Elektrostatinio lauko jėgos linijos. Elektros lauko linijos

Vizualiai grafiniam lauko pavaizdavimui patogu naudoti jėgos linijas – nukreiptas linijas, kurių liestinės kiekviename taške sutampa su elektrinio lauko stiprumo vektoriaus kryptimi (233 pav.).

Ryžiai. 233
Pagal apibrėžimą elektrinio lauko jėgos linijos turi eilę bendrų savybių(palyginti su skysčių srautų savybėmis):
 1. jėgos linijos nesikerta (kitaip susikirtimo taške gali būti sudarytos dvi liestinės, tai yra, viename taške lauko stiprumas turi dvi reikšmes, o tai absurdiška).
2. Jėgos linijos neturi vingių (lenkimo taške vėlgi galima sudaryti dvi liestes).
3. Elektrostatinio lauko jėgos linijos prasideda ir baigiasi krūviais.
Kadangi lauko stiprumas nustatomas kiekviename erdviniame taške, jėgos linija gali būti nubrėžta per bet kurį erdvinį tašką. Todėl jėgos linijų skaičius yra be galo didelis. Laukui vaizduoti naudojamų linijų skaičių dažniausiai lemia fiziko-menininko meninis skonis. Kai kuriose mokymo priemones rekomenduojama sukurti lauko linijų paveikslą taip, kad jų tankis būtų didesnis ten, kur lauko stiprumas didesnis. Šis reikalavimas nėra griežtas ir ne visada įgyvendinamas, todėl brėžiamos jėgos linijos, atitinkančios suformuluotas savybes 1 − 3 .
Labai lengva nubrėžti taškinio krūvio sukuriamo lauko jėgos linijas. Šiuo atveju jėgos linijos yra tiesių, atsirandančių (teigiamai) arba įeinančių (neigiamoms) į krūvio vietos tašką, rinkinys (234 pav.).

ryžių. 234
Tokios taškinių krūvių laukų jėgos linijų šeimos parodo, kad krūviai yra lauko šaltiniai, analogiškai skysčio greičio lauko šaltiniams ir kriauklėms. Vėliau įrodysime, kad jėgos linijos negali prasidėti ar baigtis taškuose, kuriuose nėra krūvių.
Tikrų laukų lauko linijų vaizdą galima atkurti eksperimentiškai.
Nedidelį sluoksnį supilkite į žemą indą ricinos aliejus ir į jį supilkite nedidelę manų kruopų dalį. Jei aliejus su javais dedamas į elektrostatinį lauką, tai manų kruopos (jie yra šiek tiek pailgos formos) pasisuka elektrinio lauko stiprumo kryptimi ir išsirikiuoja maždaug pagal jėgos linijas, po kelių dešimčių sekundžių a. puodelyje atsiranda elektrinio lauko jėgos linijų vaizdas. Kai kurie iš šių „nuotraukų“ pateikiami nuotraukose.
Taip pat galima atlikti teorinį jėgos linijų skaičiavimą ir konstravimą. Tiesa, šiems skaičiavimams reikia atlikti labai daug skaičiavimų, todėl jie yra realūs (ir be specialus darbas) atliekami kompiuteriu, dažniausiai tokios konstrukcijos atliekamos tam tikroje plokštumoje.
Kuriant lauko linijų modelio skaičiavimo algoritmus, susiduriama su daugybe problemų, kurias reikia išspręsti. Pirmoji tokia problema yra lauko vektoriaus apskaičiavimas. Esant elektrostatiniams laukams, kuriuos sukuria tam tikras krūvio pasiskirstymas, ši problema išspręsta naudojant Kulono dėsnį ir superpozicijos principą. Antroji problema yra atskiros linijos kūrimo būdas. Paprasčiausio algoritmo, kuris išsprendžia šią problemą, idėja yra gana akivaizdi. Mažame plote kiekviena linija praktiškai sutampa su jos liestine, todėl turėtumėte sudaryti daug segmentų, liečiančių jėgos linijas, tai yra mažo ilgio segmentus. l, kurio kryptis sutampa su lauko kryptimi tam tikrame taške. Norėdami tai padaryti, pirmiausia reikia apskaičiuoti intensyvumo vektoriaus komponentus duotas taškas E x, E y ir šio vektoriaus modulis E = √(E x 2 + E y 2 ). Tada galite sukurti mažo ilgio segmentą, kurio kryptis sutampa su lauko stiprumo vektoriaus kryptimi. jo projekcijos koordinačių ašyse apskaičiuojamos pagal formules, pateiktas Fig. 235:

ryžių. 235

Tada turėtumėte pakartoti procedūrą, pradedant nuo sukonstruoto segmento pabaigos. Žinoma, diegiant tokį algoritmą atsiranda ir kitų problemų, kurios yra daugiau techninio pobūdžio.
236 paveiksluose parodytos dviejų taškinių krūvių sukuriamų laukų jėgos linijos.


ryžių. 236
Krūvinių ženklai nurodyti a) ir b) paveiksluose krūviai yra vienodi moduliu, pav. c), d) yra skirtingi – kuriuos iš jų siūlome nustatyti savarankiškiau. Kiekvienu atveju taip pat patys nustatykite jėgos linijų kryptis.
Įdomu pastebėti, kad M. Faradėjus elektrinio lauko jėgos linijas laikė realiais tampriais vamzdeliais, jungiančiais elektros krūvius, tokie atvaizdavimai jam labai padėjo nuspėti ir paaiškinti daugelį fizikinių reiškinių.
Sutikite, kad didysis M. Faradėjus buvo teisus – jei mintyse linijas pakeisite elastinėmis gumytėmis, sąveikos pobūdis labai aiškus.

Ostrogradskio – Gauso teorema, kurią įrodysime ir aptarsime vėliau, nustato ryšį tarp elektros krūviai ir elektrinis laukas. Tai bendresnė ir elegantiškesnė Kulono dėsnio formuluotė.

Iš principo elektrostatinio lauko, kurį sukuria tam tikras krūvio pasiskirstymas, stiprumas visada gali būti apskaičiuojamas naudojant Kulono dėsnį. Bendras elektrinis laukas bet kuriame taške yra visų krūvių vektorinė suma (integralinė) indėlis, t.y.

Tačiau, išskyrus daugumą paprasti atvejai, labai sunku apskaičiuoti šią sumą arba integralą.

Čia į pagalbą ateina Ostrogradskio-Gausso teorema, kurios pagalba daug lengviau apskaičiuoti elektrinio lauko stiprumą, kurį sukuria tam tikras krūvio pasiskirstymas.

Pagrindinė Ostrogradskio-Gausso teoremos vertė yra ta, kad ji leidžia giliau suprasti elektrostatinio lauko prigimtį ir nustato bendresnis ryšys tarp krūvio ir lauko.

Tačiau prieš pereinant prie Ostrogradskio-Gausso teoremos, būtina pristatyti sąvokas: jėgos linijos elektrostatinis laukas ir įtampos vektoriaus srautas elektrostatinis laukas.

Norint apibūdinti elektrinį lauką, kiekviename lauko taške reikia nustatyti intensyvumo vektorių. Tai galima padaryti analitiškai arba grafiškai. Tam jie naudoja jėgos linijos- tai linijos, kurių liestinė bet kuriame lauko taške sutampa su intensyvumo vektoriaus kryptimi(2.1 pav.).

Ryžiai. 2.1

Jėgos linijai priskiriama tam tikra kryptis – nuo ​​teigiamo krūvio iki neigiamo arba iki begalybės.

Apsvarstykite atvejį vienodas elektrinis laukas.

Homogeniškas vadinamas elektrostatiniu lauku, kurio visuose taškuose intensyvumas yra vienodas pagal dydį ir kryptį, t.y. Vienodas elektrostatinis laukas vaizduojamas lygiagrečiomis jėgų linijomis, esančiomis vienodu atstumu viena nuo kitos (toks laukas egzistuoja, pavyzdžiui, tarp kondensatoriaus plokščių) (2.2 pav.).

Taškinio krūvio atveju įtempimo linijos kyla iš teigiamo krūvio ir eina į begalybę; ir iš begalybės patenka į neigiamą krūvį. Nes tada lauko linijų tankis yra atvirkščiai proporcingas atstumo nuo krūvio kvadratui. Nes sferos, per kurią šios linijos eina pačios, paviršiaus plotas didėja proporcingai atstumo kvadratui, tada iš viso linijos išlieka pastovios bet kokiu atstumu nuo krūvio.

Krūvių sistemos, kaip matome, jėgos linijos nukreiptos iš teigiamo krūvio į neigiamą (2.2 pav.).

Ryžiai. 2.2

2.3 paveiksle taip pat parodyta, kad lauko linijų tankis gali būti reikšmės rodiklis.

Lauko linijų tankis turi būti toks, kad intensyvumo vektoriui normalų ploto vienetą kirstų toks skaičius, lygus intensyvumo vektoriaus moduliui, t.y.

Erdvėje, supančioje krūvį, kuris yra šaltinis, yra tiesiogiai proporcingas šio krūvio dydžiui ir atvirkščiai atstumo nuo šio krūvio kvadratui. Elektrinio lauko kryptis pagal priimtas taisykles visada yra nuo teigiamo krūvio link neigiamo krūvio. Tai gali būti pavaizduota taip, tarsi bandomasis krūvis būtų patalpintas šaltinio elektrinio lauko erdvėje ir šis bandomasis krūvis arba atstums, arba pritrauks (priklausomai nuo krūvio ženklo). Elektriniam laukui būdingas stiprumas , kuris, būdamas vektoriniu kiekiu, gali būti grafiškai pavaizduotas kaip rodyklė, turinti ilgį ir kryptį. Visur, kur rodyklės kryptis rodo elektrinio lauko stiprumo kryptį E, arba tiesiog – lauko kryptis, o rodyklės ilgis proporcingas elektrinio lauko stiprumo skaitinei reikšmei šioje vietoje. Kuo toliau erdvės sritis yra nuo lauko šaltinio (mokestis K), tuo mažesnis intensyvumo vektoriaus ilgis. Be to, vektoriaus ilgis mažėja didėjant atstumui iki n kartų iš kažkurios vietos n 2 kartų, tai yra atvirkščiai proporcingas kvadratui.

Naudingesnė priemonė elektrinio lauko vektoriniam pobūdžiui vizualizuoti yra naudoti tokią sąvoką kaip jėgos linijos arba tiesiog jos. Vietoj to, kad būtų pavaizduota daugybė vektorinių rodyklių erdvėje, supančioje šaltinio krūvį, buvo naudinga jas sujungti į linijas, kur patys vektoriai yra liestinės su tokių linijų taškais.

Dėl to sėkmingai naudojamas vaizduoti elektrinio lauko vektorinį vaizdą elektrinio lauko linijos, kurie palieka teigiamo ženklo krūvius ir įeina į krūvius neigiamas ženklas, taip pat tęsiasi iki begalybės erdvėje. Šis vaizdas leidžia protu pamatyti žmogaus akiai nematomą elektrinį lauką. Tačiau šis vaizdavimas taip pat patogus gravitacinių jėgų ir bet kokia kita bekontaktė ilgalaikė sąveika.

Elektrinio lauko linijų modelyje jų yra be galo daug, tačiau per didelis lauko linijų vaizdo tankis sumažina galimybę nuskaityti lauko šablonus, todėl jų skaičių riboja skaitomumas.

Elektrinio lauko linijų braižymo taisyklės

Yra daug taisyklių, kaip sudaryti tokius elektros linijų modelius. Visos šios taisyklės skirtos suteikti kuo daugiau informacijos vizualizuojant (braižant) elektrinį lauką. Vienas iš būdų yra pavaizduoti lauko linijas. Vienas iš labiausiai paplitusių būdų yra apsupti daugiau įkrautų objektų. didelis kiekis linijos, tai yra didesnis linijų tankis. Objektai su dideliu krūviu sukuria stipresnius elektrinius laukus, todėl juos supančių linijų tankis (tankis) yra didesnis. Kuo arčiau krūvio šaltinis, tuo didesnis lauko linijų tankis, o kuo didesnis krūvis, tuo storesnės linijos aplink jį.

Antroji elektrinio lauko linijų brėžimo taisyklė apima kitokio tipo linijų brėžimą, pavyzdžiui, tas, kurios kerta pirmąsias jėgos linijas. statmenai. Šio tipo linija vadinama ekvipotencialių linijų, o esant tūriniam vaizdui, reikėtų kalbėti apie ekvipotencinius paviršius. Šio tipo linijos sudaro uždarus kontūrus ir turi kiekvienas tokios ekvipotencialios linijos taškas ta pati vertė lauko potencialas. Kai kuri nors įkrauta dalelė kerta tokį statmeną jėgos linijos linijos (paviršiai), tada jie kalba apie krūvio atliktą darbą. Jeigu krūvis juda ekvipotencialų linijomis (paviršiais), tai nors ir juda, darbas neatliekamas. Įkrauta dalelė elektrinis laukas kitas krūvis pradeda judėti, bet statinėje elektroje atsižvelgiama tik į pastovius krūvius. Krūvių judėjimas vadinamas elektros šokas, o darbą gali atlikti krūvininkas.

Svarbu tai atsiminti elektrinio lauko linijos nesikerta, o kito tipo - ekvipotencialo linijos sudaro uždaras kilpas. Toje vietoje, kur susikerta dviejų tipų linijos, šių linijų liestinės yra viena kitai statmenos. Taigi gaunamas kažkas panašaus į išlenktą koordinačių tinklelį arba gardelę, kurios ląstelės, taip pat linijų susikirtimo taškai skirtingi tipai apibūdinti elektrinį lauką.

Brūkšninės linijos yra ekvipotencialios. Linijos su rodyklėmis – elektrinio lauko linijos

Elektrinis laukas, susidedantis iš dviejų ar daugiau krūvių

Už pavienius individualius mokesčius elektrinio lauko linijos atstovauti radialiniai spinduliai kylantis iš krūvių ir einantis į begalybę. Kokia bus lauko linijų konfigūracija dviem ar daugiau įkrovimų? Norint atlikti tokį modelį, reikia atsiminti, kad mes susiduriame su vektoriniu lauku, tai yra su elektrinio lauko stiprumo vektoriais. Norėdami pavaizduoti lauko modelį, turime atlikti dviejų ar daugiau krūvių intensyvumo vektorių pridėjimą. Gauti vektoriai parodys bendrą kelių krūvių lauką. Kaip šiuo atveju galima nubrėžti jėgos linijas? Svarbu atsiminti, kad kiekvienas lauko linijos taškas yra vienas taškas kontaktas su elektrinio lauko stiprumo vektoriumi. Tai išplaukia iš geometrijos liestinės apibrėžimo. Jei nuo kiekvieno vektoriaus pradžios statysime statmeną ilgų linijų pavidalu, tai daugelio tokių linijų tarpusavio sankirta pavaizduos labai norimą jėgos liniją.

Norint tiksliau matematinį algebrinį jėgų linijų atvaizdavimą, reikia sudaryti jėgų linijų lygtis, o vektoriai šiuo atveju pavaizduos pirmąsias išvestines, pirmosios eilės linijas, kurios yra liestinės. Tokia užduotis kartais būna itin sudėtinga ir reikalauja kompiuterinių skaičiavimų.

Visų pirma, svarbu atsiminti, kad daugelio krūvių elektrinis laukas yra atspindimas intensyvumo vektorių iš kiekvieno krūvio šaltinio suma. Tai yra pagrindu atlikti lauko linijų konstravimą, siekiant vizualizuoti elektrinį lauką.

Kiekvienas į elektrinį lauką įvestas krūvis lemia, net jei nereikšmingus, lauko linijų modelio pokyčius. Tokie vaizdai kartais būna labai patrauklūs.

Elektrinio lauko linijos kaip būdas padėti protui pamatyti tikrovę

Elektrinio lauko samprata atsirado, kai mokslininkai bandė paaiškinti ilgo nuotolio veiksmą, vykstantį tarp įkrautų objektų. Elektrinio lauko sąvoką pirmasis pristatė XIX amžiaus fizikas Michaelas Faradėjus. Tai buvo Michaelio Faradėjaus suvokimo rezultatas nematoma tikrovė jėgų linijų, charakterizuojančių ilgalaikį veiksmą, paveikslo pavidalu. Faradėjus negalvojo vieno užtaiso rėmuose, o nuėjo toliau ir išplėtė proto ribas. Jis pasiūlė, kad įkrautas objektas (arba masė gravitacijos atveju) veikia erdvę ir pristatė tokio poveikio lauko koncepciją. Atsižvelgdamas į tokius laukus, jis sugebėjo paaiškinti krūvių elgesį ir taip atskleidė daugelį elektros paslapčių.

Yra skaliarinis ir vektorinis laukai (mūsų atveju vektorinis laukas bus elektrinis). Atitinkamai, jie modeliuojami pagal koordinačių skaliarines arba vektorines funkcijas, taip pat laiką.

Skaliarinis laukas apibūdinamas φ formos funkcija. Tokius laukus galima vizualizuoti naudojant to paties lygio paviršius: φ (x, y, z) = c, c = const.

Apibrėžkime vektorių, nukreiptą į maksimalų funkcijos φ augimą.

Šio vektoriaus absoliuti reikšmė lemia funkcijos φ kitimo greitį.

Akivaizdu, kad skaliarinis laukas sukuria vektorinį lauką.

Toks elektrinis laukas vadinamas potencialu, o funkcija φ – potencialu. To paties lygio paviršiai vadinami ekvipotencialiais paviršiais. Pavyzdžiui, apsvarstykite elektrinį lauką.

Norint vizualiai parodyti laukus, nutiestos vadinamosios elektrinio lauko linijos. Jie taip pat vadinami vektorinėmis linijomis. Tai tiesės, kurių liestinė taške rodo elektrinio lauko kryptį. Eilučių, einančių per vieneto paviršių, skaičius yra proporcingas absoliučiai vektoriaus vertei.

Įveskime vektoriaus diferencialo sampratą išilgai tiesės l. Šis vektorius yra nukreiptas tangentiškai į tiesę l ir absoliučia reikšme yra lygus diferencialui dl.

Pateikiame tam tikrą elektrinį lauką, kuris turi būti pavaizduotas kaip jėgos lauko linijos. Kitaip tariant, apibrėžkime vektoriaus tempimo (suspaudimo) koeficientą k taip, kad jis sutaptų su diferencialu. Sulyginę diferencialo ir vektoriaus komponentus, gauname lygčių sistemą. Po integravimo galima sudaryti jėgos linijų lygtį.

Vykdant vektorinę analizę, yra operacijų, kurios suteikia informaciją apie tai, kokios elektrinio lauko linijos yra konkrečiu atveju. Supažindinkime su „vektoriaus srauto“ sąvoka paviršiuje S. Formalus srauto Ф apibrėžimas turi tokią formą: reikšmė laikoma įprasto diferencialo ds sandauga pagal paviršiaus normaliosios s vienetinį vektorių. . Vieneto vektorius parenkamas taip, kad jis apibrėžtų išorinę paviršiaus normaliąją.

Galima nubrėžti lauko srauto ir medžiagos srauto sampratos analogiją: medžiaga per laiko vienetą praeina per paviršių, kuris savo ruožtu yra statmenas lauko srauto krypčiai. Jei jėgos linijos išeina iš paviršiaus S, tai srautas yra teigiamas, o jei neišeina, tada jis yra neigiamas. Apskritai srautą galima įvertinti pagal jėgos linijų, išeinančių iš paviršiaus, skaičių. Kita vertus, srauto dydis yra proporcingas lauko linijų, prasiskverbiančių į paviršiaus elementą, skaičiui.

Vektorinės funkcijos divergencija apskaičiuojama taške, kurio juosta yra tūris ΔV. S yra paviršius, dengiantis tūrį ΔV. Divergencijos operacija leidžia apibūdinti erdvės taškus pagal lauko šaltinių buvimą joje. Suspaudus paviršių S iki taško P, į paviršių prasiskverbiančių elektrinio lauko linijų kiekis išliks toks pat. Jei erdvės taškas nėra lauko šaltinis (nuotėkis ar nugrimzdimas), tai suspaudus paviršių iki šio taško lauko linijų suma, pradedant nuo tam tikro momento, lygi nuliui (eilių, įeinančių į paviršių S, skaičius yra lygus linijų, išeinančių iš šio paviršiaus, skaičiui).

Uždarojo ciklo integralas L rotoriaus veikimo apibrėžime vadinamas elektros cirkuliacija išilgai kontūro L. Rotoriaus veikimas apibūdina lauką erdvės taške. Rotoriaus kryptis lemia uždaro lauko srauto aplink duotą tašką dydį (rotorius apibūdina lauko sūkurį) ir jo kryptį. Remiantis rotoriaus apibrėžimu, atliekant nesudėtingas transformacijas, galima apskaičiuoti elektros vektoriaus projekcijas Dekarto koordinačių sistemoje, taip pat elektrinio lauko linijas.

ELEKTROSTATINIS LAUKAS

elektrostatinis laukas bandomasis mokestis q0

įtampa

, (4)

, . (5)

jėgos linijos

ELEKTROSTATINIO LAUKO JĖGŲ DARBAS. POTENCIALUS

Elektrinis laukas, kaip ir gravitacinis, yra potencialus. Tie. elektrostatinių jėgų atliekamas darbas nepriklauso nuo to, kokiu keliu krūvis q perkeliamas elektriniame lauke iš taško 1 į tašką 2. Šis darbas lygus potencinių energijų skirtumui, kurį judantis krūvis turi pradiniame ir galutiniame taške. laukas:

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

Galima parodyti, kad potenciali krūvio q energija yra tiesiogiai proporcinga šio krūvio dydžiui. Todėl, kaip elektrostatinio lauko energijos charakteristika, naudojamas bandomojo krūvio q 0, esančio bet kuriame lauko taške, potencinės energijos ir šio krūvio vertės santykis:

Ši vertė yra potencialios energijos kiekis, tenkantis teigiamo krūvio vienetui, ir vadinamas lauko potencialas tam tikrame taške. [φ] = J / C = V (voltas).

Jei darysime prielaidą, kad pašalinus krūvį q 0 iki begalybės (r → ∞), jo potencinė energija krūvio q lauke išnyksta, tai taškinio krūvio q lauko potencialas atstumu r nuo jo:

. (9)

Jei lauką sukuria taškinių krūvių sistema, tada gauto lauko potencialas yra lygus kiekvieno iš jų potencialų algebrinei (įskaitant ženklus) sumai:

. (10)

Remiantis potencialo (8) ir išraiškos (7) apibrėžimu, darbas, kurį atlieka elektrostatinio lauko jėgos, perkeldamos krūvį iš

1–2 punktai gali būti pavaizduoti taip:

ELEKTROS SROVĖ DUJOSE

NESAVIŠKAS DUJŲ IŠLEIDIMAS

Dujos ne per aukštoje temperatūroje ir esant artimam atmosferos slėgiui yra geri izoliatoriai. Jei dedama į sausą atmosferos oras, įkrautas elektrometras, tada jo įkrova ilgą laiką išlieka nepakitusi. Tai paaiškinama tuo, kad normaliomis sąlygomis dujos susideda iš neutralių atomų ir molekulių ir neturi laisvųjų krūvių (elektronų ir jonų). Dujos tampa elektros laidininku tik tada, kai kai kurios jų molekulės yra jonizuotos. Jonizacijai dujos turi būti veikiamos tam tikru jonizatoriumi: pavyzdžiui, elektros išlydžiu, rentgeno spinduliai, spinduliuotė ar UV spinduliuotė, žvakės liepsna ir kt. (pastaruoju atveju dujų elektrinį laidumą lemia kaitinimas).

Kai dujos yra jonizuotos, jos išeina iš išorės elektronų apvalkalas vieno ar kelių elektronų atomas arba molekulė, dėl kurios susidaro laisvieji elektronai ir teigiami jonai. Elektronai gali prisijungti prie neutralių molekulių ir atomų, paversdami juos neigiamais jonais. Todėl jonizuotose dujose yra teigiamai ir neigiamai įkrauti jonai ir laisvieji elektronai. E elektros srovė dujose vadinama dujų išlydžiu. Taigi srovę dujose sukuria ir ženklų, ir elektronų jonai. Dujų išleidimą su tokiu mechanizmu lydės medžiagos pernešimas, t.y. jonizuotos dujos yra antros rūšies laidininkai.

Norint atplėšti vieną elektroną nuo molekulės ar atomo, reikia atlikti tam tikrą darbą A ir, t.y. išleisti šiek tiek energijos. Ši energija vadinama jonizacijos energija , kurio reikšmės atomams įvairių medžiagų yra 4–25 eV. Kiekybiškai jonizacijos procesas paprastai apibūdinamas kiekiu, vadinamu jonizacijos potencialas :

Kartu su jonizacijos procesu dujose visada vyksta atvirkštinis procesas – rekombinacijos procesas: teigiami ir neigiami jonai arba teigiami jonai ir elektronai, susitinka, rekombinuojasi vienas su kitu, sudarydami neutralius atomus ir molekules. Kuo daugiau jonų atsiranda veikiant jonizatoriui, tuo intensyvesnis vyksta rekombinacijos procesas.

Griežtai tariant, dujų elektrinis laidumas niekada nėra lygus nuliui, nes jose visada yra laisvųjų krūvių, atsirandančių dėl Žemės paviršiuje esančių radioaktyviųjų medžiagų spinduliuotės, taip pat dėl ​​kosminės spinduliuotės. Jonizacijos intensyvumas veikiant šiems veiksniams yra mažas. Šis nedidelis oro elektrinis laidumas yra elektrifikuotų kūnų, net jei jie yra gerai izoliuoti, krūvių nutekėjimo priežastis.

Dujų išleidimo pobūdį lemia dujų sudėtis, jų temperatūra ir slėgis, matmenys, elektrodų konfigūracija ir medžiaga, taip pat naudojama įtampa ir srovės tankis.

Panagrinėkime grandinę, kurioje yra dujų tarpas (pav.), veikiamas nuolatinio, pastovaus intensyvumo jonizatoriaus. Dėl jonizatoriaus veikimo dujos įgauna tam tikrą elektros laidumą ir grandinėje tekės srovė. Paveikslėlyje parodytos dviejų jonizatorių srovės-įtampos charakteristikos (srovės priklausomybė nuo naudojamos įtampos). Spektaklis
(jonizatoriaus pagaminamų jonų porų skaičius dujų tarpelyje per 1 sekundę) antrojo jonizatoriaus yra didesnis nei pirmojo. Laikysime, kad jonizatoriaus našumas yra pastovus ir lygus n 0 . Esant ne itin žemam slėgiui, beveik visus atskilusius elektronus sugauna neutralios molekulės, sudarydamos neigiamo krūvio jonus. Atsižvelgdami į rekombinaciją, darome prielaidą, kad abiejų ženklų jonų koncentracijos yra vienodos ir lygios n. Skirtingų ženklų jonų vidutiniai dreifo greičiai elektriniame lauke yra skirtingi: , . b - ir b + yra dujų jonų judrumas. Dabar I regionui, atsižvelgiant į (5), galime parašyti:

Kaip matyti, I srityje, didėjant įtampai, srovė didėja, nes didėja dreifo greitis. Didėjant jų greičiui, rekombinuojančių jonų porų skaičius mažės.

II sritis – soties srovės sritis – visi jonizatoriaus sukurti jonai pasiekia elektrodus nespėję rekombinuotis. Prisotinimo srovės tankis

j n = q n 0 d, (28)

čia d – dujų tarpo plotis (atstumas tarp elektrodų). Kaip matyti iš (28), soties srovė yra jonizatoriaus jonizuojančio poveikio matas.

Esant didesnei nei U p p (III sritis) įtampai, elektronų greitis pasiekia tokią reikšmę, kad, susidūrę su neutraliomis molekulėmis, jie gali sukelti smūginę jonizaciją. Dėl to susidaro papildomos An 0 jonų poros. Reikšmė A vadinama dujų stiprinimo koeficientu . III srityje šis koeficientas nepriklauso nuo n 0, o priklauso nuo U. Taigi. krūvis, pasiekiantis elektrodus esant pastoviai U, yra tiesiogiai proporcingas jonizatoriaus veikimui – n 0 ir įtampai U. Dėl šios priežasties III sritis vadinama proporcine sritimi. U pr – proporcingumo riba. Dujų stiprinimo koeficiento A reikšmės yra nuo 1 iki 10 4 .

IV srityje, dalinio proporcingumo srityje, dujų padidėjimas pradeda priklausyti nuo n 0. Ši priklausomybė didėja didėjant U. Srovė smarkiai didėja.

Įtampos diapazone 0 ÷ U g srovė dujose egzistuoja tik tada, kai veikia jonizatorius. Jei jonizatoriaus veikimas sustabdomas, iškrovimas taip pat sustoja. Iškrovos, kurios egzistuoja tik veikiant išoriniams jonizatoriams, vadinamos neišsilaikančiomis.

Įtampa U g – srities, Geigerio srities, slenkstis, atitinkantis būseną, kai procesas dujų tarpelyje neišnyksta net ir išjungus jonizatorių, t.y. iškrova įgauna savarankiškos iškrovos pobūdį. Pirminiai jonai tik skatina dujų išleidimą. Šiame regione jau įgyju galimybę jonizuoti masyvius abiejų ženklų jonus. Srovės dydis nepriklauso nuo n 0 .

VI zonoje įtampa yra tokia aukšta, kad iškrova, kai tik ji įvyksta, nebesustoja - nuolatinio iškrovimo sritis.

NEPRIKLAUSOMAS DUJŲ IŠLAIDYMAS IR JO RŪŠYS

Iškrova dujose, kuri išlieka pasibaigus išorinio jonizatoriaus veikimui, vadinama nepriklausoma.

Panagrinėkime nepriklausomo iškrovimo atsiradimo sąlygas. Esant aukštai įtampai (V–VI sritys), elektronai, atsirandantys veikiant išoriniam jonizatoriui ir stipriai pagreitinti elektrinio lauko, susiduria su neutraliomis dujų molekulėmis ir jas jonizuoja. Dėl to susidaro antriniai elektronai ir teigiami jonai. (1 procesas 158 pav.). Teigiami jonai juda link katodo, o elektronai – link anodo. Antriniai elektronai vėl jonizuoja dujų molekules, todėl bendras elektronų ir jonų skaičius padidės, kai elektronai judės link anodo kaip lavina. Tai yra elektros srovės padidėjimo priežastis (žr. pav. V sritį). Aprašytas procesas vadinamas smūgine jonizacija.

Tačiau smūginės jonizacijos veikiant elektronams nepakanka iškrovai palaikyti pašalinus išorinį jonizatorių. Tam reikia, kad elektronų lavinos „atsidaugintų“, t.y., kad dėl kokių nors procesų dujose atsirastų naujų elektronų. Tokie procesai schematiškai parodyti fig. 158: Lauko pagreitinti teigiami jonai, atsitrenkę į katodą, išmuša iš jo elektronus (2 procesas); Teigiami jonai, susidūrę su dujų molekulėmis, perkelia jas į sužadintą būseną, tokių molekulių perėjimą į normalią būseną lydi fotono emisija (3 procesas); Neutralios molekulės sugertas fotonas jį jonizuoja, vyksta vadinamasis molekulių fotonų jonizacijos procesas (4 procesas); Elektronų išmušimas iš katodo veikiant fotonams (5 procesas).

Galiausiai, esant didelei įtampai tarp dujų tarpo elektrodų, ateina momentas, kai teigiami jonai, kurių vidutinis laisvas kelias yra trumpesnis nei elektronų, įgyja energijos, kurios pakanka dujų molekulėms jonizuoti (6 procesas), o jonų lavinos veržiasi į neigiamą. plokštelė. Kai, be elektronų lavinų, atsiranda ir jonų lavinos, srovė didėja beveik nedidinant įtampos (VI sritis pav.).

Dėl aprašytų procesų jonų ir elektronų skaičius dujų tūryje didėja lyg lavina, o iškrova tampa nepriklausoma, t.y., išlieka net ir pasibaigus išorinio jonizatoriaus veikimui. Įtampa, kuriai esant vyksta savaiminis išsikrovimas, vadinama gedimo įtampa. Oro atveju tai yra apie 30 000 voltų kiekvienam atstumo centimetrui.

Priklausomai nuo dujų slėgio, elektrodų konfigūracijos ir išorinės grandinės parametrų, galime kalbėti apie keturis nepriklausomo iškrovimo tipus: švytėjimą, kibirkštį, lanką ir vainikinę.

1. Rūkančios išskyros. Atsiranda esant žemam slėgiui. Jei į 30 ÷ 50 cm ilgio stiklinį vamzdelį lituojamiems elektrodams taikoma pastovi kelių šimtų voltų įtampa, palaipsniui išpumpuojant orą iš vamzdelio, tada, esant ≈ 5,3 ÷ 6,7 kPa slėgiui, įvyksta iškrova. švytintis rausvai apvijos laidas, einantis nuo katodo iki anodo. Toliau mažėjant slėgiui, laidas sustorėja, o esant ≈ 13 Pa slėgiui, iškrova turi tokią formą, kaip schematiškai parodyta Fig.

Tiesiogiai prie katodo yra plonas šviečiantis sluoksnis 1 – pirmasis katodo švytėjimas arba katodo plėvelė, po to seka tamsus sluoksnis 2 – katodo tamsi erdvė, toliau pereinanti į šviečiantį sluoksnį 3 – rūkstantis švytėjimas, turintis aštrų kraštą. katodo pusėje, palaipsniui nykstant iš anodo pusės. Jis atsiranda dėl elektronų rekombinacijos su teigiamais jonais. Smilkstantį švytėjimą riboja tamsus tarpas 4 – Faradėjaus tamsi erdvė, po kurio seka jonizuotų šviečiančių dujų stulpelis 5 – teigiama kolonėlė. Teigiamas stulpelis neturi reikšmingo vaidmens palaikant iškrovą. Pavyzdžiui, mažėjant atstumui tarp vamzdžio elektrodų, jo ilgis trumpėja, o išlydžio katodinės dalys išlieka nepakitusios formos ir dydžio. Švytėjimo išlydžio metu tik dvi jo dalys yra ypač svarbios jo priežiūrai: katodo tamsi erdvė ir švytėjimo švytėjimas. Katodinėje tamsioje erdvėje vyksta stiprus elektronų ir teigiamų jonų pagreitis, išmušant elektronus iš katodo (antrinė emisija). Tačiau rūkstančioje srityje vyksta dujų molekulių smūginė jonizacija elektronais. Tokiu atveju susidarę teigiami jonai veržiasi į katodą ir išmuša iš jo naujus elektronus, kurie savo ruožtu vėl jonizuoja dujas ir tt Taip nuolat palaikoma švytėjimo išlydis.

Toliau siurbiant vamzdį esant ≈ 1,3 Pa slėgiui, susilpnėja dujų švytėjimas ir pradeda švytėti vamzdžio sienelės. Teigiamų jonų iš katodo išmušti elektronai tokiu retėjimu retai susiduria su dujų molekulėmis, todėl lauko pagreitinti, atsitrenkę į stiklą, sukelia jo švytėjimą, vadinamąją katodoliuminescenciją. Šių elektronų srautas istoriškai buvo vadinamas katodiniais spinduliais.

Švytėjimo iškrova plačiai naudojama technologijoje. Kadangi teigiamos kolonėlės švytėjimas turi kiekvienai dujoms būdingą spalvą, jis naudojamas dujų šviesos vamzdeliuose šviečiantiems užrašams ir reklamai (pavyzdžiui, neoninės išlydžio vamzdeliai suteikia raudoną švytėjimą, argono vamzdeliai - melsvai žalią). Liuminescencinėse lempose, kurios yra ekonomiškesnės už kaitinamąsias lempas, gyvsidabrio garuose atsirandančią švytėjimo išlydžio spinduliuotę sugeria ant vamzdžio vidinio paviršiaus nusėdusi fluorescencinė medžiaga (fosforas), kuri, veikiama sugertos spinduliuotės, pradeda švytėti. Liuminescencijos spektras su tinkamu fosforo parinkimu yra artimas saulės spinduliuotės spektrui. Švytėjimo išlydis naudojamas katodiniam metalų nusodinimui. Katodinė medžiaga švytinčioje išlydyje dėl bombardavimo teigiamais jonais, stipriai kaitinama, pereina į garų būseną. Prie katodo padėjus įvairius objektus, juos galima padengti vienodu metalo sluoksniu.

2. Kibirkšties iškrova. Atsiranda esant dideliam elektrinio lauko stipriui (≈ 3·10 6 V/m) atmosferos slėgio dujose. Kibirkštis atrodo kaip ryškiai šviečiantis plonas kanalas, sudėtingai išlenktas ir išsišakojęs.

Kibirkštinio išlydžio paaiškinimas pateiktas remiantis srovių teorija, pagal kurią prieš ryškiai šviečiančio kibirkšties kanalo atsiradimą atsiranda silpnai šviečiančios jonizuotų dujų sankaupos. Šios grupės vadinamos streameriais. Srautai atsiranda ne tik dėl elektronų lavinų susidarymo smūginės jonizacijos metu, bet ir dėl dujų fotonų jonizacijos. Lavinos, vejasi viena kitą, sudaro laidžius srovių tiltus, kuriais kitais laiko momentais veržiasi galingi elektronų srautai, suformuodami kibirkštinio iškrovos kanalus. Dėl to, kad nagrinėjamų procesų metu išsiskiria didelis energijos kiekis, kibirkštinio tarpo dujos įkaista iki labai aukštos temperatūros (apie 10 4 K), todėl jos švyti. Dėl greito dujų kaitinimo didėja slėgis ir smūginės bangos, o tai paaiškina kibirkštinio išlydžio garso poveikį – būdingą traškėjimą esant silpnoms iškrovoms ir stiprų griaustinį žaibo atveju, o tai yra galingo kibirkštinio išlydžio pavyzdys. tarp griaustinio debesies ir Žemės arba tarp dviejų griaustinio debesų.

Kibirkštinis išlydis naudojamas vidaus degimo variklių degiojo mišinio uždegimui ir elektros perdavimo linijų apsaugai nuo viršįtampių (kibirkšties tarpų). Esant nedideliam išlydžio tarpo ilgiui, kibirkštinis išlydis sukelia metalo paviršiaus ardymą (eroziją), todėl naudojamas preciziniam metalų apdirbimui (pjovimui, gręžimui). Jis naudojamas spektrinėje analizėje įkrautoms dalelėms registruoti (kibirkščių skaitikliai).

3. Lanko iškrova. Jei užsidegus kibirkštiniam išlydžiui iš galingo šaltinio, atstumas tarp elektrodų palaipsniui mažėja, tada iškrova tampa nuolatinė - atsiranda lankinis išlydis. Tokiu atveju srovės stipris smarkiai padidėja, pasiekia šimtus amperų, ​​o įtampa iškrovos tarpelyje sumažėja iki kelių dešimčių voltų. Lankinį išlydį galima gauti iš žemos įtampos šaltinio, apeinant kibirkšties pakopą. Norėdami tai padaryti, elektrodai (pavyzdžiui, anglies) sujungiami, kol jie susiliečia, jie labai įkaista nuo elektros srovės, tada jie veisiami ir gaunami. elektros lankas(taip jį atrado rusų mokslininkas V.V. Petrovas). Esant atmosferos slėgiui, katodo temperatūra apytiksliai lygi 3900 K. Degant lankui anglies katodas aštrėja, o ant anodo susidaro įduba – krateris, kuris yra karščiausias lanko taškas.

Pagal šiuolaikines koncepcijas, lanko išlydis palaikomas dėl aukštos katodo temperatūros dėl intensyvios terminės emisijos, taip pat dėl ​​molekulių terminės jonizacijos dėl aukštos dujų temperatūros.

Lanko išlydis plačiai naudojamas nacionalinė ekonomika metalų suvirinimui ir pjovimui, aukštos kokybės plieno gavimui (lankinė krosnis), apšvietimui (prožektoriai, projekcinė įranga). Taip pat plačiai naudojamos lankinės lempos su gyvsidabrio elektrodais kvarciniuose cilindruose, kai išpumpuojant orą gyvsidabrio garuose susidaro lankinė iškrova. Gyvsidabrio garuose susidarantis lankas yra galingas ultravioletinės spinduliuotės šaltinis ir naudojamas medicinoje (pvz., kvarcinės lempos). Lanko iškrova ties žemas slėgis gyvsidabrio garuose naudojamas gyvsidabrio lygintuvuose kintamajai srovei ištaisyti.

4. korona iškrova - aukštos įtampos elektros iškrova, atsirandanti esant aukštam (pavyzdžiui, atmosferos) slėgiui nehomogeniškame lauke (pavyzdžiui, šalia elektrodų, kurių paviršius yra didelis kreivumas, adatinio elektrodo galas). Kai lauko stiprumas prie smaigalio pasiekia 30 kV/cm, aplink jį atsiranda į vainiką panašus švytėjimas, dėl kurio ir pavadintas tokio tipo iškrovimas.

Priklausomai nuo vainikinio elektrodo ženklo, išskiriama neigiama arba teigiama vainika. Esant neigiamai vainikai, elektronų, sukeliančių smūginę dujų molekulių jonizaciją, gamyba vyksta dėl jų emisijos iš katodo veikiant teigiamiems jonams, o esant teigiamai – dėl dujų jonizacijos šalia anodo. AT vivo korona atsiranda veikiant atmosferos elektrai laivų ar medžių stiebų viršūnėse (tuo pagrįstas žaibolaidžių veikimas). Šis reiškinys senovėje buvo vadinamas Šv.Elmo gaisrais. Kenksmingas vainiko poveikis aplink aukštos įtampos elektros linijų laidus yra nuotėkio srovių atsiradimas. Norint juos sumažinti, aukštos įtampos linijų laidai daromi stori. Koronos iškrova, būdama nenutrūkstama, taip pat tampa radijo trukdžių šaltiniu.

Korona iškrova naudojama valymui naudojamuose elektrostatiniuose nusodintuvuose pramoninės dujos nuo priemaišų. Išvalomos dujos juda iš apačios į viršų vertikaliame cilindre, kurio ašyje yra vainikinė viela. Jonai, esantys dideliais kiekiais išorinėje vainiko dalyje nešvarumai nusėda ant dalelių ir lauko nunešami į išorinį nekoroninį elektrodą ir nusėda ant jo. Koroninės iškrovos taip pat naudojamos dengiant miltelines ir dažų dangas.

ELEKTROSTATINIS LAUKAS

ELEKTROS LAUKO MAITINIMO LINIJOS

Remiantis šiuolaikinės fizikos sampratomis, vieno krūvio poveikis kitam perduodamas per elektrostatinis laukas - speciali be galo tempianti materiali aplinka, kurią aplink save sukuria kiekvienas įkrautas kūnas. Elektrostatinių laukų žmogaus pojūčiai aptikti negali. Tačiau lauke esantį krūvį veikia jėga, tiesiogiai proporcinga šio krūvio dydžiui. Nes jėgos kryptis priklauso nuo užtaiso ženklo, buvo sutarta naudoti vadinamąjį bandomasis mokestis q0. Tai teigiamas taškinis krūvis, kuris yra mus dominančiame elektros lauke. Atitinkamai, kaip lauko charakteristiką, patartina naudoti jėgos ir bandomojo krūvio vertės santykį q 0:

Ši kiekvieno lauko taško konstanta yra vektorinis dydis lygus jėgai veikiantis vienetinį teigiamą krūvį vadinamas įtampa . Taškinio krūvio q laukui, esančiam atstumu r nuo jo:

, (4)

Vektoriaus kryptis sutampa su bandomąjį krūvį veikiančios jėgos kryptimi. [E] = N / C arba V / m.

Dielektrinėje terpėje krūvių sąveikos jėga, taigi ir lauko stiprumas, sumažėja ε kartų:

, . (5)

Kai keli elektrostatiniai laukai yra vienas ant kito, gautas stiprumas nustatomas kaip kiekvieno lauko stiprių vektorinė suma (superpozicijos principas):

Grafiškai elektrinio lauko pasiskirstymas erdvėje pavaizduotas naudojant jėgos linijos . Šios linijos nubrėžtos taip, kad jų liestinės bet kuriame taške sutaptų su. Tai reiškia, kad jėgos, veikiančios krūvį, vektorius, taigi ir jo pagreičio vektorius, taip pat yra jėgos linijų liestinėse, kurios niekada ir niekur nesikerta. Elektrostatinio lauko jėgos linijų negalima uždaryti. Jie prasideda teigiamais ir baigiasi neigiamais krūviais arba eina į begalybę.