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

5676. Економіка підприємств. Курс лекцій 1.59 MB
  Підприємство як суб'єкт господарювання Введення, предмет та завдання дисципліни. Галузева структура народного господарства України. Загальна характеристика підприємств. Структура управління підприємством. Зовнішнє середовищ...
5677. Економічна теорія (Економіка). Конспект лекцій 1.06 MB
  Загальні основи економічної теорії Тема 1.1 Економічна теорія: предмет і методи пізнання 1. Поняття економіки як системи економічних знань. Обмеженість ресурсів та безмежність потреб. Предмет курсу економічної теорії. Мета і функції економі...
5678. Історія економіки та економічної думки. Предмет і метод історії економіки та економічної думки 1.3 MB
  Предмет і метод історії економіки та економічної думки Поява історії економіки та економічної думки як самостійної учбової дисципліни в учбових планах і програмах провідних вузів України та країн Західної Європи було обумовлено необхідністю...
5679. Психологія. Конспект лекцій. Предмет і методи психології 273.5 KB
  Передмова Курс Психологія являє собою складову частину загальногуманітарної підготовки студентів. Психологія - одна з найцікавіших у світі наук. Саме психологія дає змогу відшукати відповіді на життєво важливі питання: як і чому люди думають,...
5680. Релігієзнавство. Курс лекцій. Релігія та суспільство 85.25 KB
  Лекція 1. Релігія та суспільство Поняття та сутність релігії: а) богословсько-теологічне дослідження релігії б) філософський аналіз релігії в) наукові теорії дослідження релігії. Виникнення релігії: а) формування релігійних уявле...
5681. Охорона праці в галузі. Конспект лекцій 636.5 KB
  Основні поняття організації охорони праці в галузі Виробниче середовище - частина техносферы, що володіє підвищеною концентрацією негативних чинників. Основними носіями травмуючих і шкідливих чинників у виробничому середовищі є машини і т...
5682. Основи замлевпорядкування та кадастру. Курс лекцій 2.09 MB
  Нормативно-правові основи землевпорядкування та кадастру Нормативно-правове підгрунтя в системі землевпорядкування та кадастру за нормами міжнародного права Національна система законодавства в галузі землевпорядкування та ...
5683. Інформаційно-аналітична діяльність. Наукова обробка документів 677.5 KB
  Обсяг і зміст матеріалу, що увійшов до конспекту лекцій відповідають вимогам робочої програми з дисципліни Інформаційнно - аналітична діяльність. Конспект лекцій містить мету і завдання дисципліни, програму курсу. У кінці конспекту лекцій пода...
5684. Адміністративний менеджмент. Теорія адміністративного менеджменту 67.27 KB
  Адміністративний менеджмент Тема. Теорія адміністративного менеджменту Історичні передумови та еволюція адміністративного менеджменту Розвиток АМ розпочинається від древніх цивілізацій до нової історії (від зародження менеджменту як особливого науко...