1.3.4 Elektros srove dujose (Fizika.KTU.2009)

Elektros srovė dujose ir vakuume

Esant kambario T ir atmosferos slėgiui –dujos yra dielektrikai.

Taip yra todėl, kad jos susideda iš elektriškai neutralių atomų.

Kiekvienai dujų molekulei, suteikus pakankamą energijos kiekį, iš jos galima atplėšti vieną ar kelis elektronus, susidaro laisvieji krūvininkai. Šis procesas vadinamas jonizacija.

O energijos kiekis, reikalingas jai atlikti vadinamas jonizacijos darbu - Aj.Matuojama kJ/mol arba eV/atomui.

Dažnai vietoj jonizacijos energijos matuojamas jonizacijos potencialas. Jis rodo potencialų skirtumą, išreikštąvoltais, kuriam esant elektronas įgyja reikiamą jonizacijos energiją.

Šios energijos, išreikštos elektrovoltais, skaitinė reikšmė lygi jonizacijos potencialui, išreikštam voltais.

Jonizuoti dujų atomus galima juos veikiant liepsna, ultravioletiniais ar rentgeno spinduliais, bombarduojantpakankamai didelių energijų dalelėmis: elektronais, protonais, α dalelėmis, fotonais ir kitomis.

Išorinė priežastis, sukelianti jonizaciją, vadinama jonizatoriumi.

Lengviausia atplėšti yra išorinius elektronus. Vidiniams reikia daugiau energijos.

Pvz.: Jonizuoti N atomą iki N+ reikia atlikti Aj=14,5 eV jonizacijos darbą, o iš N+ paversti N++, reikia atlikti Aj=24,9 eV.

Elektros srovė dujose. Dujų jonizacija ir krūvininkų rekombinacija

Jei jonizacijos metu jonai gauna nedaug energijos, tai dažniausiai atplėšiamas tikvienas elektronas, vadinami vienakrūviai teigiami jonai.

Jų koncentracija – n+.

Atplėštieji elektronai greitai prisijungia prie neutralių atomų ir susidaro neigiami jonai.

Jų koncentracija – n-.

Tokiomis sąlygomis: dydį n pavadinkime jonų porų koncentracija.

Jei dujos yra jonizuojamos veikiant jonizatoriumi, šio proceso spartą apibūdina dydis, vadinamas jonizacijos stiprumu.

Jis yra lygus tūrio vienete sukuriamų per vieną sekundę jonų porų skaičiui.

Matematiškai tai išreiškiama per koncentracijos n išvestnę:


jdtdng

=

nnn ≈≈ −+

(1)

Atvirkštinis jonizacijai ir nuolat vykstantis procesas dujose – rekombinacija: teigiamųir neigiamų jonų, teigiamų jonų ir elektronų jungimasis į atomus ir molekules.

Rekombinacijos sparta apibūdinama išnykstančių tūrio vienete pervieną sekundę jonų porų skaičiumi arba matematiškai – išvestine:

Rekombinacijos tikimybė priklauso nuo esančių jonizuotų jonų porų koncentracijos,todėl rekombinacijos sparta tiesiogiai proporcinga n+ ir n- sandaugai.

O kadangi , rekombinacijos spartą galime užrašyti:

Minuso ženklas rodo, kad dėl rekombinacijos jonų porų koncentracija mažėja.

Dydis r – vadinamas rekombinacijos koeficientu.

Vykstant rekombinacijai, išsiskiria krūvininkams susidaryti suvartota energija šviesospavidalu. Šis švytėjimas vadinamas rekombinaciniu švytėjimu.


2rndtdn

r

−=

nnn ≈≈ −+

rdtdn

(2)

Elektros srovės tekėjimas dujose vadinamas elektros išlydžiu.

Išlydį, kuris vyksta jonizatoriaus jonizuotose dujose, vadiname nesavaiminiu išlydžiu.Nustojus veikti jonizatoriui, toks išlydis nutrūksta.

Paimkime erdvę, kurioje yra jonizuojamos dujos.Erdvė yra apribota dviejų lygiagrečių elektrodų,kurių plotas S, o atstumas tarp jų – l.

Tokioje erdvėje jonų porų skaičius bus:

Į elektrodus paduodamas potencialų skirtumas U.

E lauko veikiami teigiami ir neigiami jonai, pasiekę elektrodus atiduoda ir pasiimaneigiamus krūvius.

Per 1 s elektrodus pasiekiančių porų skaičių pažymėkime:

Tada per dujas yra pernešamas elektros srovės stipris:

Nesavaiminis išlydis dujose.

nSlnVN ==

II dtdneSl

dtdNeI

−=

=

IdtdN

S

l+

-

Padalinam iš S,

tada:

- iš 1 m3 per 1s elektroduose neutralizuoti kruviai.

- srovės tankis.


elj

dtdn

I

−=

II dtdneSl

dtdNeI

−=

=

Idtdn

SIj =

S

l

(3)

Įvertinus šiuos tris procesus, tūrio vienete pilna jonų porų kitimo sparta:

, įstačius gautas išraiškas:

Nusistovėjus pusiausvyrai, bendra jonų porų koncentracija nekinta - , todėl:

Kai dominuoja vienakrūviai teigiamų ir neigiamų jonųkrūviai, srovės tankio modulis užrašomas (iš 1.3.3 temos):

Iš (4) lygties išreiškę n ir įstatę į srovės tankio išraišką, gautumesrovės tankio jonizuotose dujose išraišką – voltamperinę ch-ką:

Ji gaunasi labai sudėtinga, todėl apsiribosime dviem atvejais – silpnuose ir stipriuoseelektriniuose laukuose.


Eenj )( −+ += µµ

S

l

Irj dtdn

dtdn

dtdn

dtdn

+

+

=

eljrng

dtdn

−−= 2

0=dtdn

02 =−−eljrng (4)

)(Efj =

Reali voltamperinė išlydžio ch-ka yra:

Nesavaiminis išlydis dujose.S

l

Silpname E lauke, srovės tankis labai mažas,

todėl lygtyje:

trečio nario galime nepaisyti.

Tada gauname: . Įstatę į: ,

Gauname:

Koeficientas nepriklauso nuo E, todėl srovės tankis didėjatiesiškai.

Vadinasi, esant silpniems laukams iki U<U1, išlydžiui galioja Omo dėsnis.

Nesavaiminis išlydis dujose

Eenj )( −+ += µµ

02 =−−eljrng

rgn =

Ergej )( −+ += µµ

)( −+ + µµrge

Stipriame E lauke, rekombinacijos galimenepaisyti, nes beveik visi jonai pasiekia elektrodusir neutralizuojasi

todėl lygtyje:

galime nepaisyti antro nario.

Tada gauname: .

Šiuo atveju gauname, kad srovės tankis nepriklauso nuo E, kas ir matosivoltamperinėje ch-koje – intervalas didelėse įtampose U2<U<U3

Nesavaiminis išlydis dujose

gelj =

02 =−−eljrng

Išlydis, vykstantis be išorinio jonizatoriausstipriame E lauke, vadinamas savaiminiu.

1. Pakankamai stipriame E lauke, elektronai,atsiradę dėl jonizacijos yra greitinami irįgyja pakankamai kinetinės energijos, kadatsitrenkę į kitą atomą, galėtų jį jonizuoti.Tai vadinama smūginė jonizacija.Išmušti elektronai toliau vėl yra greitinami irjonizuoja kitus atomus.

2. Rekombinacijos proceso metu išlekia fotonai,kurie taip pat jonizuoja atomus.

3. E lauke greitinami ir jonai, kurie susidurdami su atomais, juos jonizuoja.4. Teigiami jonai pasiekę katodą, iš jo išmuša elektronus.

Esant šioms 4 sąlygoms, prasideda griūtinė jonizacija arba elektriniu dujų pramušimu.

Įtampa, prie kurios prasideda griūtinė jonizacija, vadinama pramušimo įtampa Up.Šio proceso metu srovės tankis sparčiai didėja U>U3.

Savaiminis išlydis dujose – reikalingos sąlygos

Savaiminio išlydžio reiškinys yra kelių tipų:

1. Žėrintis (rusenantysis) išlydis – vykstantis praretintose dujose.

2. Vainikinis išlydis – vykstantis atmosferos slėgio dujose, esant stipriamnevienalyčiam elektriniam laukui.

3. Kibirkštinis išlydis - atmosferos slėgyje susidarantis išlydis, kai E yra pakankamaistiprus, t.y. E~3*104V/cm

4. Lankinis išlydis – vykstantis esant dideliai termoemisijai, suglaudus akimirkai duanglinius elektrodus, o paskui atitraukiant nedideliu atstumuvieną nuo kito.

Savaiminis išlydis dujose - tipai

Žėrintis (rusenantysis) išlydis – vykstantis praretintose dujose.Jam sukelti pakanka kelių šimtų voltų įtampos tarp elektrodų.

Kai slėgis sumažinamas iki 660 Pa, švytintis ruožas tampa stabilus, susidedantisiš kelių šviesių sričių:

1 – katodinė plėvelė,2 ir 3 – rusenančiojo švytėjimo sritys,4 – švytintis teigiamas stulpas.


Žėrintis (rusenantysis) išlydis taikomas reklamų vamzdeliuose. Raudonai ima švytėti neono pripildyti vamzdeliai.

Rusenantysis išlydis taikomas dienos lempose. Ją sudaro stiklinis vamzdelis, iš kurio išsiurbtas oras ir pripildytas gyvsidabrio garų.Vamzdelio vidus padengtas fluorescuojančia medžiaga – liuminoforu, kuri, veikiamaultravioletinių spindulių, skleidžia matomą šviesą.

Šios šviesos atspalvis priklauso nuo liuminoforo sudėties.


Vainikinis išlydis susidaro esant atmosferos slėgiui, prie didelį elektros krūvį turinčiolaidininko smaigalių vyksta dujinis išlydis, kurio švytinti dalis primena vainiką.

Šį išlydį, vadinamą vainikiniu, sukelia labai stiprus prie įelektrinto smaigalio esantisnevienavytis elektrinis laukas.

Vainikinio išlydžio pavojų gali sukelti kurių nors daiktų smaigaliai arba labai ploni laidai.

Taip susidaro elektros energijos nuostoliai. Juo didesnė aukštosios įtampos linijos įtampa, juo storesni turi būti laidai.

Veikiant atmosferos elektriniam laukui šviesus vainikas, liepsnelės matomos ant laivųstiebų, medžių viršūnių, bažnyčių bokštų, kryžių.


Kibirkštinis išlydis – atmosferos slėgyje susidarantis išlydis, kai E yra pakankamaistiprus, t.y. E~3*104V/cm.

Tai reiškia, kad 1 mm storio “oras” yra pramušamas kibirkštinio išlydžio, esant 3000 V.

Milžiniško kibirkštinio išlydžio pavyzdys – žaibas.

Žaibas susidaro tarp dviejų debesų arba tarp Žemės ir debesies. Žaibo srovės stiprumas pasiekia 500 000 A, o potencialų skirtumas tarp debesies ir Žemės – milijardą voltų.

Kibirkštis uždega benzino garus vidaus degimo variklyje.


Lankinis išlydis vyksta dujose tarp priešpriešais ar lygiagrečiai orientuotų elektrodų.

Jis užsidega veikiant neaukštai įtampai (40-50V), tačiau srovės stiprumas turi būti didelis – dešimtys ir šimtai amperų. Tai aiškinama termoelektronine emisija iš karšto katodo (įkaista dėl jonų smūgių) ir smūgine šilumine jonizacija. Tarp elektrodų yra plazma, kurią sudaro elektronai, jonai, dujų irelektrodų medžiagos normalieji bei sužadintieji atomai. Norint gauti elektros lanką, reikia įtampą prijungti prie dviejų anglinių elektrodų, jų galus akimirkai suglausti, o paskui atitraukti nedideliu atstumu vieną nuo kito.

Elektrodai kontakto vietoje staiga įkaista, aukšta temperatūra jonizuoja orą, ir tarp jųgalų sušvinta akinanti šviesa – elektros lankas.

Elektros lanko temperatūra siekia 4000 oC. Elektros lankas naudojamas metalams lydyti, pjaustyti ir suvirinti. Tai galingiausias šviesos šaltinis prožektoriams ir kino aparatams.


Plazma – tai kvazineutrali atomų ir didelės koncentracijos įvairiaženklių krūvininkų sistema, kurios savybes sąlygoja toliasiekės elektrostatinės jėgos.

Ji apibūdinama jonizacijos laipsniu α. Jis parodo, kuri tūrio vienete esančių atomų(molekulių) dalis yra jonizuota.

Būdingiausias plazmos pavyzdys – jonizuotos dujos, kuriose todėl gausu elektronų irteigiamų jonų.

Šių krūvininkų kinetinė energija tokia didelė, kad jie nerekombinuoja.

Gamtinė plazma sudaro apie 99,9% Visatos masės.

Iš plazmos susideda Žemės jonosfera, Saulė, žvaigždės, jos yra tarpžvaigždinėjeerdvėje.

Plazma, kurios temperatūra T < 105 K, vadinama žemosios temperatūros plazma, okurios T > 105 K, – aukštosios temperatūros plazma.

Dujų plazmos samprata. Svarbiausios plazmos savybės.

Būdingos plazmos savybės yra šios:

1. Plazmos krūvininkai sąveikauja toliasiekėmis Kulono jėgomis, t.y. į bet kokį išorinį poveikį plazma reaguoja kolektyviškai. Todėl joje sužadinami virpesiai ir bangos.

2. Plazma yra laidininkas. Dėl elektrinio lauko ekranavimo kiekvienas plazmoskrūvininkas sąveikauja tik su tais, kurie yra Debajaus ekranavimo spindulio sferoje. T.y. Plazma elgiasi panašiai kaip ir laidininkas – ekranuoja išorinį E lauką.

3. Kai plazmos neveikia išoriniai elektriniai laukai, dėl Kuloninių jėgų ir inertiškumo (masės) jos krūvininkai virpa.

4. Plazmos temperatūra neapibrėžiama vienareikšmiškai vienu skaitiniu dydžiu.

Gali būti pusiausviroji arba izoterminė (visų ją sudarančių dalelių netvarkingojo judėjimo vidutinė kinetinė energija yra vienoda) ir nepusiausviroji arba neizoterminė(elektronų temperatūra Te >> už jonų temperatūrą Tj ir atomų temperatūrą Ta).

Pvz. Ne išlydyje elektronų temperatūra Te~ 25000K, o jonų temperatūra Tj ~ 400K.

Dujų plazmos samprata. Svarbiausios plazmos savybės.

Termoelektronine emisija vadinamas elektronų išspinduliavimo iš karštų kietų ar skystų kūnų reiškinys.

Pastebima termoelektroninė emisija iš grynųjų metalų prasideda, kai jų temperatūra viršija 2000°C.

Termoelektroninė emisija.

Paimkime metalo paviršių.

Klasikinės (ne kvantinės) fizikos požiūriu metalas yra apibūdinamas kaip atomų branduolių gardelė, panardinta į elektronų dujas.

Jei mes metalą įkaitinsim iki atitinkamos temperatūros, didžiausią energiją turintys elektronai išlėks iš paviršiaus.

Paviršius, netekęs dalies elektronų įgys teigiamą potencialą, išlėkusių elektronų atžvilgiu, kurių potencialas yra neigiamas.

Susidaręs elektrinis laukas trauks elektroną atgal.

Todėl elektronui išlėkti iš paviršiaus reikia tam tikros energijos kiekio.

Ši energija vadinama elektronų išlaisvinimo darbu A.

Ir yra lygi elektrono krūvio ir potencialų skirtumo sandaugai:

Dydis A priklauso tik nuo metalo paviršiaus cheminės sudėties ir paviršiaus būsenos (šiurkštumo).

Termoelektroninė emisija. Elektrono išlaisvinimo darbas.

ϕ∆= eA

Termoelektroninės emisijos dėsningumai ir ypatumai:

Įkaitusiame metale esant konkrečiai temperatūrai, elektronų kinetinė energija yra nevienoda, o pasiskirsčiusi pagal Maksvelio skirstinį, kaip ir idealiose dujose

Todėl iš kūno išlekia tik tie elektronai, kurių šiluminio judėjimo (kinetinė) energija ne mažesnė už jųišlaisvinimo darbą.

Elektronų spinduliuojama tuo daugiau, kuo karštesnis kūnas, nes didėja tokių elektronų skaičius.

Imant skirtingų metalų paviršius, kuo mažesnis elektronų išlaisvinimo darbas, tuo daugiau esant tai pačiaitemperatūrai išlėks elektronų.

Kai metalo paviršius padengiamas kito, mažesnio išlaisvinimo darbo, metalo ar kai kurių metalų oksidų plėvele,spinduliuojama daug kartų daugiau elektronų.


Paprasčiausiai stebėti TE yra dviejų elektrodų - katodo (neigiamo) iranodo (teigiamo) vakuuminėje lempoje – vakuuminiame diode.

Katodu paleidžiama stipri elektros srovė, kuri tekėdama 1 grandine,įkaitina jį iki 1000-2000oC temperatūros.

Dėl TE, elektronai išlekia iš katodo, sudarydami aplink jį elektronųdebesėlį, kadangi katodas, dėl jų trūkumo įgyja teigiamą potencialą.

Elektronai iš katodo išlekia pastoviai, bet tiek pat jų sugryžta.

Jei mes papildomai pajungsime įtampą tarp katodo ir anodo (teigiamą)ir sudarysime uždarą grandinę 2, kurioje prijungtas ampermetras,tai iš elektroninio debeselio anodo link pradės judėti elektronai irmes ampermetru fiksuosime elektros srovę, kurios stipris priklausys nuo kelių parametrų.

Srovės stipris priklauso nuo:

1. Katodo savybių – ploto ir paviršiaus sudėties ir būsenos,2. Tarpelektrodinės erdvės geometrinių matmenų,3. Įtampos,4. Temperatūros.


1

2-

+

Esant tam pačiam vakuuminiam diodui, stipris priklauso tik nuo

1. Įtampos,2. Temperatūros.

Esant tai pačiai katodo temperatūrai jis priklauso tik nuo įtampos.

Padidinus įtampą tarp katodo ir anodo, iš elektronų debeselioelektronai pradeda lėkti link anodo ir pasiekia jį.

Stipris aprašomas vadinamu trijų antrųjų dėsniu:

Kuo didesnė įtampa, tuo didesnė dalis elektronų iš debesėlio pasiekia anodą.

Pasiekus atitinkamo dydžio įtampą, visi išlėkę iš katodoelektronai pasiekia anodą, t.y. kiek išlekia, tiek pasiekia, o debesėlio nebelieka.Todėl tolesnis įtampos didinimas srovės nekeičia – nes išlėkusių elektronų skaičius priklauso nuo katodo temperatūros, kuri yra mūsų atveju pastovi. Srovės stipris pasiekia soties vertę.

Soties vertė pasikeistų, jei mes padidintume katodo temperatūrą.Šiuo atveju voltamperinės ch-kos forma būtų tokia pati, tikhorizontali sritis būtų aukščiau, o jei temp mažesnė – žemiau.

Tai reiškia, kad išlekusių elektronų skaičių o ir soties srovę lemia tik katodo temperatūra.


1

2-

+

23

BUj =

Soties srovę ir išlekusių elektronų skaičių lemia tik katodo temperatūra.

Kitaip tariant – elektronų kinetinė energija.

Jei metalo paviršių gali palikti tik tie elektronai, kurių energija yra didesnė,nei elektrono išlaisvinimo darbas, tai soties srovės reikšmę konkrečiam katodui lems tokių elektronų skaičius arba koncentracija.

Tokių elektronų koncentracija apibūdinama kaip minėjome Maksvelio skirstiniu.

O. V. Ričardas 1914 m., išlėkusių elektronų skaičių per 1 s, per 1 m2 gavopritaikęs Maksvelio skirstinį ir jį suintegravęs pagal energijos vertes nuo A iki begalybės.

S. Dašmanas, remdamasis kvantine teorija jį patikslino ir gavo:

Tai vadinama Ričardsono ir Dašmano formulė, aprašanti soties srovės priklausomybę nuo katodo temperatūros, esant konkrečiam katodui (A).

čia: - konstantė.

Termoelektroninė emisija. Ričardsono ir Dašmeno formulė.

∫∞

=A

sot dWWfCj )(

kTA

sot eCTj−

= 2

ehkmC e

3

22π=

1.3.4 Elektros srove dujose (Fizika.KTU.2009)

Documents

Transcript of 1.3.4 Elektros srove dujose (Fizika.KTU.2009)