Курс физики для вузов - часть 50

между грозовым облаком и Землей или
между двумя грозовыми облаками.

Искровой разряд используется для

воспламенения горючей смеси в двига-
телях внутреннего сгорания и предох-
ранения электрических линий переда-
чи от перенапряжений (искровые раз-
рядники). При малой длине разрядно-
го промежутка искровой разряд вызы-
вает разрушение (эрозию) поверхнос-
ти металла, поэтому он применяется
для электроискровой точной обработ-
ки металлов (резание, сверление). Его
используют в спектральном анализе
для регистрации заряженных частиц

(искровые счетчики).

3. Дуговой разряд. Если после за-

жигания искрового разряда от мощно-
го источника постепенно уменьшать
расстояние между электродами, то раз-
ряд становится непрерывным — возни-
кает дуговой разряд. При этом сила тока
резко возрастает, достигая сотен ампер,
а напряжение на разрядном промежут-
ке падает до нескольких десятков вольт.

Дуговой разряд можно получить от

источника низкого напряжения, минуя
стадию искры. Для этого электроды

(например, угольные) сближают до со-

прикосновения, они сильно раскаляют-
ся электрическим током, потом их раз-
водят и получают электрическую дугу

(именно так она была открыта В. В. Пет-

ровым). При атмосферном давлении
температура катода приблизительно
равна 3900 К. По мере горения дуги
угольный катод заостряется, а на аноде
образуется углубление — кратер, явля-
ющийся наиболее горячим местом дуги.

По современным представлениям,

дуговой разряд поддерживается за счет

высокой температуры катода из-за ин-

тенсивной термоэлектронной эмиссии,
а также термической ионизации моле-
кул, обусловленной высокой темпера-
турой газа.

Дуговой разряд находит широкое

применение для сварки и резки метал-
лов, получения высококачественных
сталей (дуговая печь) и освещения

(прожекторы, проекционная аппарату-

ра). Широко применяются также дуго-
вые лампы с ртутными электродами в
кварцевых баллонах, где дуговой раз-
ряд возникает в ртутном паре при от-

качанном воздухе. Дуга, возникающая
в ртутном паре, является мощным ис-
точником ультрафиолетового излуче-
ния и используется в медицине (напри-
мер, кварцевые лампы). Дуговой разряд
при низких давлениях в парах ртути
используется в ртутных выпрямителях
для выпрямления переменного тока.

4. Коронный разряд — высоковольт-

ный электрический разряд при высо-
ком (например, атмосферном) давле-
нии в резко неоднородном поле вблизи
электродов с большой кривизной по-
верхности (например, острия). Когда
напряженность поля вблизи острия до-
стигает 30 кВ/см, то вокруг него возни-
кает свечение, имеющее вид короны,
чем и вызвано название этого вида раз-
ряда.

В зависимости от знака корониру-

ющего электрода различают отрица-
тельную или положительную корону.

В случае отрицательной короны рожде-

ние электронов, вызывающих ударную
ионизацию молекул газа, происходит за
счет эмиссии их из катода под действи-
ем положительных ионов, в случае по-
ложительной короны — вследствие
ионизации газа вблизи анода. В есте-
ственных условиях корона возникает
под влиянием атмосферного электриче-
ства у вершин мачт (на этом основано
действие молниеотводов), деревьев

1

.

Вредное действие короны вокруг про-

1

 Это явление получило в древности назва-

ние огней святого Эльма.

199

водов высоковольтных линий переда-
чи проявляется в возникновении вред-
ных токов утечки. Для их снижения
провода высоковольтных линий дела-
ются толстыми. Коронный разряд, яв-
ляясь прерывистым, становится также
источником радиопомех.

Используется коронный разряд в

электрофильтрах, применяемых для
очистки промышленных газов от при-
месей. Газ, подвергаемый очистке, дви-
жется снизу вверх в вертикальном ци-
линдре, по оси которого расположена
коронирующая проволока. Ионы, име-
ющиеся в большом количестве во внеш-
ней части короны, оседают на частицах
примеси и увлекаются полем к внеш-
нему некоронирующему электроду и на

нем оседают. Коронный разряд приме-

няется также при нанесении порошко-
вых и лакокрасочных покрытий.

§ 108. Плазма и ее свойства

Плазмой называется сильно иони-

зованный газ, в котором концентрации
положительных и отрицательных заря-
дов практически одинаковы. Различа-

ют высокотемпературную плазму,
возникающую при сверхвысоких тем-
пературах, и газоразрядную плазму,
возникающую при газовом разряде.

Плазма характеризуется степенью

ионизации

 — отношением числа

ионизованных частиц к полному их

числу в единице объема плазмы. В за-
висимости от величины  говорят о
слабо (а составляет доли процента),

умеренно

 — несколько процентов)

и полностью

 близко к 100 %) иони-

зованной плазме.

Заряженные частицы (электроны,

ионы) газоразрядной плазмы, находясь
в ускоряющем электрическом поле,
имеют разную среднюю кинетическую

энергию. Это означает, что температу-
ра электронного

 и ионного

 газов

различна, причем

 >

 Несоответ-

ствие этих температур указывает на то,
что газоразрядная плазма является
неравновесной, поэтому она называет-
ся также неизотермической. Убыль
числа заряженных частиц в процессе
рекомбинации в газоразрядной плаз-
ме восполняется ударной ионизацией
электронами, ускоренными электри-
ческим полем. Прекращение действия
электрического поля приводит к исчез-
новению газоразрядной плазмы.

Высокотемпературная плазма яв-

ляется равновесной, или изотермиче-

ской, т. е. при определенной температу-
ре убыль числа заряженных частиц вос-
полняется в результате термической
ионизации. В такой плазме соблюдает-
ся равенство средних кинетических
энергий, составляющих плазму различ-
ных частиц. В состоянии подобной
плазмы находятся звезды, звездные ат-
мосферы, Солнце. Их температура до-
стигает десятков миллионов градусов.

Условием существования плазмы

является некоторая минимальная плот-

ность заряженных частиц, начиная с
которой можно говорить о плазме как
таковой. Эта плотность определяется в
физике плазмы из неравенства

 D,

где L — линейный размер системы заря-
женных частиц, D — так называемый де-

баевский радиус экранирования, пред-

ставляющий собой то расстояние, на
котором происходит экранирование ку-
лоновского поля любого заряда плазмы.

Плазма обладает следующими ос-

новными свойствами: высокой степе-
нью ионизации газа, в пределе — пол-
ной ионизацией; равенством нулю ре-
зультирующего пространственного за-
ряда (концентрация положительных и
отрицательных частиц в плазме прак-
тически одинакова); большой электро-

200

проводностью, причем ток в плазме со-
здается в основном электронами, как
наиболее подвижными частицами; све-
чением; сильным взаимодействием с
электрическим и магнитным полями;

колебаниями электронов в плазме с
большой частотой

 Гц), вызываю-

щими общее вибрационное состояние
плазмы; «коллективным» — одновре-
менным взаимодействием громадного
числа частиц (в обычных газах части-
цы взаимодействуют друг с другом по-
парно). Эти свойства определяют каче-
ственное своеобразие плазмы, позволя-
ющее считать ее особым, четвертым, со-
стоянием вещества.

Изучение физических свойств плаз-

мы дает возможность, с одной стороны,
решать многие проблемы астрофизики,
поскольку в космическом пространстве
плазма — наиболее распространенное

состояние вещества, а с другой — откры-
вает принципиальные возможности

осуществления управляемого термо-
ядерного синтеза. Основным объектом
исследований по управляемому термо-
ядерному синтезу является высокотем-
пературная плазма

 К) из дейте-

рия и трития (см. § 268).

Низкотемпературная

 (< 10

5

 К)

применяется в газовых лазерах, термо-
электронных преобразователях и маг-
питогидродинамических генераторах

(МГД-генераторах) — установках для
непосредственного преобразования

тепловой энергии в электрическую, в
плазменных ракетных двигателях, весь-
ма перспективных для длительных кос-
мических полетов.

Низкотемпературная плазма, полу-

чаемая в плазмотронах, используется
для резки и сварки металлов, для полу-
чения некоторых химических соедине-

ний (например, галогенидов инертных
газов), которые не удается получить

другими способами, и т.д.

Контрольные вопросы

Какими опытами была выяснена природа носителей электрического тока в металлах?

Каковы основные идеи теории Друде —Лоренца?

Сравните порядок средних скоростей теплового и упорядоченного движения электронов

в металлах (при условиях, близких к нормальным и приемлемым в электротехнике).

Почему тепловое движение электронов не может привести к возникновению электри-

ческого тока?

Выведите на основе классической теории электропроводности металлов дифференци-

альную форму законов Ома и Джоуля —Ленца.

Как классическая теория проводимости металлов объясняет зависимость сопротивле-

ния металлов от температуры?

В чем заключаются трудности элементарной классической теории электропроводности

металлов? Каковы границы ее применения?

Какие существуют разновидности эмиссионных явлений? Дайте их определения.

Объясните вольт-амперную характеристику для вакуумного диода.

Что называют работой выхода электрона?

Можно ли изменять силу тока насыщения вакуумного диода? Если да, то как?

Каким образом можно вырвать электроны из холодного катода? Как называется это яв-

ление?

Дайте объяснение качественной зависимости коэффициента вторичной электронной

эмиссии диэлектрика от энергии падающих электронов.

К какому типу газового разряда относится молния?

Может ли возникнуть ток насыщения при самостоятельном газовом разряде?

201

• Охарактеризуйте типы самостоятельного газового разряда. В чем их особенности?
• Охарактеризуйте процесс ионизации; рекомбинации.
• В чем отличие самостоятельного газового разряда от несамостоятельного? Каковы ус-

ловия, необходимые для его осуществления?

• В чем отличие равновесной плазмы от неравновесной?
• Приведите основные свойства плазмы. Каковы возможности ее применения?

ЗАДАЧИ

13.1. Концентрация электронов проводимости в металле равна 2,5 • 10

22

 Определите

среднюю скорость их упорядоченного движения при плотности тока 1 А/мм

2

. [0,25 мм/с]

13.2. Работа выхода электрона из вольфрама составляет 4,5 эВ. Определите, во сколько

раз увеличится плотность тока насыщения при повышении температуры от 2000 до 2500 К.

[В 290 раз]

13.3. Работа выхода электрона из металла равна 2,5 эВ. Определите скорость вылетаю-

щего из металла электрона, если он обладает энергией

 Дж. [1,15 Мм/с]

13.4. Воздух между пластинами плоского конденсатора ионизируется рентгеновским

излучением. Сила тока, текущего между пластинами, 10 мкА. Площадь каждой пластины
конденсатора равна 200 см

2

, расстояние между ними 1 см, разность потенциалов 100 В. Под-

вижность положительных ионов

 = 1,4

 • с) и отрицательных Ъ_ = 1,9

 • с);

заряд каждого иона равен элементарному заряду. Определите концентрацию пар ионов меж-
ду пластинами, если ток далек от насыщения. [9,5 • 10

14

13.5. Ток насыщения при несамостоятельном разряде равен 9,6 пА. Определите число

пар

 создаваемых в 1 с внешним ионизатором. [3 • 10

7

]

Глава 14

МАГНИТНОЕ ПОЛЕ

§ 109. Магнитное поле

и его характеристики

Подобно тому как в пространстве,

окружающем электрические заряды,
возникает электростатическое поле,
так и в пространстве, окружающем
токи и постоянные магниты, возника-
ет силовое поле, называемое магнит-
ным. Наличие магнитного поля обна-
руживается по силовому действию на
внесенные в него проводники с током
или постоянные магниты. Название

«магнитное поле» связывают с ориен-

тацией магнитной стрелки под действи-

ем поля, создаваемого током [это явле-

ние впервые обнаружено датским фи-
зиком X. Эрстедом (1777— 1851)].

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 дви-

жущиеся в нем электрические заряды.

Опыт показывает, что характер воздей-

ствия магнитного поля на ток различен
в зависимости от формы проводника,

по которому течет ток, от расположения
проводника и от направления тока.

Следовательно, чтобы охарактеризо-

вать магнитное поле, надо рассмотреть
его действие на определенный ток.

202