lab3:краткая_теория_21

Различия

Показаны различия между двумя версиями страницы.

Ссылка на это сравнение

Предыдущая версия справа и слева Предыдущая версия
Следующая версия 		Предыдущая версия
lab3:краткая_теория_21 [2019/04/02 10:26]
root_s 		lab3:краткая_теория_21 [2025/07/01 11:59] (текущий)
Строка 1: Строка 1:
 ===== Краткая теория ===== ===== Краткая теория =====
  
-Проводимость атмосферного воздуха в нормальных условиях +Проводимость атмосферного воздуха в нормальных условиях очень мала ($\sigma_{воздуха} \sim 10^{-15} \frac 1{Ом\cdot см}$) и обусловлена наличием в нем небольшого числа ионов и электронов, образованных при ионизации атомов газа под действием космических лучей и естественной радиоактивности земной коры. Однако, подвергая газ различным внешним воздействиям, можно вызвать в нём электропроводность.
-очень мала ($\sigma_{воздуха} \sim 10^{-15} \frac 1{Ом\cdot см}$) и обусловлена наличием в +
-нем небольшого числа ионов и электронов, образованных при +
-ионизации атомов газа под действием космических лучей и +
-естественной радиоактивности земной коры.  +
-Однако, подвергая газ +
-различным внешним воздействиям, можно вызвать в нём +
-электропроводность. +
  
-Источниками образования заряженных частиц +Источниками образования заряженных частиц в газе могут служить высокая температура, радиоактивное излучение, столкновения с электронами и другими быстрыми частицами. Влияние этих источников приводит к тому, что от атомов газа отщепляется один или несколько электронов, в результате чего вместо нейтрального атома возникает положительный ион и электроны. Часть образовавшихся электронов может быть при этом захвачена другими нейтральными атомами, и тогда появятся еще отрицательные ионы. В результате, плотности положительных ионов и отрицательных могут быть различны. Время жизни таких ионов в условиях атмосферы составляет доли миллисекунды, так как образовавшийся ион становится центром нуклеации других молекул или захватывается аэрозольной частицей /5/. Образующийся вокруг первичного молекулярного иона за счет присоединения к нему группы нейтральных молекул кластер имеет электрический заряд иона.
-в газе могут служить высокая температура, радиоактивное +
-излучение, столкновения с электронами и другими быстрыми +
-частицами. Влияние этих источников приводит к тому, что от +
-атомов газа отщепляется один или несколько электронов, в +
-результате чего вместо нейтрального атома возникает +
-положительный ион и электроны. Часть образовавшихся +
-электронов может быть при этом захвачена другими нейтральными +
-атомами, и тогда появятся еще отрицательные ионы. В результате, +
-плотности положительных ионов и отрицательных могут быть +
-различны. Время жизни таких ионов в условиях атмосферы +
-составляет доли миллисекунды, так как образовавшийся ион +
-становится центром нуклеации других молекул или захватывается +
-аэрозольной частицей /5/. Образующийся вокруг первичного +
-молекулярного иона за счет присоединения к нему группы +
-нейтральных молекул кластер имеет электрический заряд иона.+
  
-Участвуя в тепловом движении, кластерный ион сталкивается с +Участвуя в тепловом движении, кластерный ион сталкивается с другими кластерными ионами, аэрозольными частицами, молекулярными ионами и нейтральными молекулами. При каждом столкновении кластерного аэроиона с нейтральной молекулой может произойти химическая реакция.
-другими кластерными ионами, аэрозольными частицами, +
-молекулярными ионами и нейтральными молекулами. При каждом +
-столкновении кластерного аэроиона с нейтральной молекулой +
-может произойти химическая реакция. +
  
-Основу кластерного иона +Основу кластерного иона составляет молекула какого-то активного вещества. В случае отрицательных ионов активность веществ зависит от сродства к электрону. Наибольшим сродством к электрону характеризуются VII группы (Cl, F). Активно участвуют в химии отрицательных ионов также окислы азота и серы. Активность веществ в реакциях с положительными ионами коррелирована с потенциалом ионизации.
-составляет молекула какого-то активного вещества. В случае +
-отрицательных ионов активность веществ зависит от сродства к +
-электрону. Наибольшим сродством к электрону характеризуются +
-VII группы (Cl, F). Активно участвуют в химии отрицательных +
-ионов также окислы азота и серы.  +
-Активность веществ в реакциях с +
-положительными ионами коррелирована с потенциалом +
-ионизации. +
  
-Основой положительного иона могут быть, в частности, +Основой положительного иона могут быть, в частности, аммиак и сернистый водород. Наиболее активными веществами (относительно реакции с положительными ионами) являются щелочные металлы (литий, калий, натрий). Кроме молекулы активного вещества, которая составляет основу иона, легкий ион содержит еще несколько добавочных молекул, «прилипших» к основной молекуле и удерживаемых как электрическими, так и молекулярными силами. Число таких молекул может меняться от столкновения к столкновению и обычно не превышает десяти. В течение своей жизни кластерный (легкий) ион участвует в большом количестве столкновений и химических превращений. При этом, чем старше кластерный ион, тем более редкие примеси могут определять его состав.
-аммиак и сернистый водород. Наиболее активными веществами +
-(относительно реакции с положительными ионами) являются +
-щелочные металлы (литий, калий, натрий). Кроме молекулы +
-активного вещества, которая составляет основу иона, легкий ион +
-содержит еще несколько добавочных молекул, «прилипших» к +
-основной молекуле и удерживаемых как электрическими, так и +
-молекулярными силами. Число таких молекул может меняться от +
-столкновения к столкновению и обычно не превышает десяти. В +
-течение своей жизни кластерный (легкий) ион участвует в большом +
-количестве столкновений и химических превращений. При этом, +
-чем старше кластерный ион, тем более редкие примеси могут +
-определять его состав. +
  
-Если воздух не содержит каких-то +Если воздух не содержит каких-то специальных примесей, то к основной молекуле кластера (молиону) прилипают молекулы воды. Для отрицательных ионов их количество меньше (2 – 5), чем для положительных ионов (5 – 12). При естественном уровне ионизации кластерный (легкий) ион живет около одной минуты, причем примерно 5% легких ионов заканчивают свою жизнь рекомбинацией с легким ионом противоположной полярности, а 95% легких ионов погибают при встрече с нейтральными или противоположно заряженными аэрозольными частицами.
-специальных примесей, то к основной молекуле кластера +
-(молиону) прилипают молекулы воды. Для отрицательных ионов +
-их количество меньше (2 -- 5), чем для положительных ионов (5 -- 12). +
-При естественном уровне ионизации кластерный (легкий) ион +
-живет около одной минуты, причем примерно 5% легких ионов +
-заканчивают свою жизнь рекомбинацией с легким ионом +
-противоположной полярности, а 95% легких ионов погибают при +
-встрече с нейтральными или противоположно заряженными +
-аэрозольными частицами.+
  
-Если образование ионов происходит только под действием +Если образование ионов происходит только под действием внешнего ионизатора, то такой газовый разряд и соответствующая ему проводимость называются **несамостоятельными**.
-внешнего ионизатора, то такой газовый разряд и соответствующая +
-ему проводимость называются **несамостоятельными**.+
  
-В отсутствии электрического поля столкновения носителей +В отсутствии электрического поля столкновения носителей заряда (ионов, электронов) с атомами (молекулами) газа и взаимодействие друг с другом приводят к беспорядочному движению с максвелловским распределением по скоростям. Под действием внешнего электрического поля возникает направленное движение носителей заряда, часто называемое дрейфом. Дрейф происходит не с ускорением, как при движении в пустоте, а вследствие непрерывных столкновений с атомами газа, “трении” о газ с некоторой постоянной средней скоростью $v_{др}$. , величина которой зависит от напряженности электрического поля $E$, а направление совпадает с направлением силовых линий поля. В работе используется сравнительно большое давление (атмосферное) газа и малая напряженность электрического поля. При таких условиях можно считать, что характерное для беспорядочного движения максвелловское распределение носителей заряда по скоростям сохраняется в присутствии поля, не искажается наличием слабого дрейфа. Величина $v_{др}$ имеет линейную зависимость от электрического поля $E$: $$ \vec{v_{др}} \approx \frac{e\lambda _i}{m_i v_i}\vec E=b_i \vec E, $$ где $\lambda _i$ — длина свободного пробега иона в газе, $v_i$ — тепловая скорость иона. Коэффициент пропорциональности $b_i$ называют подвижностью иона. Плотность тока может быть записана через концентрацию ионов $n_i$ и скорость их направленного движения $v_{др}$: $$ \vec j= en_i \vec{v_{др}}=en_ib_i\vec E $$ Разделив плотность тока на величину электрического поля, получим удельную проводимость газа: $$ \sigma = \frac jE=en_ib_i. $$ Для изучения несамостоятельной проводимости воздуха в данной работе используется установка, схема которой приведена на рисунке: [[https://elmag.nsu.ru/lib/exe/detail.php?id=lab3:краткая_теория_21&media=lab3:311.png|{{  :lab3:311.png?600  |Схематическое изображение установки для изучения 
-заряда (ионов, электронов) с атомами (молекулами) газа и +несамостоятельного разряда в газах}}]] Вентилятор (3), питаемый от специального источника, протягивает ионизованный воздух через измерительный конденсатор (аспирационный конденсатор), выполненный в виде двух коаксиальных цилиндров (2), между которыми приложена разность потенциалов, создаваемая источником пилообразного напряжения (G). Под действием электрического поля ионы движутся к обкладкам конденсатора в соответствии со знаком их заряда и полярностью напряжения генератора. С помощью измерителя малых токов (ИМТ) измеряется ток, протекающий через одну из обкладок (собирающая обкладка). Выход измерителя подключен к входу $Y$ (канал 2) цифрового осциллографа, на вход $X$ (канал 1) которого подается линейно меняющееся напряжение генератора пилы. Таким образом производится запись вольт–амперной характеристики разряда. Причем, при положительном напряжении между внутренним электродом и собирающей обкладкой ток положительных ионов замыкается на землю через измеритель тока, а ток отрицательных ионов — через генератор: [[https://elmag.nsu.ru/lib/exe/detail.php?id=lab3:краткая_теория_21&media=lab3:312.png|{{  :lab3:312.png?600  |Направление токов ионов разных знаков при положительной 
-взаимодействие друг с другом приводят к беспорядочному +полярности напряжения генератора}}]] при обратной полярности генератора ($U<0$) вклад в ток собирающей обкладки будут давать только отрицательные ионы. Таким образом, снимаемая характеристика будет несимметричной, так как подвижности отрицательных и положительных ионов неодинаковы. Если заряды, входящего в измерительный конденсатор и выходящего из него воздуха не равны между собой, то сумма токов через обкладки конденсатора может отличаться от нуля. 
-движению с максвелловским распределением по скоростям. Под + 
-действием внешнего электрического поля возникает направленное +Объяснить полученную вольт-амперную характеристику можно исходя из закона сохранения заряда. Изменения заряда в единичном объеме определяется плотностями тока источника $j_и$ и стока $j_с$: $$ \frac{dq}{dt} \sim j_и + j_с. $$ В установившемся режиме $\frac{dq}{dt}=0$ и следовательно, $|j_и| = |j_с|$. 
-движение носителей заряда, часто называемое дрейфом. Дрейф + 
-происходит не с ускорением, как при движении в пустоте, а +Ток источника (поступление ионизованного воздуха) в данном эксперименте постоянный. Сток заряженных частиц образуется за счет нескольких процессов: 
-вследствие непрерывных столкновений с атомами газа, “трении” о +  - Взаимная рекомбинация $I_р \sim kn^2$; 
-газ с некоторой постоянной средней скоростью $v_{др}$. , величина +  - Движение заряженных электрического поля $I_{пр} \sim env_{др}$; 
-которой зависит от напряженности электрического поля $E$, а +  - Вынос заряженных частиц с потоком воздуха $I_п$; 
-направление совпадает с направлением силовых линий поля. В +  - Диффузия заряженных частиц на стенки $I_д$. 
-работе +Здесь $k$ --- коэффициент рекомбинации, $n$ --- число заряженных 
-используется +частиц в единице объема. 
-сравнительно + 
-большое +Когда диффузия заряженных частиц на стенки мала, но 
-давление +электрическое поле недостаточно велико, чтобы уловить все ионы, 
-(атмосферное) газа и малая напряженность электрического поля. +попавшие в конденсатор, в измерительном цилиндре существует 
-При таких условиях можно считать, что характерное для +режим омической проводимости.
-беспорядочного +
-движения +
-максвелловское +
-распределение +
-носителей заряда по скоростям сохраняется в присутствии поля, не +
-искажается наличием слабого дрейфа. Величина $v_{др}$ имеет +
-линейную зависимость от электрического поля $E$:+
 $$ $$
-\vec{v_{др}} \approx \frac{e\lambda _i}{m_i v_i}\vec E=b_i \vec E,+I_{пр}^{\pm} \sim en^{\pm}b^{\pm}E
 $$ $$
-где $\lambda _i$ --- длина свободного пробега иона в газе, $v_i$ --- тепловая +или
-скорость иона. Коэффициент пропорциональности $b_i$ называют +
-подвижностью иона. Плотность тока может быть записана через +
-концентрацию ионов $n_i$ и скорость их направленного движения $v_{др}$:+
 $$ $$
-\vec j= en_i \vec{v_{др}}=en_ib_i\vec E+I^{\pm}_{пр} \sim \sigma ^{\pm} E
 $$ $$
-Разделив плотность тока на величину электрического поля, +где $\sigma ^{+}$ и $\sigma ^{-}$ --- проводимости воздуха при положительном и 
-получим удельную проводимость газа: +отрицательном напряжении между внутренним и собирающим 
-$$ +электродами соответственно. В переходной области $I_{пр}$, $I_п$, $I_д$, $I_р$ 
-\sigma = \frac jE=en_ib_i. +соизмеримы, т.е. для выполнения закона Ома в газах необходимы 
-$$ +следующие условия: 
-Для изучения несамостоятельной проводимости воздуха в +  - Концентрация заряженных частиц в области проводимости достаточно высокая и не зависит от величины поля. 
-данной работе используется установка, схема которой приведена на +  - Поле, создаваемое электродами, больше поля, образованного самими заряженными частицами. 
-рисунке: +  - Подвижность заряженных частиц не зависит от внешнего поля. 
-{{ :lab3:311.png?600 |Схематическое изображение установки для изучения +Если поле в цилиндре настолько велико, что ионы достигают 
-несамостоятельного разряда в газах}} +электродов, не успевая рекомбинировать и пройти через весь конденсатор с потоком воздуха, то наблюдается режим насыщения, 
-Вентилятор (3), питаемый от специального источника, +т.е. ток источника равен току насыщения $I_и = I_н$.  
-протягивает ионизованный воздух через + 
-измерительный +Зная скорость потока воздуха $v_п$ и входное 
-конденсатор +конденсатора $S$, ток насыщения можно записать в виде 
-(аспирационный +сечение 
-конденсатор), +$I_н = env_пS$ 
-выполненный в виде двух коаксиальных цилиндров (2), между +Из этой формулы можно оценить концентрацию ионов. 
-которыми + 
-приложена +Назад к [[lab3:lab3|описанию]] лабораторных работ "Электрический ток в газах и жидкостях" или далее   
-разность +к описанию [[:lab3:эксперимент|эксперимента]]
-потенциалов, +
-создаваемая +
-источником пилообразного напряжения (G). Под действием +
-электрического поля ионы движутся к обкладкам конденсатора в +
-соответствии со знаком их заряда и полярностью напряжения +
-генератора. +
-С +
-помощью +
-измерителя +
-малых +
-токов +
-(ИМТ) +
-измеряется ток, протекающий через одну из обкладок (собирающая +
-обкладка). Выход измерителя подключен к входу $Y$ (канал 2) +
-цифрового осциллографа, на вход $X$ (канал 1) которого подается +
-линейно меняющееся напряжение генератора пилы. Таким образом +
-производится запись вольт--амперной характеристики разряда. +
-Причем, при положительном напряжении между внутренним +
-электродом и собирающей обкладкой ток положительных ионов +
-замыкается на землю через измеритель тока, а ток отрицательных +
-ионов --- через генератор: +
-{{ :lab3:312.png?600 |Направление токов ионов разных знаков при положительной +
-полярности напряжения генератора}} +
-при обратной полярности +
-генератора ($U<0$) вклад в ток собирающей обкладки будут давать +
-только +
-отрицательные +
-ионы. +
-Таким +
-образом, +
-снимаемая +
-характеристика будет несимметричной, так как подвижности +
-отрицательных и положительных ионов неодинаковы. Если заряды, +
-входящего в измерительный конденсатор и выходящего из него +
-воздуха не равны между собой, то сумма токов через обкладки +
-конденсатора может отличаться от нуля.+
  
-Объяснить полученную вольт-амперную характеристику 
-можно исходя из закона сохранения заряда. Изменения заряда в 
-единичном объеме определяется плотностями тока источника $j_и$ и 
-стока $j_с$: 
-$$ 
-\frac{dq}{dt} \sim j_и + j_с. 
-$$ 
-В установившемся режиме $\frac{dq}{dt}=0$ и следовательно, 
-$|j_и| = |j_с|$. 
  
-Ток источника (поступление ионизованного воздуха) в данном эксперименте постоянный. Сток заряженных 
-частиц образуется за счет нескольких процессов: 
-  - Взаимная рекомбинация $I_р \sim kn^2$, 
-  - Движение заряженных электрического поля