Коронный разряд - это явление, связанное с ионизацией воздуха в электрическом поле с высокой напряженностью (свечение газов в неоднородном электрическом поле высокой напряжённости).
Области с высокой напряженностью часто образуются вследствие неоднородности электрического поля, возникающей:
1) При выборе неверных параметров в процессе конструирования;
2) В результате загрязнений, возникающих в процессе работы;
3) В результате механических повреждений и износа оборудования.
Подобные поля формируются у электродов с очень большой кривизной поверхности (острия, тонкие провода). Когда напряженность поля достигает предельного значения для воздуха (около 30 кВ/см), вокруг электрода возникает свечение, имеющее вид оболочки или короны (отсюда название). Коронный разряд применяется для очистки газов от пыли и других загрязнений (электрофильтр), для диагностики состояния конструкций (позволяет обнаруживать трещины в изделиях). На линиях электропередачи возникновение коронного разряда нежелательно, так как вызывает значительные потери передаваемой энергии. С целью уменьшения относительной кривизны электродов применяются многопроводные линии (3, 5 или более определенным образом расположенных проводов).
Типы корон и их идентификация
Отрицательная "подобная пламени" корона. Этот тип короны обычно имеет место на проводнике, заряженном отрицательно, например, во время отрицательной полуволны напряжения сети. Этот тип короны выглядит как пламя, форма, направление и размер которого постоянно изменяются. Эта корона очень чувствительна к изменению параметров окружающей среды. Ее возникновение также приводит к появлению звукового сигнала примерно удвоенной промышленной частоты (например, 100 Гц) или кратной ей.
Пробои
Пробои обычно образуются между двумя изолированными, но находящимися близко друг от друга металлическими пластинами. Ток утечки вдоль опоры индуцирует определенные уровни напряжения между пластинами и, таким образом, разряд между ними. Эти разряды обычно трудны для локализации, так как нет прямого их соединения с высоковольтной линией. В камере CoroCAM эти искровые промежутки будут выглядеть как небольшие, постоянные и очень яркие объекты. Звук, который возникает при этих разрядах, имеет более высокий тон, чем у отрицательных корон, и кажется несвязанным с промышленной частотой. Искровые промежутки обычно вызывают большие радио- и телевизионные помехи (например, высокие RI – radio interference).
Положительный тлеющий коронный разряд
Положительный тлеющий коронный разряд образуется на проводнике, заряженном положительно, (например, во время положительной полуволны напряжения сети). Он обычно встречается в местах с острыми углами. Этот тип короны имеет небольшой размер и выглядит как свечение вокруг определенного места. Это относительно слабый источник коронного разряда, и он создает очень незначительный звуковой сигнал.
Насколько серьезна корона/разряд с точки зрения возникновения напряжения радиопомех (RIV)?
Общие замечания:
Все искровые промежутки являются причиной серьезных радиопомех.
Если корона полностью видима невооруженным глазом (ночью), то она вызовет серьезные радиопомехи. (Используйте камеру CoroCAM для быстрой локализации всех источников коронного разряда, а затем постарайтесь увидеть их невооруженным глазом.)
Положительный тлеющий коронный разряд не вызывает серьезных радиопомех.
Применение коронного разряда
Электрическая очистка газов (электрофильтры).
Сосуд, наполненный дымом, внезапно делается совершенно прозрачным, если внести в него острые металлические электроды, соединенные с электрической машиной, а все твердые и жидкие частицы будут осаждаться на электродах. Объяснение опыта заключается в следующем: как только и проволоки зажигается корона, воздух внутри трубки сильно ионизируется. Газовые ионы прилипают к частицам пыли и заряжают их. Так как внутри трубки действует сильное электрическое поле, заряженные частицы пыли движутся под действием поля к электродам, где и оседают.
Счетчики элементарных частиц.
Счетчик элементарных частиц Гейгера – Мюллера состоит из небольшого металлического цилиндра, снабженного окошком, закрытым фольгой, и тонкой металлической проволоки, натянутой по оси цилиндра и изолированной от него. Счетчик включают в цепь, содержащую источник тока, напряжение которого равно нескольким тысячам вольт. Напряжение выбирают необходимым для появления коронного разряда внутри счетчика.
При попадании в счетчик быстро движущегося электрона последний ионизирует молекулы газа внутри счетчика, отчего напряжение, необходимое для зажигания короны, несколько понижается. В счетчике возникает разряд, а в цепи появляется слабый кратковременный ток. Чтобы обнаружить его, в цепь вводят очень большое сопротивление (несколько мегаом) и подключают параллельно с ним чувствительный электрометр. При каждом попадании быстрого электрона внутрь счетчика листка электрометра будут откланяться.
Подобные счетчики позволяют регистрировать не только быстрые электроны, но и вообще любые заряженные, быстро движущиеся частицы, способные производить ионизацию путем соударений. Современные счетчики легко обнаруживают попадание в них даже одной частицы и позволяют поэтому с полной достоверностью и очень большой наглядностью убедиться, что в природе действительно существуют элементарные заряженные частицы.
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 молнией какого-либо отдельного человека ничтожно мала, тем не менее молнии причиняют немало вреда. Достаточно указать, что в настоящее время около половины всех аварий в крупных линиях электропередачи вызывается молниями. Поэтому, защита от молнии представляет собой важную задачу.
Ломоносов и Франклин не только объяснили электрическую природу молнии, но и указали, как можно построить громоотвод, защищающий от удара молнии. Громоотвод представляет собой длинную проволоку, верхний конец которой заостряется и укрепляется выше самой высокой точки защищаемого здания. Нижний конец проволоки соединяют с металлическим листом, а лист закапывают в Землю на уровне почвенных вод. Во время грозы на Земле появляются большие индуцированные заряды и у поверхности Земли появляется большое электрическое поле. Напряженность его очень велика около острых проводников, и поэтому на конце громоотвода зажигается коронный разряд. Вследствие этого индуцированные заряды не могут накапливаться на здании и молнии не происходит. В тех же случаях, когда молния все же возникает (а такие случаи очень редки), она ударяет в громоотвод и заряды уходят в Землю, не причиняя вреда зданию.
В некоторых случаях коронный разряд с громоотвода бывает настолько сильным, что у острия возникает явно видимое свечение. Такое свечение иногда появляется и возле других заостренных предметов, например, на концах корабельных мачт, острых верхушек деревьев, и т.д. Это явление было замечено еще несколько веков тому назад и вызывало суеверный ужас мореплавателей, не понимавших истинной его сущности.
Под действием коронного разряда
Электрофильтры – наиболее эффективные газоочистительные аппараты, т.к. эксплуатационные расходы на их содержание, по сравнению с другими пыле- и золоуловителями, гораздо ниже. При этом электрофильтры наиболее полно отвечают требованиям абсолютного пылеулавливающего устройства.
Установка для электрической очистки газов включает в себя электрофильтр и агрегат питания. Подлежащий очистке газ поступает в электрофильтр, на электроды которого подается высокое напряжение, между электродами возникает коронный разряд, вследствие чего происходит заполнение межэлектродного пространства отрицательно заряженными ионами газа, которые под действием электрического поля движутся от коронирующих электродов к осадительным.
Осадительные электроды подразделяются на пластинчатые, трубчатые, коробчатые, прутковые, карманные, желобчатые, С-образные, тюльпанообразные и т.д.
По способу удаления пыли электрофильтры делятся на мокрые и сухие. В сухих электрофильтрах встряхивание электродов производится ударно-молотковым, ударно-импульсным, вибрационным способами и др. В мокрых электрофильтрах осуществляется периодическая или непрерывная промывка электродов. По направлению движения очищаемого газа электрофильтры подразделяются на вертикальные и горизонтальные. Кроме того, электрофильтры бывают однозонными, в которых зарядка и осаждение частиц осуществляется в одной зоне, и двухзонными – в них зарядка и осаждение осуществляются в разных зонах: ионизаторе и осадителе.
Трубчатый электрофильтр Стюртевант
По принципу создания коронного разряда электрофильтры бывают с фиксированными точками коронного разряда и нефиксированным коронным разрядом.
По типу систем коронирующих электродов электрофильтры можно разделить на две основные группы: с рамными коронирующими электродами и со свободно подвешенными коронирующими электродами. Встряхивание осадительных и коронирующих электродов осуществляется с помощью соударения, ударно-молоткового встряхивания, ударно-импульсной системы, вибрационных механизмов, периодической и непрерывной промывки.
Физика коронного разряда подробно рассмотрена в книге Н.А.Капцова «Коронный разряд и его применение в электрофильтрах», изданной в 1947 г. Явление электрического разряда в газах объясняется несколькими теориями разряда. Основание перво теории – теории лавин – было положено Таунсендом в 1900 г. Спустя 30 лет она получила дальнейшее развитие в трудах Роговского и, как пишет Н.А.Капцов, «и до настоящего времени служила основой при объяснении явлений коронного разряда». Вторая теория – теория газоразрядной плазмы – с 1924 г. разрабатывалась Ленгрюмом и его школой, но, по мнению Н.А.Капцова, к объяснению физики коронного разряда не имеет прямого отношения. Третья теория – теория изотермической плазмы – разрабатывалась в довоенные годы Эленбасом и другими голландскими физиками.
При дальнейшем повышении напряжения от U з и выше сила тока резко начинает возрастать. Если убрать внешний ионизатор, разряд продолжится. Значит заряды, необходимые для поддержки электропроводимости газа, теперь создаются самим разрядом. Газовый разряд, который существует без действия внешнего ионизатора, называют самостоятельным разрядом. Напряжение U з, при котором разряд становится самостоятельным, называют напряжением зажигания газового разряда или напряжением пробоя. Самостоятельный газовый разряд поддерживается за счет ударной ионизации электронами, ускоренными электрическим полем. Под действием электрического поля скорость электронов возрастает настолько, что при соударении электрона с атомом, атом теряет электрон. При достаточной напряженности электрического поля оба электрона набирают до следующего столкновения энергию, достаточную для ионизации следующего атома. Число электронов растет очень быстро, говорят, образуются электронно-ионная лавина. Этого не достаточно, необходимо компенсировать электроны, ушедшие на анод. Эти электроны могут появиться из катода при бомбардировке катода положительными ионами и фотонами (при освещении катода), движущимися к катоду под действием электрического поля.
Типы самостоятельных разрядов:
а) Коронный разряд
возникает при атмосферном давлении в резко неоднородном электрическом поле вблизи электродов с большой кривизной поверхности
б)Искровой разряд
возникает при большой напряженности электрического поля.
в) Дуговой разряд
Если после зажигания искрового разряда от мощного источника постепенно уменьшить расстояние между электродами, то разряд становится непрерывным- возникает дуговой разряд. При этом сила тока резко возрастает, достигая сотен ампер, а напряжение на разрядном промежутке падает до нескольких десятков вольт. Дуговой разряд можно получить от источника низкого напряжения, минуя стадию искры. Для этого электроды сближаются до соприкосновения, они сильно раскаляются электрическим током, потом их разводят и получают электрическую дугу (именно так она была открыта В.В. Петровым). При атмосферном давлении температура катода примерно 3900 К. Дуговой разряд поддерживается за счет высокой температуры катода из-за интенсивной термоэлектронной эмиссии, а также термической ионизации молекул, обусловленной высокой температурой газа. Дуговой разряд применяется для сварки и резки металлов, получения высококачественных сталей в дуговых печах, освещения (прожекторы).
г) Тлеющий разряд возникает при низких давлениях. Тлеющий разряд – это свечение газосветных трубок в надписях и рекламах, это лампы дневного света. Характер свечения зависит от химического состава газа в трубке и состава вещества, покрывающего внутреннюю поверхность трубки.
2. Естественная радиоактивность. Виды радиоактивных излучений и их свойства.
Явление радиоактивности подтверждает сложный состав атома. Радиоактивность заключается в том, что ядро некоторых химических элементов самопроизвольно, без действия внешних факторов создают невидимое излучение, которое обладает определенными свойствами. Радиоактивность открыл в 1896г. Анри Беккерель для урана. Невидимые лучи действовали на фотопластинку, ионизировали газ, имели высокую проникающую способность. Изучение радиоактивности (этот термин появился позднее) продолжили многие ученые. В 1898г. французские физики Мари Кюри и Пьер Кюри из отходов урановой руды получили два новых химических элемента. Сначала полоний (Ро), занявший 84 клетку в таблице Менделеева, а затем радий (Ra), занявший 88 клетку. Излучения радия было очень сильным, термин радиоактивность стал применяться после открытия радия. Кюри также выяснили, что все элементы, начиная с 83 в разной степени радиоактивны.
Э.Резерфорд, исследуя радиоактивное излучение, обнаружил его неоднородность. В магнитном и электрическом полях излучение делилось на три части. Компоненты излучения были названы: альфа –лучами (α), бета-лучами (ß), гамма-лучами (γ).
α- лучи слабо отклоняются в электрическом и магнитном полях как положительно заряженные частицы. Масса этих частиц в четыре раза превосходит массу атома водорода. Позднее было определено, α- лучи- это ядра атомов гелия. У α- лучей очень сильная ионизирующая способность, но проникающая способность слабая, т.е. это излучение хорошо поглощается веществом.
ß -лучи отклонялись в магнитном и электрическом поле противоположно α-лучам, но значительно сильнее, они представляют собой поток быстрых электронов. Проникающая способность ß -лучей значительно больше, чем у α- лучей, а ионизирующая много слабее.
γ -лучи не отклонялись в электрическом и магнитных полях, они оказались очень жестким электромагнитным излучением (электромагнитные волны очень малой длины, большой проникающей способностью). Обнаружить γ -лучи можно и после прохождения железной плиты метровой толщины.
Билет № 7
1. Электрический ток в полупроводниках. Собственная и примесная проводимость полупроводников.
Существует большая группа веществ, которые по своим электрическим свойствам занимают промежуточное положение между проводниками и диэлектриками. Эти вещества называют полупроводники. К ним относятся кремний, германий, фосфор, мышьяк, сурьма, селен, оксиды некоторых металлов, сульфиды, теллуриды.
От металлов полупроводники отличаются концентрацией свободных зарядов, в полупроводниках при нормальных условиях концентрация свободных электронов в миллиард раз меньше, чем в металлах. Поэтому удельное сопротивление полупроводников на несколько порядков выше, чем у металлов. Если при нагревании металла сопротивление проводника увеличивается, то при нагревании полупроводника сопротивление значительно уменьшается. Проводимость некоторых полупроводников значительно возрастает при их освещенности. Примеси в металлах значительно снижают их электропроводимость, примеси в полупроводниках могут повысить электропроводимость в отдельных случаях в десятки тысяч раз. Электропроводимость неметаллических кристаллов существенно зависит от давления, при давлении 3-4 атм. Она может стать равной проводимости металлических кристаллов.
Электропроводимость полупроводников объясняется особенностью их кристаллического строения. Рассмотрим кристаллическую решетку германия. Германий – типичный полупроводник (z=32). Четыре электронных оболочки германия содержат 32 электрона-2, 8, 18, 4. Три внутренних оболочки устойчивые, т. е. в химических реакциях не участвуют, их электроны имеют сильную связь со своим ядром. Во внешней оболочке атомов германия имеется 4 валентных электрона. При сближении данного атома с соседними валентные электроны соседних атомов взаимодействуют друг с другом. Каждый атом германия находится на одинаковом расстоянии от четырех соседних атомов и образует с ними ковалентные связи, т. е. такие связи, при которых каждый из валентных электронов принадлежит одновременно двум соседним атомам. Валентные электроны могут переходит из одной ковалентной связи в другую, перемещаться по всему кристаллу. Такое перемещение хаотичное, поэтому тока не создает.
Собственная проводимость полупроводников.
Энергия ионизации атомов германия сравнима с энергией теплового движения уже при комнатной температуре. Поэтому часть внешних электронов обобществляется соседними атомами и легко переходят от одного атома к другому, становясь блуждающими частицами (Электроны стали свободными). Число таких электронов значительно увеличивается при нагревании или освещении. Под действием электрического поля свободные электроны станут двигаться направленно и создадут электрический ток, называемый электронным током. Одновременно с появлением блуждающего (свободного) электрона у атома полупроводника возникает свободное место в ковалентной связи, которое принято называть дыркой . Эту дырку может занять электрон из ковалентной связи соседнего атома, у которого в свою очередь образуется дырка. Таким образом блуждание электронов в кристаллической решетке влечет за собой блуждание дырок.
« Перемещение» дырок от одного атома к другому подобно движению положительного заряда, т. е. дыркам приписывается положительный заряд. Под действием электрического поля « дырки» будут перемещаться в направлении, противоположном движению электронов, создавая дырочную проводимость. Ток в полупроводнике складывается из электронного и дырочного токов. В химически чистых полупроводниках электронный ток равен дырочному, а проводимость чистых полупроводников называют собственной.
Примесная проводимость полупроводников.
Проводимость полупроводников зависит не только от внешних условий, в частности от температуры и давления. Проводимость увеличивается при наличии специально подобранных примесей. Тогда наряду с собственной проводимостью возникает примесная проводимость. Обычно основным полупроводником являются германий или кремний.
Если к четырехвалентному кремнию в качестве примеси добавить пятивалентное вещество, например, мышьяк, то для образования ковалентной связи атомов кремния и мышьяка достаточно четырех валентных электронов от каждого атома. При этом пятый валентный электрон мышьяка оказывается свободным, т.е. электроном проводимости. Примесь, валентность которой больше валентности основного полупроводника, называется донорной (отдающей электрон). Полупроводники с донорной примесью называются полупроводниками n-типа. В полупроводниках – типа электронная проводимость преобладает над дырочной. Электроны называют основными носителями заряда, дырки-неосновными носителями.
Если к кремнию в качестве примеси добавить трехвалентное вещество, например, индий, то при образовании ковалентной связи атомов кремния и индия не будет хватать одного электрона. Поэтому на каждый атом индия образуется одна лишняя дырка Примесь, валентность которой меньше валентности основного полупроводника, называется акцепторной (принимаюшей). Полупроводники с акцепторной примесью называются полупроводниками р- типа. В полупроводниках р- типа дырочная проводимость преобладает над электронной. Дырки- основные носители заряда.
2. Ядерные превращения. Закон радиоактивного распада.
Радиоактивный распад- радиоактивное превращение атомных ядер, которое сопровождается появлением ядра другого химического элемента и выделением одной из элементарных частиц. Радиоактивный распад подчиняется правилу смещения .
При α-распаде получается ядро химического элемента, смещенного на две клетки к началу периодической системы, при этом массовое число убывает на четыре единицы.
Т.е. α-распад происходит по схеме
Например
ß -распад бывает двух разновидностей: электронный и позитронный. При ß- электронном распаде образуется ядро, расположенное на одну клетку правее исходного , например
При позитронном распаде (позитрон- античастица электрона, отличается от электрона только знаком заряда) образуется ядро химического элемента, смещенного на одну клетку к началу таблицы Менделеева , например
Распад ведет к уменьшению числа атомов радиоактивного вещества и носит случайный характер. Заранее нельзя предсказать какой из атомов и когда распадется.
До момента распада ни в ядре, ни в электронной оболочке атома никаких процессов, предопределяющих распад, не происходит. Поэтому можно говорить только о вероятности распада какого-либо атома за данный промежуток времени. Время T, в течение которого распадается половина первоначального количества радиоактивных атомов, называется периодом полураспада.
Закон радиоактивного распада является статистическим законом, он имеет вид:
N= N 0 ·2 - t/ T , где N 0 -начальное число радиоактивных ядер, N- число нераспавшихся ядер через время t от начала распада, T – период полураспада.
Периоды полураспада у радиоактивных элементов сильно различаются. Например, у урана-238 он равен 4,5·10 9 лет, у тория-234 он равен 24,1 дня, а у полония-214 составляет всего 1,5·10 -4 с.
Независимость периода полураспада радиоактивных элементов используется для определения возраста горной породы, в которой эти элементы содержатся (обычно для используют изотоп урана . Возраст органических соединений обычно определяют по содержанию углерода.
Билет № 8
1.Контакт двух полупроводников с разными типами проводимости. Его свойства и применение в электронных приборах.
Если привести в контакт два полупроводника с различными типами проводимости, то начнется встречное диффундирование электронов и дырок. Электроны проводимости из полупроводника n-типа будут переходить в полупроводник р-типа, а дырки из полупроводника р-типа в полупроводник n-типа. Поэтому процесс в контактном слое полупроводников разных типов называется р-n переходом или электронно-дырочным переходом. В результате встречного диффундирования электронов и дырок полупроводник n-типа получит положительный заряд, а полупроводник р- типа отрицательный. В контактном слое возникает электрическое поле (контактная разность потенциалов), препятствующее дальнейшей диффузии электронов и дырок.
Свойства электронно-дырочного перехода.
Если соединить полупроводник n-типа с отрицательным полюсом источника тока, а р- типа- с положительным полюсом, то электрическое поле источника скомпенсирует поле контактного слоя, и диффундирование электронов и дырок через контактный слой будет происходить непрерывно. Через контакт возникает электрический ток, называемый прямым током р-n перехода.
Если полупроводник n- типа соединить с положительным полюсом источника тока, а р- типа с отрицательным полюсом источника тока, то поле источника будет совпадать с полем контактного слоя. Сопротивление контактного слоя будет очень большим и ток через него практически не пойдет (слабый обратный ток р-n перехода создается неосновными носителями заряда).
Таким образом, контактный слой двух полупроводников различных типов обладает односторонней проводимостью.
Полупроводниковый прибор на основе одного р-n называют полупроводниковым диодом. Диод используется для выпрямления переменного тока.
Полупроводниковый прибор на основе двух р-n называют полупроводниковым триодом или транзистором. Транзисторы делятся на р-n-р и n –р-n. Средняя более узкая область транзистора называется базой, она делит кристалл на две области с одинаковой проводимостью, называемые эмиттер и коллектор. Транзисторы используются для получения и усиления электрических колебаний высокой частоты.
2. Строение атомного ядра. Энергия связи атомных ядер.
В 1919г Резерфорд, осуществляя первую искусственную ядерную реакции, получил в свободном состоянии элементарную частицу, заряд которой был равен модулю заряда электрона, а её масса оказалась примерно равной 1 а.е.м. (атомной единице массы). Частицу назвали протоном (позднее оказалась, что она представляет собой ядро изотопа водорода). Протон условились обозначать p или
Некоторое время считали, что ядра состоят только из протонов, но такое представление о ядре противоречили некоторым опытным фактам. В 1932г. Чедвик получил в свободном состоянии элементарную частицу, которая не имела заряда, масса частицы оказалась примерно равной массе протона. Эту частицу назвали нейтрон - . После открытия нейтрона Д.Д. Иваненко и немецкий физик Гейзенберг предложили протонно-нейтронную модель ядра: ядро состоит из протонов и нейтронов. Общее название ядерных частиц – нуклоны. Число протонов Z совпадает с порядковым номером элемента в таблице Менделеева, т.е. число протонов определяет заряд ядра. Сумма протонов Z и нейтронов N равна массовому числу A (массе химического элемента, округленной до целого значения) Z+N=A Протонно-нейтронная модель ядра объяснила существование изотопов. Изотопы- вещества, обладающие одинаковыми химическими свойствами (занимающие одно место в таблице Менделеева), но имеющие разные физические свойства (в основном разную радиоактивность). Изотопы есть у всех химических элементов, у части химических элементов они природные, а у части искусственные, т.е. получаемые в процессе ядерных реакций. Ядра изотопов одного химического элемента имеют одинаковое число протонов и разное число нейтронов.
Например: изотопы водорода - Z=1, N=0 - легкий водород
Z=1, N=1 - дейтерий
Z=1, N=2 - тритий
изотопы урана - Z=92, N =143
Вещества с одинаковыми массовыми числами называются изобарами, например
Ядерные силы – силы, обеспечивающие существование устойчивых ядер, пример сильных взаимодействий. Ядерные силы – силы особой природы. Особенности ядерных сил: 1) ядерные силы являются только силами притяжения; 2) ядерные силы –это короткодействующие силы; 3) ядерные силы обладают свойствами зарядовой независимости; 4) ядерные силы не являются центральными; 5) ядерные силы обладают свойствами насыщения, т.е. в ядре не может быть любого числа нуклонов
Дефект масс. Энергия связи ядер. Энергия связи – энергия необходимая для расщепления ядра на нуклоны без сообщения им кинетической энергии. Она была вычислена на основании формулы взаимосвязи массы и энергии (формулы Эйнштейна) Е=mc 2 .
Е св =Δmс 2 , Δm – дефект масс, Δm=Zm p +Nm n -M я; Zm p – масса протонов, входящих в ядро, Nm n – масса нейтронов, входящих в ядро, M я – масса целого ядра, с – скорость света в вакууме.
Удельная энергия связи Е уд – энергия связи, приходящаяся на один нуклон.
Е уд =Е св / А. Наибольшая энергия связи у химических элементов с массовым числом от 40 до 120. При А>120 удельная энергия связи монотонно убывает. При А< 20 удельная энергия связи имеет характерные максимумы и минимумы. Удельная энергия связи определена для всех химических элементов.
Билет № 9
1. 1. Магнитное поле. Источники магнитного поля. Индукция магнитного поля. Магнитные силовые линии.
Искровой разряд возникает в тех случаях, когда напряженность электрического поля достигает пробивного для данного газа значения Значение зависит от давления газа; для воздуха при атмосферном давлении оно составляет около . С увеличением давления возрастает. Согласно экспериментальному закону Пашена отношение пробивной напряженности поля к давлению приблизительно постоянно:
Искровой разряд сопровождается образованием ярко светящегося извилистого, разветвленного канала, по которому проходит кратковременный импульс тока большой силы. Примером можт служить молния; длина ее бывает до 10 км, диаметр канала - до 40 см, сила тока может достигать 100 000 и более ампер, продолжительность импульса составляет около .
Каждая молния состоит из нескольких (до 50) импульсов, следующих по одному и тому же каналу; их общая длительность (вместе с промежутками между импульсами) может достигать нескольких секунд. Температура газа в искровом канале бывает до 10000 К. Быстрый сильный нагрев газа приводит к резкому повышению давления и возникновению ударных и звуковых волн. Поэтому искровой разряд сопровождается звуковыми явлениями - от слабого треска при искре малой мощности до раскатов грома, сопровождающих молнию.
Возникновению искры предшествует образование в газе сильно ионизированного канала, получившего название стримера. Этот канал получается путем перекрытия отдельных электронных лавин, возникающих на пути искры. Родоначальником каждой лавины служит электрон, образующийся путем фотоионизации. Схема развития стримера показана на рис. 87.1. Пусть напряженность поля такова, что электрон, вылетевший за счет какого-либо процесса из катода, приобретает на длине свободного пробега энергию, достаточную для ионизации.
Поэтому происходит размножение электронов - возникает лавина (образующиеся при этом положительные ионы не играют существенной роли вследствие гораздо меньшей подвижности; они лишь обусловливают пространственный заряд, вызывающий перераспределение потенциала). Коротковолновое излучение, испускаемое атомом, у которого при ионизации был вырван один из внутренних электронов (это излучение показано на схеме волнистыми линиями), вызывает фотоионизацию молекул, причем образовавшиеся электроны порождают все новые лавины. После перекрывания лавин образуется хорошо проводящий канал - стример, по которому устремляется от катода к аноду мощный поток электронов - происходит пробой.
Если электроды имеют форму, при которой поле в межэлектродном пространстве приблизительно однородно (например, представляет собой шары достаточно большого диаметра), то пробой возникает при вполне определенном напряжении значение которого зависит от расстояния между шарами . На этом основан искровой вольтметр, с помощью которого измеряют высокое напряжение . При измерениях определяется наибольшее расстояние при котором возникает искра. Умножив затем на получают значение измеряемого напряжения.
Если один из электродов (или оба) имеет очень большую кривизну (например, электродом служит тонкая проволока или острие) то при не слишком большом напряжении возникает так называемый коронный разряд. При увеличении напряжения этот разряд переходит в искровой или дуговой.
При коронном разряде ионизация и возбуждение молекул происходят не во всем межэлектродном пространстве, а лишь вблизи электрода с малым радиусом кривизны, где напряженность ноля достигает значений, равных или превышающих . В этой части разряда газ светится. Свечение имеет вид короны, окружающей электрод, чем и вызвано название этого вида разряда. Коронный разряд с острия имеет вид светящейся кисти, в связи с чем его иногда называют кистевым разрядом. В зависимости от знака коронирующего электрода говорят о положительной или отрицательной коронах. Между коронирующим слоем и некоронирующим электродом расположена внешняя область короны. Режим пробоя существует только в пределах коронирующего слоя. Поэтому можно сказать, что коронный разряд представляет собой неполный пробой газового промежутка.
В случае отрицательной короны явления на катоде сходны с явлениями на катоде тлеющего разряда. Ускоренные полем положительные ионы выбивают из катода электроны, которые вызывают ионизацию и возбуждение молекул в коронирующем слое. Во внешней области короны поле недостаточно для того, чтобы сообщить электронам энергию, необходимую для ионизации или возбуждения молекул.
Поэтому проникшие в эту область электроны дрейфуют под действием ноля к аноду. Часть электронов захватывается молекулами, вследствие чего образуются отрицательные ионы. Таким образом, ток во внешней области обусловливается только отрицательными носителями - электронами и отрицательными ионами. В этой области разряд имеет несамостоятельный характер.
В положительной короне электронные лавины зарождаются у внешней границы короны и устремляются к коронирующему электроду - аноду. Возникновение электронов, порождающих лавины, обусловлено фотоионизацией, вызванной излучением коронирующего слоя. Носителями тока во внешней области короны служат положительные ионы, которые дрейфуют под действием поля к катоду.
Если оба электрода имеют большую кривизну (два коронирующих электрода), вблизи каждого из них протекают процессы, присущие коронирующему электроду данного знака. Оба коронирующих слоя разделяются внешней областью, в которой движутся встречные потоки положительных и отрицательных носителей тока. Такая корона называется двуполярной.
Упоминавшийся в § 82 при рассмотрении счетчиков самостоятельный газовый разряд представляет собой коронный разряд.
Толщина коронирующего слоя и сила разрядного тока растут с увеличением напряжения. При небольшом напряжении размеры короны малы и ее свечение незаметно. Такая микроскопическая корона возникает вблизи острия, с которого стекает электрический ветер (см. § 24).
Корона, появляющаяся под действием атмосферного электричества на верхушках корабельных мачт, деревьев и т. п., получила в старину название огней святого Эльма.
В высоковольтных устройствах, в частности в линиях высоковольтных передач, коронный разряд приводит к вредным утечкам тока. Поэтому приходится принимать меры для его предотвращения. С этой целью, например, провода высоковольтных линий берут достаточно большого диаметра, тем большего, чем выше напряжение линии.
Полезное применение в технике коронный разряд нашел в электрофильтрах. Очищаемый газ движется в трубе, по оси которой расположен отрицательный коронирующий электрод. Отрицательные ионы, имеющиеся в большом количестве во внешней области короны, оседают на загрязняющих газ частицах или капельках и увлекаются вместе с ними к внешнему некоронирующему электроду. Достигнув этого электрода, частицы нейтрализуются и оседают на нем. Впоследствии при ударах по трубе осадок, образованный уловленными частицами, осыпается в сборник.
