เส้นแรงของสนามไฟฟ้าสถิต เส้นสนามไฟฟ้า

สำหรับการแสดงภาพกราฟิกของสนาม มันสะดวกที่จะใช้เส้นของแรง - เส้นกำกับ แทนเจนต์ที่แต่ละจุดตรงกับทิศทางของเวกเตอร์ความแรงของสนามไฟฟ้า (รูปที่ 233)

ข้าว. 233
ตามคำจำกัดความ เส้นแรงของสนามไฟฟ้ามีอนุกรม คุณสมบัติทั่วไป(เปรียบเทียบกับคุณสมบัติของคล่องตัว):
 1. เส้นแรงห้ามตัดกัน (มิฉะนั้น สามารถสร้างแทนเจนต์สองเส้นที่จุดตัด นั่นคือ ณ จุดหนึ่ง ความแรงของสนามมีสองค่า ซึ่งไร้สาระ)
2. เส้นแรงไม่มีหงิกงอ (ที่จุดหักงอ คุณสามารถสร้างแทนเจนต์สองอันได้)
3. เส้นแรงของสนามไฟฟ้าสถิตเริ่มต้นและสิ้นสุดด้วยประจุ
เนื่องจากความแรงของสนามถูกกำหนดที่จุดเชิงพื้นที่แต่ละจุด ดังนั้นเส้นแรงสามารถลากผ่านจุดเชิงพื้นที่ใดๆ ได้ ดังนั้นจำนวนเส้นแรงจึงมากเป็นอนันต์ จำนวนเส้นที่ใช้พรรณนาพื้นที่ส่วนใหญ่มักถูกกำหนดโดยรสนิยมทางศิลปะของนักฟิสิกส์ - ศิลปิน ในบางส่วน สื่อการสอนขอแนะนำให้สร้างภาพเส้นสนามเพื่อให้ความหนาแน่นมากขึ้นเมื่อความแรงของสนามมากกว่า ข้อกำหนดนี้ไม่เข้มงวดและไม่สามารถทำได้เสมอไป ดังนั้นเส้นแรงจึงถูกวาดขึ้น ตรงตามคุณสมบัติที่กำหนด 1 − 3 .
มันง่ายมากที่จะพลอตเส้นแรงของสนามที่สร้างขึ้นโดยการชาร์จแบบจุด ในกรณีนี้ เส้นแรงคือชุดของเส้นตรงที่เกิดขึ้น (สำหรับค่าบวก) หรือการเข้า (สำหรับค่าลบ) ที่จุดที่ตั้งประจุ (รูปที่ 234)

ข้าว. 234
ตระกูลของเส้นแรงของสนามประจุแบบจุดแสดงให้เห็นว่าประจุเป็นแหล่งกำเนิดของสนาม โดยการเปรียบเทียบกับแหล่งกำเนิดและการยุบตัวของสนามความเร็วของไหล การพิสูจน์ว่าเส้นแรงไม่สามารถเริ่มต้นหรือสิ้นสุด ณ จุดที่ไม่มีการเรียกเก็บเงินได้จะแสดงในภายหลัง
ภาพของเส้นสนามของสนามจริงสามารถทำซ้ำได้ในการทดลอง
เทชั้นเล็ก ๆ ลงในภาชนะที่ต่ำ น้ำมันละหุ่งและเทแป้งเซมะลีเนอร์เล็กน้อยลงไป หากน้ำมันที่มีซีเรียลวางอยู่ในสนามไฟฟ้าสถิต เมล็ดเซโมลินา (จะมีรูปร่างที่ยืดออกเล็กน้อย) จะหมุนไปในทิศทางของความแรงของสนามไฟฟ้าและเรียงตามแนวแรงโดยประมาณหลังจากนั้นสองสามสิบวินาที ภาพเส้นแรงของสนามไฟฟ้าปรากฏอยู่ในถ้วย "รูปภาพ" เหล่านี้บางส่วนถูกนำเสนอในรูปถ่าย
นอกจากนี้ยังสามารถคำนวณตามทฤษฎีและสร้างเส้นแรงได้อีกด้วย จริงอยู่ การคำนวณเหล่านี้ต้องการการคำนวณจำนวนมาก ดังนั้นจึงเป็นจริงได้ (และไม่มี งานพิเศษ) ดำเนินการโดยใช้คอมพิวเตอร์ซึ่งส่วนใหญ่มักจะดำเนินการก่อสร้างดังกล่าวในระนาบหนึ่ง
เมื่อพัฒนาอัลกอริธึมสำหรับการคำนวณรูปแบบของเส้นฟิลด์ พบปัญหาจำนวนหนึ่งที่ต้องแก้ไข ปัญหาแรกคือการคำนวณเวกเตอร์สนาม ในกรณีของสนามไฟฟ้าสถิตที่เกิดจากการกระจายประจุที่กำหนด ปัญหานี้แก้ไขได้โดยใช้กฎของคูลอมบ์และหลักการทับซ้อน ปัญหาที่สองคือวิธีสร้างเส้นแยก แนวคิดของอัลกอริทึมที่ง่ายที่สุดในการแก้ปัญหานี้ค่อนข้างชัดเจน ในพื้นที่ขนาดเล็ก แต่ละเส้นเกือบจะตรงกับเส้นสัมผัส ดังนั้นคุณควรสร้างส่วนที่สัมผัสกันกับเส้นแรง นั่นคือ ส่วนที่มีความยาวขนาดเล็ก l, ทิศทางที่สอดคล้องกับทิศทางของสนาม ณ จุดที่กำหนด. ในการทำเช่นนี้ ก่อนอื่น ให้คำนวณองค์ประกอบของเวกเตอร์ความเข้มใน คะแนนที่กำหนด อดีต, อี วายและโมดูลัสของเวกเตอร์นี้ E = √(E x 2 + E y 2 ). จากนั้นคุณสามารถสร้างส่วนที่มีความยาวขนาดเล็ก ทิศทางที่ตรงกับทิศทางของเวกเตอร์ความแรงของสนาม การคาดคะเนบนแกนพิกัดคำนวณโดยสูตรที่ตามมาจากรูปที่ 235:

ข้าว. 235

จากนั้นคุณควรทำซ้ำขั้นตอนโดยเริ่มจากจุดสิ้นสุดของส่วนที่สร้างขึ้น แน่นอนว่าเมื่อใช้อัลกอริทึมดังกล่าว จะมีปัญหาอื่นๆ ที่มีลักษณะทางเทคนิคมากกว่า
รูปที่ 236 แสดงเส้นแรงของสนามที่สร้างขึ้นโดยประจุสองจุด


ข้าว. 236
เครื่องหมายของประจุถูกระบุในรูปที่ a) และ b) ประจุจะเหมือนกันในโมดูลัส ในรูปที่ c) d) แตกต่างกัน - เราเสนอให้พิจารณาอย่างอิสระมากขึ้น ในแต่ละกรณี ให้กำหนดทิศทางของแนวแรงด้วยตนเองด้วย
เป็นที่น่าสนใจที่จะสังเกตว่า M. Faraday พิจารณาเส้นแรงของสนามไฟฟ้าว่าเป็นท่อยางยืดจริงที่เชื่อมต่อประจุไฟฟ้า การแสดงแทนดังกล่าวช่วยให้เขาทำนายและอธิบายปรากฏการณ์ทางกายภาพหลายอย่างได้เป็นอย่างมาก
ยอมรับว่า M. Faraday ผู้ยิ่งใหญ่พูดถูก - หากคุณเปลี่ยนเส้นด้วยแถบยางยืด ลักษณะของปฏิสัมพันธ์นั้นชัดเจนมาก

ทฤษฎีบทออสโตรกราดสกี–เกาส์ ซึ่งเราจะพิสูจน์และอภิปรายในภายหลัง สร้างความเชื่อมโยงระหว่าง ค่าไฟฟ้าและสนามไฟฟ้า เป็นสูตรทั่วไปและสง่างามกว่าของกฎของคูลอมบ์

โดยหลักการแล้ว ความแรงของสนามไฟฟ้าสถิตที่เกิดจากการกระจายประจุที่กำหนดสามารถคำนวณได้โดยใช้กฎของคูลอมบ์ สนามไฟฟ้ารวม ณ จุดใด ๆ คือผลรวมเวกเตอร์ (อินทิกรัล) ของประจุทั้งหมดนั่นคือ

อย่างไรก็ตาม ยกเว้นมากที่สุด กรณีง่ายเป็นการยากมากที่จะคำนวณผลรวมหรืออินทิกรัลนี้

ที่นี่ทฤษฎีบท Ostrogradsky-Gauss เข้ามาช่วยด้วยความช่วยเหลือซึ่งง่ายกว่ามากในการคำนวณความแรงของสนามไฟฟ้าที่เกิดจากการกระจายประจุที่กำหนด

ค่าหลักของทฤษฎีบท Ostrogradsky-Gauss คือช่วยให้ ความเข้าใจอย่างลึกซึ้งถึงธรรมชาติของสนามไฟฟ้าสถิตและกำหนดทั่วไปมากขึ้น ความสัมพันธ์ระหว่างประจุกับสนาม.

แต่ก่อนที่จะไปยังทฤษฎีบท Ostrogradsky-Gauss จำเป็นต้องแนะนำแนวคิดดังนี้ เส้นแรงสนามไฟฟ้าสถิตและ การไหลของเวกเตอร์ความตึงเครียดสนามไฟฟ้าสถิต.

ในการอธิบายสนามไฟฟ้า คุณต้องตั้งค่าเวกเตอร์ความเข้มที่แต่ละจุดของสนาม สามารถทำได้ในเชิงวิเคราะห์หรือแบบกราฟิก สำหรับสิ่งนี้พวกเขาใช้ เส้นแรง- นี่คือเส้นสัมผัสที่จุดใด ๆ ของสนามตรงกับทิศทางของเวกเตอร์ความเข้ม(รูปที่ 2.1).

ข้าว. 2.1

เส้นแรงถูกกำหนดทิศทางที่แน่นอน - จากประจุบวกถึงประจุลบหรือถึงอนันต์

พิจารณาคดี สนามไฟฟ้าสม่ำเสมอ.

เป็นเนื้อเดียวกันเรียกว่า สนามไฟฟ้าสถิต ทุกจุดที่มีความเข้มเท่ากันทั้งขนาดและทิศทาง, เช่น. สนามไฟฟ้าสถิตที่สม่ำเสมอนั้นแสดงด้วยเส้นแรงคู่ขนานที่ระยะห่างเท่ากันจากกันและกัน (เช่น สนามดังกล่าวมีอยู่ระหว่างแผ่นเปลือกโลกของตัวเก็บประจุ) (รูปที่ 2.2)

ในกรณีของประจุแบบจุด เส้นของความตึงเล็ดลอดออกมาจากประจุบวกและไปถึงจุดอนันต์ และจากอนันต์เข้าสู่ประจุลบ เพราะ จากนั้นความหนาแน่นของเส้นสนามจะแปรผกผันกับกำลังสองของระยะห่างจากประจุ เพราะ พื้นที่ผิวของทรงกลมที่เส้นเหล่านี้ผ่านตัวมันเองจะเพิ่มขึ้นตามสัดส่วนของกำลังสองของระยะทางแล้ว จำนวนทั้งหมดเส้นจะคงที่ในทุกระยะห่างจากประจุ

สำหรับระบบประจุ ดังที่เราเห็น เส้นแรงถูกชี้นำจากประจุบวกไปยังประจุลบ (รูปที่ 2.2)

ข้าว. 2.2

รูปที่ 2.3 ยังแสดงให้เห็นว่าความหนาแน่นของเส้นสนามสามารถใช้เป็นตัวบ่งชี้ค่าได้

ความหนาแน่นของเส้นสนามควรเป็นแบบที่พื้นที่หน่วยปกติกับเวกเตอร์ความเข้มตัดกันด้วยจำนวนที่เท่ากับโมดูลัสของเวกเตอร์ความเข้ม, เช่น.

ในช่องว่างรอบ ๆ ประจุที่เป็นแหล่งกำเนิด เป็นสัดส่วนโดยตรงกับปริมาณของประจุนี้ และผกผันกับกำลังสองของระยะทางจากประจุนี้ ทิศทางของสนามไฟฟ้าตามกฎที่ยอมรับมักจะมาจากประจุบวกไปสู่ประจุลบ สิ่งนี้สามารถแสดงได้เสมือนว่าประจุทดสอบถูกวางไว้ในพื้นที่ว่างของสนามไฟฟ้าของแหล่งกำเนิด และประจุทดสอบนี้จะขับไล่หรือดึงดูด (ขึ้นอยู่กับเครื่องหมายของประจุ) สนามไฟฟ้ามีลักษณะเฉพาะคือ ความแรง ซึ่งเป็นปริมาณเวกเตอร์ สามารถแสดงแบบกราฟิกเป็นลูกศรที่มีความยาวและทิศทาง ทิศทางของลูกศรบ่งชี้ทิศทางของความแรงของสนามไฟฟ้า อีหรือเพียงแค่ - ทิศทางของสนามและความยาวของลูกศรเป็นสัดส่วนกับค่าตัวเลขของความแรงของสนามไฟฟ้าในที่นี้ พื้นที่ที่ห่างไกลจากแหล่งกำเนิดของสนาม (ชาร์จ คิว) ยิ่งความยาวของเวกเตอร์ความเข้มน้อยเท่าใด นอกจากนี้ ความยาวของเวกเตอร์จะลดลงตามระยะทางถึง นครั้งจากที่ใดที่หนึ่งใน น 2ครั้ง นั่นคือ แปรผกผันกับกำลังสอง

วิธีที่มีประโยชน์มากกว่าในการแสดงภาพธรรมชาติเวกเตอร์ของสนามไฟฟ้าคือการใช้แนวคิดเช่นหรือเพียงแค่เส้นแรง แทนที่จะแสดงภาพลูกศรเวกเตอร์จำนวนนับไม่ถ้วนในอวกาศรอบๆ ประจุแหล่งกำเนิด มันกลับกลายเป็นว่ามีประโยชน์ที่จะรวมพวกมันเป็นเส้น โดยที่เวกเตอร์นั้นสัมผัสกันกับจุดบนเส้นดังกล่าว

ส่งผลให้ใช้แทนภาพเวกเตอร์ของสนามไฟฟ้าได้สำเร็จ เส้นสนามไฟฟ้าซึ่งปล่อยให้ค่าใช้จ่ายเป็นสัญญาณบวกและเข้าสู่ค่าใช้จ่าย เครื่องหมายลบและยังขยายไปสู่ความไม่มีที่สิ้นสุดในอวกาศ การแสดงนี้ช่วยให้คุณมองเห็นสนามไฟฟ้าที่มองไม่เห็นด้วยตามนุษย์ด้วยใจ อย่างไรก็ตาม การแสดงนี้สะดวกสำหรับ แรงดึงดูดและการโต้ตอบระยะไกลแบบไม่ต้องสัมผัสอื่นๆ

แบบจำลองของเส้นสนามไฟฟ้ามีจำนวนไม่สิ้นสุด แต่ความหนาแน่นของภาพของเส้นสนามที่สูงเกินไปจะลดความสามารถในการอ่านรูปแบบสนาม ดังนั้นจำนวนเส้นสนามไฟฟ้าจึงถูกจำกัดด้วยความสามารถในการอ่าน

กฎการวาดเส้นสนามไฟฟ้า

มีกฎมากมายสำหรับการรวบรวมสายไฟฟ้ารุ่นดังกล่าว กฎทั้งหมดเหล่านี้ได้รับการออกแบบเพื่อให้ข้อมูลมากที่สุดเมื่อแสดงภาพ (วาด) สนามไฟฟ้า วิธีหนึ่งคือการพรรณนาเส้นสนาม วิธีหนึ่งที่พบบ่อยที่สุดคือการล้อมรอบวัตถุที่มีประจุไฟฟ้ามากขึ้น ปริมาณมากเส้น นั่นคือ ความหนาแน่นของเส้นมากขึ้น วัตถุที่มีประจุไฟฟ้ามากจะสร้างสนามไฟฟ้าที่แรงกว่า ดังนั้นเส้นรอบ ๆ วัตถุจะมีความหนาแน่น (ความหนาแน่น) มากกว่า ยิ่งแหล่งกำเนิดอยู่ใกล้ประจุ ความหนาแน่นของเส้นสนามก็จะยิ่งสูงขึ้น และประจุยิ่งมาก เส้นรอบ ๆ ก็จะหนาขึ้นเท่านั้น

กฎข้อที่สองสำหรับการวาดเส้นสนามไฟฟ้าเกี่ยวข้องกับการวาดเส้นประเภทอื่น เช่น เส้นที่ตัดกับเส้นแรงแรก ตั้งฉาก. สายประเภทนี้เรียกว่า เส้นศักย์เท่ากันและในกรณีของการแทนค่าเชิงปริมาตร เราควรพูดถึงพื้นผิวศักย์ศักย์ไฟฟ้า เส้นประเภทนี้สร้างเส้นขอบปิดและแต่ละจุดบนเส้นศักย์เท่ากันมี ค่าเท่ากันศักยภาพของสนาม เมื่ออนุภาคที่มีประจุตัดขวางในแนวตั้งฉากดังกล่าว เส้นแรงเส้น (พื้นผิว) แล้วจึงพูดถึงงานที่ทำโดยคิดค่าบริการ หากประจุเคลื่อนไปตามเส้นศักย์ศักย์ไฟฟ้า (พื้นผิว) ถึงแม้ว่าประจุจะเคลื่อนที่ก็จะไม่ดำเนินการใด ๆ อนุภาคที่มีประจุใน สนามไฟฟ้าประจุอื่นเริ่มเคลื่อนที่ แต่ในไฟฟ้าสถิตจะพิจารณาเฉพาะประจุคงที่เท่านั้น การเคลื่อนที่ของประจุเรียกว่า ไฟฟ้าช็อตในขณะที่งานสามารถทำได้โดยผู้ให้บริการชาร์จ

สิ่งสำคัญคือต้องจำไว้ว่า เส้นสนามไฟฟ้าอย่าตัดกันและเส้นประเภทอื่น - ศักย์เท่ากันสร้างวงปิด ในที่ซึ่งมีการตัดกันของเส้นสองประเภท แทนเจนต์ของเส้นเหล่านี้จะตั้งฉากกัน ดังนั้นจึงได้บางอย่างเช่นตารางพิกัดโค้งหรือโครงตาข่ายซึ่งเซลล์นั้นรวมถึงจุดตัดของเส้น ประเภทต่างๆกำหนดลักษณะสนามไฟฟ้า

เส้นประมีความเท่าเทียมกัน เส้นที่มีลูกศร - เส้นสนามไฟฟ้า

สนามไฟฟ้าที่ประกอบด้วยประจุตั้งแต่สองประจุขึ้นไป

สำหรับค่าใช้จ่ายรายบุคคล เส้นสนามไฟฟ้าแทน รังสีรัศมีเกิดขึ้นจากประจุและไปสู่อนันต์ การกำหนดค่าของรายการฟิลด์สำหรับค่าบริการตั้งแต่สองรายการขึ้นไปจะเป็นอย่างไร ในการทำรูปแบบดังกล่าว ต้องจำไว้ว่าเรากำลังเผชิญกับสนามเวกเตอร์ นั่นคือเวกเตอร์ความแรงของสนามไฟฟ้า ในการอธิบายรูปแบบสนาม เราจำเป็นต้องเพิ่มเวกเตอร์ความเข้มจากประจุตั้งแต่สองประจุขึ้นไป เวกเตอร์ที่ได้จะแสดงถึงฟิลด์รวมของประจุหลายตัว ในกรณีนี้สามารถลากเส้นแรงได้อย่างไร? สิ่งสำคัญคือต้องจำไว้ว่าแต่ละจุดบนเส้นสนามคือ จุดเดียวสัมผัสกับเวกเตอร์ความแรงของสนามไฟฟ้า ตามมาจากนิยามของแทนเจนต์ในเรขาคณิต ถ้าจากจุดเริ่มต้นของเวกเตอร์แต่ละตัว เราสร้างเส้นตั้งฉากในรูปแบบของเส้นยาว จากนั้นจุดตัดร่วมกันของเส้นดังกล่าวจำนวนมากจะพรรณนาถึงเส้นแรงที่ต้องการอย่างมาก

เพื่อการแสดงพีชคณิตทางคณิตศาสตร์ที่แม่นยำยิ่งขึ้นของเส้นแรง จำเป็นต้องเขียนสมการของเส้นแรง และเวกเตอร์ในกรณีนี้จะแทนอนุพันธ์อันดับแรก ซึ่งเป็นเส้นของลำดับที่หนึ่ง ซึ่งก็คือแทนเจนต์ งานดังกล่าวบางครั้งซับซ้อนมากและต้องใช้คอมพิวเตอร์คำนวณ

ประการแรก สิ่งสำคัญคือต้องจำไว้ว่าสนามไฟฟ้าจากประจุหลายประจุนั้นแทนด้วยผลรวมของเวกเตอร์ความเข้มจากแหล่งกำเนิดประจุแต่ละแหล่ง นี่คือ พื้นฐานเพื่อสร้างเส้นสนามเพื่อให้เห็นภาพสนามไฟฟ้า

ประจุแต่ละประจุที่เข้าสู่สนามไฟฟ้าจะนำไปสู่การเปลี่ยนแปลงในรูปแบบของเส้นสนามแม้ว่าจะไม่มีนัยสำคัญก็ตาม ภาพดังกล่าวบางครั้งน่าสนใจมาก

เส้นสนามไฟฟ้าช่วยให้จิตใจมองเห็นความเป็นจริง

แนวคิดของสนามไฟฟ้าเกิดขึ้นเมื่อนักวิทยาศาสตร์พยายามอธิบายการกระทำระยะไกลที่เกิดขึ้นระหว่างวัตถุที่มีประจุ แนวคิดของสนามไฟฟ้าได้รับการแนะนำครั้งแรกโดย Michael Faraday นักฟิสิกส์ในศตวรรษที่ 19 มันเป็นผลมาจากการรับรู้ของ Michael Faraday ความจริงที่มองไม่เห็นในรูปของเส้นแรงที่แสดงลักษณะการกระทำระยะไกล ฟาราเดย์ไม่ได้คิดอยู่ในกรอบของการชาร์จเพียงครั้งเดียว แต่ไปไกลกว่านั้นและขยายขอบเขตของจิตใจ เขาแนะนำว่าวัตถุที่มีประจุ (หรือมวลในกรณีของแรงโน้มถ่วง) ส่งผลกระทบต่ออวกาศและแนะนำแนวคิดของสนามที่มีอิทธิพลดังกล่าว เมื่อพิจารณาถึงพื้นที่ดังกล่าว เขาก็สามารถอธิบายพฤติกรรมของประจุไฟฟ้าได้ และด้วยเหตุนี้เองจึงได้เปิดเผยความลับหลายประการของกระแสไฟฟ้า

มีสนามสเกลาร์และเวกเตอร์ (ในกรณีของเรา สนามเวกเตอร์จะเป็นสนามไฟฟ้า) ดังนั้นพวกมันจึงถูกจำลองโดยฟังก์ชันสเกลาร์หรือเวกเตอร์ของพิกัดตลอดจนเวลา

สนามสเกลาร์อธิบายโดยฟังก์ชันของรูปแบบ φ ฟิลด์ดังกล่าวสามารถมองเห็นได้โดยใช้พื้นผิวในระดับเดียวกัน: φ (x, y, z) = c, c = const

ให้เรากำหนดเวกเตอร์ที่มุ่งไปสู่การเติบโตสูงสุดของฟังก์ชัน φ

ค่าสัมบูรณ์ของเวกเตอร์นี้กำหนดอัตราการเปลี่ยนแปลงของฟังก์ชัน φ

แน่นอน สนามสเกลาร์จะสร้างสนามเวกเตอร์

สนามไฟฟ้าดังกล่าวเรียกว่าศักย์ และฟังก์ชัน φ เรียกว่าศักย์ไฟฟ้า พื้นผิวในระดับเดียวกันเรียกว่าพื้นผิวที่เท่ากัน ตัวอย่างเช่น พิจารณาสนามไฟฟ้า

สำหรับการแสดงภาพของสนามนั้นจะมีการสร้างเส้นสนามไฟฟ้าที่เรียกว่า พวกเขาจะเรียกว่าเส้นเวกเตอร์ เส้นเหล่านี้เป็นเส้นที่แทนเจนต์ที่จุดบ่งชี้ทิศทางของสนามไฟฟ้า จำนวนเส้นที่ผ่านพื้นผิวหน่วยเป็นสัดส่วนกับค่าสัมบูรณ์ของเวกเตอร์

ให้เราแนะนำแนวคิดของเวกเตอร์ดิฟเฟอเรนเชียลตามเส้นตรง l เวกเตอร์นี้ถูกกำกับในแนวสัมผัสไปยังเส้น l และเท่ากับค่าสัมบูรณ์ของค่าดิฟเฟอเรนเชียล

ให้สนามไฟฟ้าซึ่งต้องแสดงเป็นเส้นแรงสนาม กล่าวอีกนัยหนึ่ง ลองกำหนดสัมประสิทธิ์การยืด (การบีบอัด) k ของเวกเตอร์เพื่อให้ตรงกับค่าดิฟเฟอเรนเชียล เท่ากับองค์ประกอบของดิฟเฟอเรนเชียลและเวกเตอร์ เราจะได้ระบบสมการ หลังจากรวมเข้าด้วยกันแล้ว ก็สามารถสร้างสมการของเส้นแรงได้

ในการวิเคราะห์เวกเตอร์ มีการดำเนินการที่ให้ข้อมูลเกี่ยวกับเส้นสนามไฟฟ้าในบางกรณี ให้เราแนะนำแนวคิดของ "การไหลของเวกเตอร์" บนพื้นผิว S คำจำกัดความอย่างเป็นทางการของการไหล Ф มีรูปแบบดังต่อไปนี้: ปริมาณถือเป็นผลคูณของผลต่างปกติ ds โดยเวกเตอร์หน่วยของค่าปกติกับพื้นผิว s . เลือกเวกเตอร์หน่วยเพื่อกำหนดเส้นปกติภายนอกของพื้นผิว

เป็นไปได้ที่จะวาดความคล้ายคลึงระหว่างแนวคิดของการไหลของสนามและการไหลของสาร: สารต่อหน่วยเวลาผ่านพื้นผิวซึ่งจะตั้งฉากกับทิศทางของการไหลของสนาม หากเส้นแรงออกจากพื้นผิว S แสดงว่ากระแสเป็นบวก และหากไม่ไหลออกไป แสดงว่าเป็นลบ โดยทั่วไป การไหลสามารถประมาณได้จากจำนวนเส้นแรงที่ออกมาจากพื้นผิว ในทางกลับกัน ขนาดของฟลักซ์จะเป็นสัดส่วนกับจำนวนเส้นสนามที่เจาะองค์ประกอบพื้นผิว

ไดเวอร์เจนซ์ของฟังก์ชันเวคเตอร์คำนวณที่จุดที่มีวงเป็นปริมาตร ΔV S คือพื้นผิวที่ปกคลุมปริมาตร ΔV การดำเนินการไดเวอร์เจนซ์ทำให้สามารถระบุลักษณะจุดในช่องว่างสำหรับการมีอยู่ของแหล่งที่มาของฟิลด์ในนั้น เมื่อพื้นผิว S ถูกบีบอัดจนถึงจุด P เส้นสนามไฟฟ้าที่เจาะพื้นผิวจะยังคงอยู่ในปริมาณเดียวกัน หากจุดในอวกาศไม่ใช่แหล่งกำเนิดของสนาม (รั่วหรือจม) เมื่อพื้นผิวถูกบีบอัดมาถึงจุดนี้ ผลรวมของเส้นแรงที่เริ่มต้นจากช่วงเวลาหนึ่งจะเท่ากับศูนย์ (จำนวน เส้นที่เข้าสู่พื้นผิว S เท่ากับจำนวนเส้นที่เล็ดลอดออกมาจากพื้นผิวนี้)

อินทิกรัลวงปิด L ในคำจำกัดความของการทำงานของโรเตอร์เรียกว่าการไหลเวียนของไฟฟ้าตามลูป L การทำงานของโรเตอร์จะกำหนดลักษณะของสนาม ณ จุดหนึ่งในอวกาศ ทิศทางของโรเตอร์กำหนดขนาดของการไหลของสนามปิดรอบจุดที่กำหนด (โรเตอร์กำหนดลักษณะของกระแสน้ำวนของสนาม) และทิศทางของมัน ตามคำจำกัดความของโรเตอร์ โดยการแปลงอย่างง่าย เป็นไปได้ที่จะคำนวณการฉายภาพเวกเตอร์ไฟฟ้าในระบบพิกัดคาร์ทีเซียน เช่นเดียวกับเส้นสนามไฟฟ้า

สนามไฟฟ้า

สนามไฟฟ้าสถิต ค่าทดลอง q0

ความเครียด

, (4)

, . (5)

เส้นแรง

การทำงานของกองกำลังของสนามไฟฟ้า ศักยภาพ

สนามไฟฟ้ามีศักยภาพเช่นเดียวกับสนามโน้มถ่วง เหล่านั้น. งานที่กระทำโดยแรงไฟฟ้าสถิตไม่ได้ขึ้นอยู่กับเส้นทางที่ประจุ q เคลื่อนที่ในสนามไฟฟ้าจากจุดที่ 1 ไปยังจุดที่ 2 งานนี้เท่ากับผลต่างของพลังงานศักย์ที่ประจุเคลื่อนที่มีที่จุดเริ่มต้นและจุดสุดท้ายของ สนาม:

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

สามารถแสดงให้เห็นได้ว่าพลังงานศักย์ของประจุ q เป็นสัดส่วนโดยตรงกับขนาดของประจุนี้ ดังนั้น ตามลักษณะพลังงานของสนามไฟฟ้าสถิต อัตราส่วนของพลังงานศักย์ของประจุทดสอบ q 0 ที่วางอยู่ที่จุดใดๆ ของสนามต่อค่าของประจุนี้จึงถูกใช้:

ค่านี้คือปริมาณพลังงานศักย์ต่อหน่วยของประจุบวกและเรียกว่า ศักยภาพภาคสนาม ณ จุดที่กำหนด [φ] = J / C = V (โวลต์)

หากเราคิดว่าเมื่อประจุ q 0 ถูกลบออกเป็นอนันต์ (r → ∞) พลังงานศักย์ของมันในสนามประจุ q จะหายไป ดังนั้นศักยภาพของสนามของประจุจุด q ที่ระยะทาง r จากมัน:

. (9)

หากสนามถูกสร้างขึ้นโดยระบบจุดประจุ ศักยภาพของสนามผลลัพธ์จะเท่ากับผลรวมเชิงพีชคณิต (รวมถึงสัญญาณ) ของศักยภาพของแต่ละฟิลด์:

. (10)

จากคำจำกัดความของศักยภาพ (8) และนิพจน์ (7) งานที่ทำโดยกองกำลังของสนามไฟฟ้าสถิตเพื่อย้ายประจุจาก

จุดที่ 1 ถึงจุดที่ 2 สามารถแสดงเป็น:

กระแสไฟฟ้าในก๊าซ

การปล่อยก๊าซที่ไม่ใช่ตนเอง

ก๊าซที่อุณหภูมิไม่สูงเกินไปและความดันใกล้กับบรรยากาศเป็นฉนวนที่ดี หากวางในที่แห้ง อากาศในบรรยากาศซึ่งเป็นอิเล็กโตรมิเตอร์ที่มีประจุแล้วประจุยังคงไม่เปลี่ยนแปลงเป็นเวลานาน สิ่งนี้อธิบายได้จากข้อเท็จจริงที่ว่าก๊าซภายใต้สภาวะปกติประกอบด้วยอะตอมและโมเลกุลที่เป็นกลาง และไม่มีประจุอิสระ (อิเล็กตรอนและไอออน) แก๊สจะกลายเป็นตัวนำไฟฟ้าก็ต่อเมื่อโมเลกุลบางส่วนถูกแตกตัวเป็นไอออน สำหรับไอออไนซ์ แก๊สจะต้องสัมผัสกับไอออไนเซอร์บางชนิด เช่น การปล่อยไฟฟ้า เอกซเรย์, รังสีหรือรังสียูวี , เปลวเทียน เป็นต้น (ในกรณีหลัง การนำไฟฟ้าของก๊าซเกิดจากการให้ความร้อน)

เมื่อก๊าซแตกตัวเป็นไอออน พวกมันจะหนีออกจากภายนอก เปลือกอิเล็กตรอนอะตอมหรือโมเลกุลของอิเล็กตรอนตั้งแต่หนึ่งตัวขึ้นไป ส่งผลให้เกิดอิเล็กตรอนอิสระและไอออนบวก อิเล็กตรอนสามารถเกาะติดกับโมเลกุลและอะตอมที่เป็นกลาง เปลี่ยนเป็นไอออนลบได้ ดังนั้นในก๊าซไอออไนซ์จึงมีไอออนที่มีประจุบวกและลบและอิเล็กตรอนอิสระ อี กระแสไฟฟ้าในก๊าซเรียกว่าการปล่อยก๊าซ ดังนั้นกระแสในก๊าซจึงถูกสร้างขึ้นโดยไอออนของสัญญาณและอิเล็กตรอน การปล่อยก๊าซที่มีกลไกดังกล่าวจะมาพร้อมกับการถ่ายโอนสสารเช่น ก๊าซไอออไนซ์เป็นตัวนำประเภทที่สอง

เพื่อที่จะฉีกอิเล็กตรอนหนึ่งตัวออกจากโมเลกุลหรืออะตอม จำเป็นต้องทำงานบางอย่าง A และนั่นคือ ใช้พลังงานบางส่วน พลังงานนี้เรียกว่า พลังงานไอออไนซ์ ซึ่งมีค่าสำหรับอะตอม สารต่างๆอยู่ภายใน 4-25 eV ในเชิงปริมาณ กระบวนการไอออไนเซชันมักจะมีลักษณะเฉพาะด้วยปริมาณที่เรียกว่า ศักยภาพไอออไนซ์ :

ควบคู่ไปกับกระบวนการของการแตกตัวเป็นไอออนในก๊าซ มีกระบวนการย้อนกลับเสมอ - กระบวนการรวมตัวกันใหม่: ไอออนบวกและลบ หรือไอออนบวกและอิเล็กตรอน การพบปะ รวมตัวกันอีกครั้งเพื่อสร้างอะตอมและโมเลกุลที่เป็นกลาง ยิ่งไอออนปรากฏภายใต้การกระทำของไอออไนเซอร์มากเท่าไร กระบวนการรวมตัวกันจะยิ่งเข้มข้นมากขึ้นเท่านั้น

พูดอย่างเคร่งครัด การนำไฟฟ้าของก๊าซไม่เคยเท่ากับศูนย์ เพราะมันประกอบด้วยประจุอิสระที่เกิดจากการกระทำของรังสีจากสารกัมมันตภาพรังสีที่ปรากฏบนพื้นผิวโลกตลอดจนจากรังสีคอสมิกเสมอ ความเข้มของไอออไนซ์ภายใต้การกระทำของปัจจัยเหล่านี้ต่ำ ค่าการนำไฟฟ้าเล็กน้อยของอากาศนี้เป็นสาเหตุของการรั่วไหลของประจุไฟฟ้า แม้ว่าจะหุ้มฉนวนอย่างดีก็ตาม

ธรรมชาติของการปล่อยก๊าซนั้นพิจารณาจากองค์ประกอบของก๊าซ อุณหภูมิและความดัน ขนาด การกำหนดค่าและวัสดุของอิเล็กโทรด ตลอดจนแรงดันที่ใช้และความหนาแน่นกระแส

ให้เราพิจารณาวงจรที่มีช่องว่างของแก๊ส (รูปที่) ซึ่งอยู่ภายใต้การกระทำของความเข้มข้นของไอออไนเซอร์อย่างต่อเนื่องและคงที่ อันเป็นผลมาจากการกระทำของไอออไนเซอร์ ก๊าซจะได้รับค่าการนำไฟฟ้าบางส่วนและกระแสจะไหลในวงจร รูปแสดงลักษณะเฉพาะของแรงดันกระแสไฟ (การขึ้นกับกระแสกับแรงดันไฟที่ใช้) สำหรับไอออนไนเซอร์สองตัว ประสิทธิภาพ
(จำนวนคู่ของไอออนที่เกิดจากไอออไนเซอร์ในช่องว่างก๊าซใน 1 วินาที) ของไอออไนเซอร์ตัวที่สองนั้นมากกว่าตัวแรก เราจะถือว่าประสิทธิภาพของไอออไนเซอร์นั้นคงที่และเท่ากับ n 0 . ที่ความดันไม่ต่ำมาก อิเล็กตรอนที่แยกออกเกือบทั้งหมดถูกจับโดยโมเลกุลที่เป็นกลาง ก่อตัวเป็นไอออนที่มีประจุลบ เมื่อพิจารณาการรวมตัวใหม่ เราคิดว่าความเข้มข้นของไอออนของสัญญาณทั้งสองมีค่าเท่ากันและเท่ากับ n ความเร็วลอยตัวเฉลี่ยของไอออนของสัญญาณต่างๆ ในสนามไฟฟ้าแตกต่างกัน: , . b - และ b + คือการเคลื่อนที่ของไอออนของแก๊ส ตอนนี้สำหรับภูมิภาค I โดยคำนึงถึง (5) เราสามารถเขียน:

อย่างที่เห็น ในภูมิภาค I ด้วยแรงดันที่เพิ่มขึ้น กระแสจะเพิ่มขึ้น เนื่องจากความเร็วของดริฟท์เพิ่มขึ้น จำนวนคู่ของไอออนที่รวมตัวกันใหม่จะลดลงเมื่อความเร็วเพิ่มขึ้น

ภูมิภาค II - ภูมิภาคปัจจุบันอิ่มตัว - ไอออนทั้งหมดที่สร้างขึ้นโดยเครื่องสร้างประจุไอออนจะไปถึงอิเล็กโทรดโดยไม่ต้องมีเวลารวมตัวกันใหม่ ความหนาแน่นกระแสอิ่มตัว

เจ n = q n 0 d, (28)

โดยที่ d คือความกว้างของช่องว่างก๊าซ (ระยะห่างระหว่างอิเล็กโทรด) ดังที่เห็นได้จาก (28) กระแสอิ่มตัวเป็นตัววัดผลของไอออไนซ์ของไอออไนเซอร์

ที่แรงดันไฟฟ้ามากกว่า U p p (ภูมิภาค III) ความเร็วของอิเล็กตรอนถึงค่าดังกล่าวซึ่งเมื่อชนกับโมเลกุลที่เป็นกลางสามารถทำให้เกิดอิออไนเซชันได้ ส่งผลให้มีไอออนเพิ่มขึ้นอีก 0 คู่ ค่า A เรียกว่า Gas amplification factor . ในภูมิภาค III สัมประสิทธิ์นี้ไม่ได้ขึ้นอยู่กับ n 0 แต่ขึ้นอยู่กับ U ดังนั้น ประจุที่ไปถึงอิเล็กโทรดที่ค่าคงที่ U เป็นสัดส่วนโดยตรงกับประสิทธิภาพของไอออไนเซอร์ - n 0 และแรงดันไฟฟ้า U ด้วยเหตุนี้ ภูมิภาค III จึงเรียกว่าพื้นที่ตามสัดส่วน U pr - เกณฑ์สัดส่วน ปัจจัยการขยายก๊าซ A มีค่าตั้งแต่ 1 ถึง 10 4 .

ในภูมิภาค IV ซึ่งเป็นขอบเขตของสัดส่วนบางส่วน อัตราขยายของแก๊สเริ่มขึ้นอยู่กับ n 0 การพึ่งพานี้จะเพิ่มขึ้นตามการเพิ่มขึ้นของ U กระแสจะเพิ่มขึ้นอย่างรวดเร็ว

ในช่วงแรงดันไฟ 0 ÷ U g กระแสในแก๊สจะมีอยู่เฉพาะเมื่อไอออไนเซอร์ทำงานเท่านั้น หากการทำงานของไอออไนเซอร์หยุดลง การคายประจุก็จะหยุดลงเช่นกัน การปลดปล่อยที่มีอยู่ภายใต้การกระทำของไอออนไนเซอร์ภายนอกเท่านั้นเรียกว่าไม่ยั่งยืน

แรงดันไฟฟ้า U g เป็นธรณีประตูของภูมิภาค ซึ่งก็คือภูมิภาค Geiger ซึ่งสอดคล้องกับสถานะเมื่อกระบวนการในช่องว่างของแก๊สไม่หายไปแม้หลังจากปิดไอออนไนเซอร์แล้ว เช่น การปลดปล่อยจะได้รับลักษณะของการปลดปล่อยที่เป็นอิสระ ไอออนปฐมภูมิเป็นเพียงแรงผลักดันให้เกิดการปล่อยก๊าซ ในภูมิภาคนี้ ฉันได้รับความสามารถในการแตกตัวเป็นไอออนขนาดใหญ่ของสัญญาณทั้งสองแล้ว ขนาดของกระแสไม่ได้ขึ้นอยู่กับ n 0 .

ในพื้นที่ VI แรงดันไฟฟ้าสูงมากจนการคายประจุเมื่อเกิดขึ้นแล้วจะไม่หยุดอีกต่อไป - พื้นที่ของการคายประจุอย่างต่อเนื่อง

การปล่อยก๊าซอิสระและประเภทของมัน

การปล่อยก๊าซซึ่งยังคงมีอยู่หลังจากสิ้นสุดการกระทำของไอออไนเซอร์ภายนอกเรียกว่าอิสระ

ให้เราพิจารณาเงื่อนไขสำหรับการเกิดขึ้นของการปล่อยอิสระ ที่แรงดันไฟฟ้าสูง (ภูมิภาค V–VI) อิเล็กตรอนที่เกิดขึ้นภายใต้การกระทำของไอออไนเซอร์ภายนอกและถูกเร่งอย่างมากโดยสนามไฟฟ้าชนกับโมเลกุลของก๊าซที่เป็นกลางและทำให้แตกตัวเป็นไอออน เป็นผลให้เกิดอิเล็กตรอนทุติยภูมิและไอออนบวกเกิดขึ้น (ขั้นตอนที่ 1 ในรูปที่ 158)ไอออนบวกจะเคลื่อนที่ไปทางแคโทดและอิเล็กตรอนจะเคลื่อนไปทางแอโนด อิเล็กตรอนทุติยภูมิจะแตกตัวเป็นไอออนในโมเลกุลของแก๊สอีกครั้ง ด้วยเหตุนี้ จำนวนอิเล็กตรอนและไอออนทั้งหมดจะเพิ่มขึ้นเมื่ออิเล็กตรอนเคลื่อนเข้าหาขั้วบวกเหมือนหิมะถล่ม นี่คือสาเหตุของการเพิ่มขึ้นของกระแสไฟฟ้า (ดูรูปที่ พื้นที่ V) กระบวนการที่อธิบายไว้เรียกว่าอิมแพคไอออไนซ์

อย่างไรก็ตาม การแตกตัวเป็นไอออนแบบกระแทกภายใต้การกระทำของอิเล็กตรอนนั้นไม่เพียงพอต่อการคงการปลดปล่อยเมื่อเอาไอออไนเซอร์ภายนอกออก ด้วยเหตุนี้จึงจำเป็นที่อิเล็กตรอนจะถล่ม "ทำซ้ำ" นั่นคืออิเล็กตรอนใหม่เกิดขึ้นในแก๊สภายใต้อิทธิพลของกระบวนการบางอย่าง กระบวนการดังกล่าวแสดงเป็นแผนผังในรูปที่ 158: ประจุบวกที่เร่งโดยสนาม กระแทกแคโทด เคาะอิเล็กตรอนออกจากมัน (กระบวนการที่ 2) ไอออนบวกที่ชนกับโมเลกุลของแก๊สถ่ายโอนไปยังสถานะตื่นเต้นการเปลี่ยนแปลงของโมเลกุลดังกล่าวไปสู่สถานะปกติจะมาพร้อมกับการปล่อยโฟตอน (กระบวนการ 3) โฟตอนที่ถูกดูดซับโดยโมเลกุลที่เป็นกลางทำให้เกิดไอออน กระบวนการที่เรียกว่าโฟตอนไอออไนเซชันของโมเลกุลเกิดขึ้น (กระบวนการ 4) การเคาะอิเล็กตรอนออกจากแคโทดภายใต้การกระทำของโฟตอน (ขั้นตอนที่ 5)

ในที่สุด ที่แรงดันไฟฟ้าที่สำคัญระหว่างอิเล็กโทรดของช่องว่างก๊าซ มีช่วงเวลาที่ไอออนบวกซึ่งมีเส้นทางอิสระเฉลี่ยสั้นกว่าอิเล็กตรอน ได้รับพลังงานเพียงพอที่จะทำให้โมเลกุลของก๊าซแตกตัวเป็นไอออน (กระบวนการ 6) และหิมะถล่มของไอออนพุ่งไปที่ขั้วลบ จาน. เมื่อนอกจากจะเกิดหิมะถล่มของอิเล็กตรอนแล้ว หิมะถล่มของไอออนยังเกิดขึ้นด้วย กระแสจะเพิ่มขึ้นโดยแทบไม่เพิ่มแรงดันไฟฟ้าเลย (บริเวณ VI ในรูป)

เป็นผลมาจากกระบวนการที่อธิบายไว้ จำนวนไอออนและอิเล็กตรอนในปริมาตรของก๊าซจะเพิ่มขึ้นเหมือนหิมะถล่ม และการปลดปล่อยออกมาเป็นอิสระ กล่าวคือ ยังคงมีอยู่แม้หลังจากที่การกระทำของไอออนไนเซอร์ภายนอกสิ้นสุดลง แรงดันไฟฟ้าที่เกิดการคายประจุออกเองเรียกว่าแรงดันพังทลาย สำหรับอากาศ นี่คือประมาณ 30,000 โวลต์สำหรับทุก ๆ เซนติเมตรของระยะทาง

การกำหนดค่าของอิเล็กโทรด และพารามิเตอร์ของวงจรภายนอก ขึ้นอยู่กับแรงดันแก๊ส เราสามารถพูดถึงการปล่อยอิสระสี่ประเภท: เรืองแสง ประกายไฟ อาร์ค และโคโรนา

1. ปล่อยระอุ. เกิดขึ้นที่ความกดอากาศต่ำ หากใช้แรงดันคงที่หลายร้อยโวลต์กับอิเล็กโทรดที่บัดกรีในหลอดแก้วยาว 30 ÷ 50 ซม. ค่อยๆ สูบลมออกจากท่อจากนั้นที่แรงดัน ≈ 5.3 ÷ 6.7 kPa จะเกิดการคายประจุในรูปของ สายไฟสีแดงที่คดเคี้ยวจากแคโทดไปยังแอโนด ด้วยแรงดันที่ลดลงอีก สายไฟจะหนาขึ้น และที่ความดัน ≈ 13 Pa การคายประจุจะมีรูปแบบดังแสดงในรูปที่

ติดกับแคโทดโดยตรงคือชั้นเรืองแสงบาง ๆ 1 - แคโทดเรืองแสงแรกหรือฟิล์มแคโทดจากนั้นตามด้วยชั้นมืด 2 - พื้นที่มืดของแคโทดผ่านเข้าไปในชั้นเรืองแสง 3 - เรืองแสงที่คุกรุ่นที่มีขอบคม ด้านแคโทดค่อยๆ หายไปจากด้านแอโนด มันเกิดจากการรวมตัวกันของอิเล็กตรอนกับไอออนบวก แสงระอุนั้นล้อมรอบด้วยช่องว่างมืด 4 - พื้นที่มืดฟาราเดย์ ตามด้วยคอลัมน์ของก๊าซส่องสว่างที่แตกตัวเป็นไอออน 5 - คอลัมน์บวก คอลัมน์บวกไม่มีบทบาทสำคัญในการรักษาการปลดปล่อย ตัวอย่างเช่น เมื่อระยะห่างระหว่างอิเล็กโทรดของท่อลดลง ความยาวจะสั้นลง ในขณะที่ส่วนแคโทดของการคายประจุจะยังคงมีรูปร่างและขนาดไม่เปลี่ยนแปลง ในการปล่อยเรืองแสง มีเพียงสองส่วนเท่านั้นที่มีความสำคัญเป็นพิเศษสำหรับการบำรุงรักษา: พื้นที่มืดของแคโทดและเรืองแสงเรืองแสง ในพื้นที่มืดของแคโทด มีการเร่งความเร็วอย่างแรงของอิเล็กตรอนและไอออนบวก ทำให้อิเล็กตรอนหลุดออกจากแคโทด อย่างไรก็ตาม ในบริเวณที่เกิดเพลิงไหม้จะเกิดการแตกตัวเป็นไอออนของโมเลกุลก๊าซโดยอิเล็กตรอน ไอออนบวกที่เกิดขึ้นในกรณีนี้จะพุ่งไปที่แคโทดและทำให้อิเล็กตรอนใหม่หลุดออกมาซึ่งจะทำให้แก๊สแตกตัวเป็นไอออนอีกครั้ง ฯลฯ ด้วยวิธีนี้จะคงการปล่อยแสงอย่างต่อเนื่อง

ด้วยการอพยพท่อเพิ่มเติมที่ความดัน ≈ 1.3 Pa ก๊าซเรืองแสงจะอ่อนลงและผนังของท่อเริ่มเรืองแสง อิเล็กตรอนที่หลุดออกจากแคโทดโดยไอออนบวกไม่ค่อยชนกับโมเลกุลของแก๊สที่การเกิดแรร์แฟกชันเช่นนี้ ดังนั้น การเร่งโดยสนาม กระทบกระจก ทำให้เกิดการเรืองแสง ซึ่งเรียกว่าแคโทโดลูมิเนสเซนซ์ การไหลของอิเล็กตรอนเหล่านี้ในอดีตเรียกว่ารังสีแคโทด

การปล่อยเรืองแสงมีการใช้กันอย่างแพร่หลายในด้านเทคโนโลยี เนื่องจากการเรืองแสงของคอลัมน์บวกมีลักษณะสีของก๊าซแต่ละชนิด จึงถูกใช้ในหลอดแก๊สสำหรับจารึกและโฆษณาเรืองแสง (เช่น หลอดนีออนให้แสงสีแดง หลอดอาร์กอน - สีเขียวอมฟ้า) ในหลอดฟลูออเรสเซนต์ซึ่งประหยัดกว่าหลอดไส้ การแผ่รังสีที่ปล่อยออกมาในไอปรอทจะถูกดูดซับโดยสารเรืองแสง (สารเรืองแสง) ที่สะสมอยู่บนพื้นผิวด้านในของหลอด ซึ่งจะเริ่มเรืองแสงภายใต้อิทธิพลของรังสีที่ถูกดูดกลืน สเปกตรัมการเรืองแสงด้วยการเลือกสารเรืองแสงที่เหมาะสมนั้นอยู่ใกล้กับสเปกตรัมของรังสีดวงอาทิตย์ การปล่อยเรืองแสงใช้สำหรับการสะสมแคโทดของโลหะ สารแคโทดในการปล่อยเรืองแสงเนื่องจากการทิ้งระเบิดด้วยไอออนบวกซึ่งได้รับความร้อนสูงจะผ่านเข้าสู่สถานะไอ โดยการวางวัตถุต่างๆ ไว้ใกล้กับแคโทด จึงสามารถหุ้มด้วยชั้นโลหะที่เป็นเนื้อเดียวกันได้

2. การปล่อยประกายไฟ เกิดขึ้นที่ความแรงของสนามไฟฟ้าสูง (≈ 3·10 6 V/m) ในก๊าซภายใต้ความกดอากาศ ประกายไฟมีลักษณะเป็นช่องบาง ๆ ส่องสว่างจ้า โค้งและแตกแขนงในลักษณะที่ซับซ้อน

คำอธิบายของการปล่อยประกายไฟมีพื้นฐานมาจากทฤษฎีลำแสง โดยลักษณะของช่องประกายไฟที่ส่องสว่างอย่างสว่างนำหน้าด้วยการปรากฏตัวของการสะสมของก๊าซไอออไนซ์ที่มีแสงน้อย กลุ่มเหล่านี้เรียกว่าสตรีมเมอร์ สตรีมเมอร์ไม่เพียงเกิดขึ้นจากการก่อตัวของหิมะถล่มของอิเล็กตรอนผ่านอิมแพคไอออไนเซชันเท่านั้น แต่ยังเป็นผลมาจากโฟตอนไอออไนซ์ของแก๊สด้วย หิมะถล่มไล่ตามกันก่อตัวเป็นสะพานของลำธารซึ่งในช่วงเวลาถัดไปกระแสอิเล็กตรอนอันทรงพลังจะพุ่งเข้าหากันทำให้เกิดช่องปล่อยประกายไฟ เนื่องจากการปล่อยพลังงานจำนวนมากในระหว่างกระบวนการที่พิจารณา ก๊าซในช่องว่างประกายไฟจึงถูกทำให้ร้อนจนถึงอุณหภูมิที่สูงมาก (ประมาณ 10 4 K) ซึ่งนำไปสู่การเรืองแสง ความร้อนอย่างรวดเร็วของก๊าซนำไปสู่การเพิ่มขึ้นของความดันและคลื่นกระแทก ซึ่งอธิบายผลกระทบเสียงของการปล่อยประกายไฟ - ลักษณะเสียงแตกในการปล่อยที่อ่อนแอและฟ้าร้องอันทรงพลังในกรณีของฟ้าผ่าซึ่งเป็นตัวอย่างของการปล่อยประกายไฟที่ทรงพลัง ระหว่างเมฆฝนฟ้าคะนองกับโลกหรือระหว่างเมฆฝนฟ้าคะนองสองแห่ง

การปล่อยประกายไฟใช้เพื่อจุดประกายส่วนผสมที่ติดไฟได้ในเครื่องยนต์สันดาปภายในและเพื่อป้องกันสายส่งไฟฟ้าจากไฟกระชาก (ช่องว่างประกายไฟ) การปล่อยประกายไฟทำให้เกิดการทำลาย (การกัดเซาะ) ของพื้นผิวโลหะด้วยระยะห่างเพียงเล็กน้อย ดังนั้นจึงใช้สำหรับการตัดเฉือนโลหะที่มีความแม่นยำด้วยไฟฟ้าสถิต (การตัด การเจาะ) ใช้ในการวิเคราะห์สเปกตรัมเพื่อลงทะเบียนอนุภาคที่มีประจุ (ตัวนับประกายไฟ)

3. การปลดปล่อยอาร์ค หากหลังจากการจุดประกายไฟจากแหล่งกำเนิดประกายไฟ ระยะห่างระหว่างอิเล็กโทรดจะค่อยๆ ลดลง จากนั้นการคายประจุจะต่อเนื่อง - จะเกิดการคายประจุของส่วนโค้ง ในกรณีนี้ ความแรงของกระแสจะเพิ่มขึ้นอย่างรวดเร็ว โดยมีค่าสูงถึงหลายร้อยแอมแปร์ และแรงดันไฟฟ้าข้ามช่องว่างการคายประจุจะลดลงเหลือหลายสิบโวลต์ สามารถรับอาร์คดิสชาร์จได้จากแหล่งจ่ายแรงดันต่ำที่เลี่ยงผ่านสเตจประกายไฟ เมื่อต้องการทำเช่นนี้ อิเล็กโทรด (เช่น คาร์บอน) จะถูกนำมารวมกันจนสัมผัสกัน กระแสไฟฟ้าจะร้อนจัด จากนั้นจึงนำมาเพาะพันธุ์ อาร์คไฟฟ้า(นี่คือวิธีที่นักวิทยาศาสตร์ชาวรัสเซีย V.V. Petrov ค้นพบ) ที่ความดันบรรยากาศ อุณหภูมิของแคโทดจะอยู่ที่ประมาณ 3900 เค เมื่อส่วนโค้งไหม้ แคโทดคาร์บอนจะแหลมขึ้น และเกิดความกดอากาศต่ำบนแอโนด ซึ่งเป็นหลุมอุกกาบาตซึ่งเป็นจุดที่ร้อนที่สุดของส่วนโค้ง

ตามแนวคิดสมัยใหม่ การปลดปล่อยอาร์กจะคงอยู่เนื่องจากอุณหภูมิสูงของแคโทดอันเนื่องมาจากการปล่อยความร้อนแบบรุนแรง รวมถึงไอออไนเซชันจากความร้อนของโมเลกุลเนื่องจากอุณหภูมิสูงของแก๊ส

การปลดปล่อยอาร์คใช้กันอย่างแพร่หลายใน เศรษฐกิจของประเทศสำหรับการเชื่อมและการตัดโลหะ การได้เหล็กคุณภาพสูง (เตาอาร์ค) ไฟส่องสว่าง (สปอตไลท์ อุปกรณ์ฉายภาพ) หลอดไฟอาร์คที่มีอิเล็กโทรดปรอทในกระบอกสูบควอทซ์ยังใช้กันอย่างแพร่หลาย โดยที่อาร์คปล่อยจะเกิดขึ้นในไอปรอทเมื่ออากาศถูกสูบออก ส่วนโค้งที่เกิดจากไอปรอทเป็นแหล่งรังสีอัลตราไวโอเลตที่ทรงพลังและใช้ในทางการแพทย์ (เช่น โคมไฟควอตซ์). ปล่อยอาร์คที่ ความกดดันต่ำในไอปรอทถูกใช้ในวงจรเรียงกระแสของปรอทเพื่อแก้ไขกระแสสลับ

4. ปล่อยโคโรนา - การคายประจุไฟฟ้าแรงสูงที่เกิดขึ้นที่แรงดันสูง (เช่น บรรยากาศ) ในสนามที่ไม่เป็นเนื้อเดียวกัน (เช่น ใกล้อิเล็กโทรดที่มีความโค้งมากของพื้นผิว ปลายอิเล็กโทรดแบบเข็ม) เมื่อความแรงของสนามใกล้กับส่วนปลายถึง 30 kV/cm แล้ว จะมีแสงคล้ายโคโรนาปรากฏขึ้นรอบๆ แกน ซึ่งเป็นสาเหตุของชื่อการคายประจุประเภทนี้

โคโรนาเชิงลบหรือบวกนั้นขึ้นอยู่กับสัญญาณของขั้วไฟฟ้าโคโรนา ในกรณีของโคโรนาเชิงลบ การผลิตอิเล็กตรอนที่ก่อให้เกิดอิออไนเซชันของโมเลกุลก๊าซเกิดขึ้นเนื่องจากการปล่อยประจุออกจากแคโทดภายใต้การกระทำของไอออนบวก ในกรณีของโคโรนาบวก เนื่องจากการแตกตัวเป็นไอออนของแก๊สใกล้ขั้วบวก ที่ ร่างกายโคโรนาเกิดขึ้นภายใต้อิทธิพลของกระแสไฟฟ้าในบรรยากาศที่ยอดเสากระโดงเรือหรือต้นไม้ (การกระทำของสายล่อฟ้าขึ้นอยู่กับสิ่งนี้) ปรากฏการณ์นี้ในสมัยโบราณเรียกว่าไฟของเซนต์เอลโม ผลกระทบที่เป็นอันตรายของโคโรนารอบสายไฟของสายไฟฟ้าแรงสูงคือการเกิดกระแสไฟรั่ว เพื่อลดสายไฟของสายไฟฟ้าแรงสูงหนา การปลดปล่อยโคโรนาที่ไม่ต่อเนื่องก็กลายเป็นแหล่งสัญญาณรบกวนทางวิทยุเช่นกัน

การปล่อยโคโรนาใช้ในเครื่องตกตะกอนไฟฟ้าสถิตที่ใช้สำหรับทำความสะอาด ก๊าซอุตสาหกรรมจากสิ่งสกปรก ก๊าซที่จะทำให้บริสุทธิ์เคลื่อนจากล่างขึ้นบนในกระบอกสูบแนวตั้งตามแกนที่มีลวดโคโรนาอยู่ ไอออนที่มีอยู่ใน จำนวนมากในส่วนด้านนอกของโคโรนา สิ่งเจือปนจะเกาะติดกับอนุภาคและถูกพาไปยังอิเล็กโทรดภายนอกที่ไม่ใช่โคโรนาโดยสนามไปยังอิเล็กโทรดที่ไม่ใช่โคโรนา การปล่อยโคโรนายังใช้ในการเคลือบผงและสี

สนามไฟฟ้า

สายไฟของสนามไฟฟ้า

ตามแนวคิดของฟิสิกส์สมัยใหม่ ผลกระทบของประจุหนึ่งต่ออีกประจุหนึ่งจะถูกส่งผ่าน สนามไฟฟ้าสถิต - วัสดุพิเศษที่ยืดขยายได้ไม่จำกัด ซึ่งร่างกายที่มีประจุแต่ละตัวสร้างขึ้นรอบตัวมันเอง ประสาทสัมผัสของมนุษย์ไม่สามารถตรวจจับสนามไฟฟ้าสถิตได้ อย่างไรก็ตาม ประจุที่วางอยู่ในสนามได้รับผลกระทบจากแรงที่เป็นสัดส่วนโดยตรงกับขนาดของประจุนี้ เพราะ ทิศทางของแรงขึ้นอยู่กับเครื่องหมายของประจุก็ตกลงที่จะใช้สิ่งที่เรียกว่า ค่าทดลอง q0. นี่คือประจุบวกซึ่งวางอยู่ที่จุดสนใจสำหรับเราในสนามไฟฟ้า ดังนั้นจึงแนะนำให้ใช้อัตราส่วนของแรงต่อค่าประจุทดสอบ q 0 เป็นลักษณะแรงของสนาม:

ค่าคงที่สำหรับแต่ละจุดของสนามคือปริมาณเวกเตอร์ เท่ากับกำลังกระทำต่อประจุบวกหนึ่งหน่วยเรียกว่า ความเครียด . สำหรับสนามของจุดประจุ q ที่ระยะทาง r จากจุดนั้น:

, (4)

ทิศทางของเวกเตอร์สอดคล้องกับทิศทางของแรงที่กระทำต่อประจุทดสอบ [E] = N / C หรือ V / m.

ในตัวกลางไดอิเล็กตริก แรงของปฏิกิริยาระหว่างประจุ และความแรงของสนามจึงลดลง ε เท่า:

, . (5)

เมื่อสนามไฟฟ้าสถิตหลายสนามซ้อนทับกัน ความแรงที่ได้จะถูกกำหนดเป็นผลรวมเวกเตอร์ของจุดแข็งของแต่ละสนาม (หลักการซ้อน):

กราฟแสดงการกระจายของสนามไฟฟ้าในอวกาศโดยใช้ เส้นแรง . เส้นเหล่านี้ถูกวาดเพื่อให้แทนเจนต์กับพวกเขา ณ จุดใด ๆ ที่ตรงกัน นี่หมายความว่าเวกเตอร์ของแรงที่กระทำต่อประจุ และด้วยเหตุนี้เวกเตอร์ของความเร่งจึงอยู่บนเส้นสัมผัสของแรงด้วย ซึ่งไม่มีทางตัดกันและไม่มีที่ไหนเลย เส้นแรงของสนามไฟฟ้าสถิตไม่สามารถปิดได้ พวกเขาเริ่มต้นในเชิงบวกและจบลงด้วยประจุลบหรือไปที่อนันต์