И.В. Савельев - Курс общей физики. Том 2. Электричество и магнетизм, волны, оптика (1115514), страница 48
Текст из файла (страница 48)
Автоэлектронной (или холодной) эмиссией называется непускание электронов поверхностью металла, происходящее в том случае, когда вблизи поверхности создается электрическое поле очень большой напряженности ( 10' Вlм). Зто явление иногда называют также вырыванием электронов электрическим полем. 5 84. Газоразрядная плазма Некоторые виды самостоятельного разряда характеризуются очень высокой степенью ионизации газа.
Газ в сильно ионизированном состоянии при условии, что суммарный заряд электронов и ионов в каждом элементарном объеме равен (или почти равен) нулю, называется п л а з м о й. Плазма представляет собой особое состояние вещества. В таком состоянии находится вещество в недрах Солнца и других звезд, обладающих температурой в десятки миллионов градусов.
Плазма, возникшая вследствие высокой температуры вещества, называется в ы с о к о т е м п е р а т у ри о й (нли и з о т е р м и ч е с к о й). Плазма, возникающая при газовом разряде, называется г а з о р а з р я д н о й. Для того чтобы плазма находилась в стационарном состоянии, необходимо наличие процессов, восполняющих убыль ионов в результате рекомбинации. В высокотемпературной плазме это осуществляется за счет термической ионнзапии, в газоразрядиой плазме — за счет ударной ионизации электронами, ускоренными электрическим полем. Особую разновидность плазмы представляет собой и о н о с ф е р а (один из слоев атмосферы).
Высокая степень ионизация молекул (- 1 %) поддерживается в ионосфере за счет З Вч, ГАЗОРАЗРЯДНАЯ ПЛАЗМА фотоионизации, обусловленной коротковолновым излучением Солнца. Электроны в газоразрядной плазме участвуют в двух движениях — хаотическом с некоторой средней скоростью <и> и упорядоченном движении в направлении, противоположном Е, со средней скоростью <и>, гораздо меньшей, чем <и>. Докажем, что электрическое поле не только обусловливает упорядоченное движение электронов плазмы, но и увеличивает скорость <п> их хаотического движения.
Пусть в момент включения поля в газе имеется некоторое количество электронов, средняя скорость которых соответствует температуре газа Т,(!А!я!<од>= ='/,йТ„). За время между двумя последовательными соударениямн с молекулами электрон проходит в среднем путь Х (рнс. 84.1; траектория электрона слегка искривлена под действием силы — еЕ).
При этом поле совершает над ним работу А = еЕ!р, (84.1) где !и — проекция перемещения электрона на направление действующей на него силы. Вследствие соударений с молекулами направление движения электрона все время изменяется случайным образом. Соответственно изменяется величина и знак !ю Поэтому рабата (84.1) для А отдельных участков траектории име- ! ет неодинаковую величину и разный лб ! ! знак. На одних участках поле увеличивает энергию электрона, на дру- г,— —.~~ тих уменьшает. Если бы упорядочен- Рис. З4.!.
ное движение электронов отсутствовало, среднее значение !,„а следовательно и работы (84.1), было бы равно нулю. Однако наличие упорядоченного движения приводит к тому, что среднее значение работы А отлично от нуля и притом положительна. Оно равно < А> = еЕ <и> т = еЕ <и> —, Х ' (84.2) где т — средняя продолжительность свободного пробега электронов (<и>««<п>).
Таким образом, поле в среднем увеличивает энергию электронов. Правда, электрон, столкнувшись с молекулой, передает ей часть своей энергии. Но, как мы выяснили в предыдущем параграфе, относительная доля б переданной пря упругом ударе энергии очень мала — она в среднем равна ') <6>=2(гп/М) (т — масса электрона„ М вЂ” масса молекулы). !) Согласно формуле (83.1) при пеитрвиьиом ударе б=4 (е/А4). В случае, когда виектраи и молекула лишь слегка взадевавггь друг други, б=о. Гл. Мш электнич вский ток В ГАЭА х 250 В разреженном газе (в котором Х больше) и при достаточно большой напряженности поля Е работа (84.2) может превзойти энергию тат<па> <6>, передаваемую в среднем молекуле при каждом столкновении.
В результате энергия хаотического движения электронов будет расти. В конце концов она достигнет значения, достаточного для того, чтобы возбудить или ионизнровать молекулу. Начиная с этого момента часть соударений перестает быть упругой и сопровождается большой потерей энергии. Поэтому средняя доля передаваемой энергии <6> увеличивается. Итак, энергию, необходимую для нонизацин, электроны приобретают не за один свободный пробе~, а постепенно накапливают ее на протяжении ряда пробегов. Ионизация приводит к возникновению большо~о количества электронов и положительных ионов— возникает плазма. Энергия электронов плазмы определяется условием, что среднее значение работы, совершаемой полем над электроном за один свободный пробег, равно среднему значению энергии, отдаваемой электроном при соударении с молекулой: еЕ <и> — = — <6>.
Х м <о'> ею 2 Здесь <6> есть сложная функция скорости <и>. Опыт дает, что для электронов в газоразрядной плазме имеет место мансвелловсное распределение по скоростям. Вследствие слабого взаимодействия электронов с молекулами (при упругом ударе 6 Очень мало, а относительное количество неупругих соударений незначительно) средняя скорость хаотического движения электронов оказывается во много раз больше скорости, соответству|ощей температуре газа Т„. Если ввести температуру электронов Т„ определив ее из соотношения '/,т <и'> = а,~,/гТ„ то для Т, получается значение порядка нескольких десятков тысяч кельвин.
Несовпадение температур Т, и Т, свидетельствует о том, что между электронами и молекулами в газоргзрядной плазме иет термодинамического равновесия '). Концентрация носителей тока в плазме очень велика. Поэтому плазма обладает хорошей проводимостью. Подвижность электроиов примерно на три порядка больше, чем у ионов, вследствие чего ток в плазме создается в основном электронами. ') В высокотемпературной плазме средняя энергия молекул, электоонов н ионов одинакоиа, Зтям обьясняетсн ее другое незнание — наотермнческая. $ ПЕ. ТЛЕЮЩИЙ РАЗРЯД й 85. Тлеющий разряд Леаинаяа Иааыднпе Фарадей Г1 е Генные Леаеазееиееяйе иеепепнепеее идеааееи йиивЪпя пяенеа ', Гялащаа Ивепиае т г пйпеипе иааеина нааееиаиаяа Рис.
85.1. слабо светящийся слой, по контрасту кажущийся темным и называемый к атодным (или круксовым) темным п ространс т в о м. Этот слой переходит в светящуюся область, которую называют тл ею щ и м с в е ч ен и ем. Все перечисленные слои образуют катодиую часть тлеющего разряда. С тлеющим свечением граничит темный промежуток — ф а р а- деево темное пространство. Граница между ними размыта. Вся остальная часть трубки заполнена светящимся газом; ее называют положительным столбом. Прн понижении давления катодиая часть разряда и фарадеево темное пространство расширяются, а положительный столб укорачивается.
При давлении порядка 1 мм рт. ст. положительный столб распадается на ряд чередующихся темных и свеглых изогнутых слоев— с т р а т. Измерения, осуществленные о помощью зондов (тоненьких проволочек, впаянных в разных точках вдоль трубки), а также Тлеющий разряд возникает при низких давлениях. Его можно наблюдать в стеклянной трубке длиной около 0,5 м, с впаянными у концов плоскими металлическими злектродами (рис. 85.1). На злектродье подается напряжение порядка 1000 В. При атмосферном давлении тока в трубке практически нет.
Если понижать давление, то примерно при 50 мм рт. ст. возникает разряд в виде светящегося извилистого тонкого шнура, соединяющего анод с катодом. По мере понижения давления шнур утолщается и приблизительно при 5 мм рт. ст. заполняет все сечение трубки — устанавливается тлеющий разряд, Его основные части показаны на рис. 85.1.
Вблизи катода располагается тонкий светящийся слой, называемый к атодной светящейся пленкой. Между катодом и светящейся пленкой находится а сто нов о тем н о е п р ос т р а и с т в о. По другую сторону светящейся пленки помещается 252 ГЛ. ХП. ЭЛЕКТРИЧЕСКИЙ ТОК В ГАЗАХ другими методами, показали, что потенциал изменяется вдоль трубки неравномерно (см.
график на рис. 86.1). Почти все падение потенциала приходится иа первые три участка разряда по катодиое темное пространство включительно. Эту час~ь напряжения, приложенного к трубке, называют к а т о д и ы м п а д е и и е м и о т е н ц и а л а. В области тлеющего свечения потенциал не изменяется — здесь напряженность поля равна нулю. Наконец, в фара- деевом темном пространстве н положительном столбе потенциал медленно растет.
Такое распределение потенциала вызвано образованием в области катодного темного пространства положительного пространственного заряда, обусловленного повышенной концентрацией положительных ионов. Основные процессы, необходимые для поддержания тлеющего разряда, происходят в его катодной части. Остальные части разряда пе существенны, они могут даже отсутствовать (при малом расгтоянии между электродами нли при низком давлении). Основных процессов два — вторичная электронная эмиссия из катода, вызванная бомбардировкой его положительными ионами, и ударная ионизация электронами молекул газа. Положительные ионы, ускоренные катодным падением потенциала, бомбардируют катод и выбивают нз него электроны.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
