[第6集] 高压击穿和闪电—MIT电和磁

根据网易公开课之MIT电和磁视频所做的笔记—[第6集] 高压击穿和闪电。

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  视频地址:http://v.163.com/special/opencourse/electricity.html

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这节课的内容:

电荷密度的计算

击穿的原理

闪电的原理

 

引例:

[第6集] 高压击穿和闪电---MIT电和磁

因为A、B间距离足够远,所以A、B电势相互没有影响;因为A、B通过导线相连,A、B电势相等。

如果B的半径是A的5倍,则B所带电量是A的5倍;但是因为B半径增大,表面积会是A的25倍,这样,B表明的电荷密度将变成A的1/5.

导体表面附近的电场强度

[第6集] 高压击穿和闪电---MIT电和磁

知道了导体表面局部的电荷密度,可以求得导体表面附近的电场强度。

铁锅实验:通过电场强度的大小不同,间接证明表面局部的电荷密度不同。

 

击穿的原理:

[第6集] 高压击穿和闪电---MIT电和磁

在电场中的电子,如果经电场加速动能足够大,电子和空气中氮气、氧气分子碰撞时,会使分子电离,这样一个电子就变成了两个电子,两个电子继续加速,就会继续电离,产生雪崩,这个雪崩就是一次电击穿,当这些离子变回中性的时候,在空气中产生火花。火花通常发生在尖锐的点上,因为那里的曲率非常高(半径很小),电场强度很高。

击穿电压的单位是伏特每米,V/m,空气中,一个大气压下击穿大概需要300万V。因此,距离很小时,可以很容易达到这个击穿电压。

电压并不是致死的主要因素,电死的主要因素是电流(电量),电流要多大,电流要持续多长时间,作用在人体的哪个部位。

[第6集] 高压击穿和闪电---MIT电和磁

在空气中,范德格拉夫起电机的电压与球半径相关,由于击穿电场强度E=3MV/m,电压会与球半径成正比。但是由于球不能做到完美球形,由于尖端效应的存在,一般小于1MV的情况下已经在空气中击穿了。

同样可以计算起电机所带电量大约为10uC,此时电压30万伏。

 

闪电的原理

[第6集] 高压击穿和闪电---MIT电和磁

云的顶部带正电荷,底部带负电荷。

当闪电开始的时候,电子开始从云层向地面流动。它会形成一个烟囱,直径大约是1到10米,我们叫它先导闪电,先导闪电以每秒100英里的速度运动,在5ms的时间内就到达地面,并把约半库伦的电荷带到地面,意味着电流有100安培。先导闪电制造了一个电离气体的通道,充满离子和电子,是极好的导体。随后电子可以非常迅速的通过这条通道流向地面,电流大概是1万到10万安培。它会加热空气,产生大量的光,离子中和产生压力,加热也可以产生压力,空气膨胀的时候,雷声就产生了。大部分的动作不是发生在先导闪电中,而是随后的过程,我们叫回返闪电,从大地到云层。回返闪电的速度大约是光速的百分之10到20(是先导闪电速度的100倍).在回返闪电中,云和大地之间交换约5库伦的电荷,5库伦相对于云开始时的总的电量来说,是相当大的一部分。在回返闪电之后,大约20ms之后,整个过程重新开始,再次出现先导闪电,再次出现回返闪电,但是现在的先导闪电会完全沿着先前制造的路径,因为空气已经电离了。这个过程会重复5-10次。所以在我们看来单独的一条闪电柱,可能是云和大地之间10次的来回闪烁的过程。真正的闪电不是先导闪电,因它发的光很少(0.5库伦的电荷),真正的闪电是回返闪电(5库伦电荷)。10次回返闪电,中间可能间隔20-40ms,我们看起来只是一次闪光,完成这个过程可能只需0.1秒(人眼的视觉暂留就是0.1s)。在这样5到10次的回击中,云层和地面间交换的电荷总量可能有25-50库伦,这个过程降低了它们之间的电势差,电势差降低到一定程度,整个闪电过程就停止了。

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  • 2 Responses to “[第6集] 高压击穿和闪电—MIT电和磁”
    • 曹秋平

      在电场中的电子,如果经电场加速动能足够大,电子和空气中氮气、氧气分子碰撞时,会使分子电离,这样一个电子就变成了两个电子,两个电子继续加速,就会继续电离,产生雪崩,这个雪崩就是一次电击穿,当这些离子变回中性的时候,在空气中产生火花。

      这个电场中的电子是空气中氮气、氧气分子中的电子? 还是起电机上的电子?一个电子变成两个电子怎么变的?电子获得从哪里来?

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      • 应该是氮气、氧气分子中的电子,因为总有游离态的电子,温度越高游离态越多。起电机上的电子传导不过来呀。电子撞分子,如果动能足够大,会把分子中的电子撞出来的,能量传导嘛,电子能量足够大会脱离分子原子核的束缚,而能量的提供就靠起电机的电厂,产生雪崩前,氮气加氧气分子中的电子总数量是没有变化的,但是变成游离态的电子比例增加了。起电机两侧一个正一个负,两边正的一个吸引电子,负的一个吸引分子(带正电),电场到一定密度这两个就会进行中和放电了
        也可能我记的有错误的地方,你可以看看视频,这个老师讲的很好。

        美多多 回复私信