20597

Электрические явления в вакууме

Лекция

Физика

Вид элемента системы Вязкостный режим Молекулярный режим Круглое отверстие диаметром dм Отверстие произвольной формы площадью Ам2 Трубопровод диаметром d длиной l Трубопровод прямоугольного сечения авм Трубопровод с равносторонним треугольным сечением асторона м Трубопровод эллиптического сечения абольшая в малая оси м Труборовод диаметром d с коаксиально расположенным стержнем диаметром dг м а в 1 2 5 10 100   23 37 47 50 53 53  11 12 13 14 Электрические явления в вакууме Прохождение электрического тока...

Русский

2013-07-31

272.5 KB

12 чел.

63

Формула для расчета проводимости отверстий и трубопроводов для воздуха при Т=293К.

[U]=м3/с.

Вид элемента системы

Вязкостный режим

Молекулярный режим

Круглое отверстие диаметром d,м

Отверстие произвольной формы, площадью А,м2

Трубопровод диаметром  d, длиной l

Трубопровод прямоугольного сечения ав,м

Трубопровод с равносторонним треугольным сечением , а-сторона, м

Трубопровод эллиптического сечения , а-большая, в- малая оси, м

Труборовод диаметром  d с коаксиально расположенным стержнем диаметром  dг, м

а/в

1

2

5

10

100

2,3

3,7

4,7

5,0

5,3

5,3

1,1

1,2

1,3

1,4

-

-

Электрические явления в вакууме

Прохождение электрического тока через газы при приложении разности потенциалов связано с перемещением электронов и ионов. При отсутствии электрического поля распределение по энергиям для электронов, ионов и нейтронов одинаково.

Средняя длина свободного пути электронов в вакууме может быть вычислена по выражению:

, где

d- диаметр молекулы газа.

При равных условиях длина свободного пути электронов в 5,6 раз больше, чем у молекул и положительных ионов. Ионизация молекул остаточного газа ведется за счет ,, излучений.

N2

He

Ne

Ar

CO

O2

H2

Xe

Eион.,эв

14,5

24,6

21,6

15,8

14,1

12,6

13,0

23,2

Наиболее часто газ ионизируется за счет электронной бомбардировки. Под действием разности потенциалов Uэ ионы и электроны дополнительно к тепловой энергии 3кТ/2 получают энергию qUэ, где q- элементарный заряд.

Электропроводность газового ??????? (без дополнительных ионизирующих излучений) всегда мала.

Электропроводность газового промежутка может характеризоваться пробивным напряжением Uпр, которое зависит от природы газа, расстояния между электродами и давления. Пашеном был открыт закон, что пробивное напряжение пропорционально величине

d),

но не отдельно от Р и d.

Пробивное напряжение имеет минимум в области среднего вакуума.

Сорбционные явления.

Сорбционные силы и процессы.

Сорбция- это процесс поглощения газов или паров твердыми или жидкими телами. По мере снижения рабочего давления ??? сорбционных процессов возрастает.

Природа сорбционных сил такая же , как и сил межмолекулярного взаимодействия. Различают физическое и химическое взаимодействие. Физическое взаимодействие определяется следующими эффектами:

  1.  Притяжение между молекулами с постоянным диполем и молекулами с индуцируемым диполем (индукционный эффект).
  2.  Притяжение между молекулами с постоянными диполями (ориентационный эффект).
  3.  Притяжение между молекулами с ???туирующим и индуцированным  диполем  (дисперсионный эффект).
  4.  Отталкивание между ядрами сближающихся молекул.

При химическом взаимодействии различают следующие виды связей, обеспечивающих притяжение молекул:

Ковалентную, ионную.

С учетом всех видов эффектов и связей, энергия взаимодействия между двумя молекулами может быть записана в виде:

, где

r-расстояние между взаимодействующими молекулами; С- константа, характеризующая физические эффекты притяжения взаимодействия; В- константа, характеризующая отталкивание молекул; UX-энергия притяжения, характеризующая химические связи.

Константу С для двух одинаковых молекул можно подсчитать по формуле:

Здесь- дипольный момент молекул, - поляризуемость, - потенциал ионизации.

Газ

Общая энергия взаимодействия

1019Джм6

Джм6

%

Джм6

%

Джм6

%

H2O

247

10

4

190

77

47

19

CO

67,6

5710-3

8,510-2

3410-4

510-3

67,5

99,9

NH3

187

10

5,35

84

45

93

49,6

N2

57,2

-

-

-

-

57,2

100

O2

39,8

-

-

-

-

39,8

100

H2

11,4

-

-

-

-

11,4

100

He

1,49

-

-

-

-

1,49

100

Ne

7,97

-

-

-

-

7,97

100

Ar

69,5

-

-

-

-

69,5

100

Xe

-

-

-

-

Поглощение газов на поверхности твердых тел за счет процессов физического взаимодействия называется физической адсорбцией

Хемосорбция – поверхностное поглощение газов за счет химического взаимодействия.

Абсорбция- поглощение газов в объеме твердых или жидких тел.

Вещество, поглощающее газ-сорбент (адсорбент)

Поглощаемое вещество- сорбат (адсорбат).

Для нахождения энергии связи при поглощении молекулы поверхностью адсорбента, необходимо просуммировать энергии взаимодействия молекулы с атомами адсорбента. Эту энергию (если расстояние между молекулой газа и поглощаемой поверхностью велико по сравнению с расстоянием между стенками адсорбента) можно представить в виде:

, где

- концентрация атомов адсорбента, - объем адсорбента.

Считая, что адсорбент имеет вид полусферы, т.е. после подстановки и интегрирования по r в пределах от , получим:

, где

- энергия физического взаимодействия;

 

- энергия хемосорбции,

- расстояние от условного положения равновесия молекулы до поверхности адсорбента.

Адсорбция- процесс экзотермический, т.е. идет с выделением тепла. При поглощении одной молекулы газа выделяется теплота адсорбции, рассчитанная по последнему выражению.При физической адсорбции, теплота адсорбции обычно не превышает 80 кДж/моль, а при хемосорбции лежит в пределах от 80 до 400 кДж/моль.

Рассмотрим качественный процесс поглощения многоатомных молекул газа, являющихся основными компонентами воздушной смеси, поверхностью адсорбента.

По мере приближения к поверхности адсорбента молекулы газа за счет физического взаимодействия попадает в первую потенциальную яму, находящуюся на расстоянии    от поверхности адсорбента.

Затем, молекулы, обладающие при взаимодействии с поверхностью энергией не менее  на расстоянии  от поверхности диссоциируют на атомы, вступающие в химическую связь с атомами адсорбента. Далее они попадают во вторую потенциальную яму с энергией , находящуюся на расстоянии  от поверхности адсорбента. Энергия активации  при диссоциации в адсорбированном состоянии несколько меньше, чем - энергия диссоциации свободных молекул, в связи с участием адсорбционных атомов в разрыве связей между атомами. Если наиболее вероятная энергия молекул в адсорбированном состоянии:

,

то они будут колебаться внутри потенциальной ямы между радиусами  и . Для перехода молекул во вторую потенциальную яму, необходимо нагреть поверхность до температуры, при которой выполняется неравенство:

 

Если выполнить неравенство , то молекулы начнут десорбировать из второй потенциальной ямы.

Следующим этапом поглощения является абсорбция , которая характеризуется переходом хемосорбированных молекул газа через кристаллическую решетку твердого тела.

Таким образом, процесс сорбции протекает в следующем порядке:

  1.  физическая адсорбция;
  2.  хемосорбция;
  3.  абсорбция.

Равновесное состояние абсорбции  определяется растворимостью газов  в твердых телах. Сам процесс растворения газов осуществляется за счет диффузии, с которой также связаны очень важные для нас процессы газовыделения и газопроницаемости.

Давление насыщенных паров

.Вещество, в зависимости от давления и температуры может находиться в трех агрегатных состояниях: твердое, жидкое, газообразное.

В тройной точке (В) вещество находится в неопределенном состоянии. При температуре выше Ткр вещество не может быть переведено из газообразного в другие состояния путем повышения давления. Газообразное состояние вещества при температуре ниже критической называется паром.


В таблице приведены Ткр и параметры тройной точки (В) для некоторых веществ:

H2О

H2

CO2

N2

O2

Ar

Hr

Ne

Xe

Ткр

647

209

304

126

155

151

33,2

44,4

290

ТВ

273

116

217

63,2

54,4

83,8

13,9

24,5

-

РТВ,Па

560

7,7104

4,5105

1,2104

146

1,5104

7,2103

4,3104

-

Ркр10-5,Па

218

54

-

-

50

48

12,8

26,8

57,6

 кр10 -3,кг/м3

0,32

0,908

-

-

0,41

0,531

0,032

0,0639

1,155


Для нас наибольший интерес представляет область низкого давления, при которой происходят процессы перехода из жидкого состояния в парообразное (испарение) и обратный процесс (????????), или из твердого – в парообразное (сублимация) и обратный процесс (десублимация).

Кривая авс на последнем рисунке при давлении меньше 100Па может быть описана выражением:

, где

- давление насыщенного пара вещества при температуре Т;

и - константы, зависящие от вещества.

 Указанные температуры соответствуют давлению насыщенных паров 1,33Па.

 

Cu

Al

Zn

Ni

Fe

Cr

T K

1545

1480

615

1670

1740

1665

Скорость испарения [кг/мс]

1,210-3

7,910-4

1,910-3

1,110-3

1,110-3

10-3

М

11,08

10,01

10,00

11,87

11,56

12,06

N10-3

16,98

15,94

14,87

20,96

19,97

10,00

В замкнутом сосуде с постоянной температурой всегда устанавливается давление насыщения паров материала, из которого изготовлен сосуд.

В вакуумных технологических процессах стремятся к повышению давления насыщения паров, распыляемых материалов.

Испарение

Если над поверхностью вещества давление его паров меньше, чем давление насыщенного пара при данной температуре, то будет происходить процесс испарения вещества. При равенстве давлений испарение прекращается, при этом скорости испарения и конденсации молекул на поверхности равны, что соответствует условию динамического равновесия.

Воспользовавшись выражением    и  , представим эффективную скорость испарения вещества, как разность скоростей испарения и конденсации:

где- давление паров вещества Па;

- давление насыщенных паров вещества;

- молекулярная масса кг/кмоль;

=8,3кДж/кмоль;

- кг/м2с

Ранее в табл.   , мы привели скорость испарения некоторых веществ при условии РТ>>1. Теплота испарения молекулы вещества определенная по константе N из уравнения , равна 2,3 RN.

Испарение из точечного источника О соответствует изотропному распределению, для которого вероятность внутрь телесного угла  определяется как сфера.

При нанесении покрытия на внутреннюю поверхность -:

Такая вероятность вылета молекул внутри сферы.

Испарение из плоского источника подчиняется закону косинуса, по которому вероятность вылета молекул пропорциональна косинусу угла между нормалью к поверхности и направлением вылета. Вероятность вылета молекул внутри телесного угла   в этом случае:

, где

А- множитель, определяемый из условия нормировки:

 

Учитывая, что для внутренней сферической поверхности , после подстановки  в условие нормировки, найдем А=2. Таким образом, получим:

Итак, вероятность вылета молекул из плоского потока равна удвоенному произведению относительного телесного угла на косинус угла между нормалью к поверхности и направлением вылета.

Интегрируя последнее выражение в пределах от 0 до , при , найдем долю молекул, попадающих внутрь угла :

Отсюда также следует выражение для определения угла , соответствующего заданной доле молекулярного потока :

Это выражение применяется при математическом моделировании испарения молекул с поверхности.

Конденсация

Конденсация происходит при давлениях паров вещества, больших давления насыщенного пара, когда на единицу времени конденсируется большее число молекул, чем испаряется .Скорость конденсации из газовой фазы можно записать в виде, аналогичном ЕИ (ранее) при P>PT/

Рассмотрим особенности процесса конденсации молекул, испаряемых из бесконечно малых источников на плоскую подложку в высоком вакууме.

Рис.

Скорость конденсации при этом:

Если молекула испаряется из точечного источника, то   определяется:

, а

r- расстояние от источника до площадки  на подложке.

Выражение для скорости конденсации:

Поток молекул, попадающих на площадку dS, расположенную на кратчайшем   расстоянии l от источника:

Тогда отношение толщин пленки конденсата , нанесенных за одинаковый промежуток времени на разных участках поверхности:

Отсюда следует, что при  толщина слоя конденсата в центре и на краю подложки отличаются в 2,8 раза. В процессе вакуумного испарения обычно необходима равномерность толщины покрытия. Для допускаемой неравномерности толщины покрытия

10%, минимальное расстояние между источником и подложкой должно быть , а при неравномерности   5%  .

При конденсации молекул, вылетающих из бесконечно малого ???? источника, вероятность вылета определяется из:

Тогда, аналогично предыдущему получается:

и

 

Отношение толщин конденсата при нанесении из плоского источника:

,

откуда следует, что при =l толщина пленки в центре и на краю подложки отличается 4 раза. При получении пленки с неравномерностью в 10% необходимо располагать подложку на расстоянии  от источника, а для снижения неравномерности до 5% это расстояние . Плоский источник дает большую, чем точечный скорость напыления (в 4 раза при ), но неравномерность покрытия возрастает.

 

.

Хемосорбция. Скорость сорбции.

Хемосорбция играет большую роль в поверхностных процессах. ЕЕ необходимо учитывать при обезгаживании вакуумных систем, прцессах напыления и при обработке электрофизических приборов. 

Теплота химической адсорбции обычно более 80 кДж/моль, т.е. соответствует теплоте в химических реакциях. Хемосорбция свойственна таким системам, как  

Cr-Ag; Cl-Ni; H2-Cu; H2-Fe; H2- Ni;

При хемосорбции обычно наблюдается мономолекулярная адсорбция, т.к. теплоты адсорбции значительно больше теплот конденсации. При этом справедливы допущения:

  1.  Теплота адсорбции постоянна и не зависит от количества поглощенного газа.
  2.  Из всех молекул, ударяющихся о поверхность твердого тела, адсорбируются с вертикалью f, не зависящих от количества поглощенного газа, только те молекулы, которые попадают на свободную поверхность.

В этом случае условия адсорбционного равновесия примут вид :

,

где - степень покрытия поверхности молекулами газа; - количество молекул, образующих монослой на единице поверхности; а- количество молекул, адсорбированных на единице поверхности;  - скорость конденсации;

- скорость испарения; - время адсорбции;

- постоянная ????.

Решая это уравнение, получаем:

, где

.

При постоянной температуре это уравнение представляет собой уравнение изотермы мономолекулярной адсорбции – уравнение Лэнгмюра.

Различие между физической адсорбцией и хемосорбцией следует из анализа изображения адсорбции. На этом рисунке представлены изобары адсорбции водорода на никеле. При повышении температуры от –2250С до количество поглощенного водорода убывает согласно закономерностям физической адсорбции, затем

После минимума (после –1750С) наблюдается вновь увеличение количество поглощенного газа, связанное с хемосорбцией.

В отличие от физической, хемосорбция, как правило, процесс необратимый и для выделения поглощенного количества газа требует нагрев до более высоких температур. Это приводит к необходимости прогрева вакуумных камер для удаления со стенок хемосорбированных газов.    


 

А также другие работы, которые могут Вас заинтересовать

49542. Воспитание скоростно-силовых способностей у бегунов на короткие дистанции 17-18 лет в подготовительном периоде 58.45 KB
  Подготовка бегуна на короткие дистанции - многогранный и сложный педагогический процесс. Достижение высоких спортивных результатов в легкой атлетике во многом обусловлено оптимальным уровнем скоростно-силовой подготовленности, поэтому рациональное построение соотношения специальной физической подготовки
49544. Проект системы автоматического регулирования (САР) частоты вращения двигателя постоянного тока 8.87 MB
  При дальнейшем анализе системы второстепенными возмущениями будем пренебрегать. Принцип работы системы. Рассматриваемая САР относится к системам с последовательной коррекцией так как корректирующее устройство включается последовательно со звеньями системы. Передаточные функции системы.
49548. РАКИ ОТДЕЛЬНЫХ ОРГАНОВ (лёгкого, желудка, молочной железы, шейки и тела матки) 4.81 MB
  В настоящем учебно-методическом пособии рассмотрены вопросы патологической анатомии рака пяти локализаций – лёгкого, желудка, молочной железы, шейки и тела матки, соответственно теме практического занятия.
49549. Проектирование системы контроля доступа и видеонаблюдения 210 KB
  Анализ комплекса мер направленных на реализацию системы контроля и управления доступом и системы видеонаблюдения. Выбор и обоснование выбора оборудования и программного обеспечения СКУД и системы видеонаблюдения с учетом внешних и внутренних характеристик объекта. Расчет стоимости спроектированной системы.
49550. Проектирование работоспособной машины 4.61 MB
  Литературный поиск выбор принципиальной компоновочной схемы проектируемой машины. Целью данного курсового проекта является проектирование работоспособной машины отвечающая всем стандартам предъявляемой к технике данной отрасли. Провести оценку эксплуатационных свойств проектируемой машины сделать соответствующие выводы о целесообразности использования данной машины. hrvester жнец собиратель урожая многооперационные лесосечные машины предназначенные для выполнения комплекса операций: валка обрезка сучьев...