Силови линии на електростатичното поле. Линии на електрическото поле

За визуално графично представяне на полето е удобно да се използват силови линии - насочени линии, допирателните към които във всяка точка съвпадат с посоката на вектора на напрегнатостта на електрическото поле (фиг. 233).

Ориз. 233
Според дефиницията силовите линии на електрическото поле имат серия общи свойства(сравнете със свойствата на потока на течности):
 1. линии на силане се пресичат (в противен случай могат да се построят две допирателни в пресечната точка, тоест в една точка силата на полето има две стойности, което е абсурдно).
2. Силовите линии нямат извивки (в точката на прегъване отново можете да изградите две допирателни).
3. Силовите линии на електростатичното поле започват и завършват на заряди.
Тъй като силата на полето се определя във всяка пространствена точка, тогава силовата линия може да бъде проведена през всяка пространствена точка. Следователно броят на силовите линии е безкрайно голям. Броят на линиите, които се използват за изобразяване на полето, най-често се определя от художествения вкус на физика-художник. В някои учебни помагалапрепоръчително е да се изгради картина на силовите линии, така че тяхната плътност да е по-голяма, където силата на полето е по-голяма. Това изискване не е строго и не винаги е изпълнимо, така че линиите на сила са начертани, отговарящи на формулираните свойства 1 − 3 .
Много е лесно да се начертаят силовите линии на полето, създадено от точков заряд. В този случай силовите линии са набор от прави линии, излизащи (за положителни) или влизащи (за отрицателни) в точката на местоположение на заряда (фиг. 234).

ориз. 234
Такива семейства от силови линии на полетата на точковите заряди показват, че зарядите са източници на полето, по аналогия с източниците и поглъщанията на полето на скоростта на флуида. По-късно ще докажем, че силовите линии не могат да започват или завършват в точки, където няма заряди.
Картината на силовите линии на реалните полета може да се възпроизведе експериментално.
Изсипете малък слой в нисък съд рициново маслои в него изсипете малка порция грис. Ако маслото със зърнени храни се постави в електростатично поле, тогава зърната от грис (те имат леко удължена форма) се обръщат по посока на силата на електрическото поле и се подреждат приблизително по силовите линии, след няколко десетки секунди, a в чашата се появява картина на силовите линии на електрическото поле. Някои от тези "картини" са представени във фотографии.
Възможно е също така да се извърши теоретично изчисление и изграждане на силови линии. Вярно е, че тези изчисления изискват огромен брой изчисления, така че е реалистично (и без специална работа) се извършват с помощта на компютър, най-често такива конструкции се изпълняват в определена равнина.
При разработването на алгоритми за изчисляване на модела на полеви линии се срещат редица проблеми, които трябва да бъдат разрешени. Първият такъв проблем е изчисляването на вектора на полето. В случай на електростатични полета, създадени от дадено разпределение на заряда, този проблем се решава с помощта на закона на Кулон и принципа на суперпозицията. Вторият проблем е методът за изграждане на отделна линия. Идеята за най-простия алгоритъм, който решава този проблем, е съвсем очевидна. В малка площ всяка линия практически съвпада с допирателната си, така че трябва да изградите много сегменти, допирателни към силовите линии, тоест сегменти с малка дължина л, чиято посока съвпада с посоката на полето в дадена точка. За да направите това, е необходимо преди всичко да се изчислят компонентите на вектора на интензитета дадена точка E x, Е уи модула на този вектор E = √(E x 2 + E y 2 ). След това можете да изградите сегмент с малка дължина, чиято посока съвпада с посоката на вектора на силата на полето. неговите проекции върху координатните оси се изчисляват по формулите, които следват от фиг. 235:

ориз. 235

След това трябва да повторите процедурата, като започнете от края на конструирания сегмент. Разбира се, при внедряването на подобен алгоритъм има и други проблеми, които са по-скоро от техническо естество.
Фигури 236 показват силовите линии на полетата, създадени от два точкови заряда.


ориз. 236
Знаците на зарядите са посочени на фигури а) и б) зарядите са еднакви по модул, на фиг. в), г) са различни - кои от тях предлагаме да определим по-самостоятелно. Във всеки случай също определете сами посоките на силовите линии.
Интересно е да се отбележи, че М. Фарадей е разглеждал силовите линии на електрическото поле като реални еластични тръби, свързващи помежду си електрически заряди, такива представяния му помогнали много да предскаже и обясни много физически явления.
Съгласете се, че великият М. Фарадей беше прав - ако мислено замените линиите с еластични гумени ленти, естеството на взаимодействието е много ясно.

Теоремата на Остроградски-Гаус, която ще докажем и обсъдим по-късно, установява връзка между електрически зарядии електрическо поле. Това е по-обща и по-елегантна формулировка на закона на Кулон.

По принцип силата на електростатичното поле, създадено от дадено разпределение на заряда, винаги може да се изчисли с помощта на закона на Кулон. Общото електрическо поле във всяка точка е векторната сума (интегралния) принос на всички заряди, т.е.

Въпреки това, с изключение на повечето прости случаи, е изключително трудно да се изчисли тази сума или интеграл.

Тук на помощ идва теоремата на Остроградски-Гаус, с помощта на която е много по-лесно да се изчисли силата на електрическото поле, създадено от дадено разпределение на заряда.

Основната стойност на теоремата на Остроградски-Гаус е, че тя позволява по-задълбочено разбиране на природата на електростатичното поле и установявапо-общ връзка между заряд и поле.

Но преди да преминем към теоремата на Остроградски-Гаус, е необходимо да се въведат понятията: линии на силаелектростатично полеИ поток вектор на напрежениеелектростатично поле.

За да опишете електрическото поле, трябва да зададете вектора на интензитета във всяка точка от полето. Това може да се направи аналитично или графично. За това използват линии на сила- това са линии, допирателната към която във всяка точка на полето съвпада с посоката на вектора на интензитета(фиг. 2.1).

Ориз. 2.1

На силовата линия се задава определена посока - от положителен заряд към отрицателен или към безкрайност.

Разгледайте случая еднородно електрическо поле.

Хомогеннанаречено електростатично поле, във всички точки на което интензитетът е еднакъв по големина и посока, т.е. Еднородното електростатично поле се изобразява от успоредни силови линии на еднакво разстояние една от друга (такова поле съществува например между плочите на кондензатор) (фиг. 2.2).

В случай на точков заряд, линиите на напрежение се излъчват от положителния заряд и отиват до безкрайност; и от безкрайност влизат в отрицателен заряд. Защото тогава плътността на силовите линии е обратно пропорционална на квадрата на разстоянието от заряда. Защото повърхността на сферата, през която преминават тези линии, се увеличава пропорционално на квадрата на разстоянието, след което общ бройлинии остава постоянен на всяко разстояние от заряда.

За система от заряди, както виждаме, силовите линии са насочени от положителен заряд към отрицателен (фиг. 2.2).

Ориз. 2.2

Фигура 2.3 също така показва, че плътността на силовите линии може да служи като индикатор за стойността.

Плътността на силовите линии трябва да бъде такава, че единична площ, нормална на вектора на интензитета, се пресича от такова число, което е равно на модула на вектора на интензитета, т.е.

В пространството около заряда, който е източникът, е право пропорционален на количеството на този заряд и обратно на квадрата на разстоянието от този заряд. Посоката на електрическото поле според приетите правила винаги е от положителен към отрицателен заряд. Това може да се представи така, сякаш тестов заряд е поставен в пространството на електрическото поле на източника и този тестов заряд или ще отблъсне, или ще се привлече (в зависимост от знака на заряда). Електрическото поле се характеризира със сила , която като векторна величина може да бъде представена графично като стрелка с дължина и посока. Навсякъде посоката на стрелката показва посоката на силата на електрическото поле Е, или просто - посоката на полето, а дължината на стрелката е пропорционална на числената стойност на силата на електрическото поле на това място. Колкото по-далеч е областта на пространството от източника на полето (заряд В), толкова по-малка е дължината на вектора на интензитета. Освен това дължината на вектора намалява с разстоянието до нпъти от някое място в n 2пъти, тоест обратно пропорционално на квадрата.

По-полезно средство за визуализиране на векторната природа на електрическото поле е използването на такава концепция като, или просто, силови линии. Вместо да се изобразяват безброй векторни стрелки в пространството, заобикалящо изходния заряд, се оказа полезно да ги комбинираме в линии, където самите вектори са допирателни към точките на такива прави.

В резултат на това успешно се използва за представяне на векторната картина на електрическото поле линии на електрическото поле, които оставят зарядите с положителен знак и влизат в зарядите отрицателен знак, а също така се простират до безкрайност в пространството. Това представяне ви позволява да видите с ума електрическото поле, невидимо за човешкото око. Това представяне обаче е удобно и за гравитационни силии всякакви други безконтактни взаимодействия на далечни разстояния.

Моделът на линиите на електрическото поле включва безкраен брой от тях, но твърде високата плътност на изображението на силовите линии намалява способността за четене на полеви модели, така че броят им е ограничен от четливостта.

Правила за рисуване на линиите на електрическото поле

Има много правила за съставяне на такива модели на електропроводи. Всички тези правила са предназначени да предоставят най-много информация при визуализиране (рисуване) на електрическо поле. Един от начините е да изобразите полеви линии. Един от най-често срещаните начини е да обграждате по-заредени обекти. голяма сумалинии, тоест по-голяма плътност на линиите. Обектите с голям заряд създават по-силни електрически полета и следователно плътността (плътността) на линиите около тях е по-голяма. Колкото по-близо до заряда е източникът, толкова по-висока е плътността на силовите линии и колкото по-голям е зарядът, толкова по-дебели са линиите около него.

Второто правило за изчертаване на линии на електрическо поле включва изчертаване на линии от различен тип, като тези, които пресичат първите силови линии. перпендикулярно. Този тип линия се нарича еквипотенциални линии, а в случай на обемно представяне трябва да се говори за еквипотенциални повърхности. Този тип линия образува затворени контури и всяка точка на такава еквипотенциална права има същата стойностпотенциал на полето. Когато някоя заредена частица пресече такъв перпендикуляр линии на силалинии (повърхности), тогава те говорят за работата, извършена от заряда. Ако зарядът се движи по еквипотенциални линии (повърхности), тогава въпреки че се движи, не се извършва работа. Заредена частица в електрическо поледруг заряд започва да се движи, но при статичното електричество се разглеждат само стационарни заряди. Движението на зарядите се нарича токов удар, докато работата може да се извършва от носителя на заряда.

Важно е да запомните това линии на електрическото полене се пресичат, а линиите от друг тип - еквипотенциални, образуват затворени контури. На мястото, където има пресичане на два вида прави, допирателните към тези прави са взаимно перпендикулярни. Така се получава нещо като извита координатна мрежа или решетка, чиито клетки, както и точките на пресичане на линиите различни видовехарактеризира електрическото поле.

Прекъснатите линии са еквипотенциални. Линии със стрелки - линии на електрическо поле

Електрическо поле, състоящо се от два или повече заряда

За единични индивидуални такси линии на електрическото полепредставляват радиални лъчиизлизайки от заряди и отивайки в безкрайност. Каква ще бъде конфигурацията на полеви линии за две или повече зареждания? За да изпълните такъв модел, трябва да се помни, че имаме работа с векторно поле, тоест с вектори за сила на електрическото поле. За да изобразим модела на полето, трябва да извършим добавяне на векторите на интензитета от два или повече заряда. Получените вектори ще представляват общото поле на няколко заряда. Как могат да се начертаят силови линии в този случай? Важно е да запомните, че всяка точка от линията на полето е единична точкаконтакт с вектора на силата на електрическото поле. Това следва от определението за допирателна в геометрията. Ако от началото на всеки вектор построим перпендикуляр под формата на дълги линии, тогава взаимното пресичане на много такива линии ще изобрази много желаната линия на сила.

За по-точно математическо алгебрично представяне на силовите линии е необходимо да се съставят уравненията на силовите линии, като векторите в този случай ще представляват първите производни, правите от първи ред, които са допирателните. Подобна задача понякога е изключително сложна и изисква компютърни изчисления.

На първо място, важно е да запомните, че електрическото поле от много заряди е представено от сумата от векторите на интензитета от всеки източник на заряд. Това фондациятада извърши изграждането на силови линии с цел визуализиране на електрическото поле.

Всеки заряд, въведен в електрическото поле, води до промяна, дори и незначителна, в модела на силовите линии. Такива изображения понякога са много привлекателни.

Линиите на електрическото поле като начин да се помогне на ума да види реалността

Концепцията за електрическо поле възниква, когато учените се опитват да обяснят действието на далечни разстояния, което се случва между заредени обекти. Концепцията за електрическо поле е въведена за първи път от физика от 19-ти век Майкъл Фарадей. Това беше резултат от възприятието на Майкъл Фарадей невидима реалностпод формата на картина на силови линии, характеризиращи действието на далечни разстояния. Фарадей не мисли в рамките на един заряд, а отиде по-далеч и разшири границите на ума. Той предположи, че зареден обект (или маса в случай на гравитация) влияе на пространството и въведе концепцията за поле на такова влияние. Разглеждайки такива полета, той успя да обясни поведението на зарядите и по този начин разкри много от тайните на електричеството.

Има скаларни и векторни полета (в нашия случай векторното поле ще бъде електрическо). Съответно те се моделират чрез скаларни или векторни функции на координати, както и на времето.

Скаларното поле се описва с функция от вида φ. Такива полета могат да се визуализират с помощта на повърхности от едно и също ниво: φ (x, y, z) = c, c = const.

Нека дефинираме вектор, който е насочен към максимален растеж на функцията φ.

Абсолютната стойност на този вектор определя скоростта на промяна на функцията φ.

Очевидно скаларно поле генерира векторно поле.

Такова електрическо поле се нарича потенциал, а функцията φ се нарича потенциал. Повърхностите на едно и също ниво се наричат ​​еквипотенциални повърхности. Например, помислете за електрическо поле.

За визуално изобразяване на полетата се изграждат т. нар. електрически силови линии. Те се наричат ​​още векторни линии. Това са линии, чиято допирателна в точка показва посоката на електрическото поле. Броят на линиите, които преминават през единичната повърхност, е пропорционален на абсолютната стойност на вектора.

Нека представим концепцията за векторен диференциал по някаква права l. Този вектор е насочен тангенциално към правата l и е равен по абсолютна стойност на диференциала dl.

Нека е дадено някакво електрическо поле, което трябва да бъде представено като силови линии на полето. С други думи, нека дефинираме коефициента на разтягане (компресия) k на вектора така, че да съвпада с диференциала. Приравнявайки компонентите на диференциала и вектора, получаваме система от уравнения. След интегриране е възможно да се построи уравнението на силовите линии.

При векторния анализ има операции, които дават информация за това кои линии на електрическото поле присъстват в конкретен случай. Нека въведем понятието "векторен поток" върху повърхността S. Формалната дефиниция на потока Ф има следната форма: количеството се разглежда като произведение на обичайния диференциал ds от единичния вектор на нормалата към повърхността s . Единичният вектор е избран така, че да дефинира външната нормала на повърхността.

Възможно е да се направи аналогия между концепцията за полеви поток и поток на вещество: вещество за единица време преминава през повърхност, която от своя страна е перпендикулярна на посоката на полевия поток. Ако силовите линии излизат от повърхността S, тогава потокът е положителен, а ако не излизат, тогава е отрицателен. Като цяло, потокът може да се оцени по броя на силовите линии, които излизат от повърхността. От друга страна, големината на потока е пропорционална на броя на силовите линии, проникващи в повърхностния елемент.

Дивергенцията на векторната функция се изчислява в точката, чиято лента е обемът ΔV. S е повърхността, покриваща обема ΔV. Операцията на дивергенция дава възможност да се характеризират точки в пространството за наличие на полеви източници в него. Когато повърхността S е компресирана до точка P, линиите на електрическото поле, проникващи през повърхността, ще останат в същото количество. Ако точка в пространството не е източник на поле (изтичане или поглъщане), тогава когато повърхността е компресирана до тази точка, сумата от линиите на полето, започвайки от определен момент, е равна на нула (броят на линиите, влизащи в повърхността S е равен на броя на линиите, излизащи от тази повърхност).

Интегралът с затворена верига L в дефиницията на работата на ротора се нарича циркулация на електричество по контура L. Операцията на ротора характеризира полето в точка от пространството. Посоката на ротора определя големината на потока на затвореното поле около дадена точка (роторът характеризира вихъра на полето) и неговата посока. Въз основа на дефиницията на ротора, чрез прости трансформации е възможно да се изчислят проекциите на вектора на електричеството в декартовата координатна система, както и линиите на електрическото поле.

ЕЛЕКТРОСТАТИЧНО ПОЛЕ

електростатично поле пробно обвинение q0

напрежение

, (4)

, . (5)

линии на сила

РАБОТАТА НА СИЛИТЕ НА ЕЛЕКТРОСТАТИЧНОТО ПОЛЕ. ПОТЕНЦИАЛ

Електрическото поле, подобно на гравитационното, е потенциално. Тези. работата, извършена от електростатичните сили, не зависи от това по кой път се премества зарядът q в електрическото поле от точка 1 до точка 2. Тази работа е равна на разликата в потенциалните енергии, които има преместеният заряд в началната и крайната точки на областта:

A 1,2 \u003d W 1 - W 2. (7)

Може да се покаже, че потенциалната енергия на заряд q е право пропорционална на големината на този заряд. Следователно като енергийна характеристика на електростатичното поле се използва съотношението на потенциалната енергия на тестовия заряд q 0, поставен във всяка точка на полето, към стойността на този заряд:

Тази стойност е количеството потенциална енергия на единица положителен заряд и се нарича потенциал на полето в дадена точка. [φ] = J / C = V (волт).

Ако приемем, че когато зарядът q 0 се отстрани до безкрайност (r → ∞), неговата потенциална енергия в полето на заряда q изчезва, тогава потенциалът на полето на точков заряд q на разстояние r от него:

. (9)

Ако полето е създадено от система от точкови заряди, тогава потенциалът на полученото поле е равен на алгебричната (включително знаците) сума от потенциалите на всеки от тях:

. (10)

От дефиницията на потенциала (8) и израза (7), работата, извършена от силите на електростатичното поле за преместване на заряда от

точки 1 до точка 2 могат да бъдат представени като:

ЕЛЕКТРИЧЕСКИ ТОК В ГАЗОВЕ

НЕСАМОИЗПУСКАНЕ НА ГАЗ

Газовете при не твърде високи температури и при налягане, близко до атмосферното, са добри изолатори. Ако се постави на сухо атмосферен въздух, зареден електрометър, тогава зарядът му остава непроменен за дълго време. Това се обяснява с факта, че газовете при нормални условия се състоят от неутрални атоми и молекули и не съдържат свободни заряди (електрони и йони). Газът става проводник на електричество само когато някои от неговите молекули се йонизират. За йонизация газът трябва да бъде изложен на някакъв вид йонизатор: например електрически разряд, рентгенови лъчи, радиация или UV лъчение, пламък на свещ и др. (в последния случай електрическата проводимост на газа се причинява от нагряване).

Когато газовете се йонизират, те излизат от външната среда електронна обвивкаатом или молекула от един или повече електрони, което води до свободни електрони и положителни йони. Електроните могат да се прикрепят към неутрални молекули и атоми, превръщайки ги в отрицателни йони. Следователно в йонизиран газ има положително и отрицателно заредени йони и свободни електрони. Е електрическият ток в газовете се нарича газов разряд. По този начин токът в газовете се създава от йони както от знаци, така и от електрони. Газовият разряд с такъв механизъм ще бъде придружен от пренос на материя, т.е. йонизираните газове са проводници от втория вид.

За да се откъсне един електрон от молекула или атом, е необходимо да се извърши определена работа А и, т.е. изразходват малко енергия. Тази енергия се нарича йонизираща енергия , чиито стойности за атоми различни веществалежат в рамките на 4-25 eV. Количествено процесът на йонизация обикновено се характеризира с количество, наречено йонизационен потенциал :

Едновременно с процеса на йонизация в газ винаги протича обратен процес - процесът на рекомбинация: положителни и отрицателни йони или положителни йони и електрони, срещайки се, рекомбинират един с друг, за да образуват неутрални атоми и молекули. Колкото повече йони се появяват под действието на йонизатора, толкова по-интензивен е процесът на рекомбинация.

Строго погледнато, електрическата проводимост на газ никога не е равна на нула, тъй като той винаги съдържа свободни заряди, произтичащи от действието на радиация от радиоактивни вещества, присъстващи на повърхността на Земята, както и от космическо излъчване. Интензивността на йонизация под действието на тези фактори е ниска. Тази лека електропроводимост на въздуха е причина за изтичане на заряди на наелектризирани тела, дори и да са добре изолирани.

Естеството на газовия разряд се определя от състава на газа, неговата температура и налягане, размери, конфигурация и материал на електродите, както и приложеното напрежение и плътност на тока.

Нека разгледаме верига, съдържаща газова междина (фиг.), подложена на непрекъснато, с постоянен интензитет действие на йонизатор. В резултат на действието на йонизатора газът придобива известна електрическа проводимост и във веригата ще тече ток. Фигурата показва характеристики на тока-напрежение (зависимост на тока от приложеното напрежение) за два йонизатора. производителност
(броят на двойките йони, произведени от йонизатора в газовата междина за 1 секунда) на втория йонизатор е по-голям от първия. Ще приемем, че производителността на йонизатора е постоянна и е равна на n 0 . При не много ниско налягане почти всички отцепени електрони се улавят от неутрални молекули, образувайки отрицателно заредени йони. Като вземем предвид рекомбинацията, приемаме, че концентрациите на йони от двата знака са еднакви и равни на n. Средните скорости на дрейф на йони с различни знаци в електрическо поле са различни: , . b - и b + са подвижността на газовите йони. Сега за регион I, като вземем предвид (5), можем да запишем:

Както се вижда, в област I, с увеличаване на напрежението, токът се увеличава, тъй като скоростта на дрейф се увеличава. Броят на двойките рекомбиниращи йони ще намалява с увеличаване на скоростта им.

Област II - област на тока на насищане - всички йони, създадени от йонизатора, достигат до електродите, без да имат време за рекомбиниране. Плътност на тока на насищане

j n = q n 0 d, (28)

където d е ширината на газовата междина (разстоянието между електродите). Както може да се види от (28), токът на насищане е мярка за йонизиращия ефект на йонизатора.

При напрежение, по-голямо от U p p (област III), скоростта на електроните достига такава стойност, че при сблъсък с неутрални молекули те могат да причинят ударна йонизация. В резултат на това се образуват допълнителни An 0 двойки йони. Стойността А се нарича коефициент на усилване на газа . В област III този коефициент не зависи от n 0 , а зависи от U. Така. зарядът, достигащ до електродите при постоянна U, е право пропорционален на работата на йонизатора - n 0 и напрежението U. Поради тази причина област III се нарича пропорционална област. U pr - праг на пропорционалност. Коефициентът на усилване на газа А има стойности от 1 до 10 4 .

В област IV, област на частична пропорционалност, усилването на газа започва да зависи от n 0. Тази зависимост се увеличава с увеличаване на U. Токът нараства рязко.

В диапазона на напрежението 0 ÷ U g токът в газа съществува само когато йонизаторът работи. Ако действието на йонизатора бъде спряно, тогава и разреждането спира. Разрядите, които съществуват само под действието на външни йонизатори, се наричат ​​несамоподдържащи се.

Напрежението U g е прагът на областта, областта на Гайгер, която съответства на състоянието, когато процесът в газовата междина не изчезва дори след изключване на йонизатора, т.е. разрядът придобива характер на самостоятелен разряд. Първичните йони само дават тласък за възникването на газов разряд. В този регион вече придобивам способността да йонизирам масивни йони от двата знака. Големината на тока не зависи от n 0 .

В зона VI напрежението е толкова високо, че разреждането, след като е настъпило, вече не спира - зоната на непрекъснато разреждане.

НЕЗАВИСИМ ГАЗОВ РАЗРЯД И НЕГОВИТЕ ВИДОВЕ

Разрядът в газа, който продължава след прекратяване на действието на външния йонизатор, се нарича независим.

Нека разгледаме условията за възникване на независим разряд. При високи напрежения (области V–VI) електроните, които възникват под действието на външен йонизатор и са силно ускорени от електрическо поле, се сблъскват с неутрални газови молекули и ги йонизират. В резултат на това се образуват вторични електрони и положителни йони. (процес 1 на фиг. 158).Положителните йони се движат към катода, а електроните - към анода. Вторичните електрони отново йонизират молекулите на газа и следователно общият брой електрони и йони ще се увеличи, когато електроните се движат към анода като лавина. Това е причината за увеличаването на електрическия ток (виж Фиг. област V). Описаният процес се нарича ударна йонизация.

Въпреки това, ударната йонизация под действието на електрони не е достатъчна за поддържане на разряда, когато външният йонизатор се отстрани. За това е необходимо електронните лавини да бъдат "възпроизвеждани", т.е. да се появят нови електрони в газа под влияние на някои процеси. Такива процеси са показани схематично на фиг. 158: Положителните йони, ускорени от полето, удряйки катода, избиват електрони от него (процес 2); Положителните йони, сблъсквайки се с газови молекули, ги прехвърлят във възбудено състояние, преходът на такива молекули в нормално състояние се придружава от излъчване на фотон (процес 3); Фотон, погълнат от неутрална молекула, я йонизира, възниква така нареченият процес на фотонна йонизация на молекулите (процес 4); Избиване на електрони от катода под действието на фотони (процес 5).

И накрая, при значителни напрежения между електродите на газовата междина, идва момент, в който положителните йони, които имат по-къс среден свободен път от електроните, придобиват енергия, достатъчна за йонизиране на газовите молекули (процес 6), и йонните лавини се втурват към отрицателния чиния. Когато освен електронни лавини има и йонни лавини, токът нараства почти без увеличаване на напрежението (област VI на фиг.).

В резултат на описаните процеси броят на йоните и електроните в обема на газа нараства лавинообразно, а разрядът става независим, т.е. продължава и след прекратяване на действието на външния йонизатор. Напрежението, при което възниква саморазряд, се нарича напрежение на пробив. За въздух това е около 30 000 волта за всеки сантиметър разстояние.

В зависимост от налягането на газа, конфигурацията на електродите и параметрите на външната верига, можем да говорим за четири вида независим разряд: тлеене, искра, дъга и корона.

1. Тлеещ разряд. Възниква при ниско налягане. Ако към електродите, запоени в стъклена тръба с дължина 30 ÷ 50 cm, се приложи постоянно напрежение от няколко стотин волта, като постепенно се изпомпва въздух от тръбата, тогава при налягане ≈ 5,3 ÷ 6,7 kPa се получава разряд под формата на светещ червеникав навиващ кабел, минаващ от катода към анода. С по-нататъшно намаляване на налягането, шнурът се сгъстява и при налягане ≈ 13 Pa разрядът има формата, показана схематично на фиг.

Непосредствено до катода е тънък светещ слой 1 - първият катоден блясък или катоден филм, след това следва тъмен слой 2 - катодно тъмно пространство, преминаващо по-нататък в светещ слой 3 - тлеещо сияние, което има остра граница от страна на катода, като постепенно изчезва от анодната страна. Той възниква от рекомбинацията на електрони с положителни йони. Тлеещото сияние граничи с тъмна междина 4 - тъмно пространство на Фарадей, последвана от колона от йонизиран светещ газ 5 - положителна колона. Положителната колона няма значителна роля в поддържането на разряда. Например, с намаляване на разстоянието между електродите на тръбата, нейната дължина се скъсява, докато катодните части на разряда остават непроменени по форма и размер. При тлеещ разряд само две от неговите части са от особено значение за поддържането му: катодното тъмно пространство и светещото сияние. В катодното тъмно пространство възниква силно ускорение на електрони и положителни йони, избиващи електрони от катода (вторична емисия). В областта на тлеенето обаче възниква ударна йонизация на газовите молекули от електрони. Образуваните в този случай положителни йони се втурват към катода и избиват от него нови електрони, които от своя страна отново йонизират газа и т. н. По този начин непрекъснато се поддържа светещ разряд.

При по-нататъшно евакуиране на тръбата при налягане ≈ 1,3 Pa, светенето на газа отслабва и стените на тръбата започват да светят. Електроните, избити от катода от положителни йони, рядко се сблъскват с газови молекули при такова разреждане и следователно, ускорени от полето, удряйки стъклото, предизвикват неговото сияние, така наречената катодолуминесценция. Потокът от тези електрони исторически се нарича катодни лъчи.

Светещият разряд се използва широко в технологиите. Тъй като сиянието на положителната колона има цветова характеристика на всеки газ, тя се използва в газови светлинни тръби за светещи надписи и реклами (например неоновите газоразрядни тръби дават червен блясък, аргоновите тръби - синкаво-зелени). При флуоресцентни лампи, които са по-икономични от лампите с нажежаема жичка, излъчването на светещ разряд, което се появява в живачни пари, се абсорбира от флуоресцентно вещество (люминофор), отложено върху вътрешната повърхност на тръбата, което започва да свети под въздействието на погълната радиация. Спектърът на луминесценция с подходяща селекция от фосфор е близък до спектъра на слънчевата радиация. Светещият разряд се използва за катодно отлагане на метали. Катодното вещество в светещ разряд поради бомбардиране от положителни йони, като се нагрява силно, преминава в състояние на пара. Поставяйки различни предмети близо до катода, те могат да бъдат покрити с равномерен слой метал.

2. Искрово разреждане. Възниква при високи напрежения на електрическото поле (≈ 3·10 6 V/m) в газ под атмосферно налягане. Искрата има вид на ярко светещ тънък канал, извит и разклонен по сложен начин.

Обяснението на искровия разряд е дадено на базата на теорията на стримерите, според която появата на ярко светещ искра канал се предшества от появата на слабо светещи натрупвания на йонизиран газ. Тези клъстери се наричат ​​стримери. Стриймерите възникват не само в резултат на образуването на електронни лавини чрез ударна йонизация, но и в резултат на фотонна йонизация на газа. Лавините, преследвайки се една друга, образуват проводящи мостове от стримери, по които в следващите моменти се втурват мощни потоци от електрони, образувайки канали за искрово разреждане. Поради отделянето на голямо количество енергия по време на разглежданите процеси, газът в искровия промежител се нагрява до много висока температура (около 10 4 К), което води до неговото сияние. Бързото нагряване на газа води до увеличаване на налягането и ударните вълни, които обясняват звуковите ефекти на искровия разряд - характерното пукане при слаби разряди и мощен гръм в случай на мълния, което е пример за мощен искров разряд между гръмотевичен облак и Земята или между два гръмотевични облака.

Искровият разряд се използва за запалване на горимата смес в двигателите с вътрешно горене и за защита на електропроводите от пренапрежения (искрови междини). При малка дължина на разрядната междина, искровият разряд причинява разрушаване (ерозия) на металната повърхност, поради което се използва за електроискрова прецизна обработка на метали (рязане, пробиване). Използва се в спектралния анализ за регистриране на заредени частици (искроброячи).

3. Дъгово разреждане. Ако след запалване на искров разряд от мощен източник, разстоянието между електродите постепенно се намали, тогава разрядът става непрекъснат - възниква дъгов разряд. В този случай силата на тока се увеличава рязко, достигайки стотици ампера, а напрежението в разрядната междина пада до няколко десетки волта. Дъгов разряд може да се получи от източник на ниско напрежение, заобикаляйки етапа на искра. За да направите това, електродите (например въглеродни) се събират, докато се докоснат, те са много горещи с електрически ток, след което се отглеждат и получават електрическа дъга(така е открит от руския учен В. В. Петров). При атмосферно налягане температурата на катода е приблизително равна на 3900 К. При изгарянето на дъгата въглеродният катод се изостря, а на анода се образува вдлъбнатина - кратер, който е най-горещата точка на дъгата.

Според съвременните концепции, дъговият разряд се поддържа поради високата температура на катода поради интензивна термойонна емисия, както и термична йонизация на молекулите поради високата температура на газа.

Дъговият разряд се използва широко в национална икономиказа заваряване и рязане на метали, получаване на висококачествени стомани (дъгова пещ), осветление (прожектори, прожекционно оборудване). Широко се използват и дъгови лампи с живачни електроди в кварцови цилиндри, където при изпомпване на въздух се получава дъгов разряд в живачни пари. Дъгата, генерирана в живачни пари, е мощен източник на ултравиолетово лъчение и се използва в медицината (напр. кварцови лампи). Дъгов разряд при ниски наляганияв живачни пари се използва в живачни токоизправители за поправяне на променлив ток.

4. коронен разряд - електрически разряд с високо напрежение, който възниква при високо (например атмосферно) налягане в нехомогенно поле (например близо до електроди с голяма кривина на повърхността, върха на игления електрод). Когато силата на полето в близост до върха достигне 30 kV/cm, около него се появява короноподобно сияние, което е причината за името на този вид разряд.

В зависимост от знака на коронния електрод се различава отрицателна или положителна корона. В случай на отрицателна корона, производството на електрони, които причиняват ударна йонизация на газовите молекули, възниква поради излъчването им от катода под действието на положителни йони, в случай на положителна корона, поради йонизация на газ близо до анода. IN vivoкороната възниква под въздействието на атмосферно електричество на върховете на мачтите на кораби или дървета (действието на гръмоотводите се основава на това). Това явление в древността е наричано огньовете на Свети Елмо. Вредното въздействие на короната около проводниците на високоволтовите електропроводи е появата на токове на утечка. За да ги намалят, проводниците на високоволтовите линии се правят дебели. Коронен разряд, тъй като е прекъснат, също се превръща в източник на радиосмущения.

Коронен разряд се използва в електрофилтрите, използвани за почистване промишлени газовеот примеси. Газът за пречистване се движи отдолу нагоре във вертикален цилиндър, по оста на който е разположена корона. Йоните, присъстващи в в големи количествавъв външната част на короната, примесите се утаяват върху частиците и се отнасят от полето към външния некоронен електрод и се утаяват върху него. Коронен разряд се използва и при нанасяне на прахови и бояджийски покрития.

ЕЛЕКТРОСТАТИЧНО ПОЛЕ

ЕЛЕКТРИЧЕСКИ ЛИНИИ НА ЕЛЕКТРИЧЕСКОТО ПОЛЕ

Според концепциите на съвременната физика, въздействието на един заряд върху друг се предава чрез електростатично поле - специална безкрайно разширяваща се материална среда, която всяко заредено тяло създава около себе си. Електростатичните полета не могат да бъдат открити от човешките сетива. Въпреки това зарядът, поставен в поле, се влияе от сила, пряко пропорционална на големината на този заряд. Защото посоката на силата зависи от знака на заряда, беше договорено да се използва т.нар пробно обвинение q0. Това е положителен, точков заряд, който се поставя в интересна за нас точка в електрическото поле. Съответно, препоръчително е да се използва съотношението на силата към стойността на тестовия заряд q 0 като характеристика на силата на полето:

Тази константа за всяка точка от полето е векторна величина равно на силатадействащ върху единичен положителен заряд се нарича напрежение . За полето на точков заряд q на разстояние r от него:

, (4)

Посоката на вектора съвпада с посоката на силата, действаща върху пробния заряд. [E] = N / C или V / m.

В диелектрична среда силата на взаимодействие между зарядите и следователно силата на полето намалява с ε пъти:

, . (5)

Когато няколко електростатични полета се наслагват едно върху друго, получената сила се определя като векторна сума от силите на всяко от полетата (принцип на суперпозиция):

Графично разпределението на електрическото поле в пространството е изобразено с помощта на линии на сила . Тези линии са начертани така, че допирателните към тях във всяка точка да съвпадат с. Това означава, че векторът на силата, действаща върху заряда, а оттам и векторът на неговото ускорение, също лежат върху допирателни към силовите линии, които никога и никъде не се пресичат. Силовите линии на електростатичното поле не могат да бъдат затворени. Те започват с положителни и завършват с отрицателни заряди или отиват до безкрайност.