Електрофільтри. Іскровий розряд

Приєднаємо кульові електроди до батареї конденсаторів (рис. 151) та почнемо заряджання конденсаторів за допомогою електричної машини. У міру зарядки конденсаторів збільшуватиметься різниця потенціалів між електродами, а отже, збільшуватиметься і напруженість поля в газі. Поки напруженість поля невелика, у газі не можна помітити жодних змін. Однак при досить великій напруженості поля (близько 3 МВ/м) між електродами з'являється електрична іскра, що має вигляд звивистого каналу, що яскраво світиться, з'єднує обидва електроди. Газ поблизу іскри нагрівається до високої температури і раптово розширюється, через що виникають звукові хвилі, і ми чуємо характерний тріск. Конденсатори в цій установці існують для того, щоб зробити іскру потужнішою.

Рис. 151. Якщо напруженість поля в повітрі досягає приблизно 3 МВ/м, то настає електричний пробій газу і виникає електрична іскра

Описана форма газового розряду зветься іскрового розряду або іскрового пробою газу. При настанні іскрового розряду газ раптово, стрибком втрачає свої діелектричні властивості і стає хорошим провідником. Напруженість поля, коли він настає іскровою пробою газу, має різне значення в різних газів і від їх стану (тиску, температури).

При заданій напрузі між електродами напруженість поля тим менше, що далі знаходяться електроди один від одного. Тому, чим більша відстань між електродами, тим більша напруга між ними необхідна настання іскрового пробою газу. Ця напруга називається напругою пробою.

Знаючи, як залежить напруга пробою від відстані між електродами будь-якої певної форми, можна виміряти невідому напругу максимальної довжині іскри. На цьому засновано пристрій іскрового вольтметра (рис. 152), зручного для грубої оцінки великої напруги (наприклад, у рентгенівських установках). Він складається із двох металевих ізольованих куль, одна з яких може плавно переміщатися. Кулі приєднують до джерела, напруга якого хочуть виміряти, і зближують їх до того часу, поки виникне іскра. Вимірюючи відстань між кулями і відповідну напругу, при якій відбувається пробій, складають спеціальні таблиці, за допомогою яких потім визначають напругу та довжину іскри. Як приклад вкажемо, що з відстані 0,5 див між кулями діаметра 5 див напруга пробою дорівнює 17,5 кВ, а з відривом 5 див – близько 100 кВ.

Рис. 152. Іскровий вольтметр

Виникнення пробою пояснюється так. У газі завжди є кілька іонів і електронів, що виникають від випадкових причин. Зазвичай, однак, їх кількість настільки мала, що газ практично не проводить електрики. При порівняно невеликих значеннях напруженості поля, з якими зустрічаємося щодо несамостійної провідності газів, зіткнення іонів, які у електричному полі, з нейтральними молекулами газу відбуваються як і, як зіткнення пружних куль. При кожному зіткненні частинка, що рухається, передає частину своєї кінетичної енергії, що покоїться, і обидві частинки після зіткнення розлітаються, але ніяких внутрішніх змін у них не відбувається. Однак при достатній напруженості поля кінетична енергія, накопичена іоном у проміжку між двома сударениями, може стати достатньою, щоб іонізувати нейтральну молекулу при зіткненні. В результаті утворюється новий негативний електрон та позитивно заряджений залишок – іон. Такий процес іонізації називають ударною іонізацією, а роботу, яку потрібно витратити, щоб зробити відривання електрона від атома, – роботою іонізації. Робота іонізації залежить від будови атома і тому різна для різних газів.

Електрони та іони, що утворилися під впливом ударної іонізації, збільшують число зарядів у газі, причому у свою чергу вони починають рух під дією електричного поля і можуть зробити ударну іонізацію нових атомів. Таким чином, цей процес «підсилює сам себе», і іонізація в газі швидко сягає дуже великої величини. Все явище цілком аналогічне сніговій лавині в горах, для зародження якої буває досить нікчемного грудка снігу. Тому й описаний процес був названий іонною лавиною (рис. 153 та 154). Утворення іонної лавини є процес іскрового пробою, бо мінімальна напруга, у якому виникає іонна лавина, є напруга пробою. Ми бачимо, що при іскровому пробої причина іонізації газу полягає в руйнуванні атомів і молекул при зіткненнях з іонами (ударна іонізація).

Рис. 153. Вільний електрон 1 при зіткненні з нейтральною молекулою розщеплює її на електрон 2 та вільний позитивний іон. Електрони 1 і 2 при подальшому зіткненні з нейтральними молекулами знову розщеплюють їх на електрони 3 і 4 і вільні позитивні іони, і т.д.

Рис. 154. Лавиноподібне розмноження позитивних іонів та електронів при зіткненні позитивних іонів з нейтральними молекулами

93.1. Відомо, що чим менший тиск газу (при незмінній температурі), тим менше атомів міститься в одиниці об'єму газу і тим більший шлях вільно пролітають атоми між двома послідовними соударениями. Зважаючи на це, зрозумійте, як змінюватиметься (збільшуватиметься чи зменшуватиметься) напруга пробою газового проміжку при зменшенні тиску газу.

7. Іскровий розряд

Іскровий розряд, на відміну інших видів розряду, є уривчастим навіть за користування джерелом постійної напруги. На вигляд іскровий розряд являє собою пучок яскравих зигзагоподібних смуг, що постійно змінюють одна одну. Смуги, що світяться - іскрові канали - поширюються від обох електродів. Розрядний проміжок у разі іскри неоднорідний, тому кількісне дослідження процесів у іскровому розряді є скрутним. Одним із основних методів дослідження іскрового розряду є фотографування.

Потенціал запалювання іскрового розряду дуже високий. Однак, коли проміжок вже пробитий, його опір різко зменшується, і через проміжок проходить значний струм. Якщо потужність джерела мала, то розряд гасне. Після цього напруга на розрядному проміжку знову зростає і знову може запалитися розряд. Такий процес зветься релаксаційних коливань розряду. Якщо розрядний проміжок має велику ємність, канали іскри яскраво світяться і справляють враження широких смуг. Це конденсований іскровий розряд.

Якщо між електродами перебуває якесь перешкода, то іскра пробиває його, утворюючи більш-менш вузький отвір. Встановлено, що температура газу в каналі іскри може зростати до дуже значних значень (10000-12000 К). Утворення областей високого тиску та їх пересування в газі мають вибуховий характер і супроводжуються звуковими ефектами. Це може бути слабке потріскування (при незначних надлишкових тисках) чи грім.

Особливим видом іскрового розряду є ковзний розряд, що відбувається вздовж поверхні розділу будь-якого твердого діелектрика і газу навколо металевого електрода (вістря), що стосується цієї поверхні. Якщо як діелектрик використовувати фотопластинку, то можна зробити цю картину видимою для ока. Обриси, отримані з допомогою іскрового розряду лежить на поверхні діелектрика, називають фігурами Ліхтенберга. Фігури Ліхтенберга можуть служити визначення полярності розряду і визначення високої напруги, оскільки максимальне напруга розрядного імпульсу прямо пропорційно радіусу поверхні, яку займає постать. На цьому принципі засновані прилади для вимірювання дуже високої напруги - клінодографи. Якщо відстань між електродами замало, то іскровий розряд супроводжується руйнуванням анода – ерозією. Цей ефект використовується для точкового зварювання та різання металів.

На основі численних спостережень над іскровим розрядом у 1940 році Мік та незалежно від нього Ретер висунули теорію іскрового розряду, яка отримала назву стримерної. Стрімер - це область газу з високим ступенем іонізації, що поширюється у напрямку катода (позитивний стример) або в напрямку анода (негативний стример). Стримерна теорія є теорією однолавинного пробою. Відповідно до цієї теорії між електродами проходить лавина електронів. Після проходження лавини електрони потрапляють на анод, а позитивні іони, маючи значно менші швидкості, утворюють іонізований конусоподібний простір. Щільність іонів у цьому просторі недостатня для пробою. Проте під впливом фотоелектронів з'являються додаткові лавини. Ці лавини будуть рухатися до ствола головної лавини, якщо поле її просторового заряду можна порівняти з прикладеною напругою. Таким чином просторовий заряд безперервно збільшується, і процес розвивається як стример, що самопоширюється. Коли напруга, прикладена до розрядного проміжку, перевищує мінімальне пробивне значення, поле просторового заряду, утворене лавиною, буде порівняно з величиною зовнішнього поля ще до того, як лавина досягне анода. У цьому випадку стримери виникають у середині проміжку. Таким чином, для виникнення стримеру необхідно дотримання двох основних умов: 1) поле лавини та поле, створене доданим до електродів напругою, повинні перебувати у певному співвідношенні та 2) фронт лавини повинен випромінювати достатню кількість фотонів для підтримки та розвитку стримеру.

За великої потужності джерела іскровий розряд перетворюється на дуговий. До іскрових розрядів відноситься і блискавка. В цьому випадку одним електродом є хмара, а іншим – земля. Напруга в блискавці сягає мільйонів вольт, а струм - до сотні кілоамперів. Заряд, що переноситься блискавкою, зазвичай становить 10-30 кулон, а в окремих випадках досягає 300 кулон.

Іскровий розряд

Іскровий розряд(іскра електрична) - нестаціонарна форма електричного розряду, що відбувається у газах. Такий розряд виникає зазвичай при тисках атмосферного порядку і супроводжується характерним звуковим ефектом - «тріском» іскри. Температура у головному каналі іскрового розряду може досягати 10 000 . У природі іскрові розряди часто виникають у вигляді блискавок. Відстань, що «пробивається» іскрою в повітрі, залежить від напруги і вважається рівним 10 кВ на 1 сантиметр.

Умови

Іскровий розряд зазвичай відбувається, якщо потужність джерела енергії недостатня для підтримки стаціонарного дугового розряду або розряду, що тліє . У цьому випадку одночасно з різким зростанням розрядного струму напруга на розрядному проміжку протягом дуже короткого часу (від кількох мікросекунд до кількох сотень мікросекунд) падає нижче напруги згасання іскрового розряду, що призводить до припинення розряду. Потім різниця потенціалів між електродами знову зростає, досягає напруги запалювання і повторюється. В інших випадках, коли потужність джерела енергії досить велика, також спостерігається вся сукупність явищ, характерних для цього розряду, але є лише перехідним процесом, що веде до встановлення розряду іншого типу - найчастіше дугового. Якщо джерело струму неспроможний підтримувати самостійний електричний розряд протягом багато часу, спостерігається форма самостійного розряду, звана іскровим розрядом.

Природа

Іскровий розряд є пучок яскравих, швидко зникаючих або змінюють один одного ниткоподібних, часто сильно розгалужених смужок - іскрових каналів. Ці канали заповнені плазмою , до складу якої потужному іскровому розряді входять як іони вихідного газу, а й іони речовини електродів , інтенсивно испаряющегося під впливом розряду. Механізм формування іскрових каналів (і, отже, виникнення іскрового розряду) пояснюється стримерною теорією електричного пробою газів. Відповідно до цієї теорії, з електронних лавин, що виникають в електричному полі розрядного проміжку, за певних умов утворюються стримери - тонкі розгалужені канали, що тьмяно світяться, містять іонізовані атоми газу і відщеплені від них вільні електрони. У тому числі можна назвати т. зв. лідер - розряд, що слабко світиться, «прокладає» шлях для основного розряду. Він, рухаючись від одного електрода до іншого, перекриває розрядний проміжок і з'єднує електроди безперервним провідним каналом. Потім у зворотному напрямку прокладеним шляхом проходить головний розряд, що супроводжується різким зростанням сили струму і кількості енергії, що виділяється в них. Кожен канал швидко розширюється, у результаті на його кордонах виникає ударна хвиля. Сукупність ударних хвиль від іскрових каналів, що розширюються, породжує звук, сприйманий як «тріск» іскри (у разі блискавки - грім).

Напруга запалювання іскрового розряду, як правило, досить велика. Напруженість електричного поля в іскрі знижується від кількох десятків кіловольт на сантиметр (кв/см) у момент пробою до ~100 вольт на сантиметр (в/см) через кілька мікросекунд. Максимальна сила струму в потужному іскровому розряді може досягати значень кількох сотень тисяч ампер.

Особливий вид іскрового розряду ковзний іскровий розряд, що виникає вздовж поверхні поділу газу та твердого діелектрика, поміщеного між електродами, за умови перевищення напруженістю поля пробивної міцності повітря. Області ковзного іскрового розряду, в яких переважають заряди якогось одного знака, індукують на поверхні діелектрика заряди іншого знака, внаслідок чого іскрові канали стелиться поверхнею діелектрика, утворюючи при цьому так звані фігури Ліхтенберга. Процеси, близькі до тих, що відбуваються при іскровому розряді, властиві також кистьовий розряд, який є перехідною стадією між коронним і іскровим.

Поведінка іскрового розряду дуже добре можна розглянути на уповільненій зйомці розрядів (Fімп. = 500 Гц, U = 400 кВ), отриманих з трансформатора Тесла. Середній струм і тривалість імпульсів недостатня для запалювання дуги, але освіти яскравого іскрового каналу цілком придатна.

Примітки

Джерела

• А. А. Воробйов, Техніка високої напруги. - Москва-Ленінград, Держенерговидав, 1945.
• Фізична енциклопедія, т.2 - М.: Велика Російська Енциклопедія стор.218.
• Райзер Ю. П.Фізика газового розряду - 2-ге вид. – М.: Наука, 1992. – 536 с. - ISBN 5-02014615-3

Див. також

Wikimedia Foundation. 2010 .

Дивитись що таке "Іскровий розряд" в інших словниках:

- (Іскра), що не встановився електрич. розряд, що виникає в тому випадку, коли безпосередньо після пробою розрядного проміжку напруга на ньому падає протягом дуже короткого часу (від дек. часток мкс до сотень мкс) нижче величини напруги… Фізична енциклопедія

іскровий розряд- Електричний імпульсний розряд у формі нитки, що світиться, що відбувається при високому тиску газу і характеризується великою інтенсивністю спектральних ліній іонізованих атомів або молекул. [ГОСТ 13820 77] іскровий розряд Повний розряд у ... Довідник технічного перекладача

- (іскра електрична) нестаціонарний електричний розряд у газі, що виникає в електричному полі при тиску газу до кількох атмосфер. Відрізняється звивистою розгалуженою формою та швидким розвитком (бл. 10 7 с). Температура у головному каналі … Великий Енциклопедичний словник

Іскровий розряд- (іскра) електричний імпульсний розряд у формі нитки, що світиться, що проходить при високому тиску газу і характеризується великою інтенсивністю спектральних ліній іонізованих атомів і молекул. Російська енциклопедія з охорони праці

Іскровий розряд- 3.19 Іскровий розряд повний розряд у газовому чи рідкому діелектрику. Джерело … Словник-довідник термінів нормативно-технічної документації

- (іскра електрична), нестаціонарний електричний розряд у газі, що виникає в електричному полі при тиску газу до кількох атмосфер. Відрізняється звивистою розгалуженою формою та швидким розвитком (близько 10-7 с). Температура в основному… Енциклопедичний словник

іскровий розряд- kibirkštinis išlydis statusas T sritis fizika atitikmenys: angl. spark discharge vok. Funkenentladung, f; Funkentladung, f rus. іскровий розряд, m pranc. décharge par étincelles, f … Fizikos terminų žodynas

Іскра, одна з форм електричного розряду у газах; виникає зазвичай при тисках атмосферного порядку і супроводжується характерним звуковим ефектом «тріском» іскри. У природних умовах І. н. найчастіше спостерігається у вигляді блискавки. Велика Радянська Енциклопедія

Іскра електрична, нестаціонарний електричний розряд у газі, що виникає в електрич. поле при тиску газу до дек. сотень кПа. Відрізняється звивистою розгалуженою формою та швидким розвитком (бл. 10 7 с), супроводжується характерним звуковим… Великий енциклопедичний політехнічний словник

- (Іскра електрична), нестаціонарний електрич. розряд у газі, що виникає в електрич. поле при тиску газу до дек. атм. Відрізняється звивистою розгалуженою формою та швидким розвитком (бл. 10 7с). Темп pa в гол. каналі І. н. досягає 10 000 До … Природознавство. Енциклопедичний словник

Залежно від тиску газу, конфігурації електродів та параметрів зовнішнього ланцюга існує чотири типи самостійних розрядів:

• тліючий розряд;
• іскровий розряд;
• дуговий розряд;
• коронний розряд.

1. Тліючий розряд виникає за низьких тисків. Його можна спостерігати в скляній трубці з впаяними в кінці плоскими металевими електродами (рис. 8.5). Поблизу катода розташовується тонкий шар, що світиться, званий катодною плівкою, що світиться 2.

Між катодом та плівкою знаходиться астоновий темний простір 1. Праворуч від світиться плівки міститься шар, що слабо світиться, званий катодним темним простором 3. Цей шар переходить у область, що світиться, яку називають тліючим світінням 4, з тліючим простором межує темний проміжок – фарадєєво темний простір 5. Усі перелічені шари утворюють катодну частинутліючого розряду. Вся решта трубки заповнена газом, що святиться. Цю частину називають позитивним стовпом 6.

При зниженні тиску катодна частина розряду і фарадєєво темний простір збільшується, а позитивний стовп коротшає.

Вимірювання показали, що майже всі падіння потенціалу припадають на перші три ділянки розряду (астоновий темний простір, катодна плівка, що святиться, і катодна темна пляма). Цю частину напруги, доданої до трубки, називають катодним падінням потенціалу.

В області тліючого світіння потенціал не змінюється - тут напруженість поля дорівнює нулю. Нарешті, у фарадеєвому темному просторі та позитивному стовпі потенціал повільно зростає.

Такий розподіл потенціалу викликаний утворенням у темному катодному просторі позитивного просторового заряду, обумовленого підвищеною концентрацією позитивних іонів.

Позитивні іони, прискорені падінням катодним потенціалу, бомбардують катод і вибивають з нього електрони. В астоновому темному просторі ці електрони, що пролетіли без зіткнень в область темного катодного простору, мають велику енергію, внаслідок чого вони частіше іонізують молекули, ніж збуджують. Тобто. інтенсивність свічення газу зменшується, зате утворюється багато електронів і позитивних іонів. Іони, що утворилися, на початку мають дуже малу швидкість і тому в катодному темному просторі створюється позитивний просторовий заряд, що і призводить до перерозподілу потенціалу вздовж трубки і до виникнення катодного падіння потенціалу.

Електрони, що виникли в темному катодному просторі, проникають в область тліючого світіння, яка характеризується високою концентрацією електронів і позитивних іонів коленарним просторовим зарядом, близьким до нуля (плазма). Тож напруженість поля тут дуже мала. В області тліючого світіння йде інтенсивний процес рекомбінації, що супроводжується випромінюванням енергії, що виділяється при цьому. Отже, тліюче світіння є, переважно, світіння рекомбінації.

З області тліючого свічення у фарадєєво темний простір електрони та іони проникають за рахунок дифузії. Імовірність рекомбінації тут сильно знижується, т.к. концентрація заряджених часток невелика. Тому у фарадеєвому темному просторі є поле. Електрони, що захоплюються цим полем, накопичують енергію і часто зрештою виникають умови, необхідні для існування плазми. Позитивний стовп є газорозрядною плазмою. Він виконує роль провідника, що з'єднує анод із катодними частинами розряду. Світіння позитивного стовпа викликане, переважно, переходами збуджених молекул в основний стан.

2. Іскровий розряд виникає у газі зазвичай за тисків порядку атмосферного. Він характеризується уривчастою формою. За зовнішнім виглядом іскровий розряд являє собою пучок яскравих зигзагоподібних тонких смуг, що розгалужуються, миттєво пронизують розрядний проміжок, що швидко гаснуть і постійно змінюють один одного (рис. 8.6). Ці смужки називають іскровими каналами.

Тгазу = 10 000 К ~ 40 см I= 100 кА t= 10 -4 c l~ 10 км

Після того, як розрядний проміжок «пробитий» іскровим каналом, опір його стає малим, через канал проходить короткочасний імпульс струму великої сили, протягом якого на розрядний проміжок припадає лише незначна напруга. Якщо потужність джерела невелика, то після цього імпульсу струму розряд припиняється. Напруга між електродами починає підвищуватися до колишнього значення, і пробій газу повторюється з утворенням нового іскрового каналу.

У природних умовах іскровий розряд спостерігається у вигляді блискавки. На малюнку 8.7 зображено приклад іскрового розряду – блискавка, тривалістю 0,2 ÷ 0,3 із силою струму 10 4 – 10 5 А, завдовжки 20 км (рис. 8.7).



3. Дуговий розряд . Якщо після отримання іскрового розряду від потужного джерела поступово зменшувати відстань між електродами, то розрив із переривчастого стає безперервним, виникає нова форма газового розряду, яка називається дуговим розрядом(Рис. 8.8).

~ 10 3 А
Рис. 8.8

У цьому струм різко збільшується, досягаючи десятків і сотень ампер, а напруга на розрядному проміжку падає кілька десятків вольт. Відповідно до В.Ф. Літкевич (1872 – 1951), дуговий розряд підтримується, головним чином, за рахунок термоелектронної емісії з поверхні катода. Насправді – це зварювання, потужні дугові печі.

4. Коронний розряд (Мал. 8.9).виникає в сильному неоднорідному електричному полі при порівняно високих тисках газу (порядку атмосферного). Таке поле можна отримати між двома електродами, поверхня одного з яких має велику кривизну (тонкий тяганина, вістря).

Наявність другого електрода необов'язкова, та його роль можуть грати найближчі, оточуючі заземлені металеві предмети. Коли електричне поле поблизу електрода з великою кривизною досягає приблизно 3∙10 6 В/м, навколо нього виникає свічення, що має вигляд оболонки або корони, звідки і походить назва заряду.

Іскровий розряд.

Якщо між двома електродами в повітрі з'являється електричне поле напруженістю порядку 3·10 В/м, виникає електрична іскра у вигляді яскраво світиться складно вигнутого тонкого каналу, що з'єднує обидва електроди (рис.4.8).

Приклад іскрового розряду – блискавка. Особливості такого розряду пояснюються теорією стримерів. Відповідно до цієї теорії виникненню яскраво світиться каналу іскри передує поява окремих скупчень, що слабо світяться, іонізованих частинок. У проміжку між електродами ці скупчення – стримери утворюють провідні містки, якими потім спрямовується потужний потік електронів. Причиною виникнення стримерів є як утворення електронних лавин, і фотоіонізація, тобто. іонізація газу випромінюванням, що виникає в розряді. В результаті утворюються вторинні лавини, які наганяють один одного, утворюючи канал, що добре проводить. Так, сила струму в каналі блискавки може становити від 10 до 10 А, а напруга між хмарою та землею перед виникненням блискавки досягає 10 – 10 Ст.

Зйомки камерою з об'єктивом, що обертається, показали, що блискавки передує розвиток каналу, що слабо світиться, - лідера, що поширюється від хмари до землі зі швидкістю 10 - 10 м/с. При цьому відбувається сильне розігрів повітря в головному каналі і виникає ударна звукова хвиля - грім.

У промисловості використовують електроіскрову обробку металів – зміцнення поверхні та свердління.

Коронний розряд.

Якщо один електрод тонкий (провід), а інший має велику поверхню (циліндр) (рис.4.9), виникає неоднорідне електричне поле. У дроту силові лінії згущуються і за напруженості поля 3·10 В/м виникають електронні лавини і світіння у дроти як корони.

При віддаленні від дроту напруженість поля зменшується та електронні лавини обриваються.

Коронний розряд виникає при негативному потенціалі на дроті, при позитивній і змінній напрузі між проводом і циліндром. Змінюється лише напрямок лавин.

Електрони, що вилітають за межі корони, приєднуються до нейтральних атомів, заряджаючи їх негативно. Це використовують у електростатичних фільтрах для очищення промислових газів. Газ із пилом пропускають через систему електродів провід – циліндр. Пил заряджається електронами, що прилипають, і притягується до циліндра, потім струшується в бункер, а в атмосферу виходить газ без пилу.

Коронний розряд може виникнути біля будь-яких тонких провідників, загострень. Такий розряд спостерігався у передгрозову пору на верхівках корабельних щоглів, дерев. Можна спостерігати запалення корони біля проводів, що під високою напругою. Для запобігання коронному розряду та струмам витоку, провідники повинні мати досить великий діаметр.

Дуговий розряд.

Дуговий розряд було відкрито 1802 року професором фізики В.Петровим. Він отримав розряд у вигляді дуги, що світиться, розсовуючи два вугільні електроди, попередньо приведені в дотик і приєднані до потужної батареї гальванічних елементів. У місці контакту опір ланцюга високий і відбувається сильне розігрів, вугілля розжарюється. Внаслідок цього виникає термоелектронна емісія з катода. Електрони бомбардують анод, утворюючи у ньому заглиблення – кратер. Температура анода близько 4000 К, при 20 атм вона може піднятися до 7000 К. Сила струму досягає десятків і сотень ампер, а напруга на розрядному проміжку становить кілька вольт. Цей тип дугового розряду застосовується для зварювання та різання металів.

4. Плазмою називають сильно іонізований газ, у якому концентрації позитивних іонів та негативних електронів практично однакові. Плазма може бути високотемпературною, отриманою при високих температурах термічною іонізацією атомів, наприклад, при термоядерному синтезі або області дугового розряду. Газорозрядна низькотемпературна плазма виникає у електричному полі.

Плазма має подібність до звичайних газів і підпорядковується газовим законам. Однак по електропровідності вона наближається до металів, для неї характерна сильна взаємодія з електричними та магнітними полями. Наявність рухомих різноіменно заряджених частинок супроводжується їхньою рекомбінацією та свіченням.

Плазма використовується в магнітогідродинамічних (МГД) генераторах електричного струму. Низькотемпературна плазма застосовується у газових лазерах та плазмових телевізорах.

ЛЕКЦІЯ 5

Тема:Магнітне поле у ​​вакуумі та в речовині

Запитання: 1) Дія магнітного поля на провідник зі струмом. Магнітна

індукція.

2) Магнітне поле провідника зі струмом. Закон Біо-Савара-Лапласа.

3) Контур зі струмом у магнітному полі.

4) Робота у магнітному полі.

1. У 1820 році Ампер відкрив дію струму на магнітну стрілку: при пропусканні струму через провідник розташована поруч із ним магнітна стрілка повертається перпендикулярно до провідника. Досліди Ампера показали, що провідники зі струмом притягуються один до одного, якщо струми в них течуть в один бік, і відштовхуються, якщо струми течуть у протилежних напрямках. Таким чином було встановлено, що навколо провідників зі струмом існує магнітне поле. Виявити його можна за впливом на провідник зі струмом або постійний магніт.

Нехай у однорідному магнітному полі поміщений прямий провідник завдовжки lзі струмом I(Рис.5.1).

З дослідів було встановлено, що провідник з боку магнітного поля діє сила (сила Ампера)

F = I l B sinα,

де α – кут між провідником та напрямом магнітного поля.

Напрямок сили можна визначити за правилом лівої руки (якщо чотири пальці розташувати у напрямку струму, а силові лінії магнітного поля входитимуть у долоню, то відігнутий великий палець покаже напрям сили).

Якщо кут α між напрямками вектора Уі струму у провіднику відмінний від 90°, то для визначення напрямку сили зручніше користуватися правилом буравчика: уявний буравчик розташовується перпендикулярно площині, що містить вектор Ута провідник зі струмом, потім його рукоятка повертається від напрямку струму до напрямку вектора У. Поступальне переміщення свердла показуватиме напрям сили. Правило свердла часто називають правилом правого гвинта.

Сила Ампера залежить від сили струму, і від магнітного поля. Величина Уназивається магнітною індукцією і є основною силовою характеристикою магнітного поля.

Якщо покласти I = 1 А, l= 1 м, ? магнітного поля.

Одиниця виміру магнітної індукції: [B] = Н/А·м = Тл (тесла).

Тепер стає зрозумілим, чому два провідники зі струмом притягуються або відштовхуються: залежно від напрямку струмів магнітне поле одного провідника виштовхує або втягує інший провідник зі струмом.

Магнітне поле зручно зображати за допомогою силових ліній. Уявлення про такі лінії дає розташування залізної тирси біля полюсів постійного магніту.

Лінією магнітної індукції (силовою лінією) називається така лінія, проведена магнітному полі, дотична до якої у будь-якій точці збігається з вектором магнітної індукції в цій точці. Лінії магнітної індукції замкнуті та охоплюють провідник зі струмом. Той факт, що силові лінії не мають початку, говорить про відсутність магнітних зарядів.

Напрямок силових ліній визначається за правилом буравчика: якщо вкручувати буравчик так, щоб гвинт рухався у напрямку струму, то напрям руху рукоятки збігатиметься з напрямком силової лінії. Густота силових ліній пропорційна величині магнітної індукції. Поблизу провідника зі струмом магнітне поле неоднорідне, чим ближче до провідника, тим поле сильніше і силові лінії густіші. Однорідне магнітне поле можна створити всередині довгої котушки зі струмом.

Як очевидно з малюнка 5.6, магнітне полі котушки зі струмом аналогічно магнітному полю постійного магніту, тобто. має «північний» кінець N, з якого виходять силові лінії, і «південний» S, який силові лінії входять. Індикаторні магнітні стрілки орієнтуються в напрямку до ліній індукції.

Введемо поняття – магнітний потік або потік Ф вектора магнітної індукції крізь майданчик S: Ф =В Scosα, де α – кут між нормаллю (перпендикуляром) до майданчика та магнітною індукцією У.

Одиниця виміру потоку вектора магнітної індукції [Ф] = Тл · м ² = Вб (вебер).

Якщо поле неоднорідне і поверхня не плоска, її розбивають на нескінченно малі елементи dS отже кожен елемент вважатимуться плоским, а полі однорідним. Потік вектора магнітної індукції через елемент поверхні dФ = ВdScosα, а через всю поверхню

2. У результаті багатьох дослідів різних учених було виведено закон Біо – Савара – Лапласа, що дозволяє розраховувати магнітну індукцію полів, створюваних провідниками зі струмом.

Тоді величина магнітної індукції в точці, віддаленій від провідника на відстань r визначається за законом Біо-Савара-Лапласа, як

,

де величина μ0 = 4?10 Гн / м називається магнітною постійною.

Напрямок вектора d Уперпендикулярно до площини, в якій лежать d lта r. Вектор d Унаправлений по дотичній ксилової лінії, проведеної через точку поля, що розглядається, відповідно до правила буравчика.

Для магнітного поля виконується принцип суперпозиції: якщо є кілька провідників зі струмом, то магнітна індукція у будь-якій точці дорівнює векторній сумі магнітних індукцій, створюваних у цій точці кожним провідником окремо. Принцип суперпозиції справедливий і елементів струму. Застосовуючи спільно закон Біо-Савара-Лапласа та принцип суперпозиції, можна визначити магнітну індукцію різних провідників зі струмом.

приклад. Магнітне поле в центрі кругового провідника зі струмом.

Магнітні індукції кожного елемента струму dl в центрі спрямовані в одну сторону, перпендикулярну до площини контуру провідника, і підсумовуються. Це можна зрозуміти, якщо провести через центр силові лінії кожного елемента провідника зі струмом та побудувати до них дотичні. Напрямок магнітної індукції кругового провідника зі струмом можна визначати і за правилом буравчика: якщо вкручувати буравчик, обертаючи рукоятку у напрямку струму, то гвинт покаже напрямок магнітної індукції в центрі.

Величину магнітної індукції визначимо згідно із законом Біо-Савара-Лапласа

Магнітні поля, що створюються круговими струмами, зручно описувати за допомогою магнітного моменту pm = IS, де I–струм у контурі, а S– площа, обтічна струмом. За напрямок магнітного моменту приймають напрямок нормалі до площини витка, що збігається з напрямком вектора Уу центрі. Тоді

Можна показати, що магнітна індукція усередині довгої котушки зі струмом (соленоїда) B = μ0μnI, де n – число витків на одиниці довжини котушки.

3. Помістимо провідник, зігнутий у вигляді прямокутної рамки, до однорідного магнітного поля.

При протіканні струму провідником на кожну його сторону діє сила з боку магнітного поля. На верхню і нижню сторони діють сили, що розтягують контур. На бічні сторони діють сили F1 = F2 = IB l sin90º, де l- Довжина бокової сторони. Кожна з цих сил створює момент, що обертає М = Fd, де d – плече сили.

Момент пари сил М = 2Fd. = 2IB l d. З рис.5.10 видно, що . Тоді M = IB la sinα або M = IBSsinα, де S – площа рамки. Контур зі струмом повертається до того часу, поки його крутний момент стане рівним нулю, тобто. стане рівним нулю кут α. Таким чином, рамка зі струмом у магнітному полі прагнутиме розвернутися перпендикулярно до силових ліній. Можна зв'язати момент, що обертає, і магнітний момент контуру зі струмом

Обертальний момент перестає діяти, коли магнітний момент контуру зі струмом орієнтований вздовж напрямку магнітної індукції поля.

Рис.5.11

3. Магнітне поле може переміщати провідник зі струмом, отже, поле виконує роботу. Нехай прямий провідник завдовжки lпід дією однорідного магнітного поля переміститься на відстань dx у напрямку, перпендикулярному до силових ліній магнітного поля.

Рис.5.12

Робота dA = Fdx = I l Bdx. Оскільки добуток переміщення на довжину провідника – це площа dS, що описується провідником під час руху, то dA = IBdS, або dA = IdФ. Отже, робота з переміщення провідника в магнітному полі дорівнює добутку сили струму в провіднику на магнітний потік, що проходить крізь площу, що описується провідником під час руху.

ЛЕКЦІЯ 6

Тема:Дія магнітного поля на заряд, що рухається . Магнітне поле в

речовині

Запитання: 1) Сила Лорентця.

2) Рух заряду у магнітному полі.

3) Магнітне поле у ​​речовині.

4) Феромагнетики.

1. Провідник зі струмом створює в навколишньому просторі магнітне поле. Оскільки електричний струм є спрямованим рухом заряджених частинок, то і будь-який заряд, що рухається, створює магнітне поле. Можна записати закон Біо-Савара-Лапласа для одного заряду. І тому перетворимо Idl = jSdl = nqvSdl = Nqv. Тут j – щільність струму, n – число заряджених частинок в одиниці об'єму (концентрація частинок), v – швидкість частинок. N - повне число частинок у відрізку dl провідника. Тепер магнітна індукція, створювана відрізком провідника зі струмом, може бути представлена ​​як

,

а магнітна індукція поля, створюваного у вакуумі одним зарядом q з відривом r від заряду

Напрямок силових ліній визначається за правилом свердла.

Магнітне поле діє струм, отже, і кожен заряд повинна теж діяти сила. Вираз неї отримав Г.Лорентц.

На заряд q, що рухається в магнітному полі зі швидкістю v діє сила F = qvBsinα, де α – кут між напрямом швидкості та магнітної індукції. Напрямок сили для позитивного заряду визначається за правилом лівої руки або правого гвинта. vдо B).

Таким чином, між зарядами, що рухаються, існує як електрична, так і магнітна взаємодія.

2. Нехай частка із зарядом q і швидкістю v влітає в однорідне магнітне поле перпендикулярно до ліній магнітної індукції B (рис.6.3).

Сила, що діє на частку F = qvBsin90º. Сила перпендикулярна до швидкості, отже, вона робить роботи і змінює енергію і величину швидкості частки. Проте, сила, перпендикулярна до швидкості, завжди викликає доцентрове прискорення і рух коло, тобто.

Радіус кола траєкторії тим більше, чим більша швидкість частинки. Зі збільшенням магнітної індукції радіус зменшується. Він також залежить від питомого заряду q/m частинки.

Період обігу частки Т = 2πR/v. Підставивши вираз для радіусу, отримаємо, тобто. період від швидкості залежить.

Нехай тепер заряджена частка влітає в магнітне поле під кутом α до напрямку магнітної індукції (рис.6.4).

У цьому випадку швидкість частки v0можна подати як векторну суму тангенціальної швидкості vt, спрямованої вздовж, і нормальної швидкості vn, перпендикулярної до.

vt = v0 cosα, підставивши цю швидкість вираз для сили Лорентца, отримаємо F = qvtBsin0º, тобто. F = 0. Отже, вздовж силової лінії сила на частинку не діє і вона рухається рівномірно та прямолінійно у цьому напрямку.

vn = v0 sinα,. сила Лоренца F = qvnBsin90º викликає доцентрове прискорення і рух по колу з радіусом і періодом. В результаті частка описує траєкторію у вигляді циліндричної спіралі з кроком (відстань між витками спіралі, на яке частка переміщається вздовж силової лінії, зробивши один повний оборот) f = vt T.

Закономірності руху заряджених частинок у магнітних та електричних полях використовуються у прискорювачах, магнетронах, мас-спектрометрах та ін.

3. Усі речовини складаються з атомів і молекул, рух електронів у яких є замкнутими молекулярними струмами. Кожен із цих струмів створює магнітне поле, тобто. має магнітний момент

де I - сила струму, S - площа, обтічна струмом, n- одиничний вектор нормалі до площини витка зі струмом.

У звичайних умовах результаті теплового руху частинок магнітні моменти молекулярних струмів розорієнтовані. Якщо помістити речовину в магнітне поле, то магнітні моменти частинок частково або повністю орієнтуються вздовж зовнішнього магнітного поля, посилюючи його (рис.6.6).

Речовини, здатні намагнічуватись, називаються магнетиками. Магнітне стан речовини характеризується вектором намагнічення, тобто. магнітним моментом одиниці об'єму речовини

Одиниця виміру намагніченості – тесла. Для зручності розгляду ввели фізичну величину Н -напруга магнітного поля. Це силова характеристика магнітного поля, пов'язана з магнітною індукцією співвідношенням. Вона характеризує магнітне поле у ​​вакуумі. З дослідів випливає, що вектор намагнічення пропорційний напруженості магнітного поля , де - магнітна сприйнятливість речовини.

Повне значення магнітної індукції в магнетиці дорівнює

Отже, магнітна індукція у речовині де μ - магнітна проникність речовини. Вона показує, скільки разів магнітне поле в речовині сильніше, ніж у вакуумі.

Є деякі речовини, у яких μ<1, их называют диамагнетиками (азот, вода, серебро, висмут). У них магнитный момент молекулярных токов устанавливается против поля, что объясняется появлением дополнительного вращения электронных орбиталей (прецессии) в магнитном поле.

У багатьох речовин μ >1, їх називають парамагнетиками (кисень, алюміній та ін.). У діамагнетиків і парамагнетиків магнітна проникність близька одиниці, тобто. вони намагнічуються слабо.

На межі розділу двох різних середовищ із різними значеннями магнітної проникності лінії магнітної індукції заломлюються. Нормальна складова вітру магнітної індукції не змінюється

Дотичні до межі розділу складові індукції зазнають стрибка, причому

З цих формул випливає закон заломлення ліній індукції.

де - кут між лініями магнітної індукції в середовищі 1 і нормаллю до поверхні розділу, а - відповідний кут в середовищі 2. Отже, лінії індукції, входячи в середовище з більшою магнітною проникністю, віддаляються від нормалі та згущуються (рис.6.7).

Рис.6.7 а - куля в магнітному полі (μ кулі більше μ середовища);

б - куля в магнітному полі (μ кулі менше μ середовища);

в - залізний циліндр поміщений спочатку однорідне

магнітне поле.

4. Є речовини, які здатні сильно намагнічуватися, їх магнітна проникність має величину близько тисяч одиниць і може досягати у випадках мільйона. Такі властивості виявляє залізо та його сплави, тому цей клас речовин назвали феромагнетиками. Властивості феромагнетиків виявляють інші метали (табл.6.1).

Табл.6.1 Феромагнітні метали

Феромагнетики - речовини (зазвичай, у твердому кристалічному чи аморфному стані), у яких нижче певної критичної температури ТК (точки Кюрі) встановлюється далекий феромагнітний порядок магнітних моментів атомів. Іншими словами, феромагнетик - така речовина, яка при охолодженні нижче певної температури набуває магнітних властивостей. Вище точки Кюрі феромагнітні властивості зникають.

Для феромагнетиків характерна сильна орієнтування магнітних моментів атомів без зовнішнього магнітного поля. Через війну обмінного взаємодії електронів утворюються окремі області мимовільного намагнічення – домени. Такі домени були знайдені на досвіді за допомогою порошкових фігур. На добре відполіровану поверхню феромагнетика поміщають шар рідини із порошком оксиду заліза. Крупинки осідають у місцях неоднорідності магнітного поля, тобто біля стін доменів, і межі доменів добре видно в мікроскопі (рис.6.7).

Рис. 6.7 а – без магнітного поля; б - магнітне поле перпендикулярно площині креслення; в – магнітне поле протилежного спрямування.

Напрями намагнічення окремих доменах різні і такі, що повний магнітний момент феромагнетика дорівнює нулю. При включенні зовнішнього магнітного поля ростуть домени, у яких вектор намагнічення становить гострий кут із напрямом зовнішнього магнітного поля, а обсяг доменів із тупим кутом зменшується.

Рис.6.8 Процес намагнічення феромагнетика: а, б, в – зміщення

кордонів; г і д – обертання вектора намагнічення

У разі слабких полів (область 1) усунення кордонів оборотні і точно йдуть за зміною поля. При збільшенні поля усунення меж доменів робляться незворотними і невигідні домени зникають. Потім при ще більшому збільшенні поля змінюється напрямок магнітного моменту всередині домену. У дуже сильному магнітному полі магнітні моменти всіх доменів встановлюються паралельно до поля і феромагнетик тепер намагнічений до насичення.

Всі ці процеси намагнічування відбуваються з деякою затримкою, тобто відстають від зміни поля, це називається гістерезисом (рис.6.8).

Рис.6.9 Петля гістерезису

Якщо зменшувати магнітне поле, коли поле Н стане рівним нулю, в магнетиці спостерігається залишкове намагнічення +В. Щоб повністю розмагнітити магнетик, треба додати магнітне поле протилежного знака Нс. Це поле називають коерцитивною силою феромагнетика.

При циклічному перемагніченні феромагнетика зміна індукції в ньому зображуватиметься петлею гістерези. Робота при циклічному перемагніченні пропорційна площі петлі гістерези. На неї витрачається енергія магнітного поля, яка зрештою перетворюється на тепло.