9
Что такое электрический пробой
Л. А. АШКИНАЗИ
Почему в линиях электропередачи (ЛЭП) используется высокие напряжения, известно, называем, всем. Действительно, чем выше напряжение в линиях, тем меньше в ней ток (при постоянной передаваемой мощности) и тем меньше тепловые потери. Казалось бы, чем выше напряжение, тем лучше. Однако ЛЭП с рабочим напряжением, скажем, в несколько миллионов волт не существует, а разработка каждой последующей ЛЭП на большее, чем у предшествующих, напряжении требуется большех usили. По-видимому, есть какой-то эфект, ограничивающий работу напряжения ЛЭП.
Оказывается, это тот же самый эфект, который ограничивает «работе напряжения» между тучей и землей (или между двумя тучами).
И свет, и звук
Короткий гром — глубокой обвал, Рождествен света и озона, Далеких молний карнавал.
Н. Майоров
В этих трех строках уменьшалась практическая вся информация о молнии, хотя автор их был позтом, а не физиком.
Итак, молния — это кратковременный («короткий») процесс в атмосфере с генерацией звука («гром») и свега («рождение света») и с протеканием химических реакций («и озона»). Во время этого процесса выделяется энергия, во всяком случае в виде света и звука — мы видим свет и слышим звук.
Первый вопрос, который сразу возникнет, — откуда береется эта энергия? Ответ оченьiden: энергия накапливается в конденсаторе, обкладки которого — это туча и земля, а диэлектрик — воздух между ними. Попытаемся оценить запасенную в этой системе энергию.
Пусть туча имеет размеры 3×3 км, а расстояние между тучей и землей — 1 км. Тогда емкость конденсатора будет около 0,1 мкФ (как получено это значение?). Несмотря на внутренные размеры конденсатора, емкость его весы скромная — в радиоприменениях есть конденсаторы с емкостью в 1000 раз больше. Правда, энергия заряженного конденсатора зависит и от напряжения, а оно между тучей и землей достигает 10^9 В. Таким образом, энергия составляет около 5·10^10 Дж (как получена эта величины?), что, например, в 10^9 раз больше энергии заряженного конденсатора физических (емкость 800 мкФ, напряжение 300 В).
Но для того чтобы эта, даже не очень значительная, энергия электри-
11
Рис. 2. Две стадии молнии: образование ionизированного канала разряда (a) — b) и прохождение импульса основного тока (e) — e)).
света и озона». Газ расширяется — мы слышим гром.
Почему-то обично молнию рисунот бышей сверху вниз (туча и Зевстромоверженц наверху). Между тем импульс основного тока и свечение начнаются внизу и волной разливаются по каналу, оставленному лидером. Молния, точнее — видимая ее фаза, оказывается, быть сизу вверх!
Таков вкратце механизм молнии, или пробоя в газе, причем пробоя больших промежутков (рис. 2). При пробое малых промежутков существенными оказываются процессы на электродах.
Нустичнойность и пробой в твердых и жидких диэлектриках
Развитие неустойчности, то есть катстрофическое нарастание perвоначального малого возмущения, является, естественно, процессом нестатического. От нестаточного процесса мы впраve осидать, что в конце концов он к чему-то приведет.
Ю. П. Райзер. Основы современной физики газоразрядных процессов
Пробой в твердом теле приводит обично к пробитому в образце отверстию с оплавлением краями. Именно из-за этого и возникло название «электри-
ричесный пробой». Пробой чистых жидкости имеет много общого с пробом твердых тел (отверстия же при этом, естественно, не остаются).
Основных механизмов пробоя твердых тел и жидкости три.
Если вещество состоит изонов (atoms связаны ionной связи), то электрическое поле может эти связи разорвать. При таком механизме электропроцесс должны быть тем выше, чем больше энергия связионов. И действительно, такая закономерность наблюдается, например для ionных кристаллов (рис. 3). Далее происходит следующее. Во-первых, он движется по веществу, разрушая химические связи и порождая новые свободныеоны, которые сразу же начинают выполнять свое «черное дело». Во-вторых, все этионы отбирают энергию у поля и отдают ее веществу (тормозь при соударениях). вещество нагревается, плавиется и испаряется, в результате чего происходит еще и пробой в парах. Что там равше, что позже, разобратья трудно — все эти процессы идут одновременно. А кончаются они — в зависимости от мощности источника электрозергини и напряжения пробоя — тихим щелч-
12
ком или грохотом (если пробой в парах — последняя стадия, то открыт грохот понятно, а если до пробоя в парах дело не дошло?).
Следующий механизм очень похож на предыдущий, но здесь ускоряются,онизируют atoms, отбирают и выделяют энергию неоны, а электроны. Ясно, что такой механизм будет иметь место, например, в веществах, состоящих из одинаковых атомов, то есть в чистых элементах. Кончается пробой в этом случае так же, а начинается, естественно, иначе — для начала процесса нужен свободный электрон. Причин, по которым он может оказаться в веществе, много: наличие примесей, приэлектродные явления и т. п.
Наконец, третий механизм пробоя — так называемая электротелловая неустойчивость. Что такое неустойчивость и как она, согласно эпиграфу, развивается? Неустойчивость в физике вообще это то же самое, что и неустойчивость в механике,— мало отклонение от состояния равновесия нарастает (шарик, лежащий на вершине сферы, чуть-чуть отклонившись, не возвращается, а скатывается дальше). В данном случае неустойчивость возникает следующим образом. Сопротивление изолятора хотя и велико, но все же не бесконечно. Какой-то ток через него проходит, и поэтому изолятор нагревается. При нагревании сопротивление изолятора уменьшается (раствор число свободных носителей заряда-
Рис. 3. График зависимости электропроцности целочноголадных ionных кристаллов от энергии связи кристалической решетки.
*) Сорбция (от латинского sorbeo — поглощаю) — поглощение твердым телом или жидкостью какого-либо вещества из окружающей среды.
13
Рис. 4. Поверхностный пробой.
такой процесс: электростантические силы, притягивающие один электрод к другому, отрывают слабо держащуюся на электроде частичку (пыль, засеченец после механической обработки, кристаллик, отделенный микротрещиной). Оторванная часть пересекает зазор и при ударе о противоположный электрод испаряется. В парах материалов частички и присходит пробой.
И снова — ЛЭП
Видимо, пришло время стимуляции условия для развития более тщательных и фундаментальных исследований новедения изоляторов.
Дж. Фаррел. Электрический пробой в вакууме
Наш расссказ начался с высоковольтных ЛЭП. Вернемся к ним и обратим наше внимание на изоляторы, с помощью которых подвешены проводка к опорам. Эти изоляторы — вы, конечно, помните, как они выглядят,— составят из отдельных «тарелок» (рис. 4).
Очевидно, что прямую палку сделать проще, чем довольно хитрой формы диск. Зачем же изоляторам придаток такую причудливую форму? Что меняется, если прямую палку заменить ребри-
стой? Расстояние между электродами по объему диэлектрика, конечно, не изменится, но зато увеличится расстояние по поверхности диэлектрика, то есть по границе между изоляторам и воздухом. По-видимому, существует какой-то особый вид пробоя, связанный с поверхностью твердого тела. Практический именно этот вид пробоя наблюдается в опите с керамическим кубиком, к противоположным граям которого приложена разность потенциальов. В этом случае пути между электродами внутри диэлектрика, по воздействующим совпадают, а соответствующие напряжения пробоя относятся примерно как 10:3:1. В этом есть нечто загадочное. Казалось бы, поверхность — понятие чистого геометрического. Почему же напряжение пробоя по поверхности меняше остальных? Разгадка в том, что на самом деле поверхность — понятие не только геометрического.
После поверхности пробоя на диэлектрике, как правило, повреждения отсутствуют. Значит, пробой происходит все-tаки в газе, окружающим образец. Но почему тогда канал пробоя «стелется» по образцу? Можно быть, газ в непосредственной близости к образцу как-то отличается от газа вдали? Но к этому может привести только выделение газа из образца. Действительно, на поверхности твердого тела всегда имеет слой сорбированного газа и влаги. Чтобы проверить, не происходит ли «поверхностный пробой» в слое более плотного газа у поверхности образца, можно проверить такой опыт. Поместим образец в вакуум и нагреем. При нагревании сорбированные на поверхности газ и влага удаляются, а новые не сорбируются, так как образец находится в вакууме. В таких условиях напряжение поверхности значительное выще. Следовательно, поверхности пробой — это, по существу, пробой в газе (маленькая molния). Однако этот процесс изучен еще плюхо, о чем свидетельствует эпиграф к разделу.