2.1. Что нужно знать о длинной искре исследователям
молнии.
Это нельзя объяснить иначе, как локальным усилением электрического поля у головки растущего канала. Усиление обязано действию собственного заряда. В самом деле, проводящий канал, контактирующий с анодом, стремится зарядиться до его потенциала Ua (относительно заземленного катода). В канале возникает ток, который переносит положительный электрический заряд от анода, вернее, от источника высокого напряжения, к которому присоединен анод (реально в плазме канала к аноду в основном движутся электроны, обнажая мало подвижные положительные ионы). Примерно так заряжался бы металлический стержень, если бы он выдвигался из анода подобно телескопической антенне. При этом область наиболее сильного поля перемещалась бы по промежутку вместе с головкой стержня. В подобной ситуации можно говорить, что по промежутку движется волна сильного электрического поля, в которой происходит ионизация и образуется новый участок плазменного канала. Ее можно назвать и волной ионизации. Последний термин используется даже чаще. Механизм волнового формирования искры был предложен еще в 30-е годы работами Л. Леба, Д. Мика, Д. Ретера. Образующийся таким образом канал был назван стримером (рис. 2.1). Как показали эксперименты, стример может развивать скорость выше 107 м/с. У молнии на такое способен стреловидный лидер последующих компонентов. Уже только эта сопоставимость скоростей оправдывает внимание к стримерному механизму. Важно знать, от чего зависит скорость стримера и как она меняется с потенциалом его головки. Для этой цели приходится анализировать процессы в области стримерной головки, где осуществляется ионизация. Нужносвязать воедино процессы рождения заряженных частиц и движения электронов в электрическом поле, благодаря чему заряженная область, подобно гребню морской волны, перемещается в глубину разрядного промежутка.
Стример создает достаточно плотную плазму. Без этого он не переносил бы в глубь промежутка сколько-нибудь заметный заряд. Количественное описание процесса распространения волны ионизации дает начальную плотность электронов в канале и указывает начальное значение его радиуса. За фронтом волны канал продолжает жить своей собственной жизнью. В радиальном электрическом поле собственного заряда (если он нарастает) стримерный канал может ионизационно расширяться. В этом случае увеличивается площадь сечения, пропускающего ток. В канале постоянно идут процессы гибели основных носителей тока — электронов. От скорости процессов прилипания электронов к электроотрицательным частицам и электрон-ионной рекомбинации сильно зависит судьба разряда в целом. Если воздух, по которому развивается стример, холодный, а энерговклад в канал не в состоянии сильно (на несколько тысяч градусов) увеличить его температуру, электроны гибнут быстро, ибо одно только прилипание ограничивает их среднее время жизни до 10 -7 с. Это очень малая величина в масштабе не только молнии, но и лабораторной искры, развитие которой в длинных промежутках занимает 10-4 —10-3 с. Важно уметь анализировать кинетические процессы в канале за фронтом волны ионизации. Иначе нельзя установить, при каких условиях возможен стримерный пробой воздуха. Здесь и в дальнейшем под пробоем будем понимать замыкание промежутка таким каналом, который, подобно каналу электрической дуги, обладает падающей вольт-амперной характеристикой. Тогда ток в канале ограничивается в основном только внутренним сопротивлением источника высокого напряжения. Подобную ситуацию в технике называют коротким замыканием.
Рост тока без увеличения напряжения на разрядном промежутке неизбежно предполагает сильный нагрев газа в образованном канале. При этом из-за теплового расширения уменьшается плотность числа молекул N, от чего увеличиваются приведенное электрическое поле E/N и константа скорости ионизации [2.4]. Другим следствием нагрева является изменение газового состава канала из-за частичной диссоциации молекул О2, N2, воды и образования легко ионизуемых молекул N0. При этом меняется роль многих реакций рождения и гибели заряженных частиц. Резко уменьшается роль прилипания электронов, ибо в нагретом газе образующиеся отрицательные ионы быстро разрушаются, освобождая захваченные электроны. Замедляется электрон-ионная рекомбинация. На первый план выступает реакция ассоциативной ионизации с участием атомов О и N. Реакция ускоряется с ростом температуры, но непосредственно от величины электрического поля не зависит. Так создаются предпосылки к падающей вольт-амперной характеристике.
Ясно, что исследователю длинной искры и молнии не избежать изучения баланса энергии в канале разряда, которым определяется температура газа. Похоже, что именно здесь конечный результат должен больше всего зависеть от масштаба явления и от начальных условий. В лаборатории очень редко пересечение длинного промежутка стримером непосредственно ведет к его пробою. Прорастая в холодном воздухе, стример и сам остается холодным. Как будет показано, удельный энерговклад в газ слишком мал для его нагрева. Уже во время полета стримера его старые, долго живущие участки канала в значительной степени теряют свободные электроны. Фактически длинный промежуток пересекает не плазменный канал, а его след, почти не проводящий тока. Требуются специальные ухищрения, чтобы реализовать поистине стримерный пробой лабораторного промежутка с ненагретым воздухом.
В разряде молнии ситуация может быть иной. Большинство молний многокомпонентные. При очередном воздействии напряжения волна ионизации часто распространяется по еще неостывшему следу канала предшествующего компонента. Это уже не холодный воздух, а совсем иной газ с более благоприятными химическим составом и кинетическими свойствами. Будучи окруженным холодным воздухом, нагретый тракт проявляет некоторые свойства разряда в трубке с принудительно фиксированным радиусом, а следовательно и с более концентрированным энерговыделением. Не исключено, что механизм явления, называемого стреловидным лидером, на деле имеет прямое отношение к стримерному пробою. Нужно быть готовым к количественному описанию или численному моделированию такого процесса.
Длинные промежутки с холодным воздухом пробиваются лидерным механизмом. В ходе лидерного процесса по промежутку прорастает горячий (5000-10000 К) плазменный канал. От головки канала лидера как от высоковольтного электрода с большой частотой веером стартуют многочисленные стримеры. Они заполняют перед головкой лидера объем в несколько кубических метров (рис. 2.2).
Это называется стримерной зоной лидера илилидерной короной (по аналогии со стримерной короной, которая может возникать в лаборатории от высоковольтного электрода). Совокупный ток стримеров питает общий для всех лидерный канал, что и способствует нагреву последнего.
Стримерная зона заполнена зарядами формирующихся и уже отмерших стримеров. По мере роста лидера она продвигается в глубину промежутка вместе с лидерной головкой, а лидерный канал «въезжает» в пространство, заполненное объемным зарядом, как чулок «натягивая» его на себя. Так образуется заряженный чехол лидера, который является основным вместилищем заряда (рис. 2.2). Именно с этим зарядом связано изменение электрического поля в окружающем пространстве при развитии искры и молнии и именно он нейтрализуется после контакта лидерного канала с землей, создавая в процессе нейтрализации тот мощный импульс тока, который свойствен главной стадии искрового разряда (ее часто называют возвратным ударом). Таким образом, протягивается цепочка взаимосвязанных явлений, которая объединяет простейший элемент искрового разряда — стример со сложным по структуре и проявлениям лидерным процессом. Все, что касается механизма развития лидера, непосредственно проистекает из свойств стримерной зоны. У молнии она совершенно недоступна наблюдениям из-за относительно малых размеров и слабой светимости. Здесь (на сегодняшний день) нет иного пути, кроме как исследований длинной лабораторной искры с последующей теоретической экстраполяцией полученных закономерностей на экстремально длинные промежутки. В наибольшей степени сказанное относится к ступенчатому отрицательному лидеру, стримерная зона которого исключительно сложна по структуре. Она содержит стримеры различной полярности, стартующие не только от головки лидерного канала, но и из глубины пространства перед ним.
И у очень длинной искры, и тем более, у молнии канал лидера — наиболее протяженный структурный элемент. На нем падает большая часть приложенного к промежутку напряжения. Вот почему необходимо знать динамику изменения проводимости лидерного канала во времени. Свойства канала зависят в основном от тока в заданном сечении канала. Если ток известен, не столь важно, чему принадлежит этот канал, длинной искре или молнии. Меняется только время, в течение которого приходится следить за процессом: у молнии оно на 1-2 порядка больше. Анализируя самосогласованный процесс формирования тока лидера в объеме стримерной зоны, нагрева и преобразования плазмы в лидерном канале под влиянием этого тока, можно получить условия оптимального развития лидера в промежутке заданной длины. Есть основания полагать, что такие условия и реализуются в молнии, когда она развивается в предельно слабом поле. Природа всегда стремится к совершенству. Не потому, что одушевлена, а из-за того, что оптимальным условиям чаще всего соответствует наибольшая вероятность события.
Завершая раздел, нужно сказать, что специалистам по молниезащите теория длинной искры нужна и сама по себе. Ток молнии — причина наиболее распространенного типа перенапряжений в электрических цепях. Амплитуда грозовых перенапряжений достигает мегавольтного уровня. Чтобы проектировать молниестойкие цепи, нужно уметь оценивать пробивные напряжения воздушных промежутков различной длины и конфигурации. Этого нельзя сделать, не имея отчетливых представлений о механизме длинной искры.
<< Назад
Длинный стример.>>
