Явление остаточного заряда в жидких диэлектриках Текст научной статьи по специальности «Математика»

В/Д. Кузнецов.v

(К статье 1 стр. чертежей).

В некоторых' тведрых и жидких диэлектриках наблюдается явление оста-1ЮЧНОГО а&ряда, которое заключается в следующем. Если в течение некото-fioro времени пропускать через диэлектрик постоянный электрический ток и затем, удалив электродвижущую силу, соединить между Собой электроды, то в замкнутой цепа во1эдтает электрический ток обратный первоначальному. С ионной точки зрения э^о явление объясняется тем, что у электродов при протекании тока, накапливаются ионы, которые после( уничтожения внешнего алйктрического поля," вследствие взаимйого отталкивания, - рассеиваются цд жидкости, главным образом в направлении противоположном лервоначальному дви$;бйню, и создают конвекцжтцый ток.

Остаточный заряд в жидких диэлектриках впервые был ^ обнаружен" Н. Hertz'eM х). После целого ряда жребий остановился на продажном бензине, как веществе, которое обладает болящим сопротивлением и дает явление остаточного заряда. Он пропускал ток от 100 вольт £ течение 24 часов, измеряя время от времени сопротивление и остаточный заряд. Опыт состом в том, что пара квадрантов электрометра изолировалась спустя одну Секунду после удаления напряжения и наблюдалось положение стрелки. Оказалось, что стрелка быстро отходила от положения равновесия в отрицательном направивши, достигала максимума и медленно возвращалась к нулЬ. Сила прямого тока'уйывала-с течение^ времени и вместе с тем сила обратного тока $с ко^иче<5тв0 эдактричества, переносимое этим током, уменьшались по мере удаления рт начала приложения электродвижущей силы.

Для выяснения^ причины*' появления остатодного' заряда Hertz произвел следующие опыты. ': " . ' * "

В тот момент, когда уничтожилось вдошйее эдбктрй^еское поле и изолировалась пара квадрантов, т. е. когда начитал проявляться остаточный заряд, он открывал кран & дне металлического цилиндра, служйвшего внешней обкдадкой конденсатора, и бедаин вытекал. .Отклонение стрелки при вытекании происходило в ту же сЮрону/ как и при покое. Это по мнению Hertz'a доказывает то, что остаточный зафяд обусловлен поляризацией электродов, а не является, следствием существования5 свободного электричества, \скапливающегося около электрода во время прох^деяия-^ ' •

В другом опыте Hertz наливал ^бевзянг в большой сосуд с двумя взаим.нотшг раллельными пл^ст^нами (электродами), находившимися друг от друга на расстоянии нескольких Сантиметров. Через некоторое время после пропускания тока удалялась эдактредййЖул^ая сила, электроды соединялись с землей и тотчас > же-между ними жомёщалась система из трех пластинок 1? 2, и 3. Пластинка 1 была отведена к земле^пластинка 2 была соединена с одной, а пластинка , с другой парой квадрантов электрометра. Кроме того пластинки 2 и 3 были отделены друг от друга: изолятором, так что бензин не мог входить .между ними, тогда как между пластинками 1 к'й был Слой бензина в несколько '

1) Н. He*fz. W~ А. Ж 279 (1883) . ' "/. л Л:'/

:•'<••* / v

.>'-., у

ш. При вдвигании этой системы «стрелка электрометра отклонялась в обратном направлении, при.чем отклонение было меньше, чем при замыкании мектродов А и В. Этот опыт такжеа привел. Hertz'a к заключению о существования поляризации, заключающейся в образовании двойных слоев у электродов, которые Hertz приписывал посторонним примесям. v

Quincke1) не мог обнаружить существование тока поляризации для скипидару чефти, сероуглерода, эфира и бензола, но эточ может быть приписано недостаточной чувствительности его метода, который был приспособлен к измерению силы тока при очень высоких напряжениях (до 10® вольт на ей.) и оказался нечувствительным для слабых остаточных зарядов.

В 1889 г. J^Çurie2) высказал для твердых диэлектриков закон наложения floi de superposition): «Chaque variation de force électromotrice entre les deux faces de la lame agit comme si elle était seule», т. е. всякое изменение эл. дв. силы, приложенной к двум граням пластинки (диэлектрика), производит такое же действие, как если бы это изменение было единственное- Этот закон можно интерпретировать двояко.

Как известно в большинстве случаев сила тока через жидкие или твердые диэлектрики есть убывающая функция1 времени. Пусть при некоторой эл. дв., силе \\ сила тока i? выражается кривой Á (черт. 1), где по оси абсцисс отложено время, а по оси ординат—сила тока. Через некоторое время У .к разности потенциалов Уг прибавляется новая эл. дв. сила У2. Если бы действовала только эл. дв. сила У2, то сила тока i2 изобразилась бы кривой В. При совместном действии У,иУв сила тока i выражается кривой С, ординаты которой в каждый момент представляют сумму ординат кривых А и В. В этом заключается первая интерпретация закона наложения.

Предположим теперь, что через время 0 после приложения эл. др. щщ 4-Vi уничтожается электрическое поле. Формально это, равносильно тому, что б момент Ь прикладываете^ новая эд.да^ jmàfc'ко дрямопро- ' тивоположная, первой. Сила тока йри существовании только изобразилась бы кривой В (черт, 2). При совместном же действии -j-У, и—Уг сила тока изменяется по кривой С, которая получается, если ординаты кривой В уменьшить иа соответствующие ординаты кривой А. Это явление называется явлением остаточного заряда или остаточного (возвратного) тока и является второй интерпретацией закона наложения"

Для жидких диэлектриков^закон наложения в вышеприведенной формулировке, яовидимому не является справедливым, но явление остаточного заряда, которое обнаруживается у некоторых диэлектрических, жидкостей* показывает, что и для них существует нечто подобное закону наложения;

Я пытался обнаружить остаточный ток в нефти, толуоле и бензоле, применяя различные методы, но во всех случаях этот ток был настолько мал и так быстро исчезал, что каких либо количественных наблюдений сделать не удалось. Во всех этих опытах' я пользовался квадратным электрометром. На черт. 3 изображена одна 'm испробованных мною, установок. Здесь ИК яомерительный конденсатор с охранным кольцом, БС—большое сопротивление (стеклянная трубка с копотью), И,, П2 и П3—переключатели из парафина с ямками, наполненными ртутью. Растояние между электродами было 10 мм. Опыт заключался в том, что через некоторое время после приложения разности потенциалов переключатель П4 перекидывался к земле, KJÍ размыкался и наблюдалось отклонение стрелки электрометра. Разность потенциалов изменялась от 53 до 738 вольт. Остаточный ток был едва заметен. -

Когда опыты, подобные описанному, показали, что остаточный заряд безусловно существует, но он так быстро исчезает, что, вследствие большой мерции стрелки квадратного электрометра, его почти нельзя обнаружить,

3) Quincke. W. А. 28, 529 (188G).

2) J. Curie. Ann. de chirn. et'phgs. (6) 18, 203 (1889). .i

К работе В. Д. Кузнецова. «Явление остаточного заряда в жидких диэлектриках»

о

\ \с

\ А ч Ч ч \

В

о

е

Ч«рт. 1.

и'к

иго

земля

I1

ПС

а

Черт- 2,

у О—-О*

щ

т

земля

1_.

В, I

земля

И

земля -3.

ии

Черт. 3.

ЙвЙЛЯ

-И,—1

Черт. 4.

Ж',

зазш?

I ; ;

80 ! - ■чм »№Н; ЮМЛЯ .

70 ^ 1 > \ 7 4ефтъ. - /

' ' " з во Й, ЗйВВС! Кон, !Мо6ть з*. дв. силы ноляряаа, 1 ' 1 *ИИ от разност я

1 50 | Р с; 40 , е Р 30 » 25 • потенциалов. 1 • 1Уп " 1 ________ 1 . . •

Черт. ! 5. ! ■ '1 ' * А ¿г

/ • «ч л 20

— ■ • • 1 10 ■ , '

20 _ 40 60 Проложенная 80 ¡Юо разность потенциалов (иодьты). 120 . ¡МО ¡160 \т ¡200 220 240

Г

тогда я изменил установку,, воспользовавшись электроскопом ^УШоп'а с малой емкостью, и измерял не силу остаточного тока, а эл. дв. силу поляризации. Последние опыты дали некоторые интересные результаты и показали, что метод для измерения остаточного'заряда был выбран правильно.

Черт. 4 дает схему установки. Внешняя обкладка измери!ельного конденсатора .И,К, состоящего из латунного сосуда с внутренним стержнем (конденсатор ЛМе). могла соединяться при помощи переключателя или с полюсом батареи Вг, или с землей, в то же самое время внутренняя обкладка вместе с листочком электроскопа |рлр ;еррдинялась с землей или изолировалась, г Опыт заключался в том, что в течение времени Т внешняя обкладка соединялась с потенциалом У13 затем перекидывался переключатель П, и наблюдалось максимальное'отклонение ащ листочка электроскопа. В тот момент, когда листочек доходил до крайнего положения пускался в ход секундомер и останавливался в тот?. Момент, когда листочек доходил до нулевого положения а0. Этот промежуток времени обозначен через X. Электроскоп был предварительно прог-радуирован/ Знак заряда электроскопа был противоположен знаку потенциала У. Я принимал, что разность отсчетов ащ — а0 характеризует величину •эл. дв. силы поляризации, которая вызывает остаточный ток.

В качестве примера я привожу наблюдения для нефти. Результаты кроме того изображены на черт. 5. ,

25' 1' 19 г. Таблица.

I V- - Т ' Е ■ • Л. .V- ■ Е t

вольт. «т " ат—ос0 ВОЛЬТ. сек. ВОЛЬТ; 1 «т ао. Ят — ВОЛЬТ. сек.

! + юо 5" 51 31*0 ' 20 13 41 -ИР V 36 30-5 5*5 1 1 ■

> 10" 51 > 20 12 > > 36 ■ ■ ». V 5-5 1

> 15" 52 > 21 12 +'20 > 34 > 3-5 -5

> 30" 52 » 21 13 + 10 > 32-5 > 2*0 -з

> > 1' 2'~ 52 52 > > 21 21 • —25 12 14 ■н 100 > > 52 52 » » 21 * 5 21*5 —27 13

> 2' ¿0 . * / 19 , 10 - -150 » 62 30-0 32 —40

» 5' 51 У 20 13 * > 62 > 32

>» Ъ> 5' И - 20 13 + 200 > > - & 75-5 » > '15*5 —58

+80 > Г-19 13 250 г 92 > 62

» .- 1' ;46 - '»У » * ■ 92 _ > 62

+ 70 1' "" 44. , 13 г ,<Л й 12 2' - 94 » 1 64 —80

1 > 1' 44 ъ гз • V \ . \ > ■■■■. •4' 9В 6Б

+ 60 X' < 42 ■ > 11 -14 > 4' Й 1 > ' 64

» 1' 42 > 11 -200 76-5 > 46*5 —59

, + эО 1' 41 » 10 —12-5 Ь220 80 » 50 -63

,» - » 40 >, 9 - 240 87 У 57 —72

+ 40 > 38- > ' "7 -180 70-5 > 40-5 -51

> 38 > * ' п / ] -130 57 > 27 -34

• • V

Из таблицы видно, что отброс листочка не зависит от времени протекания прямого электрического тока в промежутке от 5 секунд до 5 минут и до У = 4-80 вольт пропорционален разности потенциалов, а затем возрастает быстрее,, ,чем У.

Против опытов можно сделать возражение, что они не дают эл. дв. силу поляризации в чистом, виде. В самом деле, если электроскоп изолируется раньше, чем соединяется с землей внешняя обкладка конденсатора^ то заряд этой обкладки в момент уничтожения вызывает в листочке индуктированный задяд, который и обусловливает часть отброса. Однако опыты измененные в яйр направлении, что сперй^ внешняя обкладка соединялась с землей, а затем изолировался листочек и внутренняя обкладка дали совершенно такие же реву«здаты. , .+ . . | ■