О физике стримерного пробоя icon

О физике стримерного пробоя



НазваниеО физике стримерного пробоя
Дата конвертации30.06.2012
Размер78.48 Kb.
ТипДокументы

О физике стримерного пробоя

Попов А.Ф. 1993г.


Аннотация

В работе предложена модель стримерного пробоя разрядного промежутка при давлениях порядка атмосферного. Рассмотрено развитие процесса в длинных промежутках. Прогресс достигается при учете факта, что вследствие высокой проводимости стимер переносит значительную часть потенциала анода (или катода) в разрядный промежуток. Напряженность электрического поля в близи его головки возрастает при растяжении его вдоль поля и достигает пробивной величины. В результате газ ионизуется и нагревается. Тепловое излучение из этой области осуществляет предварительную ионизацию холодного газа в окрестности стримера. Вследствие развития лавиной ионизации вдоль вектора электрического поля с максимальной напряженностью (или противоположно ему) перемещается слой ионизованного газа переносящий высокий потенциал в разрядный промежуток. Скорость стримера определяется временем развития разряда в слое пробоя. В этой модели физика катодного и анодного стримеров практически не различается.


Проблема развития газового разряда при давлениях порядка атмосферного подробно изложена в книге [1]. В ней приведена обширная библиография по различным вопросам физики разряда. Рассматривается проблема «затравочного» электрона. Однако ряд вопросов, таких как скорость распространения стримера, схожесть поведения катодного и анодного стримеров и лидерный пробой при молниевом разряде требуют дальнейших исследований. Для этих целей плодотворным оказывается использование метода, предложенного в книге [2] при исследовании развития лазерной искры в атмосфере.

Известно [1], что канал стримера имеет высокую проводимость, поэтому при своем движении он переносит значительную часть потенциала анода (или катода) в разрядный промежуток. Напряженность электрического поля вблизи его головки усиленно. В принципе стример может зародится вдали от электродов в этом случае электрическое поле будет усиленно у обоих его концов. Согласно работе [1] форма стримера близка к форме эллипсоида вращения. Распределения потенциала вокруг проводящего эллипсоида с большой и малой полуосями а и b, соответственно, помещенного в однородное поле Е0 , находится точно. Напряженность электрического поля максимальна на конце стримера и в случае сильно вытянутого эллипсоида (а>>b) она равна выражению


Ea= a


Внутри остова стримера с высокой проводимостью напряженность электрического поля близка к нулю. Во внешней области вектор электрического поля Е=4П0, где Ơ-поверхностный заряд, и направлен по нормали к его поверхности. Под действием тянущей электрической силы стример вытягивается вдоль своей оси и напряженность электрического поля в его вершине возрастает согласно равенству (1). При достижении пробивной величины газ вблизи головки стримера в результате развития электронной лавины ионизуется и нагревается.
Сильно нагретый газ со звуковой скоростью, определяемой его температурой расширяется. Вследствие высокой проводимости частично ионизованного газа ( опопопопоп , где т-температура электронов плазмы и z-заряд иона, если степень ионизации выше 1%) слой пробоя всегда остается на границе области с ионизованным газом. Слой с максимальной напряженностью электрического поля (слой пробоя) смещается в направлении оси стримера.

Энергия электронов, приобретаемая в электрическом поле, в конечном итоге расходуется на ионизацию и нагрев газа и высвечивание. Сильно нагретая область при температуре порядка 10эВ и выше является источником интенсивного излучения, которое играет существенную роль в возбуждении и ионизации холодного газа в зоне пробоя. Особенно это очевидно в случае катодного стримера, несущего положительный потенциал. В этом случае «затравочные» электроны в слое пробоя могут появиться только в результате фотоионизации.

Для определенности рассмотрим развитие стримерного пробоя в воздухе. Известно (2), что холодный воздух прозрачен для светового излучения. Заметное поглощение начинается в ультрафиолетовой области спектра. Сильное фотоэлектрическое поглощение испытывают кванты с энергией, превышающей потенциалы ионизации кислорода и азота рооллл . В интервале энергий от 13+25эВ длина пробега кванта 1=0,0083см. По видимому коэффициент поглощения кванта остается достаточно большим вплоть до энергий квантов порядка 40эВ, что связано с фотоионизацией атомов азота и кислорода с L- оболочки. В дальнейшем с ростом энергии кванта коэффициент поглощения монотонно убывает. Длина пробега кванта изменяется от 10/-2 см до 1000000 см в интервале энергий от 40эВ до 200эВ. Сильно нагретый воздух в головке стримера при температурах 10+100эВ прозрачен для теплового излучения с энергией ~к т, которое может обеспечить необходимую предионизацию в слое пробоя. При этих температурах газ фактически, двукратно ионизован. Однако скорость теплового расширения нагретой области меньше наблюдаемой экспериментально скорости распространения стримера. Очевидно, что скорость стримера определяется временем лавинной ионизации газа в слое пробоя. Подтвердим этот вывод простыми приближенными расчетами. На длине свободного пробега S = V/? электрон в электрическом поле набирает энергию попопопопопопопоп Поскольку при столкновении лишь малая доля энергии ~2m/M передается атому, то упорядоченная энергия превращается в этом процессе в тепловую энергию электрона. Скорость набора энергии электроном в электрическом поле равна выражению

где ? –частота столкновений электрона с атомами. Чтобы набрать энергию равную энергии ионизации I электрон должен испытать 12121221212 столкновений с тяжелыми частицами газа. Тогда время удвоения числа электронов 1212121212121212 Плотность электронов в лавине растет по экспоненциальному закону


формула

где 12121212 – постоянная времени лавины. Толщина слоя поглощения (слоя пробоя) порядка кванта 12121212см. На границе остовом стримера 12121212121212, где V-скорость стримера. Откуда получаем


формула


Скорость стримера лишь логарифмически зависит от отношения конечной плотности плазмы к начальной. Поскольку в головке стримера плотность плазмы 12122121212см, положим 121221см. произвольный выбор начальной плотности электронов в силу слабой зависимости от нее не значительно изменит конечный результат. В тоже время с помощью спектрального распределения интенсивности тормозного излучения 121212212122112212 можно убедится, что поток квантов в интервале энергий от 13эВ до 40эВ из области нагретого газа с температурой 20+100эВ заведомо в состоянии обеспечить эту величину фотоионизации. При величине напряженности электрического поля равной пробивной Е=30кВ/см и средней частоте столкновений электрона с энергией ~20эВ в воздухе ~2 ‘ 101212212 из равенства (4) получим V=10 см/сек. Эта величина совпадает со скоростью ступенчатого лидера в атмосфере. Несмотря на приближенный характер полученных результатов они дают достаточно правильные зависимости от различных параметров и удовлетворительно согласуются с экспериментальными наблюдениями. В частности, находит объяснение возможность пробоя при напряженности электрического поля Е1233 значительно меньшей пробивной величины.

В случае катодного стримера дополнительную ионизацию могут производить электроны, диффундирующие из остова стримера в слой пробоя. Однако при больших давлениях порядка атмосферного роль их невелика и физика катодного стримера в основных чертах анологична выше изложенной. Существенное отличие должно возникать при пробое в длинном промежутке, заполненном электроположительным газом, вследствие большого различия в подвижности электронов и ионов. В этом случае утечка зарядов через боковую поверхность стримеров в электрическом поле будут су12121212121212121 и утечка заряда с поверхности катодного или анодного стримеров будет приближенно одинаковой и незначительной.

Распространение стримера прекращается как только напряженность электрического поля в слое поглощения становится меньше пробивной величины. За время прохождения ступенчатым стримером одной ступени 121212121212323151231234231 мксек.плазма в канале стримера заметно так как вследствие малости тока омический нагрев плазмы не велик. (Ток лидера определяется утечкой заряда и переносом заряда в головке лидера 121212121212212121 при площади стримера 12121212165. Полный ток порядка десятка миллиампер). При остывании плазмы в канале стримера до температуры порядка 1эВ сопротивление ступени лидера становится ~50КОМ и падение напряжения на ней может быть сравнимым с пробивным. Дальнейшее продвижение лидера возможно только при подключении его канала к другому центру зарядов в облаке. В этом случае, по-видимому, первоначально старому каналу распространяется стреловидный лидер, скорость которого порядка 1100101см/сек. Он разогревает плазму в остове и ступенчатый лидер продвигается дальше в промежуток.

Боковое расширение газа в головке стримера описывается решениями сильного взрыва (2). Расширение газа прекращается, когда давление нагретого газа сравнивается с давлением холодного газа. Это условие определяет отношение начального и конечного радиусов головки стримера в зависимости от отношения температур в этих состояниях.

В рамках предлагаемой модели физика процессов в коронном разряде представляется следующим образом. Пробой начинается вблизи острийных электродов или острийных выступов на них в области усиленного электрического поля (1). Зародившийся стример при своем движении в область более слабого поля расширяется вследствие этого напряженность электрического поля в слое пробоя, согласно равенству (1) уменьшается. Когда напряженность поля становится меньше пробивной величины, распространение стримера прекращается. Плазма в результате дрейфа заряженных частиц в поле распадается. После этого процесс повторяется. В результате ионизация газа происходит только в при электродных областях.


Литература


  1. Лозанский Э.Д., Фирсов О.Б. В кн: Теория искры. Москва, Автомиздат,1975.

  2. Зельдович Я.Б., Райзер Ю.П. В кн: Физика ударных волн и высокотемпературных гидродинамических явлений. Изд. «Наука». Москва,1966.

  3. Стаханов И.П. В кн: О физической природе шаровой молнии. Москва,Энергоиздат.1985.

Сухумский ФТИ.




Похожие:

О физике стримерного пробоя iconРабочая программа по физике Составила И. В. Орлова, учитель физики 2009 г. Пояснительная записка
Примерная программа по физике составлена на основе федерального компонента государственного стандарта основного общего образования,...
О физике стримерного пробоя iconДокументы
1. /Генератор на транзисторе, работающий в режиме лавинного пробоя.djvu
О физике стримерного пробоя iconРабочая программа по физике Составила И. В. Орлова, учитель физики 2008 г. Пояснительная записка
Рабочая программа по физике составлена на основе федерального компонента государственного стандарта основного общего образования,...
О физике стримерного пробоя iconСтановление методологической культуры учащихся в обучении физике
Научно-методический совет по физике Министерства образования РФ объединенное физическое общество РФ
О физике стримерного пробоя iconУчебник по физике, 11 класс Большая Энциклопедия Школьника Хрестоматия по физике 8-11 класс
Через три года Вильгельм получил диплом, а еще через год защитил докторскую диссертацию в Цюрихском университете. В 1872 году он...
О физике стримерного пробоя iconРмо учителей физики
Внедрение информационных технологий обучения физике и астрономии. Методика применения новых программно-методических средств по физике....
О физике стримерного пробоя iconАнализ результатов краевой диагностической работы по физике в 9 классе
Цель проведения: провести диагностический базовый уровень предметной обученности учащихся по физике на данный момент
О физике стримерного пробоя iconРезультаты егэ по физике 2011 в Тутаевском муниципальном районе
Результаты в общеобразовательных учреждениях, реализующих профильное обучение по физике
О физике стримерного пробоя iconГригорян О. Р., Кузнецов Н. В
Современные проблемы в астрофизике и физике космической плазмы X конференция молодых ученых. Иркутск, 17-22 сентября 2007 г. Международная...
О физике стримерного пробоя iconИспользование принципа идеального конечного результата при решение задач по физике
Методика обучения физике в школе и вузе. Сборник научных статей. – Спб.: Изд-во ргпу им. А. И. Герцена. 2000
Разместите кнопку на своём сайте:
Документы


База данных защищена авторским правом ©podelise.ru 2000-2014
При копировании материала обязательно указание активной ссылки открытой для индексации.
обратиться к администрации
Документы

Разработка сайта — Веб студия Адаманов