Linie sił pola elektrostatycznego. Linie pola elektrycznego

Do wizualnego graficznego przedstawienia pola wygodnie jest użyć linii siły - linii skierowanych, których styczne w każdym punkcie pokrywają się z kierunkiem wektora natężenia pola elektrycznego (ryc. 233).

Ryż. 233
Zgodnie z definicją linie siły pola elektrycznego mają szereg wspólne właściwości(porównaj z właściwościami płynnych strumieni):
 1. linie siły nie przecinaj się (w przeciwnym razie można skonstruować dwie styczne w punkcie przecięcia, czyli w jednym punkcie natężenie pola ma dwie wartości, co jest absurdem).
2. Linie siły nie mają załamań (w punkcie załamania ponownie można zbudować dwie styczne).
3. Linie siły pola elektrostatycznego zaczynają się i kończą na ładunkach.
Ponieważ natężenie pola jest określane w każdym punkcie przestrzennym, linia siły może być poprowadzona przez dowolny punkt przestrzenny. Dlatego liczba linii siły jest nieskończenie duża. Liczba linii, które są używane do zobrazowania pola, jest najczęściej określana przez artystyczny gust fizyka-artysty. W niektórych pomoc naukowa zaleca się budowanie obrazu linii pola tak, aby ich gęstość była większa tam, gdzie natężenie pola jest większe. Wymóg ten nie jest ścisły i nie zawsze jest możliwy do zrealizowania, dlatego rysuje się linie sił, spełniające sformułowane właściwości 1 − 3 .
Bardzo łatwo jest wykreślić linie sił pola tworzonego przez ładunek punktowy. W tym przypadku linie siły są zbiorem linii prostych wychodzących (dla dodatnich) lub wchodzących (dla ujemnych) w punkcie lokalizacji ładunku (rys. 234).

Ryż. 234
Takie rodziny linii sił pól ładunków punktowych pokazują, że ładunki te są źródłami pola, przez analogię ze źródłami i upadkami pola prędkości płynu. Udowodnimy później, że linie sił nie mogą zaczynać się ani kończyć w punktach, w których nie ma ładunków.
Obraz linii pola rzeczywistych pól można odtworzyć eksperymentalnie.
Wlej małą warstwę do niskiego naczynia olej rycynowy i wlej do niego niewielką porcję kaszy manny. Jeżeli olej ze zbożami zostanie umieszczony w polu elektrostatycznym, to ziarna kaszy manny (mają nieco wydłużony kształt) skręcają się w kierunku natężenia pola elektrycznego i układają się w przybliżeniu wzdłuż linii siły, po kilkudziesięciu sekundach w kubku wyłania się obraz linii siły pola elektrycznego. Niektóre z tych „obrazów” są przedstawione na fotografiach.
Możliwe jest również wykonanie obliczeń teoretycznych i konstrukcji linii sił. To prawda, że ​​te obliczenia wymagają ogromnej liczby obliczeń, więc są realistyczne (i bez praca specjalna) wykonywane są za pomocą komputera, najczęściej takie konstrukcje są wykonywane w określonej płaszczyźnie.
Podczas opracowywania algorytmów obliczania wzoru linii pola napotyka się szereg problemów, które należy rozwiązać. Pierwszym takim problemem jest obliczenie wektora pola. W przypadku pól elektrostatycznych wytworzonych przez dany rozkład ładunku problem ten rozwiązuje prawo Coulomba i zasada superpozycji. Drugim problemem jest sposób konstruowania osobnej linii. Idea najprostszego algorytmu rozwiązującego ten problem jest dość oczywista. Na niewielkim obszarze każda linia praktycznie pokrywa się ze swoją styczną, dlatego należy zbudować dużo odcinków stycznych do linii siły, czyli odcinków o małej długości ja, którego kierunek pokrywa się z kierunkiem pola w danym punkcie. W tym celu należy przede wszystkim obliczyć składowe wektora natężenia w dany punkt Były, E y i moduł tego wektora E = √(E x 2 + E y 2 ). Następnie możesz zbudować odcinek o małej długości, którego kierunek pokrywa się z kierunkiem wektora natężenia pola. jego rzuty na osie współrzędnych są obliczane według wzorów, które wynikają z ryc. 235:

Ryż. 235

Następnie należy powtórzyć procedurę, zaczynając od końca zbudowanego odcinka. Oczywiście przy implementacji takiego algorytmu pojawiają się inne problemy, które mają bardziej techniczny charakter.
Ryciny 236 pokazują linie sił pól utworzonych przez dwa ładunki punktowe.


Ryż. 236
Oznaczenia ładunków są wskazane na rysunkach a) ib) ładunki są takie same w module, na rys. c), d) są różne – które z nich proponujemy określić bardziej samodzielnie. W każdym przypadku sam również określ kierunki linii sił.
Warto zauważyć, że M. Faraday uważał linie siły pola elektrycznego za rzeczywiste elastyczne rurki łączące ładunki elektryczne, takie reprezentacje bardzo mu pomogły przewidzieć i wyjaśnić wiele zjawisk fizycznych.
Zgadzam się, że wielki M. Faraday miał rację - jeśli w myślach zastąpisz linie elastycznymi gumkami, charakter interakcji jest bardzo jasny.

Twierdzenie Ostrogradskiego-Gaussa, które udowodnimy i omówimy później, ustala związek między ładunki elektryczne i pole elektryczne. Jest to bardziej ogólne i bardziej eleganckie sformułowanie prawa Coulomba.

W zasadzie siłę pola elektrostatycznego wytworzonego przez dany rozkład ładunku można zawsze obliczyć, korzystając z prawa Coulomba. Całkowite pole elektryczne w dowolnym punkcie jest sumą wektorów (całką) wkładu wszystkich ładunków, tj.

Jednak z wyjątkiem większości proste przypadki, niezwykle trudno jest obliczyć tę sumę lub całkę.

Tutaj na ratunek przychodzi twierdzenie Ostrogradskiego-Gaussa, za pomocą którego znacznie łatwiej jest obliczyć natężenie pola elektrycznego wytworzonego przez dany rozkład ładunku.

Główną wartością twierdzenia Ostrogradskiego-Gaussa jest to, że pozwala głębsze zrozumienie natury pola elektrostatycznego i ustala bardziej ogólne związek między ładunkiem a polem.

Ale zanim przejdziemy do twierdzenia Ostrogradskiego-Gaussa, konieczne jest wprowadzenie pojęć: linie siły pole elektrostatyczne I przepływ wektora napięcia pole elektrostatyczne.

Aby opisać pole elektryczne, musisz ustawić wektor natężenia w każdym punkcie pola. Można to zrobić analitycznie lub graficznie. Do tego używają linie siły- są to linie, do których styczna w dowolnym punkcie pola pokrywa się z kierunkiem wektora natężenia(Rys. 2.1).

Ryż. 2,1

Linia siły ma przypisany określony kierunek - od ładunku dodatniego do ujemnego lub do nieskończoności.

Rozważ sprawę jednolite pole elektryczne.

Jednorodny zwane polem elektrostatycznym, we wszystkich punktach, których intensywność jest taka sama pod względem wielkości i kierunku, tj. Jednorodne pole elektrostatyczne przedstawiają równoległe linie siły w równej odległości od siebie (takie pole istnieje na przykład między płytkami kondensatora) (ryc. 2.2).

W przypadku ładunku punktowego linie napięcia emanują z ładunku dodatniego i kierują się w nieskończoność; i od nieskończoności wejść w ładunek ujemny. Dlatego wtedy gęstość linii pola jest odwrotnie proporcjonalna do kwadratu odległości od ładunku. Dlatego powierzchnia kuli, przez którą te linie przechodzą, wzrasta proporcjonalnie do kwadratu odległości, wtedy Łączna linie pozostają stałe w dowolnej odległości od ładunku.

Dla układu ładunków, jak widzimy, linie sił są skierowane od ładunku dodatniego do ujemnego (ryc. 2.2).

Ryż. 2,2

Rysunek 2.3 pokazuje również, że gęstość linii pola może służyć jako wskaźnik wartości.

Gęstość linii pola powinna być taka, aby jednostkowy obszar normalny do wektora natężenia był przecięty taką liczbą, która jest równa modułowi wektora natężenia, tj.

W przestrzeni otaczającej ładunek będący źródłem jest wprost proporcjonalna do wielkości tego ładunku i odwrotnie do kwadratu odległości od tego ładunku. Kierunek pola elektrycznego zgodnie z przyjętymi zasadami jest zawsze od ładunku dodatniego do ładunku ujemnego. Można to przedstawić tak, jakby ładunek testowy został umieszczony w obszarze przestrzeni pola elektrycznego źródła i ten ładunek testowy będzie albo odpychał, albo przyciągał (w zależności od znaku ładunku). Pole elektryczne charakteryzuje się siłą , która będąc wielkością wektorową można przedstawić graficznie jako strzałkę o długości i kierunku. Gdziekolwiek kierunek strzałki wskazuje kierunek natężenia pola elektrycznego mi lub po prostu - kierunek pola i długość strzałki jest proporcjonalna do wartości liczbowej natężenia pola elektrycznego w tym miejscu. Im dalej region przestrzeni znajduje się od źródła pola (ładunek Q), tym mniejsza jest długość wektora intensywności. Ponadto długość wektora maleje wraz z odległością do n razy z jakiegoś miejsca w n 2 razy, czyli odwrotnie proporcjonalna do kwadratu.

Bardziej użytecznym sposobem wizualizacji wektorowej natury pola elektrycznego jest użycie takiego pojęcia, jak lub po prostu linii siły. Zamiast przedstawiać niezliczone strzałki wektorowe w przestrzeni otaczającej ładunek źródłowy, przydatne okazało się łączenie ich w linie, w których same wektory są styczne do punktów na takich liniach.

W rezultacie z powodzeniem stosowany do reprezentowania obrazu wektorowego pola elektrycznego linie pola elektrycznego, które pozostawiają ładunki znaku dodatniego i wpisują ładunki znak ujemny, a także rozciągać się w nieskończoność w przestrzeni. Ta reprezentacja pozwala zobaczyć umysłem pole elektryczne niewidoczne dla ludzkiego oka. Jednak ta reprezentacja jest również wygodna dla siły grawitacyjne oraz wszelkie inne bezdotykowe interakcje dalekiego zasięgu.

Model linii pola elektrycznego zawiera ich nieskończoną liczbę, ale zbyt duże zagęszczenie obrazu linii pola ogranicza możliwość odczytywania wzorów pól, przez co ich liczba jest ograniczona czytelnością.

Zasady rysowania linii pola elektrycznego

Istnieje wiele zasad tworzenia takich modeli linii elektroenergetycznych. Wszystkie te zasady mają na celu dostarczenie jak największej ilości informacji podczas wizualizacji (rysowania) pola elektrycznego. Jednym ze sposobów jest przedstawienie linii pola. Jednym z najczęstszych sposobów jest otaczanie bardziej naładowanych obiektów. duża ilość linie, czyli większa gęstość linii. Obiekty o dużym ładunku wytwarzają silniejsze pola elektryczne i dlatego gęstość (gęstość) otaczających je linii jest większa. Im bliżej źródła ładunku, tym większa gęstość linii pola, a im większy ładunek, tym grubsze linie wokół niego.

Druga zasada rysowania linii pola elektrycznego polega na rysowaniu linii innego typu, takich jak te, które przecinają się z pierwszymi liniami sił. prostopadły. Ten rodzaj linii nazywa się linie ekwipotencjalne, aw przypadku reprezentacji wolumetrycznej należy mówić o powierzchniach ekwipotencjalnych. Ten typ linii tworzy zamknięte kontury, a każdy punkt na takiej linii ekwipotencjalnej ma ta sama wartość potencjał pola. Kiedy jakakolwiek naładowana cząstka przechodzi przez taki prostopadły? linie siły linie (powierzchnie), następnie mówią o pracy wykonanej przez podopiecznego. Jeśli ładunek porusza się po liniach ekwipotencjalnych (powierzchniach), to chociaż się porusza, żadna praca nie jest wykonywana. Naładowana cząstka w pole elektryczne inny ładunek zaczyna się poruszać, ale w elektryczności statycznej brane są pod uwagę tylko ładunki stałe. Ruch ładunków nazywa się wstrząs elektryczny, podczas gdy praca może być wykonana przez przewoźnika.

Należy o tym pamiętać linie pola elektrycznego nie przecinają się, a linie innego typu - ekwipotencjalne, tworzą zamknięte pętle. W miejscu przecięcia dwóch rodzajów linii styczne do tych linii są wzajemnie prostopadłe. W ten sposób uzyskuje się coś w rodzaju zakrzywionej siatki współrzędnych lub siatki, której komórki, a także punkty przecięcia linii różne rodzaje scharakteryzować pole elektryczne.

Linie przerywane są ekwipotencjalne. Linie ze strzałkami - linie pola elektrycznego

Pole elektryczne składające się z dwóch lub więcej ładunków

W przypadku pojedynczych opłat indywidualnych linie pola elektrycznego przedstawiać promienie promieniste wyłaniając się z ładunków i idąc w nieskończoność. Jaka będzie konfiguracja linii polowych dla dwóch lub więcej ładunków? Aby wykonać taki wzór należy pamiętać, że mamy do czynienia z polem wektorowym, czyli wektorami natężenia pola elektrycznego. Aby zobrazować wzór pola, musimy wykonać dodanie wektorów intensywności z dwóch lub więcej ładunków. Otrzymane wektory będą reprezentowały całkowite pole kilku ładunków. Jak w tym przypadku można narysować linie sił? Należy pamiętać, że każdy punkt na linii pola jest pojedyńczy punkt kontakt z wektorem natężenia pola elektrycznego. Wynika to z definicji stycznej w geometrii. Jeśli od początku każdego wektora zbudujemy prostopadłość w postaci długich linii, to wzajemne przecięcie wielu takich linii będzie przedstawiać bardzo pożądaną linię siły.

Aby uzyskać dokładniejszą matematyczną reprezentację algebraiczną linii siły, konieczne jest ułożenie równań linii siły, a wektory w tym przypadku będą reprezentować pierwsze pochodne, proste pierwszego rzędu, które są styczne. Takie zadanie jest czasem niezwykle złożone i wymaga obliczeń komputerowych.

Przede wszystkim należy pamiętać, że pole elektryczne z wielu ładunków jest reprezentowane przez sumę wektorów natężenia z każdego źródła ładunku. Ten Fundacja wykonanie budowy linii pola w celu wizualizacji pola elektrycznego.

Każdy ładunek wprowadzony do pola elektrycznego powoduje zmianę, nawet nieznaczną, w układzie linii pola. Takie obrazy są czasami bardzo atrakcyjne.

Linie pola elektrycznego jako sposób, aby pomóc umysłowi zobaczyć rzeczywistość

Pojęcie pola elektrycznego powstało, gdy naukowcy próbowali wyjaśnić oddziaływanie na dalekie odległości zachodzące między naładowanymi obiektami. Pojęcie pola elektrycznego zostało po raz pierwszy wprowadzone przez XIX-wiecznego fizyka Michaela Faradaya. Był to wynik percepcji Michaela Faradaya niewidzialna rzeczywistość w postaci obrazu linii sił charakteryzujących działanie dalekiego zasięgu. Faraday nie myślał w ramach jednego zarzutu, ale poszedł dalej i poszerzył granice umysłu. Zasugerował, że naładowany obiekt (lub masa w przypadku grawitacji) oddziałuje na przestrzeń i wprowadził pojęcie pola takiego oddziaływania. Biorąc pod uwagę takie pola, był w stanie wyjaśnić zachowanie się ładunków i tym samym ujawnił wiele tajemnic elektryczności.

Istnieją pola skalarne i wektorowe (w naszym przypadku pole wektorowe będzie elektryczne). W związku z tym są one modelowane za pomocą skalarnych lub wektorowych funkcji współrzędnych, a także czasu.

Pole skalarne jest opisane funkcją postaci φ. Takie pola można wizualizować za pomocą powierzchni o tym samym poziomie: φ (x, y, z) = c, c = const.

Zdefiniujmy wektor, który jest skierowany na maksymalny wzrost funkcji φ.

Wartość bezwzględna tego wektora określa tempo zmian funkcji φ.

Oczywiście pole skalarne generuje pole wektorowe.

Takie pole elektryczne nazywamy potencjałem, a funkcję φ nazywamy potencjałem. Powierzchnie tego samego poziomu nazywane są powierzchniami ekwipotencjalnymi. Rozważmy na przykład pole elektryczne.

W celu wizualnego wyświetlenia pól budowane są tak zwane linie pola elektrycznego. Nazywa się je również liniami wektorowymi. Są to linie, których styczna do punktu wskazuje kierunek pola elektrycznego. Liczba linii przechodzących przez powierzchnię jednostki jest proporcjonalna do wartości bezwzględnej wektora.

Wprowadźmy pojęcie różniczki wektorowej wzdłuż pewnej prostej l. Wektor ten jest skierowany stycznie do prostej l i jest równy w wartości bezwzględnej różniczce dl.

Niech zostanie dane pole elektryczne, które należy przedstawić jako linie pola sił. Innymi słowy, zdefiniujmy współczynnik rozciągania (ściskania) k wektora tak, aby pokrywał się z różniczką. Porównując składowe różniczki i wektora, otrzymujemy układ równań. Po całkowaniu można skonstruować równanie linii sił.

W analizie wektorowej są operacje, które dostarczają informacji o tym, jakie linie pola elektrycznego występują w konkretnym przypadku. Wprowadźmy pojęcie „przepływu wektorowego” na powierzchni S. Formalna definicja przepływu Ф ma następującą postać: wielkość jest rozpatrywana jako iloczyn zwykłej różniczki ds przez wersor normalny do powierzchni s . Wektor jednostkowy jest tak dobrany, że definiuje zewnętrzną normalną powierzchni.

Można narysować analogię między pojęciem przepływu pola a przepływu substancji: substancja w jednostce czasu przechodzi przez powierzchnię, która z kolei jest prostopadła do kierunku przepływu pola. Jeśli linie sił wychodzą z powierzchni S, to przepływ jest dodatni, a jeśli nie wychodzą, to jest ujemny. Ogólnie rzecz biorąc, przepływ można oszacować na podstawie liczby linii siły wychodzących z powierzchni. Z drugiej strony wielkość strumienia jest proporcjonalna do liczby linii pola wnikających w element powierzchniowy.

Rozbieżność funkcji wektorowej obliczana jest w punkcie, którego pasmem jest objętość ΔV. S to powierzchnia pokrywająca objętość ΔV. Operacja dywergencji umożliwia scharakteryzowanie punktów w przestrzeni pod kątem obecności w niej źródeł polowych. Gdy powierzchnia S zostanie ściśnięta do punktu P, linie pola elektrycznego wnikające w powierzchnię pozostaną w tej samej wielkości. Jeżeli punkt w przestrzeni nie jest źródłem pola (przecieku lub ujścia), to przy ściskaniu powierzchni do tego punktu suma linii pola, począwszy od pewnego momentu, jest równa zeru (liczba linii wchodzących w powierzchnię S wynosi równej liczbie linii wychodzących z tej powierzchni).

Całka L w zamkniętej pętli w definicji pracy wirnika nazywana jest cyrkulacją energii elektrycznej wzdłuż pętli L. Praca wirnika charakteryzuje pole w punkcie przestrzeni. Kierunek wirnika określa wielkość przepływu pola zamkniętego wokół danego punktu (wirnik charakteryzuje wir pola) i jego kierunek. Na podstawie definicji wirnika, poprzez proste przekształcenia, można obliczyć rzuty wektora elektryczności w kartezjańskim układzie współrzędnych, a także linie pola elektrycznego.

POLE ELEKTROSTATYCZNE

pole elektrostatyczne opłata próbna q0

napięcie

, (4)

, . (5)

linie siły

PRACA SIŁ POLA ELEKTROSTATYCZNEGO. POTENCJAŁ

Pole elektryczne, podobnie jak grawitacyjne, jest potencjałem. Tych. praca wykonywana przez siły elektrostatyczne nie zależy od tego, którą drogą przemieszcza się ładunek q w polu elektrycznym z punktu 1 do punktu 2. Praca ta jest równa różnicy energii potencjalnych, jakie ma przemieszczany ładunek w początkowym i końcowym punkcie pole:

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

Można wykazać, że energia potencjalna ładunku q jest wprost proporcjonalna do wielkości tego ładunku. Dlatego jako charakterystykę energetyczną pola elektrostatycznego stosuje się stosunek energii potencjalnej ładunku próbnego q 0 umieszczonego w dowolnym punkcie pola do wartości tego ładunku:

Ta wartość jest ilością energii potencjalnej na jednostkę ładunku dodatniego i nazywa się potencjał pola w danym punkcie. [φ] = J / C = V (wolt).

Jeżeli przyjmiemy, że gdy ładunek q 0 zostanie odprowadzony do nieskończoności (r → ∞), jego energia potencjalna w polu ładunku q zanika, to potencjał pola ładunku punktowego q w odległości r od niego:

. (9)

Jeżeli pole jest tworzone przez układ ładunków punktowych, to potencjał powstałego pola jest równy algebraicznej (wraz ze znakami) sumie potencjałów każdego z nich:

. (10)

Z definicji potencjału (8) i wyrażenia (7), praca wykonana przez siły pola elektrostatycznego, aby przesunąć ładunek z

punkt 1 do punktu 2 można przedstawić jako:

PRĄD ELEKTRYCZNY W GAZACH

BEZ SAMODZIELNEGO ODPROWADZANIA GAZU

Gazy w niezbyt wysokich temperaturach i przy ciśnieniu zbliżonym do atmosferycznego są dobrymi izolatorami. Po umieszczeniu w suchym powietrze atmosferyczne, naładowany elektrometr, to jego ładunek pozostaje niezmieniony przez długi czas. Wyjaśnia to fakt, że gazy w normalnych warunkach składają się z neutralnych atomów i cząsteczek i nie zawierają wolnych ładunków (elektronów i jonów). Gaz staje się przewodnikiem elektryczności tylko wtedy, gdy niektóre jego cząsteczki są zjonizowane. Do jonizacji gaz musi być poddany działaniu jakiegoś jonizatora: na przykład wyładowania elektrycznego, promienie rentgenowskie, promieniowanie lub promieniowanie UV, płomień świecy itp. (w tym ostatnim przypadku przewodność elektryczna gazu jest spowodowana ogrzewaniem).

Gdy gazy są zjonizowane, uciekają z zewnątrz powłoka elektronowa atom lub cząsteczka jednego lub więcej elektronów, w wyniku czego powstają wolne elektrony i jony dodatnie. Elektrony mogą przyłączać się do obojętnych cząsteczek i atomów, zamieniając je w jony ujemne. Dlatego w zjonizowanym gazie znajdują się dodatnio i ujemnie naładowane jony oraz wolne elektrony. mi prąd elektryczny w gazach nazywany jest wyładowaniem gazowym. Tak więc prąd w gazach jest tworzony przez jony zarówno znaków, jak i elektronów. Wyładowaniu gazu z takim mechanizmem będzie towarzyszyć transfer materii, tj. gazy zjonizowane są przewodnikami drugiego rodzaju.

Aby oderwać jeden elektron z cząsteczki lub atomu, konieczne jest wykonanie określonej pracy A i tj. wydać trochę energii. Ta energia nazywa się energia jonizacji , których wartości dla atomów różne substancje leżą w granicach 4–25 eV. Ilościowo proces jonizacji zwykle charakteryzuje się wielkością zwaną potencjał jonizacji :

Równolegle z procesem jonizacji w gazie zachodzi zawsze proces odwrotny - proces rekombinacji: jony dodatnie i ujemne lub jony dodatnie i elektrony spotykają się, rekombinują ze sobą tworząc neutralne atomy i cząsteczki. Im więcej jonów pojawia się pod działaniem jonizatora, tym intensywniejszy jest proces rekombinacji.

Ściśle mówiąc, przewodność elektryczna gazu nigdy nie jest równa zeru, ponieważ zawsze zawiera on ładunki darmowe powstałe w wyniku działania promieniowania substancji promieniotwórczych obecnych na powierzchni Ziemi, a także promieniowania kosmicznego. Intensywność jonizacji pod wpływem tych czynników jest niska. Ta niewielka przewodność elektryczna powietrza jest przyczyną wycieku ładunków naelektryzowanych ciał, nawet jeśli są dobrze izolowane.

Charakter wyładowania gazowego determinowany jest składem gazu, jego temperaturą i ciśnieniem, wymiarami, konfiguracją i materiałem elektrod, a także zastosowanym napięciem i gęstością prądu.

Rozważmy obwód zawierający szczelinę gazową (rys.), poddany ciągłemu, o stałej intensywności działaniu jonizatora. W wyniku działania jonizatora gaz uzyskuje pewną przewodność elektryczną iw obwodzie popłynie prąd. Rysunek przedstawia charakterystykę prądowo-napięciową (zależność prądu od przyłożonego napięcia) dla dwóch jonizatorów. Występ
(liczba par jonów wytwarzanych przez jonizator w szczelinie gazowej w ciągu 1 sekundy) drugiego jonizatora jest większa niż pierwszego. Założymy, że wydajność jonizatora jest stała i równa n 0 . Przy niezbyt niskim ciśnieniu prawie wszystkie odszczepione elektrony są wychwytywane przez obojętne cząsteczki, tworząc jony naładowane ujemnie. Uwzględniając rekombinację zakładamy, że stężenia jonów obu znaków są takie same i równe n. Średnie prędkości dryfu jonów o różnych znakach w polu elektrycznym są różne: , . b - i b + to ruchliwość jonów gazu. Teraz dla regionu I, biorąc pod uwagę (5), możemy napisać:

Jak widać, w obszarze I, wraz ze wzrostem napięcia, prąd wzrasta, ponieważ wzrasta prędkość dryfu. Liczba par rekombinujących jonów będzie się zmniejszać wraz ze wzrostem ich prędkości.

Obszar II - obszar prądu nasycenia - wszystkie jony wytworzone przez jonizator docierają do elektrod bez czasu na rekombinację. Gęstość prądu nasycenia

j n = q n 0 d, (28)

gdzie d jest szerokością szczeliny gazowej (odległość między elektrodami). Jak widać z (28), prąd nasycenia jest miarą efektu jonizacji jonizatora.

Przy napięciu większym niż U p p (obszar III) prędkość elektronów osiąga taką wartość, że zderzając się z obojętnymi cząsteczkami są w stanie wywołać jonizację uderzeniową. W rezultacie powstają dodatkowe pary jonów An0. Wartość A nazywana jest współczynnikiem wzmocnienia gazu . W regionie III współczynnik ten nie zależy od n 0 , ale zależy od U. Zatem. ładunek docierający do elektrod przy stałej U jest wprost proporcjonalny do wydajności jonizatora - n 0 i napięcia U. Z tego powodu obszar III nazywamy obszarem proporcjonalnym. U pr - próg proporcjonalności. Współczynnik wzmocnienia gazowego A ma wartości od 1 do 10 4 .

W regionie IV, obszarze częściowej proporcjonalności, wzmocnienie gazu zaczyna zależeć od n 0. Ta zależność rośnie wraz ze wzrostem U. Prąd gwałtownie wzrasta.

W zakresie napięć 0 ÷ U g prąd w gazie istnieje tylko podczas pracy jonizatora. Jeśli działanie jonizatora zostanie zatrzymane, wyładowanie również ustaje. Wyładowania, które istnieją tylko pod działaniem zewnętrznych jonizatorów, nazywane są niesamopodtrzymującymi się.

Napięcie Ug jest wartością progową obszaru Geigera, który odpowiada stanowi, w którym proces w szczelinie gazowej nie zanika nawet po wyłączeniu jonizatora, tj. wyładowanie nabiera charakteru wyładowania niezależnego. Jony pierwotne dają jedynie impuls do wystąpienia wyładowania gazowego. W tym rejonie nabyłem już zdolność do jonizacji masywnych jonów obu znaków. Wielkość prądu nie zależy od n 0 .

W obszarze VI napięcie jest tak wysokie, że wyładowanie, gdy już nastąpiło, już się nie zatrzymuje - obszar ciągłego wyładowania.

NIEZALEŻNE ODPROWADZANIE GAZU I JEGO RODZAJE

Wyładowanie w gazie, które utrzymuje się po zakończeniu działania zewnętrznego jonizatora, nazywa się niezależnym.

Rozważmy warunki wystąpienia niezależnego wyładowania. Przy wysokich napięciach (regiony V–VI) elektrony, które powstają pod wpływem zewnętrznego jonizatora i są silnie przyspieszane przez pole elektryczne, zderzają się z cząsteczkami gazu obojętnego i jonizują je. W rezultacie powstają elektrony wtórne i jony dodatnie. (proces 1 na ryc. 158). Jony dodatnie poruszają się w kierunku katody, a elektrony w kierunku anody. Elektrony wtórne ponownie jonizują cząsteczki gazu, a w konsekwencji całkowita liczba elektronów i jonów wzrośnie, gdy elektrony będą przemieszczać się w kierunku anody jak lawina. To jest przyczyną wzrostu prądu elektrycznego (patrz rys. obszar V). Opisany proces nazywa się jonizacją uderzeniową.

Jednak jonizacja uderzeniowa pod działaniem elektronów nie wystarcza do utrzymania wyładowania po usunięciu zewnętrznego jonizatora. W tym celu konieczne jest, aby lawiny elektronowe były „odtwarzane”, tj. aby pod wpływem pewnych procesów w gazie powstawały nowe elektrony. Takie procesy pokazano schematycznie na ryc. 158: Jony dodatnie przyspieszane przez pole, uderzając w katodę, wybijają z niej elektrony (proces 2); Jony dodatnie, zderzając się z cząsteczkami gazu, przenoszą je do stanu wzbudzonego, przejściu takich cząsteczek do stanu normalnego towarzyszy emisja fotonu (proces 3); Foton zaabsorbowany przez obojętną cząsteczkę jonizuje ją, zachodzi tzw. proces fotonowej jonizacji cząsteczek (proces 4); Wybijanie elektronów z katody pod działaniem fotonów (proces 5).

Wreszcie przy znacznych napięciach między elektrodami w szczelinie gazowej dochodzi do momentu, w którym jony dodatnie, które mają krótszą średnią drogę swobodną niż elektrony, uzyskują energię wystarczającą do jonizacji cząsteczek gazu (proces 6), a lawiny jonowe pędzą do wartości ujemnych. talerz. Gdy oprócz lawin elektronowych występują również lawiny jonowe, prąd wzrasta prawie bez zwiększania napięcia (obszar VI na ryc.).

W wyniku opisanych procesów ilość jonów i elektronów w objętości gazu rośnie jak lawina, a wyładowanie staje się niezależne, tj. utrzymuje się nawet po zakończeniu działania zewnętrznego jonizatora. Napięcie, przy którym następuje samorozładowanie, nazywane jest napięciem przebicia. W przypadku powietrza jest to około 30 000 woltów na każdy centymetr odległości.

W zależności od ciśnienia gazu, konfiguracji elektrod oraz parametrów obwodu zewnętrznego możemy mówić o czterech rodzajach wyładowań niezależnych: jarze, iskrze, łuku i koronie.

1. Wyładowanie tlące. Występuje przy niskim ciśnieniu. Jeżeli do elektrod wlutowanych w szklaną rurkę o długości 30 ÷ 50 cm przyłożymy stałe napięcie kilkuset woltów, stopniowo wypompowując powietrze z rurki, to przy ciśnieniu ≈ 5,3 ÷ 6,7 kPa następuje wyładowanie w postaci świecący czerwonawy przewód nawojowy biegnący od katody do anody. Przy dalszym spadku ciśnienia kord gęstnieje, a przy ciśnieniu 13 Pa wyładowanie ma postać pokazaną schematycznie na ryc.

Bezpośrednio z katodą sąsiaduje cienka warstwa świecąca 1 - pierwsza żarzenie katodowe lub film katodowy, po której następuje ciemna warstwa 2 - ciemna przestrzeń katody, przechodząca dalej w świetlistą warstwę 3 - tlący się żar o ostrej granicy po stronie katody, stopniowo zanikając od strony anody. Powstaje z rekombinacji elektronów z jonami dodatnimi. Tlący się blask jest ograniczony przez ciemną przerwę 4 – ciemną przestrzeń Faradaya, po której następuje kolumna zjonizowanego świetlistego gazu 5 – kolumna dodatnia. Kolumna dodatnia nie odgrywa znaczącej roli w utrzymaniu wyładowania. Na przykład, gdy odległość między elektrodami rurki maleje, jej długość ulega skróceniu, podczas gdy części katodowe wyładowania pozostają niezmienione pod względem kształtu i wielkości. W wyładowaniu jarzeniowym tylko dwie jego części mają szczególne znaczenie dla jego utrzymania: ciemna przestrzeń katody i jarzenie jarzeniowe. W ciemnej przestrzeni katodowej następuje silne przyspieszenie elektronów i jonów dodatnich, wybijające elektrony z katody (emisja wtórna). Natomiast w obszarze tlącym się następuje jonizacja uderzeniowa cząsteczek gazu przez elektrony. Utworzone w tym przypadku jony dodatnie pędzą do katody i wybijają z niej nowe elektrony, które z kolei ponownie jonizują gaz itp. W ten sposób wyładowanie jarzeniowe jest stale utrzymywane.

Wraz z dalszym opróżnianiem rurki przy ciśnieniu ≈ 1,3 Pa, żarzenie gazu słabnie i ścianki rurki zaczynają się świecić. Elektrony wybijane z katody przez jony dodatnie rzadko zderzają się z cząsteczkami gazu przy takim rozrzedzeniu i dlatego przyspieszane przez pole, uderzając w szkło, powodują jego jarzenie, tzw. katodoluminescencję. Przepływ tych elektronów był historycznie nazywany promieniami katodowymi.

Wyładowanie jarzeniowe jest szeroko stosowane w technologii. Ponieważ blask kolumny dodatniej ma kolor charakterystyczny dla każdego gazu, jest on stosowany w lampach gazowych do świecących napisów i reklam (na przykład lampy wyładowcze neon dają czerwony blask, lampy argonowe - niebiesko-zielone). W świetlówkach, które są bardziej ekonomiczne od żarówek, promieniowanie wyładowań jarzeniowych występujące w parach rtęci jest pochłaniane przez substancję fluorescencyjną (fosfor) osadzoną na wewnętrznej powierzchni lampy, która pod wpływem pochłoniętego promieniowania zaczyna świecić. Widmo luminescencji przy odpowiednim doborze luminoforów jest zbliżone do widma promieniowania słonecznego. Wyładowanie jarzeniowe służy do katodowego osadzania metali. Substancja katodowa w wyładowaniu jarzeniowym w wyniku bombardowania przez jony dodatnie, silnie nagrzana, przechodzi w stan pary. Umieszczając różne przedmioty w pobliżu katody, można je pokryć jednolitą warstwą metalu.

2. Wyładowanie iskry. Występuje przy dużych natężeniach pola elektrycznego (≈ 3,10 6 V/m) w gazie pod ciśnieniem atmosferycznym. Iskra ma wygląd jasno świecącego cienkiego kanału, zakrzywionego i rozgałęzionego w skomplikowany sposób.

Wyjaśnienie wyładowania iskrowego podano na podstawie teorii streamera, zgodnie z którą pojawienie się jasno świecącego kanału iskrowego poprzedzone jest pojawieniem się słabo świecących nagromadzeń zjonizowanego gazu. Te klastry nazywane są streamerami. Streamery powstają nie tylko w wyniku powstawania lawin elektronowych poprzez jonizację uderzeniową, ale również w wyniku fotonowej jonizacji gazu. Goniące się lawiny tworzą przewodzące mosty serpentyn, po których w kolejnych momentach pędzi potężne strumienie elektronów, tworząc kanały wyładowań iskrowych. Ze względu na uwolnienie dużej ilości energii podczas rozpatrywanych procesów, gaz w iskierniku nagrzewa się do bardzo wysokiej temperatury (ok. 104 K), co prowadzi do jego jarzenia. Gwałtowne nagrzewanie się gazu prowadzi do wzrostu ciśnienia i fal uderzeniowych, które wyjaśniają efekty dźwiękowe wyładowania iskrowego - charakterystyczne trzaski przy słabych wyładowaniach i potężne grzmoty w przypadku wyładowań atmosferycznych, co jest przykładem silnego wyładowania iskrowego między chmurą burzową a Ziemią lub między dwiema chmurami burzowymi.

Wyładowanie iskrowe służy do zapłonu mieszanki palnej w silnikach spalinowych oraz do ochrony elektrycznych linii przesyłowych przed przepięciami (iskiernikami). Przy niewielkiej długości szczeliny wyładowczej wyładowanie iskrowe powoduje zniszczenie (erozję) powierzchni metalu, dlatego jest wykorzystywane do precyzyjnej obróbki metali elektroiskrowej (cięcie, wiercenie). Wykorzystywany jest w analizie spektralnej do rejestracji naładowanych cząstek (liczniki iskier).

3. Wyładowanie łukowe. Jeżeli po zapłonie wyładowania iskrowego z silnego źródła odległość między elektrodami stopniowo się zmniejsza, to wyładowanie staje się ciągłe – następuje wyładowanie łukowe. W tym przypadku natężenie prądu gwałtownie wzrasta, osiągając setki amperów, a napięcie w szczelinie wyładowczej spada do kilkudziesięciu woltów. Wyładowanie łukowe można uzyskać ze źródła niskiego napięcia z pominięciem stopnia iskry. Aby to zrobić, elektrody (na przykład węglowe) są łączone, aż się zetkną, są bardzo gorące prądem elektrycznym, a następnie są hodowane i uzyskiwane łuk elektryczny(tak odkrył go rosyjski naukowiec W.W. Pietrow). Przy ciśnieniu atmosferycznym temperatura katody jest w przybliżeniu równa 3900 K. Gdy łuk się pali, katoda węglowa wyostrza się, a na anodzie tworzy się zagłębienie - krater, który jest najgorętszym punktem łuku.

Według nowoczesnych koncepcji wyładowanie łukowe jest utrzymywane dzięki wysokiej temperaturze katody spowodowanej intensywną emisją termionową, a także termicznej jonizacji molekuł z powodu wysokiej temperatury gazu.

Wyładowanie łukowe jest szeroko stosowane w gospodarka narodowa do spawania i cięcia metali, uzyskiwania stali wysokiej jakości (piec łukowy), oświetlenia (reflektory, sprzęt projekcyjny). Lampy łukowe z elektrodami rtęciowymi w cylindrach kwarcowych są również szeroko stosowane, gdzie wyładowanie łukowe następuje w parach rtęci podczas wypompowywania powietrza. Łuk generowany w parach rtęci jest silnym źródłem promieniowania ultrafioletowego i jest wykorzystywany w medycynie (np. lampy kwarcowe). Wyładowanie łuku przy niskie ciśnienia w oparach rtęci jest stosowany w prostownikach rtęciowych do prostowania prądu przemiennego.

4. wyładowanie koronowe - wyładowanie elektryczne wysokiego napięcia, które występuje przy wysokim (na przykład atmosferycznym) ciśnieniu w niejednorodnym polu (na przykład w pobliżu elektrod o dużej krzywiźnie powierzchni, końcówki elektrody igłowej). Gdy natężenie pola w pobliżu końcówki osiągnie 30 kV/cm, wokół niej pojawia się poświata przypominająca koronę, co jest powodem nazwy tego typu wyładowania.

W zależności od znaku elektrody koronowej rozróżnia się koronę ujemną lub dodatnią. W przypadku korony ujemnej produkcja elektronów powodujących jonizację uderzeniową cząsteczek gazu następuje w wyniku ich emisji z katody pod działaniem jonów dodatnich, w przypadku korony dodatniej w wyniku jonizacji gazu w pobliżu anody. W żywy korona zachodzi pod wpływem elektryczności atmosferycznej na szczytach masztów statków lub drzew (na tym opiera się działanie piorunochronów). Zjawisko to w starożytności nazywano pożarami św. Elma. Szkodliwym działaniem korony wokół przewodów linii wysokiego napięcia jest występowanie prądów upływowych. Aby je zmniejszyć, przewody linii wysokiego napięcia są grube. Nieciągłe wyładowanie koronowe staje się również źródłem zakłóceń radiowych.

Wyładowanie koronowe jest stosowane w elektrofiltrach używanych do czyszczenia gazy przemysłowe z zanieczyszczeń. Oczyszczany gaz przemieszcza się od dołu do góry w pionowym cylindrze, wzdłuż którego osi znajduje się drut koronowy. Jony obecne w w dużych ilościach w zewnętrznej części korony zanieczyszczenia osadzają się na cząsteczkach i są wynoszone przez pole do zewnętrznej nieulotowej elektrody i osadzają się na niej. Wyładowania koronowe wykorzystywane są również przy nakładaniu powłok proszkowych i malarskich.

POLE ELEKTROSTATYCZNE

LINIE ENERGETYCZNE POLA ELEKTRYCZNEGO

Zgodnie z koncepcjami współczesnej fizyki, wpływ jednego ładunku na drugi jest przenoszony przez pole elektrostatyczne - specjalne nieskończenie rozciągające się środowisko materialne, które każde naładowane ciało tworzy wokół siebie. Pola elektrostatyczne nie mogą być wykryte ludzkimi zmysłami. Jednak na ładunek umieszczony w polu działa siła wprost proporcjonalna do wielkości tego ładunku. Dlatego kierunek siły zależy od znaku szarży, uzgodniono użycie tzw opłata próbna q0. Jest to dodatni, punktowy ładunek, który jest umieszczany w interesującym nas punkcie w polu elektrycznym. W związku z tym wskazane jest stosowanie stosunku siły do ​​wartości ładunku próbnego q 0 jako siły charakterystycznej dla pola:

Ta stała dla każdego punktu pola jest wielkością wektorową równy sile działanie na jednostkowy ładunek dodatni nazywa się napięcie . Dla pola ładunku punktowego q w odległości r od niego:

, (4)

Kierunek wektora pokrywa się z kierunkiem siły działającej na próbny ładunek. [E] = N/C lub V/m.

W ośrodku dielektrycznym siła oddziaływania między ładunkami, a tym samym natężenie pola, zmniejsza się ε razy:

, . (5)

Gdy kilka pól elektrostatycznych nakłada się na siebie, wynikową siłę określa się jako sumę wektorów sił każdego z pól (zasada superpozycji):

Graficznie rozkład pola elektrycznego w przestrzeni jest przedstawiony za pomocą linie siły . Linie te są rysowane tak, aby styczne do nich w dowolnym punkcie się pokrywały. Oznacza to, że wektor siły działającej na ładunek, a co za tym idzie wektor jego przyspieszenia, również leżą na stycznych do linii siły, które nigdy i nigdzie się nie przecinają. Linie siły pola elektrostatycznego nie mogą być zamknięte. Zaczynają się na dodatnich i kończą na ujemnych ładunkach lub idą w nieskończoność.