Большая Советская Энциклопедия (ЭЛ)

Большая Советская Энциклопедия

В Международной системе единиц Э. з. измеряется в кулонах .

Л. И. Пономарев.

Электрический объёмный заряд

Электри'ческий объёмный заря'д в атмосфере, мера электрической заряженности атмосферы; численно равен разности между числом положительных и отрицательных зарядов всех частиц в некотором объёме. Величина Э. о. з. характеризуется его плотностью — величиной избыточного заряда единицы объёма. Возникает Э. о. з. в результате разделения разноимённо заряженных частиц в пространстве (например, в туманах, облаках и осадках), при отрыве частиц от земли (например, при пыльных бурях) или от воды (при сильном волнении водной поверхности), при метелях, при вулканических извержениях, вблизи высоковольтных линий, при работе автомобильных и авиационных двигателей и т. д.

Величина Э. о. з. колеблется во времени в зависимости от состояния

погоды.

В условиях хорошей погоды у земной поверхности плотность Э. о. з. ж » ±(1—5)x10^{– 12}к xм^{– 3} , а в грозовых облаках она может доходить до ± 3x10^{– 8}к xм^{– 3}. В областях хорошей погоды плотность Э. о. з. у земли меняется как в течение суток, так и года, а с высотой уменьшается по экспоненциальному закону, составляя на высоте >10 км меньше 0,01 своего значения у земной поверхности. Под влиянием электрического поля Земли непосредственно у её поверхности накапливается Э. о. з. до 5x10^{– 10}к ·м^{– 3} . В целом атмосфера имеет положительный объёмный заряд около 3x10⁵ к.

Лит.: Тверской П. Н., Атмосферное электричество, Л., 1949; Чалмерс Дж. А., Атмосферное электричество, пер. с англ., Л., 1974; Имянитов И. М., Чубарина Е. В., Шварц Я. М., Электричество облаков, Л., 1971.

И. М. Имянитов.

Электрический привод

Электри'ческий при'вод, см. Электропривод .

Электрический провод

Электри'ческий про'вод, см. Провода электрические.

Электрический разряд в газах

Электри'ческий разря'д в га'зах, прохождение электрического тока через газовую среду под действием электрического поля, сопровождающееся изменением состояния газа. Многообразие условий, определяющих исходное состояние газа (состав, давление и т. д.), внешних воздействий на газ, форм, материала и расположения электродов, геометрии возникающего в газе электрического поля и т. п. приводит к тому, что существует множество видов Э. р. в г., причём его законы сложнее, чем законы прохождения электрического тока в металлах и электролитах. Э. р. в г. подчиняются Ома закону лишь при очень малой приложенной извне разности потенциалов, поэтому их электрические свойства описывают с помощью вольтамперной характеристики (рис. 1 и 3 ).

Газы становятся электропроводными при их ионизации . Если Э. р. в г. происходит только при вызывающем и поддерживающем ионизацию внешнем воздействии (при действии т. н. внешних ионизаторов), его называют несамостоятельным газовым разрядом. Э. р. в г., продолжающийся и после прекращения действия внешнего ионизатора, называется самостоятельным.

Когда ионизация газа происходит при непрерывном действии внешнего ионизатора и малом значении разности потенциалов между анодом и катодом в газе, начинается «тихий разряд». При повышении разности потенциалов (напряжения) сила тока тихого разряда сперва увеличивается пропорционально напряжению (участок кривой OA на рис. 1 ), затем рост тока с ростом напряжения замедляется (участок кривой AB ), и когда все заряженные частицы, возникшие под действием ионизатора в единицу времени, уходят за то же время на катод и на анод, усиления тока с ростом напряжения не происходит (участок ВС ). При дальнейшем росте напряжения ток снова возрастает и тихий разряд переходит в несамостоятельный лавинный разряд (участок СЕ на рис. 1 ). В этом случае сила тока определяется как интенсивностью воздействия ионизатора, так и газовым усилением, которое зависит от давления газа и напряжённости электрического поля в пространстве, занимаемом разрядом.

Тихий разряд наблюдается при давлении газа порядка атмосферного. Внешними ионизаторами могут быть: естественное радиоактивное излучение, космические лучи , потоки фотонов (сильное световое облучение), пучки быстрых электронов и т. д. Ионизаторы двух последних типов используются (преимущественно в импульсном режиме) в газовых лазерах.

Переход несамостоятельного Э. р. в г. в самостоятельный характеризуется резким усилением электрического тока (точка Е на кривой рис. 1 ) и называется электрическим

пробоем газа. Соответствующее напряжение U₃ называется напряжением зажигания (см. Зажигания потенциал ). В случае однородного поля оно зависит от сорта газа и от произведения давления газа р на расстояние между электродами d (см. рис. 2 и ст. Пашена закон ). Разряд после лавинного пробоя принимает форму тлеющего разряда, если давление газа низко (несколько мм рт. ст. ). При более высоком давлении (например, при атмосферном) лавинное усиление Э. р. в г. приводит к возникновению электрического пространственного заряда , что меняет характер процесса пробоя. Образуется один или несколько узких проводящих (заполненных плазмой ) каналов, исходящих от одного из электродов. Такие каналы называются стримерами . Время образования стримеров очень мало (около 10^{– 7} сек ).

После короткого переходного процесса самостоятельный газовый разряд становится стационарным. Обычно такой разряд осуществляют в закрытом изолирующем сосуде (стеклянном или керамическом). Ток в газе течёт между двумя электродами: отрицательным катодом и положительным анодом.

Одним из основных типов газового разряда, формирующимся, как правило, при низком давлении и малом токе (участок в на рис. 3 ), является тлеющий разряд . Главные четыре области разрядного пространства, характерные для тлеющего разряда, это: 1 — катодное тёмное пространство; 2 — тлеющее свечение; 3 — фарадеево тёмное пространство; 4 — положительный столб. Области 1 —3 находятся вблизи катода и образуют катодную часть разряда, в которой происходит резкое падение потенциала (катодное падение ), связанное с большой концентрацией положительных ионов на границе областей 1 —2. В области 2 электроны, ускоренные в области 1 , производят интенсивную ударную ионизацию. Тлеющее свечение обусловлено рекомбинацией ионов и электронов в нейтральные атомы или молекулы. Для положительного столба разряда вследствие постоянной и большой концентрации электронов характерны незначительное падение потенциала в нём, свечение, вызываемое возвращением возбуждённых молекул (атомов) газа в основное состояние (состояние с наинизшей возможной энергией), и большая электропроводность.

Стационарность в положительном столбе объясняется взаимной компенсацией процессов образования и потерь заряженных частиц. Образование таких частиц происходит при ионизации атомов и молекул в результате столкновений с ними электронов. К потерям заряженных частиц приводит амбиполярная диффузия к стенке сосуда, ограничивающего разрядный объём, и следующая за этим рекомбинация. Диффузионные потоки, направленные не к стенке, а вдоль разрядного тока, часто ведут к образованию в положительном столбе своеобразных «слоев» (обычно движущихся).

При увеличении разрядного тока обычный тлеющий разряд становится аномальным (рис. 3 ) и начинается стягивание (контракция) положительного столба. Столб отрывается от стенок сосуда, в нём начинает происходить дополнительный процесс потери заряженных частиц (рекомбинация в объёме). Предпосылкой этого является высокая плотность заряженных частиц. При дальнейшем повышении разрядного тока газ нагревается настолько, что становится возможной его термическая ионизация. Столкновения между атомами или молекулами в этом случае столь сильны, что происходит отщепление электронов. Такой разряд называется дуговым разрядом . С возрастанием тока электропроводность столба повышается, вольтамперная характеристика дугового разряда приобретает падающий характер (рис. 3 ). Следует отметить, что хотя он может «гореть» в широком диапазоне давлений газа и иных условий, в большинстве случаев дуговой разряд наблюдается при давлении порядка атмосферного.

Во всех случаях особую важность представляет участок перехода между столбом разряда и электродами, причём ситуация у катода сложнее, чем у анода. При тлеющем разряде непрерывная связь между катодом и положительным столбом обеспечивается за счёт сильного катодного падения. В самостоятельном дуговом разряде в результате сильного локального нагрева катода появляются т. н. катодные пятна. В них обычно происходит термоэлектронная эмиссия или более сложная эмиссия электронов из облака испаряющегося материала катода. Процесс эмиссии из катода дугового разряда в настоящее время (1978) ещё не до конца понят и интенсивно исследуется.