Elektrostatiskā lauka spēka līnijas. Elektriskā lauka līnijas

Vizuāli grafiskam lauka attēlojumam ir ērti izmantot spēka līnijas - virzītas līnijas, kuru pieskares katrā punktā sakrīt ar elektriskā lauka intensitātes vektora virzienu (233. att.).

Rīsi. 233
Saskaņā ar definīciju elektriskā lauka spēka līnijām ir virkne kopīgās īpašības(salīdziniet ar šķidruma straumlīniju īpašībām):
 1. spēka līnijas nekrustojas (pretējā gadījumā krustpunktā var konstruēt divas pieskares, tas ir, vienā punktā lauka intensitātei ir divas vērtības, kas ir absurdi).
2. Spēka līnijām nav līkumu (līknes punktā atkal var izveidot divas pieskares).
3. Elektrostatiskā lauka spēka līnijas sākas un beidzas uz lādiņiem.
Tā kā lauka stiprums tiek noteikts katrā telpiskajā punktā, tad spēka līniju var novilkt caur jebkuru telpisko punktu. Tāpēc spēka līniju skaits ir bezgalīgi liels. Līniju skaitu, kas tiek izmantots lauka attēlošanai, visbiežāk nosaka fiziķa-mākslinieka mākslinieciskā gaume. Dažos mācību līdzekļi ieteicams izveidot lauka līniju attēlu tā, lai to blīvums būtu lielāks tur, kur ir lielāks lauka stiprums. Šī prasība nav stingra un ne vienmēr izpildāma, tāpēc tiek novilktas spēka līnijas, kas atbilst formulētajām īpašībām 1 − 3 .
Ir ļoti viegli uzzīmēt lauka spēka līnijas, ko rada punktveida lādiņš. Šajā gadījumā spēka līnijas ir taisnu līniju kopums, kas rodas (pozitīvam) vai ienāk (negatīvam) lādiņa atrašanās vietas punktā (234. att.).

rīsi. 234
Šādas punktveida lādiņu lauku spēka līniju grupas parāda, ka lādiņi ir lauka avoti, pēc analoģijas ar šķidruma ātruma lauka avotiem un iegrimētājiem. Mēs vēlāk pierādīsim, ka spēka līnijas nevar sākties vai beigties punktos, kur nav lādiņu.
Reālu lauku lauka līniju attēlu var reproducēt eksperimentāli.
Ielejiet nelielu slāni zemā traukā rīcineļļa un ieber tajā nelielu porciju mannas. Ja eļļu ar graudaugiem ievieto elektrostatiskā laukā, tad mannas graudi (tiem ir nedaudz iegarena forma) pagriežas elektriskā lauka intensitātes virzienā un sastājas aptuveni pa spēka līnijām, pēc dažām desmitiem sekunžu kausā parādās elektriskā lauka spēka līniju attēls. Dažas no šīm "bildēm" ir attēlotas fotogrāfijās.
Ir iespējams veikt arī spēka līniju teorētisko aprēķinu un uzbūvi. Tiesa, šiem aprēķiniem ir nepieciešams milzīgs skaits aprēķinu, tāpēc tas ir reāli (un bez īpašs darbs) tiek veiktas, izmantojot datoru, visbiežāk šādas konstrukcijas tiek veiktas noteiktā plaknē.
Izstrādājot algoritmus lauka līniju modeļa aprēķināšanai, rodas vairākas problēmas, kas ir jāatrisina. Pirmā šāda problēma ir lauka vektora aprēķins. Elektrostatisko lauku gadījumā, ko rada noteikts lādiņu sadalījums, šī problēma tiek atrisināta, izmantojot Kulona likumu un superpozīcijas principu. Otra problēma ir atsevišķas līnijas izveides metode. Ideja par vienkāršāko algoritmu, kas atrisina šo problēmu, ir diezgan acīmredzama. Nelielā laukumā katra līnija praktiski sakrīt ar tās pieskari, tāpēc jums vajadzētu izveidot daudz segmentu, kas pieskaras spēka līnijām, tas ir, maza garuma segmenti l, kura virziens sakrīt ar lauka virzienu noteiktā punktā. Lai to izdarītu, vispirms ir jāaprēķina intensitātes vektora komponenti dots punkts E x, E y un šī vektora modulis E = √(E x 2 + E y 2 ). Tad var uzbūvēt neliela garuma segmentu, kura virziens sakrīt ar lauka intensitātes vektora virzienu. tā projekcijas uz koordinātu asīm aprēķina pēc formulām, kas izriet no att. 235:

rīsi. 235

Pēc tam jums vajadzētu atkārtot procedūru, sākot no konstruētā segmenta beigām. Protams, ieviešot šādu algoritmu, rodas arī citas problēmas, kas vairāk ir tehniska rakstura.
236. attēlā parādītas divu punktu lādiņu radīto lauku spēka līnijas.


rīsi. 236
Lādiņu zīmes ir norādītas, a) un b) attēlā lādiņi ir vienādi pēc moduļa, att. c), d) ir dažādi - kuru no tiem mēs piedāvājam noteikt patstāvīgāk. Katrā gadījumā pats nosakiet arī spēka līniju virzienus.
Interesanti atzīmēt, ka M. Faradejs elektriskā lauka spēka līnijas uzskatīja par reālām elastīgām caurulēm, kas savieno elektriskos lādiņus, šādi attēlojumi viņam ļoti palīdzēja prognozēt un izskaidrot daudzas fizikālās parādības.
Piekrītiet, ka lieliskajam M. Faradejam bija taisnība - ja jūs garīgi aizstājat līnijas ar elastīgām gumijas lentēm, mijiedarbības raksturs ir ļoti skaidrs.

Ostrogradska-Gausa teorēma, kuru mēs pierādīsim un apspriedīsim vēlāk, izveido saikni starp elektriskie lādiņi un elektriskais lauks. Tas ir vispārīgāks un elegantāks Kulona likuma formulējums.

Principā noteikta lādiņa sadalījuma radītā elektrostatiskā lauka stiprumu vienmēr var aprēķināt, izmantojot Kulona likumu. Kopējais elektriskais lauks jebkurā punktā ir visu lādiņu vektora summa (integrālais) ieguldījums, t.i.

Tomēr, izņemot lielāko daļu vienkārši gadījumi, ir ārkārtīgi grūti aprēķināt šo summu vai integrāli.

Šeit palīgā nāk Ostrogradska-Gausa teorēma, ar kuras palīdzību ir daudz vieglāk aprēķināt elektriskā lauka stiprumu, ko rada noteikts lādiņu sadalījums.

Ostrogradska-Gausa teorēmas galvenā vērtība ir tā, ka tā ļauj dziļāku izpratni par elektrostatiskā lauka būtību un nosaka vispārīgāks saistību starp lādiņu un lauku.

Bet pirms pāriet uz Ostrogradska-Gausa teorēmu, ir jāievieš jēdzieni: spēka līnijas elektrostatiskais lauks un spriedzes vektora plūsma elektrostatiskais lauks.

Lai aprakstītu elektrisko lauku, katrā lauka punktā jāiestata intensitātes vektors. To var izdarīt analītiski vai grafiski. Šim nolūkam viņi izmanto spēka līnijas- tās ir līnijas, kuru pieskare jebkurā lauka punktā sakrīt ar intensitātes vektora virzienu(2.1. att.).

Rīsi. 2.1

Spēka līnijai tiek piešķirts noteikts virziens - no pozitīva lādiņa uz negatīvu vai uz bezgalību.

Apsveriet lietu vienmērīgs elektriskais lauks.

Homogēns sauc par elektrostatisko lauku, kura intensitāte visos punktos ir vienāda pēc lieluma un virziena, t.i. Vienmērīgu elektrostatisko lauku attēlo paralēlas spēka līnijas, kas atrodas vienādā attālumā viena no otras (šāds lauks pastāv, piemēram, starp kondensatora plāksnēm) (2.2. att.).

Punkta lādiņa gadījumā spriedzes līnijas izplūst no pozitīvā lādiņa un iet uz bezgalību; un no bezgalības nonāk negatīvā lādiņā. Jo tad lauka līniju blīvums ir apgriezti proporcionāls attāluma kvadrātam no lādiņa. Jo tās sfēras virsmas laukums, caur kuru šīs līnijas iet, palielinās proporcionāli attāluma kvadrātam, tad kopējais skaits līnijas paliek nemainīgas jebkurā attālumā no lādiņa.

Lādiņu sistēmai, kā redzam, spēka līnijas ir vērstas no pozitīva lādiņa uz negatīvu (2.2. att.).

Rīsi. 2.2

2.3. attēlā arī parādīts, ka lauka līniju blīvums var kalpot kā vērtības indikators.

Lauka līniju blīvumam jābūt tādam, lai intensitātes vektoram normālu laukuma vienību šķērsotu tāds skaitlis, kas ir vienāds ar intensitātes vektora moduli, t.i.

Telpā, kas ieskauj lādiņu, kas ir avots, ir tieši proporcionāls šī lādiņa lielumam un apgriezti attāluma kvadrātam no šī lādiņa. Elektriskā lauka virziens saskaņā ar pieņemtajiem noteikumiem vienmēr ir no pozitīva lādiņa uz negatīvu lādiņu. To var attēlot tā, it kā testa lādiņš tiktu novietots avota elektriskā lauka telpā, un šis testa lādiņš vai nu atgrūdīs, vai piesaistīs (atkarībā no lādiņa zīmes). Elektrisko lauku raksturo stiprums , ko kā vektora lielumu var attēlot grafiski kā bultiņu ar garumu un virzienu. Jebkurā vietā bultiņas virziens norāda elektriskā lauka intensitātes virzienu E, vai vienkārši - lauka virziens, un bultiņas garums ir proporcionāls elektriskā lauka intensitātes skaitliskajai vērtībai šajā vietā. Jo tālāk telpas apgabals atrodas no lauka avota (maks J), jo mazāks ir intensitātes vektora garums. Turklāt vektora garums samazinās līdz ar attālumu līdz n reizes no kādas vietas iekšā n 2 reizes, tas ir, apgriezti proporcionāls kvadrātam.

Noderīgāks līdzeklis elektriskā lauka vektora rakstura vizualizācijai ir izmantot tādu jēdzienu kā spēka līnijas vai vienkārši tās. Tā vietā, lai attēlotu neskaitāmas vektoru bultiņas telpā, kas ieskauj avota lādiņu, izrādījās lietderīgi tās apvienot līnijās, kur paši vektori pieskaras punktiem šādās līnijās.

Rezultātā veiksmīgi izmanto, lai attēlotu elektriskā lauka vektora attēlu elektriskā lauka līnijas, kas atstāj pozitīvas zīmes lādiņus un ievada lādiņus negatīva zīme, kā arī paplašināties līdz bezgalībai telpā. Šis attēlojums ļauj ar prātu redzēt cilvēka acij neredzamo elektrisko lauku. Tomēr šis attēlojums ir ērts arī gravitācijas spēki un jebkura cita bezkontakta liela attāluma mijiedarbība.

Elektrisko lauka līniju modelī ir iekļauts bezgalīgs skaits to, bet pārāk liels lauka līniju attēla blīvums samazina spēju nolasīt lauka modeļus, tāpēc to skaitu ierobežo lasāmība.

Elektriskā lauka līniju zīmēšanas noteikumi

Šādu elektropārvades līniju modeļu sastādīšanai ir daudz noteikumu. Visi šie noteikumi ir paredzēti, lai sniegtu visvairāk informācijas, vizualizējot (zīmējot) elektrisko lauku. Viens veids ir attēlot lauka līnijas. Viens no visizplatītākajiem veidiem ir ieskauj vairāk uzlādētu objektu. liels daudzums līnijas, tas ir, lielāks līniju blīvums. Objekti ar lielu lādiņu rada spēcīgākus elektriskos laukus un tāpēc līniju blīvums (blīvums) ap tiem ir lielāks. Jo tuvāk lādiņam ir avots, jo lielāks ir lauka līniju blīvums, un jo lielāks lādiņš, jo biezākas ir līnijas ap to.

Otrais elektriskā lauka līniju zīmēšanas noteikums ietver cita veida līniju zīmēšanu, piemēram, tās, kas krusto pirmās spēka līnijas. perpendikulāri. Šāda veida līnija tiek saukta ekvipotenciāla līnijas, un tilpuma attēlojuma gadījumā jārunā par ekvipotenciālu virsmām. Šāda veida līnija veido slēgtas kontūras, un katrs punkts uz šādas ekvipotenciāla līnijas ir vienāda vērtība lauka potenciāls. Kad kāda uzlādēta daļiņa šķērso šādu perpendikulāru spēka līnijas līnijas (virsmas), tad viņi runā par lādiņa paveikto darbu. Ja lādiņš pārvietojas pa ekvipotenciālu līnijām (virsmām), tad, lai arī kustas, darbs netiek veikts. Iekšā uzlādēta daļiņa elektriskais lauks sāk kustēties cits lādiņš, bet statiskajā elektrībā tiek ņemti vērā tikai fiksētie lādiņi. Par lādiņu kustību sauc elektrošoks, savukārt darbu var veikt lādiņu nesējs.

Ir svarīgi to atcerēties elektriskā lauka līnijas nekrustojas, un cita veida līnijas - ekvipotenciāls, veido slēgtas cilpas. Vietā, kur krustojas divu veidu taisnes, šo līniju pieskares ir savstarpēji perpendikulāras. Tādējādi tiek iegūts kaut kas līdzīgs izliektam koordinātu režģim jeb režģim, kura šūnas, kā arī līniju krustošanās punkti dažādi veidi raksturo elektrisko lauku.

Pārtrauktās līnijas ir ekvipotenciālas. Līnijas ar bultām - elektriskā lauka līnijas

Elektriskais lauks, kas sastāv no diviem vai vairākiem lādiņiem

Par vientuļajiem individuālajiem maksājumiem elektriskā lauka līnijas pārstāvēt radiālie stari izceļoties no lādiņiem un nonākot bezgalībā. Kāda būs lauka līniju konfigurācija divām vai vairākām uzlādēm? Lai veiktu šādu modeli, jāatceras, ka mums ir darīšana ar vektoru lauku, tas ir, ar elektriskā lauka intensitātes vektoriem. Lai attēlotu lauka modeli, mums ir jāpievieno intensitātes vektori no diviem vai vairākiem lādiņiem. Iegūtie vektori attēlos vairāku lādiņu kopējo lauku. Kā šajā gadījumā var novilkt spēka līnijas? Ir svarīgi atcerēties, ka katrs lauka līnijas punkts ir viens punkts kontakts ar elektriskā lauka intensitātes vektoru. Tas izriet no pieskares definīcijas ģeometrijā. Ja no katra vektora sākuma mēs izveidojam perpendikulu garu līniju veidā, tad daudzu šādu līniju savstarpējais krustojums attēlos ļoti vēlamo spēka līniju.

Lai precīzāk matemātiski algebriski attēlotu spēka līnijas, ir jāsastāda spēka līniju vienādojumi, un vektori šajā gadījumā attēlos pirmos atvasinājumus, pirmās kārtas līnijas, kas ir pieskares. Šāds uzdevums dažkārt ir ārkārtīgi sarežģīts un prasa datora aprēķinus.

Pirmkārt, ir svarīgi atcerēties, ka elektrisko lauku no daudziem lādiņiem attēlo katra lādiņa avota intensitātes vektoru summa. Tas ir pamats veikt lauka līniju konstruēšanu, lai vizualizētu elektrisko lauku.

Katrs elektriskajā laukā ievadītais lādiņš izraisa izmaiņas, pat ja tās ir nenozīmīgas, lauka līniju modelī. Šādi attēli dažreiz ir ļoti pievilcīgi.

Elektriskā lauka līnijas kā veids, kā palīdzēt prātam redzēt realitāti

Elektriskā lauka jēdziens radās, kad zinātnieki mēģināja izskaidrot liela attāluma darbību, kas notiek starp uzlādētiem objektiem. Elektriskā lauka jēdzienu pirmo reizi ieviesa 19. gadsimta fiziķis Maikls Faradejs. Tas bija Maikla Faradeja uztveres rezultāts neredzamā realitāte tālsatiksmes darbību raksturojošu spēka līniju attēla veidā. Faradejs nedomāja viena lādiņa ietvaros, bet gāja tālāk un paplašināja prāta robežas. Viņš ierosināja, ka uzlādēts objekts (vai masa gravitācijas gadījumā) ietekmē telpu un ieviesa šādas ietekmes lauka jēdzienu. Ņemot vērā šādus laukus, viņš spēja izskaidrot lādiņu uzvedību un tādējādi atklāja daudzus elektrības noslēpumus.

Ir skalārie un vektoru lauki (mūsu gadījumā vektoru lauks būs elektrisks). Attiecīgi tos modelē pēc koordinātu skalārās vai vektora funkcijām, kā arī laika.

Skalāro lauku apraksta ar φ formas funkciju. Šādus laukus var vizualizēt, izmantojot viena līmeņa virsmas: φ (x, y, z) = c, c = const.

Definēsim vektoru, kas ir vērsts uz funkcijas φ maksimālo pieaugumu.

Šī vektora absolūtā vērtība nosaka funkcijas φ izmaiņu ātrumu.

Acīmredzot skalārais lauks ģenerē vektora lauku.

Šādu elektrisko lauku sauc par potenciālu, un funkciju φ sauc par potenciālu. Viena līmeņa virsmas sauc par ekvipotenciālām virsmām. Piemēram, apsveriet elektrisko lauku.

Lauku vizuālai attēlošanai tiek veidotas tā sauktās elektriskā lauka līnijas. Tos sauc arī par vektoru līnijām. Tās ir līnijas, kuru pieskares punktā norāda elektriskā lauka virzienu. Līniju skaits, kas iet caur vienības virsmu, ir proporcionāls vektora absolūtajai vērtībai.

Ieviesīsim vektora diferenciāļa jēdzienu pa kādu taisni l. Šis vektors ir vērsts tangenciāli uz taisni l un absolūtā vērtībā ir vienāds ar diferenciāli dl.

Dots kāds elektriskais lauks, kas jāattēlo kā spēka lauka līnijas. Citiem vārdiem sakot, definēsim vektora stiepes (saspiešanas) koeficientu k tā, lai tas sakristu ar diferenciāli. Pielīdzinot diferenciāļa un vektora komponentus, iegūstam vienādojumu sistēmu. Pēc integrācijas iespējams konstruēt spēka līniju vienādojumu.

Vektora analīzē ir darbības, kas sniedz informāciju par to, kuras elektriskā lauka līnijas atrodas konkrētā gadījumā. Ieviesīsim jēdzienu “vektorplūsma” uz virsmas S. Formālajai plūsmas Ф definīcijai ir šāda forma: vērtību uzskata par parastās diferenciāles ds reizinājumu ar virsmas normālvektoru s. . Vienības vektors ir izvēlēts tā, lai tas noteiktu virsmas ārējo normālu.

Ir iespējams izdarīt analoģiju starp lauka plūsmas un vielas plūsmas jēdzienu: viela laika vienībā iet caur virsmu, kas savukārt ir perpendikulāra lauka plūsmas virzienam. Ja spēka līnijas iziet no virsmas S, tad plūsma ir pozitīva, un, ja tās neiziet, tad tā ir negatīva. Kopumā plūsmu var novērtēt pēc spēka līniju skaita, kas nāk no virsmas. No otras puses, plūsmas lielums ir proporcionāls lauka līniju skaitam, kas iekļūst virsmas elementā.

Vektora funkcijas novirzi aprēķina punktā, kura josla ir tilpums ΔV. S ir virsma, kas aptver tilpumu ΔV. Diverģences operācija ļauj raksturot telpas punktus lauka avotu klātbūtnei tajā. Kad virsma S tiek saspiesta līdz punktam P, elektriskā lauka līnijas, kas iekļūst virsmā, paliks tādā pašā daudzumā. Ja telpas punkts nav lauka avots (noplūde vai nogrimšana), tad, kad virsma ir saspiesta līdz šim punktam, spēka līniju summa, sākot no noteikta brīža, ir vienāda ar nulli (skaits līnijas, kas nonāk virsmā S, ir vienāds ar līniju skaitu, kas izplūst no šīs virsmas).

Slēgtā cikla integrālis L rotora darbības definīcijā sauc par elektrības cirkulāciju pa kontūru L. Rotora darbība raksturo lauku kādā telpas punktā. Rotora virziens nosaka slēgtā lauka plūsmas lielumu ap doto punktu (rotors raksturo lauka virpuli) un tā virzienu. Pamatojoties uz rotora definīciju, veicot vienkāršas transformācijas, ir iespējams aprēķināt elektrības vektora projekcijas Dekarta koordinātu sistēmā, kā arī elektriskā lauka līnijas.

ELEKTROSTATISKAIS LAUKS

elektrostatiskais lauks izmēģinājuma maksa q0

spriedze

, (4)

, . (5)

spēka līnijas

ELEKTROSTATISKĀ LAUKA SPĒKU DARBĪBA. POTENCIĀLS

Elektriskais lauks, tāpat kā gravitācijas lauks, ir potenciāls. Tie. elektrostatisko spēku veiktais darbs nav atkarīgs no tā, kādā maršrutā lādiņš q tiek pārvietots elektriskajā laukā no punkta 1 uz punktu 2. Šis darbs ir vienāds ar potenciālo enerģiju starpību, kāda ir pārvietotajam lādiņam sākuma un beigu punktā. lauks:

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

Var parādīt, ka lādiņa q potenciālā enerģija ir tieši proporcionāla šī lādiņa lielumam. Tāpēc kā elektrostatiskā lauka enerģijas raksturlielums tiek izmantota jebkurā lauka punktā novietota testa lādiņa q 0 potenciālās enerģijas attiecība pret šī lādiņa vērtību:

Šī vērtība ir potenciālās enerģijas daudzums uz pozitīvā lādiņa vienību, un to sauc lauka potenciāls noteiktā punktā. [φ] = J / C = V (volts).

Ja pieņemam, ka lādiņam q 0 noņemot līdz bezgalībai (r → ∞), tā potenciālā enerģija lādiņa q laukā izzūd, tad punktveida lādiņa q lauka potenciāls attālumā r no tā:

. (9)

Ja lauku veido punktveida lādiņu sistēma, tad iegūtā lauka potenciāls ir vienāds ar katra no tiem potenciālu algebrisko (ieskaitot zīmes) summu:

. (10)

No potenciāla (8) un izteiksmes (7) definīcijas, darbs, ko veic elektrostatiskā lauka spēki, lai pārvietotu lādiņu no

punktu no 1. līdz 2. punktam var attēlot šādi:

ELEKTROSTRAVA GĀZĒS

NEPAŠGĀZES IZLĀDE

Gāzes ne pārāk augstā temperatūrā un spiedienā tuvu atmosfēras spiedienam ir labi izolatori. Ja ievieto sausā atmosfēras gaiss, uzlādēts elektrometrs, tad tā lādiņš ilgu laiku paliek nemainīgs. Tas izskaidrojams ar to, ka gāzes normālos apstākļos sastāv no neitrāliem atomiem un molekulām un nesatur brīvos lādiņus (elektronus un jonus). Gāze kļūst par elektrības vadītāju tikai tad, kad dažas tās molekulas ir jonizētas. Jonizācijai gāze jāpakļauj kāda veida jonizatoram: piemēram, elektriskā izlāde, rentgenstari, starojums vai UV starojums, sveces liesma utt. (pēdējā gadījumā gāzes elektrisko vadītspēju izraisa karsēšana).

Kad gāzes tiek jonizētas, tās izplūst no ārējās vides elektronu apvalks viena vai vairāku elektronu atoms vai molekula, kā rezultātā rodas brīvie elektroni un pozitīvie joni. Elektroni var pievienoties neitrālām molekulām un atomiem, pārvēršot tos negatīvos jonos. Tāpēc jonizētā gāzē ir pozitīvi un negatīvi lādēti joni un brīvie elektroni. E elektrisko strāvu gāzēs sauc par gāzes izlādi. Tādējādi strāvu gāzēs rada gan zīmju, gan elektronu joni. Gāzes izlāde ar šādu mehānismu tiks pavadīta ar vielas pārnesi, t.i. jonizētās gāzes ir otrā veida vadītāji.

Lai no molekulas vai atoma atrautu vienu elektronu, nepieciešams veikt noteiktu darbu A un, t.i. tērēt nedaudz enerģijas. Šo enerģiju sauc jonizācijas enerģija , kuras vērtības atomiem dažādas vielas atrodas 4–25 eV robežās. Kvantitatīvi jonizācijas procesu parasti raksturo daudzums, ko sauc jonizācijas potenciāls :

Vienlaicīgi ar jonizācijas procesu gāzē vienmēr notiek apgriezts process – rekombinācijas process: pozitīvie un negatīvie joni jeb pozitīvie joni un elektroni, satiekas, rekombinējas savā starpā, veidojot neitrālus atomus un molekulas. Jo vairāk jonu parādās jonizatora iedarbībā, jo intensīvāks ir rekombinācijas process.

Stingri sakot, gāzes elektriskā vadītspēja nekad nav vienāda ar nulli, jo tajā vienmēr ir brīvi lādiņi, kas rodas uz Zemes virsmas esošo radioaktīvo vielu starojuma darbības rezultātā, kā arī no kosmiskā starojuma. Jonizācijas intensitāte šo faktoru ietekmē ir zema. Šī nelielā gaisa elektriskā vadītspēja ir iemesls elektrificētu ķermeņu lādiņu noplūdei, pat ja tie ir labi izolēti.

Gāzes izlādes raksturu nosaka gāzes sastāvs, tās temperatūra un spiediens, izmēri, elektrodu konfigurācija un materiāls, kā arī pielietotais spriegums un strāvas blīvums.

Apskatīsim ķēdi, kurā ir gāzes sprauga (att.), kas pakļauta nepārtrauktai, nemainīgas intensitātes jonizatora darbībai. Jonizatora darbības rezultātā gāze iegūst zināmu elektrovadītspēju un ķēdē plūdīs strāva. Attēlā parādīti divu jonizatoru strāvas-sprieguma raksturlielumi (strāvas atkarība no pielietotā sprieguma). Performance
(jonizatora radīto jonu pāru skaits gāzes spraugā 1 sekundē) otrā jonizatora ir lielāks nekā pirmā. Mēs pieņemsim, ka jonizatora veiktspēja ir nemainīga un vienāda ar n 0 . Pie ne pārāk zema spiediena gandrīz visus atdalītos elektronus uztver neitrālas molekulas, veidojot negatīvi lādētus jonus. Ņemot vērā rekombināciju, mēs pieņemam, ka abu zīmju jonu koncentrācijas ir vienādas un vienādas ar n. Dažādu zīmju jonu vidējie dreifēšanas ātrumi elektriskajā laukā ir atšķirīgi: , . b - un b + ir gāzes jonu kustīgums. Tagad par I reģionu, ņemot vērā (5), mēs varam rakstīt:

Kā redzams, I reģionā, palielinoties spriegumam, strāva palielinās, jo palielinās dreifēšanas ātrums. Palielinoties to ātrumam, rekombinējošo jonu pāru skaits samazināsies.

II reģions - piesātinājuma strāvas reģions - visi jonizatora radītie joni sasniedz elektrodus bez laika rekombinācijai. Piesātinājuma strāvas blīvums

j n = q n 0 d, (28)

kur d ir gāzes spraugas platums (attālums starp elektrodiem). Kā redzams no (28), piesātinājuma strāva ir jonizatora jonizējošās iedarbības mērs.

Pie sprieguma, kas lielāks par U p p (III apgabals), elektronu ātrums sasniedz tādu vērtību, ka, saduroties ar neitrālām molekulām, tie spēj izraisīt triecienjonizāciju. Rezultātā veidojas papildu An 0 jonu pāri. Vērtību A sauc par gāzes pastiprināšanas koeficientu . III reģionā šis koeficients nav atkarīgs no n 0, bet ir atkarīgs no U. Tādējādi. lādiņš, kas sasniedz elektrodus pie nemainīgas U, ir tieši proporcionāls jonizatora veiktspējai - n 0 un spriegumam U. Šī iemesla dēļ III reģionu sauc par proporcionālo reģionu. U pr - proporcionalitātes slieksnis. Gāzes pastiprināšanas koeficientam A ir vērtības no 1 līdz 10 4 .

IV apgabalā, daļējas proporcionalitātes reģionā, gāzes ieguvums sāk būt atkarīgs no n 0. Šī atkarība palielinās, palielinoties U. Strāva strauji palielinās.

Sprieguma diapazonā 0 ÷ U g strāva gāzē pastāv tikai tad, kad darbojas jonizators. Ja jonizatora darbība tiek pārtraukta, tad arī izlāde apstājas. Izlādes, kas pastāv tikai ārējo jonizatoru iedarbībā, sauc par pašpietiekamām.

Spriegums U g ir apgabala, Geigera apgabala, slieksnis, kas atbilst stāvoklim, kad process gāzes spraugā nepazūd arī pēc jonizatora izslēgšanas, t.i. izlāde iegūst neatkarīgas izlādes raksturu. Primārie joni tikai stimulē gāzu izlādes rašanos. Šajā reģionā es jau iegūstu spēju jonizēt abu zīmju masīvus jonus. Strāvas stiprums nav atkarīgs no n 0 .

VI zonā spriegums ir tik augsts, ka izlāde, tiklīdz tā ir notikusi, vairs neapstājas - nepārtrauktas izlādes zona.

NEATKARĪGA GĀZES IZLĀDE UN TĀS VEIDI

Izlāde gāzē, kas saglabājas pēc ārējā jonizatora darbības pārtraukšanas, tiek saukta par neatkarīgu.

Apskatīsim neatkarīgas izlādes rašanās nosacījumus. Pie augsta sprieguma (V–VI apgabali) elektroni, kas rodas ārēja jonizatora iedarbībā un tiek spēcīgi paātrināti elektriskā lauka ietekmē, saduras ar neitrālām gāzes molekulām un jonizē tās. Tā rezultātā veidojas sekundārie elektroni un pozitīvie joni. (1. process 158. attēlā). Pozitīvie joni virzās uz katodu un elektroni virzās uz anodu. Sekundārie elektroni atkal jonizē gāzes molekulas, un līdz ar to kopējais elektronu un jonu skaits palielināsies, elektroniem virzoties uz anodu kā lavīnu. Tas ir iemesls elektriskās strāvas pieaugumam (sk. V att. apgabalu). Aprakstīto procesu sauc par triecienjonizāciju.

Tomēr ar trieciena jonizāciju elektronu iedarbībā nepietiek, lai saglabātu izlādi, kad ārējais jonizators tiek noņemts. Šim nolūkam ir nepieciešams, lai elektronu lavīnas tiktu "reproducētas", t.i., lai gāzē kādu procesu ietekmē rastos jauni elektroni. Šādi procesi shematiski parādīti attēlā. 158: Lauka paātrinātie pozitīvie joni, atsitoties pret katodu, izsit no tā elektronus (2. process); Pozitīvie joni, saduroties ar gāzes molekulām, pārnes tos ierosinātā stāvoklī, šādu molekulu pāreju normālā stāvoklī pavada fotona emisija (3. process); Neitrālas molekulas absorbēts fotons to jonizē, notiek tā sauktais molekulu fotonu jonizācijas process (4. process); Elektronu izsitšana no katoda fotonu iedarbībā (5. process).

Visbeidzot, pie ievērojamiem spriegumiem starp gāzes spraugas elektrodiem, pienāk brīdis, kad pozitīvie joni, kuru vidējais brīvais ceļš ir īsāks nekā elektroniem, iegūst enerģiju, kas ir pietiekama, lai jonizētu gāzes molekulas (6. process), un jonu lavīnas steidzas uz negatīvo. plāksne. Ja papildus elektronu lavīnām notiek arī jonu lavīnas, strāva palielinās gandrīz nepalielinot spriegumu (VI apgabals attēlā).

Aprakstīto procesu rezultātā jonu un elektronu skaits gāzes tilpumā palielinās kā lavīna, un izlāde kļūst neatkarīga, t.i., tā turpinās arī pēc ārējā jonizatora darbības pārtraukšanas. Spriegumu, pie kura notiek pašizlāde, sauc par pārrāvuma spriegumu. Gaisa gadījumā tas ir aptuveni 30 000 voltu uz katru attāluma centimetru.

Atkarībā no gāzes spiediena, elektrodu konfigurācijas un ārējās ķēdes parametriem var runāt par četriem neatkarīgas izlādes veidiem: spīdumu, dzirksteles, loka un korona.

1. Kūpoša izlāde. Rodas zemā spiedienā. Ja elektrodiem, kas lodēti stikla caurulē 30 ÷ 50 cm garumā, tiek pielikts pastāvīgs vairāku simtu voltu spriegums, pakāpeniski izsūknējot gaisu no caurules, tad pie spiediena ≈ 5,3 ÷ 6,7 kPa notiek izlāde. kvēlojošs sarkanīgs tinuma vads, kas iet no katoda uz anodu. Turpinot samazināt spiedienu, vads sabiezē, un pie spiediena ≈ 13 Pa izlādei ir tāda forma, kas shematiski parādīta attēlā.

Tieši blakus katodam ir plāns gaismas slānis 1 - pirmais katoda spīdums vai katoda plēve, pēc tam seko tumšs slānis 2 - katoda tumšā telpa, kas tālāk pāriet gaismas slānī 3 - gruzdošs spīdums ar asu robežu. katoda pusē, pakāpeniski izzūdot no anoda puses. Tas rodas no elektronu rekombinācijas ar pozitīvajiem joniem. Smēķējošo mirdzumu robežojas ar tumšu atstarpi 4 — Faradeja tumšo telpu, kam seko jonizētas gaismas gāzes kolonna 5 — pozitīva kolonna. Pozitīvajai kolonnai nav nozīmīgas lomas izlādes uzturēšanā. Piemēram, samazinoties attālumam starp caurules elektrodiem, tās garums saīsinās, savukārt izlādes katoda daļas paliek nemainīgas pēc formas un izmēra. Kvēlizlādes gadījumā tikai divas tās daļas ir īpaši svarīgas tās uzturēšanai: katoda tumšā telpa un mirdzošais spīdums. Katoda tumšajā telpā notiek spēcīgs elektronu un pozitīvo jonu paātrinājums, izsitot elektronus no katoda (sekundārā emisija). Kūpošās luminiscences zonā notiek gāzes molekulu triecienjonizācija ar elektroniem. Šajā gadījumā izveidotie pozitīvie joni steidzas uz katodu un izsit no tā jaunus elektronus, kas savukārt atkal jonizē gāzi utt. Tādā veidā nepārtraukti tiek uzturēta kvēlizlāde.

Turpinot iztukšot cauruli pie spiediena ≈ 1,3 Pa, gāzes mirdzums vājinās un caurules sienas sāk spīdēt. Pozitīvo jonu no katoda izsisti elektroni tik reti saduras ar gāzes molekulām pie šādas retināšanas un tāpēc lauka paātrināti, atsitoties pret stiklu, izraisa tā mirdzumu, tā saukto katodoluminiscenci. Šo elektronu plūsmu vēsturiski sauca par katoda stariem.

Kvēlizlāde tiek plaši izmantota tehnoloģijā. Tā kā pozitīvās kolonnas mirdzumam ir katrai gāzei raksturīga krāsa, to izmanto gāzes gaismas lampās gaismas uzrakstiem un reklāmām (piemēram, neona izlādes lampas dod sarkanu mirdzumu, argona caurules - zilgani zaļu). Luminiscences spuldzēs, kas ir ekonomiskākas par kvēlspuldzēm, dzīvsudraba tvaikos notiekošo kvēlizlādes starojumu absorbē uz caurules iekšējās virsmas nogulsnējusi fluorescējoša viela (luminofors), kas absorbētā starojuma ietekmē sāk spīdēt. Luminiscences spektrs ar atbilstošu fosfora izvēli ir tuvs saules starojuma spektram. Kvēlizlāde tiek izmantota metālu katoda pārklāšanai. Katoda viela pozitīvo jonu bombardēšanas rezultātā izlādējas, spēcīgi uzkarsējot, pāriet tvaika stāvoklī. Novietojot dažādus priekšmetus katoda tuvumā, tos var pārklāt ar vienmērīgu metāla slāni.

2. Dzirksteles izlāde. Rodas pie liela elektriskā lauka stipruma (≈ 3·10 6 V/m) gāzē zem atmosfēras spiediena. Dzirkstelei ir spilgti mirdzoša plāna kanāla izskats, kas ir sarežģīti izliekts un sazarots.

Dzirksteles izlādes skaidrojums sniegts, pamatojoties uz straumēšanas teoriju, saskaņā ar kuru pirms spilgti gaismas dzirksteļu kanāla parādīšanās parādās vāji gaismas jonizētas gāzes uzkrājumi. Šīs kopas sauc par straumētājiem. Streamers rodas ne tikai elektronu lavīnu veidošanās rezultātā triecienjonizācijas rezultātā, bet arī gāzes fotonu jonizācijas rezultātā. Lavīnas, dzenoties viena otrai, veido vadošus strēmeru tiltus, pa kuriem nākamajos laika mirkļos steidzas spēcīgas elektronu plūsmas, veidojot dzirksteļu izlādes kanālus. Tā kā aplūkojamo procesu laikā izdalās liels enerģijas daudzums, gāze dzirksteles spraugā tiek uzkarsēta līdz ļoti augstai temperatūrai (apmēram 10 4 K), kas noved pie tās spīduma. Gāzes straujā uzkarsēšana izraisa spiediena palielināšanos un triecienviļņus, kas izskaidro dzirksteļaizlādes skaņas efektus - raksturīgo sprakšķēšanu vājās izlādes gadījumā un spēcīgu pērkonu zibens gadījumā, kas ir spēcīgas dzirksteles izlādes piemērs. starp negaisa mākoni un Zemi vai starp diviem negaisa mākoņiem.

Dzirksteles izlādi izmanto, lai aizdedzinātu degmaisījumu iekšdedzes dzinējos un aizsargātu elektropārvades līnijas no pārsprieguma (dzirksteļspraugas). Ar nelielu izlādes spraugas garumu dzirksteļizlāde izraisa metāla virsmas iznīcināšanu (eroziju), tāpēc tiek izmantota metālu elektrodzirksteļdzirksteļu precīzai apstrādei (griešana, urbšana). To izmanto spektrālajā analīzē, lai reģistrētu uzlādētas daļiņas (dzirksteļu skaitītājus).

3. Loka izlāde. Ja pēc dzirksteļizlādes aizdedzes no spēcīga avota attālums starp elektrodiem pakāpeniski tiek samazināts, tad izlāde kļūst nepārtraukta - notiek loka izlāde. Šajā gadījumā strāvas stiprums strauji palielinās, sasniedzot simtiem ampēru, un spriegums izlādes spraugā samazinās līdz vairākiem desmitiem voltu. Loka izlādi var iegūt no zemsprieguma avota, apejot dzirksteles pakāpi. Lai to izdarītu, elektrodi (piemēram, oglekļa) tiek savesti kopā, līdz tie saskaras, tie ir ļoti karsti ar elektrisko strāvu, pēc tam tiek audzēti un iegūti. elektriskā loka(tā to atklāja krievu zinātnieks V.V. Petrovs). Pie atmosfēras spiediena katoda temperatūra ir aptuveni vienāda ar 3900 K. Lokam degot, oglekļa katods saasinās, un uz anoda veidojas ieplaka - krāteris, kas ir loka karstākais punkts.

Saskaņā ar mūsdienu koncepcijām loka izlāde tiek uzturēta katoda augstās temperatūras dēļ intensīvas termiskās emisijas dēļ, kā arī molekulu termiskā jonizācija gāzes augstās temperatūras dēļ.

Loka izlāde tiek plaši izmantota tautsaimniecība metālu metināšanai un griešanai, augstas kvalitātes tēraudu iegūšanai (loka krāsns), apgaismojumam (prožektori, projekcijas iekārtas). Plaši tiek izmantotas arī loka lampas ar dzīvsudraba elektrodiem kvarca cilindros, kur dzīvsudraba tvaikos, izsūknējot gaisu, rodas loka izlāde. Dzīvsudraba tvaikos radītais loks ir spēcīgs ultravioletā starojuma avots un tiek izmantots medicīnā (piemēram, kvarca lampas). Loka izlāde plkst zems spiediens dzīvsudraba tvaikos izmanto dzīvsudraba taisngriežos, lai iztaisnotu maiņstrāvu.

4. korona izlāde - augstsprieguma elektriskā izlāde, kas rodas pie augsta (piemēram, atmosfēras) spiediena neviendabīgā laukā (piemēram, pie elektrodiem ar lielu virsmas izliekumu, adatas elektroda gals). Kad lauka intensitāte gala tuvumā sasniedz 30 kV/cm, ap to parādās koronai līdzīgs spīdums, kas ir iemesls šāda veida izlādes nosaukumam.

Atkarībā no korona elektroda zīmes izšķir negatīvu vai pozitīvu vainagu. Negatīvās koronas gadījumā elektronu veidošanās, kas izraisa gāzes molekulu triecienjonizāciju, notiek to emisijas dēļ no katoda pozitīvo jonu iedarbībā, pozitīvas koronas gadījumā gāzes jonizācijas dēļ anoda tuvumā. AT vivo korona rodas atmosfēras elektrības ietekmē kuģu vai koku mastu galotnēs (uz to balstās zibensnovedēju darbība). Šo parādību senatnē sauca par Svētā Elmo ugunsgrēkiem. Koronas kaitīgā ietekme ap augstsprieguma elektrolīniju vadiem ir noplūdes strāvu rašanās. Lai tos samazinātu, augstsprieguma līniju vadi tiek izgatavoti biezi. Korona izlāde, kas ir pārtraukta, kļūst arī par radio traucējumu avotu.

Korona izlādi izmanto elektrostatiskajos nogulsnēs, ko izmanto tīrīšanai rūpnieciskās gāzes no piemaisījumiem. Attīrāmā gāze virzās no apakšas uz augšu vertikālā cilindrā, pa kura asi atrodas vainaga stieple. Joni, kas atrodas lielā skaitā koronas ārējā daļā piemaisījumi nosēžas uz daļiņām un ar lauku tiek aiznesti uz ārējo nekorona elektrodu un nosēžas uz tā. Korona izlādi izmanto arī pulvera un krāsas pārklājumu uzklāšanai.

ELEKTROSTATISKAIS LAUKS

ELEKTRISKĀ LAUKA DARBĪBAS LĪNIJAS

Saskaņā ar mūsdienu fizikas jēdzieniem viena lādiņa ietekme uz otru tiek pārraidīta caur elektrostatiskais lauks - īpaša bezgalīgi stiepšanās materiālā vide, ko katrs uzlādēts ķermenis rada ap sevi. Elektrostatiskos laukus nevar noteikt ar cilvēka maņām. Tomēr laukā novietotu lādiņu ietekmē spēks, kas ir tieši proporcionāls šī lādiņa lielumam. Jo spēka virziens ir atkarīgs no lādiņa zīmes, vienojās izmantot t.s izmēģinājuma maksa q0. Tas ir pozitīvs, punktveida lādiņš, kas tiek novietots mums interesējošā punktā elektriskā laukā. Attiecīgi kā lauka raksturlielumu ir ieteicams izmantot spēka attiecību pret testa lādiņa vērtību q 0:

Šī konstante katram lauka punktam ir vektora lielums vienāds ar spēku iedarbojoties uz vienības pozitīvu lādiņu sauc spriedze . Punkta lādiņa q laukam attālumā r no tā:

, (4)

Vektora virziens sakrīt ar spēka virzienu, kas iedarbojas uz izmēģinājuma lādiņu. [E] = N / C vai V / m.

Dielektriskā vidē lādiņu mijiedarbības spēks un līdz ar to arī lauka intensitāte samazinās par ε reizes:

, . (5)

Ja vairāki elektrostatiskie lauki ir uzlikti viens otram, iegūtais stiprums tiek noteikts kā katra lauka stiprumu vektora summa (superpozīcijas princips):

Grafiski elektriskā lauka sadalījums telpā ir attēlots, izmantojot spēka līnijas . Šīs līnijas ir novilktas tā, lai to pieskares jebkurā punktā sakristu ar. Tas nozīmē, ka spēka vektors, kas iedarbojas uz lādiņu, un līdz ar to arī tā paātrinājuma vektors atrodas uz pieskarēm spēka līnijām, kuras nekad un nekur nekrustojas. Elektrostatiskā lauka spēka līnijas nevar aizvērt. Tie sākas ar pozitīvu un beidzas ar negatīviem lādiņiem vai aiziet līdz bezgalībai.