Linee di forza del campo elettrostatico. Linee di campo elettrico

Per una rappresentazione grafica visiva del campo, è conveniente utilizzare linee di forza - linee dirette, le tangenti a cui in ogni punto coincidono con la direzione del vettore dell'intensità del campo elettrico (Fig. 233).

Riso. 233
Secondo la definizione, le linee di forza del campo elettrico hanno una serie proprietà comuni(confrontare con le proprietà delle linee fluide):
 1. linee di forza non si intersecano (altrimenti si possono costruire due tangenti nel punto di intersezione, cioè in un punto l'intensità del campo ha due valori, il che è assurdo).
2. Le linee di forza non hanno nodi (nel punto di nodo, ancora, puoi costruire due tangenti).
3. Le linee di forza del campo elettrostatico iniziano e finiscono con le cariche.
Poiché l'intensità del campo è determinata in ogni punto spaziale, la linea di forza può essere tracciata attraverso qualsiasi punto spaziale. Pertanto, il numero di linee di forza è infinitamente grande. Il numero di linee utilizzate per rappresentare il campo è spesso determinato dal gusto artistico del fisico-artista. In qualche aiuti per l'insegnamento si consiglia di costruire un'immagine delle linee di campo in modo che la loro densità sia maggiore dove l'intensità del campo è maggiore. Questo requisito non è rigoroso e non sempre fattibile, quindi le linee di forza vengono tracciate, soddisfacendo le proprietà formulate 1 − 3 .
È molto facile tracciare le linee di forza del campo create da una carica puntiforme. In questo caso, le linee di forza sono un insieme di linee rette che emergono (per positivo) o entrano (per negativo) nel punto di localizzazione della carica (Fig. 234).

Riso. 234
Tali famiglie di linee di forza dei campi di cariche puntiformi dimostrano che le cariche sono le sorgenti del campo, per analogia con le sorgenti e gli assorbitori del campo di velocità del fluido. La prova che le linee di forza non possono iniziare o terminare in quei punti in cui non ci sono cariche verrà mostrata in seguito.
L'immagine delle linee di campo dei campi reali può essere riprodotta sperimentalmente.
Versare un piccolo strato in un recipiente basso olio di ricino e versarvi una piccola porzione di semola. Se l'olio con i cereali viene posto in un campo elettrostatico, i chicchi di semola (hanno una forma leggermente allungata) ruotano nella direzione dell'intensità del campo elettrico e si allineano approssimativamente lungo le linee di forza, dopo alcune decine di secondi, un nella tazza emerge l'immagine delle linee di forza del campo elettrico. Alcune di queste "immagini" sono presentate in fotografie.
È anche possibile effettuare un calcolo teorico e costruzione di linee di forza. È vero, questi calcoli richiedono un numero enorme di calcoli, quindi, in realtà (e senza lavoro speciale) vengono eseguiti utilizzando un computer, molto spesso tali costruzioni vengono eseguite su un determinato piano.
Quando si sviluppano algoritmi per calcolare il modello delle linee di campo, si riscontrano numerosi problemi che devono essere risolti. Il primo di questi problemi è il calcolo del vettore di campo. Nel caso di campi elettrostatici creati da una data distribuzione di carica, questo problema viene risolto utilizzando la legge di Coulomb e il principio di sovrapposizione. Il secondo problema è il metodo per costruire una linea separata. L'idea dell'algoritmo più semplice che risolve questo problema è abbastanza ovvia. In una piccola area, ogni linea coincide praticamente con la sua tangente, quindi dovresti costruire molti segmenti tangenti alle linee di forza, cioè segmenti di piccola lunghezza l, la cui direzione coincide con la direzione del campo in un dato punto. Per fare ciò, è necessario, prima di tutto, calcolare le componenti del vettore di intensità in dato punto es, Ey e il modulo di questo vettore E = √(E x 2 + E y 2 ). Quindi puoi costruire un segmento di piccola lunghezza, la cui direzione coincide con la direzione del vettore di intensità di campo. le sue proiezioni sugli assi delle coordinate sono calcolate dalle formule che seguono dalla Fig. 235:

Riso. 235

Quindi dovresti ripetere la procedura, a partire dalla fine del segmento costruito. Naturalmente, quando si implementa un tale algoritmo, ci sono altri problemi che sono più di natura tecnica.
Le figure 236 mostrano le linee di forza dei campi creati da due cariche puntiformi.


Riso. 236
I segni delle cariche sono indicati, nelle figure a) eb) le cariche sono le stesse in modulo, in fig. c), d) sono diversi - quale di essi ci proponiamo di determinare in modo più indipendente. In ogni caso, determina anche tu stesso le direzioni delle linee di forza.
È interessante notare che M. Faraday considerava le linee di forza del campo elettrico come dei veri e propri tubi elastici che interconnettevano cariche elettriche, tali rappresentazioni lo aiutarono molto a prevedere e spiegare molti fenomeni fisici.
D'accordo sul fatto che il grande M. Faraday aveva ragione: se sostituisci mentalmente le linee con elastici elastici, la natura dell'interazione è molto chiara.

Il teorema di Ostrogradsky-Gauss, che dimostreremo e discuteremo in seguito, stabilisce una connessione tra cariche elettriche e campo elettrico. È una formulazione più generale ed elegante della legge di Coulomb.

In linea di principio, l'intensità del campo elettrostatico creato da una data distribuzione di carica può sempre essere calcolata utilizzando la legge di Coulomb. Il campo elettrico totale in qualsiasi punto è il contributo della somma vettoriale (integrale) di tutte le cariche, cioè

Tuttavia, con l'eccezione della maggior parte casi semplici, è estremamente difficile calcolare questa somma o integrale.

Qui viene in soccorso il teorema di Ostrogradsky-Gauss, con l'aiuto del quale è molto più facile calcolare l'intensità del campo elettrico creata da una data distribuzione di carica.

Il valore principale del teorema di Ostrogradsky-Gauss è che consente comprensione più approfondita della natura del campo elettrostatico e stabilisce più generico relazione tra carica e campo.

Ma prima di passare al teorema di Ostrogradsky-Gauss, è necessario introdurre i concetti: linee di forza campo elettrostatico e flusso del vettore di tensione campo elettrostatico.

Per descrivere il campo elettrico, è necessario impostare il vettore di intensità in ogni punto del campo. Questo può essere fatto analiticamente o graficamente. Per questo usano linee di forza- si tratta di linee, la tangente a cui in qualsiasi punto del campo coincide con la direzione del vettore di intensità(Fig. 2.1).

Riso. 2.1

Alla linea di forza viene assegnata una certa direzione: da una carica positiva a una negativa o all'infinito.

Considera il caso campo elettrico uniforme.

Omogeneo chiamato campo elettrostatico, in tutti i punti la cui intensità è la stessa in grandezza e direzione, cioè. Un campo elettrostatico uniforme è rappresentato da linee di forza parallele a uguale distanza l'una dall'altra (un tale campo esiste, ad esempio, tra le piastre di un condensatore) (Fig. 2.2).

Nel caso di una carica puntiforme, le linee di tensione emanano dalla carica positiva e vanno all'infinito; e dall'infinito entra in una carica negativa. Perché allora la densità delle linee di campo è inversamente proporzionale al quadrato della distanza dalla carica. Perché la superficie della sfera attraverso la quale passano queste linee aumenta in proporzione al quadrato della distanza, quindi numero totale linee rimane costante a qualsiasi distanza dalla carica.

Per un sistema di cariche, come si vede, le linee di forza sono dirette da una carica positiva a una negativa (Fig. 2.2).

Riso. 2.2

La Figura 2.3 mostra anche che la densità delle linee di campo può servire come indicatore del valore.

La densità delle linee di campo dovrebbe essere tale che un'area unitaria normale al vettore di intensità sia attraversata da un numero uguale al modulo del vettore di intensità, cioè.

Nello spazio circostante la carica che è la sorgente, è direttamente proporzionale alla quantità di tale carica e inversamente al quadrato della distanza da questa carica. La direzione del campo elettrico secondo le regole accettate è sempre da una carica positiva verso una carica negativa. Questo può essere rappresentato come se una carica di prova fosse posta nella regione spaziale del campo elettrico della sorgente e questa carica di prova si respingesse o si attraesse (a seconda del segno della carica). Il campo elettrico è caratterizzato dall'intensità che, essendo una grandezza vettoriale, può essere rappresentata graficamente come una freccia avente una lunghezza e una direzione. Ovunque la direzione della freccia indica la direzione dell'intensità del campo elettrico e, o semplicemente - la direzione del campo e la lunghezza della freccia è proporzionale al valore numerico dell'intensità del campo elettrico in questo punto. Più la regione dello spazio è lontana dalla sorgente del campo (addebito Q), minore è la lunghezza del vettore di intensità. Inoltre, la lunghezza del vettore diminuisce con la distanza da n volte da qualche parte n 2 volte, cioè inversamente proporzionale al quadrato.

Un mezzo più utile di rappresentazione visiva della natura vettoriale del campo elettrico consiste nell'usare un concetto come, o semplicemente, linee di forza. Invece di rappresentare innumerevoli frecce vettoriali nello spazio che circondano la carica sorgente, si è rivelato utile combinarle in linee, dove i vettori stessi sono tangenti a punti su tali linee.

Di conseguenza, utilizzato con successo per rappresentare l'immagine vettoriale del campo elettrico linee di campo elettrico, che lasciano le cariche di segno positivo e inseriscono le cariche segno negativo, e si estendono anche all'infinito nello spazio. Questa rappresentazione permette di vedere con la mente il campo elettrico invisibile all'occhio umano. Tuttavia, questa rappresentazione è anche conveniente per forze gravitazionali e qualsiasi altra interazione contactless a lungo raggio.

Il modello delle linee di campo elettrico ne include un numero infinito, ma una densità troppo elevata dell'immagine delle linee di campo riduce la capacità di leggere i modelli di campo, quindi il loro numero è limitato dalla leggibilità.

Regole per disegnare linee di campo elettrico

Esistono molte regole per la compilazione di tali modelli di linee elettriche. Tutte queste regole sono progettate per fornire la maggior parte delle informazioni durante la visualizzazione (disegno) di un campo elettrico. Un modo è rappresentare le linee di campo. Uno dei modi più comuni è circondare oggetti più carichi. grande quantità linee, cioè una maggiore densità di linee. Gli oggetti con una grande carica creano campi elettrici più forti e quindi la densità (densità) delle linee intorno a loro è maggiore. Più la sorgente è vicina alla carica, maggiore è la densità delle linee di campo e maggiore è la carica, più spesse saranno le linee attorno ad essa.

La seconda regola per tracciare linee di campo elettrico consiste nel tracciare linee di tipo diverso, come quelle che intersecano le prime linee di forza. perpendicolare. Questo tipo di linea viene chiamato linee equipotenziali, e nel caso di una rappresentazione volumetrica, si dovrebbe parlare di superfici equipotenziali. Questo tipo di linea forma contorni chiusi e ogni punto su tale linea equipotenziale ha stesso valore potenziale di campo. Quando una particella carica attraversa tale perpendicolare linee di forza linee (superfici), poi parlano del lavoro svolto dall'addetto. Se la carica si muove lungo linee equipotenziali (superfici), sebbene si muova, non viene svolto alcun lavoro. Una particella carica dentro campo elettrico un'altra carica inizia a muoversi, ma nell'elettricità statica vengono considerate solo le cariche stazionarie. Viene chiamato il movimento delle cariche elettro-shock, mentre il lavoro può essere svolto dal vettore incaricato.

È importante ricordarlo linee di campo elettrico non si intersecano e le linee di un altro tipo - equipotenziali formano anelli chiusi. Nel punto in cui c'è un'intersezione di due tipi di rette, le tangenti a queste rette sono reciprocamente perpendicolari. Si ottiene così qualcosa come una griglia di coordinate curve, o un reticolo, le cui celle, così come i punti di intersezione delle linee tipi diversi caratterizzare il campo elettrico.

Le linee tratteggiate sono equipotenziali. Linee con frecce - linee di campo elettrico

Campo elettrico costituito da due o più cariche

Per oneri individuali solitari linee di campo elettrico rappresentare raggi radiali emergendo dalle cariche e andando verso l'infinito. Quale sarà la configurazione delle linee di campo per due o più addebiti? Per eseguire un tale schema, va ricordato che abbiamo a che fare con un campo vettoriale, cioè con vettori di intensità del campo elettrico. Per rappresentare il modello di campo, dobbiamo eseguire l'aggiunta dei vettori di intensità da due o più cariche. I vettori risultanti rappresenteranno il campo totale di diverse cariche. Come si possono tracciare linee di forza in questo caso? È importante ricordare che ogni punto sulla linea di campo lo è punto singolo contatto con il vettore dell'intensità del campo elettrico. Ciò deriva dalla definizione di una tangente in geometria. Se dall'inizio di ogni vettore costruiamo una perpendicolare sotto forma di linee lunghe, l'intersezione reciproca di molte di queste linee rappresenterà la linea di forza molto desiderata.

Per una rappresentazione matematica algebrica più accurata delle linee di forza, è necessario comporre le equazioni delle linee di forza, ei vettori in questo caso rappresenteranno le derivate prime, le linee del primo ordine, che sono le tangenti. Tale compito a volte è estremamente complesso e richiede calcoli al computer.

Innanzitutto, è importante ricordare che il campo elettrico di molte cariche è rappresentato dalla somma dei vettori di intensità di ciascuna sorgente di carica. Questo è la base eseguire la costruzione di linee di campo per visualizzare il campo elettrico.

Ogni carica introdotta nel campo elettrico porta ad un cambiamento, anche se insignificante, nell'andamento delle linee di campo. Tali immagini a volte sono molto attraenti.

Le linee del campo elettrico come un modo per aiutare la mente a vedere la realtà

Il concetto di campo elettrico è nato quando gli scienziati hanno cercato di spiegare l'azione a lungo raggio che si verifica tra oggetti carichi. Il concetto di campo elettrico è stato introdotto per la prima volta dal fisico del 19° secolo Michael Faraday. Era il risultato della percezione di Michael Faraday realtà invisibile sotto forma di un'immagine di linee di forza che caratterizzano l'azione a lungo raggio. Faraday non ha pensato all'interno di un'unica carica, ma è andato oltre e ha ampliato i confini della mente. Ha suggerito che un oggetto carico (o una massa nel caso della gravità) influenzi lo spazio e ha introdotto il concetto di campo di tale influenza. Considerando tali campi, è stato in grado di spiegare il comportamento delle cariche e quindi ha rivelato molti dei segreti dell'elettricità.

Esistono campi scalari e vettoriali (nel nostro caso, il campo vettoriale sarà elettrico). Di conseguenza, sono modellati da funzioni scalari o vettoriali di coordinate, nonché dal tempo.

Il campo scalare è descritto da una funzione della forma φ. Tali campi possono essere visualizzati utilizzando superfici dello stesso livello: φ (x, y, z) = c, c = const.

Definiamo un vettore che sia diretto verso la massima crescita della funzione φ.

Il valore assoluto di questo vettore determina la velocità di variazione della funzione φ.

Ovviamente, un campo scalare genera un campo vettoriale.

Tale campo elettrico è chiamato potenziale e la funzione φ è chiamata potenziale. Le superfici dello stesso livello sono dette superfici equipotenziali. Si consideri ad esempio un campo elettrico.

Per una visualizzazione visiva dei campi vengono costruite le cosiddette linee di campo elettrico. Sono anche chiamate linee vettoriali. Si tratta di rette la cui tangente in un punto indica la direzione del campo elettrico. Il numero di linee che attraversano la superficie dell'unità è proporzionale al valore assoluto del vettore.

Introduciamo il concetto di vettore differenziale lungo una retta l. Questo vettore è diretto tangenzialmente alla retta l ed è uguale in valore assoluto al differenziale dl.

Sia dato un campo elettrico, che deve essere rappresentato come linee di campo di forza. In altre parole, definiamo il coefficiente di allungamento (compressione) k del vettore in modo che coincida con il differenziale. Uguagliando le componenti del differenziale e del vettore, otteniamo un sistema di equazioni. Dopo l'integrazione è possibile costruire l'equazione delle linee di forza.

Nell'analisi vettoriale, ci sono operazioni che forniscono informazioni su quali linee di campo elettrico sono presenti in un caso particolare. Introduciamo il concetto di “flusso vettoriale” sulla superficie S. La definizione formale del flusso Ф ha la seguente forma: la quantità è considerata come il prodotto del differenziale usuale ds per il vettore unitario della normale alla superficie s . Il vettore unitario viene scelto in modo da definire la normale esterna della superficie.

È possibile tracciare un'analogia tra il concetto di flusso di campo e un flusso di sostanza: una sostanza per unità di tempo passa attraverso una superficie, che a sua volta è perpendicolare alla direzione del flusso di campo. Se le linee di forza escono dalla superficie S, il flusso è positivo e se non escono, è negativo. In generale, il flusso può essere stimato dal numero di linee di forza che escono dalla superficie. D'altra parte, l'entità del flusso è proporzionale al numero di linee di campo che penetrano nell'elemento superficiale.

La divergenza della funzione vettoriale è calcolata nel punto la cui banda è il volume ΔV. S è la superficie che copre il volume ΔV. L'operazione di divergenza permette di caratterizzare punti nello spazio per la presenza di sorgenti di campo in esso. Quando la superficie S viene compressa al punto P, le linee di campo elettrico che penetrano nella superficie rimarranno nella stessa quantità. Se un punto nello spazio non è una sorgente di campo (perdita o sprofondamento), allora quando la superficie viene compressa fino a questo punto, la somma delle linee di campo, a partire da un certo momento, è uguale a zero (il numero di linee che entrano nella superficie S è uguale al numero di linee che emanano da questa superficie).

L'integrale ad anello chiuso L nella definizione del funzionamento del rotore è chiamato circolazione di elettricità lungo il circuito L. Il funzionamento del rotore caratterizza il campo in un punto nello spazio. La direzione del rotore determina l'ampiezza del flusso di campo chiuso attorno a un dato punto (il rotore caratterizza il vortice di campo) e la sua direzione. Sulla base della definizione del rotore, mediante semplici trasformazioni, è possibile calcolare le proiezioni del vettore elettrico nel sistema di coordinate cartesiane, nonché le linee del campo elettrico.

CAMPO ELETTROSTATICO

campo elettrostatico carica di prova q0

tensione

, (4)

, . (5)

linee di forza

IL LAVORO DELLE FORZE DEL CAMPO ELETTROSTATICO. POTENZIALE

Un campo elettrico, come quello gravitazionale, è potenziale. Quelli. il lavoro svolto dalle forze elettrostatiche non dipende da quale percorso la carica q viene spostata nel campo elettrico dal punto 1 al punto 2. Questo lavoro è uguale alla differenza di energie potenziali che la carica spostata ha nei punti iniziale e finale di il campo:

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

Si può dimostrare che l'energia potenziale di una carica q è direttamente proporzionale all'entità di questa carica. Pertanto, come energia caratteristica del campo elettrostatico, viene utilizzato il rapporto tra l'energia potenziale di una carica di prova q 0 posta in qualsiasi punto del campo e il valore di questa carica:

Questo valore è la quantità di energia potenziale per unità di carica positiva ed è chiamato potenziale di campo a un dato punto. [φ] = J / C = V (Volt).

Se assumiamo che quando la carica q 0 viene rimossa all'infinito (r → ∞), la sua energia potenziale nel campo di carica q svanisce, allora il potenziale del campo di una carica puntiforme q a una distanza r da essa:

. (9)

Se il campo è creato da un sistema di cariche puntiformi, il potenziale del campo risultante è uguale alla somma algebrica (inclusi i segni) dei potenziali di ciascuno di essi:

. (10)

Dalla definizione di potenziale (8) ed espressione (7), il lavoro svolto dalle forze del campo elettrostatico per spostare la carica da

il punto 1 al punto 2 può essere rappresentato come:

CORRENTE ELETTRICA IN GAS

SCARICA GAS NON AUTOMATICA

I gas a temperature non troppo elevate ea pressioni prossime a quella atmosferica sono buoni isolanti. Se messo in un luogo asciutto aria atmosferica, un elettrometro carico, la sua carica rimane invariata per lungo tempo. Ciò è spiegato dal fatto che i gas in condizioni normali sono costituiti da atomi e molecole neutri e non contengono cariche libere (elettroni e ioni). Un gas diventa conduttore di elettricità solo quando alcune delle sue molecole vengono ionizzate. Per la ionizzazione, il gas deve essere esposto a una specie di ionizzatore: ad esempio una scarica elettrica, raggi X, radiazioni o radiazioni UV, fiamma di candele, ecc. (in quest'ultimo caso la conducibilità elettrica del gas è causata dal riscaldamento).

Quando i gas sono ionizzati, fuoriescono dall'esterno guscio di elettroni un atomo o una molecola di uno o più elettroni, risultanti in elettroni liberi e ioni positivi. Gli elettroni possono attaccarsi a molecole e atomi neutri, trasformandoli in ioni negativi. Pertanto, in un gas ionizzato ci sono ioni caricati positivamente e negativamente ed elettroni liberi. e la corrente elettrica nei gas è chiamata scarica di gas. Pertanto, la corrente nei gas è creata da ioni sia di segni che di elettroni. Una scarica di gas con un tale meccanismo sarà accompagnata dal trasferimento di materia, ad es. i gas ionizzati sono conduttori del secondo tipo.

Per strappare un elettrone da una molecola o un atomo, è necessario eseguire un certo lavoro A e, ad es. spendi un po' di energia. Questa energia è chiamata energia ionizzata , i cui valori per gli atomi varie sostanze si trovano entro 4–25 eV. Quantitativamente, il processo di ionizzazione è solitamente caratterizzato da una quantità chiamata potenziale di ionizzazione :

Contemporaneamente al processo di ionizzazione in un gas, c'è sempre un processo inverso: il processo di ricombinazione: ioni positivi e negativi o ioni ed elettroni positivi, che si incontrano, si ricombinano tra loro per formare atomi e molecole neutri. Più ioni appaiono sotto l'azione dello ionizzatore, più intenso è il processo di ricombinazione.

A rigor di termini, la conducibilità elettrica di un gas non è mai uguale a zero, poiché contiene sempre cariche libere risultanti dall'azione delle radiazioni delle sostanze radioattive presenti sulla superficie terrestre, oltre che delle radiazioni cosmiche. L'intensità della ionizzazione sotto l'azione di questi fattori è bassa. Questa leggera conducibilità elettrica dell'aria è causa della fuoriuscita di cariche dei corpi elettrificati, anche se ben isolati.

La natura della scarica di gas è determinata dalla composizione del gas, dalla sua temperatura e pressione, dalle dimensioni, dalla configurazione e dal materiale degli elettrodi, nonché dalla tensione applicata e dalla densità di corrente.

Consideriamo un circuito contenente un gas gap (Fig.), soggetto all'azione continua e ad intensità costante di uno ionizzatore. Come risultato dell'azione dello ionizzatore, il gas acquisisce una certa conduttività elettrica e la corrente scorrerà nel circuito. La figura mostra le caratteristiche corrente-tensione (dipendenza della corrente dalla tensione applicata) per due ionizzatori. Prestazione
(il numero di coppie di ioni prodotte dallo ionizzatore nell'intervallo di gas in 1 secondo) del secondo ionizzatore è maggiore del primo. Assumiamo che la prestazione dello ionizzatore sia costante e uguale a n 0 . A una pressione non molto bassa, quasi tutti gli elettroni scissi vengono catturati da molecole neutre, formando ioni caricati negativamente. Tenendo conto della ricombinazione, assumiamo che le concentrazioni di ioni di entrambi i segni siano le stesse e pari a n. Le velocità medie di deriva di ioni di segno diverso in un campo elettrico sono diverse: , . b - e b + sono la mobilità degli ioni gas. Ora per la regione I, tenendo conto della (5), possiamo scrivere:

Come si può vedere, nella regione I, all'aumentare della tensione, la corrente aumenta, poiché aumenta la velocità di deriva. Il numero di coppie di ioni ricombinanti diminuirà all'aumentare della loro velocità.

Regione II - regione della corrente di saturazione - tutti gli ioni creati dallo ionizzatore raggiungono gli elettrodi senza avere il tempo di ricombinarsi. Densità di corrente di saturazione

j n = q n 0 d, (28)

dove d è la larghezza del gap di gas (la distanza tra gli elettrodi). Come si può vedere dalla (28), la corrente di saturazione è una misura dell'effetto ionizzante dello ionizzatore.

Ad una tensione maggiore di Up p p (regione III), la velocità degli elettroni raggiunge un valore tale che, quando entrano in collisione con molecole neutre, sono in grado di provocare ionizzazione d'urto. Di conseguenza, si formano ulteriori coppie di ioni An 0. Il valore A è chiamato fattore di amplificazione del gas . Nella regione III, questo coefficiente non dipende da n 0 , ma dipende da U. Quindi. la carica che raggiunge gli elettrodi a U costante è direttamente proporzionale alle prestazioni dello ionizzatore - n 0 e alla tensione U. Per questo motivo, la regione III è chiamata regione proporzionale. U pr - soglia di proporzionalità. Il fattore di amplificazione del gas A ha valori da 1 a 10 4 .

Nella regione IV, la regione della proporzionalità parziale, il guadagno di gas inizia a dipendere da n 0. Questa dipendenza aumenta con l'aumentare di U. La corrente aumenta bruscamente.

Nel range di tensione 0 ÷ U g, la corrente nel gas esiste solo quando lo ionizzatore è in funzione. Se l'azione dello ionizzatore viene interrotta, si interrompe anche la scarica. Le scariche che esistono solo sotto l'azione di ionizzatori esterni sono chiamate non autosufficienti.

La tensione U g è la soglia della regione, la regione di Geiger, che corrisponde allo stato in cui il processo nel gap di gas non scompare anche dopo lo spegnimento dello ionizzatore, ad es. il discarico acquisisce il carattere di discarico autonomo. Gli ioni primari danno solo impulso al verificarsi di una scarica di gas. In questa regione, acquisisco già la capacità di ionizzare ioni massicci di entrambi i segni. L'ampiezza della corrente non dipende da n 0 .

Nell'area VI, la tensione è così alta che la scarica, una volta avvenuta, non si ferma più: l'area di scarica continua.

SCARICA GAS INDIPENDENTE E SUE TIPOLOGIE

La scarica nel gas, che persiste dopo la cessazione dell'azione dello ionizzatore esterno, è detta indipendente.

Consideriamo le condizioni per il verificarsi di uno scarico indipendente. Ad alte tensioni (regioni V–VI), gli elettroni che sorgono sotto l'azione di uno ionizzatore esterno e sono fortemente accelerati da un campo elettrico entrano in collisione con molecole di gas neutre e le ionizzano. Di conseguenza, si formano elettroni secondari e ioni positivi. (processo 1 in Fig. 158). Gli ioni positivi si muovono verso il catodo e gli elettroni verso l'anodo. Gli elettroni secondari ionizzano nuovamente le molecole di gas e, di conseguenza, il numero totale di elettroni e ioni aumenterà man mano che gli elettroni si muovono verso l'anodo come una valanga. Questo è il motivo dell'aumento della corrente elettrica (vedi Fig. area V). Il processo descritto è chiamato ionizzazione per impatto.

Tuttavia, la ionizzazione per impatto sotto l'azione degli elettroni non è sufficiente per mantenere la scarica quando lo ionizzatore esterno viene rimosso. Per questo, è necessario che le valanghe di elettroni "si riproducano", cioè che nuovi elettroni sorgano nel gas sotto l'influenza di alcuni processi. Tali processi sono schematicamente mostrati in Fig. 158: Gli ioni positivi accelerati dal campo, colpendo il catodo, eliminano gli elettroni da esso (processo 2); Gli ioni positivi, entrando in collisione con le molecole di gas, le trasferiscono in uno stato eccitato, il passaggio di tali molecole allo stato normale è accompagnato dall'emissione di un fotone (processo 3); Un fotone assorbito da una molecola neutra lo ionizza, si verifica il cosiddetto processo di ionizzazione fotonica delle molecole (processo 4); Eliminare gli elettroni dal catodo sotto l'azione dei fotoni (processo 5).

Infine, a tensioni significative tra gli elettrodi del gap di gas, arriva un momento in cui gli ioni positivi, che hanno un percorso libero medio più breve degli elettroni, acquisiscono energia sufficiente per ionizzare le molecole di gas (processo 6) e le valanghe di ioni si precipitano verso il negativo piatto. Quando, oltre alle valanghe di elettroni, si verificano anche valanghe ioniche, la corrente aumenta quasi senza aumentare la tensione (regione VI in Fig.).

Come risultato dei processi descritti, il numero di ioni ed elettroni nel volume del gas aumenta come una valanga e la scarica diventa indipendente, cioè persiste anche dopo che l'azione dello ionizzatore esterno è terminata. La tensione alla quale si verifica l'autoscarica è chiamata tensione di rottura. Per l'aria, questo è di circa 30.000 volt per ogni centimetro di distanza.

A seconda della pressione del gas, della configurazione degli elettrodi e dei parametri del circuito esterno, si può parlare di quattro tipi di scarica indipendenti: bagliore, scintilla, arco e corona.

1. Scarico fumante. Si verifica a basse pressioni. Se viene applicata una tensione costante di diverse centinaia di volt agli elettrodi saldati in un tubo di vetro lungo 30 ÷ 50 cm, pompando gradualmente aria fuori dal tubo, quindi a una pressione di ≈ 5,3 ÷ 6,7 kPa, si verifica una scarica sotto forma di una corda di avvolgimento rossastra luminosa, che va dal catodo all'anodo. Con un'ulteriore diminuzione della pressione, il cordone si ispessisce e, ad una pressione di ≈ 13 Pa, lo scarico ha la forma schematicamente mostrata in Fig.

Direttamente adiacente al catodo c'è un sottile strato luminoso 1 - il primo bagliore del catodo, o una pellicola catodica, segue poi uno strato scuro 2 - uno spazio oscuro del catodo, che passa ulteriormente in uno strato luminoso 3 - un bagliore fumante con un bordo netto sul lato del catodo, scomparendo gradualmente dal lato dell'anodo. Nasce dalla ricombinazione di elettroni con ioni positivi. Il bagliore fumante è delimitato da uno spazio buio 4 - spazio oscuro di Faraday, seguito da una colonna di gas luminoso ionizzato 5 - una colonna positiva. La colonna positiva non ha un ruolo significativo nel mantenimento dello scarico. Ad esempio, al diminuire della distanza tra gli elettrodi del tubo, la sua lunghezza si accorcia, mentre le parti catodiche della scarica rimangono invariate per forma e dimensione. In una scarica a bagliore, solo due delle sue parti sono di particolare importanza per il suo mantenimento: lo spazio buio catodico e il bagliore bagliore. Nello spazio oscuro del catodo si verifica una forte accelerazione di elettroni e ioni positivi, che eliminano gli elettroni dal catodo (emissione secondaria). Nella regione fumante, tuttavia, si verifica la ionizzazione per impatto delle molecole di gas da parte degli elettroni. Gli ioni positivi formati in questo caso si precipitano al catodo e ne espellono nuovi elettroni, che, a loro volta, ionizzano nuovamente il gas, ecc. In questo modo viene continuamente mantenuta una scarica luminosa.

Con un'ulteriore evacuazione del tubo a una pressione di ≈ 1,3 Pa, il bagliore del gas si indebolisce e le pareti del tubo iniziano a brillare. Gli elettroni espulsi dal catodo dagli ioni positivi raramente entrano in collisione con le molecole di gas a tale rarefazione e quindi, accelerati dal campo, colpendo il vetro, ne provocano il bagliore, la cosiddetta catodoluminescenza. Il flusso di questi elettroni è stato storicamente chiamato raggi catodici.

La scarica a bagliore è ampiamente utilizzata nella tecnologia. Poiché il bagliore della colonna positiva ha un colore caratteristico di ciascun gas, viene utilizzato nei tubi di luce a gas per iscrizioni luminose e pubblicità (ad esempio, i tubi a scarica al neon danno un bagliore rosso, i tubi di argon - verde-bluastro). Nelle lampade fluorescenti, che sono più economiche delle lampade a incandescenza, la radiazione di scarica a bagliore che si forma nei vapori di mercurio viene assorbita da una sostanza fluorescente (fosforo) depositata sulla superficie interna del tubo, che inizia a brillare sotto l'influenza della radiazione assorbita. Lo spettro di luminescenza con un'opportuna selezione di fosfori è vicino allo spettro della radiazione solare. La scarica a bagliore viene utilizzata per la deposizione catodica di metalli. La sostanza catodica in una scarica a bagliore dovuta al bombardamento di ioni positivi, essendo fortemente riscaldata, passa allo stato di vapore. Posizionando vari oggetti vicino al catodo, possono essere ricoperti da uno strato uniforme di metallo.

2. Scarica di scintille. Si verifica ad elevate intensità di campo elettrico (≈ 3·10 6 V/m) in un gas a pressione atmosferica. La scintilla ha l'aspetto di un sottile canale luminoso, curvo e ramificato in modo complicato.

La spiegazione della scarica di scintille è data sulla base della teoria dello streamer, secondo la quale la comparsa di un canale di scintille luminosamente luminoso è preceduta dalla comparsa di accumuli debolmente luminosi di gas ionizzato. Questi cluster sono chiamati streamer. Gli streamer sorgono non solo come risultato della formazione di valanghe di elettroni attraverso la ionizzazione da impatto, ma anche come risultato della ionizzazione fotonica del gas. Le valanghe, inseguendosi, formano ponti conduttori di stelle filanti, lungo i quali, nei momenti successivi, potenti flussi di elettroni si precipitano, formando canali di scarica di scintille. A causa del rilascio di una grande quantità di energia durante i processi considerati, il gas nello spinterometro viene riscaldato a una temperatura molto elevata (circa 10 4 K), che porta al suo bagliore. Il rapido riscaldamento del gas porta ad un aumento della pressione e delle onde d'urto, che spiegano gli effetti sonori di una scarica di scintille: il caratteristico crepitio in scariche deboli e un potente tuono in caso di fulmini, che è un esempio di potente scarica di scintille tra una nuvola temporalesca e la Terra o tra due nuvole temporalesche.

La scarica di scintille viene utilizzata per accendere la miscela combustibile nei motori a combustione interna e per proteggere le linee di trasmissione elettriche da sovratensioni (spatori di scintilla). Con una piccola lunghezza della fessura di scarica, la scarica di scintille provoca la distruzione (erosione) della superficie metallica, pertanto viene utilizzata per la lavorazione di precisione dei metalli con elettroscintilla (taglio, foratura). Viene utilizzato nell'analisi spettrale per registrare particelle cariche (contatori di scintille).

3. Scarica dell'arco. Se, dopo l'accensione di una scarica di scintilla da una fonte potente, la distanza tra gli elettrodi viene gradualmente ridotta, la scarica diventa continua - si verifica una scarica ad arco. In questo caso, l'intensità della corrente aumenta bruscamente, raggiungendo centinaia di ampere e la tensione attraverso lo spazio di scarica scende a diverse decine di volt. Una scarica ad arco può essere ottenuta da una sorgente a bassa tensione bypassando lo stadio di scintilla. Per fare questo, gli elettrodi (ad esempio quelli al carbonio) vengono accostati fino al contatto, sono molto caldi con una corrente elettrica, quindi vengono allevati e ottenuti arco elettrico(così è stato scoperto dallo scienziato russo V.V. Petrov). Alla pressione atmosferica, la temperatura del catodo è approssimativamente uguale a 3900 K. Quando l'arco brucia, il catodo di carbonio si affila e si forma una depressione sull'anodo: un cratere, che è il punto più caldo dell'arco.

Secondo i concetti moderni, la scarica dell'arco viene mantenuta a causa dell'elevata temperatura del catodo dovuta all'intensa emissione termoionica, nonché alla ionizzazione termica delle molecole dovuta all'elevata temperatura del gas.

La scarica ad arco è ampiamente utilizzata economia nazionale per la saldatura e il taglio di metalli, ottenimento di acciai di alta qualità (forno ad arco), illuminazione (faretti, apparecchiature di proiezione). Anche le lampade ad arco con elettrodi di mercurio in cilindri di quarzo sono ampiamente utilizzate, dove si verifica una scarica ad arco nei vapori di mercurio quando l'aria viene pompata fuori. L'arco generato nei vapori di mercurio è una potente fonte di radiazioni ultraviolette e viene utilizzato in medicina (ad esempio, lampade al quarzo). Scarica dell'arco a basse pressioni nel vapore di mercurio viene utilizzato nei raddrizzatori a mercurio per rettificare la corrente alternata.

4. scarica corona - scarica elettrica ad alta tensione che si verifica ad alta pressione (ad esempio atmosferica) in un campo disomogeneo (ad esempio vicino a elettrodi con una grande curvatura della superficie, la punta di un elettrodo ad ago). Quando l'intensità del campo vicino alla punta raggiunge i 30 kV/cm, attorno ad essa appare un bagliore simile a una corona, motivo per cui questo tipo di scarica viene chiamata.

A seconda del segno dell'elettrodo corona, si distingue una corona negativa o positiva. Nel caso di corona negativa, la produzione di elettroni che provocano la ionizzazione per impatto delle molecole di gas avviene per la loro emissione dal catodo sotto l'azione di ioni positivi, nel caso di corona positiva, per ionizzazione del gas in prossimità dell'anodo. A vivo la corona si verifica sotto l'influenza dell'elettricità atmosferica in cima agli alberi di navi o alberi (l'azione dei parafulmini si basa su questo). Questo fenomeno era anticamente chiamato fuochi di Sant'Elmo. L'effetto dannoso della corona attorno ai fili delle linee elettriche ad alta tensione è il verificarsi di correnti di dispersione. Per ridurli, i fili delle linee ad alta tensione sono spessi. La scarica corona, essendo discontinua, diventa anche fonte di radiointerferenza.

La scarica a corona viene utilizzata nei precipitatori elettrostatici utilizzati per la pulizia gas industriali dalle impurità. Il gas da purificare si muove dal basso verso l'alto in un cilindro verticale, lungo l'asse del quale è posizionato un filo corona. Gli ioni presenti in in gran numero nella parte esterna della corona, le impurità si depositano sulle particelle e vengono portate dal campo all'elettrodo esterno non corona e su di esso si depositano. Lo scarico corona viene utilizzato anche nell'applicazione di vernici in polvere e vernici.

CAMPO ELETTROSTATICO

LINEE ELETTRICHE DEL CAMPO ELETTRICO

Secondo i concetti della fisica moderna, l'effetto di una carica su un'altra viene trasmesso campo elettrostatico - uno speciale ambiente materiale che si estende all'infinito che ogni corpo carico crea attorno a sé. I campi elettrostatici non possono essere rilevati dai sensi umani. Tuttavia, una carica posta in un campo è influenzata da una forza direttamente proporzionale all'entità di questa carica. Perché la direzione della forza dipende dal segno della carica, si è convenuto di utilizzare il cosiddetto carica di prova q0. Questa è una carica puntiforme positiva, che è posta nel punto di nostro interesse nel campo elettrico. Di conseguenza, è consigliabile utilizzare il rapporto tra la forza e il valore della carica di prova q 0 come forza caratteristica del campo:

Questa costante per ogni punto del campo è una quantità vettoriale uguale a forza agendo su una carica positiva unitaria è chiamata tensione . Per il campo di una carica puntiforme q a distanza r da essa:

, (4)

La direzione del vettore coincide con la direzione della forza che agisce sulla carica di prova. [E] = N/C o V/m.

In un mezzo dielettrico, la forza di interazione tra le cariche, e quindi l'intensità del campo, diminuisce di ε volte:

, . (5)

Quando più campi elettrostatici sono sovrapposti l'uno all'altro, la forza risultante viene determinata come somma vettoriale delle forze di ciascuno dei campi (principio di sovrapposizione):

Graficamente, viene illustrata la distribuzione del campo elettrico nello spazio linee di forza . Queste linee sono disegnate in modo che le tangenti ad esse in qualsiasi punto coincidano con. Ciò significa che il vettore della forza agente sulla carica, e quindi il vettore della sua accelerazione, giacciono anche tangenti alle linee di forza, che mai e da nessuna parte si intersecano. Le linee di forza di un campo elettrostatico non possono essere chiuse. Iniziano con una carica positiva e finiscono con una carica negativa o vanno all'infinito.