Garis gaya medan elektrostatik. Garis medan listrik

Untuk representasi grafis visual dari medan, akan lebih mudah untuk menggunakan garis gaya - garis berarah, garis singgung yang pada setiap titik bertepatan dengan arah vektor kekuatan medan listrik (Gbr. 233).

Beras. 233
Menurut definisi, garis-garis gaya medan listrik memiliki seri sifat umum(bandingkan dengan sifat-sifat aliran fluida):
 1. garis kekuatan tidak berpotongan (jika tidak, dua garis singgung dapat dibangun di titik persimpangan, yaitu, pada satu titik, kekuatan medan memiliki dua nilai, yang tidak masuk akal).
2. Garis gaya tidak memiliki kekusutan (pada titik ketegaran, sekali lagi, Anda dapat membangun dua garis singgung).
3. Garis-garis gaya medan elektrostatik dimulai dan diakhiri dengan muatan.
Karena kekuatan medan ditentukan pada setiap titik spasial, maka garis gaya dapat ditarik melalui titik spasial mana pun. Oleh karena itu, jumlah garis gaya sangat besar tak terhingga. Jumlah garis yang digunakan untuk menggambarkan bidang paling sering ditentukan oleh selera seni fisikawan-seniman. Dalam beberapa alat bantu mengajar disarankan untuk membuat gambar garis medan sehingga kerapatannya lebih besar di mana kekuatan medan lebih besar. Persyaratan ini tidak ketat, dan tidak selalu layak, sehingga garis-garis gaya ditarik, memenuhi sifat-sifat yang dirumuskan 1 − 3 .
Sangat mudah untuk memplot garis-garis gaya medan yang diciptakan oleh muatan titik. Dalam hal ini, garis gaya adalah sekumpulan garis lurus yang muncul (untuk positif) atau masuk (untuk negatif) pada titik lokasi muatan (Gbr. 234).

Nasi. 234
Keluarga garis gaya medan muatan titik seperti itu menunjukkan bahwa muatan adalah sumber medan, dengan analogi dengan sumber dan tenggelamnya medan kecepatan fluida. Kami akan membuktikan nanti bahwa garis gaya tidak dapat dimulai atau berakhir pada titik di mana tidak ada muatan.
Gambar garis bidang bidang nyata dapat direproduksi secara eksperimental.
Tuang lapisan kecil ke dalam wadah rendah minyak jarak dan tuangkan sedikit semolina ke dalamnya. Jika minyak dengan sereal ditempatkan di medan elektrostatik, maka butiran semolina (mereka memiliki bentuk yang sedikit memanjang) berputar ke arah kekuatan medan listrik dan berbaris kira-kira di sepanjang garis gaya, setelah beberapa puluh detik, a gambar garis-garis gaya medan listrik muncul di cangkir. Beberapa dari "gambar" ini disajikan dalam foto.
Dimungkinkan juga untuk melakukan perhitungan teoretis dan konstruksi garis gaya. Benar, perhitungan ini membutuhkan banyak sekali perhitungan, jadi ini realistis (dan tanpa pekerjaan khusus) dilakukan menggunakan komputer, paling sering konstruksi seperti itu dilakukan di bidang tertentu.
Saat mengembangkan algoritme untuk menghitung pola garis bidang, sejumlah masalah ditemukan yang perlu diselesaikan. Masalah pertama adalah perhitungan vektor medan. Dalam kasus medan elektrostatik yang diciptakan oleh distribusi muatan tertentu, masalah ini diselesaikan dengan menggunakan hukum Coulomb dan prinsip superposisi. Masalah kedua adalah metode membangun jalur terpisah. Ide algoritma paling sederhana yang memecahkan masalah ini cukup jelas. Di area kecil, setiap garis praktis bertepatan dengan garis singgungnya, jadi Anda harus membangun banyak segmen yang bersinggungan dengan garis gaya, yaitu, segmen dengan panjang kecil aku, yang arahnya bertepatan dengan arah medan di suatu titik tertentu. Untuk melakukan ini, pertama-tama perlu untuk menghitung komponen vektor intensitas di poin yang diberikan Mantan, E y dan modulus vektor ini E = (E x 2 + E y 2 ). Kemudian Anda dapat membangun segmen dengan panjang kecil, yang arahnya bertepatan dengan arah vektor kekuatan medan. proyeksinya pada sumbu koordinat dihitung dengan rumus yang mengikuti dari Gambar. 235:

Nasi. 235

Maka Anda harus mengulangi prosedurnya, mulai dari akhir segmen yang dibangun. Tentu saja, ketika menerapkan algoritma seperti itu, ada masalah lain yang lebih bersifat teknis.
Gambar 236 menunjukkan garis-garis gaya medan yang diciptakan oleh dua muatan titik.


Nasi. 236
Tanda-tanda muatan ditunjukkan, pada gambar a) dan b) muatannya sama dalam modulus, pada gambar. c), d) berbeda - yang mana di antara mereka yang kami usulkan untuk ditentukan lebih mandiri. Dalam setiap kasus, tentukan juga arah garis gaya sendiri.
Sangat menarik untuk dicatat bahwa M. Faraday menganggap garis-garis gaya medan listrik sebagai tabung elastis nyata yang menghubungkan muatan listrik, representasi seperti itu banyak membantunya untuk memprediksi dan menjelaskan banyak fenomena fisik.
Setuju bahwa M. Faraday yang hebat benar - jika Anda secara mental mengganti garis dengan karet gelang, sifat interaksinya sangat jelas.

Teorema Ostrogradsky–Gauss, yang akan kita buktikan dan diskusikan nanti, menetapkan hubungan antara muatan listrik dan medan listrik. Ini adalah formulasi yang lebih umum dan lebih elegan dari hukum Coulomb.

Pada prinsipnya, kekuatan medan elektrostatik yang diciptakan oleh distribusi muatan yang diberikan selalu dapat dihitung menggunakan hukum Coulomb. Medan listrik total di sembarang titik adalah kontribusi penjumlahan vektor (integral) dari semua muatan, mis.

Namun, dengan pengecualian sebagian besar kasus sederhana, sangat sulit untuk menghitung jumlah atau integral ini.

Di sini teorema Ostrogradsky-Gauss datang untuk menyelamatkan, dengan bantuan yang jauh lebih mudah untuk menghitung kekuatan medan listrik yang diciptakan oleh distribusi muatan yang diberikan.

Nilai utama dari teorema Ostrogradsky-Gauss adalah memungkinkan pemahaman yang lebih dalam tentang sifat medan elektrostatik dan menetapkan lebih umum hubungan antara muatan dan medan.

Tetapi sebelum beralih ke teorema Ostrogradsky-Gauss, perlu untuk memperkenalkan konsep-konsep: garis kekuatan medan elektrostatik dan aliran vektor tegangan medan elektrostatik.

Untuk menggambarkan medan listrik, Anda perlu mengatur vektor intensitas di setiap titik medan. Ini dapat dilakukan secara analitis atau grafis. Untuk ini mereka menggunakan garis kekuatan- ini adalah garis, garis singgung yang pada titik mana pun di lapangan bertepatan dengan arah vektor intensitas(Gbr. 2.1).

Beras. 2.1

Garis gaya diberi arah tertentu - dari muatan positif ke muatan negatif, atau hingga tak terbatas.

Pertimbangkan kasusnya medan listrik seragam.

Homogen disebut medan elektrostatik, di semua titik yang intensitas dan arahnya sama, yaitu Medan elektrostatik seragam digambarkan oleh garis gaya paralel pada jarak yang sama satu sama lain (ada medan seperti itu, misalnya, di antara pelat kapasitor) (Gbr. 2.2).

Dalam kasus muatan titik, garis tegangan memancar dari muatan positif dan menuju tak terhingga; dan dari tak terhingga masuk ke muatan negatif. Karena maka kerapatan garis-garis medan berbanding terbalik dengan kuadrat jarak dari muatan. Karena luas permukaan bola yang dilalui garis-garis ini meningkat sebanding dengan kuadrat jarak, maka jumlah total garis tetap konstan pada jarak berapa pun dari muatan.

Untuk sistem muatan, seperti yang kita lihat, garis gaya diarahkan dari muatan positif ke muatan negatif (Gbr. 2.2).

Beras. 2.2

Gambar 2.3 juga menunjukkan bahwa kerapatan garis medan dapat berfungsi sebagai indikator nilai.

Kerapatan garis-garis medan harus sedemikian rupa sehingga suatu satuan luas yang normal terhadap vektor intensitas dilintasi oleh suatu bilangan yang sama dengan modulus vektor intensitas, yaitu

Di ruang sekitar muatan yang menjadi sumbernya, berbanding lurus dengan jumlah muatan ini dan berbanding terbalik dengan kuadrat jarak dari muatan ini. Arah medan listrik menurut aturan yang diterima selalu dari muatan positif menuju muatan negatif. Ini dapat direpresentasikan seolah-olah muatan uji ditempatkan di wilayah ruang medan listrik sumber dan muatan uji ini akan menolak atau menarik (tergantung pada tanda muatannya). Medan listrik dicirikan oleh kekuatan , yang merupakan besaran vektor, dapat direpresentasikan secara grafis sebagai panah yang memiliki panjang dan arah. Di mana saja arah panah menunjukkan arah kuat medan listrik E, atau sederhananya - arah medan, dan panjang panah sebanding dengan nilai numerik kekuatan medan listrik di tempat ini. Semakin jauh daerah ruang dari sumber medan (muatan Q), semakin kecil panjang vektor intensitas. Selain itu, panjang vektor berkurang dengan jarak ke n kali dari suatu tempat di n 2 kali, yaitu berbanding terbalik dengan kuadrat.

Cara yang lebih berguna untuk representasi visual dari sifat vektor medan listrik adalah dengan menggunakan konsep seperti, atau hanya - garis gaya. Alih-alih menggambarkan panah vektor yang tak terhitung jumlahnya di ruang sekitar muatan sumber, ternyata berguna untuk menggabungkannya menjadi garis, di mana vektor itu sendiri bersinggungan dengan titik-titik pada garis tersebut.

Akibatnya, berhasil digunakan untuk mewakili gambar vektor medan listrik garis medan listrik, yang meninggalkan muatan bertanda positif dan memasukkan muatan tanda negatif, dan juga meluas hingga tak terhingga di ruang angkasa. Representasi ini memungkinkan Anda untuk melihat dengan pikiran medan listrik yang tidak terlihat oleh mata manusia. Namun, representasi ini juga nyaman untuk gaya gravitasi dan interaksi jarak jauh tanpa kontak lainnya.

Model garis medan listrik mencakup jumlah yang tak terbatas, tetapi kepadatan gambar garis medan yang terlalu tinggi mengurangi kemampuan untuk membaca pola medan, sehingga jumlahnya dibatasi oleh keterbacaan.

Aturan menggambar garis medan listrik

Ada banyak aturan untuk menyusun model saluran listrik seperti itu. Semua aturan ini dirancang untuk memberikan informasi paling banyak saat memvisualisasikan (menggambar) medan listrik. Salah satu caranya adalah dengan menggambarkan garis-garis medan. Salah satu cara paling umum adalah dengan mengelilingi lebih banyak benda bermuatan. jumlah besar garis, yaitu kepadatan garis yang lebih besar. Benda dengan muatan besar menciptakan medan listrik yang lebih kuat dan oleh karena itu kerapatan (kerapatan) garis di sekelilingnya lebih besar. Semakin dekat ke sumber muatan, semakin tinggi kerapatan garis medan, dan semakin besar muatan, semakin tebal garis di sekitarnya.

Aturan kedua untuk menggambar garis medan listrik melibatkan menggambar garis dari jenis yang berbeda, seperti garis yang memotong garis gaya pertama. tegak lurus. Jenis garis ini disebut garis ekuipotensial, dan dalam kasus representasi volumetrik, kita harus berbicara tentang permukaan ekuipotensial. Jenis garis ini membentuk kontur tertutup dan setiap titik pada garis ekuipotensial tersebut memiliki: nilai yang sama potensi lapangan. Ketika setiap partikel bermuatan melintasi garis tegak lurus tersebut garis kekuatan garis (permukaan), kemudian mereka berbicara tentang pekerjaan yang dilakukan oleh muatan. Jika muatan bergerak sepanjang garis ekuipotensial (permukaan), maka meskipun bergerak, tidak ada usaha yang dilakukan. Sebuah partikel bermuatan di Medan listrik muatan lain mulai bergerak, tetapi dalam listrik statis hanya muatan tetap yang dipertimbangkan. Perpindahan muatan disebut sengatan listrik, sedangkan pekerjaan dapat dilakukan oleh pembawa muatan.

Penting untuk diingat bahwa garis medan listrik tidak berpotongan, dan garis jenis lain - ekuipotensial, membentuk loop tertutup. Di tempat di mana ada perpotongan dua jenis garis, garis singgung garis-garis ini saling tegak lurus. Dengan demikian, diperoleh sesuatu seperti kisi koordinat melengkung, atau kisi, yang sel-selnya, serta titik perpotongan garis jenis yang berbeda mengkarakterisasi medan listrik.

Garis putus-putus adalah ekuipotensial. Garis dengan panah - garis medan listrik

Medan listrik yang terdiri dari dua muatan atau lebih

Untuk biaya individu soliter garis medan listrik mewakili sinar radial muncul dari biaya dan pergi ke tak terbatas. Bagaimana konfigurasi garis medan untuk dua muatan atau lebih? Untuk melakukan pola seperti itu, harus diingat bahwa kita berhadapan dengan medan vektor, yaitu vektor kekuatan medan listrik. Untuk menggambarkan pola medan, kita perlu melakukan penambahan vektor intensitas dari dua atau lebih muatan. Vektor yang dihasilkan akan mewakili medan total dari beberapa muatan. Bagaimana garis gaya dapat ditarik dalam kasus ini? Penting untuk diingat bahwa setiap titik pada garis medan adalah titik tunggal kontak dengan vektor kuat medan listrik. Ini mengikuti dari definisi garis singgung dalam geometri. Jika dari awal setiap vektor kita membuat garis tegak lurus dalam bentuk garis panjang, maka perpotongan timbal balik dari banyak garis tersebut akan menggambarkan garis gaya yang sangat diinginkan.

Untuk representasi aljabar matematis yang lebih akurat dari garis-garis gaya, perlu untuk menyusun persamaan garis-garis gaya, dan vektor dalam hal ini akan mewakili turunan pertama, garis-garis orde pertama, yang merupakan garis singgung. Tugas seperti itu terkadang sangat kompleks dan membutuhkan perhitungan komputer.

Pertama-tama, penting untuk diingat bahwa medan listrik dari banyak muatan diwakili oleh jumlah vektor intensitas dari setiap sumber muatan. Ini dasar untuk melakukan konstruksi garis medan untuk memvisualisasikan medan listrik.

Setiap muatan yang dimasukkan ke dalam medan listrik menyebabkan perubahan, meskipun tidak signifikan, dalam pola garis-garis medan. Gambar seperti itu terkadang sangat menarik.

Garis medan listrik sebagai cara untuk membantu pikiran melihat kenyataan

Konsep medan listrik muncul ketika para ilmuwan mencoba menjelaskan aksi jarak jauh yang terjadi antara benda-benda bermuatan. Konsep medan listrik pertama kali diperkenalkan oleh fisikawan abad ke-19 Michael Faraday. Itu adalah hasil dari persepsi Michael Faraday realitas tak terlihat dalam bentuk gambar garis gaya yang mencirikan aksi jarak jauh. Faraday tidak berpikir dalam kerangka satu tuduhan, tetapi melangkah lebih jauh dan memperluas batas-batas pikiran. Dia menyarankan bahwa objek bermuatan (atau massa dalam kasus gravitasi) mempengaruhi ruang dan memperkenalkan konsep medan pengaruh tersebut. Mempertimbangkan bidang-bidang seperti itu, ia mampu menjelaskan perilaku muatan dan dengan demikian mengungkapkan banyak rahasia listrik.

Ada medan skalar dan vektor (dalam kasus kami, medan vektor akan menjadi listrik). Dengan demikian, mereka dimodelkan oleh fungsi skalar atau vektor koordinat, serta waktu.

Medan skalar digambarkan dengan fungsi dalam bentuk . Bidang tersebut dapat divisualisasikan menggunakan permukaan dari tingkat yang sama: (x, y, z) = c, c = const.

Mari kita definisikan sebuah vektor yang diarahkan menuju pertumbuhan maksimum fungsi .

Nilai mutlak dari vektor ini menentukan laju perubahan fungsi .

Jelas, medan skalar menghasilkan medan vektor.

Medan listrik semacam itu disebut potensial, dan fungsi disebut potensial. Permukaan yang sama tinggi disebut permukaan ekipotensial. Misalnya, pertimbangkan medan listrik.

Untuk tampilan visual medan, yang disebut garis medan listrik dibangun. Mereka juga disebut garis vektor. Ini adalah garis yang garis singgung pada suatu titik menunjukkan arah medan listrik. Banyaknya garis yang melalui permukaan satuan sebanding dengan nilai mutlak vektor.

Mari kita perkenalkan konsep diferensial vektor sepanjang garis l. Vektor ini diarahkan secara tangensial ke garis l dan sama nilainya dengan diferensial dl.

Biarkan beberapa medan listrik diberikan, yang harus direpresentasikan sebagai garis gaya medan. Dengan kata lain, mari kita tentukan koefisien regangan (kompresi) k dari vektor sehingga bertepatan dengan diferensial. Menyamakan komponen diferensial dan vektor, kita memperoleh sistem persamaan. Setelah integrasi dimungkinkan untuk membangun persamaan garis gaya.

Dalam analisis vektor, ada operasi yang memberikan informasi tentang garis medan listrik mana yang ada dalam kasus tertentu. Mari kita memperkenalkan konsep "aliran vektor" pada permukaan S. Definisi formal aliran memiliki bentuk berikut: kuantitas dianggap sebagai produk dari diferensial biasa ds oleh vektor satuan dari normal ke permukaan s . Vektor satuan dipilih sehingga mendefinisikan normal luar permukaan.

Dimungkinkan untuk menarik analogi antara konsep aliran medan dan aliran zat: zat per satuan waktu melewati permukaan, yang pada gilirannya tegak lurus terhadap arah aliran medan. Jika garis-garis gaya keluar dari permukaan S, maka alirannya positif, dan jika tidak keluar, maka itu negatif. Secara umum, aliran dapat diperkirakan dengan jumlah garis gaya yang keluar dari permukaan. Di sisi lain, besarnya fluks sebanding dengan jumlah garis medan yang menembus elemen permukaan.

Divergensi fungsi vektor dihitung pada titik yang pitanya adalah volume V. S adalah permukaan yang menutupi volume V. Operasi divergensi memungkinkan untuk mengkarakterisasi titik-titik dalam ruang untuk keberadaan sumber medan di dalamnya. Ketika permukaan S ditekan ke titik P, garis-garis medan listrik yang menembus permukaan akan tetap dalam jumlah yang sama. Jika suatu titik dalam ruang bukan merupakan sumber medan (kebocoran atau tenggelam), maka ketika permukaan ditekan sampai titik ini, jumlah garis medan, mulai dari momen tertentu, sama dengan nol (banyaknya garis yang memasuki permukaan S adalah sama dengan jumlah garis yang berasal dari permukaan ini).

Integral loop tertutup L dalam definisi operasi rotor disebut sirkulasi listrik sepanjang loop L. Operasi rotor mencirikan medan pada suatu titik dalam ruang. Arah rotor menentukan besarnya aliran medan tertutup di sekitar titik tertentu (rotor mencirikan pusaran medan) dan arahnya. Berdasarkan definisi rotor, dengan transformasi sederhana dimungkinkan untuk menghitung proyeksi vektor listrik dalam sistem koordinat Cartesian, serta garis-garis medan listrik.

BIDANG ELEKTROSTATIK

medan elektrostatik biaya tes q0

ketegangan

, (4)

, . (5)

garis kekuatan

KERJA KEKUATAN BIDANG ELEKTROSTATIK. POTENSI

Medan listrik, seperti medan gravitasi, adalah potensial. Itu. pekerjaan yang dilakukan oleh gaya elektrostatik tidak bergantung pada rute mana muatan q dipindahkan dalam medan listrik dari titik 1 ke titik 2. Pekerjaan ini sama dengan perbedaan energi potensial yang dimiliki muatan yang dipindahkan pada titik awal dan akhir dari lapangan:

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

Dapat ditunjukkan bahwa energi potensial suatu muatan q berbanding lurus dengan besar muatan tersebut. Oleh karena itu, sebagai karakteristik energi medan elektrostatik, rasio energi potensial muatan uji q 0 yang ditempatkan di sembarang titik medan dengan nilai muatan ini digunakan:

Nilai ini adalah jumlah energi potensial per satuan muatan positif dan disebut potensi lapangan pada titik tertentu. [φ] = J / C = V (Volt).

Jika kita berasumsi bahwa ketika muatan q 0 dipindahkan hingga tak terhingga (r → ), energi potensialnya dalam medan muatan q hilang, maka potensi medan muatan titik q pada jarak r darinya:

. (9)

Jika medan dibuat oleh sistem muatan titik, maka potensi medan yang dihasilkan sama dengan jumlah aljabar (termasuk tanda) dari potensi masing-masing:

. (10)

Dari definisi potensial (8) dan ekspresi (7), kerja yang dilakukan oleh gaya medan elektrostatik untuk memindahkan muatan dari

poin 1 hingga poin 2 dapat direpresentasikan sebagai:

ARUS LISTRIK DALAM GAS

PEMBUANGAN GAS NON-MANDIRI

Gas pada suhu yang tidak terlalu tinggi dan pada tekanan yang mendekati atmosfer adalah isolator yang baik. Jika ditempatkan di tempat kering udara atmosfer, elektrometer bermuatan, maka muatannya tetap tidak berubah untuk waktu yang lama. Ini dijelaskan oleh fakta bahwa gas dalam kondisi normal terdiri dari atom dan molekul netral dan tidak mengandung muatan bebas (elektron dan ion). Gas menjadi konduktor listrik hanya jika beberapa molekulnya terionisasi. Untuk ionisasi, gas harus terkena beberapa jenis ionizer: misalnya, pelepasan listrik, sinar X, radiasi atau radiasi UV, nyala lilin, dll. (dalam kasus terakhir, konduktivitas listrik gas disebabkan oleh pemanasan).

Ketika gas terionisasi, mereka melarikan diri dari eksternal kulit elektron atom atau molekul dari satu atau lebih elektron, menghasilkan elektron bebas dan ion positif. Elektron dapat menempel pada molekul dan atom netral, mengubahnya menjadi ion negatif. Oleh karena itu, dalam gas terionisasi ada ion bermuatan positif dan negatif dan elektron bebas. E arus listrik dalam gas disebut pelepasan gas. Dengan demikian, arus dalam gas diciptakan oleh ion-ion dari kedua tanda dan elektron. Pelepasan gas dengan mekanisme seperti itu akan disertai dengan perpindahan materi, yaitu. gas terionisasi adalah konduktor jenis kedua.

Untuk melepaskan satu elektron dari molekul atau atom, perlu untuk melakukan pekerjaan tertentu A dan, mis. mengeluarkan sedikit energi. Energi ini disebut energi ionisasi , yang nilainya untuk atom berbagai zat terletak dalam 4-25 eV. Secara kuantitatif, proses ionisasi biasanya dicirikan oleh besaran yang disebut potensial ionisasi :

Bersamaan dengan proses ionisasi dalam gas, selalu ada proses sebaliknya - proses rekombinasi: ion positif dan negatif atau ion positif dan elektron, bertemu, bergabung kembali satu sama lain untuk membentuk atom dan molekul netral. Semakin banyak ion yang muncul di bawah aksi ionizer, semakin intens proses rekombinasi.

Sebenarnya, konduktivitas listrik gas tidak pernah sama dengan nol, karena selalu mengandung muatan bebas yang dihasilkan dari aksi radiasi dari zat radioaktif yang ada di permukaan bumi, serta dari radiasi kosmik. Intensitas ionisasi di bawah aksi faktor-faktor ini rendah. Konduktivitas listrik yang kecil dari udara ini adalah penyebab kebocoran muatan benda yang dialiri listrik, bahkan jika benda tersebut diisolasi dengan baik.

Sifat pelepasan gas ditentukan oleh komposisi gas, suhu dan tekanannya, dimensi, konfigurasi dan bahan elektroda, serta tegangan dan kerapatan arus yang diterapkan.

Mari kita pertimbangkan sirkuit yang mengandung celah gas (Gbr.), yang dikenai aksi intensitas konstan dan kontinu dari sebuah ionizer. Sebagai hasil dari aksi ionizer, gas memperoleh beberapa konduktivitas listrik dan arus akan mengalir di sirkuit. Gambar menunjukkan karakteristik arus-tegangan (ketergantungan arus pada tegangan yang diberikan) untuk dua ionizers. Pertunjukan
(jumlah pasangan ion yang dihasilkan oleh ionizer dalam celah gas dalam 1 detik) dari ionizer kedua lebih besar dari yang pertama. Kami akan mengasumsikan bahwa kinerja ionizer konstan dan sama dengan n 0 . Pada tekanan yang tidak terlalu rendah, hampir semua elektron yang terlepas ditangkap oleh molekul netral, membentuk ion bermuatan negatif. Dengan mempertimbangkan rekombinasi, kita asumsikan bahwa konsentrasi ion dari kedua tanda adalah sama dan sama dengan n. Kecepatan hanyut rata-rata ion dengan tanda berbeda dalam medan listrik berbeda: , . b - dan b + adalah mobilitas ion gas. Sekarang untuk wilayah I, dengan memperhitungkan (5), kita dapat menulis:

Seperti dapat dilihat, di wilayah I, dengan meningkatnya tegangan, arus meningkat, karena kecepatan drift meningkat. Jumlah pasangan ion yang bergabung kembali akan berkurang dengan meningkatnya kecepatannya.

Wilayah II - wilayah arus saturasi - semua ion yang dibuat oleh ionizer mencapai elektroda tanpa memiliki waktu untuk bergabung kembali. Kerapatan arus saturasi

j n = q n 0 d, (28)

di mana d adalah lebar celah gas (jarak antar elektroda). Seperti dapat dilihat dari (28), arus saturasi adalah ukuran efek pengion dari alat pengion.

Pada tegangan lebih besar dari U p p (wilayah III), kecepatan elektron mencapai nilai sedemikian rupa sehingga, ketika bertabrakan dengan molekul netral, mereka dapat menyebabkan ionisasi tumbukan. Akibatnya, tambahan An 0 pasang ion terbentuk. Nilai A disebut faktor amplifikasi gas . Di wilayah III, koefisien ini tidak bergantung pada n 0 , tetapi bergantung pada U. Jadi. muatan yang mencapai elektroda pada konstanta U berbanding lurus dengan kinerja pengion - n 0 dan tegangan U. Karena alasan ini, wilayah III disebut wilayah proporsional. U pr - ambang proporsionalitas. Faktor amplifikasi gas A memiliki nilai dari 1 hingga 10 4 .

Di wilayah IV, wilayah proporsionalitas parsial, perolehan gas mulai bergantung pada n 0. Ketergantungan ini meningkat dengan meningkatnya U. Arus meningkat tajam.

Dalam rentang tegangan 0 U g, arus dalam gas hanya ada ketika ionizer beroperasi. Jika aksi ionizer dihentikan, maka pelepasan juga berhenti. Pelepasan yang hanya ada di bawah aksi ionizers eksternal disebut non-self-sustaining.

Tegangan U g adalah ambang batas wilayah, wilayah Geiger, yang sesuai dengan keadaan ketika proses di celah gas tidak hilang bahkan setelah ionizer dimatikan, mis. pelepasan tersebut memperoleh karakter pelepasan independen. Ion primer hanya memberikan dorongan untuk terjadinya pelepasan gas. Di wilayah ini, saya sudah memperoleh kemampuan untuk mengionisasi ion masif dari kedua tanda. Besarnya arus tidak bergantung pada n 0 .

Di area VI, tegangannya sangat tinggi sehingga pelepasan, setelah terjadi, tidak lagi berhenti - area pelepasan terus menerus.

PEMBUATAN GAS MANDIRI DAN JENISNYA

Pelepasan dalam gas, yang bertahan setelah penghentian aksi ionizer eksternal, disebut independen.

Mari kita pertimbangkan kondisi untuk terjadinya pelepasan independen. Pada tegangan tinggi (daerah V–VI), elektron yang muncul di bawah aksi ionizer eksternal dan dipercepat dengan kuat oleh medan listrik bertabrakan dengan molekul gas netral dan mengionisasinya. Akibatnya, elektron sekunder dan ion positif terbentuk. (proses 1 pada Gambar. 158). Ion positif bergerak menuju katoda dan elektron bergerak menuju anoda. Elektron sekunder kembali mengionisasi molekul gas, dan, akibatnya, jumlah total elektron dan ion akan meningkat ketika elektron bergerak menuju anoda seperti longsoran salju. Inilah alasan kenaikan arus listrik (lihat Gbr. area V). Proses yang dijelaskan disebut dampak ionisasi.

Namun, ionisasi tumbukan di bawah aksi elektron tidak cukup untuk mempertahankan pelepasan ketika pengion eksternal dihilangkan. Untuk ini, longsoran elektron perlu "direproduksi", yaitu, elektron baru muncul dalam gas di bawah pengaruh beberapa proses. Proses tersebut secara skematis ditunjukkan pada Gambar. 158: Ion positif dipercepat oleh medan, mengenai katoda, melumpuhkan elektron darinya (proses 2); Ion positif, bertabrakan dengan molekul gas, mentransfernya ke keadaan tereksitasi, transisi molekul tersebut ke keadaan normal disertai dengan emisi foton (proses 3); Sebuah foton yang diserap oleh molekul netral mengionisasinya, yang disebut proses ionisasi foton molekul terjadi (proses 4); Mengeluarkan elektron dari katoda di bawah aksi foton (proses 5).

Akhirnya, pada tegangan yang signifikan antara elektroda celah gas, ada saatnya ketika ion positif, yang memiliki jalur bebas rata-rata lebih pendek daripada elektron, memperoleh energi yang cukup untuk mengionisasi molekul gas (proses 6), dan longsoran ion bergegas ke negatif piring. Ketika, selain longsoran elektron, longsoran ion juga terjadi, arus meningkat hampir tanpa meningkatkan tegangan (wilayah VI pada Gambar.).

Sebagai hasil dari proses yang dijelaskan, jumlah ion dan elektron dalam volume gas meningkat seperti longsoran salju, dan pelepasan menjadi independen, yaitu, tetap ada bahkan setelah aksi ionizer eksternal dihentikan. Tegangan di mana self-discharge terjadi disebut tegangan tembus. Untuk udara, ini sekitar 30.000 volt untuk setiap sentimeter jarak.

Tergantung pada tekanan gas, konfigurasi elektroda, dan parameter sirkuit eksternal, kita dapat berbicara tentang empat jenis pelepasan independen: cahaya, percikan, busur, dan korona.

1. Pelepasan yang membara. Terjadi pada tekanan rendah. Jika tegangan konstan beberapa ratus volt diterapkan pada elektroda yang disolder ke dalam tabung gelas sepanjang 30 50 cm, secara bertahap memompa udara keluar dari tabung, maka pada tekanan 5,3 6,7 kPa, terjadi pelepasan dalam bentuk kabel berliku kemerahan bersinar, pergi dari katoda ke anoda. Dengan penurunan tekanan lebih lanjut, kabelnya menebal, dan pada tekanan 13 Pa, pelepasannya memiliki bentuk yang ditunjukkan secara skematis pada Gambar.

Berdekatan langsung dengan katoda adalah lapisan bercahaya tipis 1 - cahaya katoda pertama, atau film katoda, kemudian mengikuti lapisan gelap 2 - ruang gelap katoda, melewati lebih jauh ke lapisan bercahaya 3 - cahaya membara yang memiliki batas tajam di sisi katoda, secara bertahap menghilang dari sisi anoda. Itu muncul dari rekombinasi elektron dengan ion positif. Cahaya yang membara dibatasi oleh celah gelap 4 - ruang gelap Faraday, diikuti oleh kolom gas bercahaya terionisasi 5 - kolom positif. Kolom positif tidak memiliki peran yang signifikan dalam menjaga debit. Misalnya, ketika jarak antara elektroda tabung berkurang, panjangnya memendek, sedangkan bagian katoda dari pelepasan tetap tidak berubah dalam bentuk dan ukuran. Dalam pelepasan pijar, hanya dua bagiannya yang sangat penting untuk pemeliharaannya: ruang gelap katoda dan pendar pijar. Di ruang gelap katoda, percepatan kuat elektron dan ion positif terjadi, menjatuhkan elektron dari katoda (emisi sekunder). Namun, di daerah yang membara, terjadi ionisasi tumbukan molekul gas oleh elektron. Ion positif yang terbentuk dalam hal ini bergegas ke katoda dan mengeluarkan elektron baru darinya, yang, pada gilirannya, mengionisasi gas lagi, dll. Dengan cara ini, pelepasan cahaya terus dipertahankan.

Dengan evakuasi lebih lanjut dari tabung pada tekanan 1,3 Pa, cahaya gas melemah dan dinding tabung mulai bersinar. Elektron tersingkir dari katoda oleh ion positif jarang bertabrakan dengan molekul gas pada penghalusan seperti itu dan oleh karena itu, dipercepat oleh medan, mengenai kaca, menyebabkan cahayanya, yang disebut cathodoluminescence. Aliran elektron ini secara historis disebut sinar katoda.

Debit cahaya banyak digunakan dalam teknologi. Karena pancaran kolom positif memiliki karakteristik warna masing-masing gas, ia digunakan dalam tabung lampu gas untuk prasasti dan iklan bercahaya (misalnya, tabung pelepasan neon memberikan pancaran merah, tabung argon - hijau kebiruan). Dalam lampu fluoresen, yang lebih ekonomis daripada lampu pijar, radiasi pelepasan cahaya yang terjadi dalam uap merkuri diserap oleh zat fluoresen (fosfor) yang disimpan di permukaan bagian dalam tabung, yang mulai bersinar di bawah pengaruh radiasi yang diserap. Spektrum pendaran dengan pilihan fosfor yang tepat mendekati spektrum radiasi matahari. Debit cahaya digunakan untuk deposisi katodik logam. Zat katoda dalam pelepasan cahaya karena pemboman oleh ion positif, menjadi sangat panas, masuk ke keadaan uap. Dengan menempatkan berbagai benda di dekat katoda, mereka dapat ditutupi dengan lapisan logam yang seragam.

2. debit percikan. Terjadi pada kekuatan medan listrik tinggi (≈ 3·10 6 V/m) dalam gas di bawah tekanan atmosfer. Percikan memiliki tampilan saluran tipis bercahaya terang, melengkung dan bercabang dengan cara yang rumit.

Penjelasan tentang pelepasan percikan diberikan berdasarkan teori streamer, yang menurutnya munculnya saluran percikan yang bercahaya terang didahului oleh munculnya akumulasi gas terionisasi yang bercahaya lemah. Cluster ini disebut streamer. Pita muncul tidak hanya sebagai akibat dari pembentukan longsoran elektron melalui ionisasi tumbukan, tetapi juga sebagai akibat dari ionisasi foton gas. Longsoran, saling mengejar, membentuk jembatan pita penghantar, di mana, pada saat-saat berikutnya, aliran elektron yang kuat mengalir deras, membentuk saluran pelepasan percikan. Karena pelepasan sejumlah besar energi selama proses yang dipertimbangkan, gas di celah percikan dipanaskan hingga suhu yang sangat tinggi (sekitar 10 4 K), yang mengarah ke pancarannya. Pemanasan gas yang cepat menyebabkan peningkatan tekanan dan gelombang kejut, yang menjelaskan efek suara dari pelepasan percikan - karakteristik berderak pada pelepasan yang lemah dan guntur yang kuat dalam kasus petir, yang merupakan contoh pelepasan percikan yang kuat antara awan petir dan bumi atau antara dua awan petir.

Pelepasan bunga api digunakan untuk menyalakan campuran yang mudah terbakar di mesin pembakaran internal dan untuk melindungi saluran transmisi listrik dari lonjakan (spark gap). Dengan celah pelepasan yang kecil, pelepasan percikan menyebabkan kerusakan (erosi) pada permukaan logam; oleh karena itu, digunakan untuk pemesinan logam presisi electrospark (pemotongan, pengeboran). Ini digunakan dalam analisis spektral untuk mendaftarkan partikel bermuatan (penghitung percikan).

3. Pelepasan busur. Jika, setelah penyalaan pelepasan percikan dari sumber yang kuat, jarak antara elektroda secara bertahap berkurang, maka pelepasan menjadi kontinu - pelepasan busur terjadi. Dalam hal ini, kekuatan arus meningkat tajam, mencapai ratusan ampere, dan tegangan melintasi celah pelepasan turun menjadi beberapa puluh volt. Pelepasan busur dapat diperoleh dari sumber tegangan rendah yang melewati tahap percikan. Untuk melakukan ini, elektroda (misalnya, karbon) disatukan hingga bersentuhan, mereka sangat panas dengan arus listrik, kemudian dibiakkan dan diperoleh busur listrik(inilah bagaimana ia ditemukan oleh ilmuwan Rusia V.V. Petrov). Pada tekanan atmosfer, suhu katoda kira-kira sama dengan 3900 K. Saat busur terbakar, katoda karbon menajam, dan depresi terbentuk pada anoda - kawah, yang merupakan titik terpanas busur.

Menurut konsep modern, pelepasan busur dipertahankan karena suhu katoda yang tinggi karena emisi termionik yang intens, serta ionisasi termal molekul karena suhu gas yang tinggi.

Debit busur banyak digunakan di ekonomi Nasional untuk pengelasan dan pemotongan logam, memperoleh baja berkualitas tinggi (tungku busur), penerangan (lampu sorot, peralatan proyeksi). Lampu busur dengan elektroda merkuri dalam silinder kuarsa juga banyak digunakan, di mana pelepasan busur terjadi pada uap merkuri ketika udara dipompa keluar. Busur yang dihasilkan dalam uap merkuri adalah sumber radiasi ultraviolet yang kuat dan digunakan dalam pengobatan (misalnya, lampu kuarsa). Pelepasan busur di tekanan rendah dalam uap merkuri digunakan dalam penyearah merkuri untuk menyearahkan arus bolak-balik.

4. pelepasan korona - pelepasan listrik tegangan tinggi yang terjadi pada tekanan tinggi (misalnya, atmosfer) di bidang yang tidak homogen (misalnya, dekat elektroda dengan kelengkungan permukaan yang besar, ujung elektroda jarum). Ketika kuat medan di dekat ujung mencapai 30 kV/cm, cahaya seperti korona muncul di sekitarnya, itulah alasan untuk nama jenis pelepasan ini.

Tergantung pada tanda elektroda korona, korona negatif atau positif dibedakan. Dalam kasus korona negatif, produksi elektron yang menyebabkan ionisasi tumbukan molekul gas terjadi karena emisinya dari katoda di bawah aksi ion positif, dalam kasus korona positif, karena ionisasi gas di dekat anoda. PADA vivo korona terjadi di bawah pengaruh listrik atmosfer di puncak tiang kapal atau pohon (aksi penangkal petir didasarkan pada ini). Fenomena ini pada zaman kuno disebut kebakaran St. Elmo. Efek berbahaya dari korona di sekitar kabel saluran listrik tegangan tinggi adalah terjadinya arus bocor. Untuk menguranginya, kabel saluran tegangan tinggi dibuat tebal. Pelepasan korona, yang terputus-putus, juga menjadi sumber interferensi radio.

Pelepasan korona digunakan dalam presipitator elektrostatik yang digunakan untuk pembersihan gas industri dari kotoran. Gas yang akan dimurnikan bergerak dari bawah ke atas dalam silinder vertikal, di sepanjang sumbu di mana kawat korona berada. Ion-ion yang ada di dalam jumlah besar di bagian luar korona, pengotor mengendap pada partikel dan dibawa oleh medan ke elektroda non-korona eksternal dan mengendap di atasnya. Pelepasan korona juga digunakan dalam aplikasi pelapis bubuk dan cat.

BIDANG ELEKTROSTATIK

SALURAN DAYA BIDANG LISTRIK

Menurut konsep fisika modern, pengaruh satu muatan terhadap muatan lain diteruskan melalui medan elektrostatik - lingkungan bahan peregangan tak terbatas khusus yang diciptakan oleh setiap benda bermuatan di sekitarnya. Medan elektrostatik tidak dapat dideteksi oleh indera manusia. Namun, muatan yang ditempatkan di dalam medan dipengaruhi oleh gaya yang berbanding lurus dengan besarnya muatan ini. Karena arah gaya tergantung pada tanda muatan, disepakati untuk menggunakan apa yang disebut biaya tes q0. Ini adalah muatan titik positif, yang ditempatkan pada titik yang menarik bagi kita di medan listrik. Oleh karena itu, disarankan untuk menggunakan rasio gaya terhadap nilai muatan uji q 0 sebagai karakteristik gaya medan:

Konstanta untuk setiap titik medan ini adalah besaran vektor sama dengan kekuatan yang bekerja pada muatan positif satuan disebut ketegangan . Untuk medan muatan titik q pada jarak r darinya:

, (4)

Arah vektor bertepatan dengan arah gaya yang bekerja pada muatan percobaan. [E] = N / C atau V / m.

Dalam media dielektrik, gaya interaksi antara muatan, dan karenanya kuat medan, berkurang kali:

, . (5)

Ketika beberapa medan elektrostatik ditumpangkan satu sama lain, kekuatan yang dihasilkan ditentukan sebagai jumlah vektor kekuatan masing-masing medan (prinsip superposisi):

Secara grafis, distribusi medan listrik dalam ruang digambarkan menggunakan garis kekuatan . Garis-garis ini digambar sedemikian rupa sehingga garis singgungnya di setiap titik bertepatan dengan. Ini berarti bahwa vektor gaya yang bekerja pada muatan, dan karenanya vektor percepatannya, juga terletak pada garis singgung garis gaya, yang tidak pernah dan tidak pernah berpotongan. Garis-garis gaya medan elektrostatik tidak dapat ditutup. Mereka mulai dengan muatan positif dan berakhir dengan muatan negatif atau menuju tak terhingga.