LAB #2.5

"Štúdia výboja plynu pomocou tyratrónu"

Cieľ: študovať procesy vyskytujúce sa v plynoch pri nesamostatnom a samočinnom výboji v plynoch, študovať princíp činnosti tyratrónu, vybudovať prúdové napätie a štartovacie charakteristiky tyratrónu.

TEORETICKÁ ČASŤ

Ionizácia plynov. Nesamostatný a autonómny výboj plynu

Atómy a molekuly plynov sú za bežných každodenných podmienok elektricky neutrálne, t.j. neobsahujú voľné nosiče náboja, čo znamená, že podobne ako vákuová medzera by nemali viesť elektrinu. V skutočnosti plyny vždy obsahujú určité množstvo voľných elektrónov, kladných a záporných iónov, a preto, aj keď zle, vedú elektrinu. prúd.

Voľné nosiče náboja v plyne vznikajú zvyčajne ako výsledok vyvrhnutia elektrónov z elektrónového obalu atómov plynu, t.j. ako výsledok ionizácia plynu. Ionizácia plynu je výsledkom vplyvu vonkajšej energie: zahrievanie, bombardovanie časticami (elektróny, ióny atď.), elektromagnetické žiarenie (ultrafialové, röntgenové, rádioaktívne atď.). V tomto prípade plyn umiestnený medzi elektródami vedie elektrický prúd, ktorý je tzv výboj plynu. Moc ionizačný faktor ( ionizátor) je počet párov opačne nabitých nosičov náboja vznikajúcich ionizáciou na jednotku objemu plynu za jednotku času. Spolu s ionizačným procesom existuje aj reverzný proces - rekombinácia: interakcia opačne nabitých častíc, v dôsledku ktorej sa objavujú elektricky neutrálne atómy alebo molekuly a vyžarujú sa elektromagnetické vlny. Ak elektrická vodivosť plynu vyžaduje prítomnosť externého ionizátora, potom sa takýto výboj nazýva závislý. Ak je aplikované elektrické pole (EF) dostatočne veľké, potom je počet voľných nosičov náboja vytvorených v dôsledku nárazovej ionizácie v dôsledku vonkajšieho poľa dostatočný na udržanie elektrického výboja. Takýto výboj nepotrebuje externý ionizátor a je tzv nezávislý.

Uvažujme prúdovo-napäťovú charakteristiku (CVC) výboja plynu v plyne umiestnenom medzi elektródami (obr. 1).

Pri nesamostatnom výboji plynu v oblasti slabých elektrických polí (I) sa počet nábojov vytvorených v dôsledku ionizácie rovná počtu nábojov, ktoré sa navzájom rekombinujú. Vďaka tejto dynamickej rovnováhe zostáva koncentrácia voľných nosičov náboja v plyne prakticky konštantná a výsledkom je, Ohmov zákon (1):

kde E je intenzita elektrického poľa; n- koncentrácia; j je aktuálna hustota.

a ( ) sú pohyblivosťou kladných a záporných nosičov náboja;<υ > je driftová rýchlosť usmerneného pohybu náboja.

V oblasti vysokej EC (II) sa pozoruje saturácia prúdu v plyne (I), pretože všetky nosiče vytvorené ionizátorom sa podieľajú na riadenom drifte, na vytváraní prúdu.

S ďalším nárastom poľa (III), nosiče náboja (elektróny a ióny), pohybujúce sa zrýchlenou rýchlosťou, ionizujú neutrálne atómy a molekuly plynu ( nárazová ionizácia), čo vedie k vytvoreniu ďalších nosičov náboja a vzniku elektronická lavína(elektróny sú ľahšie ako ióny a sú výrazne zrýchlené v EP) – prúdová hustota sa zvyšuje ( zosilnenie plynu). Keď je externý ionizátor vypnutý, výboj plynu sa zastaví v dôsledku procesov rekombinácie.

V dôsledku týchto procesov vznikajú toky elektrónov, iónov a fotónov, počet častíc lavínovite rastie, dochádza k prudkému nárastu prúdu prakticky bez zosilnenia elektrického poľa medzi elektródami. Vyvstáva nezávislý výboj plynu. Prechod z nekonzistentného výboja plynu na nezávislý sa nazýva email zlomiť a napätie medzi elektródami , kde d- vzdialenosť medzi elektródami sa nazýva prierazné napätie.

Pre e-mail rozpadu, je potrebné, aby elektróny na svojej dráhe stihli získať kinetickú energiu, ktorá prevyšuje ionizačný potenciál molekúl plynu, a na druhej strane, aby kladné ióny na svojej dráhe stihli získať kinetickú energiu väčšiu ako pracovná funkcia katódového materiálu. Pretože stredná voľná dráha závisí od konfigurácie elektród, vzdialenosti medzi nimi d a počtu častíc na jednotku objemu (a následne od tlaku), zapálenie samočinného výboja môže byť riadené zmenou vzdialenosť medzi elektródami d s ich nezmenenou konfiguráciou a zmenou tlaku P. Ak práca Pd sa ukáže, že je rovnaký, ak sú ostatné veci rovnaké, potom by povaha pozorovaného členenia mala byť rovnaká. Tento záver sa prejavil v experimente zákona e (1889) Nemec. fyzika F. Pashen(1865–1947):

Zápalné napätie výboja plynu pre danú hodnotu súčinu tlaku plynu a vzdialenosti medzi elektródami Pd je konštantná hodnota charakteristická pre daný plyn .

Existuje niekoľko typov samovybíjania.

žeravý výboj sa vyskytuje pri nízkych tlakoch. Ak sa na elektródy prispájkované do sklenenej trubice s dĺžkou 30–50 cm aplikuje konštantné napätie niekoľko stoviek voltov a postupne sa z trubice odčerpáva vzduch, potom pri tlaku 5,3–6,7 kPa dôjde k výboju vo forme svetelného kľukatá červenkastá šnúra prechádzajúca od katódy k anóde. Pri ďalšom poklese tlaku vlákno hrubne a pri tlaku » 13 Pa má výboj tvar schematicky znázornený na obr. 2.

Tenká svetelná vrstva je pripevnená priamo na katóde 1 - katódový film , po ktorom nasledujú 2 - katódový tmavý priestor , prechádzajúci ďalej do svetelnej vrstvy 3 – tlejúca žiara , ktorá má ostré ohraničenie na katódovej strane, postupne miznúce na anódovej strane. Vrstvy 1-3 tvoria katódovú časť žeravého výboja. Nasleduje tlejúcu žiaru faradayov temný priestor 4. Zvyšok trubice je naplnený svetelným plynom - pozitívny príspevok - 5.

Potenciál sa pozdĺž trubice mení nerovnomerne (pozri obr. 2). Takmer celý pokles napätia nastáva v prvých úsekoch výboja, vrátane tmavého katódového priestoru.

Hlavné procesy potrebné na udržanie výboja sa vyskytujú v jeho katódovej časti:

1) kladné ióny, urýchlené poklesom katódového potenciálu, bombardujú katódu a vyraďujú z nej elektróny;

2) elektróny sa v katódovej časti urýchľujú a získavajú dostatočnú energiu a ionizujú molekuly plynu. Vzniká veľa elektrónov a kladných iónov. V tlejúcej oblasti prebieha intenzívna rekombinácia elektrónov a iónov, uvoľňuje sa energia, ktorej časť ide do dodatočnej ionizácie. Elektróny, ktoré prenikli do Faradayovho temného priestoru, postupne akumulujú energiu, takže vznikajú podmienky nevyhnutné pre existenciu plazmy (vysoký stupeň ionizácie plynu). Pozitívny stĺpec je plazma s plynovým výbojom. Funguje ako vodič spájajúci anódu s časťami katódy. Žiarenie kladného stĺpca je spôsobené najmä prechodmi excitovaných molekúl do základného stavu. Molekuly rôznych plynov vyžarujú počas takýchto prechodov žiarenie rôznych vlnových dĺžok. Preto má žiara stĺpca farbu charakteristickú pre každý plyn. Z toho sa vyrábajú svetelné trubice. Neónové trubice dávajú červenú žiaru, argónové trubice modrozelenú.

oblúkový výboj pozorované pri normálnom a zvýšenom tlaku. V tomto prípade prúd dosahuje desiatky a stovky ampérov a napätie v plynovej medzere klesne na niekoľko desiatok voltov. Takýto výboj je možné získať zo zdroja nízkeho napätia, ak sa elektródy najskôr spoja, kým sa nedotknú. V mieste dotyku sa elektródy silne zahrievajú vplyvom Joulovho tepla a po ich vzájomnom odstránení sa katóda stáva zdrojom elektrónov vďaka termionickej emisii. Hlavnými procesmi podporujúcimi výboj sú termionická emisia z katódy a tepelná ionizácia molekúl v dôsledku vysokej teploty plynu v medzielektródovej medzere. Takmer celý medzielektródový priestor je vyplnený vysokoteplotnou plazmou. Slúži ako vodič, cez ktorý sa elektróny emitované katódou dostanú k anóde. Teplota plazmy je ~6000 K. Vysoká teplota katódy sa udržiava bombardovaním kladnými iónmi. Anóda sa zase pôsobením rýchlych elektrónov dopadajúcich na ňu z plynovej medzery silnejšie zahrieva a môže sa dokonca roztaviť a na jej povrchu sa vytvorí vybranie - kráter - najjasnejšie miesto oblúka. Elektrický oblúk bol prvýkrát prijatý v roku 1802. Ruský fyzik V. Petrov (1761–1834), ktorý ako elektródy použil dva kusy uhlia. Horúce uhlíkové elektródy oslnivo žiarili a medzi nimi sa objavil jasný stĺp svetelného plynu - elektrický oblúk. Oblúkový výboj sa používa ako zdroj jasného svetla v reflektoroch projektorov, ako aj na rezanie a zváranie kovov. Existuje oblúkový výboj so studenou katódou. Elektróny sa objavujú v dôsledku emisie poľa z katódy, teplota plynu je nízka. K ionizácii molekúl dochádza v dôsledku nárazov elektrónov. Medzi katódou a anódou sa objaví plazma s plynovým výbojom.

iskrový výboj sa vyskytuje medzi dvoma elektródami pri vysokej intenzite elektrického poľa medzi nimi . Medzi elektródami preskočí iskra vo forme jasne svietiaceho kanála, ktorý spája obe elektródy. Plyn v blízkosti iskry sa zahrieva na vysokú teplotu, dochádza k tlakovému rozdielu, čo vedie k vzniku zvukových vĺn, charakteristickej trhliny.

Vzniku iskry predchádza tvorba elektrónových lavín v plyne. Predchodcom každej lavíny je elektrón urýchľujúci sa v silnom elektrickom poli a produkujúci ionizáciu molekúl. Výsledné elektróny sa naopak zrýchľujú a vytvárajú ďalšiu ionizáciu, dochádza k lavínovému zvýšeniu počtu elektrónov - lavína.

Výsledné kladné ióny nehrajú významnú úlohu, pretože sú imobilní. Elektrónové lavíny sa pretínajú a vytvárajú vodivý kanál streamer, pozdĺž ktorých sa elektróny rútia z katódy na anódu - existuje zlomiť.

Blesk je príkladom silného iskrového výboja. Rôzne časti búrkového mraku nesú náboje rôznych znakov ("-" je obrátené k Zemi). Ak sa teda oblaky k sebe priblížia opačne nabitými časťami, dôjde medzi nimi k iskreniu. Potenciálny rozdiel medzi nabitým oblakom a Zemou je ~ 10 8 V.

Iskrový výboj sa používa na iniciáciu výbuchov a spaľovacích procesov (sviečky v spaľovacích motoroch), na registráciu nabitých častíc v počítadlách iskier, na ošetrenie kovových povrchov atď.

Koronárny (koronárny) výboj sa vyskytuje medzi elektródami, ktoré majú rôzne zakrivenie (jedna z elektród je tenký drôt alebo hrot). Pri korónovom výboji dochádza k ionizácii a excitácii molekúl nie v celom medzielektródovom priestore, ale v blízkosti hrotu, kde je intenzita vysoká a presahuje E zlomiť. V tejto časti plyn žiari, žiara má podobu koróny obklopujúcej elektródu.

Plazma a jej vlastnosti

Plazma sa nazýva silne ionizovaný plyn, v ktorom je koncentrácia kladných a záporných nábojov takmer rovnaká. Rozlišovať vysokoteplotná plazma , ktorá sa vyskytuje pri ultravysokých teplotách, a plynová výbojová plazma vznikajúce pri úniku plynu.

Plazma má nasledujúce vlastnosti:

Vysoký stupeň ionizácie, v limite - úplná ionizácia (všetky elektróny sú oddelené od jadier);

Koncentrácia pozitívnych a negatívnych častíc v plazme je prakticky rovnaká;

vysoká elektrická vodivosť;

žiara;

Silná interakcia s elektrickými a magnetickými poľami;

Oscilácie elektrónov v plazme s vysokou frekvenciou (>10 8 Hz), ktoré spôsobujú všeobecnú vibráciu plazmy;

Súčasná interakcia veľkého množstva častíc.

Nesamostatný výboj plynu sa nazýva taký výboj, ktorý po vzniku v prítomnosti elektrického poľa môže existovať iba pri pôsobení externého ionizátora.

Uvažujme o fyzikálnych procesoch, ktoré prebiehajú v nesamostatnom výboji plynu. Uveďme niekoľko zápisov: označíme počtom molekúl plynu v skúmanom objeme V. Koncentrácia molekúl Niektoré z molekúl sú ionizované. Označme počet iónov rovnakého znamienka cez N; ich koncentráciu Ďalej označíme ∆ n i- počet párov iónov vznikajúcich pôsobením ionizátora za jednu sekundu na jednotku objemu plynu.

Spolu s procesom ionizácie v plyne dochádza k rekombinácii iónov. Pravdepodobnosť stretnutia dvoch iónov rôznych znakov je úmerná počtu kladných aj záporných iónov a tieto čísla sa zase rovnajú n. Preto je počet párov iónov rekombinujúcich za sekundu na jednotku objemu úmerný n 2:

Pre rovnovážnu koncentráciu iónov (počet párov iónov na jednotku objemu) sa teda získa nasledujúci výraz:

.

(8.2.3)

Schéma experimentu s plynovou výbojkou je znázornená na obrázku 8.1.

Poďme ďalej analyzovať pôsobenie elektrického poľa na procesy v ionizovaných plynoch. Aplikujte na elektródy konštantné napätie. Kladné ióny budú smerované k zápornej elektróde a záporné náboje k kladnej elektróde. Časť nosičov z plynovej výbojovej medzery teda pôjde k elektródam (v obvode sa objaví elektrický prúd). Každú sekundu pustite jednotku hlasitosti ∆nj pár iónov. Teraz môže byť podmienka rovnováhy reprezentovaná ako

(8.2.4)

1. Zvážte prípad slabé pole: Okruh bude prúdiť slabý prúd. Hustota prúdu je čo do veľkosti úmerná koncentrácii nosiča n, poplatok q, nesené každým nosičom a rýchlosť usmerneného pohybu kladných a záporných iónov a:

.

(8.2.5)

Rýchlosť usmerneného pohybu iónov je vyjadrená prostredníctvom mobilitu a napätie elektrické pole:

V slabom poli () je rovnovážna koncentrácia rovná:.

Nahraďte tento výraz v (8.2.7):

(8.2.8)

V poslednom výraze faktor at nezávisí od intenzity. Ak ho označíme σ, dostaneme Ohmov zákon v diferenciálnej forme :

(8.2.9)

kde – špecifická elektrická vodivosť.

Záver : v prípade slabých elektrických polí sa prúd s nesamostatným výbojom riadi Ohmovým zákonom.

2. Zvážte silné pole . V tomto prípade, t.j. všetky generované ióny opúšťajú medzeru vo výboji pôsobením elektrického poľa. To je vysvetlené skutočnosťou, že v priebehu času, ktorý potrebuje ión preletieť v silnom poli z jednej elektródy na druhú, nemajú ióny čas na to, aby sa zreteľne rekombinovali. Preto sa všetky ióny produkované ionizátorom podieľajú na tvorbe prúdu a smerujú k elektródam. A keďže počet iónov generovaných ionizátorom za jednotku času ∆n i, nezávisí od intenzity poľa, potom bude prúdová hustota určená iba hodnotou ∆n i a nebude závisieť od . Inými slovami, s ďalším zvýšením použitého napätia sa prúd prestane zvyšovať a zostáva konštantná.

Maximálna hodnota prúdu, pri ktorej idú všetky vytvorené ióny k elektródam, sa nazýva saturačný prúd.

Ďalšie zvýšenie intenzity poľa vedie k vzniku lavíny elektróny, keď elektróny, ktoré vznikli pôsobením ionizátora, získavajú energiu po strednej voľnej dráhe (od kolízie po zrážku) dostatočnú na ionizáciu molekúl plynu (nárazová ionizácia). Vyskytujú sa sekundárne elektróny, ktoré v tomto prípade vznikli po zrýchlení, produkujú ionizáciu atď lavínovité množenie primárnych iónov a elektrónov vytvorený externým ionizátorom a zosilnenie vybíjacieho prúdu.

Obrázok 8.2 znázorňuje proces tvorby lavíny.

Získané výsledky je možné znázorniť graficky (obr. 8.3) vo forme prúdovo-napäťovej charakteristiky nesamostatného plynového výboja.

Záver : pre nesamostatný výboj pri nízkych prúdových hustotách, t.j. keď hlavnú úlohu pri vymiznutí nábojov z plynovej výbojovej medzery hrá proces rekombinácie, nastáva Ohmov zákon( ); pre veľké polia()Ohmov zákon nie je splnený - dochádza k saturácii a pri prekročení polí - vzniká lavína nábojov, čo spôsobuje výrazné zvýšenie prúdovej hustoty.

Na rozdiel od roztokov elektrolytov plyn za normálnych podmienok pozostáva z neutrálnych molekúl (alebo atómov) a je teda izolantom. Plyn sa stáva vodičom elektrického prúdu až vtedy, keď sa aspoň časť jeho molekúl vplyvom vonkajšieho vplyvu (ionizátora) ionizuje (premení na ióny). Pri ionizácii zvyčajne z molekuly plynu unikne jeden elektrón, v dôsledku čoho sa molekula stane kladným iónom. Vyvrhnutý elektrón buď zostane nejaký čas voľný, alebo sa okamžite prichytí („prilepí“) k jednej z molekúl neutrálneho plynu, čím sa zmení na záporný ión. V ionizovanom plyne sú teda kladné a záporné ióny a voľné elektróny.

Aby ionizátor vyradil jeden elektrón z molekuly (atómu), musí vykonať určitú prácu, ktorá sa nazýva práca ionizácie; pre väčšinu plynov má hodnoty v rozmedzí od 5 do 25 eV. Ako ionizátory plynu môže slúžiť röntgenové žiarenie (pozri § 125), rádioaktívne žiarenie (pozri § 139), kozmické žiarenie (pozri § 145), intenzívne zahrievanie, ultrafialové žiarenie (pozri § 120) a niektoré ďalšie faktory.

Spolu s ionizáciou v plyne prebieha proces rekombinácie iónov. V dôsledku toho sa nastaví rovnovážny stav charakterizovaný určitou koncentráciou iónov, ktorých hodnota závisí od výkonu ionizátora.

V prítomnosti vonkajšieho elektrického poľa v ionizovanom plyne vzniká prúd v dôsledku pohybu opačných iónov vo vzájomne opačných smeroch a pohybu elektrónov.

V dôsledku nízkej viskozity plynu je pohyblivosť plynových iónov tisíckrát väčšia ako pohyblivosť iónov elektrolytu a je približne

Keď sa činnosť ionizátora zastaví, koncentrácia iónov v plyne rýchlo klesne na nulu (v dôsledku rekombinácie a odstránenia iónov na elektródy zdroja prúdu) a prúd sa zastaví. Prúd, na existenciu ktorého je potrebný externý ionizátor, sa nazýva nesamosprávny výboj plynu.

S dostatočne silným elektrickým poľom v plyne sa začínajú samoionizačné procesy, vďaka ktorým môže prúd existovať aj bez externého ionizátora. Tento druh prúdu sa nazýva nezávislý výboj plynu.

Procesy samoionizácie vo všeobecnosti sú nasledovné. V prírodných podmienkach plyn vždy obsahuje malé množstvo voľných elektrónov a iónov vytvorených takými prírodnými ionizátormi, ako sú kozmické žiarenie a žiarenie rádioaktívnych látok obsiahnutých v atmosfére, pôde a vode. Dostatočne silné elektrické pole dokáže tieto častice urýchliť na také rýchlosti, pri ktorých ich kinetická energia prevyšuje prácu ionizácie. Potom elektróny a ióny, ktoré sa zrážajú (na ceste k elektródam) s neutrálnymi molekulami, ich ionizujú. Nové (sekundárne) elektróny a ióny vznikajúce pri zrážkach sú tiež urýchľované poľom a následne ionizujú nové neutrálne molekuly atď. Opísaná samoionizácia plynu sa nazýva nárazová ionizácia.

Voľné elektróny spôsobujú nárazovú ionizáciu už pri intenzite rádového poľa. Čo sa týka iónov, môžu spôsobiť nárazovú ionizáciu až pri rádovej intenzite poľa. Tento rozdiel je spôsobený viacerými príčinami, najmä skutočnosť, že pre elektróny je stredná voľná dráha v plyne oveľa dlhšia ako pre ióny. Preto elektróny získavajú kinetickú energiu potrebnú na ionizáciu nárazom pri nižšej intenzite poľa ako ióny. Avšak aj na poliach, ktoré nie sú príliš silné, kladné ióny hrajú veľmi dôležitú úlohu pri samoionizácii plynu. Faktom je, že energia týchto iónov je dostatočná na vyradenie elektrónov z kovu. Preto kladné ióny urýchlené poľom, ktoré narážajú na kovovú katódu zdroja poľa, z nej vyraďujú elektróny, ktoré sú zase akcelerované poľom a vytvárajú nárazovú ionizáciu neutrálnych molekúl.

Ióny a elektróny, ktorých energia je nedostatočná na nárazovú ionizáciu, ich však môžu pri zrážke s molekulami priviesť do excitovaného stavu, t.j. spôsobiť určité energetické zmeny v ich elektrónových obaloch. Excitovaná molekula (alebo atóm) potom prejde do normálneho stavu, pričom vyžaruje časť elektromagnetickej energie - fotón (procesy

excitácia atómov a emisia a absorpcia fotónov nimi bude uvažovaná v § 132-136). Emisia fotónov sa prejavuje v žiare plynu. Navyše fotón absorbovaný ktoroukoľvek molekulou plynu ju môže ionizovať; tento druh ionizácie sa nazýva fotonický. Nakoniec fotón narážajúci na katódu môže z nej vyraziť elektrón (vonkajší fotoelektrický efekt), ktorý potom spôsobí nárazovú ionizáciu neutrálnej molekuly.

V dôsledku nárazovej a fotónovej ionizácie a vyrazenia elektrónov z katódy kladnými iónmi a fotónmi sa počet iónov a elektrónov v celom objeme plynu prudko zvyšuje (lavínovito). Pre existenciu prúdu v plyne už nie je potrebný externý ionizátor. Výboj plynu sa stáva nezávislým. Opísaný proces samoionizácie plynu je schematicky znázornený na obr. 208, kde sú neutrálne molekuly zobrazené ako biele kruhy, kladné ióny ako kruhy so znamienkom plus, elektróny ako čierne kruhy a fotóny ako vlnovky.

Na obr. 209 je experimentálny graf závislosti prúdu v plyne od intenzity poľa alebo od napätia medzi katódou a anódou zdroja poľa, od r.

kde je vzdialenosť medzi elektródami. Na úseku krivky sa prúd zvyšuje približne úmerne intenzite poľa podľa Ohmovho zákona). Vysvetľuje to skutočnosť, že so zvyšujúcim sa napätím sa zvyšuje rýchlosť usporiadaného pohybu iónov a elektrónov a následne množstvo elektriny prechádzajúcej elektródami (prúd) za 1 s. Je zrejmé, že nárast prúdu sa zastaví, keď intenzita poľa dosiahne hodnotu, pri ktorej sa všetky ióny a elektróny vytvorené externým ionizátorom za 1 s priblížia k elektródam za rovnaký čas.

Plyny pri nie príliš vysokých teplotách a pri tlaku blízkom atmosférickému sú dobrými izolantmi. Vysvetľuje to skutočnosť, že plyny za normálnych podmienok pozostávajú z neutrálnych atómov a molekúl a neobsahujú voľné náboje (elektróny a ióny). Plyn sa stáva vodičom elektriny, keď niektoré z jeho molekúl ionizovaný, Na to musí byť plyn vystavený pôsobeniu nejakého druhu ionizátora (napríklad pomocou plameňa sviečky, ultrafialového a röntgenového žiarenia, g-kvant, tokov elektrónov, protónov, a-častíc atď.) . Ionizačná energia atómov rôznych plynov leží v rozmedzí 4 - 25 eV. V ionizovanom plyne sa objavujú nabité častice, ktoré sa môžu pohybovať pod vplyvom elektrického poľa - kladné a záporné ióny a voľné elektróny.

Prechod elektrického prúdu cez plyny je tzv výboj plynu.

Súčasne s procesom ionizácia plyn stále prebieha a opačný proces - proces rekombinácie: kladné a záporné ióny, kladné ióny a elektróny, ktoré sa stretávajú, kombinujú sa a vytvárajú neutrálne atómy a molekuly. Rovnováha ich rýchlostí určuje koncentráciu nabitých častíc v plyne. Procesy rekombinácie iónov, ako aj excitácia iónov, ktoré nevedú k ionizácii, vedú k žiara plyn, ktorého farba je určená vlastnosťami plynu.

Charakter výboja plynu je určený zložením plynu, jeho teplotou a tlakom, rozmermi, konfiguráciou a materiálom elektród, použitým napätím, hustotou prúdu atď.

Uvažujme obvod obsahujúci plynovú medzeru vystavenú nepretržitému pôsobeniu externého ionizátora s konštantnou intenzitou.

V dôsledku ionizácie plynu bude v obvode tiecť prúd, ktorého závislosť od priloženého napätia je uvedená na obr.

Na zákrute OA prúd sa zvyšuje úmerne s napätím, teda je splnený Ohmov zákon. S ďalším zvýšením napätia sa porušuje Ohmov zákon: nárast sily prúdu sa spomaľuje (oddiel AB) a nakoniec sa úplne zastaví (sekcia VS). Tie. získame saturačný prúd, ktorého hodnota je určená výkonom ionizátora.To sa dosiahne vtedy, keď všetky ióny a elektróny vytvorené externým ionizátorom za jednotku času dosiahnu elektródy za rovnaký čas. Ak je v režime OS zastavte činnosť ionizátora, potom sa zastaví aj výboj. Nazývajú sa výboje, ktoré existujú iba pôsobením vonkajších ionizátorov závislý. S ďalším zvýšením napätia medzi elektródami je sila prúdu spočiatku pomalá (odsek CD), a potom ostro (sekcia DE) zvyšuje a výtok sa stáva nezávislý. Výboj v plyne, ktorý pretrváva po ukončení pôsobenia externého ionizátora, sa nazýva nezávislý.

Mechanizmus vzniku samovybíjania je nasledujúci. Pri vysokom napätí elektróny vznikajúce pôsobením externého ionizátora, silne zrýchleného elektrickým poľom, narážajúce na molekuly plynu, ich ionizujú, čo vedie k tvorbe sekundárnych elektrónov a kladných iónov. Kladné ióny sa pohybujú smerom ku katóde a elektróny sa pohybujú smerom k anóde. Sekundárne elektróny opäť ionizujú molekuly plynu a následne sa celkový počet elektrónov a iónov zvýši, keď sa elektróny pohybujú smerom k anóde ako lavína. To je dôvod nárastu elektrického prúdu v oblasti CD. Opísaný proces je tzv nárazová ionizácia. Samotná nárazová ionizácia elektrónmi nestačí na udržanie výboja, keď je vonkajší ionizátor odstránený. Na udržanie výboja je potrebné, aby sa elektrónové lavíny "rozmnožili", teda aby vplyvom niektorých procesov vznikali v plyne nové elektróny. K tomu dochádza pri významných napätiach medzi elektródami plynovej medzery, keď sa ku katóde rútia lavíny kladných iónov, ktoré z nej vyrážajú elektróny. V tomto momente, keď sú okrem elektrónových lavín aj iónové, prúd stúpa takmer bez zvyšovania napätia (odsek. DE na obr.), t.j. vzniká nezávislý výboj. Napätie, pri ktorom dochádza k samovybíjaniu, sa nazýva prierazné napätie.

Treba poznamenať, že počas výboja v plynoch sa realizuje špeciálny stav hmoty, nazývaný plazma. Plazma Vysoko ionizovaný plyn sa nazýva plyn, v ktorom sú hustoty kladných a záporných nábojov takmer rovnaké. Rozlišuje sa vysokoteplotná plazma, ktorá sa vyskytuje pri ultravysokých teplotách, a plazma s plynovým výbojom, ktorá vzniká pri výboji plynu. Plazma je charakterizovaná stupňom ionizácie a - pomerom počtu ionizovaných častíc k ich celkovému počtu na jednotku objemu plazmy. V závislosti od hodnoty a sa hovorí o slabo (a sú zlomky percenta), stredne (niekoľko percent) a úplne (takmer 100 %) ionizovanej plazme.

Existujú štyri typy samovybíjania: žiara, iskra, oblúk a koróna.

1. Žiarivý výboj sa vyskytuje pri nízkych tlakoch. Ak sa na elektródy prispájkované do sklenenej trubice s dĺžkou 30 - 50 cm aplikuje konštantné napätie niekoľko stoviek voltov, pričom sa postupne odčerpáva vzduch z trubice, potom pri tlaku ~ 5,3 - 6,7 kPa (niekoľko mm Hg) dôjde k výboju. vo forme svietiacej červenkastej vinutia šnúry prebiehajúcej od katódy k anóde. Pri ďalšom poklese tlaku (~13 Pa) má výboj nasledujúcu štruktúru.

Priamo pri katóde je tmavá tenká vrstva 1 - aston temný priestor, po ktorej nasleduje tenká svetelná vrstva 2 - prvá katódová žiara resp katódový film, po ktorej nasleduje tmavá vrstva 3 - katóda (krivky) temný priestor, ktorý neskôr prechádza do svetelnej vrstvy 4 - tlejúca žiara, ktorá má ostré ohraničenie na katódovej strane, postupne miznúce na anódovej strane. Vzniká rekombináciou elektrónov s kladnými iónmi. Tmavá medzera hraničí s tlejúcou žiarou 5- faradayov temný priestor, za ktorým nasleduje stĺpec ionizovaného svetelného plynu 6 - pozitívny príspevok. Kladný stĺpec nemá významnú úlohu pri udržiavaní výboja. Aplikované napätie je pozdĺž výboja rozložené nerovnomerne. Takmer celý potenciálny pokles sa vyskytuje v prvých troch vrstvách a je tzv pokles katódového potenciálu.

Mechanizmus tvorby vrstvy je nasledujúci. Kladné ióny v blízkosti katódy, urýchlené poklesom katódového potenciálu, bombardujú katódu a vyrážajú z nej elektróny. V tmavom astonovom priestore elektróny urýchľujú a excitujú molekuly, ktoré začnú vyžarovať svetlo, čím sa vytvorí katódový film 2. Elektróny prelietavajúce cez film 2 bez kolízií ionizujú molekuly plynu za týmto filmom. Existuje veľa pozitívnych a negatívnych nábojov. V tomto prípade sa intenzita žiary znižuje. Touto oblasťou je katódový (Crookesov) tmavý priestor 3. Elektróny, ktoré vznikli v katódovom tmavom priestore, prenikajú do oblasti 4 žeravej žiary, čo je spôsobené ich rekombináciou s kladnými iónmi. Ďalej zostávajúce elektróny a ióny (je ich málo) prenikajú difúziou do oblasti 5 - Faradayovho tmavého priestoru. Vyzerá tmavý, pretože koncentrácia rekombinácie nábojov je nízka. V oblasti 5 je elektrické pole, ktoré urýchľuje elektróny a v oblasti kladného stĺpca 6 produkujú ionizáciu, čo vedie k tvorbe plazmy. Žiara kladného stĺpca je spôsobená najmä prechodmi excitovaných molekúl do základného stavu. Pre každý plyn má charakteristickú farbu. Pri žeravom výboji majú pre jeho údržbu mimoriadny význam len tri jeho časti - až po žeravú žiaru. V tmavom priestore katódy dochádza k silnému zrýchleniu elektrónov a kladných iónov, čím dochádza k vyraďovaniu elektrónov z katódy (sekundárna emisia). V tlejúcej oblasti však dochádza k nárazovej ionizácii molekúl plynu elektrónmi. Kladné ióny vznikajúce pri nárazovej ionizácii sa vrhajú na katódu a vyraďujú z nej nové elektróny, ktoré zase ionizujú plyn atď. Takto sa nepretržite udržiava žeravý výboj.

Aplikácia v technike. Žiar kladného stĺpca, ktorý má farebnú charakteristiku každého plynu, sa používa vo výbojkách na vytváranie reklám (neónové výbojky dávajú červenú žiaru, argónové trubice - modrozelené) a vo žiarivkách.

2. iskrový výboj vzniká pri vysokých intenzitách elektrického poľa (~3 10 b V/m) v plyne pod atmosférickým tlakom. Vysvetlenie iskrového výboja je uvedené na základe streamer teória, podľa ktorej vzniku jasne svietiaceho iskrového kanála predchádza objavenie sa slabo svietiacich nahromadení ionizovaného plynu - streamery. Streamery vznikajú ako výsledok tvorby elektrónových lavín nárazovou ionizáciou, tak aj ako výsledok fotónovej ionizácie plynu. Lavíny, ktoré sa navzájom prenasledujú, vytvárajú vodivé mosty zo streamerov, pozdĺž ktorých sa v nasledujúcich okamihoch rútia silné prúdy elektrónov, ktoré vytvárajú kanály iskrových výbojov. V dôsledku uvoľnenia veľkého množstva energie pri uvažovaných procesoch sa plyn v iskrišti zohreje na veľmi vysokú teplotu (asi 10 4 o C), čo vedie k jeho žiaru. Rýchly ohrev plynu vedie k zvýšeniu tlaku a vzniku rázových vĺn, ktoré vysvetľujú zvukové efekty počas iskrového výboja. Napríklad praskanie v slabých výbojoch a silné búšenie hromu v prípade blesku.

Aplikácia v technike. Na zapálenie horľavej zmesi v spaľovacích motoroch a na ochranu elektrických prenosových vedení pred prepätím (iskriskom).

3. oblúkový výboj. Ak sa po zapálení iskrového výboja z výkonného zdroja postupne zmenšuje vzdialenosť medzi elektródami, potom sa výboj stáva kontinuálnym, t.j. vzniká oblúkový výboj. V tomto prípade sa prúd prudko zvyšuje, dosahuje stovky ampérov a napätie vo výbojovej medzere klesá na niekoľko desiatok voltov. Oblúkový výboj je možné získať z nízkonapäťového zdroja, ktorý obchádza stupeň iskry. Na tento účel sa elektródy (napríklad uhlíkové) spoja, kým sa nedotknú, sú veľmi horúce elektrickým prúdom, potom sa rozdelia a získa sa elektrický oblúk. Pri atmosférickom tlaku má oblúkový výboj teplotu ~3500 o C. Horením oblúka vzniká na anóde priehlbina - kráter, čo je najhorúcejšie miesto v oblúku. oblúkový výboj je udržiavaný v dôsledku intenzívnej termionickej emisie z katódy, ako aj tepelnej ionizácie molekúl v dôsledku vysokej teploty plynu.

Použitie - na zváranie a rezanie kovov, získavanie vysokokvalitných ocelí (oblúková pec) a osvetlenie (bodové svetlá, premietacie zariadenia).

4. korónový výboj- vysokonapäťový elektrický výboj pri vysokom (napríklad atmosférickom) tlaku v prudko nehomogénnom poli v blízkosti elektród s veľkým zakrivením povrchu (napríklad bodov). Keď intenzita poľa v blízkosti hrotu dosiahne 30 kV/m, okolo neho sa objaví korónová žiara, čo je dôvodom názvu tohto typu výboja. Tento jav sa v staroveku nazýval ohne svätého Elma. V závislosti od znamenia korónovej elektródy sa rozlišuje negatívna alebo pozitívna koróna.

Aplikácia - v elektrostatických odlučovačoch používaných na čistenie priemyselných plynov od nečistôt, pri nanášaní práškových a farebných náterov.

Proces prenikania prúdu cez plyn sa nazýva výboj plynu.

Prúd v plyne, ktorý sa vyskytuje v prítomnosti externého ionizátora, sa nazýva závislý .

Nechajte pár elektrónov a iónov vpustiť do trubice na nejaký čas, so zvýšením napätia medzi elektródami trubice sa zvýši sila prúdu, kladné ióny sa začnú pohybovať smerom ku katóde a elektróny - smerom k anóde.

Prichádza moment, kedy sa všetky častice dostanú k elektródam a pri ďalšom zvyšovaní napätia sa sila prúdu nezmení, ak prestane fungovať ionizátor, tak sa zastaví aj výboj, pretože. neexistujú žiadne iné zdroje iónov, z tohto dôvodu sa vybíjanie iónov nazýva nesamosprávne.

Prúd dosiahne svoju saturáciu.

Pri ďalšom zvyšovaní napätia sa prúd prudko zvyšuje, ak odstránite externý ionizátor, výboj bude pokračovať: ióny potrebné na udržanie elektrickej vodivosti plynu teraz vytvára samotný výboj. sa nazýva výboj plynu, ktorý pokračuje po ukončení externého ionizátora nezávislý .

Napätie, pri ktorom dochádza k samovybíjaniu, sa nazýva prierazné napätie .

Nezávislý výboj plynu udržujú elektróny urýchlené elektrickým poľom, majú kinetickú energiu, ktorá sa vplyvom elektrického poľa zvyšuje. poliach.

Typy samovybíjania:

1) tlejúci

2) oblúk (elektrický oblúk) - na zváranie kovov.

3) koruna

4) iskra (blesk)

Plazma. Typy plazmy.

Pod plazma rozumieť silne ionizovaný plyn, v ktorom sa koncentrácia elektrónov rovná koncentrácii + iónov.

Čím vyššia je teplota plynu, tým viac iónov a elektrónov je v plazme a tým menej neutrálnych atómov.

Typy plazmy:

1) Čiastočne ionizovaná plazma

2) plne ionizovaná plazma (všetky atómy sa rozpadli na ióny a elektróny).

3) Vysokoteplotná plazma (T>100000 K)

4) nízkoteplotná plazma (T<100000 К)

St-va plazma:

1) Plazma je elektricky neutrálna

2) Častice plazmy sa ľahko pohybujú pôsobením poľa

3) Majú dobrú elektrickú vodivosť

4) Majú dobrú tepelnú vodivosť

Praktické využitie:

1) Premena tepelnej energie plynu na elektrickú energiu pomocou magnetohydrodynamického meniča energie (MHD). Princíp fungovania:

Prúd vysokoteplotnej plazmy vstupuje do silného magnetického poľa (pole je nasmerované kolmo na rovinu kresby X), je rozdelený na častice + a -, ktoré sa rútia na rôzne platne a vytvárajú určitý potenciálny rozdiel.

2) Používajú sa v plazmotrónoch (plazmových generátoroch), s ich pomocou reže a zvára kovy.

3) Všetky hviezdy, vrátane Slnka, hviezdnej atmosféry, galaktických hmlovín sú plazmou.

Naša Zem je obklopená plazmovým plášťom - ionosféra, mimo ktorých sú póly žiarenia obklopujúce našu Zem, v ktorých je aj plazma.

Procesy v plazme blízko Zeme spôsobujú magnetické búrky, polárne žiary a aj vo vesmíre sú plazmové vetry.

16. Elektrický prúd v polovodičoch.

Polovodiče sú ve-va, v ktorých s rastúcim t odpor klesá.

Polovodiče zaberajú 4 podskupiny.

Príklad: Kremík je 4-valenčný prvok - to znamená, že vo vonkajšom obale atómu sú s jadrom slabo viazané 4 elektróny, každý atóm vytvára 4 väzby so svojimi susedmi, pri zahriatí Si je rýchlosť valencie e. sa zväčšuje, a teda ich kinematická energia (E k), rýchlosť e sa stáva taká veľká, že väzby nevydržia t sa zlomia, e opustia svoje dráhy a uvoľnia sa, v el. poľa posúvajú m-y uzly mriežky, tvoriace el. prúd. Ako sa t zvyšuje, zvyšuje sa počet zlomených väzieb, a tým sa zvyšuje počet pripojených e, čo vedie k zníženiu odporu: I \u003d U / R.

Keď sa väzba preruší, vytvorí sa vakancia s chýbajúcim e, jeho kryštál nie je nezmenený. Nepretržite prebieha nasledovný proces: jeden z atómov zabezpečujúcich väzbu preskočí na miesto vzniknutého otvoru a tu sa obnoví paro-elektrická väzba a tam, odkiaľ preskočil, vznikne nový otvor. Diera sa teda môže pohybovať po celom kryštáli.

Záver: v polovodičoch sú 2 typy nosičov náboja: e a diery (vodivosť elektrónových dier)