Skip to main content

Физика

Курс физики – электричество (Телеснин, Яковлев) 1960 год - старые учебники

Скачать Советский учебник

Курс физики – электричество (Телеснин, Яковлев) 1960

Назначение: Курс электричества для физико-математических факультетов педагогических институтов написан «в объеме, несколько превышающим программу 1959/60 учебного года. Авторы при этом исходили из того, что быстрое развитие ряда областей физики, в особенности учения о полупроводниках, приведет в ближайшее время к значительному изменению программы курса физики.
Создание краткого учебника потребовало отбора минимума физического эксперимента, нужного как для осознанного понимания физических закономерностей, так и для создания представлений о их практических приложениях. При этом предполагалось, что физический эксперимент будет дополнен при чтении лекций и в лабораторных практикумах институтов.
Чтобы облегчить работу студентов с книгой, часть материала, необязательная по существующим программам, выделена мелким шрифтом. Отсутствие этого материала, несомненно, уменьшило бы достоинство учебника, рассчитанного в целом на глубокое изучение предмета.
Систематичность изложения курса может быть обеспечена, если курс строится на какой-то общей основе. По этому поводу Макс Планк в предисловии к учебнику «Введение в теоретическую физику» писал, что «не может быть никакого сомнения в том, что для изложения имеется налицо только единственное твердое и верное исходное положение, именно, понятие и принцип энергии». Без снижения значимости силового описания в предполагаемом курсе, особенно в первой части, подчеркивается энергетическая сторона явлений. Так, например, используя идеи, высказанные Планком, удалось второй закон Кирхгофа представить следствием закона сохранения энергии, что позволяет более последовательно излагать теорию квазистационар- ных токов.
Введение, главы I—VII и § 185 написаны В. Ф. Яковлевым, главы VIII—XIV написаны Р. В. Телесниным.

© ГОСУДАРСТВЕННОЕ УЧЕБНО-ПЕДАГОГИЧЕСКОЕ ИЗДАТЕЛЬСТВО МИНИСТЕРСТВА ПРОСВЕЩЕНИЯ РСФСР Москва 1960

Авторство: Роман Владимирович Телеснин, Виталий Федорович Яковлев

Формат: PDF Размер файла: 39.1 MB

СОДЕРЖАНИЕ

Предисловие 3

Введение 5

ГЛАВА 1

Электрическое поле

  • 1. Основные электрические явления 13
  • 2. Закон Кулона 15
  • 3. Единицы электрического заряда 17
  • 4. Электрическое поле. Напряженность электрического поля 19
  • 5. Напряженность результирующего электрического поля 22
  • 6. Силовые линии поля
  • 7. Потенциал электрического поля 25
  • 8. Работа перемещения заряда в электрическом поле 26
  • 9. Соединение с землей 30
  • 10. Измерение напряжений 31
  • 11. Потенциал результирующего поля 32
  • 12. Эквипотенциальные поверхности. Градиент потенциала и напряженность поля 33
  • 13. Поле точечного заряда 36
  • 14. Взаимная энергия точечных зарядов 37
  • 15. Поле диполя и взаимодействие диполей 39
  • 16. Диполь в электрическом поле 41
  • 17. Поле произвольно распределенных электрических зарядов 44
  • 18. Теорема Остроградского—Гаусса 47
  • 19. Приложение теоремы Остроградского — Гаусса 50
  • 20. Определение элементарного заряда 56
  • 21. Проводники в электрическом поле 59
📜 ОТКРЫТЬ ОГЛАВЛЕНИЕ ПОЛНОСТЬЮ

 

  • 22. Электрофор 63
  • 23. Распределение зарядов на. поверхности проводника. Роль острия 64
  • 24. Электростатический генератор 65
  • 25. Электрофорная машина 66

ГЛАВА П

Электроемкость

  • 26. Электроемкость 69
  • 27. Примеры вычисления емкости конденсаторов 71
  • 28. Соединение конденсаторов 73
  • 29. Устройство конденсаторов 75
  • 30. Различные типы электрометров 76
  • 31. Электростатические измерения 79
  • 32. Энергия заряженного конденсатора. Энергия электрического поля 82

ГЛАВА ///

Диэлектрики

  • 33. Поляризация диэлектриков 86
  • 34. Напряженность электрического поля в диэлектриках 87
  • 35. Вектор электрической индукции 89
  • 36. Изменение поля на границе двух диэлектриков 91
  • 37. Электрические силы при наличии диэлектриков 93
  • 38. Качественная теория поляризации диэлектриков 94
  • 39. Сегнетоэлектрики 97
  • 40. Пьезоэлектрические явления 98

ГЛАВА IV

Постоянный электрический ток

  • 41. Условия возникновения тока 101
  • 42. Величина тока. Единица тока 102
  • 43. Напряжение на участке цепи 104
  • 44. Действия электрического тока 105
  • 45. Измерение тока 107
  • 46. Измерение величины заряда 108
  • 47. Закон Ома для участка цепи 111
  • 48. Сопротивление проводников ИЗ
  • 49. Зависимость сопротивления от температуры 114
  • 50. Последовательное и параллельное соединение проводников 115
  • 51. Дополнительные сопротивления и шунты измерительных приборов 117
  • 52. Работа и мощность постоянного тока. Закон Ленца—Джоуля 119
  • 53. Применение теплового действия тока 120
  • 54. Закон Ома для замкнутой цепи. Э. д. с 122
  • 55. Напряженность поля сторонних сил 126
  • 56. Напряжение сопротивления 127
  • 57. Законы Кирхгофа 128
  • 58. Применение законов Кирхгофа 132
  • 59. Зарядка и разрядка конденсатора 136
  • 60. Коэффициент полезного действия источника э. д. с. и линии передачи энергии 139
  • 61. Дифференциальная форма законов Ома и Ленца — Джоуля 142

ГЛАВА V

Электрический ток в электролитах *

  • 62. Электролитическая диссоциация молекул в растворах 145
  • 63. Закон разведения Оствальда 149
  • 64. Подвижность ионов. Закон Ома для электролитов 150
  • 65. Электролиз. Вторичные химические реакции 153
  • 66. Законы Фарадея 154
  • 67. Объяснение законов Фарадея. Определение заряда электрона 155
  • 68. Электролитическая проводимость твердых тел 156
  • 69. Применение электролиза 157
  • 70. Электролитические конденсаторы 159
  • 71. Электрохимические потенциалы 160
  • 72. Гальванические элементы 163
  • 73. Поляризация гальванических элементов. Деполяризация 164
  • 74. Поляризация при электролизе 165
  • 75. Аккумуляторы 166
  • 76. Новые источники тока 169

ГЛАВА VI

Электрический ток в газах

  • 77. Общие сведения об электропроводности газов 171
  • 78. Подвижность газовых ионов 173
  • 79. Длина свободного пробега электронов в газе ; 174-
  • 80 Ионизация ударом. Вторичная эмиссия электронов. Внутренняя фотоионизация 175
  • 81. Опытное исследование проводимости газов 177
  • 82. Несамостоятельный разряд в газах 178
  • 83. Теория самостоятельного разряда в газах < 180
  • 84. Тлеющий разряд. Ионная плазма ’ в
  • 85. Искровой разряд 186
  • 86. Коронный разряд 188
  • 87. Дуговой разряд 190
  • 88. Молния 193
  • 89. Катодные и каналовые лучи 196

ГЛАВА VII

Электрический ток в вакууме

  • 90. Работа выхода 200
  • 91. Термоэлектронная эмиссия 202
  • 92. Ток термоэлектронной эмиссии. Диоды 203
  • 93 Зависимость тока насыщения от температуры катода 204

94 Катоды электронных ламп 206

  • 95. Двухэлектродная лампа как выпрямитель 207
  • 96. Трехэлектродные лампы (триоды) 208
  • 97. Усиление электрических сигналов 212
  • 98. Многосеточные лампы 214

ГЛАВА VIII

Магнитное поле тока «

  • 99. Основные явления. Магнитное поле 216
  • 100. Напряженность магнитного поля тока в вакууме 218
  • 101. Закон Лапласа — Био — Савара 221
  • 102. Действие поля на ток 224
  • 103. Взаимодействие токов. Законы Ампера 225
  • 104. Система единиц СГСМ 7" 226
  • 105. Магнитное поле в соленоиде 230
  • 106. Контур с током в магнитном поле 232
  • 107. Поле движущегося электрического заряда 235
  • 108. Сила, действующая на заряд, движущийся в магнитном поле (сила Лорентца) 236
  • 109. Движение электрона в электрическом и магнитном поле. Определение отношения заряда электрона к его массе 237
  • НО Электронный осциллограф 239
  • 111. Конвекционные токи. Опыты Эйхенвальда 240
  • 112. Закон полного тока. Магнитодвижущая сила 242

ГЛАВА IX

Магнетики

  • 113. Магнитное поле в магнетиках. Индукция и намагниченность 245
  • 114. Напряженность поля в сплошном однородном магнетике. Физический смысл величин Н и В 248
  • 115. Работа перемещения проводника с током в магнитном поле. Поток магнитной индукции 249
  • 116. Магнитная цепь. Законы Ома и Кирхгофа для магнитной цепи 250
  • 117. Подъемная сила электромагнита 252
  • 118. Электрические измерительные приборы 253

ГЛАВА X

Электромагнитная индукция

  • 119. Основные явления. Закон Фарадея 259
  • 120. Закон индукции Ленца 262
  • 121. Вихревые токи в проводниках
  • 122 Взаимная индукция и самоиндукция
  • 123. Установление тока в цепи с индуктивностью и сопротивлением
  • 124. Измерение напряженности магнитного поля, индукции и разности магнитных потенциалов
  • 125. Энергия магнитного поля тока
  • 126. Плотность энергии магнитного поля
  • 127. Взаимная энергия двух токов
  • 128. Практическая система единиц МКСА. Рационализированная форма записи уравнений

ГЛАВА XI

Природа магнитных явлений

  • 129. Диамагнетизм. Магнитный и механический моменты электрона
  • 130. Теория диамагнетизма Ланжевена
  • 131. Парамагнетизм
  • 132. Ферромагнетики. Общие свойства
  • 133. Гистерезис
  • 134. Работа намагничивания и перемагничивания
  • 135. Природа ферромагнетизма
  • 136. Доменная структура ферромагнетиков
  • 137. Магнитная анизотропия
  • 138. Техническая кривая намагничивания
  • 139. Магнитные материалы
  • 140. Ферриты
  • 141. Размагничивающее поле намагниченного ферромагнетика. Рэлеевский сдвиг
  • 142. Постоянные магниты. Формальная теория магнетизма
  • 143. Взаимодействие токов и магнитов. Влияние среды
  • 144. Магнитострикция. Магнитная вязкость

ГЛАВА XII

Электропроводность металлов и полупроводников. Контактные явления

  • 145. Природа металлической проводимости
  • 146. Классическая электронная теория электропроводности металлов
  • 147. Затруднения классической электронной теории металлов
  • 148. Связь между теплопроводностью и электропроводностью металлов. Закон Видемана и Франца
  • 149. Явление Холла. Определение концентрации носителей тока
  • 150. Понятие о квантовой теории металлов
  • 151. Электронная проводимость металлов по квантовой теории
  • 152. Расщепление энергетических уровней электронов в атомах твердого тела. Понятие об энергетических зонах
  • 153. Различие между металлами, диэлектриками и полупроводниками
  • 154. Электронная и дырочная проводимость
  • 155. Собственная и примесная проводимость полупроводников
  • 156. Температурная зависимость электропроводности полупроводников
  • 157. Явления, возникающие при соприкосновении двух металлов. Контактная разность потенциалов
  • 158. Явление Пельтье. Внутренняя контактная разность потенциалов
  • 159. Термоэлектричество
  • 160. Явление Томсона
  • 161. Контактные явления в полупроводниках
  • 162. Полупроводниковые выпрямители и детекторы 355
  • 163. Полупроводниковые усилители — транзисторы 357
  • 164. Некоторые другие применения полупроводников 360
  • 165. Сверхпроводимость 365

ГЛАВА XIII

Электрические колебания и переменные токи

  • 166. Открытие электрических колебаний
  • § 167. Метод векторных диаграмм
  • 168. Собственные электрические колебания без затухания
  • 169. Разряд конденсатора на индуктивность и сопротивление
  • 170. Получение затухающих электрических колебаний
  • 171. Получение незатухающих электрических колебаний

к § 172. Вынужденные электрические колебания. Получение переменного

тока

  • 173. Действующие или эффективные значения тока и напряжения § 174. Среднее значение величины переменного тока
  • § 175. Цепь переменного тока, содержащая сопротивление и индуктивность
  • § 176. Цепь переменного тока, содержащая сопротивление и емкость ♦ § 177. Общий случай цепи переменного тока с сопротивлением, индуктивностью и емкостью
  • § 178. Резонанс напряжений
  • § 179. Резонанс токов
  • § 180. Мощность переменного тока. Коэффициент мощности и его значение
  • 181. Экономическое значение коэффициента мощности и способы его повышения
  • 182. Вращающееся магнитное поле. Принцип двигателя переменного тока
  • § 183. Трансформация токов. Передача электрической энергии
  • 184. Трехфазный ток

- § 185. Пьезоэлектрический преобразователь (трансформатор)

ГЛАВА XIV

Электромагнитные волны

  • 186. Токи смещения 415
  • 187. Уравнения Максвелла 417
  • 188. Образование и распространение электромагнитных волн 421
  • 189. Прием электромагнитного излучения вибратора 425
  • 190. Опыты Герца 427
  • 191. Трансформатор Тесла. Свойства токов высокой частоты 428
  • 192. Энергия электромагнитной волны. Вектор Умова — Пойнтинга 430
  • 193. Давление электромагнитной волны 431
  • 194. Отражение и поглощение электромагнитных волн 433
  • 195. Электрический и магнитный поверхностный эффект 434
  • 196. Стоячие электромагнитные волны в проволоках. Система Лехера 437
  • 197. Распространение коротких электромагнитных волн в линиях и волноводах 439
  • 198. Принципы радиосвязи 442

§ 199. Принцип радиолокации 449

 

 КАК ОТКРЫВАТЬ СКАЧАННЫЕ ФАЙЛЫ?

👇

СМОТРИТЕ ЗДЕСЬ

Скачать бесплатный учебник СССР - Курс физики – электричество (Телеснин, Яковлев) 1960 года

СКАЧАТЬ PDF

📜 ОТКРЫТЬ ОТРЫВОК ИЗ КНИГИ

За катодным падением потенциала тянется область гораздо меньшей напряженности поля. Напряжение этой области составляет небольшую часть от катодного падения.

Исследование показало, что длина I первого темного пространства, где имеет место катодное падение потенциала, примерно равна свободному пробегу электронов и поэтому возрастает при уменьшении плотности газа.

Далее, опытом было установлено, что при малых токах величина катодного падения потенциала зависит лишь от материала катода и от рода газа.

Эти и другие опытные факты позволяют в общих чертах пояснить процессы, имеющие место в тлеющем разряде. Положительные ионы, образующиеся в трубке в областях свечения газа, двигаясь к катоду, в первом темном пространстве под воздействием сильного электрического поля, создаваемого катодным падением, приобретают значительную кинетическую энергию. В результате бомбардировки положительными ионами с поверхности катода выбиваются электроны (вторичная эмиссия). Кинетическая энергия, накапливаемая электронами вторичной эмиссии при пробеге ими первого темного пространства в направлении анода, является достаточной для ионизации газа в области отрицательного свечения. Здесь образуются положительные ионы, необходимые для поддержания разряда.

Чем больше энергия связи электронов в металле, тем большую величину должно иметь катодное падение потенциала, в котором положительные ионы приобретают энергию, необходимую для возникновения вторичной эмиссии. Подбором материала катода и газа разрядной трубки можно получить достаточно малые катодные падения.

Из изложенного следует, что изменение расстояния между электродами не должно изменять характерных черт тлеющего разряда. Действительно эксперимент показал, что при уменьшении расстояния между электродами изменяется только длина положительного свечения. Если же расстояние между электродами делается равным размерам первого темного пространства, то разряд гаснет, так как при этом исчезает слой отрицательного свечения, в котором возникают положительные ионы, необходимые для поддержания разряда.

В тлеющем разряде второе темное пространство несколько шире первого, в нем электроны вторичной эмиссии, потерявшие скорость при столкновениях с молекулами газа, и электроны, образовавшиеся после ионизации, разгоняются в электрическом поле.

В положительном столбе пространственно совмещается область разгона электронов с областью ионизации электронным 184

ударом. Газ в -положительном столбе сильно ионизирован, не имеет объемных зарядов и обладает большой проводимостью,

поэтому в нем мало падение потенциала.

Применение тлеющего разряда. Тлеющий разряд в разряженных газах находит себе широкое применение. В неоновых лампах используется тлеющий разряд в неоне. Газосветные

трубки такого рода часто делают с малым напряжением зажигания, для этого их электроды покрывают слоем бария. Такие неоновые лампочки, применяемые для целей сигнализации, имеют катодное падение потенциала порядка 70 в и зажигаются при включении в осветительную сеть (рис. 138).

В настоящее время созданы экономичные газосветные источники света, так называемые лампы дневного света. В лампах дневного света тлеющий разряд происходит в парах ртути. Излучение ртутного пара поглощается слоем люминофора, которым покрыта внутренняя полость газосветной трубки. Люминофоры под воздействием поглощаемого излучения сами начинают светиться видимым светом, спектр которого близок к спектру солнечного излучения. Такие лампы в три-четыре раза экономичнее обычных ламп накаливания.

Тлеющий разряд используется также для катодного распыления металлов. Вещество катода при тлеющем разряде вследствие бомбардировки положительными ионами сильно нагревается, в отдельных малых участках и поэтому постепенно переходит в парообразное состояние, а затем оседает на стенках трубки. Помещая в тлеющем разряде вблизи катода различные предметы, их можно покрыть равномерным слоем металла. Ка

тодным распылением пользуются для изготовления зеркал, для покрытия тонким металлическим слоем пьезокварцевых пластинок и т. д.

Ионная плазма. Газ в состоянии высокой степени ионизации при одинаковой концентрации электронов и положительных ионов представляет собой особое состояние вещества — ионную плазму. Ионная плазма образуется в положительном столбе тлеющего разряда и в главном канале искрового разряда. Электроны плазмы в электрическом поле приобретают энергию, на много большую энергии ионов, вследствие различия в их длинах свободных пробегов (§ 79) и вследствие того, что масса электронов намного меньше массы положительных ионов. При соударениях с ионами и нейтральными частицами газа электроны отдают только ничтожную часть своей энергии; энергия, приобретаемая электронами при движении в поле, в основном рассеивается в энергию их теплового движения. В результате

средняя кинетическая энергия электронов в плазме может принимать значения, во много раз превышающие среднюю энергию нейтральных частиц и положительных ионов плазмы.

Электронам плазмы в соответствии с их средней кинетической энергией можно приписать определенную температуру. Введенная таким образом температура электронного газа имеет условный смысл (неравновесное состояние плазмы нельзя описать распределением Максвелла). Но вместе с тем температура электронной плазмы является характерным параметром, определяющим их энергетическое состояние.

Температура электронного газа в плазме намного превышает температуру газа, в котором происходит разряд. В положительном столбе тлеющего разряда при давлении порядка 0,1 мм Hg, эта разница достигает нескольких десятков тысяч градусов.

При достаточно высокой температуре термически ионизированный газ приобретает все свойства плазмы. Внутренние области звезд, в том числе и Солнце, состоят из водородной плазмы. Температура в недрах звезд достигает сотни миллионов градусов. Огромны там и давления. При этих условиях внутри звезд происходят реакции слияния атомных ядер, сопровождаемые выделением огромной ядерной энергии. В итоге образуются устойчивые ядра гелия.

Советские физики, используя газовый разряд, первыми стали искать пути реализации процессов, происходящих в глубинах звезд. Сейчас физики многих стран интенсивно изучают газовые разряды^ стремясь получить высокотемпературные плазмы для создания действующих реакторов синтеза — термоядерных установок, позволяющих использовать энергию синтеза ядер в мирных целях.

  • 85. ИСКРОВОЙ РАЗРЯД

Если на два электрода, помещенных в атмосферном воздухе, подать достаточно большое напряжение, то возникнет электрическая искра. При этом искровой разряд с огромной быстротой пронизывает разрядный промежуток, гаснет и вновь возникает. Ярко светящийся изогнутый канал искры соединяет оба электрода и имеет сложные разветвления (рис. 139). Свечение в искре — результат интенсивных процессов ионизации. Звуковые же эффекты, сопровождающие искру, порождаются повышением давления (до сотен атмосфер) вследствие нагревания газа (до 10 000°) в местах прохождения разряда.

Пробой при искровом разряде начинается при определенной напряженности однородного поля, которая тем больше, чем больше плотность газа (закон

Пашена, соотношение 83,8) и чем меньше его ионизация. Для воздуха при нормальных условиях пробой начинается в однородном поле с напряженностью в 30 000 в/см.

Напряженность поля близ электродов зависит от кривизны их поверхности, поэтому разряд между остриями начинается при меньших напряжениях, нежели между шарами или плоскими электродами. Ниже приведены данные, характеризующие искровой разряд в комнатном воздухе для различных по форме электродов.

Величина искрового промежутка в комнатном воздухе

Напряжение

(в)

Промежуток между остриями (мм)

- Промежуток между шарами (мм)

диаметр шара 5 см

диаметр шара 30 см

Промежуток между плоскостями (м м)

Зависимость искрового промежутка от напряжения используется для устройства общепринятых высоковольтных искровых вольтметров. Он состоит из двух металлических изолированных шаров, расстояние между которыми можно менять. Если подать напряжение на шары известного диаметра и сблизить их до начала искрового разряда, то по величине искрового промежутка можно судить о величине напряжения источника.

Напряжение пробоя уменьшается при воздействии на газ ионизатора. При напряжении, несколько меньшего пробойного, искровой разряд может возникнуть, если на газовый промежуток воздействовать пламенем, рентгеновскими лучами и другими ионизаторами.

Начало искрового разряда порождается ударной ионизацией, но измерения показали, что скорость распространения электрической искры гораздо больше той скорости, которая может иметь место при наличии только ударной ионизации и связанным с ней лавинным разрядом.

Объяснение развития электрической искры дается стримерной теорией, разработанной Миком и Лебом (1940) и обоснованной многими прямыми измерениями. Согласно этой теории для образования искрового разряда имеет большое значение фотоионизация, которая ведет к образованию локальных областей повышенной проводимости газа — стримеров. На рисунке 140 представлена схема развития стримера от катода. На этом рисунке лавины условно показаны заштрихованными

конусами, а волнистыми линиями изображаются направления распространения излучения, идущего от областей повышенной ионизации со скоростью 300 000 км/сек. После первоначальной электронной лавины, возникшей у катода, впереди ее головки происходит образование новых лавин вследствие ионизирующего катод действия излучения. Точно так же последующие

Рис. 140.

Схема развития отри-

лавины своим излучением впереди себя будут производить аналогичное действие. Такой процесс распространяется чрезвычайно быстро, и пока первая лавина примет размеры АВ (рис. 140), область повышенной ионизации (стример) примет гораздо большие размеры CD.

В последующей стадии развития стримера отдельные лавины нагоняют друг друга, сливаются и образуют хорошо проводящий канал газа, вдоль которого и образуется искровой разряд.

Наряду со стримерами, распространяющимися от катода (отрицательные стримеры), существуют положительные стримеры, движущиеся от анода. Схема развития положительных стримеров несколько сложнее вышеприведенной схемы развития отрицательных стримеров.

В твердых и жидких диэлектриках искровой разряд является основной формой самостоятельной проводимости и связан с разрушением самого вещества диэлектрика. Теория пробоя этих диэлектриков еще менее разработана, чем для газов. В твер-

цательного дых диэлектриках искра оставляет отверстия, так стримера. чт0 Здесь термин «пробой» имеет и прямой смысл.

Из твердых диэлектриков наибольшая диэлектрическая прочность (наибольшая пробивная напряженность поля) наблюдается у слюды (до 107 в/см), пробой стекла происходит в поле с 2000—3000 кв/см, диэлектрическая прочность

бакелита, эбонита и слюды еще ниже.

Следует различать пробой через толщу изолятора и разряд по его поверхности, наступающий при более низких напряжениях и обусловленный загрязнениями и увлажнениями поверхности. Для затруднения такого разряда удлиняют путь разряда по поверхности, делая ее фигурной (ребристой, колоколообразной).

  • 86. КОРОННЫЙ РАЗРЯД

Если в данном газовом промежутке напряжение мало для искрового разряда и поле сильно неоднородно, то при достаточно больших давлениях газа у тех электродов, вблизи которых напряженность поля близка к пробивной напряженности, возникает коронный разряд. Такой разряд можно наблюдать около кондукторов электрофорной машины (если они раздвинуты на достаточно большое расстояние) и около тонких проводов, находящихся под высоким напряжением. На рисунке 141 изображена схема прибора, с помощью которого можно воспроизвести коронный разряд. В этом приборе тонкая проволока помещается по оси полого металлического цилиндра. При наложении напряжения между проволокой и цилиндром в пространстве между ними возникнет неоднородное электрическое поле с максимальной напряженностью около проволоки. Когда напряженность поля вблизи проволоки приблизится к 30 000 в/см (пробивная напряженность воздуха, находящегося при нормальных условиях), между проволокой и цилиндром зажигается разряд и в

. цепи пойдет ток. При этом вокруг проволоки возникнет свечение — корона. Внешний

Рис. 142. Фотография короны вокруг проволоки. Слева — положительная корона, справа — отрицательная.

U

Рис. 141. Схема получения коронного разряда.

вид короны при отрицательном потенциале проволоки (отрицательная корона) и при положительном (положительная корона) показан на рисунке 142.

Коронный разряд занимает промежуточное положение между тлеющим и искровым разрядом, в его образовании существенную роль играют электронные лавины, усиливаемые действием фотоионизации.

При отрицательном потенциале проволоки электронные лавины, зарождаясь у проволоки, распространяются к аноду и на некотором расстоянии обрываются вследствие уменьшения напряженности поля. В случае положительной короны электронные лавины зарождаются на внешней поверхности короны и движутся по направлению к проволоке. В отличие от искрового разряда в коронном разряде имеет место неполный пробой газового промежутка, так как в нем электронные лавины не проникают через весь слой газа.

Внутри корон имеются положительные и отрицательные ионы, а за пределами короны будут ионы только одного знака (отрицательные при отрицательной короне и положительные при положительной короне).

Коронный разряд используется в технике в электрофильтрах, предназначенных для очистки промышленных газов от примесей. Принцип действия электрофильтра можно пояснить, пользуясь рисунком 141. Электрофильтр имеет вертикальную трубу, по оси которой расположена коронирующая проволока. Очищаемый газ пропускается по трубе снизу-вверх. Ионы газового разряда, движущиеся к цилиндру, оседают на частицах примеси, вследствие чего эти частицы также увлекаются полем по направлению к цилиндру и на нем оседают. Такого рода электрофильтры применяются в литейных цехах заводов*при производстве серной кислоты и т. д. С их помощью из отходов производства извлекаются многие ценные продукты.

Коронный разряд на высоковольтных линиях передачи вызывает утечки энергии. Чтобы свести действие коронного разряда до минимума, провода высоковольтных линий делают достаточно большого диаметра; с этой целью часто монтаж высоковольтной аппаратуры ведется с помощью полых труб достаточно большого диаметра.

  • 87. ДУГОВОЙ РАЗРЯД

Если получить искровой разряд от мощного источника, а затем постепенно уменьшать расстояние между электродами, то разряд перейдет из прерывистого в непрерывный — возникнет новая форма газового разряда, называемая дуговым разрядом. При этом ток резко возрастает, а напряжение на разрядном промежутке падает до нескольких десятков вольт. Наибольшее

Рис. 143. Фотография электрической дуги между угольными электродами при атмосферном давлении.

расстояние, на которое растягивается дуга, зависит от материала электродов и напряжения между ними.

Пользуясь низким на1пряжением, дуговой разряд можно получить, минуя стадию искры. Для этого электроды сближают до соприкосновения, в местах их соприкосновения они раскаляются теплом Ленца — Джоуля, затем их раздвигают и получают дугу. Таким способом дуговой разряд впервые получил В. В. Петров в 1802 г. с помощью двух угольных стержней и мощной батареи гальванических элементов.

Обычно электрическую дугу (дугу Петрова) получают с помощью специальных угольных электродов, изготовленных из прессованного графита. Фотография такой дуги при атмосферном давлении приведена на рисунке 143. Во время ее горения расстояние между углями бывает порядка 5 мм при токе в 10—20 а и напряжении между углями в 40—50 в.

По мере горения дуги угольный катод заостряется, а на аноде образуется углубление — кратер дуги. Его температура при атмосферном давлении достигает 4000° С, а при давлении 20 атм превышает 7000° С. (Температура внешней поверхности солнца 6000° С.) Катод дуги имеет меньшую температуру, при атмосферном давлении его температура равна примерно 3500° С.

В электрической дуге с металлическими электродами происходит быстрое испарение металла, на что расходуется много тепла, поэтому в такой дуге температура ниже, нежели в дуге с угольными электродами (2000—2500° С).

Опыт показывает, что необходимым условием возникновения дуги является нагревание отрицательного электрода. При охлаждении катода дуга горит неустойчиво, периодически гаснет и снова зажигается. Охлаждение же анода не вызывает нарушения режима работы дуги.

Согласно теории В. Ф. Миткевича (1905), хорошая электропроводность дуги обеспечивается термоэлектронной эмиссией с катода. Сущность этого явления заключается в том, что при высокой температуре часть свободных электронов как бы «испаряется» с поверхности проводника.

Процессы, имеющие место в тлеющем разряде, в электрической дуге дополняются термоэлектронной эмиссией, обогащающей электронами область вблизи катода. Вследствие этого в этой области уменьшается пространственный положительный заряд, что в конечном счете ведет к уменьшению катодного падения потенциала и к увеличению общей проводимости газоразрядного промежутка. Понятно, что при охлаждении катода вследствие уменьшения термоэлектронной эмиссии дуга должна работать неустойчиво, что и наблюдается на опыте.

Электрическая дуга может быть и при низком давлении, при этом ее можно получить из тлеющего разряда, если увеличивать ток до тех пор, пока катод газоразрядной трубки не разогреется под воздействием бомбардировки положительными ионами. Нагревая проволочный катод газоразрядной трубки с помощью специальной батареи, можно также тлеющий разряд перевести в дуговой. Переход тлеющего разряда в дуговой сопровождается резким уменьшением катодного падения потенциала.

При увеличении тока электропроводность дуги сильно возрастает, так как усиливается термоэлектронная эмиссия и ионизация газового промежутка, поэтому дуговой разряд обладает падающей характеристикой: с увеличением тока уменьшается напряжение на газоразрядном промежутке (рис. 144). Из этого следует, что при случайных уменьшениях тока вследствие охлаждения напряжение на электродах должно быть увеличено, иначе дуга погаснет. Для устойчивого горения дуги в цепь последо-

вательно включают балластное сопротивление. При случайных падениях тока уменьшается напряжение на балластном сопротивлении и поэтому при неизменном общем подводимом напряжении увеличивается напряжение газоразрядного промежутка, чем и обеспечивается стабильность горения дуги.

В § 53 рассматривалось применение дуги Петрова для электросварки. Дополнительно остановимся на некоторых других применениях дугового разряда.

В металлургической промышленности для получения высококачественных сталей часто пользуются дуговыми печами. В дуговых печах металл плавится за счет тепла, которое выделяет электрическая дуга. Горит она между металлом и электродами из угля или графита. Самая печь состоит из стального кожуха размером в несколько метров (рис. 145). Изнутри он выложен

Рис. 144. Вольт-амперная характеристика дугового разряда.

Рис. 145. Дуговая плавильная печь: а — электроды, b — расплавленный металл, с —подводка тока.

Рис. 146. Ртутная дуговая лампа.

огнеупорным кирпичом. Верхняя часть печи съемная, подобно крышке. Она также выложена огнеупорным кирпичом. Через отверстия в ней пропускаются угольные или графитовые электроды, диаметр которых превышает полметра.

Дуга Петрова была впервые применена для уличного освещения П. Н. Яблочковым (1876). В настоящее время она широко применяется как источник света для прожекторов и проекционной аппаратуры. Дуговой разряд как источник света является более экономичным, нежели лампы накаливания.

Широкое применение получили ртутные дуговые лампы с ртутными электродами в кварцевых баллонах (рис. 146). Такая лампа предварительно откачивается и дуговой разряд в ней возникает в ртутном паре. Для зажигания ее наклоняют, струйка ртути соединяет электроды, и при возвращении лампы в вертикальное положение в месте разрыва ртути образуется дуга. Дуга, горящая в ртутном паре, является мощным источником ультрафиолетовых лучей и используется в медицине и*для научных опытов.

Для того чтобы при ударе молнии в высоковольтные линии, линии электропоездов, трамваев и других устройств не портились электрические схемы, соединенные с этими линиями, устанавливают в различных местах искровые разрядники, один полюс которых соединяют с сетью, а другой — Искровые промежутки делают такой величины, чтобы рабочее напряжение в линии не могло образовать искры. При ударе молнии в разряднике образуется искровой разряд, который под воздействием напряжения в линии может перейти в дугу. Для того чтобы эта дуга быстро прекращалась, искровой разрядник делают с землей из двух расходящихся кверху проводов (рогообразный разрядник); образовавшийся в узком месте дуговой разряд вследствие конвекции воздуха поднимается вверх, где из-за большого электродами он гаснет. После этого линия от Земли.

расстояния между снова изолируется

  • 88. МОЛНИЯ

Молния есть электрический разряд в нижнем слое атмосферы. Электрическая природа молнии была доказана опытами Франклина, Ломоносова и Рихмана (1752—1753).

Ломоносов построил «громовую машину» — конденсатор, заряжавшийся атмосферным электричеством от провода, соединенного с высоким металлическим шестом. Используя электроскоп, он установил, что в атмосфере всегда существует электрическое поле, сильно увеличивающееся перед грозой. В теоретических обобщениях Ломоносов связывал электризацию атмосферы с потоками воздуха в ней и тем самым заложил основы учения об атмосферных электрических явлениях.

В отсутствии грозы электрическое поле в атмосфере направлено сверху вниз (Земля заряжена отрицательным электричеством) и напряженность такого поля составляет около 100 в/м. Причиной сильного увеличения электрического поля перед грозой являются электрические заряды облаков. Различные части грозового облака несут заряды различных знаков. Чаще всего нижняя часть облака бывает отрицательна, а верхняя — положительна (рис. 148). Поэтому под грозовым облаком направление поля направлено от Земли к отрицательно заряженному нижнему краю облака.

Возникновение зарядов в облаках связано с процессами конденсации влаги и с восходящими токами воздуха; в экваториальных странах, где эти процессы наиболее интенсивны, грозы часты и сильны. Восходящий ток воздуха, имеющий скорость 8—10 м/сек, разбивает водяные капли, при этом отдельные мельчайшие капельки, заряженные отрицательно, уносятся и распределяются по всему грозовому облаку, а более крупные, заряженные положительно, остаются плавать в воздухе там, где вертикальные воздушные потоки могут их поддерживать. В грозовом облаке электрические заряды достигают 100—200 к. На рисунке 148 показано типичное распределение зарядов в грозовом облаке.

Когда электрическое поле в атмосфере вследствие электризации облака делается достаточно большим, возникает молния. Наблюдается несколько типов молний.

Рис. 148. Схема грозового облака.

Часто происходит искровая молния, которая является искровым разрядом между облаком и Землей или между облаками (рис. 150). Величина тока в ней огромна и достигает 200 000 а, а напряжение между облаком и Землей (или между облаками) перед разрядом становится порядка 109 в. Длительность отдельного разряда молнии мала, порядка миллисекунды, поэтому заряд, переносимый отдельной молнией, невелик (не более 200 к). Толщина канала молнии не больше 20—30 см, длина же ее достигает 10 км, В канале создается повышенное давление газов, которое после удара молнии вызывает разрыв канала, что и порождает гром.

Фотографирование молнии позволяет проследить за последовательными стадиями ее развития. Искровой молнии предшествует развитие слабо светящегося канала — лидера, распространяющегося обычно от облака к земле и аналогичного стримеру (§85). Когда лидер соединит облако с Землей (или два облака), по его пути образуется главный канал молнии (рис. 149). Одиночный разряд уносит заряды только из части облака. К этому месту устремляются заряды из других частей облака. Поэтому обычно вслед за первым ударом молнии возникает ряд повторных ударов, следующих друг за другом почти по одному и тому же пути. Каждому из них предшествует лидер, восстанавливающий электропроводимость канала. Число таких ударов может достигать нескольких десятков с общей продолжительностью до 1 сек.

Искровая молния во многом подобна короткому лабораторному искровому разряду, в то же время она имеет и некоторые свои особенности. Искровой разряд в небольших газовых промежутках при нормальных условиях наступает при напряженностях в 30 000 в/см (§ 85); напряженность же поля во время грозы не превышает 4000 в!см. Снижение пробойной напряженности поля в больших воздушных пространствах отчасти. Внутри одного облака может иметь место так называемая плоская молния. По-видимому, плоская молния возникает тогда, когда напряженность поля такова, что создается ионизация толчком, но имеющиеся электрические заряды недостаточно велики, чтобы дать начало подлинному искровому разряду. Плоские молнии обычно беззвучны.

Очень редко наблюдаются шаровые молнии (рис. 150). Эти молнии имеют вид светящихся шаров диаметром 10—20 см, появляются после удара искровой молнии, медленно движутся или прикрепляются к неподвижным предметам, а затем исчезают часто с сильным взрывом. Происхождение таких молний до сих пор окончательно не выяснено.

Статистика показывает, что вокруг земного шара происходит в среднем одновременно 1800 гроз. Удары молний могут

- Рис. 150. Фотография шаровой и искровой молний.

вызвать большой ущерб; достаточно указать, что в настоящее время около половины всех аварий в крупных линиях передачи вызываются грозовыми разрядами. Еще со времени

Франклина и Ломоносова для защиты от молний применяют грозоотводы, представляющие собой заостренные металлические стержни, хорошо соединенные с Землей и укрепленные выше самой высокой точки защищаемого здания (рис. 151). Защитное действие грозоотвода распространяется на расстояние, примерно равное удвоенной его высоте.

Современное объяснение действия грозоотвода дано Я. И. Френкелем. Во время грозы на Земле появляются большие индукционные заряды и у поверхности Земли возникает сильное электрическое поле, напряженность которого особенно велика на конце грозоотвода, вследствие чего у его острия возникнет коронный разряд, сопровождаемый электрическим ветром (§ 23). Воздух вблизи

грозоотвода сильно ионизируется, поэтому и

напряженность поля вокруг грозоотвода сильно уменьшается, что и уменьшает вероятность удара молнии в грозоотвод. В тех же

случаях, когда молния все же возникнет, она

ударяет в грозоотвод и заряды уходят в землю, не причинив разрушений.

Иногда коронный разряд у грозоотвода бывает настолько сильным, что он делается ясно видимым. Такое свечение наблюдается на концах корабельных мачт, острых вершинах деревьев и т. п. Это явление было замечено несколько веков назад («огни святого Эльма») и вызывало суеверный ужас людей, не понимавших истинной его причины.

  • 89. КАТОДНЫЕ И КАНАЛОВЫЕ ЛУЧИ

В тлеющем разряде (§ 84) с катода вылетают электроны, выбиваемые положительными ионами. Поток электронов, испускаемый катодом при тлеющем разряде, был открыт в конце прошлого века Круксом и получил название катодных лучей.

При уменьшении давления газа в газоразрядной трубке средняя длина свободного пробега электронов увеличивается и соответственно расширяется первое темное пространство. При дав- лении 0,01—0,001 мм Hg оно заполняет почти всю трубку и поток электронов достигает стенок трубки, при этом свечение газа почти исчезает, но зато появляется зеленоватое свечение стекла трубки, порождаемое ударами, электронов катодны.к лучей.

Найти похожие материалы можно по меткам расположенным ниже

             👇

Педагогическое образование, Физика - ДЛЯ ВУЗОВ-ТЕХНИКУМОВ, Автор - Телеснин Р.В., Автор - Яковлев В.Ф.

НОВЫЕ ПУБЛИКАЦИИ УЧЕБНИКОВ и КНИГ ПО ФИЗИКЕ

БОЛЬШЕ НЕТ

ПОПУЛЯРНЫЕ УЧЕБНИКИ и КНИГИ ПО ФИЗИКЕ

БОЛЬШЕ НЕТ

Еще из раздела - ФИЗИКА

БОЛЬШЕ НЕТ

УЧЕБНИКИ ПО ФИЗИКЕ СПИСКОМ И ДРУГИЕ РАЗДЕЛЫ БИБЛИОТЕКИ СВ

Яндекс.Метрика