Décharge d'étincelles. Notion de décharge par étincelle Cette décharge se caractérise par une forme intermittente

En fonction de la pression du gaz, de la configuration des électrodes et des paramètres du circuit externe, il existe quatre types de décharges indépendantes :

• décharge luminescente;
• décharge d'étincelles ;
• décharge en arc ;
• décharge corona.

1. Décharge luminescente se produit à basse pression. On peut l'observer dans un tube de verre doté d'électrodes métalliques plates soudées aux extrémités (Fig. 8.5). Près de la cathode se trouve une fine couche lumineuse appelée film lumineux cathodique 2.

Entre la cathode et le film il y a L'espace sombre d'Aston 1. A droite du film lumineux est placée une couche faiblement lumineuse appelée espace sombre de la cathode 3. Cette couche pénètre dans une zone lumineuse appelée lueur couvante 4, l'espace qui couve est bordé par un espace sombre - Espace sombre de Faraday 5. Toutes les couches ci-dessus se forment partie cathodique décharge luminescente. Le reste du tube est rempli de gaz incandescent. Cette partie s'appelle colonne positive 6.

À mesure que la pression diminue, la partie cathodique de la décharge et l'espace sombre de Faraday augmentent et la colonne positive se raccourcit.

Les mesures ont montré que presque toutes les chutes potentielles se produisent dans les trois premières sections de la décharge (espace sombre d'Aston, film lumineux cathodique et point sombre cathodique). Cette partie de la tension appliquée au tube est appelée chute de potentiel cathodique.

Dans la région de la lueur couvante, le potentiel ne change pas - ici l'intensité du champ est nulle. Enfin, dans l’espace sombre de Faraday et la colonne positive, le potentiel augmente lentement.

Cette distribution de potentiel est provoquée par la formation d’une charge d’espace positive dans l’espace sombre de la cathode, en raison de la concentration accrue d’ions positifs.

Les ions positifs, accélérés par la chute de potentiel cathodique, bombardent la cathode et en expulsent les électrons. Dans l'espace sombre d'Aston, ces électrons, volant sans collision dans la région de l'espace sombre cathodique, ont une énergie élevée, de sorte qu'ils ionisent plus souvent les molécules qu'ils ne les excitent. Ceux. L'intensité de la lueur du gaz diminue, mais de nombreux électrons et ions positifs se forment. Les ions résultants ont initialement une vitesse très faible et donc une charge d'espace positive est créée dans l'espace sombre de la cathode, ce qui conduit à une redistribution du potentiel le long du tube et à l'apparition d'une chute de potentiel cathodique.

Les électrons générés dans l'espace sombre de la cathode pénètrent dans la région de lueur couvante, caractérisée par une forte concentration d'électrons et d'ions positifs et une charge d'espace polaire proche de zéro (plasma). Par conséquent, l’intensité du champ est ici très faible. Dans la région de la lueur couvante, un processus de recombinaison intense a lieu, accompagné de l'émission d'énergie libérée au cours de ce processus. Ainsi, la lueur couvante est principalement une lueur de recombinaison.

De la région de lueur couvante vers l’espace sombre de Faraday, les électrons et les ions pénètrent par diffusion. La probabilité de recombinaison diminue ici considérablement, car la concentration de particules chargées est faible. Par conséquent, il existe un champ dans l’espace sombre de Faraday. Les électrons entraînés par ce champ accumulent de l’énergie et finissent souvent par créer les conditions nécessaires à l’existence d’un plasma. La colonne positive représente le plasma à décharge gazeuse. Il agit comme un conducteur reliant l’anode aux parties cathodiques de la décharge. La lueur de la colonne positive est principalement provoquée par les transitions des molécules excitées vers l’état fondamental.

2. Décharge d'étincelles se produit dans le gaz généralement à des pressions de l’ordre de la pression atmosphérique. Il se caractérise par une forme intermittente. En apparence, une décharge d'étincelle est un groupe de fines rayures brillantes ramifiées en zigzag qui pénètrent instantanément dans l'espace de décharge, s'éteignent rapidement et se remplacent constamment (Fig. 8.6). Ces bandes sont appelées canaux d'étincelles.

T gaz = 10 000 K ~ 40cm je= 100 kA t= 10 –4 s je~ 10km

Une fois que l'espace de décharge est « percé » par le canal d'étincelle, sa résistance devient faible, une impulsion à court terme de courant élevé traverse le canal, pendant laquelle seule une petite tension tombe sur l'espace de décharge. Si la puissance de la source n'est pas très élevée, la décharge s'arrête après cette impulsion de courant. La tension entre les électrodes commence à augmenter jusqu'à sa valeur précédente et le claquage du gaz se répète avec la formation d'un nouveau canal d'étincelle.

Dans des conditions naturelles, une décharge d'étincelles est observée sous forme de foudre. La figure 8.7 montre un exemple de décharge d'étincelle - foudre, durée 0,2 ÷ 0,3 avec une intensité de courant de 10 4 - 10 5 A, longueur 20 km (Fig. 8.7).



3. Décharge d'arc . Si, après avoir reçu une décharge d'étincelle provenant d'une source puissante, la distance entre les électrodes est progressivement réduite, alors la décharge intermittente devient continue et une nouvelle forme de décharge gazeuse apparaît, appelée décharge en arc(Fig. 8.8).

~ 10 3 A
Riz. 8.8

Dans ce cas, le courant augmente fortement, atteignant des dizaines et des centaines d'ampères, et la tension aux bornes de l'espace de décharge chute à plusieurs dizaines de volts. Selon V.F. Litkevich (1872 - 1951), la décharge en arc est maintenue principalement grâce à l'émission thermoionique de la surface de la cathode. En pratique, cela signifie du soudage et des fours à arc puissants.

4. Décharge corona (Fig. 8.9). se produit dans un champ électrique fort et non uniforme à des pressions de gaz relativement élevées (de l'ordre de la pression atmosphérique). Un tel champ peut être obtenu entre deux électrodes dont la surface de l'une présente une grande courbure (fil fin, pointe).

La présence d'une deuxième électrode n'est pas nécessaire, mais son rôle peut être joué par des objets métalliques proches et environnants mis à la terre. Lorsque le champ électrique à proximité d'une électrode à grande courbure atteint environ 3∙10 6 V/m, une lueur apparaît autour d'elle, ressemblant à une coquille ou à une couronne, d'où le nom de la charge.

Décharge d'étincelles. À une intensité de champ suffisamment élevée d'environ 3 MVm, une étincelle électrique apparaît entre les électrodes, qui ressemble à un canal d'enroulement brillant reliant les deux électrodes.

Le gaz à proximité de l’étincelle s’échauffe jusqu’à une température élevée et se dilate soudainement, provoquant l’apparition d’ondes sonores et l’on entend un crépitement caractéristique. La forme décrite de décharge de gaz est appelée décharge par étincelle ou claquage par étincelle de gaz. Lorsqu’une décharge d’étincelle se produit, le gaz perd soudainement ses propriétés diélectriques et devient un bon conducteur.

L'intensité du champ auquel se produit le claquage des étincelles de gaz a une valeur différente pour différents gaz et dépend de leur état de pression et de température. Plus la distance entre les électrodes est grande, plus la tension entre elles est nécessaire pour que le claquage du gaz se produise. Cette tension est appelée tension de claquage.

Sachant comment la tension de claquage dépend de la distance entre les électrodes d'une forme particulière, il est possible de mesurer la tension inconnue sur la longueur maximale de l'étincelle. Le dispositif d'un voltmètre à étincelles pour les hautes tensions brutes est basé sur ceci. Il est constitué de deux boules métalliques montées sur les supports 1 et 2, le 2ème support avec la boule peut se rapprocher ou s'éloigner du premier à l'aide d'une vis. Les boules sont connectées à une source de courant dont il faut mesurer la tension et rassemblées jusqu'à l'apparition d'une étincelle.

En mesurant la distance à l'aide d'une échelle sur le support, vous pouvez donner une estimation approximative de la tension sur toute la longueur de l'étincelle ; par exemple, avec un diamètre de boule de 5 cm et une distance de 0,5 cm, la tension de claquage est de 17,5 kV. , et à une distance de 5 cm 100 kV. L'apparition d'un claquage s'explique comme suit : dans un gaz il y a toujours un certain nombre d'ions et d'électrons provenant de raisons aléatoires. Cependant, leur nombre est si faible que le gaz ne conduit pratiquement pas l'électricité. À une intensité de champ suffisamment élevée, l'énergie cinétique accumulée par l'ion dans l'intervalle entre deux collisions peut devenir suffisante pour ioniser une molécule neutre lors d'une collision.

En conséquence, un nouvel électron négatif et un résidu ionique chargé positivement sont formés. L'électron libre 1, lorsqu'il entre en collision avec une molécule neutre, la divise en électron 2 et en un ion positif libre. Les électrons 1 et 2, lors d'une nouvelle collision avec des molécules neutres, les divisent à nouveau en électrons 3 et 4 et libèrent des ions positifs, etc. Ce processus d'ionisation est appelé ionisation par impact, et le travail qui doit être effectué pour retirer un électron d'un atome est appelé travail d'ionisation.

Le travail d’ionisation dépend de la structure de l’atome et est donc différent selon les gaz. Les électrons et les ions formés sous l'influence de l'ionisation par impact augmentent le nombre de charges dans le gaz, et à leur tour, ils entrent en mouvement sous l'influence d'un champ électrique et peuvent produire une ionisation par impact de nouveaux atomes.

Ainsi, le processus se renforce et l'ionisation dans le gaz atteint rapidement une valeur très importante. Le phénomène est similaire à une avalanche de neige, c'est pourquoi ce processus a été appelé avalanche ionique. La formation d'une avalanche d'ions est le processus de claquage d'étincelles, et la tension minimale à laquelle une avalanche d'ions se produit est la tension de claquage. Ainsi, lors d'une panne d'étincelle, la raison de l'ionisation du gaz est la destruction d'atomes et de molécules lors de collisions avec des ions - ionisation par impact. 2.2.3. Arc électrique Si, après l'allumage de la décharge par étincelle, la résistance du circuit diminue progressivement, l'intensité du courant dans l'étincelle augmentera.

Lorsque la résistance du circuit devient suffisamment faible, une nouvelle forme de décharge gazeuse se produit, appelée décharge en arc. Dans ce cas, le courant augmente fortement et la tension aux bornes de l'espace de décharge diminue jusqu'à plusieurs dizaines de volts. Cela montre que de nouveaux processus apparaissent dans la décharge, conférant une très haute conductivité au gaz.

Actuellement, un arc électrique se produit le plus souvent entre des électrodes spéciales en carbone. Le point le plus chaud de l’arc est la dépression formée sur l’électrode positive et est appelée cratère d’arc. Sa température est de 4 000 K et, à une pression de 20 atm, elle dépasse 7 000 K. Une décharge d'arc se produit dans tous les cas lorsque, en raison de l'échauffement de la cathode, l'émission thermoionique devient la principale cause de l'ionisation du gaz. Par exemple, dans une décharge luminescente, les ions positifs bombardant la cathode provoquent non seulement une émission d'électrons secondaires, mais chauffent également la cathode.

Par conséquent, si vous augmentez le courant dans une décharge luminescente, la température de la cathode augmente et lorsqu'elle atteint une valeur telle qu'une émission thermoionique notable commence, la décharge luminescente se transforme en arc. Dans ce cas, la chute de potentiel cathodique disparaît également. L'arc électrique est une source lumineuse puissante et est largement utilisé dans les installations de projection, de projecteur et autres. La puissance spécifique consommée par celle-ci est inférieure à celle des lampes à incandescence.

Les lampes à arc à haute pression sont également utilisées comme sources lumineuses. L'arc est allumé par une décharge provenant d'une source haute tension utilisant une troisième électrode. En raison de la température élevée de l’arc, il est utilisé pour souder et couper les métaux. Des arcs autoélectroniques à cathode de mercure sont utilisés pour redresser le courant électrique alternatif. 2.2.4. Décharge corona La décharge, qui a reçu ce nom, est observée à des pressions de gaz relativement élevées dans un champ très inhomogène. Pour obtenir une inhomogénéité de champ importante, les électrodes doivent avoir une surface très inégale, c'est-à-dire l'une très grande, l'autre très petite.

Les lignes d’intensité du champ électrique deviennent plus denses à mesure qu’elles s’approchent du fil et, par conséquent, l’intensité du champ à proximité du fil a la plus grande valeur. Lorsqu'elle atteint environ 3106 Vm, une décharge s'allume entre le fil et le cylindre et un courant apparaît dans le circuit. Dans ce cas, une lueur apparaît près du fil, qui a la forme d'une coquille ou d'une couronne entourant le fil, d'où le nom de la décharge.

La décharge corona se produit à la fois à un potentiel négatif sur le fil (couronne négative) et à un potentiel positif (couronne positive), ainsi qu'à une tension alternative entre le fil et le cylindre. À mesure que la tension entre le fil et le cylindre augmente, le courant dans la décharge corona augmente également. Dans le même temps, l’épaisseur de la couche lumineuse de la couronne augmente. Les processus à l'intérieur de la couronne se résument à ce qui suit : si le fil est chargé négativement, alors lorsqu'il atteint la tension de claquage, des avalanches d'électrons sont générées à la surface du fil, qui se propagent du fil au cylindre.

Dans le cas d'une couronne positive, les avalanches d'électrons prennent naissance sur la surface externe de la couronne et se dirigent vers le fil. La décharge corona se produit non seulement à proximité des fils, mais également à proximité de tout conducteur de petite surface. La couronne apparaît également dans la nature sous l'influence du champ électrique atmosphérique et apparaît sur la cime des arbres, les mâts des navires, etc. 3.

Fin du travail -

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Courant électrique dans les non-métaux

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Si vous augmentez progressivement la tension entre deux électrodes situées dans l'air atmosphérique et ayant une forme telle que le champ électrique entre elles ne diffère pas trop d'un champ uniforme (par exemple, deux électrodes plates aux bords arrondis ou deux boules suffisamment grosses), puis à une certaine tension une étincelle électrique. Il ressemble à un canal brillamment brillant reliant les deux électrodes, qui est généralement courbé et ramifié de manière complexe (voir annexe 1.2).

Une étincelle électrique se produit lorsque le champ électrique dans un gaz atteint une certaine valeur E À(champ critique ou force de rupture), qui dépend du type de gaz et de son état. Pour l'air dans des conditions normales E À 3*10 6 V/m. Plus la distance entre les électrodes est grande, plus la tension entre elles est nécessaire pour que le claquage du gaz se produise. Cette tension est appelée tension de claquage.

L'apparition d'un claquage s'explique de la manière suivante : dans un gaz, il y a toujours un certain nombre d'ions et d'électrons qui proviennent de causes aléatoires. Cependant, leur nombre est si faible que le gaz ne conduit pratiquement pas l'électricité. À une intensité de champ suffisamment élevée, l'énergie cinétique accumulée par l'ion dans l'intervalle entre deux collisions peut devenir suffisante pour ioniser une molécule neutre lors d'une collision. En conséquence, un nouvel électron négatif et un résidu chargé positivement – ​​un ion – sont formés.

L'électron libre 1, lorsqu'il entre en collision avec une molécule neutre, la divise en électron 2 et en un ion positif libre. Les électrons 1 et 2, lors d'une nouvelle collision avec des molécules neutres, les divisent à nouveau en électrons 3 et 4 et libèrent des ions positifs, etc. (Fig. 3.2.1).

Ce processus d'ionisation est appelé ionisation par impact l'ionisation, et le travail qui doit être dépensé pour retirer un électron d'un atome est le travail de l'ionisation. Le travail d’ionisation dépend de la structure de l’atome et est donc différent selon les gaz.

Les électrons et les ions formés sous l'influence de l'ionisation par impact augmentent le nombre de charges dans le gaz, et à leur tour, ils entrent en mouvement sous l'influence d'un champ électrique et peuvent produire une ionisation par impact de nouveaux atomes. Ainsi, le processus se renforce et l'ionisation dans le gaz atteint rapidement une valeur très importante. Le phénomène est similaire à une avalanche de neige, c'est pourquoi ce processus a été appelé ionique. une avalanche.

La formation d'une avalanche d'ions est le processus de claquage d'étincelles, et la tension minimale à laquelle une avalanche d'ions se produit est la tension de claquage.

Ainsi, lors d'un claquage d'étincelle, la cause de l'ionisation des gaz est la destruction d'atomes et de molécules lors de collisions avec des ions (ionisation par impact). Ordre de grandeur E À augmente avec l'augmentation de la pression. Rapport entre l'intensité du champ critique et la pression du gaz R. pour un gaz donné reste approximativement constant sur une large plage de changements de pression :

Cette loi permet de déterminer Ek à différentes pressions si sa valeur à une pression quelconque est connue.

La tension de claquage diminue lorsque le gaz est exposé à un ioniseur externe. Si vous appliquez une tension légèrement inférieure à la tension de claquage à l'espace de gaz et amenez un brûleur à gaz allumé dans l'espace entre les électrodes, une étincelle se produit. L'éclairage de l'électrode négative avec de la lumière ultraviolette, ainsi que d'autres ioniseurs, a le même effet.

Pour expliquer la décharge d'étincelle, il semblait au début naturel de supposer que les principaux processus dans l'étincelle sont l'ionisation par impacts d'électrons dans le volume et l'ionisation par des ions positifs (dans le volume ou à la cathode). Cependant, il est devenu clair plus tard que ces processus ne pouvaient pas expliquer de nombreuses caractéristiques de la formation des étincelles. Prenons comme exemple la vitesse de développement de la charge d'étincelle. Si l'ionisation par des ions positifs jouait un rôle important dans l'étincelle, alors le temps de développement de l'étincelle serait au moins du même ordre que le temps de déplacement des ions positifs de l'anode à la cathode. Ce temps est facile à estimer - il s'avère être d'environ 10 -4 - 10 -5 s. Entre-temps, l’expérience montre que son temps de développement est plusieurs fois plus court.

Une explication de la vitesse élevée de développement de l'étincelle, ainsi que d'autres caractéristiques de cette forme de décharge, est donnée par la théorie dite du streamer de l'étincelle, actuellement étayée par des données expérimentales directes. Selon cette théorie, l'apparition d'un canal d'étincelles très brillant est précédée par l'apparition d'amas de particules ionisées faiblement brillants. ( banderoles ). En pénétrant dans l'espace de décharge gazeuse, les banderoles forment des ponts conducteurs le long desquels de puissants flux d'électrons se précipitent vers les étapes suivantes de la décharge. La raison de l'apparition des streamers n'est pas seulement la formation d'avalanches d'électrons par ionisation par impact, mais aussi l'ionisation du gaz par rayonnement provenant de la décharge elle-même (photoionisation).

Le diagramme de développement du streamer est présenté sur la Fig. 3.2.2.

Sous forme de cônes, cette figure montre des avalanches d'électrons qui prennent naissance aux sommets des cônes et se propagent de la cathode à l'anode. Ce qui est essentiel dans ce schéma, c'est le fait qu'en plus de l'avalanche d'électrons initiale provenant directement de la cathode, de nouvelles avalanches se forment en des points situés bien en avant de la tête de l'avalanche initiale. Ces nouvelles avalanches surviennent en raison de l'apparition d'électrons dans le volume de gaz à la suite d'une photoionisation par un rayonnement émanant d'avalanches antérieures (sur la figure, ce rayonnement est représenté schématiquement sous forme de lignes ondulées). Au cours de leur développement, les avalanches individuelles se rattrapent et fusionnent, formant ainsi un canal de banderoles bien conducteur. D'après le diagramme ci-dessus, il est clair qu'en raison de l'apparition de nombreuses avalanches, le trajet total CD parcouru par la banderole est bien supérieur à la distance AB parcourue par une avalanche initiale (la différence entre les longueurs de AB et CD est en réalité beaucoup plus grande que la distance AB parcourue par une avalanche initiale (la différence entre les longueurs de AB et CD est en réalité beaucoup plus supérieur à celui indiqué sur la Fig. 3.2.2).

En raison de la libération d'une grande quantité d'énergie au cours des processus considérés, le gaz dans l'éclateur s'échauffe jusqu'à 10 000 C, ce qui conduit à sa lueur. Un échauffement rapide du gaz entraîne une augmentation de la pression, atteignant 10 7 10 8 Pa, et l'apparition d'ondes de choc, qui expliquent les effets sonores lors d'une décharge d'étincelle - un crépitement caractéristique dans les décharges faibles et de puissants grondements de tonnerre dans le cas de la foudre, qui est un exemple de puissante décharge d'étincelles entre un nuage d'orage et Au sol ou entre deux nuages ​​d'orage.

Une décharge par étincelle est utilisée pour enflammer un mélange combustible dans les moteurs à combustion interne. Lorsque l'intervalle de décharge est court, la décharge par étincelle provoque une destruction spécifique de l'anode, appelée érosion. Ce phénomène a été utilisé dans la méthode par étincelle électrique pour couper, percer et autres types de traitement de précision des métaux. Il est utilisé en analyse spectrale pour enregistrer les particules chargées (compteurs d'étincelles).

L'éclateur est utilisé comme parasurtenseur (éclateur) dans les lignes de transmission électrique (par exemple, les lignes téléphoniques). Si un fort courant de courte durée passe à proximité d'une ligne, alors des tensions et des courants sont induits dans les fils de cette ligne, ce qui peut détruire l'installation électrique et mettre la vie humaine en danger.

Pour éviter cela, des fusibles spéciaux sont utilisés, constitués de deux électrodes courbes, dont l'une est connectée à la ligne et l'autre est mise à la terre. Si le potentiel de la ligne par rapport au sol augmente considérablement, une décharge d'étincelle se produit entre les électrodes qui, avec l'air chauffé par celle-ci, monte, s'allonge et se brise.

Enfin, une étincelle électrique permet de mesurer de grandes différences de potentiel à l'aide d'un écart à billes dont les électrodes sont deux billes métalliques montées sur les supports 1 et 2. Le deuxième support avec la bille peut se rapprocher ou s'éloigner du premier à l'aide d'une vis. . Les boules sont connectées à une source de courant dont il faut mesurer la tension et rassemblées jusqu'à l'apparition d'une étincelle. En mesurant la distance à l'aide de l'échelle présente sur le support, vous pouvez donner une estimation approximative de la tension sur la longueur de l'étincelle (exemple : avec un diamètre de bille de 5 cm et une distance de 0,5 cm, la tension de claquage est de 17,5 kV, et avec une distance de 5 cm - 100 kV). Cette méthode permet de mesurer des différences de potentiel de l’ordre de plusieurs dizaines de milliers de volts avec une précision de quelques pourcents.

La décharge par étincelle a l'apparence de fils-canaux de ramification en zigzag brillants qui pénètrent dans l'espace de décharge et disparaissent, remplacés par de nouveaux. Des recherches ont montré que les canaux de décharge d'étincelles commencent à se développer, parfois à partir de l'électrode positive, parfois à partir de la négative et parfois à partir d'un point situé entre les électrodes. Cela s'explique par le fait que l'ionisation par impact dans le cas d'une décharge par étincelle ne se produit pas dans tout le volume de gaz, mais à travers des canaux individuels passant aux endroits où la concentration en ions s'avère accidentellement la plus élevée. Une décharge d'étincelle s'accompagne du dégagement d'une grande quantité de chaleur, d'une brillante lueur de gaz, d'un crépitement ou d'un tonnerre. Tous ces phénomènes sont provoqués par des avalanches d'électrons et d'ions qui se produisent dans les canaux d'étincelles et entraînent une énorme augmentation de pression, atteignant 107 108 Pa, et une augmentation de température jusqu'à 10 000 C.

Un exemple typique de décharge par étincelle est la foudre. Le canal principal de la foudre a un diamètre de 10 à 25 cm et la longueur de la foudre peut atteindre plusieurs kilomètres. L'intensité maximale du courant d'une impulsion de foudre atteint des dizaines et des centaines de milliers d'ampères.

Lorsque l'intervalle de décharge est court, la décharge par étincelle provoque une destruction spécifique de l'anode, appelée érosion. Ce phénomène a été utilisé dans la méthode par étincelle électrique pour couper, percer et autres types de traitement de précision des métaux.

L'éclateur est utilisé comme parasurtenseur dans les lignes de transmission électrique (par exemple, les lignes téléphoniques). Si un fort courant de courte durée passe à proximité d'une ligne, alors des tensions et des courants sont induits dans les fils de cette ligne, ce qui peut détruire l'installation électrique et mettre la vie humaine en danger. Pour éviter cela, des fusibles spéciaux sont utilisés, constitués de deux électrodes courbes, dont l'une est connectée à la ligne et l'autre est mise à la terre. Si le potentiel de la ligne par rapport au sol augmente considérablement, une décharge d'étincelle se produit entre les électrodes qui, avec l'air chauffé par celle-ci, monte, s'allonge et se brise.

Enfin, l'étincelle électrique est utilisée pour mesurer de grandes différences de potentiel en utilisant arrête-balle, dont les électrodes sont deux billes métalliques à surface polie. Les billes sont écartées et une différence de potentiel mesurée leur est appliquée. Ensuite, les boules se rapprochent jusqu'à ce qu'une étincelle saute entre elles. Connaissant le diamètre des boules, la distance qui les sépare, la pression, la température et l'humidité de l'air, trouvez la différence de potentiel entre les boules à l'aide de tableaux spéciaux. Cette méthode permet de mesurer des différences de potentiel de l’ordre de plusieurs dizaines de milliers de volts avec une précision de quelques pourcents.

Notion de décharge par étincelle Cette décharge se caractérise par une forme intermittente. Il se produit généralement dans des gaz à des pressions de l’ordre de la pression atmosphérique. Dans des conditions naturelles, une décharge d'étincelles est observée sous forme de foudre. Extérieurement, une décharge d'étincelle est un groupe de fines bandes brillantes ramifiées en zigzag qui pénètrent instantanément dans l'espace de décharge, s'éteignent rapidement et se remplacent constamment. Ces bandes sont appelées canaux d'étincelles. Les canaux se développant à partir de l'électrode positive ont des contours filiformes clairs, tandis que ceux se développant à partir de l'électrode négative ont des bords diffus et des ramifications plus fines.

Parce que Étant donné qu'une décharge d'étincelle se produit à des pressions de gaz élevées, le potentiel d'inflammation est très élevé. Mais une fois que l'espace de décharge est devenu un canal « d'étincelle », la résistance de l'espace devient très faible ; une impulsion à court terme de courant élevé traverse le canal, pendant laquelle seule une légère résistance tombe sur l'espace de décharge. Si la puissance de la source n'est pas très élevée, après une telle impulsion de courant, la décharge s'arrête. La tension entre les électrodes commence à augmenter jusqu'à sa valeur précédente et le claquage du gaz se répète avec la formation d'un nouveau canal d'étincelle. Une étincelle électrique se produit si le champ électrique dans un gaz atteint une certaine valeur spécifique Ek (intensité de champ critique ou résistance au claquage), qui dépend du type de gaz et de son état. Par exemple, pour l'air dans des conditions normales Ek3 * 106 V/m. La valeur de Ek augmente avec l'augmentation de la pression. Le rapport entre l'intensité du champ critique et la pression du gaz p pour un gaz donné reste approximatif sur une large plage de variations de pression : Ek/pconst.

Plus la capacité C entre les électrodes est grande, plus le temps de montée en tension est long. Par conséquent, l'allumage d'un condensateur parallèlement à l'espace de décharge augmente le temps entre deux étincelles ultérieures et les étincelles elles-mêmes deviennent plus puissantes. Une charge électrique importante traverse le canal d'étincelle et, par conséquent, l'amplitude et la durée de l'impulsion de courant augmentent. Avec une grande capacité C, le canal d'étincelle brille brillamment et présente l'apparence de larges rayures. La même chose se produit lorsque la puissance de la source de courant augmente. Ensuite, ils parlent d'une décharge d'étincelle condensée, ou d'une étincelle condensée. L'intensité maximale du courant dans une impulsion lors d'une décharge par étincelle varie considérablement en fonction des paramètres du circuit de décharge et des conditions dans l'espace de décharge, atteignant plusieurs centaines de kiloampères. Avec une nouvelle augmentation de la puissance de la source, la décharge par étincelle se transforme en décharge en arc. À la suite du passage d'une impulsion de courant à travers le canal d'étincelle, une grande quantité d'énergie est libérée dans le canal (environ 0,1 à 1 J pour chaque centimètre de longueur de canal). La libération d'énergie est associée à une augmentation brutale de la pression dans le gaz environnant - la formation d'une onde de choc cylindrique dont la température au front est d'environ 104 K.

Une expansion rapide du canal d’étincelle se produit, avec une vitesse de l’ordre de la vitesse thermique des atomes de gaz. À mesure que l’onde de choc avance, la température sur son front commence à baisser et le front lui-même s’éloigne de la limite du canal. L'apparition d'ondes de choc s'explique par les effets sonores qui accompagnent une décharge d'étincelle : un crépitement caractéristique dans le cas des décharges faibles et des grondements puissants dans le cas de la foudre. Lorsque le canal existe, en particulier à des pressions élevées, une lueur plus brillante de la décharge d'étincelle est observée. La luminosité de la lueur n’est pas uniforme sur la section transversale du canal et présente un maximum en son centre.

Mécanisme de décharge par étincelle Actuellement, la théorie dite du streamer de la décharge par étincelle, confirmée par des expériences directes, est généralement acceptée. Qualitativement, il explique les principales caractéristiques d'une décharge par étincelle, bien que quantitativement, il ne puisse pas être considéré comme complet. Si une avalanche d'électrons provient de la cathode, alors sur son chemin se produit une ionisation et une excitation des molécules de gaz et des atomes. Il est important que les quanta de lumière émis par les atomes et les molécules excités, se propageant jusqu'à l'anode à la vitesse de la lumière, produisent eux-mêmes une ionisation du gaz et donnent naissance aux premières avalanches d'électrons.

Les électrons libres reçoivent d’énormes accélérations dans un tel champ. Ces accélérations sont dirigées vers le bas, puisque la partie inférieure du nuage est chargée négativement et que la surface de la terre est chargée positivement. Entre la première collision et la suivante, les électrons acquièrent une énergie cinétique importante. Ainsi, lorsqu’ils entrent en collision avec des atomes ou des molécules, ils les ionisent. En conséquence, de nouveaux électrons (secondaires) naissent, qui, à leur tour, sont accélérés dans le champ du nuage et ionisent ensuite de nouveaux atomes et molécules lors de collisions. Des avalanches entières d'électrons rapides apparaissent, formant des nuages ​​tout en bas, des « fils » de plasma - une banderole. En fusionnant les uns avec les autres, les streamers donnent naissance à un canal plasma à travers lequel passera ensuite l'impulsion de courant principale. Ce canal de plasma se développant du « bas » du nuage jusqu’à la surface de la terre est rempli d’électrons et d’ions libres et peut donc bien conduire le courant électrique. On l'appelle un leader, ou plus précisément un leader en échelon. Le fait est que le canal ne se forme pas en douceur, mais par sauts - par "étapes".

On ne sait pas avec certitude pourquoi il y a des pauses dans le mouvement du leader, et des pauses relativement régulières. Il existe plusieurs théories sur les leaders en échelons. En 1938, Schönland avance deux explications possibles pour expliquer le retard causé par la nature échelonnée du leader. Selon l’un d’eux, les électrons devraient descendre dans le canal du streamer principal (pilote). Cependant, certains électrons sont capturés par des atomes et des ions chargés positivement, de sorte qu'il faut un certain temps pour que de nouveaux électrons avançant arrivent avant qu'il n'y ait un gradient de potentiel suffisant pour que le courant continue.

Selon un autre point de vue, il faut du temps pour que les ions chargés positivement s'accumulent sous la tête du canal leader et créent ainsi un gradient de potentiel suffisant à travers celui-ci. En 1944, Bruce proposa une explication différente, basée sur le développement d'une décharge luminescente en décharge en arc. Il a considéré une « décharge corona », semblable à une décharge de pointe, existant autour du canal principal, non seulement à la tête du canal, mais sur toute sa longueur. Il a expliqué que les conditions d'existence d'une décharge d'arc seront établies pendant un certain temps après que le canal se soit développé sur une certaine distance et que, par conséquent, des étapes sont apparues. Ce phénomène n’a pas encore été entièrement étudié et il n’existe pas encore de théorie spécifique.

C'est ainsi qu'il y a la foudre. La foudre et le tonnerre étaient initialement perçus par les gens comme une expression de la volonté des dieux et, en particulier, comme une manifestation de la colère de Dieu. Dans le même temps, l'esprit humain curieux essaie depuis longtemps de comprendre la nature de la foudre et du tonnerre, de comprendre leurs causes naturelles. Dans les temps anciens, Aristote y réfléchissait. Lucrèce réfléchit à la nature de la foudre. Ses tentatives pour expliquer le tonnerre par le fait que « les nuages ​​s'y heurtent sous la pression des vents » semblent très naïves.

La foudre est une décharge naturelle de grandes accumulations de charges électriques dans les couches inférieures de l’atmosphère. L'un des premiers à l'avoir établi fut l'homme d'État et scientifique américain B. Franklin. En 1752, il mena une expérience avec un cerf-volant en papier, dont le cordon était attaché à une clé en métal, et reçut des étincelles de la clé lors d'un orage. Depuis lors, la foudre a été étudiée de manière intensive en tant que phénomène naturel intéressant et en raison des graves dommages causés aux lignes électriques, aux maisons et autres structures par la foudre directe ou par les tensions induites par la foudre.

Types d'éclairs La plupart des éclairs se produisent entre un nuage et la surface de la terre, mais il existe également des éclairs entre les nuages. Tous ces éclairs sont habituellement appelés linéaires. La longueur d’un seul éclair linéaire peut être mesurée en kilomètres. Un autre type de foudre est la foudre en bande. Dans ce cas, l'image suivante apparaît comme si plusieurs éclairs linéaires apparaissaient presque identiques, décalés les uns par rapport aux autres. Il a été constaté que dans certains cas, un éclair se désintègre en zones lumineuses distinctes de plusieurs dizaines de mètres de long. Ce phénomène est appelé foudre en perles. Selon Malan, ce type d'éclair s'explique sur la base d'une décharge prolongée, après quoi la lueur semblerait plus brillante à l'endroit où le canal se courbe vers l'observateur qui l'observe avec son extrémité face à lui.

Physique de la foudre linéaire La foudre linéaire est constituée de plusieurs impulsions se succédant rapidement. Chaque impulsion est une rupture de l'entrefer entre le nuage et le sol, se produisant sous la forme d'une décharge d'étincelle. Examinons d’abord la première impulsion. Son développement comporte deux étapes : d'abord, un canal de décharge se forme entre le nuage et le sol, puis l'impulsion de courant principale traverse rapidement le canal formé.

Foudre en boule 1. Date, heure et conditions météorologiques de l'apparition de la foudre en boule. – N’importe quelle date et heure. Cependant, le pic d'observations intervient en juillet (45,4% des observations). Pour les autres mois, les statistiques ressemblent à ceci : mai - 6,4%, juin - 17,5%, août - 20%, septembre - 4,0%, d'octobre à avril (total) - 6,7%. – Toutes conditions météorologiques ; le plus souvent, les éclairs sont observés en relation avec des décharges de foudre linéaires lors d'orages, d'ouragans, de tempêtes, de tornades, de tempêtes de neige ou de sable et de tremblements de terre.

2. La durée de l'observation ne dépasse généralement pas 1 minute. 3. Couleur. Dans la plupart des cas, les observateurs notent la couleur blanche (23 % des observations), jaune (23 %), rouge (18 %), orange (14 %) des éclairs en boule. On note parfois les couleurs vert, bleu, indigo, violet ou un mélange de couleurs. 4. Parfois, les balles sont immobiles, se déplaçant en douceur le long d'une trajectoire complexe, et parfois elles se déplacent assez rapidement. Ils peuvent flotter dans les airs, être placés sur des bâtiments ou rouler le long de fils ou sur les bords d’objets. 5. Ils peuvent disparaître silencieusement ou avec une explosion, endommageant parfois les choses environnantes. Après la disparition du CMM, une brume odorante persiste souvent. 6. La forme de la balle peut être clairement définie ou vague. 7. Parfois, les BL évitent les bons conducteurs, et parfois ils sont attirés par eux.

8. Lorsqu'ils sont observés, les BL peuvent être à la fois calmes et scintillants, ou émettre de forts crépitements et sifflements, des bourdonnements silencieux, des sifflements et des sifflements. 9. Parfois, les BL eux-mêmes sont divisés en BL plus petits. Il existe même des modèles de deux BL reliés par une chaîne de perles lumineuses. 10. Le diamètre du BL est le plus souvent de 10 ÷ 25 cm, moins souvent supérieur à 1 m. 11. La forme est le plus souvent sphérique ou ovale, rarement en forme de cigare. Les contours sont clairs ou flous. 11. La forme est le plus souvent sphérique ou ovale, rarement en forme de cigare. Les contours sont clairs ou flous. 12. La luminosité est supérieure à la luminosité de l’arrière-plan.