Тихий разряд. Корона. - раздел Право, ГЛАВА III Электрическое смещение Как Уже Было Разъяснено Выше (См. §§ 78, 81 И 82), Стадия Тихого Разряда Чере...
Как уже было разъяснено выше (см. §§ 78, 81 и 82), стадия тихого разряда через газы возникает всякий раз, когда электрическая сила достигает такого значения, при котором начинается ионизация газа за счет расщепления его нейтральных молекул достаточно быстро движущимися ионами. Если мы имеем дело с однородным электрическим полем, что в некоторых специальных случаях может быть осуществлено, то возникает тихий разряд во всем объеме газа. Но обычно в связи с большею или меньшею неоднородностью электрического поля, обусловленного главным образом формою электродов, тихий разряд появляется сначала там, где раньше всего достигается так называемое критическое значение силы электрического поля. Численная величина этой электрической силы, обратной по знаку градиенту потенциала, обычно выражается в вольтах или киловольтах на сантиметр. Так, в случае воздуха при нормальном давлении и 20° С критический градиент потенциала может быть принят равным электрической прочности воздуха при этих условиях, т. е. 30 киловольтам на сантиметр (см. § 71, д).
Если давление не равно атмосферному, то критический градиент потенциала можно найти, пользуясь результатами опытов Пашена, из которых можно заключить, что отношение критического градиента потенциала к давлению газа есть величина приблизительно постоянная. Зависимость эта хотя и не вполне точна, но во всяком случае дает практически достаточно хорошие результаты. Таким образом, повышая, например, давление воздуха до
10 атмосфер, мы повышаем вместе с тем критический градиент потенциала до порядка 300 киловольт на сантиметр и т. д. В связи с этим во многих электротехнических устройствах, в особенности высоковольтных, может быть с успехом применяем воздух или вообще какой-либо газ под высоким давлением в качестве весьма прочного диэлектрика или изолятора. По этой именно причине А. А. Чернышев применил высокие давления газа в камере, в которой он располагал свой высоковольтный абсолютный электрометр (см. § 68). В последнее время проявляется тенденция к тому, чтобы заменить масло газом под высоким давлением в высоковольтных трансформаторах, выключателях и т. п. Следует иметь в виду, что указанное выше значение критического градиента потенциала для воздуха в нормальных условиях (30 киловольт на сантиметр) не соответствует действительности при очень малых расстояниях между электродами. Это замечание имеет место и в отношении всех вообще газов и для различных давлений газа.
Если один из электродов, между которыми ток идет через газообразную среду, представляет собою острие, обращенное к другому электроду, имеющему форму плоской пластины, то электрическая сила при некоторой разности потенциалов между ними будет во много раз больше у острия, чем у плоского электрода; и чем острие совершеннее, тем эта разница будет больше. В связи с этим явление тихого разряда может, как известно, возникнуть у конца острия и при сравнительно небольшой величине напряжения между рассматриваемыми двумя электродами. Замечательно при этом, что в данном случае и во многих других аналогичных случаях режим тихого разряда, возникающий у электрода с большой кривизной поверхности, обычно получается вполне устойчивым, если только полное напряжение, действующее в цепи, -не чрезмерно велико, хотя и сохраняет постоянную величину. Дело в том, что объем газа, непосредственно прилегающий к концу острия и сильно ионизированный благодаря начавшемуся в нем тихому разряду, как бы „затупляет" острие, добавляя к нему сильно проводящую область, внешняя пограничная поверхность которой имеет сравнительно с острием малую кривизну. Вне этой пограничной поверхности, если, повторяем, полное напряжение между электродами не чрезмерно велико, электрическая сила будет меньше критической, и явление тихого разряда дальше указанной границы не распространяется. Тихий разряд у концов острий и вообще у всех резко очерченных, острых углов на поверхности проводящего тела общеизвестен как в искусственной обстановке, которую мы можем создать на опыте, так и в естественных условиях, когда интенсивность атмосферных электрических явлений достаточно велика. Во всех этих случаях тихий разряд сопровождается слабым свечением газа и своеобразным шумом. Вместе с тем обычно наблюдается еще так называемый электрический ветер, обусловливаемый более или менее интенсивным движением частиц газа (воздуха), заряженных тем же знаком, что и электрод-острие, и увлекаемых от острия действием электрического поля.
Явление тихого разряда нередко имеет место при так называемых перенапряжениях в современных высоковольтных устройствах передачи электрической энергии. Особенно часто мы встречаемся с тихим разрядом у проводов линии передачи, когда ненормально повышенное напряжение между проводами сопровождается достижением критического значения электрической силы у их поверхности. В темноте провода в этом случае кажутся окруженными некоторой светящейся цилиндрической оболочкой, которая, носит название короны. Все, что было сказано выше о тихом разряде у конца острия, полностью применимо и к короне. Так как образование этой короны вокруг проводов линии передачи, а также поддержание ее требуют известного расхода электрической энергии, то совершенно очевидно, что допускать ее в качестве нормального явления ни в коем случае не следует. В связи с этим правильный расчет проводов линии должен учитывать возможность появления короны, и всегда необходимо так подбирать диаметр провода, чтобы при нормальном напряжении между проводами электрическая сила у их поверхности была несколько менее критической. В то же время при ненормальных режимах, сопровождаемых перенапряжением, появление короны может оказаться весьма полезным фактором, поглощающим избыток энергии, связанный с перенапряжением и стремящимся благодаря этому привести систему к нормальным условиям работы. Поэтому целесообразно при выборе диаметра проводов линии передачи не слишком далеко уходить от того, что соответствует критическому напряжению. Явление короны было тщательно изучено Пиком, который обследовал его и теоретически и экспериментально. Как показывает расчет, принимая во внимание вышеприведенное значение критического градиента потенциала для воздуха в нормальных условиях (30 киловольт на сантиметр), критическое напряжение между проводами трехфазной линии передачи мы можем с достаточною для практики точностью выразить следующим образом в действующих киловольтах:
Ek=71rlnd/r,
где r есть радиус провода, a d—расстояние между осями проводов. Явление короны сильно искажает форму кривой зарядного тока, так как тихий разряд имеет место только в течение той части периода, во время которой мгновенное значение градиента потенциала у поверхности проводов превышает 30 киловольт на сантиметр.
Опыт показывает, что интенсивное расщепление нейтральных молекул, возникающее при ионизации газа во время тихого разряда, сопровождается во многих случаях явлениями, имеющими химический характер. Когда, например, тихий разряд происходит в воздухе или в атмосфере кислорода, то наблюдается образование озона О3, т. е. переход двухатомных молекул кислорода в трехатомные. При этом в зависимости от обстановки и степени интен-
сивности тихого разряда образование озона происходит с большей или меньшей скоростью. На практике весьма распространены озонаторы, представляющие собою приборы, в которых используется именно тихий разряд для получения озона, необходимого для целого ряда приложений, как-то: стерилизация воды, некоторые химические производства, беление тканей и т. д. Существует много различных конструкций озонаторов. Все они включают в себе той или иной формы камеру, в которой происходит тихий разряд и через которую при помощи специальных насосов прогоняется воздух или кислород. В большинстве конструкций этого рода с целью достижения устойчивости режима тихого разряда между разрядными электродами, приключенными к цепи переменного тока, располагают пластины из диэлектрика (например, из стекла), достаточно прочного для того, чтобы при данном, применяемом в схеме, напряжении он не мог быть пробит. При озонировании воздуха, т. е. смеси кислорода с азотом, кроме озона, могут образовываться еще окислы азота, которые при наличии водяных паров дают азотистую и азотную кислоту. Это явление в некоторых случаях может быть очень опасно. Например, в пазах динамомашин высокого напряжения образующиеся нитраты способны разрушать изоляцию и самые провода. Во избежание этого в машинах высокого напряжения пазы с проводами заполняют сплошь изоляционной массой. Эти вредные явления также в корне устраняются в новейших конструкциях электрических генераторов, работающих в атмосфере водорода. В последнее время начинают применять тихий разряд, помимо производства озона, в качестве возбудителя при многих других газовых реакциях, между прочим, для получения легких углеводородов (бензинов) путем расщепления молекул тяжелых углеводородов, пары которых для этой цели пропускаются через специальные камеры, где происходит тихий разряд. Во всяком случае, техническое применение тихого разряда для возбуждения и надлежащего направления некоторых газовых реакций имеет большое будущее.
Все темы данного раздела:
Общая характеристика электромагнитных процессов.
В предыдущих главах мы коснулись одной стороны электромагнитных явлений, а именно, рассмотрели некоторые общие свойства магнитного потока и магнитного поля. Теперь сосредоточим наше внимание на др
Электрическое смещение. Основные положения Максвелла.
Известно, что между заряженными телами создается электрическое поле. Это поле деформирует диэлектрик, приводит его в некоторое напряженное состояние, называемое обычно электрической поляризацией
Мера электрического смещения.
Допустим, что мы имеем некоторый диэлектрик, и пусть действующая в нем в точке А электрическая сила Б направлена, как указано стрелкой (рис. 105).
Ток смещения.
Когда мы говорим об электрическом смещении, не следует, вообще говоря, смешивать этого понятия с электрическим током. Термин „электрическое смещение" мы должны понимать как меру деформации, п
Теорема Максвелла.
Представим себе замкнутую поверхность s, внутри которой как-либо распределены электрические заряды q1,q2, q3 и т. д. Пусть ds представля
Природа электрического смещения.
Максвелл в своих рассуждениях относительно электрического смещения совершенно не касается природы электричества и того, как надо понимать его движение. Все это не имеет значения в формальных постр
Формулировки.
Возвратимся к формулировке теоремы Максвелла:
Взяв от обеих частей этого равенства производную по s, получим:
Механическая аналогия.
Остановимся теперь на одной простой механической схеме с целью лучшего уяснения принципа замкнутости тока, а также для того, чтобы наглядно показать значение введенного Максвеллом в науку представл
Непрерывность тока в случае электрической конвекции.
Переход электричества из одного места в другое путем движения заряженных тел вообще и, в частности, заряженных элементарных частиц называется электрической конвекцией и представляет собою
Связь электрического поля с электромагнитными процессами. Область электростатики.
В самом начале предыдущей главы (§ 45) мы касались в общих чертах вопроса об электрическом поле и указывали, что его следует рассматривать как одну из сторон того основного электромагнитного проц
Закон Кулона и вытекающие из него определения и соотношения.
В настоящем параграфе мы даем краткую сводку основных определений и соотношений, относящихся к электрическому полю я вытекающих из закона Кулона. В первую очередь, конечно, напомним формулировку эт
Электродвижущая сила и разность потенциалов. Закон электродвижущей силы.
Рассмотрим в некотором электрическом поле две точки, А и В. Линейный интеграл электрической силы вдоль некоторого пути перехода от точки А к точке В, т. е.:
Электрическая деформация среды.
С точки зрения Фарадея и Максвелла, участие промежуточной среды в передаче электрических действий от одного наэлектризованного тела к другому, а также во всех вообще процессах, совершающихся в эл
Линии смещения.
Линиями электрического смещения, или просто линиями смещения называются такие линии, построенные в электрическом поле, все элементы которых совпадают по направлению с векторами
Трубка смещения.
Трубкою смещения называется объем диэлектрика имеющий форму трубки, образующими которой служат линии смещения.
Рассмотрим некоторую трубку смещения в промежутке между двумя наэлектр
Фарадеевские трубки.
В связи с тем, что было изложено в предыдущем параграфе об особых свойствах трубок смещения, оказывается целесообразным так подбирать размеры этих трубок, чтобы величина полного электрического сме
Фарадеевская трубка и количество электричества, с нею связанное.
В дальнейшем мы будем мыслить все электрическое поле заполненным фарадеевскими трубками. Совершенно подобно тому, как это было в случае магнитного поля в отношении магнитных линий, можно рассматри
Вторая формулировка теоремы Максвелла.
Так как электрическое смещение сквозь поперечное сечение фарадеевской трубки равно единице, то, следовательно, каждая такая трубка, пересекая некоторую поверхность, привносит в величину полного эл
Электризация через влияние. Теорема Фарадея.
Так называемая электризация через влияние, т. е. возникновение электрических зарядов на нейтральном до того проводящем теле в случае поднесения его к какому-либо другому заряженному телу, представл
Энергия электрического поля.
Выше было в достаточной степени выяснено (§§ 1 и 47), что, согласно воззрениям Фарадея и Максвелла, в пространстве, в котором существует электрическое поле, среда находится в особом вынужденном сос
Механические проявления электрического поля.
Механические взаимодействия, наблюдаемые в электрическом поле между наэлектризованными телами и формально описываемые при помощи закона Кулона, могут быть объяснены, с точки зрения
&nbs
Преломление фарадеевских трубок.
При переходе фарадеевских трубок (и вообще линий смещения) из одной диэлектрической среды в другую обычно мы имеем дело с изменением направления у самой поверхности раздела диэлектриков. Это явле
Электроемкость и диэлектрическая постоянная.
Допустим, что потенциал какого-либо проводящего тела есть U, а потенциалы всех других проводников, находящихся в электрическом поле, равны нулю. В этом случае между потенциалом данного тела
Свойства диэлектриков.
В заключение настоящей главы мы дадим краткий обзор некоторых основных свойств изолирующих материалов (диэлектриков):
а) Диэлектрическая постоянная e. Она является главной характе
Общие соображения о природе тока.
В настоящей главе мы в самых общих чертах ознакомимся с современным состоянием вопроса о природе электрического тока. Хотя вопрос этот по существу относится к области чистой физики, однако,
Движение электричества внутри проводников.
Шестьдесят лет тому назад, говоря об электрическом токе как о явлении кинетического характера, Максвелл не мог не отметить того обстоятельства, что он ничего больше не в состоянии сказать о природ
Участие электрического поля в процессе электрического тока.
Основная мысль Фарадея относительно роли проводника, по которому течет ток, заключается, как было отмечено в предыдущем параграфе, в том, что проводник служит своего рода осью, вокруг которой надле
Участие магнитного поля в процессе электрического тока.
Представление о механизме того процесса, который происходит в пространстве вокруг проводника с током и который органически связан с магнитным полем, можно получить из картины преобразо-
Общие соображения.
В предыдущей главе мыпознакомились с общей характеристикой того сложного электромагнитного комплекса, который воспринимается нами, как электрический ток. Мы видели, что основной
Ионизирующие агенты.
Ионизирующим агентом называется всякий физический деятель, обусловливающий ионизацию газа, или, в более широком смысле этого термина, всякий деятель, обусловливающий появление в данном объе
Заряд и масса иона.
Из сказанного в предыдущих параграфах следует прежде всего, что заряды, несомые положительными и отрицательными ионами, будучи обратными по знаку, должны быть тождественными по абсолютной величин
Влияние давления газа на характер разряда.
Общий характер явлений, наблюдаемых при прохождении электрического тока через газ, т. е. при так называемом разряде через газ, зависит от целого ряда обстоятельств, как это уже отчасти должно быть
При атмосферном давлении.
Остановимся теперь на случае прохождения электрического тока через газ при атмосферном давлении. Ради простоты предположим, что мы имеем дело с воздухом. Представим себе (рис. 134) некоторый генер
Основные соотношения, характеризующие ток через газы.
Обратимся к схеме, изображенной на рис. 134, и допустим, что газ в промежутке между электродами В к С ионизируется некоторым неизменно действующим агентом, интенсивность которого будем хара
Разрывной разряд.
Интенсивная ионизация газа под влиянием сильного электрического поля, характеризующая стадию тихого разряда, может, как мы знаем, завершаться разрывным разрядом, если только в системе нет ограниче
Вольтова дуга.
Мы уже имелислучай указывать выше (см. § 81), что при достаточной мощности генератора, питающего цепь, и при достаточно малом общем сопротивлении цепи — разряд через газообразную среду между двум
Дуговые выпрямители.
Дуговые выпрямители основаны на использовании неодинаковой роли положительного и отрицательного электродов вольтовой дуги. В то время, как положительный электрод играет пассивную роль в осн
Давлениях.
В случаях, когда стадия „тихого разряда" (см. § 81) имеет место в газообразной среде при достаточной степени разряжения (порядка 0,1 мм ртутного столба), с большой отчетливостью выявля
Прохождение электрического тока через пустоту.
Если в условиях опыта, о котором мы говорили в конце предыдущего параграфа, после достижения стадии развития катодных лучей при высоком разрежении газа мы будем продолжать откачивать газ, достига
Пустотные электронные приборы.
При практическом использовании накаленного катода для проведения электрического тока через пустотные приборы в настоящее время применяются самые разнообразные конструкции катода и самые разнообр
Основные положения Максвелла.
Настоящая глава посвящена изучению всякого рода динамических проявлений того электромагнитного процесса, который происходит в системе электрических токов. Мы будем при этом следовать пути, которы
Вторая форма уравнений Лагранжа.
Обоснование положения, что электрический ток есть явление кинетического характера, позволило Максвеллу дать стройное математическое исследование этого явления с помощью второй формы уравнений Лагра
Координатах.
Так как обобщенные координаты, как было выше указано, вполне определяют положение всех частей системы, то они должны быть связаны некоторыми зависимостями с декартовыми координатами всех точек сист
Выбор обобщенных координат для электродинамической системы.
Всякая электродинамическая система, вообще говоря, представляет собою совокупность проводящих цепей, по которым протекают электрические токи, т. е. механическую систему, совмещенную с системой эл
Энергия: пондеро-кинетическая, электрокинетическая и нондеро-электрокинетическая.
По аналитическому строению выражения для кинетической энергии (Т) электродинамической системы можно судить и о физическом характере этой энергии. В самом деле, выражение для кинетической эн
Общее обследование сил, действующих в электродинамической системе.
При наличии в системе процессов механических и электрических мы должны иметь в виду соответственно два рода сил: силы механические и силы электродвижущие. Если известна полная кинетическая энергия
Электрокинетическая энергия.
После общего обследования всех сил, могущих обнаруживаться в системе проводников с токами, сосредоточим наше внимание на электрокинетической энергии Te и рассмотрим более подробно
Электродвижущая сила самоиндукции.
Рассмотрим сначала простейшую систему, состоящую из одного проводящего контура (рис. 153).
Если к этому контуру п
Коэффициент самоиндукции.
Для количественного определения коэффициента самоиндукции некоторого контура мыможем воспользоваться любым из соотношений, характеризующих в той или иной степени электрокинетическ
Электродвижущая сила взаимной индукции.
Остановимся теперь на рассмотрении системы, состоящей из каких-либо двух проводящих цепей, по которым протекают электрические токи i1 и i2 (рис. 158).
Коэффициент взаимной индукции.
Совершенно подобно тому, что мы имели при определении коэффициента самоиндукции (см. соотношения 85 — 89 в § 99), и в случае количественного определения коэффициента взаимной индукции мы, вообще го
Индукции.
Обследуем теперь некоторые количественные соотношения между коэффициентами L1, L2 и М. Будем исходить из основного выражения для электрокинетической энер
Общие выражения для магнитных потоков, сцепляющихся с отдельными контурами системы.
Рассмотрим теперь самый общий случай системы из n электрических цепей. В этом случае, т. е. при наличии любого числа отдельных цепей, мы имеем:
Общие выражения для электродвижущих сил, индуктируемых в отдельных цепях системы.
На основании всего вышеизложенного мы можем, подводя итоги, написать ряд нижеследующих соотношений для электродвижущих сил, индуктируемых в отдельных цепях рассматриваемой системы:
Роль короткозамкнутой вторичной цепи.
При рассмотрении явлений самоиндукции и взаимной индукции мы видели, что величина полной ЭДС, возникающей в некотором проводящем контуре в качестве реакции на производимое изменение общих электрома
Действующие коэффициенты самоиндукции и взаимной индукции.
Выше было в достаточной степени разъяснено, что коэффициент самоиндукции цепи есть функция исключительно геометрических размеров контура данной цепи. Приведенные выше примеры подтверждают это поло
Электромагнитная сила. Общие соображения.
При анализе связи между кинетической энергией, присущей электродинамической системе, и силами, возникающими в такой системе, было получено (см, § 96) общее выражение для так называемой э
Условия возникновения электромагнитной силы.
Рассмотрим некоторый круговой контур (рис. 164), по которому идет постоянный ток, поддерживаемый с помощью внешнего источника.
Случай сверхпроводящнх контуров.
Для иллюстрации только-что сказанного рассмотрим некоторые случаи, когда токи в системе не сохраняются постоянными. В этом отношении особенный интерес представляют случаи сверхпроводящих цепей, соп
Случай контура с током во внешней магнитном поле.
Рассмотрим еще один пример, именно, движение контура во внешнем постоянном магнитной поле. Допустим, для простоты, что это поле создается постоянным магнитом NS (рисунки 167, 168, 169), а ко
Основная роль бокового распора и продольного тяжения магнитных линий.
Из рассмотренных нами примеров ясно, что все приведенные выше формулировки закона движений в электродинамической системе по существу являются именно лишь различными формулировками одного и того
Случай прямолинейного проводника во внешнем магнитном поле.
Однако, иногда применяется и другой подход к анализу и расчету сил, действующих в электромагнитных механизмах. Именно, иногда исходят из рассмотрения сил действующих на отдельный участок пр
Электромагнитные взаимодействия в асинхронном двигателе.
При совершенной справедливости формулировки, говорящей о стремлении всякого контура с током охватить наибольший внешний поток, интересно отметить, что в некоторых практических случаях это стремлен
Величина и направление электромагнитной силы в случае одного контура с током.
Рассмотрев физическую природу явления возникновения движений в электродинамической системе, обратимся к определению величины и направления электромагнитной силы в различных частных случаях.
Величина и направление силы электромагнитного взаимодействия двух контуров с током.
Рассмотрим теперь случай двух контуров, по которым протекают токи i1 и i2. Электрокинетическая анергия такой системы определяется выражением:
Контуров с током.
Обратимся к общему случаю системы, состоящей из произвольного числа контуров. Электрокинетическая энергия системы равна:
Электромагнитная сила, действующая на участок проводника с током, расположенный во внешней магнитном поле.
В тех случаях, когда вычисление внешнего потока, связанного с данным контуром, а следовательно, и определение приращения этого потока, оказывается затруднительным, удобнее пользоваться выражением,
Электромагнитное поле.
В главе III (§ 45) было уже указано, что явления электрического поля и явления магнитного поля ни в коем случае не следует рассматривать как совершенно самостоятельные совокупности явлений. Мы име
Основные уравнения электромагнитного поля.
Обратимся к выводу основных соотношений, характеризующих явления электромагнитного поля. Исходным пунктом этого вывода служат два соотношения, уже известные из предыдущих глав, именно? закон магнит
Распространение электромагнитной энергии.
Уравнения (133) и (134) по существу являются общим математическим выражением того факта, что при одновременном существовании взаимно связанных электрического и магнитного полей, т. е. при существов
Опытные данные, подтверждающие теорию Максвелла.
Переходя к вопросу об экспериментальном подтверждении установленных Максвеллом законов распространения электромагнитной энергии, следует отметить, что соответствующий опытный материал настолько ве
Опыты Герца.
Как уже сказано в предыдущем параграфе, экспериментальные подтверждения теории Максвелла представлены в настоящее время в виде всех достижений радиотехники таким количеством материала, что доказыва
Пойнтинга.
Вопрос о механизме распространения электромагнитных возмущений и связанного с этим движения электромагнитной энергии представляет глубокий интерес. На этом предмете останавливали свое внимание мно
Распространение тока в металлических массах. Поверхностный аффект.
В предыдущих параграфах настоящей главы были обследованы общие законы распространения электромагнитной энергии. Остановимся теперь на более детальном рассмотрении процесса движения энергии в прово
Размерности электрических в магнитных величин.
1. Всякое электрическое и магнитное количество может быть выражено при посредстве основных единиц длины, массы и времени и специальных коэффициентов — диэлектрической постоянной e и магнитной прони
Предметный указатель.
Абсолютная электромагнитная единица:
количества электричества 193,
коэффициента взаимной индукции 354,
коэффициента самоиндукции 342,343,
магнитного потока 47,
Новости и инфо для студентов