في الفضاء المحيط بالشحنة التي هي المصدر، تتناسب كمية هذه الشحنة طرديًا مع المربع والمسافة من هذه الشحنة تتناسب عكسيًا مع المربع. اتجاه الحقل الكهربائيوفقًا للقواعد المقبولة، دائمًا من الشحنة الموجبة إلى الشحنة السالبة. يمكن تخيل ذلك كما لو أنك وضعت شحنة اختبار في منطقة من المجال الكهربائي للمصدر، وسوف تتنافر شحنة الاختبار هذه أو تتجاذب (اعتمادًا على إشارة الشحنة). يتميز المجال الكهربائي بالكثافة، والتي، كونها كمية متجهة، يمكن تمثيلها بيانياً على شكل سهم بطول واتجاه. في أي مكان، يشير اتجاه السهم إلى اتجاه شدة المجال الكهربائي هأو ببساطة - اتجاه المجال، وطول السهم يتناسب مع القيمة العددية لشدة المجال الكهربائي في هذا المكان. كلما ابتعدت منطقة الفضاء عن مصدر المجال (الشحنة س) ، كلما كان طول ناقل التوتر أقصر. علاوة على ذلك، فإن طول المتجه يتناقص كلما ابتعد نمرات من مكان ما في ن 2مرات، أي أنها تتناسب عكسيا مع المربع.
هناك وسيلة أكثر فائدة لتمثيل الطبيعة المتجهة للمجال الكهربائي بصريًا وهي استخدام مفهوم مثل خطوط القوة أو ببساطة. بدلاً من رسم عدد لا يحصى من الأسهم المتجهة في الفضاء المحيط بشحنة المصدر، فقد ثبت أنه من المفيد دمجها في خطوط، حيث تكون المتجهات نفسها مماسة للنقاط الموجودة على هذه الخطوط.
ونتيجة لذلك، تم استخدامها بنجاح لتمثيل الصورة المتجهة للمجال الكهربائي. خطوط المجال الكهربائيوالتي تخرج من شحنات إشارة موجبة وتدخل شحنات إشارة سالبة وتمتد أيضًا إلى ما لا نهاية في الفضاء. يتيح لك هذا العرض أن ترى بعقلك ما هو غير مرئي. إلى العين البشريةالحقل الكهربائي . ومع ذلك، فإن هذا التمثيل مناسب أيضًا لقوى الجاذبية وأي تفاعلات أخرى طويلة المدى غير متصلة.
نموذج خطوط الطاقة الكهربائية يتضمن عدداً لا نهائياً منها، ولكن أيضاً كثافة عاليةتقلل صور خطوط الحقل من القدرة على قراءة أنماط الحقول، لذا فإن عددها محدود بسبب سهولة القراءة.
قواعد رسم خطوط المجال الكهربائي
هناك العديد من القواعد لوضع مثل هذه النماذج من خطوط الطاقة الكهربائية. تم إنشاء كل هذه القواعد لتوفير أكبر محتوى معلوماتي عند تصور (رسم) المجال الكهربائي. إحدى الطرق هي تصوير خطوط المجال. إحدى الطرق الأكثر شيوعًا هي إحاطة الكائنات المشحونة بخطوط أكثر، أي بكثافة خطوط أكبر. الأجسام ذات الشحنة الأكبر تولد مجالات كهربائية أقوى وبالتالي تكون كثافة (كثافة) الخطوط المحيطة بها أكبر. كلما اقتربنا من مصدر الشحنة، زادت كثافة خطوط القوة، وكلما زاد حجم الشحنة، زادت كثافة الخطوط المحيطة بها.
القاعدة الثانية لرسم خطوط المجال الكهربائي تتضمن رسم نوع مختلف من الخطوط، الخط الذي يتقاطع مع خطوط المجال الأول عمودي. يسمى هذا النوع من الخطوط خطوط تساوي الجهدوفي التمثيل الحجمي يجب أن نتحدث عن الأسطح متساوية الجهد. يشكل هذا النوع من الخطوط خطوطًا محيطية مغلقة، وكل نقطة على هذا الخط المتساوي الجهد لها نفس قيمة جهد المجال. عندما يعبر أي جسيم مشحون هذا العمودي خطوط الكهرباءالخط (السطح)، ثم يتحدثون عن العمل الذي تقوم به الشحنة. إذا تحركت الشحنة على طول خطوط تساوي الجهد (الأسطح)، فبالرغم من تحركها، لا يتم بذل أي شغل. يبدأ الجسيم المشحون، بمجرد وجوده في المجال الكهربائي لشحنة أخرى، في التحرك، ولكن في الكهرباء الساكنة يتم النظر في الشحنات الثابتة فقط. تسمى حركة الرسوم صدمة كهربائية، في هذه الحالة يمكن أن يتم العمل بواسطة حامل الشحنة.
من المهم أن تتذكر ذلك خطوط المجال الكهربائيلا تتقاطع، وخطوط من نوع آخر - متساوية الجهد، تشكل خطوطًا مغلقة. عند النقطة التي يتقاطع فيها نوعان من الخطوط، تكون مماسات هذه الخطوط متعامدة بشكل متبادل. وبالتالي، يتم الحصول على شيء مثل شبكة إحداثيات منحنية، أو شعرية، وخلاياها، وكذلك نقاط تقاطع الخطوط أنواع مختلفةتوصيف المجال الكهربائي.
الخطوط المتقطعة متساوية الجهد. خطوط ذات أسهم - خطوط المجال الكهربائي
مجال كهربائي يتكون من شحنتين أو أكثر
للرسوم الفردية الانفرادية خطوط المجال الكهربائييمثل أشعة شعاعيةترك التهم والذهاب إلى ما لا نهاية. ماذا سيكون تكوين خطوط المجال لشحنتين أو أكثر؟ لتنفيذ مثل هذا النمط، من الضروري أن نتذكر أننا نتعامل مع حقل متجه، أي مع ناقلات شدة المجال الكهربائي. لتصوير نمط المجال، نحتاج إلى إضافة نواقل الجهد من شحنتين أو أكثر. سوف تمثل المتجهات الناتجة المجال الإجمالي لعدة رسوم. كيف يمكن بناء خطوط المجال في هذه الحالة؟ ومن المهم أن نتذكر أن كل نقطة على خط المجال هي نقطة واحدةالاتصال مع ناقلات شدة المجال الكهربائي. هذا يتبع من تعريف المماس في الهندسة. إذا قمنا من بداية كل متجه ببناء خط عمودي على شكل خطوط طويلة، فإن التقاطع المتبادل للعديد من هذه الخطوط سوف يصور خط القوة المطلوب للغاية.
للحصول على تمثيل جبري رياضي أكثر دقة لخطوط القوة، من الضروري رسم معادلات لخطوط القوة، والمتجهات في هذه الحالة ستمثل المشتقات الأولى، خطوط الدرجة الأولى، وهي المماسات. تكون هذه المهمة في بعض الأحيان معقدة للغاية وتتطلب حسابات حاسوبية.
أولًا، من المهم أن نتذكر أن المجال الكهربائي الناتج عن العديد من الشحنات يمثله مجموع متجهات القوة من كل مصدر شحنة. هذا الاساسياتلأداء بناء خطوط المجال من أجل تصور المجال الكهربائي.
تؤدي كل شحنة يتم إدخالها إلى المجال الكهربائي إلى تغيير، ولو طفيف، في نمط خطوط المجال. في بعض الأحيان تكون هذه الصور جذابة للغاية.
خطوط المجال الكهربائي كوسيلة لمساعدة العقل على رؤية الواقع
نشأ مفهوم المجال الكهربائي عندما حاول العلماء تفسير التفاعل بعيد المدى الذي يحدث بين الأجسام المشحونة. تم تقديم مفهوم المجال الكهربائي لأول مرة من قبل الفيزيائي مايكل فاراداي في القرن التاسع عشر. وكان هذا نتيجة لتصور مايكل فاراداي واقع غير مرئيعلى شكل صورة لخطوط المجال التي تميز العمل بعيد المدى. لم يفكر فاراداي في إطار تهمة واحدة، بل ذهب إلى أبعد من ذلك ووسع حدود عقله. واقترح أن الجسم المشحون (أو الكتلة في حالة الجاذبية) يؤثر على الفضاء وقدم مفهوم مجال مثل هذا التأثير. ومن خلال دراسة هذه المجالات، تمكن من شرح سلوك الشحنات وبالتالي كشف الكثير من أسرار الكهرباء.
هناك مجالات عددية ومتجهة (في حالتنا، سيكون المجال المتجه كهربائيًا). وفقًا لذلك، تم تصميمها باستخدام الوظائف العددية أو المتجهة للإحداثيات، بالإضافة إلى الوقت.
يتم وصف الحقل العددي بواسطة دالة بالشكل φ. يمكن عرض هذه الحقول بشكل مرئي باستخدام أسطح من نفس المستوى: φ (x, y, z) = c, c = const.
دعونا نحدد المتجه الموجه نحو الحد الأقصى لنمو الوظيفة φ.
تحدد القيمة المطلقة لهذا المتجه معدل تغير الدالة φ.
من الواضح أن الحقل العددي يولد حقلًا متجهًا.
ويسمى هذا المجال الكهربائي الإمكانات، وتسمى الدالة φ الإمكانات. تسمى الأسطح ذات المستوى نفسه الأسطح متساوية الجهد. على سبيل المثال، النظر في المجال الكهربائي.
لعرض الحقول بشكل مرئي، يتم إنشاء ما يسمى بخطوط المجال الكهربائي. وتسمى أيضًا الخطوط المتجهة. وهي الخطوط التي يشير ظلها عند نقطة ما إلى اتجاه المجال الكهربائي. يتناسب عدد الخطوط التي تمر عبر سطح الوحدة مع قيمه مطلقهالمتجه.
دعونا نقدم مفهوم التفاضل المتجه على طول خط ما l. يتم توجيه هذا المتجه بشكل عرضي إلى الخط l ويساوي في القيمة المطلقة التفاضلية dl.
دعونا نعطي مجالًا كهربائيًا معينًا، والذي يجب تمثيله كخطوط مجال. بمعنى آخر، نحدد معامل التمدد (الضغط) k للمتجه بحيث يتزامن مع التفاضل. وبمساواة مكونات التفاضل والمتجه نحصل على نظام من المعادلات. بعد التكامل، يمكن بناء معادلة خطوط المجال.
في تحليل المتجهات هناك عمليات توفر معلومات حول خطوط المجال الكهربائي التي تحدث في حالة معينة. دعونا نقدم مفهوم "التدفق المتجه" على السطح S. التعريف الرسمي للتدفق Ф هو العرض التالي: الكمية التي تعتبر حاصل ضرب التفاضل المعتاد ds ومتجه الوحدة للسطح العادي s. يتم اختيار ort بحيث يحدد المستوى الطبيعي الخارجي للسطح.
يمكن إجراء تشبيه بين مفهوم تدفق المجال وتدفق المادة: تمر المادة لكل وحدة زمنية عبر السطح، والذي بدوره يكون عموديًا على اتجاه تدفق المجال. إذا كانت خطوط القوة تمتد إلى الخارج من السطح S، فإن التدفق يكون موجبًا، وإذا لم تخرج، فهو سلبي. بشكل عام، يمكن تقدير التدفق بعدد خطوط القوة التي تظهر من السطح. ومن ناحية أخرى، فإن حجم التدفق يتناسب مع عدد خطوط القوة التي تخترق عنصر السطح.
يتم حساب تباعد دالة المتجه عند نقطة يكون الحجم حولها ΔV. S هو السطح الذي يغطي الحجم ΔV. تتيح عملية التباعد تحديد نقاط في الفضاء لوجود مصادر ميدانية فيه. عندما يتم ضغط السطح S إلى النقطة P، فإن خطوط المجال الكهربائي التي تخترق السطح ستبقى بنفس الكمية. إذا كانت نقطة في الفضاء ليست مصدرا للمجال (تسرب أو تصريف)، فعند ضغط السطح إلى هذه النقطة، فإن مجموع خطوط المجال، بدءا من لحظة معينة، يساوي صفر (عدد الخطوط الداخلة إلى السطح S يساوي عدد الخطوط المنبثقة من هذا السطح).
يُطلق على التكامل فوق حلقة مغلقة L في تعريف عملية الدوار دوران الكهرباء على طول الحلقة L. وتميز عملية الدوار المجال عند نقطة في الفضاء. يحدد اتجاه الدوار حجم تدفق المجال المغلق حول نقطة معينة (يحدد الدوار دوامة المجال) واتجاهه. استناداً إلى تعريف الدوار، من خلال تحويلات بسيطة، من الممكن حساب إسقاطات ناقل الكهرباء في نظام الإحداثيات الديكارتية، وكذلك خطوط المجال الكهربائي.
المجال الكهروستاتيكي
المجال الكهروستاتيكي تهمة الاختبارس 0
توتر
, (4)
, 
. (5)
خطوط الكهرباء
عمل القوات الميدانية الكهروستاتيكية. محتمل
المجال الكهربائي، مثل مجال الجاذبية، محتمل. أولئك. لا يعتمد العمل الذي تقوم به القوى الكهروستاتيكية على المسار الذي تتحرك به الشحنة q في المجال الكهربائي من النقطة 1 إلى النقطة 2. هذا العمل يساوي الفرق في الطاقات المحتملة التي تمتلكها الشحنة المتحركة عند البداية و النقاط النهائية للميدان:
أ 1,2 = ث 1 – ث 2. (7)
يمكن إثبات أن الطاقة الكامنة لشحنة q تتناسب طرديًا مع حجم هذه الشحنة. لذلك، كخاصية طاقة للمجال الكهروستاتيكي، يتم استخدام نسبة الطاقة الكامنة لشحنة الاختبار q 0 الموضوعة في أي نقطة في المجال إلى قيمة هذه الشحنة:
تمثل هذه الكمية مقدار الطاقة الكامنة لكل وحدة من الشحنة الموجبة وتسمى الإمكانات الميدانية عند نقطة معينة. [φ] = J / Cl = V (فولت).
إذا قبلنا أنه عندما تتحرك الشحنة q 0 بعيدًا إلى ما لا نهاية (r→ ∞)، فإن طاقتها المحتملة في مجال الشحن q تصبح صفرًا، ثم إمكانات مجال الشحنة النقطية q على مسافة r منها:
. (9)
إذا تم إنشاء حقل بواسطة نظام من الشحنات النقطية، فإن إمكانات الحقل الناتج تساوي المجموع الجبري (بما في ذلك العلامات) لإمكانيات كل منها:
. (10)
من تعريف الجهد (8) والتعبير (7)، فإن الشغل الذي تبذله قوى المجال الكهروستاتيكي لتحريك الشحنة من
يمكن تمثيل النقطة 1 إلى النقطة 2 على النحو التالي:
التيار الكهربائي في الغازات
تفريغ الغاز ذاتي الاكتفاء الذاتي
تعتبر الغازات عند درجات حرارة ليست عالية جدًا وعند ضغوط قريبة من الغلاف الجوي بمثابة عوازل جيدة. إذا وضعت في الجافة الهواء الجوي، مقياس كهربائي مشحون، تظل شحنته دون تغيير لفترة طويلة. ويفسر ذلك حقيقة أن الغازات في الظروف العادية تتكون من ذرات وجزيئات متعادلة ولا تحتوي على شحنات حرة (إلكترونات وأيونات). يصبح الغاز موصلاً للكهرباء فقط عندما تتأين بعض جزيئاته. للتأين، يجب تعريض الغاز إلى نوع من المؤين: على سبيل المثال، تفريغ كهربائي، أو الأشعة السينية، أو الإشعاع أو الأشعة فوق البنفسجية، أو لهب الشمعة، وما إلى ذلك. (في الحالة الأخيرة، الموصلية الكهربائية للغاز ناتجة عن التسخين).
عندما تتأين الغازات، فإنها تتسرب من الخارج قذيفة الإلكترونذرة أو جزيء يحتوي على إلكترون واحد أو أكثر، وينتج عنه تكوين إلكترونات حرة وأيونات موجبة. يمكن أن ترتبط الإلكترونات بالجزيئات والذرات المحايدة، وتحولها إلى أيونات سالبة. لذلك، يحتوي الغاز المتأين على أيونات موجبة وسالبة الشحنة وإلكترونات حرة. ه يسمى التيار الكهربائي في الغازات تفريغ الغاز. وبالتالي، يتم إنشاء التيار في الغازات بواسطة أيونات كل من الإشارات والإلكترونات. سيكون تفريغ الغاز بمثل هذه الآلية مصحوبًا بنقل المادة، أي. تصنف الغازات المؤينة كموصلات من النوع الثاني.
من أجل إزالة إلكترون واحد من جزيء أو ذرة، فمن الضروري أداء قدر معين من العمل أ، أي. تنفق بعض الطاقة. تسمى هذه الطاقة طاقة التأين ، والتي قيمها للذرات مواد مختلفةتقع ضمن 4÷25 فولت. وعادة ما تتميز عملية التأين من الناحية الكمية بكمية تسمى إمكانات التأين :
بالتزامن مع عملية التأين في الغاز، تحدث دائمًا العملية العكسية - عملية إعادة التركيب: تلتقي الأيونات الموجبة والسالبة أو الأيونات والإلكترونات الموجبة، وتتحد مع بعضها البعض لتشكل ذرات وجزيئات محايدة. كلما زاد عدد الأيونات التي تظهر تحت تأثير المؤين، زادت كثافة عملية إعادة التركيب.
بالمعنى الدقيق للكلمة، الموصلية الكهربائية للغاز لا تصل أبدًا إلى الصفر، لأنها تحتوي دائمًا على شحنات حرة تتشكل نتيجة لعمل الإشعاع المواد المشعة، المتوفرة على سطح الأرض، وكذلك الإشعاع الكوني. شدة التأين تحت تأثير هذه العوامل منخفضة. تؤدي هذه التوصيلية الكهربائية الضئيلة للهواء إلى تسرب الشحنات من الأجسام المكهربة، حتى لو كانت معزولة جيدًا.
يتم تحديد طبيعة تفريغ الغاز من خلال تكوين الغاز ودرجة حرارته وضغطه وحجم الأقطاب الكهربائية وتكوينها ومادتها، بالإضافة إلى الجهد المطبق وكثافة التيار.
دعونا نفكر في دائرة تحتوي على فجوة غازية (الشكل)، تتعرض لتعرض مستمر وثابت الشدة لمؤين. نتيجة لعمل المؤين، يكتسب الغاز بعض الموصلية الكهربائية وتدفقات التيار في الدائرة. يوضح الشكل خصائص الجهد الحالي (التيار مقابل الجهد المطبق) لاثنين من المؤينات. أداء 
(عدد أزواج الأيونات التي ينتجها المؤين في فجوة الغاز خلال ثانية واحدة) للمؤين الثاني أكبر من الأول. سنفترض أن إنتاجية المؤين ثابتة وتساوي n 0. عند ضغط غير منخفض جدًا، يتم التقاط جميع الإلكترونات المنفصلة تقريبًا بواسطة جزيئات محايدة، مما يشكل أيونات سالبة الشحنة. مع الأخذ في الاعتبار إعادة التركيب، نفترض أن تركيزات الأيونات في كلا العلامتين هي نفسها وتساوي n. متوسط سرعات الانجراف للأيونات ذات العلامات المختلفة في المجال الكهربائي مختلفة: , . ب - و ب + - حركة أيونات الغاز. الآن بالنسبة للمنطقة I، مع الأخذ في الاعتبار (5)، يمكننا أن نكتب:
كما هو واضح، في المنطقة I، مع زيادة الجهد، يزداد التيار، مع زيادة سرعة الانجراف. سوف يتناقص عدد أزواج الأيونات المعاد تجميعها مع زيادة سرعتها.
المنطقة الثانية - منطقة تيار التشبع - تصل جميع الأيونات الناتجة عن المؤين إلى الأقطاب الكهربائية دون الحاجة إلى إعادة التركيب. كثافة تيار التشبع
ي ن = ف ن 0 د، (28)
حيث d هو عرض فجوة الغاز (المسافة بين الأقطاب الكهربائية). وكما يتبين من (28)، فإن تيار التشبع هو مقياس للتأثير المؤين للمؤين.
عند جهد أكبر من U p p (المنطقة III)، تصل سرعة الإلكترونات إلى قيمة بحيث عندما تصطدم بجزيئات محايدة تكون قادرة على التسبب في تأين التأثير. ونتيجة لذلك، يتم تشكيل أزواج إضافية من الأيونات 0. تسمى الكمية A معامل كسب الغاز . وفي المنطقة III، لا يعتمد هذا المعامل على n 0، بل يعتمد على U. وهكذا. تتناسب الشحنة التي تصل إلى الأقطاب الكهربائية عند ثابت U بشكل مباشر مع أداء المؤين - n 0 والجهد U. ولهذا السبب، تسمى المنطقة III بمنطقة التناسب. U pr – عتبة التناسب. عامل تضخيم الغاز A له قيم من 1 إلى 10 4.
في المنطقة الرابعة، منطقة التناسب الجزئي، يبدأ معامل كسب الغاز بالاعتماد على n 0. ويزداد هذا الاعتماد مع زيادة U. ويزداد التيار بشكل حاد.
في نطاق الجهد 0 ÷ U g، يوجد التيار في الغاز فقط عندما يكون المؤين نشطًا. إذا تم إيقاف عمل المؤين، يتوقف التفريغ أيضًا. تسمى التصريفات التي توجد فقط تحت تأثير المؤينات الخارجية غير مكتفية ذاتيا.
الجهد Ug هو عتبة المنطقة، منطقة جيجر، التي تتوافق مع الحالة التي لا تختفي فيها العملية في فجوة الغاز حتى بعد إيقاف تشغيل المؤين، أي. يكتسب التفريغ طابع التفريغ المستقل. الأيونات الأولية تعطي فقط قوة دافعة لحدوث تفريغ الغاز. في هذه المنطقة، تكتسب الأيونات الضخمة من كلتا العلامتين أيضًا القدرة على التأين. حجم التيار لا يعتمد على n 0 .
في المنطقة السادسة، يكون الجهد مرتفعًا جدًا بحيث لا يتوقف التفريغ بمجرد حدوثه - منطقة التفريغ المستمر.
تفريغ الغاز المستقل ذاتياً وأنواعه
يسمى تفريغ الغاز الذي يستمر بعد توقف المؤين الخارجي عن العمل بالتفريغ الذاتي.
دعونا ننظر في شروط حدوث التفريغ المستدام ذاتيا. عند الفولتية العالية (المناطق من الخامس إلى السادس)، تتصادم الإلكترونات المتولدة تحت تأثير المؤين الخارجي، والتي يتم تسريعها بشدة بواسطة المجال الكهربائي، مع جزيئات الغاز المحايدة وتأيينها. ونتيجة لذلك، يتم تشكيل الإلكترونات الثانوية والأيونات الموجبة (العملية 1 في الشكل 158).تتحرك الأيونات الموجبة نحو الكاثود وتتحرك الإلكترونات نحو القطب الموجب. تقوم الإلكترونات الثانوية بإعادة تأين جزيئات الغاز، وبالتالي فإن العدد الإجمالي للإلكترونات والأيونات سيزداد مع تحرك الإلكترونات نحو القطب الموجب بطريقة انهيار جليدي. يؤدي هذا إلى زيادة التيار الكهربائي (انظر الشكل. المنطقة V). العملية الموصوفة تسمى تأثير التأين.
ومع ذلك، فإن تأثير التأين تحت تأثير الإلكترونات لا يكفي للحفاظ على التفريغ عند إزالة المؤين الخارجي. للقيام بذلك، من الضروري "إعادة إنتاج" الانهيارات الإلكترونية، أي أن الإلكترونات الجديدة تنشأ في الغاز تحت تأثير بعض العمليات. تظهر هذه العمليات بشكل تخطيطي في الشكل. 158: الأيونات الموجبة التي يتسارعها المجال، تضرب الكاثود، وتطرد الإلكترونات منه (العملية 2)؛ الأيونات الموجبة، التي تصطدم بجزيئات الغاز، تنقلها إلى حالة مثارة، ويكون انتقال هذه الجزيئات إلى الحالة الطبيعية مصحوبًا بانبعاث الفوتون (العملية 3)؛ يقوم الفوتون الذي يمتصه جزيء محايد بتأينه، وتحدث ما يسمى بعملية تأين الفوتون للجزيئات (العملية 4)؛ خروج الإلكترونات من الكاثود تحت تأثير الفوتونات (العملية 5).
أخيرًا، عند الفولتية الكبيرة بين أقطاب فجوة الغاز، تأتي لحظة تكتسب فيها الأيونات الموجبة، التي لها مسار حر أقصر من الإلكترونات، طاقة كافية لتأيين جزيئات الغاز (العملية 6)، وتندفع الانهيارات الأيونية إلى اللوحة السلبية. عندما تحدث أيضًا انهيارات ثلجية أيونية بالإضافة إلى الانهيارات الإلكترونية ، تزداد قوة التيار عمليًا دون زيادة في الجهد (المنطقة السادسة في الشكل).
نتيجة للعمليات الموصوفة، يزداد عدد الأيونات والإلكترونات في حجم الغاز مثل الانهيار الجليدي، ويصبح التفريغ مستقلاً، أي أنه يستمر حتى بعد انتهاء المؤين الخارجي. يسمى الجهد الذي يحدث عنده التفريغ الذاتي بجهد الانهيار. بالنسبة للهواء، يبلغ هذا حوالي 30.000 فولت لكل سنتيمتر من المسافة.
اعتمادًا على ضغط الغاز، وتكوين الأقطاب الكهربائية، ومعلمات الدائرة الخارجية، يمكننا التحدث عن أربعة أنواع من التفريغ المستقل: التوهج، والشرارة، والقوس، والإكليل.
1. تفريغ الحماس. يحدث عند ضغوط منخفضة. إذا تم تطبيق جهد ثابت يبلغ عدة مئات من الفولتات على الأقطاب الكهربائية الملحومة في أنبوب زجاجي بطول 30÷50 سم، وضخ الهواء تدريجيًا خارج الأنبوب، فعند ضغط ≈ 5.3÷6.7 كيلو باسكال، يظهر التفريغ على شكل سلك مضيء متعرج أحمر اللون، ينتقل من الكاثود إلى الأنود. مع انخفاض إضافي في الضغط، يتكاثف الحبل، وعند ضغط ≈ 13 باسكال، يكون التفريغ بالشكل الموضح تخطيطيًا في الشكل.
توجد بجوار الكاثود مباشرة طبقة رقيقة مضيئة 1 - توهج الكاثود الأول، أو فيلم الكاثود، تليها طبقة داكنة 2 - مساحة الكاثود المظلمة، والتي تمر بعد ذلك إلى الطبقة المضيئة 3 - توهج مشتعل، ذو توهج حاد الحدود على جانب الكاثود، وتختفي تدريجياً على جانب الأنود. يحدث ذلك بسبب إعادة تركيب الإلكترونات مع الأيونات الموجبة. ويحد التوهج المشتعل فجوة مظلمة 4 - فضاء فاراداي المظلم، يليها عمود من الغاز المضيء المتأين 5 - العمود الموجب. العمود الموجب ليس له دور كبير في الحفاظ على التفريغ. على سبيل المثال، عندما تقل المسافة بين أقطاب الأنبوب، يتناقص طوله، بينما تظل أجزاء الكاثود من التفريغ دون تغيير في الشكل والحجم. في تفريغ التوهج، هناك جزأين فقط لهما أهمية خاصة لصيانته: الفضاء المظلم الكاثود والتوهج. في الفضاء المظلم الكاثود، هناك تسارع قوي للإلكترونات والأيونات الموجبة، مما يخرج الإلكترونات من الكاثود (الانبعاث الثانوي). في منطقة التوهج المشتعل، يحدث تأين جزيئات الغاز بواسطة الإلكترونات. تندفع الأيونات الموجبة المتكونة في هذه الحالة إلى الكاثود وتطرد منه إلكترونات جديدة، والتي بدورها تؤين الغاز مرة أخرى، وما إلى ذلك. وبهذه الطريقة، يتم الحفاظ على تفريغ التوهج بشكل مستمر.
مع المزيد من ضخ الأنبوب عند ضغط ≈ 1.3 Pa، يضعف توهج الغاز وتبدأ جدران الأنبوب في التوهج. نادرًا ما تصطدم الإلكترونات التي يتم طردها من الكاثود بواسطة الأيونات الموجبة عند مثل هذا الخلخلة بجزيئات الغاز، وبالتالي، يتم تسريعها بواسطة المجال، وتضرب الزجاج، مما يؤدي إلى توهجه، وهو ما يسمى بالتألق الكاثودي. كان تدفق هذه الإلكترونات يُسمى تاريخيًا بأشعة الكاثود.
يستخدم تفريغ الوهج على نطاق واسع في التكنولوجيا. وبما أن توهج العمود الموجب له خاصية لونية لكل غاز، فإنه يستخدم في أنابيب ضوء الغاز للنقوش والإعلانات المضيئة (على سبيل المثال، أنابيب تفريغ غاز النيون تعطي توهجًا أحمر، الأرجون - أخضر مزرق). في مصابيح الفلورسنت، وهي أكثر اقتصادا من المصابيح المتوهجة، يتم امتصاص إشعاع التفريغ المتوهج الذي يحدث في بخار الزئبق بواسطة مادة الفلورسنت (الفوسفور) المترسبة على السطح الداخلي للأنبوب، والتي تبدأ في التوهج تحت تأثير الإشعاع الممتص. طيف التلألؤ مع الاختيار المناسب للفوسفورات قريب من الطيف اشعاع شمسي. يستخدم تفريغ الوهج لترسيب الكاثود للمعادن. تصبح مادة الكاثود في تفريغ التوهج، بسبب قصفها بالأيونات الموجبة، ساخنة جدًا وتتحول إلى حالة بخار. ومن خلال وضع أشياء مختلفة بالقرب من الكاثود، يمكن تغطيتها بطبقة موحدة من المعدن.
2. تفريغ شرارة. يحدث عند شدة مجال كهربائي عالية (≈ 3·10 6 فولت/م) في الغاز تحت الضغط الجوي. تتميز الشرارة بمظهر قناة رفيعة متوهجة ومنحنية بشكل معقد ومتفرعة.
يتم تقديم تفسير تفريغ الشرارة على أساس نظرية غاسل، والتي بموجبها يسبق ظهور قناة شرارة متوهجة ظهور تراكمات متوهجة بشكل خافت من الغاز المتأين. وتسمى هذه المجموعات اللافتات. تنشأ اللافتات ليس فقط نتيجة لتكوين الانهيارات الإلكترونية من خلال التأين التأثيري، ولكن أيضًا نتيجة لتأين الفوتون للغاز. تشكل الانهيارات الجليدية، التي تلحق ببعضها البعض، جسورًا موصلة من اللافتات، والتي في اللحظات التالية من الزمن تندفع تدفقات قوية من الإلكترونات، وتشكل قنوات تفريغ شرارة. وبسبب إطلاق كمية كبيرة من الطاقة أثناء العمليات المدروسة، يتم تسخين الغاز الموجود في فجوة الشرارة إلى درجة حرارة عالية جدًا (حوالي 10 4 كلفن)، مما يؤدي إلى توهجه. يؤدي التسخين السريع للغاز إلى زيادة الضغط وتكوين موجات صدمية، وهو ما يفسر المؤثرات الصوتية لتفريغ الشرارة - صوت الطقطقة المميز في التفريغات الضعيفة والصواعق القوية في حالة البرق، وهو مثال على تفريغ شرارة قوية بين السحابة الرعدية والأرض أو بين السحابتين الرعديتين.
يستخدم تفريغ الشرارة لإشعال خليط قابل للاحتراق في محركات الاحتراق الداخلي وحماية خطوط النقل الكهربائية من الجهد الزائد (فجوات الشرارة). عندما يكون طول فجوة التفريغ قصيرًا، يتسبب تفريغ الشرارة في تدمير (تآكل) سطح المعدن، لذلك يتم استخدامه للمعالجة الدقيقة للمعادن بالشرارة الكهربائية (القطع والحفر). يتم استخدامه في التحليل الطيفي لتسجيل الجسيمات المشحونة (عدادات الشرارة).
3. تفريغ القوس. إذا، بعد إشعال تفريغ شرارة من مصدر قوي، يتم تقليل المسافة بين الأقطاب الكهربائية تدريجيا، ثم يصبح التفريغ مستمرا - يحدث تفريغ القوس. في هذه الحالة، يزداد التيار بشكل حاد، حيث يصل إلى مئات الأمبيرات، وينخفض الجهد عبر فجوة التفريغ إلى عدة عشرات من الفولتات. يمكن الحصول على تفريغ القوس من مصدر جهد منخفض، متجاوزًا مرحلة الشرارة. وللقيام بذلك يتم جمع الأقطاب الكهربائية (الكربون مثلاً) معاً حتى تتلامس، فتصبح ساخنة جداً بالتيار الكهربائي، ثم يتم فصلها والحصول على قوس كهربائي (هكذا اكتشفها العالم الروسي V.V. Petrov). . عند الضغط الجوي، تبلغ درجة حرارة الكاثود حوالي 3900 كلفن. ومع احتراق القوس، يصبح كاثود الكربون أكثر حدة، ويتشكل انخفاض على الأنود - حفرة، وهي النقطة الأكثر سخونة في القوس.
بواسطة الأفكار الحديثة، يتم الحفاظ على تفريغ القوس بسبب ارتفاع درجة حرارة الكاثود بسبب الانبعاث الحراري المكثف، وكذلك التأين الحراري للجزيئات الناجم عن درجة حرارة عاليةغاز.
يستخدم تفريغ القوس على نطاق واسع في الاقتصاد الوطني للحام وقطع المعادن وإنتاج الفولاذ عالي الجودة (فرن القوس) والإضاءة (الأضواء الكاشفة ومعدات العرض). كما تستخدم على نطاق واسع مصابيح القوس التي تحتوي على أقطاب الزئبق في أسطوانات الكوارتز، حيث يحدث تفريغ القوس في بخار الزئبق عند إخلاء الهواء. يعد القوس الذي يحدث في بخار الزئبق مصدرًا قويًا للأشعة فوق البنفسجية ويستخدم في الطب (على سبيل المثال، مصابيح الكوارتز). تفريغ القوس عند الضغوط المنخفضةفي بخار الزئبق يستخدم في مقومات الزئبق لتصحيح التيار المتردد.
4. كورونا التفريغ - تفريغ كهربائي عالي الجهد يحدث عند ضغط مرتفع (على سبيل المثال، الغلاف الجوي) في مجال غير منتظم (على سبيل المثال، بالقرب من الأقطاب الكهربائية ذات الانحناء الكبير للسطح، طرف قطب الإبرة). وعندما تصل شدة المجال قرب الطرف إلى 30 كيلو فولت/سم، يظهر حوله توهج على شكل تاج، وهو ما أطلق عليه اسم هذا النوع من التفريغ.
اعتمادا على علامة القطب الكهربائي، يتم تمييز الهالة السلبية أو الإيجابية. في حالة الإكليل السالب، يحدث ولادة الإلكترونات المسببة لتأثير تأين جزيئات الغاز، بسبب انبعاثها من الكاثود تحت تأثير الأيونات الموجبة، في حالة الإكليل الموجب، بسبب تأين الغاز القريب الأنود. في الظروف الطبيعية، تظهر الهالة تحت تأثير كهرباء الغلاف الجوي عند قمم صواري السفن أو الأشجار (يعتمد عمل مانعات الصواعق على هذا). وكانت هذه الظاهرة تسمى في العصور القديمة بنيران القديس إلمو. تأثير ضارالهالة حول أسلاك خطوط الكهرباء ذات الجهد العالي هي حدوث تيارات تسرب. لتقليلها، يتم تصنيع أسلاك خطوط الجهد العالي سميكة. إن تفريغ كورونا، المتقطع، يصبح أيضًا مصدرًا للتداخل اللاسلكي.
يستخدم تفريغ كورونا في المرسبات الكهربائية المستخدمة في تنقية الغازات الصناعية من الشوائب. يتحرك الغاز المراد تنقيته من الأسفل إلى الأعلى في أسطوانة عمودية، على طول المحور الذي يوجد به سلك الإكليل. الأيونات الموجودة في كميات كبيرةوفي الجزء الخارجي من الإكليل تستقر على جزيئات الشوائب ويحملها المجال إلى القطب الخارجي غير الإكليلي وتستقر عليه. يستخدم تفريغ كورونا أيضًا عند تطبيق مسحوق الطلاء والطلاء.
المجال الكهروستاتيكي
خطوط الحقول الكهربائية
وفقا لمفاهيم الفيزياء الحديثة، ينتقل تأثير شحنة واحدة على أخرى من خلال المجال الكهروستاتيكي - بيئة مادية خاصة ممتدة إلى ما لا نهاية يخلقها كل جسم مشحون حول نفسه. لا يمكن اكتشاف المجالات الكهروستاتيكية بواسطة الحواس البشرية. ومع ذلك، فإن الشحنة الموضوعة في مجال ما تؤثر عليها قوة تتناسب طرديًا مع حجم هذه الشحنة. لأن اتجاه القوة يعتمد على إشارة الشحنة، اتفقنا على استخدام ما يسمى تهمة الاختبارس 0. هذه شحنة نقطية موجبة موضوعة عند نقطة المجال الكهربي التي تهمنا. وفقًا لذلك، كخاصية قوة للمجال، يُنصح باستخدام نسبة القوة إلى قيمة شحنة الاختبار q 0:
تسمى هذه الكمية المتجهة الثابتة لكل نقطة من المجال تساوي القوة المؤثرة على وحدة الشحنة الموجبة توتر . بالنسبة لمجال شحنة النقطة q على مسافة r منها:
, (4)
يتزامن اتجاه المتجه مع اتجاه القوة المؤثرة على شحنة الاختبار. [E] = N / C أو V / م.
في الوسط العازل، تنخفض قوة التفاعل بين الشحنات، وبالتالي شدة المجال، بمقدار ε مرات:
, . (5)
عند تراكب عدة مجالات كهروستاتيكية على بعضها البعض، يتم تحديد القوة الناتجة على أنها مجموع متجه لقوى كل حقل (مبدأ التراكب):
بيانياً، يتم تصوير توزيع المجال الكهربائي في الفضاء باستخدام خطوط الكهرباء . يتم رسم هذه الخطوط بحيث يتطابق مماسها في أي نقطة. وهذا يعني أن متجه القوة المؤثرة على الشحنة، وبالتالي متجه تسارعها، يقع أيضًا على مماسات خطوط القوة، التي لا تتقاطع أبدًا في أي مكان. لا يمكن إغلاق خطوط المجال الكهروستاتيكي. تبدأ بشحنات موجبة وتنتهي بشحنات سالبة أو تصل إلى ما لا نهاية.
سوف نحصل على فكرة عن توزيع المجال إذا قمنا برسم متجهات شدة المجال عند عدة نقاط في الفضاء (الشكل 102). ستكون الصورة أكثر وضوحًا إذا قمت برسم خطوط متواصلة، مماسات كل منها
النقطة التي يمرون من خلالها تتزامن مع ناقل التوتر. تسمى هذه الخطوط خطوط المجال الكهربائي أو خطوط التوتر (الشكل 103).
ولا ينبغي للمرء أن يعتقد أن خطوط التوتر هي في الواقع تشكيلات موجودة مثل الخيوط أو الحبال المرنة المشدودة، كما افترض فاراداي نفسه. إنها تساعد فقط في تصور توزيع المجال في الفضاء وليست أكثر واقعية من خطوط الطول والتوازيات على الكرة الأرضية.
ومع ذلك، يمكن جعل خطوط المجال "مرئية". إذا تم خلط بلورات عازل ممدودة (على سبيل المثال، الكينين، دواء للملاريا) جيدًا في سائل لزج (على سبيل المثال، زيت الخروع) وتم وضع أجسام مشحونة هناك، فإن البلورات "ستصطف" بالقرب من هذه الأجسام سلاسل على طول خطوط التوتر.
توضح الأشكال أمثلة على خطوط التوتر: كرة موجبة الشحنة (الشكل 104)؛ كرتان مشحونتان بشكل مختلف (الشكل 105)؛ كرتان مشحونتان بالمثل (الشكل 106)؛ لوحتان شحناتهما متساوية في الحجم ومتعاكسة في الإشارة (الشكل 107). المثال الأخيرأهمية خاصة. يوضح الشكل 107 أنه في الفراغ بين الألواح، بعيدًا عن حواف الألواح، تكون خطوط القوة متوازية: المجال الكهربائي هنا هو نفسه في جميع النقاط.
الحقل الكهربائي،
الذي يكون توتره هو نفسه في جميع نقاط الفضاء يسمى متجانسًا. في منطقة محدودة من الفضاء، يمكن اعتبار المجال الكهربائي منتظمًا تقريبًا إذا تغيرت شدة المجال داخل هذه المنطقة قليلاً.
خطوط المجال الكهربائي ليست مغلقة؛ تبدأ بشحنات موجبة وتنتهي بشحنات سالبة. الخطوط متصلة ولا تتقاطع، حيث أن تقاطعها يعني عدم وجود اتجاه محدد لشدة المجال الكهربائي عند نقطة معينة. حيث أن خطوط القوة تبدأ أو تنتهي على الأجسام المشحونة ثم تتباعد فيها جوانب مختلفة(الشكل 104)، فإن كثافة الخطوط تكون أكبر بالقرب من الأجسام المشحونة. حيث تكون شدة المجال أكبر أيضًا.
أولا: ما الفرق بين نظرية الفعل قصير المدى ونظرية الفعل عن بعد؟ 2. اذكر الخصائص الرئيسية للمجال الكهروستاتيكي.
3. ما هي قوة المجال الكهربائي تسمى؟ 4. ما هي شدة المجال لشحنة نقطية؟ 5. صياغة مبدأ التراكب. 6. ماذا تسمى خطوط المجال الكهربائي؟
7. ارسم خطوط القوة للمجال الكهربائي المنتظم.
للحصول على تمثيل رسومي مرئي للمجال، من الملائم استخدام خطوط المجال - الخطوط الموجهة، التي تتزامن الظلال عند كل نقطة مع اتجاه متجه شدة المجال الكهربائي (الشكل 233).
أرز. 233
وفقا للتعريف، خطوط المجال الكهربائي لديها عدد من الخصائص العامة(مقارنة مع خصائص خطوط تدفق السوائل):
1. لا تتقاطع خطوط المجال (وإلا، عند نقطة التقاطع، يمكن إنشاء مماسين، أي أن شدة المجال عند نقطة واحدة لها قيمتان، وهو أمر سخيف).
2. لا تحتوي خطوط القوة على فواصل (عند نقطة الانفصال، يمكن إنشاء مماسين مرة أخرى).
3. خطوط المجال الكهروستاتيكي تبدأ وتنتهي عند الشحنات.
وبما أن شدة المجال يتم تحديدها عند كل نقطة مكانية، فيمكن رسم خط المجال عبر أي نقطة مكانية. ولذلك، فإن عدد خطوط القوة كبير بلا حدود. غالبًا ما يتم تحديد عدد الخطوط المستخدمة لتصوير المجال من خلال الذوق الفني للفنان الفيزيائي. في بعض الكتب المدرسيةيوصى ببناء صورة لخطوط المجال بحيث تكون كثافتها أكبر حيث تكون شدة المجال أكبر. هذا الشرط ليس صارما، وليس ممكنا دائما، لذلك يتم رسم خطوط القوة، مما يرضي الخصائص المصاغة 1 − 3
.
من السهل جدًا إنشاء خطوط المجال التي تم إنشاؤها بواسطة شحنة نقطية. في هذه الحالة، خطوط القوة هي مجموعة من الخطوط المستقيمة التي تغادر (للموجب) أو تدخل (للسلبية) النقطة التي تقع فيها الشحنة (الشكل 234). 
أرز. 234
توضح هذه المجموعات من خطوط المجال لحقول الشحنة النقطية أن الشحنات هي مصادر للمجال، مماثلة لمصادر ومغاسل مجال سرعة الموائع. وسنثبت لاحقاً أن خطوط القوة لا يمكن أن تبدأ أو تنتهي عند تلك النقاط التي لا توجد فيها أي شحنات.
يمكن إعادة إنتاج صورة خطوط المجال للحقول الحقيقية بشكل تجريبي.
صب طبقة صغيرة في وعاء منخفض زيت الخروعواسكبي فيه جزءًا صغيرًا من السميد. إذا تم وضع الزيت والحبوب في مجال إلكتروستاتيكي، فإن حبيبات السميد (التي لها شكل ممدود قليلاً) تدور في اتجاه شدة المجال الكهربائي وتصطف تقريبًا على طول خطوط القوة بعد عدة عشرات من الثواني؛ تظهر صورة لخطوط المجال الكهربائي في الكأس. يتم عرض بعض هذه "الصور" في الصور الفوتوغرافية.
ومن الممكن أيضًا إجراء الحسابات النظرية وبناء خطوط المجال. صحيح أن هذه الحسابات تتطلب عددًا هائلاً من الحسابات، لذلك يتم تنفيذها فعليًا (وبدون صعوبة كبيرة) باستخدام جهاز كمبيوتر، وغالبًا ما يتم تنفيذ هذه الإنشاءات في مستوى معين.
عند تطوير خوارزميات لحساب نمط خطوط المجال، تمت مواجهة عدد من المشكلات التي تتطلب حلاً. المشكلة الأولى هي حساب متجه المجال. في حالة المجالات الكهروستاتيكية الناتجة عن توزيع شحنة معين، يتم حل هذه المشكلة باستخدام قانون كولوم ومبدأ التراكب. المشكلة الثانية هي طريقة بناء خط منفصل. إن فكرة أبسط خوارزمية تحل هذه المشكلة واضحة تمامًا. في مساحة صغيرة، يتطابق كل خط عمليا مع مماسه، لذلك يجب عليك إنشاء العديد من قطع مماسات خطوط القوة، أي قطع قصيرة الطول لالذي يتطابق اتجاهه مع اتجاه المجال عند نقطة معينة. للقيام بذلك، من الضروري، أولا وقبل كل شيء، حساب مكونات ناقل التوتر عند نقطة معينة السابق, إي ذومعامل هذا المتجه ه = √(ه س ٢ + ه ص ٢ ). بعد ذلك يمكنك إنشاء مقطع قصير يتزامن اتجاهه مع اتجاه متجه شدة المجال. يتم حساب توقعاتها على محاور الإحداثيات باستخدام الصيغ التالية من الشكل. 235: 
أرز. 235 
ثم يجب عليك تكرار الإجراء، بدءا من نهاية الجزء الذي تم إنشاؤه. بالطبع، عند تنفيذ مثل هذه الخوارزمية، هناك مشاكل أخرى ذات طبيعة تقنية أكثر.
توضح الأشكال 236 خطوط المجال التي تم إنشاؤها بواسطة شحنتين نقطيتين. 
أرز. 236
علامات الشحنات موضحة في الشكلين أ) و ب) الشحنات هي نفسها من حيث القيمة المطلقة، في الشكل. ج)، د) مختلفة - نقترح تحديد أيهما أفضل بنفسك. حدد أيضًا اتجاهات خطوط المجال في كل حالة بنفسك.
ومن المثير للاهتمام أن نلاحظ أن فاراداي اعتبر خطوط المجال الكهربائي بمثابة أنابيب مرنة حقيقية تربط بعضها البعض الشحنات الكهربائيةوقد ساعدته مثل هذه الأفكار بشكل كبير على التنبؤ بالعديد من الظواهر الفيزيائية وتفسيرها.
توافق على أن السيد فاراداي العظيم كان على حق - إذا استبدلت الخطوط عقليًا بأشرطة مطاطية مرنة، فإن طبيعة التفاعل تكون واضحة جدًا.
