Liniile de forță ale câmpului electrostatic. Linii de câmp electric

Pentru o reprezentare grafică vizuală a câmpului, este convenabil să folosiți linii de forță - linii direcționate, tangentele la care în fiecare punct coincid cu direcția vectorului intensității câmpului electric (Fig. 233).

Orez. 233
Conform definiției, liniile de forță ale câmpului electric au o serie proprietăți comune(comparați cu proprietățile liniilor fluide):
 1. linii de forță nu se intersectează (altfel se pot construi două tangente la punctul de intersecție, adică la un moment dat intensitatea câmpului are două valori, ceea ce este absurd).
2. Liniile de forță nu au îndoituri (la punctul de îndoire, din nou, puteți construi două tangente).
3. Liniile de forță ale câmpului electrostatic încep și se termină pe sarcini.
Deoarece intensitatea câmpului este determinată în fiecare punct spațial, atunci linia de forță poate fi trasată prin orice punct spațial. Prin urmare, numărul liniilor de forță este infinit de mare. Numărul de linii care sunt folosite pentru a descrie domeniul este cel mai adesea determinat de gustul artistic al fizicianului-artist. În unele mijloace didactice se recomandă construirea unei imagini a liniilor de câmp astfel încât densitatea acestora să fie mai mare acolo unde intensitatea câmpului este mai mare. Această cerință nu este strictă și nu întotdeauna fezabilă, astfel încât liniile de forță sunt trasate, satisfăcând proprietățile formulate 1 − 3 .
Este foarte ușor să trasezi liniile de forță ale câmpului creat de o sarcină punctiformă. În acest caz, liniile de forță sunt un set de linii drepte care ies (pentru pozitiv) sau care intră (pentru negativ) în punctul de locație a sarcinii (Fig. 234).

orez. 234
Asemenea familii de linii de forță ale câmpurilor de sarcini punctiforme demonstrează că sarcinile sunt sursele câmpului, prin analogie cu sursele și absorbatoarele câmpului de viteză a fluidului. Vom demonstra mai târziu că liniile de forță nu pot începe sau se termină în punctele în care nu există încărcături.
Imaginea liniilor de câmp ale câmpurilor reale poate fi reprodusă experimental.
Turnați un strat mic într-un vas mic ulei de ricinși turnați în el o porție mică de gris. Dacă uleiul cu cereale este plasat într-un câmp electrostatic, atunci boabele de gris (au o formă ușor alungită) se întorc în direcția intensității câmpului electric și se aliniază aproximativ de-a lungul liniilor de forță, după câteva zeci de secunde, un imaginea liniilor de forță ale câmpului electric iese în cupă. Unele dintre aceste „imagini” sunt prezentate în fotografii.
De asemenea, este posibil să se efectueze un calcul teoretic și o construcție a liniilor de forță. Adevărat, aceste calcule necesită un număr enorm de calcule, deci este realist (și fără munca deosebita) sunt realizate cu ajutorul unui calculator, cel mai adesea astfel de construcții sunt realizate într-un anumit plan.
La dezvoltarea algoritmilor pentru calcularea modelului liniilor de câmp, se întâlnesc o serie de probleme care trebuie rezolvate. Prima astfel de problemă este calculul vectorului câmp. În cazul câmpurilor electrostatice create de o distribuție de sarcină dată, această problemă este rezolvată folosind legea lui Coulomb și principiul suprapunerii. A doua problemă este metoda de construire a unei linii separate. Ideea celui mai simplu algoritm care rezolvă această problemă este destul de evidentă. Într-o zonă mică, fiecare linie coincide practic cu tangenta ei, așa că ar trebui să construiți o mulțime de segmente tangente la liniile de forță, adică segmente de lungime mică. l, a cărui direcție coincide cu direcția câmpului într-un punct dat. Pentru a face acest lucru, este necesar, în primul rând, să se calculeze componentele vectorului de intensitate în punct dat ex, E yși modulul acestui vector E = √(E x 2 + E y 2 ). Apoi puteți construi un segment de lungime mică, a cărui direcție coincide cu direcția vectorului intensității câmpului. proiecțiile sale pe axele de coordonate se calculează prin formulele care urmează din Fig. 235:

orez. 235

Apoi ar trebui să repetați procedura, începând de la sfârșitul segmentului construit. Desigur, la implementarea unui astfel de algoritm, există și alte probleme care sunt mai mult de natură tehnică.
Figurile 236 arată liniile de forță ale câmpurilor create de două sarcini punctiforme.


orez. 236
Semnele sarcinilor sunt indicate, în figurile a) și b) sarcinile sunt aceleași în modul, în fig. c), d) sunt diferite - pe care dintre ele ne propunem să le determinăm mai independent. În fiecare caz, determinați singur direcțiile liniilor de forță.
Este interesant de observat că M. Faraday a considerat liniile de forță ale câmpului electric drept adevărate tuburi elastice care interconectează sarcini electrice, astfel de reprezentări l-au ajutat foarte mult să prezică și să explice multe fenomene fizice.
De acord că marele M. Faraday avea dreptate - dacă înlocuiți mental liniile cu benzi elastice de cauciuc, natura interacțiunii este foarte clară.

Teorema Ostrogradsky–Gauss, pe care o vom demonstra și discuta mai târziu, stabilește o legătură între sarcini electriceși câmpul electric. Este o formulare mai generală și mai elegantă a legii lui Coulomb.

În principiu, puterea câmpului electrostatic creat de o distribuție dată de sarcină poate fi întotdeauna calculată folosind legea lui Coulomb. Câmpul electric total în orice punct este contribuția sumei vectoriale (integrale) a tuturor sarcinilor, adică

Cu toate acestea, cu excepția celor mai multe cazuri simple, este extrem de dificil de calculat această sumă sau integrală.

Aici vine în ajutor teorema Ostrogradsky-Gauss, cu ajutorul căreia este mult mai ușor de calculat intensitatea câmpului electric creat de o anumită distribuție a sarcinii.

Valoarea principală a teoremei Ostrogradsky-Gauss este că permite înțelegerea mai profundă a naturii câmpului electrostatic și stabilește mai general relația dintre sarcină și câmp.

Dar înainte de a trece la teorema Ostrogradsky-Gauss, este necesar să introducem conceptele: linii de forță câmp electrostaticȘi fluxul vectorului de tensiune câmp electrostatic.

Pentru a descrie câmpul electric, trebuie să setați vectorul de intensitate în fiecare punct al câmpului. Acest lucru se poate face analitic sau grafic. Pentru aceasta folosesc linii de forță- acestea sunt linii, tangenta la care in orice punct al campului coincide cu directia vectorului intensitate(Fig. 2.1).

Orez. 2.1

Liniei de forță i se atribuie o anumită direcție - de la o sarcină pozitivă la o sarcină negativă sau la infinit.

Luați în considerare cazul câmp electric uniform.

Omogen numit câmp electrostatic, în toate punctele cărora intensitatea este aceeași ca mărime și direcție, adică Un câmp electrostatic uniform este reprezentat de linii paralele de forță la o distanță egală una de alta (un astfel de câmp există, de exemplu, între plăcile unui condensator) (Fig. 2.2).

În cazul unei sarcini punctiforme, liniile de tensiune emană din sarcina pozitivă și merg la infinit; iar de la infinit intră într-o sarcină negativă. pentru că atunci densitatea liniilor de câmp este invers proporțională cu pătratul distanței de la sarcină. pentru că suprafața sferei prin care trec aceste linii crește proporțional cu pătratul distanței, apoi numărul total liniile rămân constante la orice distanță de sarcină.

Pentru un sistem de sarcini, după cum vedem, liniile de forță sunt direcționate de la o sarcină pozitivă la una negativă (Fig. 2.2).

Orez. 2.2

Figura 2.3 mai arată că densitatea liniilor de câmp poate servi ca un indicator al valorii.

Densitatea liniilor de câmp ar trebui să fie astfel încât o unitate de suprafață normală vectorului de intensitate să fie traversată de un astfel de număr care este egal cu modulul vectorului de intensitate., adică

În spațiul care înconjoară sarcina care este sursa, este direct proporțional cu cantitatea acestei sarcini și invers cu pătratul distanței de la această sarcină. Direcția câmpului electric conform regulilor acceptate este întotdeauna de la o sarcină pozitivă spre o sarcină negativă. Aceasta poate fi reprezentată ca și cum o sarcină de test este plasată în regiunea spațiului câmpului electric al sursei și această sarcină de test fie va respinge, fie va atrage (în funcție de semnul sarcinii). Câmpul electric este caracterizat de puterea , care, fiind o mărime vectorială, poate fi reprezentată grafic ca o săgeată având lungime și direcție. Oriunde direcția săgeții indică direcția intensității câmpului electric E, sau pur și simplu - direcția câmpului, iar lungimea săgeții este proporțională cu valoarea numerică a intensității câmpului electric în acest loc. Cu cât regiunea spațiului este mai îndepărtată de sursa câmpului (încărcare Q), cu atât lungimea vectorului intensitate este mai mică. Mai mult, lungimea vectorului scade cu distanța până la n ori dintr-un loc în n 2 ori, adică invers proporțional cu pătratul.

Un mijloc mai util de reprezentare vizuală a naturii vectoriale a câmpului electric este utilizarea unui astfel de concept ca, sau pur și simplu - linii de forță. În loc să descrie nenumărate săgeți vectoriale în spațiul care înconjoară încărcătura sursă, sa dovedit a fi utilă combinarea lor în linii, unde vectorii înșiși sunt tangenți la punctele de pe astfel de linii.

Ca rezultat, folosit cu succes pentru a reprezenta imaginea vectorială a câmpului electric linii de câmp electric, care părăsesc sarcinile unui semn pozitiv și intră în încărcături semn negativși, de asemenea, se extind la infinit în spațiu. Această reprezentare vă permite să vedeți cu mintea câmpul electric invizibil pentru ochiul uman. Cu toate acestea, această reprezentare este convenabilă și pentru forte gravitationaleși orice alte interacțiuni fără contact pe distanță lungă.

Modelul liniilor de câmp electric include un număr infinit de ele, dar o densitate prea mare a imaginii liniilor de câmp reduce capacitatea de a citi modelele de câmp, astfel încât numărul lor este limitat de lizibilitate.

Reguli pentru trasarea liniilor de câmp electric

Există multe reguli pentru compilarea unor astfel de modele de linii electrice. Toate aceste reguli sunt concepute pentru a oferi cele mai multe informații atunci când vizualizați (desenați) un câmp electric. O modalitate este reprezentarea liniilor de câmp. Una dintre cele mai comune modalități este de a înconjura obiecte mai încărcate. o cantitate mare linii, adică o densitate mai mare a liniilor. Obiectele cu o sarcină mare creează câmpuri electrice mai puternice și, prin urmare, densitatea (densitatea) liniilor din jurul lor este mai mare. Cu cât sursa este mai aproape de sarcină, cu atât densitatea liniilor de câmp este mai mare și cu cât sarcina este mai mare, cu atât liniile din jurul acesteia sunt mai groase.

A doua regulă pentru trasarea liniilor de câmp electric implică trasarea unor linii de alt tip, cum ar fi cele care intersectează primele linii de forță. perpendicular. Acest tip de linie se numește linii echipotenţiale, iar în cazul unei reprezentări volumetrice, ar trebui să vorbim de suprafețe echipotențiale. Acest tip de linie formează contururi închise și fiecare punct de pe o astfel de linie echipotențială are aceeași valoare potenţialul câmpului. Când orice particulă încărcată traversează o astfel de perpendiculară linii de forță linii (suprafețe), apoi vorbesc despre munca efectuată de sarcină. Dacă sarcina se mișcă de-a lungul liniilor echipotențiale (suprafețe), atunci, deși se mișcă, nu se lucrează. O particulă încărcată în câmp electric o altă sarcină începe să se miște, dar în electricitatea statică sunt luate în considerare doar sarcinile fixe. Mișcarea sarcinilor se numește soc electric, în timp ce munca poate fi efectuată de către purtătorul de încărcare.

Este important să ne amintim că linii de câmp electric nu se intersectează, iar liniile de alt tip - echipotențiale, formează bucle închise. În locul în care există o intersecție a două tipuri de drepte, tangentele la aceste drepte sunt reciproc perpendiculare. Astfel, se obține ceva de genul unei rețele de coordonate curbe, sau o rețea, ale cărei celule, precum și punctele de intersecție ale liniilor tipuri diferite caracterizează câmpul electric.

Liniile întrerupte sunt echipotenţiale. Linii cu săgeți - linii de câmp electric

Câmp electric format din două sau mai multe sarcini

Pentru acuzații individuale solitare linii de câmp electric reprezinta razele radiale ieșind din încărcături și mergând la infinit. Care va fi configurația liniilor de câmp pentru două sau mai multe taxe? Pentru a realiza un astfel de model, trebuie amintit că avem de-a face cu un câmp vectorial, adică cu vectori de intensitate a câmpului electric. Pentru a descrie modelul câmpului, trebuie să efectuăm adăugarea vectorilor de intensitate din două sau mai multe sarcini. Vectorii rezultați vor reprezenta câmpul total al mai multor sarcini. Cum pot fi trasate linii de forță în acest caz? Este important să ne amintim că fiecare punct de pe linia câmpului este un singur punct contact cu vectorul intensității câmpului electric. Aceasta rezultă din definiția unei tangente în geometrie. Dacă de la începutul fiecărui vector construim o perpendiculară sub formă de linii lungi, atunci intersecția reciprocă a multor astfel de linii va reprezenta linia de forță foarte dorită.

Pentru o reprezentare matematică algebrică mai precisă a liniilor de forță, este necesar să se compună ecuațiile liniilor de forță, iar vectorii în acest caz vor reprezenta derivatele întâi, dreptele de ordinul întâi, care sunt tangentele. O astfel de sarcină este uneori extrem de complexă și necesită calcule computerizate.

În primul rând, este important de reținut că câmpul electric de la multe sarcini este reprezentat de suma vectorilor de intensitate de la fiecare sursă de sarcină. Acest Fundatia sa realizeze constructia liniilor de camp in vederea vizualizarii campului electric.

Fiecare sarcină introdusă în câmpul electric duce la o schimbare, chiar dacă nesemnificativă, a modelului liniilor de câmp. Astfel de imagini sunt uneori foarte atractive.

Liniile de câmp electric ca o modalitate de a ajuta mintea să vadă realitatea

Conceptul de câmp electric a apărut atunci când oamenii de știință au încercat să explice acțiunea la distanță lungă care are loc între obiectele încărcate. Conceptul de câmp electric a fost introdus pentru prima dată de către fizicianul din secolul al XIX-lea Michael Faraday. A fost rezultatul percepției lui Michael Faraday realitate invizibilă sub forma unei imagini a liniilor de forță care caracterizează acțiunea pe distanță lungă. Faraday nu a gândit în cadrul unei singure sarcini, ci a mers mai departe și a extins granițele minții. El a sugerat că un obiect încărcat (sau masa în cazul gravitației) afectează spațiul și a introdus conceptul de câmp de asemenea influență. Având în vedere astfel de câmpuri, el a putut explica comportamentul sarcinilor și, prin urmare, a dezvăluit multe dintre secretele electricității.

Există câmpuri scalare și vectoriale (în cazul nostru, câmpul vectorial va fi electric). În consecință, ele sunt modelate prin funcții scalare sau vectoriale ale coordonatelor, precum și prin timp.

Câmpul scalar este descris de o funcție de forma φ. Astfel de câmpuri pot fi vizualizate folosind suprafețe de același nivel: φ (x, y, z) = c, c = const.

Să definim un vector care este îndreptat către creșterea maximă a funcției φ.

Valoarea absolută a acestui vector determină viteza de modificare a funcției φ.

Evident, un câmp scalar generează un câmp vectorial.

Un astfel de câmp electric se numește potențial, iar funcția φ se numește potențial. Suprafețele de același nivel se numesc suprafețe echipotențiale. De exemplu, luați în considerare un câmp electric.

Pentru o afișare vizuală a câmpurilor sunt construite așa-numitele linii de câmp electric. Ele sunt numite și linii vectoriale. Acestea sunt drepte a căror tangentă într-un punct indică direcția câmpului electric. Numărul de linii care trec prin suprafața unității este proporțional cu valoarea absolută a vectorului.

Să introducem conceptul de diferenţială vectorială de-a lungul unei linii l. Acest vector este îndreptat tangențial la dreapta l și este egal în valoare absolută cu diferența dl.

Să fie dat un câmp electric, care trebuie reprezentat ca linii de forță de câmp. Cu alte cuvinte, definim coeficientul de întindere (compresie) k al vectorului astfel încât acesta să coincidă cu diferenţialul. Echivalând componentele diferenţialului şi ale vectorului, obţinem un sistem de ecuaţii. După integrare este posibil să se construiască ecuația liniilor de forță.

În analiza vectorială, există operații care oferă informații despre liniile de câmp electric prezente într-un anumit caz. Să introducem conceptul de „flux vectorial” pe suprafața S. Definiția formală a fluxului Ф are următoarea formă: mărimea este considerată ca produsul diferenţialului uzual ds de vectorul unitar al normalei la suprafaţa s. . Vectorul unitar este ales astfel încât să definească normala exterioară a suprafeței.

Este posibil să se facă o analogie între conceptul de flux de câmp și de flux de substanță: o substanță pe unitatea de timp trece printr-o suprafață, care la rândul ei este perpendiculară pe direcția fluxului de câmp. Dacă liniile de forță ies din suprafața S, atunci fluxul este pozitiv, iar dacă nu ies, atunci este negativ. În general, debitul poate fi estimat prin numărul de linii de forță care ies din suprafață. Pe de altă parte, mărimea fluxului este proporțională cu numărul de linii de câmp care pătrund în elementul de suprafață.

Divergența funcției vectoriale se calculează în punctul a cărui bandă este volumul ΔV. S este suprafața care acoperă volumul ΔV. Operația de divergență face posibilă caracterizarea punctelor din spațiu pentru prezența surselor de câmp în acesta. Când suprafața S este comprimată până la punctul P, liniile de câmp electric care pătrund pe suprafață vor rămâne în aceeași cantitate. Dacă un punct din spațiu nu este o sursă de câmp (scurgere sau scufundare), atunci când suprafața este comprimată până în acest punct, suma liniilor câmpului, începând de la un anumit moment, este egală cu zero (numărul de linii care intră pe suprafața S este egal cu numărul de linii ce emană de pe această suprafaţă).

Integrala în buclă închisă L în definiția funcționării rotorului se numește circulația energiei electrice de-a lungul buclei L. Funcționarea rotorului caracterizează câmpul într-un punct din spațiu. Direcția rotorului determină mărimea fluxului de câmp închis în jurul unui punct dat (rotorul caracterizează vortexul câmpului) și direcția acestuia. Pe baza definirii rotorului, prin simple transformari, se pot calcula proiectiile vectorului electric in sistemul de coordonate carteziene, precum si liniile campului electric.

CÂMPUL ELECTROSTATIC

câmp electrostatic acuzație de proces q0

tensiune

, (4)

, . (5)

linii de forță

MUNCĂ FORŢELOR CÂMPULUI ELECTROSTATIC. POTENŢIAL

Un câmp electric, ca și unul gravitațional, este potențial. Acestea. munca efectuată de forțele electrostatice nu depinde de traseul în care sarcina q este deplasată în câmpul electric de la punctul 1 la punctul 2. Acest lucru este egal cu diferența de energii potențiale pe care o are sarcina deplasată în punctele inițiale și finale ale campul:

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

Se poate demonstra că energia potențială a unei sarcini q este direct proporțională cu mărimea acestei sarcini. Prin urmare, ca caracteristică energetică a câmpului electrostatic, se utilizează raportul dintre energia potențială a unei sarcini de testare q 0 plasată în orice punct al câmpului și valoarea acestei sarcini:

Această valoare este cantitatea de energie potențială pe unitatea de sarcină pozitivă și se numește potenţialul câmpului la un punct dat. [φ] = J / C = V (Volt).

Dacă presupunem că atunci când sarcina q 0 este îndepărtată la infinit (r → ∞), energia sa potențială în câmpul sarcinii q dispare, atunci potențialul câmpului unei sarcini punctiforme q la distanța r de aceasta:

. (9)

Dacă câmpul este creat de un sistem de sarcini punctiforme, atunci potențialul câmpului rezultat este egal cu suma algebrică (inclusiv semnele) a potențialelor fiecăruia dintre ele:

. (10)

Din definiția potențialului (8) și expresia (7), munca efectuată de forțele câmpului electrostatic pentru a muta sarcina din

punctele 1 până la punctul 2 pot fi reprezentate astfel:

CURENTUL ELECTRIC ÎN GAZE

DESCARCARE DE GAZ NON-AUTO

Gazele la temperaturi nu prea ridicate și la presiuni apropiate de cea atmosferică sunt buni izolatori. Dacă este pus într-un loc uscat aerul atmosferic, un electrometru încărcat, apoi încărcarea acestuia rămâne neschimbată mult timp. Acest lucru se explică prin faptul că gazele în condiții normale constau din atomi și molecule neutre și nu conțin sarcini libere (electroni și ioni). Un gaz devine conductor de electricitate numai atunci când unele dintre moleculele sale sunt ionizate. Pentru ionizare, gazul trebuie expus la un fel de ionizator: de exemplu, o descărcare electrică, raze X, radiații sau radiații UV, flacără de lumânare etc. (în acest din urmă caz, conductivitatea electrică a gazului este cauzată de încălzire).

Când gazele sunt ionizate, ele scapă din exterior învelișul de electroni un atom sau o moleculă de unul sau mai mulți electroni, având ca rezultat formarea de electroni liberi și ioni pozitivi. Electronii se pot atașa de molecule și atomi neutri, transformându-i în ioni negativi. Prin urmare, într-un gaz ionizat există ioni încărcați pozitiv și negativ și electroni liberi. E curentul electric din gaze se numește descărcare gazoasă. Astfel, curentul din gaze este creat de ioni atât de semne, cât și de electroni. O descărcare de gaz cu un astfel de mecanism va fi însoțită de transferul de materie, adică. gazele ionizate sunt conductoare de al doilea fel.

Pentru a rupe un electron dintr-o moleculă sau atom, este necesar să se efectueze o anumită muncă A și, adică. cheltuiește puțină energie. Această energie se numește energie de ionizare , ale căror valori pentru atomi diverse substante se află în intervalul 4–25 eV. Cantitativ, procesul de ionizare este de obicei caracterizat printr-o cantitate numită potenţial de ionizare :

Concomitent cu procesul de ionizare într-un gaz, există întotdeauna un proces invers - procesul de recombinare: ioni pozitivi și negativi sau ioni și electroni pozitivi, întâlnindu-se, recombinându-se între ei pentru a forma atomi și molecule neutre. Cu cât apar mai mulți ioni sub acțiunea ionizatorului, cu atât procesul de recombinare este mai intens.

Strict vorbind, conductivitatea electrică a unui gaz nu este niciodată egală cu zero, deoarece acesta conține întotdeauna sarcini libere rezultate din acțiunea radiațiilor provenite de la substanțele radioactive prezente pe suprafața Pământului, precum și din radiația cosmică. Intensitatea ionizării sub acțiunea acestor factori este scăzută. Această ușoară conductivitate electrică a aerului este cauza scurgerii sarcinilor corpurilor electrificate, chiar dacă acestea sunt bine izolate.

Natura descărcării gazului este determinată de compoziția gazului, temperatura și presiunea acestuia, dimensiunile, configurația și materialul electrozilor, precum și tensiunea aplicată și densitatea curentului.

Să considerăm un circuit care conține un spațiu de gaz (Fig.), supus acțiunii continue, de intensitate constantă a unui ionizator. Ca urmare a acțiunii ionizatorului, gazul capătă o anumită conductivitate electrică și curentul va curge în circuit. Figura prezintă caracteristicile curent-tensiune (dependența curentului de tensiunea aplicată) pentru două ionizatoare. Performanţă
(numărul de perechi de ioni produși de ionizator în spațiul de gaz în 1 secundă) celui de-al doilea ionizator este mai mare decât primul. Vom presupune că performanța ionizatorului este constantă și egală cu n 0 . La o presiune nu foarte scăzută, aproape toți electronii separați sunt capturați de molecule neutre, formând ioni încărcați negativ. Luând în considerare recombinarea, presupunem că concentrațiile de ioni ale ambelor semne sunt aceleași și egale cu n. Vitezele medii de derivă ale ionilor de diferite semne într-un câmp electric sunt diferite: , . b - și b + sunt mobilitatea ionilor de gaz. Acum pentru regiunea I, luând în considerare (5), putem scrie:

După cum se poate observa, în regiunea I, cu creșterea tensiunii, curentul crește, deoarece viteza de derive crește. Numărul de perechi de ioni recombinați va scădea pe măsură ce viteza lor crește.

Regiunea II - regiune curent de saturație - toți ionii creați de ionizator ajung la electrozi fără a avea timp să se recombine. Densitatea curentului de saturație

j n = q n 0 d, (28)

unde d este lățimea spațiului de gaz (distanța dintre electrozi). După cum se poate vedea din (28), curentul de saturație este o măsură a efectului ionizant al ionizatorului.

La o tensiune mai mare decât U p p (regiunea III), viteza electronilor atinge o astfel de valoare încât, la ciocnirea cu molecule neutre, aceștia sunt capabili să provoace ionizare prin impact. Ca rezultat, se formează perechi suplimentare de ioni An 0. Valoarea A se numește factor de amplificare a gazului . În regiunea III, acest coeficient nu depinde de n 0 , ci depinde de U. Astfel. sarcina care ajunge la electrozi la constanta U este direct proporțională cu performanța ionizatorului - n 0 și tensiunea U. Din acest motiv, regiunea III se numește regiunea proporțională. U pr - pragul de proporționalitate. Factorul de amplificare a gazului A are valori de la 1 la 104.

În regiunea IV, regiunea proporționalității parțiale, câștigul de gaz începe să depindă de n 0. Această dependență crește odată cu creșterea U. Curentul crește brusc.

În domeniul de tensiune 0 ÷ U g, curentul în gaz există numai atunci când ionizatorul este în funcțiune. Dacă acțiunea ionizatorului este oprită, atunci se oprește și descărcarea. Descărcările care există doar sub acțiunea ionizatorilor externi se numesc neauto-susținute.

Tensiunea U g este pragul regiunii, regiunea Geiger, care corespunde stării în care procesul din golul de gaz nu dispare nici după ce ionizatorul este oprit, adică. scurgerea capata caracterul unei descarcari independente. Ionii primari doar dau impuls la apariția unei descărcări de gaz. În această regiune, dobândesc deja capacitatea de a ioniza ioni masivi ai ambelor semne. Mărimea curentului nu depinde de n 0 .

În zona VI, tensiunea este atât de mare încât descărcarea, odată ce a avut loc, nu se mai oprește - zona de descărcare continuă.

DESCARCARE INDEPENDENTĂ DE GAZ ȘI TIPURILE ACESTE

Descărcarea în gaz, care persistă după încetarea acțiunii ionizatorului extern, se numește independentă.

Să luăm în considerare condițiile pentru apariția unei descărcări independente. La tensiuni înalte (regiunile V–VI), electronii care apar sub acțiunea unui ionizator extern și sunt puternic accelerați de un câmp electric se ciocnesc cu moleculele de gaz neutru și le ionizează. Ca rezultat, se formează electroni secundari și ioni pozitivi. (procesul 1 în Fig. 158). Ionii pozitivi se deplasează spre catod, iar electronii se deplasează către anod. Electronii secundari ionizează din nou moleculele de gaz și, în consecință, numărul total de electroni și ioni va crește pe măsură ce electronii se deplasează spre anod ca o avalanșă. Acesta este motivul creșterii curentului electric (vezi Fig. zona V). Procesul descris se numește ionizare de impact.

Cu toate acestea, ionizarea prin impact sub acțiunea electronilor nu este suficientă pentru a menține descărcarea atunci când ionizatorul extern este îndepărtat. Pentru aceasta, este necesar ca avalanșele de electroni să se „reproducă”, adică să apară noi electroni în gaz sub influența unor procese. Astfel de procese sunt prezentate schematic în Fig. 158: Ionii pozitivi accelerați de câmp, lovind catodul, scot electronii din acesta (procesul 2); Ionii pozitivi, care se ciocnesc cu moleculele de gaz, le transferă într-o stare excitată, tranziția unor astfel de molecule la starea normală este însoțită de emisia unui foton (procesul 3); Un foton absorbit de o moleculă neutră îl ionizează, are loc așa-numitul proces de ionizare fotonică a moleculelor (procesul 4); Eliminarea electronilor din catod sub acțiunea fotonilor (procesul 5).

În cele din urmă, la tensiuni semnificative între electrozii golului de gaz, vine un moment în care ionii pozitivi, care au o cale liberă medie mai scurtă decât electronii, dobândesc energie suficientă pentru a ioniza moleculele de gaz (procesul 6), iar avalanșele de ioni se grăbesc spre negativ. farfurie. Când, pe lângă avalanșele de electroni, există și avalanșe de ioni, curentul crește aproape fără creșterea tensiunii (regiunea VI din Fig.).

Ca urmare a proceselor descrise, numărul de ioni și electroni din volumul gazului crește ca o avalanșă, iar descărcarea devine independentă, adică persistă chiar și după încetarea acțiunii ionizatorului extern. Tensiunea la care are loc autodescărcarea se numește tensiune de ruptură. Pentru aer, aceasta este aproximativ 30.000 de volți pentru fiecare centimetru de distanță.

În funcție de presiunea gazului, de configurația electrozilor și de parametrii circuitului extern, putem vorbi de patru tipuri de descărcare independentă: strălucire, scânteie, arc și coroană.

1. Descărcări mocnite. Apare la presiuni scăzute. Dacă se aplică o tensiune constantă de câteva sute de volți electrozilor lipiți într-un tub de sticlă lung de 30 ÷ 50 cm, pompând treptat aerul din tub, atunci la o presiune de ≈ 5,3 ÷ 6,7 kPa, are loc o descărcare sub formă de un cordon de înfășurare roșiatic strălucitor, care merge de la catod la anod. Cu o scădere suplimentară a presiunii, cordonul se îngroașă, iar la o presiune de ≈ 13 Pa, descărcarea are forma prezentată schematic în Fig.

Direct adiacent catodului este un strat luminos subțire 1 - prima strălucire catodică, sau o peliculă catodică, apoi urmează un strat întunecat 2 - un spațiu întunecat catodic, trecând mai departe într-un strat luminos 3 - o strălucire mocnitoare care are o margine ascuțită pe partea catodului, dispărând treptat din partea anodului. Ea apare din recombinarea electronilor cu ioni pozitivi. Strălucirea care mocnește este mărginită de un spațiu întunecat 4 - spațiu întunecat Faraday, urmat de o coloană de gaz luminos ionizat 5 - o coloană pozitivă. Coloana pozitivă nu are un rol semnificativ în menținerea descărcării. De exemplu, pe măsură ce distanța dintre electrozii tubului scade, lungimea acestuia se scurtează, în timp ce părțile catodice ale descărcării rămân neschimbate ca formă și dimensiune. Într-o descărcare strălucitoare, doar două dintre părțile sale sunt de o importanță deosebită pentru întreținerea acesteia: spațiul întunecat catodic și strălucirea strălucitoare. În spațiul întunecat al catodului, are loc o accelerare puternică a electronilor și ionilor pozitivi, eliminând electronii din catod (emisia secundară). Totuși, în regiunea mocnitoare are loc ionizarea prin impact a moleculelor de gaz de către electroni. Ionii pozitivi formați în acest caz se îndreaptă spre catod și scot noi electroni din acesta, care, la rândul lor, ionizează din nou gazul etc. În acest fel, o descărcare strălucitoare este menținută în mod continuu.

Odată cu evacuarea suplimentară a tubului la o presiune de ≈ 1,3 Pa, strălucirea gazului slăbește și pereții tubului încep să strălucească. Electronii scoși din catod de ionii pozitivi rareori se ciocnesc cu moleculele de gaz la o asemenea rarefacție și, prin urmare, accelerați de câmp, lovind sticla, provoacă strălucirea acesteia, așa-numita catodoluminiscență. Fluxul acestor electroni a fost numit istoric raze catodice.

Descărcarea strălucitoare este utilizată pe scară largă în tehnologie. Deoarece strălucirea coloanei pozitive are o culoare caracteristică fiecărui gaz, este utilizată în tuburile de lumină cu gaz pentru inscripții luminoase și reclame (de exemplu, tuburile cu descărcare de neon dau o strălucire roșie, tuburile de argon - verde-albăstrui). În lămpile fluorescente, care sunt mai economice decât lămpile incandescente, radiația cu descărcare strălucitoare care apare în vaporii de mercur este absorbită de o substanță fluorescentă (fosfor) depusă pe suprafața interioară a tubului, care începe să strălucească sub influența radiației absorbite. Spectrul de luminiscență cu o selecție adecvată de fosfor este aproape de spectrul radiației solare. Descărcarea strălucitoare este utilizată pentru depunerea catodică a metalelor. Substanța catodică aflată într-o descărcare luminoasă din cauza bombardării cu ioni pozitivi, fiind puternic încălzită, trece în stare de vapori. Prin plasarea diferitelor obiecte lângă catod, acestea pot fi acoperite cu un strat uniform de metal.

2. Descărcare prin scânteie. Apare la intensități mari ale câmpului electric (≈ 3·10 6 V/m) într-un gaz sub presiune atmosferică. Scanteia are aspectul unui canal subtire puternic luminos, curbat si ramificat intr-un mod complicat.

Explicația descărcării scânteii este dată pe baza teoriei streamerului, conform căreia apariția unui canal de scânteie puternic luminos este precedată de apariția unor acumulări slab luminoase de gaz ionizat. Aceste grupuri sunt numite streamers. Fluorii apar nu numai ca urmare a formării avalanșelor de electroni prin ionizarea prin impact, ci și ca urmare a ionizării fotonilor a gazului. Avalanșele, urmărindu-se una pe cealaltă, formează poduri conducătoare de streamere, de-a lungul cărora, în următoarele momente de timp, curg puternice fluxuri de electroni, formând canale de descărcare a scânteilor. Datorită eliberării unei cantități mari de energie în timpul proceselor luate în considerare, gazul din eclator este încălzit la o temperatură foarte ridicată (aproximativ 10 4 K), ceea ce duce la strălucirea sa. Încălzirea rapidă a gazului duce la o creștere a presiunii și a undelor de șoc, care explică efectele sonore ale unei descărcări de scântei - trosnetul caracteristic în descărcări slabe și tunet puternic în cazul fulgerului, care este un exemplu de descărcare puternică de scântei între un nor de tunet și Pământ sau între doi nori de tunet.

Descărcarea prin scânteie este utilizată pentru a aprinde amestecul combustibil din motoarele cu ardere internă și pentru a proteja liniile electrice de transmisie de supratensiuni (eclatoare). Cu o lungime mică a golului de descărcare, descărcarea de scânteie provoacă distrugerea (eroziunea) suprafeței metalice; prin urmare, este utilizată pentru prelucrarea de precizie electrospark a metalelor (tăiere, găurire). Este folosit în analiza spectrală pentru a înregistra particulele încărcate (contoare de scântei).

3. Descărcarea arcului. Dacă, după aprinderea unei descărcări de scânteie dintr-o sursă puternică, distanța dintre electrozi este redusă treptat, atunci descărcarea devine continuă - are loc o descărcare cu arc. În acest caz, puterea curentului crește brusc, ajungând la sute de amperi, iar tensiunea pe intervalul de descărcare scade la câteva zeci de volți. O descărcare cu arc poate fi obținută dintr-o sursă de joasă tensiune care ocolește treapta de scânteie. Pentru a face acest lucru, electrozii (de exemplu, cei de carbon) sunt adunați împreună până se ating, sunt foarte fierbinți cu un curent electric, apoi sunt crescuți și obținuți. arc electric(așa a fost descoperit de omul de știință rus V.V. Petrov). La presiunea atmosferică, temperatura catodului este aproximativ egală cu 3900 K. Pe măsură ce arcul arde, catodul de carbon se ascuți, iar pe anod se formează o depresiune - un crater, care este punctul cel mai fierbinte al arcului.

Conform conceptelor moderne, descărcarea arcului se menține datorită temperaturii ridicate a catodului datorită emisiei termoionice intense, precum și ionizării termice a moleculelor datorită temperaturii ridicate a gazului.

Descărcarea arcului este utilizat pe scară largă în economie nationala pentru sudarea si taierea metalelor, obtinerea de oteluri de calitate superioara (cuptor cu arc), iluminat (reflectoare, echipamente de proiectie). Lămpile cu arc cu electrozi de mercur în cilindri de cuarț sunt, de asemenea, utilizate pe scară largă, unde se produce o descărcare de arc în vapori de mercur atunci când aerul este pompat. Arcul generat în vaporii de mercur este o sursă puternică de radiații ultraviolete și este utilizat în medicină (de exemplu, lămpi de cuarț). Descărcarea arcului la presiuni joaseîn vapori de mercur este folosit în redresoare de mercur pentru a redresa curentul alternativ.

4. descărcare corona - descărcare electrică de înaltă tensiune care are loc la presiune mare (de exemplu, atmosferică) într-un câmp neomogen (de exemplu, lângă electrozi cu o curbură mare a suprafeței, vârful unui electrod cu ac). Când intensitatea câmpului în apropierea vârfului ajunge la 30 kV/cm, în jurul acestuia apare o strălucire asemănătoare coronei, care este motivul pentru denumirea acestui tip de descărcare.

În funcție de semnul electrodului corona, se distinge o corona negativă sau pozitivă. În cazul unei coroane negative, producția de electroni care provoacă ionizarea de impact a moleculelor de gaz are loc datorită emisiei acestora din catod sub acțiunea ionilor pozitivi, în cazul unei coroane pozitive, datorită ionizării gazului în apropierea anodului. ÎN vivo corona apare sub influența electricității atmosferice la vârfurile catargelor navelor sau arborilor (pe aceasta se bazează acțiunea paratrăsnetului). Acest fenomen a fost numit în antichitate focul Sfântului Elm. Efectul dăunător al coroanei în jurul firelor liniilor electrice de înaltă tensiune este apariția curenților de scurgere. Pentru a le reduce, firele liniilor de înaltă tensiune sunt făcute groase. Descărcarea corona, fiind discontinuă, devine și o sursă de interferențe radio.

Descărcarea corona este utilizată în precipitatoarele electrostatice utilizate pentru curățare gaze industriale din impurități. Gazul de purificat se deplasează de jos în sus într-un cilindru vertical, de-a lungul axei căruia se află un fir corona. Ionii prezenți în în număr mareîn partea exterioară a coroanei, impuritățile se depun pe particule și sunt transportate de câmp către electrodul extern non-corona și se depun pe acesta. Descărcarea Corona este, de asemenea, utilizată în aplicarea vopselelor cu pulbere și vopsea.

CÂMPUL ELECTROSTATIC

LINII ELECTRICE ALE CÂMPULUI ELECTRIC

Conform conceptelor fizicii moderne, efectul unei sarcini asupra alteia se transmite prin câmp electrostatic - un mediu material special care se întinde infinit pe care fiecare corp încărcat îl creează în jurul său. Câmpurile electrostatice nu pot fi detectate de simțurile umane. Cu toate acestea, o sarcină plasată într-un câmp este afectată de o forță direct proporțională cu mărimea acestei sarcini. pentru că direcția forței depinde de semnul încărcăturii, s-a convenit să se folosească așa-numitul acuzație de proces q0. Aceasta este o sarcină punctiformă pozitivă, care este plasată în punctul de interes pentru noi în câmpul electric. În consecință, este recomandabil să se folosească raportul dintre forță și valoarea sarcinii de testare q 0 ca caracteristică de forță a câmpului:

Această constantă pentru fiecare punct al câmpului este o mărime vectorială egal cu puterea care acționează asupra unei unități de sarcină pozitivă se numește tensiune . Pentru câmpul unei sarcini punctiforme q la o distanță r de aceasta:

, (4)

Direcția vectorului coincide cu direcția forței care acționează asupra sarcinii de testare. [E] = N/C sau V/m.

Într-un mediu dielectric, forța de interacțiune între sarcini și, prin urmare, intensitatea câmpului, scade de ε ori:

, . (5)

Când mai multe câmpuri electrostatice sunt suprapuse unul peste altul, puterea rezultată este determinată ca suma vectorială a intensităților fiecăruia dintre câmpuri (principiul suprapunerii):

Grafic, distribuția câmpului electric în spațiu este reprezentată folosind linii de forță . Aceste linii sunt trasate astfel încât tangentele la ele să coincidă în orice punct cu. Aceasta înseamnă că vectorul forței care acționează asupra sarcinii și, prin urmare, vectorul accelerației acesteia, se află, de asemenea, pe tangente la liniile de forță, care nu se intersectează niciodată și nicăieri. Liniile de forță ale unui câmp electrostatic nu pot fi închise. Ele încep cu sarcini pozitive și se termină cu sarcini negative sau merg la infinit.