ГЛАВА III Электрическое смещение
ГЛАВА III Электрическое смещение.
Общая характеристика электромагнитных процессов.
Вся совокупность наших современных знаний свидетельствует о тесной связи между магнитными и электрическими явлениями. В настоящее время не подлежит… j=F/R гласит, что магнитный поток j, рассматриваемый нами как основной процесс, происходящий в магнитном поле, может иметь…Электрическое смещение. Основные положения Максвелла.
Для дальнейшего изложения целесообразно обратиться непосредственно, к определениям и положениям, данным Максвеллом в его книге Treatise on… „60. Электрическая поляризация элементарного объема диэлектрика есть… „Величина смещения (в данной точке) измеряется количеством электричества, которое проходит сквозь единицу поверхности…В настоящее время диэлектрическую постоянную принято обозначать через e.
Переводчик.
Эти слова Максвелла необходимо сопоставить с тем обстоятельством, что „как бы мы ни понимали движение электричества", данный процесс органически связан с магнитным полем, соответствующим образом ориентированным относительно пути движения электричества. Движущийся электрический заряд представляет собою лишь одну сторону того нераздельного электромагнитного процессу другой стороной которого является некоторый магнитный поток.
Переводчик.
Курсив переводчика.
Мера электрического смещения.
Тогда, в случае однородности и изо-Ток смещения.
D=dq/ds. Силаже электрического тока, который, по Максвеллу, может иметь место в диэлектрике, т. е. сила тока смещения, зависит от изменения… JD=dD/dt. (29) Действительно, если обозначить силу тока через i0 то мы имеем:Теорема Максвелла.
Обозначим через a угол, образуемый внешнею нормалью N к этому элементу поверхности и направлением электрической силы…Природа электрического смещения.
Если, например, мы имеем два проводника А и В с зарядами +q и -q (рис. 107), то при соединении их посредством проводника С произойдет нейтрализация… При формальном рассмотрении вопроса для нас важно лишь то, что произошло движение электричества, приведшее к…Пояснения к теореме Максвелла. Выводы из основной
Формулировки.
Взяв от обеих частей этого равенства производную по s, получим:Математическая формулировка принципа непрерывности
Тока.
Обратимся теперь к математической формулировке принципа непрерывности электрического тока. Рассмотрим какую-либо совершенно произвольную замкнутую поверхность s и выведем выражение для величины полного электрического тока сквозь эту поверхность. Взяв производные по времени от обеих половин основного соотношения, выражающего теорему Максвелла в применении к данной поверхности, мы получим:
или
1ак как 
есть нормальная составляющая плотности тока электрического смещения сквозь поверхность, то обозначим ее через JDcosa, где a есть угол, образуемый вектором тока смещения с внешнею нормалью. Тогда имеем
Выражение (32) определяет собою величину полного тока смещения сквозь рассматриваемую замкнутую поверхность. То обстоятельство, что этот ток равен dQ/dt , т. е. скорости изменения полного количества электричества внутри замкнутой поверхности, свидетельствует о существовании в нашей системе еще других токов, кроме тока смещения. Действительно, количество электричества О может изменяться не самопроизвольно, а только в связи с тем, что на ряду с током смещения сквозь поверхность, т. е. токами упругой деформации, обусловливаемыми изменением этой деформации в диэлектрике, сквозь ту же поверхность снаружи внутрь или изнутри наружу проходят еще электрические токи другого рода. Таковыми могут быть, во-первых, ток проводниковый, некоторым образом распределенный по поверхности, и, во-вторых, так называемый конвекционный ток, т. е. ток переноса, состоящий в непосредственном пронесении зарядов, например, в виде газовых ионов, электронов или просто путем движения каких-либо иных тел, заряженных электричеством того или иного знака. На основании изложенного можем написать:
где Jr — плотность проводникового тока, b— угол, составляемый направлением этого тока с внутренней нормалью в данной точке поверхности, Jk — плотность конвекционного тока и g'—соответствующий ему угол. В данной случае мы имеем в виду внутреннюю нормаль к поверхности, ибо речь идет о токах, которые должны покрыть изменения Q, связанные с токами смещения, рассматриваемыми нами, согласно условию, в направлении внешней нормали. Иными словами, токи проводниковый и конвекционный текут сквозь поверхность, в общем обратно току смещения. Принимая во внимание (32), можем написать:
Если мы теперь возьмем, вместо углов b' и g', углы b и g, образованные соответствующими токами с внешней нормалью к данной поверхности s, то знаки перед интегралами правой части равенства изменятся на обратные, так как:
cosb'=cos(180°-b),
cosg'=cos(180°-g).
Таким образом, получаем:
Мы получили математическое выражение принципа непрерывности электрического тока, указывающее, что сумма всех токов сквозь замкнутую поверхность равна нулю, т. е. электричество ведет себя в некотором замкнутом пространстве как несжимаемая жидкость (см. § 47). Полученное выражение можно преобразовать, объединив все выражения под знаком одного интеграла, т. е. написав:
В скобках заключена сумма проекций некоторых векторов на направление внешней нормали. Эту сумму можно заменить проекцией результирующего вектора на то же направление. Обозначим плотность результирующего тока через J и угол, образуемый им с внешней нормалью, через 8. В таком случае можем написать:
н окончательно имеем:
Выражение (34), являющееся математической формулировкой принципа непрерывности электрического тока, гласит, следовательно, что полный электрический ток сквозь любую замкнутую поверхность всегда равен нулю.
Механическая аналогия.
Рассмотрим некоторый цилиндр К (рис. 110) с поршнем Р, периодически двигающимся вперед и назад благодаря соответствующему механическому устройству.… Совершенно таким же представляется нам и ток электрический, если мы будем…Непрерывность тока в случае электрической конвекции.
своих „Опытных исследований по электричеству" он говорит: „...таким…Сложные примеры непрерывности тока.
В качестве первого примера сложной комбинации токов разного рода рассмотрим случай, схематически представленный на рис. 113.
Это есть не что иное, как „электрический маятник". Здесь В представляет собою высоковольтную батарею, Р1 и P2 — металлические пластины, между которыми создается электрическое поле, А — легкий проводящий шарик, подвешенный в точке О" на шелковой нити. Как вообще работает электрический маятник, это всем известно из элементарного курса физики. Процесс начинается с того, что шарик А, благодаря некоторой несимметрии в системе, притягивается к одной из заряженных пластин, скажем, к Р1. При прикосновении к пластине шарик приобретет потенциал этой пластины, зарядится положительно и оттолкнется, направляясь к противоположно заряженной пластине P2. Во время этого движения непосредственно в промежутке между p1 и А будут усиливаться электрическое поле и электрическое смещение в направлении от p1 к А Следовательно, в этом промежутке будет иметь место ток смещения того же направления. В то же время в промежутке между А и p2 также будут усиливаться поле и электрическое смещение в направлении от А к Р2. Таким образом, и с этой стороны шарика возникает ток смещения, направленный от p1 к P2. Итак, при переносе шаря; ом положительного заряда от Р1 к Р2 возникаю-
щие в этом промежутке токи смещения имеют вполне согласное направление от p1 к Р2. При этом, конечно, по проводящей части цепи будет протекать ток, как показано на рисунке стрелками. Когда шарик А коснется пластины Р2 и будет заряжаться отрицательно, в это время между А и р2 будет протекать проводниковый ток. Одновременно с этим в промежутке между Р1 и А поле и электрическое смещение будут продолжать усиливаться, и этот процесс усиления будет продолжаться и тогда, когда шарик, оттолкнувшись от Р2, начнет обратно притягиваться к p1. В промежутке же непосредственно между А и p2 электрическое смещение, достигшее максимума перед самым моментом контакта, в этот момент ослабевает и доходит до нуля, так как разность потенциалов между А и p2 падает во время контакта до нуля. При этом в непосредственной близости к месту контакта в диэлектрике возникает кратковременный ток смещения, имеющий направление, обратное проводниковому току в контакте. Принимая во внимание, что проводниковый ток в месте контакта всегда имеет направление, согласное с направлением общего тока в рассматриваемом основном контуре, в данном случае по часовой стрелке, мы должны признать, что только-то упомянутый кратковременный ток смещения в районе контакта не входит в общий основной контур тока, а образует местный контур добавочного тока, существующего только во время контакта. Здесь мы встречаемся с интересным явлением, отчасти аналогичным тому, что происходит во всех коллекторных машинах, когда в зоне коммутации, благодаря короткому замыканию между двумя соседними пластинами коллектора, мы получаем местные короткозамкнутые токи, протекающие до некоторой степени обособленно от главной цепи машины. То, что мы выяснили в отношении контакта между А и P2, будет иметь место и при контакте между А и Р1. Таким образом, при колебании шарика А между пластинами Р1 и Р2, в этом промежутке, кроме тока непосредственной конвекции, осуществляемой движением положительно заряженного шарика вправо и отрицательно заряженного влево, будут существовать токи смещения, обусловливаемые нарастанием электрического смещения от Р1 к Р2 и согласованные с направлением тока в нашей основной цепи (по часовой стрелке). И в то же время деформация электрического смещения, достигающая по каждую сторону шарика А максимума за время между двумя последовательными соприкосновениями шарика с одной и той же пластиной, в момент контакта исчезает в процессе кратковременного местного тока, замыкающегося через тот же контакт, через который течет и главный ток, при чем, конечно, энергия исчезающей электрической деформации превратится в добавочное тепло в месте контакта. Так осуществляется принцип непрерывности тока в рассмотренном случае электрического маятника.
. Рассмотрим теперь случай линии передачи электрической энергии. На рис. 114 схематически представлено начало этой линии.
Здесь Т представляет трансформатор, получающий первичную
энергию от генераторных зажимов М N и повышающий напряжение, которое затем подается на линию передачи, которая в данном примере, ради упрощения схемы, представлена как линия двухпроводная, однофазная. Обследуем вопрос о том, каким образом в этом случае замыкается ток, идущий от трансформатора Т в линию. Ясно, конечно, что прежде всего необходимо учесть ток, текущий непосредственно по проводам и, вообще говоря, замыкающийся на другом конце линии через приемную подстанцию. Но, кроме этого проводникового тока, необходимо еще принять во внимание то обстоятельство, что среда, находящаяся в промежутке между проводами А и В и окружающая их со всех сторон, не остается совершенно безучастной в процессе передачи энергии. Дело в том, что, в случае передачи энергии переменными токами, напряжение между проводами линии непрерывно меняется, и вместе с тем непрерывно меняется электрическое поле в пространстве вокруг проводов и между ними. Следовательно, в этом пространстве непрерывно изменяется деформация электрического смещения. Поэтому в нем во все время работы линии передачи имеют место токи смещения, проходящие через диэлектрик в направлении от одного провода к другому, т. е. от А к В или от В к А, и притом в таком направлении, что путем этих токов смещения отчасти замыкается тот полный ток, который исходит от высоковольтных зажимов трансформатора. Другими словами, токи смещения между проводами линии передачи являются ответвлениями, равномерно распределенными вдоль всей линии. Вследствие этого через поперечные сечения различных участков проводов А и В протекают токи неодинаковой силы. Действительно, по проводам участка А0В0 текут составляющие полного тока, замыкающиеся далее через токи смещения на участках А1В1, А2В2 и т. д. Подобным же образом на участке А1В1 в состав проводникового тока входят токи смещения последующих участков А2В2, А3В3 и т. д. Эти токи смещения играют, таким образом, существенную роль в процессе передачи энергии, и полный учет их необходим при расчете протяженных линий передачи. Обыкновенно их рассматривают с формальной стороны как емкостные токи, т. е. как токи, идущие на заряжение емкости последовательно расположенных участков линии. Как видим, эти емкостные составляющие полного тока в линии представляют собою, с максвелловской точки зрения, не что иное, как именно
токи смещения в диэлектрике, разделяющем провода. Являясь результатом непрерывных изменений упругой деформации в изолирующей среде, токи смещения не влекут за собой никаких потерь в таком более или менее совершенном диэлектрике как воздух. Но, кроме токов смещения через воздух, в рассматриваемом случае имеют место еще токи смещения в тех изоляторах, к которым крепятся провода. Эти токи обычно сопровождаются потерями энергии на так называемый диэлектрический гистерезис (см. § 71). Кроме токов смещения, имеющих место между проводами, есть еще и другие факторы, обусловливающие ответвления вдоль линии от главного тока. Дело в том, что поверхность изоляторов, обычно покрытая пылью и влагой, совместно с металлическими частями изоляторной конструкции и частями опор играет роль известного соединения между проводами А и В. Сюда же следует отнести и утечки тока, зависящие от некоторой нормальной проводимости, которою, хотя и в ничтожной степени, обладает вещество всех применяемых на практике изоляторов. Наконец, когда напряжение между проводами превышает предел, зависящий в каждом отдельном случае от расстояния между проводами, от их диаметра, от атмосферных условий и т. д., т. е. когда напряжение будет выше критического, в линии передачи обнаруживается появление так называемой „короны", т. е. тихого разряда между проводами через воздух. Этот вид разряда возникает благодаря образованию у поверхности проводов при достаточно сильном электрическом поле свободных ионов, как положительных, так и отрицательных. Как только появляются ионы в пространстве вокруг проводов, они тотчас же начинают двигаться от одного провода к другому, образуя ток электрической конвекции. Таким образом, в последнем случае через воздух, разделяющий провода, будет течь, кроме тока смещения, еще и конвекционный ток, могущий оказаться серьезной причиной потерь энергии в линии передачи и потому, как нормальное явление, недопустимый. Явление короны и конвекционные токи между проводами вместе с соответствующими потерями обычно имеют место только при наличии каких-либо ненормальных режимов в линии передачи. Все рассмотренные добавочные факторы утечки тока между проводами еще более увеличивают то различие в силе тока в проводах вдоль линии, о котором мы говорили по поводу токов смещения. Как бы сложны, однако, ни были условия, в которых возникают и существуют токи разных категорий, встречающиеся в линиях передачи энергии, во всяком случае всегда эти токи протекают по замкнутым цепям.
В заключение остановимся на случае токов во внешних частях радиоотправительной установки. Пусть M1 и М2 представляют мачты (рис 115), поддерживающие при помощи изоляторов антенну ВА1А2.
Через посредство снижающейся части В антенна присоединяется к радиогенераторному устройству, помещающемуся в здании станции и сообщающемуся с другой стороны с противовесом или с землею Т. Во время работы радиостанции, по снижению В идут частопеременные токи, которые замыкаются далее главным образом
через емкость антенны, как токи смещения сквозь диэлектрик, окружающий верхнее строение антенны. Если, например, ток в части В идет от станции вверх, как показано сплошной стрелкой, то часть A1A2 будет заряжаться положительно, и между этой частью и поверхностью земли будет возникать электрическое поле и смещение в направлении сверху вниз. Это возрастающее смещение обусловит появление в пространстве токов смещения, направленных от A1A2 к поверхности земли (сплошные стрелки). При обратном направлении тока в снижении В (пунктирная стрелка) токи смещения в окружающем пространстве будут течь по обратному направлению, т. е. от поверхности земли к части А1А2 (пунктирные стрелки). Эти токи смещения через диэлектрик, окружающий антенну, существенно необходимы для того, чтобы она могла излучать электромагнитную энергию в пространство, ибо при этом создаются условия, благодаря которым энергия, распределенная в диэлектрике, может освобождаться от непосредственной связи с основным радиогенераторным устройством. В настоящей стадий изучения вопроса для нас является существенным констатирование того факта, что электрические токи смещения, имеющие место в поле антенны, в полной мере подчиняются принципу непрерывности тока. В рассматриваемом примере часто переменный ток, протекающий по части В, может еще замыкаться через утечку по изоляторам, а также через посредство электрической конвекции, обычно имеющей место у концов антенны, где напряжение достигает больших значений, достаточных для появления короны. Все эти добавочные явления следует рассматривать как паразитные, отвлекающие на себя часть энергии и понижающие коэффициент полезного действия радиоустановки. Действительная мощность ее определяется именно силою и степенью развития токов смещения в окружающем пространстве.
Итак, мы видим, сколь большое значение имеют токи смещения в общей схеме тех электрокинетических процессов, с которыми мы нередко встречаемся в различных случаях, представляющих интерес как с чисто теоретической, так и с практической точек зрения.
ГЛАВА IV. Электрическое поле.
Связь электрического поля с электромагнитными процессами. Область электростатики.
В параграфах 58 и 59 мы подробнее остановимся на общих признаках;… Для пояснения всего сказанного выше об электрическом поле рассмотрим случай, аналогичный опыту Фарадея с вращающимся…Закон Кулона и вытекающие из него определения и соотношения.
а) Закон Кулона. Сила механического взаимодействия между двумя количествами электричества, q1 и q2, находящимися в двух точках на расстоянии r одно… где k есть коэффициент пропорциональности, зависящий от выбора единиц и от свойств среды.Электродвижущая сила и разность потенциалов. Закон электродвижущей силы.
численно равен работе электрических сил поля при перенесении единицы… Если линия, вдоль которой берется интеграл, образует замкнутый контур и если полная электродвижущая сила e,…Maxwell, Treatise on Electricity and Magnetism, Vol. I, § 45.
Электрическая деформация среды.
и что всегда удовлетворяет соотношению, названному нами теоремой Максвелла: …Линии смещения.
электрического смещения D в тех местах, где рассматриваемые элементы линий расположены.Трубка смещения.
Рассмотрим некоторую трубку смещения в промежутке между двумя наэлектризованными телами, А и В (рис. 118), находящимися в состоянии электрического… Допустим, что тело А наэлектризовано положительно и тело В — отрицательно. Трубка смешения, опираясь своими концами…Фарадеевские трубки.
где s есть поперечное сечение трубки. При этом в начале и в конце трубки…Фарадеевская трубка и количество электричества, с нею связанное.
(отрицательный) или равный ему по абсолютной величине заряд ядра атома водорода (положительный). Мы приходим, следовательно, к признанию того, что в… деевских трубках. При этом, однако, мы будем ассоциировать каждую такую трубку с абсолютной электростатической…Вторая формулировка теоремы Максвелла.
численно равно количеству фарадеевских трубок, проходящих сквозь квадратный… d=n1. (48) В случае неоднородного поля соотношение (48) примет вид:Электризация через влияние. Теорема Фарадея.
внутри тела В, вызовет в нем появление уравнительных электрических токов.… U=const.Энергия электрического поля.
Чтобы найти интересующие нас выражения для энергии электрического поля, определим прежде всего работу, которая должна быть совершена внешним… Работа, затрачиваемая на перенесение количества электричества dq из…Механические проявления электрического поля.
Фарадея, как результат участия промежуточной среды во всех явлениях, происходящих в электрическом поле. По Фарадею, в…Преломление фарадеевских трубок.
ческой силой Е и электрическим смещением D, магнитную проницаемость m — диэлектрической постоянной e, мы получим…Электроемкость и диэлектрическая постоянная.
q=CU. (60) Коэффициент пропорциональности С называется электроемкостью или просто… Вообще говоря, емкость проводника зависит, во-первых; от геометрических условий, т. е. от размеров данного проводящего…Свойства диэлектриков.
а) Диэлектрическая постоянная e. Она является главной характеристикой изолирующей среды в отношении ее электрических свойств, определяя степень…Maxwell. Treatise on Electricity and Magnetism, Vol. I, § 59 (в конце).
ГЛАВА V. Природа электрического тока.
Общие соображения о природе тока.
Необходимо прежде всего совершенно отчетливо указать, что до настоящего времени науке еще не удалось выработать вполне законченной картины… Задачей будущих исследователей в этой области необходимо считать именно…Faraday, Experimental Researches in Electricity, § 3303.
Maxwell, Treatise on El. and Magn., Vol. II, § 572.
Faraday, Experimental Researches in Electricity, §§ 517, 1642, 3269.
Движение электричества внутри проводников.
Так обстояло дело шестьдесят лет тому назад. В настоящее время мы имеем возможность утверждать, что кое-что известно о характере того движения,… электронов, т. е. атомов отрицательного электричества. Положительное электричество в явлении металлической…Maxwell, Treatise on El. and Magn., Vol II, § 569.
Участие электрического поля в процессе электрического тока.
В виде первого примера рассмотрим случай возникновения электрического тока в проводнике, соединяющем два противоположно заряженных тела, А и В… Допустим, что эти тела заряжены одинаковыми количествами электричества обратных знаков, так что на теле А находится…Участие магнитного поля в процессе электрического тока.
ваний основного магнитного потока в связи с „перерезыванием" его…ГЛАВА VI.
Прохождение электрического тока через газы и пустоту.
Общие соображения.
Как и в электролитах, прохождение тока через газы сопровождается переносом через поперечное сечение проводника обычных материальных частиц,…Ионы.
В нормальном своем состоянии газы столь слабо проводят электрический ток, что требуются совершенно особые, в высшей степени чувствительные методы, чтобы это обнаружить. В связи с указанным обстоятельством, газы обычно рассматривают как среду, обладающую очень высокими изолирующими свойствами. Но есть целый ряд физических факторов, сообщающих газам довольно заметную проводимость. Примером этого могут служить рентгеновы лучи. Проходя сквозь газообразную среду, они сообщают ей свойство проводимости.
Представим себе некоторый электроскоп А (рис. 131), стеклянная камера которого снабжена металлическим дном и крышкой с двумя вделанными в нее трубками, служащими для пропускания сквозь камеру воздуха.
Одна из этих трубок присоединена к откачивающему насосу, а другая через посредство стеклянной трубы В присоединена к стеклянной же воронке С, позволяющей засасывать воздух из района, подверженного воздействию рентгеновских лучей. Рентгенова трубка помещена в свинцовом ящике с окном против воронки С. Благодаря такому расположению электроскоп защищен . от непосредственного действия лучей. Когда рентгенова трубка находится в действии, но насос не работает, и при этом воздух в камере А неподвижен, заряженный электроскоп долго сохраняет свой заряд. Если же насос работает, создавая медленное движение воздуха сквозь камеру А, электроскоп более или менее быстро теряет свой заряд независимо от того, будет ли он положителен или отрицателен.
Необходимо отметить, что из этого опыта, кроме факта сообщения воздуху проводимости путем воздействия со стороны рентгеновских лучей, следует еще доказательство способности воздуха сохранять приобретенное свойство проводимости в продолжение некоторого промежутка времени, в течение которого воздух проходит сквозь трубу В. Проводимость, однако, уменьшается по мере удлинения этого промежутка времени при прочих равных условиях. И если, не заряжая предварительно электроскопа, заполнить его камеру А воздухом, получившим свойство проводимости от рентгеновских лучей, а затем прекратить ток воздуха и выждать достаточное время, то после этого, зарядив электроскоп, мы убедимся, что воздух совсем уже перестал проводить электричество: электроскоп будет сохранять свой заряд.
При помощи описанного устройства (рис. 131) можно убедиться, что воздух теряет свое свойство проводимости и в том случае, если, не прекращая его просасывания через камеру А, мы будем пропускать его сквозь стеклянную вату, заполняющую трубу В, или если заставим воздух на пути от С к A проходить мелкими пузырь-
ками через воду, сохраняя при этом неизменной скорость движения воздуха сквозь камеру А. Если, далее, заменить стеклянную трубку В металлической сравнительно малого диаметра, то воздух опять же теряет свойство проводимости, проходя по этой металлической трубке, причем чем трубка тоньше, тем скорее исчезает проводимость. Можно, наконец, уничтожить проводимость воздуха и путем пропускания его до камеры А сквозь электрическое поле. Для этого можно, например, заменить стеклянную трубу В металлической достаточно большого диаметра и расположить по оси этой трубы некоторую проволоку, изолировав ее от самой трубы. Если разность потенциалов между трубой и проволокой равна нулю, то можно будет наблюдать спадение листочков электроскопа при протягивании воздуха сквозь камеру А. Если же, оставляя все прочее неизменным, мы создадим некоторую, не слишком большую разность потенциалов между трубою и проволокой, электроскоп перестанет разряжаться, из чего следует, что электрическое поле способно уничтожить свойство проводимости, приобретенное газом. Дж. Дж. Томсон, один из основателей современного учения о прохождении тока через газы, анализируя вышеописанные опыты, так формулирует свое заключение по поводу них: „Удаление проводимости путем фильтрации через стеклянную вату или воду, а также при пропускании газа сквозь тонкую металлическую трубку показывает, что свойство проводимости является результатом какой-то примеси к газу, так как эта примесь отделяется от газа в одном случае фильтрацией, в другом же случае — диффузией к стенкам металлической трубки. Далее удаление проводимости путем воздействия электрическим полем показывает, что это нечто, примешанное к газу, заряжено электричеством и движется под действием электрического поля; так как газ, находящийся в состоянии проводимости, в целом не обнаруживает какого-либо знака электризации, то, следовательно, удаляемые заряды должны быть обоих знаков: как положительные, так и отрицательные. Таким образом, мы приходим к заключению, что проводимость газа обязана присутствию в нем наэлектризованных частиц, причем некоторые из этих частиц заряжены положительным электричеством, другие же —
отрицательным. Мы будем называть эти наэлектризованные частицы ионами, а процесс, при помощи которого газу сообщается свойство проводимости, — ионизацией газа. Мы покажем далее, как могут быть определены массы и заряды ионов, и тогда будет видно, что ионы в газах не тождественны с ионами, встречающимися при электролизе растворов".
В связи с тем, что говорилось в § 76, можно, таким образом, по поводу носителей электричества в газах сказать следующее: ионами в данном случае являются как обладающие зарядами обычные материальные частицы, так и электроны. Электроны, освобождаемые благодаря отрыванию их от нейтральных молекул и атомов, всегда являются принципиально отрицательными ионами. Как показывают исследования, другая категория ионов состоит прежде всего из молекул газа (в случае одноатомных газов — из атомов газа), лишенных электрона и потому заряженных положительно. Сверх того, встречаются и тяжелые отрицательные ионы, образовавшиеся путем присоединения к свободному электрону нейтральной молекулы газа. Наконец, к свободному электрону, и к первичному положительному иону могут присоединяться целые группы нейтральных молекул, образуя довольно громоздкие образования с общей массой, иногда значительно превышающей массу нормальной молекулы газа. Получаются таким путем целые, так сказать, грозди молекул, прилипших к электрону или положительному остатку нормальной молекулы газа. Все эти ионы разных категорий приходят в движение под действием электрического поля и участвуют в процессе прохождения тока через газы. Итак, мы видим, что в случае газообразной среды характер носителей электричества может быть, вообще говоря, весьма разнообразный, и в связи с этим условия прохождения тока через газы более или менее осложняются.
J. J. Thomson, Conduction of electricity through gases § 10.
Ионизирующие агенты.
При этом необходимо иметь в виду, что действие ионизирующего агента на газ обычно не сопровождается непрерывным возрастанием числа ионов в единице…Заряд и масса иона.
Основные серии исследований были посвящены определению отношения заряда иона е к его массе m. В одном из методов, примененных Дж. Дж. Томсоном в… ложенными внутри трубки и заряжаемыми от некоторого постоянного источника. В обоих случаях направление отклонения…Влияние давления газа на характер разряда.
ждающих прохождение тока через сильно разреженные газы и через пустоту, т. е.…Различные стадии прохождения тока через газы
При атмосферном давлении.
Допустим, что к полюсам этого генератора присоединены балластное… Опыт показывает, что при очень незначительных величинах разности потенциалов U1-U2 сила тока в цепи, будучи весьма,…Основные соотношения, характеризующие ток через газы.
нейтральных частиц. Таким образом, в каждый данный момент величина N имеет… Влияние фактора рекомбинации будет, конечно, тем больше, чем чаще могут встречаться ионы противоположных знаков. Из…Тихий разряд. Корона.
Если давление не равно атмосферному, то критический градиент потенциала можно найти, пользуясь результатами опытов Пашена, из которых можно… 10 атмосфер, мы повышаем вместе с тем критический градиент потенциала до порядка 300 киловольт на сантиметр и т. д. В…Разрывной разряд.
длинных мачтах или шестах, располагаемых вблизи защищаемых сооружений (например, пороховых погребов) или на крышах…Вольтова дуга.
Общий вид вольтовой дуги, впервые полученной профессором В. Петровым в 1802 г., имеет совершенно своеобразный характер.Дуговые выпрямители.
потокам горячих газов, и в кривой переменного тока будет преобладать то…Различные стадии разряда через газы при малых
Давлениях.
Катод С окружен очень слабо светящимся тонким слоем, обволакивающим его… Далее наблюдается сравнительно темная область СK, так называемое круксово темное пространство, размеры которого…На рис. 145 свечение отмечено черными штрихами.
Прохождение электрического тока через пустоту.
Итак, абсолютная пустота сама по себе не проводит электрического тока. Для сообщения пространству свойства проводимости необходимо наличие… этого практически возможно, подогревая катод какими либо особыми средствами.… применяют металлическую ленту.Пустотные электронные приборы.
ных катодов наоснову из платины или более дешевых металлов и их сплавов… Пустотные электронные приборы нашли себе наибольшее применение в области радиотехники. Первым прибором этого рода…Заключение.
Область практического использования электронных и ионных приборов далеко не исчерпывается теми примерами, которые были приведены в предыдущих параграфах. Мы не коснулись целого ряда приборов, как то: ионные выпрямители, ионные реле, ионно-электронные реле (тиратроны), фотоэлементы и т. п. Необходимо заметить, что лишь в последние 2-3 десятилетия наука в достаточной мере овладела, наконец, основными явлениями из области прохождения электрического тока через газы и пустоту. В связи с указанным пределы возможных практических приложений данных явлений еще далеко не достигнуты. Эти приложения находятся еще в начальной стадии, и естественно предполагать, что, благодаря чрезвычайной легкости и простоте контроля над ионными и электронными разрядами, поле их приложений должно в будущем сильно расти. Особенно больших достижений должно ожидать в области электротехники сильных токов, где широкое применение приборов, основанных на использовании этих разрядов, может со временем совершенно изменить физиономию электропередаточных и распределительных устройств.
ГЛАВА VII. Электродинамика.
Основные положения Максвелла.
Обоснованию этой точки зрения Максвелл посвятил главы IV и VI второго тома своего „Трактата об электричестве и магнитизме". Мы приведем ниже в переводе несколько наиболее интересных отрывков из этого… Главу IV второго тома своего трактата Максвелл начинает с описания некоторых явлений, наблюденных Фарадеем и…Something progressive and not a mere arrangement" (Exp. Res., 283).
Exp. Res. 1618.
Faraday. Exp. Res., 283.
Отметим, что именно отсюда берет начало термин самоиндукция, т. е. индукция в своем собственном магнитном поле. Переводчик.
Exp. Res., 1077
Вторая форма уравнений Лагранжа.
Прежде чем перейти к краткому изложению сущности того метода исследования динамических явлений, математическим выражением которого является вторая… 553. „В четвертом разделе второй части „Аналитической механики" Лагранж… „Уравнения движения связанной системы были даны Гамильтоном в другой форме и привели к значительному развитию высшей…См., например, И. В. Мещерский, „Теоретическая механика", ч. II.
Подробный вывод 2-й формы лагранжевых уравнений можно найти в III части курса проф. И. В. Мещерского „Теоретическая механика".
В дальнейшем изложении из технических соображений будет приценяться обозначение q'.
2) В действительности мы будем дальше обозначать обобщенные силы через q,
Переводчик.
Выражение для кинетической энергии в обобщенных
Координатах.
Выбор обобщенных координат для электродинамической системы.
частей системы. Таким образом, при изучении системы токов мы должны считаться… При целесообразном выборе координат вторая форма уравнений Лагранжа дает возможность учесть оба рода явлений.Энергия: пондеро-кинетическая, электрокинетическая и нондеро-электрокинетическая.
можно представить в следующем виде:Термин „пондеро-кинетическая" происходит от латинского слова pondus (род. п. ponderis), обозначающего вес, и, таким образом, указывает на то, что
Общее обследование сил, действующих в электродинамической системе.
Остановимся сначала на механических силах. Если f'k есть внеш- няя механическая сила, соответствующая координате gk, то по уравнению Лагранжа, получаем:Ради простоты мы здесь опускаем индексы, указывающие, к кой именно цепи относятся рассматриваемые величины
Электрокинетическая энергия.
Входящие в это выражение коэффициенты при квадратах и произведениях сил токов,…Электродвижущая сила самоиндукции.
Если к этому контуру приложена внешняяэлектродвижущая сила e', то часть ее…Коэффициент самоиндукции.
L=const и можем написать, например, следующий ряд соотношений:Электродвижущая сила взаимной индукции.
Электрокинетическая энергия такой системы выразится следующим образом:Коэффициент взаимной индукции.
шения, устанавливающего связь этого коэффициента с другими величинами. Остановимся на простейших зависимостях этого…Связь между коффициентами самоиндукции и взаимной
Индукции.
Это выражение, конечно, должно быть справедливо для любых значений i1 и i2 при…Общие выражения для магнитных потоков, сцепляющихся с отдельными контурами системы.
Составим для этих цепей выражения р=дTe/дi:Общие выражения для электродвижущих сил, индуктируемых в отдельных цепях системы.
или, что то же:Роль короткозамкнутой вторичной цепи.
тельств, характеризующих данную цепь, но и от присутствия других цепей, не…Действующие коэффициенты самоиндукции и взаимной индукции.
Из этой формулы видно, что при неизменных размерах тороида L будет постоянной… m=const.Электромагнитная сила. Общие соображения.
в системе вследствие происходящих в ней электромагнитных процессов. Это общее выражение (72):Как в этой, так и в других приведенных в настоящей параграфе формулировках речь идет о полной магнитной потоке, т. е. о полном числе сцеплений потока с рассматриваемым контуром.
2) Конечно, всякое окончательное увеличение схватываемого внешнего потока равносильно увеличению коэффициента взаимной индукции М, Мы выделяем случай двух контуров только потому, что в случае, например, потока, создаваемого постоянным магнитом, мы имеем сложное явление, при наличии которого нельзя сосредоточить внимание на определенном коэффициенте взаимной индукции М.
Общее рассмотрение этого вопроса и его развитие в отношении генераторных процессов (обратных двигательным) заключается в работе Е. Я. Семичева — ״Основные электродинамические процессы в электромагнитных механизмах“, напечатанной в докладах Академии Наук СССР за 1930 год, серия А, № 19, стр. 511.
Условия возникновения электромагнитной силы.
Магнитные линии связанного с контуром потока самоиндукции расположатся, как… Таким образом, данный пример является иллюстрацией всех приведенных выше формулировок закона движений в…Случай сверхпроводящнх контуров.
r=0. Так как физическая природа явления остается той же самой (именно: явление… Фs=LiС исчерпывающей полнотой этот вопрос разобран в работе Е. А. Чернышевой и Е. Я. Семичева—„К вопросу о пересмотре некоторых основных законов электродинамики", напечатанной в журнале .Телеграфия и Телефония без проводов", 1927, № 40, стр. 71.
Случай контура с током во внешней магнитном поле.
Предположим, что в первый момент тока в контуре нет и контур расположен так,… подобной электромагнитной пары сил контур займет положение,Основная роль бокового распора и продольного тяжения магнитных линий.
Случай прямолинейного проводника во внешнем магнитном поле.
Случай проводника с током, расположенного в поле постоянного магнита, не…Электромагнитные взаимодействия в асинхронном двигателе.
потокаприводит к исчезновению самой причины этого „стремления"—…Величина и направление электромагнитной силы в случае одного контура с током.
Напомним еще раз основное выражение (72), определяющее электромагнитную силу: Для составления этого выражения, т.е. для определения величины и знака электромагнитной силы, необходимо прежде всего…L) Подробный разбор утверждений , К. Геринга и описание опытов, выясняющих их ошибочность, заключаются в упомянутой выше статье Е. А. Чернышевой и Е. Я. Семичева (см. примечание к § 109).
Pinch — по-английски означает „ущемление".
Величина и направление силы электромагнитного взаимодействия двух контуров с током.
Допустим, что х есть геометрическая координата, от которой зависит форма и…Случай электромагнитного взаимодействия любого числа
Контуров с током.
Будем изучать силу, действующую, например, на первый контур, вследствие…Электромагнитная сила, действующая на участок проводника с током, расположенный во внешней магнитном поле.
Рассмотрим элемент dl некоторого проводника, составляющего часть какого-то контура (какого именно, нам безразлично), несущего ток i и расположенного… Пусть вектор магнитной индукции В в этом поле составляет с элементом проводника dl угол q. Рассмотрим приращение…ГЛАВА VIII. Движение электромагнитной анергии.
Электромагнитное поле.
Это одновременное существование в данной части пространства электрического и магнитного полей, как основной признак электромагнитного поля, не… будет тут чисто случайным фактом: величины электрической силы и магнитной силы (Е и Н) совершенно не зависят друг от…См. Maxwell. Treatise on Electricity and Magnetism, Vol. II §§ 822 и 831 (в отделе — On the hypothesis of Molecular Vortices).
Основные уравнения электромагнитного поля.
и закон электродвижущей силы (45):Распространение электромагнитной энергии.
r=¥ и потому имеем: Принимая это во внимание, перепишем теперь уравнения (133 и (134), причем переставим правые и левые части:Опытные данные, подтверждающие теорию Максвелла.
Достаточно указать, что современная радиотехника, во всем богатстве ее последних достижений, представляет собою уже не экспериментальный материал, а… Здесь же мы хотим остановиться кратко на другой категории экспериментальных… Выше было указано, что совпадение скорости распространения электромагнитных волн со скоростью света свидетельствует о…Порядка 10-11 см соответствует частоте порядка 1021 периодов в секунду.
Опыты Герца.
Генератором электромагнитных волн, или, что то же, электромагнитных колебаний, служил в опытах Герца простейший колебательный контур, так… Представим себе конденсатор с обкладками Р и S (рис. 180), емкость которого… Обкладки конденсатора могут быть замкнуты через провод ВК. Всякий провод обладает, как мы знаем, некоторым…Небезынтересно здесь отметить, что электронная теория, развитие которой расценивалось некоторыми как крушение основных положений теории Максвелла, не привела к какой-либо особой теории распространения электромагнитной энергия. Оперируя понятиями электронной теории при описании, так сказать, „микро-электрических" явлений, обращаются обычно к основным представлениям Максвелла, как только заходит речь о распространении электромагнитной энергии в пространстве. По существу же между понятиями электронной теории и идеями Максвелла нет и не должно быть никаких внутренних противоречий: элементарный электрический заряд мыслим по Максвеллу, как центр, вокруг которого соответствующим образом ориентирована связанная с ним электрическая деформация среды. Является ли этот „центр" действительным носителем некоторого физического количества, в данном центре сосредоточенного, или это только так кажется,—с точки зрения формальной вопрос этот не имеет существенного значения.
Механизм движения электромагнитной энергии. Вектор
Пойнтинга.
ложить основные мысли Пойнтинга, не приурочивая их специально к той или иной исходной точке зрения, но, по…J. Pointing. Le mode de propagation de l'energie et de la tension electrique dans le champ electromagnetique. Rapports presentes au Congres International de Physique reuni a Paris en 1900, vol. II, p. 284.
Распространение тока в металлических массах. Поверхностный аффект.
Изучение происходящих при этом явлений особо интересно потому, что, как опыт показывает, при распространении переменного тока в металлических… равномерности, причем, чем дальше от поверхности проводника, тем меньшей оказывается плотность тока, и тем больше ток…При этом мы меняем порядок дифференцирования, т. е. берем сначала производную по у, а затем по t. Как известно, на результат это не влияет.
Размерности электрических в магнитных величин.
Отношение между абсолютной электромагнитной и абсолютной электростатической единицами количества электричества, обозначаемое обычно символом… Следовательно, полагая e=1 и m=1, можем выразить размерность [с] следующим…P. Kalantaroff. Les equations aux dimensions des grandeurs electriques .et magnetiques. — Revue Generale de l'Electricite, 1929, t, XXV, № 7, p. 235.