LAB #2.5

"Tutkimus kaasupurkauksesta tyratronilla"

Tavoite: tutkia kaasuissa tapahtuvia prosesseja ei-itse- ja itsestään jatkuvien kaasujen purkausten aikana, tutkia tyratronin toimintaperiaatetta, rakentaa tyratronin virta-jännite ja käynnistysominaisuudet.

TEOREETTINEN OSA

Kaasujen ionisaatio. Ei-omavarainen ja itsestään jatkuva kaasupurkaus

Kaasujen atomit ja molekyylit ovat normaaleissa arkioloissa sähköisesti neutraaleja, ts. eivät sisällä vapaita varauksenkuljettajia, mikä tarkoittaa, että tyhjiöraon tavoin ne eivät saa johtaa sähköä. Itse asiassa kaasut sisältävät aina tietyn määrän vapaita elektroneja, positiivisia ja negatiivisia ioneja, ja siksi ne johtavat sähköä, vaikkakin huonosti. nykyinen.

Kaasussa olevat vapaat varauksenkantajat muodostuvat yleensä elektronien irtautumisesta kaasuatomien elektronikuoresta, ts. tuloksena ionisaatio kaasua. Kaasun ionisaatio on seurausta ulkoisesta energiavaikutuksesta: kuumennuksesta, hiukkaspommituksesta (elektronit, ionit jne.), sähkömagneettisesta säteilystä (ultravioletti, röntgen, radioaktiivinen jne.). Tässä tapauksessa elektrodien välissä oleva kaasu johtaa sähkövirtaa, jota kutsutaan kaasupurkaus. Tehoa ionisoiva tekijä ( ionisaattori) on ionisaation tuloksena olevien vastakkaisesti varautuneiden varauksenkuljettajien parien lukumäärä kaasun tilavuusyksikköä kohti aikayksikköä kohti. Ionisaatioprosessin ohella on myös käänteinen prosessi - rekombinaatio: vastakkaisesti varautuneiden hiukkasten vuorovaikutus, jonka seurauksena ilmaantuu sähköisesti neutraaleja atomeja tai molekyylejä ja säteilee sähkömagneettisia aaltoja. Jos kaasun sähkönjohtavuus edellyttää ulkoisen ionisaattorin läsnäoloa, niin tällaista purkausta kutsutaan riippuvainen. Jos käytetty sähkökenttä (EF) on riittävän suuri, niin ulkoisen kentän aiheuttaman iskuionisaation seurauksena muodostuvien vapaiden varauksenkuljettajien määrä riittää ylläpitämään sähköpurkauksen. Tällainen purkaus ei tarvitse ulkoista ionisaattoria ja sitä kutsutaan riippumaton.

Tarkastellaan elektrodien välissä sijaitsevan kaasun kaasupurkauksen virta-jänniteominaisuutta (CVC) (kuva 1).

Ei-itsekestoisella kaasupurkauksella heikkojen sähkökenttien alueella (I) ionisaation seurauksena muodostuneiden varausten lukumäärä on yhtä suuri kuin toistensa kanssa yhdistyvien varausten lukumäärä. Tämän dynaamisen tasapainon ansiosta vapaiden varauksenkuljettajien pitoisuus kaasussa pysyy käytännössä vakiona ja sen seurauksena Ohmin laki (1):

missä E on sähkökentän voimakkuus; n– keskittyminen; j on virrantiheys.

ja ( ) ovat positiivisten ja negatiivisten varauskantajien liikkuvuus;<υ > on varauksen suunnatun liikkeen ryömintänopeus.

Korkean EC:n (II) alueella havaitaan kaasun (I) virran kyllästyminen, koska kaikki ionisaattorin luomat kantoaineet osallistuvat suunnattuun ajautumiseen, virran muodostukseen.

Kentän (III) lisääntyessä edelleen kiihtyvällä nopeudella liikkuvat varauksen kantajat (elektronit ja ionit) ionisoivat neutraaleja atomeja ja kaasumolekyylejä ( iskuionisaatio), mikä johtaa lisävarauksenkantajien muodostumiseen ja muodostumiseen elektroninen lumivyöry(elektronit ovat kevyempiä kuin ionit ja kiihtyvät merkittävästi EP:ssä) – virrantiheys kasvaa ( kaasuvahvistus). Kun ulkoinen ionisaattori sammutetaan, kaasupurkaus pysähtyy rekombinaatioprosessien vuoksi.

Näiden prosessien seurauksena muodostuu elektronien, ionien ja fotonien virtoja, hiukkasten määrä kasvaa lumivyöryn tavoin, virta kasvaa jyrkästi ilman, että elektrodien välinen sähkökenttä käytännössä vahvistuu. Nousee itsenäinen kaasupurkaus. Siirtymistä epäjohdonmukaisesta kaasupurkauksesta itsenäiseen kutsutaan sähköposti hajota ja elektrodien välinen jännite , missä d- kutsutaan elektrodien välistä etäisyyttä läpilyöntijännite.

Sähköpostia varten hajoamisen yhteydessä on välttämätöntä, että elektroneilla on matkallaan aikaa saada liike-energiaa, joka ylittää kaasumolekyylien ionisaatiopotentiaalin, ja toisaalta, että positiivisilla ioneilla on matkallaan aikaa hankkia kineettistä energiaa, joka on suurempi kuin katodimateriaalin työtehtävä. Koska keskimääräinen vapaa reitti riippuu elektrodien konfiguraatiosta, niiden välisestä etäisyydestä d ja hiukkasten määrästä tilavuusyksikköä kohti (ja näin ollen paineesta), itsesähköpurkauksen syttymistä voidaan ohjata muuttamalla elektrodien välinen etäisyys d kokoonpanonsa muuttumattomana ja painetta muuttaen P. Jos työ Pd osoittautuu samaksi muiden asioiden ollessa samat, havaitun hajoamisen luonteen tulee olla sama. Tämä johtopäätös näkyi kokeessa laki e (1889) saksa. fysiikka F. Pashen(1865–1947):

Kaasupurkauksen sytytysjännite kaasun paineen ja elektrodien välisen etäisyyden Pd tulon tietylle arvolle on vakioarvo, joka on ominaista tietylle kaasulle .

Itsepurkaustyyppejä on useita.

hehkupurkaus tapahtuu matalissa paineissa. Jos 30–50 cm pitkään lasiputkeen juotettuihin elektrodeihin syötetään useiden satojen volttien vakiojännite, joka pumppaa asteittain ilmaa putkesta, niin 5,3–6,7 kPa:n paineessa tapahtuu purkaus valon muodossa. mutkainen punertava johto, joka tulee katodilta anodille. Paineen alentuessa edelleen filamentti paksunee ja » 13 Pa:n paineessa purkaus on kuviossa 2 kaaviomaisesti esitettyä muotoa. 2.

Ohut valokerros on kiinnitetty suoraan katodiin 1 - katodikalvo , jota seuraa 2 - katodi tumma tila , joka kulkee syvemmälle valokerrokseen 3 – kytevä hehku , jonka katodipuolella on terävä raja, joka katoaa vähitellen anodin puolelta. Kerrokset 1-3 muodostavat hehkupurkauksen katodiosan. Seuraa kytevää hehkua faraday pimeä avaruus 4. Loput putkesta on täytetty valokaasulla - positiivinen postaus - 5.

Potentiaali vaihtelee putkessa epätasaisesti (katso kuva 2). Melkein koko jännitehäviö tapahtuu purkauksen ensimmäisissä osissa, mukaan lukien tumma katoditila.

Pääprosessit, jotka ovat välttämättömiä purkauksen ylläpitämiseksi, tapahtuvat sen katodiosassa:

1) Katodisen potentiaalin pudotuksen kiihdyttämät positiiviset ionit pommittavat katodia ja tyrmäävät siitä elektroneja;

2) elektronit kiihtyvät katodiosassa ja saavat riittävästi energiaa ja ionisoivat kaasumolekyylit. Muodostuu monia elektroneja ja positiivisia ioneja. Kytevällä alueella tapahtuu voimakasta elektronien ja ionien rekombinaatiota, energiaa vapautuu, josta osa menee lisäionisaatioon. Faradayn pimeään avaruuteen tunkeutuneet elektronit keräävät vähitellen energiaa, joten plasman olemassaololle välttämättömät olosuhteet syntyvät (korkea kaasuionisaatioaste). Positiivinen kolonni on kaasupurkausplasma. Se toimii johtimena, joka yhdistää anodin katodin osiin. Positiivisen pylvään hehkun aiheuttavat pääasiassa virittyneiden molekyylien siirtymät perustilaan. Tällaisten siirtymien aikana eri kaasujen molekyylit lähettävät eri aallonpituisia säteilyä. Siksi kolonnin hehkulla on jokaiselle kaasulle ominaisuus. Tätä käytetään valoputkien valmistukseen. Neonputket antavat punaisen hehkun, argonputket sinivihreän.

kaaripurkaus havaitaan normaaleissa ja kohonneissa paineissa. Tässä tapauksessa virta saavuttaa kymmeniä ja satoja ampeeria, ja jännite kaasuraon yli laskee useisiin kymmeniin voltteihin. Tällainen purkaus voidaan saada pienjännitelähteestä, jos elektrodit ensin tuodaan yhteen, kunnes ne koskettavat. Kosketuskohdassa elektrodit kuumenevat voimakkaasti Joule-lämmön vuoksi, ja kun ne on irrotettu toisistaan, katodista tulee elektronien lähde termionisen emission vuoksi. Tärkeimmät purkausta tukevat prosessit ovat katodista tuleva lämpöemissio ja molekyylien lämpöionisaatio, joka johtuu kaasun korkeasta lämpötilasta elektrodien välisessä raossa. Lähes koko elektrodien välinen tila on täynnä korkean lämpötilan plasmaa. Se toimii johtimena, jonka kautta katodin emittoimat elektronit saavuttavat anodin. Plasman lämpötila on ~6000 K. Katodin korkea lämpötila ylläpidetään pommittamalla sitä positiivisilla ioneilla. Anodi puolestaan ​​​​lämpenee siihen kaasuraosta tulevien nopeiden elektronien vaikutuksesta voimakkaammin ja voi jopa sulaa, ja sen pinnalle muodostuu syvennys - kraatteri - kaaren kirkkain paikka. Sähkökaari se vastaanotettiin ensimmäisen kerran vuonna 1802. Venäläinen fyysikko V. Petrov (1761–1834), joka käytti elektrodeina kahta hiilenpalaa. Kuumat hiilielektrodit antoivat häikäisevän hehkun, ja niiden väliin ilmestyi kirkas valokaasupylväs - sähkökaari. Valokaaripurkausta käytetään kirkkaan valon lähteenä projektorin kohdevaloissa sekä metallien leikkaamiseen ja hitsaukseen. On kaaripurkaus kylmällä katodilla. Elektroneja ilmaantuu katodista tulevan kenttäemission vuoksi, kaasun lämpötila on alhainen. Molekyylien ionisoituminen tapahtuu elektroniiskujen seurauksena. Katodin ja anodin väliin ilmestyy kaasupurkausplasma.

kipinäpurkaus tapahtuu kahden elektrodin välillä suurella sähkökentän voimakkuudella niiden välillä . Elektrodien välillä hyppää kipinä, jolla on kirkkaasti valokanava, joka yhdistää molemmat elektrodit. Kipinän lähellä oleva kaasu kuumennetaan korkeaan lämpötilaan, syntyy paine-ero, joka johtaa ääniaaltojen ilmestymiseen, tyypilliseen halkeamaan.

Kipinän ilmaantumista edeltää elektronien lumivyöryjen muodostuminen kaasuun. Jokaisen lumivyöryn esi-isä on elektroni, joka kiihtyy vahvassa sähkökentässä ja tuottaa molekyylien ionisaatiota. Tuloksena olevat elektronit puolestaan ​​​​kiihtyvät ja tuottavat seuraavan ionisaation, elektronien lukumäärässä tapahtuu lumivyörylisäys - lumivyöry.

Tuloksena olevilla positiivisilla ioneilla ei ole merkittävää roolia, koska he ovat liikkumattomia. Elektronien lumivyöryt leikkaavat ja muodostavat johtavan kanavan streameri, jota pitkin elektronit ryntäävät katodilta anodille - siellä on hajota.

Salama on esimerkki voimakkaasta kipinäpurkauksesta. Ukkospilven eri osissa on eri merkkisiä varauksia ("-" on Maata kohti). Siksi, jos pilvet lähestyvät toisiaan vastakkaisesti varautuneilla osilla, niiden välillä tapahtuu kipinän hajoaminen. Varautuneen pilven ja maan välinen potentiaaliero on ~10 8 V.

Kipinäpurkausta käytetään räjähdys- ja palamisprosessien käynnistämiseen (polttomoottoreiden kynttilät), varautuneiden hiukkasten rekisteröimiseen kipinälaskureissa, metallipintojen käsittelyyn jne.

Koronavuoto (sepelvaltimo). tapahtuu elektrodien välillä, joilla on erilainen kaarevuus (yksi elektrodeista on ohut lanka tai kärki). Koronapurkauksessa molekyylien ionisaatio ja viritys eivät tapahdu koko elektrodien välisessä tilassa, vaan lähellä kärkeä, jossa intensiteetti on korkea ja ylittää E hajota. Tässä osassa kaasu hehkuu, hehku on elektrodia ympäröivän koronan muodossa.

Plasma ja sen ominaisuudet

Plasma kutsutaan voimakkaasti ionisoituneeksi kaasuksi, jossa positiivisten ja negatiivisten varausten pitoisuus on lähes sama. Erottaa korkean lämpötilan plasma , joka tapahtuu erittäin korkeissa lämpötiloissa, ja kaasupurkausplasma jotka johtuvat kaasupurkauksesta.

Plasmalla on seuraavat ominaisuudet:

Korkea ionisaatioaste rajalla - täydellinen ionisaatio (kaikki elektronit erotetaan ytimistä);

Positiivisten ja negatiivisten hiukkasten pitoisuus plasmassa on käytännössä sama;

korkea sähkönjohtavuus;

hehku;

Vahva vuorovaikutus sähkö- ja magneettikenttien kanssa;

Plasman elektronien värähtelyt suurella taajuudella (>10 8 Hz), jotka aiheuttavat plasman yleistä värähtelyä;

Valtavan määrän hiukkasten samanaikainen vuorovaikutus.

Ei-itse ylläpitävä kaasupurkaus kutsutaan sellaiseksi purkaukseksi, joka sähkökentän läsnä ollessa voi olla olemassa vain ulkoisen ionisaattorin vaikutuksesta.

Tarkastellaan fysikaalisia prosesseja, jotka tapahtuvat ei-itsevaraisessa kaasupurkauksessa. Otetaan käyttöön joukko merkintöjä: ilmaistaan ​​kaasumolekyylien lukumäärällä tutkittavassa tilavuudessa V. Molekyylien pitoisuus Osa molekyyleistä on ionisoitunut. Merkitään läpi samanmerkkisten ionien lukumäärä N; niiden pitoisuus Merkitse seuraavaksi ∆ n i- ionisaattorin vaikutuksesta syntyvien ioniparien lukumäärä yhdessä sekunnissa kaasun tilavuusyksikköä kohti.

Yhdessä kaasun ionisaatioprosessin kanssa tapahtuu ionien rekombinaatio. Kahden erimerkkisen ionin kohtaamisen todennäköisyys on verrannollinen sekä positiivisten että negatiivisten ionien lukumäärään, ja nämä luvut puolestaan ​​ovat yhtä suuria kuin n. Siksi sekunnissa uudelleen yhdistyvien ioniparien lukumäärä tilavuusyksikköä kohti on verrannollinen n 2:

Näin ollen ionien tasapainopitoisuudelle (ioniparien lukumäärä tilavuusyksikköä kohti) saadaan seuraava lauseke:

.

(8.2.3)

Kaasupurkausputken kokeen kaavio on esitetty kuvassa 8.1.

Analysoidaan edelleen sähkökentän vaikutusta prosesseihin ionisoiduissa kaasuissa. Aseta elektrodeihin vakiojännite. Positiiviset ionit suuntautuvat kohti negatiivista elektrodia ja negatiiviset varaukset kohti positiivista elektrodia. Näin ollen osa kaasupurkausraon kantajista menee elektrodeille (piiriin ilmestyy sähkövirta). Anna yksikön äänenvoimakkuuden mennä sekunti välein ∆nj ioniparia. Nyt tasapainotila voidaan esittää muodossa

(8.2.4)

1. Harkitse tapausta heikko kenttä: Piiri virtaa heikko virta. Virran tiheys on suuruudeltaan verrannollinen kantoainepitoisuuteen n, maksu q, joita kukin kantaja kuljettaa ja positiivisten ja negatiivisten ionien suunnatun liikkeen nopeus ja:

.

(8.2.5)

Ionien suunnatun liikkeen nopeus ilmaistaan ​​kautta liikkuvuus ja jännitystä sähkökenttä:

Heikossa kentässä () tasapainopitoisuus on yhtä suuri:.

Korvaa tämä lauseke kohdassa (8.2.7):

(8.2.8)

Viimeisessä lausekkeessa tekijä at ei riipu intensiteetistä. Merkitsemällä sitä σ:llä saamme Ohmin laki differentiaalimuodossa :

(8.2.9)

missä – ominaissähkönjohtavuus.

Johtopäätös : heikkojen sähkökenttien tapauksessa virta, jolla on ei-itsekestoinen purkaus, noudattaa Ohmin lakia.

2. Harkitse vahva kenttä . Tässä tapauksessa eli kaikki syntyneet ionit poistuvat kaasupurkausraosta sähkökentän vaikutuksesta. Tämä selittyy sillä, että sinä aikana, joka kuluu ionin lentääkseen vahvassa kentässä elektrodilta toiselle, ionit eivät ehdi yhdistyä merkittävästi uudelleen. Siksi kaikki ionisaattorin tuottamat ionit osallistuvat virran muodostukseen ja menevät elektrodeille. Ja koska ionisaattorin tuottamien ionien määrä aikayksikköä kohti ∆n i, ei riipu kentänvoimakkuudesta, silloin virrantiheys määräytyy vain arvon perusteella ∆n i eikä se ole riippuvainen . Toisin sanoen, kun käytetty jännite kasvaa edelleen, virta lakkaa kasvamasta ja säilyy vakiona.

Virran maksimiarvoa, jolla kaikki muodostuneet ionit menevät elektrodeille, kutsutaan kyllästysvirraksi.

Kenttävoimakkuuden lisääntyminen edelleen johtaa muodostumiseen lumivyöryjä elektroneja, kun ionisaattorin vaikutuksesta syntyneet elektronit hankkivat keskimääräistä vapaata polkua pitkin (törmäyksestä törmäykseen) energiaa, joka riittää ionisoimaan kaasumolekyylejä (iskuionisaatio). Tässä tapauksessa syntyneet sekundaariset elektronit, jotka ovat kiihtyneet, tuottavat puolestaan ​​ionisaatiota jne. - tapahtuu primääristen ionien ja elektronien lumivyörymäinen lisääntyminen ulkoisen ionisaattorin luoma ja purkausvirran vahvistus.

Kuva 8.2 esittää lumivyöryjen muodostumisprosessia.

Saadut tulokset voidaan kuvata graafisesti (kuva 8.3) ei-itsevaraisen kaasupurkauksen virta-jännite-ominaisuuden muodossa.

Johtopäätös : ei-itsekestoiselle purkaukselle pienillä virrantiheyksillä, ts. kun päärooli varausten katoamisessa kaasupurkausraosta on rekombinaatioprosessilla, tapahtuu Ohmin laki( ); suurille pelloille()Ohmin laki ei täyty - kyllästyminen tapahtuu ja kentät ylittävät - tapahtuu varausten lumivyöry, mikä lisää merkittävästi virrantiheyttä.

Toisin kuin elektrolyyttiliuokset, kaasu normaaliolosuhteissa koostuu neutraaleista molekyyleistä (tai atomeista) ja on siksi eriste. Kaasusta tulee sähkövirran johtime vain, kun ainakin osa sen molekyyleistä ionisoituu (muuttuu ioneiksi) ulkoisen vaikutuksen (ionisaattorin) vaikutuksesta. Ionisoinnin aikana kaasumolekyylistä poistuu yleensä yksi elektroni, jonka seurauksena molekyylistä tulee positiivinen ioni. Ulosheitetty elektroni joko pysyy vapaana jonkin aikaa tai kiinnittyy välittömästi ("kiinni") johonkin neutraalista kaasumolekyylistä ja muuttaa sen negatiiviseksi ioniksi. Siten ionisoidussa kaasussa on positiivisia ja negatiivisia ioneja ja vapaita elektroneja.

Pudottaakseen yhden elektronin molekyylistä (atomista), ionisaattorin on suoritettava tietty työ, jota kutsutaan ionisaatiotyöksi; useimmille kaasuille sen arvot vaihtelevat 5 - 25 eV. Röntgensäteet (katso § 125), radioaktiivinen säteily (katso § 139), kosmiset säteet (katso § 145), voimakas kuumennus, ultraviolettisäteet (katso § 120) ja eräät muut tekijät voivat toimia kaasuionisaattoreina.

Kaasun ionisaation ohella tapahtuu ionien rekombinaatioprosessi. Tämän seurauksena muodostuu tasapainotila, jolle on ominaista tietty ionipitoisuus, jonka arvo riippuu ionisaattorin tehosta.

Ulkoisen sähkökentän läsnä ollessa ionisoidussa kaasussa syntyy virtaa vastakkaisten ionien liikkeestä vastakkaisiin suuntiin ja elektronien liikkeestä johtuen.

Kaasun alhaisesta viskositeetista johtuen kaasu-ionien liikkuvuus on tuhansia kertoja suurempi kuin elektrolyytti-ionien ja on noin

Kun ionisaattorin toiminta loppuu, ionien pitoisuus kaasussa putoaa nopeasti nollaan (johtuen rekombinaatiosta ja ionien poistumisesta virtalähteen elektrodeille) ja virta pysähtyy. Virtaa, jonka olemassaolo vaatii ulkoisen ionisaattorin, kutsutaan ei-itse ylläpitäväksi kaasupurkaukseksi.

Kun kaasussa on riittävän vahva sähkökenttä, alkavat itseionisaatioprosessit, joiden vuoksi virtaa voi esiintyä myös ulkoisen ionisaattorin puuttuessa. Tällaista virtaa kutsutaan itsenäiseksi kaasupurkaukseksi.

Itseionisaatioprosessit ovat yleisesti ottaen seuraavat. Luonnollisissa olosuhteissa kaasu sisältää aina pienen määrän vapaita elektroneja ja ioneja, joita luovat luonnolliset ionisaattorit, kuten kosmiset säteet ja ilmakehän, maaperän ja veden sisältämien radioaktiivisten aineiden säteily. Riittävän voimakas sähkökenttä voi kiihdyttää nämä hiukkaset sellaisiin nopeuksiin, joissa niiden liike-energia ylittää ionisaatiotyön. Sitten elektronit ja ionit, jotka törmäävät (matkalla elektrodeihin) neutraalien molekyylien kanssa, ionisoivat ne. Myös törmäyksissä muodostuvia uusia (sekundaarisia) elektroneja ja ioneja kenttä kiihdyttää ja ne puolestaan ​​ionisoivat uusia neutraaleja molekyylejä jne. Kuvattua kaasun itseionisaatiota kutsutaan iskuionisaatioksi.

Vapaat elektronit aiheuttavat iskuionisaatiota jo suuruusluokkaa olevalla kentänvoimakkuudella.Ioneilla ne voivat aiheuttaa iskuionisaatiota vain suuruusluokan kentänvoimakkuudella. Tämä ero johtuu useista syistä, erityisesti tosiasia, että elektronien keskimääräinen vapaa reitti kaasussa on paljon pidempi kuin ionien. Siksi elektronit hankkivat iskuionisaatioon tarvittavan kineettisen energian pienemmillä kentänvoimakkuuksilla kuin ionit. Kuitenkin myös kentillä, jotka eivät ole liian vahvoja, positiivisilla ioneilla on erittäin tärkeä rooli kaasun itseionisaatiossa. Tosiasia on, että näiden ionien energia riittää poistamaan elektronit metallista. Siksi kentän kiihdyttämät positiiviset ionit osuvat kenttälähteen metallikatodiin, syrjäyttävät siitä elektroneja, joita kenttä puolestaan ​​kiihdyttää ja tuottavat neutraalien molekyylien iskuionisaatiota.

Ionit ja elektronit, joiden energia on riittämätön iskuionisaatioon, voivat kuitenkin molekyylien kanssa törmäyksessä johtaa ne virittyneeseen tilaan, ts. aiheuttaa joitain energiamuutoksia elektronikuorissaan. Herätetty molekyyli (tai atomi) menee sitten normaalitilaan, samalla kun se emittoi osan sähkömagneettisesta energiasta - fotonin (prosessit

atomien virittymistä ja niiden aiheuttamaa fotonien emissiota ja absorptiota käsitellään kappaleissa 132-136). Fotonien emissio ilmenee kaasun hehkuna. Lisäksi minkä tahansa kaasumolekyylin absorboima fotoni voi ionisoida sen; tällaista ionisaatiota kutsutaan fotoniksi. Lopuksi katodiin osuva fotoni voi lyödä siitä elektronin (ulkoinen valosähköinen vaikutus), joka sitten aiheuttaa neutraalin molekyylin iskuionisaation.

Törmäyksen ja fotonien ionisaation sekä positiivisten ionien ja fotonien katodista irrottamisen seurauksena ionien ja elektronien määrä koko kaasutilavuudessa kasvaa jyrkästi (lumivyörymäinen). Ulkoista ionisaattoria ei enää tarvita virran olemassaoloon kaasussa. Kaasunpurkaus tulee itsenäiseksi. Kuvattu kaasun itseionisaatioprosessi on esitetty kaavamaisesti kuvassa. 208, jossa neutraalit molekyylit on kuvattu valkoisina ympyröinä, positiiviset ionit ympyröinä, joissa on plusmerkki, elektronit mustina ympyröinä ja fotonit aaltoilevina viivoina.

Kuvassa 209 on kokeellinen kaavio kaasun virran riippuvuudesta kentänvoimakkuudesta tai kenttälähteen katodin ja anodin välisestä jännitteestä, koska

missä on elektrodien välinen etäisyys. Käyrän osuudella virta kasvaa suunnilleen suhteessa kentänvoimakkuuteen Ohmin lain mukaan). Tämä selittyy sillä, että jännityksen kasvaessa ionien ja elektronien järjestetyn liikkeen nopeus kasvaa ja sen seurauksena elektrodeihin siirtyvän sähkön määrä (virta) 1 sekunnissa. Ilmeisesti virran kasvu pysähtyy, kun kentänvoimakkuus saavuttaa arvon, jossa kaikki ulkoisen ionisaattorin 1 sekunnissa luomat ionit ja elektronit lähestyvät elektrodeja samassa ajassa.

Ei liian korkeissa lämpötiloissa ja lähellä ilmakehän paineita olevat kaasut ovat hyviä eristeitä. Tämä selittyy sillä, että kaasut koostuvat normaaleissa olosuhteissa neutraaleista atomeista ja molekyyleistä eivätkä sisällä vapaita varauksia (elektroneja ja ioneja). Kaasusta tulee sähkönjohdin, kun osa sen molekyyleistä ionisoitu, Tätä varten kaasu on alistettava jonkinlaisen ionisaattorin vaikutukselle (esimerkiksi kynttilän liekin, ultravioletti- ja röntgensäteilyn, g-kvanttien, elektronien, protonien, a-hiukkasten jne.) vaikutukselle. . Eri kaasujen atomien ionisaatioenergia on välillä 4 - 25 eV. Ionisoidussa kaasussa ilmaantuu varautuneita hiukkasia, jotka voivat liikkua sähkökentän vaikutuksesta - positiivisia ja negatiivisia ioneja ja vapaita elektroneja.

Sähkövirran kulkemista kaasujen läpi kutsutaan kaasupurkaus.

Samanaikaisesti prosessin kanssa ionisaatio kaasu on aina käynnissä ja päinvastainen prosessi - rekombinaatioprosessi: positiiviset ja negatiiviset ionit, positiiviset ionit ja elektronit, kohtaavat, yhdistyvät keskenään muodostaen neutraaleja atomeja ja molekyylejä. Niiden nopeuksien tasapaino määrittää varautuneiden hiukkasten pitoisuuden kaasussa. Ionien rekombinaatioprosessit sekä ionien viritys, jotka eivät johda ionisaatioon, johtavat hehku kaasu, jonka väri määräytyy kaasun ominaisuuksien mukaan.

Kaasunpurkauksen luonne määräytyy kaasun koostumuksen, sen lämpötilan ja paineen, mittojen, elektrodien kokoonpanon ja materiaalin, käytetyn jännitteen, virrantiheyden jne. perusteella.

Tarkastellaan piiriä, joka sisältää kaasuraon, joka on alttiina jatkuvalle, tasaisen intensiteetille ulkoisen ionisaattorin vaikutukselle.

Kaasun ionisaation seurauksena piirissä kulkee virta, jonka riippuvuus käytetystä jännitteestä on esitetty kuvassa 1.

Käyrällä OA virta kasvaa suhteessa jännitteeseen, eli Ohmin laki täyttyy. Jännitteen kasvaessa edelleen Ohmin lakia rikotaan: virran voimakkuuden kasvu hidastuu (kappale AB) ja lopulta pysähtyy kokonaan (osio VS). Nuo. saadaan kyllästysvirta, jonka arvon määrää ionisaattorin teho, mikä saavutetaan, kun kaikki ulkoisen ionisaattorin aikayksikköä kohti tuottamat ionit ja elektronit saavuttavat elektrodit samassa ajassa. Jos tilassa OS lopettaa ionisaattorin toiminnan, silloin myös purkautuminen pysähtyy. Purkauksia, jotka ovat olemassa vain ulkoisten ionisaattorien vaikutuksesta, kutsutaan riippuvainen. Kun elektrodien välistä jännitettä kasvaa edelleen, virran voimakkuus on aluksi hidas (kappale CD), ja sitten jyrkästi (kohta DE) lisääntyy ja vuoto muuttuu riippumaton. Kaasun purkausta, joka jatkuu ulkoisen ionisaattorin toiminnan päättymisen jälkeen, kutsutaan riippumaton.

Itsepurkauksen esiintymismekanismi on seuraava. Suurilla jännitteillä elektronit, jotka syntyvät ulkoisen ionisaattorin vaikutuksesta, joita sähkökenttä voimakkaasti kiihdyttää, törmäävät kaasumolekyyleihin, ionisoivat ne, mikä johtaa sekundääristen elektronien ja positiivisten ionien muodostumiseen. Positiiviset ionit liikkuvat kohti katodia ja elektronit kohti anodia. Toissijaiset elektronit ionisoivat jälleen kaasumolekyylejä, ja tämän seurauksena elektronien ja ionien kokonaismäärä kasvaa elektronien liikkuessa kohti anodia lumivyörynä. Tämä on syynä alueen sähkövirran lisääntymiseen CD. Kuvattua prosessia kutsutaan ns iskuionisaatio. Elektronien aiheuttama iskuionisaatio ei yksinään riitä ylläpitämään purkausta, kun ulkoinen ionisaattori poistetaan. Purkauksen ylläpitämiseksi on välttämätöntä, että elektronilumivyöryt "toistuvat", ts. että uusia elektroneja syntyy kaasuun joidenkin prosessien vaikutuksesta. Tämä tapahtuu merkittävillä jännitteillä kaasuraon elektrodien välillä, kun positiivisten ionien lumivyöryt ryntäävät katodille, jotka lyövät elektroneja ulos siitä. Tällä hetkellä, kun elektronien lumivyöryjen lisäksi tapahtuu myös ionivyöryjä, virta kasvaa lähes ilman jännitettä (kappale DE kuvassa), so. tapahtuu itsenäinen purkaus. Jännitettä, jolla itsepurkautuminen tapahtuu, kutsutaan läpilyöntijännite.

On huomattava, että kaasupurkauksen aikana toteutuu erityinen aineen tila, jota kutsutaan plasmaksi. Plasma Erittäin ionisoitunutta kaasua kutsutaan kaasuksi, jossa positiivisten ja negatiivisten varausten tiheydet ovat lähes samat. Erotetaan korkean lämpötilan plasma, jota esiintyy erittäin korkeissa lämpötiloissa, ja kaasupurkausplasma, joka tapahtuu kaasupurkauksen aikana. Plasmalle on tunnusomaista ionisaatioaste a - ionisoituneiden hiukkasten lukumäärän suhde niiden kokonaismäärään plasman tilavuusyksikköä kohti. A:n arvosta riippuen puhutaan heikosti (a on prosenttiosia), kohtalaisesti (useita prosentteja) ja täysin (lähes 100 %) ionisoituneesta plasmasta.

Itsepurkauksia on neljää tyyppiä: hehku, kipinä, kaari ja korona.

1. Hehkupurkaus tapahtuu matalissa paineissa. Jos 30 - 50 cm pitkään lasiputkeen juotettuihin elektrodeihin syötetään useiden satojen volttien vakiojännite, joka pumppaa asteittain ilmaa putkesta, niin paineessa ~ 5,3 - 6,7 kPa (useita mm Hg) tapahtuu purkaus. muodossa valovoimainen punertava käämijohto, joka kulkee katodista anodille. Paineen alentuessa edelleen (~13 Pa) purkauksella on seuraava rakenne.

Suoraan katodin vieressä on tumma ohut kerros 1 - aston pimeä avaruus, jota seuraa ohut valokerros 2 - ensimmäisen katodin hehku tai katodikalvo, jota seuraa tumma kerros 3 - katodi (crookes) tumma tila, joka siirtyy myöhemmin valokerrokseen 4 - kytevä hehku, jonka katodipuolella on terävä raja, joka katoaa vähitellen anodin puolelta. Se syntyy elektronien rekombinaatiosta positiivisten ionien kanssa. Tumma rako rajaa kytevän hehkun 5- faraday pimeä avaruus, jota seuraa ionisoidun valokaasun kolonni 6 - positiivinen postaus. Positiivisella sarakkeella ei ole merkittävää roolia purkauksen ylläpitämisessä. Käytetty jännite jakautuu epätasaisesti purkausta pitkin. Lähes kaikki potentiaalin pudotus tapahtuu kolmessa ensimmäisessä kerroksessa ja sitä kutsutaan katodinen potentiaalin pudotus.

Kerroksen muodostumismekanismi on seuraava. Katodin lähellä olevat positiiviset ionit katodisen potentiaalin pudotuksen kiihdytettynä pommittavat katodia ja lyövät elektroneja ulos siitä. Pimeässä Aston-avaruudessa elektronit kiihdyttävät ja kiihdyttävät molekyylejä, jotka alkavat säteillä valoa muodostaen katodikalvon 2. Kalvon 2 läpi ilman törmäyksiä lentävät elektronit ionisoivat tämän kalvon takana olevia kaasumolekyylejä. On monia positiivisia ja negatiivisia varauksia. Tässä tapauksessa hehkun voimakkuus vähenee. Tämä alue on katodin (Crookes) tumma avaruus 3. Katodin pimeässä avaruudessa syntyneet elektronit tunkeutuvat hehkuvan hehkun alueelle 4, mikä johtuu niiden rekombinaatiosta positiivisten ionien kanssa. Lisäksi jäljellä olevat elektronit ja ionit (niitä on vähän) tunkeutuvat diffuusion kautta alueelle 5 - Faradayn pimeään avaruuteen. Se näyttää tummalta, koska rekombinoituvien varausten pitoisuus on alhainen. Alueella 5 on sähkökenttä, joka kiihdyttää elektroneja ja positiivisen sarakkeen 6 alueella ne tuottavat ionisaatiota, mikä johtaa plasman muodostumiseen. Positiivisen sarakkeen hehku johtuu pääasiassa virittyneiden molekyylien siirtymistä perustilaan. Sillä on jokaiselle kaasulle ominainen väri. Hehkupurkauksessa vain kolme sen osaa ovat erityisen tärkeitä sen ylläpidon kannalta - hehkuhehkuun asti. Katodin pimeässä tilassa on voimakas elektronien ja positiivisten ionien kiihtyvyys, joka syrjäyttää elektronit katodista (sekundaarinen emissio). Kytevällä alueella tapahtuu kuitenkin kaasumolekyylien iskuionisaatiota elektronien toimesta. Iskuionisaation aikana muodostuneet positiiviset ionit syöksyvät katodille ja lyövät sieltä uusia elektroneja, jotka puolestaan ​​taas ionisoivat kaasun jne. Tällä tavalla ylläpidetään jatkuvasti hehkupurkausta.

Sovellus tekniikassa. Positiivisen kolonnin hehkua, jolla on jokaiselle kaasulle ominainen väri, käytetään purkausputkissa mainosten luomiseen (neonpurkausputket antavat punaisen hehkun, argonputket - sinivihreät) ja loistelampuissa.

2. kipinäpurkaus syntyy suurilla sähkökenttävoimakkuuksilla (~3 10 b V/m) kaasussa, joka on ilmakehän paineessa. Kipinäpurkauksen selitys annetaan pohjalta streameri teoria, jonka mukaan kirkkaasti valaisevan kipinäkanavan ilmaantumista edeltää heikosti valoisten ionisoidun kaasun kertymien ilmaantuminen - streamerit. Virtaukset syntyvät sekä elektronien lumivyöryjen muodostumisen seurauksena iskuionisaation seurauksena että kaasun fotoni-ionisaation seurauksena. Toisiaan jahtaavat lumivyöryt muodostavat johtavia streamer-siltoja, joita pitkin seuraavina hetkinä ryntäävät voimakkaat elektronivirrat muodostaen kipinäpurkauskanavia. Koska kyseessä olevien prosessien aikana vapautuu suuri määrä energiaa, kipinävälissä oleva kaasu kuumennetaan erittäin korkeaan lämpötilaan (noin 10 4 o C), mikä johtaa sen hehkumiseen. Kaasun nopea lämpeneminen johtaa paineen nousuun ja shokkiaaltojen ilmaantuvuuteen, mikä selittää äänivaikutukset kipinäpurkauksen aikana. Esimerkiksi rätisevä heikossa purkauksessa ja voimakas ukkosen jylinä salaman sattuessa.

Sovellus tekniikassa. Polttomoottoreiden palavan seoksen sytyttämiseen ja sähköjohtojen suojaamiseen jännitteiltä (kipinävälit).

3. kaaripurkaus. Jos kipinäpurkauksen sytytyksen jälkeen voimakkaasta lähteestä elektrodien välinen etäisyys pienenee vähitellen, purkauksesta tulee jatkuvaa, ts. kaaripurkaus tapahtuu. Tässä tapauksessa virta kasvaa jyrkästi saavuttaen satoja ampeeria, ja jännite purkausraon yli laskee useisiin kymmeniin voltteihin. Valokaaripurkaus voidaan saada pienjännitelähteestä kipinäportaan ohittaen. Tätä varten elektrodit (esimerkiksi hiilikuituiset) saatetaan yhteen, kunnes ne koskettavat, ne ovat erittäin kuumia sähkövirralla, sitten ne erotetaan ja saadaan sähkökaari. Ilmakehän paineessa kaaripurkauksen lämpötila on ~3500 o C. Kaaren palaessa muodostuu anodille painauma - kraatteri, joka on kaaren kuumin paikka. kaaripurkaus säilyy katodista tulevan voimakkaan termionisen emission sekä kaasun korkeasta lämpötilasta johtuvan molekyylien lämpöionisaation ansiosta.

Sovellus - metallien hitsaukseen ja leikkaamiseen, korkealaatuisten terästen saamiseen (kaariuuni) ja valaistukseen (kohdevalot, projektiolaitteet).

4. koronapurkaus- korkeajännitesähköpurkaus korkeassa (esimerkiksi ilmakehän) paineessa jyrkästi epähomogeenisessa kentässä lähellä elektrodeja, joilla on suuri pintakaarevuus (esimerkiksi pisteitä). Kun kentänvoimakkuus kärjen lähellä saavuttaa arvon 30 kV/m, sen ympärille ilmestyy koronamainen hehku, mistä johtuu tämän tyyppinen purkaus. Tätä ilmiötä kutsuttiin muinaisina aikoina St. Elmon tulipaloiksi. Koronaelektrodin merkistä riippuen erotetaan negatiivinen tai positiivinen korona.

Käyttö - staattisissa sähkösuodattimissa, joita käytetään teollisuuskaasujen puhdistamiseen epäpuhtauksista, kun levitetään jauhe- ja maalipinnoitteita.

Prosessia, jossa virta tunkeutuu kaasun läpi, kutsutaan kaasupurkaukseksi.

Kaasussa olevaa virtaa, joka esiintyy ulkoisen ionisaattorin läsnä ollessa, kutsutaan riippuvainen .

Anna elektronien ja ionien parin päästää putkeen jonkin aikaa, kun jännite kasvaa putken elektrodien välillä, virran voimakkuus kasvaa, positiiviset ionit alkavat liikkua kohti katodia ja elektronit - kohti anodia.

Tulee hetki, jolloin kaikki hiukkaset saavuttavat elektrodit ja jännitteen edelleen kasvaessa virran voimakkuus ei muutu, jos ionisaattori lakkaa toimimasta, myös purkaus pysähtyy, koska. muita ionilähteitä ei ole, tästä syystä ionien purkamista kutsutaan ei-itsesäilyttäväksi.

Virta saavuttaa kyllästymisensä.

Jännitteen lisääntyessä virta kasvaa jyrkästi, jos poistat ulkoisen ionisaattorin, purkaus jatkuu: kaasun sähkönjohtavuuden ylläpitämiseen tarvittavat ionit syntyvät nyt itse purkauksella. kutsutaan kaasupurkausta, joka jatkuu ulkoisen ionisaattorin päätyttyä riippumaton .

Jännitettä, jolla itsepurkautuminen tapahtuu, kutsutaan läpilyöntijännite .

Itsenäistä kaasupurkausta ylläpitävät sähkökentän kiihdyttämät elektronit, niillä on kineettinen energia, joka kasvaa sähkökentän vaikutuksesta. kentät.

Itsepurkaustyypit:

1) kytevä

2) kaari (sähkökaari) - metallin hitsaukseen.

3) kruunu

4) kipinä (salama)

Plasma. Plasmatyypit.

Alla plasma ymmärtää voimakkaasti ionisoitua kaasua, jossa elektronien pitoisuus on yhtä suuri kuin + ionien pitoisuus.

Mitä korkeampi kaasun lämpötila, sitä enemmän plasmassa on ioneja ja elektroneja ja sitä vähemmän neutraaleja atomeja.

Plasmatyypit:

1) Osittain ionisoitu plasma

2) täysin ionisoitunut plasma (kaikki atomit hajosivat ioneiksi ja elektroneiksi).

3) Korkean lämpötilan plasma (T>100000 K)

4) matalan lämpötilan plasma (T<100000 К)

St-va plasma:

1) Plasma on sähköisesti neutraali

2) Plasmahiukkaset liikkuvat helposti kentän vaikutuksesta

3) Heillä on hyvä sähkönjohtavuus

4) Heillä on hyvä lämmönjohtavuus

Käytännön käyttö:

1) Lämpökaasuenergian muuntaminen sähköenergiaksi magnetohydrodynaamisen energiamuuntimen (MHD) avulla. Toimintaperiaate:

Korkean lämpötilan plasmasuihku joutuu vahvaan magneettikenttään (kenttä on suunnattu kohtisuoraan piirustustasoon X nähden), se jakautuu + ja - hiukkasiksi, jotka ryntäävät eri levyille luoden jonkinlaisen potentiaalieron.

2) Niitä käytetään plasmatroneissa (plasmageneraattoreissa), joiden avulla ne leikkaavat ja hitsaavat metalleja.

3) Kaikki tähdet, mukaan lukien aurinko, tähtien ilmakehät, galaktiset sumut ovat plasmaa.

Maapalloamme ympäröi plasmakuori - ionosfääri, jonka ulkopuolella maapalloamme ympäröivät säteilynavat, joissa on myös plasmaa.

Maan lähiplasman prosesseja aiheuttavat magneettiset myrskyt, revontulet, ja myös avaruudessa on plasmatuulia.

16. Sähkövirta puolijohteissa.

Puolijohteet ovat ve-va, joissa vastus pienenee t:n kasvaessa.

Puolijohteet käsittävät 4 alaryhmää.

Esimerkki: Pii on 4-valenssinen alkuaine - tämä tarkoittaa, että atomin ulkokuoressa on 4 heikosti ytimeen sitoutunutta elektronia, jokainen atomi muodostaa 4 sidosta naapuriensa kanssa, kun Si kuumennetaan, valenssin nopeus e kasvaa ja siten niiden kinemaattinen energia (E k), nopeus e tulee niin suureksi, että sidokset eivät kestä t katkeamista, e jättävät polkunsa ja vapautuvat, el. kentässä he siirtävät hilan m-y solmuja muodostaen el. nykyinen. Kun t kasvaa, katkenneiden sidosten määrä kasvaa, ja siten kytkettyjen e: n määrä kasvaa, ja tämä johtaa vastuksen vähenemiseen: I \u003d U / R.

Kun sidos katkeaa, muodostuu tyhjä paikka puuttuvalla e:llä, jonka kide ei ole muuttumaton. Jatkuvasti tapahtuu seuraava prosessi: yksi sidoksen antavista atomeista hyppää muodostuneen reiän paikkaan ja höyrysähköinen sidos palautuu tähän, ja sinne, mistä se hyppäsi, muodostuu uusi reikä. Siten reikä voi liikkua kristallin läpi.

Johtopäätös: puolijohteissa on 2 tyyppiä varauksenkantajia: e ja reiät (elektroni-reikäjohtavuus)