정전기장의 힘선. 전기력선

필드의 시각적 그래픽 표현을 위해 각 지점에서 전기장 강도 벡터의 방향과 일치하는 접선인 힘 방향 선을 사용하는 것이 편리합니다(그림 233).

쌀. 233
정의에 따르면, 전기장의 힘선은 일련의 공통 속성(유체 유선의 특성과 비교):
 1. 힘의 선교차하지 마십시오(그렇지 않으면 교차점에서 두 개의 접선을 구성할 수 있습니다. 즉, 한 지점에서 전계 강도에 두 개의 값이 있으며 이는 터무니 없습니다).
2. 힘의 선에는 꼬임이 없습니다(꼬임 지점에서 다시 두 개의 접선을 만들 수 있음).
3. 정전기장의 힘선은 전하에서 시작하고 끝납니다.
전계 강도는 각 공간 점에서 결정되므로 임의의 공간 점을 통해 힘의 선을 그릴 수 있습니다. 따라서 힘의 선의 수는 무한히 큽니다. 필드를 묘사하는 데 사용되는 선의 수는 대부분 물리학자이자 예술가의 예술적 취향에 따라 결정됩니다. 일부에서는 교구필드 강도가 더 큰 곳에서 밀도가 더 커지도록 필드 라인의 그림을 작성하는 것이 좋습니다. 이 요구 사항은 엄격하지 않고 항상 실현 가능한 것은 아니므로 공식화된 속성을 만족하는 힘의 선이 그려집니다. 1 − 3 .
점 전하에 의해 생성된 장의 힘선을 그리는 것은 매우 쉽습니다. 이 경우 힘의 선은 전하 위치 지점(그림 234)에서 나오거나(양의 경우) 들어오는(음의 경우) 직선 세트입니다.

쌀. 234
이러한 점전하장의 힘선군은 유속장의 근원과 흡수원과 유추하여 전하가 장의 근원임을 보여줍니다. 우리는 힘의 선이 전하가 없는 지점에서 시작하거나 끝날 수 없다는 것을 나중에 증명할 것입니다.
실제 필드의 필드 라인의 그림은 실험적으로 재현될 수 있습니다.
낮은 용기에 작은 층을 붓습니다. 아주까리 기름그리고 그것에 소량의 양질의 거친 밀가루를 붓습니다. 곡물이 든 기름을 정전기장에 놓으면 세몰리나 알갱이(약간 길쭉한 모양)가 전기장 세기 방향으로 회전하고 수십 초 후에 대략 힘의 선을 따라 일렬로 늘어납니다. 전기장의 힘선의 그림이 컵에 나타납니다. 이러한 "그림" 중 일부는 사진으로 제공됩니다.
힘선의 이론적 계산 및 구성을 수행하는 것도 가능합니다. 사실, 이러한 계산에는 엄청난 수의 계산이 필요하므로 현실적입니다. 특별한 작업) 컴퓨터를 사용하여 수행되며 대부분 이러한 구성은 특정 평면에서 수행됩니다.
필드 라인의 패턴을 계산하기 위한 알고리즘을 개발할 때 해결해야 하는 많은 문제가 발생합니다. 첫 번째 문제는 필드 벡터의 계산입니다. 주어진 전하 분포에 의해 생성된 정전기장의 경우 이 문제는 쿨롱의 법칙과 중첩의 원리를 사용하여 해결됩니다. 두 번째 문제는 별도의 라인을 구축하는 방법입니다. 이 문제를 해결하는 가장 간단한 알고리즘의 아이디어는 매우 분명합니다. 작은 영역에서 각 선은 실제로 접선과 일치하므로 힘의 선에 접하는 많은 선분, 즉 작은 길이의 선분을 만들어야 합니다. 엘, 방향은 주어진 지점에서 필드의 방향과 일치합니다. 이렇게 하려면 우선 다음에서 강도 벡터의 구성 요소를 계산해야 합니다. 주어진 포인트 전, 에이그리고 이 벡터의 계수 E = √(E x 2 + E y 2 ). 그런 다음 방향이 필드 강도 벡터의 방향과 일치하는 작은 길이의 세그먼트를 만들 수 있습니다. 좌표축에 대한 투영은 그림 1에서 다음 공식에 의해 계산됩니다. 235:

쌀. 235

그런 다음 구성된 세그먼트의 끝에서 시작하여 절차를 반복해야 합니다. 물론 그러한 알고리즘을 구현할 때 기술적인 성격에 더 가까운 다른 문제가 있습니다.
그림 236은 두 점 전하에 의해 생성된 장의 힘선을 보여줍니다.


쌀. 236
전하의 부호는 그림 a)와 b) 전하의 계수가 동일합니다. c), d)가 다릅니다. 그 중 어느 것이 더 독립적으로 결정하도록 제안합니다. 각각의 경우에 스스로 힘의 방향을 결정하십시오.
M. Faraday가 전기장의 힘선을 전하를 상호 연결하는 실제 탄성 튜브로 간주했다는 점은 흥미롭습니다. 이러한 표현은 많은 물리적 현상을 예측하고 설명하는 데 많은 도움이 되었습니다.
위대한 M. Faraday가 옳았다는 데 동의합니다. 정신적으로 선을 탄성 고무 밴드로 교체하면 상호 작용의 특성이 매우 명확해집니다.

나중에 증명하고 논의할 오스트로그라드스키-가우스 정리는 전기 요금그리고 전기장. 이것은 쿨롱 법칙의 보다 일반적이고 보다 우아한 공식입니다.

원칙적으로 주어진 전하 분포에 의해 생성된 정전기장의 세기는 항상 쿨롱의 법칙을 사용하여 계산할 수 있습니다. 임의의 지점에서 총 전기장은 모든 전하의 벡터 합(적분) 기여도입니다.

그러나 대부분의 경우를 제외하고 간단한 경우, 이 합 또는 적분을 계산하는 것은 극히 어렵습니다.

여기에서 Ostrogradsky-Gauss 정리가 구출되어 주어진 전하 분포에 의해 생성된 전계 강도를 훨씬 쉽게 계산할 수 있습니다.

Ostrogradsky-Gauss 정리의 주요 가치는 다음을 허용한다는 것입니다. 정전기장의 본질에 대한 더 깊은 이해와더 일반적인 전하와 필드의 관계.

그러나 Ostrogradsky-Gauss 정리로 넘어가기 전에 다음 개념을 소개할 필요가 있습니다. 힘의 선정전기장그리고 장력 벡터 흐름정전기장.

전기장을 설명하려면 전기장의 각 지점에서 강도 벡터를 설정해야 합니다. 이것은 분석적으로 또는 그래픽으로 수행할 수 있습니다. 이를 위해 그들은 사용 힘의 선- 이것은 필드의 임의의 지점에서 강도 벡터의 방향과 일치하는 접선입니다.(그림 2.1).

쌀. 2.1

힘의 선에는 양전하에서 음전하 또는 무한대로 특정 방향이 지정됩니다.

경우를 고려 균일한 전기장.

동종의세기와 방향이 같은 모든 지점에서 정전기장이라고 함, 즉. 균일한 정전기장은 서로 동일한 거리에 평행한 힘선으로 표시됩니다(이러한 장은 예를 들어 커패시터 판 사이에 존재함)(그림 2.2).

점 전하의 경우 장력 선은 양전하에서 나와 무한대로 이동합니다. 무한대에서 음전하로 들어갑니다. 왜냐하면 필드 라인의 밀도는 전하로부터의 거리의 제곱에 반비례합니다. 왜냐하면 이 선이 통과하는 구의 표면적은 거리의 제곱에 비례하여 증가합니다. 총 수선은 전하로부터 어떤 거리에서도 일정하게 유지됩니다.

전하 시스템의 경우, 우리가 보는 바와 같이 힘의 선은 양전하에서 음전하로 향합니다(그림 2.2).

쌀. 2.2

그림 2.3은 또한 필드 라인의 밀도가 값의 지표 역할을 할 수 있음을 보여줍니다.

필드 라인의 밀도는 강도 벡터에 수직인 단위 면적이 강도 벡터의 모듈러스와 같은 숫자와 교차하도록 해야 합니다., 즉.

소스가 되는 전하를 둘러싼 공간에서 이 전하의 양에 정비례하고 이 전하로부터의 거리의 제곱에 반비례합니다. 허용되는 규칙에 따른 전기장의 방향은 항상 양전하에서 음전하 방향입니다. 이것은 테스트 전하가 소스 전기장의 공간 영역에 배치되고 이 테스트 전하가 (전하의 부호에 따라) 밀어내거나 끌어당기는 것처럼 나타낼 수 있습니다. 전기장은 벡터량인 세기로 특징지어지며 길이와 방향을 갖는 화살표로 그래픽으로 표현될 수 있습니다. 어디에서나 화살표 방향은 전계 강도의 방향을 나타냅니다. 이자형, 또는 단순히 - 필드의 방향 및 화살표의 길이는 이 위치의 전기장 강도의 수치에 비례합니다. 공간 영역이 필드 소스에서 멀어질수록(전하 큐), 강도 벡터의 길이가 더 작습니다. 또한, 벡터의 길이는 거리에 따라 감소합니다. N어떤 장소에서 시간 n 2시간, 즉 제곱에 반비례합니다.

전기장의 벡터 특성을 시각적으로 표현하는 더 유용한 수단은 힘의 선과 같은 개념을 사용하는 것입니다. 소스 전하를 둘러싼 공간에서 무수한 벡터 화살표를 묘사하는 대신 벡터 자체가 그러한 선의 점에 접하는 선으로 결합하는 것이 유용한 것으로 판명되었습니다.

결과적으로 전기장의 벡터 그림을 나타내는 데 성공적으로 사용되었습니다. 전기력선, 양수 부호의 전하를 남기고 전하를 입력합니다. 음, 또한 공간에서 무한대로 확장됩니다. 이 표현을 통해 인간의 눈에는 보이지 않는 전기장을 마음으로 볼 수 있습니다. 그러나 이 표현은 다음과 같은 경우에도 편리합니다. 중력및 기타 비접촉 장거리 상호 작용.

전기장선의 모델은 무한한 수를 포함하지만, 자기장선의 이미지 밀도가 너무 높으면 전기장 패턴을 읽는 능력이 감소하므로 그 수는 가독성에 의해 제한됩니다.

전기력선 그리기 규칙

이러한 전력선 모델을 컴파일하기 위한 많은 규칙이 있습니다. 이 모든 규칙은 전기장을 시각화(그리기)할 때 가장 많은 정보를 제공하도록 설계되었습니다. 한 가지 방법은 필드 라인을 묘사하는 것입니다. 가장 일반적인 방법 중 하나는 더 많은 전하를 띤 물체를 둘러싸는 것입니다. 많은 분량선, 즉 선의 밀도가 더 큽니다. 전하가 큰 물체는 더 강한 전기장을 생성하므로 주변 선의 밀도(밀도)가 더 큽니다. 전하 소스에 가까울수록 필드 라인의 밀도가 높아지고 전하가 클수록 주변 라인이 더 두꺼워집니다.

전기력선을 그리는 두 번째 규칙은 첫 번째 힘선과 교차하는 선과 같은 다른 유형의 선을 그리는 것과 관련됩니다. 수직. 이 유형의 선이라고합니다. 등전위선, 체적 표현의 경우 등전위 표면에 대해 말해야 합니다. 이 유형의 선은 닫힌 윤곽을 형성하고 이러한 등전위선의 각 점은 다음을 갖습니다. 같은 값필드 잠재력. 하전 입자가 그러한 수직선을 가로 지르면 힘의 선선(표면), 그 다음 그들은 전하에 의해 수행된 작업에 대해 이야기합니다. 전하가 등전위선(표면)을 따라 이동하면 이동하더라도 작업이 수행되지 않습니다. 전하를 띤 입자 전기장다른 전하가 움직이기 시작하지만 정전기에서는 고정 전하만 고려됩니다. 전하의 이동이라고 한다 전기 충격, 작업은 충전 캐리어에서 수행할 수 있습니다.

그것을 기억하는 것이 중요합니다 전기력선교차하지 않고 다른 유형의 선(등전위)은 닫힌 루프를 형성합니다. 두 가지 유형의 선이 교차하는 곳에서 이러한 선의 접선은 서로 수직입니다. 따라서 곡선 좌표 격자 또는 격자와 같은 것이 얻어지며 그 셀과 선의 교차점이 다른 유형전기장을 특징짓는다.

점선은 등전위입니다. 화살표가 있는 선 - 전기력선

두 개 이상의 전하로 구성된 전기장

독신 개인 요금의 경우 전기력선대표하다 방사형 광선전하에서 벗어나 무한대로 갑니다. 2개 이상의 충전에 대한 필드 라인의 구성은 어떻게 됩니까? 이러한 패턴을 수행하려면 벡터장, 즉 전계 강도 벡터를 다루고 있음을 기억해야 합니다. 필드 패턴을 묘사하려면 두 개 이상의 전하에서 세기 벡터를 더해야 합니다. 결과 벡터는 여러 전하의 총 필드를 나타냅니다. 이 경우 어떻게 힘의 선을 그릴 수 있습니까? 필드 라인의 각 점은 다음과 같다는 것을 기억하는 것이 중요합니다. 단일 점전기장 강도 벡터와의 접촉. 이것은 기하학에서 접선의 정의에서 따릅니다. 각 벡터의 시작 부분에서 긴 선의 형태로 수직선을 구성하면 그러한 많은 선의 상호 교차점이 원하는 힘의 선을 묘사합니다.

힘의 선에 대한 보다 정확한 수학적 대수적 표현을 위해서는 힘의 선의 방정식을 구성해야 하며 이 경우 벡터는 접선인 1차 도함수, 1차 선을 나타낼 것입니다. 이러한 작업은 때때로 매우 복잡하고 컴퓨터 계산이 필요합니다.

우선, 많은 전하의 전기장이 각 전하 소스의 세기 벡터의 합으로 표현된다는 것을 기억하는 것이 중요합니다. 이것은 기본전기장을 시각화하기 위해 필드 라인의 구성을 수행합니다.

전기장에 도입된 각 전하는 비록 미미하더라도 전기장 패턴의 변화를 일으킵니다. 그러한 이미지는 때때로 매우 매력적입니다.

마음이 현실을 볼 수 있도록 도와주는 전기력선

전기장의 개념은 과학자들이 대전된 물체 사이에서 발생하는 장거리 작용을 설명하려고 할 때 생겨났습니다. 전기장의 개념은 19세기 물리학자 Michael Faraday에 의해 처음 소개되었습니다. 마이클 패러데이의 인식의 결과였다. 보이지 않는 현실장거리 행동을 특징짓는 힘줄 그림의 형태로. 패러데이는 하나의 전하의 틀 안에서 생각하지 않고 더 나아가 마음의 경계를 확장했습니다. 그는 하전된 물체(중력의 경우 질량)가 공간에 영향을 미친다고 제안하고 그러한 영향의 장 개념을 도입했습니다. 이러한 분야를 고려하여 그는 전하의 거동을 설명할 수 있었고 이로써 전기의 많은 비밀을 밝혀낼 수 있었습니다.

스칼라 필드와 벡터 필드가 있습니다(이 경우 벡터 필드는 전기가 됩니다). 따라서 시간은 물론 좌표의 스칼라 또는 벡터 함수로 모델링됩니다.

스칼라 필드는 φ 형식의 함수로 설명됩니다. 이러한 필드는 동일한 수준의 표면을 사용하여 시각화할 수 있습니다. φ (x, y, z) = c, c = const.

함수 φ의 최대 성장을 향하는 벡터를 정의합시다.

이 벡터의 절대값은 함수 φ의 변화율을 결정합니다.

분명히 스칼라 필드는 벡터 필드를 생성합니다.

이러한 전기장을 전위라고 하고 함수 φ를 전위라고 합니다. 같은 레벨의 표면을 등전위 표면이라고 합니다. 예를 들어, 전기장을 고려하십시오.

필드의 시각적 표시를 위해 소위 전기장 라인이 구축됩니다. 벡터 라인이라고도 합니다. 이들은 한 점에서의 접선이 전기장의 방향을 나타내는 선입니다. 단위 표면을 통과하는 선의 수는 벡터의 절대값에 비례합니다.

어떤 선 l을 따라 벡터 미분의 개념을 소개합시다. 이 벡터는 선 l에 접선 방향으로 향하고 미분 dl과 절대값이 같습니다.

힘의 필드 라인으로 표시되어야 하는 일부 전기장이 주어집니다. 즉, 미분과 일치하도록 벡터의 신축(압축) 계수 k를 정의합시다. 미분과 벡터의 구성 요소를 동일시하면 방정식 시스템을 얻습니다. 적분 후 힘선의 방정식을 구성하는 것이 가능합니다.

벡터 분석에는 특정 경우에 어떤 전기력선이 존재하는지에 대한 정보를 제공하는 작업이 있습니다. 표면 S에서 "벡터 흐름"의 개념을 소개하겠습니다. 흐름 Ф의 공식 정의는 다음 형식을 갖습니다. 수량은 표면 s에 대한 법선의 단위 벡터에 의한 일반적인 미분 ds의 곱으로 간주됩니다. . 단위 벡터는 표면의 외부 법선을 정의하도록 선택됩니다.

장 흐름과 물질 흐름의 개념 사이에 유추를 그리는 것이 가능합니다. 즉, 단위 시간당 물질은 표면을 통과하고, 이 표면은 다시 장 흐름의 방향에 수직입니다. 힘의 선이 표면 S를 벗어나면 흐름은 양수이고 밖으로 나가지 않으면 음수입니다. 일반적으로 흐름은 표면에서 나오는 힘의 선 수로 추정할 수 있습니다. 한편, 자속의 크기는 표면 요소를 관통하는 자기장선의 수에 비례합니다.

벡터 함수의 발산은 밴드가 부피 ΔV인 점에서 계산됩니다. S는 부피 ΔV를 덮는 표면입니다. 발산 연산을 사용하면 공간에 있는 필드 소스의 존재에 대해 공간의 포인트를 특성화할 수 있습니다. 표면 S가 점 P까지 압축될 때 표면을 관통하는 전기력선은 같은 양으로 유지됩니다. 공간의 한 지점이 필드 소스(누수 또는 싱크)가 아닌 경우 표면이 이 지점까지 압축될 때 특정 순간부터 시작하는 필드 라인의 합은 0과 같습니다(표면 S에 들어가는 라인 수는 이 표면에서 나오는 선의 수와 같습니다).

회전자 작동의 정의에서 폐루프 적분 L은 루프 L을 따른 전기 순환이라고 합니다. 회전자 작동은 공간의 한 지점에서 필드를 특성화합니다. 로터의 방향은 주어진 지점(로터는 자기장 와류의 특성을 나타냄) 주변의 닫힌 자기장 흐름의 크기와 방향을 결정합니다. 회 전자의 정의에 따라 간단한 변환을 통해 직교 좌표계의 전기 벡터와 전기력선의 투영을 계산할 수 있습니다.

정전기 분야

정전기장 평가판 q0

긴장

, (4)

, . (5)

힘의 선

정전기 분야의 힘의 일. 잠재적인

중력장과 같은 전기장은 잠재적입니다. 저것들. 정전기력에 의해 수행되는 일은 전하 q가 전기장에서 점 1에서 점 2로 이동하는 경로에 따라 달라지지 않습니다. 필드:

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

전하 q의 위치 에너지는 이 전하의 크기에 정비례합니다. 따라서 정전기장의 에너지 특성으로 이 전하의 값에 대한 필드의 임의 지점에 배치된 테스트 전하 q 0 의 위치 에너지 비율이 사용됩니다.

이 값은 단위 양전하당 위치 에너지의 양이며 필드 전위 주어진 지점에서. [φ] = J / C = V(볼트).

전하 q 0이 무한대로 제거될 때(r → ∞), 전하 q 필드의 위치 에너지가 사라지고 거리 r에서 점 전하 q 필드의 전위는 다음과 같습니다.

. (9)

필드가 포인트 전하 시스템에 의해 생성되는 경우 결과 필드의 전위는 각 전위의 대수(기호 포함) 합계와 같습니다.

. (10)

전위 (8)과 식 (7)의 정의에서 전하를 이동시키기 위해 정전기장의 힘이 한 일은

점 1에서 점 2는 다음과 같이 나타낼 수 있습니다.

가스의 전류

비자기 가스 배출

너무 높지 않은 온도와 대기압에 가까운 압력의 가스는 좋은 절연체입니다. 건조한 곳에 두면 대기, 충전 된 전위계, 그 전하가 오랫동안 변하지 않은 상태로 유지됩니다. 이것은 정상 조건의 가스가 중성 원자와 분자로 구성되고 자유 전하(전자와 이온)를 포함하지 않는다는 사실에 의해 설명됩니다. 기체는 분자의 일부가 이온화될 때만 전기 전도체가 됩니다. 이온화를 위해 가스는 일종의 이온화 장치에 노출되어야 합니다. 예를 들어 방전, 엑스레이, 방사선 또는 UV 방사선, 촛불 불꽃 등 (후자의 경우, 가스의 전기 전도도는 가열로 인해 발생합니다).

기체가 이온화되면 외부로 빠져나간다. 전자 껍질하나 이상의 전자로 이루어진 원자 또는 분자로, 자유 전자와 양이온이 생성됩니다. 전자는 중성 분자와 원자에 부착되어 음이온으로 변할 수 있습니다. 따라서 이온화 된 가스에는 양전하 및 음전하를 띤 이온과 자유 전자가 있습니다. 이자형 기체의 전류를 기체 방전이라고 합니다. 따라서 가스의 전류는 부호와 전자의 이온에 의해 생성됩니다. 이러한 메커니즘을 통한 가스 방전은 물질의 이동을 동반합니다. 이온화된 가스는 두 번째 종류의 전도체입니다.

분자나 원자에서 하나의 전자를 떼어내기 위해서는 특정한 일 A를 수행할 필요가 있다. 약간의 에너지를 소비합니다. 이 에너지를 이온화 에너지 , 원자 값 다양한 물질 4–25 eV 내에 있습니다. 양적으로, 이온화 ​​과정은 일반적으로 이온화 가능성 :

가스의 이온화 과정과 동시에 항상 반대 과정이 있습니다. 재결합 과정: 양이온과 음이온 또는 양이온과 전자가 만나서 서로 결합하여 중성 원자와 분자를 형성합니다. 이온화 장치의 작용하에 이온이 더 많이 나타날수록 재결합 과정이 더 강렬해집니다.

엄밀히 말하면 가스의 전기 전도도는 우주 방사선뿐만 아니라 지구 표면에 존재하는 방사성 물질의 방사선 작용으로 인한 자유 전하를 항상 포함하고 있기 때문에 결코 0이 아닙니다. 이러한 요인의 작용에 따른 이온화의 강도는 낮습니다. 이러한 공기의 약간의 전기 전도도는 절연이 잘 되어 있어도 대전체의 전하 누출의 원인이 됩니다.

가스 방전의 특성은 가스 구성, 온도 및 압력, 치수, 전극의 구성 및 재료, 인가 전압 및 전류 밀도에 의해 결정됩니다.

이온화 장치의 지속적이고 일정한 강도 작용을 받는 가스 갭(그림)을 포함하는 회로를 고려해 보겠습니다. 이온화 장치의 작용으로 가스는 약간의 전기 전도도를 얻고 회로에 전류가 흐를 것입니다. 그림은 두 개의 이온화 장치에 대한 전류-전압 특성(인가된 전압에 대한 전류의 의존성)을 보여줍니다. 성능
두 번째 이온화 장치의 (1초 동안 가스 갭에서 이온화 장치에 의해 생성된 이온 쌍의 수) 첫 번째 이온화 장치보다 큽니다. 이온화 장치의 성능이 일정하고 n 0 과 같다고 가정합니다. 그리 낮은 압력이 아닌 경우 거의 모든 분리된 전자가 중성 분자에 포착되어 음전하를 띤 이온을 형성합니다. 재결합을 고려하여 두 부호의 이온 농도가 동일하고 n과 같다고 가정합니다. 전기장에서 다른 부호의 이온의 평균 드리프트 속도는 다릅니다. , . b - 및 b +는 기체 이온의 이동도입니다. 이제 지역 I에 대해 (5)를 고려하여 다음과 같이 작성할 수 있습니다.

알 수 있는 바와 같이 영역 I에서 전압이 증가함에 따라 드리프트 속도가 증가하기 때문에 전류가 증가합니다. 재결합 이온 쌍의 수는 속도가 증가함에 따라 감소합니다.

영역 II - 포화 전류 영역 - 이온화 장치에서 생성된 모든 이온은 재결합할 시간 없이 전극에 도달합니다. 포화 전류 밀도

j n = q n 0 d, (28)

여기서 d는 가스 갭의 너비(전극 사이의 거리)입니다. (28)에서 알 수 있듯이 포화 전류는 이온화 장치의 이온화 효과의 척도입니다.

U p p(영역 III)보다 큰 전압에서 전자의 속도는 중성 분자와 충돌할 때 충격 이온화를 일으킬 수 있는 값에 도달합니다. 결과적으로 추가적인 An 0 쌍의 이온이 형성됩니다. 값 A를 가스 증폭 계수라고 합니다. . 영역 III에서 이 계수는 n 0 에 의존하지 않고 U에 의존합니다. 따라서. 일정한 U에서 전극에 도달하는 전하는 이오나이저의 성능 - n 0 및 전압 U에 정비례합니다. 이러한 이유로 영역 III을 비례 영역이라고 합니다. U pr - 비례 임계값. 가스 증폭 계수 A는 1에서 10 4 사이의 값을 갖습니다.

부분 비례 영역인 영역 IV에서 가스 이득은 n 0에 의존하기 시작합니다. 이 의존성은 U가 증가함에 따라 증가합니다. 전류는 급격히 증가합니다.

전압 범위 0 ÷ Ug에서 가스의 전류는 이온화 장치가 작동 중일 때만 존재합니다. 이오나이저의 동작이 멈추면 방전도 멈춥니다. 외부 이온화 장치의 작용 하에서만 존재하는 방전을 비 자립성(non-self-sustaining)이라고 합니다.

전압 Ug는 가이거 영역의 임계값으로 이오나이저가 꺼진 후에도 가스 갭의 프로세스가 사라지지 않는 상태, 즉 가이거 영역에 해당합니다. 방전은 독립 방전의 성격을 얻습니다. 1차 이온은 가스 방전 발생을 촉진할 뿐입니다. 이 영역에서 나는 이미 두 기호의 거대한 이온을 이온화하는 능력을 얻었습니다. 전류의 크기는 n 0 에 의존하지 않습니다.

영역 VI에서 전압이 너무 높아 방전이 발생하면 더 이상 멈추지 않습니다. 즉, 연속 방전 영역입니다.

독립 가스 배출 및 그 유형

외부 이온화 장치의 작용이 종료된 후에도 지속되는 가스의 방전을 독립이라고 합니다.

독립 방전 발생 조건을 고려해 보겠습니다. 고전압(영역 V-VI)에서 외부 이온화 장치의 작용으로 발생하고 전기장에 의해 강하게 가속된 전자는 중성 가스 분자와 충돌하여 이온화됩니다. 그 결과 2차 전자와 양이온이 형성됩니다. (도 158의 공정 1).양이온은 음극으로 이동하고 전자는 양극으로 이동합니다. 2차 전자는 다시 기체 분자를 이온화하고, 결과적으로 전자가 눈사태처럼 양극으로 이동함에 따라 전자와 이온의 총 수가 증가합니다. 이것이 전류 증가의 이유입니다(그림 V 영역 참조). 설명된 프로세스를 충격 이온화라고 합니다.

그러나 전자의 작용에 의한 충격 이온화는 외부 이온화 장치를 제거할 때 방전을 유지하기에 충분하지 않습니다. 이를 위해서는 전자 눈사태가 "재생"해야 합니다. 즉, 일부 프로세스의 영향으로 가스에서 새로운 전자가 발생합니다. 이러한 프로세스는 그림 1에 개략적으로 나와 있습니다. 158: 전기장에 의해 가속된 양이온이 음극을 때리고 음극에서 전자를 녹아웃(공정 2); 가스 분자와 충돌하는 양이온은 여기 상태로 이동하고 이러한 분자가 정상 상태로 전환되면 광자의 방출이 수반됩니다(과정 3). 중성 분자에 흡수된 광자는 이를 이온화합니다. 이른바 분자의 광자 이온화 과정이 발생합니다(과정 4). 광자의 작용으로 음극에서 전자를 녹아웃(공정 5).

마지막으로, 가스 갭의 전극 사이의 상당한 전압에서 전자보다 평균 자유 경로가 짧은 양이온이 가스 분자를 이온화하기에 충분한 에너지를 획득하는 순간이 옵니다(과정 6). 그릇. 전자 사태와 함께 이온 사태가 발생하면 거의 전압 증가 없이 전류가 증가합니다(그림의 VI 영역).

상술한 과정의 결과 기체의 부피에 있는 이온과 전자의 수가 눈사태와 같이 증가하고 방전이 독립적이 된다. 즉, 외부 이온화 장치의 작용이 종료된 후에도 방전이 지속된다. 자기방전이 일어나는 전압을 항복전압이라고 한다. 공기의 경우 거리 1센티미터당 약 30,000볼트입니다.

가스 압력, 전극의 구성 및 외부 회로의 매개변수에 따라 글로우, 스파크, 아크 및 코로나의 네 가지 유형의 독립 방전을 말할 수 있습니다.

1. 연기 방출. 낮은 압력에서 발생합니다. 30 ÷ 50 cm 길이의 유리관에 납땜된 전극에 수백 볼트의 일정한 전압을 가하여 점차적으로 관 밖으로 공기를 펌핑하면 ≈ 5.3 ÷ 6.7 kPa의 압력에서 다음과 같은 형태로 방전이 발생합니다. 캐소드에서 애노드로 가는 빛나는 붉은색 감기 코드. 압력이 더 감소함에 따라 코드가 두꺼워지고 ≈ 13 Pa의 압력에서 방전은 그림 4에 개략적으로 표시된 형태를 갖습니다.

음극 바로 옆에는 얇은 발광층 1이 있습니다. 첫 번째 음극 글로우 또는 음극 필름은 다음으로 어두운 층 2를 따라갑니다. 음극 어두운 공간은 발광층 3으로 더 이동합니다. 음극 쪽에서 점차적으로 양극 쪽에서 사라집니다. 그것은 양이온과 전자의 재결합에서 발생합니다. 이글거리는 글로우는 어두운 간격 4 - 패러데이 어두운 공간과 이온화된 발광 가스 기둥 5 - 양의 기둥으로 둘러싸여 있습니다. 양극은 방전을 유지하는 데 중요한 역할을 하지 않습니다. 예를 들어, 튜브의 전극 사이의 거리가 감소함에 따라 길이는 짧아지고 방전의 음극 부분은 모양과 크기가 변경되지 않은 상태로 유지됩니다. 글로우 방전에서 유지 관리에 특히 중요한 부분은 음극 암 공간과 글로우 글로우의 두 부분뿐입니다. 음극 암흑 공간에는 전자와 양이온의 강한 가속이 있어 음극에서 전자를 녹아웃(2차 방출)합니다. 그러나 그을음 영역에서는 전자에 의한 가스 분자의 충격 이온화가 발생합니다. 이 경우 형성된 양이온은 캐소드로 돌진하여 캐소드에서 새로운 전자를 녹아웃시키고 차례로 가스 등을 다시 이온화합니다. 이러한 방식으로 글로우 방전이 지속적으로 유지됩니다.

≈ 1.3 Pa의 압력에서 튜브를 더 비우면 가스의 빛이 약해지고 튜브의 벽이 빛나기 시작합니다. 양이온에 의해 음극에서 떨어진 전자는 이러한 희박 상태에서 가스 분자와 거의 충돌하지 않으므로 자기장에 의해 가속되어 유리에 부딪히면서 소위 음극 발광(cathodoluminescence)이라고 하는 빛이 발생합니다. 이러한 전자의 흐름은 역사적으로 음극선이라고 불렸습니다.

글로우 방전은 기술에서 널리 사용됩니다. 포지티브 컬럼의 발광은 각 가스의 색상 특성을 가지므로 발광 비문 및 광고용 가스 라이트 튜브에 사용됩니다(예: 네온 방전 튜브는 적색 발광, 아르곤 튜브 - 청록색). 백열등보다 경제적인 형광등은 수은 증기에서 발생하는 글로우 방전 방사선이 튜브 내부 표면에 침착된 형광 물질(형광체)에 의해 흡수되어 흡수된 방사선의 영향으로 빛나기 시작합니다. 형광체를 적절히 선택하면 발광 스펙트럼이 태양 복사 스펙트럼에 가깝습니다. 글로우 방전은 금속의 음극 증착에 사용됩니다. 양이온의 충격에 의한 글로우 방전의 음극 물질은 강하게 가열되어 증기 상태로 전환됩니다. 음극 근처에 다양한 물체를 배치하여 균일한 금속층으로 덮을 수 있습니다.

2. 스파크 방전. 대기압의 가스에서 높은 전계 강도(≈ 3·10 6 V/m)에서 발생합니다. 스파크는 밝게 빛나는 얇은 채널 모양을 가지며 복잡한 방식으로 구부러지고 분기됩니다.

스파크 방전에 대한 설명은 스트리머 이론(streamer theory)을 기반으로 하며, 이에 따르면 밝게 빛나는 스파크 채널의 출현에 앞서 약하게 빛나는 이온화된 가스 축적이 나타납니다. 이러한 클러스터를 스트리머라고 합니다. 스트리머는 충격 이온화를 통한 전자 눈사태의 형성 결과뿐만 아니라 가스의 광자 이온화 결과로도 발생합니다. 서로를 쫓는 눈사태는 전도성 스트리머 다리를 형성하고, 이를 따라 다음 순간에 강력한 전자 흐름이 쇄도하여 스파크 방전 채널을 형성합니다. 고려되는 프로세스 동안 많은 양의 에너지가 방출되기 때문에 스파크 갭의 가스가 매우 높은 온도(약 10 4 K)로 가열되어 글로우가 발생합니다. 가스의 급속한 가열은 압력과 충격파의 증가로 이어지며 이는 불꽃 방전의 음향 효과를 설명합니다. 이는 강력한 불꽃 방전의 예인 번개의 경우 약한 방전과 강력한 천둥의 경우 특징적인 딱딱거리는 소리입니다. 뇌운과 지구 사이 또는 두 뇌운 사이.

스파크 방전은 내연 기관의 가연성 혼합물을 점화하고 전기 전송 라인을 서지(스파크 갭)로부터 보호하는 데 사용됩니다. 방전 갭의 길이가 작기 때문에 스파크 방전은 금속 표면의 파괴(침식)를 유발하므로 금속의 전기 스파크 정밀 가공(절단, 드릴링)에 사용됩니다. 스펙트럼 분석에서 하전 입자(스파크 카운터)를 등록하는 데 사용됩니다.

3. 아크 방전. 강력한 소스에서 스파크 방전이 점화 된 후 전극 사이의 거리가 점차 줄어들면 방전이 계속되어 아크 방전이 발생합니다. 이 경우 전류 강도가 급격히 증가하여 수백 암페어에 도달하고 방전 갭의 전압이 수십 볼트로 떨어집니다. 아크 방전은 스파크 단계를 우회하는 저전압 소스에서 얻을 수 있습니다. 이를 위해 전극(예: 탄소 전극)은 접촉할 때까지 함께 모아지고 전류로 매우 뜨거워진 다음 번식하여 얻습니다. 전기 아크(이것이 러시아 과학자 V.V. Petrov가 발견한 방법입니다). 대기압에서 음극의 온도는 대략 3900K와 같습니다. 아크가 타면서 탄소 음극이 날카로워지고 양극에 움푹 들어간 곳이 형성됩니다. 크레이터는 아크의 가장 뜨거운 지점입니다.

현대의 개념에 따르면 강한 열 이온 방출로 인한 음극의 고온과 가스의 고온으로 인한 분자의 열 이온화로 인해 아크 방전이 유지됩니다.

아크 방전은 다음에서 널리 사용됩니다. 국가 경제금속 용접 및 절단, 고품질 철강 확보(아크로), 조명(스포트라이트, 프로젝션 장비). 공기를 빼낼 때 수은 증기에서 아크 방전이 발생하는 석영 실린더에 수은 전극이 있는 아크 램프도 널리 사용됩니다. 수은 증기에서 생성된 아크는 강력한 자외선 방사원이며 의료에 사용됩니다(예: 석영 램프). 아크 방전 저압수은 증기는 교류를 정류하기 위해 수은 정류기에 사용됩니다.

4. 코로나 방전 - 불균일 필드(예: 표면 곡률이 큰 전극 근처, 바늘 전극 끝)에서 고압(예: 대기) 압력에서 발생하는 고전압 방전. 팁 근처의 전계 강도가 30kV/cm에 도달하면 주변에 코로나와 같은 빛이 나타나 이러한 유형의 방전이라는 이름이 붙었습니다.

코로나 전극의 부호에 따라 음의 코로나와 양의 코로나가 구별됩니다. 음의 코로나의 경우 기체 분자의 충격 이온화를 일으키는 전자의 생성은 양이온의 작용 하에 캐소드로부터의 방출로 인해 발생하며, 양의 코로나의 경우 애노드 근처의 기체 이온화로 인해 발생합니다. 에 생체 내코로나는 선박이나 나무의 돛대 꼭대기에서 대기 전기의 영향으로 발생합니다 (피뢰침의 작용은 이것을 기반으로 함). 이 현상은 고대에 St. Elmo의 화재라고 불렸습니다. 고압 전력선의 전선 주위에 코로나의 유해한 영향은 누설 전류의 발생입니다. 이를 줄이기 위해 고압선의 전선을 두껍게 만듭니다. 불연속적인 코로나 방전도 전파 간섭의 원인이 됩니다.

코로나 방전은 청소에 사용되는 전기 집진기에 사용됩니다. 산업용 가스불순물로부터. 정화될 가스는 코로나 와이어가 위치한 축을 따라 수직 실린더에서 아래에서 위로 이동합니다. 에 존재하는 이온 많은 수로코로나의 바깥 부분에서 불순물은 입자에 침전되고 필드에 의해 외부 비 코로나 전극으로 옮겨져 침전됩니다. 코로나 방전은 분말 및 페인트 코팅의 적용에도 사용됩니다.

정전기 분야

전기 분야의 전력선

현대 물리학의 개념에 따르면 한 전하가 다른 전하에 미치는 영향은 다음을 통해 전달됩니다. 정전기장 - 전하를 띤 각 물체가 자체적으로 생성하는 무한하게 늘어나는 특수한 물질 환경. 정전기장은 인간의 감각으로 감지할 수 없습니다. 그러나 장에 놓인 전하는 이 전하의 크기에 정비례하는 힘의 영향을 받습니다. 왜냐하면 힘의 방향은 전하의 부호에 달려 있으며 소위 사용하기로 합의되었습니다. 평가판 q0. 이것은 전기장에서 우리의 관심 지점에 배치되는 양의 점 전하입니다. 따라서 필드의 힘 특성으로 테스트 전하 q 0 값에 대한 힘의 비율을 사용하는 것이 좋습니다.

필드의 각 점에 대한 이 상수는 벡터 수량입니다. 힘과 동등하다단위 양전하에 작용하는 것을 긴장 . 거리 r에서 점 전하 q의 필드에 대해:

, (4)

벡터의 방향은 테스트 전하에 작용하는 힘의 방향과 일치합니다. [E] = N / C 또는 V / m.

유전 매질에서 전하 사이의 상호 작용력, 따라서 전계 강도는 ε 배만큼 감소합니다.

, . (5)

여러 정전기장이 서로 중첩될 때 결과 강도는 각 필드 강도의 벡터 합으로 결정됩니다(중첩 원리).

그래픽으로 공간의 전기장의 분포는 다음을 사용하여 묘사됩니다. 힘의 선 . 이 선은 임의의 지점에서 접선이 일치하도록 그려집니다. 이것은 전하에 작용하는 힘의 벡터와 그에 따른 가속도의 벡터도 결코 교차하지 않는 힘의 선에 대한 접선에 있음을 의미합니다. 정전기장의 힘선은 닫힐 수 없습니다. 그들은 양전하에서 시작하여 음전하로 끝나거나 무한대로 이동합니다.