Содержание

Главная >> Электродинамика. Физика 10-11 кл. Мякишев

Глава 3. Электрический ток в различных средах

§ 3.9. Различные типы самостоятельного разряда и их техническое применение (окончание)

Искровой разряд

При большой напряженности электрического поля между электродами (около 3 • 10⁶ В/м) в воздухе при атмосферном давлении возникает искровой разряд. Искровой разряд, в отличие от коронного, приводит к пробою воздушного промежутка. При искровом разряде в газе возникают каналы ионизованного газа — стриммеры, имеющие вид прерывистых ярких зигзагообразных нитей (рис. 3.23). Нити пронизывают пространство между электродами и исчезают, сменяясь новыми. При этом наблюдается яркое свечение газа и выделяется большое количество теплоты.

Вследствие нагревания давление газа в стриммерах сильно повышается. Расширяясь, газ излучает звуковые волны, сопровождающие разряд.

После пробоя разрядного промежутка напряжение на электродах сильно падает, так как в момент разряда проводимость газа вследствие его ионизации резко возрастает. В результате, если источник напряжения маломощный, разряд прекращается. Затем напряжение снова повышается и т. д.

В образовании искрового разряда наряду с ионизацией с помощью электронного удара большую роль играют процессы ионизации газа излучением самой искры.

В технике явлением искрового разряда пользуются, например, для зажигания горючей смеси в двигателях внутреннего сгорания, для электроискровой обработки металлов и в других случаях.

Молния

Пример гигантского искрового разряда — молния. Молнии возникают либо между двумя облаками, либо между облаком и Землей. Сила тока в молнии достигает 500 000 А, а разность потенциалов между облаком и Землей — миллиарда вольт. Отдельные разряды молнии очень кратковременны. Они длятся всего лишь около одной миллионной доли секунды.

Во время сильных гроз иногда наблюдается шаровая молния. Это яркое светящееся образование, которое сравнительно медленно перемещается в воздухе. Размеры шаровой молнии могут быть различными, чаще всего ее диаметр достигает 10— 20 см. Продолжительность существования шаровой молнии — от долей секунды до нескольких минут. Попытки разгадать ее природу и получить такую молнию в лабораторных условиях еще не увенчались успехом.

Дуговой разряд

Электрический разряд в воздухе при атмосферном давлении можно получить и при небольшой разности потенциалов между электродами. Если в качестве электродов взять два угольных стержня*, привести их в соприкосновение и приложить напряжение 30—50 В, то по получившейся замкнутой цепи пойдет сильный ток. Так как в месте соприкосновения электродов сопротивление велико, то в соответствии с законом Джоуля—Ленца здесь выделяется наибольшее количество теплоты и концы угольных стержней раскаляются. Температура повышается настолько, что начинается термоэлектронная эмиссия. Вследствие этого при раздвижении угольных электродов между ними начинается самостоятельный разряд. Между углями возникает столб ярко светящегося газа — электрическая дуга (рис. 3.24).

* Эти стержни, называемые дуговыми углями, получают прессованием графита, сажи и связующих веществ.

Проводимость газа в этом случае значительна и при атмосферном давлении, так как число электронов, испускаемых отрицательным электродом, очень велико. Сила тока в небольшой дуге достигает нескольких ампер, а в больших дугах — нескольких сотен ампер при разности потенциалов всего лишь порядка 50 В. Электрическая дуга была впервые получена в 1802 г. русским академиком В. В. Петровым (1761—1834).

Высокая температура катода при горении дуги поддерживается бомбардирующими катод положительными ионами. Газ в самой дуге также сильно разогревается из-за соударений молекул с ионами и электронами, ускоряемыми полем. Поэтому происходит термическая ионизация газа.

На положительном электроде дуги под влиянием бомбардировки электронами образуется углубление — кратер. Температура в кратере при атмосферном давлении достигает 4000 °С, а при давлении 2 • 10⁶ Па превышает 7000 °С. Температура катода при атмосферном давлении достигает 3000 °С, а в канале электрической дуги 5000—6000 °С. Для сравнения заметим, что температура на поверхности Солнца 6000 °С.

Электрическая дуга может возникнуть не только между угольными, но и между металлическими электродами.

Дуговой разряд возникает во всех случаях, когда вследствие разогревания катода основной причиной ионизации газа становится термоэлектронная эмиссия. Так, например, в тлеющем разряде положительные ионы, бомбардирующие катод, не только вызывают вторичную эмиссию электронов, но и нагревают катод. Поэтому, если увеличить силу тока в тлеющем разряде (этого можно достигнуть, увеличив напряжение или сблизив электроды), то температура катода увеличивается, и, когда она достигает такого значения, что начинается заметная термоэлектронная эмиссия, тлеющий разряд переходит в дуговой. При увеличении мощности источника искровой разряд тоже может превратиться в электрическую дугу. Таким образом, для возникновения дугового разряда не обязательно предварительное сближение электродов.

Дуговой разряд имеет разнообразные технические применения. Его используют в качестве источника света в прожекторах, проекционных и киноаппаратах, маяках и т. д.

В электрометаллургии широко применяют электропечи (рис. 3.25), в которых источником теплоты служит дуговой разряд.

Электрическую дугу применяют также для сварки металлических деталей (дуговая электросварка). Возможность такого применения дуги была предсказана В. В. Петровым и впервые разработана русскими изобретателями Н. И. Бенардосом (1885) и Н. Г. Славяновым (1890). При выполнении электросварочных работ лицо сварщика, а в особенности глаза, должны быть закрыты толстым стеклом для предохранения от ультрафиолетовых лучей, испускаемых дугой. Электросварка в наше время широко применяется в машиностроении, при прокладке трубопроводов, при строительстве зданий, мостов и других сооружений.

При низких давлениях происходит тлеющий разряд. При атмосферном давлении можно получить электрическую дугу, наблюдать коронный и искровой разряды.

<<< К началу параграфа