LABORATÓRIO #2.5

"Estudo de uma descarga de gás usando um thyratron"

Objetivo: estudar os processos que ocorrem em gases durante a descarga não auto-sustentada e auto-sustentada em gases, estudar o princípio de funcionamento do tiratron, construir a corrente-tensão e as características de partida do tiratron.

PARTE TEÓRICA

Ionização de gases. Descarga de gás não auto-sustentada e auto-sustentada

Átomos e moléculas de gases em condições normais do dia-a-dia são eletricamente neutros, ou seja, não contêm portadores de carga livres, o que significa que, como uma lacuna de vácuo, eles não devem conduzir eletricidade. De fato, os gases sempre contêm uma certa quantidade de elétrons livres, íons positivos e negativos e, portanto, embora mal conduzam eletricidade. atual.

Os portadores de carga livre em um gás são geralmente formados como resultado da ejeção de elétrons da camada eletrônica de átomos de gás, ou seja, como resultado ionizacao gás. A ionização do gás é o resultado do impacto da energia externa: aquecimento, bombardeio de partículas (elétrons, íons, etc.), radiação eletromagnética (ultravioleta, raios X, radioativo, etc.). Neste caso, o gás localizado entre os eletrodos conduz uma corrente elétrica, que é chamada de descarga de gás. Poder fator ionizante ( ionizador) é o número de pares de portadores de carga com cargas opostas resultantes da ionização por unidade de volume de gás por unidade de tempo. Junto com o processo de ionização, há também um processo inverso - recombinação: a interação de partículas de carga oposta, como resultado da qual átomos ou moléculas eletricamente neutras aparecem e ondas eletromagnéticas são emitidas. Se a condutividade elétrica do gás requer a presença de um ionizador externo, essa descarga é chamada de dependente. Se o campo elétrico aplicado (EF) for suficientemente grande, então o número de portadores de carga livres formados como resultado da ionização por impacto devido ao campo externo é suficiente para manter uma descarga elétrica. Tal descarga não precisa de um ionizador externo e é chamada de independente.

Consideremos a característica corrente-tensão (CVC) de uma descarga de gás em um gás localizado entre os eletrodos (Fig. 1).

Com uma descarga de gás não auto-sustentada na região de campos elétricos fracos (I), o número de cargas formadas como resultado da ionização é igual ao número de cargas que se recombinam. Devido a este equilíbrio dinâmico, a concentração de portadores de carga livre no gás permanece praticamente constante e, como resultado, lei de Ohm (1):

Onde Eé a intensidade do campo elétrico; n- concentração; jé a densidade de corrente.

e ( ) são a mobilidade dos portadores de carga positiva e negativa, respectivamente;<υ > é a velocidade de deriva do movimento direcionado da carga.

Na região de alta EC (II), observa-se a saturação da corrente no gás (I), pois todos os portadores criados pelo ionizador participam da deriva direcionada, na criação da corrente.

Com um aumento adicional no campo (III), os portadores de carga (elétrons e íons), movendo-se a uma taxa acelerada, ionizam átomos neutros e moléculas de gás ( ionização de impacto), resultando na formação de portadores de carga adicionais e na formação avalanche eletrônica(elétrons são mais leves que íons e são significativamente acelerados no EP) – a densidade de corrente aumenta ( amplificação de gás). Quando o ionizador externo é desligado, a descarga de gás será interrompida devido aos processos de recombinação.

Como resultado desses processos, formam-se fluxos de elétrons, íons e fótons, o número de partículas cresce como uma avalanche, há um aumento acentuado da corrente praticamente sem amplificação do campo elétrico entre os eletrodos. Surge descarga de gás independente. A transição de uma descarga de gás inconsistente para uma independente é chamada de o email demolir, e a tensão entre os eletrodos , Onde d- a distância entre os eletrodos é chamada queda de tensão.

Para e-mail é necessário que os elétrons, ao longo de sua trajetória, tenham tempo para ganhar energia cinética que exceda o potencial de ionização das moléculas de gás, e por outro lado, que os íons positivos, ao longo de sua trajetória, tenham tempo para adquirir energia cinética maior que a função trabalho do material catódico. Como o caminho livre médio depende da configuração dos eletrodos, da distância entre eles d e do número de partículas por unidade de volume (e, consequentemente, da pressão), a ignição de uma descarga auto-sustentada pode ser controlada alterando-se a distância entre os eletrodos d com sua configuração inalterada, e alterando a pressão P. Se o trabalho Pd acaba por ser o mesmo, outras coisas sendo iguais, então a natureza do colapso observado deve ser a mesma. Essa conclusão foi refletida no experimento lei e (1889) alemão. física F. Pashen(1865–1947):

A tensão de ignição de uma descarga de gás para um determinado valor do produto da pressão do gás e a distância entre os eletrodos Pd é um valor constante característico de um determinado gás .

Existem vários tipos de auto-descarga.

discarga brilhante ocorre em baixas pressões. Se uma tensão constante de várias centenas de volts for aplicada aos eletrodos soldados em um tubo de vidro de 30 a 50 cm de comprimento, bombeando gradualmente o ar para fora do tubo, a uma pressão de 5,3 a 6,7 ​​kPa, ocorrerá uma descarga na forma de um feixe luminoso. tortuoso cordão avermelhado vindo de cátodo para ânodo. Com uma diminuição adicional da pressão, o filamento engrossa e, a uma pressão de » 13 Pa, a descarga tem a forma mostrada esquematicamente na Fig. 2.

Uma fina camada luminosa é anexada diretamente ao cátodo 1 - filme catódico , seguido por 2 - espaço escuro do cátodo , passando ainda mais para a camada luminosa 3 – brilho ardente , que tem um limite nítido no lado do cátodo, desaparecendo gradualmente no lado do ânodo. As camadas 1-3 formam a parte catódica da descarga luminosa. Segue o brilho ardente faraday espaço escuro 4. O resto do tubo é preenchido com gás luminoso - postagem positiva - 5.

O potencial varia de forma desigual ao longo do tubo (ver Fig. 2). Quase toda a queda de tensão ocorre nas primeiras seções da descarga, incluindo o espaço catódico escuro.

Os principais processos necessários para manter a descarga ocorrem em sua parte catódica:

1) íons positivos, acelerados pela queda do potencial catódico, bombardeiam o cátodo e eliminam elétrons dele;

2) os elétrons são acelerados na parte do cátodo e ganham energia suficiente e ionizam as moléculas do gás. Muitos elétrons e íons positivos são formados. Na região smoldering ocorre intensa recombinação de elétrons e íons, a energia é liberada, parte da qual vai para ionização adicional. Os elétrons que penetraram no espaço escuro de Faraday acumulam energia gradualmente, de modo que surgem as condições necessárias para a existência do plasma (um alto grau de ionização do gás). A coluna positiva é um plasma de descarga de gás. Ele atua como um condutor conectando o ânodo às partes do cátodo. O brilho da coluna positiva é causado principalmente por transições de moléculas excitadas para o estado fundamental. Moléculas de diferentes gases emitem radiação de diferentes comprimentos de onda durante essas transições. Portanto, o brilho da coluna tem uma cor característica de cada gás. Isto é usado para fazer tubos luminosos. Tubos de néon dão um brilho vermelho, tubos de argônio dão um verde azulado.

descarga de arco observada em pressões normais e elevadas. Nesse caso, a corrente atinge dezenas e centenas de amperes, e a tensão no intervalo de gás cai para várias dezenas de volts. Tal descarga pode ser obtida a partir de uma fonte de baixa tensão se os eletrodos forem primeiro aproximados até que se toquem. No ponto de contato, os eletrodos são fortemente aquecidos devido ao calor Joule e, após serem removidos um do outro, o cátodo torna-se uma fonte de elétrons devido à emissão termiônica. Os principais processos que suportam a descarga são a emissão termiônica do cátodo e a ionização térmica das moléculas devido à alta temperatura do gás no intervalo entre os eletrodos. Quase todo o espaço intereletrodo é preenchido com plasma de alta temperatura. Ele serve como um condutor através do qual os elétrons emitidos pelo cátodo chegam ao ânodo. A temperatura do plasma é ~6000 K. A alta temperatura do cátodo é mantida bombardeando-o com íons positivos. Por sua vez, o ânodo, sob a ação de elétrons rápidos incidentes sobre ele do intervalo de gás, aquece mais fortemente e pode até derreter, e um recesso é formado em sua superfície - uma cratera - o local mais brilhante do arco. Arco eletrico foi recebido pela primeira vez em 1802. O físico russo V. Petrov (1761–1834), que usou dois pedaços de carvão como eletrodos. Eletrodos de carbono quente deram um brilho deslumbrante, e entre eles apareceu uma coluna brilhante de gás luminoso - um arco elétrico. A descarga do arco é usada como fonte de luz brilhante em projetores, bem como para cortar e soldar metais. Há uma descarga de arco com um cátodo frio. Os elétrons aparecem devido à emissão de campo do cátodo, a temperatura do gás é baixa. A ionização de moléculas ocorre devido a impactos de elétrons. Um plasma de descarga de gás aparece entre o cátodo e o ânodo.

descarga de faísca ocorre entre dois eletrodos em uma alta intensidade de campo elétrico entre eles . Uma faísca salta entre os eletrodos, tendo a forma de um canal brilhantemente luminoso, conectando os dois eletrodos. O gás próximo à faísca é aquecido a uma alta temperatura, ocorre uma diferença de pressão, o que leva ao aparecimento de ondas sonoras, uma rachadura característica.

O aparecimento de uma faísca é precedido pela formação de avalanches de elétrons no gás. O ancestral de cada avalanche é um elétron acelerando em um forte campo elétrico e produzindo a ionização das moléculas. Os elétrons resultantes, por sua vez, aceleram e produzem a próxima ionização, ocorre um aumento avalanche no número de elétrons - avalanche.

Os íons positivos resultantes não desempenham um papel significativo, porque eles estão imóveis. Avalanches de elétrons se cruzam e formam um canal condutor flâmula, ao longo do qual os elétrons correm do cátodo para o ânodo - há demolir.

O relâmpago é um exemplo de uma descarga de faísca poderosa. Diferentes partes de uma nuvem de trovoada carregam cargas de diferentes sinais ("-" está de frente para a Terra). Portanto, se as nuvens se aproximarem com partes de cargas opostas, ocorre uma quebra de faísca entre elas. A diferença de potencial entre a nuvem carregada e a Terra é de ~10 8 V.

A descarga de faíscas é usada para iniciar explosões e processos de combustão (velas em motores de combustão interna), para registrar partículas carregadas em contadores de faíscas, para tratar superfícies metálicas, etc.

Descarga corona (coronária) ocorre entre eletrodos que possuem curvatura diferente (um dos eletrodos é um fio fino ou um ponto). Em uma descarga corona, a ionização e a excitação das moléculas não ocorrem em todo o espaço intereletrodo, mas perto da ponta, onde a intensidade é alta e excede E demolir. Nesta parte, o gás brilha, o brilho tem a forma de uma coroa em torno do eletrodo.

Plasma e suas propriedades

Plasmaé chamado de gás fortemente ionizado, no qual a concentração de cargas positivas e negativas é quase a mesma. Distinguir plasma de alta temperatura , que ocorre em temperaturas ultra-altas, e plasma de descarga de gás decorrentes da descarga de gases.

O plasma tem as seguintes propriedades:

Um alto grau de ionização, no limite - ionização completa (todos os elétrons são separados dos núcleos);

A concentração de partículas positivas e negativas no plasma é praticamente a mesma;

alta condutividade elétrica;

brilho;

Forte interação com campos elétricos e magnéticos;

Oscilações de elétrons no plasma com alta frequência (>10 8 Hz), causando uma vibração geral do plasma;

Interação simultânea de um grande número de partículas.

Descarga de gás não autossustentável é chamado de descarga, que, tendo surgido na presença de um campo elétrico, só pode existir sob a ação de um ionizador externo.

Consideremos os processos físicos que ocorrem em uma descarga de gás não autossustentável. Vamos introduzir uma série de notações: denotar pelo número de moléculas de gás no volume em estudo V. Concentração de moléculas Algumas das moléculas são ionizadas. Vamos denotar o número de íons de mesmo sinal através de N; sua concentração Em seguida, denotar por ∆ eu- o número de pares de íons que surgem sob a ação do ionizador em um segundo por unidade de volume de gás.

Junto com o processo de ionização no gás, ocorre a recombinação de íons. A probabilidade de encontrar dois íons de sinais diferentes é proporcional ao número de íons positivos e negativos, e esses números, por sua vez, são iguais a n. Portanto, o número de pares de íons recombinando por segundo por unidade de volume é proporcional a n 2:

Assim, para a concentração de íons de equilíbrio (o número de pares de íons por unidade de volume), a seguinte expressão é obtida:

.

(8.2.3)

O esquema do experimento com um tubo de descarga de gás é mostrado na Figura 8.1.

Analisemos ainda a ação do campo elétrico sobre os processos em gases ionizados. Aplique uma voltagem constante aos eletrodos. Os íons positivos serão direcionados para o eletrodo negativo e as cargas negativas para o eletrodo positivo. Assim, parte dos transportadores do intervalo de descarga de gás irá para os eletrodos (uma corrente elétrica aparecerá no circuito). Deixe o volume da unidade ir a cada segundo ∆nj par de íons. Agora a condição de equilíbrio pode ser representada como

(8.2.4)

1. Considere o caso campo fraco: O circuito fluirá corrente fraca. A densidade de corrente é proporcional em magnitude à concentração da portadora n, carregar q, transportado por cada portador e a velocidade do movimento direcionado de íons positivos e negativos e :

.

(8.2.5)

A velocidade do movimento direcionado de íons é expressa por mobilidade e tensão campo elétrico:

Em um campo fraco (), a concentração de equilíbrio é igual a:.

Substitua esta expressão em (8.2.7):

(8.2.8)

Na última expressão, o fator at não depende da intensidade. Denotando por σ, obtemos Lei de Ohm na forma diferencial :

(8.2.9)

Onde – condutividade elétrica específica.

Conclusão : no caso de campos elétricos fracos, a corrente com descarga não auto-sustentada obedece à lei de Ohm.

2. Considere campo forte . Neste caso, ou seja, todos os íons gerados deixam o gap de descarga de gás sob a ação de um campo elétrico. Isso é explicado pelo fato de que durante o tempo que um íon leva para voar em um campo forte de um eletrodo para outro, os íons não têm tempo para se recombinar visivelmente. Portanto, todos os íons produzidos pelo ionizador participam da criação de corrente e vão para os eletrodos. E como o número de íons gerados pelo ionizador por unidade de tempo ∆n i, não depende da intensidade do campo, então a densidade de corrente será determinada apenas pelo valor ∆n i e não vai depender. Em outras palavras, com um aumento adicional na tensão aplicada, a corrente para de aumentar e permanece constante.

O valor máximo da corrente em que todos os íons formados vão para os eletrodos é chamado de corrente de saturação.

Um aumento adicional na intensidade do campo leva à formação avalanches elétrons, quando os elétrons que surgiram sob a ação do ionizador adquirem energia no caminho livre médio (de colisão em colisão) suficiente para ionizar as moléculas de gás (ionização por impacto). Os elétrons secundários que surgiram neste caso, tendo acelerado, por sua vez, produzem ionização, etc. - ocorre multiplicação semelhante a uma avalanche de íons e elétrons primários criado por um ionizador externo e amplificação de corrente de descarga.

A Figura 8.2 mostra o processo de formação da avalanche.

Os resultados obtidos podem ser representados graficamente (Fig. 8.3) na forma de uma característica corrente-tensão de uma descarga de gás não auto-sustentável.

Conclusão : para uma descarga não auto-sustentada em baixas densidades de corrente, ou seja, quando o papel principal no desaparecimento de cargas do intervalo de descarga de gás é desempenhado pelo processo de recombinação, a lei de Ohm ocorre( ); para grandes campos()A lei de Ohm não é cumprida - ocorre saturação, e com campos excedendo - ocorre uma avalanche de cargas, causando um aumento significativo na densidade de corrente.

Ao contrário das soluções eletrolíticas, o gás em condições normais consiste em moléculas neutras (ou átomos) e, portanto, é um isolante. Um gás se torna um condutor de corrente elétrica somente quando pelo menos algumas de suas moléculas são ionizadas (transformadas em íons) sob a influência de uma influência externa (ionizador). Durante a ionização, geralmente um elétron escapa de uma molécula de gás, como resultado da qual a molécula se torna um íon positivo. O elétron ejetado permanece livre por algum tempo ou imediatamente se liga (“gruda”) a uma das moléculas de gás neutro, transformando-o em um íon negativo. Assim, em um gás ionizado existem íons positivos e negativos e elétrons livres.

Para eliminar um elétron de uma molécula (átomo), o ionizador deve realizar um certo trabalho, chamado trabalho de ionização; para a maioria dos gases, tem valores que variam de 5 a 25 eV. Raios-X (ver § 125), radiação radioativa (ver § 139), raios cósmicos (ver § 145), aquecimento intenso, raios ultravioleta (ver § 120) e alguns outros fatores podem servir como ionizadores de gás.

Junto com a ionização no gás, há um processo de recombinação de íons. Como resultado, um estado de equilíbrio é estabelecido, caracterizado por uma certa concentração de íons, cujo valor depende da potência do ionizador.

Na presença de um campo elétrico externo em um gás ionizado, surge uma corrente devido ao movimento de íons opostos em direções mutuamente opostas e ao movimento de elétrons.

Devido à baixa viscosidade do gás, a mobilidade dos íons gasosos é milhares de vezes maior que a dos íons eletrólitos, e é aproximadamente

Quando a ação do ionizador cessa, a concentração de íons no gás cai rapidamente para zero (devido à recombinação e a remoção de íons para os eletrodos da fonte de corrente) e a corrente para. A corrente, cuja existência requer um ionizador externo, é chamada de descarga de gás não autossustentável.

Com um campo elétrico suficientemente forte no gás, iniciam-se os processos de auto-ionização, devido aos quais a corrente pode existir mesmo na ausência de um ionizador externo. Esse tipo de corrente é chamado de descarga de gás independente.

Os processos de auto-ionização em termos gerais são os seguintes. Sob condições naturais, um gás sempre contém uma pequena quantidade de elétrons e íons livres criados por ionizadores naturais como raios cósmicos e radiação de substâncias radioativas contidas na atmosfera, solo e água. Um campo elétrico suficientemente forte pode acelerar essas partículas a velocidades em que sua energia cinética excede o trabalho de ionização. Então os elétrons e íons, colidindo (no caminho para os eletrodos) com moléculas neutras, irão ionizá-los. Novos elétrons e íons (secundários) formados durante as colisões também são acelerados pelo campo e, por sua vez, ionizam novas moléculas neutras, etc. A auto-ionização descrita de um gás é chamada de ionização por impacto.

Elétrons livres causam ionização por impacto já em uma força de campo da ordem de magnitude. Quanto aos íons, eles podem causar ionização por impacto apenas em uma força de campo da ordem de magnitude. Essa diferença se deve a uma série de razões, em particular, a fato de que, para os elétrons, o caminho livre médio em um gás é muito maior do que para os íons. Portanto, os elétrons adquirem a energia cinética necessária para a ionização de impacto em forças de campo mais baixas do que os íons. No entanto, mesmo em campos que não são muito fortes, os íons positivos desempenham um papel muito importante na auto-ionização do gás. O fato é que a energia desses íons é suficiente para eliminar os elétrons do metal. Portanto, os íons positivos acelerados pelo campo, atingindo o cátodo metálico da fonte de campo, eliminam elétrons dele, que por sua vez são acelerados pelo campo e produzem ionização por impacto de moléculas neutras.

Íons e elétrons, cuja energia é insuficiente para a ionização por impacto, podem, no entanto, em colisão com as moléculas, levá-las a um estado excitado, ou seja, causar algumas mudanças de energia em suas camadas eletrônicas. A molécula excitada (ou átomo) então entra em um estado normal, enquanto emite uma porção de energia eletromagnética - um fóton (processa

excitação de átomos e emissão e absorção de fótons por eles serão considerados nos § 132-136). A emissão de fótons se manifesta no brilho do gás. Além disso, um fóton absorvido por qualquer uma das moléculas do gás pode ionizá-lo; esse tipo de ionização é chamado fotônico. Finalmente, um fóton que atinge o cátodo pode eliminar um elétron dele (efeito fotoelétrico externo), o que causa a ionização por impacto da molécula neutra.

Como resultado do impacto e ionização de fótons e a eliminação de elétrons do cátodo por íons e fótons positivos, o número de íons e elétrons em todo o volume de gás aumenta acentuadamente (semelhante a uma avalanche). Um ionizador externo não é mais necessário para a existência de uma corrente em um gás. A descarga de gás torna-se independente. O processo descrito de auto-ionização de gás é mostrado esquematicamente na Fig. 208, onde moléculas neutras são representadas como círculos brancos, íons positivos como círculos com um sinal de mais, elétrons como círculos pretos e fótons como linhas onduladas.

Na fig. 209 é um gráfico experimental da dependência da corrente no gás da intensidade do campo ou da tensão entre o cátodo e o ânodo da fonte de campo, uma vez que

onde é a distância entre os eletrodos. Na seção da curva, a corrente aumenta aproximadamente em proporção à intensidade do campo de acordo com a lei de Ohm). Isso é explicado pelo fato de que com o aumento da tensão, a velocidade do movimento ordenado de íons e elétrons aumenta e, consequentemente, a quantidade de eletricidade que passa para os eletrodos (corrente) em 1 s. Obviamente, o aumento da corrente parará quando a intensidade do campo atingir um valor no qual todos os íons e elétrons criados pelo ionizador externo em 1 s se aproximarão dos eletrodos ao mesmo tempo.

Gases em temperaturas não muito altas e em pressões próximas à atmosférica são bons isolantes. Isso é explicado pelo fato de que os gases em condições normais consistem em átomos e moléculas neutras e não contêm cargas livres (elétrons e íons). Um gás se torna um condutor de eletricidade quando algumas de suas moléculas ionizado, Para isso, o gás deve ser submetido à ação de algum tipo de ionizador (por exemplo, usando a chama de uma vela, radiação ultravioleta e de raios X, g-quanta, fluxos de elétrons, prótons, partículas a, etc.) . A energia de ionização dos átomos de vários gases está na faixa de 4 a 25 eV. Em um gás ionizado, aparecem partículas carregadas que podem se mover sob a influência de um campo elétrico - íons positivos e negativos e elétrons livres.

A passagem de corrente elétrica através de gases é chamada de descarga de gás.

Simultaneamente ao processo ionizacao gás está sempre acontecendo e o processo inverso - processo de recombinação: íons positivos e negativos, íons positivos e elétrons, encontrando-se, combinam-se para formar átomos e moléculas neutras. O equilíbrio de suas velocidades determina a concentração de partículas carregadas no gás. Os processos de recombinação de íons, bem como a excitação de íons que não levam à ionização, levam a brilho gás cuja cor é determinada pelas propriedades do gás.

A natureza da descarga de gás é determinada pela composição do gás, sua temperatura e pressão, dimensões, configuração e material dos eletrodos, tensão aplicada, densidade de corrente, etc.

Consideremos um circuito contendo um gap de gás submetido à ação contínua e de intensidade constante de um ionizador externo.

Como resultado da ionização do gás, uma corrente fluirá no circuito, cuja dependência da tensão aplicada é dada na Fig.

Na curva OA a corrente aumenta proporcionalmente à tensão, ou seja, a lei de Ohm é cumprida. Com um aumento adicional na tensão, a lei de Ohm é violada: o aumento na intensidade da corrente diminui (seção AB) e finalmente para completamente (seção VS). Aqueles. obtemos uma corrente de saturação, cujo valor é determinado pela potência do ionizador, quando todos os íons e elétrons criados pelo ionizador externo por unidade de tempo chegam aos eletrodos ao mesmo tempo. Se estiver no modo SO parar a ação do ionizador, então a descarga também pára. Descargas que existem apenas sob a ação de ionizadores externos são chamadas de dependente. Com um aumento adicional na tensão entre os eletrodos, a intensidade da corrente é inicialmente lenta (seção CD), e depois bruscamente (secção DE) aumenta e a descarga torna-se independente. A descarga no gás que persiste após o término da ação do ionizador externo é chamada independente.

O mecanismo para a ocorrência de auto-descarga é o seguinte. Em altas tensões, os elétrons que surgem sob a ação de um ionizador externo, fortemente acelerado por um campo elétrico, colidindo com as moléculas do gás, ionizam-nas, resultando na formação de elétrons secundários e íons positivos. Os íons positivos se movem em direção ao cátodo e os elétrons se movem em direção ao ânodo. Os elétrons secundários novamente ionizam as moléculas do gás e, consequentemente, o número total de elétrons e íons aumentará à medida que os elétrons se movem em direção ao ânodo como uma avalanche. Esta é a razão para o aumento da corrente elétrica na área CD. O processo descrito é chamado ionização de impacto. A ionização de impacto por elétrons por si só não é suficiente para manter a descarga quando o ionizador externo é removido. Para manter a descarga, é necessário que as avalanches de elétrons “se reproduzam”, ou seja, que novos elétrons surjam no gás sob a influência de alguns processos. Isso ocorre em tensões significativas entre os eletrodos do intervalo de gás, quando avalanches de íons positivos correm para o cátodo, que expulsa os elétrons dele. Neste momento, quando, além das avalanches de elétrons, há também avalanches de íons, a corrente aumenta quase sem aumentar a tensão (seção DE na Fig.), i.e. ocorre uma descarga independente. A tensão na qual ocorre a autodescarga é chamada de queda de tensão.

Deve-se notar que durante uma descarga em gases, um estado especial da matéria, chamado plasma, é realizado. Plasma Um gás altamente ionizado é chamado de gás no qual as densidades de cargas positivas e negativas são quase as mesmas. É feita uma distinção entre plasma de alta temperatura, que ocorre em temperaturas ultra-altas, e plasma de descarga de gás, que ocorre durante uma descarga de gás. O plasma é caracterizado pelo grau de ionização a - a razão entre o número de partículas ionizadas e seu número total por unidade de volume do plasma. Dependendo do valor de a, fala-se de plasma fracamente (a é frações de um por cento), moderadamente (vários por cento) e totalmente (perto de 100%) de plasma ionizado.

Existem quatro tipos de auto-descarga: brilho, faísca, arco e corona.

1. Descarga de brilho ocorre em baixas pressões. Se uma tensão constante de várias centenas de volts for aplicada aos eletrodos soldados em um tubo de vidro de 30 a 50 cm de comprimento, bombeando gradualmente o ar para fora do tubo, a uma pressão de ~ 5,3 a 6,7 ​​kPa (vários mm Hg) ocorrerá uma descarga na forma de um cordão de enrolamento avermelhado luminoso que vai do cátodo ao ânodo. Com uma diminuição adicional da pressão (~13 Pa), a descarga tem a seguinte estrutura.

Diretamente adjacente ao cátodo há uma fina camada escura 1 - aston espaço escuro, seguido por uma fina camada luminosa 2 - primeiro brilho catódico ou filme catódico, seguido por uma camada escura 3 - cátodo (tortos) espaço escuro, que depois passa para a camada luminosa 4 - brilho ardente, que tem um limite nítido no lado do cátodo, desaparecendo gradualmente no lado do ânodo. Ele surge da recombinação de elétrons com íons positivos. Uma lacuna escura faz fronteira com um brilho latente 5- faraday espaço escuro, seguido por uma coluna de gás luminoso ionizado 6 - postagem positiva. A coluna positiva não tem papel significativo na manutenção da descarga. A tensão aplicada é distribuída de forma desigual ao longo da descarga. Quase toda a queda potencial ocorre nas três primeiras camadas e é chamada de queda de potencial catódico.

O mecanismo de formação da camada é o seguinte. Íons positivos próximos ao cátodo, acelerados pela queda do potencial catódico, bombardeiam o cátodo e expulsam elétrons dele. No espaço escuro aston, os elétrons aceleram e excitam as moléculas, que começam a emitir luz, formando um filme catódico 2. Os elétrons voando pelo filme 2 sem colisões ionizam as moléculas de gás atrás deste filme. Existem muitas cargas positivas e negativas. Neste caso, a intensidade do brilho diminui. Esta área é o espaço escuro do cátodo (Crookes) 3. Os elétrons que surgiram no espaço escuro do cátodo penetram na área 4 do brilho incandescente, devido à sua recombinação com íons positivos. Além disso, os elétrons e íons restantes (são poucos) penetram por difusão na região 5 - o espaço escuro de Faraday. Parece escuro porque a concentração de cargas de recombinação é baixa. Na área 5 existe um campo elétrico que acelera os elétrons e na área da coluna positiva 6 eles produzem ionização, resultando na formação de plasma. O brilho da coluna positiva é principalmente devido às transições de moléculas excitadas para o estado fundamental. Tem uma cor característica para cada gás. Em uma descarga incandescente, apenas três de suas partes são de particular importância para sua manutenção - até o brilho incandescente. No espaço escuro do cátodo, há uma forte aceleração de elétrons e íons positivos, eliminando elétrons do cátodo (emissão secundária). Na região de combustão lenta, no entanto, ocorre a ionização por impacto de moléculas de gás por elétrons. Os íons positivos formados durante a ionização de impacto correm para o cátodo e eliminam novos elétrons dele, que, por sua vez, ionizam novamente o gás, etc. Desta forma, uma descarga de brilho é mantida continuamente.

Aplicação em tecnologia. O brilho da coluna positiva, que tem uma cor característica de cada gás, é usado em tubos de descarga para criar propagandas (tubos de descarga de néon dão um brilho vermelho, tubos de argônio - verde-azulado) e em lâmpadas fluorescentes.

2. descarga de faísca surge em altas intensidades de campo elétrico (~3 10 b V/m) em um gás sob pressão atmosférica. A explicação da descarga de faísca é dada com base em flâmula teoria, segundo a qual o aparecimento de um canal de faísca brilhantemente luminoso é precedido pelo aparecimento de acumulações fracamente luminosas de gás ionizado - serpentinas. Os streamers surgem tanto como resultado da formação de avalanches de elétrons por ionização de impacto quanto como resultado da ionização de fótons de um gás. As avalanches, perseguindo-se umas às outras, formam pontes condutoras de serpentinas, ao longo das quais, nos momentos seguintes, poderosos fluxos de elétrons se precipitam, formando canais de descarga de faíscas. Devido à liberação de uma grande quantidade de energia durante os processos considerados, o gás no centelhador é aquecido a uma temperatura muito alta (cerca de 10 4 o C), o que leva ao seu brilho. O rápido aquecimento do gás leva a um aumento da pressão e ao aparecimento de ondas de choque, que explicam os efeitos sonoros durante uma descarga de faísca. Por exemplo, crepitação em descargas fracas e estrondos poderosos de trovão no caso de relâmpagos.

Aplicação em tecnologia. Para acender a mistura combustível em motores de combustão interna e proteger linhas de transmissão elétrica de surtos (faíscas).

3. descarga de arco. Se, após a ignição de uma descarga de faísca de uma fonte poderosa, a distância entre os eletrodos for gradualmente reduzida, a descarga se tornará contínua, ou seja, ocorre a descarga do arco. Nesse caso, a corrente aumenta acentuadamente, atingindo centenas de amperes, e a tensão no intervalo de descarga cai para várias dezenas de volts. Uma descarga de arco pode ser obtida a partir de uma fonte de baixa tensão, ignorando o estágio de faísca. Para fazer isso, os eletrodos (por exemplo, os de carbono) são aproximados até se tocarem, ficam muito quentes com uma corrente elétrica, depois são separados e um arco elétrico é obtido. À pressão atmosférica, a descarga do arco tem uma temperatura de ~3500 o C. À medida que o arco queima, forma-se uma depressão no ânodo - uma cratera, que é o local mais quente do arco. a descarga do arco é mantida devido à intensa emissão termiônica do cátodo, bem como a ionização térmica das moléculas devido à alta temperatura do gás.

Aplicação - para soldagem e corte de metais, obtenção de aços de alta qualidade (forno a arco) e iluminação (holofotes, equipamentos de projeção).

4. descarga corona- descarga elétrica de alta tensão a alta pressão (por exemplo, atmosférica) em um campo nitidamente não homogêneo próximo a eletrodos com grande curvatura de superfície (por exemplo, pontos). Quando a intensidade do campo próximo à ponta atinge 30 kV/m, um brilho tipo corona aparece ao seu redor, daí o nome desse tipo de descarga. Este fenômeno foi nos tempos antigos chamado de fogos de St. Elmo. Dependendo do sinal do eletrodo corona, uma corona negativa ou positiva é distinguida.

Aplicação - em precipitadores eletrostáticos utilizados para purificar gases industriais de impurezas, na aplicação de revestimentos em pó e tintas.

O processo de corrente que penetra através de um gás é chamado de descarga de gás.

A corrente no gás que ocorre na presença de um ionizador externo é chamada de dependente .

Deixe um par de elétrons e íons entrar no tubo por algum tempo, com um aumento na tensão entre os eletrodos do tubo, a força da corrente aumentará, os íons positivos começam a se mover em direção ao cátodo e os elétrons - em direção ao ânodo.

Chega um momento em que todas as partículas atingem os eletrodos e com um aumento adicional na tensão, a força da corrente não muda, se o ionizador parar de funcionar, a descarga também parará, porque. não existem outras fontes de íons, por isso a descarga de íons é chamada de não auto-sustentável.

A corrente atinge sua saturação.

Com um aumento adicional na tensão, a corrente aumenta acentuadamente, se você remover o ionizador externo, a descarga continuará: os íons necessários para manter a condutividade elétrica do gás agora são criados pela própria descarga. descarga de gás que continua após o término do ionizador externo é chamado independente .

A tensão na qual ocorre a autodescarga é chamada de queda de tensão .

Uma descarga de gás independente é mantida por elétrons acelerados por um campo elétrico, eles têm uma energia cinética que aumenta devido ao campo elétrico. Campos.

Tipos de auto-descarga:

1) fumegante

2) arco (arco elétrico) - para soldagem de metal.

3) coroa

4) faísca (relâmpago)

Plasma. Tipos de plasma.

Debaixo plasma entender um gás fortemente ionizado em que a concentração de elétrons é igual à concentração de íons +.

Quanto maior a temperatura do gás, mais íons e elétrons no plasma e menos átomos neutros.

Tipos de plasma:

1) Plasma parcialmente ionizado

2) plasma totalmente ionizado (todos os átomos decaíram em íons e elétrons).

3) Plasma de alta temperatura (T>100.000 K)

4) plasma de baixa temperatura (T<100000 К)

Plasma St-va:

1) O plasma é eletricamente neutro

2) As partículas de plasma se movem facilmente sob a ação do campo

3) Tenha boa condutividade elétrica

4) Tenha boa condutividade térmica

Uso pratico:

1) Conversão de energia térmica de gás em energia elétrica usando um conversor de energia magnetohidrodinâmico (MHD). Princípio de funcionamento:

Um jato de plasma de alta temperatura entra em um forte campo magnético (o campo é direcionado perpendicularmente ao plano de desenho X), é dividido em partículas + e -, que correm para diferentes placas, criando algum tipo de diferença de potencial.

2) Eles são usados ​​em plasmatrons (geradores de plasma), com a ajuda deles cortam e soldam metais.

3) Todas as estrelas, incluindo o Sol, atmosferas estelares, nebulosas galácticas são plasma.

Nossa Terra é cercada por uma concha de plasma - ionosfera, fora dos quais existem pólos de radiação que circundam nossa Terra, nos quais também há plasma.

Os processos no plasma próximo à Terra são causados ​​por tempestades magnéticas, auroras e também no espaço há ventos de plasma.

16. Corrente elétrica em semicondutores.

Os semicondutores são ve-va, nos quais a resistência diminui com o aumento de t.

Os semicondutores ocupam 4 subgrupos.

Exemplo: O silício é um elemento de 4 valências - isso significa que na camada externa de um átomo, existem 4 elétrons fracamente ligados ao núcleo, cada átomo forma 4 ligações com seus vizinhos, quando o Si é aquecido, a velocidade de valência e aumenta e, portanto, sua energia cinemática (E k), a velocidade e torna-se tão grande que as ligações não resistem à ruptura, e saem de seus caminhos e ficam livres, em el. o campo eles movem m-y nós da rede, formando el. atual. À medida que t aumenta, o número de ligações quebradas aumenta e, portanto, o número de e conectado aumenta, e isso leva a uma diminuição da resistência: I \u003d U / R.

Quando a ligação é quebrada, uma vacância é formada com o e ausente; seu cristal não é inalterado. O seguinte processo ocorre continuamente: um dos átomos que fornece a ligação salta para o local do buraco formado e a ligação vapor-elétrica é restaurada aqui, e de onde saltou, um novo buraco é formado. Assim, o buraco pode se mover por todo o cristal.

Conclusão: em semicondutores existem 2 tipos de portadores de carga: e e buracos (condutividade elétron-buraco)