LAB #2.5

"Studi pelepasan gas menggunakan thyratron"

Objektif: untuk mempelajari proses yang terjadi dalam gas selama pelepasan non-berkelanjutan dan mandiri dalam gas, untuk mempelajari prinsip pengoperasian thyratron, untuk membangun tegangan arus dan karakteristik awal thyratron.

BAGIAN TEORITIS

Ionisasi gas. Pelepasan gas yang tidak mandiri dan mandiri

Atom dan molekul gas dalam kondisi normal sehari-hari bersifat netral secara elektris, yaitu tidak mengandung pembawa muatan gratis, yang berarti, seperti celah vakum, mereka tidak boleh menghantarkan listrik. Faktanya, gas selalu mengandung sejumlah elektron bebas, ion positif dan negatif, dan oleh karena itu, meskipun buruk, mereka menghantarkan listrik. saat ini.

Pembawa muatan bebas dalam gas biasanya terbentuk sebagai hasil ejeksi elektron dari kulit elektron atom gas, mis. hasil dari ionisasi gas. Ionisasi gas adalah hasil dari dampak energi eksternal: pemanasan, pemboman partikel (elektron, ion, dll.), radiasi elektromagnetik (ultraviolet, sinar-X, radioaktif, dll.). Dalam hal ini, gas yang terletak di antara elektroda menghantarkan arus listrik, yang disebut pelepasan gas. Kekuasaan faktor pengion ( pengion) adalah jumlah pasangan pembawa muatan yang berlawanan yang dihasilkan dari ionisasi per satuan volume gas per satuan waktu. Seiring dengan proses ionisasi, ada juga proses sebaliknya - rekombinasi: interaksi partikel bermuatan berlawanan, sebagai akibatnya atom atau molekul netral secara elektrik muncul dan gelombang elektromagnetik dipancarkan. Jika konduktivitas listrik gas memerlukan adanya ionizer eksternal, maka pelepasan seperti itu disebut bergantung. Jika medan listrik yang diterapkan (EF) cukup besar, maka jumlah pembawa muatan bebas yang terbentuk sebagai akibat dari ionisasi tumbukan karena medan eksternal cukup untuk mempertahankan pelepasan listrik. Pelepasan seperti itu tidak memerlukan pengion eksternal dan disebut mandiri.

Mari kita pertimbangkan karakteristik arus-tegangan (CVC) dari pelepasan gas dalam gas yang terletak di antara elektroda (Gbr. 1).

Dengan pelepasan gas yang tidak mandiri di wilayah medan listrik lemah (I), jumlah muatan yang terbentuk sebagai hasil ionisasi sama dengan jumlah muatan yang bergabung kembali satu sama lain. Karena kesetimbangan dinamis ini, konsentrasi pembawa muatan bebas dalam gas praktis tetap konstan dan, sebagai hasilnya, Hukum Ohm (1):

di mana E adalah kekuatan medan listrik; n– konsentrasi; j adalah rapat arus.

dan ( ) adalah mobilitas pembawa muatan positif dan negatif, masing-masing;<υ > adalah kecepatan hanyut dari gerakan terarah muatan.

Di wilayah EC tinggi (II), saturasi arus dalam gas (I) diamati, karena semua pembawa yang dibuat oleh ionizer berpartisipasi dalam penyimpangan terarah, dalam penciptaan arus.

Dengan peningkatan lebih lanjut di bidang (III), pembawa muatan (elektron dan ion), bergerak dengan kecepatan yang dipercepat, mengionisasi atom netral dan molekul gas ( dampak ionisasi), menghasilkan pembentukan pembawa muatan tambahan dan pembentukan longsoran elektronik(elektron lebih ringan dari ion dan dipercepat secara signifikan dalam EP) – kerapatan arus meningkat ( amplifikasi gas). Ketika external ionizer dimatikan, pelepasan gas akan berhenti karena proses rekombinasi.

Sebagai hasil dari proses ini, aliran elektron, ion, dan foton terbentuk, jumlah partikel tumbuh seperti longsoran, ada peningkatan tajam dalam arus tanpa penguatan medan listrik di antara elektroda. muncul pelepasan gas independen. Transisi dari pelepasan gas yang tidak konsisten ke pelepasan independen disebut surel kerusakan, dan tegangan antara elektroda , di mana d- jarak antara elektroda disebut tegangan tembus.

Untuk email pemecahan, elektron-elektron di sepanjang jalurnya perlu memiliki waktu untuk memperoleh energi kinetik yang melebihi potensi ionisasi molekul gas, dan di sisi lain, ion positif, di sepanjang jalurnya, memiliki waktu untuk memperoleh energi kinetik yang lebih besar daripada energi kinetiknya. fungsi kerja bahan katoda. Karena jalur bebas rata-rata tergantung pada konfigurasi elektroda, jarak antara mereka d dan jumlah partikel per satuan volume (dan, akibatnya, pada tekanan), penyalaan pelepasan mandiri dapat dikontrol dengan mengubah jarak antara elektroda d dengan konfigurasi yang tidak berubah, dan mengubah tekanan P. Jika pekerjaan Pd ternyata sama, hal lain dianggap sama, maka sifat kerusakan yang diamati harus sama. Kesimpulan ini tercermin dalam eksperimen hukum e (1889) Jerman. fisika F. Pashen(1865–1947):

Tegangan pengapian pelepasan gas untuk nilai tertentu dari produk tekanan gas dan jarak antara elektroda Pd adalah karakteristik nilai konstan dari gas tertentu .

Ada beberapa jenis self-discharge.

debit cahaya terjadi pada tekanan rendah. Jika tegangan konstan beberapa ratus volt diterapkan pada elektroda yang disolder ke dalam tabung gelas sepanjang 30–50 cm, secara bertahap memompa udara keluar dari tabung, maka pada tekanan 5,3–6,7 kPa terjadi pelepasan dalam bentuk luminous kabel kemerahan berliku-liku yang datang dari katoda ke anoda. Dengan penurunan tekanan lebih lanjut, filamen menebal, dan pada tekanan »13 Pa, pelepasan memiliki bentuk yang ditunjukkan secara skematis pada Gambar. 2.

Lapisan bercahaya tipis terpasang langsung ke katoda 1 - film katoda , diikuti oleh 2 - ruang gelap katoda , melewati lebih jauh ke dalam lapisan bercahaya 3 – cahaya membara , yang memiliki batas tajam di sisi katoda, secara bertahap menghilang di sisi anoda. Lapisan 1-3 membentuk bagian katoda dari pelepasan pijar. Mengikuti cahaya yang membara ruang gelap faraday 4. Sisa tabung diisi dengan gas bercahaya - postingan positif - 5.

Potensi bervariasi tidak merata sepanjang tabung (lihat Gambar. 2). Hampir seluruh penurunan tegangan terjadi pada bagian pertama pelepasan, termasuk ruang katoda gelap.

Proses utama yang diperlukan untuk menjaga pelepasan terjadi di bagian katodanya:

1) ion positif, dipercepat oleh penurunan potensial katodik, membombardir katoda dan melumpuhkan elektron darinya;

2) elektron dipercepat di bagian katoda dan mendapatkan energi yang cukup dan mengionisasi molekul gas. Banyak elektron dan ion positif terbentuk. Di wilayah yang membara, rekombinasi elektron dan ion yang intens terjadi, energi dilepaskan, yang sebagian digunakan untuk ionisasi tambahan. Elektron yang telah menembus ruang gelap Faraday secara bertahap mengakumulasi energi, sehingga kondisi yang diperlukan untuk keberadaan plasma muncul (tingkat ionisasi gas yang tinggi). Kolom positif adalah plasma pelepasan gas. Ini bertindak sebagai konduktor yang menghubungkan anoda ke bagian katoda. Cahaya kolom positif terutama disebabkan oleh transisi molekul tereksitasi ke keadaan dasar. Molekul gas yang berbeda memancarkan radiasi dengan panjang gelombang yang berbeda selama transisi tersebut. Oleh karena itu, pancaran kolom memiliki karakteristik warna masing-masing gas. Ini digunakan untuk membuat tabung bercahaya. Tabung neon memberikan cahaya merah, tabung argon memberikan warna hijau kebiruan.

pelepasan busur diamati pada tekanan normal dan tinggi. Dalam hal ini, arus mencapai puluhan dan ratusan ampere, dan tegangan melintasi celah gas turun menjadi beberapa puluh volt. Pelepasan semacam itu dapat diperoleh dari sumber tegangan rendah jika elektroda pertama-tama disatukan sampai bersentuhan. Pada titik kontak, elektroda dipanaskan dengan kuat karena panas Joule, dan setelah dilepaskan satu sama lain, katoda menjadi sumber elektron karena emisi termionik. Proses utama yang mendukung pelepasan adalah emisi termionik dari katoda dan ionisasi termal molekul karena suhu tinggi gas di celah interelektroda. Hampir seluruh ruang interelektroda diisi dengan plasma suhu tinggi. Ini berfungsi sebagai konduktor melalui mana elektron yang dipancarkan oleh katoda mencapai anoda. Suhu plasma ~6000 K. Suhu tinggi katoda dipertahankan dengan membombardirnya dengan ion positif. Pada gilirannya, anoda, di bawah aksi elektron cepat yang datang dari celah gas, memanas lebih kuat dan bahkan dapat meleleh, dan ceruk terbentuk di permukaannya - kawah - tempat paling terang dari busur. Busur listrik pertama kali diterima pada tahun 1802. Fisikawan Rusia V. Petrov (1761-1834), yang menggunakan dua potong batu bara sebagai elektroda. Elektroda karbon panas memberikan cahaya yang menyilaukan, dan di antara mereka muncul kolom terang dari gas bercahaya - busur listrik. Pelepasan busur digunakan sebagai sumber cahaya terang pada lampu sorot proyektor, serta untuk memotong dan mengelas logam. Ada pelepasan busur dengan katoda dingin. Elektron muncul karena emisi medan dari katoda, suhu gas rendah. Ionisasi molekul terjadi karena tumbukan elektron. Plasma pelepasan gas muncul di antara katoda dan anoda.

pelepasan percikan terjadi antara dua elektroda pada kekuatan medan listrik yang tinggi di antara mereka . Sebuah percikan melompat di antara elektroda, memiliki bentuk saluran bercahaya terang, menghubungkan kedua elektroda. Gas di dekat percikan dipanaskan hingga suhu tinggi, terjadi penurunan tekanan, yang mengarah pada munculnya gelombang suara, retakan yang khas.

Munculnya percikan didahului oleh pembentukan longsoran elektron dalam gas. Nenek moyang setiap longsoran adalah elektron yang berakselerasi dalam medan listrik yang kuat dan menghasilkan ionisasi molekul. Elektron yang dihasilkan, pada gilirannya, mempercepat dan menghasilkan ionisasi berikutnya, peningkatan longsoran jumlah elektron terjadi - salju longsor.

Ion positif yang dihasilkan tidak berperan signifikan, karena mereka tidak bergerak. Longsoran elektron berpotongan dan membentuk saluran konduksi pita, di mana elektron mengalir dari katoda ke anoda - ada kerusakan.

Petir adalah contoh pelepasan percikan yang kuat. Bagian berbeda dari awan petir membawa muatan tanda yang berbeda ("-" menghadap ke Bumi). Oleh karena itu, jika awan mendekati satu sama lain dengan bagian yang bermuatan berlawanan, percikan api terjadi di antara mereka. Beda potensial antara awan bermuatan dan Bumi adalah ~108 V.

Pelepasan percikan api digunakan untuk memulai ledakan dan proses pembakaran (lilin di mesin pembakaran internal), untuk mendaftarkan partikel bermuatan di penghitung percikan, untuk merawat permukaan logam, dll.

Pelepasan korona (koroner) terjadi antara elektroda yang memiliki kelengkungan yang berbeda (salah satu elektroda adalah kawat tipis atau titik). Dalam pelepasan korona, ionisasi dan eksitasi molekul terjadi tidak di seluruh ruang interelektroda, tetapi di dekat ujung, di mana intensitasnya tinggi dan melebihi E kerusakan. Pada bagian ini, gas berpijar, pancarannya berbentuk korona yang mengelilingi elektroda.

Plasma dan sifat-sifatnya

Plasma disebut gas terionisasi kuat, di mana konsentrasi muatan positif dan negatif hampir sama. Membedakan plasma suhu tinggi , yang terjadi pada suhu sangat tinggi, dan plasma pelepasan gas timbul dari pelepasan gas.

Plasma memiliki sifat-sifat berikut:

Tingkat ionisasi yang tinggi, dalam batas - ionisasi lengkap (semua elektron dipisahkan dari inti);

Konsentrasi partikel positif dan negatif dalam plasma praktis sama;

konduktivitas listrik yang tinggi;

binar;

Interaksi yang kuat dengan medan listrik dan magnet;

Osilasi elektron dalam plasma dengan frekuensi tinggi (>108 Hz), menyebabkan getaran umum plasma;

Interaksi simultan dari sejumlah besar partikel.

Pelepasan gas yang tidak mandiri pelepasan disebut, yang, setelah muncul di hadapan medan listrik, hanya dapat ada di bawah aksi ionizer eksternal.

Mari kita pertimbangkan proses fisik yang terjadi dalam pelepasan gas yang tidak mandiri. Mari kita perkenalkan sejumlah notasi: dilambangkan dengan jumlah molekul gas dalam volume yang dipelajari V. Konsentrasi molekul Beberapa molekul terionisasi. Mari kita menunjukkan jumlah ion dari tanda yang sama melalui N; konsentrasi mereka Selanjutnya, dilambangkan dengan dan aku- jumlah pasangan ion yang timbul di bawah aksi ionizer dalam satu detik per satuan volume gas.

Seiring dengan proses ionisasi dalam gas, terjadi rekombinasi ion. Probabilitas bertemunya dua ion dengan tanda yang berbeda sebanding dengan jumlah ion positif dan negatif, dan angka-angka ini, pada gilirannya, sama dengan n. Oleh karena itu, jumlah pasangan ion yang bergabung kembali per detik per satuan volume sebanding dengan n 2:

Oleh karena itu, untuk konsentrasi kesetimbangan ion (jumlah pasangan ion per satuan volume), diperoleh ekspresi berikut:

.

(8.2.3)

Skema percobaan dengan tabung pelepasan gas ditunjukkan pada Gambar 8.1.

Mari kita menganalisis lebih lanjut aksi medan listrik pada proses dalam gas terionisasi. Terapkan tegangan konstan ke elektroda. Ion positif akan menuju elektroda negatif, dan muatan negatif menuju elektroda positif. Dengan demikian, sebagian pembawa dari celah pelepasan gas akan menuju ke elektroda (arus listrik akan muncul di sirkuit). Biarkan volume satuan pergi setiap detik nj pasangan ion. Sekarang kondisi keseimbangan dapat direpresentasikan sebagai

(8.2.4)

1. Pertimbangkan kasusnya medan lemah: Sirkuit akan mengalir arus lemah. Kerapatan arus sebanding dengan besarnya konsentrasi pembawa n, mengenakan biaya q, yang dibawa oleh masing-masing pembawa dan kecepatan gerakan terarah ion positif dan negatif dan :

.

(8.2.5)

Kecepatan pergerakan ion yang terarah dinyatakan melalui mobilitas dan ketegangan Medan listrik:

Dalam medan lemah (), konsentrasi kesetimbangan sama dengan:.

Substitusikan ekspresi ini ke dalam (8.2.7):

(8.2.8)

Dalam ekspresi terakhir, faktor di tidak bergantung pada intensitas. Dilambangkan dengan , kita dapatkan Hukum Ohm dalam bentuk diferensial :

(8.2.9)

di mana - konduktivitas listrik spesifik.

Kesimpulan : dalam kasus medan listrik yang lemah, arus dengan pelepasan yang tidak mandiri mematuhi hukum Ohm.

2. Pertimbangkan medan yang kuat . Dalam hal ini, yaitu, semua ion yang dihasilkan meninggalkan celah pelepasan gas di bawah aksi medan listrik. Hal ini dijelaskan oleh fakta bahwa selama waktu yang dibutuhkan ion untuk terbang dalam medan kuat dari satu elektroda ke elektroda lainnya, ion-ion tersebut tidak memiliki waktu untuk bergabung kembali secara nyata. Oleh karena itu, semua ion yang dihasilkan oleh ionizer berpartisipasi dalam penciptaan arus dan menuju ke elektroda. Dan karena jumlah ion yang dihasilkan oleh ionizer per satuan waktu di aku, tidak bergantung pada kuat medan, maka rapat arus hanya akan ditentukan oleh nilai di aku dan tidak akan bergantung pada . Dengan kata lain, dengan peningkatan lebih lanjut dalam tegangan yang diberikan, arus berhenti meningkat dan tetap konstan.

Nilai maksimum arus di mana semua ion yang terbentuk masuk ke elektroda disebut arus saturasi.

Peningkatan lebih lanjut dalam kekuatan medan mengarah ke formasi longsoran salju elektron, ketika elektron yang muncul di bawah aksi ionizer memperoleh energi melalui jalur bebas rata-rata (dari tumbukan ke tumbukan) yang cukup untuk mengionisasi molekul gas (dampak ionisasi). Elektron sekunder yang muncul dalam kasus ini, setelah dipercepat, pada gilirannya, menghasilkan ionisasi, dll. - terjadi perkalian seperti longsoran ion primer dan elektron dibuat oleh ionizer eksternal dan debit amplifikasi saat ini.

Gambar 8.2 menunjukkan proses pembentukan longsoran.

Hasil yang diperoleh dapat digambarkan secara grafis (Gbr. 8.3) dalam bentuk karakteristik tegangan arus dari pelepasan gas yang tidak mandiri.

Kesimpulan : untuk debit non-berkelanjutan pada rapat arus rendah, yaitu ketika peran utama dalam hilangnya muatan dari celah pelepasan gas dimainkan oleh proses rekombinasi, hukum Ohm terjadi( ); untuk lapangan besar()Hukum Ohm tidak terpenuhi - saturasi terjadi, dan dengan medan yang melebihi - longsoran muatan terjadi, menyebabkan peningkatan yang signifikan dalam kerapatan arus.

Tidak seperti larutan elektrolit, gas dalam kondisi normal terdiri dari molekul netral (atau atom) dan karena itu merupakan isolator. Sebuah gas menjadi konduktor arus listrik hanya ketika setidaknya beberapa molekulnya terionisasi (berubah menjadi ion) di bawah pengaruh pengaruh eksternal (ionizer). Selama ionisasi, biasanya satu elektron terlepas dari molekul gas, akibatnya molekul tersebut menjadi ion positif. Elektron yang dikeluarkan entah tetap bebas untuk beberapa waktu, atau segera menempel (“menempel”) ke salah satu molekul gas netral, mengubahnya menjadi ion negatif. Jadi, dalam gas terionisasi ada ion positif dan negatif dan elektron bebas.

Untuk melumpuhkan satu elektron dari sebuah molekul (atom), pengion harus melakukan kerja tertentu, yang disebut kerja ionisasi; untuk sebagian besar gas, ia memiliki nilai mulai dari 5 hingga 25 eV. Sinar-X (lihat 125), radiasi radioaktif (lihat 139), sinar kosmik (lihat 145), pemanasan yang intens, sinar ultraviolet (lihat 120) dan beberapa faktor lain dapat berfungsi sebagai pengion gas.

Seiring dengan ionisasi dalam gas, terjadi proses rekombinasi ion. Akibatnya, keadaan setimbang terbentuk, ditandai dengan konsentrasi ion tertentu, yang nilainya tergantung pada kekuatan ionizer.

Di hadapan medan listrik eksternal dalam gas terionisasi, arus muncul karena pergerakan ion yang berlawanan dalam arah yang saling berlawanan dan pergerakan elektron.

Karena viskositas gas yang rendah, mobilitas ion gas ribuan kali lebih besar daripada mobilitas ion elektrolit, dan kira-kira

Ketika aksi ionizer berhenti, konsentrasi ion dalam gas dengan cepat turun ke nol (karena rekombinasi dan pemindahan ion ke elektroda sumber arus) dan arus berhenti. Arus, yang keberadaannya membutuhkan pengion eksternal, disebut pelepasan gas yang tidak mandiri.

Dengan medan listrik yang cukup kuat dalam gas, proses ionisasi sendiri dimulai, yang karenanya arus dapat ada bahkan tanpa adanya ionizer eksternal. Jenis arus ini disebut pelepasan gas independen.

Proses ionisasi diri secara umum adalah sebagai berikut. Dalam kondisi alami, gas selalu mengandung sejumlah kecil elektron dan ion bebas yang diciptakan oleh pengion alami seperti sinar kosmik dan radiasi dari zat radioaktif yang terkandung di atmosfer, tanah dan air. Medan listrik yang cukup kuat dapat mempercepat partikel-partikel ini ke kecepatan di mana energi kinetiknya melebihi kerja ionisasi. Kemudian elektron dan ion, bertabrakan (dalam perjalanan ke elektroda) dengan molekul netral, akan mengionisasi mereka. Elektron dan ion baru (sekunder) yang terbentuk selama tumbukan juga dipercepat oleh medan dan, pada gilirannya, mengionisasi molekul netral baru, dll. Ionisasi diri yang dijelaskan dari gas disebut ionisasi tumbukan.

Elektron bebas menyebabkan ionisasi tumbukan sudah pada kekuatan medan urutan besarnya. Adapun ion, mereka dapat menyebabkan ionisasi tumbukan hanya pada kekuatan medan urutan besarnya. Perbedaan ini disebabkan oleh beberapa alasan, khususnya, fakta bahwa untuk elektron jalur bebas rata-rata dalam gas jauh lebih panjang daripada ion. Oleh karena itu, elektron memperoleh energi kinetik yang diperlukan untuk ionisasi tumbukan pada kekuatan medan yang lebih rendah daripada ion. Namun, bahkan pada medan yang tidak terlalu kuat, ion positif memainkan peran yang sangat penting dalam ionisasi diri gas. Faktanya adalah bahwa energi ion-ion ini cukup untuk melumpuhkan elektron dari logam. Oleh karena itu, ion positif yang terdispersi oleh medan, mengenai katoda logam dari sumber medan, melumpuhkan elektron darinya, yang, pada gilirannya, dipercepat oleh medan dan menghasilkan ionisasi tumbukan molekul netral.

Ion dan elektron, yang energinya tidak cukup untuk ionisasi tumbukan, dapat, bagaimanapun, dalam tumbukan dengan molekul, membawa mereka ke keadaan tereksitasi, yaitu, menyebabkan beberapa perubahan energi pada kulit elektronnya. Molekul (atau atom) yang tereksitasi kemudian masuk ke keadaan normal, sambil memancarkan sebagian energi elektromagnetik - foton (proses

eksitasi atom dan emisi dan penyerapan foton oleh mereka akan dipertimbangkan dalam 132-136). Emisi foton dimanifestasikan dalam pancaran gas. Selain itu, foton yang diserap oleh molekul gas mana pun dapat mengionisasinya; ionisasi semacam ini disebut fotonik. Akhirnya, foton yang mengenai katoda dapat melumpuhkan elektron darinya (efek fotolistrik eksternal), yang kemudian menyebabkan ionisasi tumbukan pada molekul netral.

Sebagai akibat dari tumbukan dan ionisasi foton dan pelepasan elektron dari katoda oleh ion dan foton positif, jumlah ion dan elektron di seluruh volume gas meningkat tajam (seperti longsoran). Sebuah ionizer eksternal tidak lagi diperlukan untuk keberadaan arus dalam gas. Debit gas menjadi independen. Proses ionisasi diri gas yang dijelaskan secara skematis ditunjukkan pada Gambar. 208, di mana molekul netral digambarkan sebagai lingkaran putih, ion positif sebagai lingkaran dengan tanda tambah, elektron sebagai lingkaran hitam, dan foton sebagai garis bergelombang.

pada gambar. 209 adalah grafik eksperimental ketergantungan arus dalam gas pada kekuatan medan atau pada tegangan antara katoda dan anoda dari sumber medan, karena

dimana adalah jarak antara elektroda. Pada bagian kurva, arus meningkat kira-kira sebanding dengan kekuatan medan menurut hukum Ohm). Ini dijelaskan oleh fakta bahwa dengan peningkatan tegangan, kecepatan gerakan teratur ion dan elektron meningkat, dan, akibatnya, jumlah listrik yang mengalir ke elektroda (arus) dalam 1 detik. Jelas bahwa peningkatan arus akan berhenti ketika kekuatan medan mencapai nilai di mana semua ion dan elektron yang dibuat oleh ionizer eksternal dalam 1 s akan mendekati elektroda dalam waktu yang sama.

Gas pada suhu yang tidak terlalu tinggi dan pada tekanan yang mendekati atmosfer adalah isolator yang baik. Ini dijelaskan oleh fakta bahwa gas dalam kondisi normal terdiri dari atom dan molekul netral dan tidak mengandung muatan bebas (elektron dan ion). Gas menjadi konduktor listrik ketika beberapa molekulnya terionisasi, Untuk melakukan ini, gas harus dikenai tindakan semacam pengion (misalnya, menggunakan nyala lilin, radiasi ultraviolet dan sinar-X, g-kuanta, aliran elektron, proton, partikel-a, dll.) . Energi ionisasi atom dari berbagai gas terletak pada kisaran 4 - 25 eV. Dalam gas terionisasi, partikel bermuatan muncul yang dapat bergerak di bawah pengaruh medan listrik - ion positif dan negatif dan elektron bebas.

Aliran arus listrik melalui gas disebut pelepasan gas.

Bersamaan dengan proses ionisasi gas selalu terjadi dan proses sebaliknya - proses rekombinasi: ion positif dan negatif, ion positif dan elektron, bertemu, bergabung satu sama lain untuk membentuk atom dan molekul netral. Keseimbangan kecepatan mereka menentukan konsentrasi partikel bermuatan dalam gas. Proses rekombinasi ion, serta eksitasi ion yang tidak mengarah ke ionisasi, menyebabkan binar gas yang warnanya ditentukan oleh sifat-sifat gas tersebut.

Sifat pelepasan gas ditentukan oleh komposisi gas, suhu dan tekanannya, dimensi, konfigurasi dan bahan elektroda, tegangan yang diterapkan, kerapatan arus, dll.

Mari kita pertimbangkan sirkuit yang berisi celah gas yang mengalami aksi intensitas konstan dan kontinu dari ionizer eksternal.

Sebagai hasil dari ionisasi gas, arus akan mengalir di sirkuit, yang ketergantungannya pada tegangan yang diberikan diberikan pada Gambar.

Pada kurva OA arus meningkat sebanding dengan tegangan, yaitu, hukum Ohm terpenuhi. Dengan peningkatan tegangan lebih lanjut, hukum Ohm dilanggar: peningkatan kekuatan arus melambat (bagian AB) dan akhirnya berhenti sepenuhnya (bagian VS). Itu. kita mendapatkan arus saturasi, yang nilainya ditentukan oleh kekuatan ionizer.Hal ini dicapai ketika semua ion dan elektron yang dibuat oleh ionizer eksternal per satuan waktu mencapai elektroda dalam waktu yang sama. Jika dalam mode OS menghentikan aksi ionizer, maka debit juga berhenti. Muatan yang hanya ada di bawah aksi ionizer eksternal disebut bergantung. Dengan peningkatan lebih lanjut dalam tegangan antara elektroda, kekuatan arus awalnya lambat (bagian CD), dan kemudian dengan tajam (bagian DE) meningkat dan debit menjadi mandiri. Pelepasan dalam gas yang bertahan setelah penghentian aksi ionizer eksternal disebut mandiri.

Mekanisme terjadinya self-discharge adalah sebagai berikut. Pada tegangan tinggi, elektron yang timbul di bawah aksi ionizer eksternal, dipercepat dengan kuat oleh medan listrik, bertabrakan dengan molekul gas, mengionisasinya, menghasilkan pembentukan elektron sekunder dan ion positif. Ion positif bergerak menuju katoda dan elektron bergerak menuju anoda. Elektron sekunder kembali mengionisasi molekul gas, dan, akibatnya, jumlah total elektron dan ion akan meningkat ketika elektron bergerak menuju anoda seperti longsoran salju. Inilah penyebab kenaikan arus listrik di daerah tersebut CD. Proses yang dijelaskan disebut dampak ionisasi. Ionisasi tumbukan oleh elektron saja tidak cukup untuk mempertahankan pelepasan ketika ionizer eksternal dihilangkan. Untuk mempertahankan pelepasan, perlu bahwa longsoran elektron "bereproduksi", yaitu, elektron baru muncul dalam gas di bawah pengaruh beberapa proses. Ini terjadi pada tegangan yang signifikan antara elektroda celah gas, ketika longsoran ion positif bergegas ke katoda, yang menjatuhkan elektron darinya. Pada saat ini, selain longsoran elektron, ada juga longsoran ion, arus meningkat hampir tanpa meningkatkan tegangan (bagian DE pada Gambar.), yaitu pelepasan independen terjadi. Tegangan di mana self-discharge terjadi disebut tegangan tembus.

Perlu dicatat bahwa selama pelepasan gas, keadaan materi khusus, yang disebut plasma, terwujud. Plasma Gas yang sangat terionisasi disebut gas yang kerapatan muatan positif dan negatifnya hampir sama. Perbedaan dibuat antara plasma suhu tinggi, yang terjadi pada suhu sangat tinggi, dan plasma pelepasan gas, yang terjadi selama pelepasan gas. Plasma dicirikan oleh derajat ionisasi a - rasio jumlah partikel terionisasi dengan jumlah totalnya per satuan volume plasma. Tergantung pada nilai a, seseorang berbicara tentang plasma terionisasi lemah (a adalah pecahan persen), sedang (beberapa persen), dan sepenuhnya (mendekati 100%).

Ada empat jenis pelepasan diri: cahaya, percikan, busur dan korona.

1. Debit cahaya terjadi pada tekanan rendah. Jika tegangan konstan beberapa ratus volt diterapkan pada elektroda yang disolder ke dalam tabung gelas sepanjang 30 - 50 cm, secara bertahap memompa udara keluar dari tabung, maka pada tekanan ~ 5,3 - 6,7 kPa (beberapa mm Hg) terjadi pelepasan berupa seutas tali yang berkelok-kelok berwarna kemerahan yang mengalir dari katoda ke anoda. Dengan penurunan tekanan lebih lanjut (~ 13 Pa), debit memiliki struktur berikut.

Berbatasan langsung dengan katoda adalah lapisan tipis gelap 1 - ruang gelap aston, diikuti oleh lapisan bercahaya tipis 2 - cahaya katoda pertama atau film katoda, diikuti oleh lapisan gelap 3 - katoda (penjahat) ruang gelap, yang kemudian masuk ke lapisan bercahaya 4 - cahaya membara, yang memiliki batas tajam di sisi katoda, secara bertahap menghilang di sisi anoda. Itu muncul dari rekombinasi elektron dengan ion positif. Celah gelap berbatasan dengan cahaya yang membara 5- ruang gelap faraday, diikuti oleh kolom gas bercahaya terionisasi 6 - postingan positif. Kolom positif tidak memiliki peran yang signifikan dalam menjaga debit. Tegangan yang diberikan didistribusikan secara tidak merata di sepanjang debit. Hampir semua potensi penurunan terjadi pada tiga lapisan pertama dan disebut penurunan potensial katodik.

Mekanisme pembentukan lapisan adalah sebagai berikut. Ion positif di dekat katoda, dipercepat oleh penurunan potensial katodik, membombardir katoda dan menjatuhkan elektron darinya. Di ruang aston yang gelap, elektron mempercepat dan mengeksitasi molekul, yang mulai memancarkan cahaya, membentuk film katoda 2. Elektron yang terbang melalui film 2 tanpa tumbukan mengionisasi molekul gas di belakang film ini. Ada banyak muatan positif dan negatif. Dalam hal ini, intensitas cahaya berkurang. Daerah ini adalah ruang gelap katoda (Crookes) 3. Elektron yang muncul di ruang gelap katoda menembus ke dalam daerah 4 dari pancaran pijar, yang disebabkan oleh rekombinasinya dengan ion positif. Selanjutnya, elektron dan ion yang tersisa (hanya sedikit) menembus melalui difusi ke wilayah 5 - ruang gelap Faraday. Tampak gelap karena konsentrasi muatan rekombinasi rendah. Pada daerah 5 terdapat medan listrik yang mempercepat elektron dan pada daerah kolom positif 6 menghasilkan ionisasi sehingga terjadi pembentukan plasma. Cahaya kolom positif terutama disebabkan oleh transisi molekul tereksitasi ke keadaan dasar. Ini memiliki warna khas untuk setiap gas. Dalam pelepasan pijar, hanya tiga bagiannya yang sangat penting untuk pemeliharaannya - hingga pancaran cahaya. Di ruang gelap katoda, ada percepatan kuat elektron dan ion positif, menjatuhkan elektron dari katoda (emisi sekunder). Namun, di daerah yang membara, terjadi ionisasi tumbukan molekul gas oleh elektron. Ion positif yang terbentuk selama tumbukan ionisasi bergegas ke katoda dan mengeluarkan elektron baru darinya, yang, pada gilirannya, mengionisasi gas lagi, dll. Dengan cara ini, pelepasan cahaya terus dipertahankan.

Aplikasi dalam teknologi. Cahaya kolom positif, yang memiliki karakteristik warna masing-masing gas, digunakan dalam tabung pelepasan untuk membuat iklan (tabung pelepasan neon memberikan cahaya merah, yang argon - hijau kebiruan) dan pada lampu neon.

2. pelepasan percikan muncul pada kekuatan medan listrik yang tinggi (~3 10 b V/m) dalam gas di bawah tekanan atmosfer. Penjelasan tentang pelepasan percikan diberikan berdasarkan pita teori, yang menurutnya penampilan saluran percikan bercahaya terang didahului oleh munculnya akumulasi gas terionisasi yang samar-samar - pita. Pita muncul baik sebagai akibat dari pembentukan longsoran elektron melalui ionisasi tumbukan dan sebagai akibat dari ionisasi foton gas. Longsoran, saling mengejar, membentuk jembatan pita penghantar, di mana, pada saat-saat berikutnya, aliran elektron yang kuat mengalir deras, membentuk saluran pelepasan percikan. Karena pelepasan sejumlah besar energi selama proses yang dipertimbangkan, gas di celah percikan dipanaskan hingga suhu yang sangat tinggi (sekitar 10 4 o C), yang mengarah ke pancarannya. Pemanasan gas yang cepat menyebabkan peningkatan tekanan dan munculnya gelombang kejut, yang menjelaskan efek suara selama pelepasan percikan. Misalnya, berderak dalam pelepasan yang lemah dan gemuruh guntur yang kuat dalam kasus kilat.

Aplikasi dalam teknologi. Untuk menyalakan campuran yang mudah terbakar di mesin pembakaran internal dan melindungi saluran transmisi listrik dari lonjakan (spark gap).

3. pelepasan busur. Jika, setelah penyalaan pelepasan percikan dari sumber yang kuat, jarak antara elektroda secara bertahap berkurang, maka pelepasannya menjadi kontinu, mis. terjadi pelepasan busur. Dalam hal ini, arus meningkat tajam, mencapai ratusan ampere, dan tegangan melintasi celah pelepasan turun menjadi beberapa puluh volt. Pelepasan busur dapat diperoleh dari sumber tegangan rendah, melewati tahap percikan. Untuk melakukan ini, elektroda (misalnya, karbon) disatukan sampai bersentuhan, mereka sangat panas dengan arus listrik, kemudian berpisah dan busur listrik diperoleh. Pada tekanan atmosfer, pelepasan busur memiliki suhu ~3500 o C. Saat busur terbakar, depresi terbentuk pada anoda - kawah, yang merupakan tempat terpanas di busur. pelepasan busur dipertahankan karena emisi termionik yang intens dari katoda, serta ionisasi termal molekul karena suhu gas yang tinggi.

Aplikasi - untuk pengelasan dan pemotongan logam, memperoleh baja berkualitas tinggi (tungku busur) dan penerangan (lampu sorot, peralatan proyeksi).

4. pelepasan korona- pelepasan listrik tegangan tinggi pada tekanan tinggi (misalnya, atmosfer) di bidang yang sangat tidak homogen di dekat elektroda dengan kelengkungan permukaan yang besar (misalnya, titik). Ketika kekuatan medan di dekat ujung mencapai 30 kV/m, cahaya seperti korona muncul di sekitarnya, itulah alasan untuk nama jenis pelepasan ini. Fenomena ini pada zaman kuno disebut kebakaran St. Elmo. Tergantung pada tanda elektroda korona, korona negatif atau positif dibedakan.

Aplikasi - dalam presipitator elektrostatik yang digunakan untuk memurnikan gas industri dari kotoran, saat menerapkan pelapis bubuk dan cat.

Proses penetrasi arus melalui gas disebut pelepasan gas.

Arus dalam gas yang terjadi dengan adanya ionizer eksternal disebut bergantung .

Biarkan sepasang elektron dan ion dimasukkan ke dalam tabung selama beberapa waktu, dengan peningkatan tegangan antara elektroda tabung, kekuatan arus akan meningkat, ion positif mulai bergerak menuju katoda, dan elektron - menuju anoda.

Ada saatnya ketika semua partikel mencapai elektroda dan dengan peningkatan tegangan lebih lanjut, arus tidak akan berubah, jika ionizer berhenti bekerja, maka pelepasan juga akan berhenti, karena. tidak ada sumber ion lain, karena alasan ini pelepasan ion disebut tidak dapat bertahan sendiri.

Arus mencapai saturasinya.

Dengan peningkatan tegangan lebih lanjut, arus meningkat tajam, jika Anda melepaskan ionizer eksternal, pelepasan akan berlanjut: ion yang diperlukan untuk mempertahankan konduktivitas listrik gas sekarang dibuat oleh pelepasan itu sendiri. pelepasan gas yang berlanjut setelah penghentian ionizer eksternal disebut mandiri .

Tegangan di mana self-discharge terjadi disebut tegangan tembus .

Pelepasan gas independen dipertahankan oleh elektron yang dipercepat oleh medan listrik, mereka memiliki energi kinetik yang meningkat karena medan listrik. bidang.

Jenis debit sendiri:

1) membara

2) busur (busur listrik) - untuk pengelasan logam.

3) mahkota

4) percikan (petir)

Plasma. jenis plasma.

Dibawah plasma memahami gas terionisasi kuat di mana konsentrasi elektron sama dengan konsentrasi ion +.

Semakin tinggi suhu gas, semakin banyak ion dan elektron dalam plasma dan semakin sedikit atom netral.

Jenis plasma:

1) Plasma terionisasi sebagian

2) plasma terionisasi penuh (semua atom meluruh menjadi ion dan elektron).

3) Plasma suhu tinggi (T>100000 K)

4) plasma suhu rendah (T<100000 К)

Plasma Stva:

1) Plasma bersifat netral secara elektrik

2) Partikel plasma bergerak dengan mudah di bawah aksi medan

3) Memiliki konduktivitas listrik yang baik

4) Memiliki konduktivitas termal yang baik

Penggunaan praktis:

1) Konversi energi panas gas menjadi energi listrik menggunakan magnetohydrodynamic energy converter (MHD). Prinsip operasi:

Semburan plasma suhu tinggi memasuki medan magnet yang kuat (medan diarahkan tegak lurus terhadap bidang gambar X), ia dibagi menjadi partikel + dan -, yang bergegas ke pelat yang berbeda, menciptakan semacam perbedaan potensial.

2) Mereka digunakan dalam plasmatron (generator plasma), dengan bantuan mereka mereka memotong dan mengelas logam.

3) Semua bintang, termasuk Matahari, atmosfer bintang, nebula galaksi adalah plasma.

Bumi kita dikelilingi oleh cangkang plasma - ionosfir, di luarnya ada kutub radiasi yang mengelilingi Bumi kita, di dalamnya juga terdapat plasma.

Proses di plasma dekat Bumi disebabkan oleh badai magnet, aurora, dan juga di ruang angkasa ada angin plasma.

16. Arus listrik pada semikonduktor.

Semikonduktor adalah ve-va, di mana resistansi berkurang dengan meningkatnya t.

Semikonduktor menempati 4 subkelompok.

Contoh: Silikon adalah unsur 4-valensi - ini berarti bahwa pada kulit terluar suatu atom, terdapat 4 elektron yang terikat lemah pada inti atom, setiap atom membentuk 4 ikatan dengan tetangganya, ketika Si dipanaskan, kecepatan valensi e meningkat, dan karenanya energi kinematiknya (E k), kecepatan e menjadi begitu besar sehingga ikatan tidak tahan terhadap pemutusan t, e meninggalkan jalurnya dan menjadi bebas, di el. bidang mereka memindahkan m-y node dari kisi, membentuk el. saat ini. Ketika t meningkat, jumlah ikatan yang terputus meningkat, dan karenanya jumlah e yang terhubung meningkat, dan ini menyebabkan penurunan resistansi: I \u003d U / R.

Ketika ikatan putus, kekosongan terbentuk dengan e yang hilang; kristalnya tidak berubah. Proses berikut berlangsung terus menerus: salah satu atom yang memberikan ikatan melompat ke tempat lubang yang terbentuk dan ikatan uap-listrik dipulihkan di sini, dan dari mana ia melompat, lubang baru terbentuk. Dengan demikian, lubang dapat bergerak di seluruh kristal.

Kesimpulan: pada semikonduktor terdapat 2 jenis pembawa muatan yaitu e dan hole (konduktivitas lubang elektron)