Силові лінії електростатичного поля. Силові лінії електричного поля

Для наочного графічного представлення поля зручно використовувати силові лінії – спрямовані лінії, дотичні до яких у кожній точці збігаються з напрямком вектора напруженості електричного поля (рис. 233).

Рис. 233
Відповідно, визначення силові лінії електричного поля мають поруч загальних властивостей(порівняйте з властивостями ліній струму рідини):
 1. Силові лініїне перетинаються (інакше, у точці перетину можна побудувати дві дотичних, тобто у одній точці, напруженість поля має два значення, що абсурдно).
2. Силові лінії не мають зламів (у точці зламу знову можна побудувати дві дотичні).
3. Силові лінії електростатичного поля починаються та закінчуються на зарядах.
Так напруженість поля визначена у кожній просторовій точці, то силову лінію можна провести через будь-яку просторову точку. Тому число силових ліній нескінченно велике. Число ліній, що використовуються для зображення поля, найчастіше визначається художнім смаком фізика-художника. У деяких навчальних посібникахрекомендується будувати картину силових ліній так, щоб їхня густота була більша там, де напруженість поля більша. Ця вимога не є суворою, і не завжди здійсненною, тому силові лінії малюють, задовольняючи сформульованим властивостям 1 − 3 .
Дуже просто побудувати силові лінії поля, що створюється точковим зарядом. В цьому випадку силові лінії є набір прямих, що виходять (для позитивного), або вхідних (для негативних) в точку розташування заряду (рис. 234).

Рис. 234
Такі сімейства силових ліній полів точкових зарядів демонструють, що заряди є джерелами поля, за аналогією з джерелами та стоками поля швидкостей рідини. Доказ того, що силові лінії не можуть починатися або закінчуватись у тих точках, де заряди відсутні, ми проведемо пізніше.
Картину силових ліній реальних полів можна відтворити експериментально.
У невисоку судину слід влити невеликий шар касторової оліїі всипати у нього невелику порцію манної крупи. Якщо масло з крупою помістити в електростатичне поле, то крупинки манної крупи (вони мають злегка витягнуту форму) повертаються у напрямку напруженості електричного поля і вибудовуються приблизно вздовж силових ліній, через кілька десятків секунд у чашці вимальовується картина силових ліній електричного поля. Деякі такі "картинки" представлені на фотографіях.
Також можна провести теоретичний розрахунок та побудову силових ліній. Правда, ці розрахунки вимагають величезної кількості обчислень, тому реально (і без особливої ​​праці) проводяться з використанням комп'ютера, найчастіше такі побудови виконуються у певній площині.
При розробці алгоритмів розрахунку картини силових ліній зустрічається низка проблем, які потребують вирішення. Перша така проблема – розрахунок вектора поля. Що стосується електростатичних полів, створюваних заданим розподілом зарядів, цю проблему вирішується з допомогою закону Кулона і принципу суперпозиції. Друга проблема – метод побудови окремої лінії. Ідея найпростішого алгоритму, що вирішує це завдання, є достатньо очевидною. На малій ділянці кожна лінія практично збігається зі своєю дотичною, тому слід побудувати безліч відрізків, що стосуються силових ліній, тобто відрізків малої довжини. l, Напрямок яких збігається з напрямком поля в даній точці. Для цього необхідно, перш за все, розрахувати компоненти вектора напруженості заданій точці E x, E yта модуль цього вектора E = √(E x 2 + E y 2). Потім можна побудувати відрізок малої довжини, напрямок якого збігається із напрямком вектора напруженості поля. його проекції на осі координат обчислюються за формулами, що випливають із рис. 235:

Рис. 235

Потім слід повторити процедуру, починаючи з кінця збудованого відрізка. Звісно, ​​під час реалізації такого алгоритму трапляються й інші проблеми, які мають швидше технічний характер.
На рисунках 236 показані силові лінії полів, що створюються двома точковими зарядами.


Рис. 236
Знаки зарядів вказані, на рисунках а) та б) заряди за модулем однакові, на рис. в), г) різні - який з них більше пропонуємо визначити самостійно. Напрямки силових ліній у кожному випадку також визначте самостійно.
Цікаво, відзначити, що М.Фарадей розглядав силові лінії електричного поля як реальні пружні трубки, що пов'язують між собою електричні заряди, такі уявлення дуже допомагали йому пророкувати і пояснювати багато фізичних явищ.
Погодьтеся, що мав рацію великий М. Фарадей – якщо подумки замінити лінії пружними гумовими джгутами, характер взаємодії дуже наочний.

Теорема Остроградського-Гаусса, яку ми доведемо та обговоримо пізніше, встановлює зв'язок між електричними зарядамита електричним полем. Вона є більш загальним і витонченим формулюванням закону Кулона.

У принципі, напруженість електростатичного поля, створюваного даним розподілом зарядів, можна обчислити з допомогою закону Кулона. Повне електричне полі у точці є векторної сумою (інтегральним) вкладом всіх зарядів, тобто.

Проте, крім самих простих випадків, обчислити цю суму чи інтеграл дуже складно.

Тут приходить на допомогу теорема Остроградського-Гаус, за допомогою якої набагато простіше вдається розрахувати напруженість електричного поля, створювана даним розподілом зарядів.

Основна цінність теореми Остроградського-Гаусса у тому, що вона дозволяє глибше зрозуміти природу електростатичного поля та встановлюєбільш загальну зв'язок між зарядом та полем.

Але перш, ніж переходити до теореми Остроградського-Гауса необхідно запровадити поняття: силові лініїелектростатичного поляі потік вектора напруженостіелектростатичного поля.

Щоб описати електричне поле, потрібно задати вектор напруженості у кожній точці поля. Це можна зробити аналітично чи графічно. Для цього користуються силовими лініями– це лінії, що стосуються яких у будь-якій точці поля збігаються з напрямком вектора напруженості(Рис. 2.1).

Рис. 2.1

Силовий лінії приписують певний напрямок – від позитивного заряду до негативного, або нескінченність.

Розглянемо випадок однорідного електричного поля.

Одноріднимназивається електростатичне поле, у всіх точках якого напруженість однакова за величиною та напрямком, тобто. Однорідне електростатичне поле зображується паралельними силовими лініями на рівній відстані одна від одної (таке поле існує, наприклад, між пластинами конденсатора) (рис. 2.2).

У разі точкового заряду лінії напруженості виходять з позитивного заряду і йдуть в нескінченність; і з нескінченності входять у негативний заряд. Т.к. то й густота силових ліній обернено пропорційна квадрату відстані від заряду. Т.к. площа поверхні сфери, якою проходять ці лінії сама зростає пропорційно квадрату відстані, то загальне числоЛіній залишається постійним на будь-якій відстані від заряду.

Для системи зарядів, бачимо, силові лінії спрямовані від позитивного заряду до негативного (рис. 2.2).

Рис. 2.2

З малюнка 2.3 видно, як і, що густота силових ліній може бути показником величини .

Густота силових ліній повинна бути такою, щоб одиничний майданчик, нормальний до вектора напруженості, перетинало таке їх число, яке дорівнює модулю вектора напруженості., тобто.

У просторі, що оточує заряд, який є джерелом, прямо пропорційно кількості цього заряду і назад відстань від квадрата від цього заряду. Напрямок електричного поля згідно з прийнятими правилами завжди від позитивного заряду у бік негативного заряду. Це можна уявити, як якщо помістити пробний заряд в область простору електричного поля джерела і цей пробний заряд буде відштовхуватися або притягуватися (залежно від знака заряду). Електричне поле характеризується напруженістю , яке, будучи векторною величиною, може бути представлене графічно у вигляді стрілки, що має довжину і напрямок. У будь-якому місці напрямок стрілки вказує напрямок напруженості електричного поля E, або просто - напрямок поля, а довжина стрілки пропорційна чисельній величині напруженості електричного поля в цьому місці. Чим далі область простору від джерела поля (заряду Q), тим менша довжина вектора напруженості. Причому довжина вектора зменшується при видаленні в nраз від якогось місця в n 2раз, тобто обернено пропорційно квадрату.

Більш корисним засобом візуального представлення векторного характеру електричного поля є використання такого поняття як , або просто силові лінії. Замість того, щоб зображати незліченні векторні стрілки в просторі, що оточують заряд-джерело, виявилося корисним об'єднати їх у лінії, де самі вектори є дотичні до точок на таких лініях.

У результаті успішно для представлення векторної картини електричного поля застосовують силові лінії електричного поля, які виходять із зарядів позитивного знака та заходять у заряди негативного знака, а також простягаються до нескінченності у просторі. Таке уявлення дозволяє побачити розумом невидиме людському оку електричне поле. Втім, таке уявлення зручне також і для гравітаційних силта будь-яких інших безконтактних далекодійних взаємодій.

Модель електричних силових ліній включає в себе нескінченну їх кількість, але занадто висока щільність зображення силових ліній знижує можливість читання візерунків поля, тому їх кількість обмежується зручністю читання.

Правила малювання силових ліній електричного поля

Є багато правил складання таких моделей електричних силових ліній. Всі ці правила створені для того, щоб повідомити найбільшу інформативність під час візуалізації (малювання) електричного поля. Один із способів – це зображення силових ліній. Один з найпоширеніших способів – це оточити більш заряджені об'єкти великою кількістюліній, тобто більшою густиною ліній. Об'єкти з великим зарядом створюють сильніші електричні поля і тому щільність (густота) ліній навколо них більша. Що ближче до заряду джерела, то вище щільність силових ліній, і що більше величина заряду, то густіше навколо нього лінії.

Друге правило для малювання ліній електричного поля включає зображення ліній іншого типу, таких, які перетинають перші силові лінії перпендикулярно. Такий тип ліній називається еквіпотенційними лініями, а при об'ємному поданні слід говорити про еквіпотенційні поверхні. Цей тип ліній утворює замкнуті контури і кожна точка на такій еквіпотенційній лінії має. однакове значенняпотенціалу поля. Коли якась заряджена частка перетинає такі перпендикулярні силовим лініямлінії (поверхні), тобто про здійснення зарядом роботи. Якщо ж заряд рухатиметься еквіпотенційними лініями (поверхнями), то хоча він і рухається, але роботи при цьому ніякої не відбувається. Заряджена частка, опинившись у електричному полііншого заряду починає рухатися, але у статичній електриці розглядаються лише нерухомі заряди. Рух зарядів називається електричним струмомПри цьому носієм заряду може здійснюватися робота.

Важливо пам'ятати, що силові лінії електричного поляне перетинаються, а лінії іншого типу – еквіпотенційні, утворюють замкнуті контури. Там, де має місце перетин ліній двох типів, що стосуються цих ліній взаємно перпендикулярні. Таким чином виходить щось на зразок викривленої координатної сітки, або решітки, комірки якої, а також точки перетину ліній різних типівхарактеризують електричне поле.

Пунктирні лінії – еквіпотенційні. Лінії зі стрілками – силові лінії електричного поля

Електричне поле, що складається з двох і більше зарядів

Для усамітнених окремо взятих зарядів силові лінії електричного поляявляють собою радіальні променіщо виходять із зарядів і йдуть у нескінченність. Якою буде конфігурація силових ліній для двох та більше зарядів? Для виконання такого візерунка необхідно пам'ятати, що маємо справу з векторним полем, тобто з векторами напруженості електричного поля. Щоб зобразити малюнок поля, нам необхідно виконати додавання векторів напруженості від двох і більше зарядів. Результуючі вектори будуть сумарним полем декількох зарядів. Як у цьому випадку можна збудувати силові лінії? Важливо пам'ятати, що кожна точка на силовій лінії – це єдина точказіткнення з вектор напруженості електричного поля. Це випливає з визначення дотичної геометрії. Якщо від початку кожного вектора побудувати перпендикуляр у вигляді довгих ліній, тоді взаємне перетин багатьох таких ліній зобразить ту саму шукану силову лінію.

Для більш точного математичного зображення алгебри силових ліній необхідно скласти рівняння силових ліній, а вектора в цьому випадку будуть представляти перші похідні, лінії першого порядку, які і є дотичні. Таке завдання часом є надзвичайно складним і потребує комп'ютерних обчислень.

Насамперед важливо пам'ятати, що електричне поле багатьох зарядів представлено сумою векторів напруженості від кожного джерела заряду. Це основадля виконання побудови силових ліній для того, щоб візуалізувати електричне поле.

Кожен внесений в електричне поле заряд призводить до зміни, навіть незначного, візерунка силових ліній. Такі зображення бувають часом дуже привабливими.

Силові лінії електричного поля як спосіб допомогти розуму побачити реальність

Поняття електричного поля виникло коли вчені намагалися пояснити дальність, яка відбувається між зарядженими об'єктами. Уявлення про електричне поле було вперше запроваджено фізиком 19 століття Майклом Фарадеєм. Це був результат сприйняття Майклом Фарадеєм невидимої реальностіу вигляді картини силових ліній, що характеризують далекодію. Фарадей не став розмірковувати в рамках одного заряду, а пішов далі та розширив межі розуму. Він припустив, що заряджений об'єкт (або маса у випадку гравітації) впливають на простір і ввів поняття поля такого впливу. Розглядаючи такі поля, він зміг пояснити поведінку зарядів і тим самим розкрив багато секретів електрики.

Розрізняють поля скалярні та векторні (у нашому випадку векторним полем буде електричне). Відповідно, вони моделюються скалярними або векторними функціями координат, а також часом.

Скалярне поле описується функцією φ. Такі поля можна відобразити за допомогою поверхонь однакового рівня: φ (x, y, z) = c, c = const.

Визначимо вектор, спрямований у бік максимального зростання функції φ.

Абсолютне значення вектора визначає швидкість зміни функції φ.

Вочевидь, що скалярне поле породжує векторне поле.

Таке електричне поле називають потенційним, а функція називається потенціалом. Поверхні однакового рівня називають еквіпотенційними поверхнями. Наприклад розглянемо електричне поле.

Для наочного відображення полів будують звані силові лінії електричного поля. Ще їх називають векторними лініями. Це лінії, яка стосується яких у точці вказує напрямок електричного поля. Кількість ліній, що проходять через одиничну поверхню, пропорційно до абсолютного значення вектора.

Введемо поняття векторного диференціала вздовж деякої лінії l. Цей вектор спрямований по дотичній лінії l і за абсолютним значенням дорівнює диференціалу dl.

Нехай задано деяке електричне поле, яке потрібно уявити як силові лінії поля. Іншими словами, визначимо коефіцієнт розтягування (стиснення) вектора, щоб він збігався з диференціалом. Прирівнюючи компоненти диференціала та вектора, отримаємо систему рівнянь. Після інтегрування можна збудувати рівняння силових ліній.

У векторному аналізі є операції, що дають інформацію у тому, які силові лінії електричного поля мають місце у конкретному випадку. Введемо поняття «потік вектора» на поверхні S. Формальне визначення потоку Ф має такий вигляд: величина, що розглядається як добуток звичайного диференціалу ds на орт нормалі до поверхні s. Орт вибирається те щоб він визначав зовнішню нормаль поверхні.

Можна провести аналогію між поняттям потоку поля та потоку речовини: речовина за одиницю часу проходить через поверхню, яка у свою чергу перпендикулярна до напряму потоку поля. Якщо силові лінії виходять із поверхні S назовні, тоді потік є позитивним, і якщо не виходять - негативним. Загалом потік можна оцінити кількістю силових ліній, що виходять із поверхні. З іншого боку, величина потоку пропорційна числу силових ліній, що пронизують елемент поверхні.

Дивергенція векторної функції розраховується в точці, околиця якої є обсяг ΔV. S - поверхня, що охоплює об'єм VV. Операція дивергенції дозволяє характеризувати точки простору наявність у ньому джерел поля. При стисненні поверхні S в точку P силові лінії електричного поля, що пронизують поверхню, залишаться в тій же кількості. Якщо точка простору не є джерелом поля (витік або сток), то при стисненні поверхні в цю точку сума силових ліній, починаючи з деякого моменту, дорівнює нулю (кількість ліній, що входять в поверхню S дорівнює кількості ліній, що виходять з цієї поверхні).

Інтеграл по замкнутому контуру L у визначенні операції ротора називається циркуляцією електрики по контуру L. Операція ротора характеризує поле у ​​точці простору. Напрямок ротора визначає величину замкнутого потоку поля навколо цієї точки (ротор характеризує вихор поля) та його напрямок. На основі визначення ротора, шляхом нескладних перетворень можна розрахувати проекції вектора електрики в декартовій системі координат, а також силові лінії електричного поля.

ЕЛЕКТРОСТАТИЧНЕ ПОЛЕ

електростатичне поле пробний заряд q 0

напруженістю

, (4)

, . (5)

силових ліній

РОБОТА СИЛ ЕЛЕКТРОСТАТИЧНОГО ПОЛЯ. ПОТЕНЦІАЛ

Електричне поле, подібно до гравітаційного, є потенційним. Тобто. робота, що виконується електростатичними силами, не залежить від того, за яким маршрутом заряд q переміщений в електричному полі з точки 1 в точку 2. Ця робота дорівнює різниці потенційних енергій, якими володіє заряд, що переміщується в початковій і кінцевій точках поля:

А 1,2 = W1 - W2. (7)

Можна показати, що потенційна енергія заряду прямо пропорційна величині цього заряду. Тому в якості енергетичної характеристики електростатичного поля використовується відношення потенційної енергії пробного заряду q 0 поміщеного в якусь точку поля до величини цього заряду:

Ця величина є кількістю потенційної енергії на одиницю позитивного заряду і називається потенціалом поля у заданій точці. [φ] = Дж/Кл = В (Вольт).

Якщо прийняти, що при видаленні заряду q 0 в нескінченність (r→ ∞) його потенційна енергія в полі заряду q обертається на нуль, то потенціал поля точкового заряду q на відстані r від нього:

. (9)

Якщо поле створюється системою точкових зарядів, то потенціал результуючого поля дорівнює алгебраїчній (з урахуванням знаків) сумі потенціалів кожного з них:

. (10)

З визначення потенціалу (8) і виразу (7) робота, що здійснюється силами електростатичного поля з переміщення заряду

точки 1 у точку 2, може бути представлена ​​як:

ЕЛЕКТРИЧНИЙ СТРУК У ГАЗАХ

НЕСАМОБУТНИЙ ГАЗОВИЙ РОЗРЯД

Гази при не надто високих температурах та при тисках, близьких до атмосферного, є добрими ізоляторами. Якщо помістити в сухий атмосферне повітря, Заряджений електрометр, то його заряд довго залишається незмінним. Це тим, що за звичайних умовах складаються з нейтральних атомів і молекул і містять вільних зарядів (електронів і іонів). Газ стає провідником електрики лише тоді, коли деяка частина його молекул іонізується. Для іонізації газ треба піддати впливу будь-якого іонізатора: наприклад, електричний розряд, рентгенівське випромінювання, радіації або УФ-випромінювання, полум'я свічки і т.д. (В останньому випадку електропровідність газу викликана нагріванням).

При іонізації газів відбувається виривання із зовнішньої електронної оболонкиатома або молекули одного або декількох електронів, що призводить до утворення вільних електронів та позитивних іонів. Електрони можуть приєднуватися до нейтральних молекул і атомів, перетворюючи їх на негативні іони. Отже, в іонізованому газі є позитивно та негативно заряджені іони та вільні електрони. Е електричний струм у газах називається газовим розрядом. Т.ч., струм у газах створюється іонами обох знаків та електронами. Газовий розряд за такого механізму супроводжуватиметься перенесенням речовини, тобто. іонізовані гази відносяться до провідників другого роду.

Щоб відірвати від молекули чи атома один електрон, необхідно здійснити певну роботу А і, тобто. витратити певну енергію. Цю енергію називають енергією іонізації значення якої для атомів різних речовинлежать у межах 4÷25 еВ. Кількісно процес іонізації прийнято характеризувати величиною, що називається потенціал іонізації :

Одночасно з процесом іонізації в газі завжди йде і зворотний процес – процес рекомбінації: позитивні та негативні іони або позитивні іони та електрони, зустрічаючись, з'єднуються між собою з утворенням нейтральних атомів та молекул. Чим більше іонів виникає під дією іонізатора, тим інтенсивніше йде процес рекомбінації.

Строго кажучи, електропровідність газу ніколи не дорівнює нулю, тому що в ньому завжди є вільні заряди, що утворюються внаслідок дії випромінювання радіоактивних речовин, що є на поверхні Землі, а також космічного випромінювання. Інтенсивність іонізації під впливом зазначених чинників невелика. Ця незначна електропровідність повітря є причиною витоку зарядів наелектризованих тіл навіть за хорошої їх ізоляції.

Характер газового розряду визначається складом газу, його температурою і тиском, розмірами, конфігурацією і матеріалом електродів, а також прикладеним напругою та щільністю струму.

Розглянемо ланцюг, що містить газовий проміжок (рис.), що піддається безперервному, постійному за інтенсивністю впливу іонізатора. В результаті дії іонізатора газ набуває деякої електропровідності і в ланцюзі потече струм. На рис наведено вольт-амперні характеристики (залежність струму від напруги) для двох іонізаторів. Продуктивність
(число пар іонів вироблених іонізатором у газовому проміжку за 1 секунду) другого іонізатора більше ніж перший. Вважатимемо, що продуктивність іонізатора величина постійна і дорівнює n 0 . При не дуже низькому тиску практично всі електрони, що відщепилися, захоплюються нейтральними молекулами, утворюючи негативно заряджені іони. З урахуванням рекомбінації, приймемо, що концентрації іонів обох знаків однакові і дорівнюють n. Середні швидкості дрейфу іонів різних знаків електричному полі різні: , . b - та b + - рухливості іонів газу. Тепер для області I, з урахуванням (5), можна записати:

Як видно, в області I зі збільшенням напруги струм зростає, тому що зростає швидкість дрейфу. Число пар рекомбінуючих іонів зі зростанням їхньої швидкості, при цьому зменшуватиметься.

Область II – область струму насичення – всі створені іонізатором іони досягають електродів, не встигаючи рекомбінувати. Щільність струму насичення

j н = q n 0 d, (28)

де d – ширина газового проміжку (відстань між електродами). Як видно з (28) струм насичення є мірою іонізуючої дії іонізатора.

При напрузі більше U п p (область III) швидкість електронів досягає такої величини, що зіткненні з нейтральними молекулами вони здатні викликати ударну іонізацію. У результаті додатково утворюється Аn 0 пар іонів. Величина А називається коефіцієнтом газового посилення . У області III цей коефіцієнт залежить від n 0 , але від U. Т.о. заряд, що досягає електродів при постійному U прямо пропорційний продуктивності іонізатора - n 0 і напрузі U. Тому область III називається областю пропорційності. U пр - поріг пропорційності. Коефіцієнт газового посилення має значення від 1 до 10 4 .

В області IV, області часткової пропорційності коефіцієнт газового посилення починає залежати від n 0. Ця залежність зростає зі зростанням U. Струм різко збільшується.

У діапазоні напруг 0 ​​÷ U г струм у газі існує тільки при діючому іонізаторі. Якщо дію іонізатора припинити, припиняється і розряд. Розряди, що існують лише під дією зовнішніх іонізаторів, називаються несамостійними.

Напруга U г – поріг області, області Гейгера, що відповідає стану, коли у газовому проміжку не зникає і після вимкнення іонізатора, тобто. розряд набуває характеру самостійного розряду. Первинні іони лише дають поштовх виникнення газового розряду. У цій галузі здатність іонізувати набуваю вже й масивних іонів обох знаків. Величина струму залежить від n 0 .

В області VI напруга настільки велике, що розряд, одного разу виникнувши, більше не припиняється область безперервного розряду.

САМОСТІЙНИЙ ГАЗОВИЙ РОЗРЯД І ЙОГО ТИПИ

Розряд у газі, що зберігається після припинення дії зовнішнього іонізатора, називається самостійним.

Розглянемо умови виникнення самостійного розряду. При великих напругах (області V-VI), що виникають під дією зовнішнього іонізатора електрони сильно прискорені електричним полем, стикаючись з нейтральними молекулами газу, їх іонізують. Внаслідок чого утворюються вторинні електрони та позитивні іони (Процес 1 на рис. 158).Позитивні іони рухаються до катода, а електрони – до анода. Вторинні електрони знову іонізують молекули газу, і, отже, загальна кількість електронів та іонів зростатиме в міру просування електронів до аноду лавиноподібно. Це причина збільшення електричного струму (див. рис. область V). Описаний процес називається ударною іонізацією.

Однак ударної іонізації під дією електронів недостатньо підтримки розряду при видаленні зовнішнього іонізатора. Для цього необхідно, щоб електронні лавини відтворювалися, тобто щоб у газі під дією якихось процесів виникали нові електрони. Такі процеси схематично показано на рис. 158: Прискорені полем позитивні іони, ударяючись об катод, вибивають із нього електрони(процес 2); Позитивні іони, стикаючись з молекулами газу, переводять їх у збуджений стан, перехід таких молекул у нормальний стан супроводжується випромінюванням фотона (процес 3); Фотон, поглинений нейтральною молекулою, іонізує її відбувається так званий процес фотонної іонізації молекул (процес 4); Вибивання електронів з катода під впливом фотонів (процес 5).

Нарешті, при значних напругах між електродами газового проміжку настає момент, коли позитивні іони, що мають меншу довжину вільного пробігу, ніж електрони, набувають енергію, достатню для іонізації молекул газу (процес 6), і до негативної пластини спрямовуються іонні лавини. Коли з'являються окрім електронних лавин ще й іонні, сила струму зростає вже практично без збільшення напруги (область VI на рис.).

В результаті описаних процесів число іонів і електронів в обсязі газу лавиноподібно зростає, і розряд стає самостійним, тобто зберігається після припинення дії зовнішнього іонізатора. Напруга, у якому виникає самостійний розряд, називається напругою пробою. Для повітря це становить близько 30 000 на кожен сантиметр відстані.

Залежно від тиску газу, конфігурації електродів, параметрів зовнішнього ланцюга можна говорити про чотири типи самостійного розряду: тліючий, іскровий, дуговий і коронний.

1. Тліючий розряд. Виникає за низьких тисків. Якщо до електродів, впаяним у скляну трубку довжиною 30÷50 см, прикласти постійну напругу в кілька сотень вольт, поступово відкачуючи з трубки повітря, то при тиску ≈ 5,3÷6,7 кПа виникає розряд у вигляді звивистого шнура червоного кольору, що світиться, що йде від катода до анода. При подальшому зниженні тиску шнур потовщується, і при тиску ≈ 13 Па розряд має вигляд, схематично зображений на мал.

Безпосередньо до катода прилягає тонкий шар, що світиться 1 - перше катодне свічення, або катодна плівка, потім слід темний шар 2 - катодний темний простір, що переходить далі в шар, що світиться 3 - тліє світіння, що має різку сторону з боку. Воно виникає через рекомбінацію електронів з позитивними іонами. З тліючим світінням межує темний проміжок 4 - фарадеево темний простір, за яким слідує стовп іонізованого газу, що світиться 5 - позитивний стовп. Позитивний стовп істотної ролі у підтримці розряду немає. Наприклад, при зменшенні відстані між електродами трубки його довжина скорочується, тоді як катодні частини розряду за формою та величиною залишаються незмінними. У тліючому розряді особливе значення для його підтримки мають тільки дві його частини: катодне темне простір і тління свічення. У катодному темному просторі відбувається сильне прискорення електронів та позитивних іонів, що вибивають електрони з катода (вторинна емісія). В області тліючого світіння відбувається ударна іонізація електронами молекул газу. Позитивні іони, що утворюються при цьому, спрямовуються до катода і вибивають з нього нові електрони, які, у свою чергу, знову іонізують газ і т. д. Таким чином безперервно підтримується тліючий розряд.

При подальшому відкачуванні трубки при тиску ≈ 1,3 Па свічення газу слабшає і починають світитися стінки трубки. Електрони, що вибиваються з катода позитивними іонами, при таких розрідженнях рідко стикаються з молекулами газу і тому, прискорені полем, ударяючись об скло, викликають його свічення, так звану катодолюмінесценцію. Потік цих електронів історично отримав назву катодних променів.

Тліючий розряд широко використовується в техніці. Так як світіння позитивного стовпа має характерний для кожного газу колір, то його використовують у газосвітніх трубках для написів і реклам, що світяться (наприклад, неонові газорозрядні трубки дають червоне світіння, аргонові - синювато-зелене). У лампах денного світла, більш економічних, ніж лампи розжарювання, випромінювання тліючого розряду, що відбувається в парах ртуті, поглинається нанесеною на внутрішню поверхню трубки флуоресціюючим речовиною (люмінофором), що починається під впливом поглиненого випромінювання світитися. Спектр світіння за відповідного підбору люмінофорів близький до спектру сонячного випромінювання. Тліючий розряд використовується для катодного напилення металів. Речовина катода в розряді, що тліє, внаслідок бомбардування позитивними іонами, сильно нагріваючись, переходить у пароподібний стан. Поміщаючи поблизу катода різні предмети, можна покрити рівномірним шаром металу.

2. Іскровий розряд. Виникає при великих напруженості електричного поля.(≈ 3·10 6 В/м) у газі, що під тиском порядку атмосферного. Іскра має вигляд тонкого каналу, що яскраво світиться, складним чином вигнутого і розгалуженого.

Пояснення іскрового розряду дається на основі стримерної теорії, згідно з якою виникненню яскраво світиться каналу іскри передує поява скупчень, що слабо світяться, іонізованого газу. Ці скупчення називаються стрімерами. Стримери виникають у результаті утворення електронних лавин у вигляді ударної іонізації, а й у результаті фотонної іонізації газу. Лавини, наздоганяючи один одного, утворюють провідні містки зі стримерів, за якими в наступні моменти часу і спрямовуються потужні потоки електронів, що утворюють канали іскрового розряду. Через виділення при розглянутих процесах великої кількості енергії, газ в іскровому проміжку нагрівається до дуже високої температури (приблизно 10 4 К), що призводить до його світіння. Швидкий нагрівання газу веде до підвищення тиску і виникнення ударних хвиль, що пояснюють звукові ефекти при іскровому розряді - характерне потріскування в слабких розрядах і потужні гуркіт грому у разі блискавки, що є прикладом потужного іскрового розряду між грозовим хмарою і Землею або між двома грозовими хмарами.

Іскровий розряд використовується для запалення горючої суміші в двигунах внутрішнього згоряння та запобігання електричним лініям передачі від перенапруг (іскрові розрядники). При малій довжині розрядного проміжку іскровий розряд викликає руйнування (ерозію) поверхні металу, тому він застосовується для електроіскрової точної обробки металів (різання, свердління). Його використовують у спектральному аналізі для реєстрації заряджених частинок (іскрові лічильники).

3. Дуговий розряд. Якщо після запалення іскрового розряду потужного джерела поступово зменшувати відстань між електродами, то розряд стає безперервним – виникає дуговий розряд. При цьому сила струму різко зростає, досягаючи сотень ампер, а напруга на розрядному проміжку знижується до кількох десятків вольт. Дуговий розряд можна отримати від джерела низької напруги, минаючи стадію іскри. Для цього електроди (наприклад, вугільні) зближують до дотику, вони сильно розжарюються електричним струмом, потім їх розводять та отримують електричну дугу(Саме так вона була відкрита російським ученим В. В. Петровим). При атмосферному тиску температура катода приблизно дорівнює 3900 К. У міру горіння дуги вугільний катод загострюється, але в аноді утворюється поглиблення – кратер, найбільш гарячим місцем дуги.

За сучасними уявленнями, дуговий розряд підтримується за рахунок високої температури катода через інтенсивну термоелектронну емісію, а також термічну іонізацію молекул, зумовлену високою температурою газу.

Дуговий розряд знаходить широке застосування народному господарствідля зварювання та різання металів, отримання високоякісних сталей (дугова піч), освітлення (прожектори, проекційна апаратура). Широко застосовуються також дугові лампи з ртутними електродами в кварцових балонах, де дуговий розряд виникає в ртутній парі при повітрі. Дуга, що виникає в ртутній парі, є потужним джерелом ультрафіолетового випромінювання та використовується в медицині (наприклад, кварцові лампи). Дуговий розряд при низький тиску парах ртуті використовують у ртутних випрямлячах для випрямлення змінного струму.

4. Коронний розряд - Високовольтний електричний розряд, який виникає при високому (наприклад, атмосферному) тиску в неоднорідному полі (наприклад, поблизу електродів з великою кривизною поверхні, вістря голкового електрода). Коли напруженість поля поблизу вістря досягає 30 кВ/см, навколо нього виникає світіння, що має вигляд корони, чим і викликана назва цього виду розряду.

Залежно від знака коронуючого електрода розрізняють негативну чи позитивну корону. У разі негативної корони народження електронів, що викликають ударну іонізацію молекул газу, відбувається за рахунок емісії їх з катода під дією позитивних іонів, у разі позитивної – внаслідок іонізації газу поблизу аноду. В природних умовкорона виникає під впливом атмосферної електрики у вершин щогл кораблів або дерев (на цьому заснована дія блискавковідводів). Це явище отримало в давнину назву вогнів святого Ельма. Шкідлива дія корони навколо проводів високовольтних ліній електропередач полягає у виникненні струмів витоку. Для зниження проводу високовольтних ліній робляться товстими. Коронний розряд, будучи уривчастим, стає також джерелом радіоперешкод.

Використовується коронний розряд в електрофільтрах, що застосовуються для очищення промислових газіввід домішок. Газ, що піддається очищенню, рухається знизу вгору у вертикальному циліндрі, по осі якого розташований дріт. Іони, наявні в велику кількістьу зовнішній частині корони, осідають на частинках домішки і захоплюються полем до зовнішнього електроду, що не коронює, і на ньому осідають. Коронний розряд застосовується також при нанесенні порошкових та лакофарбових покриттів.

ЕЛЕКТРОСТАТИЧНЕ ПОЛЕ

СИЛОВІ ЛІНІЇ ЕЛЕКТРИЧНОГО ПОЛЯ

Відповідно до уявлень сучасної фізики вплив одного заряду на інший передається через електростатичне поле - особливе нескінченно простягається матеріальне середовище, яке створює навколо себе кожне заряджене тіло. Електростатичні поля неможливо знайти виявлено органами почуттів людини. Однак, на заряд, поміщений у полі, діє сила прямо пропорційна до величини цього заряду. Т.к. напрям сили залежить від знака заряду, то умовилися використовувати для дослідження полів, так званий, пробний заряд q 0. Це позитивний, точковий заряд, який поміщають в точку електричного поля, що цікавить нас. Відповідно як силова характеристика поля доцільно використовувати відношення сили до величини пробного заряду q 0:

Ця постійна для кожної точки поля векторна величина рівна силі, що діє на одиничний, позитивний заряд називається напруженістю . Для поля точкового заряду q на відстані r від нього:

, (4)

Напрямок вектора збігається із напрямком сили, що діє на пробний заряд. [E] = Н/Кл або В/м.

У діелектричному середовищі сила взаємодії між зарядами, а значить і напруженість поля, зменшується в ε разів:

, . (5)

При накладенні один на одного кількох електростатичних полів, результуюча напруга визначається як векторна сума напруг кожного з полів (принцип суперпозиції):

Графічно розподіл електричного поля у просторі зображається за допомогою силових ліній . Ці лінії проводяться так, щоб дотичні до них у будь-якій точці збігалися з . Це означає, що вектор сили, що діє на заряд, а значить і вектор його прискорення, теж лежать на дотичних до силових ліній, які ніде і ніколи не перетинаються. Силові лінії електростатичного поля неможливо знайти замкнутими. Вони починаються на позитивному і закінчуються на негативному зарядах або йдуть у нескінченність.