lab3:ток_в_газах

Различия

Показаны различия между двумя версиями страницы.

Ссылка на это сравнение

Следующая версия 		Предыдущая версия
lab3:ток_в_газах [2019/04/01 15:06]
root_s создано 		lab3:ток_в_газах [2019/09/05 11:47] (текущий)
root_s
Строка 1: Строка 1:
 ===== Электрический ток в газах ===== ===== Электрический ток в газах =====
  
-В обычном состоянии газы обладают низкой проводимостью, +В обычном состоянии газы обладают низкой проводимостью, так как состоят из незаряженных частиц. Чтобы вызвать в газе электропроводность нужно создать и поддерживать в нем достаточную концентрацию заряженных частиц.
-так как состоят из незаряженных частиц. Чтобы вызвать в газе +
-электропроводность нужно создать и поддерживать в нем +
-достаточную концентрацию заряженных частиц. +
  
-Отрыв электрона +Отрыв электрона от атома или молекулы (ионизация) требует передачи электрону определенной энергии. Величина энергии ионизации зависит от строения атома или молекулы. Для появления электропроводности достаточно и появления отрицательных и положительных ионов (ионной диссоциации молекул). Но в результате столкновений положительно заряженных ионов с электронами или с отрицательно заряженными ионами возможна нейтрализация (рекомбинация) частиц ионизированного газа. 
-от атома или молекулы (ионизация) требует передачи электрону + 
-определенной энергии. Величина энергии ионизации зависит от +При рекомбинации энергия может уноситься излучением фотонов. То есть, для поддержания нужной концентрации заряженных частиц в газе требуется вкладывать в него энергию. Это может быть достигнуто
-строения атома или молекулы. Для появления электропроводности +
-достаточно и появления отрицательных и положительных ионов +
-(ионной диссоциации молекул). Но в результате столкновений +
-положительно заряженных ионов с электронами или с +
-отрицательно заряженными ионами возможна нейтрализация +
-(рекомбинация) частиц ионизированного газа. +
  
-При рекомбинации 
-энергия может уноситься излучением фотонов. То есть, для 
-поддержания нужной концентрации заряженных частиц в газе 
-требуется вкладывать в него энергию. Это может быть достигнуто 
   * нагревом газа до высоких температур,   * нагревом газа до высоких температур,
-  * воздействием ионизирующего излучения или  +  * воздействием ионизирующего излучения или 
-  * протекание тока через газ.  +  * протекание тока через газ.
-В +
-качестве ионизирующего излучения могут использоваться фотоны +
-с энергией больше потенциала ионизации --- ультрафиолетовое +
-излучение и более коротковолновое. Также ионизация происходит +
-при столкновении с газом заряженных частиц с кинетической +
-энергией больше потенциала ионизации. Например, электрон с +
-большой кинетической энергией, при соударении с нейтральным +
-атомом выбивает из него один или несколько атомных электронов, +
-в результате чего нейтральный атом превращается в положительно +
-заряженный ион. Выбитые электроны при движении во внешнем +
-электрическом поле могут сами давать вклад в электрический ток, +
-а могут присоединиться к нейтральным атомам и вклад в +
-электрический ток будут давать образовавшиеся отрицательные +
-ионы. +
  
-При нагреве газа до больших температур (свыше десяти +В качестве ионизирующего излучения могут использоваться фотоны с энергией больше потенциала ионизации — ультрафиолетовое излучение и более коротковолновое. Также ионизация происходит при столкновении с газом заряженных частиц с кинетической энергией больше потенциала ионизации. Например, электрон с большой кинетической энергией, при соударении с нейтральным атомом выбивает из него один или несколько атомных электронов, в результате чего нейтральный атом превращается в положительно заряженный ион. Выбитые электроны при движении во внешнем электрическом поле могут сами давать вклад в электрический ток, а могут присоединиться к нейтральным атомам и вклад в электрический ток будут давать образовавшиеся отрицательные ионы.
-тысяч градусов) в газе появляются частицы (в соответствии с +
-распределением Максвелла) имеющие кинетическую энергию +
-достаточную, чтобы при столкновении произошла ионизация.+
  
-Во время движения заряженных частиц в электрическом поле +При нагреве газа до больших температур (свыше десяти тысяч градусов) в газе появляются частицы (в соответствии с распределением Максвелла) имеющие кинетическую энергию достаточную, чтобы при столкновении произошла ионизация.
-происходит их ускорение, но одновременно они испытываю +
-столкновения, в основном, +
-с атомами газа. В результате +
-заряженные частицы приобретают определенную среднюю +
-скорость, которая пропорциональна электрическому полю и +
-времени между столкновениями. +
-$$v_{\pm} = b_{\pm} E , $$ +
-где $b_{\pm}$ --- подвижность заряженных частиц соответствующего +
-знака заряда. Она равна средней скорости, приобретаемой +
-заряженной частицей в электрическом поле единичной +
-напряженности. Подвижность разного сорта ионов будет +
-отличаться между собой и от подвижности электронов. Выражение +
-$v_{\pm} = b_{\pm} E$ справедливо, если число столкновений достаточно велико, +
-то есть длина свободного пробега заряженных частиц во много раз +
-меньше расстояния между электродами. Это условие выполняется +
-при давлении газа в несколько десятых мм рт. ст. В +
-противоположном случае можно считать, что заряженные частицы +
-движутся в вакууме с ускорением и влияние на них оказывает +
-только объемный заряд ионов и поле между электродами.+
  
-Подвижность ионов определенного типа тем больше, чем +Во время движения заряженных частиц в электрическом поле происходит их ускорение, но одновременно они испытываю столкновения, в основном, с атомами газа. В результате заряженные частицы приобретают определенную среднюю скорость, которая пропорциональна электрическому полю и времени между столкновениями. $$v_{\pm} = b_{\pm} E , $$ где $b_{\pm}$ — подвижность заряженных частиц соответствующего знака заряда. Она равна средней скорости, приобретаемой заряженной частицей в электрическом поле единичной напряженности. Подвижность разного сорта ионов будет отличаться между собой и от подвижности электронов. Выражение $v_{\pm} = b_{\pm} E$ справедливо, если число столкновений достаточно велико, то есть длина свободного пробега заряженных частиц во много раз меньше расстояния между электродами. Это условие выполняется при давлении газа в несколько десятых мм рт. ст. В противоположном случае можно считать, что заряженные частицы движутся в вакууме с ускорением и влияние на них оказывает только объемный заряд ионов и поле между электродами. 
-меньше сила трения, испытываемая ими со стороны окружающих + 
-атомов или молекул. А сила трения пропорциональна частоте +Подвижность ионов определенного типа тем больше, чем меньше сила трения, испытываемая ими со стороны окружающих атомов или молекул. А сила трения пропорциональна частоте столкновений, которая пропорциональна давлению (концентрации частиц) газа. Поэтому в очень широком диапазоне давлений подвижность обратно пропорциональна давлению газа $p$. То есть: $$bp = const $$
-столкновений, которая пропорциональна давлению (концентрации +
-частиц) газа. Поэтому в очень широком диапазоне давлений +
-подвижность обратно пропорциональна давлению газа $p$. То есть: +
-$$bp = const $$+
  
 Таблица 3.1 Таблица 3.1
-Газ 
-Подвижность ионов 
-Газ 
-10 -4 м 2 /(Bc) 
-b + 
-Подвижность ионов 
-10 -4 м 2 /(Bc) 
-b - 
-b + 
-b - 
-5,91 8,26 Окись Кислород 1,29 1,79 углерода 1,1 1,14 
-Азот 1,84 Хлор 0,65 0,51 
-Водород 
-1,27 
  
-Значения подвижностей при комнатных условиях для +^ Газ             ^ Подвижность ионов $\frac{10^{-4}м^2}{Bc}$          || 
-некоторых газов приведены в таблице 3.1.+|                 | $b_+$                                      | $b_-$  | 
 +| Водород         | 5,91                                       | 8,26   | 
 +| Кислород        | 1,29                                       | 1,79   | 
 +| Азот            | 1,27                                       | 1,84   | 
 +| Окись углерода  | 1,1                                        | 1,14   | 
 +| Хлор            | 1,1                                        | 1,14   | 
 + 
 +Значения подвижностей при комнатных условиях для некоторых газов приведены в таблице 3.1. 
 + 
 +В газе, в отличие от металлов, заряженные частицы могут быть распределены неравномерно. Отличный от нуля градиент концентрации ионов приводит к потоку диффузии ионов с плотностью тока: $$ qD_i \frac{dn_i}{dx},$$ Где $D_i$ — коэффициент диффузии ионов, $q$ — заряд иона. 
 + 
 +Плотность тока ионов обусловленная приложенным электрическим полем равна: $qn_i b_i E$. Плотность тока данных ионов будет равна: $$ − qD_i \frac{dn_i}{dx} + qn_i b_i E $$ Полная плотность тока равна сумме плотностей токов всех ионов, находящихся в газе. 
 + 
 +Локальные концентрации положительных и отрицательных ионов в газе могут отличаться друг от друга, что приводит к появлению объемного заряда. Объемный заряд, в свою очередь, приводит к дополнительному электрическому полю. 
 + 
 +Существует еще одна очень важная особенность проводимости газов. Концентрация заряженных частиц может изменяться в процессе разряда в результате ионизации и рекомбинации и зависеть от напряженности электрического поля. 
 + 
 +В свою очередь, протекание тока по газу может изменять свойства газа, такие как давление или температура. Более подробно эти явления рассмотрены в /4/. Указанные причины приводят к тому, что газовые проводники, как правило, не подчиняются закону Ома. 
 + 
 +Рассмотрим начальную стадию появления проводимости газа. Если газовый промежуток находится в электрическом поле с небольшой напряженностью, его проводимость близка к нулю. Появление конечной проводимости называется пробоем газового промежутка. Основной причиной электрического пробоя газового промежутка является появление в нем заряженных частиц. Их источником может быть, например, эмиссия электронов с поверхности электродов, ионизация газа космическим излучением или искусственным ионизатором, молекулярные процессы. Эти первичные электроны, дрейфуя в электрическом поле, при достаточной величине напряженности, могут возбуждать и ионизовать атомы или молекулы среды, что приводит к размножению электронов и появлению в объеме ионов и фотонов. Ток в промежутке увеличивается. Образовавшиеся в промежутке ионы и фотоны достигают электродов, вызывая эмиссию вторичных электронов. Это может привести к развитию самостоятельного или несамостоятельного газового разряда. В развитии разряда определяющую роль играют электроны, так как они более легкие, по сравнению с ионами частицы, способны быстрее набирать энергию в электрическом поле и ионизовать газ в промежутке. 
 + 
 +Назад к [[lab3:lab3|описанию]] лабораторных работ "Электрический ток в газах и жидкостях"  
 +или далее [[:lab3:несамостоятельный_разряд|Несамостоятельный разряд]] 
 + 
  
-В газе, в отличие от металлов, заряженные частицы могут быть 
-распределены неравномерно. Отличный от нуля градиент 
-концентрации ионов приводит к потоку диффузии ионов с 
-плотностью тока: 
-− qD i 
-dn i 
-, 
-dx 
-Где D i – коэффициент диффузии ионов, q – заряд иона. 
-Плотность 
-тока 
-ионов 
-обусловленная 
-приложенным 
-электрическим полем равна: 
-qn i b i E . 
-Плотность тока данных ионов будет равна: 
-− qD i 
-dn i 
-+ qn i b i E (3.0.3) 
-dx 
-Полная плотность тока равна сумме плотностей токов всех 
-ионов, находящихся в газе. 
-Локальные концентрации положительных и отрицательных 
-ионов в газе могут отличаться друг от друга, что приводит к 
-появлению объемного заряда. Объемный заряд, в свою очередь, 
-приводит к дополнительному электрическому полю. 
-Существует еще одна очень важная особенность проводимости 
-газов. Концентрация заряженных частиц может изменяться в 
-процессе разряда в результате ионизации и рекомбинации и 
-зависеть от напряженности электрического поля. 
-В свою очередь, протекание тока по газу может изменять 
-свойства газа, такие как давление или температура. Более подробно 
-эти явления рассмотрены в /4/. Указанные причины приводят к 
-тому, что газовые проводники, как правило, не подчиняются закону 
-Ома. 
-Рассмотрим начальную стадию появления проводимости газа. 
-Если газовый промежуток находится в электрическом поле с 
-небольшой напряженностью, его проводимость близка к нулю. 
-Появление конечной проводимости называется пробоем газовогоwww.phys.nsu.ru 
-промежутка. Основной причиной электрического пробоя газового 
-промежутка является появление в нем заряженных частиц. Их 
-источником может быть, например, эмиссия электронов с 
-поверхности электродов, ионизация газа космическим излучением 
-или искусственным ионизатором, молекулярные процессы. Эти 
-первичные электроны, дрейфуя в электрическом поле, при 
-достаточной величине напряженности, могут возбуждать и 
-ионизовать атомы или молекулы среды, что приводит к 
-размножению электронов и появлению в объеме ионов и фотонов. 
-Ток в промежутке увеличивается. Образовавшиеся в промежутке 
-ионы и фотоны достигают электродов, вызывая эмиссию 
-вторичных электронов. Это может привести к развитию 
-самостоятельного или несамостоятельного газового разряда. В 
-развитии разряда определяющую роль играют электроны, так как 
-они более легкие, по сравнению с ионами частицы, способны 
-быстрее набирать энергию в электрическом поле и ионизовать газ в 
-промежутке.