Сегнетоэлектрики. 5 страница

При дальнейшем увеличении напряжения между электродами сила тока снова начинает резко возрастать (4-я область напряжений). Это явление, обусловленное возникновением ударной ионизации и резким возрастанием числа носителей заряда в газе.

В зависимости от давления газа, конфигурации электродов, параметров внешней цепи можно говорить о четырех типах самостоятельного разряда: тлеющем, искровом, дуговом и коронном.

1. Искровой разряд. При больших напряженностях электрического поля (около 3 10⁶ В/м) в газе, находящемся при нормальном или повышенном давлении, возникает искровой разряд (пробой газа). Он имеет вид ярко светящегося извилистого разветвленного канала (стримера), мгновенно возникающего между электродами. Разряд носит прерывистый во времени характер (канал то вспыхивает, то гаснет) и сопровождается сильным треском.

Искровой разряд обусловлен ионными и электронными лавинами, вызванными ударной и фотонной ионизацией и выбиванием электронов из катода положительными ионами. При этих процессах выделяется большое количество энергии. Поэтому газ в канале разряда нагревается до очень высокой температуры (порядка 10⁴К), чем и вызвано его свечение. Треск искрового разряда обусловлен звуковыми волнами, возникающими при резком расширении нагревающегося в канале газа.

Примером грандиозного искрового разряда в естественных условиях является молния. Она представляет собой электрическую искру, проскакивающую между грозовым облаком и Землей или между двумя грозовыми облаками (обычно верхняя часть грозового облака бывает заряжена положительно, нижняя — отрицательно, при сближении разноименно заряженных частей облаков между ними проскакивает молния). Длина молнии может достигать нескольких километров, диаметр канала молнии 25см, сила тока в канале 10⁵А. Продолжительность молнии имеет порядок 10^-6с. Грозовые явления, в частности молния, были экспериментально исследованы впервыев середине XVIIIв. М.В. Ломоносовым и Г.В. Рихманом и независимо от них американским ученым Франклином.

В лабораторных условиях с помощью искрового разряда получают плазму (газ в состоянии полной ионизации). Искровой разряд используется для предохранения электрических линий передач от перенапряжения (искровой разрядник), а также для воспламенения горючей смеси в двигателе внутреннего сгорания. При малой длине газоразрядного промежутка искровой разряд вызывает разрушение (эрозию) поверхности металла. На этом основана электроискровая обработка металлов (резание, сверление и т. п.).

2. Коронный разряд. При нормальном и повышенном давлениях газа, находящегося в неоднородном электрическом поле, вблизи заостренных частей электродов наблюдается коронный разряд, представляющий собой слабое фиолетовое свечение газа, сопровождающееся легким шипением. Разряд обусловлен ударной ионизацией газовых молекул электронами и ионами, разогнанными до больших скоростей сильными электрическими полями, которые, как известно, создаются вблизи заостренных частей электродов. Свет испускается возбужденными молекулами газа при их переходе в нормальное состояние.

Коронный разряд возникает, например, около проводов высокого напряжения, у вершин мачт и других остроконечных предметов. На коронном разряде основано действие молниеотвода. Сильное электрическое поле, возникающее в атмосфере во время грозы, вызывает коронный разряд у вершины молниеотвода. Этот разряд непрерывно отводит в землю атмосферные электрические заряды, не позволяя им накапливаться вблизи здания, и тем самым предохраняет здание от удара молнии (или принимает удар на себя).

3. Дуговой разряд. Дуговой разряд возникает при сравнительно небольших напряжениях (около 60В) между двумя близко расположенными друг от друга электродами (угольными или металлическими). При атмосферном давлении он имеет высокую температуру 5000—6000К и сопровождается ослепительно ярким свечением. Плотность тока в дуговом разряде достигает нескольких тысяч ампер на 1мм².

Дуговой разряд обусловлен в основном термоэлектронной эмиссией раскаленного катода. Первоначальный нагрев катода происходит за счет теплоты, выделяемой током в месте соприкосновения электродов, имеющем большое сопротивление. Затем электроды раздвигаются и эмиттируемые электроны вызывают ударную ионизацию газа. После этого катод поддерживается в накаленном состоянии за счет бомбардировки положительными ионами.

Дуговой разряд был открыт в 1802 г. В. В. Петровым. В настоящее время этот вид разряда используется для сварки металлов.

4. Тлеющий разряд наблюдается в газе при низком давлении (около 13Па) и большой напряженности электрического поля (около 8000 В/м).

Если к электродам, впаянным в стеклянную трубку длиной 30—50см, приложить постоянное напряжение в несколько сотен вольт, постепенно откачивая из трубки воздух, то при давлении 5,3—6,7кПа возникает разряд в виде светящегося извилистого шнура красноватого цвета, идущего от катода к аноду. При дальнейшем понижении давления шнур утолщается, и при давлении 13Па разряд имеет вид, схематически изображенный на рис. 30.4.

рис. 30.4.

Непосредственно к катоду прилегает тонкий светящийся слой 1 — первое катодное свечение, или катодная пленка, затем следует темный слой 2 — катодное темное пространство, переходящее в дальнейшем в светящийся слой 3 — тлеющее свечение, имеющее резкую границу со стороны катода, постепенно исчезающую со стороны анода. Оно возникает из-за рекомбинации электронов с положительными ионами. С тлеющим свечением граничит темный промежуток 4 — фарадеево темное пространство, за которым следует столб ионизированного светящегося газа 5 — положительный столб. Положительный столб в поддержании разряда существенной роли не играет. Например, при уменьшении расстояния между электродами трубки его длина сокращается, в то время как катодные части разряда по форме и величине остаются неизменными.

В тлеющем разряде особое значение для его поддержания имеют только две его части: катодное темное пространство и тлеющее свечение. В дальнейшем будем рассматривать тлеющий разряд, говоря только о этих частях.

Свечение создают возбужденные молекулы; цвет свечения зависит от природы газа. Тлеющий разряд вызван ударной ионизацией, производимой электронами, выбиваемыми из катода положительными ионами. Вблизи катода эти электроны еще только начинают ускоряться полем. Поэтому в области 2 они практически не производят ни ударной ионизации, ни даже возбуждения молекул газа, чем и объясняется отсутствие свечения в этой области. Достигая положительного столба 5, электроны приобретают уже достаточную кинетическую энергию и потому ионизируют газ в этом столбе. Образующиеся при ударной ионизации положительные ионы устремляются к катоду и выбивают из него новые электроны, которые в свою очередь опять ионизируют газ в области 5, и т. п. Таким образом, непрерывно поддерживается тлеющий разряд.

Отметим, что в связи с малой ионизацией области 2 (сравнительно с областью 5) в ней сосредоточено почти все падение напряжения, создаваемого источником тока. Так как в разреженном газе мала концентрация ионов (и нейтральных молекул), то, во-первых, не происходит пробоя газа и, во-вторых, общее количество энергии, выделяющееся в газе, оказывается небольшим, в связи с чем свечение газа остается холодным.

При дальнейшем разрежении газа его свечение ослабевает и при давлении порядка 0,1Па практически прекращается. Но зато появляется зеленое свечение стекла (стенок) трубки. Свечение стекла вызвано ударами электронов, которые в условиях столь сильного разрежения редко сталкиваются с молекулами газа и потому разгоняются до скоростей, сравнимых со скоростью света. Поток этих электронов называется катодными лучами, или электронным пучком. Встречный поток положительных ионов называется каналовыми лучами, или ионным пучком.

При дальнейшем понижении давления зеленое свечение стекла ослабевает и при давлении порядка 10³Па прекращается.

Трубки с тлеющим разрядом применяются в качестве источников света (лампа дневного света). В этом случае они заполняются парами ртути с примесью аргона, а стенки трубки покрываются изнутри флуоресцирующим веществом (люминофором). Газоразрядные трубки, заполненные гелием или неоном, используются для декоративных целей и для рекламных надписей.

В лабораторных исследованиях и в некоторых электронных приборах тлеющий разряд используется в качестве источника ионных и электронных пучков.

Примером тлеющего разряда в естественных условиях является полярное сияние. Оно возбуждается в верхних (разреженных) слоях атмосферы потоками заряженных частиц, извергаемых из активных областей Солнца и собираемых магнитным полем Земли в зонах земных (магнитных) полюсов.

ГЛАВА 3. МАГНЕТИЗМ.

В главе 1 были рассмотрены электростатические поля, т.е. электрические поля, не изменяющиеся со временем, которые существуют вокруг зарядов, неподвижных в какой-либо инерциальной системе отсчёта. В главе «Магнетизм» рассматриваются движущиеся заряды, переменные электрические поля и как они изменяют пространство. Основннным объектом рассмотрения в дальнейшем будет магнитное поле.

Огромный круг явлений природы определяется магнитными силами (силами со стороны магнитных полей). Магнитные силы являются источником многих явлений микромира, т. е. поведения атомов, молекул, атомных ядер и элементарных частиц – электронов, протонов, нейтронов и пр.; магнитные явления характерны и для огромных небесных тел. Солнце и Земля – это огромные магниты. Половина энергии электромагнитных волн (радиоволн, инфракрасного, видимого и ультрафиолетового излучения, рентгеновых и гамма-лучей) является магнитной.

Немагнитных веществ не существует. Любое вещество всегда магнитно, т.е. изменяет свои свойства в магнитном поле. Иногда эти изменения невелики и обнаружить их можно только с помощью очень совершенной аппаратуры; иногда они весьма значительны и обнаруживаются без особого труда с помощью очень простых средств. К слабомагнитным веществам относятся медь, алюминий, вода, ртуть и пр., к сильномагнитным или просто магнитным (при обычных температурах) – железо, никель, кобальт, некоторые сплавы.

Изучение магнитных явлений чрезвычайно важно как с теоретической, так и с практической стороны. Современная электротехника весьма широко использует магнитные свойства вещества для получения электрической энергии, для ее превращения в различные другие виды энергии. В аппаратах проволочной и беспроволочной связи, в телевидении, автоматике и телемеханике употребляются материалы с определенными магнитными свойствами. Магнитные явления играют существенную роль также в живой природе.

Необычайная общность магнитных явлений, их огромная практическая значимость, естественно, приводят к тому, что учение о магнетизме является одним из важнейших разделов современной физики.

§31. Магнитное поле.

Магнитное поле - силовое поле, действующее на движущиеся электрические заряды и на тела, обладающие магнитным моментом, независимо от состояния их движения.

Впервые термин «Магнитное поле» ввёл в 1845 М. Фарадей, считавший, что как электрические, так и магнитные взаимодействия осуществляются посредством единого материального поля. Классическая теория электромагнитного поля была создана Дж. Максвеллом (1873), квантовая теория — в 20-х годах 20 века.

Источниками макроскопического магнитного поля являются намагниченные тела, проводники с током и движущиеся электрически заряженные тела. Природа этих источников едина: магнитное поле возникает в результате движения заряженных микрочастиц (электронов, протонов, ионов), а также благодаря наличию у микрочастиц собственного (спинового) магнитного момента.

Электрическое поле действует как на неподвижные, так и на движущиеся в нем электрические заряды. Важнейшая особенность магнитного поля состоит в том, что оно действует только на движущиеся в нем электрические заряды. Таким образом, наличие магнитного поля обнаруживается по силовому действию на внесенные в него движущиеся заряды, проводники с током или постоянные магниты. В 1820 г. датский физик Эрстед впервые обнаружил, что электрический ток действует на магнитную стрелку (небольшой магнит, свободно вращающийся вокруг своей оси) расположенную рядом с проводником с током, ориентируя ее перпендикулярно проводу. Тогда же французский физик Ампер экспериментально обнаружил и подробно исследовал магнитное взаимодействие двух параллельных проводников с током. Он заметил, что они притягивают друг друга, если токи в них имеют одинаковое направление, и отталкивают, если токи противоположны (рис. 31.1).

рис. 31.1(переделать, согласно тексту.)

Опыт показывает, что характер воздействия магнитного поля на ток различен в зависимости от формы проводника, по которому течет ток, от расположения проводника и от направления тока. Следовательно, чтобы охарактеризовать магнитное поле, надо рассмотреть его действие на определенный ток.

Подобно тому, как при изучении электростатического поля использовались точечные заряды, при исследовании магнитного поля пользуются замкнутым плоским контуром с током (рамка с током), линейные размеры которого малы по сравнению с расстоянием до токов, образующих магнитное поле и внесение которого не искажает исследуемого поля. Ориентация контура в пространстве определяется направлением нормали к контуру. Направление нормали задается правилом правого винта: за положительное направление нормали принимается направление поступательного движения винта, головка которого вращается в направлении тока, текущего в рамке (рис. 31.2).

рис. 31.2

Вокруг контура существует магнитное поле, которое определяется так называемым магнитным моментом, который является вектором и определяется выражением

, (31.1)

где - площадь охватываемая рамкой, - ток текущий в контуре, вектор - произведение площади на нормаль

. (31.1)

Очевидно, что направление магнитного момента совпадает с напровлением нормали, т.е. пермендикулярно плоскости витка и определяется согласно правила правого винта.

Модуль магнитного момента рассчитывается по формуле

, (31.3)

Из формулы (31.3) следует, что магнитный момент измеряется в ампер·метр² (A·м ²).

§32. Вектор магнитной индукции.

Линии магнитной индукции.

При внесении пробного контура в магнитное поле он устанавливает так, что его магнитный момент совпадает с направлением магнитного поля в данной точке поля. Если контур вывести из положения равновесия, то на него будет действовать момент сил, стремящийся вернуть его в положение равновесия. Этот момент сил будет наибольшим (максимальным), когда магнитный момент контура перпендикулярен к направлению поля.

Пусть в одну и ту же точку магнитного поля вносятся различные пробные контуры. Тогда на них будут действовать и различные максимальные моменты сил. Однако отношение модуля максимального момента M _max к модулю магнитного момента контура p _m остаётся постоянным независимо от модуля магнитного момента. Поэтому его принимают за характеристику поля в данной точке. Её называют индукцией магнитного поля и обозначают через B, т.е.

(32.1)

Таким образом, модуль индукции магнитного поля в некоторой точке равен отношению максимального момента сил, действующего на пробный контур, помещённый в эту точку, к его магнитному моменту, и направление индукции магнитного поля совпадает с направлением магнитного момента в положении, когда момент сил равен нулю.

В системе единиц СИ индукция магнитного поля измеряется в теслах (Тл). Как следует из (32.1), 1 Тл — это индукция в такой точке магнитного поля, при внесении в которую пробного контура с магнитным моментом 1 А⋅м ² на него действует максимальный момент сил, равный 1 Н⋅м.

Так как магнитное поле является силовым, то его, по аналогии с электрическим, изображают с помощью линий магнитной индукции — линий, касательные к которым в каждой точке совпадают с направлением вектора . Их направление задается правилом правого винта.

Для прямого тока: если поступательное движение буравчика указывает направление тока в проводнике, тогда вращательное движение укажет направление вектора магнитной индукции.(Рис.32.1)

Для кругового тока: если вращать рукоятку буравчика по направлению тока, то поступательное движение буравчика укажет направление вектора магнитной индукции в центре витка. (Рис.32.2)

Рисунок для прямого тока (Рис.32.1)

Рисунок для кругового тока (Рис.32.2)

Конфигурацию магнитных силовых линий в каждом конкретном случае можно установить, например, с помощью магнитной стрелки, ориентирующейся вдоль этих линий; за направление линии принято считать направление от южного к северному полюсу стрелки. Наглядное представление о магнитных силовых линиях можно также получить с помощью железных опилок, насыпанных тонким слоем на стекло.

Линии магнитной индукции всегда замкнуты (т. е. не имеют ни начала, ни конца). Этим они отличаются от линий напряженности электростатического поля, которые являются разомкнутыми (начинаются на положительных зарядах и заканчиваются на отрицательных). Направление силовых линий магнитного поля тока определяется по правилу буравчика. Так же, как и линии напряжённости электрического поля, они не пересекаются.

С помощью линий магнитной индукции можно изобразить магнитное поле, подобно тому, как линиями напряженности изображают электрическое поле. Условились линии магнитной индукции проводить так, чтобы число этих линий, приходящихся на единицу площади площадки, перпендикулярной к ним, равнялось бы модулю индукции в данной области поля. Тогда по густоте линий магнитной индукции судят о магнитном поле. Там, где линии гуще, модуль индукции магнитного поля больше.

На рис. 32.3 изображены линии магнитой индукции полосового магнита; они выходят из северного полюса и входят в южный. Вначале казалось, что здесь наблюдается полная аналогия с линиями напряженности электростатического поля и полюсы магнитов играют роль магнитных «зарядов» (магнитных моиополей). Опыты показали, что, разрезая магнит на части, его полюсы разделить нельзя, т. е. в отличие от электрических зарядов свободные магнитные заряды не существуют, поэтому линии магнитной индукции не могут обрываться на полюсах. В дальнейшем было установлено, что внутри полосовых магнитов имеется магнитное поле и линии магнитной индукции этого магнитного поля являются продолжением линий магнитной индукции вне магнита. Таким образом, линии магнитной индукции магнитного поля постоянных магнитов являются также замкнутыми.

рис. 32.3

Силовые линии магнитного поля, созданного током в прямолинейном проводе, представляют собой концентрические окружности, перпендикулярные проводу, центры которых находятся на этом проводе (рис. 32.4).

рис.32.4

§ 33. Закон Био-Савара-Лапласа.

Магнитное поле постоянных токов различной формы изучалось французскими учеными Ж. Био (1774 —1862) и Ф.Саваром (1791-1841). Результаты этих опытов были обобщены выдающимся французским математиком и физиком П.Лапласом.

Закон Био-Савара-Лапласа для проводника с током , элемент dl которого создает в некоторой точке А (рис. 33.1) индукцию поля , записывается в виде

, (33.1)

где - вектор,по модулю равный длине элемента проводника и совпадающий по направлению с током; — радиус-вектор, проведенный из элемента dl проводника в точку А поля; — модуль радиуса-вектора , точка А – точка, в которой определяем значение вектора магнитной индукции, квадратные скобки означают векторное произведение векторов и . Направление перпендикулярно и , т. е. перпендикулярно плоскости, в которой они лежат, и совпадает с касательной к линии магнитной индукции. Это направление может быть задано по правилу нахождения линий магнитной индукции (правилу буравчика): направление вращения буравчика дает направление если поступательное движение винта соответствует направлению тока в элементе.

Рис. 33.1

Модуль вектора определяется выражением

, (33.2)

где — угол между векторами и .

Для магнитного поля, как и для электрического, справедлив принцип суперпозиции: вектор магнитной индукции результирующего поля, создаваемого несколькими токами или движущимися зарядами, равен векторной сумме магнитных индукций складываемых полей, создаваемых каждым током или движущимся зарядом в отдельности:

. (33.3)

Неограниченно увеличивая число участков источников поля и переходя к пределу при , можно заменить сумму, стоящую в правой части уравнения (33.3), интегралом:

. (33.4)

где — магнитная индукция поля, создаваемого элементом проводника с током .

Расчет характеристик магнитного поля (и ) по приведенным выше формулам в общем случае сложен. Однако если распределение тока имеет опреде ленную симметрию, то применение за кона Био-Савара-Лапласа совместно с принципом суперпозиции позволяет просто рассчитать конкретные поля.

Рассмотрим несколько примеров.

1. Магнитное поле конечного прямолинейного проводника с током.

Обозначим буквой R расстояние от проводника с током I до точки О, в которой определяется напряженность поля (рис. 33.2). Определим направление тока (на рис 33.2 вниз). Выделим в проводнике элементарный участок dl на расстоянии r от точки О. Так как для всех элементарных участков проводника ток имеет одно значение и направление (согласно правилу буравчика, перпендикуляно плоскости четежа, на нас), то полная магнитная индукция поля в точке О, согласно формулам (33.2) и (33.4), равна

, (33.5)

рис 33.2

Из точки О проведем радиусом отрезок дуги АВ =. Ввиду малости участка dl, а следовательно, и угла , можно считать, что отрезок АВ прямолинеен, и .

Тогда из получим , откуда

,

или, учитывая, что ,

. (33.6)

Вводя последнее выражение в формулу (33.5) и переходя от интегрирования по длине к интегрированию по углу в пределах от до , получим

,

или окончательно

, (33.7)

2. Магнитное поля бесконечного прямолинейного проводника с током. Магнитное поле прямого тока — тока, текущего по тонкому прямому проводу бесконечной длины (рис. 33.3). В произвольной точке А, удаленной от оси проводника на расстояние R, векторы от всех элементов тока имеют одинаковое направление, перпендикулярное плоскости чертежа («к нам»). Поэтому сложение векторов можно заменить сложением их модулей. В качестве постоянной интегрирования выберем угол (угол между векторами и ), выразив через него все остальные величины. Из рис. 33.3 следует,

, (33.8)

(33.9)

(радиус дуги CD вследствие малости равен , поэтому угол FDC можно считать прямым). Подставив выражения (33.8) и (33.9) в (33.2), получим, что магнитнаяиндукция, создаваемая одним элементом проводника, равна

. (33.10)

Так как угол для всех элементов прямого тока изменяется в пределах от 0 до , то, согласно (33.4) и (33.10),

. (33.11)

Следовательно, магнитная индукция поля прямого тока

. (33.12)

Рис. (33.3)

Эту же формулу можно получить воспользовавшись формулой (33.7) и подставив в нее значения и

Дата добавления: 2014-01-20