Электричество и магнетизм (1188650), страница 37
Текст из файла (страница 37)
Ïóñòü êàêàÿ-òî ãðóïïà pýëåêòðîíîâ ïîëó÷èëà íàïðàâëåííóþ ñêîðîñòü, ðàâíóþ òåïëîâîé: v = kTe /me . Ïðèýòîì, êàê ëåãêî ìîæíî óáåäèòüñÿ, îáðàùàÿñü ê îðìóëàì (5.16), (5.10),çà âðåìÿ, ðàâíîå ωp−1 , ýòà ãðóïïà ýëåêòðîíîâ ïðîéä¼ò â íàïðàâëåíèèïîëó÷åííîé ñêîðîñòè äî ïîëíîé îñòàíîâêè ðàññòîÿíèå, êàê ðàç ðàâíîåäåáàåâñêîé äëèíå, òî åñòüv.rD =(5.17)ωpÒàêèì îáðàçîì, äåáàåâñêàÿ äëèíà ýòî àìïëèòóäà ëåíãìþðîâñêèõ êîëåáàíèé ïëàçìû, âîçáóæäàåìûõ òåïëîâûìè ëóêòóàöèÿìè. Ýòà àìïëèòóäà è ÿâëÿåòñÿ ìàñøòàáîì íàðóøåíèÿ êâàçèíåéòðàëüíîñòè ïëàçìû âîòñóòñòâèå âíåøíåãî ïîëÿ.204àçîâûé ðàçðÿä. ÏëàçìàÊàê ñëåäóåò èç (5.16), ïëàçìåííàÿ ÷àñòîòà îïðåäåëÿåòñÿ òîëüêîïëîòíîñòüþ ýëåêòðîíîâ (è óíèâåðñàëüíûìè ïîñòîÿííûìè).
Ìîæíî ñòðîãî äîêàçàòü, ÷òî îíà íå çàâèñèò îò âåëè÷èíû è îðìû ðàññìàòðèâàåìîãîîáú¼ìà è ÿâëÿåòñÿ, òàêèì îáðàçîì, ëîêàëüíîé õàðàêòåðèñòèêîé ïëàçìû.Ïëàçìåííàÿ ÷àñòîòà ÿâëÿåòñÿ íå åäèíñòâåííîé íî âàæíåéøåé õàðàêòåðíîé ÷àñòîòîé ïëàçìû. Îíà îïðåäåëÿåò êîëëåêòèâíîå äâèæåíèåýëåêòðîíîâ îòíîñèòåëüíî èîíîâ. çàêëþ÷åíèå ýòîãî ïóíêòà ñäåëàåì ñëåäóþùåå çàìå÷àíèå.
Ôîðìóëàäëÿ äåáàåâñêîãî ðàäèóñà (5.10) íå ó÷èòûâàåò äâèæåíèå èîíîâ. Åñëè ñ÷èòàòü, ÷òî èîíû òîæå ðàñïðåäåëÿþòñÿ â ïîëå ïðîáíîãî çàðÿäà ïî Áîëüöìàíó ñ òåìïåðàòóðîé Ti , òî â ïðèáëèæåíèè eϕ 6 kTi , âìåñòî îðìóëû(5.10) ïîëó÷èìrkTe TirD =(5.18),4πne2 Te + Tiòî åñòü âìåñòî Te â îðìóëó äëÿ äåáàåâñêîãî ðàäèóñà âîéä¼ò ïðèâåä¼ííàÿ òåìïåðàòóðà.  ÷àñòíîñòè, ïðè Te = Ti â çíàìåíàòåëå ïîä êîðíåìïîÿâëÿåòñÿ äâîéêà, à ïðè Te ≫ Ti , ÷òî èìååò ìåñòî äëÿ ïëàçìû ãàçîâîãîðàçðÿäà (òëåþùåãî), â îðìóëå (5.10) âìåñòî Te áóäåò ñòîÿòü Ti .3.
àçîâûé ðàçðÿäÏîä òåðìèíîì ¾ãàçîâûé ðàçðÿä¿ îáû÷íî ïîíèìàþò âñå ÿâëåíèÿ èïðîöåññû, ñâÿçàííûå ñ ïðîòåêàíèåì ýëåêòðè÷åñêîãî òîêà ÷åðåç ãàç.Ñàìî íàçâàíèå ðàçðÿä ïðîèçîøëî îò íàçâàíèÿ ìåäëåííî ïðîòåêàþùåãî ïðîöåññà ïîòåðè çàðÿäà çàðÿæåííûìè ìåòàëëè÷åñêèìè òåëàìè,ðàñïîëîæåííûìè íà ïîäñòàâêå èç èçîëÿòîðà, ÷òî íàáëþäàëîñü åù¼ âXVI âåêå. Ïîçäíåå Êóëîí ýêñïåðèìåíòàëüíî äîêàçàë, ÷òî çàðÿä ñòåêàåòñ ïðîâîäíèêà ÷åðåç âîçäóõ, à íå ÷åðåç ïîäñòàâêó èç èçîëÿòîðà, òî åñòüïî ñîâðåìåííîé òåðìèíîëîãèè èìååò ìåñòî ãàçîâûé ðàçðÿä.
àçðÿä ïðèíèçêèõ äàâëåíèÿõ âîçäóõà (ïîðÿäêà 1 ìáàð) îòêðûë è èññëåäîâàë Ôàðàäåé ýòîò ðàçðÿä ñòàë èçâåñòåí êàê òëåþùèé.  êîíöå XIX âåêàèññëåäîâàíèå ïðîâîäèìîñòè ðàçðåæåííûõ ãàçîâ ïðèâåëî Äæ.Äæ. Òîìñîíà ê îòêðûòèþ ïåðâîé ýëåìåíòàðíîé ÷àñòèöû ýëåêòðîíà, à äàëüíåéøèå èññëåäîâàíèÿ èçèêè ãàçîâîãî ðàçðÿäà âî ìíîãîì ïîñëóæèëèýêñïåðèìåíòàëüíîé îñíîâîé àòîìíîé è êâàíòîâîé èçèêè.Îñíîâàòåëåì èçèêè ñîáñòâåííî ãàçîâîãî ðàçðÿäà ñ÷èòàåòñÿ ó÷åíèêÄæ.Äæ. Òîìñîíà Òàóíñåíä, ñîçäàâøèé â íà÷àëå XX âåêà òåîðèþ ïðîáîÿãàçà è óñòàíîâèâøèé çàêîíîìåðíîñòè èîíèçàöèè. Ñëåäóþùèé ïðèíöèïèàëüíûé âêëàä â èçèêó ãàçîâîãî ðàçðÿäà áûë âíåñ¼í Ëåíãìþðîì,êîòîðûé âìåñòå ñ Òîíêñîì â 1928 ãîäó, èññëåäóÿ ãàçîâûé ðàçðÿä íèçêîãî äàâëåíèÿ, ââ¼ë òàêîå óíäàìåíòàëüíîå ïîíÿòèå èçèêè, êàê ïëàçìà,àçäåë V205î ÷¼ì óæå ãîâîðèëîñü âûøå, à òàêæå ðàçâèë ìåòîäû èññëåäîâàíèÿ ïëàçìû, â ÷àñòíîñòè, ìåòîä çîíäîâ.Ñîâðåìåííàÿ èçèêà òåðìèí ãàçîâûé ðàçðÿä òðàêòóåò â áîëåå øèðîêîì ñìûñëå.
Ýòî íå òîëüêî ïðîöåññ ïðîòåêàíèÿ òîêà ÷åðåç ãàç, íîè ëþáîé ïðîöåññ âîçíèêíîâåíèÿ èîíèçàöèè ãàçà ïîä äåéñòâèåì ïðèëîæåííîãî ýëåêòðè÷åñêîãî ïîëÿ. Ïðè ýòîì ïîëå ìîæåò áûòü íå òîëüêîïîñòîÿííûì âî âðåìåíè, íî è áûñòðîïåðåìåííûì âûñîêî÷àñòîòíûì(Â×-ðàçðÿä, ìåãàãåðöû), ñâåðõâûñîêî÷àñòîòíûì (ÑÂ×-ðàçðÿä, ãèãàãåðöû) è äàæå îïòè÷åñêîãî äèàïàçîíà (îïòè÷åñêèé ðàçðÿä).  ïîñëåäíååâðåìÿ áûë îòêðûò ïó÷êîâî-ïëàçìåííûé ðàçðÿä (ÏÏ), çàãîðàþùèéñÿïðè ïðîõîæäåíèè ýëåêòðîííîãî ïó÷êà ÷åðåç ãàç ìàëîé ïëîòíîñòè âñëåäñòâèå âîçíèêíîâåíèÿ â òàêîé ñèñòåìå ïëàçìåííûõ êîëåáàíèé ÑÂ×-äèàïàçîíà.
Òåðìèíû ãîðåòü, çàæèãàíèå ïîëó÷èëè ðàñïðîñòðàíåíèå ïîòîìó, ÷òî ïðè âîçíèêíîâåíèè äîñòàòî÷íî ñèëüíîé èîíèçàöèè ãàç ñâåòèòñÿ.àçðÿäû â ïîñòîÿííîì ïîëå ðàçäåëÿþò íà íåñàìîñòîÿòåëüíûå è ñàìîñòîÿòåëüíûå. Äåëî â òîì, ÷òî ïðè íîðìàëüíûõ óñëîâèÿõ ãàçû ñîñòîÿòâ îñíîâíîì òîëüêî èç ýëåêòðè÷åñêè íåéòðàëüíûõ àòîìîâ è ìîëåêóë è,ïî ñóòè, ÿâëÿþòñÿ äèýëåêòðèêàìè, òî åñòü èçîëÿòîðàìè, ïîýòîìó ÷åðåçíèõ íå ìîæåò ïðîõîäèòü ñêîëüêî-íèáóäü çàìåòíûé ýëåêòðè÷åñêèé òîê.Ïðîâîäíèêàìè ìîãóò áûòü òîëüêî õîòü â êàêîé-òî ìåðå èîíèçîâàííûåãàçû, òî åñòü ãàçû, ñîäåðæàùèå ñâîáîäíûå çàðÿäû íîñèòåëè òîêà. Âãàçàõ ýòî ïîëîæèòåëüíûå è îòðèöàòåëüíûå èîíû è ýëåêòðîíû.
Èîíûâ ãàçàõ ìîãóò âîçíèêàòü â ðåçóëüòàòå äåéñòâèÿ ðàçëè÷íûõ èîíèçàòîðîâ,íàïðèìåð, óëüòðàèîëåòîâîãî èçëó÷åíèÿ èëè ðåíòãåíîâñêèõ ëó÷åé, êîñìè÷åñêîãî èçëó÷åíèÿ, ëó÷åé ðàäèîàêòèâíûõ çàãðÿçíåíèé, ñòîëêíîâåíèéàòîìîâ ãàçà ñ ýëåêòðîíàìè è äðóãèìè ÷àñòèöàìè, ýíåðãèÿ êîòîðûõ ïðåâûøàåò ïîòåíöèàë èîíèçàöèè àòîìîâ ãàçà.Ïðåäïîëîæèì, ÷òî èîíû â ãàçîâîì ïðîâîäíèêå ñîçäàþòñÿ èñêëþ÷èòåëüíî âíåøíèì èîíèçàòîðîì.
Òîãäà ïðè ïðåêðàùåíèè äåéñòâèÿ ýòîãîèîíèçàòîðà òîê è, ñëåäîâàòåëüíî, ðàçðÿä ïðåêðàùàþòñÿ. Òàêîé ðàçðÿäíàçûâàåòñÿ íåñàìîñòîÿòåëüíûì.Òèïè÷íàÿ êðèâàÿ, îòîáðàæàþùàÿ ñâÿçü ìåæäó òîêîì ÷åðåç ãàçîâûéïðîìåæóòîê è íàïðÿæåíèåì íà í¼ì òàê íàçûâàåìàÿ âîëüò-àìïåðíàÿõàðàêòåðèñòèêà (ÂÀÕ) äëÿ íåñàìîñòîÿòåëüíîãî ðàçðÿäà ïîêàçàíà íàðèñ. 5.3. Ñ ïîâûøåíèåì íàïðÿæåíèÿ íà ãàçîâîì ïðîìåæóòêå òîê ñíà÷àëà âîçðàñòàåò (êðèâàÿ ÎÀ), à ïîòîì äîñòèãàåò íàñûùåíèÿ è îñòà¼òñÿïðàêòè÷åñêè ïîñòîÿííûì (ó÷àñòîê ÀÁ), ÷òî ñîîòâåòñòâóåò ïîëíîìó âûòÿãèâàíèþ íà ýëåêòðîäû çàðÿäîâ, ñîçäàâàåìûõ âíåøíèì èîíèçàòîðîì.Ïðè äàëüíåéøåì ïîâûøåíèè íàïðÿæåíèÿ òîê ñíîâà íà÷èíàåò âîçðàñòàòü (ó÷àñòîê ÁÂ).
Ýòî çíà÷èò, ÷òî èìåþùèåñÿ èîíû, è ïðåæäå âñåãîýëåêòðîíû, çà ïåðèîä ìåæäó äâóìÿ ïîñëåäîâàòåëüíûìè ñòîëêíîâåíèÿ206àçîâûé ðàçðÿä. ÏëàçìàPSfrag replaements0À207ÿíèè x îò êàòîäà â ñëîå òîëùèíû dx îäèí ýëåêòðîí ñîçäà¼ò αdx ïàðèîíîâ. Åñëè ñî ñòîðîíû êàòîäà â ýòîò ñëîé âòåêàåò ýëåêòðîííûé òîê Ie ,òî â ñëîå îí âîçðàñò¼ò íà âåëè÷èíó dIe = Ie αdx. Èíòåãðèðîâàíèå ýòîãîóðàâíåíèÿ â ïðåäïîëîæåíèè, ÷òî α íå çàâèñèò îò x (òî åñòü ïîëå íåçàâèñèò îò x, ÷òî âåðíî òîëüêî ïðè ìàëûõ òîêàõ, êîãäà íåò îáú¼ìíûõçàðÿäîâ), äà¼òIe (x) = Ie (0)eαx ,ÂIàçäåë VÁUèñ. 5.3. Âîëüò-àìïåðíàÿ õàðàêòåðèñòèêàíåñàìîñòîÿòåëüíîãî ãàçîâîãî ðàçðÿäàìè íàáèðàþò òàêóþ ýíåðãèþ, ÷òî âîçíèêíåò ñòîëêíîâèòåëüíàÿ èîíèçàöèÿ, òî åñòü ðîæäåíèå íîâûõ, âòîðè÷íûõ èîíîâ. Ïðè ýòîì âîçíèêàþò èðàçâèâàþòñÿ ýëåêòðîííûå ëàâèíû.
Èòàê, ìû áóäåì èìåòü äåëî ñ ðàçìíîæåíèåì, èëè óñèëåíèåì, ÷àñòî íàçûâàåìûì ãàçîâûì óñèëåíèåì. Ïðèêàêîì çíà÷åíèè ïîëÿ íàñòóïèò ðàçìíîæåíèå, çàâèñèò îò äàâëåíèÿ ãàçàè ýíåðãèè, íåîáõîäèìîé äëÿ èîíèçàöèè äàííîé ìîëåêóëû (ïîòåíöèàëàèîíèçàöèè).  ðåçóëüòàòå óñèëåíèÿ êîíöåíòðàöèÿ èîíîâ âîçðàñòàåò äîâåëè÷èíû, êîòîðàÿ ëèíåéíî èëè äàæå áîëåå ñèëüíî çàâèñèò îò ïåðâè÷íîé èîíèçàöèè. Ïðè ýòîì ðàçðÿä îñòà¼òñÿ íåñàìîñòîÿòåëüíûì.Îäíàêî â äîñòàòî÷íî ñèëüíîì ýëåêòðè÷åñêîì ïîëå ïðîâîäèìîñòü ãàçà ìîæåò âîçðàñòè ñêà÷êîì âîçíèêàåò ïðîáîé. Ñîîòâåòñòâóþùåå íàïðÿæåíèå íà ãàçîâîì ïðîìåæóòêå íàçûâàåòñÿ íàïðÿæåíèåì ïðîáîÿ, èëèíàïðÿæåíèåì çàæèãàíèÿ.
Åñëè ïîñëå âîçíèêíîâåíèÿ ïðîáîÿ óáðàòü âíåøíèé èîíèçàòîð, òî ðàçðÿä íå ïðåêðàùàåòñÿ. àçðÿä ïåðåø¼ë â ðåæèì ñàìîñòîÿòåëüíîãî ðàçðÿäà: òåïåðü èîíèçàöèÿ ïîääåðæèâàåòñÿ ïðîöåññàìèâ ñàìîì ðàçðÿäå.Êàê óæå áûëî ñêàçàíî, ïåðâàÿ ìîäåëü ïåplaementsðåõîäà íåñàìîñòîÿòåëüíîãî ðàçðÿäà â ñàìîñòîÿòåëüíûé áûëà ïðåäëîæåíà Òàóíñåíäîì.ÑëåäóÿÒàóíñåíäó, ââåä¼ì êîýèöèåíò îáúXxd0¼ìíîé èîíèçàöèè α, ÷èñëåííî ðàâíûé êîëè÷åñòâó ýëåêòðîííî-èîííûõ ïàð, îáðàçóåìûõ îädxíèì ýëåêòðîíîì íà åäèíèöå äëèíû ïóòè. Ïîèñ. 5.4. Ê âûâîäó êðèòåðèÿ ñìûñëó ÿñíî, ÷òî ýòîò êîýèöèåíò çàâèñèòîò äàâëåíèÿ (âîçðàñòàåò ñ óâåëè÷åíèåì ÷èñëàÒàóíñåíäàñîóäàðåíèé, òî åñòü ñ äàâëåíèåì) è îò íàïðÿæ¼ííîñòè ýëåêòðè÷åñêîãî ïîëÿ E (âîçðàñòàåò ñ ïîëåì).àññìîòðèì, êàê ïðîèñõîäèò èîíèçàöèÿ â ãàçîâîì ïðîìåæóòêå ìåæäó ïëîñêèìè ýëåêòðîäàìè êàòîäîì è àíîäîì (ðèñ. 5.4).
Íà ðàññòîãäå Ie (0) ýëåêòðîííûé òîê, âòåêàþùèé ñ êàòîäà â ãàçîâûé ïðîìåæóòîê. Ìîæíî âèäåòü, ÷òî íà àíîäå, òî åñòü ïðè x = d, îí âîçðàñòàåòâ eαd ðàç. Íàïðèìåð, ïðè α = 3 ñì−1 è d = 3 ñì òîê âîçðàñò¼ò ïðèáëèçèòåëüíî íà 4 ïîðÿäêà. Ýòî è åñòü ðåæèì ãàçîâîãî óñèëåíèÿ, òîåñòü ðàçìíîæåíèÿ ýëåêòðîííî-èîííûõ ïàð âñëåäñòâèå ðàçâèòèÿ ýëåêòðîííûõ ëàâèí. Îäíàêî ïðè ýòîì ðàçðÿä åù¼ íå îáÿçàòåëüíî ïåðåõîäèòâ ðåæèì ñàìîñòîÿòåëüíîãî. Íàïðèìåð, åñëè òîê Ie (0) ñîçäà¼òñÿ òîëüêî âíåøíèì èîíèçàòîðîì, òî ïðè åãî âûêëþ÷åíèè ïðåêðàùàåòñÿ è òîê÷åðåç ïðîìåæóòîê.
×òîáû ðàçðÿä íå ïðåêðàùàëñÿ, íóæíî, ÷òîáû òîêIe (0) ïîääåðæèâàëñÿ ñàìèì ðàçðÿäîì, òî åñòü ÷òîáû îáðàçîâàëàñü ïîëîæèòåëüíàÿ îáðàòíàÿ ñâÿçü. Òàêàÿ ñâÿçü ìîæåò óñòàíîâèòüñÿ òîëüêî÷åðåç ïîòîê ÷àñòèö, äâèãàþùèõñÿ èç ðàçðÿäà â îáðàòíîì íàïðàâëåíèè,ê êàòîäó.  ìîäåëè Òàóíñåíäà ýòî ïîëîæèòåëüíûå èîíû è îòîíû.Äàëåå áóäåì ó÷èòûâàòü òîëüêî ïîëîæèòåëüíûå èîíû.Ïîëíûé òîê ÷åðåç ëþáîå ïîïåðå÷íîå ñå÷åíèå ðàçðÿäà x = const îäèíè òîò æå è ñêëàäûâàåòñÿ èç òîêà, ïåðåíîñèìîãî ýëåêòðîíàìè, è òîêà, ïåðåíîñèìîãî äâèæóùèìèñÿ íàâñòðå÷ó èì ïîëîæèòåëüíûìè èîíàìè.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
