LABOR #2.5

"Untersuchung einer Gasentladung mit einem Thyratron"

Zielsetzung: Untersuchung der in Gasen ablaufenden Prozesse bei nicht selbsterhaltender und selbsterhaltender Entladung in Gasen, Untersuchung des Funktionsprinzips des Thyratrons, Aufbau der Strom-Spannungs- und Anlaufcharakteristik des Thyratrons.

THEORETISCHER TEIL

Ionisierung von Gasen. Nicht selbsterhaltende und selbsterhaltende Gasentladung

Atome und Moleküle von Gasen sind unter normalen Alltagsbedingungen elektrisch neutral, d.h. enthalten keine freien Ladungsträger, sollten also wie ein Vakuumspalt keinen Strom leiten. Tatsächlich enthalten Gase immer eine gewisse Menge freier Elektronen, positiver und negativer Ionen, und leiten daher, wenn auch schlecht, Elektrizität. aktuell.

Freie Ladungsträger in einem Gas entstehen in der Regel durch den Ausstoß von Elektronen aus der Elektronenhülle von Gasatomen, d.h. ergebend Ionisation Gas. Die Gasionisation ist das Ergebnis externer Energieeinwirkung: Erwärmung, Partikelbeschuss (Elektronen, Ionen usw.), elektromagnetische Strahlung (Ultraviolett, Röntgen, radioaktiv usw.). In diesem Fall leitet das zwischen den Elektroden befindliche Gas einen elektrischen Strom, der als bezeichnet wird Gasentladung. Leistung Ionisierungsfaktor ( Ionisator) ist die Anzahl der Paare entgegengesetzt geladener Ladungsträger, die durch Ionisation pro Volumeneinheit Gas pro Zeiteinheit entstehen. Neben dem Ionisierungsprozess gibt es auch einen umgekehrten Prozess - Rekombination: die Wechselwirkung entgegengesetzt geladener Teilchen, wodurch elektrisch neutrale Atome oder Moleküle entstehen und elektromagnetische Wellen ausgesendet werden. Wenn die elektrische Leitfähigkeit des Gases das Vorhandensein eines externen Ionisators erfordert, wird eine solche Entladung genannt abhängig. Wenn das angelegte elektrische Feld (EF) ausreichend groß ist, reicht die Anzahl freier Ladungsträger, die als Ergebnis der Stoßionisation aufgrund des äußeren Felds gebildet werden, aus, um eine elektrische Entladung aufrechtzuerhalten. Eine solche Entladung benötigt keinen externen Ionisator und wird aufgerufen unabhängig.

Betrachten wir die Strom-Spannungs-Kennlinie (CVC) einer Gasentladung in einem zwischen den Elektroden befindlichen Gas (Abb. 1).

Bei einer nicht selbsterhaltenden Gasentladung im Bereich schwacher elektrischer Felder (I) ist die Anzahl der durch Ionisation gebildeten Ladungen gleich der Anzahl der miteinander rekombinierenden Ladungen. Durch dieses dynamische Gleichgewicht bleibt die Konzentration an freien Ladungsträgern im Gas praktisch konstant und dadurch Ohm'sches Gesetz (1):

wo E die elektrische Feldstärke ist; n– Konzentration; j ist die Stromdichte.

und ( ) sind die Mobilität positiver bzw. negativer Ladungsträger;<υ > ist die Driftgeschwindigkeit der gerichteten Ladungsbewegung.

Im Bereich hoher EC (II) wird eine Sättigung des Stroms im Gas (I) beobachtet, da alle vom Ionisator erzeugten Ladungsträger an der gerichteten Drift an der Erzeugung des Stroms teilnehmen.

Bei weiterer Erhöhung des Feldes (III) ionisieren beschleunigt bewegte Ladungsträger (Elektronen und Ionen) neutrale Atome und Gasmoleküle ( Stoßionisation), was zur Bildung zusätzlicher Ladungsträger und der Bildung führt elektronische Lawine(Elektronen sind leichter als Ionen und werden im EP stark beschleunigt) – die Stromdichte nimmt zu ( Gasverstärkung). Wenn der externe Ionisator abgeschaltet wird, stoppt die Gasentladung aufgrund von Rekombinationsprozessen.

Als Ergebnis dieser Prozesse bilden sich Ströme von Elektronen, Ionen und Photonen, die Anzahl der Teilchen wächst wie eine Lawine, der Strom steigt praktisch ohne Verstärkung des elektrischen Feldes zwischen den Elektroden an. Entsteht unabhängige Gasentladung. Der Übergang von einer inkonsistenten Gasentladung zu einer unabhängigen Gasentladung wird genannt Email abbauen, und die Spannung zwischen den Elektroden , wo d- Der Abstand zwischen den Elektroden wird genannt Die Spannung unterbrechen.

Für E-Mail Beim Zusammenbruch ist es notwendig, dass die Elektronen auf ihrem Weg Zeit haben, kinetische Energie zu gewinnen, die das Ionisationspotential von Gasmolekülen übersteigt, und andererseits, dass positive Ionen auf ihrem Weg Zeit haben, kinetische Energie zu gewinnen, die größer ist als die Austrittsarbeit des Kathodenmaterials. Da die mittlere freie Weglänge von der Anordnung der Elektroden, ihrem Abstand d und der Teilchenzahl pro Volumeneinheit (und damit vom Druck) abhängt, lässt sich die Zündung einer selbsterhaltenden Entladung durch Veränderung des steuern Abstand zwischen den Elektroden d mit ihrer unveränderten Konfiguration und Änderung des Drucks P. Wenn die Arbeit Pd sich als gleich herausstellt, wenn andere Dinge gleich sind, dann sollte die Art des beobachteten Zusammenbruchs die gleiche sein. Diese Schlussfolgerung spiegelte sich im Experiment wider Gesetz e (1889) Deutsch. Physik F. Paschen(1865–1947):

Die Zündspannung einer Gasentladung für einen gegebenen Wert des Produkts aus Gasdruck und Abstand zwischen den Elektroden Pd ist ein konstanter Wert, der für ein gegebenes Gas charakteristisch ist .

Es gibt verschiedene Arten der Selbstentladung.

Glimmentladung tritt bei niedrigen Drücken auf. Wenn an die Elektroden, die in ein 30–50 cm langes Glasrohr eingelötet sind, eine konstante Spannung von mehreren hundert Volt angelegt wird und allmählich Luft aus dem Rohr gepumpt wird, tritt bei einem Druck von 5,3–6,7 kPa eine Entladung in Form eines Lichts auf gewundenes rötliches Kabel, das von der Kathode zur Anode kommt. Bei weiterer Druckabnahme verdickt sich der Faden und bei einem Druck von » 13 Pa hat die Entladung die in Abb. 2.

Direkt auf der Kathode 1 ist eine dünne Leuchtschicht aufgebracht - Kathodenfilm , gefolgt von 2 - Kathoden-Dunkelraum , weiter in die leuchtende Schicht 3 – schwelendes Leuchten , das auf der Kathodenseite scharf begrenzt ist und auf der Anodenseite allmählich verschwindet. Die Schichten 1-3 bilden den Kathodenteil der Glimmentladung. Folgt dem schwelenden Schein Faradayscher dunkler Raum 4. Der Rest der Röhre ist mit Leuchtgas gefüllt - positiver Beitrag - 5.

Das Potential variiert entlang der Röhre ungleichmäßig (siehe Abb. 2). Nahezu der gesamte Spannungsabfall tritt in den ersten Abschnitten der Entladung auf, einschließlich des dunklen Kathodenraums.

Die Hauptprozesse, die zur Aufrechterhaltung der Entladung erforderlich sind, finden in ihrem Kathodenteil statt:

1) positive Ionen, die durch den kathodischen Potentialabfall beschleunigt werden, bombardieren die Kathode und schlagen Elektronen aus ihr heraus;

2) die Elektronen werden im Kathodenteil beschleunigt und gewinnen genügend Energie und ionisieren die Gasmoleküle. Viele Elektronen und positive Ionen werden gebildet. Im Schwelbereich findet eine intensive Rekombination von Elektronen und Ionen statt, Energie wird freigesetzt, ein Teil davon geht in die zusätzliche Ionisierung. Die in den Faraday-Dunkelraum eingedrungenen Elektronen akkumulieren nach und nach Energie, so dass die für die Existenz des Plasmas notwendigen Bedingungen entstehen (ein hoher Grad an Gasionisation). Die positive Säule ist ein Gasentladungsplasma. Es fungiert als Leiter, der die Anode mit den Kathodenteilen verbindet. Das Leuchten der positiven Säule wird hauptsächlich durch Übergänge angeregter Moleküle in den Grundzustand verursacht. Moleküle verschiedener Gase senden bei solchen Übergängen Strahlung unterschiedlicher Wellenlänge aus. Daher hat das Leuchten der Säule eine für jedes Gas charakteristische Farbe. Daraus werden leuchtende Röhren hergestellt. Neonröhren leuchten rot, Argonröhren bläulich-grün.

Bogenentladung bei normalem und erhöhtem Druck beobachtet. In diesem Fall erreicht der Strom mehrere zehn und hundert Ampere, und die Spannung über dem Gasspalt fällt auf mehrere zehn Volt ab. Eine solche Entladung kann von einer Niederspannungsquelle erhalten werden, wenn die Elektroden zuerst zusammengebracht werden, bis sie sich berühren. Am Kontaktpunkt werden die Elektroden aufgrund von Joulescher Wärme stark erhitzt, und nachdem sie voneinander entfernt wurden, wird die Kathode aufgrund von thermionischer Emission zu einer Elektronenquelle. Die Hauptprozesse, die die Entladung unterstützen, sind die thermionische Emission von der Kathode und die thermische Ionisation von Molekülen aufgrund der hohen Temperatur des Gases im Zwischenelektrodenspalt. Nahezu der gesamte Zwischenelektrodenraum ist mit Hochtemperaturplasma gefüllt. Es dient als Leiter, durch den die von der Kathode emittierten Elektronen die Anode erreichen. Die Plasmatemperatur beträgt ~6000 K. Die hohe Temperatur der Kathode wird durch Beschuss mit positiven Ionen aufrechterhalten. Die Anode wiederum erwärmt sich unter der Einwirkung schneller Elektronen, die aus dem Gasspalt auf sie einfallen, stärker und kann sogar schmelzen, und auf ihrer Oberfläche bildet sich eine Vertiefung - ein Krater - der hellste Ort des Lichtbogens. Lichtbogen wurde erstmals 1802 empfangen. Der russische Physiker V. Petrov (1761–1834), der zwei Kohlestücke als Elektroden verwendete. Heiße Kohlenstoffelektroden gaben ein blendendes Leuchten ab, und zwischen ihnen erschien eine helle Säule aus leuchtendem Gas - ein Lichtbogen. Die Bogenentladung wird als helle Lichtquelle in Projektorscheinwerfern sowie zum Schneiden und Schweißen von Metallen verwendet. Es findet eine Bogenentladung mit Kaltkathode statt. Elektronen erscheinen aufgrund von Feldemission von der Kathode, die Gastemperatur ist niedrig. Die Ionisation von Molekülen erfolgt durch Elektronenstöße. Zwischen Kathode und Anode entsteht ein Gasentladungsplasma.

Funkenentladung tritt zwischen zwei Elektroden bei einer hohen elektrischen Feldstärke zwischen ihnen auf . Zwischen den Elektroden springt ein Funke über, der die Form eines hell leuchtenden Kanals hat und beide Elektroden verbindet. Das Gas in der Nähe des Funkens wird auf eine hohe Temperatur erhitzt, es tritt ein Druckunterschied auf, der zum Auftreten von Schallwellen führt, einem charakteristischen Riss.

Dem Auftreten eines Funkens geht die Bildung von Elektronenlawinen im Gas voraus. Der Vorfahr jeder Lawine ist ein Elektron, das in einem starken elektrischen Feld beschleunigt und die Ionisation von Molekülen erzeugt. Die resultierenden Elektronen wiederum beschleunigen und erzeugen die nächste Ionisation, es kommt zu einer Lawinenzunahme der Elektronenzahl - Lawine.

Die dabei entstehenden positiven Ionen spielen keine nennenswerte Rolle, weil sie sind unbeweglich. Elektronenlawinen schneiden sich und bilden einen leitenden Kanal Streamer, entlang der Elektronen von der Kathode zur Anode eilen - es gibt abbauen.

Ein Blitz ist ein Beispiel für eine starke Funkenentladung. Verschiedene Teile einer Gewitterwolke tragen Ladungen mit unterschiedlichen Vorzeichen ("-" ist der Erde zugewandt). Wenn sich also die Wolken mit entgegengesetzt geladenen Teilen annähern, kommt es zwischen ihnen zu einem Funkendurchbruch. Die Potentialdifferenz zwischen der geladenen Wolke und der Erde beträgt ~10 8 V.

Funkenentladung wird zum Auslösen von Explosionen und Verbrennungsprozessen (Kerzen in Verbrennungsmotoren), zum Erfassen geladener Teilchen in Funkenzählern, zum Behandeln von Metalloberflächen usw. verwendet.

Corona (koronare) Entladung tritt zwischen Elektroden mit unterschiedlicher Krümmung auf (eine der Elektroden ist ein dünner Draht oder eine Spitze). Bei einer Koronaentladung erfolgt die Ionisierung und Anregung von Molekülen nicht im gesamten Zwischenelektrodenraum, sondern in der Nähe der Spitze, wo die Intensität hoch ist und übertrifft E abbauen. In diesem Teil glüht das Gas, das Glühen hat die Form einer Korona, die die Elektrode umgibt.

Plasma und seine Eigenschaften

Plasma wird als stark ionisiertes Gas bezeichnet, in dem die Konzentration positiver und negativer Ladungen nahezu gleich ist. Unterscheiden Hochtemperaturplasma , die bei ultrahohen Temperaturen auftritt, und Gasentladungsplasma durch Gasentladung entstehen.

Plasma hat folgende Eigenschaften:

Ein hoher Ionisierungsgrad im Grenzbereich - vollständige Ionisierung (alle Elektronen werden von den Kernen getrennt);

Die Konzentration positiver und negativer Teilchen im Plasma ist praktisch gleich;

hohe elektrische Leitfähigkeit;

glühen;

Starke Wechselwirkung mit elektrischen und magnetischen Feldern;

Schwingungen von Elektronen im Plasma mit hoher Frequenz (>10 8 Hz), die eine allgemeine Schwingung des Plasmas verursachen;

Gleichzeitige Wechselwirkung einer großen Anzahl von Teilchen.

Nicht selbsterhaltende Gasentladung wird eine solche Entladung genannt, die, nachdem sie in Gegenwart eines elektrischen Feldes entstanden ist, nur unter der Wirkung eines externen Ionisators existieren kann.

Betrachten wir die physikalischen Vorgänge, die bei einer nicht selbsterhaltenden Gasentladung ablaufen. Lassen Sie uns eine Reihe von Notationen einführen: bezeichnen durch die Anzahl der Gasmoleküle in dem untersuchten Volumen v. Konzentration von Molekülen Einige der Moleküle sind ionisiert. Lassen Sie uns die Anzahl der Ionen gleichen Vorzeichens durch bezeichnen N; ihre Konzentration Als nächstes bezeichne mit ∆ n ich- die Anzahl der Ionenpaare, die unter der Wirkung des Ionisators in einer Sekunde pro Volumeneinheit Gas entstehen.

Zusammen mit dem Prozess der Ionisation im Gas findet eine Rekombination von Ionen statt. Die Wahrscheinlichkeit, zwei Ionen mit unterschiedlichen Vorzeichen zu treffen, ist proportional sowohl zur Anzahl positiver als auch negativer Ionen, und diese Zahlen sind wiederum gleich n. Daher ist die Anzahl der Ionenpaare, die sich pro Sekunde pro Volumeneinheit rekombinieren, proportional zu n 2:

Daher wird für die Gleichgewichtskonzentration von Ionen (die Anzahl von Ionenpaaren pro Volumeneinheit) der folgende Ausdruck erhalten:

.

(8.2.3)

Das Schema des Experiments mit einer Gasentladungsröhre ist in Abbildung 8.1 dargestellt.

Analysieren wir weiter die Wirkung des elektrischen Feldes auf die Prozesse in ionisierten Gasen. Legen Sie eine konstante Spannung an die Elektroden an. Positive Ionen werden zur negativen Elektrode und negative Ladungen zur positiven Elektrode geleitet. Somit gelangt ein Teil der Ladungsträger aus dem Gasentladungsspalt zu den Elektroden (im Stromkreis tritt ein elektrischer Strom auf). Lassen Sie das Einheitsvolumen jede Sekunde los ∆nj Paar Ionen. Nun kann die Gleichgewichtsbedingung dargestellt werden als

(8.2.4)

1. Betrachten Sie den Fall schwaches Feld: Der Kreislauf wird fließen schwacher Strom. Die Stromdichte ist betragsmäßig proportional zur Ladungsträgerkonzentration n, aufladen q, getragen von jedem Träger und der Geschwindigkeit der gerichteten Bewegung positiver und negativer Ionen und :

.

(8.2.5)

Die Geschwindigkeit der gerichteten Bewegung von Ionen wird durch ausgedrückt Mobilität und Spannung elektrisches Feld:

In einem schwachen Feld () ist die Gleichgewichtskonzentration gleich:.

Setzen Sie diesen Ausdruck in (8.2.7) ein:

(8.2.8)

Im letzten Ausdruck hängt der Faktor at nicht von der Intensität ab. Wenn wir es mit σ bezeichnen, erhalten wir Ohmsches Gesetz in Differentialform :

(8.2.9)

wo – spezifische elektrische Leitfähigkeit.

Fazit : Bei schwachen elektrischen Feldern gehorcht der Strom bei nicht selbsterhaltender Entladung dem Ohmschen Gesetz.

2. Überlege starkes Feld . In diesem Fall verlassen also alle erzeugten Ionen den Gasentladungsspalt unter Einwirkung eines elektrischen Feldes. Dies erklärt sich dadurch, dass während der Zeit, die ein Ion braucht, um in einem starken Feld von einer Elektrode zur anderen zu fliegen, die Ionen keine Zeit haben, sich merklich zu rekombinieren. Daher sind alle vom Ionisator erzeugten Ionen an der Stromerzeugung beteiligt und gelangen zu den Elektroden. Und da die Anzahl der Ionen, die der Ionisator pro Zeiteinheit erzeugt ∆n i, nicht von der Feldstärke abhängt, dann wird die Stromdichte nur durch den Wert bestimmt ∆n i und wird nicht davon abhängen. Mit anderen Worten, bei einer weiteren Erhöhung der angelegten Spannung hört der Strom auf zu steigen und bleibt konstant.

Der Maximalwert des Stroms, bei dem alle gebildeten Ionen zu den Elektroden gelangen, wird als Sättigungsstrom bezeichnet.

Eine weitere Erhöhung der Feldstärke führt zur Formation Lawinen Elektronen, wenn die unter der Wirkung des Ionisators entstandenen Elektronen über die mittlere freie Weglänge (von Stoß zu Stoß) genügend Energie gewinnen, um Gasmoleküle zu ionisieren (Stoßionisation). Die in diesem Fall entstandenen Sekundärelektronen, die wiederum beschleunigt wurden, erzeugen eine Ionisation usw. - tritt auf Lawinenartige Vervielfachung von Primärionen und Elektronen erstellt durch einen externen Ionisator und Entladungsstromverstärkung.

Abbildung 8.2 zeigt den Ablauf der Lawinenbildung.

Die erhaltenen Ergebnisse lassen sich grafisch (Abb. 8.3) in Form einer Strom-Spannungs-Kennlinie einer nicht selbsterhaltenden Gasentladung darstellen.

Fazit : für eine nicht selbstständige Entladung bei niedrigen Stromdichten, d.h. Wenn die Hauptrolle beim Verschwinden von Ladungen aus der Gasentladungslücke der Rekombinationsprozess spielt, findet das Ohmsche Gesetz statt( ); für große Felder()Das Ohmsche Gesetz ist nicht erfüllt - es kommt zu einer Sättigung und bei Feldüberschreitungen zu einer Lawine von Ladungen, die zu einer erheblichen Erhöhung der Stromdichte führt.

Im Gegensatz zu Elektrolytlösungen besteht Gas unter normalen Bedingungen aus neutralen Molekülen (oder Atomen) und ist daher ein Isolator. Ein Gas wird erst dann zu einem Leiter für elektrischen Strom, wenn zumindest einige seiner Moleküle unter dem Einfluss äußerer Einflüsse ionisiert (in Ionen umgewandelt) werden (Ionisator). Bei der Ionisation tritt aus einem Gasmolekül in der Regel ein Elektron aus, wodurch das Molekül zu einem positiven Ion wird. Das ausgestoßene Elektron bleibt entweder einige Zeit frei oder haftet („klebt“) sofort an einem der neutralen Gasmoleküle und verwandelt es in ein negatives Ion. In einem ionisierten Gas gibt es also positive und negative Ionen und freie Elektronen.

Um ein Elektron aus einem Molekül (Atom) herauszuschlagen, muss der Ionisator eine bestimmte Arbeit verrichten, die als Ionisationsarbeit bezeichnet wird; für die meisten Gase hat es Werte im Bereich von 5 bis 25 eV. Röntgenstrahlen (siehe § 125), radioaktive Strahlung (siehe § 139), kosmische Strahlung (siehe § 145), starke Erwärmung, UV-Strahlen (siehe § 120) und einige andere Faktoren können als Gasionisatoren dienen.

Zusammen mit der Ionisation im Gas gibt es einen Prozess der Ionenrekombination. Dadurch stellt sich ein Gleichgewichtszustand ein, der durch eine bestimmte Ionenkonzentration gekennzeichnet ist, deren Wert von der Leistung des Ionisators abhängt.

In Gegenwart eines externen elektrischen Feldes in einem ionisierten Gas entsteht ein Strom aufgrund der Bewegung entgegengesetzter Ionen in einander entgegengesetzte Richtungen und der Bewegung von Elektronen.

Aufgrund der niedrigen Viskosität des Gases ist die Mobilität von Gasionen tausendmal größer als die von Elektrolytionen und beträgt ungefähr

Wenn die Wirkung des Ionisators aufhört, fällt die Ionenkonzentration im Gas schnell auf Null (aufgrund der Rekombination und der Entfernung von Ionen zu den Elektroden der Stromquelle) und der Strom stoppt. Der Strom, für dessen Existenz ein externer Ionisator erforderlich ist, wird als nicht selbsterhaltende Gasentladung bezeichnet.

Bei einem ausreichend starken elektrischen Feld im Gas beginnen Selbstionisationsprozesse, wodurch der Strom auch ohne externen Ionisator bestehen kann. Diese Art von Strom wird als unabhängige Gasentladung bezeichnet.

Die Prozesse der Selbstionisierung sind allgemein wie folgt. Unter natürlichen Bedingungen enthält ein Gas immer eine kleine Menge freier Elektronen und Ionen, die durch natürliche Ionisatoren wie kosmische Strahlung und Strahlung radioaktiver Substanzen in der Atmosphäre, im Boden und im Wasser erzeugt werden. Ein ausreichend starkes elektrisches Feld kann diese Teilchen auf solche Geschwindigkeiten beschleunigen, bei denen ihre kinetische Energie die Ionisationsarbeit übersteigt. Dann werden die Elektronen und Ionen, die (auf dem Weg zu den Elektroden) mit neutralen Molekülen kollidieren, diese ionisieren. Auch bei Stößen neu entstehende (Sekundär-)Elektronen und Ionen werden durch das Feld beschleunigt und ionisieren wiederum neue neutrale Moleküle usw. Die beschriebene Selbstionisation eines Gases wird Stoßionisation genannt.

Freie Elektronen verursachen bereits bei einer Feldstärke in der Größenordnung eine Stoßionisation, Ionen hingegen erst bei einer Feldstärke in der Größenordnung Tatsache, dass für Elektronen die mittlere freie Weglänge in einem Gas viel länger ist als für Ionen. Daher erwerben Elektronen die für die Stoßionisation erforderliche kinetische Energie bei geringeren Feldstärken als Ionen. Aber auch bei nicht zu starken Feldern spielen positive Ionen eine sehr wichtige Rolle bei der Selbstionisation des Gases. Tatsache ist, dass die Energie dieser Ionen ausreicht, um Elektronen aus dem Metall herauszuschlagen. Daher schlagen durch das Feld verteilte positive Ionen, die auf die Metallkathode der Feldquelle treffen, Elektronen daraus heraus, die wiederum durch das Feld beschleunigt werden und eine Stoßionisation neutraler Moleküle erzeugen.

Ionen und Elektronen, deren Energie für eine Stoßionisation nicht ausreicht, können jedoch beim Zusammenstoß mit Molekülen diese in einen angeregten Zustand bringen, d. h. einige Energieänderungen in ihren Elektronenhüllen verursachen. Das angeregte Molekül (oder Atom) geht dann in einen normalen Zustand über, während es einen Teil elektromagnetischer Energie abgibt - ein Photon (Prozesse

Anregung von Atomen und Emission und Absorption von Photonen durch sie werden in § 132-136 behandelt). Die Emission von Photonen manifestiert sich im Leuchten des Gases. Darüber hinaus kann ein von einem der Gasmoleküle absorbiertes Photon dieses ionisieren; diese Art der Ionisierung wird photonisch genannt. Schließlich kann ein Photon, das auf die Kathode trifft, ein Elektron aus ihr herausschlagen (externer photoelektrischer Effekt), was dann eine Stoßionisation des neutralen Moleküls bewirkt.

Durch Stoß- und Photonenionisation und das Herausschlagen von Elektronen aus der Kathode durch positive Ionen und Photonen steigt die Zahl der Ionen und Elektronen im gesamten Gasvolumen stark an (lawinenartig). Für das Vorhandensein eines Stroms in einem Gas wird kein externer Ionisator mehr benötigt. Die Gasentladung verselbständigt sich. Der beschriebene Vorgang der Gasselbstionisation ist schematisch in Abb. 208, wo neutrale Moleküle als weiße Kreise, positive Ionen als Kreise mit Pluszeichen, Elektronen als schwarze Kreise und Photonen als Wellenlinien dargestellt sind.

Auf Abb. 209 ist ein experimenteller Graph der Abhängigkeit des Stroms im Gas von der Feldstärke oder von der Spannung zwischen der Kathode und der Anode der Feldquelle, da

wo ist der abstand zwischen den elektroden. Auf dem Kurvenabschnitt steigt der Strom nach dem Ohmschen Gesetz etwa proportional zur Feldstärke an). Dies erklärt sich aus der Tatsache, dass mit zunehmender Spannung die Geschwindigkeit der geordneten Bewegung von Ionen und Elektronen zunimmt und folglich die Strommenge, die in 1 s zu den Elektroden (Strom) fließt. Es ist offensichtlich, dass der Anstieg des Stroms aufhört, wenn die Feldstärke einen Wert erreicht, bei dem sich alle Ionen und Elektronen, die vom externen Ionisator in 1 s erzeugt werden, gleichzeitig den Elektroden nähern.

Gase bei nicht zu hohen Temperaturen und Drücken nahe dem Atmosphärendruck sind gute Isolatoren. Dies erklärt sich dadurch, dass Gase unter Normalbedingungen aus neutralen Atomen und Molekülen bestehen und keine freien Ladungen (Elektronen und Ionen) enthalten. Ein Gas wird zu einem elektrischen Leiter, wenn einige seiner Moleküle ionisiert, Dazu muss das Gas der Wirkung eines Ionisators ausgesetzt werden (z. B. Kerzenflamme, Ultraviolett- und Röntgenstrahlung, g-Quanten, Elektronenströme, Protonen, a-Teilchen usw.). . Die Ionisationsenergie von Atomen verschiedener Gase liegt im Bereich von 4 - 25 eV. In einem ionisierten Gas treten geladene Teilchen auf, die sich unter dem Einfluss eines elektrischen Feldes bewegen können - positive und negative Ionen und freie Elektronen.

Der Durchgang von elektrischem Strom durch Gase wird genannt Gasentladung.

Gleichzeitig mit dem Prozess Ionisation Gas geht immer und der umgekehrte Vorgang - Rekombinationsprozess: Positive und negative Ionen, positive Ionen und Elektronen treffen aufeinander und verbinden sich zu neutralen Atomen und Molekülen. Das Gleichgewicht ihrer Geschwindigkeiten bestimmt die Konzentration geladener Teilchen im Gas. Die Prozesse der Ionenrekombination sowie die Anregung von Ionen, die nicht zur Ionisation führen, führen zu glühen Gas, dessen Farbe durch die Eigenschaften des Gases bestimmt wird.

Die Art der Gasentladung wird bestimmt durch die Zusammensetzung des Gases, seine Temperatur und seinen Druck, Abmessungen, Anordnung und Material der Elektroden, angelegte Spannung, Stromdichte usw.

Betrachten wir einen Kreislauf, der einen Gasspalt enthält, der einer kontinuierlichen Einwirkung konstanter Intensität eines externen Ionisators ausgesetzt ist.

Infolge der Gasionisation fließt im Stromkreis ein Strom, dessen Abhängigkeit von der angelegten Spannung in Abb.

Auf der Kurve OA der Strom steigt proportional zur Spannung, d. h. das Ohmsche Gesetz ist erfüllt. Bei einem weiteren Anstieg der Spannung wird das Ohmsche Gesetz verletzt: Der Anstieg der Stromstärke verlangsamt sich (Abschnitt AB) und hört schließlich ganz auf (Abschn VS). Diese. wir erhalten einen Sättigungsstrom, dessen Wert durch die Leistung des Ionisators bestimmt wird, wenn alle vom externen Ionisator pro Zeiteinheit erzeugten Ionen und Elektronen gleichzeitig die Elektroden erreichen. Wenn im Modus Betriebssystem Stoppen Sie die Wirkung des Ionisators, dann stoppt auch die Entladung. Entladungen, die nur unter Einwirkung externer Ionisatoren bestehen, werden als bezeichnet abhängig. Bei weiterer Erhöhung der Spannung zwischen den Elektroden nimmt die Stromstärke zunächst langsam ab (Abschn CD), und dann scharf (Abschn DE) steigt und die Entladung wird unabhängig. Die Entladung im Gas, die nach Beendigung der Wirkung des externen Ionisators anhält, wird als bezeichnet unabhängig.

Der Mechanismus für das Auftreten der Selbstentladung ist wie folgt. Bei hohen Spannungen ionisieren Elektronen, die unter der Wirkung eines externen Ionisators entstehen, durch ein elektrisches Feld stark beschleunigt werden und mit Gasmolekülen kollidieren, diese, was zur Bildung von Sekundärelektronen und positiven Ionen führt. Positive Ionen bewegen sich zur Kathode und Elektronen bewegen sich zur Anode. Die Sekundärelektronen ionisieren die Gasmoleküle erneut, und folglich wird die Gesamtzahl der Elektronen und Ionen zunehmen, wenn sich die Elektronen wie eine Lawine zur Anode bewegen. Dies ist der Grund für die Zunahme des elektrischen Stroms in der Region CD. Der beschriebene Prozess wird aufgerufen Stoßionisation. Die Stoßionisation durch Elektronen allein reicht nicht aus, um die Entladung aufrechtzuerhalten, wenn der externe Ionisator entfernt wird. Um die Entladung aufrechtzuerhalten, ist es notwendig, dass sich die Elektronenlawinen „vermehren“, d.h. dass unter dem Einfluss einiger Prozesse neue Elektronen im Gas entstehen. Dies tritt bei erheblichen Spannungen zwischen den Elektroden des Gasspalts auf, wenn Lawinen positiver Ionen zur Kathode stürzen, die Elektronen herausschlagen. In diesem Moment, in dem neben Elektronenlawinen auch Ionenlawinen auftreten, steigt der Strom fast ohne Erhöhung der Spannung (Abschn DE in Abb.), d.h. es kommt zu einer selbstständigen Entladung. Die Spannung, bei der eine Selbstentladung auftritt, wird als bezeichnet Die Spannung unterbrechen.

Es ist zu beachten, dass bei einer Entladung in Gasen ein besonderer Materiezustand, Plasma genannt, realisiert wird. Plasma Ein stark ionisiertes Gas wird als Gas bezeichnet, in dem die Dichte positiver und negativer Ladungen nahezu gleich ist. Man unterscheidet zwischen Hochtemperaturplasma, das bei ultrahohen Temperaturen entsteht, und Gasentladungsplasma, das bei einer Gasentladung entsteht. Plasma ist durch den Ionisierungsgrad a gekennzeichnet - das Verhältnis der Anzahl ionisierter Teilchen zu ihrer Gesamtzahl pro Volumeneinheit des Plasmas. Je nach Wert von a spricht man von schwach (a ist Bruchteile von Prozent), mäßig (einige Prozent) und vollständig (nahezu 100 %) ionisiertem Plasma.

Es gibt vier Arten der Selbstentladung: Glühen, Funken, Lichtbogen und Korona.

1. Glimmentladung tritt bei niedrigen Drücken auf. Wenn an die in ein 30 - 50 cm langes Glasrohr eingelöteten Elektroden eine konstante Spannung von mehreren hundert Volt angelegt wird und dabei allmählich Luft aus dem Rohr gepumpt wird, kommt es bei einem Druck von ~ 5,3 - 6,7 kPa (mehrere mm Hg) zu einer Entladung in Form einer leuchtenden rötlichen gewundenen Schnur, die von der Kathode zur Anode verläuft. Bei weiterer Druckabnahme (~13 Pa) hat die Entladung folgende Struktur.

Direkt neben der Kathode befindet sich eine dunkle dünne Schicht 1 - erstaunlicher dunkler Raum, gefolgt von einer dünnen Leuchtschicht 2 - erstes Kathodenglühen bzw Kathodenfilm, gefolgt von einer dunklen Schicht 3 - Kathode (Gauner) dunkler Raum, die später in die Leuchtschicht 4 übergeht - schwelendes Leuchten, das auf der Kathodenseite scharf begrenzt ist und auf der Anodenseite allmählich verschwindet. Es entsteht durch die Rekombination von Elektronen mit positiven Ionen. Eine dunkle Lücke grenzt an ein schwelendes Leuchten 5- Faradayscher dunkler Raum, gefolgt von einer Säule aus ionisiertem Leuchtgas 6 - positiver Beitrag. Die positive Säule spielt keine wesentliche Rolle bei der Aufrechterhaltung der Entladung. Die angelegte Spannung wird ungleichmäßig entlang der Entladung verteilt. Fast der gesamte Potentialabfall tritt in den ersten drei Schichten auf und wird aufgerufen kathodischer Potentialabfall.

Der Mechanismus der Schichtbildung ist wie folgt. Positive Ionen in der Nähe der Kathode, die durch den kathodischen Potentialabfall beschleunigt werden, bombardieren die Kathode und schlagen Elektronen aus ihr heraus. Im dunklen Raum beschleunigen Elektronen und regen Moleküle an, die Licht zu emittieren beginnen und einen Kathodenfilm 2 bilden. Elektronen, die Film 2 ohne Kollisionen durchfliegen, ionisieren Gasmoleküle hinter diesem Film. Es gibt viele positive und negative Ladungen. In diesem Fall nimmt die Intensität des Glühens ab. Dieser Bereich ist ein Kathoden(Crookes)-Dunkelraum 3. Die im Kathodendunkelraum entstandenen Elektronen dringen in den Glimm-Glüh-Bereich 4 ein, was auf ihre Rekombination mit positiven Ionen zurückzuführen ist. Außerdem dringen die verbleibenden Elektronen und Ionen (es gibt nur wenige davon) durch Diffusion in den Bereich 5 – den Faraday-Dunkelraum – ein. Es erscheint dunkel, weil die Konzentration rekombinierender Ladungen gering ist. Im Bereich 5 gibt es ein elektrisches Feld, das die Elektronen beschleunigt und im Bereich der positiven Säule 6 erzeugen sie eine Ionisation, was zur Bildung von Plasma führt. Das Leuchten der positiven Säule ist hauptsächlich auf die Übergänge angeregter Moleküle in den Grundzustand zurückzuführen. Es hat für jedes Gas eine charakteristische Farbe. Bei einer Glimmentladung sind nur drei ihrer Teile für deren Aufrechterhaltung von besonderer Bedeutung - bis auf das Glimmglühen. Im Kathoden-Dunkelraum tritt eine starke Beschleunigung von Elektronen und positiven Ionen auf, wodurch Elektronen aus der Kathode herausgeschlagen werden (Sekundär-Emission). Im Bereich der schwelenden Lumineszenz findet eine Stoßionisation von Gasmolekülen durch Elektronen statt. Während der Stoßionisation gebildete positive Ionen eilen zur Kathode und schlagen neue Elektronen aus ihr heraus, die wiederum das Gas ionisieren usw. Auf diese Weise wird eine Glimmentladung kontinuierlich aufrechterhalten.

Anwendung in der Technik. Das Leuchten der positiven Säule, das eine für jedes Gas charakteristische Farbe hat, wird in Entladungsröhren zur Erstellung von Werbung (Neon-Entladungsröhren leuchten rot, Argon-Röhren - bläulich-grün) und in Leuchtstofflampen verwendet.

2. Funkenentladung entsteht bei hohen elektrischen Feldstärken (~3 · 10 b V/m) in einem Gas unter atmosphärischem Druck. Die Erklärung der Funkenentladung erfolgt anhand von Stromer Theorie, nach der dem Erscheinen eines hell leuchtenden Funkenkanals das Erscheinen schwach leuchtender Ansammlungen ionisierten Gases vorausgeht - Streamer. Streamer entstehen sowohl durch Bildung von Elektronenlawinen durch Stoßionisation als auch durch Photonenionisation eines Gases. Die Lawinen, die sich gegenseitig jagen, bilden leitende Brücken aus Luftschlangen, entlang derer in den nächsten Momenten mächtige Elektronenströme strömen und Funkenentladungskanäle bilden. Aufgrund der Freisetzung einer großen Energiemenge während der betrachteten Prozesse wird das Gas in der Funkenstrecke auf eine sehr hohe Temperatur (etwa 10 4 o C) erhitzt, was zu seinem Glühen führt. Die schnelle Erwärmung des Gases führt zu einem Druckanstieg und dem Auftreten von Stoßwellen, die die Geräuscheffekte während einer Funkenentladung erklären. Zum Beispiel Knistern bei schwachen Entladungen und starke Donnerschläge bei Blitzen.

Anwendung in der Technik. Zum Zünden des brennbaren Gemisches in Verbrennungsmotoren und zum Schutz elektrischer Übertragungsleitungen vor Überspannungen (Funkenstrecken).

3. Bogenentladung. Wenn nach dem Zünden einer Funkenentladung aus einer starken Quelle der Abstand zwischen den Elektroden allmählich verringert wird, wird die Entladung kontinuierlich, d.h. Bogenentladung auftritt. In diesem Fall steigt der Strom stark an und erreicht Hunderte von Ampere, und die Spannung über der Entladungsstrecke fällt auf mehrere zehn Volt. Eine Bogenentladung kann von einer Niederspannungsquelle unter Umgehung der Funkenstufe erhalten werden. Dazu werden die Elektroden (z. B. Kohlenstoffelektroden) zusammengebracht, bis sie sich berühren, sie werden mit elektrischem Strom sehr heiß, dann werden sie getrennt und es entsteht ein Lichtbogen. Bei atmosphärischem Druck hat die Lichtbogenentladung eine Temperatur von ~3500 o C. Wenn der Lichtbogen brennt, bildet sich auf der Anode eine Vertiefung – ein Krater, der die heißeste Stelle im Lichtbogen darstellt. Die Lichtbogenentladung wird aufgrund der intensiven thermionischen Emission von der Kathode sowie der thermischen Ionisation von Molekülen aufgrund der hohen Temperatur des Gases aufrechterhalten.

Anwendung - zum Schweißen und Schneiden von Metallen, Gewinnung hochwertiger Stähle (Lichtbogenofen) und Beleuchtung (Scheinwerfer, Projektionsgeräte).

4. Koronaentladung- elektrische Hochspannungsentladung bei hohem (z. B. atmosphärischem) Druck in einem stark inhomogenen Feld in der Nähe von Elektroden mit großer Oberflächenkrümmung (z. B. Spitzen). Wenn die Feldstärke in der Nähe der Spitze 30 kV/m erreicht, erscheint ein koronaähnliches Leuchten um sie herum, was der Grund für den Namen dieser Art von Entladung ist. Dieses Phänomen wurde in der Antike die Feuer von St. Elmo genannt. Je nach Vorzeichen der Koronaelektrode wird eine negative oder positive Korona unterschieden.

Anwendung - in Elektrofiltern, die zur Reinigung von Industriegasen von Verunreinigungen beim Auftragen von Pulver- und Farbbeschichtungen verwendet werden.

Der Vorgang des Durchdringens von Strom durch ein Gas wird als Gasentladung bezeichnet.

Der Strom im Gas, der bei Vorhandensein eines externen Ionisators auftritt, wird als bezeichnet abhängig .

Lassen Sie ein Paar Elektronen und Ionen für einige Zeit in die Röhre ein. Mit zunehmender Spannung zwischen den Elektroden der Röhre steigt die Stromstärke, positive Ionen beginnen sich zur Kathode und Elektronen zur Anode zu bewegen.

Es kommt ein Moment, in dem alle Partikel die Elektroden erreichen und sich der Strom bei einem weiteren Anstieg der Spannung nicht ändert. Wenn der Ionisator nicht mehr funktioniert, hört auch die Entladung auf, weil. es gibt keine anderen Ionenquellen, aus diesem Grund wird die Entladung von Ionen als nicht selbsterhaltend bezeichnet.

Der Strom erreicht seine Sättigung.

Bei einer weiteren Erhöhung der Spannung steigt der Strom stark an, entfernt man den externen Ionisator, setzt sich die Entladung fort: Die zur Aufrechterhaltung der elektrischen Leitfähigkeit des Gases notwendigen Ionen werden nun durch die Entladung selbst erzeugt. Gasentladung, die nach Beendigung des externen Ionisators andauert, wird genannt unabhängig .

Die Spannung, bei der eine Selbstentladung auftritt, wird als bezeichnet Die Spannung unterbrechen .

Eine unabhängige Gasentladung wird durch Elektronen aufrechterhalten, die durch ein elektrisches Feld beschleunigt werden, sie haben eine kinetische Energie, die sich aufgrund des elektrischen Felds erhöht. Felder.

Selbstentladungstypen:

1) schwelend

2) Lichtbogen (Lichtbogen) - zum Metallschweißen.

3) Krone

4) Funke (Blitz)

Plasma. Plasmatypen.

Unter Plasma ein stark ionisiertes Gas verstehen, in dem die Elektronenkonzentration gleich der Konzentration von + Ionen ist.

Je höher die Gastemperatur, desto mehr Ionen und Elektronen im Plasma und desto weniger neutrale Atome.

Plasmatypen:

1) Teilweise ionisiertes Plasma

2) vollständig ionisiertes Plasma (alle Atome sind in Ionen und Elektronen zerfallen).

3) Hochtemperaturplasma (T>100000 K)

4) Niedertemperaturplasma (T<100000 К)

St-va-Plasma:

1) Plasma ist elektrisch neutral

2) Plasmateilchen bewegen sich leicht unter der Einwirkung des Feldes

3) Gute elektrische Leitfähigkeit haben

4) Haben Sie eine gute Wärmeleitfähigkeit

Praktischer Nutzen:

1) Umwandlung von thermischer Gasenergie in elektrische Energie mit Hilfe eines magnetohydrodynamischen Energiewandlers (MHD). Funktionsprinzip:

Ein Strahl aus Hochtemperaturplasma tritt in ein starkes Magnetfeld ein (das Feld ist senkrecht zur Zeichenebene X gerichtet), es wird in + und - Teilchen geteilt, die zu verschiedenen Platten eilen und eine Art Potentialdifferenz erzeugen.

2) Sie werden in Plasmatrons (Plasmageneratoren) verwendet, mit deren Hilfe sie Metalle schneiden und schweißen.

3) Alle Sterne, einschließlich der Sonne, Sternatmosphären und galaktischen Nebeln sind Plasma.

Unsere Erde ist von einer Plasmahülle umgeben - Ionosphäre, außerhalb davon gibt es Strahlungspole, die unsere Erde umgeben, in denen sich auch Plasma befindet.

Die Prozesse im erdnahen Plasma werden durch Magnetstürme, Polarlichter und auch im Weltraum durch Plasmawinde verursacht.

16. Elektrischer Strom in Halbleitern.

Halbleiter sind ve-va, bei denen der Widerstand mit zunehmendem t abnimmt.

Halbleiter besetzen 4 Untergruppen.

Beispiel: Silizium ist ein 4-wertiges Element - das bedeutet, dass in der äußeren Hülle eines Atoms 4 Elektronen schwach an den Kern gebunden sind, jedes Atom mit seinen Nachbarn 4 Bindungen eingeht, wenn Si erhitzt wird, die Wertigkeitsgeschwindigkeit e steigt und damit ihre kinematische Energie (E k), wird die Geschwindigkeit e so groß, dass die Bindungen nicht standhalten t brechen, e ihre Bahnen verlassen und frei werden, in el. das Feld bewegen sie m-y Knoten des Gitters und bilden el. aktuell. Mit zunehmendem t steigt die Anzahl der gebrochenen Bindungen und damit die Anzahl der verbundenen e, was zu einer Abnahme des Widerstands führt: I \u003d U / R.

Beim Bruch der Bindung entsteht eine Leerstelle mit dem fehlenden e, dessen Kristall nicht unverändert bleibt. Der folgende Prozess läuft kontinuierlich ab: eines der bindungsgebenden Atome springt an die Stelle des gebildeten Lochs und die dampfelektrische Bindung wird hier wiederhergestellt, und dort, wo es gesprungen ist, wird ein neues Loch gebildet. Somit kann sich das Loch durch den Kristall bewegen.

Fazit: in Halbleitern gibt es 2 Arten von Ladungsträgern: e und Löcher (Elektron-Loch-Leitfähigkeit)