Физика (стр. 54 )

При наложении поля заряженные частицы будут направляться к электродам. Это явление называется несамостоятельным разрядом. Несамостоятельный разряд может быть вызван нагреванием газа до высокой температуры (термическая ионизация); воздействием ультразвукового или рентгеновского излучения, а также радиоактивного излучения.

При повышении напряжения на трубке все ионы, создаваемые ионизатором, доходят до электродов. Дальнейшее увеличение напряжения не может увеличить тока. Сила тока насыщения равна заряду ионов, образуемых ионизатором за одну секунду в объеме газоразрядной трубки. На начальном участке зависимости (при малых напряжениях) сила тока пропорциональна напряжению, т. е. выполняется закон Ома. Ток насыщения является мерой ионизирующего действия ионизатора. Если в режиме пропорциональности тока напряжению или в режиме тока насыщения прекратить действие ионизатора, то прекратится и разряд.

При дальнейшем увеличении напряжения в некоторый момент времени энергия электронов, движущихся к катоду, увеличивается настолько, что, налетая на нейтральные молекулы, они способны выбить из них дополнительные электроны. Выбивание электронов из нейтральных молекул приводит к тому, что число ионов и электронов лавинообразно возрастает, и разряд становится самостоятельным, т. е. сохраняется после прекращения действия ионизатора. Напряжение, при котором возникает самостоятельный разряд, называется напряжением пробоя.

Выделяют четыре типа самостоятельного разряда.

А. Тлеющий разряд возникает при низких давлениях и имеет характерный вид для каждого давления (можно по внешнему виду разряда определить давление газа). Используется в газосветных трубках рекламы.

Б. Дуговой – наблюдается в электрической дуге. В дуговом разряде плотность тока велика, хотя напряжение между электродами мало. При дуговом разряде температура электродов очень высока, поэтому в дуге большую роль играет термоэмиссия электронов с катода.

В. Искровой разряд возникает при больших напряженностях электрического поля (~) под давлением ~. Искра имеет вид ярко светящегося тонкого канала. Используется искра при воспламенении горючей смеси, электроискровой точной обработке металлов и т. п.

Г. Коронный – возникает при высоком давлении газа на остриях, тонких проводах и везде, где есть резкое падение потенциала, а, значит, высока напряженность поля (до ~). Свечение имеет вид короны (отсюда и название).

3.3.8. Термоэлектронные явления

Прохождение тока через металлы и полупроводники иногда сопровождается явлениями, которые получили название термоэлектронных.

Явление Зеебека. Это явление заключается в том, что в замкнутой цепи, образованной двумя разнородными металлами, возникает электрический ток, в случае если спаи этих металлов поддерживать при разных температурах. Первая причина этого явления в том, что по обе стороны от контакта двух разнородных металлов возникает скачок потенциала – контактная разность потенциалов. Другая причина в том, что при наличии градиента температуры вдоль проводника электроны, участвующие в тепловом движении, распределятся вдоль проводника: возле горячего конца соберутся электроны с высокой энергией (более быстрые), возле холодного конца – более медленные электроны. Это повлечет за собой диффузию быстрых электронов к холодному концу, медленных электронов – к горячему концу. Диффузионный поток быстрых электронов будет больше, поэтому у холодного конца образуется избыток электронов, а у горячего – их недостаток. В проводнике возникнет электрическое поле, направленное навстречу градиенту температуры. Это поле будет увеличивать поток медленных электронов, движущихся по полю, и уменьшать поток быстрых электронов, движущихся против поля. Так будет продолжаться до тех пор, пока потоки не уравняются. Между концами проводника возникнет разность потенциалов.

Указанные причины приводят к возникновению в замкнутой цепи, состоящей из двух разнородных проводников, электродвижущей силы, называемой термоэлектродвижущей силой.

Явление Зеебека используется для измерения температур. Соответствующее устройство называется термопарой. Один спай термопары поддерживают при постоянной температуре, другой помещают в тот объем, температуру которого хотят измерить. О величине температуры судят по измерению возникающей термоэлектродвижущей силы.

Явление Пельтье. Это явление по своей сути обратно явлению Зеебека и заключается в том, что при протекании тока через цепь, составленную из разнородных проводников, в одних спаях происходит выделение, а в других – поглощение тепла.

Явление Пельтье имеет следующее объяснение. Носители тока по обе стороны от спая имеют различную энергию. Если носители, пройдя через спай, попадают в область с меньшей энергией, они отдают избыток энергии кристаллической решетке, в результате чего спай нагревается. На другом спае носители переходят в область с меньшей энергией. Недостающую энергию они заимствуют у решетки, что приводит к охлаждению спая.

Широкого применения рассматриваемое явление пока не нашло, хотя доказана принципиальная возможность его использования для создания холодильных установок и регулирования температуры в помещениях.

Явление Томсона. Тепло, аналогичное теплу Пельтье, должно выделяться или поглощаться при прохождении тока по однородному проводнику, вдоль которого имеется градиент температуры. Этот эффект действительно был обнаружен экспериментально и получил название эффекта Томсона.

Объясняется эффект Томсона аналогично явлению Пельтье. Если ток течет в направлении возрастания температуры, то электроны при своем движении будут переходить от мест с более высокой температурой (с большей средней энергией электронов) к местам с более низкой температурой (с меньшей средней энергией электронов). Избыток своей энергии электроны отдадут решетке, что приведет к выделению тепла.

3.4. Магнитное поле в вакууме и веществе

3.4.1. Характеристики магнитного поля

Электрические токи взаимодействуют друг с другом: два прямых проводника, по которым текут токи одинакового направления, притягивают друг друга; при токах противоположного направления проводники отталкиваются.

Взаимодействие токов осуществляется через поле, которое называется магнитным. (Это поле оказывает ориентирующее действие на магнитную стрелку.) Значит, движущиеся заряды создают в пространстве магнитное поле, которое проявляется в том, что действует на движущиеся в нем заряды.

Для исследования магнитного поля используется замкнутый плоский контур с током, размерами которого можно пренебречь по сравнению с расстоянием до токов, образующих поле. Здесь имеется полная аналогия с исследованием электрического поля с помощью точечного заряда. Ориентация контура в пространстве характеризуется направлением нормали к контуру, связанной с направлением тока в контуре правилом правого винта, т. е. за положительное направление нормали принимается направление поступательного движения винта, головка которого вращается в направлении тока, текущего в контуре.

Поле оказывает на контур ориентирующее действие, устанавливая его положительной нормалью в определенном направлении. Это направление принимается за направление поля.

Если контур установить так, чтобы направления нормали и поля не совпадали, возникнет вращательный момент, стремящийся повернуть контур до равновесного положения. Вращательный момент максимален , если угол между нормалью к контуру и направлением поля , и , если .

Опытным путем обнаружено, что максимальное значение вращающего момента пропорционально току, текущему в контуре, и площади контура ~. Величина называется магнитным моментом контура. Эта величина векторная, и направление вектора совпадает с направлением положительной нормали к контуру (здесь – единичный вектор положительной нормали).

На пробные контуры, различающиеся значениями , в данной точке поля действуют разные по величине вращательные моменты . Однако отношение для всех контуров будет одно и то же. Это отношение принято за характеристику магнитного поля и называется магнитной индукцией . Магнитная индукция – вектор, направленный по направлению магнитного поля. Поле вектора наглядно можно представить с помощью линий магнитной индукции, которые строятся аналогично линиям напряженности электрического поля. Линии магнитной индукции всегда замкнуты. Каждая линия пересекает замкнутую поверхность четное число раз, причем она входит внутрь поверхности столько же раз, сколько выходит наружу. Поэтому поток вектора магнитной индукции через любую замкнутую поверхность будет равен нулю: . Это выражение определяет теорему Гаусса для вектора магнитной индукции.