آزمایشگاه شماره 2.5

"بررسی تخلیه گاز با استفاده از تیراترون"

هدف، واقعگرایانه: بررسی فرآیندهای رخ داده در گازها در هنگام تخلیه غیر خودپایدار و خودپایدار در گازها، مطالعه اصل عملکرد تیراترون، ساختن مشخصات جریان-ولتاژ و شروع تیراترون.

بخش نظری

یونیزاسیون گازها تخلیه گاز غیرخودپایدار و خودپایدار

اتم ها و مولکول های گازها در شرایط عادی روزمره از نظر الکتریکی خنثی هستند، یعنی. حاوی حامل های شارژ رایگان نیستند، به این معنی که مانند یک شکاف خلاء، نباید جریان الکتریکی را هدایت کنند. در واقع، گازها همیشه حاوی مقدار مشخصی الکترون آزاد، یون های مثبت و منفی هستند و بنابراین، اگرچه ضعیف هستند، اما رسانای الکتریسیته هستند. جاری.

حامل های بار آزاد در یک گاز معمولاً در نتیجه پرتاب الکترون ها از لایه الکترونی اتم های گاز تشکیل می شوند. در نتیجه یونیزاسیونگاز. یونیزاسیون گاز نتیجه تاثیر انرژی خارجی است: گرمایش، بمباران ذرات (الکترون ها، یون ها و غیره)، تابش الکترومغناطیسی (فرابنفش، اشعه ایکس، رادیواکتیو و غیره). در این حالت گازی که بین الکترودها قرار دارد جریان الکتریکی را هدایت می کند که به آن می گویند تخلیه گاز. قدرتعامل یونیزان ( یون ساز) تعداد جفت حامل های بار مخالف حاصل از یونیزاسیون در واحد حجم گاز در واحد زمان است. همراه با فرآیند یونیزاسیون، یک فرآیند معکوس نیز وجود دارد - نوترکیبی: برهمکنش ذرات با بار مخالف که در نتیجه آن اتم ها یا مولکول های خنثی الکتریکی ظاهر می شوند و امواج الکترومغناطیسی ساطع می شوند. اگر هدایت الکتریکی گاز مستلزم وجود یک یونیزه کننده خارجی باشد، چنین تخلیه ای نامیده می شود. وابسته. اگر میدان الکتریکی اعمال شده (EF) به اندازه کافی بزرگ باشد، تعداد حامل های بار آزاد که در نتیجه یونیزاسیون ضربه ناشی از میدان خارجی تشکیل شده اند برای حفظ تخلیه الکتریکی کافی است. چنین تخلیه ای نیازی به یونیزه کننده خارجی ندارد و نامیده می شود مستقل.

اجازه دهید مشخصه جریان-ولتاژ (CVC) تخلیه گاز در گاز واقع بین الکترودها را در نظر بگیریم (شکل 1).

با تخلیه گاز غیرخودپایدار در ناحیه میدان های الکتریکی ضعیف (I)، تعداد بارهای تشکیل شده در نتیجه یونیزاسیون برابر با تعداد بارهایی است که با یکدیگر ترکیب می شوند. به دلیل این تعادل دینامیکی، غلظت حامل های بار آزاد در گاز عملاً ثابت می ماند و در نتیجه، قانون اهم (1):

جایی که Eقدرت میدان الکتریکی است. n- تمرکز؛ jچگالی جریان است.

و ( ) به ترتیب تحرک حامل های بار مثبت و منفی هستند.<υ > سرعت رانش حرکت جهت دار بار است.

در ناحیه EC بالا (II)، اشباع جریان در گاز (I) مشاهده می شود، زیرا تمام حامل های ایجاد شده توسط یونیزر در رانش هدایت شده، در ایجاد جریان شرکت می کنند.

با افزایش بیشتر میدان (III)، حامل‌های بار (الکترون‌ها و یون‌ها) که با سرعتی شتاب‌دار حرکت می‌کنند، اتم‌های خنثی و مولکول‌های گاز را یونیزه می‌کنند. یونیزاسیون ضربه) منجر به تشکیل حامل های بار اضافی و تشکیل بهمن الکترونیکی(الکترون ها از یون ها سبک تر هستند و به طور قابل توجهی در EP شتاب می گیرند) - چگالی جریان افزایش می یابد ( تقویت گاز). هنگامی که یونیزر خارجی خاموش است، تخلیه گاز به دلیل فرآیندهای نوترکیب متوقف می شود.

در نتیجه این فرآیندها، جریان های الکترون، یون و فوتون تشکیل می شود، تعداد ذرات مانند بهمن رشد می کند، افزایش شدید جریان بدون تقویت میدان الکتریکی بین الکترودها عملاً وجود دارد. ناشی می شود تخلیه مستقل گاز. انتقال از یک تخلیه گاز ناسازگار به یک تخلیه مستقل نامیده می شود پست الکترونیک درهم شکستنو ولتاژ بین الکترودها ، جایی که د- فاصله بین الکترودها نامیده می شود ولتاژ شکست.

برای ایمیل با شکست، لازم است که الکترون ها در طول مسیر خود، زمان برای به دست آوردن انرژی جنبشی بیش از پتانسیل یونیزاسیون مولکول های گاز داشته باشند و از طرف دیگر، یون های مثبت در طول مسیر خود، زمان کسب انرژی جنبشی بیشتر از عملکرد کار مواد کاتد از آنجایی که میانگین مسیر آزاد به پیکربندی الکترودها، فاصله بین آنها d و تعداد ذرات در واحد حجم (و در نتیجه، به فشار) بستگی دارد، می توان اشتعال یک تخلیه خودپایه را با تغییر دادن کنترل کرد. فاصله بین الکترودها دبا پیکربندی بدون تغییر آنها و تغییر فشار پ. اگر کار Pdمعلوم می شود که یکسان است، چیزهای دیگر برابر هستند، پس ماهیت شکست مشاهده شده باید یکسان باشد. این نتیجه گیری در آزمایش منعکس شد قانون e (1889) آلمانی. فیزیک اف پاشن(1865–1947):

ولتاژ احتراق تخلیه گاز برای مقدار معینی از حاصلضرب فشار گاز و فاصله بین الکترودهای Pd یک مقدار ثابت مشخصه یک گاز معین است. .

انواع مختلفی از خود تخلیه وجود دارد.

ترشح درخشاندر فشارهای پایین رخ می دهد. اگر یک ولتاژ ثابت چند صد ولتی به الکترودهای لحیم شده در یک لوله شیشه ای به طول 30-50 سانتی متر اعمال شود و به تدریج هوا را از لوله خارج کند، سپس در فشار 5.3-6.7 کیلو پاسکال، تخلیه به شکل نوری رخ می دهد. طناب قرمز مایل به پیچ در پیچ از کاتد به آند می آید. با کاهش بیشتر فشار، رشته ضخیم می شود و در فشار 13 پاسکال، تخلیه به شکل شماتیک در شکل نشان داده شده است. 2.

یک لایه نورانی نازک مستقیماً به کاتد 1 متصل می شود - فیلم کاتدی و به دنبال آن 2 - فضای تاریک کاتدی ، عبور بیشتر به لایه نورانی 3 - درخشش دود کننده ، که دارای مرز تیز در سمت کاتد است، به تدریج در سمت آند ناپدید می شود. لایه های 1-3 قسمت کاتدی تخلیه درخشان را تشکیل می دهند. درخشش دود را دنبال می کند فضای تاریک فارادی 4. بقیه لوله با گاز درخشان پر شده است - پست مثبت - 5.

پتانسیل به طور ناهموار در طول لوله تغییر می کند (شکل 2 را ببینید). تقریباً کل افت ولتاژ در اولین بخش‌های تخلیه از جمله فضای تاریک کاتد رخ می‌دهد.

فرآیندهای اصلی لازم برای حفظ تخلیه در قسمت کاتدی آن رخ می دهد:

1) یون های مثبت که با افت پتانسیل کاتدی شتاب می گیرند، کاتد را بمباران می کنند و الکترون ها را از آن خارج می کنند.

2) الکترون ها در قسمت کاتد شتاب می گیرند و انرژی کافی به دست می آورند و مولکول های گاز را یونیزه می کنند. بسیاری از الکترون ها و یون های مثبت تشکیل می شوند. در منطقه دود، نوترکیب شدید الکترون ها و یون ها اتفاق می افتد، انرژی آزاد می شود که بخشی از آن به یونیزاسیون اضافی می رود. الکترون هایی که به فضای تاریک فارادی نفوذ کرده اند به تدریج انرژی جمع می کنند، به طوری که شرایط لازم برای وجود پلاسما ایجاد می شود (درجه بالایی از یونیزاسیون گاز). ستون مثبت یک پلاسمای تخلیه گاز است. به عنوان رسانایی عمل می کند که آند را به قطعات کاتد متصل می کند. درخشش ستون مثبت عمدتاً به دلیل انتقال مولکول های برانگیخته به حالت پایه ایجاد می شود. مولکول های گازهای مختلف در طول چنین انتقال تابشی با طول موج های مختلف ساطع می کنند. بنابراین، درخشش ستون دارای یک مشخصه رنگی برای هر گاز است. این برای ساخت لوله های نورانی استفاده می شود. لوله های نئون درخشش قرمز می دهند، لوله های آرگون رنگ سبز مایل به آبی می دهند.

تخلیه قوسدر فشارهای معمولی و بالا مشاهده می شود. در این حالت جریان به ده ها و صدها آمپر می رسد و ولتاژ دو طرف شکاف گاز به چند ده ولت کاهش می یابد. اگر الکترودها ابتدا تا زمانی که با هم تماس داشته باشند، چنین تخلیه ای را می توان از یک منبع ولتاژ پایین به دست آورد. در نقطه تماس، الکترودها در اثر گرمای ژول به شدت گرم می شوند و پس از جدا شدن از یکدیگر، کاتد به دلیل گسیل ترمیونی به منبع الکترون تبدیل می شود. فرآیندهای اصلی پشتیبانی کننده تخلیه عبارتند از انتشار ترمیونی از کاتد و یونیزاسیون حرارتی مولکول ها به دلیل دمای بالای گاز در شکاف بین الکترود. تقریباً کل فضای بین الکترودها با پلاسمای با دمای بالا پر شده است. به عنوان رسانایی عمل می کند که از طریق آن الکترون های ساطع شده توسط کاتد به آند می رسند. دمای پلاسما ~6000 کلوین است. دمای بالای کاتد با بمباران آن با یون های مثبت حفظ می شود. به نوبه خود، آند تحت تأثیر الکترون های سریعی که از شکاف گاز روی آن وارد می شود، با شدت بیشتری گرم می شود و حتی می تواند ذوب شود و شکافی روی سطح آن ایجاد می شود - یک دهانه - درخشان ترین مکان قوس. قوس الکتریکیاولین بار در سال 1802 دریافت شد. فیزیکدان روسی V. Petrov (1761-1834) که از دو قطعه زغال سنگ به عنوان الکترود استفاده کرد. الکترودهای کربن داغ درخشش خیره کننده ای دادند و بین آنها ستونی از گاز درخشان ظاهر شد - قوس الکتریکی. تخلیه قوس به عنوان منبع نور روشن در نورافکن پروژکتورها و همچنین برای برش و جوشکاری فلزات استفاده می شود. یک تخلیه قوس با کاتد سرد وجود دارد. الکترون ها به دلیل انتشار میدان از کاتد ظاهر می شوند، دمای گاز کم است. یونیزه شدن مولکول ها در اثر برخورد الکترون اتفاق می افتد. یک پلاسمای تخلیه گاز بین کاتد و آند ظاهر می شود.

تخلیه جرقهبین دو الکترود با شدت میدان الکتریکی بالا بین آنها رخ می دهد . جرقه ای بین الکترودها می پرد و شکل یک کانال درخشان دارد و هر دو الکترود را به هم متصل می کند. گاز نزدیک جرقه تا دمای بالا گرم می شود، اختلاف فشار رخ می دهد، که منجر به ظهور امواج صوتی، یک ترک مشخصه می شود.

ظهور یک جرقه با تشکیل بهمن های الکترونی در گاز انجام می شود. جد هر بهمن الکترونی است که در یک میدان الکتریکی قوی شتاب می گیرد و یونیزاسیون مولکول ها را تولید می کند. الکترون های حاصل به نوبه خود شتاب می گیرند و یونیزاسیون بعدی را ایجاد می کنند، افزایش بهمنی در تعداد الکترون ها رخ می دهد - بهمن

یون های مثبت حاصل نقش مهمی ایفا نمی کنند، زیرا آنها بی حرکت هستند بهمن های الکترونی قطع می شوند و یک کانال رسانا را تشکیل می دهند استریمر، که در طول آن الکترون ها از کاتد به آند می روند - وجود دارد درهم شکستن.

رعد و برق نمونه ای از تخلیه جرقه قوی است. قسمت های مختلف یک ابر رعد و برق دارای بارهایی از علائم مختلف هستند ("-" رو به زمین است). بنابراین، اگر ابرها با قطعات دارای بار مخالف به یکدیگر نزدیک شوند، یک شکست جرقه بین آنها رخ می دهد. اختلاف پتانسیل بین ابر باردار و زمین ~108 ولت است.

تخلیه جرقه برای شروع انفجار و فرآیندهای احتراق (شمع در موتورهای احتراق داخلی)، ثبت ذرات باردار در شمارنده های جرقه، تصفیه سطوح فلزی و غیره استفاده می شود.

ترشحات کرونا (کرونری).بین الکترودهایی که انحنای متفاوتی دارند (یکی از الکترودها یک سیم نازک یا یک نقطه است) رخ می دهد. در تخلیه تاج، یونیزاسیون و برانگیختگی مولکول ها نه در کل فضای بین الکترود، بلکه در نزدیکی نوک آن رخ می دهد، جایی که شدت آن زیاد و بیشتر است. Eدرهم شکستن. در این قسمت گاز می درخشد، درخشش به شکل یک تاج در اطراف الکترود است.

پلاسما و خواص آن

پلاسماگازی به شدت یونیزه نامیده می شود که در آن غلظت بارهای مثبت و منفی تقریباً یکسان است. تمیز دادن پلاسما با دمای بالا ، که در دماهای فوق العاده بالا رخ می دهد و پلاسمای تخلیه گاز ناشی از تخلیه گاز

پلاسما دارای خواص زیر است:

درجه بالایی از یونیزاسیون، در حد - یونیزاسیون کامل (همه الکترون ها از هسته ها جدا می شوند).

غلظت ذرات مثبت و منفی در پلاسما عملاً یکسان است.

هدایت الکتریکی بالا؛

درخشش؛

تعامل قوی با میدان های الکتریکی و مغناطیسی؛

نوسانات الکترون های پلاسما با فرکانس بالا (> 10 8 هرتز) که باعث ارتعاش کلی پلاسما می شود.

برهمکنش همزمان تعداد زیادی ذره.

تخلیه گاز غیر خود نگهدار به چنین تخلیه ای گفته می شود که در حضور میدان الکتریکی ایجاد می شود و فقط تحت تأثیر یک یونیزه کننده خارجی می تواند وجود داشته باشد.

اجازه دهید فرآیندهای فیزیکی را که در تخلیه گاز غیرخودپایدار اتفاق می‌افتد را در نظر بگیریم. اجازه دهید تعدادی نماد را معرفی کنیم: با تعداد مولکول های گاز در حجم مورد مطالعه مشخص کنید V. غلظت مولکول ها برخی از مولکول ها یونیزه می شوند. اجازه دهید تعداد یون های همان علامت را نشان دهیم ن; غلظت آنها بعد، با ∆ نشان داده شود n من- تعداد جفت یونهایی که در اثر یونیزه کننده در یک ثانیه در واحد حجم گاز بوجود می آیند.

همراه با فرآیند یونیزاسیون در گاز، ترکیب مجدد یون ها اتفاق می افتد. احتمال ملاقات دو یون با علائم مختلف متناسب با تعداد یون های مثبت و منفی است و این اعداد نیز به نوبه خود برابر هستند. n. بنابراین، تعداد جفت یون‌هایی که در هر ثانیه در واحد حجم دوباره ترکیب می‌شوند، متناسب است n 2:

از این رو، برای غلظت تعادلی یون ها (تعداد جفت یون ها در واحد حجم)، عبارت زیر به دست می آید:

.

(8.2.3)

طرح آزمایش با لوله تخلیه گاز در شکل 8.1 نشان داده شده است.

اجازه دهید عمل میدان الکتریکی را بر روی فرآیندهای گازهای یونیزه بیشتر تحلیل کنیم. یک ولتاژ ثابت به الکترودها اعمال کنید. یون های مثبت به سمت الکترود منفی و بارهای منفی به سمت الکترود مثبت هدایت می شوند. بنابراین، بخشی از حامل ها از شکاف تخلیه گاز به الکترودها می روند (جریان الکتریکی در مدار ظاهر می شود). بگذارید حجم واحد هر ثانیه کاهش یابد ∆njجفت یون حال شرایط تعادل را می توان به صورت نمایش داد

(8.2.4)

1. مورد را در نظر بگیرید میدان ضعیف: مدار جاری خواهد شد جریان ضعیف. چگالی جریان از نظر مقدار با غلظت حامل متناسب است n، شارژ q، توسط هر حامل و سرعت حرکت جهت دار یون های مثبت و منفی و:

.

(8.2.5)

سرعت حرکت جهت دار یون ها از طریق بیان می شود تحرکو تنشمیدان الکتریکی:

در یک میدان ضعیف ()، غلظت تعادل برابر است با:.

این عبارت را در (8.2.7) جایگزین کنید:

(8.2.8)

در آخرین عبارت، ضریب at به شدت بستگی ندارد. اگر آن را با σ نشان دهیم، دریافت می کنیم قانون اهم به شکل دیفرانسیل :

(8.2.9)

جایی که - هدایت الکتریکی خاص

نتیجه : در مورد میدان های الکتریکی ضعیف، جریان با تخلیه غیر خودپایدار از قانون اهم پیروی می کند.

2. در نظر بگیرید میدان قوی . در این حالت، یعنی تمام یون های تولید شده، شکاف تخلیه گاز را تحت تأثیر میدان الکتریکی ترک می کنند. این با این واقعیت توضیح داده می شود که در طول مدت زمانی که طول می کشد تا یک یون در یک میدان قوی از یک الکترود به الکترود دیگر پرواز کند، یون ها زمان لازم برای ترکیب مجدد قابل توجهی ندارند. بنابراین تمام یون های تولید شده توسط یونیزر در ایجاد جریان شرکت کرده و به سمت الکترودها می روند. و از آنجایی که تعداد یون های تولید شده توسط یونیزر در واحد زمان ∆n i، به شدت میدان بستگی ندارد، سپس چگالی جریان تنها با مقدار تعیین می شود ∆n iو به . به عبارت دیگر، با افزایش بیشتر ولتاژ اعمالی، افزایش جریان متوقف می شود و ثابت باقی می ماند.

حداکثر مقدار جریانی که در آن تمام یون های تشکیل شده به سمت الکترودها می روند، جریان اشباع نامیده می شود.

افزایش بیشتر در قدرت میدان منجر به شکل گیری می شود بهمن هاالکترون‌ها، زمانی که الکترون‌هایی که تحت تأثیر یونیزه‌کننده به وجود آمده‌اند، انرژی را در مسیر آزاد متوسط ​​(از برخورد به برخورد) به دست می‌آورند که برای یونیزه کردن مولکول‌های گاز کافی است (یونیزاسیون ضربه). الکترون های ثانویه که در این مورد به وجود آمده اند، با شتاب گرفتن، به نوبه خود، یونیزاسیون و غیره ایجاد می کنند - رخ می دهد. ضرب بهمن مانند یون ها و الکترون های اولیهایجاد شده توسط یونیزر خارجی و تقویت جریان تخلیه.

شکل 8.2 روند تشکیل بهمن را نشان می دهد.

نتایج به‌دست‌آمده را می‌توان به صورت گرافیکی (شکل 8.3) در قالب یک مشخصه جریان-ولتاژ تخلیه گاز غیرخودپایدار نشان داد.

نتیجه : برای تخلیه غیر خودپایدار در چگالی جریان کم، به عنوان مثال. هنگامی که نقش اصلی در ناپدید شدن بارها از شکاف تخلیه گاز توسط فرآیند نوترکیب ایفا می شود، قانون اهم رخ می دهد.( ); برای زمین های بزرگ()قانون اهم برآورده نمی شود - اشباع رخ می دهد و با بیش از حد میدان ها - بهمن بارها رخ می دهد که باعث افزایش قابل توجهی در چگالی جریان می شود..

برخلاف محلول های الکترولیت، گاز در شرایط عادی از مولکول های خنثی (یا اتم ها) تشکیل شده و بنابراین یک عایق است. یک گاز تنها زمانی تبدیل به رسانای جریان الکتریکی می شود که حداقل برخی از مولکول های آن تحت تأثیر یک تأثیر خارجی (یونیزه کننده) یونیزه شوند (به یون تبدیل شوند). در حین یونیزاسیون معمولاً یک الکترون از یک مولکول گاز خارج می شود که در نتیجه مولکول به یون مثبت تبدیل می شود. الکترون پرتاب شده یا برای مدتی آزاد می ماند، یا بلافاصله به یکی از مولکول های گاز خنثی می چسبد ("می چسبد") و آن را به یون منفی تبدیل می کند. بنابراین در یک گاز یونیزه یون های مثبت و منفی و الکترون های آزاد وجود دارد.

به منظور حذف یک الکترون از یک مولکول (اتم)، یونیزه کننده باید کار خاصی را انجام دهد که به آن کار یونیزاسیون می گویند. برای بیشتر گازها، مقادیری از 5 تا 25 eV دارد. پرتوهای ایکس (نگاه کنید به § 125)، تشعشعات رادیواکتیو (نگاه کنید به § 139)، پرتوهای کیهانی (نگاه کنید به § 145)، گرمایش شدید، پرتوهای فرابنفش (نگاه کنید به § 120) و برخی عوامل دیگر می‌توانند به عنوان یونیزه کننده گاز عمل کنند.

همراه با یونیزاسیون در گاز، فرآیند نوترکیب یون نیز وجود دارد. در نتیجه، یک حالت تعادل برقرار می شود که با غلظت خاصی از یون ها مشخص می شود که مقدار آن به قدرت یونیزه کننده بستگی دارد.

در حضور یک میدان الکتریکی خارجی در یک گاز یونیزه شده، به دلیل حرکت یون های مخالف در جهت متقابل و حرکت الکترون ها، جریانی ایجاد می شود.

به دلیل ویسکوزیته پایین گاز، تحرک یون های گاز هزاران برابر بیشتر از یون های الکترولیت است و تقریباً

هنگامی که عملکرد یونیزر متوقف می شود، غلظت یون ها در گاز به سرعت به صفر می رسد (به دلیل ترکیب مجدد و حذف یون ها به الکترودهای منبع جریان) و جریان متوقف می شود. جریانی که وجود آن نیاز به یونیزر خارجی دارد، تخلیه گاز غیرخودپایدار نامیده می شود.

با یک میدان الکتریکی به اندازه کافی قوی در گاز، فرآیندهای خود یونیزاسیون شروع می شود، به همین دلیل جریان می تواند حتی در غیاب یونیزه کننده خارجی وجود داشته باشد. به این نوع جریان، تخلیه گاز مستقل می گویند.

فرآیندهای خودیونیزاسیون به طور کلی به شرح زیر است. در شرایط طبیعی، یک گاز همیشه حاوی مقدار کمی الکترون آزاد و یون های ایجاد شده توسط یونیزه کننده های طبیعی مانند پرتوهای کیهانی و تشعشعات مواد رادیواکتیو موجود در جو، خاک و آب است. یک میدان الکتریکی به اندازه کافی قوی می تواند این ذرات را به سرعتی شتاب دهد که در آن انرژی جنبشی آنها از کار یونیزاسیون فراتر رود. سپس الکترون ها و یون ها با برخورد (در مسیر الکترودها) با مولکول های خنثی، آنها را یونیزه می کنند. الکترون‌ها و یون‌های جدید (ثانویه) که در هنگام برخورد تشکیل می‌شوند نیز توسط میدان شتاب می‌گیرند و به نوبه خود مولکول‌های خنثی جدید و غیره را یونیزه می‌کنند.

الکترون‌های آزاد از قبل با شدت میدان در حد قدر باعث یونیزه شدن ضربه می‌شوند. در مورد یون‌ها، آنها می‌توانند فقط با شدت میدانی از مرتبه بزرگی باعث یونیزاسیون ضربه شوند. این تفاوت به دلایل مختلفی است، به ویژه این واقعیت است که برای الکترون ها میانگین مسیر آزاد در گاز بسیار طولانی تر از یون ها است. بنابراین، الکترون ها انرژی جنبشی لازم برای یونیزاسیون ضربه را در قدرت میدان کمتر از یون ها به دست می آورند. با این حال، حتی در میدان‌هایی که خیلی قوی نیستند، یون‌های مثبت نقش بسیار مهمی در خودیونیزاسیون گاز دارند. واقعیت این است که انرژی این یون ها برای حذف الکترون ها از فلز کافی است. بنابراین، یون‌های مثبت شتاب‌گرفته شده توسط میدان، با برخورد به کاتد فلزی منبع میدان، الکترون‌ها را از آن خارج می‌کنند که به نوبه خود توسط میدان شتاب می‌گیرند و یونیزاسیون ضربه‌ای مولکول‌های خنثی ایجاد می‌کنند.

یون‌ها و الکترون‌هایی که انرژی آنها برای یونیزاسیون ضربه کافی نیست، با این وجود، در برخورد با مولکول‌ها، می‌توانند آنها را به حالت برانگیخته سوق دهند، یعنی باعث ایجاد برخی تغییرات انرژی در لایه‌های الکترونی خود شوند. سپس مولکول (یا اتم) برانگیخته شده به حالت عادی می رود، در حالی که بخشی از انرژی الکترومغناطیسی را ساطع می کند - یک فوتون (فرایندهای)

برانگیختگی اتم ها و گسیل و جذب فوتون توسط آنها در بند 132-136 در نظر گرفته خواهد شد. گسیل فوتون ها در درخشش گاز آشکار می شود. علاوه بر این، فوتون جذب شده توسط هر یک از مولکول های گاز می تواند آن را یونیزه کند. این نوع یونیزاسیون فوتونیک نامیده می شود. در نهایت، برخورد فوتون به کاتد می‌تواند یک الکترون را از آن خارج کند (اثر فوتوالکتریک خارجی)، که سپس باعث یونیزاسیون ضربه مولکول خنثی می‌شود.

در نتیجه ضربه و یونیزاسیون فوتون و خروج الکترون ها از کاتد توسط یون ها و فوتون های مثبت، تعداد یون ها و الکترون ها در کل حجم گاز به شدت افزایش می یابد (بهمن مانند). برای وجود جریان در گاز دیگر نیازی به یونیزر خارجی نیست. تخلیه گاز مستقل می شود. فرآیند توصیف شده خود یونیزاسیون گاز به صورت شماتیک در شکل نشان داده شده است. 208، که در آن مولکول‌های خنثی به صورت دایره‌های سفید، یون‌های مثبت به صورت دایره‌هایی با علامت مثبت، الکترون‌ها به صورت دایره‌های سیاه و فوتون‌ها به‌عنوان خطوط موج‌دار به تصویر کشیده می‌شوند.

روی انجیر 209 یک نمودار تجربی از وابستگی جریان در گاز به شدت میدان یا ولتاژ بین کاتد و آند منبع میدان است، زیرا

فاصله بین الکترودها کجاست در مقطع منحنی، جریان تقریباً متناسب با شدت میدان طبق قانون اهم افزایش می یابد. این با این واقعیت توضیح داده می شود که با افزایش کشش، سرعت حرکت منظم یون ها و الکترون ها افزایش می یابد و در نتیجه مقدار الکتریسیته عبوری به الکترودها (جریان) در 1 ثانیه افزایش می یابد. بدیهی است که افزایش جریان زمانی متوقف می شود که شدت میدان به مقداری برسد که در آن تمام یون ها و الکترون های ایجاد شده توسط یونیزر خارجی در 1 ثانیه به طور همزمان به الکترودها نزدیک شوند.

گازها در دماهای نه چندان بالا و در فشارهای نزدیک به اتمسفر عایق های خوبی هستند. این با این واقعیت توضیح داده می شود که گازها در شرایط عادی از اتم ها و مولکول های خنثی تشکیل شده اند و حاوی بارهای آزاد (الکترون ها و یون ها) نیستند. یک گاز زمانی که برخی از مولکول های آن به رسانای الکتریسیته تبدیل می شود یونیزه شده،برای انجام این کار، گاز باید تحت تأثیر نوعی یونیزه کننده قرار گیرد (مثلاً با استفاده از شعله شمع، تابش اشعه ماوراء بنفش و اشعه ایکس، g-quanta، جریان الکترون ها، پروتون ها، ذرات a و غیره). . انرژی یونیزاسیون اتم های گازهای مختلف در محدوده 4 تا 25 eV قرار دارد. در یک گاز یونیزه شده، ذرات باردار ظاهر می شوند که می توانند تحت تأثیر میدان الکتریکی حرکت کنند - یون های مثبت و منفی و الکترون های آزاد.

عبور جریان الکتریکی از گازها را می گویند تخلیه گاز.

همزمان با فرآیند یونیزاسیونگاز همیشه در جریان است و روند معکوس - فرآیند نوترکیبی: یون‌های مثبت و منفی، یون‌ها و الکترون‌های مثبت، با یکدیگر ترکیب می‌شوند و اتم‌ها و مولکول‌های خنثی را تشکیل می‌دهند. تعادل سرعت آنها غلظت ذرات باردار در گاز را تعیین می کند. فرآیندهای نوترکیب یونی و همچنین تحریک یون هایی که منجر به یونیزاسیون نمی شوند، منجر به درخششگازی که رنگ آن توسط خواص گاز تعیین می شود.

ماهیت تخلیه گاز با ترکیب گاز، دما و فشار آن، ابعاد، پیکربندی و مواد الکترودها، ولتاژ اعمال شده، چگالی جریان و غیره تعیین می شود.

اجازه دهید مداری را در نظر بگیریم که حاوی یک شکاف گاز است که تحت تأثیر مداوم و با شدت ثابت یک یونیزر خارجی قرار دارد.

در نتیجه یونیزاسیون گاز، جریانی در مدار جریان می یابد که وابستگی آن به ولتاژ اعمال شده در شکل 1 آورده شده است.

روی منحنی OAجریان به نسبت ولتاژ افزایش می یابد، یعنی قانون اهم برآورده می شود. با افزایش بیشتر ولتاژ، قانون اهم نقض می شود: افزایش قدرت جریان کاهش می یابد (بخش AB)و در نهایت به طور کامل متوقف می شود (بخش در مقابل).آن ها ما یک جریان اشباع را بدست می آوریم که مقدار آن با قدرت یونیزر تعیین می شود.این زمانی حاصل می شود که تمام یون ها و الکترون های ایجاد شده توسط یونیزر خارجی در واحد زمان در یک زمان به الکترودها برسند. اگر در حالت است سیستم عاملعمل یونیزر را متوقف کنید، سپس تخلیه نیز متوقف می شود. تخلیه هایی که فقط تحت اثر یونیزه کننده های خارجی وجود دارند نامیده می شوند وابسته. با افزایش بیشتر ولتاژ بین الکترودها، قدرت جریان در ابتدا به آرامی (بخش سی دی)،و سپس به شدت (بخش DE)افزایش می یابد و ترشحات می شود مستقل. تخلیه در گاز که پس از پایان کار یونیزه کننده خارجی باقی می ماند نامیده می شود مستقل.

مکانیسم وقوع خود تخلیه به شرح زیر است. در ولتاژهای بالا، الکترون هایی که تحت تأثیر یک یونیزه کننده خارجی به وجود می آیند، به شدت توسط یک میدان الکتریکی شتاب می گیرند و با مولکول های گاز برخورد می کنند، آنها را یونیزه می کنند و در نتیجه الکترون های ثانویه و یون های مثبت تشکیل می شوند. یون های مثبت به سمت کاتد و الکترون ها به سمت آند حرکت می کنند. الکترون‌های ثانویه دوباره مولکول‌های گاز را یونیزه می‌کنند و در نتیجه با حرکت الکترون‌ها به سمت آند مانند بهمن، تعداد کل الکترون‌ها و یون‌ها افزایش می‌یابد. این دلیل افزایش جریان الکتریکی در منطقه است سی دی. فرآیند توصیف شده نامیده می شود یونیزاسیون ضربه. یونیزاسیون ضربه توسط الکترون ها به تنهایی برای حفظ دشارژ زمانی که یونیزر خارجی حذف می شود کافی نیست. برای حفظ تخلیه، لازم است که بهمن های الکترونی "تکثیر شوند"، یعنی الکترون های جدید تحت تأثیر برخی فرآیندها در گاز ایجاد شوند. این در ولتاژهای قابل توجهی بین الکترودهای شکاف گاز رخ می دهد، زمانی که بهمن های یون های مثبت به سمت کاتد هجوم می آورند و الکترون ها را از آن خارج می کنند. در این لحظه که علاوه بر بهمن های الکترونی، بهمن های یونی نیز وجود دارد، جریان تقریباً بدون افزایش ولتاژ افزایش می یابد (بخش DEدر شکل)، یعنی. یک ترشح مستقل رخ می دهد. ولتاژی که در آن خود تخلیه رخ می دهد نامیده می شود ولتاژ شکست.

لازم به ذکر است که هنگام تخلیه در گازها حالت خاصی از ماده به نام پلاسما ایجاد می شود. پلاسماگاز بسیار یونیزه به گازی گفته می شود که در آن چگالی بارهای مثبت و منفی تقریباً یکسان است. بین پلاسمای با دمای بالا که در دماهای بسیار بالا اتفاق می افتد و پلاسمای تخلیه گاز که در حین تخلیه گاز رخ می دهد، تمایز قائل می شوند. پلاسما با درجه یونیزاسیون a - نسبت تعداد ذرات یونیزه شده به تعداد کل آنها در واحد حجم پلاسما مشخص می شود. بسته به مقدار a، از پلاسمای یونیزه ضعیف (a کسری از درصد)، متوسط ​​(چند درصد) و کاملاً (نزدیک به 100٪) صحبت می شود.

چهار نوع خود تخلیه وجود دارد: درخشش، جرقه، قوس و تاج.

1. ترشحات درخشاندر فشارهای پایین رخ می دهد. اگر یک ولتاژ ثابت چند صد ولتی به الکترودهای لحیم شده در یک لوله شیشه ای به طول 30 تا 50 سانتی متر اعمال شود و به تدریج هوا را از لوله خارج کند، سپس در فشار ~ 5.3 - 6.7 کیلو پاسکال (چند میلی متر جیوه) تخلیه رخ می دهد. به شکل یک بند سیم پیچ نورانی مایل به قرمز که از کاتد به آند می رود. با کاهش بیشتر فشار (~13 Pa)، تخلیه ساختار زیر را دارد.

به طور مستقیم در مجاورت کاتد یک لایه نازک تیره قرار دارد 1 - فضای تاریک استونو به دنبال آن یک لایه درخشان نازک 2 - اولین درخشش کاتد یا فیلم کاتدیو به دنبال آن یک لایه تیره 3 - کاتد (کروک) فضای تاریک، که بعداً به لایه نورانی 4 می رود - درخشش دود کننده، که دارای مرز تیز در سمت کاتد است، به تدریج در سمت آند ناپدید می شود. از ترکیب مجدد الکترون ها با یون های مثبت به وجود می آید. یک شکاف تاریک با درخشش دود می‌آید 5- فضای تاریک فارادیو به دنبال آن ستونی از گاز درخشان یونیزه شده 6 - پست مثبت. ستون مثبت نقش مهمی در حفظ دبی ندارد. ولتاژ اعمال شده به طور نابرابر در طول تخلیه توزیع می شود. تقریباً تمام افت پتانسیل در سه لایه اول رخ می دهد و نامیده می شود افت پتانسیل کاتدی.

مکانیسم تشکیل لایه به شرح زیر است. یون‌های مثبت نزدیک کاتد، که با افت پتانسیل کاتدی شتاب می‌گیرند، کاتد را بمباران می‌کنند و الکترون‌ها را از آن خارج می‌کنند. در فضای تاریک استون، الکترون‌ها شتاب می‌گیرند و مولکول‌ها را تحریک می‌کنند، که شروع به ساطع نور می‌کنند و یک لایه کاتد 2 را تشکیل می‌دهند. بارهای مثبت و منفی زیادی وجود دارد. در این حالت از شدت درخشش کاسته می شود. این ناحیه فضای تاریک کاتد (کروکس) 3 است. الکترون هایی که در فضای تاریک کاتد به وجود آمده اند به ناحیه 4 درخشش درخشان نفوذ می کنند که به دلیل ترکیب مجدد آنها با یون های مثبت است. علاوه بر این، الکترون‌ها و یون‌های باقی‌مانده (که تعداد کمی از آنها وجود دارد) با انتشار به منطقه 5 - فضای تاریک فارادی - نفوذ می‌کنند. تاریک به نظر می رسد زیرا غلظت بارهای نوترکیب کم است. در ناحیه 5 میدان الکتریکی وجود دارد که الکترون ها را شتاب می دهد و در ناحیه ستون مثبت 6 یونیزاسیون ایجاد می کند و در نتیجه پلاسما تشکیل می شود. درخشش ستون مثبت عمدتاً به دلیل انتقال مولکول های برانگیخته به حالت پایه است. برای هر گاز یک رنگ مشخص دارد. در یک تخلیه درخشان، تنها سه قسمت آن برای نگهداری آن از اهمیت ویژه ای برخوردار است - تا درخشش درخشش. در فضای تاریک کاتد، شتاب شدید الکترون‌ها و یون‌های مثبت وجود دارد که الکترون‌ها را از کاتد خارج می‌کند (گسیل ثانویه). با این حال، در منطقه دود، یونیزاسیون ضربه ای مولکول های گاز توسط الکترون ها اتفاق می افتد. یون‌های مثبتی که در طی یونیزاسیون ضربه‌ای تشکیل می‌شوند به سمت کاتد می‌روند و الکترون‌های جدیدی را از آن خارج می‌کنند که به نوبه‌ی خود دوباره گاز را یونیزه می‌کنند و غیره. به این ترتیب، یک تخلیه درخشان به طور مداوم حفظ می‌شود.

کاربرد در تکنولوژی درخشش ستون مثبت که دارای یک مشخصه رنگی برای هر گاز است، در لوله های تخلیه برای ایجاد تبلیغات (لوله های تخلیه نئون درخشش قرمز، لوله های آرگون - سبز مایل به آبی) و در لامپ های فلورسنت استفاده می شود.

2. تخلیه جرقهدر شدت میدان الکتریکی بالا (~ 3 10 b V/m) در یک گاز تحت فشار اتمسفر ایجاد می شود. توضیح تخلیه جرقه بر اساس داده شده است استریمرنظریه، که بر اساس آن ظاهر یک کانال جرقه درخشان با ظهور تجمعات کم نور از گاز یونیزه شده است - استریمرها. استریمرها هم در نتیجه تشکیل بهمن های الکترونی از طریق یونیزاسیون ضربه و هم در نتیجه یونیزاسیون فوتون یک گاز به وجود می آیند. بهمن‌ها که یکدیگر را تعقیب می‌کنند، پل‌های رسانایی از جریان‌ها را تشکیل می‌دهند که در لحظات بعدی، جریان‌های قدرتمند الکترون‌ها در امتداد آن‌ها هجوم می‌آورند و کانال‌های تخلیه جرقه را تشکیل می‌دهند. به دلیل آزاد شدن مقدار زیادی انرژی در طی فرآیندهای در نظر گرفته شده، گاز موجود در شکاف جرقه تا دمای بسیار بالایی (حدود 10 درجه سانتیگراد) گرم می شود که منجر به درخشش آن می شود. گرم شدن سریع گاز منجر به افزایش فشار و ظهور امواج ضربه ای می شود که اثرات صوتی در هنگام تخلیه جرقه را توضیح می دهد. به عنوان مثال، ترقه در ترشحات ضعیف و رعد و برق قوی در مورد رعد و برق.

کاربرد در تکنولوژی برای احتراق مخلوط قابل احتراق در موتورهای احتراق داخلی و محافظت از خطوط انتقال الکتریکی در برابر نوسانات (شکاف جرقه).

3. تخلیه قوس. اگر پس از احتراق یک تخلیه جرقه از یک منبع قدرتمند، فاصله بین الکترودها به تدریج کاهش یابد، تخلیه مداوم می شود، یعنی. تخلیه قوس رخ می دهد. در این حالت، جریان به شدت افزایش می یابد و به صدها آمپر می رسد و ولتاژ در سراسر شکاف تخلیه به چند ده ولت کاهش می یابد. تخلیه قوس را می توان از یک منبع ولتاژ پایین، دور زدن مرحله جرقه به دست آورد. برای انجام این کار، الکترودها (مثلاً کربن) را به هم نزدیک می کنند تا با هم برخورد کنند، با جریان الکتریکی بسیار داغ می شوند، سپس از هم جدا می شوند و قوس الکتریکی به دست می آید. در فشار اتمسفر، تخلیه قوس دارای دمای ~ 3500 درجه سانتیگراد است. با سوختن قوس، فرورفتگی روی آند ایجاد می شود - دهانه ای که داغ ترین مکان در قوس است. تخلیه قوس به دلیل انتشار شدید ترمیونی از کاتد و همچنین یونیزاسیون حرارتی مولکول ها به دلیل دمای بالای گاز حفظ می شود.

کاربرد - برای جوشکاری و برش فلزات، به دست آوردن فولادهای با کیفیت بالا (کوره قوس الکتریکی) و روشنایی (لامپ ها، تجهیزات طرح ریزی).

4. ترشحات کرونا- تخلیه الکتریکی ولتاژ بالا در فشار بالا (به عنوان مثال، اتمسفر) در یک میدان کاملاً ناهمگن در نزدیکی الکترودها با انحنای سطح بزرگ (به عنوان مثال، نقاط). هنگامی که شدت میدان نزدیک نوک به 30 کیلوولت بر متر می رسد، درخششی شبیه تاج در اطراف آن ظاهر می شود که دلیل نامگذاری این نوع تخلیه است. این پدیده در زمان های قدیم آتش سوزی سنت المو نامیده می شد. بسته به علامت الکترود کرونا، یک تاج منفی یا مثبت تشخیص داده می شود.

کاربرد - در رسوب‌دهنده‌های الکترواستاتیکی که برای تصفیه گازهای صنعتی از ناخالصی‌ها، هنگام اعمال پوشش‌های پودری و رنگ استفاده می‌شود.

فرآیند عبور جریان از گاز را تخلیه گاز می نامند.

جریانی که در گاز در حضور یونیزر خارجی ایجاد می شود نامیده می شود وابسته .

اجازه دهید یک جفت الکترون و یون برای مدتی وارد لوله شود، با افزایش ولتاژ بین الکترودهای لوله، قدرت جریان افزایش می یابد، یون های مثبت شروع به حرکت به سمت کاتد می کنند و الکترون ها به سمت آند حرکت می کنند.

لحظه ای فرا می رسد که همه ذرات به الکترودها می رسند و با افزایش بیشتر ولتاژ، قدرت جریان تغییر نمی کند، اگر یونیزه کار متوقف شود، تخلیه نیز متوقف می شود، زیرا. هیچ منبع دیگری از یون وجود ندارد، به همین دلیل تخلیه یون ها را غیر خودپایدار می نامند.

جریان به حد اشباع می رسد.

با افزایش بیشتر ولتاژ، جریان به شدت افزایش می یابد، اگر یونیزر خارجی را بردارید، تخلیه ادامه می یابد: یون های لازم برای حفظ هدایت الکتریکی گاز اکنون توسط خود تخلیه ایجاد می شود. تخلیه گازی که پس از پایان یونیزر خارجی ادامه می یابد نامیده می شود مستقل .

ولتاژی که در آن خود تخلیه رخ می دهد نامیده می شود ولتاژ شکست .

تخلیه گاز مستقل توسط الکترون هایی که توسط یک میدان الکتریکی شتاب می گیرند حفظ می شود، آنها دارای انرژی جنبشی هستند که به دلیل میدان الکتریکی افزایش می یابد. زمینه های.

انواع خود تخلیه:

1) دود شدن

2) قوس (قوس الکتریکی) - برای جوشکاری فلز.

3) تاج

4) جرقه (رعد و برق)

پلاسما. انواع پلاسما

زیر پلاسمایک گاز به شدت یونیزه شده را درک کنید که در آن غلظت الکترون ها برابر با غلظت یون + است.

هر چه دمای گاز بیشتر باشد، یون ها و الکترون های پلاسما بیشتر و اتم های خنثی کمتری خواهند داشت.

انواع پلاسما:

1) پلاسمای نیمه یونیزه شده

2) پلاسمای کاملا یونیزه شده (همه اتم ها به یون ها و الکترون ها تجزیه می شوند).

3) پلاسما با دمای بالا (T> 100000 K)

4) پلاسمای با دمای پایین (T<100000 К)

پلاسمای St-va:

1) پلاسما از نظر الکتریکی خنثی است

2) ذرات پلاسما به راحتی تحت عمل میدان حرکت می کنند

3) هدایت الکتریکی خوبی داشته باشد

4) هدایت حرارتی خوبی داشته باشد

استفاده عملی:

1) تبدیل انرژی گاز حرارتی به انرژی الکتریکی با استفاده از مبدل انرژی مغناطیسی هیدرودینامیک (MHD). اصول کارکرد، اصول جراحی، اصول عملکرد:

یک جت پلاسمای با دمای بالا وارد یک میدان مغناطیسی قوی می شود (میدان عمود بر صفحه ترسیم X هدایت می شود)، به ذرات + و - تقسیم می شود که به صفحات مختلف هجوم می آورند و نوعی اختلاف پتانسیل ایجاد می کنند.

2) آنها در پلاسماترون ها (پلاسما مولدها) استفاده می شوند، به کمک آنها فلزات را برش داده و جوش می دهند.

3) همه ستارگان، از جمله خورشید، جو ستارگان، سحابی های کهکشانی پلاسما هستند.

زمین ما توسط یک پوسته پلاسما احاطه شده است - یون کره،خارج از آن قطب های تشعشعی اطراف زمین ما وجود دارد که در آنها پلاسما نیز وجود دارد.

فرآیندهای پلاسمای نزدیک به زمین توسط طوفان های مغناطیسی، شفق های قطبی و همچنین در فضا بادهای پلاسمایی ایجاد می شود.

16. جریان الکتریکی در نیمه هادی ها.

نیمه هادی ها ve-va هستند که با افزایش t مقاومت در آنها کاهش می یابد.

نیمه هادی ها 4 زیر گروه را اشغال می کنند.

مثال: سیلیکون یک عنصر 4 ظرفیتی است - به این معنی که در لایه بیرونی یک اتم، 4 الکترون با پیوند ضعیف به هسته وجود دارد، هر اتم با همسایگان خود 4 پیوند تشکیل می دهد، زمانی که Si گرم می شود، سرعت ظرفیت e افزایش می یابد، و از این رو انرژی سینماتیکی آنها (E k)، سرعت e آنقدر زیاد می شود که پیوندها تحمل t شکستن را ندارند، e مسیر خود را ترک می کنند و آزاد می شوند، در el. میدان آنها گره های m-y شبکه را حرکت می دهند و el را تشکیل می دهند. جاری. با افزایش t، تعداد پیوندهای شکسته افزایش می یابد، و از این رو تعداد e متصل افزایش می یابد، و این منجر به کاهش مقاومت می شود: I \u003d U / R.

هنگامی که پیوند شکسته می شود، یک جای خالی با e گم شده تشکیل می شود؛ کریستال آن بدون تغییر نیست. فرآیند زیر به طور مداوم انجام می شود: یکی از اتم های تامین کننده پیوند به محل سوراخ تشکیل شده می پرد و پیوند بخار-الکتریک در اینجا بازیابی می شود و از جایی که از آن پریده است، سوراخ جدیدی تشکیل می شود. بنابراین، سوراخ می تواند در سراسر کریستال حرکت کند.

نتیجه:در نیمه هادی ها 2 نوع حامل بار وجود دارد: e و سوراخ (رسانایی الکترون-حفره)