7333

Элементы физической электроники

Лекция

Физика

Тема: Элементы физической электроники 1. Работа выхода электрона из металла. Термоэлектронная эмиссия. 2. Электрический ток в вакууме. Законы, описывающие ток в вакууме. I=B...

Русский

2013-01-21

79 KB

31 чел.

Тема: Элементы физической электроники

1. Работа выхода электрона из металла. Термоэлектронная эмиссия.

2. Электрический ток в вакууме.

Законы, описывающие ток в вакууме.

I=BU3/2 (для Ua≥0);

3. Электрический ток в газе. Процессы ионизации и рекомбинации. Самостоятельный и несамостоятельный газовые разряды.

4. Вольтамперная характеристика газового разряда.

 

5. Типы газовых разрядов. Понятие о плазме.

1. Работа выхода электрона их металла. Термоэлектронная эмиссия.

В классической теории электропроводности металлов электроны проводимости рассматриваются как электронный газ. В этом случае поверхностный слой металла можно рассматривать как стенки сосуда, в котором заключен этот газ. Если какой либо электрон покинет поверхность, то она зарядится положительно и возникнет сила притяжения, препятствующая удалению электрона от поверхности.

Обладая кинетической энергией теплового движения, наиболее быстрые электроны непрерывно покидают поверхность металла. Однако, вследствие возникающей силы притяжения, они могут удалиться от поверхности лишь на расстояния атомных размеров. Таким образом, над поверхностью металла образуется электронное облако.

В первом приближении приповерхностную область металла можно представить в виде двойного электрического слоя и рассматривать как конденсатор с разностью потенциалов Δφ. Для того, чтобы электрон покинул поверхность металла необходимо совершить определенную работу, называемую работой выхода Авых.

Работой выхода называется работа, которую нужно совершить, чтобы переместить электрон проводимости из металла в вакуум.

В первом приближении работу выхода можно оценить формулой

Авых=е·Δφ, (1)

где е– заряд электрона.

Работа выхода зависит от химической природы металла и состояния его поверхности, т.е является величиной, характерной для каждого металла.

Работа выхода может быть совершена за счет кинетической энергии теплового движения электронов, которую можно увеличить нагреванием металла. В этом случае процесс испускания электронов называется термоэлектронной эмиссией.

Термоэлектронной эмиссией называется явление испускания электронов металлами при их нагревании.

2. Электрический ток в вакууме. Законы, описывающие ток в вакууме.

Закономерности термоэлектронной эмиссии можно исследовать с помощью двухэлектродной лампы – вакуумного диода, представляющего собой вакуумированный баллон, содержащий два электрода –катод К и анод А. Лампа включается в цепь как показано на рис. 1. Если при разогретом катоде на анод подать положительный потенциал Ua относительно катода, то в анодной цепи возникнет электрический ток. График зависимости силы анодного тока Ia от анодного напряжения Ua (вольт-амперная характеристика) при постоянной температуре катода показан на рис. 2.

 

 Рис. 1        Рис.2

Как видно из рис. 2, сила тока не пропорциональна напряжению. Следовательно, для вакуумного диода закон Ома не выполняется.

Кроме того, так как термоэлектроны вылетают из катода с запасом энергии, то наиболее быстрые могут достигать анода даже при небольших отрицательных значениях анодного напряжения. В области значений силы тока Ia далеких от насыщения  вольт-амперная характеристика описывается законом трех вторых (установлен российским физиком Богуславским С.А. (1883-1923) и американским физиком Ленгмюром И. (1881-1957))

I=BU3/2  ( для Ua≥0) (2),

где B – коэффициент, зависящий от формы и размеров электродов, а также от их взаимного расположения. В зарубежной литературе приведенный закон называется формулой Ленгмюра.

Опыты показали, что плотность тока насыщения очень быстро возрастает с увеличением температуры катода. На основе квантовой статистики теоретически была выведена следующая формула для плотности тока насыщения

(3),

где А – работа выхода электронов из катода, – постоянная величина, одинаковая для всех металлов при одинаковых условиях, Т – термодинамическая температура. Формула (3) называется формулой Ричадсона-Дешмана. Из формулы (3) следует, что с уменьшением работы выхода плотность тока насыщения резко возрастает (экспоненциальная зависимость). Поэтому для получения достаточно больших значений  применяют катоды с пониженной работой выхода – оксидные катоды.

 

3. Электрический ток в газе. Процессы ионизации и рекомбинации. Несамостоятельный и самостоятельный газовый разряды.

Прохождение электрического тока через газы называется газовым разрядом.

При обычных условиях газы состоят из нейтральных молекул и не содержат свободных электрических зарядов. Следовательно, при обычных условиях газы не проводят электрический ток. Газ становится проводником, если часть его молекул ионизируется.

 Ионизацией называется процесс отрыва электрона от молекулы.

В результате ионизации образуются ион и свободный электрон. В этих условиях под действием внешней разности потенциалов в газе будет протекать электрический ток. Будет происходить газовый разряд.

Для ионизации молекул необходимо затратить определенную энергию (энергия ионизации или работа ионизации) по отрыву электрона от молекулы. Энергия ионизации характеризуется потенциалом ионизации.

Потенциалом ионизации называется разность потенциалов, которую должен пройти электрон в ускоряющем электрическом поле, чтобы увеличение его энергии было равно энергии ионизации.

Значения потенциалов ионизации для различных веществ лежат в пределах 4-25 эВ.

Ионизация молекул газа может быть вызвана различными внешними воздействиями: нагревом до высоких температур (термическая ионизация), облучением ультрафиолетовыми и рентгеновскими лучами (фотонная ионизация), радиоактивным излучением. Количественной характеристикой процесса ионизации служит интенсивность ионизации, которая определяется числом пар разноименных зарядов, возникающих в единице объема в единицу времени. Одновременно с ионизацией газа в его объеме происходит обратный процесс –рекомбинация.

Рекомбинацией называется процесс превращения заряженной частицы в нейтральную частицу при ее взаимодействии с другими частицами.

Таким образом, необходимыми условиями существования газового разряда являются возникновение в газе свободных электрических зарядов и наличие в нем электрического поля. В зависимости от условий возникновения свободных зарядов газовые разряды делятся на несамостоятельные и самостоятельные.

Несамостоятельным разрядом называется разряд, в котором электропроводность газа создается и поддерживается за счет действия внешнего источника ионизации (внешнего ионизатора).

Самостоятельным газовым разрядом называется разряд, который сохраняется после прекращения действия внешнего ионизатора.

В этом случае электропроводность газа создается и поддерживается за счет процессов, происходящих в самом разряде.

4. Вольтамперная характеристика газового разряда.

Закономерности газового разряда можно исследовать с помощью электрической цепи, показанной на рис. 3 и содержащей разрядный промежуток А-К, облучаемый ультрафиолетовым излучением, источник питания Ба, потенциометр R и измерительные приборы. При постоянной интенсивности ультрафиолетового излучения вольт-амперная характеристика разряда имеет вид, показанный на рис. 4.

   Рис. 3      Рис. 4

Вольтамперную характеристику можно разделить на пять характерных областей значений напряжения.

Несамостоятельный разряд.

При малых значениях напряжения (область I) сила разрядного тока увеличивается пропорционально с ростом напряжения. В этой области сила тока изменяется по закону Ома, и плотность тока может быть вычислена по формуле

, (4)

где е – заряд электрона, n – число пар разноименных зарядов в единице объема, b+ и b- – подвижности положительных и отрицательных зарядов, Е – напряженность электрического поля.

При дальнейшем увеличении напряжения  линейный характер зависимости I=f(U) нарушается (область II) и, начиная с некоторого значения напряжения Uн, наступает насыщение (область III). Наличие насыщения объясняется тем, что на этом этапе развития разряда возникновение зарядов в газе, взамен уходящим  на электроды, целиком обусловлено действием внешнего ионизатора. Число образующихся пар зарядов определяется только мощностью ионизатора. При постоянной мощности ионизатора (n=const) и при значениях напряжения равных Uн все возникающие заряды достигают электродов.

Максимальная сила тока, достигаемая при данной интенсивности ионизации называется током насыщения.

Дальнейшее увеличение напряжения (U > Uн) приводит к резкому нарастанию силы разрядного тока (область IV). Этот рост силы тока объясняется следующим образом. Электроны, возникающие под действием внешнего ионизатора, успевают за время своего свободного пробега приобрести энергию, достаточную для того, чтобы столкнувшись с молекулой вызвать ее ионизацию. Этот процесс называется ударной ионизацией. Электроны, возникшие в результате ударной ионизации, ускорившись в электрическом поле, в свою очередь вызывают ионизацию других молекул. Таким образом, происходит лавинообразное размножение свободных зарядов, и увеличение разрядного тока. При рассматриваемых значениях напряжения  (область IV) выключение внешнего ионизатора приводит к прекращению разряда. Разряд продолжается только до тех пор, пока все ионы и электроны, имеющиеся в газе к моменту выключения ионизатора, не достигнут электродов. Таким образом, при значениях напряжения вплоть до значения U=Uзаж  газовый разряд является несамостоятельным.

Самостоятельный разряд.

Для возникновения самостоятельного разряда необходимо, чтобы ионы тоже могли порождать вторичные электроны. Этого можно достичь при относительно больших значениях напряжения UUзаж (область V), при которых энергия ионов становится достаточной для выбивания электронов из катода. Такой процесс называется вторичной ионно-электронной эмиссией. Вторичные электроны в дальнейшем участвуют в ударной ионизации, приводя к резкому увеличению силы тока. В этом случае электропроводность газа поддерживается за счет вторичной ионно-электронной эмиссии и ударной ионизации. Таким образом, при значениях напряжения UUзаж газовый разряд может существовать независимо от действия внешнего ионизатора, т.е. будет самостоятельным.

Значение напряжения Uзаж, при котором несамостоятельный газовый разряд переходит в самостоятельный, называется напряжением зажигания.

Теоретические расчеты и эксперименты показывают, что значение напряжения зажигания определяется произведением давления Р газа и расстояния d между электродами.  При этом значение Uзаж зависит от химической природы газа и материала катода. Характерный график зависимости Uзаж=f(pd) показан на рис. 5.

Рис. 5

Как видно из графика, самостоятельный разряд может существовать при различных значениях Uзаж, p и d. При этом для каждого газа и материала катода имеется некоторое значение произведения pd0, при котором значение напряжения зажигания оказывается минимальным. Левая (относительно pd0) ветвь кривой соответствует различным высоковольтным разрядам низкого давления, тогда как правая ветвь соответствует высоковольтным разрядам.

 

  

5. Типы газовых разрядов. Понятие о плазме.

Существуют различные виды самостоятельных газовых разрядов, которые отличаются внешним видом и характером физических процессов. Различают следующие характерные виды разрядов:

1 – тлеющий; 2 – коронный; 3 – искровой и 4 – дуговой разряды.

1. Тлеющий разряд возникает при значениях давлениях в несколько кПа и ниже и значениях напряжения горения от сотен вольт до нескольких киловольт. Этот тип разряда характеризуется холодным катодом и малой плотностью тока (до сотни миллиампер). Разряд имеет характерные области, главной из которых является так называемая катодная область, прилегающая к катоду. Длина катодной области определяется химической природой газа, материала катода и значением давления. Если анод приблизить к катоду на расстояние меньшее длины катодной области, то тлеющий разряд не возникнет.

Тлеющий разряд нашел применение в лампах «дневного света», иллюминационных лампах,  для поверхностной обработки материалов и т.д.

2. Коронный разряд возникает при нормальном давлении газа в сильно неоднородном электрическом поле (около остриев). Этот тип разряда протекает при холодном катоде и малом значении плотности тока (микроамперы) и проявляется в виде светящейся короны. Свечение сопровождает ионизацию молекул воздуха, поэтому коронный разряд используется в различных типах ионизаторов газов. Кроме того коронный разряд используется для очистки газов от примесей  и нанесения порошковых и лакокрасочных покрытий.

3. Искровой разряд возникает при нормальном давлении газа и значениях напряжения, более высоких, чем при коронном разряде. Этот тип разряда проявляется в виде сменяющих друг друга ярких, зигзагообразных нитей (или каналов). Электронные и ионные лавины, возникающие в искровых каналах приводят к увеличению давления и температуры. Поэтому искровой разряд сопровождается выделением большого количества теплоты, ярким свечением и треском. Этот разряд нашел применение в искровой обработке поверхностей. Примером природного искрового разряда является молния.

4. Дуговой разряд возникает как при нормальном, так и повышенном давлениях. Его можно получить из искрового разряда, если уменьшать расстояние между электродами. В этом случае отдельные искровые каналы объединяются в один канал в виде дуги, и значение плотности тока растет до сотен ампер, а значение напряжения падает до десятков вольт. Можно зажечь низковольтную дугу, если первоначально электроды замкнуть, а затем раздвинуть. В любом дуговом разряде электропроводность газа создается и поддерживается термоэлектронной эмиссией с раскаленного катода и термической ионизацией молекул за счет высокой температуры дуги. Температуры катода и дуги зависят  от давления. Например, при значении давления р=1атм температура кратера дуги на катоде достигает 39000С. При больших давлениях газа температура кратера может достигать 6000–70000С, а температура газа в дуге достигает 5000–60000С.

Наиболее широко дуговой разряд применяется для сварки и резки металлов, для выплавки металлов и сплавов, а также в качестве интенсивного источника света.

Понятие о плазме.

В некоторых формах самостоятельного разряда образуется сильно ионизированный газ, в котором концентрация положительных и отрицательных зарядов практически одинакова. В этом случае результирующий пространственный заряд практически равен нулю (квазинейтральное состояние). Такое состояние газа называется плазмой. О плазме как таковой можно говорить при наличии в газе определенного минимального значения концентрации заряженных частиц. Это минимальное значение концентрация заряженных частиц  определяется неравенством

L>>D,

где L – характерный размер системы заряженных частиц, а D – Дебаевский радиус экранирования, который вычисляется по формуле

(5).

Дебаевский радиус экранирования – это минимальное расстояние, на котором происходит экранирование кулоновского поля любого заряда плазмы за счет группировки вокруг него заряженных частиц противоположного знака.

При большой плотности плазмы ее рассматривают как идеальный газ  и к ней применяют классическую электронную теорию электропроводности. Большая концентрация электрических зарядов обоего знака обусловливает большую электропроводность плазмы.

Плазма характеризуется степенью ионизации α, которая определяется как отношение числа ионизированных атомов и общего числа частиц плазмы. В зависимости от значения α различают слабоионизированную плазму (значение α составляет доли процента),  умеренно ионизированную плазму (значение α составляет до десятков процентов) и полностью ионизированную плазму (значение α близко к 100%).

В зависимости от значения температуры Ти, соответствующей средней энергии теплового движения ионов, различают низкотемпературную плазму (Ти<105К) и высокотемпературную плазму (Ти>107К).

Вследствие большой электропроводности плазма обладает рядом специфических свойств таких, как: сильное взаимодействие с  внешними электрическими и магнитными полями и поверхностью, наличием упругих свойств, приводящих к возникновению и распространению в плазме различных колебаний и волн.

Низкотемпературная газоразрядная плазма, образующаяся при тлеющем, искровом, дуговом и других газовых разрядах, широко используется в различных источниках света, для сварки, резки, плавки и других видов обработки металлов. Плазма служит в качестве рабочего тела в плазменных ракетных двигателях и магнитогидродинамических генераторах.

Вопросы для самопроверки:

 

  1.  Что такое термоэлектронная эмиссия? Какими законами описывается электрический ток в вакууме?
  2.  Что такое газовый разряд, и при каких условиях он возникает?
  3.  Что такое самостоятельный и несамостоятельный газовый разряд?
  4.  Описать характерные участки вольтамперной характеристики газового разряда.
  5.  Что такое напряжение зажигания разряда, и от чего зависит его значение?
  6.  Охарактеризовать основные виды газового разряда.
  7.  Что такое плазма газового разряда, и какими свойствами она обладает?


 

А также другие работы, которые могут Вас заинтересовать

63591. Особливості ринкових умов та їх вплив на прийняття економічних рішень підприємствами 101 KB
  Конкуренція тип взаємовідносин між виробниками з приводу встановлення цін і обсягів пропозиції товарів на ринку. Аналогічно визначається конкуренція між споживачами як взаємовідносини з приводу формування цін і обсягу попиту на ринку. Він служить кращому забезпеченню ринку товарами.
63593. Происхождение и историческое развитие государства 338.43 KB
  Широкое распространение эта теория получила в Средневековой Европе, в труде ученого-богослова Фомы Аквинского «О правлении властителей». По мнению представителей данной теории, государство возникло и существует в силу божественной воли, Бог –творец всего на Земле, в том числе и государства.
63595. УПРАВЛİННЯ ГРОШОВИМИ ПОТОКАМИ 410.43 KB
  Поняття грошового потоку Грошовий потік можна визначити як сукупність послідовно розподілених у часі подій які пов’язані із відособленим та логічно завершеним фактом зміни власника грошових коштів у зв’язку з виконанням договірних зобов’язань...
63597. АНТИЧНАЯ ФИЛОСОФИЯ 220.5 KB
  Своим характером и направленностью содержания особенно методом философствования она отличается от древних восточных философ ских систем и является собственно первой в истории попыткой рационального постижения окружающего мира.