И.В. Савельев - Курс общей физики. Том 2. Электричество и магнетизм, волны, оптика (1115514), страница 50
Текст из файла (страница 50)
После перекрывания лавин образуется хорошо проводящий канал — стрнмер, по которому устремляется от катода к аноду мощный поток электронов — происходит пробой. Если электроды имеют форму, при которой поле в межэлектродпом пространстве приблизительно однородно (например, представляют собой шары достаточно большого диаметра), то пробой возникает при вполне определенном напряжении О„р, значение которого зависит от расстояния между шарами 1 ((у„,=-Е„р!). На этом аснован искровой вольтметр, с помощью которого измеряют высокое напряжение ((О" —:!О! В). При измерениях определяется наибольшее расстояние (,„, при котором возникает искра.
Умножив затем Е, на (,„, получают значение измеряемого напряжения. Если один из электродов (или оба) имеет очень большую кривизну (например, электродом служит тонкая проволока или острие), то при не слив>ком большом напряжении возникает так называемый к о р о н н ы й р а з р я д. При увеличении наири>кения этот разряд переходит в искровой или дуговой. При корон>юм разряде ионизация н возбуждение молекул происходят не во всем межэлектродпом пространстве, а лишь вблизи электрода с малым радиусом кривизны, где напряженность поля достигает значений, равных нли превышающих Е„,.
В этой части разряда газ светится. Свечение имеет внд короны, окружающей электрод, чем и вызвано название этого вида разряда. Коронный разряд с острия имеет вид светящейся кисти, в связи с чем его иногда называк>т к и с те в ы м р а з р я до м. В зависимости от знака коронирующего электрода говорят о положительной нли отрицательной коронах.
Между коронирующим слоем и некоронирующнм электродом расположена в н еш н я я об л а с т ь к о р о н ы. Режим пробоя (ЕрЕ«„) существует только в пределах коронирующего слоя. Поэтому можно сказать, что коронный раз. ряд представляет собой неполный пробой ~азового промежутка.
В случае отрицательной короны явления на катоде сходны с явлениями на катоде тлеющего разряда. Ускоренные полем положительные ионы выбивают нз катода электроны, которые вызывают нонизацию и возбуждение молекул в коронирующем слое. Во внешней области короны поле недостаточно для того, чтобы сообщить электронам энергию, необходимую для ионизацин или возбуждения зап ИСКРОВОЙ И КОРОННЫЙ РЛЗРЯДЫ 257 молекул. Поэтому проникшие в эту область электроны дрейфуют под действием поля к аноду. Часть электронов захватывается молекулами, вследствие чего образуются отрицательные ионы. Таким образом, ток во внешней области обусловливается только отрицательными носителями — электронами и отрицательными ионами.
В этой области разряд имеет несамостоятельный характер. В положительной короне электронные лавины зарождаются у внешней границы короны и устремляются к коронирующему электроду — аноду. Возникновение электронов, порождающих лавины, обусловлено фотоионизацией, вызванной излучением коронирующего слоя. Носителями тока во внеи7ней области короны служат положительные ионы, которые дрейфуют под действием поля к катоду. Если оба электрода имеют большую кривизну (два коронирующих электрода), вблизи каждого из них протекают процессы, присущие коронирующему электроду данного знака. Оба коронирующих слоя разделяются внешней областью, в которой движутся встречные потоки положительных и отрицательных носителей тока.
Такая корона называется двуполярной. Упоминавшийся в 2 82 при рассмотрении счетчиков самостоятельный газовый разряд представляет собой коронный разряд. Толщина коронирующего слоя и сила разрядного тока растут с увеличением напряжения. При небольшом напряжении размеры короны малы и ее свечение незаметно. Такая микроскопическая корона возникает вблизи острия, с которого стекает электрический ветер (см. 5 24). Корона, появляющаяся под действием атмосферного электричества на нерхушках корабельных мачт, деревьев и т. п., получила в старину название огней святого Эльма. В высоковольтных устройствах, в частности в линиях высоковольтных передач, коронный разряд приводит к вредным утечкам тока.
Поэтому приходится принимать меры для его предотвращения. О этой целью, например, провода высоковольтных линий берут достаточно большого диаметра, тем большего„чем выше напряжение линии. Полезное применение в технике коронный разряд нашел в электрофильтрах. Очищаемый газ движется в трубе, по осп которой расположен отрицательный коронирующий электрод. Отрицательные ионы, имеющиеся в большом количестве во внешней области короны, оседают на загрязняющих газ частицах или капельках и увлекаются вместе с ними к внешнему некоронирующему электроду.
Достигнув этого электрода, частицы нейтрализуются и оседают на нем. Впоследствии при уларах по трубе осадок, образованный уловленными частицами, осыпается в сборник, 9 и. в. савельев, т. з ГЛАВА ХИ! ЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ КОЛЕБАНИЯ 5 88. Квазистационарные токи При рассмотрении электрических колебаний приходится иметь дело с токами, изменяющимися со временем. Закон Ома и вытекающие «з него правила Кирхгофа были установлены для постоянного токз. Однако опи остаются справедливыми и для мгновенных значен«й изменяющихся тока и напряжения, если только нх изменения происходят не слишком быстро. Электромагнитные возмущения распространяются по цепи с огромной скоростью, равной скорости света к. Пусть длина цепи равна Е Если за время т=-Пс, необходимое для передачи возмущения в самую отдаленную точку цепи, сила тока изменяется незначительно, то мгновенные значения силы тока во всех сечениях цепи будут практически одинаковыми.
Токи, удовлетворяющие такому условию, называются к в а з ис та ц и о н а р н ы и и. Для периодически изменяющихся токов условие квазистационарности имеет в«д т= — 4Г, где Т вЂ” период «зменений. Для цепи длиной 3 м запаздывание т=10 ' с. Таким образом, вплоть до Т порядка 1О ' с (что соответствует частоте 10' Гц) токи в такой цепи можно считать квазистационариыми. Ток промышленной частоты (т=-50 Гц) квазнстационарен для цепей длиной до 100 км. Мгновенные значения квазистационарных токов подчиняются закону Ома.
Следовательно, для них справедливы и правила Кирхгофа. В дальнейшем при изучении электрических колебаний мы всегда будем предполагать, что рассматриваемые нами токи квазнстацнонарны. 9 99. СБОБОДНЪ|Е КОЛЕБАНИЯ Б КОНТУРЕ 259 5 89. Свободные колебания в контуре без активного сопротивления В цепи, содержащей индуктивность и емкость, могут возникать электрические колебания. Поэтому такая цепь называется к о л ебательным контуром.
На рис. 89.1,а изображены последовательные стадии колебательного процесса в идеализированном контуре, не обладающем активным сопротивлением. Колебания в контуре можно вызвать, либо сообщив обкладкам конденсатора некоторый начальный заряд, либо возбудив в индуктивносги ток (например, путем выключения внешнего магнитного поля, пронизывавшего витки катушки). Воспользуемся первым аз|а||аз| г' ЛН "ыу Л 1У г Ах шй' з 1 т ! г — л|хз х г Рис. 89.1. способом. Присоединим отключенный от индуктивности конденсатор к источнику напряжения.
Это приведет к возникновению на обкладках разноименных зарядов +д и — д (стадия 1). Между обкладками возникнет электрическое поле, энергия которого равна Ут(дЧС) (см. формулу (29.2)). Если затем отключить источник напряжения и замкнуть конденсатор на индуктпнность, емкость начнет разряжаться и в контуре потечет тои. В результате энергия электрического поля будет уменьшаться, но зато возникнет Бсе возрастающая энергия магнитного поля, обусловленного током, текущим через индуктивность. Эта энергия равна уту (з (см. формулу (67.4)).
Поскольку активное сопротивление контура равно нулю, полная энергия, слагающаяся из энергИЙ электрического и магнитного полей, не расходуется на нагревание проводов и будет оставаться постоянной '). Поэтов|у в момент, когда напряжение на конденса- |) Строго говоря, в таком идеализированном контуре происходилз бы потсря внергни нз излучение электромагнитных волн. Зтз потеря тем знзчительнее, чем больше чвстотз колебзний ы чем более чоткрытэ контур.
ре 260 ГЛ. ХП1. ЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ КОЛЕБАНИЯ торе, а следовательно, и энергия электрического поля обращаются в нуль, энергия магнитного поля, а значит„и ток достига1от наибольп1его значения (стадия 2; начиная с этого момента ток течет за счет э. д. с. самоиндукции).
В дальнейшем ток уменьшается, и, когда заряды на обкладках достигнут первоначального значения д, сила тока станет равной нулю (стадия 3). Затем те же процессы протекают в обратном направлении (стадии 4 и б), после чего система приходит в исходное состояние (стадия 5) и весь цикл повторяется снова и снова.
В ходе процесса периодически изменяются (т. е. колеблются) заряд на обкладках„напряжение на конденсаторе н сила тока, текущего через индуктивность. Колебания сопровождаются взаимныаш превращениями энергий электрического н магнитного нолей. На рис. 89.1, б колебаниям в контуре сопоставлены колебания пружинного маятника.
Сообщению зарядов обкладкам конденсатора соответствует выведение маятника внешней силой из положения равновесия и сообщение ему первоначального отклонения х. При этом возникает потенциальная энергия упругой деформации пружины, равная '~вяла. Стадии 2 соответствует прохождение маятника через положение равновесия. В этот момент квазиупругая сила равна нулю и маятник продолжает двигаться по инерции. К этому времени энергия маятника полностью переходит в кинетическую н определяется выражением гялгха. Сопоставление дальнейших стадий предоставляем читателю.
Из сопоставления электрических и механических колебаний следует, что энергия электрического поля та (да1С) аналогична потенциальной энергии упругой деформации, а энергия магнитного поля )яс,гз аналогична кинетической энергии. Индуктивность Ь играет роль массы т, величина, обратная емкости (1/С),— роль жесткости я. Наконец, заряду д соответствует смещение маятника из положения равновесия х, а силе тока 1=д — скорость х. Ниже мы увидим, что аналогия между электрическими и механическими колебаниями распространяется и на описывающие их математические уравнения.
Найдем уравнение колебаний в контуре без активного сопротивления. Условимся считать положительным ток, заряжающий конденсатор ') (рис. 89.2). Тогда 1= — „, =д. пд (89.1) Напишем для цепи г' 1 — 2 выражение закона Ома г)Р = 91 сйа+х (89.2) ') Прн таком выборе направленая така аналогия межлу влектрячесппмн н механнеескнын нолебанпямн окапывается более полной — скорости я соо1ветст'- вует о (прп ином выборе скоростн л соответствуег — Ч). э аэ, своаоднын колвалния в конти е 26! (см. (35.3)).
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
