Landsberg-1985-T2

нии возле проволоки появляется слабое свечение «(IЮРО­

на»), охватывающее со всех сторон проволоку; оно сопро­

вождается шипящим звуком и легким потреСКIIванием.

Если между проволокой и источником включен чувствитель­

ный гальванометр, то с появ.nением свечения гальванометр

показывает заметный ток, идущий от генератора по про­

водам к проволоке и от нее по воздуху комнаты к стенам,

соединенным с другим полюсом генератора. Ток в воздухе

между проволокой и стенами переносится ионами, образо­

вавшимися в воздухе благодаря ударной ионизации. Таким образом, свечение воздуха и появление тока указывают на

сильную ионизацию воздуха под действием электрического

поля.

Коронный разряд может возникнуть не только вблизи проволоки, но и у острия и вообще вблизи любых электро­ дов, возле которых образуется очень сильное неоднородное поле (§ 30).

? 95.1. Опыт показывает, что нельзя заряжать бесконечно какое­ либо тело и что, после того как заряд на теле достигает некоторого максимального значения, зависящего от размера и формы тела и свойств окружающей среды, дальнейшего увеличения заряда добиться невозможно. Объясните это.

95.2. Почему у электрических машин и электроскопов проводя­

щие части не имеют острых углов, а всегда заканчиваются метад­

лическими шариками?

95.3. Для снятия зарядов с диска электрической машины возле него помещают металлическую гребенку с остриями. Заряженные участки диска, проходSl мимо гребенки, отдают ей свой заряд, хотя острия и диск не соприкасаются. Почему это происходит?

§ 96. Применення коронного разряда. 1. Электрическая очuстка газов (электрофильтРbl). Сосуд, наполненный дымом, внезапно делается со­

вершенно прозрачным, если внести в него острые метаJIJlические элек­

троды, соединенные с электрической машиной. На рис. 156 показано ви­

доизменение.этого эффектного опыта. Внутри стеклянной трубки содер­

жатся два электрода: металлический цилиндр и натянутая по его оси

тонкая металлическая проволока (шарик натягивает проволоку). ЭJIек­

троды присоединены к электрической машине. Если продувать через трубку струю дыма (или пыли) и привести в действие машину, то, как только напряжение сделается достаточным для образования короны, выходящая струя воздуха станет совершенно чистой и прозрачной, и все твердые и жидкие частицы, содержащиеся в газе, будут осаждаться

на электродах.

Объяснение опыта заключается в следующем. Как только у прово­ локи зажиГается корона, воздух внутри трубки СИ.'1ьно ионизуется. Газовые ионы, соударяясь с частицами пыли, «прилипают» К последним 11 заряжают их. Так как внутри трубки действует сильное электрическо~ поле, то заряженные частицы движутся под действием поля к электро­ дам, где и оседают. Описанное явление находит себе в настоящее время

техническое применение для очистки промышленных газов в больших

объемах от твердых и жидких примесеЙ.

214

2. Счетчики 8Ае.менmapных частиц. Коронный разряд лежит в ос­

нове действия чрезвычайно важных физических приборов - так назы­ ваемых счетчиков элементарных, частиц (электронов, а также других элементарных частиц, которые образуются при радиоактивных превра­ щениях). Один из типов счетчика (счетчик Гейгера - Мюллера) пока­

зан на рис. 157. Он состоит из небольшого металлического цилиндра,

снабженного окошком, закрытым фоль­ гой, и тонкой металлической проволо­

ки, натянутой по оси цилиндра и изо­

лированной от него. Счетчик включа­

ют в цепь, содержащую источник то­

ка, напряжение которого равно несколь­

ким тысячам вольт. Напряжение вы­ бирают таким, чтобы оно было только

немного меньше «критического», т. е.

необходимого для зажигания корон­

ного разряда внутри счетчика. При по­

падании в счетчик быстро движущего­

ся электрона последнИй ионизует мо­

лекулы газа внутри счетчика, отчего

напряжение, необходимое ДJIЯ зажига-

пия короны, нескодько понижается. В счетчике ВОзникает разряд. а

в цепи появляется слабый /{ратковременный ток.

Возникающий в счетчике ток настодько слаб, что обычным гальва­ нометром его обнаружить трудно. Однако его можно сделать вподне заметным, если в цепь ввести очень большое сопротивление R и пара.~­ JIельно к нему присоединить чувствительный электрометр (рис. 157).

При возникновении в цепи тока 1 на концах сопротивления создается

напряжение и, равное по закону Ома 1R. Если выбрать сопротивление

R очень большим (много МИЛJIИОНОВ ом), однако значительно меньшим

сопрОТИв.'1ения самого электрометра, то даже очень слабый ток вызовет

заметное напряжение. Поэтому при каждом попадании быстрого э.'lектро­

на внутрь счетчика листки ЭJIектрометра будут давать отклонение. Подобные счетчики позволяют регистрировать не только быстрые

электроны. но и вообще любые заряженные, быстро движущиеся ча­

стицы, способные производить ионизацию газа путем соударениЙ. Сов­

ременные счетчики дегко обнаруживают попадание в них даже одной

частицы и позволяют поэтому с полной достоверностью и очень большой наглядностью убедиться, что в природе действительно существуют эле­

ментарные заряженные частицы.

215

§ 97. Громоотвод. Подсчитано. что в атмосфере всего земного шара происходит одновременно около 1800 гроз. которые дают в среднем около 100 молний в секунду. И хотя вероятность поражения молниеii какого­

либо отдельного человека ничтожно мала. тем не менее молнии причи­

IlЯЮТ немало вреда. Достаточно указать, что в настоящее время около

половины всех аварий в КРУПН,ых линиях электропередачи вызываются

возникает (а такие случаи очень редки), она

ударяет в громоотвод и заряды уходят в Зем.1!О, не причинял разру-

шений.

В некоторых случаях коронный разряд с громоотвода бывает на­

столько сильным. что у острия возникает ясно видимое свечение. Такое

свечение иногда появляется и возле других заостренных предметов, на­

пример на концах корабельных мачт, острых Вl'ршинах деревьев и т. п.

ЭТо явление было замечено еще несколько веков тому назад (<<огни свя­ того Эльма») и вызывало суеверный ужас мореплавателей, не понимав­

ших истинной его сущности.

Следует отметить. что громоотвод только тогда выполняет свое на­

значение, если он хорошо'заземлен. так как только в этом случае инду­

цированные заряды с поверхности Земли и зданий могут стекать в воздух.

§ 98. Электрическая дуга. В 1802 г. русский физик Василий Владимирович Петров (1761-1834) установил, что если присоединить к полюсам большой электрической батареи

два кусочка древесного угля и. приведя угли в соприкос­

новение, слегка их раздвинуть, то между концами углей

образуется яркое пламя, а сами концы углей раскаляются

добела, испуская ослепительный свет (электрическая дуга). Эrо явление семь лет спустя независимо наблюдал англий-

216

СIШЙ химик Г. ДЭВИ, который предложил в честь А. Вольты

назвать эту дугу «вольтовой».

На рис. 159 изображен простейший способ получеНJlЯ

электрической дуги. В регулирующем штативе закреплены

два угля, в качестве которых лучше брать не обычный

••••••••

••••• •••

Рис. 159. Установка для получения электрической дуги: 1 и 2 - уголь­

ные электроды

древесный уголь, а специально изготовляемые стержни, получаемые прессованием смеси графита, сажи и связу­ ющих веществ (дуговые угли). Источником тока может

служить осветительная сеть. Чтобы в момент соединения

углей не получилось короткого замыкания, последова­

тельно с дугой следует включить реостат.

Обычно осветитеЛьная сеть питается током переменного

направления. Дуга, однако, горит устойчивее, если через

нее пропускают ток постоянного направления, так что

один из ее электродов является все вре\!я положительны:vr

(анод), а другой отрицательным (катод). Фотография на­

каленных электродов такой дуги приведена на рис. 160. Между электродами наХОД!lТСЯ столб раскаленного газа, хорошо проводящего электричество. В обычных дугах

этот столб испускает значительно меньше света, нежели

раскаленные угли, и поэтому на фотографии не виден.

Положительный уголь, имен более высокую температуру, сгорает быстрее отрицательного. Вследствие сильной воз-

217

гонки угля на нем образуется углубление - IlOложитель­

ный кратер, являющийся самой горячей частью элеl\ТРО­

Дов. Температура кратера в воздухе при ат:vюсфеРНО:'l дав­

лении доходит до 4000 Ос.

трудно, например, расплавить в пламени дуги тугоплаВК!lе

фарфоровые палочки.

Для поддержания дугового разряда нужно небольшое

напряжение: дуга хорошо горит при напряжении на ее

электродах 40-45 В. Ток в дуге довольно значителен.

Так, например, даже в небольшой дуге, в опыте, изобра­

женном на рис. 159, идет ток около 5 А, а в больших ду-

218

гах, употрсбляющихся в промышленности, ТОК достигает

сотен ампер. Это показывает, ЧтО сопротивление дуги не­

велико; следовательно, и светящийся газовый столб хо­ рошо проводит электрический ток.

?98.2. Дуговая лампа требует ток 300 А при напряжении на углях 60 В. Какое количество теплоты выделяется в' такой дуге за

1 мин? Чему равно сопротивление такой дуги?

такая сильная ионизация газа возможна Только бла­

годаря тому, что катод дуги испускает очень много элект­

ронов, которые своими ударами ионизуют газ в разрядном

пространстве. Сильная электронная эмиссия с катода обеспечивается тем, что катод дуги сам накален до очень

высокой температуры (от 2200 до 3500 ос в зависимости от материала). Когда для зажигания дуги мы вначале при­

водим угли в соприкосновение, то в месте контакта, об­

ладающем очень большим сопротивлением, выделяется

почти все джоулево тепло проходящего через угли тока

(§ 59). Поэтому концы углей сильно разогреваются, и ЭТQГО

достаточно для того, чтобы при их раздвижении между

ними вспыхнула дуга. В дальнейшем катод дуги поддер­

живается в накаленном состоянии самим током, проходя­

щим через дугу. Главную роль в этом играет бомбарди­

ровка катода падающими на него положительными ионами.

Вольтамперная характеристика дуги, т. е. зависимость

между силой тока в дуге / и напряжением между ее элект­

РОДi!МИ и, носит совершенно своеобразный характер. До

сих пор мы встречались с двумя формами такой зависи­

мости: в металлах и электролитах ток возрастает пропор­

ционально напряжению (закон Ома), при несамостоятель­

ной проводнмости газов ток сначала возрастает с увели­

чением напряжения, а затем достигает насыщения и от

Ш1Пряжения не зависит. В дуговом разряде при увели­

чеюIИ тока напряжение на зажимах дуги уменьшается.

Говорят, что дуга имеет падающую вольтамперную харак­

теРIIСТИКУ.

Таким образом, в случае дугового разряда увеличение

тока приводит к уменьшению сопротивлеНJIЯ дугового

ПРЩ1ежутка и уменьшению напряжения на нем. Именно

ПОЭТО;VIУ, дЛЯ того чтобы дуга горела устойчиво, необхо­

димо включать последовательно с ней реостат (рис. 159)

или другое так называемое балластное сопротивленпе.

§ !д Применения дугового разряда. Вследствие ВЫСОКОIl температуры электроды дуги испускают ОС.'IепительныЙ

219

свет *), и поэтому электрическая дуга является одним из

лучших источников света. Она потребляет всего около

0,3 Вт на канделу и является значительно более эконо­

мичной, нежели наилучшие лампы накаливания. Элект­ рическая дуга впервые. была использована для освещения в 1875 г. русским инженером-изобретателем Павлом Ни­

колаевичем Яблочковым (1847-1894) И получила название

«русского света» или «северного света».

Хотя в широкой практике дуговые лампы в настоящее

время почти полностью вытеснены лампа~и накаливания

(§ 62), тем не менее в ряде случаев, где требуются очень

мощные и яркие источники све1а, наПРI!~ер в прожекторах, при киносъе~ке и т. П., дуговые ла~пы ПРI!~еняются очень часто.

Электрическая дуга применяется для сварки ~еталли­ ческих деталей (дуговая Э,1ектросварка). Возможность

такого при~енения дуги была также указана В. В. Пет­ POBЫ~ и впервые разработана РУССК!f~И JIЗобретателями

Н. Н. Бенардосом (1885 г.) и Н. Г. СлаВЯНОБЫ~I (1890 г.).

Сваривае~ые детали служат ПОЛОЖIпеЛЬНЫ:VI э.lектродом;

касаясь их угле~, соединенны~ с отрицательны~ полюсом

водка тока

менЯют также в промышлен-

ных электропечах. В мировой

I1ромышленности около 90 % инструментальной стали и

почти все специальные стали выплавляются в электриче­

ских печах. Многие из таких печей построены по типу ду­

говых (рис. 161).

*) Свечение столба дуги слабее, так как излучающая способность

газа мала.

220

Большой интерес представляет ртутная дуга, ГОР51ща51

Iз кварцевой трубке, так называемая кварцевая лампа. В этой лампе дуговой разряд ПРОIlСХОДIIТ не в воздухе, а в

атмосфере ртутного пара, для чего в лампу вводят не­

большое количество ртути, а воздух откаЧJIвают. Свет ртутной дуги чрезвычайно богат невидимыми ультрафио­ летовыми лучами, обладающими сильным химическим If

физиологическим действием. Чтобы можно было исполь­

зовать это излучение, лампу делают не из стекла, которое

сильно поглощает ультрафиолетовое излучение, а из плавленого кварца. Ртутные лампы широко применяют

при лечении разнообразных болезней (<<искусственное гор­ ное солнце»), а также при научных исследоваНI!ЯХ как

сильный источник ультрафиолетового излучения. Свет ртутной лаrv!Пы также чрезвычайно вреден для глаз.

§ 100. Тлеющий разряд. Кроме искры, короны и дуги, суще­

ствует еще одна форма самостоятельного разряда в газах -

так называе.\lыII тлеющий разряд. Для ПОJIучения этого

типа разряда удобно ИСПОJIьзовать стеклянную трубку

длины около ПОJIуметра, содержащую два метаЛJIИческих

электрода (рис. 162). Присоединим электроды к источнику

Рис. 162 . Тлеющий разр ЯД

постоянного тока с напряжением в несколько тысяч вольт

(годится электрическая машина) и будем постепенно от­

качивать из трубки воздух. При атмосфеРНО!\1 давлении

газ внутри трубкн остается TeMHЫ~I, так как ПРИJIоженное

напряжение в несколько тысяч вольт недостаточно для

того, чтобы пробить длинный газовый ПрО~Jежуток. Однако

когда давление газа достаточно ПОНIIЗJПСЯ, в трубке вспы­

газовый столб хорошо проводит электричество.

При дальнейшей откачке светящийся шнур размыва­

ется и расширяется, и свечение заполняет почти всю трубку.

При давлении газа в несколько десятых миллиметра ртут­ ного столба разряд имеет типичный вид, условно изобра-

221

женный на рис. 162. Различают следующие две главные

части разряда *): а) несветящуюся часть, прилегающую

к катоду, получившую название темного катодного про­

странства; б) светящийся столб газа, заполняющий всю остальную часть трубки, вплоть до самого анода, и носящий

название nоложumeЛЫlOго столба. При подходящем дав­ лении положительный столб может распадаться на отдель­

ные слои, разделенные темными промежутками, так назы­

ваемые страты.

Описанная форма разряда называется тлеющим раз­

рядом. Почти весь свет, испускаемый при разряде, исходит

из положительного столба. При этом цвет свечения за­

висит от рода газа.

В настоящее время трубки с тлеющим разрядом нахо­

дят практическое применение как ИСТОчники света - газо­

разрядные лампы. Для целей освещения с успехом приме­

няются газоразрядные лампы, в которых разряд проис­

ходит в парах ртути, причем вредное для глаз ультрафио­

летовое излучение поглощается СЛОем фосфоресцирующего вещества, покрывающего изнутри стенки лампы. Фосфорес­

цирующее вещество начинает светиться видимым светом,

который добавляется к собственному свечению паров ртути, давая в результате свет, близкий по характеру к

дневному свету (газоразрядные лампы дневного света).

Такие лампы не только дают приятное «естественное» ос­ вещение, но и значительно (в три-четыре раза) экономичнее

лампочек накаливания.

Газоразрядные лампы применяются также для декора­ тивных целей. В этих случаях им придают очертания букв, различных фигур и Т. д. И наполняют газом с краси­

вым цветом свечения (например, неоном, дающим яркое

оранжево-красное свечение, или аргоном с синевато­

зеленым свечением).

§ 101. Что п:эоисхОдит при тлеющем разряде? При тлеющем разряде газ

хорошо проводит электричество, значит, в газе все время поддержива­

ется сильная ионизаЦI1Я. При этом в отличие от дугового разряда катод все время остается ХОЛОДНЫМ. Почему же в этом случае происходит обильное образование ионов?

Падение потенциала или напряжение на единице длины (т. е.

ди!д{) газового столба в тлеюшем разряде различно в разных частях

разряда. Если впаять по длине трубки ряд платиновых ПРО1Jолочек, то,

присоединяя электрометр к разли'lЧЫМ проволочкам (рис. 163), можно измерять напряжение U между различными точками разряда, в част-

*) Мы не упоминаем о ряде деталей в строении разряда, имеющих

второстепенное,значение.

222

ности ~Iежду любой точкой столба и катодом. Откладывая на графике

по оси ординат это напряжение, а по оси абсцисс расстояние 1 рассма­ триваемой точки от катода, мы получим кривую, изображенную на

рис. 163 вверху. Мы видим, что почти все падение потенциала приходит­ ся на темное пространство. Разность потенциалов, существующую ме}!<ду катодом и ближайшей к нему границей темного пространсп'а. называют

и

PI~C. J63. Распределение потенциала в тлеющем разряде: и - напря­

)hение между данной точкой разряда и катодом, 1- расстояние от

катода вдоль трубки

катоднЬ!,и падением потенциала. Оно измеряется сотнями, а в некоторых случаях и тысячами вольт. Опыт показывает, что наличие катодного па­

дения является самым важным признаком т.1еющего разряда; без катод­ ного падения тлеющий разряд не можЕТ существовать.

Значение катодного падения заключается в том, что положитель­

ные ионы, пробегая эту большую разность потенциалов, приобретают

большую скорость. Так как катодное падение сосредоточено в тонком

сдое газа, то здесь почти не прОисходит соударений ионов с атомами газа, 11 поэтому, проходя через об.'1асть катодного падения, ноны при­

обретают очень большую кинетическую энергию. Всдедствие этого при

соударении с катодом они выбивают из него некоторое число Э.lеКТРОl!ОЕ,

которые начинают двигаться к аноду. Проходя через темное простран­

ство, электроны в свою очередь ускоряются катодным падением потен"

циала и при соударениях с атомами газа в более удаленной части разряда

(в положительном столбе) производят ионизацию удароы. Возникающие

при этом положительные ионы опять ускоряются катодным падением и

выбивают из катода новые электроны и т. д. Таким образо/.!, происходит

образование все новых и новых ионов, и разряд продолжается до тех пор, пока на электродах поддерживается необходимое напряжение. мы видиы, что npUlfUHaJ,tu иО1ШЗацuи газа в тлеlOщеJ,t разряде Я8ЛЯЮтся ударная ионизация и 8ыбивание электронов из катода положительными llOнаJ,Ш.

ИЗ сказанного следует, что чем прочнее связаны электроны в ме­ талле катода, тем большую энергию должны приобрести положитель­ ные ионы для их выбивания, а значит, и тем большее катодное падение должно быть в разряде. Поэтому катодное падение потенциала зависит

от материала катода. Опыт показывает, что оно зависит еще и от рода газа. Подбирая соответствующим образом материал катода и газ в раз-

223