Электрический ток в жидкостях

 Известно, что газы  являются лучшими изоляторами  электричества при обычных условиях  давления и температуры, в чем  мы убеждаемся на опытах с  изолированным электроскопом, листочки  которого остаются целые часы  отклоненными от положения равновесия. Воздух также считался непроводником  электричества, и слабую потерю  заряда электроскопом приписывали  как несовершенной его изоляции, так и присутствию в воздухе  пыли, паров воды, уносящих заряд  с электроскопа (Варбург, 1872). Однако работы Эльстера, Кейтеля и Вильсона  показали, что и атмосфера обладает несомненною проводимостью, а опыты Эберта (Ebert) и Эмдена (Emden) выяснили тот факт, что с высотою электропроводимость воздуха быстро возрастает, колеблясь в зависимости от метеорологических и других условий. Тогда перед физиками возникла проблема, какова природа этой электропроводности, и какими причинами она обуславливается? 
              Электропроводность твердых и жидких тел может быть двоякого рода: электропроводность металлическая, присущая металлам и некоторым другим телам, и электропроводность электролитическая, свойственная большинству жидкостей, главным образом растворам солей. Электропроводность металлическая характеризуется тем, что весомые частицы проводника не принимают никакого видимого участия в движении через него электричества. В электролитах, наоборот, движение электричества связано с движением частиц самой материи. Благодаря, влиянию растворителя или высокой температуры часть молекул электролита диссоциируется, распадаясь на химические разнородные ионы, заряженные равными количествами электричества противоположных знаков. Влиянию внешних электрических сил подвергаются только свободные ионы, приходящие под их воздействием в движение вместе со своими зарядами. Тогда происходит процесс движения ионов: электроположительные ионы направляются в одну сторону, электроотрицательные - в другую, что и даст место электрическому току в жидкости, переносящему положительные заряды на катод, а отрицательные на анод. Заряд, несомый каждым грамм-эквивалентом иона, независим от его природы и достигает 96 540 кулонов. 
              Таким образом, предстояло разрешить вопрос о том, каким из этих двух родов электропроводности обладают газы. Вопрос этот был разрешен благодаря изучению ряда способов, посредством которых можно сообщать газам заметную электропроводность. Так, например, будучи освещены ультрафиолетовыми или рентгеновскими лучами, или находясь под действием катодных или анодных частиц или частиц, испускаемых радиоактивными веществами, или, наконец, под действием высокой температуры, газы приобретают свойство проводить электричество. Заряженный электроскоп теряет свой заряд независимо от его знака, почти моментально, как скоро на него упадут те или другие из этих лучей. По аналогии с электропроводностью электролитов было сделано еще предположение, что под влиянием таких лучей в пронизываемом ими газе появляются частицы, электрически положительно и отрицательно заряженные. Это предположение было затем подтверждено многочисленными опытами Дж. Томсона и его учеников в лаборатории Кавендиша (Саvеndish) в Кембридже в период 1897 - 1903 гг. Эти заряженные электричеством частицы газов были названы ионами, самый процесс их возникновения - ионизацией, а лучи, вызывающие ионизацию-ионизаторами. Так как аналогия между электролитическими ионами и газовыми неполная, то английские физики чаще называют их "электроносителями" или, короче, "носителями". Наконец, ионизаторами воздуха являются также многие химические и механические процессы, как-то: горение, окисление фосфора, раздробление и распыление воды о твердые или жидкие поверхности и пр. 
              Таким образом, не оставалось ни капли сомнения в том, что и та весьма слабая электропроводность, какая наблюдается во всяком газе и в атмосфере в их нормальном состоянии, имеет причину в их ионизации. Став на такую точку зрения, нетрудно было объяснить самый факт рассеяния электричества в атмосфере, а равно и его зависимость от различных метеорологических и прочих условий. 
              Еще Эльстер и Гейтель выдвинули гипотезу об участии в ионизации ряда причин, и прежде всего причины космической - действия солнечных лучей. Опыты Ленарда (Lenard) над крайними ультрафиолетовыми лучами, испускаемыми раскаленными парами алюминия, цинка и других металлов, обнаружили сильнейшую поглощаемость этих лучей атмосферой и чрезвычайно сильную степень ионизации ее в результате этого поглощения. Ионизацию воздуха ультрафиолетовыми лучами следует представлять себе следующим образом: вследствие поглощения лучистой энергии молекулой воздуха из последней выходит отрицательный электрон и остаток превращается в положительный ион. Отрицательный электрон, соединяясь с нейтральной молекулой воздуха, образует отрицательный ион. Ввиду того что солнечная фотосфера содержит в себе раскаленные пары указанных выше металлов, а кроме того, водород, испускающий при искровом разряде самые крайние ультрафиолетовые лучи, то предположение Эльстера и Гейтеля об участии Солнца в ионизации воздуха делается чрезвычайно правдоподобным. Это предположение объясняет, весьма просто, целый ряд важнейших явлений в атмосфере, связанных с наблюдениями за ее ионизацией, как, например, большую степень ионизации летом, чем зимою, в солнечные дни, чем в пасмурные, и т. д. 
              Однако если мы примем во внимание необычайно сильную поглощаемость крайних ультрафиолетовых лучей атмосферою, то необходимо будет заключить, что в действительности непосредственная ионизация ее ультрафиолетовыми лучами Солнца имеет место только в самых верхних слоях. Те же верхние слои воздуха, по-видимому, ионизируются рядом других причин космического характера, а именно бомбардировкой космической пылью, солнечными электронными радиациями и т. д. В нижние слои ионы могут проникать лишь вследствие диффузии или увлекаться постоянными  восходящими и нисходящими токами воздуха. Но для объяснения ионизации нижних слоев воздуха и этот вывод встречает затруднения в факте быстрого исчезновения ионизации по прекращении действия ее источника. Вследствие медленного движения нисходящих потоков воздух, ионизированный вверху, будет, по-видимому, достигать поверхности Земли лишь по прошествии такого времени, когда вся его ионизация давно исчезла. Поэтому является необходимым для объяснения ионизации нижних слоев атмосферы обратиться к рассмотрению другого ее источника - радиоактивности атмосферного воздуха, стоящей в известной связи с солнечным лучеиспусканием и, следовательно, зависящей от периода пятнообразования. 
              Открытием радиоактивности воздуха мы обязаны Эльстеру и Гейтелю. Они натянули в своем саду на двух изоляторах медную проволоку в 10 метров и в течение двух часов с помощью электрической батареи поддерживали на ней высокий отрицательный потенциал. В результате исследования они убедились, что проволока стала радиоактивной. Радиоактивность могла быть снята с проволоки с помощью бумаги или ваты и по их сожжении оставалась в золе, действуя заметным образом на фотографическую пластинку или вызывая фосфоресценцию экрана, покрытого платино-цианистым барием. Вместо того чтобы получать активирование проволоки путем искусственной электризации, ее можно получать благодаря одному лишь действию земного электрического поля, например на вершинах гор, на башнях и т. д. Дальнейшие наблюдения установили присутствие в воздухе других радиоактивных элементов, тория и актиния, а также выяснили соотношение их количеств с различными метеорологическими и геофизическими факторами. Между прочим, теми же учеными был констатирован тот факт, что воздух подвалов, пещер и подземелий ионизирован в гораздо большей степени, чем воздух над поверхностью Земли. Особенно сильно ионизированным оказался воздух, извлеченный из почвы каким-либо искусственным образом. Сравнительно небольшого объема такого воздуха достаточно для того, чтобы сообщить свойство временной радиоактивности погруженной в нем проволоке, заряженной отрицательным электричеством. Электроскоп в таком воздухе разряжался в течение нескольких минут. Поэтому естественно было сделать предположение, не обусловливается ли радиоактивность атмосферного воздуха примесями к нему радиоактивных веществ и их эманаций, поступающих в него из почвы? А так как эта радиоактивность в свою очередь обусловливает ионизацию воздуха, то необходимо прийти к заключению, что одним из источников ионизации нижних слоев атмосферного воздуха и являются именно радиоактивные начала, находящиеся в почве. Впрочем, имеются основания полагать, что радиоактивность воздуха обусловлена рядом сложных и разнообразных процессов, происходящих в природе вообще, а следовательно, является одной из форм энергии. 
              Несмотря на всю сложность данного вопроса и трудность разграничения роли радиоактивности почвы и солнечного лучеиспускания в ионизации атмосферного воздуха, все же суточные и годовые вариации в степени ионизации воздуха могут быть отнесены за счет лучей Солнца. Большая ионизация воздуха летом сравнительно с зимою и в хорошую погоду сравнительно с пасмурной может быть объяснена вполне удовлетворительно, если мы примем во внимание более сильную инсоляцию почвы летом и в ясную погоду. Этими факторами обусловливается более интенсивное и более свободное общение почвенного воздуха и атмосферного. Быть может, теми же причинами необходимо объяснить и суточные колебания ионизации воздуха, которые согласны с колебаниями некоторых метеорологических элементов. 
              Необходимо заметить, что число положительных и отрицательных ионов, заключающихся в атмосферном воздухе при обычных условиях, очень мало по сравнению с полным числом его молекул. Как известно, в 1 кубическом сантиметре газа при обычных условиях давления и температуры содержится около 30*10 18 (30 триллионов) молекул. В то же время в том же объеме количество равно в среднем 800-1000. Это количество ионов варьирует в полном соответствии с временем года и дня, зависит от геологических, топографических и метеорологических условий и от хода элементов погоды: так, например, летом число ионов значительно больше, чем зимой, в ясную и сухую погоду больше, чем в дождливую и облачную, при тумане опускается до нуля. 
Чрезвычайно интересен вопрос о том, существуют ли колебания в степени ионизации атмосферного воздуха, имеющие больший период - период 11-летний, связанный с таковым же периодом в деятельности Солнца. К сожалению, я должен констатировать тот факт, что благодаря отсутствию массовых и ежедневных измерений степени ионизации атмосферного воздуха вопрос этот не разрешен до сих пор. А между тем потребность экспериментального разрешения этого важного вопроса диктуется как со стороны биологии, так и самими предположениями в существовании такового периода в ионизации атмосферы. 
              Как известно, в эпоху повышенной деятельности Солнца количество притекающей к Земле лучистой энергии Солнца значительно повышается. Этот повышенный прилив энергии к Земле в форме электромагнитных или корпускулярных излучений, без сомнения, вызывает усиление интенсивности физико-химических процессов в земной коре и атмосфере. 
              Нодон (Nodon) опубликовал результаты своих любопытных опытов, показывающих, что радиоактивные излучения значительно ускоряются солнечными лучами, содержащими излучения особого порядка. Эти последние проникают сквозь тонкий слой свинца и других металлов, причем поглощаются металлами тем сильнее, чем выше атомный вес металла, из которого сделан экран. Действие этих лучей более всего заметно в период усиленной активности Солнца. Если, таким образом, степень радиоактивных излучений, находящихся в воздухе, усиливается в период повышенной солнцедеятельности, то, следовательно, и ионизация атмосферного воздуха также должна повыситься в тот же период. 
              Присутствие в атмосфере радиоактивных эманаций приписывается выделению пород, находящихся на поверхности Земли. Однако, наблюдения, произведенные Бонгардом (Bongard) в Линденбурге с помощью стальных проволок длиною от 5 до 15 метров, поднимавшихся змеями на высоту 4000 метров, подтвердили зависимость количества эманаций от барометрического давления на поверхности Земли и температуры того слоя воздуха, в котором находилась проволока. Кроме того, Бонгардом была замечена периодичность изменения эманации с периодом в 27 - 28 дней. Причину этой периодичности Бонгард приписал солнцедеятельности, так как указанный период приблизительно равен периоду его вращения. Одновременные наблюдения над количеством радиоактивных эманаций, произведенные в Маниле на Филиппинских островах, дали ту же 27-28-дневную,периодичиооть. Сравнивая данные, полученные в указанных двух пунктах со спектрогелиограммами кальциевых облаков Солнца, Бонгард вывел заключение, что источником эманаций, .обнаруженных в нашей атмосфере, является солнцедеятельность. 
              Еще необходимо отметить наличие эффекта Столетова-Галльвакса (Hallwachs) у земной поверхности. Как было показано, некоторые металлы обладают свойством быстро терять отрицательный заряд под влиянием .прямого солнечного света. Даже когда металлическая пластинка не заряжена, она испускает отрицательные лучи, принимая таким образом положительный заряд. Каким лучам Солнца необходимо приписать этот фотоэлектрический эффект? Из видимой части спектра только одна фиолетовая часть оказывает подобное действие. Путем точных изысканий было установлено, что ряд минералов, прежде всего полевой шпат и гранит, также обнаруживают под влиянием этого излучения фотоэлектрический эффект. На этом основании Эльстер и Гейтель предположили, что под воздействием солнечного света у многих каменистых пород отрицательно заряженной земной поверхности выступают в воздух отрицательные электроны. Эти последние в случае наличия соответствующих условий могут также служить причиною ионизации атмосферы самой земной поверхности. 
              Связь между степенью ионизации воздуха и пятнообразовательным процессом была обнаружена на целом ряде физических явлений в атмосфере. Прежде всего эта связь очень ясно проявилась в колебаниях, условий радиопередачи. Это влияние ионизации получает теоретическое объяснение в уравнениях Максвелла - Герца, так как ионизацией, как мы видели выше, обусловливается электропроводность воздуха. Таким образом, электромагнитные волны, распространяющиеся в хорошо проводящей среде, приобретают характер затухающих колебаний, и их логарифмический декремент затухания увеличивается прямо пропорционально степени электропроводности. 
              Ввиду того, что ионизация воздуха в течение суток подвержена значительным колебаниям, зависящим от силы и напряженности солнечного света, то и радиопередача стоит в зависимости от этого фактора. Действительно, ионизация атмосферы в любом месте земной поверхности зависит от времени дня и ночи и вообще увеличивается к середине дня, а затем уменьшается, очевидно, что и распространение электромагнитных волн должно представлять периодическую функцию времени с периодом, равным суткам. Главный максимум ионизации наблюдается от двух до четырех часов, а минимум - утром и вечером. Так как влияние ионизации и электропроводности на электромагнитные колебания сказывается главным образом в ослаблении их энергии, то исходя даже из чисто теоретических соображений нетрудно было заключить, что радиопередача будет наиболее затруднена днем и менее всего ночью, а также вечером и утром. На самом деле Маркони (Marconi) впервые отметил тот факт, что ночью как слышимость радиосигналов, так и дальность расстояния передачи значительно увеличиваются. Этот факт впоследствии был подтвержден тысячами наблюдателей. Кроме того, в те часы, когда Солнце восходит и заходит, вследствие резкого изменения ионизации слоев атмосферы, лежащих у пограничной области между освещенными и неосвещенными частями ее, мы должны обнаружить влияние нарушения непрерывности ионизированных слоев. Это обстоятельство в- свою очередь должно сказаться на радиоприеме, что и действительно имеет вообще место. В то же время внимание исследователей было привлечено тем фактом, что качество приема радиоволн значительно ухудшается под влиянием пятнообразования. Наблюдения, произведенные с этой целью, установили, что в дни прохождения солнечных пятен через центральный меридиан Солнца прием радиоволн вообще претерпевает значительные аномалии в сторону его затруднения. Данное явление сильнее всего сказывается при работе с длинными волнами, как показали наблюдения Пиккара (Pickard) в Вашингтоне, что, впрочем, и следовало ожидать согласно теоретическим соображениям. Аэстэн (Austin) нашел тоже тесную зависимость между месячными индексами радиоприема и солнечной радиацией. 
              Наконец, были сделаны попытки установить влияние солнечного затмения на атмосферное электричество, например в 1900, 1905, 1912, 1914 и в 1927 гг. Нордманн наблюдал в Алжире в 1905 г. минимум проводимости приблизительно через 3/4 часа после наступления полной фазы затмения. Другие исследователи пришли также к заключению о влиянии данного космического феномена на проводимость атмосферы. Были произведены наблюдения над влиянием солнечного затмения на радиопередачу.

Самостоятельный разряд, несамостоятельный разряд, разряд в газоразрядном промежутке РЛВД

Известно, что в  обычном состоянии газовый промежуток является хорошим изолятором (очень мало заряженных частиц), так что при небольших приложенных к электродам напряжениях ток в цепи практически отсутствует. Повышение приложенного напряжения выше определенного значения (потенциала ионизации атомов газа – паров ртути) приводит к резкому возрастанию тока и появлению свечения. То есть происходит ионизация атомов, возникают свободные носители заряда и, как следствие, возникает ток между электродами, побочным эффектом которого может быть свечение разряда.

Этот процесс  называется зажиганием самостоятельного разряда, а напряжение на лампе –  напряжением зажигания. Он соответствует  переходу несамостоятельного разряда  в один из видов самостоятельного. Напряжение зажигания самостоятельного разряда зависит от рода наполняющего газа, его давления, формы электродов, расстояния между ними и т.д.

Несамостоятельным разрядом называется такой разряд, в котором ток поддерживается только за счет непрерывного образования заряженных частиц по какой-либо внешней причине и прекращается после прекращения действия источника образования зарядов. Заряды могут создаваться как на поверхности электродов, так и в объеме разрядной трубки. Самостоятельные разряды характеризуются тем, что заряженные частицы, необходимые для поддержания разряда, создаются в процессе самого разряда, то есть их количество по крайней мере не уменьшается с течением времени (при неизменном приложенном напряжении). Можно снять ВАХ самостоятельного разряда (см Рохлин Г.Н, рис 5.1, стр 156).

Механизм перехода несамостоятельного разряда в одну из форм самостоятельного зависит от многих причин, но общим критерием  перехода является условие, чтобы в  среднем каждая исчезающая по тем  или иным причинам заряженная частица  создавала себе за время своего существования  по крайней мере одного заместителя.

Опишем процессы, происходящие в разрядной трубке при обоих видах разрядов.

Несамостоятельный разряд – возможен только при наличии «искусственного» эмиттирования электронов из катода (нагревание, воздействие коротковолнового излучения).

Таунсендовская лавина. Электрон, так или иначе вышедший с катода, под воздействием электрического поля между электродами разгоняется, приобретает энергию. Возникает вероятность ионизации атомов и возникновения новых электронов и ионов. Так, «освободившиеся» электроны под воздействием поля приобретают некоторую энергию и тоже ионизируют атомы. Таким образом, количество свободных электронов растет в степенной прогрессии (не рассматриваем механизмы деионизации).

Самостоятельный разряд. Вышеприведенного процесса недостаточно для описания возникновения самостоятельного разряда: этот механизм не объясняет появление новых электронов с катода. Вообще, чтобы разряд стал самостоятельным, каждый вырванный с катода электрон в результате цепочки взаимодействий должен вырвать с катода по крайней мере еще 1 электрон. Вспомним, что при ионизации атома электроном помимо свободного электрона возникает еще и ион, который движется под действием поля в противоположном электронам направлении – к катоду. В результате столкновения иона с катодом с последнего может быть эмитирован электрон (этот процесс называется вторичной электронной эмиссией). Сам механизм соответствует темному самостоятельному разряду. То есть при таких условиях не происходит генерация излучения. Падающий характер этого участка (см Рохлин Г.Н, рис 5.1, стр 156) объясняется тем, что при бОльших токах нужны меньшие энергии электронов для сохранения самостоятельности разряда и, следовательно, меньшие ускоряющие поля.

Нормальный тлеющий разряд – плотность тока на катоде и падение напряжения постоянны. При увеличении общего тока возрастает эмиттирующая площадь электрода при постоянной плотности тока. При таких токах уже возникает свечение положительного столба и приэлектродных областей. Генерация электронов с катода происходит все еще за счет вторичных процессов (бомбардировка ионами, быстрыми атомами; фотоэмиссия). Приэлектродные области и столб разряда формируются при переходе от темного самостоятельного разряда к тлеющему.

Аномальный тлеющий разряд. Вся площадь катода эмитирует электроны, поэтому при возрастании тока уже растет его плотность. Катодное падение напряжения при этом растет очень резко, поскольку всякий раз для увеличения количества эмитируемых электронов с единицы площади (т.е. плотности тока) требуется приложить все больше и больше энергии. Механизм эмиссии электронов с катода остался неизменным.

При переходе к дуговому разряду появляется термоэмиссия с катода – ток оказывает на него тепловое воздействие. То есть механизм эмиссии уже принципиально отличается от предыдущих случаев. Катодное падение напряжения уменьшается, становится порядка потенциала наполняющего газа (до этого прибавлялось падение напряжения, возникающее в процессе вторичной эмиссии).

Дуговой разряд. Большие токи, малое падение напряжения, большой световой поток столба разряда.

При подогретом катоде ВАХ будет выглядеть иначе. Она  не зависит от процессов вторичной  эмиссии, все определяется только ионизациями  в разрядном промежутке (их описывает  к-т α). После зажигания разряда катод подогревается еще и ионами, приходящими из разрядного промежутка.

Форма самостоятельного разряда, которая устанавливается  после пробоя газового промежутка, зависит от условий во внешней  цепи, процессов на электродах и  в газовом промежутке.