Isemajandamatud ja sõltumatud tasud. Gaaside ioniseerimine

Mitte liiga kõrgel temperatuuril ja atmosfäärilähedasel rõhul olevad gaasid on head isolaatorid. Kui asetate laetud elektromeetri kuiva atmosfääriõhku, jääb selle laeng pikka aega muutumatuks. Seda seletatakse asjaoluga, et gaasid koosnevad tavatingimustes neutraalsetest aatomitest ja molekulidest ning ei sisalda vabu laenguid (elektrone ja ioone). Gaasist saab elektrijuht ainult siis, kui mõned selle molekulid on ioniseeritud. Ioniseerimiseks tuleb gaas kokku puutuda mingisuguse ionisaatoriga: näiteks elektrilahendus, röntgenikiirgus, kiirgus või UV-kiirgus, küünlaleek vms. (viimasel juhul on gaasi elektrijuhtivus põhjustatud kuumutamisest).

Gaaside ioniseerimisel paiskub aatomi või molekuli välisest elektronkihist välja üks või mitu elektroni, mis viib vabade elektronide ja positiivsete ioonide moodustumiseni. Elektronid võivad kinnituda neutraalsete molekulide ja aatomitega, muutes need negatiivseteks ioonideks. Seetõttu on ioniseeritud gaasis positiivselt ja negatiivselt laetud ioone ja vabu elektrone. E elektrivoolu gaasides nimetatakse gaaslahenduseks. Seega tekitavad gaasides voolu nii märkide kui ka elektronide ioonid. Sellise mehhanismiga gaasilahendusega kaasneb aine ülekandmine, s.o. ioniseeritud gaasid on teist tüüpi juhid.

Molekulilt või aatomilt ühe elektroni lahtirebimiseks on vaja sooritada teatud töö A ja s.o. kulutada natuke energiat. Seda energiat nimetatakse ionisatsioonienergia , mille väärtused erinevate ainete aatomitele jäävad vahemikku 4÷25 eV. Kvantitatiivselt iseloomustab ionisatsiooniprotsessi tavaliselt suurus nn ionisatsioonipotentsiaal :

Samaaegselt gaasis toimuva ionisatsiooniprotsessiga toimub alati ka pöördprotsess – rekombinatsiooniprotsess: positiivsed ja negatiivsed ioonid või positiivsed ioonid ja elektronid kohtuvad, rekombineeruvad üksteisega, moodustades neutraalseid aatomeid ja molekule. Mida rohkem ioone ionisaatori toimel ilmub, seda intensiivsem on rekombinatsiooniprotsess.

Rangelt võttes ei ole gaasi elektrijuhtivus kunagi võrdne nulliga, kuna see sisaldab alati vabu laenguid, mis tulenevad Maa pinnal olevate radioaktiivsete ainete kiirguse toimest, aga ka kosmilisest kiirgusest. Ionisatsiooni intensiivsus nende tegurite toimel on madal. Selline õhu väike elektrijuhtivus on elektrifitseeritud kehade laengute lekkimise põhjus, isegi kui need on hästi isoleeritud.

Gaaslahenduse olemuse määravad gaasi koostis, temperatuur ja rõhk, elektroodide mõõtmed, konfiguratsioon ja materjal, samuti rakendatav pinge ja voolutihedus.

Vaatleme vooluringi, mis sisaldab gaasipilu (joonis), mis on allutatud ionisaatori pidevale konstantse intensiivsusega toimele. Ionisaatori toime tulemusena omandab gaas teatud elektrijuhtivuse ja vooluringis hakkab voolama vool. Joonisel on kujutatud kahe ionisaatori voolu-pinge karakteristikud (voolu sõltuvus rakendatud pingest). Teise ionisaatori tootlikkus (ionisaatori poolt gaasipilus tekitatud ioonipaaride arv 1 sekundi jooksul) on suurem kui esimesel. Eeldame, et ionisaatori jõudlus on konstantne ja võrdne n 0 . Mitte väga madalal rõhul püüavad peaaegu kõik eraldatud elektronid neutraalsete molekulide poolt kinni, moodustades negatiivselt laetud ioone. Võttes arvesse rekombinatsiooni, eeldame, et mõlema märgi ioonide kontsentratsioonid on samad ja võrdsed n-ga. Erinevate märkidega ioonide keskmised triivikiirused elektriväljas on erinevad: , . b - ja b + on gaasiioonide liikuvus. Nüüd saame I piirkonna jaoks, võttes arvesse (5), kirjutada:

Nagu näha, suureneb I piirkonnas pinge tõusuga vool, kuna triivi kiirus suureneb. Rekombineerivate ioonide paaride arv väheneb, kui nende kiirus suureneb.

II piirkond – küllastusvoolu piirkond – kõik ionisaatori poolt tekitatud ioonid jõuavad elektroodideni, ilma et neil oleks aega rekombineerida. Küllastusvoolu tihedus

j n = q n 0 d, (28)

kus d on gaasipilu laius (elektroodide vaheline kaugus). Nagu on näha punktist (28), on küllastusvool ionisaatori ioniseeriva toime mõõt.

Pinge, mis on suurem kui U p p (piirkond III), saavutab elektronide kiirus sellise väärtuse, et neutraalsete molekulidega kokkupõrkel on nad võimelised tekitama löökionisatsiooni. Selle tulemusena moodustuvad täiendavad An 0 ioonide paarid. Väärtust A nimetatakse gaasi võimendusteguriks . Piirkonnas III ei sõltu see koefitsient n 0-st, vaid sõltub U-st. Seega. konstantsel U elektroodidele jõudev laeng on otseselt võrdeline ionisaatori jõudlusega - n 0 ja pingega U. Sel põhjusel nimetatakse III piirkonda proportsionaalseks piirkonnaks. U pr - proportsionaalsuse lävi. Gaasi võimendusteguri A väärtused on vahemikus 1 kuni 10 4 .

IV piirkonnas, osalise proportsionaalsuse piirkonnas, hakkab gaasi võimendus sõltuma n 0-st. See sõltuvus suureneb U suurenemisega. Vool suureneb järsult.

Pingevahemikus 0 ÷ U g eksisteerib gaasis vool ainult siis, kui ionisaator töötab. Kui ionisaatori töö peatatakse, peatub ka tühjenemine. Tühjendusi, mis eksisteerivad ainult väliste ionisaatorite toimel, nimetatakse mitteiseseisvateks.

Pinge U g on piirkonna, Geigeri piirkonna lävi, mis vastab olekule, mil protsess gaasipilus ei kao ka pärast ionisaatori väljalülitamist, s.t. heide omandab iseseisva heite iseloomu. Primaarsed ioonid annavad tõuke ainult gaasilahenduse tekkele. Selles piirkonnas omandan juba võime ioniseerida mõlema märgi massiivseid ioone. Voolutugevus ei sõltu n 0-st.

VI piirkonnas on pinge nii kõrge, et tühjenemine, kui see on toimunud, enam ei peatu - pideva tühjenemise piirkond.

Protsessi, mille käigus vool läbib gaasi, nimetatakse gaasilahenduseks.

Välise ionisaatori juuresolekul tekkivat voolu gaasis nimetatakse sõltuv .

Laske elektronide ja ioonide paar mõnda aega torusse lasta, toru elektroodide vahelise pinge suurenemisega suureneb voolutugevus, positiivsed ioonid hakkavad liikuma katoodi suunas ja elektronid - anoodi suunas.

Saabub hetk, mil kõik osakesed jõuavad elektroodideni ja edasise pinge tõusuga voolutugevus ei muutu, kui ionisaator lakkab töötamast, siis peatub ka tühjenemine, sest. muid ioonide allikaid ei ole, sel põhjusel nimetatakse ioonide tühjenemist mittesäilitavaks.

Vool saavutab oma küllastumise.

Pinge edasise suurenemisega suureneb vool järsult, kui eemaldate välise ionisaatori, siis tühjenemine jätkub: gaasi elektrijuhtivuse säilitamiseks vajalikud ioonid luuakse nüüd tühjenemisega ise. kutsutakse välja gaasilahendus, mis jätkub pärast välise ionisaatori töö lõpetamist sõltumatu .

Pinget, mille juures isetühjenemine toimub, nimetatakse läbilöögipinge .

Iseseisvat gaaslahendust hoiavad elektriväljaga kiirendatud elektronid, neil on kineetiline energia, mis elektrivälja toimel suureneb. väljad.

Isetehjenemise tüübid:

1) hõõguv

2) kaar (elektrikaar) - metalli keevitamiseks.

3) kroon

4) säde (välk)

Plasma. Plasma tüübid.

Under plasma mõista tugevalt ioniseeritud gaasi, milles elektronide kontsentratsioon on võrdne + ioonide kontsentratsiooniga.

Mida kõrgem on gaasi temperatuur, seda rohkem on plasmas ioone ja elektrone ning seda vähem on neutraalseid aatomeid.

Plasma tüübid:

1) Osaliselt ioniseeritud plasma

2) täielikult ioniseeritud plasma (kõik aatomid lagunesid ioonideks ja elektronideks).

3) Kõrge temperatuuriga plasma (T>100000 K)

4) madala temperatuuriga plasma (T<100000 К)

St-va plasma:

1) Plasma on elektriliselt neutraalne

2) Plasmaosakesed liiguvad välja mõjul kergesti

3) olema hea elektrijuhtivusega

4) neil on hea soojusjuhtivus

Praktiline kasutamine:

1) Soojusgaasi energia muundamine elektrienergiaks magnetohüdrodünaamilise energiamuunduri (MHD) abil. Tööpõhimõte:

Kõrge temperatuuriga plasma juga siseneb tugevasse magnetvälja (väli on suunatud joonestustasandiga X risti), see jaguneb + ​​ja - osakesteks, mis tormavad erinevatele plaatidele, tekitades mingisuguse potentsiaalse erinevuse.

2) Neid kasutatakse plasmatronites (plasmageneraatorites), nende abiga lõikavad ja keevitavad metalle.

3) Kõik tähed, sealhulgas Päike, tähtede atmosfäär, galaktika udukogud on plasma.

Meie Maa on ümbritsetud plasma kestaga - ionosfäär, millest väljaspool on meie Maad ümbritsevad kiirguspoolused, milles on ka plasma.

Maalähedases plasmas toimuvaid protsesse põhjustavad magnettormid, aurorad ja ka kosmoses on plasmatuuled.

16. Elektrivool pooljuhtides.

Pooljuhid on ve-va, milles takistus t kasvades väheneb.

Pooljuhid hõlmavad 4 alarühma.

Näide: räni on 4-valentsiline element – ​​see tähendab, et aatomi väliskestas on tuumaga nõrgalt seotud 4 elektroni, iga aatom moodustab 4 sidet oma naabritega, Si kuumutamisel valentsi kiirus e suureneb ja seega ka nende kinemaatiline energia (E k), kiirus e muutub nii suureks, et sidemed ei pea vastu t katkemisele, e lahkuvad oma radadelt ja vabanevad, el. väli nad liigutavad võre m-y sõlme, moodustades el. praegune. Kui t suureneb, suureneb purunenud sidemete arv ja seega suureneb ka ühendatud e arv ning see viib takistuse vähenemiseni: I \u003d U / R.

Sideme katkemisel tekib puuduva e-ga vaba koht, mille kristall ei ole muutumatu. Pidevalt toimub järgmine protsess: üks sidet pakkuvatest aatomitest hüppab tekkinud augu kohale ja siin taastatakse auru-elektriline side ning sealt, kust see hüppas, tekib uus auk. Seega saab auk liikuda kogu kristalli ulatuses.

Järeldus: pooljuhtides on 2 tüüpi laengukandjaid: e ja augud (elektron-augu juhtivus)

Teema 7. Vedelike ja gaaside elektrijuhtivus.

§üks. Elektrivool gaasides.

§2. Mittesõltuvad ja sõltumatud gaasiheitmed.

§3. Mittetuluvate heitmete liigid ja nende tehniline kasutamine.

§ neli. Plasma mõiste.

§5. Elektrivool vedelikes.

§6. Elektrolüüsi seadused.

§7. Elektrolüüsi tehnilised rakendused (iseseisvalt).

Elektrivool gaasides.

Normaaltingimustes on gaasid dielektrikud ja muutuvad juhtideks ainult siis, kui nad on kuidagi ioniseeritud. Ionisaatorid võivad olla röntgenikiirgus, kosmilised kiired, ultraviolettkiired, radioaktiivne kiirgus, intensiivne kuumutamine jne.

Ionisatsiooniprotsess Gaasid on see, et ionisaatori toimel eraldub aatomitest üks või mitu elektroni. Selle tulemusena tekib neutraalse aatomi asemel positiivne ioon ja elektron.

Ionisaatori toimel tekkinud elektronid ja positiivsed ioonid ei saa pikka aega eraldi eksisteerida ning rekombineerides moodustavad uuesti aatomeid või molekule. Seda nähtust nimetatakse rekombinatsioon.

Kui ioniseeritud gaas asetatakse elektrivälja, mõjuvad elektrijõud vabadele laengutele ja need triivivad paralleelselt pingejoontega – elektronid ja negatiivsed ioonid anood(mõne seadme elektrood, mis on ühendatud toiteallika positiivse poolusega), positiivsed ioonid - kuni katood(mingi seadme elektrood, mis on ühendatud vooluallika negatiivse poolusega). Elektroodidel muutuvad ioonid neutraalseteks aatomiteks, annetades või vastu võttes elektrone, viies sellega ahela lõpule. Gaasi sees tekib elektrivool. Elektrivoolu gaasides nimetatakse gaasilahendus. Sellel viisil, gaaside juhtivusel on elektronioon iseloom.

Mittesõltuvad ja sõltumatud gaasiheitmed.

Paneme kokku elektriahela, mis sisaldab vooluallikat, voltmeetrit, ampermeetrit ja kahte õhuvahega eraldatud metallplaati.

Kui asetate ionisaatori õhupilu lähedusse, ilmub ahelasse elektrivool, mis ionisaatori toimel kaob.

Elektrivoolu mitteisejuhtivusega gaasis nimetatakse isemajandav gaasilahendus. Tühjendusvoolu sõltuvuse graafik elektroodide potentsiaalide erinevusest - gaaslahenduse voolu-pinge karakteristikud:

OA - lõik, milles järgitakse Ohmi seadust. Ainult osa laetud osakestest jõuab elektroodideni, osa rekombineerub;

AB - Ohmi seaduse proportsionaalsust rikutakse ja alates sellest ei muutu vool. Nimetatakse suurimat voolu, mis antud ionisaatoriga võimalik on küllastusvool ;

Päike - sõltumatu gaasilahendus, sel juhul jätkub gaasilahendus ka pärast välise ionisaatori töö lõppemist ioonide ja elektronide tõttu, mis on tekkinud löökionisatsioon(elektrilöögi ioniseerimine); tekib elektroodide vahelise potentsiaali erinevuse suurenemisega (esineb elektrooniline laviin).

Meili edastamise protsess. vool läbi gaasi nimetatakse. gaasilahendus.

Väljalaskeid on kahte tüüpi: sõltumatud ja mittesõltuvad.

Kui luuakse gaasi elektrijuhtivus. välised ionisaatorid, seejärel el. voolu selles nimetatakse. nesamost. gaasilahendus. V

Kaaluge. email skeem, komp. kondensaatorist, galvanomeetrist, voltmeetrist ja vooluallikast.

Lamekondensaatori plaatide vahel on atmosfäärirõhuga õhk ja ruumi t. Kui kondensaatorile rakendatakse mitmesaja voltiga võrdne U ja ionisaator ei tööta, siis voolu galvanomeeter ei registreeri end aga niipea, kui plaatide vaheline ruum hakkab tungima. UV-kiirte voolu, hakkab galvanomeeter registreerima. praegune. Kui vooluallikas on välja lülitatud, peatub voolu vool läbi vooluringi, see vool on mittesätev tühjenemine.

j = γ*E – Ohmi seadus el. vool gaasides.

Piisavalt tugeva e. gaasiväli alustab iseionisatsiooni protsessi, mille tõttu võib vool eksisteerida ka välise ionisaatori puudumisel. Sellist voolu nimetatakse sõltumatuks gaaslahenduseks. Iseionisatsiooni protsessid on üldiselt järgmised. Looduses. konv. Gaas sisaldab alati väikeses koguses vabu elektrone ja ioone. Need on loodud selliste loomuste poolt. ionisaatorid, nagu ruum. kiired, radioaktiivsete ainete kiirgus, sooda pinnases ja vees. Üsna tugev email. väli suudab neid osakesi kiirendada selliste kiirusteni, mille juures nende kineetiline energia ületab ionisatsioonienergia, kui elektronid ja ioonid põrkuvad teel elektroodidele neutronitega. molekulid ioniseerivad neid molekule. arr. kokkupõrkel kiirenevad ka uued sekundaarsed elektronid ja ioonid. välja ja omakorda ioniseerida uusi neutroneid. molekulid. Kirjeldatud gaaside iseionisatsiooni nimetatakse löökpoleerimiseks. Vabad elektronid põhjustavad löökionisatsiooni juba E=10 3 V/m juures. Ioonid seevastu võivad tekitada löökionisatsiooni ainult E=10 5 V/m juures. See erinevus on tingitud mitmest põhjusest, eelkõige asjaolust, et elektronide keskmine vaba tee on palju pikem kui ioonide puhul. Seetõttu omandavad ioonid löögiionisatsiooniks vajaliku energia väiksema väljatugevusega kui ioonid. Kuid isegi mitte liiga tugevate “+” väljade puhul mängivad ioonid iseionisatsioonis olulist rolli. Fakt on see, et nende ioonide energia on u. piisavalt, et elektronid metallidest välja lüüa. Seetõttu löövad "+" väljaga hajutatud ioonid, mis tabavad välja allika metallkatoodi, elektronid katoodist välja. Need välja löödud elektronid välja ja tekitavad molekulide löökionisatsiooni. Ioonid ja elektronid, mille energiast ei piisa löökionisatsiooniks, võivad nad molekulidega kokkupõrkel siiski ergastuda. olek, st tekitada meilis mõningaid energiamuutusi. kestad neutraalsed aatomid ja molekulid. Põnev. aatom või molekul läheb mõne aja pärast normaalsesse olekusse, kiirgades samal ajal footoni. Footonite emissioon avaldub gaaside hõõgumises. Lisaks footon, neelab. ükskõik milline gaasimolekul võib seda ioniseerida, nimetatakse seda ionisatsiooniks fotoioniseerimine. Mõned footonid tabavad katoodi, nad võivad sealt välja lüüa elektrone, mis seejärel põhjustavad neutroni löökionisatsiooni. molekulid.

Löögi ja footoni ionisatsiooni ning ioonide poolt "+"-koodist elektronide väljalöömise tulemusena ioonide abil suureneb footonite ja elektronide arv kogu gaasi mahus järsult (laviinilaadne) ning välist ionisaatorit pole vaja. voolu olemasolu gaasis ja tühjenemine muutub sõltumatu. Gaasi väljalaske CVC on järgmine.

Eespool vaadeldud laviinide tekkimise ja moodustumise protsess löökionisatsiooni tõttu ei kaota mitteiseseisva tühjenemise iseloomu, kuna välise ionisaatori väljalülitamise korral kaob tühjenemine kiiresti.

Laengute laviini tekkimine ja teke ei piirdu aga löögiionisatsiooni protsessiga. Edasise, suhteliselt väikese pinge suurenemisega omandavad gaaslahenduspilu elektroodidel positiivsed ioonid rohkem energiat ja katoodile lüües löövad elektronid sealt välja. sekundaarne elektronide emissioon . Teel anoodile tekkivad vabad elektronid tekitavad gaasimolekulide löökionisatsiooni. Positiivsed ioonid teel katoodile elektriväljades ioniseerivad ise gaasimolekule.

Kui iga katoodilt väljutatud elektron on võimeline kiirendama ja tekitama gaasimolekulide löökionisatsiooni, säilib tühjenemine ka pärast välise ionisaatori tegevuse lõppemist. Pinget, mille juures tekib sõltumatu tühjenemine, nimetatakse sulgemispinge.

Öeldu põhjal sõltumatu tühjendamine nimetame sellist gaasilahendust, mille puhul tekivad voolukandjad gaasis toimuvate protsesside tulemusena, mis tulenevad gaasile rakendatavast pingest. Need. see tühjenemine jätkub ka pärast ionisaatori töö lõpetamist.

Kui elektroodidevahe on kaetud täielikult juhtiva gaaslahendusplasmaga, siis see lagunema . Pinge, mille juures toimub elektroodidevahelise pilu purunemine, nimetatakse läbilöögipinge. Ja vastavat elektrivälja tugevust nimetatakse purunemise pinge.

Vaatleme iseseisva heite tekkimise ja säilimise tingimusi.

Gaasipilu elektroodide vahelise kõrge pinge korral suureneb vool oluliselt. See on tingitud asjaolust, et välise ionisaatori toimel tekkivad elektronid, mida elektriväli tugevalt kiirendab, põrkuvad neutraalsete gaasimolekulidega ja ioniseerivad neid. Selle tulemusena sekundaarsed elektronid ja positiivsed ioonid(protsess 1, joonis 8.4). Positiivsed ioonid liiguvad katoodi poole ja elektronid anoodi poole. Sekundaarsed elektronid ioniseerivad uuesti gaasimolekule ja sellest tulenevalt suureneb elektronide ja ioonide koguarv, kui elektronid liiguvad laviinina anoodi poole. See on elektrivoolu suurenemise põhjus. Kirjeldatud protsessi nimetatakse löökionisatsioon.

Löökionisatsioonist elektronide toimel ei piisa aga tühjenemise säilitamiseks välise ionisaatori eemaldamisel. Selleks on vaja, et elektronlaviinid oleksid “reprodutseeritavad”, st. nii et mingite protsesside mõjul tekivad gaasis uued elektronid. Need on järgmised protsessid:

• elektrivälja poolt kiirendatud positiivsed ioonid, mis tabavad katoodi, löövad sealt elektronid välja (protsess 2);
• positiivsed ioonid, põrkuvad gaasimolekulidega, viivad need ergastatud olekusse; selliste molekulide üleminekuga põhiolekusse kaasneb footonite emissioon (protsess 3);
• neutraalses molekulis neeldunud footon ioniseerib selle, toimub molekulide footonionisatsiooni protsess (protsess 4);
• elektronide väljalöömine katoodilt footonite toimel (protsess 5);
• lõpuks, gaasipilu elektroodide vahelisel märkimisväärsel pingel saabub hetk, mil positiivsed ioonid, mille keskmine vaba tee on lühem kui elektronidel, omandavad piisavalt energiat gaasimolekulide ioniseerimiseks (protsess 6) ja ioonilaviinid sööstavad negatiivsele plaadile. . Kui lisaks elektronlaviinidele on ka ioonilaviine, siis vool suureneb peaaegu ilma pinget suurendamata.