новая папка 1 / 287862

в вихревом электрическом поле силовые линии замкнутые, а работа по перемещению заряда по замкнутой линии не равна нулю.

4. Примеры использования вихревого электрического поля

Вихревое электрическое поле есть электрическая составляющая электромагнитных волн. Рассмотрение волн не входит в лабораторную работу. Поэтому ограничимся несколькими примерами технического использования вихревого электрического поля.

Вихревые токи. Если в переменном магнитном поле находится массивный проводник, то вихревое электрическое поле вызывает в

нем индукционный ток. Запишем закон Ома для плотности тока j в какой-либо точке проводника в дифференциальной форме

j = σE,

где σ — удельная электропроводность проводника; E — напряженность вихревого электрического поля.

Так как линии напряженности E замкнутые, то и линии электрического тока также замкнутые. Поэтому такие токи получили название вихревых токов.

Вихревые токи вызывают нагрев проводников. Если внутри катушки с переменным током поместить проводящее тело, его можно раскалить до высокой температуры и расплавить. Такой нагрев применяют в индукционных металлургических печах для плавления металлов, приготовления сплавов, закалки металлов, а также во многих других случаях.

Трансформатор. Трансформатор представляет собой устройство, предназначенное для преобразования напряжения и силы переменного тока. Он имеет железный сердечник С замкнутой формы, который несет на себе две обмотки: первичную и вторичную (рис. 5). Концы первичной обмотки подключены к сети питающего переменного тока, а концы вторичной обмотки — к потребителю электрической энергии.

Трансформатор является хорошим примером технического использования вихревого электрического поля. Переменный ток в первичной обмотке создает переменное магнитное поле, сосредоточенное в железном сердечнике. Это поле порождает вихревое

11

электрическое поле, которое приводит в движение электроны во вторичной обмотке и служит причиной возникновения в ней ЭДС.

1

2

C

Рис. 5. Схема трансформатора:

С — железный сердечник; 1 — первичная обмотка; 2 — вторичная обмотка

Вихревое электрическое поле возникает также и в железном сердечнике трансформатора, создавая в нем вихревые токи. В трансформаторе эти токи оказывают негативное воздействие, нагревая сердечник, что приводит к потерям энергии. Для борьбы с ними сердечник набирают из тонких листов железа, изолированных друг от друга, или используют непроводящие ферромагнетики — ферриты.

Индукционный ускоритель (бетатрон). Вихревое электрическое поле применяется в индукционных ускорителях, или бетатронах, предназначенных для получения пучков электронов большой энергии — на два порядка больше, чем при радиоактивном распаде.

Схема устройства индукционного ускорителя (бетатрона) изображена на рис. 6. Основной частью бетатрона является большой электромагнит ЭМ. Создаваемое им в зазоре магнитное поле симметрично относительно оси OO. Обмотка электромагнита питается переменным током частотой порядка сотен герц. Между полюсами электромагнита находится тороидальная камера К, откачиваемая до высокого вакуума.

12

О

К

О

ЭМ

Рис. 6. Схема бетатрона:

ЭМ — электромагнит; К — тороидальная камера, откачиваемая до высокого вакуума

На рис. 7 представлены зависимости магнитной индукции B (см. формулу (11)) и напряженности E вихревого электрического поля (см. формулу (13)) в зазоре электромагнита (бетатрона) от времени. Линии напряженности вихревого электрического поля представляют собой окружности. По окружности радиусом r движутся электроны. В определенные моменты времени, когда B ≈ 0, в камеру впрыскивают электроны небольшой энергии. На каждый

из электронов действует сила eE, направленная по касательной к окружности. Направление этой силы совпадает с направлением движения электронов по окружности. Вихревое электрическое поле совершает работу, увеличивая кинетическую энергию электронов. За время нарастания магнитного поля (около 10–3 с) электроны успевают сделать много оборотов и приобрести кинетическую энергию, достигающую сотен мегаэлектрон-вольт.

Траектория электронов искривляется под действием магнитной силы (см. формулу (1)). С увеличением импульса электрона растет и магнитная индукция, что позволяет удерживать электроны на окружности постоянного радиуса.

Цикл ускорения электронов занимает одну четвертую часть периода T колебаний магнитного поля. На рис. 7 начало цикла отмечено знаком «*» на оси времени, цикл заканчивается по достижении максимальной магнитной индукции.

13

B

Bm

*

*

t

T

E

Em

*

*

t

Рис. 7. Зависимость магнитного B и вихревого электрического полей E в зазоре электромагнита (бетатрона) от времени t

Индукционный ускоритель подобен трансформатору, у которого роль вторичной обмотки из одного витка играет пучок электронов в тороидальной камере.

5. Газовый разряд в вихревом и потенциальном электрических полях

В лабораторной работе для ознакомления с вихревым и потенциальным электрическими полями используется газовый разряд низкого давления [4].

14

Газовым разрядом называют прохождение электрического тока через газ, которое часто сопровождается свечением газа. Широкое распространение получили газоразрядные люминесцентные осветительные лампы в виде длинных трубок, наполненных разреженным инертным газом и парами ртути. Внутренняя поверхность газоразрядной лампы покрыта люминофором, который под воздействием ультрафиолетовых (УФ) лучей газового разряда испускает видимый свет.

Такие же лампы изготовляют из специального стекла, прозрачного для УФ-лучей, без применения люминофора. В них светится газ, испускающий сильное УФ-излучение и слабый видимый свет. Газоразрядные лампы служат источником УФ-излучения. Они получили название «бактерицидные лампы».

Газовый разряд в потенциальном электрическом поле.

Упрощенная схема развития газового разряда в потенциальном электрическом поле показана на рис. 8. На электроды, расположенные на концах газоразрядной лампы (трубки), подают напряжение порядка 100 В. На электродах накапливаются электрические заряды противоположных знаков, которые создают в газоразрядной лампе потенциальное электрическое поле.

К

А

Рис. 8. Схема развития газового разряда в потенциальном электри-

ческом поле:

К— катод; А — анод

Вобычных условиях газы являются хорошими изоляторами, так как в них практически отсутствуют свободные заряженные частицы. Свободные заряды могут возникнуть в результате отрыва электрона

15

от атома; при этом образуются свободный отрицательный электрон и положительный ион. Этот процесс называется ионизацией атома. Ионизация атома может происходить при высокой температуре, под действием УФ-лучей и ионизирующих излучений, а также при столкновении быстрого электрона с атомом.

Для ионизации атома необходимо затратить определенную энергию, различную для разных атомов. По порядку величины она равна 10 эВ (1 эВ равен энергии, приобретаемой электроном при

–19

прохождении разности потенциалов 1 В, 1 эВ = 1,6 10 Дж). Если газ ионизирован, в нем происходит обратный процесс — рекомбинация ионов — присоединение электрона к иону с образованием нейтрального атома. При рекомбинации освобождается энергия, равная энергии, затраченной на ионизацию. Частично она излучается в виде света. Если концентрация ионов и электронов велика, можно наблюдать свечение газа.

При работе газоразрядной лампы в ней происходят процессы, приводящие к образованию большого количества ионов и электронов. При этом большую роль играет ионизация атомов электронными ударами. Электроны и ионы в небольшом количестве всегда образуются под действием естественных источников ионизации.

Рассмотрим движение электрона, образовавшегося вблизи отрицательного электрода (см. рис. 8). В электрическом поле газоразрядной лампы действующая на электрон сила сообщает ему энергию, достаточную для ионизации атома при ударе электрона по атому. При этом кроме иона образуется еще один электрон. После ускорения и соударения с атомами двух электронов образуется еще четыре электрона и т. д. Этот лавинообразный процесс приводит к образованию большого количества заряженных частиц, создающих значительный ток газоразрядной лампы. При этом рекомбинационное свечение ионов наблюдается практически по всей длине газоразрядной лампы.

Газовый разряд в вихревом электрическом поле. На электроды газоразрядной лампы (рис. 9) напряжение не подается. Для создания газового разряда в вихревом электрическом поле в газоразрядной лампе электродов может и не быть. Вокруг нее намотано несколько витков провода, по которому пропускают переменный ток высокой частоты (40 МГц). В переменном магнитном поле возникает вихревое электрическое поле. Электроны ускоряются

16

электрическим полем и отклоняются магнитным полем. Они движутся по кривым траекториям в поперечных плоскостях газоразрядной лампы. В местах с достаточно сильным вихревым электрическим полем происходит лавинообразное увеличение количества электронов и наблюдается рекомбинационное свечение газа. Наиболее сильные магнитное поле и вихревое электрическое поле находятся вблизи витков провода, поэтому электрический газовый разряд и свечение газа возникают именно в этом месте. Если поля сильные, свечение может наблюдаться по всей длине трубки.

Рис. 9. Схема установки для наблюдения газового разряда в вихревом электрическом поле

17

ПРАКТИЧЕСКАЯ ЧАСТЬ

1. Описание лабораторной установки

Схема лабораторной установки показана на рис. 10.

Вихревое электрическое поле наблюдают с помощью газоразрядной лампы 3, выполненной в виде трубки, вокруг которой намотано несколько витков провода 2

. Через провод пропускают переменный ток высокой частоты (40 МГц) от генератора 1, выполненного на радиолампе. В переменном магнитном поле около витков возникает вихревое электрическое поле, в котором происходит ионизация атомов электронным ударом. Вследствие этого в тех областях трубки, в которых электрическое вихревое поле достаточно сильное, наблюдается свечение газа.

Газоразрядная лампа 4 используется для наблюдения газового разряда в потенциальном электрическом поле. На концах газоразрядной лампы имеются два электрода, на которые подают напряжение от пускорегулирующего устройства 5 (на рис. 10 подводящие к лампе проводники показаны не полностью). Возникающие на электродах электрические заряды создают потенциальное электрическое поле в пространстве между электродами. В этом поле происходит ионизация атомов электронным ударом и наблюдается свечение газа по всей длине газоразрядной лампы.

Вокруг газоразрядной лампы 4 намотано несколько витков провода 6, через которые можно пропустить постоянный ток от источника 8 (см. рис. 10). Лампа накаливания 7 является индикатором наличия тока. В катушке возникает постоянное магнитное поле. Магнитная индукция B в этом случае примерно такая же, как и в переменном магнитном поле газоразрядной лампы 3, однако свечения газа не происходит. Этот опыт показывает, что постоянное магнитное поле не порождает вихревого электрического поля.

18

8

7

6

9

5

10

11

4

12

13 3

2

14

1

Рис. 10. Схема лабораторной установки:

1 — генератор тока высокой частоты; 2 — витки катушки; 3 — газоразрядная лампа в виде трубки для демонстрации разряда в вихревом электрическом поле; 4

— лампа для демонстрации разряда в потенциальном электрическом поле; 5 — пускорегулирующее устройство; 6 — витки катушки; 7 — индикаторная лампа накаливания; 8 — источник постоянного тока; 9 — индикатор сети; 10 — тумблер «Сеть»; 11 — тумблер «Потенциальное поле»; 12 — тумблер «Постоянное магнитное поле»; 13 — ручка «Вихревое поле»; 14 — кнопка «Вихревое электрическое поле»

19

2. Выполнение лабораторной работы

Экспериментальные задания

Задание 1. Наблюдать газовый разряд в потенциальном электрическом поле.

Порядок выполнения задания (см. рис. 10).

1.Выключить (положение «к себе») все тумблеры лабораторной установки.

2.Вставить сетевую вилку в розетку.

3.Включить тумблер 10 «Сеть»; при этом должен загореться индикатор сети 9.

4.Включить тумблер 11 «Потенциальное поле». В газоразрядной лампе 4 должен возникнуть разряд по всей ее длине. Лампу 4 не выключать.

Задание 2. Наблюдать газовый разряд в вихревом электрическом поле.

Порядок выполнения задания (см. рис. 10).

1.Нажать и удерживать кнопку 14 «Вихревое электрическое поле». Ручку 13 «Вихревое поле» повернуть по ходу часовой стрелки до упора для получения максимально сильного поля. Спустя несколько секунд, необходимых для разогрева радиолампы генератора тока высокой частоты 1, должно возникнуть свечение газоразрядной лампы 3.

Обычно газовый разряд труднее зажечь, чем поддерживать. Поэтому в газоразрядных лампах предусматривают специальные меры для получения разряда, например создают кратковременную повышенную напряженность электрического поля. В этой лабораторной работе для зажигания газоразрядной лампы 3 используется ионизирующее УФ-излучение газоразрядной лампы 4.

2.После зажигания газоразрядной лампы 3 выключить газоразрядную лампу 4 тумблером 11 «Потенциальное поле».

3.Если газоразрядная лампа 3 светится по всей ее длине, необходимо уменьшить напряженность вихревого электрического поля ручкой 13 «Вихревое поле» так, чтобы свечение осталось только в середине газоразрядной лампы 3, вблизи витков. В этом случае демонстрация вихревого электрического поля будет более убедительной.

20