Črte sile elektrostatičnega polja. Linije električnega polja

Za vizualni grafični prikaz polja je priročno uporabiti črte silo - usmerjene črte, tangente na katere na vsaki točki sovpadajo s smerjo vektorja jakosti električnega polja (slika 233).

riž. 233
Po definiciji imajo črte sile električnega polja vrsto skupne lastnosti(primerjaj z lastnostmi tokov tekočine):
 1. črte sile se ne sekajo (sicer lahko na presečišču zgradimo dve tangenti, torej v eni točki ima jakost polja dve vrednosti, kar je absurdno).
2. Črte sile nimajo pregibov (na pregibni točki lahko ponovno zgradite dve tangenti).
3. Silne črte elektrostatičnega polja se začnejo in končajo na nabojih.
Ker je jakost polja določena na vsaki prostorski točki, potem lahko črto sile potegnemo skozi katero koli prostorsko točko. Zato je število črt sile neskončno veliko. Število črt, ki se uporabljajo za upodobitev polja, je največkrat odvisno od umetniškega okusa fizika umetnika. V nekaterih učni pripomočki priporočljivo je sestaviti sliko poljske linije tako, da je njihova gostota večja tam, kjer je moč polja večja. Ta zahteva ni stroga in ni vedno izvedljiva, zato so narisane črte sile, ki izpolnjujejo formulirane lastnosti 1 − 3 .
Zelo enostavno je narisati črte sile polja, ki ga ustvari točkovni naboj. V tem primeru so črte sile niz ravnih črt, ki se pojavljajo (za pozitivno) ali vstopajo (za negativno) na točki lokacije naboja (slika 234).

riž. 234
Takšne družine silnih linij polj točkovnih nabojev kažejo, da so naboji viri polja, po analogiji z viri in ponori polja hitrosti tekočine. Dokaz, da se črte sile ne morejo začeti ali končati na tistih točkah, kjer ni nabojev, bo prikazan kasneje.
Sliko polj realnih polj je mogoče eksperimentalno reproducirati.
Nalijte majhno plast v nizko posodo ricinusovo olje in vanjo nalijte manjši del zdroba. Če olje z žiti damo v elektrostatično polje, se zrna zdroba (imajo rahlo podolgovato obliko) obrnejo v smeri jakosti električnega polja in se po nekaj deset sekundah poravnajo približno vzdolž silnih črt. v skodelici se pojavi slika silnih linij električnega polja. Nekatere od teh "slik" so predstavljene na fotografijah.
Možna je tudi izvedba teoretičnega izračuna in konstrukcije silnih linij. Res je, ti izračuni zahtevajo ogromno izračunov, zato v resnici (in brez posebno delo) se izvajajo z uporabo računalnika, najpogosteje se takšne konstrukcije izvajajo v določeni ravnini.
Pri razvoju algoritmov za izračun vzorca poljske črte naletimo na številne težave, ki jih je treba rešiti. Prvi tak problem je izračun vektorja polja. V primeru elektrostatičnih polj, ki jih ustvarja dana porazdelitev naboja, je ta problem rešen z uporabo Coulombovega zakona in principa superpozicije. Druga težava je način gradnje ločene črte. Ideja najpreprostejšega algoritma, ki rešuje ta problem, je precej očitna. Na majhnem območju vsaka črta praktično sovpada s svojo tangento, zato bi morali zgraditi veliko segmentov, ki se dotikajo črt sile, to je segmentov majhne dolžine l, katerega smer sovpada s smerjo polja v dani točki. Da bi to naredili, je treba najprej izračunati komponente vektorja intenzivnosti v dano točko E x, E y in modul tega vektorja E = √(E x 2 + E y 2 ). Nato lahko zgradite segment majhne dolžine, katerega smer sovpada s smerjo vektorja jakosti polja. njegove projekcije na koordinatne osi se izračunajo po formulah, ki sledijo s sl. 235:

riž. 235

Nato ponovite postopek, začenši od konca zgrajenega segmenta. Seveda se pri implementaciji takšnega algoritma pojavljajo še drugi problemi, ki so bolj tehnične narave.
Na slikah 236 so prikazane silnice polj, ki jih ustvarita dva točkovna naboja.


riž. 236
Znaki nabojev so navedeni na slikah a) in b) naboji so enaki po modulu, na sl. c), d) so različni - katere od njih predlagamo, da določimo bolj samostojno. V vsakem primeru tudi sami določite smeri silnih linij.
Zanimiv je podatek, da je M. Faraday smatral silnice električnega polja kot prave elastične cevi, ki med seboj povezujejo električne naboje, takšne predstavitve so mu veliko pomagale pri napovedovanju in razlagi številnih fizikalnih pojavov.
Strinjam se, da je imel veliki M. Faraday prav - če miselno zamenjate črte z elastičnimi gumijastimi trakovi, je narava interakcije zelo jasna.

Ostrogradsky–Gaussov izrek, ki ga bomo dokazali in obravnavali kasneje, vzpostavlja povezavo med električni naboji in električno polje. Je bolj splošna in elegantnejša formulacija Coulombovega zakona.

Načeloma je moč elektrostatičnega polja, ki ga ustvari dana porazdelitev naboja, vedno mogoče izračunati z uporabo Coulombovega zakona. Celotno električno polje na kateri koli točki je vektorska vsota (integralni) prispevek vseh nabojev, t.j.

Vendar z izjemo večine preprostih primerih, je izredno težko izračunati to vsoto ali integral.

Tu na pomoč priskoči Ostrogradsky-Gaussov izrek, s pomočjo katerega je veliko lažje izračunati jakost električnega polja, ki nastane z dano porazdelitvijo naboja.

Glavna vrednost Ostrogradskega-Gaussovega izreka je, da omogoča globlje razumevanje narave elektrostatičnega polja in vzpostavlja bolj splošno razmerje med nabojem in poljem.

Toda preden preidemo na Ostrogradsky-Gaussov izrek, je treba uvesti koncepte: črte sile elektrostatično polje in pretok vektorja napetosti elektrostatično polje.

Za opis električnega polja morate nastaviti vektor jakosti na vsaki točki polja. To je mogoče narediti analitično ali grafično. Za to uporabljajo črte sile- to so črte, na katere tangenta na kateri koli točki polja sovpada s smerjo vektorja intenzivnosti(slika 2.1).

riž. 2.1

Liniji sile je dodeljena določena smer - od pozitivnega naboja do negativnega ali v neskončnost.

Razmislite o primeru enotno električno polje.

Homogena imenujemo elektrostatično polje, katerega jakost je na vseh točkah enaka po velikosti in smeri, tj. Enakomerno elektrostatično polje je prikazano z vzporednimi sili na enaki razdalji drug od drugega (tako polje obstaja na primer med ploščama kondenzatorja) (slika 2.2).

V primeru točkovnega naboja napetostne črte izhajajo iz pozitivnega naboja in gredo v neskončnost; in iz neskončnosti vstopite v negativni naboj. Ker potem je gostota poljskih linij obratno sorazmerna s kvadratom razdalje od naboja. Ker površina krogle, skozi katero te črte potekajo, se poveča sorazmerno s kvadratom razdalje, nato skupno številočrte ostanejo konstantne na kateri koli razdalji od naboja.

Za sistem nabojev, kot vidimo, so črte sile usmerjene od pozitivnega na negativnega (slika 2.2).

riž. 2.2

Slika 2.3 tudi kaže, da lahko gostota poljskih črt služi kot indikator vrednosti.

Gostota poljskih črt mora biti taka, da enoto površine, ki je normalna na vektor intenzitete, preseka takšno število, ki je enako modulu vektorja intenzivnosti, tj.

V prostoru, ki obdaja naboj, ki je vir, je neposredno sorazmeren s količino tega naboja in obratno s kvadratom razdalje od tega naboja. Smer električnega polja po sprejetih pravilih je vedno od pozitivnega naboja proti negativnemu. To lahko predstavimo, kot da je testni naboj postavljen v prostorsko območje električnega polja vira in se bo ta preskusni naboj bodisi odbijal ali privlačil (odvisno od predznaka naboja). Za električno polje je značilna moč , ki jo kot vektorsko količino lahko grafično predstavimo kot puščica z dolžino in smerjo. Kjerkoli smer puščice kaže smer jakosti električnega polja E, ali preprosto - smer polja, dolžina puščice pa je sorazmerna s številčno vrednostjo jakosti električnega polja na tem mestu. Čim dlje je območje prostora od vira polja (naboja Q), manjša je dolžina vektorja intenzivnosti. Poleg tega se dolžina vektorja zmanjšuje z razdaljo do n krat iz nekega kraja n 2 krat, to je obratno sorazmerno s kvadratom.

Bolj uporabno sredstvo za vizualizacijo vektorske narave električnega polja je uporaba takega koncepta, kot so ali preprosto črte sile. Namesto upodobitve neštetih vektorskih puščic v prostoru, ki obdaja izvorni naboj, se je izkazalo, da jih je koristno združiti v črte, kjer se vektorji sami dotikajo točk na takih premicah.

Kot rezultat, se uspešno uporablja za predstavitev vektorske slike električnega polja linije električnega polja, ki zapustijo naboje pozitivnega predznaka in vstopijo v naboje negativni predznak, in se razširi tudi v neskončnost v prostoru. Ta predstavitev vam omogoča, da z umom vidite električno polje, nevidno človeškemu očesu. Vendar je ta predstavitev priročna tudi za gravitacijske sile in vse druge brezkontaktne interakcije na velike razdalje.

Model polj električnega polja jih vključuje neskončno število, vendar previsoka gostota slike poljskih črt zmanjša zmožnost branja vzorcev polja, zato je njihovo število omejeno z berljivostjo.

Pravila za risanje polj električnega polja

Obstaja veliko pravil za sestavljanje takšnih modelov električnih vodov. Vsa ta pravila so zasnovana tako, da zagotovijo največ informacij pri vizualizaciji (risanju) električnega polja. Eden od načinov je upodabljanje poljske črte. Eden najpogostejših načinov je obkrožanje bolj nabitih predmetov. velika količinačrt, to je večja gostota črt. Objekti z velikim nabojem ustvarjajo močnejša električna polja in zato je gostota (gostota) črt okoli njih večja. Bližje kot je vir naboja, večja je gostota poljskih linij in večji kot je naboj, debelejše so črte okoli njega.

Drugo pravilo za risanje črt električnega polja vključuje risanje črt drugačne vrste, na primer tistih, ki sekajo prve silnice. pravokotno. Ta vrsta linije se imenuje ekvipotencialne linije, v primeru volumetričnega prikaza pa bi morali govoriti o ekvipotencialnih površinah. Ta vrsta črte tvori zaprte konture in ima vsaka točka na takšni ekvipotencialni črti enaka vrednost potencial polja. Ko kateri koli nabiti delec prečka to pravokotno črte silečrte (površine), nato govorijo o delu, ki ga opravi naboj. Če se naboj premika vzdolž ekvipotencialnih črt (površin), potem čeprav se premika, se delo ne opravi. Nabit delec v električno polje drug naboj se začne premikati, vendar se pri statični elektriki upoštevajo le fiksni naboji. Gibanje nabojev se imenuje električni šok, medtem ko lahko delo opravi nosilec polnjenja.

To si je pomembno zapomniti linije električnega polja se ne sekajo in črte druge vrste - ekvipotencialne, tvorijo zaprte zanke. Na mestu, kjer je presečišče dveh vrst premic, so tangente na te premice medsebojno pravokotne. Tako dobimo nekaj takega kot ukrivljena koordinatna mreža ali rešetka, katere celice, pa tudi točke presečišča črt različni tipi označiti električno polje.

Črtkane črte so ekvipotencialne. Črte s puščicami - linije električnega polja

Električno polje, sestavljeno iz dveh ali več nabojev

Za samotne individualne dajatve linije električnega polja predstavljajo radialni žarki izhajajo iz nabojev in gredo v neskončnost. Kakšna bo konfiguracija poljske linije za dva ali več nabojev? Za izvedbo takšnega vzorca se je treba spomniti, da imamo opravka z vektorskim poljem, torej z vektorji jakosti električnega polja. Za prikaz vzorca polja moramo izvesti seštevanje vektorjev intenzivnosti iz dveh ali več nabojev. Nastali vektorji bodo predstavljali skupno polje več nabojev. Kako je mogoče v tem primeru narisati črte sile? Pomembno si je zapomniti, da je vsaka točka na črti polja ena točka stik z vektorjem jakosti električnega polja. To izhaja iz definicije tangente v geometriji. Če od začetka vsakega vektorja zgradimo pravokotno v obliki dolgih črt, bo medsebojno presečišče mnogih takih črt prikazalo zelo želeno črto sile.

Za natančnejšo matematično algebraično predstavo silnih linij je treba sestaviti enačbe silnih linij, vektorji pa bodo v tem primeru predstavljali prve izvode, premice prvega reda, ki so tangente. Takšna naloga je včasih izjemno zapletena in zahteva računalniške izračune.

Najprej si je treba zapomniti, da je električno polje številnih nabojev predstavljeno z vsoto vektorjev intenzivnosti iz vsakega vira naboja. to je osnova izvesti konstrukcijo poljskih linij za vizualizacijo električnega polja.

Vsak naboj, ki se vnese v električno polje, vodi do spremembe, četudi nepomembne, v vzorcu poljskih linij. Takšne slike so včasih zelo privlačne.

Linije električnega polja kot način za pomoč umu, da vidi resničnost

Koncept električnega polja je nastal, ko so znanstveniki poskušali razložiti delovanje na dolge razdalje, ki se pojavi med nabitimi predmeti. Koncept električnega polja je prvi uvedel fizik iz 19. stoletja Michael Faraday. To je bil rezultat dojemanja Michaela Faradayja nevidna realnost v obliki slike silnih linij, ki označujejo delovanje na dolge razdalje. Faraday ni razmišljal v okviru enega naboja, ampak je šel dlje in razširil meje uma. Predlagal je, da nabit objekt (ali masa v primeru gravitacije) vpliva na prostor in uvedel koncept polja takšnega vpliva. Ob upoštevanju takšnih polj je lahko razložil obnašanje nabojev in s tem razkril številne skrivnosti elektrike.

Obstajata skalarno in vektorsko polje (v našem primeru bo vektorsko polje električno). V skladu s tem se modelirajo s skalarnimi ali vektorskimi funkcijami koordinat, pa tudi s časom.

Skalarno polje je opisano s funkcijo oblike φ. Takšna polja je mogoče vizualizirati z uporabo površin iste ravni: φ (x, y, z) = c, c = const.

Definirajmo vektor, ki je usmerjen v maksimalno rast funkcije φ.

Absolutna vrednost tega vektorja določa hitrost spremembe funkcije φ.

Očitno skalarno polje generira vektorsko polje.

Takšno električno polje imenujemo potencial, funkcija φ pa potencial. Površine iste ravni se imenujejo ekvipotencialne površine. Na primer, upoštevajte električno polje.

Za vizualni prikaz polj so zgrajene tako imenovane črte električnega polja. Imenujejo jih tudi vektorske črte. To so črte, katerih tangenta v točki označuje smer električnega polja. Število črt, ki potekajo skozi površino enote, je sorazmerno z absolutno vrednostjo vektorja.

Uvedemo pojem vektorskega diferenciala vzdolž neke premice l. Ta vektor je usmerjen tangencialno na premico l in je po absolutni vrednosti enak diferencialu dl.

Naj bo podano neko električno polje, ki ga je treba predstaviti kot silnice. Z drugimi besedami, definirajmo koeficient raztezanja (stiskanja) k vektorja tako, da sovpada z diferencialom. Če izenačimo komponente diferenciala in vektorja, dobimo sistem enačb. Po integraciji je mogoče sestaviti enačbo silnic.

Pri vektorski analizi obstajajo operacije, ki zagotavljajo informacije o tem, katere linije električnega polja so prisotne v določenem primeru. Uvedemo pojem "vektorski tok" na površini S. Formalna definicija toka Ф ima naslednjo obliko: količina se obravnava kot produkt običajnega diferenciala ds z enotnim vektorjem normale na površino s . Vektor enote je izbran tako, da definira zunanjo normalo površine.

Možno je potegniti analogijo med konceptom toka polja in toka snovi: snov na enoto časa prehaja skozi površino, ki je pravokotna na smer toka polja. Če gredo črte sile iz površine S, je tok pozitiven, če pa ne gredo ven, potem je negativen. Na splošno je tok mogoče oceniti s številom silnih linij, ki izhajajo iz površine. Po drugi strani pa je velikost toka sorazmerna s številom poljskih linij, ki prodirajo v površinski element.

Divergenca vektorske funkcije se izračuna na točki, katere pas je prostornina ΔV. S je površina, ki pokriva prostornino ΔV. Operacija divergence omogoča karakterizacijo točk v prostoru glede na prisotnost virov polja v njem. Ko je površina S stisnjena na točko P, bodo črte električnega polja, ki prodirajo skozi površino, ostale v enaki količini. Če točka v prostoru ni vir polja (puščanje ali ponor), potem, ko je površina stisnjena do te točke, je vsota poljskih črt, ki se začnejo od določenega trenutka, enaka nič (število črt, ki vstopajo v površino S, je enako številu črt, ki izhajajo iz te površine).

Integral zaprte zanke L v definiciji delovanja rotorja imenujemo kroženje električne energije vzdolž zanke L. Delovanje rotorja označuje polje v točki v prostoru. Smer rotorja določa velikost toka zaprtega polja okoli določene točke (rotor označuje vrtinec polja) in njegovo smer. Na podlagi definicije rotorja je s preprostimi transformacijami mogoče izračunati projekcije vektorja električne energije v kartezijskem koordinatnem sistemu, kot tudi premice električnega polja.

ELEKTROSTATIČNO POLJE

elektrostatično polje testno polnjenje q0

napetost

, (4)

, . (5)

črte sile

DELO SIL ELEKTROSTATIČNEGA POLJA. POTENCIAL

Električno polje je tako kot gravitacijsko polje potencialno. tiste. delo, ki ga opravijo elektrostatične sile, ni odvisno od tega, po kateri poti se naboj q v električnem polju premakne od točke 1 do točke 2. To delo je enako razliki potencialnih energij, ki jih ima premaknjen naboj na začetni in končni točki polje:

A 1,2 \u003d Š 1 - Š 2. (7)

Lahko se pokaže, da je potencialna energija naboja q premo sorazmerna z velikostjo tega naboja. Zato se kot energijska značilnost elektrostatičnega polja uporabi razmerje potencialne energije preskusnega naboja q 0, ki je nameščen na kateri koli točki polja, in vrednosti tega naboja:

Ta vrednost je količina potencialne energije na enoto pozitivnega naboja in se imenuje potencial polja na dani točki. [φ] = J / C = V (volt).

Če predpostavimo, da ko se naboj q 0 odstrani v neskončnost (r → ∞), njegova potencialna energija v polju naboja q izgine, potem je potencial polja točkovnega naboja q na razdalji r od njega:

. (9)

Če je polje ustvarjeno s sistemom točkovnih nabojev, je potencial nastalega polja enak algebraični (vključno s predznaki) vsoti potencialov vsakega od njih:

. (10)

Iz definicije potenciala (8) in izraza (7) je delo, ki ga opravijo sile elektrostatičnega polja, da premaknejo naboj iz

od točke 1 do točke 2 je mogoče predstaviti kot:

ELEKTRIČNI TOK V PLINIH

NESAMOSTOJNO PRAZNJENJE PLIN

Plini pri ne previsokih temperaturah in pri tlakih blizu atmosferskega so dobri izolatorji. Če ga postavite na suho atmosferski zrak, napolnjen elektrometer, potem njegov naboj ostane dolgo nespremenjen. To je razloženo z dejstvom, da so plini v normalnih pogojih sestavljeni iz nevtralnih atomov in molekul in ne vsebujejo prostih nabojev (elektronov in ionov). Plin postane prevodnik električnega toka šele, ko so nekatere njegove molekule ionizirane. Za ionizacijo mora biti plin izpostavljen nekemu ionizatorju: na primer električnemu razelektritvi, rentgenski žarki, sevanje ali UV sevanje, plamen sveč itd. (v zadnjem primeru je električna prevodnost plina posledica segrevanja).

Ko so plini ionizirani, pobegnejo od zunaj elektronska lupina atom ali molekula enega ali več elektronov, kar ima za posledico proste elektrone in pozitivne ione. Elektroni se lahko vežejo na nevtralne molekule in atome ter jih spremenijo v negativne ione. Zato so v ioniziranem plinu pozitivno in negativno nabiti ioni ter prosti elektroni. E električni tok v plinih se imenuje plinska razelektritev. Tako tok v plinih ustvarjajo ioni obeh znakov in elektroni. Plinski izpust s takšnim mehanizmom bo spremljal prenos snovi, t.j. ionizirani plini so prevodniki druge vrste.

Da bi od molekule ali atoma odtrgali en elektron, je treba opraviti določeno delo A in, t.j. porabiti nekaj energije. Ta energija se imenuje ionizacijsko energijo , katerega vrednosti za atome različne snovi ležijo v območju 4–25 eV. Kvantitativno je za ionizacijski proces običajno značilna količina, ki se imenuje ionizacijski potencial :

Hkrati s procesom ionizacije v plinu vedno poteka obraten proces - proces rekombinacije: pozitivni in negativni ioni ali pozitivni ioni in elektroni, se srečajo, rekombinirajo med seboj in tvorijo nevtralne atome in molekule. Več ionov se pojavi pod delovanjem ionizatorja, intenzivnejši je proces rekombinacije.

Strogo gledano, električna prevodnost plina nikoli ni enaka nič, saj vedno vsebuje proste naboje, ki so posledica delovanja sevanja radioaktivnih snovi, prisotnih na površini Zemlje, pa tudi kozmičnega sevanja. Intenzivnost ionizacije pod delovanjem teh dejavnikov je nizka. Ta rahla električna prevodnost zraka je vzrok za uhajanje nabojev elektrificiranih teles, tudi če so dobro izolirana.

Naravo razelektritve v plinu določajo sestava plina, njegova temperatura in tlak, dimenzije, konfiguracija in material elektrod ter uporabljena napetost in gostota toka.

Oglejmo si vezje, ki vsebuje plinsko režo (slika), ki je izpostavljeno neprekinjenemu delovanju ionizatorja s konstantno intenzivnostjo. Zaradi delovanja ionizatorja plin pridobi nekaj električne prevodnosti in v tokokrogu bo stekel tok. Slika prikazuje tokovno-napetostne karakteristike (odvisnost toka od uporabljene napetosti) za dva ionizatorja. Izvedba
(število parov ionov, ki jih ionizator proizvede v plinski reži v 1 sekundi) drugega ionizatorja je večje od prvega. Predvidevamo, da je zmogljivost ionizatorja konstantna in enaka n 0 . Pri ne zelo nizkem tlaku skoraj vse odcepljene elektrone zajamejo nevtralne molekule, ki tvorijo negativno nabite ione. Ob upoštevanju rekombinacije predpostavljamo, da sta koncentracije ionov obeh znakov enaki in enaki n. Povprečne premične hitrosti ionov različnih predznakov v električnem polju so različne: , . b - in b + sta mobilnost plinskih ionov. Zdaj za regijo I, ob upoštevanju (5), lahko zapišemo:

Kot je razvidno, se v območju I z naraščajočo napetostjo tok poveča, saj se hitrost premikanja poveča. Število parov rekombinirajočih ionov se bo zmanjšalo, ko se bo njihova hitrost povečala.

Regija II - območje toka nasičenosti - vsi ioni, ki jih ustvari ionizator, dosežejo elektrode, ne da bi imeli čas za rekombinacijo. Gostota nasičenega toka

j n = q n 0 d, (28)

kjer je d širina plinske reže (razdalja med elektrodama). Kot je razvidno iz (28), je nasičeni tok merilo ionizirajočega učinka ionizatorja.

Pri napetosti, večji od U p p (območje III), hitrost elektronov doseže tako vrednost, da lahko ob trku z nevtralnimi molekulami povzročijo udarno ionizacijo. Posledično nastanejo dodatni pari An 0 ionov. Vrednost A se imenuje faktor ojačanja plina . V regiji III ta koeficient ni odvisen od n 0 , ampak je odvisen od U. Tako. naboj, ki doseže elektrode pri konstantni U, je neposredno sorazmeren z zmogljivostjo ionizatorja - n 0 in napetostjo U. Zaradi tega se območje III imenuje proporcionalno območje. U pr - prag sorazmernosti. Faktor ojačitve plina A ima vrednosti od 1 do 10 4 .

V območju IV, območju delne sorazmernosti, je dobiček plina odvisen od n 0. Ta odvisnost narašča z naraščanjem U. Tok močno naraste.

V napetostnem območju 0 ÷ U g tok v plinu obstaja le, ko deluje ionizator. Če se delovanje ionizatorja ustavi, se ustavi tudi praznjenje. Razelektritve, ki obstajajo samo pod delovanjem zunanjih ionizatorjev, imenujemo nesamovzdržne.

Napetost Ug je prag regije, Geigerjevega območja, ki ustreza stanju, ko proces v plinski reži ne izgine tudi po izklopu ionizatorja, t.j. izcedek dobi značaj samostojnega izpusta. Primarni ioni dajejo le zagon za nastanek plinskega razelektritve. V tej regiji že pridobim sposobnost ionizacije masivnih ionov obeh znakov. Velikost toka ni odvisna od n 0 .

V območju VI je napetost tako visoka, da se praznjenje, ko se pojavi, ne ustavi - območje neprekinjenega praznjenja.

NEODVISNI PLIN IN NJEGOVI VRSTE

Izpust v plinu, ki vztraja po prenehanju delovanja zunanjega ionizatorja, se imenuje neodvisen.

Razmislimo o pogojih za nastanek neodvisnega izpusta. Pri visokih napetostih (območja V–VI) elektroni, ki nastanejo pod delovanjem zunanjega ionizatorja in jih močno pospešuje električno polje, trčijo v molekule nevtralnega plina in jih ionizirajo. Posledično nastanejo sekundarni elektroni in pozitivni ioni. (postopek 1 na sliki 158). Pozitivni ioni se premikajo proti katodi, elektroni pa proti anodi. Sekundarni elektroni ponovno ionizirajo molekule plina in posledično se bo skupno število elektronov in ionov povečalo, ko se bodo elektroni kot plaz premikali proti anodi. To je razlog za povečanje električnega toka (glej sliko območje V). Opisani postopek imenujemo udarna ionizacija.

Vendar pa udarna ionizacija pod delovanjem elektronov ni dovolj za vzdrževanje razelektritve, ko odstranimo zunanji ionizator. Za to je potrebno, da se elektronski plazovi "reproducirajo", torej da pod vplivom nekaterih procesov v plinu nastanejo novi elektroni. Takšni procesi so shematično prikazani na sl. 158: Pozitivni ioni, ki jih pospešuje polje, udarijo v katodo in iz nje izločijo elektrone (proces 2); Pozitivni ioni, ki trčijo z molekulami plina, jih prenesejo v vzbujeno stanje, prehod takšnih molekul v normalno stanje spremlja emisija fotona (proces 3); Foton, ki ga absorbira nevtralna molekula, ga ionizira, pride do tako imenovanega procesa fotonske ionizacije molekul (proces 4); Izbijanje elektronov iz katode pod delovanjem fotonov (proces 5).

Končno, pri znatnih napetostih med elektrodama plinske reže pride trenutek, ko pozitivni ioni, ki imajo krajšo povprečno prosto pot kot elektroni, pridobijo energijo, ki zadostuje za ioniziranje molekul plina (proces 6), in ionski plazovi hitijo v negativno. ploščo. Kadar poleg elektronskih plazov obstajajo še ionski, se tok poveča skoraj brez povečanja napetosti (območje VI na sl.).

Zaradi opisanih procesov se število ionov in elektronov v volumnu plina plazovito poveča, izpust pa postane neodvisen, torej vztraja tudi po prenehanju delovanja zunanjega ionizatorja. Napetost, pri kateri pride do samopraznjenja, se imenuje prelomna napetost. Za zrak je to približno 30.000 voltov za vsak centimeter razdalje.

Glede na tlak plina, konfiguracijo elektrod in parametre zunanjega vezja lahko govorimo o štirih vrstah neodvisnih razelektritev: žarečih, iskrih, obločnih in koronskih.

1. Tleči izcedek. Pojavi se pri nizkih tlakih. Če na elektrode, spajkane v stekleno cev dolžine 30 ÷ 50 cm, nanesemo konstantno napetost več sto voltov, ki postopoma črpa zrak iz cevi, potem pri tlaku ≈ 5,3 ÷ 6,7 kPa pride do praznjenja v obliki žareča rdečkasta navitka, ki poteka od katode do anode. Z nadaljnjim znižanjem tlaka se vrvica zgosti in pri tlaku ≈ 13 Pa ima izpust obliko, ki je shematično prikazana na sl.

Neposredno ob katodi je tanek svetleč sloj 1 - prvi katodni sij ali katodni film, nato sledi temna plast 2 - temni katodni prostor, ki prehaja naprej v svetlečo plast 3 - tleči sij, ki ima ostro mejo na strani katode, postopoma izginja z anodne strani. Nastane zaradi rekombinacije elektronov s pozitivnimi ioni. Tleči sij obrobi temna vrzel 4 - Faradayev temni prostor, ki ji sledi stolpec ioniziranega svetlobnega plina 5 - pozitivni stolpec. Pozitivni stolpec nima pomembne vloge pri ohranjanju izpusta. Na primer, ko se razdalja med elektrodama cevi zmanjša, se njena dolžina skrajša, medtem ko katodni deli razelektritve ostanejo nespremenjeni po obliki in velikosti. Pri sijoči razelektritvi sta za njeno vzdrževanje posebej pomembna le dva njena dela: temni prostor katode in sij. V temnem katodnem prostoru pride do močnega pospeška elektronov in pozitivnih ionov, ki izločajo elektrone iz katode (sekundarna emisija). V območju tleče luminiscence poteka udarna ionizacija molekul plina z elektroni. Pri tem nastali pozitivni ioni hitijo k katodi in iz nje izbijejo nove elektrone, ki pa spet ionizirajo plin itd. Na ta način se neprekinjeno vzdržuje žareča razelektritev.

Z nadaljnjo evakuacijo cevi pri tlaku ≈ 1,3 Pa se sij plina oslabi in stene cevi začnejo svetiti. Elektroni, ki jih iz katode izbijejo pozitivni ioni, pri takem redčenju le redko trčijo z molekulami plina in zato, pospešeni s poljem, udarijo v steklo, povzročijo njegov sijaj, tako imenovano katodoluminiscenco. Pretok teh elektronov se je v preteklosti imenoval katodni žarki.

Svetleča razelektritev se pogosto uporablja v tehnologiji. Ker ima sij pozitivnega stolpca barvno značilnost vsakega plina, se uporablja v plinsko-svetlobnih ceveh za svetleče napise in reklame (na primer neonske cevi dajejo rdeč sijaj, argonske cevi - modrikasto-zelene). V fluorescenčnih sijalkah, ki so varčnejše od žarnic z žarilno nitko, sevanje žarečega razelektritve, ki se pojavlja v živosrebrnih hlapah, absorbira fluorescenčna snov (fosfor), ki se nanese na notranji površini cevi, ki začne žareti pod vplivom absorbiranega sevanja. Luminiscenčni spekter z ustreznim izborom fosforja je blizu spektru sončnega sevanja. Za katodno nanašanje kovin se uporablja sijalna razelektritev. Katodna snov v sijoči razelektritvi zaradi bombardiranja s pozitivnimi ioni, ki se močno segreje, preide v parno stanje. S postavitvijo različnih predmetov v bližino katode jih lahko prekrijemo z enotno plastjo kovine.

2. Izpust iskre. Pojavi se pri visoki jakosti električnega polja (≈ 3·10 6 V/m) v plinu pod atmosferskim tlakom. Iskra ima videz svetlo svetlečega tankega kanala, ukrivljenega in razvejanega na zapleten način.

Razlaga iskriškega razelektritve je podana na podlagi teorije strimerja, po kateri pred pojavom močno svetlečega iskriškega kanala nastopijo šibko svetleče kopičenje ioniziranega plina. Te skupine se imenujejo strimerji. Streamerji nastanejo ne le kot posledica nastanka elektronskih plazov z udarno ionizacijo, ampak tudi kot posledica fotonske ionizacije plina. Plazovi, ki se preganjajo, tvorijo prevodne mostove strug, po katerih v naslednjih trenutkih hitijo močni tokovi elektronov, ki tvorijo kanale za iskre. Zaradi sproščanja velike količine energije med obravnavanimi procesi se plin v iskriščini segreje na zelo visoko temperaturo (približno 10 4 K), kar vodi do njegovega sijaja. Hitro segrevanje plina vodi do povečanja tlaka in udarnih valov, ki pojasnjujejo zvočne učinke iskre - značilno prasketanje pri šibkih razelektritvah in močno grmenje v primeru strele, kar je primer močnega iskriškega razelektritve. med nevihtnim oblakom in Zemljo ali med dvema nevihtnim oblakoma.

Iskriško razelektritev se uporablja za vžig gorljive mešanice v motorjih z notranjim zgorevanjem in za zaščito električnih daljnovodov pred prenapetostmi (iskrelnimi režami). Pri majhni dolžini razelektritvene reže povzroči iskriško razelektritev uničenje (erozijo) kovinske površine, zato se uporablja za elektroiskrsko natančno obdelavo kovin (rezanje, vrtanje). Uporablja se v spektralni analizi za registracijo nabitih delcev (števci isker).

3. Obločno razelektritev. Če se po vžigu iskre iz močnega vira razdalja med elektrodama postopoma zmanjša, potem praznjenje postane neprekinjeno - pride do obločnega razelektritve. V tem primeru se moč toka močno poveča in doseže stotine amperov, napetost v razelektritvi pa pade na nekaj deset voltov. Obločno razelektritev je mogoče dobiti iz nizkonapetostnega vira, ki obide stopnjo iskre. Da bi to naredili, se elektrode (na primer ogljikove) združijo, dokler se ne dotaknejo, se zelo segrejejo z električnim tokom, nato se vzrejajo in pridobivajo električni lok(tako ga je odkril ruski znanstvenik V.V. Petrov). Pri atmosferskem tlaku je temperatura katode približno enaka 3900 K. Ko lok gori, se ogljikova katoda izostri, na anodi pa nastane vdolbina – krater, ki je najbolj vroča točka loka.

Po sodobnih konceptih se obločno razelektritev vzdržuje zaradi visoke temperature katode zaradi intenzivne termoionske emisije, pa tudi zaradi toplotne ionizacije molekul zaradi visoke temperature plina.

Obločno razelektritev se pogosto uporablja v nacionalno gospodarstvo za varjenje in rezanje kovin, pridobivanje visokokakovostnih jekel (obločna peč), razsvetljavo (reflektorji, projekcijska oprema). Široko se uporabljajo tudi obločne sijalke z živosrebrnimi elektrodami v kvarčnih valjih, kjer se ob črpanju zraka pojavi obločni razelektritev v živosrebrnih hlapih. Lok, ki nastane v hlapi živega srebra, je močan vir ultravijoličnega sevanja in se uporablja v medicini (npr. kvarčne svetilke). Obločno razelektritev pri nizki tlaki v živosrebrovi pari se uporablja v živosrebrnih usmernikih za popravljanje izmeničnega toka.

4. korona razelektritev - visokonapetostna električna razelektritev, ki se pojavi pri visokem (na primer atmosferskem) tlaku v nehomogenem polju (na primer blizu elektrod z veliko ukrivljenostjo površine, konica igelne elektrode). Ko poljska jakost v bližini konice doseže 30 kV/cm, se okoli nje pojavi koronski sij, kar je razlog za ime te vrste razelektritve.

Glede na znak koronske elektrode ločimo negativno ali pozitivno korono. V primeru negativne korone pride do nastanka elektronov, ki povzročajo udarno ionizacijo molekul plina zaradi njihove emisije iz katode pod delovanjem pozitivnih ionov, v primeru pozitivne korone pa zaradi ionizacije plina v bližini anode. AT vivo korona nastane pod vplivom atmosferske elektrike na vrhovih jamborov ladij ali dreves (na tem temelji delovanje strelovodov). Ta pojav so v starih časih imenovali ognji sv. Elma. Škodljivi učinek korone okoli žic visokonapetostnih daljnovodov je pojav uhajajočih tokov. Da bi jih zmanjšali, so žice visokonapetostnih vodov debele. Ker je koronska razelektritev prekinjena, postane tudi vir radijskih motenj.

Koronska razelektritev se uporablja v elektrostatičnih filtrih, ki se uporabljajo za čiščenje industrijski plini od nečistoč. Plin, ki ga je treba očistiti, se premika od spodaj navzgor v navpičnem cilindru, vzdolž osi katerega je nameščena koronska žica. Ioni, ki so prisotni v v velikem številu v zunanjem delu korone se nečistoče usedejo na delce in jih polje odnese na zunanjo nekoronsko elektrodo in se usede nanjo. Koronska razelektritev se uporablja tudi pri nanašanju prašnih in barvnih premazov.

ELEKTROSTATIČNO POLJE

ELEKTRIČNI VODOVI ELEKTRIČNEGA POLJA

Po konceptih sodobne fizike se učinek enega naboja na drugega prenaša skozi elektrostatično polje - posebno neskončno razširljivo materialno okolje, ki ga vsako nabito telo ustvarja okoli sebe. Človeška čutila ne morejo zaznati elektrostatičnih polj. Vendar pa na naboj, ki se nahaja v polju, vpliva sila, ki je neposredno sorazmerna z velikostjo tega naboja. Ker smer sile je odvisna od predznaka naboja, je bilo dogovorjeno za uporabo t.i testno polnjenje q0. To je pozitiven, točkovni naboj, ki je postavljen na točko, ki nas zanima v električnem polju. V skladu s tem je priporočljivo uporabiti razmerje sile in vrednosti preskusnega naboja q 0 kot karakteristiko sile polja:

Ta konstanta za vsako točko polja je vektorska količina enako moč ki delujejo na enotni pozitivni naboj se imenuje napetost . Za polje točkovnega naboja q na razdalji r od njega:

, (4)

Smer vektorja sovpada s smerjo sile, ki deluje na preskusni naboj. [E] = N / C ali V / m.

V dielektričnem mediju se sila interakcije med naboji in s tem poljska jakost zmanjšata za ε-krat:

, . (5)

Ko se več elektrostatičnih polj naloži drug na drugega, je nastala moč določena kot vektorska vsota jakosti vsakega od polj (načelo superpozicije):

Grafično je porazdelitev električnega polja v prostoru prikazana z uporabo črte sile . Te črte so narisane tako, da tangente nanje na kateri koli točki sovpadajo z. To pomeni, da vektor sile, ki deluje na naboj, in s tem vektor njegovega pospeška, ležita tudi na tangentah silnih linij, ki se nikoli in nikjer ne sekata. Silnih linij elektrostatičnega polja ni mogoče zapreti. Začnejo se na pozitivnih in končajo na negativnih nabojih ali pa gredo v neskončnost.