§ 56. 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-

185

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

186

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

187

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

188

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.

189