Отсюда следует, что привычные представления о стационарном коронном разряде при анализе данного эксперимента использовать нельзя – такой разряд просто не успевает сформироваться.
Классическая модель стримера, основана на предположении, что скорость распространения головки много больше скорости дрейфа электронов. Это возможно, благодаря фотоинозации, которая повышает концентрацию электронов перед фронтом, в результате чего лавины начинаются прежде, чем в данную точку дойдет волна электронов.
В стримере можно выделить две области – головка и стримерный канал. Головка – область, близкая к фронту, это только что образованная плазма высокой концентрации, состоящая из электронов и положительных ионов. Поле в плазме канала экранировано, поэтому ионизации в канале практически нет. Электроны невосполнимо теряются из-за прилипания, поэтому плазма достаточно быстро становится ионной, благодаря чему ее проводимость резко падает. За время гибели электронов (это характерное время прилипания, 10-8 с) фронт успевает значительно продвинуться вперед.
В результате сразу за фронтом движется область высокой (электронной) проводимости, это головка стримера. За ней вплоть до электрода, откуда стартовал стример, тянется ионный канал. В ионном канале после прохождения головки стримера идут два процесса – ион-ионная рекомбинация и релаксация заряда за счет проводимости плазмы. Последний процесс аналогичен обычной разрядке конденсатора через сопротивление. Именно с возникновением ионного канала связано затухание длинного стримера. Считается [1], что при движении стримера поддерживается постоянной напряженность поля на фронте, более того, эта величина есть константа для любых быстрых стримеров в воздухе при атмосферном давлении. Для воздуха при атмосферном давлении Em≈150-170 кВ/см.
Начальная плотность плазмы головки стримерного канала превышает 1019 1/м3. Плазма с такой плотностью способна значительно возмущать электрическое поле электродов, поскольку именно благодаря ей поддерживается низкое поле в канале и высокое перед головкой. Коэффициент ион-ионной рекомбинации β ~ 10-13 м3/с, если исходно плазма канала квазинейтральна, изменение концентрации за счет рекомбинации дается формулой:
Характерное время рекомбинации для начальной концентрации n0 = 1019 1/м3 составляет τ = 1/(n0β) = 10-6 с.
Рисунок 24. Изменение концентрации квазинейтральной ионной плазмы в результате рекомбинации.
График на рисунке 24 свидетельствует, что за 100 мкс (примерно таков интервал грозового импульса, когда напряжение достаточно для образования стримеров) концентрация плазмы в ионном следе упадет до 1017 1/м3. При этом след является поляризованным – одна часть заряжена положительно, другая отрицательно. Некомпенсированный заряд прорекомбинировать не может, он может нейтрализоваться только за счет тока, протекающего по ионному следу. Иначе говоря, его нужно доставить на значительное расстояние – порядка длины стримера, чтобы ему было, с чем прорекомбинировать.
Оценим время, которое потребуется, чтобы поляризационный заряд нейтрализовался. Как уже говорилось, грубо можно уподобить ионный след конденсатору, закороченному на сопротивление. Характерное время разрядки такой системы:
Оценим сопротивление и емкость ионного канала:
Здесь qe – заряд электрона, l – длина ионного канала, r – радиус канала, ni – концентрация ионов, подвижность ионов – μi. Оценки погонного сопротивления R0 и емкости C0 поясняются в [1, стр. 45, 47]. В итоге получаем для времени нейтрализации заряда оценку:
(1)
Формула (1) ясно показывает, что снижение концентрации плазмы только замедляет процесс нейтрализации заряда. Взяв для оценки концентрацию ионов 1019 1/м3, которая держится около 1 мкс, получаем τ ~ 180 мкс. На самом деле время будет значительно больше из-за рекомбинации плазмы. Но и этого значения достаточно, чтобы заряд ионного следа прошедшего стримера держался на протяжении времени воздействия грозового импульса и влиял на распространение других стримеров.
Уважаемый посетитель!
Чтобы распечатать файл, скачайте его (в формате Word).
Ссылка на скачивание - внизу страницы.