7. Kibirkštinis išlydis

Kibirkštinis išlydis, skirtingai nuo kitų rūšių iškrovos, yra pertraukiamas net naudojant nuolatinės įtampos šaltinį. Išvaizda, kibirkštinis išlydis yra ryškių zigzago juostelių pluoštas, nuolat keičiantis vienas kitą. Šviečiančios juostelės – kibirkšties kanalai – sklinda iš abiejų elektrodų. Iškrovos tarpas kibirkšties atveju yra nehomogeniškas, todėl kiekybinis kibirkštinio išlydžio procesų tyrimas yra sudėtingas. Vienas iš pagrindinių kibirkštinio išlydžio tyrimo metodų yra fotografija.

Kibirkštinio išlydžio užsidegimo potencialas yra labai didelis. Tačiau kai tarpas jau pratrūkęs, jo varža smarkiai sumažėja, o pro tarpą praeina nemaža srovė. Jei šaltinio galia yra maža, iškrova išnyksta. Po to iškrovos tarpo įtampa vėl padidėja ir iškrova vėl gali užsidegti. Šis procesas vadinamas atsipalaidavimo iškrovos virpesiais. Jei iškrovos tarpas yra didelės talpos, kibirkšties kanalai šviečia ryškiai ir sukuria plačių juostų įspūdį. Tai kondensuotas kibirkštinis išlydis.

Jei tarp elektrodų yra kokia nors kliūtis, tada kibirkštis prasiskverbia pro ją ir sudaro daugiau ar mažiau siaurą skylę. Nustatyta, kad dujų temperatūra kibirkšties kanale gali pakilti iki labai aukštų verčių (10 000–12 000 K). Aukšto slėgio zonų susidarymas ir jų judėjimas dujose yra sprogstamojo pobūdžio ir lydimas garso efektų. Tai gali būti nedidelis traškėjimas (su nedideliu viršslėgiu) arba griaustinis.

Ypatingas kibirkštinio išlydžio tipas yra slankioji iškrova, atsirandanti išilgai tam tikro kieto dielektriko ir dujų sąsajos aplink metalinį elektrodą (tašką), kuris liečia šį paviršių. Jei fotografinė plokštelė naudojama kaip dielektrikas, tada šis paveikslėlis gali būti matomas akiai. Kontūrai, gauti iš kibirkštinio išlydžio ant dielektriko paviršiaus, vadinami Lichtenbergo figūromis. Lichtenbergo figūros gali būti naudojamos nustatant iškrovos poliškumą ir aukštą įtampą, nes didžiausia iškrovos impulso įtampa yra tiesiogiai proporcinga paviršiaus, kurį užima figūra, spinduliui. Šiuo principu paremti prietaisai, skirti labai aukštai įtampai matuoti – klinodografai. Jei atstumas tarp elektrodų yra mažas, tada kibirkšties iškrovą lydi anodo sunaikinimas - erozija. Šis efektas naudojamas taškiniam suvirinimui ir metalų pjovimui.

Remdamiesi daugybe kibirkštinio iškrovos stebėjimų 1940 m., Mekas ir, nepriklausomai nuo jo, Reteris pateikė kibirkštinio iškrovos teoriją, kuri buvo vadinama srovių teorija. Srautas yra labai jonizuota dujų sritis, sklindanti link katodo (teigiamasis srautas) arba link anodo (neigiamas srautas). Srauto teorija yra vienos lavinos gedimo teorija. Pagal šią teoriją tarp elektrodų praeina elektronų lavina. Praėję per laviną, elektronai pasiekia anodą, o teigiami jonai, turintys daug mažesnį greitį, sudaro kūgio formos jonizuotą erdvę. Jonų tankis šioje erdvėje yra nepakankamas suskaidymui. Tačiau veikiant fotoelektronams, atsiranda papildomų lavinų. Šios lavinos judės link pagrindinės lavinos kamieno, jei jos erdvės krūvio laukas bus proporcingas taikomai įtampai. Taigi erdvės krūvis nuolat didėja, o procesas vystosi kaip savaime sklindantis srautas. Kai įtampa, taikoma per iškrovos tarpą, viršija minimalią gedimo vertę, lavinos suformuotas erdvės įkrovos laukas bus panašus į išorinio lauko dydį dar prieš lavinai pasiekiant anodą. Šiuo atveju tarpo viduryje atsiranda streameriai. Taigi, kad streameris atsirastų, turi būti įvykdytos dvi pagrindinės sąlygos: 1) lavinos laukas ir laukas, kurį sukuria į elektrodus nukreipta įtampa, turi būti tam tikru santykiu ir 2) lavinos frontas turi skleisti pakankamą skaičių. fotonų srautui palaikyti ir tobulinti.

Esant dideliam energijos šaltiniui, kibirkštinis išlydis virsta lankiniu išlydžiu. Žaibas taip pat priklauso kibirkšties iškrovoms. Šiuo atveju vienas elektrodas yra debesis, o kitas - žemė. Žaibo įtampa siekia milijonus voltų, o srovė – šimtus kiloamperų. Žaibo nešamas krūvis paprastai yra 10-30 kulonų, o kai kuriais atvejais siekia 300 kulonų.

Pritvirtinkite rutulinius elektrodus prie kondensatorių baterijos (151 pav.) ir elektrine mašina pradėkite krauti kondensatorius. Įkraunant kondensatorius, padidės potencialų skirtumas tarp elektrodų, taigi, padidės ir lauko stiprumas dujose. Kol lauko stiprumas mažas, dujų pokyčių nesimato. Tačiau esant pakankamai dideliam lauko stiprumui (apie 3 MV/m), tarp elektrodų atsiranda elektros kibirkštis, kuri yra ryškiai šviečiančio vingiuoto kanalo, jungiančio abu elektrodus, formą. Dujos šalia kibirkšties įkaitinamos iki aukštos temperatūros ir staiga išsiplečia, dėl to kyla garso bangos ir išgirstame būdingą traškėjimą. Šios sąrankos kondensatoriai yra skirti tam, kad kibirkštis būtų galingesnė.

Ryžiai. 151. Jei lauko stiprumas ore siekia maždaug 3 MV / m, tada įvyksta dujų elektrinis gedimas ir atsiranda elektros kibirkštis

Apibūdinta dujų išleidimo forma vadinama kibirkšties išlydžiu arba dujų kibirkšties suskaidymu. Kai atsiranda kibirkštinis išlydis, dujos staiga, staigiai praranda savo dielektrines savybes ir tampa geru laidininku. Lauko stiprumas, kuriam esant įvyksta dujų kibirkštis, skirtingoms dujoms turi skirtingą reikšmę ir priklauso nuo jų būsenos (slėgio, temperatūros).

Esant tam tikrai įtampai tarp elektrodų, tuo mažesnis lauko stiprumas, kuo toliau elektrodai yra vienas nuo kito. Todėl kuo didesnis atstumas tarp elektrodų, tuo didesnė įtampa tarp jų yra būtina, kad prasidėtų dujų kibirkštis. Ši įtampa vadinama pertraukimo įtampa.

Žinant, kaip gedimo įtampa priklauso nuo atstumo tarp tam tikros formos elektrodų, galima išmatuoti nežinomą įtampą per didžiausią kibirkšties ilgį. Tai yra kibirkštinio voltmetro (152 pav.) prietaiso pagrindas, patogus apytiksliai įvertinti aukštą įtampą (pavyzdžiui, rentgeno įrenginiuose). Jį sudaro du metaliniai izoliuoti rutuliai, iš kurių vienas gali judėti sklandžiai. Rutuliai prijungiami prie šaltinio, kurio įtampą jie nori išmatuoti, ir sujungiami, kol atsiranda kibirkštis. Matuojant atstumą tarp rutuliukų ir atitinkamą įtampą, kuriai esant gedimas, sudaromos specialios lentelės, kurių pagalba nustatoma įtampa per visą kibirkšties ilgį. Kaip pavyzdį nurodome, kad 0,5 cm atstumu tarp rutuliukų, kurių skersmuo 5 cm, gedimo įtampa yra 17,5 kV, o 5 cm atstumu - apie 100 kV.

Ryžiai. 152. Kibirkštinis voltmetras

Gedimo atsiradimas paaiškinamas taip. Dujose visada yra tam tikras skaičius jonų ir elektronų, atsirandančių dėl atsitiktinių priežasčių. Tačiau dažniausiai jų būna toks mažas, kad dujos praktiškai nelaidi elektros energijos. Esant santykinai mažam lauko stipriui, su kuriuo susiduriame tirdami dujų nesavaiminį laidumą, elektriniame lauke judančių jonų susidūrimai su neutraliomis dujų molekulėmis vyksta taip pat, kaip ir elastingų rutuliukų susidūrimai. Su kiekvienu susidūrimu judanti dalelė dalį savo kinetinės energijos perduoda ramybės dalelei, o abi dalelės po susidūrimo skrenda, tačiau vidinių pakitimų jose neįvyksta. Tačiau jei lauko stiprumas yra pakankamas, jono sukauptos kinetinės energijos intervale tarp dviejų susidūrimų gali pakakti neutraliai molekulei jonizuoti susidūrimo metu. Dėl to susidaro naujas neigiamas elektronas ir teigiamai įkrauta liekana – jonas. Toks jonizacijos procesas vadinamas smūgine jonizacija, o darbas, kurį reikia atlikti norint sukurti elektronų atsiskyrimą nuo atomo, vadinamas jonizacijos darbu. Jonizacijos darbas priklauso nuo atomo sandaros, todėl skirtingoms dujoms yra skirtingas.

Smūginės jonizacijos veikiami susidarę elektronai ir jonai padidina krūvių skaičių dujose, o savo ruožtu jie pajudinami veikiant elektriniam laukui ir gali sukelti naujų atomų smūginę jonizaciją. Taigi šis procesas „sustiprina“, o jonizacija dujose greitai pasiekia labai didelę reikšmę. Visas reiškinys gana analogiškas kalnuose įvykusiai lavinai, kurios atsiradimui pakanka ir nereikšmingo sniego gniūžtės. Todėl aprašytas procesas buvo pavadintas jonų lavina (153 ir 154 pav.). Jonų lavinos susidarymas yra kibirkšties skilimo procesas, o minimali įtampa, kuriai esant įvyksta jonų lavina, yra gedimo įtampa. Matome, kad kibirkšties skilimo atveju dujų jonizacijos priežastis yra atomų ir molekulių sunaikinimas susidūrus su jonais (smūginė jonizacija).

Ryžiai. 153. Laisvasis elektronas 1, susidūręs su neutralia molekule, suskaido jį į elektroną 2 ir laisvąjį teigiamą joną. 1 ir 2 elektronai, toliau susidūrę su neutraliomis molekulėmis, vėl suskaido juos į 3 ir 4 elektronus ir laisvuosius teigiamus jonus ir kt.

Ryžiai. 154. Lavinos tipo teigiamų jonų ir elektronų dauginimasis teigiamiems jonams susidūrus su neutraliomis molekulėmis

93.1. Yra žinoma, kad kuo mažesnis dujų slėgis (esant pastoviai temperatūrai), tuo mažesnis atomų skaičius yra dujų tūrio vienete ir tuo ilgesnis kelias laisvai skrieja tarp dviejų nuoseklių susidūrimų. Atsižvelgdami į tai, apsvarstykite, kaip pasikeis (padidės arba sumažės) dujų tarpo gedimo įtampa sumažėjus dujų slėgiui.

Žaibas – tai gumulinio debesies elektrostatinio krūvio kibirkštinis išlydis, lydimas akinančio blyksnio ir aštraus garso (griaustinio). Taigi, reikėtų išsamiai apsvarstyti išlydžių klasifikaciją ir suprasti, kodėl blykčioja žaibas.

Išmetimų rūšys

tamsus (townsend);

karūna;

kibirkštis.

kibirkštinio išlydžio

Šiai iškrovai būdinga pertraukiama forma (net naudojant nuolatinės srovės šaltinius). Paprastai jis susidaro dujose, kurių slėgis yra lygus atmosferos slėgiui. Natūraliomis sąlygomis kibirkšties iškrova stebima žaibo pavidalu. Išoriškai kibirkštinis išlydis yra šviesių zigzago šakojančių plonų juostelių spindulys, akimirksniu prasiskverbiantis į iškrovos tarpą, greitai išblunkantis ir nuolat keičiantis viena kitą. Šios juostelės vadinamos kibirkšties kanalais. Jie prasideda tiek nuo teigiamo, tiek nuo neigiamo, taip pat nuo bet kurio taško tarp jų. Iš teigiamo elektrodo besivystantys kanalai turi aiškius siūlinius kontūrus, o iš neigiamo elektrodo besivystantys kanalai turi išsklaidytus kraštus ir mažesnius išsišakojimus.

Nes kibirkšties iškrova atsiranda esant dideliam dujų slėgiui, užsidegimo potencialas yra labai didelis. (Sausam orui, pvz., esant 1 atm. slėgiui ir 10 mm atstumui tarp elektrodų, gedimo įtampa yra 30 kV.) Tačiau iškrovos tarpą atidarius „kibirkšties“ kanalu, varža tarpas tampa labai mažas, per kanalą praeina trumpalaikis didelio stiprumo srovės impulsas, kurio metu į iškrovos tarpą patenka tik nedidelė varža. Jei šaltinio galia nėra labai didelė, tada po tokio srovės impulso iškrova sustoja. Įtampa tarp elektrodų pradeda kilti iki ankstesnės vertės, o dujų skilimas kartojamas susidarant naujam kibirkšties kanalui.

Elektrinė kibirkštis atsiranda, jei elektrinis laukas dujose pasiekia tam tikrą specifinę vertę Ek (kritinio lauko stiprumo arba skilimo stiprumą), kuris priklauso nuo dujų rūšies ir jų būsenos. Pavyzdžiui, orui normaliomis sąlygomis Ek3*106 V/m.

Ek reikšmė didėja didėjant slėgiui. Tam tikrų dujų kritinio lauko stiprio ir dujų slėgio p santykis išlieka apytikslis esant įvairiems slėgio pokyčiams: Ek/pconst.

Kuo ilgesnis įtampos kilimo laikas, tuo didesnė talpa C tarp elektrodų. Todėl kondensatoriaus įtraukimas lygiagrečiai iškrovos tarpui padidina laiką tarp dviejų sekančių kibirkščių, o pačios kibirkštys tampa galingesnės. Kibirkšties kanalu praeina didelis elektros krūvis, todėl didėja srovės impulso amplitudė ir trukmė. Esant didelei C talpai, kibirkšties kanalas šviečia ryškiai ir yra plačių juostų pavidalo. Tas pats atsitinka, kai padidėja srovės šaltinio galia. Tada kalbama apie kondensuotą kibirkšties išlydį arba kondensuotą kibirkštį. Maksimali impulso srovė kibirkštinio išlydžio metu kinta plačiame diapazone, priklausomai nuo iškrovos grandinės parametrų ir sąlygų iškrovos tarpelyje, siekdama kelis šimtus kiloamperų. Toliau didėjant šaltinio galiai, kibirkšties išlydis virsta lankiniu išlydžiu.

Praleidus srovės impulsą per kibirkšties kanalą, kanale išsiskiria daug energijos (maždaug 0,1–1 J kiekvienam kanalo ilgio centimetrui). Su energijos išsiskyrimu siejamas staigus slėgio padidėjimas aplinkinėse dujose – susidaro cilindrinė smūginė banga, kurios priekyje temperatūra ~104 K. Kibirkšties kanalas plečiasi greitai, eilės greičiu. dujų atomų šiluminio greičio. Smūgio bangai plintant, temperatūra jos priekyje pradeda kristi, o pats priekis tolsta nuo kanalo ribos. Smūgių bangų atsiradimas paaiškinamas garso efektais, lydinčiais kibirkšties iškrovą: būdingas traškėjimas esant silpnoms iškrovoms ir galingi žaibavimo smūgiai.

Kanalo egzistavimo metu, ypač esant aukštam slėgiui, pastebimas ryškesnis kibirkštinio išlydžio švytėjimas. Švytėjimo ryškumas yra netolygus kanalo skerspjūvyje ir didžiausias jo centre.

Apsvarstykite kibirkšties išleidimo mechanizmą.

Šiuo metu vadinamoji „streamer“ kibirkštinio iškrovos teorija, patvirtinta tiesioginiais eksperimentais, laikoma visuotinai priimta. Kokybiškai paaiškina pagrindines kibirkštinio iškrovos ypatybes, nors kiekybiškai jis negali būti laikomas užbaigtu. Jeigu šalia katodo gimsta elektronų lavina, tai jos kelyje vyksta dujų molekulių ir atomų jonizacija ir sužadinimas. Labai svarbu, kad sužadintų atomų ir molekulių skleidžiami šviesos kvantai, sklindantys link anodo šviesos greičiu, patys sukeltų dujų jonizaciją ir sukeltų pirmąsias elektronų lavinas. Tokiu būdu visame dujų tūryje atsiranda silpnai šviečiančios jonizuotų dujų sankaupos, vadinamos srovėmis. Vystymosi procese atskiros elektronų lavinos pasiveja viena kitą ir, susiliedamos, sudaro gerai laidų srovių tiltą. Todėl kitą laiko momentą veržiasi galingas elektronų srautas, sudarydamas kibirkštinio iškrovos kanalą. Kadangi laidus tiltelis susidaro susiliejus beveik tuo pačiu metu atsirandantiems sroviams, jo susidarymo laikas yra daug trumpesnis nei laikas, reikalingas atskirai elektronų lavinai nukeliauti atstumus nuo katodo iki anodo. Kartu su neigiamais streameriais, t.y. streameriai, sklindantys nuo katodo iki anodo, yra ir teigiamų srovių, sklindančių priešinga kryptimi.

Laisvieji elektronai tokiame lauke gauna didžiulius pagreičius. Šie pagreičiai nukreipti žemyn, nes apatinė debesies dalis yra neigiamai įkrauta, o žemės paviršius – teigiamai. Pakeliui nuo pirmojo susidūrimo iki kito elektronai įgyja didelę kinetinę energiją. Todėl, susidūrę su atomais ar molekulėmis, jie juos jonizuoja. Dėl to gimsta nauji (antriniai) elektronai, kurie, savo ruožtu, pagreitėja debesų lauke ir tada susidūrimų metu jonizuoja naujus atomus ir molekules. Kyla ištisos greitųjų elektronų lavinos, kurios susidaro pačiame „apačioje“ debesys, plazmos „gijos“ – srovelė.

Susilieję vienas su kitu, streameriai sukuria plazmos kanalą, per kurį vėliau praeis pagrindinis srovės impulsas. Šis plazmos kanalas, besivystantis iš debesies „apačios“ į žemės paviršių, yra pripildytas laisvųjų elektronų ir jonų, todėl gali gerai pravesti elektros srovę. Jis vadinamas lyderiu, tiksliau – žingsniu lyderiu. Faktas yra tas, kad kanalas formuojamas ne sklandžiai, o šuoliais - "žingsniais".

Kodėl lyderio judėjime yra pauzės ir, be to, gana reguliarios, tiksliai nežinoma. Yra keletas žingsnių lyderių teorijų.

1938 m. Schonlundas pateikė du galimus delsimo paaiškinimus, dėl kurių lyderis yra žingsniuojantis. Pagal vieną iš jų elektronai turėtų judėti pirmaujančio srauto (piloto) kanalu. Tačiau kai kuriuos elektronus pagauna atomai ir teigiamai įkrauti jonai, todėl užtrunka šiek tiek laiko, kol atsiranda naujų judančių elektronų, kol susidaro potencialo gradientas, kurio pakanka srovei tęstis. Remiantis kitu požiūriu, reikia laiko, kol teigiamai įkrauti jonai susikaupia po lyderio kanalo galvute ir taip sukuria pakankamą potencialo gradientą per jį. 1944 m. Bruce'as pasiūlė kitokį paaiškinimą, pagrįstą švytėjimo išlydžio atsiradimu lankinėje išlydyje. Jis laikė „koronos iškrovą“, panašią į antgalį, kuris yra aplink pagrindinį kanalą ne tik kanalo galvutėje, bet ir per visą jo ilgį. Jis paaiškino, kad sąlygos lankiniam išlydžiui egzistuoti dar kurį laiką bus nustatytos po to, kai kanalas nutols tam tikrą atstumą ir dėl to atsiras laipteliai. Šis reiškinys dar nėra iki galo ištirtas ir konkrečios teorijos dar nėra. Tačiau fiziniai procesai, vykstantys šalia vadovo galvos, yra gana suprantami. Lauko stiprumas po debesimi gana didelis – jis V/m; erdvės srityje tiesiai prieš lyderio galvą jis dar didesnis. Lauko stiprumo padidėjimas šioje srityje gerai paaiškintas 4 pav., kur brūkšninės kreivės rodo ekvipotencialių paviršių pjūvius, o vientisosios kreivės – lauko stiprumo linijas. Stipriame elektriniame lauke prie lyderio galvos vyksta intensyvi oro atomų ir molekulių jonizacija. Tai atsiranda, pirma, dėl atomų ir molekulių bombardavimo greitais elektronais, išspinduliuotais iš lyderio (vadinamoji smūginė jonizacija), ir, antra, dėl to, kad lyderio skleidžiamos ultravioletinės spinduliuotės fotonai sugeria atomus ir molekules ( fotojonizacija). Dėl lyderio kelyje sutinkamų oro atomų ir molekulių intensyvios jonizacijos plazmos kanalas auga, o lyderis juda žemės paviršiaus link.

Atsižvelgiant į sustojimus pakeliui, lyderiui prireikė 10...20 ms, kad pasiektų žemę 1 km atstumu tarp debesies ir žemės. Dabar debesis su žeme sujungtas plazminiu kanalu, kuris puikiai praleidžia srovę. Jonizuotų dujų kanalas tarsi trumpai sujungė debesį su žeme. Taip baigiamas pirmasis pradinio impulso vystymosi etapas.

Antrasis etapas yra greitas ir galingas. Pagrindinė srovė veržiasi lyderio nutiestu taku. Srovės impulsas trunka maždaug 0,1 ms. Srovės stiprumas pasiekia A eilės vertes. Išleidžiama daug energijos (iki J). Dujų temperatūra kanale pasiekia. Būtent šiuo momentu gimsta nepaprastai ryški šviesa, kurią stebime žaibo išlydžio metu, ir griaudėja perkūnija, kurią sukelia staiga išsiplėtusios staiga įkaitusios dujos.

Būtina, kad ir plazmos kanalo švytėjimas, ir kaitinimas vystytųsi kryptimi nuo žemės iki debesies, t.y. aukštyn. Norėdami paaiškinti šį reiškinį, sąlyginai padaliname visą kanalą į keletą dalių. Vos susiformavus kanalui (vadovo galva pasiekusi žemę), pirmiausiai žemyn nušoka elektronai, buvę jo žemiausioje dalyje; todėl pirmiausia švyti ir sušyla apatinė kanalo dalis. Tada elektronai iš kito (aukštesnės kanalo dalies) veržiasi į žemę; prasideda šios dalies švytėjimas ir kaitinimas. Ir taip palaipsniui – iš apačios į viršų – į judėjimą į žemę įtraukiama vis daugiau elektronų; dėl to kanalo švytėjimas ir kaitinimas sklinda aukštyn.

Pasibaigus pagrindiniam srovės impulsui, įvyksta 10–50 ms trukmės pauzė. Per tą laiką kanalas praktiškai užgęsta, nukrenta jo temperatūra, žymiai sumažėja kanalo jonizacijos laipsnis.

Tačiau didelis užtaisas debesyje vis dar išsaugomas, todėl naujasis lyderis iš debesies veržiasi į žemę, paruošdamas kelią naujam srovės impulsui. Antrojo ir vėlesnių smūgių lyderiai yra ne žingsniuojami, o šluojami. Rodyklės formos lyderiai yra panašūs į laiptuoto lyderio žingsnius. Tačiau kadangi jonizuotas kanalas jau yra, piloto ir pakopų nereikia. Kadangi jonizacija nubraukiamo lyderio kanale yra „senesnė“ nei žingsninio lyderio, krūvininkų rekombinacija ir difuzija vyksta intensyviau, todėl ir jonizacijos laipsnis braukiamojo lyderio kanale yra mažesnis. Dėl to plaukiojančio lyderio greitis yra mažesnis už atskirų žingsnių lyderio žingsnių greitį, bet didesnis už piloto greitį. Šveitimo lyderio greičio reikšmės svyruoja nuo iki m/s.

Jei tarp tolesnių žaibo smūgių praeina daugiau laiko nei įprastai, jonizacijos laipsnis gali būti toks žemas, ypač apatinėje kanalo dalyje, kad reikia naujo piloto, kuris iš naujo jonizuoja orą. Tai paaiškina atskirus laiptelių formavimosi apatiniuose lyderių galuose atvejus prieš ne pirmąjį, bet vėlesnį pagrindinį žaibo smūgį.

Kaip aptarta aukščiau, naujasis lyderis eina tuo keliu, kurį nuskleidė pradinis lyderis. Jis veikia visą kelią nuo viršaus iki apačios be sustojimo (1 ms). Ir vėl seka galingas pagrindinės srovės impulsas. Po dar vienos pauzės viskas kartojasi. Dėl to rodomi keli galingi impulsai, kuriuos natūraliai suvokiame kaip vieną žaibo išlydį, kaip vieną ryškų blyksnį.

Jei palaipsniui didinate įtampą tarp dviejų elektrodų, kurie yra atmosferos ore ir yra tokios formos, kad tarp jų esantis elektrinis laukas per daug nesiskirtų nuo vienalyčio (pavyzdžiui, du plokšti elektrodai suapvalintais kraštais arba du pakankamai dideli rutuliukai) , tada prie tam tikros įtampos elektros kibirkštis. Jis turi ryškiai šviečiančio kanalo, jungiančio abu elektrodus, formą, kuris paprastai yra sudėtingai išlenktas ir išsišakojęs (žr. 1.2 priedą).

Elektrinė kibirkštis atsiranda, kai elektrinis laukas dujose pasiekia tam tikrą vertę E Į(kritinis lauko stiprumas arba gedimo stiprumas), kuris priklauso nuo dujų rūšies ir jų būsenos. Orui normaliomis sąlygomis E Į 3*10 6 V/m. Kuo didesnis atstumas tarp elektrodų, tuo didesnė įtampa tarp jų yra būtina, kad prasidėtų dujų kibirkštis. Ši įtampa vadinama pertraukimo įtampa.

Skilimo atsiradimas paaiškinamas taip: dujose visada yra tam tikras skaičius jonų ir elektronų, atsirandančių dėl atsitiktinių priežasčių. Tačiau jų skaičius yra toks mažas, kad dujos praktiškai nepraleidžia elektros. Esant pakankamai dideliam lauko stipriui, jono sukauptos kinetinės energijos intervale tarp dviejų susidūrimų gali pakakti neutraliai molekulei susidūrimo metu jonizuoti. Dėl to susidaro naujas neigiamas elektronas ir teigiamai įkrauta liekana – jonas.

Laisvasis elektronas 1, susidūręs su neutralia molekule, suskaido jį į elektroną 2 ir laisvąjį teigiamą joną. 1 ir 2 elektronai, toliau susidūrę su neutraliomis molekulėmis, vėl suskaido į elektronus 3 ir 4 bei laisvuosius teigiamus jonus ir kt. (3.2.1 pav.).

Šis jonizacijos procesas vadinamas šoku. jonizacija, o darbas, kurį reikia skirti elektronui atskirti nuo atomo – jonizacijos darbas. Jonizacijos darbas priklauso nuo atomo sandaros, todėl skirtingoms dujoms yra skirtingas.

Smūginės jonizacijos veikiami susidarę elektronai ir jonai padidina krūvių skaičių dujose, o savo ruožtu jie pajudinami veikiant elektriniam laukui ir gali sukelti naujų atomų smūginę jonizaciją. Taigi procesas sustiprėja, o jonizacija dujose greitai pasiekia labai didelę reikšmę. Reiškinys panašus į laviną, todėl šis procesas buvo vadinamas joniniu. lavina.

Jonų lavinos susidarymas yra kibirkšties skilimo procesas, o minimali įtampa, kuriai esant įvyksta jonų lavina, yra gedimo įtampa.

Taigi kibirkšties skilimo atveju dujų jonizacijos priežastis yra atomų ir molekulių sunaikinimas susidūrus su jonais (smūgio jonizacija). Vertė E Į didėja didėjant slėgiui. Kritinio lauko stiprio ir dujų slėgio santykis R tam tikroms dujoms, esant įvairiems slėgio pokyčiams, išlieka maždaug pastovus:

Šis dėsnis leidžia nustatyti Ek esant skirtingam slėgiui, jei žinoma jo reikšmė esant bet kuriam slėgiui.

Sugedimo įtampa mažėja, kai dujas veikia išorinis jonizatorius. Jei į dujų tarpą įvedama šiek tiek mažesnė nei gedimo įtampa, o į tarpą tarp elektrodų įvedamas uždegamas dujų degiklis, atsiranda kibirkštis. Tą patį poveikį turi neigiamo elektrodo apšvietimas ultravioletiniais spinduliais, taip pat kitais jonizatoriais.

Norint paaiškinti kibirkšties iškrovą, iš pradžių atrodė natūralu daryti prielaidą, kad pagrindiniai procesai kibirkštyje yra jonizacija dėl elektronų smūgių tūryje ir jonizacija teigiamais jonais (tūryje arba katode). Tačiau vėliau paaiškėjo, kad šie procesai negali paaiškinti daugelio kibirkščių susidarymo ypatybių. Panagrinėkime, pavyzdžiui, kibirkštinio krūvio išsivystymo greitį. Jei jonizacija teigiamais jonais vaidintų svarbų vaidmenį kibirkštyje, tada kibirkšties išsivystymo laikas būtų bent toks pat, kaip teigiamų jonų judėjimo iš anodo į katodą laikas. Šį laiką nesunku apskaičiuoti - pasirodo, kad jis yra maždaug 10 -4 - 10 -5 s. Tuo tarpu patirtis rodo, kad jo kūrimo laikas keliomis eilėmis trumpesnis.

Didelio kibirkšties vystymosi greičio, kaip ir kitų šios iškrovos formos ypatybių, paaiškinimą duoda vadinamoji kibirkšties streamer teorija, kuri šiuo metu yra pagrįsta tiesioginiais eksperimentiniais duomenimis. Remiantis šia teorija, prieš atsirandant ryškiai švytinčiam kibirkšties kanalui, atsiranda silpnai švytinčios jonizuotų dalelių sankaupos. ( streameriai ). Įsiskverbdami į dujų iškrovos tarpą, srovelės sudaro laidžius tiltelius, kuriais galingi elektronų srautai veržiasi į tolesnius iškrovos etapus. Streierių atsiradimo priežastis yra ne tik elektronų lavinų susidarymas per smūginę jonizaciją, bet ir dujų jonizacija spinduliuote, kylančia pačioje išlydyje (fotojonizacija).

Streamerio kūrimo schema parodyta fig. 3.2.2.

Šiame paveikslėlyje kūgių pavidalu pavaizduotos elektronų lavinos, kurios kyla kūgių viršūnių taškuose ir sklinda nuo katodo iki anodo. Šioje schemoje esminis dalykas yra tai, kad be pradinės elektronų lavinos, kuri kilo tiesiai iš katodo, taškuose, esančiuose toli prieš pradinės lavinos galvą, susidaro naujos lavinos. Šios naujos lavinos atsiranda dėl elektronų atsiradimo dujų tūryje dėl fotojonizacijos spinduliuote, sklindančia iš anksčiau atsiradusių lavinų (paveiksle ši spinduliuotė schematiškai pavaizduota banguotomis linijomis). Vystymosi procese atskiros lavinos aplenkia viena kitą ir susilieja, todėl susidaro labai laidus srauto kanalas. Iš pateiktos diagramos aišku, kad dėl daugybės lavinų, bendras srauto nuvažiuotas kelias CD yra daug didesnis nei vienos pradinės lavinos nuvažiuotas atstumas AB (AB ir CD ilgių skirtumas iš tikrųjų yra daug didesnis nei parodyta 3.2.2 pav.).

Dėl to, kad nagrinėjamų procesų metu išsiskiria didelis energijos kiekis, kibirkšties tarpelyje esančios dujos įkaista iki 10 000 C, todėl jos švyti. Dėl greito dujų kaitinimo padidėja slėgis, pasiekiantis 10 7 10 8 Pa, ir atsiranda smūginės bangos, paaiškinančios garso efektus kibirkšties iškrovos metu - būdingas traškėjimas esant silpnoms iškrovoms ir stiprus griaustinis žaibo atveju. , kuris yra galingo kibirkštinio išlydžio tarp griaustinio debesies ir Žemės arba tarp dviejų griaustinio debesų pavyzdys.

Kibirkštinis išlydis naudojamas vidaus degimo variklių degiojo mišinio uždegimui. Esant nedideliam iškrovos tarpo ilgiui, kibirkštinis išlydis sukelia specifinį anodo sunaikinimą, vadinamą erozija. Šis reiškinys buvo naudojamas elektros kibirkštinio pjovimo, gręžimo ir kitų tipų precizinio metalo apdirbimo metoduose. Jis naudojamas spektrinėje analizėje įkrautoms dalelėms registruoti (kibirkščių skaitikliai).

Kibirkštinis tarpas naudojamas kaip apsauga nuo viršįtampių (kibirkšties tarpai) elektros perdavimo linijose (pvz., telefono linijose). Jeigu šalia linijos praeina stipri trumpalaikė srovė, tai šios linijos laiduose indukuojamos įtampos ir srovės, kurios gali ardyti elektros instaliaciją ir yra pavojingos žmogaus gyvybei.

Norėdami to išvengti, naudojami specialūs saugikliai, susidedantys iš dviejų išlenktų elektrodų, kurių vienas yra prijungtas prie linijos, o kitas - įžemintas. Jei linijos potencialas žemės atžvilgiu labai padidėja, tai tarp elektrodų atsiranda kibirkštinis išlydis, kuris kartu su jos šildomu oru kyla aukštyn, pailgėja ir nutrūksta.

Galiausiai dideliems potencialų skirtumams matuoti naudojama elektrinė kibirkštis, naudojant sferinį kibirkšties tarpą, kurio elektrodai yra du metaliniai rutuliukai, sumontuoti ant stulpų 1 ir 2. Antrasis stulpas su kamuoliuku gali priartėti arba pasitraukti nuo pirmojo varžtu. . Kamuoliukai prijungiami prie srovės šaltinio, kurio įtampa turi būti matuojama, ir sujungiami, kol atsiranda kibirkštis. Išmatavus atstumą naudojant ant stovo esančią skalę, galima apytiksliai įvertinti įtampą per visą kibirkšties ilgį (pavyzdys: kai rutulio skersmuo 5 cm ir atstumas 0,5 cm, gedimo įtampa yra 17,5 kV, o 5 cm atstumu – 100 kV). Šis metodas gali būti naudojamas kelių procentų tikslumu išmatuoti dešimčių tūkstančių voltų potencialų skirtumus.

Kibirkštinis išlydis atrodo kaip ryškios zigzago šakojančios gijos-kanalai, kurie prasiskverbia pro išleidimo tarpą ir išnyksta, pakeičiami naujais. Tyrimai parodė, kad kibirkštinio išlydžio kanalai pradeda augti kartais nuo teigiamo elektrodo, kartais nuo neigiamo, o kartais iš kažkurio taško tarp elektrodų. Tai paaiškinama tuo, kad smūginė jonizacija kibirkštinio išlydžio atveju vyksta ne per visą dujų tūrį, o per atskirus kanalus, einančius tose vietose, kur jonų koncentracija atsitiktinai pasirodė esanti didžiausia. Kibirkštinį išlydį lydi didelis šilumos kiekis, ryškus dujų švytėjimas, traškėjimas ar griaustinis. Visus šiuos reiškinius sukelia elektronų ir jonų lavinos, kurios atsiranda kibirkšties kanaluose ir sukelia didžiulį slėgio padidėjimą, pasiekiantį 107108 Pa, ir temperatūros padidėjimą iki 10 000 C.

Tipiškas kibirkštinio išlydžio pavyzdys yra žaibas. Pagrindinis žaibo kanalas yra nuo 10 iki 25 cm skersmens, o žaibo ilgis gali siekti kelis kilometrus. Maksimali žaibo impulso srovė siekia dešimtis ir šimtus tūkstančių amperų.

Esant nedideliam iškrovimo tarpo ilgiui, kibirkštinis išlydis sukelia specifinį anodo sunaikinimą, vadinamą erozija. Šis reiškinys buvo naudojamas elektros kibirkštinio pjovimo, gręžimo ir kitų tipų precizinio metalo apdirbimo metoduose.

Kibirkštinis tarpas naudojamas kaip apsauga nuo viršįtampių elektros perdavimo linijose (pvz., telefono linijose). Jeigu šalia linijos praeina stipri trumpalaikė srovė, tai šios linijos laiduose indukuojamos įtampos ir srovės, kurios gali ardyti elektros instaliaciją ir yra pavojingos žmogaus gyvybei. Norėdami to išvengti, naudojami specialūs saugikliai, susidedantys iš dviejų išlenktų elektrodų, kurių vienas yra prijungtas prie linijos, o kitas - įžemintas. Jei linijos potencialas žemės atžvilgiu labai padidėja, tai tarp elektrodų atsiranda kibirkštinis išlydis, kuris kartu su jos šildomu oru kyla aukštyn, pailgėja ir nutrūksta.

Galiausiai, elektros kibirkštis naudojama dideliems potencialų skirtumams išmatuoti naudojant rutulio tarpas, kurio elektrodai yra du metaliniai rutuliukai poliruotu paviršiumi. Rutuliai perkeliami vienas nuo kito ir jiems taikomas išmatuotas potencialų skirtumas. Tada rutuliai sujungiami, kol tarp jų iššoka kibirkštis. Žinodami kamuoliukų skersmenį, atstumą tarp jų, oro slėgį, temperatūrą ir drėgmę, jie pagal specialias lenteles suranda potencialų skirtumą tarp kamuoliukų. Šis metodas gali būti naudojamas kelių procentų tikslumu išmatuoti dešimčių tūkstančių voltų potencialų skirtumus.