19223

ЭЛЕКТРИЧЕСКИЙ ТОК В ГАЗЕ

Лекция

Физика

ЭЛЕКТРИЧЕСКИЙ ТОК В ГАЗЕ Одной из первых теорий газовых разрядов явилась теория Таунсенда. Данный вид разряда названный его именем таунсендовский имеет очень слабый ток I=1010105 А и практически не имеет видимого свечения темновой разряд. При увеличении си...

Русский

2013-07-11

122 KB

6 чел.

ЭЛЕКТРИЧЕСКИЙ ТОК В ГАЗЕ

       Одной из первых теорий газовых разрядов явилась теория Таунсенда. Данный вид разряда, названный его именем – таунсендовский имеет очень слабый ток I=10-10-10-5 А и практически не имеет видимого свечения (темновой разряд). При увеличении силы тока до 10-4 А разряд постепенно переходит в тлеющий, который обладает достаточно интенсивным свечением. Наиболее известным применением таунсендовского разряда явился созданный в начале XX века счетчик Гейгера (радиактивных излучений).        

       Для описания таунсендовского разряда требуется понимание процессов, происходящих в электронных лавинах в газе. Первоначальные наблюдения электронных лавин в газе были выполнены с помощью камеры Вильсона. Для электронной концентрации в лавине можно записать следующие уравнения. Первое уравнение позволяет получить временную зависимость:                                                      

                           

    (с-1) -  частота ионизации – число ионизаций атомов электронами (в среднем) в 1 с.

После интегрирования находится следующая экспоненциальная зависимость:

                                               

Для связи длины свободного пробега i, частоты ионизации i и скорости дрейфа uд справедлива следующая формула:

                        

       Пространственная зависимость для концентрации в одномерном случае представляется следующим уравнением:

                                          

В данное уравнение входит так называемый первый ионизационный коэффициент Таунсенда   (см-1) -число ионизаций на расстоянии в 1 см.

Интегрирование уравнения дает следующую экспоненциальную зависимость:

                                                   

Первый коэффициент Таунсенда связан с частотой ионизации и дрейфовой скоростью электронов с помощью следующего уравнения:

                       

                                  

       При создании теории Таунсендом (1910 г.) были сделаны следующие исходные предположения относительно характерных особенностей данного разряда:

1) Сила тока считается малой и искажением электрического поля ввиду наличия пространственных зарядов можно пренебречь.

2) Имеют место ионизация газа соударениями электронов и развитие электронных лавин.

3) Разряд может быть несамостоятельным и самостоятельным.

4) Таунсендовский разряд переходит в тлеющий, а затем в дуговой (при увеличении тока).

      В теории вводятся следующие коэффициенты:  

 (см-1) – первый ионизационный коэффициент Таунсенда, т.е. число электрон-ионных пар, образованных одним электроном на пути в 1 см в направлении от катода к аноду вследствие неупругих столкновений электронов с нейтральными частицами газа;

(см-1) – аналогичный коэффициент для ионов, т.е. число свободных электронов, образованных положительным ионом на пути в 1 см при движении от анода к катоду;

  -  количество электронов (в среднем) выделяющихся с катода при попадании на него одного иона вследствие  ион -электронной эмиссии.

      При построении теории предполагалось наличие внешнего ионизатора (источника ультрафиолетового излучения), с помощью которого происходило облучение поверхности катода (рис.1)

                                                                                                          Рис.1

       Были введены следующие исходные величины:

    (част/см2с) -  число электронов, выделяющихся с  1 см2 поверхности катода в  1 с,          

    (А/см2) -  плотность электронного тока с катода.

В простейшем варианте теории ионизация ионами не учитывается, т.е. полагается  <<.

       Ионизация газа электронами на пути dx описывается с помощью уравнения:

              

                  при  x = 0,  n = n0  и   = const  при  E = const

Интегрирование данного уравнения дает экспоненциальную зависимость для концентрации электронов и плотности тока:

              

              

Для числа электронов, достигших анода записывается выражение:

                

Число ионизаций или число образовавшихся ионов имеет вид:

              

       Для рассмотрения стационарного режима разряда все пространство от катода до анода образно разбивается на участки длиной равной длине ионизации электронами - i. Предполагается, что имеет место образование электронных лавин на расстоянии равном  i . В стационарном режиме считается, что число электронов в последующей лавине равно числу электронов, участвующих в развитии предыдущей лавины.

       Вводятся следующие обозначения:

- общее число электронов, вылетевших с катода в 1 с при стационарном режиме. Выражение для  n1 в стационарном режиме разряда может быть записано в виде:

             

                    - число образовавшихся ионов

                    - число выбитых электронов с катода ионами

Для числа электронов, достигших анода можно записать следующее выражение:

             ,       где   

       В результате концентрация электронов и плотность тока на аноде записываются в виде:

                        

               

       Предполагается, что эмиссия ионов с поверхности анода под действием электронов пренебрежимо мала. В данной теории изначально предполагалось действие внешнего ионизатора (источника УФ-излучения), создающего вблизи катода исходную концентрацию заряженных частиц n0. В данном случае разряд считается несамостоятельным. Для перехода разряда из несамостоятельного в самостоятельный требуется выполнение, согласно Таунсенду, условия равенства нулю знаменателя в формуле для плотности тока:                 

               

Эта выражение обычно считается условием зажигания таунсендовского разряда.

       В качестве одной из характеристик разряда вводится также величина:

  (В-1)  -  ионизационная способность – число пар ионов, которое в среднем рождает электрон, проходя в однородном поле разность потенциалов  в 1 В.

также можно построить величину, обратную к ионизационной способности:

  -  количество эВ, которое в среднем затрачивается на образование пары ионов,

 (эВ) -  константа Столетова, т.е. максимальное значение величины  -1.

       Приведем примеры констант Столетова  для некоторых газов:

  воздух:  66 эВ  (E/p  365 В/смторр),

  гелий:   83 эВ (E/p  50 В/смторр),    

  водород:  70 эВ (E/p  140 В/смторр)             

                         

       Рассмотрим вопрос, связанный с потенциалом  зажигания таунсендовского разряда. Для первого коэффициента ионизации Таунсендом была выведена полуэмпирическая формула, учитывающая зависимость данной величины от давления газа и напряжения электрического поля в виде:

                                   

Где А и В являются постоянными коэффициентами, определенными для каждого конкретного газа в диапазоне значений  E/p. Приведем примеры для значений данных коэффициентов: воздух  А15 (смторр)-1, В365 (В/смторр), при E/p100-800 (В/смторр); гелий  А3 (смторр)-1, В34 (В/смторр),  при E/p20-150 (В/смторр).                         

Для вывода условия зажигания используется также условие стационарности таунсендовского разряда:

                            

В результате потенциал зажигания разряда выражается в виде:

                                     

       Экспериментальные кривые для потенциала зажигания таунсендовского разряда впервые были измерены Пашеном. Представим зависимости, полученные для различных газов (рис.2).

                  Рис.2

Данные кривые хорошо согласуются с формулой, выведенной для  Uз. Для значений в минимуме получаются следующие выражения:                    

                                

                 

Так, например, для воздуха при  А15 (смторр)-1, В365 В/смторр, =10-2, С=1,18:

                 (pd)min=0,83 торрсм,   (E/p)min=365 В/смторр,   Umin 300 В.

Значения  E/p в минимумах данных кривых Пашена соответствуют точке Столетова, где ионизационная способность электрона максимальна и равна:  

                 


e-

x

Ф

А

К

0

d

x

dx

10-1

100

101

102

103

pd,

смторр

102

103

104

Uз , В

воздух

H2

Ar

N2

He


 

А также другие работы, которые могут Вас заинтересовать

53765. Образний зміст музики. Музичні символи України 624.5 KB
  Посміхнись до всіх навколо Добрий ранок люба школа І веселий той дзвінок Кличе всіх нас на урок Урок музики урок музики урок музики урок. Музики поза образів не існує. Слухання музики.
53769. Баскетбол, конспект уроку для 8 класу 44 KB
  Ноги трохи зігнуті, лікоть руки опущений вниз, пальці рук супроводжають м’яч. Відстань між студентами 4 м. пальці рук розставлені. Ведення правою – лівою рукою. Відстань 4 м. Кидок виконується після ведення, кидок м’яча в ціль.
53770. Організовуючі вправи. Загальнопідготовчі вправи. Стрибки зі скакалкою 85 KB
  Стійка ноги 810 Руки розводити долонями нарізно руки за голову. разів догори прогинаючись у 1 поворот тулуба ліворуч попереку голову відводити руки в сторони вдих; 2 в. видих; 3 поворот тулуба праворуч руки в сторони вдих; 4 в. нарізно руки в сторони; разів Ноги поставити 1 нахил уперед руки якнайширше.
53771. Конспект уроку з фізичної культури Для учнів 2-А класу - реферат українською 29.5 KB
  Ходьба: руки за голову навприсядки стрибками на носках на п‘ятках4. Загальнорозвиваючі вправи на місціА Вп руки до плечейКолові рухи руками вперед назад 8р вперед8р назадБ Вп руки в сторониКолові рухи руками вперед назад 1012 раз Руки пряміВ Вп права рука вгорі ліва внизу; 12 переміна положень рук 1012 раз Руки пряміГ Вп руки вперед. Схрещення рук 1012 раз Руки пряміД Вп ноги нарізно руки на поясі 1 нахил вліво 2 в. 1012 раз Руки опущені ноги пряміІІ.
53772. Організуючі, стройові та ЗРВ. Спеціальні бігові та стрибкові вправи. Рухливі ігри 75 KB
  Стройові вправи: Праворуч Ліворуч Кругом Ліворуч Ліворуч Рівняйсь струнко Ходьба: звичайна навшпиньках на пятках з високим підніманням стегна руки перед собою у напівприсіді у повному присіді звичайна. руки на пояс. руки до плечей колові оберти зігнутими в ліктях руками вперед назад. руки в сторони сжаті в кулачки на 123 розвести руки в сторони на 4 зігнути руки до...
53773. Ярослав Стельмах. «Митькозавр із Юрківки, або химера лісогвого озера». Характеристика образів Сергія і Митька, їхньої поведінки у складних ситуаціях 48.5 KB
  Мета: Удосконалювати навички визначення рис характеру героїв твору вміння висловлювати свої думки про прочитане; розвивати навички переказу виразного і вибіркового читання спостережливість увагу; виховувати допитливість доброту любов до ближніх. Обладнання: схема з рисами характеру героїв портрет Ярослава Стельмаха. Завдання: учні мають удосконалити навички визначати риси характеру героїв твору і оцінювати їхні вчинки; закріпити вміння переказувати твір віднаходити цитати за поданим завданням висловлювати своє враження про...