2-10. Рабочая температура 100000 °С
Ослепительным белым жаром пышет расплавленная сталь. Она нагрета до 1 500° С. На поверхности Солнца температура около 6 000° С. Все вещества при этой температуре находятся в газообразном состоянии. Можно ли создать на земле температуру, в десятки раз превышающую видимую температуру поверхности Солнца?
Да, можно. И очень простыми средствами. Во многих электротехнических приборах конструкционные материалы в работе имеют температуру в десятки тысяч градусов. И эту температуру они выдерживают не какой-нибудь короткий момент, а длительно: часы, месяцы, годы. Многие из нас наблюдали работу этих приборов, не зная о царящих в них космических температурах. Вещество с температурой в десятки тысяч градусов находится внутри стеклянных или металлических холодных сосудов. Еще одно интересное свойство имеет это раскаленное вещество — 1 м3 его весит часто меньше 1 г.
Легко догадаться, о каком материале идет речь. Кубометр воздуха при атмосферном давлении и 0°С весит 1,29 кг. Меньше 1 г может весить кубический метр сильно разреженного газа.
Разреженные газы и пары металлов применяются в качестве проводников тока в приборах, которые называются ионными. В этих приборах разрежение не так велико, как в приборах с чисто электронным разрядом. Вакуум внутри ионных приборов невысокий.
Когда в ионном приборе движется электрон, то он на своем пути встречает атомы газа. Электрон сталкивается с ними, выбивает из них электроны, превращает эти атомы в заряженные ионы. Потому-то эти приборы и называются ионными — в их разрядном пространстве, помимо электронов, всегда присутствуют еще и ионы.
К ионным приборам относятся газосветные лампы, ртутные преобразователи и многие другие.
Молекулы всех тел находятся в непрестанном движении, и температура — мерило этой энергии, энергии безустанного хаотического движения. В воздухе, например, при 20° С молекулы азота и кислорода имеют среднюю скорость в несколько сотен метров в секунду.
Понятие «температура» можно приложить не только к сборищу нейтральных молекул, но и к сборищу электронов и ионов, если только эти заряженные частицы движутся так же хаотически, как молекулы в газе, как мошки над прудом в тихую погоду.
Заряженной частице можно сообщить скорость действием электрических сил. Чем большую разность напряжений пройдет заряженная частица, тем большую скорость она приобретет, тем большую энергию накопит. Когда заряд частицы равен заряду электрона, то, пройдя разность напряжений всего лишь в 1 в, она будет иметь такой же запас энергии, как атом газа, нагретого до температуры примерно 7 500° С. А при комнатной температуре атом газа имеет среднюю энергию меньше четырех сотых электрон-вольта.
Если имеется скопление электронов и ионов, разогнанных до напряжения в среднем 10 в, то этому скоплению надо приписать температуру 75 000° С,
2-11. Плазма
Смесь электронов и ионов в разреженном газе называется плазмой. Она образуется, когда достаточно большой ток проходит через газ. Из катода в плазму поступают электроны со скоростями до нескольких десятков вольт. Потерявшие скорость электроны извлекаются из плазмы анодом. Ионы все время образуются в плазме вследствие ударов электронов о нейтральные атомы. Некоторые атомы под ударами электронов приходят в возбужденное состояние и затем испускают избыток своей энергии в виде светового излучения.
Электроны, ионы и нейтральные атомы непрестанно сталкиваются между собой в плазме и обмениваются энергией. Но электрические силы все время возмущают устанавливающееся равновесие. Поэтому в плазме разные частицы движутся с разными скоростями и имеют разные запасы энергии. Самую большую скорость и энергию, а следовательно, самую высокую температуру имеют электроны. Температура электронного газа — это десятки тысяч градусов. Ионы имеют меньшую среднюю энергию, и, следовательно, их скопление — меньшую температуру. А нейтральные атомы находятся в плазме при еще более низкой температуре.
Наконец, есть еще и четвертая температура — температура стенок сосуда, заключающего в себе ионизированный газ. Это самая низкая из всех связанных с ионным разрядом температур.
В паровом котле самая высокая температура — в топке, пониже — температура стенок стальных трубок и еще ниже — температура воды внутри трубок. В котле разные температуры находятся в удаленных одна от другой зонах. В ионной же плазме частицы с разными энергиями (температурами) тесно перемешаны.
Когда плотность газа мала, то разность температур между скоплениями электронов, ионов и нейтральных атомов велика.
Над входами метро, у кинотеатров, ресторанов горят красные и синие огни реклам. В стеклянных трубках находится неон или аргон при давлении меньше 1/100 атмосферы. Плотность газа внутри газосветных трубок мала. Электронный газ здесь имеет температуру в десятки тысяч градусов, а газ из нейтральных атомов — только в сотни градусов.
Чем больше плотность газа, в котором происходит электрический разряд, тем больше столкновений с нейтральными атомами претерпевают электроны и ионы во время своего движения в разрядном пространстве. И тем больше сближаются между собой температуры ионного, электронного и нейтрального газов.
В электрической дуге, которая горит при атмосферном давлении, температура электронного и ионного газов — несколько тысяч градусов, а температура нейтрального газа немногим меньше.
Не правда ли, это звучит довольно странно, что в дуге, которая плавит и сжигает самые жаростойкие материалы, ионы и электроны «холоднее», нежели в газосветной трубке или в газотроне (рис. 2-3), стеклянные баллоны которых чуть теплы на ощупь? В канале разряда молнии температура электронного и ионного газов меньше, нежели в голубоватом облачке, которое виднеется между катодом и анодом газотрона.
В электронно-ионной плазме высокая температура скоплений отдельных частиц сочетается с их очень малой концентрацией. Общее количество энергии, заключенной в единице объема плазмы, ничтожно.
Рис. 2-3. Продольный разрез современного газотрона.
Показан прибор, который пропускает ток до 40 а и выдерживает обратное напряжение до 20 000 в. На дне стеклянного баллона газотрона лежит капля ртути, и поэтому баллон газотрона заполнен ртутным паром. Его давление при комнатной температуре меньше одной миллионной атмосферного давления. Когда на аноде газотрона напряжение положительно, то электроны, испускаемые катодом, ионизируют ртутный пар. Пространство между анодом и катодом газотрона заполняется ионной плазмой, которая проводит ток. Плазма содержит возбужденные атомы ртути и поэтому испускает видимое свечение. Но в газотроне, изображенном на этом рисунке, свечение не должно быть видно. Анод здесь полностью охватывает катод, и при нормальной работе плазма не должна выползать за пределы анода. Если же из-под анода появляется голубое свечение и заполняет собой весь баллон, значит катод газотрона истощился и падение напряжения в газотроне возросло.
При нормальной работе падение напряжения в газотроне не зависит от проходящего через него тока и не превышает 15 в. Коэффициент полезного действия этого прибора при выпрямлении высоких напряжений больше 99%. Срок службы больше 10 000 ч.
Чтобы производить сильное воздействие, нужна не только высокая энергия отдельных частиц, но и их большое количество. Поэтому остаются холодными электроды и стеклянный баллон, окружающие ионный разряд в разреженных газах. И более высокие, нежели в электронной плазме, температуры возникают непрестанно вокруг нас, даже внутри нас и остаются незамеченными. При ядерных реакциях, например, температуры измеряются многими миллионами градусов. Когда распадается значительное количество ядер урана U-235 или плутония — это взрыв, сжигающий все вокруг. Но под ударами космических лучей все время распадаются отдельные единичные атомы в земной атмосфере, в человеческих телах, во всех предметах. Эти реакции идут в малом масштабе, и окружающее вещество остается холодным.
Электронно-ионную плазму можно поместить на графике рис. 2-1 среди прочих проводников и диэлектриков.
Она расплывается по всему графику, как туман. Понятие «удельное сопротивление плазмы» — это нечто неопределенное, расплывчатое.
При некоторых условиях электронная плазма проводит ток так же хорошо, как и металлы. И плотность тока в плазме допускают иногда даже большую, чем в металлических проводниках. В разрядном столбе газосветных ламп высокого давления плотность тока бывает в десятки ампер на квадратный миллиметр.
В других случаях плазма имеет характеристики полупроводника. Плотности тока в ней — меньше миллиампера на квадратный сантиметр.
Высоко в атмосфере находится слой ионизированных газов, слой своеобразной плазмы. Вернее, это даже не один слой, а несколько.
И высота этих слоев, и концентрация заряженных частиц в них меняются в течение суток. Ионизация сильно зависит от солнечной радиации. В этих слоях разыгрываются северные сияния — разновидность безэлектродных разрядов. Эти слои определяют условия распространения радиоволн. Длинные волны идут, как в коридоре, между поверхностью земли и ионизированным слоем атмосферы. Короткие радиоволны распространяются в виде лучей. Они отражаются от ионизированной оболочки стратосферы, как от зеркала, преломляются в этой оболочке. Изменения в состоянии этой оболочки вызывают колебания силы радиоприема, замирания и пропадания радиосигналов. Небесные лучи (т. е. те, что отразились от ионизированного слоя) взаимодействуют с земными. Небесный и земной лучи то складываются, усиливая прием, то вычитаются, вызывая замирание.
При некоторых условиях радиолуч может пробить невидимую электромагнитную броню земли и безвозвратно уйти в межпланетное пространство.
Рис. 2-4. Рентгеновская установка на напряжение 1,5 млн. в.
Подобные установки применяются в медицинской практике, а также в промышленности для просвечивания больших отливок с целью выявления в них скрытых пороков.
В представленной установке и сама трубка, и питающий ее высоковольтный трансформатор находятся в прочном стальном баке, который заполнен сжатым газом. Электрическая прочность сжатого газа высока, и поэтому вся установка получилась компактной. Диаметр стального бака 0,9 м. Вес всей установки 700 кг. Если бы была применена воздушная изоляция при атмосферном давлении, то установка имела бы в несколько раз большие габариты.
1 — катод рентгеновской трубки; 2, 3 — промежуточные электроды рентгеновской трубки; 4 — стягивающий болт, сделанный из стекла; 5 — первичная обмотка трансформатора; 6 — дроссель регулировки накала; 7 — обмотка накала; 8 — вторичная высоковольтная обмотка трансформатора; 9 — стальное ярмо; 10 — изолированный провод дросселя накала; 11 — вывод промежуточного электрода; 12 — стеклянные секции оболочки рентгеновской трубки; 13 — двигатель привода регулировки накала; 14 — анод рентгеновской трубки.
2-12. Сжатые газы
Между двумя металлическими шариками радиусом в 1 см каждый, находящимися один от другого на расстоянии также в 1 см, электрический пробой в воздухе при нормальном атмосферном давлении произойдет при напряжении около 30 тыс. в. Если увеличить давление воздуха, окружающего шарики, вдвое, то почти вдвое же возрастет напряжение пробоя.
Электрическая прочность всех газов возрастает с повышением их давления.
Сжатыми газами наполняют конденсаторы. Они работают с малыми потерями при самых высоких частотах.
Хорошо работают при самых высоких напряжениях кабели, в которые, вместо пропитки бумажной изоляции смолами или маслом, накачивается сжатый азот.
Сжатые газы — очень хороший изоляционный материал. Но применение этого материала довольно хлопотливо (рис. 2-4). Трудно так герметизировать установку, чтобы совершенно предотвратить утечку газа. Все устройства, в которых применяется изоляция из газа под давлением, снабжаются манометрами. Когда видно, что давление начинает падать, в систему добавляют газа. Мощные высокочастотные конденсаторы для радиопередатчиков приходится подкачивать один раз в несколько месяцев.
Обычно применяется давление не выше 20 ат. Иначе чрезмерно возрастает стоимость оболочки, которая заключает в себе газовую изоляцию и должна надежно выдерживать ее давление.
Для изоляции под давлением чаще всего применяется чистый сухой азот. Его легче всего получить, он дешев и не воздействует химически ни на металлы, ни на изоляционные вещества. Предлагались для изоляции под давлением специальные газы, обладающие в несколько раз более высокой электрической прочностью, чем воздух или азот. Таков, например, элегаз (шестифтористая сера), предложенный в Ленинграде. Но они пока широкого распространения не получили отчасти из-за большой сложности применения, а также из-за того, что при пробое эти газы разлагаются. А продукты разложения уже не обладают такими высокими электрическими качествами.
