Исследование искровых разрядов из облака частиц

АНЦУПОВ К. В., ВЕРЕЩАГИН И. П., КОШЕЛЕВ М. А., ЛУПЕЙКО А. В., МАКАЛЬСКИЙ Л. М.. СЫСОЕВ В. С.,
ЧЕРНОВ Е. Н.
ИССЛЕДОВАНИЕ ИСКРОВЫХ РАЗРЯДОВ ИЗ ОБЛАКА ЗАРЯЖЕННЫХ АЭРОЗОЛЬНЫХ ЧАСТИЦ

Установка, позволяющая исследовать искровые электрические разряды в промежутке заряженное аэрозольное облако — заземленная плоскость. Приводятся синхронные осциллограммы токов разряда и фотохронограммы оптической картины их развития, которые доказывают их лидерную природу. Выделены основные стадии разряда. Экспериментально показано, что характеристики разряда из заряженного аэрозольного облака соответствуют минимальным значениям, полученным в длинных промежутках между металлическими электродами.
На протяжении долгого времени при формировании представлений о процессах развития молнии привлекались результаты, полученные при исследовании искрового разряда в длинных воздушных промежутках (ДВП) между металлическими электродами. В настоящее время имеются многочисленные экспериментальные данные по развитию электрических разрядов в ДВН [1, 2]. Определены тенденции изменения параметров лидера при вариациях крутизны импульса напряжения, прикладываемого к ДВП, длины промежутка, степени неоднородности электрического поля, параметров газа, сопротивления внешней цепи. При этом лидерный разряд в ДВП развивается, как правило, в резко неоднородном электрическом поле, существенно изменяющемся по величине во всех точках промежутка за время развития лидера. Ток после пробоя определяется в основном параметрами внешней цепи.
Несмотря на большой объем экспериментальных данных, в настоящее время практически отсутствуют сведения о минимально необходимых условиях возникновения лидера и его устойчивого развития. Это связано с недостаточно ясными представлениями об основных факторах, влияющих на развитие разряда, и с трудностью экспериментального получения условий, минимально необходимых для возникновения лидера в ДВП. В отличие от искрового разряда в ДВП протекание тока молнии по сформированному каналу обусловлено процессами его подпитки зарядами из грозовых ячеек облака, представляющего собой гигантское скопление заряженных аэрозольных частиц. Время накопления зарядов в грозовом облаке на несколько порядков превышает время разряда, так что развитие лидера протекает в практически постоянном во времени электрическом поле. Такое соотношение времен реализуется при разряде из искусственно созданного заряженного аэрозольного облака, которое можно рассматривать как грозовую ячейку, что позволяет изучать критерии возникновения и устойчивого развития лидера в воздухе при атмосферных условиях. Данные о таких разрядах могут быть полезны при изучении процессов сбора зарядов с облачных частиц в канал молнии, что позволяет провести экспериментальную проверку некоторых гипотез возникновения и эволюции атмосферного электричества.
В данной работе представлены результаты первых исследований искровых разрядов длиной до нескольких метров, возникающих в слабонеоднородном квазистационарном электрическом поле, источником которого служило облако искусственно заряженных аэрозольных частиц. С помощью электронно-оптического преобразователя получены фотохронограммы развития разряда, снятые синхронно с осциллограммами токов искры. Измерены величины напряженности электрического поля на заземленном электроде в момент возникновения разрядов, выявлена картина развития разрядов во времени и пространстве.
Для получения заряженного аэрозольного облака, с которого развивались искровые разряды, использовался генератор заряженного аэрозоля (ГЗА), конструкция принцип работы и параметры которого описаны в [3]. ГЗА располагался под заземленной горизонтальной металлической плоскостью размером 18X18 м (рис. 1). 

Рис. 1. Принципиальная схема установки: 1 — генератор заряженного аэрозоля, 2 — датчики напряженности электрического поля, 3 — фотоэлектронный регистратор, 4 — фотоэлектронный умножитель, 5 — фотоаппарат, 6 — блок запуска, 7 — запоминающий осциллограф, 8 — инициирующий стержень, 9 — омический шунт, 10 — самописец, 11 — облако заряженного аэрозоля

Основными параметрами, характеризующими режим работы ГЗА. являлись давление в сопле и величина напряжения, подаваемого на зарядное устройство, что определяло степень зарядки частиц аэрозоля, величину заряда облака и его геометрические размеры. Отрицательно заряженное облако имело форму конуса высотой 4—6 м и углом при вершине около 25°. Для того чтобы фиксировать точку канала разряда, на поверхности плоскости помещался металлический стержень высотой 0,1 м, заземленный через коаксиальный омический шунт с сопротивлением 4 Ом. Сигнал с шунта регистрировался запоминающим осциллографом.
Контрольные опыты показали, что стержень на плоскости не оказывает влияния на параметры возникающей из облака искры, однако его наличие существенно облегчало получение фотохронограмм. Измерения напряженности электрического поля проводились с помощью семи ротационных датчиков, расположенных на уровне плоскости на разном расстоянии от сопла ГЗА. Показания датчиков и ток выноса ГЗА в течение всего эксперимента фиксировались самописцем. Для изучения развития разряда использовался оптический регистратор типа ФЭР-14. Синхронизация запуска регистрирующих приборов осуществлялась блоком запуска, срабатывающим от фотоэлектронного умножителя при возникновении свечения в промежутке.
Эксперименты показали, что характер и параметры искровых разрядов при положительном и отрицательном заряде аэрозольного облака существенно отличаются друг от друга. При положительной полярности облака на траекторию разряда не оказывали влияние металлические предметы высотой до 0,5 м, расположенные на заземленной плоскости, т. е. эти предметы не вызывали на себя разряды. При отрицательной полярности облака наличие на плоскости металлической неоднородности высотой 0.1 м предопределяло попадание в нее разряда. Ток выноса ГЗА, необходимый для возникновения искровых разрядов, составлял 80—110 мкА для отрицательной и 60—80 мкА для положительной полярности заряженного облака. Частота возникновения разрядов из облака возрастала с увеличением тока выноса и составляла 0.2—1 Гц. Суммарная величина заряда облака, рассчитанная по показаниям датчиков поля на плоскости, была равна 50—200 мкКл.
Рассмотрим характерные стадии и параметры разряда с заряженного аэрозольного облака.
Отрицательно заряженное облако. С увеличением тока выноса ГЗА растут значения напряженности поля на плоскости. Начиная со значения заряда облака порядка 30— 40 мкКл, у конца заземленного стержня возникает светящееся пятно, от которого в сторону облака развивается стримерная корона длиной 0,2—0,5 м. Анализ полученных осциллограмм тока через шунт показывает, что ток короны имеет импульсный характер с частотой ~10 кГц амплитудой 0,01—0,1 А и длительностью импульсов 5—10 мкс. 

Рис. 2. Фотохронограмма начальной стадии развития разряда
Рис. 3. Фотохронограмма развития лидера

Наряду с такой картиной начала развития разряда наблюдалось возникновение на высоте 0,3—0,6 м ярко светящегося протяженного
образования длиной 0,1—0,2 м, которое условно назовем «светящееся ядро» (рис. 2).
Эти ядра возникали с интервалом в несколько десятков микросекунд. При определенной интенсивности процесса со стержня в направлении к ядру начинает развиваться лидер (рис. 3), имеющий характерную скорость 1,5—2,5 см/мкс. Более ярко светящаяся головка лидера оставляет заметный след на фотохронограмме. В дальнейшем лидер либо может остаться незавершенным (рис. 4, а), либо его развитие приводит к образованию одной (рис. 4, б) или двух (рис. 5) ступеней канала разряда, соответствующих главной стадии. Характерное время развития лидера составляет 30—50 мкс. Обработка фотохронограмм и осциллограмм тока разряда (рис. 4, а, б) показывает, что суммарный заряд, протекающий через основание канала во время движения головки лидера, составлял 5—25 мкКл, средний ток лидера — 0,15—0,25 А. Напряженность поля, измеренная на плоскости рядом со стержнем, составляла 5—7 кВ/см. Общая величина заряда, протекшего через шунт в течение всего разряда, была равна 15—35 мкКл.
Таким образом, анализ полученных фотохронограмм показывает, что аналогично развитию разряда в ДВ11 в случае разряда из облака заряженных частиц можно выделить основные стадии развития разряда: вспышка стримерной короны, лидерная стадия и главная стадия. В таблице приведены параметры лидера, развивающегося в ДВП при приложении к пому импульсов напряжения критической формы, когда пробивное напряжение минимально. Наиболее близкие значения параметров лидера при разряде с облака соответствующим параметрам разряда в ДВП наблюдаются при влажности воздуха порядка 13 г/м3 [2]. Такие условия имеют место при наличии водяного пара в искусственно созданном облаке.
Следует отметить, что ток лидера 1 и средний заряд на единицу его длины д при разряде с облака имеют меньшие значения. 

Рис. 4. Фотохронограммы и осциллограммы тока одноступенчатого лидерного разряда: а — незавершенный разряд, б — завершенный разряд
Рис. 5. Фотохронограмма двухступенчатого разряда

Средний заряд в течение каждого разряда изменяется незначительно (менее чем на 10%), и выполняется соотношение
h=kV, где V — скорость лидера, к — постоянный коэффициент в течение всего времени движения лидерной головки.
В то же время значения q от разряда к разряду менялись значительно (до 50%). Пропорциональность между скоростью распространения и током лидера наблюдается и при разрядах в ДВП.
Отличительной особенностью разряда с облака аэрозольных частиц является возникновение светящегося ядра в начальной стадии развития разряда (рис. 2, 3). Механизм образования ядра и его роль в дальнейшем развитии разряда пока неясны.

Характерные параметры положительного лидера

Примечание. В скобках даны значения при влажном воздухе.

Продолжительность главной стадии разряда, когда происходит резкое увеличение интенсивности свечения канала (рис. 4, б), составляет 3—10 мкс, ток в этой стадии в канале имеет значение 2—10 А. В некоторых случаях наблюдалось возникновение двухступенчатого разряда (рис. 5), каждая ступень которого соответствовала описанной выше картине. Такой разряд завершается смыканием двух лидерных каналов, развивающихся встречно в направлении ядра, образовавшегося в промежутке. В месте соединения ступеней наблюдается характерный излом искрового канала, при этом зарождение и развитие лидера верхней ступени происходит в объеме заряженного аэрозоля, значительно усложняя получение фотохронограмм. Следует отметить, что скорости развивающихся встречно лидеров примерно равны.
Положительно заряженное облако. При увеличении тока выноса ГЗА более 60 мкА возникал разряд в виде конусообразной трубки, изогнутой по силовым линиям электрического поля, отличающийся характерным слабым фиолетовым свечением. Длина трубки достигала 2—3 м, а диаметр у основания — 0,5—1,0 м.
Такой объемный разряд возникает из ярко светящегося ядра размером в несколько сантиметров из области на границе струи и завершается на плоскости в 0.5 м от оси струи. Свечение разряда не является однородным: яркость значительно больше в области объемного заряда, причем можно выделить более ярко светящиеся нити и ветви, а в основании трубки преобладает однородное диффузное свечение.
Особенностью этого разряда является возможность его длительного существования (десятки секунд), что говорит о наличии динамического равновесия системы, когда подпитка аэрозольного облака током выноса ГЗА уравновешивается суммарными потерями заряда за счет осаждения заряженных аэрозольных частиц на заземленные предметы и протеканием тока разряда трубки.
В силу естественных флуктуаций облака заряженного аэрозоля, изменения газодинамических, электрических параметров ГЗА трубка может погаснуть, либо перейти в стадию искрового (лидерного) разряда. При увеличении тока выноса ГЗА трубка трансформировалась в разветвленный канальный разряд, напоминающий по форме разряд молнии. Из-за трудности локализации канала разряда в требуемой области пространства не удалось получить фотохронограммы разряда в начальной стадии. Из осциллограмм токов главной стадии разряда, когда головка положительного лидера, развивающегося из облака, уже достигла заземленной плоскости, следует, что амплитуда тока изменяется в пределах 1—4 А, и длительность его протекания составляет 2—4 мкс.

Выводы.

1. Создана установка, позволяющая исследовать искровые электрические разряды при отрицательной и положительной полярности заряженного аэрозольного облака.
2. Экспериментально показано, что стадии развития разряда из заряженного аэрозольного облака в основном совпадают со стадиями разряда в длинном воздушном промежутке между электродами. При этом основные характеристики разряда с аэрозоля соответствуют минимальным значениям, полученным в ДВП.
3. Выявлены особенности в начальной и главной стадиях развития разряда из заряженного аэрозольного облака.