LAB #2.5

„Studiul unei descărcări de gaz folosind un tiratron”

Obiectiv: să studieze procesele care au loc în gaze în timpul descărcării neauto-susținute și auto-susținute în gaze, să studieze principiul de funcționare al tiratronului, să construiască caracteristicile curent-tensiune și de pornire ale tiratronului.

PARTEA TEORETICĂ

Ionizarea gazelor. Descărcare de gaz neauto-susținută și autonomă

Atomii și moleculele de gaze în condiții normale de zi cu zi sunt neutre din punct de vedere electric, adică. nu conțin purtători de încărcare gratuită, ceea ce înseamnă că, ca un spațiu de vid, nu ar trebui să conducă electricitatea. De fapt, gazele conțin întotdeauna o anumită cantitate de electroni liberi, ioni pozitivi și negativi și, prin urmare, deși slab, conduc electricitatea. actual.

Purtătorii de sarcină liberi dintr-un gaz se formează de obicei ca urmare a ejecției electronilor din învelișul de electroni a atomilor de gaz, adică. ca urmare ionizare gaz. Ionizarea gazelor este rezultatul impactului energetic extern: încălzire, bombardament cu particule (electroni, ioni etc.), radiații electromagnetice (ultraviolete, raze X, radioactive etc.). În acest caz, gazul situat între electrozi conduce un curent electric, care se numește evacuarea gazelor. Putere factor de ionizare ( ionizator) este numărul de perechi de purtători de sarcină cu încărcare opusă rezultate din ionizare per unitate de volum de gaz pe unitate de timp. Alături de procesul de ionizare, există și un proces invers - recombinare: interacțiunea particulelor încărcate opus, în urma căreia apar atomi sau molecule neutre din punct de vedere electric și sunt emise unde electromagnetice. Dacă conductivitatea electrică a gazului necesită prezența unui ionizator extern, atunci o astfel de descărcare se numește dependent. Dacă câmpul electric aplicat (EF) este suficient de mare, atunci numărul de purtători de sarcină liberi formați ca urmare a ionizării prin impact datorat câmpului extern este suficient pentru a menține o descărcare electrică. O astfel de descărcare nu are nevoie de un ionizator extern și se numește independent.

Să luăm în considerare caracteristica curent-tensiune (CVC) a unei descărcări de gaz într-un gaz situat între electrozi (Fig. 1).

Cu o descărcare de gaz neauto-susținută în regiunea câmpurilor electrice slabe (I), numărul de sarcini formate ca urmare a ionizării este egal cu numărul de sarcini care se recombină unele cu altele. Datorită acestui echilibru dinamic, concentrația purtătorilor liberi de sarcină în gaz rămâne practic constantă și, ca urmare, Legea lui Ohm (1):

Unde E este intensitatea câmpului electric; n– concentrare; j este densitatea de curent.

și ( ) sunt mobilitatea purtătorilor de sarcină pozitivă, respectiv negativă;<υ > este viteza de derive a mișcării direcționate a sarcinii.

În regiunea EC ridicată (II), se observă saturația curentului în gazul (I), deoarece toți purtătorii creați de ionizator participă la deriva direcționată, la crearea curentului.

Cu o creștere suplimentară a câmpului (III), purtătorii de sarcină (electroni și ioni), care se deplasează cu o rată accelerată, ionizează atomii neutri și moleculele de gaz ( ionizare de impact), având ca rezultat formarea de purtători de sarcină suplimentari și formarea avalanșă electronică(electronii sunt mai ușori decât ionii și sunt accelerați semnificativ în EP) – densitatea de curent crește ( amplificare cu gaz). Când ionizatorul extern este oprit, descărcarea de gaz se va opri din cauza proceselor de recombinare.

Ca urmare a acestor procese, se formează fluxuri de electroni, ioni și fotoni, numărul de particule crește ca o avalanșă, există o creștere bruscă a curentului, practic fără amplificarea câmpului electric dintre electrozi. Apare descărcare independentă de gaz. Se numește trecerea de la o descărcare de gaz inconsistentă la una independentă e-mail dărâma, și tensiunea dintre electrozi , Unde d- se numeste distanta dintre electrozi tensiunea de avarie.

Pentru e-mail defalcare, este necesar ca electronii, de-a lungul drumului lor, să aibă timp să câștige energie cinetică care depășește potențialul de ionizare al moleculelor de gaz și, pe de altă parte, ca ionii pozitivi, pe parcursul lor, să aibă timp să dobândească energie cinetică mai mare decât funcția de lucru a materialului catodic. Deoarece calea liberă medie depinde de configurația electrozilor, distanța dintre aceștia d și numărul de particule pe unitate de volum (și, în consecință, de presiune), aprinderea unei descărcări auto-susținute poate fi controlată prin schimbarea distanța dintre electrozi d cu configurația lor neschimbată și schimbarea presiunii P. Dacă lucrarea Pd se dovedește a fi același, celelalte lucruri fiind egale, atunci natura defecțiunii observate ar trebui să fie aceeași. Această concluzie a fost reflectată în experiment lege e (1889) germană. fizică F. Pashen(1865–1947):

Tensiunea de aprindere a unei descărcări de gaz pentru o valoare dată a produsului presiunii gazului și distanța dintre electrozi Pd este o valoare constantă caracteristică unui gaz dat. .

Există mai multe tipuri de autodescărcare.

descărcare strălucitoare apare la presiuni joase. Dacă se aplică o tensiune constantă de câteva sute de volți electrozilor lipiți într-un tub de sticlă lung de 30–50 cm, pompând treptat aerul din tub, atunci la o presiune de 5,3–6,7 kPa are loc o descărcare sub formă de lumină luminoasă. cordon roșcat sinuos care vine de la catod la anod. Odată cu o scădere suplimentară a presiunii, filamentul se îngroașă, iar la o presiune de » 13 Pa, descărcarea are forma prezentată schematic în Fig. 2.

Un strat subțire luminos este atașat direct la catodul 1 - film catodic , urmat de 2 - catod spatiu intunecat , trecând mai departe în stratul luminos 3 – strălucire mocnitoare , care are o limită ascuțită pe partea catodului, dispărând treptat pe partea anodului. Straturile 1-3 formează partea catodică a descărcării strălucitoare. Urmează strălucirea mocnitoare Faraday spațiu întunecat 4. Restul tubului este umplut cu gaz luminos - post pozitiv - 5.

Potențialul variază neuniform de-a lungul tubului (vezi Fig. 2). Aproape întreaga cădere de tensiune are loc în primele secțiuni ale descărcării, inclusiv spațiul catodic întunecat.

Principalele procese necesare pentru a menține descărcarea au loc în partea sa catodică:

1) ionii pozitivi, accelerați de scăderea potențialului catodic, bombardează catodul și scot electronii din acesta;

2) electronii sunt accelerați în partea catodică și câștigă suficientă energie și ionizează moleculele de gaz. Se formează mulți electroni și ioni pozitivi. În regiunea care mocnește are loc o recombinare intensă a electronilor și ionilor, se eliberează energie, din care o parte se duce la ionizare suplimentară. Electronii care au pătruns în spațiul întunecat Faraday acumulează treptat energie, astfel încât să apară condițiile necesare existenței plasmei (un grad ridicat de ionizare a gazului). Coloana pozitivă este o plasmă cu descărcare în gaz. Acționează ca un conductor care conectează anodul la părțile catodului. Strălucirea coloanei pozitive este cauzată în principal de tranzițiile moleculelor excitate la starea fundamentală. Moleculele de gaze diferite emit radiații de lungimi de undă diferite în timpul unor astfel de tranziții. Prin urmare, strălucirea coloanei are o culoare caracteristică fiecărui gaz. Acesta este folosit pentru a face tuburi luminoase. Tuburile de neon dau o strălucire roșie, tuburile de argon dau un verde-albăstrui.

descărcare cu arc observate la presiuni normale și ridicate. În acest caz, curentul ajunge la zeci și sute de amperi, iar tensiunea pe decalajul gazului scade la câteva zeci de volți. O astfel de descărcare poate fi obținută de la o sursă de joasă tensiune dacă electrozii sunt mai întâi adunați până când se ating. În punctul de contact, electrozii sunt puternic încălziți datorită căldurii Joule, iar după ce sunt îndepărtați unul de celălalt, catodul devine o sursă de electroni datorită emisiei termoionice. Principalele procese care susțin descărcarea sunt emisia termoionică din catod și ionizarea termică a moleculelor datorită temperaturii ridicate a gazului în spațiul interelectrod. Aproape întregul spațiu interelectrod este umplut cu plasmă la temperatură înaltă. Acesta servește drept conductor prin care electronii emiși de catod ajung la anod. Temperatura plasmei este de ~6000 K. Temperatura ridicată a catodului este menținută prin bombardarea acestuia cu ioni pozitivi. La rândul său, anodul, sub acțiunea electronilor rapizi incidenti asupra lui din golul de gaz, se încălzește mai puternic și chiar se poate topi, iar pe suprafața sa se formează o adâncitură - un crater - cel mai luminos loc al arcului. Arc electric a fost primit pentru prima dată în 1802. Fizicianul rus V. Petrov (1761–1834), care a folosit ca electrozi două bucăți de cărbune. Electrozii fierbinți de carbon dădeau o strălucire orbitoare, iar între ei a apărut o coloană strălucitoare de gaz luminos - un arc electric. Descărcarea arcului este folosită ca sursă de lumină puternică în spoturile proiectoarelor, precum și pentru tăierea și sudarea metalelor. Există o descărcare cu arc cu catod rece. Electronii apar datorită emisiei de câmp din catod, temperatura gazului este scăzută. Ionizarea moleculelor are loc din cauza impactului electronilor. Între catod și anod apare o plasmă cu descărcare în gaz.

descărcare de scânteie apare între doi electrozi la o intensitate mare a câmpului electric între ei . O scânteie sare între electrozi, având forma unui canal puternic luminos, conectând ambii electrozi. Gazul din apropierea scânteii este încălzit la o temperatură ridicată, apare o diferență de presiune, ceea ce duce la apariția undelor sonore, o fisură caracteristică.

Apariția unei scântei este precedată de formarea de avalanșe de electroni în gaz. Strămoșul fiecărei avalanșe este un electron care accelerează într-un câmp electric puternic și produce ionizarea moleculelor. Electronii rezultați, la rândul lor, accelerează și produc următoarea ionizare, are loc o creștere a avalanșă a numărului de electroni - avalanşă.

Ionii pozitivi rezultați nu joacă un rol semnificativ, deoarece sunt imobili. Avalanșele de electroni se intersectează și formează un canal conducător streamer, de-a lungul căruia electronii se repezi de la catod la anod - există dărâma.

Fulgerul este un exemplu de descărcare puternică de scânteie. Diferite părți ale unui nor de tunete poartă încărcături de semne diferite ("-" este orientat spre Pământ). Prin urmare, dacă norii se apropie unul de celălalt cu părți încărcate opus, între ei are loc o defalcare a scânteilor. Diferența de potențial dintre norul încărcat și Pământ este de ~10 8 V.

Descărcarea prin scânteie este utilizată pentru a iniția explozii și procese de ardere (lumânări în motoarele cu ardere internă), pentru a înregistra particulele încărcate în contoarele de scântei, pentru a trata suprafețele metalice etc.

Descărcare coronară (coronară). apare între electrozii care au curbură diferită (unul dintre electrozi este un fir subțire sau un punct). Într-o descărcare corona, ionizarea și excitarea moleculelor au loc nu în întreg spațiul interelectrod, ci în apropierea vârfului, unde intensitatea este mare și depășește E dărâma. În această parte, gazul strălucește, strălucirea are forma unei coroane care înconjoară electrodul.

Plasma și proprietățile sale

Plasma se numește gaz puternic ionizat, în care concentrația sarcinilor pozitive și negative este aproape aceeași. Distinge plasmă la temperatură ridicată , care apare la temperaturi ultraînalte și plasma cu descărcare în gaz care rezultă din descărcarea de gaze.

Plasma are următoarele proprietăți:

Un grad ridicat de ionizare, în limita - ionizare completă (toți electronii sunt separați de nuclee);

Concentrația de particule pozitive și negative în plasmă este practic aceeași;

conductivitate electrică ridicată;

strălucire;

Interacțiune puternică cu câmpurile electrice și magnetice;

Oscilații ale electronilor în plasmă cu o frecvență înaltă (>10 8 Hz), provocând o vibrație generală a plasmei;

Interacțiunea simultană a unui număr mare de particule.

Descărcare de gaz neautosusținută se numește o astfel de descărcare, care, apărând în prezența unui câmp electric, poate exista numai sub acțiunea unui ionizator extern.

Să luăm în considerare procesele fizice care au loc într-o descărcare de gaze care nu se autosusține. Să introducem o serie de notații: notăm prin numărul de molecule de gaz din volumul studiat V. Concentrația moleculelor Unele dintre molecule sunt ionizate. Să notăm numărul de ioni de același semn prin N; concentrația lor În continuare, notăm cu ∆ n i- numărul de perechi de ioni care apar sub acțiunea ionizatorului într-o secundă pe unitatea de volum de gaz.

Odată cu procesul de ionizare în gaz, are loc recombinarea ionilor. Probabilitatea de a întâlni doi ioni cu semne diferite este proporțională atât cu numărul de ioni pozitivi, cât și cu cei negativi, iar aceste numere, la rândul lor, sunt egale cu n. Prin urmare, numărul de perechi de ioni care se recombină pe secundă pe unitate de volum este proporțional cu n 2:

Prin urmare, pentru concentrația de echilibru a ionilor (numărul de perechi de ioni pe unitatea de volum), se obține următoarea expresie:

.

(8.2.3)

Schema experimentului cu un tub cu descărcare în gaz este prezentată în Figura 8.1.

Să analizăm în continuare acțiunea câmpului electric asupra proceselor din gazele ionizate. Aplicați o tensiune constantă electrozilor. Ionii pozitivi vor fi direcționați către electrodul negativ, iar sarcinile negative către electrodul pozitiv. Astfel, o parte din purtătorii din golul de descărcare de gaze vor merge la electrozi (un curent electric va apărea în circuit). Lăsați volumul unității să meargă în fiecare secundă ∆nj pereche de ioni. Acum starea de echilibru poate fi reprezentată ca

(8.2.4)

1. Luați în considerare cazul câmp slab: Circuitul va curge curent slab. Densitatea de curent este proporțională ca mărime cu concentrația purtătorului n, taxa q, purtat de fiecare purtător și viteza mișcării direcționate a ionilor pozitivi și negativi și:

.

(8.2.5)

Viteza mișcării direcționate a ionilor este exprimată prin mobilitateși tensiune câmp electric:

Într-un câmp slab (), concentrația de echilibru este egală cu:.

Înlocuiți această expresie în (8.2.7):

(8.2.8)

În ultima expresie, factorul at nu depinde de intensitate. Notând-o cu σ, obținem Legea lui Ohm în formă diferențială :

(8.2.9)

Unde – conductivitate electrică specifică.

Concluzie : în cazul câmpurilor electrice slabe, curentul cu o descărcare neautosusținută respectă legea lui Ohm.

2. Luați în considerare câmp puternic . În acest caz, adică toți ionii generați părăsesc golul de descărcare de gaz sub acțiunea unui câmp electric. Acest lucru se explică prin faptul că, în timpul necesar pentru ca un ion să zboare într-un câmp puternic de la un electrod la altul, ionii nu au timp să se recombine în mod vizibil. Prin urmare, toți ionii produși de ionizator participă la crearea curentului și merg la electrozi. Și din moment ce numărul de ioni generați de ionizator pe unitatea de timp ∆n i, nu depinde de intensitatea câmpului, atunci densitatea de curent va fi determinată doar de valoare ∆n i si nu va depinde de . Cu alte cuvinte, cu o creștere suplimentară a tensiunii aplicate, curentul încetează să crească și ramane constant.

Valoarea maximă a curentului la care toți ionii formați ajung la electrozi se numește curent de saturație.

O creștere suplimentară a intensității câmpului duce la formare avalanşe electroni, când electronii care au apărut sub acțiunea ionizatorului dobândesc energie pe calea liberă medie (de la coliziune la coliziune) suficientă pentru a ioniza moleculele de gaz (ionizare de impact). Electronii secundari care au apărut în acest caz, fiind accelerați, la rândul lor, produc ionizare etc. - apare înmulțirea de tip avalanșă a ionilor primari și a electronilor creat de un ionizator extern și amplificarea curentului de descărcare.

Figura 8.2 prezintă procesul de formare a avalanșelor.

Rezultatele obţinute pot fi reprezentate grafic (Fig. 8.3) sub forma unei caracteristici curent-tensiune a unei descărcări gazoase neautosusţinute.

Concluzie : pentru o descărcare neauto-susținută la densități scăzute de curent, adică atunci când rolul principal în dispariția sarcinilor din golul de descărcare de gaz este jucat de procesul de recombinare, are loc legea lui Ohm( ); pentru câmpuri mari()Legea lui Ohm nu este îndeplinită - are loc saturația, iar cu câmpurile depășite - are loc o avalanșă de sarcini, determinând o creștere semnificativă a densității curentului.

Spre deosebire de soluțiile de electroliți, gazul în condiții normale este format din molecule (sau atomi) neutre și, prin urmare, este un izolator. Un gaz devine conductor de curent electric numai atunci când cel puțin unele dintre moleculele sale sunt ionizate (transformate în ioni) sub influența unei influențe externe (ionizator). În timpul ionizării, de obicei un electron scapă dintr-o moleculă de gaz, ca urmare a căreia molecula devine un ion pozitiv. Electronul ejectat fie rămâne liber pentru o perioadă de timp, fie se atașează imediat (“lipește”) de una dintre moleculele de gaz neutru, transformându-l într-un ion negativ. Astfel, într-un gaz ionizat există ioni pozitivi și negativi și electroni liberi.

Pentru a elimina un electron dintr-o moleculă (atom), ionizatorul trebuie să efectueze o anumită muncă, numită munca de ionizare; pentru majoritatea gazelor, are valori cuprinse între 5 și 25 eV. Razele X (vezi § 125), radiațiile radioactive (vezi § 139), razele cosmice (vezi § 145), încălzirea intensă, razele ultraviolete (vezi § 120) și alți factori pot servi drept ionizatori de gaz.

Odată cu ionizarea în gaz, există un proces de recombinare a ionilor. Ca urmare, se stabilește o stare de echilibru, caracterizată printr-o anumită concentrație de ioni, a cărei valoare depinde de puterea ionizatorului.

În prezența unui câmp electric extern într-un gaz ionizat, apare un curent datorită mișcării ionilor opusi în direcții reciproc opuse și mișcării electronilor.

Datorită vâscozității scăzute a gazului, mobilitatea ionilor de gaz este de mii de ori mai mare decât cea a ionilor electroliți și este de aproximativ

Când acțiunea ionizatorului se oprește, concentrația de ioni din gaz scade rapid la zero (datorită recombinării și eliminării ionilor la electrozii sursei de curent) și curentul se oprește. Curentul, a cărui existență necesită un ionizator extern, se numește o descărcare de gaz neauto-susținută.

Cu un câmp electric suficient de puternic în gaz, încep procesele de autoionizare, datorită cărora curentul poate exista chiar și în absența unui ionizator extern. Acest tip de curent se numește descărcare independentă de gaz.

Procesele de autoionizare în termeni generali sunt următoarele. În condiții naturale, un gaz conține întotdeauna o cantitate mică de electroni liberi și ioni creați de ionizatori naturali precum razele cosmice și radiațiile provenite de la substanțele radioactive conținute în atmosferă, sol și apă. Un câmp electric suficient de puternic poate accelera aceste particule până la viteze la care energia lor cinetică depășește activitatea de ionizare. Apoi electronii și ionii, ciocnind (în drumul către electrozi) cu molecule neutre, îi vor ioniza. Electronii și ionii noi (secundari) formați în timpul coliziunilor sunt, de asemenea, accelerați de câmp și, la rândul lor, ionizează noi molecule neutre etc. Autoionizarea descrisă a unui gaz se numește ionizare de impact.

Electronii liberi provoacă ionizare prin impact deja la o intensitate a câmpului de ordinul mărimii. În ceea ce privește ionii, ei pot provoca ionizare prin impact numai la o intensitate a câmpului de ordinul mărimii. Această diferență se datorează mai multor motive, în special, faptul că pentru electroni calea liberă medie într-un gaz este mult mai lungă decât pentru ioni. Prin urmare, electronii dobândesc energia cinetică necesară ionizării de impact la intensități de câmp mai mici decât ionii. Cu toate acestea, chiar și în câmpurile care nu sunt prea puternice, ionii pozitivi joacă un rol foarte important în autoionizarea gazului. Faptul este că energia acestor ioni este suficientă pentru a elimina electronii din metal. Prin urmare, ionii pozitivi accelerați de câmp, lovind catodul metalic al sursei de câmp, scot electronii din acesta, care, la rândul lor, sunt accelerați de câmp și produc ionizarea de impact a moleculelor neutre.

Ionii și electronii, a căror energie este insuficientă pentru ionizarea prin impact, pot, totuși, în coliziune cu moleculele, să îi conducă într-o stare excitată, adică să provoace unele modificări de energie în învelișul lor de electroni. Molecula (sau atomul) excitată intră apoi într-o stare normală, în timp ce emite o porțiune de energie electromagnetică - un foton (procese

excitarea atomilor și emisia și absorbția fotonilor de către aceștia vor fi luate în considerare în § 132-136). Emisia de fotoni se manifestă în strălucirea gazului. În plus, un foton absorbit de oricare dintre moleculele de gaz îl poate ioniza; acest tip de ionizare se numește fotonic. În cele din urmă, un foton care lovește catodul poate elimina un electron din acesta (efect fotoelectric extern), ceea ce provoacă apoi ionizarea prin impact a moleculei neutre.

Ca rezultat al impactului și al ionizării fotonilor și al scoaterii electronilor din catod de către ionii și fotonii pozitivi, numărul de ioni și electroni din întregul volum de gaz crește brusc (ca avalanșă). Nu mai este necesar un ionizator extern pentru existența unui curent într-un gaz. Evacuarea gazelor devine independentă. Procesul descris de autoionizare a gazului este prezentat schematic în Fig. 208, unde moleculele neutre sunt descrise ca cercuri albe, ionii pozitivi ca cercuri cu semnul plus, electronii ca cercuri negre și fotonii ca linii ondulate.

Pe fig. 209 este un grafic experimental al dependenței curentului din gaz de intensitatea câmpului sau de tensiunea dintre catod și anodul sursei de câmp, deoarece

unde este distanța dintre electrozi. Pe secțiunea curbei, curentul crește aproximativ proporțional cu intensitatea câmpului conform legii lui Ohm). Acest lucru se explică prin faptul că, odată cu creșterea tensiunii, viteza mișcării ordonate a ionilor și electronilor crește și, în consecință, cantitatea de electricitate care trece la electrozi (curent) în 1 s. Evident, creșterea curentului se va opri atunci când intensitatea câmpului atinge o valoare la care toți ionii și electronii creați de ionizatorul extern în 1 s se vor apropia de electrozi în același timp.

Gazele la temperaturi nu prea ridicate și la presiuni apropiate de cea atmosferică sunt buni izolatori. Acest lucru se explică prin faptul că gazele în condiții normale constau din atomi și molecule neutre și nu conțin sarcini libere (electroni și ioni). Un gaz devine conductor de electricitate atunci când unele dintre moleculele sale ionizat, Pentru a face acest lucru, gazul trebuie supus acțiunii unui fel de ionizator (de exemplu, folosind o flacără de lumânare, radiații ultraviolete și cu raze X, g-quanta, fluxuri de electroni, protoni, particule a etc.) . Energia de ionizare a atomilor diferitelor gaze se află în intervalul 4 - 25 eV. Într-un gaz ionizat apar particule încărcate care se pot mișca sub influența unui câmp electric - ioni pozitivi și negativi și electroni liberi.

Trecerea curentului electric prin gaze se numește evacuarea gazelor.

Concomitent cu procesul ionizare gazul merge mereu și procesul invers - proces de recombinare: ionii pozitivi și negativi, ionii pozitivi și electronii, întâlnindu-se, se combină între ei pentru a forma atomi și molecule neutre. Echilibrul vitezelor lor determină concentrația particulelor încărcate în gaz. Procesele de recombinare a ionilor, precum și excitarea ionilor care nu conduc la ionizare, duc la strălucire gaz a cărui culoare este determinată de proprietățile gazului.

Natura descărcării gazului este determinată de compoziția gazului, temperatura și presiunea acestuia, dimensiunile, configurația și materialul electrozilor, tensiunea aplicată, densitatea curentului etc.

Să considerăm un circuit care conține un spațiu de gaz supus acțiunii continue, de intensitate constantă a unui ionizator extern.

Ca urmare a ionizării gazului, în circuit va curge un curent, a cărui dependență de tensiunea aplicată este dată în Fig.

Pe curbă OA curentul crește proporțional cu tensiunea, adică legea lui Ohm este îndeplinită. Cu o creștere suplimentară a tensiunii, legea lui Ohm este încălcată: creșterea puterii curentului încetinește (secțiunea AB)și în cele din urmă se oprește complet (secțiunea VS). Acestea. obținem un curent de saturație, a cărui valoare este determinată de puterea ionizatorului.Acest lucru se realizează atunci când toți ionii și electronii creați de ionizatorul extern pe unitatea de timp ajung la electrozi în același timp. Dacă în modul OS opriți acțiunea ionizatorului, apoi se oprește și descărcarea. Se numesc descărcări care există numai sub acțiunea ionizatorilor externi dependent. Odată cu o creștere suplimentară a tensiunii dintre electrozi, puterea curentului este inițial lent (secțiunea CD),și apoi brusc (secțiunea DE) crește și descărcarea devine independent. Se numește descărcarea în gaz care persistă după încetarea acțiunii ionizatorului extern independent.

Mecanismul pentru apariția autodescărcării este următorul. La tensiuni înalte, electronii care apar sub acțiunea unui ionizator extern, puternic accelerați de un câmp electric, ciocnind cu moleculele de gaz, îi ionizează, rezultând formarea de electroni secundari și ioni pozitivi. Ionii pozitivi se deplasează spre catod, iar electronii se deplasează spre anod. Electronii secundari ionizează din nou moleculele de gaz și, în consecință, numărul total de electroni și ioni va crește pe măsură ce electronii se deplasează spre anod ca o avalanșă. Acesta este motivul creșterii curentului electric în zonă CD. Procesul descris este numit ionizare de impact. Ionizarea prin impact numai de către electroni nu este suficientă pentru a menține descărcarea atunci când ionizatorul extern este îndepărtat. Pentru a menține descărcarea, este necesar ca avalanșele de electroni să se „reproducă”, adică să apară noi electroni în gaz sub influența unor procese. Acest lucru se întâmplă la tensiuni semnificative între electrozii golului de gaz, atunci când avalanșe de ioni pozitivi se îndreaptă spre catod, care scot electronii din el. În acest moment, când, pe lângă avalanșele de electroni, apar și avalanșe de ioni, curentul crește aproape fără creșterea tensiunii (secțiunea DEîn fig.), adică are loc o descărcare independentă. Tensiunea la care are loc autodescărcarea se numește tensiunea de avarie.

Trebuie remarcat faptul că în timpul unei descărcări în gaze se realizează o stare specială a materiei, numită plasmă. Plasma Un gaz puternic ionizat se numește gaz în care densitățile sarcinilor pozitive și negative sunt aproape aceleași. Se face o distincție între plasma de temperatură înaltă, care are loc la temperaturi ultraînalte, și plasma cu descărcare de gaz, care are loc în timpul unei descărcări de gaz. Plasma se caracterizează prin gradul de ionizare a - raportul dintre numărul de particule ionizate și numărul lor total pe unitatea de volum de plasmă. În funcție de valoarea lui a, se vorbește de plasmă ionizată slab (a este fracțiuni de procent), moderat (câteva procente) și complet (aproape de 100%).

Există patru tipuri de autodescărcare: strălucire, scânteie, arc și coroană.

1. Descărcare strălucitoare apare la presiuni joase. Dacă se aplică o tensiune constantă de câteva sute de volți electrozilor lipiți într-un tub de sticlă lung de 30 - 50 cm, pompând treptat aerul din tub, atunci la o presiune de ~ 5,3 - 6,7 kPa (câțiva mm Hg) are loc o descărcare. sub forma unui cordon de înfăşurare roşiatic luminos care merge de la catod la anod. Cu o scădere suplimentară a presiunii (~13 Pa), descărcarea are următoarea structură.

Direct adiacent catodului este un strat subțire întunecat 1 - aston întuneric spațiu, urmat de un strat luminos subțire 2 - prima strălucire catodică sau film catodic, urmat de un strat întunecat 3 - catod (escroc) spațiu întunecat, care mai târziu trece în stratul luminos 4 - strălucire mocnitoare, care are o limită ascuțită pe partea catodului, dispărând treptat pe partea anodului. Ea apare din recombinarea electronilor cu ioni pozitivi. Un gol întunecat mărginește o strălucire mocnitoare 5- Faraday spațiu întunecat, urmată de o coloană de gaz luminos ionizat 6 - post pozitiv. Coloana pozitivă nu are un rol semnificativ în menținerea descărcării. Tensiunea aplicată este distribuită neuniform de-a lungul descărcării. Aproape toată căderea potențialului are loc în primele trei straturi și se numește scăderea potențialului catodic.

Mecanismul de formare a stratului este următorul. Ionii pozitivi din apropierea catodului, accelerați de scăderea potențialului catodic, bombardează catodul și scot electronii din el. În spațiul aston întunecat, electronii accelerează și excită moleculele, care încep să emită lumină, formând o peliculă catodică 2. Electronii care zboară prin filmul 2 fără ciocniri ionizează moleculele de gaz din spatele acestui film. Există multe sarcini pozitive și negative. În acest caz, intensitatea strălucirii scade. Această zonă este spațiul întunecat catodic (Crookes) 3. Electronii care au apărut în spațiul întunecat catodic pătrund în zona 4 a strălucirii strălucitoare, care se datorează recombinării lor cu ionii pozitivi. În plus, electronii și ionii rămași (sunt puțini dintre ei) pătrund prin difuzie în regiunea 5 - spațiul întunecat Faraday. Pare întunecat deoarece concentrația sarcinilor recombinate este scăzută. În zona 5 există un câmp electric care accelerează electronii, iar în zona coloanei pozitive 6 produc ionizare, având ca rezultat formarea plasmei. Strălucirea coloanei pozitive se datorează în principal tranzițiilor moleculelor excitate la starea fundamentală. Are o culoare caracteristică pentru fiecare gaz. Într-o descărcare strălucitoare, doar trei dintre părțile sale sunt de o importanță deosebită pentru întreținerea acesteia - până la strălucirea strălucitoare. În spațiul întunecat al catodului, există o accelerare puternică a electronilor și ionilor pozitivi, scoțând electronii din catod (emisia secundară). Totuși, în regiunea în care mocnește, are loc ionizarea prin impact a moleculelor de gaz de către electroni. Ionii pozitivi formați în timpul ionizării prin impact se grăbesc spre catod și scot noi electroni din acesta, care, la rândul lor, ionizează din nou gazul etc. În acest fel, o descărcare strălucitoare este menținută în mod continuu.

Aplicație în tehnologie. Strălucirea coloanei pozitive, care are o culoare caracteristică fiecărui gaz, este utilizată în tuburile cu descărcare pentru a crea reclame (tuburile cu descărcare cu neon dau o strălucire roșie, tuburile cu argon - verde-albăstrui) și în lămpile fluorescente.

2. descărcare de scânteie apare la intensități mari ale câmpului electric (~3 10 b V/m) într-un gaz sub presiune atmosferică. Explicația descarcării scânteii este dată pe baza streamer teoria, conform căreia apariția unui canal de scânteie puternic luminos este precedată de apariția unor acumulări slab luminoase de gaz ionizat - streamers. Fluorii apar atât ca urmare a formării avalanșelor de electroni prin ionizare prin impact, cât și ca urmare a ionizării fotonice a unui gaz. Avalanșele, urmărindu-se una pe cealaltă, formează poduri conducătoare de streamere, de-a lungul cărora, în următoarele momente de timp, se repezi puternice fluxuri de electroni, formând canale de descărcare a scânteilor. Datorită eliberării unei cantități mari de energie în timpul proceselor luate în considerare, gazul din eclator este încălzit la o temperatură foarte ridicată (aproximativ 10 4 o C), ceea ce duce la strălucirea acestuia. Încălzirea rapidă a gazului duce la creșterea presiunii și la apariția undelor de șoc, care explică efectele sonore în timpul unei descărcări de scântei. De exemplu, trosnituri în descărcări slabe și bubuituri puternice de tunet în cazul fulgerelor.

Aplicație în tehnologie. Pentru aprinderea amestecului combustibil din motoarele cu ardere internă și protejarea liniilor electrice de transport împotriva supratensiunii (eclatoare).

3. descărcare cu arc. Dacă, după aprinderea unei descărcări de scânteie dintr-o sursă puternică, distanța dintre electrozi este redusă treptat, atunci descărcarea devine continuă, adică. are loc descărcarea de arc. În acest caz, curentul crește brusc, ajungând la sute de amperi, iar tensiunea pe intervalul de descărcare scade la câteva zeci de volți. O descărcare cu arc poate fi obținută dintr-o sursă de joasă tensiune, ocolind stadiul de scânteie. Pentru a face acest lucru, electrozii (de exemplu, cei de carbon) sunt adunați împreună până se ating, sunt foarte fierbinți cu un curent electric, apoi sunt despărțiți și se obține un arc electric. La presiunea atmosferică, descărcarea arcului are o temperatură de ~3500 o C. Pe măsură ce arcul arde, pe anod se formează o depresiune - un crater, care este cel mai fierbinte loc din arc. descărcarea arcului se menține datorită emisiei termoionice intense din catod, precum și ionizării termice a moleculelor datorită temperaturii ridicate a gazului.

Aplicație - pentru sudarea și tăierea metalelor, obținerea oțelurilor de înaltă calitate (cuptor cu arc) și iluminat (reflectoare, echipamente de proiecție).

4. descărcare corona- descărcare electrică de înaltă tensiune la presiune mare (de exemplu, atmosferică) într-un câmp puternic neomogen lângă electrozi cu o curbură mare a suprafeței (de exemplu, puncte). Când intensitatea câmpului în apropierea vârfului atinge 30 kV/m, în jurul acestuia apare o strălucire asemănătoare coronei, care este motivul pentru denumirea acestui tip de descărcare. Acest fenomen a fost numit în antichitate focurile Sfântului Elm. În funcție de semnul electrodului corona, se distinge o corona negativă sau pozitivă.

Aplicare - în precipitatoarele electrostatice utilizate pentru purificarea gazelor industriale de impurități, la aplicarea vopselelor cu pulbere și vopsea.

Procesul de pătrundere a curentului printr-un gaz se numește descărcare gazoasă.

Se numește curentul din gaz care apare în prezența unui ionizator extern dependent .

Lăsați o pereche de electroni și ioni să intre în tub pentru o perioadă de timp, cu o creștere a tensiunii între electrozii tubului, puterea curentului va crește, ionii pozitivi încep să se miște spre catod, iar electronii - spre anod.

Vine un moment în care toate particulele ajung la electrozi și cu o creștere suplimentară a tensiunii, puterea curentului nu se va schimba, dacă ionizatorul nu mai funcționează, atunci și descărcarea se va opri, deoarece. nu există alte surse de ioni, din acest motiv descărcarea de ioni se numește non-autosustaining.

Curentul ajunge la saturație.

Cu o creștere suplimentară a tensiunii, curentul crește brusc, dacă scoateți ionizatorul extern, descărcarea va continua: ionii necesari pentru a menține conductibilitatea electrică a gazului sunt acum creați de descărcarea în sine. se numește descărcarea de gaze care continuă după terminarea ionizatorului extern independent .

Tensiunea la care are loc autodescărcarea se numește tensiunea de avarie .

O descărcare independentă de gaz este menținută de electroni accelerați de un câmp electric, aceștia au o energie cinetică care crește datorită câmpului electric. câmpuri.

Tipuri de autodescărcare:

1) mocnit

2) arc (arc electric) - pentru sudarea metalelor.

3) coroana

4) scânteie (fulger)

Plasma. Tipuri de plasmă.

Sub plasmăînțelegeți un gaz puternic ionizat în care concentrația de electroni este egală cu concentrația de ioni +.

Cu cât temperatura gazului este mai mare, cu atât sunt mai mulți ioni și electroni în plasmă și cu atât mai puțini atomi neutri.

Tipuri de plasma:

1) Plasmă parțial ionizată

2) plasmă complet ionizată (toți atomii s-au degradat în ioni și electroni).

3) Plasmă la temperatură ridicată (T>100000 K)

4) plasmă la temperatură joasă (T<100000 К)

Plasma St-va:

1) Plasma este neutră din punct de vedere electric

2) Particulele de plasmă se deplasează ușor sub acțiunea câmpului

3) Au o conductivitate electrică bună

4) Au o conductivitate termică bună

Uz practic:

1) Conversia energiei gazoase termice în energie electrică folosind un convertor de energie magnetohidrodinamică (MHD). Principiul de funcționare:

Un jet de plasmă la temperatură înaltă intră într-un câmp magnetic puternic (câmpul este direcționat perpendicular pe planul de desen X), este împărțit în particule + și -, care se grăbesc către diferite plăci, creând un fel de diferență de potențial.

2) Se folosesc in plasmatroni (generatoare de plasma), cu ajutorul lor taie si sudeaza metale.

3) Toate stelele, inclusiv Soarele, atmosferele stelare, nebuloasele galactice sunt plasmă.

Pământul nostru este înconjurat de o înveliș de plasmă - ionosfera,în afara cărora există poli de radiație care înconjoară Pământul nostru, în care există și plasmă.

Procesele din plasma din apropierea Pământului sunt cauzate de furtuni magnetice, aurore și, de asemenea, în spațiu există vânturi de plasmă.

16. Curentul electric în semiconductori.

Semiconductorii sunt ve-va, în care rezistența scade odată cu creșterea t.

Semiconductorii ocupă 4 subgrupe.

Exemplu: Siliciul este un element cu 4 valențe - asta înseamnă că în învelișul exterior al unui atom există 4 electroni slab legați de nucleu, fiecare atom formează 4 legături cu vecinii săi, când Si este încălzit, viteza valenței e crește, și de aici energia lor cinematică (E k), viteza e devine atât de mare încât legăturile nu rezistă la rupere, e părăsesc căile și devin libere, în el. câmpul se deplasează m-y noduri ale rețelei, formând el. actual. Pe măsură ce t crește, numărul de legături rupte crește și, prin urmare, numărul de e conectate crește, ceea ce duce la o scădere a rezistenței: I \u003d U / R.

Când legătura este ruptă, se formează un loc vacant cu e lipsă; cristalul său nu este neschimbat. Următorul proces are loc continuu: unul dintre atomii care asigură legătura sare în locul găurii formate și aici se restabilește legătura abur-electric, iar de unde a sărit se formează o nouă gaură. Astfel, gaura se poate deplasa prin tot cristalul.

Concluzie:în semiconductori există 2 tipuri de purtători de sarcină: e și găuri (conductivitate electron-hole)