilla. Cominciano sia dal positivo che dal negativo, così come da qualsiasi punto intermedio. I canali che si sviluppano dall'elettrodo positivo hanno contorni filamentosi chiari, mentre quelli che si sviluppano dall'elettrodo negativo hanno bordi diffusi e ramificazioni più piccole.

Perché la scarica di scintille avviene ad alte pressioni del gas, il potenziale di accensione è molto alto. (Per l'aria secca, ad esempio, a una pressione di 1 atm. e una distanza tra gli elettrodi di 10 mm, la tensione di rottura è di 30 kV.) Ma dopo che lo spazio di scarica è stato aperto dal canale "scintilla", la resistenza di il gap diventa molto piccolo, un impulso di corrente a breve termine di alta intensità passa attraverso il canale , durante il quale solo una piccola resistenza cade sul gap di scarica. Se la potenza della sorgente non è molto alta, dopo un tale impulso di corrente, la scarica si interrompe. La tensione tra gli elettrodi inizia a salire al valore precedente e la rottura del gas si ripete con la formazione di un nuovo canale di scintilla.

Una scintilla elettrica si verifica se il campo elettrico nel gas raggiunge un certo valore specifico Ek (intensità del campo critico o forza di rottura), che dipende dal tipo di gas e dal suo stato. Ad esempio, per aria in condizioni normali Ek3*106 V/m.

Il valore di Ek aumenta all'aumentare della pressione. Il rapporto tra l'intensità del campo critico e la pressione del gas p per un dato gas rimane approssimativo in un'ampia gamma di variazioni di pressione: Ek/pconst.

Il tempo di salita della tensione è più lungo, maggiore è la capacità C tra gli elettrodi. Pertanto, l'inclusione di un condensatore parallelo allo spazio di scarica aumenta il tempo tra due scintille successive e le scintille stesse diventano più potenti. Una grande carica elettrica passa attraverso il canale della scintilla, e quindi l'ampiezza e la durata dell'impulso di corrente aumentano. Con una grande capacità C, il canale della scintilla si illumina in modo brillante e ha la forma di bande larghe. La stessa cosa accade quando viene aumentata la potenza della sorgente di corrente. Allora si parla di scarica di scintilla condensata, o di scintilla condensata. La corrente massima in un impulso durante una scarica di scintille varia su un ampio intervallo, a seconda dei parametri del circuito di scarica e delle condizioni del gap di scarica, raggiungendo diverse centinaia di kiloampere. Con un ulteriore aumento della potenza della sorgente, la scarica di scintille si trasforma in una scarica ad arco.

Come risultato del passaggio di un impulso di corrente attraverso il canale della scintilla, nel canale viene rilasciata una grande quantità di energia (dell'ordine di 0,1 - 1 J per ogni centimetro della lunghezza del canale). Con il rilascio di energia, è associato un brusco aumento della pressione nel gas circostante: la formazione di un'onda d'urto cilindrica, la cui temperatura nella parte anteriore è di ~ 104 K. C'è una rapida espansione del canale della scintilla, a un velocità dell'ordine della velocità termica degli atomi di gas. Con l'avanzare dell'onda d'urto, la temperatura al suo fronte inizia a diminuire e il fronte stesso si allontana dal confine del canale. Il verificarsi delle onde d'urto è spiegato dagli effetti sonori che accompagnano una scarica di scintille: caratteristico crepitio in scariche deboli e potenti rintocchi in caso di fulmine.

Al momento dell'esistenza del canale, specialmente ad alte pressioni, si osserva un bagliore più luminoso della scarica della scintilla. La luminosità del bagliore non è uniforme sulla sezione trasversale del canale e ha un massimo al centro.

Considera il meccanismo di scarica delle scintille.

Allo stato attuale, la cosiddetta teoria dello streamer della scarica di scintille, confermata da esperimenti diretti, è considerata generalmente accettata. Qualitativamente spiega le caratteristiche principali della scarica di scintille, anche se quantitativamente non può essere considerata completa. Se una valanga di elettroni nasce vicino al catodo, allora la ionizzazione e l'eccitazione di molecole e atomi di gas avvengono lungo il suo percorso. È essenziale che i quanti di luce emessi da atomi e molecole eccitati, propagandosi verso l'anodo alla velocità della luce, producano essi stessi ionizzazione di gas e diano origine alle prime valanghe di elettroni. In questo modo si formano accumuli debolmente luminosi di gas ionizzato, detti streamer, in tutto il volume del gas. Nel processo del loro sviluppo, le singole valanghe di elettroni si incontrano e, fondendosi insieme, formano un ponte ben conduttivo di stelle filanti. Pertanto, nel momento successivo, un potente flusso di elettroni si precipita, formando un canale di scarica di scintille. Poiché il ponte conduttore è formato come risultato della fusione di stelle filanti emergenti quasi contemporaneamente, il tempo della sua formazione è molto più breve del tempo necessario per una valanga di elettroni separata per percorrere le distanze dal catodo all'anodo. Insieme agli streamer negativi, ad es. streamer che si propagano dal catodo all'anodo, ci sono anche streamer positivi che si propagano nella direzione opposta.

Gli elettroni liberi ricevono enormi accelerazioni in un tale campo. Queste accelerazioni sono dirette verso il basso, poiché la parte inferiore della nuvola è caricata negativamente, mentre la superficie terrestre è caricata positivamente. Nel tragitto dalla prima collisione alla successiva, gli elettroni acquisiscono una notevole energia cinetica. Pertanto, scontrandosi con atomi o molecole, li ionizzano. Di conseguenza, nascono nuovi elettroni (secondari), che, a loro volta, vengono accelerati nel campo delle nuvole e quindi ionizzano nuovi atomi e molecole in collisioni. Sorgono intere valanghe di elettroni veloci, formando proprio nelle nuvole "inferiori", "filamenti" di plasma - una stella filante.

Unendosi tra loro, gli streamer danno origine a un canale plasma, attraverso il quale passerà successivamente l'impulso di corrente principale. Questo canale plasma, che si sviluppa dal "fondo" della nuvola alla superficie della terra, è pieno di elettroni e ioni liberi e quindi può condurre bene la corrente elettrica. È chiamato un leader, o meglio un leader di passo. Il fatto è che il canale non si forma in modo fluido, ma a salti - "passi".

Perché ci siano delle pause nel movimento del leader e, per di più, relativamente regolari, non è esattamente noto. Ci sono diverse teorie sui leader di passaggio.

Nel 1938 Schonlund avanzò due possibili spiegazioni per il ritardo che causa la natura passiva del leader. Secondo uno di essi, gli elettroni dovrebbero spostarsi lungo il canale dello streamer principale (pilota). Tuttavia, alcuni degli elettroni vengono catturati da atomi e ioni caricati positivamente, quindi ci vuole del tempo prima che nuovi elettroni avanzanti entrino prima che si crei un gradiente di potenziale sufficiente affinché la corrente continui. Secondo un altro punto di vista, ci vuole tempo prima che gli ioni caricati positivamente si accumulino sotto la testa del canale principale e creino così un gradiente potenziale sufficiente attraverso di esso. Nel 1944, Bruce propose una spiegazione diversa, che si basa sullo sviluppo di una scarica a bagliore in una scarica ad arco. Considerava una "scarico corona", simile a quella di una punta, che esiste attorno al canale principale non solo alla testa del canale, ma per tutta la sua lunghezza. Spiegò che le condizioni per l'esistenza di una scarica d'arco si sarebbero stabilite per qualche tempo dopo che il canale avesse sviluppato una certa distanza e, di conseguenza, fossero sorti dei gradini. Questo fenomeno non è stato ancora completamente studiato e non esiste ancora una teoria specifica. Ma i processi fisici che si verificano vicino alla testa del leader sono abbastanza comprensibili. L'intensità del campo sotto la nuvola è piuttosto alta - è V/m; nella regione dello spazio direttamente davanti alla testa del leader, è ancora maggiore. L'aumento dell'intensità del campo in questa regione è ben spiegato in Fig. 4, dove le curve tratteggiate mostrano le sezioni delle superfici equipotenziali e le curve continue mostrano le linee dell'intensità del campo. In un forte campo elettrico vicino alla testa del leader, si verifica un'intensa ionizzazione di atomi e molecole d'aria. Si verifica a causa, in primo luogo, del bombardamento di atomi e molecole da parte di elettroni veloci emessi dal leader (la cosiddetta ionizzazione da impatto), e, in secondo luogo, per l'assorbimento da parte di atomi e molecole di fotoni di radiazione ultravioletta emessa dal leader ( fotoionizzazione). A causa dell'intensa ionizzazione degli atomi d'aria e delle molecole incontrate sul percorso del leader, il canale del plasma cresce e il leader si sposta verso la superficie terrestre.

Tenendo conto delle soste lungo il percorso, il leader ha impiegato 10...20 m per raggiungere il suolo a una distanza di 1 km tra la nuvola e il suolo. Ora la nuvola è collegata al suolo da un canale plasma, che conduce perfettamente la corrente. Il canale del gas ionizzato, per così dire, cortocircuitò la nuvola con la terra. Questo completa la prima fase di sviluppo dell'impulso iniziale.

Il secondo stadio è veloce e potente. La corrente principale scorre lungo il percorso tracciato dal leader. L'impulso di corrente dura circa 0,1 ms. La forza attuale raggiunge valori dell'ordine di A. Viene rilasciata una quantità significativa di energia (fino a J). La temperatura del gas nel canale raggiunge. È in questo momento che nasce la luce straordinariamente brillante che osserviamo nella scarica del fulmine, e c'è un tuono causato dall'improvvisa espansione del gas improvvisamente riscaldato.

È essenziale che sia il bagliore che il riscaldamento del canale plasma si sviluppino nella direzione dal suolo alla nuvola, ad es. verso l'alto. Per spiegare questo fenomeno, dividiamo condizionatamente l'intero canale in più parti. Non appena il canale si è formato (la testa del leader ha raggiunto il suolo), prima di tutto, gli elettroni che si trovavano nella sua parte più bassa saltano giù; pertanto, la parte inferiore del canale è la prima a illuminarsi e a riscaldarsi. Quindi gli elettroni dal successivo (parte più in alto del canale) si precipitano a terra; iniziano il bagliore e il riscaldamento di questa parte. E così gradualmente - dal basso verso l'alto - sempre più elettroni vengono inclusi nel movimento verso terra; di conseguenza, il bagliore e il riscaldamento del canale si propagano verso l'alto.

Dopo che l'impulso di corrente principale è trascorso, si verifica una pausa con una durata compresa tra 10 e 50 ms. Durante questo periodo, il canale praticamente si spegne, la sua temperatura diminuisce e il grado di ionizzazione del canale diminuisce in modo significativo.

Tuttavia, una grande carica è ancora conservata nella nuvola, quindi il nuovo leader si precipita dalla nuvola a terra, preparando la strada a un nuovo impulso di corrente. I leader del secondo e dei successivi scioperi non vengono calpestati, ma spazzati via. I leader a forma di freccia sono simili ai gradini di un leader a gradini. Tuttavia, poiché il canale ionizzato esiste già, non è necessario un pilota e fasi. Poiché la ionizzazione nel canale dello swept leader è "più vecchia" di quella dello step leader, la ricombinazione e la diffusione dei portatori di carica sono più intense, e quindi il grado di ionizzazione nel canale dello swept leader è inferiore. Di conseguenza, la velocità della guida spazzata è inferiore alla velocità dei singoli passi della guida a gradini, ma maggiore della velocità del pilota. I valori di velocità della guida spazzata vanno da a m/s.

Se trascorre più tempo del normale tra fulmini successivi, il grado di ionizzazione può essere così basso, soprattutto nella parte inferiore del canale, che è necessario un nuovo pilota per reionizzare l'aria. Questo spiega i singoli casi di formazione di gradini alle estremità inferiori dei capi, che precedono non il primo ma i successivi fulmini principali.

Come discusso in precedenza, il nuovo leader segue il percorso tracciato dal leader originale. Percorre tutto il percorso dall'alto verso il basso senza fermarsi (1 ms). E di nuovo segue un potente impulso della corrente principale. Dopo un'altra pausa, tutto si ripete. Di conseguenza, vengono visualizzati diversi potenti impulsi, che percepiamo naturalmente come una singola scarica di fulmini, come un unico lampo luminoso.

Se si aumenta gradualmente la tensione tra due elettrodi che si trovano nell'aria atmosferica e hanno una forma tale che il campo elettrico tra di loro non differisca troppo da uno omogeneo (ad esempio due elettrodi piatti con bordi arrotondati o due sfere sufficientemente grandi) , quindi ad una certa tensione una scintilla elettrica. Ha la forma di un canale luminoso che collega entrambi gli elettrodi, che di solito è curvo e ramificato in modo complesso (vedi Appendice 1.2).

Una scintilla elettrica si verifica quando il campo elettrico in un gas raggiunge un certo valore e a(intensità di campo critico o forza di rottura), che dipende dal tipo di gas e dal suo stato. Per aria in condizioni normali e a 3*10 6 V/m. Maggiore è la distanza tra gli elettrodi, maggiore è la tensione tra di loro necessaria per l'inizio di una scarica di scintille del gas. Questa tensione è chiamata tensione di rottura.

Il verificarsi della rottura è spiegato come segue: in un gas c'è sempre un certo numero di ioni ed elettroni derivanti da cause casuali. Tuttavia, il loro numero è così piccolo che il gas praticamente non conduce elettricità. A un'intensità di campo sufficientemente elevata, l'energia cinetica accumulata dallo ione nell'intervallo tra due collisioni può diventare sufficiente per ionizzare una molecola neutra durante la collisione. Di conseguenza, si formano un nuovo elettrone negativo e un residuo caricato positivamente, uno ione.

Un elettrone libero 1, in caso di collisione con una molecola neutra, lo divide in un elettrone 2 e uno ione positivo libero. Gli elettroni 1 e 2, dopo un'ulteriore collisione con molecole neutre, le dividono nuovamente in elettroni 3 e 4 e ioni positivi liberi, ecc. (Fig. 3.2.1).

Questo processo di ionizzazione è chiamato shock. ionizzazione e il lavoro che deve essere speso per produrre la separazione di un elettrone da un atomo - il lavoro di ionizzazione. Il lavoro di ionizzazione dipende dalla struttura dell'atomo ed è quindi diverso per i diversi gas.

Gli elettroni e gli ioni formati sotto l'influenza della ionizzazione per impatto aumentano il numero di cariche nel gas e, a loro volta, vengono messi in moto sotto l'azione di un campo elettrico e possono produrre la ionizzazione per impatto di nuovi atomi. Pertanto, il processo si amplifica e la ionizzazione nel gas raggiunge rapidamente un valore molto alto. Il fenomeno è simile a una valanga, quindi questo processo è stato chiamato ionico. valanga.

La formazione di una valanga di ioni è il processo di rottura della scintilla e la tensione minima alla quale si verifica una valanga di ioni è la tensione di rottura.

Pertanto, in caso di rottura di una scintilla, la causa della ionizzazione del gas è la distruzione di atomi e molecole in collisione con ioni (ionizzazione per impatto). Valore e a aumenta con l'aumentare della pressione. Rapporto tra l'intensità del campo critico e la pressione del gas R poiché un dato gas rimane approssimativamente costante in un ampio intervallo di variazioni di pressione:

Questa legge consente di determinare Ek a pressioni diverse, se il suo valore è noto a una pressione qualsiasi.

La tensione di rottura diminuisce quando il gas viene esposto a uno ionizzatore esterno. Se viene applicata una tensione leggermente inferiore alla tensione di rottura al traferro del gas e un bruciatore a gas acceso viene introdotto nello spazio tra gli elettrodi, si verifica una scintilla. L'illuminazione dell'elettrodo negativo con luce ultravioletta, così come altri ionizzatori, ha lo stesso effetto.

Per spiegare la scarica di scintille, all'inizio sembrava naturale presumere che i principali processi nella scintilla fossero la ionizzazione per impatto di elettroni nel volume e la ionizzazione per ioni positivi (nel volume o al catodo). Tuttavia, in seguito si è scoperto che questi processi non possono spiegare molte caratteristiche della formazione di scintille. Consideriamo, ad esempio, il tasso di sviluppo di una carica di scintilla. Se la ionizzazione da parte di ioni positivi ha svolto un ruolo significativo nella scintilla, il tempo di sviluppo della scintilla sarebbe almeno dello stesso ordine del tempo per il movimento degli ioni positivi dall'anodo al catodo. Questa volta è facile da stimare: risulta essere dell'ordine di 10 -4 - 10 -5 s. Nel frattempo, l'esperienza mostra che il tempo del suo sviluppo è più breve di diversi ordini di grandezza.

La spiegazione dell'alto tasso di sviluppo della scintilla, così come di altre caratteristiche di questa forma di scarica, è data dalla cosiddetta teoria dello streamer della scintilla, che è attualmente suffragata da dati sperimentali diretti. Secondo questa teoria, l'apparizione di un canale scintillante brillantemente luminoso è preceduta dalla comparsa di ammassi debolmente luminosi di particelle ionizzate. ( stelle filanti ). Penetrando nel divario di scarica del gas, le stelle filanti formano ponti conduttori, lungo i quali potenti flussi di elettroni si precipitano nelle fasi successive della scarica. Il motivo della comparsa degli streamer non è solo la formazione di valanghe di elettroni attraverso la ionizzazione da impatto, ma anche la ionizzazione del gas per radiazione che si forma nella scarica stessa (fotoionizzazione).

Lo schema di sviluppo dello streamer è mostrato in fig. 3.2.2.

Sotto forma di coni in questa figura, sono mostrate valanghe di elettroni che si originano nei punti delle sommità dei coni e si propagano dal catodo all'anodo. Essenziale in questo schema è il fatto che, oltre alla valanga di elettroni iniziale che si è originata direttamente al catodo, si formano nuove valanghe in punti situati molto più avanti della testa della valanga iniziale. Queste nuove valanghe sorgono a causa della comparsa di elettroni nel volume del gas a seguito della fotoionizzazione per radiazione emanata da valanghe sorte in precedenza (nella figura, questa radiazione è mostrata schematicamente come linee ondulate). Nel processo del loro sviluppo, le singole valanghe si sorpassano e si fondono insieme, risultando in un canale streamer altamente conduttivo. Dal diagramma di cui sopra risulta chiaro che a causa del verificarsi di molte valanghe, il percorso totale CD percorso dallo streamer è molto maggiore della distanza AB percorsa da una valanga iniziale (la differenza nelle lunghezze di AB e CD è in realtà molto maggiore di quanto mostrato in Fig. 3.2.2).

A causa del rilascio di una grande quantità di energia durante i processi considerati, il gas nello spinterometro viene riscaldato a 10.000 C, il che porta al suo bagliore. Il rapido riscaldamento del gas porta ad un aumento della pressione, raggiungendo 10 7 10 8 Pa, e alla comparsa di onde d'urto, che spiegano gli effetti sonori durante una scarica di scintille: un caratteristico crepitio in scariche deboli e un potente tuono in caso di fulmini , che è un esempio di una potente scarica di scintille tra una nuvola temporalesca e la Terra o tra due nuvole temporalesche.

La scarica di scintille viene utilizzata per accendere la miscela combustibile nei motori a combustione interna. Con una piccola lunghezza dello spazio di scarica, la scarica della scintilla provoca una specifica distruzione dell'anodo, chiamata erosione. Questo fenomeno è stato utilizzato nel metodo electrospark di taglio, perforazione e altri tipi di lavorazione di precisione dei metalli. Viene utilizzato nell'analisi spettrale per registrare particelle cariche (contatori di scintille).

Lo spinterometro viene utilizzato come protezione da sovratensioni (spinterometro) nelle linee di trasmissione elettriche (ad es. linee telefoniche). Se una forte corrente a breve termine passa vicino alla linea, nei fili di questa linea vengono indotte tensioni e correnti, che possono distruggere l'impianto elettrico e sono pericolose per la vita umana.

Per evitare ciò, vengono utilizzati speciali fusibili, costituiti da due elettrodi curvi, uno dei quali è collegato alla linea e l'altro è collegato a terra. Se il potenziale della linea rispetto al suolo aumenta notevolmente, si verifica una scarica di scintille tra gli elettrodi che, insieme all'aria riscaldata da esso, si alza, si allunga e si rompe.

Infine, una scintilla elettrica viene utilizzata per misurare grandi differenze di potenziale utilizzando uno spinterometro sferico, i cui elettrodi sono due sfere metalliche montate sui montanti 1 e 2. Il secondo palo con la sfera può avvicinarsi o allontanarsi dal primo con una vite . Le sfere sono collegate a una fonte di corrente, la cui tensione deve essere misurata, e vengono unite fino a quando appare una scintilla. Misurando la distanza utilizzando una scala sul supporto, si può dare una stima approssimativa della tensione lungo la lunghezza della scintilla (esempio: con un diametro della sfera di 5 cm e una distanza di 0,5 cm, la tensione di rottura è di 17,5 kV, e ad una distanza di 5 cm - 100 kV). Con questo metodo è possibile misurare, con una precisione di parecchi punti percentuali, una differenza di potenziale dell'ordine di decine di migliaia di volt.

La scarica di scintille ha l'aspetto di filamenti-canali ramificati a zigzag che penetrano nello spazio di scarica e scompaiono, sostituiti da nuovi. Gli studi hanno dimostrato che i canali della scarica della scintilla iniziano a crescere a volte dall'elettrodo positivo, a volte da quello negativo ea volte da un punto tra gli elettrodi. Ciò è spiegato dal fatto che la ionizzazione per impatto in caso di scarica di scintille non si verifica sull'intero volume del gas, ma attraverso singoli canali che passano in quei luoghi in cui la concentrazione di ioni si è rivelata accidentalmente la più alta. Una scarica di scintille è accompagnata dal rilascio di una grande quantità di calore, un bagliore luminoso di gas, crepitio o tuono. Tutti questi fenomeni sono causati da valanghe di elettroni e ioni che si verificano nei canali della scintilla e portano a un enorme aumento della pressione, raggiungendo 107108 Pa, e un aumento della temperatura fino a 10.000 C.

Un tipico esempio di scarica di scintille è il fulmine. Il canale principale del fulmine ha un diametro da 10 a 25 cm e la lunghezza del fulmine può raggiungere diversi chilometri. La corrente massima di un impulso di fulmine raggiunge decine e centinaia di migliaia di ampere.

Con una piccola lunghezza dello spazio di scarica, la scarica della scintilla provoca una specifica distruzione dell'anodo, chiamata erosione. Questo fenomeno è stato utilizzato nel metodo electrospark di taglio, perforazione e altri tipi di lavorazione di precisione dei metalli.

Lo spinterometro viene utilizzato come protezione da sovratensione nelle linee di trasmissione elettriche (ad es. linee telefoniche). Se una forte corrente a breve termine passa vicino alla linea, nei fili di questa linea vengono indotte tensioni e correnti, che possono distruggere l'impianto elettrico e sono pericolose per la vita umana. Per evitare ciò, vengono utilizzati speciali fusibili, costituiti da due elettrodi curvi, uno dei quali è collegato alla linea e l'altro è collegato a terra. Se il potenziale della linea rispetto al suolo aumenta notevolmente, si verifica una scarica di scintille tra gli elettrodi che, insieme all'aria riscaldata da esso, si alza, si allunga e si rompe.

Infine, una scintilla elettrica viene utilizzata per misurare grandi differenze di potenziale utilizzando divario di palla, i cui elettrodi sono due sfere di metallo con superficie lucida. Le sfere vengono allontanate e viene applicata una differenza di potenziale misurata. Quindi le palline vengono unite fino a quando una scintilla salta tra di loro. Conoscendo il diametro delle sfere, la distanza tra loro, la pressione, la temperatura e l'umidità dell'aria, trovano la differenza di potenziale tra le sfere secondo apposite tabelle. Con questo metodo è possibile misurare, con una precisione di parecchi punti percentuali, una differenza di potenziale dell'ordine di decine di migliaia di volt.