Тліючий розряд

Тліючим розрядом зазвичай називають самостійний розряд, в якому катод випускає електрони внаслідок бомбардування його позитивними іонами та фотонами, що утворюються в газі.

На відміну від таунсенднівського розряду, де щільності електричного струму невеликі, а вплив просторового заряду несуттєво, в тліючому розряді щільності струму значно більше, а просторові заряди, що виникають через велику відмінність в масах електронів і позитивних іонів, роблять електричне поле в газі неоднорідним. Для тліючого розряду характерна велика напруженість електричного полята відповідне їй велике падіння потенціалу поблизу катода (катодне падіння).

Зменшення тиску до 0,1÷0,01 мм рт. ст. призводить до появи в різних частинахобсягу газу характерних областей, хоч і не завжди чітко виражених. Основними та найбільш помітними з них у порядку прямування з боку катода (рис. 7.8) є:

1) катодний шар - це тонка плівка, що світиться, де відбувається збудження атомів і молекул ударами електронів, але ще немає іонізації. Повертаючись у нормальний стан, збуджені атоми випромінюють кванти світла, чим пояснюється свічення;

2) темний катодний простір (темний круксовий або темний гітторфовий простір). Насправді воно не зовсім темне, але здається таким лише на тлі прилеглих до нього світліших областей розряду. У цій частині простору починається іонізація атомів та молекул і наростання електронних лавин. Через можливість іонізації зменшується ймовірність збудження атомів та молекул, із чим пов'язане ослаблення світіння газу. Область темного катодного простору найбільш важлива підтримки розряду, оскільки створені тут позитивні іони забезпечують необхідну емісію електронів з катода;

3) негативне тліюче свічення (тліє свічення), в яке переходить темний катодний простір. Це світіння різко обмежене лише з боку катода. Світлення виникає через рекомбінацію електронів з позитивними іонами, а також внаслідок квантових переходівзбуджених атомів на нижчі енергетичні рівні;

4) при просуванні до анода яскравість тліючого світіння слабшає, і воно поступово переходить у так званий фарадєєво темний простір, в який уже не долітають швидкі електрони електронних лавин (див. рис. 7.8);

5) кістяк розряду - це стовп іонізованого світиться газу в більш менш вузьких трубках. Іноді його називають позитивним свіченням чи позитивним стовпом розряду. Зазвичай він простягається до поверхні анода. За деяких умов між позитивним стовпом і анодом видно темне анодне простір, а на самій поверхні - анодне світіння, або анодна плівка, що світиться. Позитивний стовп іноді поділяється на окремі світлі і темні смуги (страти), що чергуються. І тут розряд називають складним. Наявність позитивного стовпа несуттєво підтримки розряду, хоча і має велике значення у застосуваннях розряду.

Світіння в позитивному стовпі відбувається переважно за рахунок рекомбінації електронів з позитивними іонами. На останніх кількох вільних пробігах (в області так званого анодного падіння) електрони можуть накопичити достатню кінетичну енергію, щоб спричинити збудження атомів, тоді як позитивні іони відтягуються від анода. Це призводить до анодного світіння.

Перелічені перші чотири області називаються катодними частинами розряду. Вони відбуваються всі процеси, необхідні підтримки розряду.

При великих зовнішніх опорах, коли сила струму в розрядній трубці невелика, поверхня катода, покрита свіченням і бере участь у розряді, пропорційна силі струму в трубці (Геля закон). При зміні струму щільність залишається приблизно постійною. Разом із нею залишається постійним і катодне падіння потенціалу. І тут воно називається нормальним катодним падінням. У більшості випадків воно лежить в межах 100 - 300 В. Температура катода не впливає на величину нормального падіння катодного, поки не зросте термоелектронна емісія з поверхні катода. З добрим наближенням нормальне катодне падіння пропорційно роботі виходу електрона з катода. Це використовується для влаштування трубок з дуже малим потенціалом запалювання. Така, наприклад, неонова лампочка, в якій електродами служать два залізні листочки, покриті шаром барію для зменшення роботи виходу. Катодне падіння становить у цьому випадку всього 70 В, і розряд, що тліє, запалюється в неоновій лампочці вже при включенні в звичайну освітлювальну мережу.

Коли зі збільшенням струму вся поверхня катода виявляється покритою свіченням, починає зростати і падіння катода. У цьому випадку воно називається аномальним катодним падінням, а розряд - аномальним розрядом, що тліє.

Електрони, що вибиваються з поверхні катода позитивними іонами, прискорюються в області падіння катодного потенціалу. При зменшенні тиску газу збільшується середня довжина вільного пробігу електронів, з нею – і темне катодне простір. При тиску 0,01÷0,001 мм рт. ст. (залежно від розмірів трубки) темний катодний простір заповнює майже всю трубку і електронний пучок рухається в ній майже без зіткнень. Такі електронні пучки отримали назву катодних променів. Вони були відкриті Круксом ще до встановлення їхньої фізичної природи (до відкриття самого електрона). Якщо на шляху катодного проміння поставити металевий екран, то за ним на протилежному боці трубки спостерігається його тінь. При піднесенні магніту пучок променів і тінь, що ним утворюється, зміщуються вбік. Електрони катодного проміння, що вийшли з катода, прискорюються електричним полем поблизу його поверхні і далі рухаються перпендикулярно до неї за інерцією. Потрапляючи на стінки трубки, електрони повідомляють їм про негативний заряд. Однак катод нейтралізується позитивними іонами, що підтікають із газу до стінок трубки, а негативні іони газу потрапляють на анод. Якщо поверхні катода надати увігнуту сферичну форму, то катодні промені сфокусуються у центрі цієї сфери. Коли тиск у трубці настільки мало, що область темного катодного простору захоплює анод, розряд, що тліє, в трубці припиняється. Разом з ним припиняється також випромінювання катодних променів і свічення стін трубки.

Катодні промені використовуються в так званих іонних рентгенівських трубках для отримання рентгенівських променів. Іонні рентгенівські трубки мають той недолік, що в результаті різних процесів кількість газу в трубці зменшується з часом. Коли тиск газу в трубці стає менше 0,001 0,0001 мм рт. ст., тліючий розряд у них не зароджується і трубка перестає працювати. В даний час застосовуються майже виключно електронні рентгенівські трубки, що мають більшу стійкість у роботі, ніж іонні. Вони тліючий розряд не використовується.

Якщо в катоді просвердлити малі отвори, то позитивні іони, що бомбардують катод, пройшовши через отвори, потраплять у катодний простір і там будуть поширюватися у вигляді прямолінійних променів. Ці промені були названі позитивними, або каналовими променями, оскільки вони виходять з отворів катода, як з каналів. Каналові промені помітні в трубці у вигляді пучків, що слабо світяться.

Вони, як і катодні промені, викликають свічення скла трубки. Через наявність процесів перезарядки в пучку каналових променів є не тільки позитивні, а й негативні іони, а також швидкі частково збуджені нейтральні частинки. У магнітному полі такий пучок поділяється на три пучки: позитивні іони відхиляються в один бік, негативні в протилежний бік, А нейтральні молекули та атоми не відчувають жодного відхилення. При повторному проходженніпучків через магнітне поле кожен із нова розпадається на три пучка. Звідси випливає, що процеси перезаряджання відбуваються не тільки перед катодом, а й продовжуються в закатодному просторі.

Іскровий розряд

Іскровий розряд характеризується уривчастою формою навіть при використанні джерел постійного струму. Він виникає у газі зазвичай при тисках атмосферного порядку. У природних природних умовіскровий розряд спостерігається у вигляді блискавки. За зовнішнім виглядом він являє собою пучок яскравих зигзагоподібних тонких смужок, що розгалужуються, миттєво пронизують розрядний проміжок, що швидко гаснуть і поступово змінюють один одного (рис. 7.9). Ці смужки називаються іскровими каналами. Вони починаються як у позитивному електроді, і на негативному електродах, і навіть у будь-якій точці з-поміж них. Канали, що розвиваються від позитивного електрода, мають чіткі ниткоподібні обриси, а від негативного електрода, що розвиваються, мають дифузні краї і дрібніше розгалуження.

Так як іскровий розряд виникає при великих тисках газу, потенціал запалювання дуже високий. Однак після того, як розрядний проміжок "пробить" іскровим каналом, опір цього проміжку стає дуже малим, через канал проходить короткочасний імпульс струму. великої сили, протягом якого розрядний проміжок припадає лише незначне напруга. Якщо потужність джерела дуже велика, то після такого імпульсу струму розряд припиняється. Напруга між електродами починає підвищуватися до колишнього значення, і пробій газу повторюється з утворенням нового іскрового каналу. Час t наростання напруги тим більше, що більше ємність C між електродами. Тому включення конденсатора паралельно розрядному проміжку збільшує час між двома послідовними іскрами, а самі іскри стають потужнішими. Через канал іскри проходить великий електричний заряд, тому збільшується амплітуда і тривалість імпульсу струму. При великих ємностях канал іскри яскраво світиться і має вигляд широких смуг. Те саме відбувається зі збільшенням потужності джерела струму. Тоді говорять про конденсований іскровий розряд, або конденсовану іскру. Максимальна сила струму в імпульсі при іскровому розряді змінюється в широких межах залежно від параметрів ланцюга розряду та умов у розрядному проміжку, досягаючи кількох сотень кілоампер. При подальшому збільшенні потужності джерела іскровий розряд перетворюється на дуговий розряд.

Внаслідок проходження імпульсу струму через канал іскри у каналі виділяється велика кількістьенергії (порядку 0,1 – 1 Дж на кожен сантиметр довжини каналу). З виділенням енергії пов'язане стрибкоподібне збільшення тиску в навколишньому газі, утворення циліндричної ударної хвилі, температура, на фронті якої ~10 4 К. Відбувається швидке розширення іскри каналу зі швидкістю порядку теплової швидкості атомів газу. У міру просування ударної хвилі температура її фронті починає падати, а сам фронт відходить від кордону каналу. Виникненням ударних хвиль пояснюються звукові ефекти, що супроводжують іскровий розряд: характерне потріскування у слабких розрядах і потужні гуркіт грому у разі блискавки.

У момент існування каналу, особливо при високому тиску, спостерігається найбільш яскраве свічення іскрового розряду. Яскравість свічення неоднорідна за перерізом каналу і має максимум у його центрі.

Механізм іскрового розряду, з погляду сучасної, загальноприйнятої теорії, так званої стримерної теорії іскрового пробою, яка підтверджується експериментально, полягає в тому, що поблизу катода зародилася електронна лавина, то на її шляху відбувається іонізація та збудження молекул і атомів газу. Істотно, що світлові кванти, що випускаються збудженими атомами та молекулами, поширюючись до анода зі швидкістю світла, самі виробляють іонізацію газу та дають початок новим електронним лавинам. Таким шляхом у всьому обсязі газу виявляються скупчення іонізованого газу, що слабо світяться, звані стрімерами. У процесі свого розвитку окремі електронні лавини наздоганяють одна одну і, зливаючись разом, утворюють місток, що добре проводить, зі стримерів. По цьому містку в наступний момент часу і прямує сильний потік електронів, що утворює канал іскрового розряду. Оскільки провідний місток утворюється в результаті злиття практично одночасно виникають стримерів, час його утворення набагато менше часу, що потрібно окремій електронній лавині для проходження відстані від катода до анода. Розвиток негативного стримеру показано на рис. 7.10. Поруч із негативними стримерами, тобто. стримерами, що поширюються від катода до анода, існують також позитивні стримери, які поширюються у протилежному напрямку.

Слід зазначити, що це теорія пояснює основні особливості іскрового розряду, хоча у кількісному відношенні не може вважатися завершеною.

Коронний розряд

Коронний розряд виникає при порівняно високих тисках газу (порядку атмосферного) в сильно неоднорідному електричному полі, яке можна отримати між двома електродами, поверхня одного з яких має велику кривизну (тонкий тяганина, вістря). Схема отримання коронного розряду показано на рис. 7.11. Слід зазначити, що другий електрод необов'язково, його роль можуть грати навколишні заземлені електроди. При досягненні напруженості електричного поля поблизу електрода з великою кривизною значення порядку 3×10 4 В/м навколо цього електрода виникає свічення, що має вигляд оболонки або корони, звідки і назва розряду. Якщо корона виникає навколо негативного електрода, вона називається негативною. У протилежному випадку корона називається позитивною. Вигляд позитивної корони показано на рис. 7.12 зліва, вид негативної корони – праворуч. Механізм виникнення розряду цих двох випадках – різний.

У разі негативної корони позитивні іони, що утворюються електронними лавинами, прискорюються в неоднорідному електричному полі поблизу катода. Потрапляючи на катод, вони вибивають із нього електрони (вторинна електронна емісія). Вибиті електрони, провзаємодіє з катодом, на своєму шляху породжують нові електронні лавини. Так як електричне поле зменшується при віддаленні від електрода, то на деякій відстані електронні лавини обриваються, електрони потрапляють у "темну" область і там прилипають до нейтральних молекул газу. Негативні іони, що утворилися, і є основними носіями струму в "темній" області. Просторовий негативний заряд цих іонів поблизу анода обмежує загальний розрядний струм. У разі чистих електропозитивних газів негативні іони не утворюються, а носіями зарядів у "темній" області є електрони. У "темній" області розряд має несамостійний характер.

У позитивній короні, коли катодом служить електрод із великим радіусом кривизни, електричне поле слабке у катода. Тому електронні лавини не можуть породжуватись електронами, що вибиваються з катода внаслідок вторинної емісії. Електронні лавини породжуються електронами, що виникають поблизу анода при об'ємній іонізації газу фотонами, що випромінюються коронувальним шаром. Вони зароджуються на зовнішній межі коронуючого шару і поширюються до позитивного електрода (що володіє більшою кривизною). Позитивні іони, рухаючись через темну область до катода, утворюють просторовий заряд, який знову обмежує силу розрядного струму.

При збільшенні напруги між електродами "темна" область коронного розряду зникає і виникає іскровий розряд з повним пробоєм розрядного проміжку.

Корона іноді виникає у природних умовах під впливом атмосферної електрики на верхівках дерев, корабельних щоглів та ін.

З виникненням коронного розряду доводиться зважати на техніку високих напруг. Утворюючись навколо проводів високовольтних ліній передач електроенергії, корона іонізує навколишнє повітря, внаслідок чого виникають шкідливі струми витоку. Для зменшення цих струмів витоку дроту високовольтних ліній, а також проводи, що підводять, до високовольтних установок повинні бути досить товстими. Коронні розряди, оскільки вони мають уривчастий характер, є джерелами значних радіоперешкод.

Коронний розряд використовується в електрофільтрах, призначених для очищення промислових газів від домішок твердих і рідких частинок (диму у виробництві сірчаної кислоти, ливарних цехах заводів і т.д.).

Дуговий розряд

Якщо після отримання іскрового розряду від потужного джерела поступово зменшувати відстань між електродами (або опір зовнішнього ланцюга), то розрив із переривчастого стає безперервним. Виникає нова форма газового розряду, яка називається дуговим розрядом. У цьому струм різко збільшується, досягаючи десятків і сотень ампер, а напруга на розрядному проміжку падає кілька десятків вольт.

Дуговий розряд можна отримати від джерел низької напруги, минаючи стадію іскри. Для цього електроди зближують до зіткнення, в результаті вони сильно нагріваються (розжарюються) електричним струмом, після чого їх розводять, отримуючи яскраву електричну дугу. Саме таким шляхом електрична дуга була вперше отримана 1802 р. російським фізиком В.В. Петровим.

В даний час електрична дуга, що горить при атмосферному тиску, Найчастіше виходить між спеціальними вугільними електродами, виготовленими з пресованого графіту зі зв'язуючими речовинами (рис. 7.13).

Відповідно до В.Ф. Міткевич, дуговий розряд підтримується головним чином за рахунок термоелектронної емісії з поверхні катода. Підтвердженням цієї погляду може бути встановлений досвіді факт, що у часто стійка дуга виходить лише за умови, що температура катода досить висока. При охолодженні катода дуга горить нестійко, періодично гасне і знову запалюється. Охолодження анода не викликає порушення стійкого режиму горіння дуги.

Зі зростанням розрядного струму опір дуги R сильно зменшується через збільшення термоелектронної емісії з катода та іонізації газу в розрядному проміжку. При цьому опір зменшується сильніше, ніж зростає струм. Внаслідок цього зі збільшенням струму напруга на розрядному проміжку не зростає, а зменшується. Говорять, що дуга має падаючу вольтамперну характеристику, тобто. таку характеристику, коли напруга на розрядному проміжку зменшується зі зростанням струму. Тому для підтримки стійкого горіння дуги при випадкових змінах струму, наприклад, внаслідок охолодження катода, напруга на електродах дуги повинна бути підвищена. З цією метою ланцюг дуги включають послідовно баластовий опір. При випадковому зменшенні струму напруга на баластному опорі зменшується. Тому при незмінному підведеному загальному напрузі напруга на газорозрядному проміжку має збільшуватися, чим забезпечується стабільне горіння дуги.

Поряд із дуговими розрядами, зумовленими термоелектронною емісією, існують і розряди іншого типу. Прикладом можуть бути дугові розряди в ртутних лампах. Ртутна лампа є попередньо відкачаним кварцовим або скляним балоном, що пропускає ультрафіолетові промені, наповнений парами ртуті (рис.7.14). Дуговий розряд запалюється електричною іскрою між двома стовпчиками ртуті, що є електродами лампи. Ртутна дуга є потужним джерелом ультрафіолетового проміння. Тому такі лампи застосовують у медицині та в наукових дослідженнях.

Дослідження показали, що джерелом потужної емісії електронів у ртутній лампі є невелика, яскраво світиться пляма, що виникає на катоді і безперервно бігає по його поверхні (так звана катодна пляма). Щільність струму в катодній плямі величезна і може досягати 10 6 10 7 А/см 2 . Катодна пляма може виникнути не тільки біля ртутного поверхні, але і будь-якого іншого металевого електрода.

Ртутні дуги та аналогічні дуги з металевими електродами отримали назву електричних дуг із холодним катодом. Справа в тому, що раніше вважалося, що катод дійсно холодний по всій його поверхні. Тому термоелектронна емісія з катода не відбувається або практично не відіграє жодної ролі. Ленгмюр висловив припущення, що у разі холодного катода дуговий розряд підтримується автоелектронною емісією з катода. Дійсно, катодне падіння потенціалу (~10 В) відбувається протягом порядку довжини вільного пробігу електрона. Тому поблизу катода виникає сильне електричне поле, достатнє щоб викликати помітну автоелектронну емісію. Безсумнівно, автоелектронна емісія у дугах із "холодним" катодом грає істотну роль. Пізніше з'явилися вказівки на можливість нагрівання таких катодів в окремих точках до температур, за яких відбувається велика термоемісія, яка разом з автоелектронною емісією і підтримує дуговий розряд. Хоча це питанняще недостатньо досліджено.


7.4. Поняття про плазму. Плазмова частота.
Дебаївська довжина. Електропровідність плазми

Плазмою називається іонізований квазінейтральний газ, що займає настільки великий обсяг, що в ньому не відбувається скільки-небудь помітного порушення квазінейтральності через теплові флуктуації. Квазінейтральність плазми означає, що кількість позитивних та негативних зарядів у ньому майже однакові. Нейтральним є кожен фізично нескінченно малий елемент об'єму (обсяг малий макроскопічний, але містить ще багато електронів і іонів). Заряди позитивних та негативних іонів однакові та рівні заряду електрона.

Достатньо сильний вплив на плазму може призвести до поділу зарядів у деякій її ділянці. Такий вплив може вплинути на плазму, наприклад, швидка заряджена частка з числа електронів або іонів самої плазми (при досить високій температурі – теплові флуктуації) або прийшла ззовні.

Поділ позитивних та негативних зарядів у плазмі аналогічний процесу поляризації діелектрика. Однак у діелектриках заряджені частинки не можуть рухатися на великі відстані (10 -10 м), а в плазмі можливі будь-які переміщення частинок.

Якщо через теплові флуктуації негативні заряди змістилися на відстань x, то на межах плазми виникнуть макроскопічні заряди протилежних знаків з поверхневою щільністю

де n - Концентрація частинок одного знака заряду.

З врахуванням того, що , то в даному випадку

, (7.31)

де P - Електричний дипольний момент одиниці об'єму плазми.

Якщо плазма нескінченна і в ній відсутні вільні електричні заряди, що є джерелами вектора D, маємо

. (7.32)

З формули (7.32) для напруженості електричного поля, що виникло в плазмі, отримаємо

Для щільності енергії електричного поля

. (7.34)

Сила, що діє на кожен електрон,

. (7.35)

З виразу (7.35) видно, що сила пропорційна зсуву і спрямована у бік, протилежний зсуву, тобто. вона подібна до квазіпружної сили. Отже, сила, що діє на електрони у плазмі, викликає гармонійні коливання із частотою

де m - Маса електрона.

Ця частота називається плазмовою частотою.

Коливання електронів, що виникли у певному місці плазми, створять хвилю тієї ж частоти, що поширюється через плазму.

Оскільки енергія електричного поля черпається з кінетичної енергіїтеплового руху частинок газу величина w 0 не може перевищувати 3nkT. На частку негативних частинок одиниці обсягу припадає в середньому кінетична енергія (і така сама енергія – позитивних). Отже, якщо опустити чисельний коефіцієнт 3, повинно виконуватися співвідношення

(nxe) 2<(nkT)×2e 0 ,

. (7.37)

Величина D називається дебаївською довжиною або дебаївським радіусом. Таким чином, щоб плазма зберігала квазінейтральність, її лінійні розміри повинні набагато перевищувати дебаївський радіус.

Залежно від ступеня іонізації aрозрізняють: слабо іонізовану плазму (при aпорядку часткою відсотка), помірно іонізовану плазму ( aкількох відсотків) та повністю іонізовану плазму. У земних природних умовах плазма трапляється досить рідко (наприклад, у каналі блискавки). У верхніх шарах атмосфери, які більшою мірою схильні до впливу іонізуючих факторів (ультрафіолетові та космічні промені), постійно присутня слабо іонізована плазма (іоносфера). Іоносфера відображає радіохвилі і уможливлює радіозв'язок на великих відстанях (порядку відстані між діаметрально протилежними точками земної кулі). У космічному просторі плазма є найпоширенішим станом речовини. Сонце та гарячі зірки, що мають високі температури, складаються з повністю іонізованої плазми. Тому багато проблем астрофізики пов'язані з вивченням фізичних властивостей плазми. На грунті астрофізики виникла магнітна гідродинаміка, в якій плазма, що рухається в магнітних полях, розглядається як суцільне рідке середовище, що має високу провідність. Плазма утворюється в різних формах газового розряду, наприклад, у позитивному стовпі тліючого розряду, а також у головному каналі іскрового розряду. Фізика плазми – порівняно новий розділ фізики, що швидко розвивається, якому присвячені спеціальні курси.

Оцінимо питому провідність gповністю іонізованої плазми, що складається з електронів і позитивно заряджених іонів, кожен з яких має заряд Ze. Рух іонів, зважаючи на їх великі маси, можна не враховувати і вважати, що весь струм створюється рухом легких електронів. Величина gвизначається зіткненням електронів із іонами. Зіткнення електронів між собою на величину струму не впливають, оскільки за таких зіткнень повний імпульс електронів не змінюється. Від цих зіткнень можна відволіктися. Між іонами та електронами плазми діють кулонівські сили тяжіння – це дії дальнодіючі. Електрон порівняно рідко підходить до іона на такі малі відстані, щоб напрямок його руху змінилося різко і мало характер стрибка. Набагато більше значення мають взаємодії електрона одночасно з дуже великою кількістю іонів, при яких напрямок траєкторії електрона змінюється плавно і безперервно. Відхилення електрона великі кути від початкового напрями руху відбувається у результаті накопичення малих відхилень при взаємодії його з " далекими " іонами. Тому про зіткнення, довжину і час вільного пробігу можна говорити лише в умовному сенсі. Проміжок часу t, протягом якого напрямок руху електрона змінюється на кут порядку 90 про прийнято вважати часом вільного пробігу.

Для оцінки величини i припустимо, що електрон рухається у полі позитивного іона із зарядом Ze. Якщо v - швидкість електрона на нескінченності, а r п - прицільний параметр, то при проходженні повз іона траєкторія електрона відхиляється на кут Q, який визначається формулою

, (7.38)

де m - Маса електрона.

Прицільний параметр r п, для якого Q = 90 про визначається виразом

Йому відповідає "ефективний поперечний переріз":

. (7.40)

Облік далеких взаємодій призводить до того ж результату, але збільшеному L разів:

. (7.41)

Коефіцієнт L називається кулонівським логарифмом. Він майже не залежить від температури та щільності плазми. Для плазми, що складається з повністю іонізованого дейтерію, при kT ~ 10 кэВ і концентрації електронів n ~ 10 12 10 15 см -3 , L » 15. Так як кожен позитивний іон містить Z елементарних зарядів, то концентрація таких іонів буде , а середня довжина і час "вільного пробігу" Велика різниця в масах електронів та іонів плазми робить можливим у плазмі існування таких квазірівноважних станів, які у відомому наближенні можуть бути характеризуються двома температурами. Дійсно, припустимо, що початковий розподіл швидкостей електронів та іонів плазми ізотропний, але не максвелівський. При зіткненні електрона з іншим електроном обмінюються енергією, величина якої відповідає порядку початкової енергії самих електронів. Тому час встановлення розподілу електронів за енергіями (тобто максвеллівського розподілу) через зіткнення між ними можна оцінити за формулою (7.41), якщо в ній масу електрона m замінити наведеною масою. Цей час називається електронним часом релаксації , пропорційно квадратному кореню з маси електрона .

Так само визначається іонний час релаксації, протягом якого встигає встановлюватися розподіл за енергіям між іонами через зіткнень з-поміж них: .

При зіткненні електронів з іонами швидка частка передає повільній лише незначну частку своєї енергії, що у середньому відповідає частці порядку від початкової енергії швидкої частки. Для вирівнювання енергій потрібен релаксаційний час більше, ніж . Таким чином,

. (7.45)

З (7.45) випливає:

.

Якщо плазму надати самій собі, спочатку встановиться максвелловское розподіл швидкостей електронів, потім іонів. Виникає квазірівноважний стан, у якому електрони матимуть температуру T e , а іони – температуру T i . У цьому T e ¹ T i . У цьому випадку плазму називають неізотермічною або двотемпературною. Потім в результаті обміну енергіями між електронами та іонами встановиться максвелловський розподіл для всієї плазми, що характеризується загальною температурою електронів та іонів (ізотермічна плазма).

Коли плазма знаходиться в електричному полі, то в ній починає існувати електричний струм та виділятися джоулеве тепло. При цьому енергію від поля отримують майже виключно електрони як рухливі частки. Іони нагріваються головним чином за рахунок енергії, яку вони одержують від "гарячих" електронів при кулонівських взаємодіях з ними. Так як останній процес відбувається порівняно повільно, то температура електронів у плазмі виявляється вищою за температуру іонів. Відмінність між ними може бути дуже значною. Так було в позитивному стовпі тліючого розряду при тисках близько 0,1 мм рт.ст. температура електронів може досягати 50 000 С і вище, тоді як температура іонів не перевищує кількох сотень градусів.

Основний практичний інтерес, який представляє фізика плазми, пов'язаний із вирішенням проблеми керованого термоядерного синтезу. Для того, щоб у речовині почалися досить інтенсивні термоядерні реакції, його необхідно нагріти до температури в кілька кеВ або десятків кеВ, а при таких температурах будь-яка речовина перебуває в стані плазми. Найбільш перспективними "робочими речовинами" для термоядерного реактора є ізотопи водню: дейтерій та тритій. Термоядерну реакцію синтезу легше отримати над чистому дейтерії, а його суміші з тритієм. Повна кількість дейтерію в океанах ~ 4×10 13 т, що еквівалентно енергії ~ 10 20 кВт×років (повна споживана на всій земній кулі потужність становить ~ 10 10 кВт). Тритій як радіоактивний елемент у природних умовах не зустрічається, а виходить штучно. У майбутніх термоядерних реакторах витрата тритію має з надлишком поповнюватися відтворенням (регенерацією) його в результаті опромінення Li 6 нейтронами, що виходять у самих термоядерних реакторах.

Так як термоядерні реакції повинні відбуватися порівняно плавно і повільно, виникає необхідність досить тривалого утримання гарячої плазми в обмеженому обсязі робочої камери і ізоляції її від стінок цієї камери. І тому пропонується використовувати магнітну термоізоляцію, тобто. поміщати плазму в сильне магнітне поле, що перешкоджає іонам та електронам переміщатися у поперечному напрямку та йти на стінки камери.

Необхідна вимога, якій повинен задовольняти будь-який термоядерний реактор, полягає в тому, щоб енергія, що виділяється в ядерних реакціях, надмірно компенсувала витрати енергії від зовнішніх джерел. Основними джерелами втрат енергії є гальмівне випромінювання електронів при кулонівських зіткненнях останніх, а також магнітогальмівне (циклотронне або бетатронне) випромінювання, що виникає внаслідок прискореного руху електронів у магнітному полі. Для самопідтримуваних термо ядерних реакційпотрібно нагріти плазму до деякої "критичної" температури (~50 кэВ). У цьому повинен виконуватися так званий критерій Лоусона (nt>10 16 з/см 3), де n – концентрація іонів плазми (одного знака), а t – середній час утримання плазми.

Основна труднощі, що стоїть на шляху створення керованого термоядерного синтезу, пов'язана з отриманням спокійної, або стійкої плазми. Справа в тому, що через дальнодіючий характер кулонівських сил у плазмі відбуваються різні колективні процеси, наприклад мимоволі виникають шуми і коливання, що роблять плазму нестійкою. Основні зусилля під час вирішення проблеми керованого термоядерного синтезу спрямовані придушення цих нестійкостей.

Розрізняють самостійні та несамостійні розряди в газі. Самостійний розрядпідтримується за рахунок дії електричної напруги. Несамостійний розрядможе існувати за умови, що, крім електричної напруги, діють ще якісь зовнішні іонізуючі фактори. Ними можуть бути промені світла, радіоактивне випромінювання, термоелектронна емісія розжареного електрода та ін Розглянемо основні види електричних розрядів, що зустрічаються в іонних приладах.

Темний (чи тихий) розряд є несамостійним. Він характеризується щільністю струму системи мікроампер на квадратний сантиметр і дуже малою щільністю об'ємних зарядів. Поле, створене прикладеною напругою, при темному розряді практично не змінюється за рахунок об'ємних зарядів, тобто їх впливом можна знехтувати. Свічення газу відсутнє. У іонних приладах для радіоелектроніки темний розряд не використовується, але передує початку інших видів розряду.

Тліючий розряд відноситься до самостійних. Для нього характерне свічення газу, що нагадує свічення тліючого тіла. Щільність струму при цьому розряді досягає одиниць і десятків міліампер на квадратний сантиметр і виходять об'ємні заряди, що впливають на електричне поле між електродами. Напруга, необхідне тліючого розряду, становить десятки чи сотні вольт. Розряд підтримується з допомогою електронної емісії катода під ударами іонів.

Основними приладами тліючого розряду є стабілітрони– іонні стабілізатори напруги, газосвітлі лампи, тиратрони тліючого розряду, цифрові індикаторні лампи та декатрони – іонні рахункові прилади.

Дуговий розряд виходить при щільності струму, значно більших, ніж у розряді, що тліє. До приладів несамостійного дугового розряду відносяться газотрони та тиратрони з розжареним катодом; у ртутних вентилях (екзитронах) та ігнітронах, що мають рідкий ртутний катод, а також у газових розрядниках відбувається самостійний дуговий розряд.

Дуговий розряд може бути не тільки при зниженому, але й нормальному або підвищеному атмосферному тиску.

Іскровий розряд має схожість із дуговим. Він є короткочасний (імпульсний) електричний розряд при порівняно високому тиску газу, наприклад при нормальному атмосферному. Зазвичай в іскрі спостерігається ряд імпульсних розрядів, що йдуть один за одним.

Високочастотні розряди можуть виникати в газі під дією змінного електро магнітного полянавіть за відсутності струмопідвідних електродів (безелектродний розряд).

Коронний розряд є самостійним та використовується в іонних приладах для стабілізації напруги. Він спостерігається при порівняно великих тисках газу у випадках, коли хоча б один із електродів має дуже малий радіус кривизни. Тоді поле між електродами виходить неоднорідним і біля загостреного електрода, званого коро-нуючим, напруженість поля різко збільшена. Коронний розряд виникає при напрузі близько сотень чи тисяч вольт і характеризується малими струмами.

Виникнення стримерів в обсязі між електродами не завжди призводить до іскри, а може спричинити й розряд іншого типу коронний розряд. На малюнку показано схему приладу, за допомогою якого можна відтворити коронний розряд. У цьому приладі тонкий дріт міститься по осі порожнистого металевого циліндра.

При напрузі між дротом та циліндром у просторі між ними виникає неоднорідне електричне поле з максимальною напруженістю біля дроту. Коли напруженість поля поблизу дроту наближається до пробивного значенням напруженості повітря (близько U п =30 000 В/м) між дротом і циліндром запалюється коронний розряд і ланцюга піде струм, тобто. навколо дроту виникає свічення – корона. Зовнішній виглядкорони при негативному потенціалі дроту (негативна корона) дещо відрізняється від позитивної корони.

При негативному потенціалі дроту електронні лавини починаються біля дроту, поширюються до анода і на деякій відстані стримери обриваються внаслідок зменшення напруженості поля. У разі позитивної корони електронні лавини зароджуються на зовнішній межі (поверхні) корони та рухаються у напрямку до дроту. На відміну від іскрового розряду в коронному розряді має місце неповний пробій газового проміжку, тому що в ньому електронні лавини не проникають через шар газу E = .

Усередині корон є і позитивні і негативні іони. За межами корони будуть іони лише одного знака: негативні за негативної корони; позитивні іони за позитивної корони.

Коронний розряд може виникнути не тільки у дроту, а й у вістря і взагалі у всіх електродів, біля яких утворюється дуже неоднорідне поле. Коронний розряд супроводжується шиплячим звуком і легким потріскуванням. Коронний розряд з'являється на високовольтних лініях електропередачі та викликає витоку електронних зарядів, тобто. електроенергії.

Застосування коронного розряду.

1. Електричне очищення газів (електрофільтри). Відомий такий досвід - посудина, наповнена димом, моментально робиться абсолютно прозорим, якщо внести в нього гострі металеві електроди, що знаходяться під високою напругою.

Цей ефект використовується для очищення газів. Тверді і рідкі частинки в газі, що містяться, в коронному розряді взаємодіють з іонами і стають зарядженими частинками (іони «прилипають» до частинок пилу) і далі прямують до електродів і осаджуються. Крім того, такі електрофільтри дозволяють витягти з газів багато тонн цінних продуктів у виробництві сірчаної кислоти та кольорових металів у лінійному виробництві.

2. Лічильники електронних частинок.

Напруга U вибирають таким, щоб вона була дещо меншою за «критичний», тобто. необхідного для запалення коронного розряду усередині лічильника. При попаданні в лічильник електрона, що швидко рухається, він іонізує молекули газу всередині об'єму, від чого напруга запалення корони знижується. У лічильнику виникає розряд, а ланцюга з'являється слабкий короткочасний імпульс струму. Для реєстрації сигналу використовується чутливий електрометр Е, щоразу при попаданні частки (навіть одного електрона) обсяг лічильника листочки електрометра дають покидьок.

§7. Класифікація електричних розрядів.

Електричні розряди у газах протікають по-різному, тобто. у розряді реалізується ті чи інші фундаментальні (елементарні) процеси, які є для цього виду розряду та визначають його форму; його характерні риси.

Як ми вже знаємо, є обмежена кількість елементарних процесів, які можуть реалізуватися в обсязі газового розряду, ще раз перерахуємо ці процеси:

1) Зіткнення частинок газу результат: обмін енергіями, імпульсом, збудження атомів, іонізація.

2) Приєднання електронів до результату: виникає негативний іон, зменшується концентрація електронів.

3) Рекомбінація результат: народжується випромінювання (фотон).

4) Отримання та випромінювання в обсязі розряду.

5) Дифузія заряджених частинок.

6) Електродні ефекти: термоелектронна емісія; зовнішній фотоефект, емісія при електронному ударі; емісія при ударі позитивних іонів: емісія при ударі нейтральних атомів; автоелектронна емісія.

Одночасно всі ці елементарні фундаментальні процеси в розрядах не реалізуються. Залежно та умовами реалізуються лише деякі процеси, і це набір елементарних процесів визначає основні властивості розряду, тобто. цей вид розряду відрізняється від іншого набором елементарних процесів. Сам цей набір чи вид розряду визначається наступними параметрамисистеми: величиною струму напругою між електродами; тиском газу, геометрією розрядної камери, матеріалом електродів та станом їх поверхні, температурою електродів та ін.

Вид розряду в основному визначається напругою на електродах, величиною струму розряду та тиском у розрядній камері. При цьому напруга та струм є незалежним параметрами системи.

Таким чином, залежність напруги від струму стає найбільш важливою інтегральною характеристикою електричного розряду U = f(I) називається вольт-амперною характеристикою розряду. Вона формується залежно від внутрішніх процесів, отже, нею можна визначити вид розряду.

Розглянемо, як один вид розряду переходимо в інший вид за допомогою вольт-амперної характеристики.

Ділянка ВВ – несамостійний темний розряд, освіта носіїв струму відбувається лише за рахунок зовнішнього іонізатора, на ділянці ОА реалізується рекомбінація, на АВ – усі заряди досягають електродів, рекомбінацією зарядів можна знехтувати.

За точкою починається іонізація нейтральних частинок електронним ударом, виникають лавини електронів і іонів. Однак, якщо прибрати зовнішній іонізатор, розряд припиняється. Це несамостійний таунсендівський розряд – це ділянка ВС.

На ділянку CD помітну роль грають вторинні електрони, що вибиваються з катода позитивними іонами, світловими квантами, збудженими молекулами. Необхідність підтримки іонізації за рахунок енергії зовнішніх джерел відпадає – розряд стає самостійним, його ще називають самостійним таунсендівським розрядом (це ділянка РЄ).

На ділянці EF таунсендовський розряд перетворюється на нормальний тліючий розряд, якому відповідає ділянка FH. На ділянку ПК зі зростанням підвищується напруга. Розряд, що відповідає ділянці ПК називається аномальним тліючим розрядом.

Далі зі зростанням струму збільшується температура катода, посилюється роль термоелектронної емісії, контрагується розряд і утворюється дуговий розряд. Дуговий розряд підтримується за рахунок термоелектронної емісії з катода.

Стаціонарний розряд, що тліє, при низькому тиску.

Зі зростанням струму самостійний таунселівський розряд (ділянка СЕF) може розвиватися по-різному і мати кілька форм. Якщо при тиску близько 1 мм. рт. ст. розряд відбувається між електродами, підключеними до джерела постійного струму, реалізується нормальний розряд.

Ділянка FH вольт-амперної характеристики відповідає розряду, що тліє. Відмінною ознакою тліючого розряду є своєрідний розподіл потенціалу вздовж довжини міжелектродного проміжку. Розподіл потенціалу призводить до того, що тліючий розряд має характерний неоднорідний вигляд, отже, і неоднорідну структуру, розряд здається ніби розділеним на частини. Тліючий розряд складається з прикатодної області і позитивного стовпа.

Розглянемо різні частини розряду. Від катода до анода.

Катодна область розряду.

Електрони, необхідні підтримки розряду, переважно емітується при бомбардуванні катода позитивними іонами. Вторинні електрони виходять з катода маючи малі швидкості, внаслідок цього вони (поблизу поверхні утворюють негативний просторовий заряд) ще не мають достатніх енергії для збудження молекул газу, тому молекули не випромінюють, і безпосередньо біля поверхні катода утворюється темне просторово, заповнене повільними електронами. Цей дуже тонкий шар газу, що не світиться, називається - темний простір Астона. Струм у цій галузі в основному створюється позитивними іонами.

Далі електрони прискорюються полем, кінетична енергія електронів стає достатньою для збудження молекул газу і це спричиняє виникнення тонкого шару газу, що світить, званого першим катодним світінням. У цій галузі електрони при зіткненнях часткового або повністю втрачають швидкість. Тому за першим катодним світінням утворюється наступний темний катодний простір. У цій галузі відбувається слабка рекомбінація електронів з позитивними іонами, тому відбувається дуже слабке випромінювання. У темному катодному просторі електрони сильно розганяються до швидкостей, при яких вони інтенсивно іонізують молекули газу, а отже, і розмножуються.

Наприкінці другого темного катодного простору число електронів вже настільки велике, що струм майже повністю переноситься електронами, і вони помітно зменшують позитивний просторовий заряд навіть утворюють область негативного просторового заряду. У цій галузі припиняється подальше прискорення електронів, а енергія накопичена в області другого темного катодного простору витрачається в основному на інтенсивне збудження та іонізації молекул. Це відбувається в області другого катодного світіння (негативне катодне свічення). В результаті енергія електронів зменшується, поступово інтенсивність збудження та іонізації також зменшується, отже, падає число електронів (і за рахунок рекомбінації та дифузії), настільки, що негативний просторовий заряд перетворюється на нуль. Відповідно змінюється напруженість електричного поля і в точці зникнення негативного заряду Е набуває постійного значення (близько 1 В/см) і не змінюється до прианодної області заряду. У цьому місці починається позитивний стовп розряду, що тліє.

Простір, який займає темний простір Астона першим катодним світінням і другим темним простіром, називається областю катодного падіння потенціалу. Як видно з малюнка, падіння потенціалу між електродами майже повністю реалізується на незначній ділянці катода. Довжина цієї ділянки змінюється обернено пропорційного тиску газу. При P = 1 мм рт. DC становить близько 10 мм, а U=100-250 В.

У нормальному тліючий розряд щільністю струму при збільшення або зменшення струму розряду залишається постійною. Але залежить від тиску Р і змінюється згідно із законом P 2 . Наприклад, при P = 1 мм рт. щільність у середньому j= 0,1 мА/см 2 = 1 · 104 А/см 2 . Але jзалежить ще від природи газу та від матеріалу катода. З I=jSслід, що з малому струмі частина площі бере участь у розряді.

У умовах залишається постійним і катодне падіння потенціалу U k . Для діапазону тисків від 1-10 мм рт.ст. значення U k не залежить від тиску і однозначно визначається природою газу та матеріалу катода. Приклади

Зі зростанням струму розряду настає момент, коли вся площа катода бере участь у розряді, з цього моменту з подальшим зростанням струму починається збільшення катодного падіння потенціалу. Напруженість поля Е зростає доти, доки забезпечується необхідна іонізація підтримки зростання струму. У умовах нормальний тліючий розряд перетворюється на аномальний тліючий розряд.

де, k - Константа, що залежить від виду газу і матеріалу катода.

Позитивний стовп.

Позитивний стовп складається з плазми, а плазма є нейтральним електропровідним середовищем. Тому позитивний стовп тліючого виконує роль звичайного провідника, що з'єднує прикатодну область з частиною прианодної розряду. На відміну від інших частин тліючого розряду, які мають конкретні розміри, і структуру, що залежать від виду газу, його тиску та щільності розрядного струму, довжина позитивного стовпа визначається розмірами розрядної камери, а по структурі стовп є іонізованим газом ( n e ≈ n i), тобто. він може мати будь-яку довжину. Напруженість поля близько 1 В/см, зі зростанням тиску має тенденцію зростати. Напруженість змінюється також за зміни радіуса камери (трубки) − стиск розряду збільшує поле: Е завжди набуває значення, якраз достатнє підтримки у стовпі тієї міри іонізації, яка потрібна для стаціонарного горіння розряду. Енергія в стовпі є достатньою для іонізації. І процес іонізації компенсує спад електронів та іонів за рахунок рекомбінації та дифузії з наступною нейтралізація на електродах та на стінках камери світіння позитивного стовпа пов'язане всіма цими процесами. На відміну з інших частин, позитивному стовпі тліючого розряду хаотичний рух заряджених частинок переважає над спрямованим.

Анодна область.

Анод притягує електрони з позитивного стовпа і біля місця прив'язки утворюється негативний просторовий заряд і зростання напруженості поля, внаслідок цього відбувається перенесення розряду струму до поверхні анода. Область анодного падіння є пасивною частиною розряду. Анод не емітує зарядів. Тліючий розряд може існувати без анодної області, так само без позитивного стовпа. Позитивний стовп розряду залежить від приэлектродных процесів. Відмінністю катодних частин є переважно спрямований рух електронів та іонів.

Застосування тліючого розряду.

Тліючий розряд у розряджених газах знаходить різноманітне застосування в газонаповнених випрямлячах, перетворювачах, індикаторах, стабілізаторах напруги, газосвітніх лампах денного світла. Наприклад, в неонових лампах (для цілей сигналізації) тліючий розряд використовується в неоні, електроди покривають шаром барію і вони мають катодне падіння потенціалу порядку 70 і запалюються при включенні в освітлювальну мережу.

У лампах денного світла розряд, що тліє, відбувається в парах ртуті. Випромінювання ртутної пари поглинається шаром люмінофора, яким покрита внутрішня поверхня газосвітлової трубки.

Тліючий розряд використовується також для катодного розпилення металів. Поверхня катода при розряді, що тліє, внаслідок бомбардування позитивними іонами газу сильно нагрівається в окремих малих ділянках і тому поступово переходить у пароподібний стан. Розміщуючи предмети поблизу катода розряду, їх можна покрити рівномірним шаром металу.

У Останніми рокамитліючий розряд знаходить застосування в плазмохімії та лазерній техніці. Вони тліючий розряд використовується в аномальному режимі при підвищеному тиску.

1. p = 6,7 кПа ≈ 50 мм. рт. ст.

v= 15,7 м/с

2. p = 8 кПа ≈ 60 мм. рт. ст.

v= 21м/c

Типові вольт – амперні характеристики тліючого розряду в поперечному потоці повітря.

1мм. рт. ст. = 133 Па. 1кПа = 1000/133 = 8мм.рт.ст.

При подальшому підвищенні напруги U з і вище сила струму різко починає зростати. Якщо прибрати зовнішній іонізатор, розряд продовжиться. Отже заряди, необхідні підтримки електропровідності газу, тепер створюються самим розрядом. Газовий розряд, що існує без дії зовнішнього іонізатора, називають самостійним розрядом. Напруга U з, у якому розряд стає самостійним, називають напругою запалювання газового розряду чи напругою пробою. Самостійний газовий розряд підтримується завдяки ударній іонізації електронами, прискореними електричним полем. Під дією електричного поля швидкість електронів зростає настільки, що при зіткненні електрона з атомом атом втрачає електрон. За достатньої напруженості електричного поля обидва електрони набирають до наступного зіткнення енергію, достатню для іонізації наступного атома. Число електронів зростає дуже швидко, кажуть, утворюються електронно-іонна лавина. Цього мало, потрібно компенсувати електрони, які пішли на анод. Ці електрони можуть з'явитися з катода під час бомбардування катода позитивними іонами і фотонами (при освітленні катода), що рухаються до катода під дією електричного поля.

Типи самостійних розрядів:

а) Коронний розряд

виникає при атмосферному тиску в різко неоднорідному електричному полі поблизу електродів з великою кривизною поверхні

б) Іскровий розряд

виникає за великої напруженості електричного поля.

в) Дуговий розряд

Якщо після запалення іскрового розряду від потужного джерела поступово зменшити відстань між електродами, то розряд стає безперервним - виникає дуговий розряд. У цьому сила струму різко зростає, досягаючи сотень ампер, а напруга на розрядному проміжку падає кілька десятків вольт. Дуговий розряд можна отримати від джерела низької напруги, минаючи стадію іскри. Для цього електроди зближуються до зіткнення, вони сильно розжарюються електричним струмом, потім їх розводять та отримують електричну дугу (саме так вона була відкрита В.В. Петровим). При атмосферному тиску температура катода приблизно 3900 К. Дуговий розряд підтримується за рахунок високої температури катода через інтенсивну термоелектронну емісію, а також термічної іонізації молекул, обумовленої високою температурою газу. Дуговий розряд застосовується для зварювання та різання металів, отримання високоякісних сталей у дугових печах, освітлення (прожектори).

г) Тліючий розрядвиникає за низьких тисків. Тліючий розряд – це свічення газосвітніх трубок у написах та рекламах, це лампи денного світла. Характер світіння залежить від хімічного складугазу в трубці та складу речовини, що покриває внутрішню поверхню трубки.

2. Природна радіоактивність. Види радіоактивних випромінювань та його властивості.

Явище радіоактивності підтверджує складний склад атома. Радіоактивність полягає в тому, що ядро ​​деяких хімічних елементівмимовільно, без дії зовнішніх факторів створюють невидиме випромінювання, яке має певні властивості. Радіоактивність відкрив у 1896р. Анрі Бекерель для урану. Невидимі промені діяли на фотопластинку, іонізували газ, мали високу проникаючу здатність. Вивчення радіоактивності (цей термін з'явився пізніше) продовжили багато вчених. У 1898р. французькі фізики Марі Кюрі та П'єр Кюрі з відходів уранової руди отримали два нові хімічні елементи. Спочатку полоній (Ро), що зайняв 84 клітину в таблиці Менделєєва, а потім радій (Ra), що зайняв 88 клітину. Випромінювання радію було дуже сильним, термін радіоактивність став застосовуватися після відкриття радію. Кюрі також з'ясували, що всі елементи, починаючи з 83 різною мірою радіоактивні.

Е. Резерфорд, досліджуючи радіоактивне випромінювання, виявив його неоднорідність. У магнітному та електричному полях випромінювання ділилося на три частини. Компоненти випромінювання були названі: альфа-променями (α), бета-променями (ß), гамма-променями (γ).

α-промені слабо відхиляються в електричному та магнітному полях як позитивно заряджені частинки. Маса цих частинок вчетверо перевищує масу атома водню. Пізніше було визначено, що α-промені- це ядра атомів гелію. У - променів дуже сильна іонізуюча здатність, але проникаюча здатність слабка, тобто. це випромінювання добре поглинається речовиною.

ß -промені відхилялися в магнітному та електричному полі протилежно α-променів, але значно сильніше, вони являють собою потік швидких електронів. Проникаюча здатність ß -променів значно більше, ніж у α-променів, а іонізуюча набагато слабша.

γ -промені не відхилялися в електричному та магнітних полях, вони виявилися дуже жорстким електромагнітним випромінюванням (електромагнітні хвилі дуже малої довжини, великою проникною здатністю). Виявити γ -Промені можна і після проходження залізної плити метрової товщини.

Білет № 7

1. Електричний струм у напівпровідниках. Власна та домішкова провідність напівпровідників.

Існує велика групаречовин, які за своїми електричними властивостями займають проміжне положення між провідниками та діелектриками. Ці речовини називають напівпровідниками. До них відносяться кремній, германій, фосфор, миш'як, сурма, селен, оксиди деяких металів, сульфіди, телуриди.

Від металів напівпровідники відрізняються концентрацією вільних зарядів, у напівпровідниках за нормальних умов концентрація вільних електронів у мільярд разів менша, ніж у металах. Тому питомий опір напівпровідників на кілька порядків вищий, ніж у металів. Якщо при нагріванні металу опір провідника збільшується, при нагріванні напівпровідника опір значно зменшується. Провідність деяких напівпровідників значно зростає за її освітленості. Домішки в металах значно знижують їхню електропровідність, домішки в напівпровідниках можуть підвищити електропровідність в окремих випадках у десятки тисяч разів. Електропровідність неметалевих кристалів істотно залежить від тиску при тиску 3-4 атм. Вона може стати рівною провідності металевих кристалів.

Електропровідність напівпровідників пояснюється особливістю їхньої кристалічної будови. Розглянемо кристалічні ґрати германію. Німеччина – типовий напівпровідник (z=32). Чотири електронні оболонки германію містять 32 електрони-2, 8, 18, 4. Три внутрішні оболонки стійкі, тобто в хімічних реакціяхне беруть участь, їх електрони мають сильний зв'язок зі своїм ядром. У зовнішній оболонці атомів германію є 4 валентні електрони. При зближенні даного атома із сусідніми валентні електрони сусідніх атомів взаємодіють один з одним. Кожен атом германію знаходиться на однаковій відстані від чотирьох сусідніх атомів і утворює з ними ковалентні зв'язки, тобто такі зв'язки, при яких кожен із валентних електронів належить одночасно двом сусіднім атомам. Валентні електрони можуть переходити з однієї ковалентного зв'язкув іншу, переміщатися по всьому кристалу. Таке переміщення хаотичне, тож струму не створює.

Власна провідність напівпровідників.

Енергія іонізації атомів германію можна порівняти з енергією теплового руху вже за кімнатної температури. Тому частина зовнішніх електронів усуспільнюється сусідніми атомами і легко переходять від одного атома до іншого, стаючи блукаючими частинками (Електрони стали вільними). Число таких електронів значно збільшується при нагріванні чи освітленні. Під впливом електричного поля вільні електрони рухатимуться спрямовано і створять електричний струм, званий електронним струмом. Одночасно з появою блукаючого (вільного) електрона у атома напівпровідника виникає вільне місце в ковалентному зв'язку, яке прийнято називати діркою. Цю дірку може зайняти електрон із ковалентного зв'язку сусіднього атома, у якого у свою чергу утворюється дірка. Таким чином блукання електронів у кристалічні гратитягне у себе блукання дірок.

«Переміщення» дірок від одного атома до іншого подібно до руху позитивного заряду, тобто діркам приписується позитивний заряд. Під дією електричного поля дірки будуть переміщатися в напрямку, протилежному руху електронів, створюючи дірочну провідність. Струм у напівпровіднику складається з електронного та діркового струмів.У хімічно чистих напівпровідниках електронний струм дорівнює дірочному, а провідність чистих напівпровідників називають власної.

Домішна провідність напівпровідників.

Провідність напівпровідників залежить не тільки від зовнішніх умов, зокрема від температури та тиску. Провідність збільшується за наявності спеціально підібраних домішок. Тоді поруч із своєю провідністю з'являється домішкова провідність. Зазвичай основним напівпровідником є ​​германій чи кремній.

Якщо до чотиривалентного кремнію як домішку додати пятивалентное речовина, наприклад, миш'як, то освіти ковалентного зв'язку атомів кремнію і миш'яку достатньо чотирьох валентних електронів від кожного атома. У цьому п'ятий валентний електрон миш'яку виявляється вільним, тобто. електроном провідності. Домішка, валентність якої більша за валентність основного напівпровідника, називається донорною (що віддає електрон). Напівпровідники з донорною домішкою називаються напівпровідниками n-типу. У напівпровідниках – типу електронна провідність переважає над дірковою. Електрони називають основними носіями заряду, дірки-неосновними носіями.

Якщо до кремнію як домішку додати тривалентну речовину, наприклад, індій, то при утворенні ковалентного зв'язку атомів кремнію та індія не вистачатиме одного електрона. Тому на кожен атом індія утворюється одна зайва дірка Домішка, валентність якої менша за валентність основного напівпровідника, називається акцепторний(Приймаюшою). Напівпровідники з акцепторною домішкою називаються напівпровідниками р-типу. У напівпровідниках р-типу дірочна провідність переважає над електронною. Дірки-основні носії заряду.

2. Ядерні перетворення. Закон радіоактивного розпаду.

Радіоактивний розпад - радіоактивне перетворення атомних ядер, яке супроводжується появою ядра іншого хімічного елемента та виділенням однієї з елементарних частинок. Радіоактивний розпад підпорядковується правилу усунення.

При α-розпаді виходить ядро ​​хімічного елемента, зміщеного на дві клітинки на початок періодичної системиПри цьому масове число зменшується на чотири одиниці.

Тобто. α-розпад відбувається за схемою

Наприклад

ß -розпад буває двох різновидів: електронний та позитронний. При ß- електронному розпаді утворюється ядро, розташоване на одну клітинку правіше вихідного, наприклад

При позитронному розпаді (позитрон-античастка електрона відрізняється від електрона тільки знаком заряду) утворюється ядро ​​хімічного елемента, зміщеного на одну клітинку до початку таблиці Менделєєва, наприклад

Розпад веде до зменшення кількості атомів радіоактивної речовини та носить випадковий характер. Заздалегідь не можна передбачити якийсь із атомів і коли розпадеться.

До моменту розпаду ні в ядрі, ні в електронної оболонкиатома жодних процесів, що визначають розпад, не відбувається. Тому можна говорити лише про ймовірність розпаду якогось атома за цей проміжок часу. Час T, протягом якого розпадається половина первісної кількості радіоактивних атомів, називається періодом напіврозпаду.

Закон радіоактивного розпаду є статистичним законом, він має вигляд:

N= N 0 ·2 - t/ T , де N 0 -початкове число радіоактивних ядер, N- число ядер, що не розпалися через час t від початку розпаду, T - період напіврозпаду.

Періоди напіврозпаду у радіоактивних елементів дуже різняться. Наприклад, у урану-238 він дорівнює 4,5 10 9 років, у торію-234 він дорівнює 24,1 дня, а у полонія-214 становить всього 1,5 10 -4 с.

Незалежність періоду напіврозпаду радіоактивних елементів використовується для визначення віку гірської породи, в якій ці елементи містяться (зазвичай використовують ізотоп урану . органічних сполукзазвичай визначають за вмістом вуглецю.

Білет № 8

1.Контакт двох напівпровідників з різними типами провідності. Його властивості та застосування в електронних приладах.

Якщо привести в контакт два напівпровідники з різними типами провідності, то почнеться зустрічне дифундування електронів та дірок. Електрони провідності з напівпровідника n-типу переходитимуть у напівпровідник р-типу, а дірки з напівпровідника р-типу до напівпровідника n-типу. Тому процес у контактному шарі напівпровідників різних типів називається р-n переходом або електронно-дірковим переходом. В результаті зустрічного дифундування електронів і дірок напівпровідник n-типу отримає позитивний заряд, а напівпровідник р-типу негативний. У контактному шарі виникає електричне поле (контактна різниця потенціалів), що перешкоджає подальшій дифузії електронів та дірок.

Властивості електронно-діркового переходу.

Якщо з'єднати напівпровідник n-типу з негативним полюсом джерела струму, а р-типу- з позитивним полюсом, то електричне поле джерела компенсує поле контактного шару, і дифундування електронів і дірок через контактний шар відбуватиметься безперервно. Через контакт виникає електричний струм, який називається прямим струмом. р-n переходу.

Якщо напівпровідник n-типу з'єднати з позитивним полюсом джерела струму, а р-типу з негативним полюсом джерела струму, то поле джерела буде збігатися з полем контактного шару. Опір контактного шару буде дуже великим і струм через нього практично не піде (слабкий зворотний струм р-nпереходу створюється неосновними носіями заряду).

Таким чином, контактний шар двох напівпровідників різних типів має односторонню провідність.

Напівпровідниковий прилад на основі одного р-n називають напівпровідниковим діодом. Діод використовується для випрямлення змінного струму.

Напівпровідниковий прилад на основі двох р-n називають напівпровідниковим тріодом чи транзистором. Транзистори діляться на р-n-р та n-р-n. Середня вужча область транзистора називається базою, вона ділить кристал на дві області з однаковою провідністю, звані емітер і колектор. Транзистори використовуються для отримання та посилення електричних коливань високої частоти.

2. Будова атомного ядра. Енергія зв'язку атомних ядер.

У 1919 р. Резерфорд, здійснюючи першу штучну ядерну реакцію, отримав у вільному стані елементарну частинку, Заряд якої дорівнював модулю заряду електрона, а її маса виявилася приблизно рівною 1 а.е.м. (Атомної одиниці маси). Частку назвали протоном (пізніше виявилося, що вона є ядро ​​ізотопу водню). Протон домовилися позначати pабо

Деякий час вважали, що ядра складаються лише з протонів, але таке уявлення про ядро ​​суперечили деяким досвідченим фактам. У 1932р. Чедвік отримав у вільному стані елементарну частинку, яка не мала заряду, маса частки виявилася приблизно рівної масіпротону. Цю частинку назвали нейтрон. Після відкриття нейтрона Д.Д. Іваненко та німецький фізик Гейзенберг запропонували протонно-нейтронну модель ядра: ядро ​​складається з протонів та нейтронів. Загальна назваядерних частинок – нуклони. Число протонів Z збігається з порядковим номером елемента таблиці Менделєєва, тобто. Число протонів визначає заряд ядра. Сума протонів Z та нейтронів N дорівнює масовому числу A (масі хімічного елемента, округленої до цілого значення) Z+N=A Протонно-нейтронна модель ядра пояснила існування ізотопів. Ізотопи- речовини, що мають однакові хімічними властивостями(що займають одне місце в таблиці Менделєєва), але мають різні Фізичні властивості(переважно різну радіоактивність). Ізотопи є в усіх хімічних елементів, в частини хімічних елементів вони природні, а частини штучні, тобто. одержувані у процесі ядерних реакцій. Ядра ізотопів одного хімічного елемента мають однакову кількість протонів та різне числонейтронів.

Наприклад: ізотопи водню - Z = 1, N = 0 - легкий водень

Z = 1, N = 1 - дейтерій

Z = 1, N = 2 - тритій

ізотопи урану - Z=92, N=143

Речовини з однаковими масовими числами називаються ізобарами, наприклад

Ядерні сили- Сили, що забезпечують існування стійких ядер, приклад сильних взаємодій. Ядерні сили – сили особливої ​​природи. Особливості ядерних сил: 1) ядерні силиє лише силами тяжіння; 2) ядерні сили - це короткодіючі сили; 3) ядерні сили мають властивості зарядової незалежності; 4) ядерні сили є центральними; 5) ядерні сили мають властивості насичення, тобто. в ядрі не може бути будь-якої кількості нуклонів

Дефект мас. Енергія зв'язку ядер.Енергія зв'язку – енергія необхідна розщеплення ядра на нуклони без повідомлення їм кінетичної енергії. Вона була обчислена на підставі формули взаємозв'язку маси та енергії (формули Ейнштейна) Е=mc 2 .

Е св = mс 2 , m - дефект мас, m = Zm p + Nm n -M я; Zm p – маса протонів, які входять у ядро, Nm n – маса нейтронів, які входять у ядро, M я – маса цілого ядра, з – швидкість світла у вакуумі.

Питома енергія зв'язку Е уд – енергія зв'язку, що припадає однією нуклон.

Е уд = Е св / А. Найбільша енергія зв'язку у хімічних елементів з масовим числом від 40 до 120. При А> 120 питома енергія зв'язку монотонно зменшується. При А< 20 удельная энергия связи имеет характерные максимумы и минимумы. Удельная энергия связи определена для всех химических элементов.

Білет № 9

1. 1. Магнітне поле. Джерела магнітного поля. Індукція магнітного поля. Магнітні силові лінії.

  • Принцип дії Гелій-неоновий лазер. Промінь, що світиться в центрі - електричний розряд.

    • Розряд у газі, що зберігається після дії зовнішнього іонізатора, називається самостійним.

    1. Тліючий розрядвиникає за низьких тисків. Якщо до електродів, впаяним у скляну трубку довжиною 30-50 см, прикласти постійну напругу в кілька сотень вольт, поступово відкачуючи з трубки повітря, то при тиску 5,3 6,7 кПа виникає розряд у вигляді звивистого шнура, що святиться. При подальшому зниження тиску шнур потовщується, і при тиску 13 Па розряд має вигляд, схематично

    зображений на рис. 5:

    2. Іскровий розрядвиникає при більших напруженнях електричного поля в газі, що знаходиться під тиском атмосферного порядку. Іскра має вигляд тонкого каналу, що яскраво світиться, складним чином розгалуженого і вигнутого.

    Пояснення іскрового розряду дається на основі стримерної теорії, згідно з якою виникненню яскраво світиться каналу іскри передує поява слабосвічених скупчень іонізованого газу - стримерів. Стримери виникають у результаті утворення електронних лавин за допомогою ударної іонізації та внаслідок фотонної іонізації газу. Лавини, наздоганяючи один одного, утворюють провідні містки зі стримерів, якими в наступні моменти часу спрямовуються потужні потоки електронів, що утворюють канали іскрового розряду.

    3. Дуговий розряд. Якщо після запалення іскрового розряду потужного джерела поступово зменшувати відстань між електродами, то розряд стає безперервним – виникає дуговий розряд. У цьому сила струму різко зростає, досягаючи сотень ампер, а напруга на розрядному проміжку падає кілька десятків вольт. Дуговий розряд можна отримати від джерела низької напруги, минаючи стадію іскри.

    За сучасними уявленнями, дуговий розряд підтримується за рахунок високої температури катода через інтенсивну термоелектронну емісію, а також термічну іонізацію молекул, обумовлену високою температурою газу.

    4. Коронний розряд- Високовольтний електричний розряд при високому (наприклад, атмосферному) тиску в різко неоднорідному полі поблизу електродів з великою кривизною поверхні. Коли напруженість поля поблизу вістря досягає 30 кВ/см, навколо нього виникає свічення, що має вигляд корони, чим і викликана назва цього виду розряду.

    Залежно від знака розряду розрізняють негативну або позитивну корону. У разі негативної корони народження електронів, що викликають ударну іонізацію молекул газу, відбувається за рахунок емісії їх з катода під дією позитивних іонів, у разі позитивної – внаслідок іонізації газу поблизу аноду.