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

28946. Русь в период политической раздробленности. Основные политический центры, их государственный и общественный строй 32 KB
  Опираясь на его мощь местные князья сумели установить свою власть в каждой земле. Однако впоследствии между силившимися боярством и местными князьями возникли противоречия и борьба за власть. Боярство обладавшее значительной экономической силой сумело победить князя в борьбе за власть. Реальная же власть была сосредоточена в руках местного боярства.
28947. Борьба русских княжеств с иноземнми захватчиками в XIII веке. Установление ордынского языке и его последствия 29 KB
  Русь переживала период политической раздробленности и шанс объединить силы перед грядущей опасностью был упущен. на съезде золотоордынской знати было принято решение о походе на Русь который возглавил внук Чингисхана Батый. предпринял новый поход на Русь теперь на юг. Приняв на себя основной удар героически сопротивляясь Русь спасла Западную Европу от страшного агрессора.
28948. Возвышение Москвы. Роль московских князей в свержении ордынского ига и создании централизованного Русского государства 32 KB
  Иван I Калита которого называют первым собирателем земель русских перенёс митрополическую кафедру из Владимира в Москву московские князья в своей политике получают в союзники главу русской церкви авторитет которого в то время был очень высок. Политику Ивана I Калиты продолжили его сыновья Симеон Гордый 13401353 и Иван II Красный 1353 1359. После смерти Василия II 1462 великим князем становится его сын Иван III 1462 1505. Человек осторожный расчетливый Иван III последовательно проводил свой курс на покорение удельных княжеств...
28949. Возникновение сословно-представительной монархии в Московском государстве. Внутренняя и внешняя политики Ивана IV 48.5 KB
  Внутренняя и внешняя политики Ивана IV В 16 веке в России складывается сословнопредставительная монархия. в России уже было 25 000 стрельцов. в России разразился настоящий хозяйственный кризис. Последствия опричнины для России были трагичными: 1.
28950. Борьба политических партий за власть в 1917 г. Большевистский государственный переворот 96 KB
  От большевиков в Исполком вошли А. Было принято предложение большевиков об усилении Исполкома путем введения в него по три представителя от партий большевиков меньшевиков и эсеров. На основании этого в состав Исполкома от большевиков были дополнительно введены В. Относительная гибкость партии так же как способность улавливать преобладавшие настроения масс содействовала победе большевиков по крайней мере столько же сколько революционная дисциплина организационное единство и авторитет Ленина.
28951. Борьба политический партий за власть, большевистский государственный переворот 31.5 KB
  Следствием кризиса был Корниловский мятеж в результате которого все большую популярность получили большевики был окончательно потерян авторитет ВП. ЦИК советов и ИСКД создали чрезвычайный орган Комитет народной борьбы с контрреволюцией в который входили меньшевики эсеры и большевики. В это время большевики активизировали работу в советах стали восстанавливать отряды Красной гвардии направили своих агитаторов в корниловские войска Донскую Уссурийскую и Дикую дивизии. Укрепили свои позиции большевики возросло их влияние в народе.
28952. Возникновение советской государственности. Политика «военного коммунизма» 46.5 KB
  С приходом большевиков к власти возможность расширения правительства за счет вхождения в него других социалистических партий не была утеряна. В рядах партии имелась влиятельная группа большевиков которая отстаивала эту позицию. На заседании ЦК большевиков 1 ноября эта линия была расценена как капитулянтская переговоры были свернуты а Каменев снят с поста председателя ВЦИКа. в него было избрано 715 из800 депутатов: 370 эсеров 175 большевиков 40 левых эсеров 17 кадетов 15 меньшевиков 86 представителей национальных партий.
28953. Гражданская война и военная интервенция в России, причины и последствия 33.5 KB
  Предпосылки и причины гражданской войны После Октябрьской революции сложилась напряжённая социалполитическая ситуация Приступая к грандиозному преобразованию России большевики нуждались в спокойствии на внешних границах. Внутренняя обстановка в России была не менее напряжённой. Вводилось единое для всего населения России наименование гражданин Российской республики.
28954. Теория и практика национальной политики большевиков. Образование СССР 47 KB
  Неустойчивость международного положения молодых советских республик в условиях капиталистического окружения также диктовала потребность в объединении. Значение этого разделения возросло после окончания Гражданской войны когда встала задача восстановления разрушенного хозяйства и преодоления экономической отсталости советских республик. сложился военнополитический союз советских республик. был подписан декрет Об объединении советских республик России Украины Латвии Литвы Белоруссии для борьбы с мировым империализмом.