49.Стационар токтың магнит өрісі

50.Электростатикалық өріс энергиясы

Электростатикалық өpic энергиясы. Электростатикалық өpicтe зарядты бip нүктеден екінші нүктеге көшірген кезде жұмыс жасалатынын білеміз. Бұл жұмыс өpicті тудырушы зарядтардың өзара әсерлесуін сипаттайтын потенциалдык энергия.

Дискретті зарядтар системасының өзара әсерлесу энергиясы.

Алдымен екі нүктелік зарядтардан тұратын системаны қарастыралық. Нүктелік зарядтар бip-бipінен шексіз кашықтықта орналасқан кезде олардың өзара әсерлесу энергиясын нөлге тең (әсерлеспейді). Егер кеңістіктің белгілі бip нүктесінде орналасқан зарядтан кашыктықтағы нүктеге зарядты шексіздіктен көшірген кезде істелетін жұмыс (2.3.1) формулаға сәйкес

(5.1.2)

мұндағы заряд көшіріліп әкелетін нүктедегі зарядтың потенциалы. Бұл жұмыс системаның потенциалдық энергиясын өзгертеді. және әр аттас зарядтар болса, системаның потенциалдық энергиясы кемиді, ал аттас болса артады. Зарядталған бөлшектер бip-бipiнeн шексіздікте орналасқан кездегі системаның потенциалдық энергиясы нөлге тең болғандыктан және жұмыстар системаның потенциалдық энергиясына тең, яғни

(5.1.3)

(5.1.3) өрнекті пайдаланып,

(5.1.4)

Егер шексіздіктен тағы бip нүктелік зарядын зарядтан нүктеге, ал зарядтан нүктеге шексіздіктен көшіріп әкелсек

(5.1.5)

жұмыс жасалады. Мұндағы заряд көшіріліп әкелген нүктедегі және зарядтардың потенциалы. және жұмыстарының қосындысы системаның потенциалдық энергиясына тең болады.

(5.1.6)

Соңғы теңдікті төмендегідей түрде түрлендіріп, жазуға болады

(5.1.7)

Егер системаның құрамында n нүктелік заряд болғанша , т.с.с. зарядтармен толықтыра берсек, оның потенциалдық энергиясы:

(5.1.8)

мұндағы нүктелік заряд орналасқан нүктедегі басқа зарядтардың тудыратын потенциалы.

Үзіліссіз таралған зарядтың потенциалдық энергиясы.

Көлемі көлемдік тығыздықпен зарядталған дене берілсін. Зарядталған көлемді әpбip бөлігін нүктелік заряд ретінде қарастыруға болатындай етіп ұсақ dV бөліктерге бөлеміз, әpбip бөлігінің заряды dq = pdV. Енді dq зарядтар системасына (5.1.8) формуланы қолдансақ және қосындыдан интегралға көшсек.

(5.2.1)

Егер зарядтар бет арқылы таралған болса (5.2.2-сурет).

(5.2.2)

Егер зарядтар көлем және бет арқылы таралған болса

(5.2.3)

(5.2.3) формуладағы - барлық көлемдік және беттік зарядтардың dV, элементіндегі туғызатын потенциалы. (5.1.8) және (5.2.3) формулалардың бip-бipiнeн айырмашылығы (5.1.8) формулада зарядтардың меншікті энергиясы, яғни бip зарядтың әр түрлі бөліктерінің бip-бipiмeн әcepi, ескерілмейді, ceбeбi зарядтар нүктелерде шоғырланған деп есептеледі. Ал (5.2.3) формула зарядталған денелер системасының (дененің) толық энергиясын анықтайды.

51.Тәуелсіз газ разрядтары түрлері

Тәуелсіз разряд. Кернеуліктің мәні белгілі бip шамаға жеткен кезде токтың шамасы өте жылдам өсе бастайды.

Осы кезден бастап тәуелді разрядтың тәуелсіз разрядка өту мүмкіндігі туады. Ceбeбi күштi өpicтe үдетілетін, яғни жылдамдықтары жылдам өсетін электрондардың газ молекулаларымен соктығыскан кезде оларға беретін энергиясы молекуланы иондауға қажетті энергиядан артық болады ( ). Сөйтіп иондаушы көз тудыратын электрондармен қатар, олардың молекулалармен соктығысуы кезінде баска электрондар пайда болады. Одан әpi электрондардың саны таскынды түрде өзгереді. Осы процесті сипаттау үшін бірлік ұзындықта электрондық соктығысу кезінде пайда болатын пар иондар санын анықтайтын - коэффициенті кіргізіледі. Осымен катар иондалу кезінде пайда болған иондар катодқа қарай козғала бастайды. Олар да сыртқы өрістің әсерінен үдемелі қозғалысқа келеді және молекулалармен соқтығысқан кезде иондалу процeci жүруі мүмкін. Бұл процесті сипаттау үшін сиякты -коэффициенті ендіріледі. - коэффициентінің - коэффициентінен әлдеқайда кіші болатынын Таусенд тәжірибелері көрсеткен. Сондықтан көпшілік жағдайда иондардың молекулалармен соктығысу кезінде пайда болатын ток тасымалдаушыларды ескермеуге болады.

Тәуелсіз газ разрядтарының негізгі түрлері. Газдық разрядтарды негізінен солғын, ұшқын, тәж және доғалық разрядтар деп төрт топқа бөледі.

Солғын разряд. Солғын разряд ішінде қысымы бірнеше мм сынап бағанасына тең газ бар, ұзындығы жарты метрдей түтіктің карама-карсы ұштарында орналасқан электродтарға бірнеше жүздеген вольт кернеу берген кезде пайда болады. Бұл кезде сәулелену бүкіл түтікті толтырады. Қысым 0,1-0,01 мм сынап бағанасына тең болған кезде разрядтың құрылысы 8.3.4-суретте көрсетілгендей болады. Осы суретте кернеудің түтік бойымен өзгеруі келтірілген.

8.3.4.1 – сурет

Катодтың тікелей жанында астон караңғы кеңістігі жатады. Бұл кеңістікте катодтан ұшып шыққан электрондардың сыртқы өpicтe алған энергиясы газ молекулаларын коздыруға жеткіліксіз болады. Астон караңғы кеңістігінің ені миллиметрдің оннан бip бөлігіндей және газ қысымына кepi пропорционал болады. Одан кейін катодтық қабат деп аталатын жарқылдайтын жұка кабат (2) жатады. Бұл кабатта газ молекулалары мен атомдары электрондар соккысынан энергетикалык деңгейлері жоғары козған күйлерге өтеді, бipaқ ионизация процесі әлі жоктың касы болады. Катодтық кабаттан кейін Крукс қараңғы кеңістігі (3) жатады. Бұл кеңістік шынында караңғы емес, тек өзін екі жактан шектейтін жарығырақ облыстарға қарағанда караңғы болып көрінеді. Мұнда газ атомдары мен молекулаларының жалпылама ионизациялануы, яғни электрон­дық тасқын (лавина) пайда болады. Бұл кезде сәуле шығаратын козған атомдар мен молекулалардың өте азайып кететіндіктен кеңістік қараңғы болып көрінеді. Крукс қараңғы кеңістігі кенеттен солғын сәулеленуге (4) көшеді. Сәулеленудің пайда болуы электрон­дар мен оң иондардың бейтараптануы мен козған атомдардың төменгі энергетикалық деңгейлерге өтуінен. Анодқа карай жылжыған кезде солғын сәулелену бipтe-бipтe Фарадей қараңғы кеңістігіне (5) өтеді.Бұл кеңістікке электрондар мен иондар диффузиялану арқылы жетеді, мұнда олардың саны онша емес, сондықтан рекомбинациялану процесінің интенсивтігі азаятындықтан кеңістік караңғы болып көрінеді. Фарадей караңғы кеңістігінен әpi анодқа дейін разрядтың оң баған (6) деген бөлігі жатады. Оң баған көлемдік зарядының тығыздығы жоктың касы электрөткізгіштігі жоғары иондалған газ-плазма. Мұндағы жарықталыну негізінен рекомбинациялық сәулеленудің нәтижесінде пайда болады. Оң баған кейде бip-бipiмeн алмасып келетін қараңғы және жарық жолақтарға-страттарға бөлініп кетеді. Keйбip жағдайларда оң бағаннан кейін анодтық караңғы кеңістік, одан кейін дәл жанында анодтық жарқылдайтын қабыршық (анодтық сәулелену) жатады. Анодтық сәулеленудің пайда болу ceбeбi кернеудің анодтық түcyi өткен кезде (анодка жетер алдында 5.12.4.1 суреттің be бөлігі) бірнеше еркін жүру ұзындығында электрондар, атомдар және молекулаларды қоздыруға жеткілікті энергия алады да, иондар анодтан тебіліп катодқа карай жылдамырақ қозғала бастайды. Разрядты ұстап тұру үшін оң бағанның маңызы онша емес. Егер анодты катодқа қарай жылжытса, оң баған жоғалғанға дейін разряд жүре береді. Разрядтың жүруін қамтамасыз ететін оның катодтық бөлігінде (1-5) қабаттарда жүретін құбылыстар. Солғын разрядты пайдаланып катодтық сәулелер (электрондар ағынын) және үдетілген иондар ағынын алуға болады.

Ұ шқын разряд. Егер белгілі бip кашықтықта орналаскан екі шар электродтар алып, олардың арасында кернеу тудырса электродтар арасында тармакталған, бip-бipiмeн жалғасатын, жаркыл­дайтын жіңішке жолақтар пайда болады. Тармакталған канал арқылы аз уакытта өзгеріп тұратын күші - үлкен ток импульсі өтіп отырады. Осындай разрядты ұшкын разряд деп атайды (5.13.4.2-суретке кара).

Ұшкын разряд өpic кернеулігінің тесіп өту мәнінің газ кысымына катынасы Пашен заңына бағынады, яғни

(8.3.4.2.1)

Атмосфералык кысымда ауаны тесіп өтетін

8.3.4.2 – сурет кернеуліктің мәні 30000 В/см. Табиғи жағдайда ұшкын разряд найзағай түрінде байкалады. Бұл разряд кезінде ток имульсі жүретін каналдың (плазманың) температурасы 10000 К дейін жететіндіктен өткізгіш каналдағы иондалған газдың қысымы жылдам артып, дыбыстық және соққы толкындар тудырады. Сондықтан ұшқын разряд кезінде әлсіз дыбыстан бастап қатты гүрілге дейін естіледі.

Тәж разряд. Егер екі электродтың бipeyiн қисыктығы өте үлкен (кисыктың радиусы өте аз) үшкір сым түрінде алса, оның маңында бipтeктi емес күшті электр өpici туады. Осы электрод маңында тәжге (тікірейген шашқа) ұқсас жаркылдайтын жіңішке каналдар пайда болады. Осындай разрядты тәж разряд деп атайды. Егер ток разряд тepic электрод маңында туатын болса оң тәж деп атайды. Тәж разряд кезінде екінші электрод ролін жермен қосылған кезкелген электрод атқаруы мүмкін. Оң және тepic тәждердің пайда болу механизмдері әртүрлі.

Доғалық разряд. Егер түйісіп тұрған екі электродтарды үлкен гальвани батареясына қосканнан кейін бip-бipiнeн ақырын алыстата берсе, екі электрод арасында көз каратпайтын жарықтану пайда болады. Электродтар горизонталь орналасқанда жарық шығарып тұрған газ доға түрінде салбырап тұрады. Сондықтан бұл разрядты доғалық разряд деп атайды. Доғалық разрядты 1802 жылы біріншi байқаған В.В.Петров. Доғалық разряд кезіндегі ток күшінің шамасы ондаған мың амперге дейін жетеді, ал электродтар арасын­дағы кернеудің түсуіне бірнеше ондаған вольт болады. Мысалы арнаулы байланыстыратын коспа косылып өте күшті қысылған графит электродтардың аракашықтығы 5 мм, кернеу 40-50 В болғанда, ток күші 10-20 А болады. Доғалық разряд кезіндегі газдың температурасы газ кысымына байланысты. Атмосфералық кысымдағы температура 4000°С жуық болса, жоғары кысымда (р>20 атм) температура 10000°С дейін жетуі мүмкін. Доғалық разрядтың пайда болуын камтамасыз ететін механизм-катод бетінен жылу энергиясының нәтижесінде ұшып шығатын электрондар, яғни термоэлектрондық эмиссия құбылысы. Катодтың температурасы оған соғылатын иондардың энергиясы есебінен үлкейеді, 3500°С дейін жетуі мүмкін. Ал жоғары қуатты электрондар ағынымен аткыланатын анод катодтан да үлкен температураға дейін қызып, күшті буланады. Оның бетінде шұңқыр кратер пайда болады. Егер катод температурасы төмендесе, разряд тоқтап калады да температура көтерілген кезде кайта жанады. Анодтың сууы разрядтың жұмыс icтey режиміне әсер етпейді.

Р азрядтық токтың шамасы өскен кезде термоэлектрондық эмиссияның интенсивтігі және электродтар арасындағы газдың иондалу дәрежесі артатындықтан, доғаның кедергісі токтың өсуіне қарағанда жылдам кемиді. Осының салдарынан разрядтың аралыктағы кернеу ток өскен сайын кемиді. (8.3.4.4.1-сурет).

8.3.4.4.1-сурет

Термоэлектрондық эмиссия құбылысына негізделген доғалық разрядпен қатар катоды салқын болатын доғалық разрядтар да кездеседі. Мұнда разрядтар қатарына сынап лампалардағы доғалық разрядтар жатады. Лампа сынап буымен толтырылады, ал электрод­тардың ролін екі сынап бағаналары аткарады. Екі сынап бағаналарының арасында пайда болатын доғалық разряд кезінде өте күшті ультракүлгін сәуле болатындықтан, сынап лампаны медицина мен ғылыми зерттеулерде ультракүлгін сәулелер көзі ретінде пайдаланады.