Электричество и магнетизм (1188650), страница 39
Текст из файла (страница 39)
Äàëåå ýëåêòðîíûðàñòðà÷èâàþò ñâîþ ýíåðãèþ (ïîëå ñëàáîå) è âîçáóæäåíèå ïðåêðàùàåòñÿ, à ñâå÷åíèå ïåðåõîäèò â ò¼ìíîå àðàäååâî ïðîñòðàíñòâî. àðàäååâîì ïðîñòðàíñòâå ïîëå ìåäëåííî íàðàñòàåò äî ñâîåãî çíà÷åíèÿ â ïîëîæèòåëüíîì ñòîëáå, êîòîðûé ìîæíî ðàññìàòðèâàòü ïðîñòîêàê ó÷àñòîê îìè÷åñêîãî ïðîâîäíèêà ñ ýëåêòðîííîé ïðîâîäèìîñòüþ. Ïîñêîëüêó çäåñü íåïðåðûâíî ïðîèñõîäÿò ñòîëêíîâåíèÿ ýëåêòðîíîâ ñ àòîìàìè, ïðîèñõîäèò èõ âîçáóæäåíèå, è ïîëîæèòåëüíûé ñòîëá èñïóñêàåòñâå÷åíèå.
Ó àíîäà èîíîâ íåò, ýëåêòðîíû îáðàçóþò îòðèöàòåëüíûé îáú¼ìíûé çàðÿä, ñîçäà¼òñÿ íåáîëüøîå àíîäíîå ïàäåíèå ïîòåíöèàëà, â êîòîðîìýëåêòðîíû íàáèðàþò ýíåðãèþ è âûçûâàþò àíîäíîå ñâå÷åíèå.Âñå çàâèñèìîñòè, ïîêàçàííûå íà ðèñ. 5.8, ïîäòâåðæäàþò ïðèâåä¼ííîå îáúÿñíåíèå. Ñàìûì âàæíûì çäåñü ÿâëÿåòñÿ íàëè÷èå çîíû ïîëîæèòåëüíîãî îáú¼ìíîãî çàðÿäà è îáëàñòè ñèëüíîãî ýëåêòðè÷åñêîãî ïîëÿ óêàòîäà. Ýòî è åñòü êàòîäíûé ñëîé, îí ïðîñòèðàåòñÿ îò êàòîäà äî íà÷àëàîáëàñòè îòðèöàòåëüíîãî ñâå÷åíèÿ.
Êàê óæå ãîâîðèëîñü âûøå, êàòîäíûé ñëîé ñàìàÿ âàæíàÿ ÷àñòü òëåþùåãî ðàçðÿäà, áåç íåãî ðàçðÿäñóùåñòâîâàòü íå ìîæåò. Òîëùèíà êàòîäíîãî ñëîÿ è âåëè÷èíà êàòîäíîãîïàäåíèè ïîòåíöèàëà àâòîìàòè÷åñêè óñòàíàâëèâàþòñÿ òàêèì îáðàçîì,÷òîáû âûïîëíÿëèñü êðèòåðèè ñàìîïîääåðæàíèÿ ðàçðÿäà ïðè ìèíèìóìå çàòðàò ýíåðãèè: ýòî ìèíèìàëüíîå äëÿ òàêîãî ðàçìåðà íàïðÿæåíèå,ïðèìåðíî ðàâíîå ìèíèìàëüíîìó íàïðÿæåíèþ çàæèãàíèÿ ïî êðèâîé Ïàøåíà.
Ýòî îçíà÷àåò, ÷òî íà ñîçäàíèå îäíîé ýëåêòðîííî-èîííîé ïàðû çàòðà÷èâàåòñÿ ìèíèìàëüíàÿ ýíåðãèÿ (ðàâíàÿ òàê íàçûâàåìîé êîíñòàíòåÑòîëåòîâà).Îñîáûì ñâîéñòâîì ñàìîîðãàíèçàöèè îáëàäàåò íîðìàëüíûé òëåþùèéðàçðÿä, òî åñòü ðàçðÿä, íàïðÿæåíèå íà êîòîðîì ïðè âîçðàñòàíèè òîêà214àçîâûé ðàçðÿä. Ïëàçìàïðàêòè÷åñêè íå ìåíÿåòñÿ (ãîðèçîíòàëüíûé ó÷àñòîê ÂÀÕ íà ðèñ. 5.7). í¼ì òîê ìîæåò âîçðàñòàòü òîëüêî çà ñ÷¼ò âîçðàñòàíèÿ ïëîùàäè êàòîäíîãî ïÿòíà, à ïëîòíîñòü òîêà îñòà¼òñÿ íåèçìåííîé. Êà÷åñòâåííî ýòîìîæíî îáúÿñíèòü òåì, ÷òî ïîñêîëüêó íàïðÿæåíèå íà êàòîäíîì ñëîå èåãî òîëùèíà çàäàþòñÿ óñëîâèåì ìèíèìóìà íà êðèâîé Ïàøåíà, îíè ïî÷òè íå ìåíÿþòñÿ ïðè çàäàííîì äàâëåíèè ãàçà.
Ñëåäîâàòåëüíî, äîëæíàîñòàâàòüñÿ ïîñòîÿííîé è ïëîòíîñòü òîêà.Ïðè ïîëíîì çàïîëíåíèè êàòîäà äàëüíåéøåå óâåëè÷åíèå òîêà áóäåòâîçìîæíî òîëüêî çà ñ÷¼ò ïîâûøåíèÿ èíòåíñèâíîñòè èîíèçàöèè ãàçà,÷òî âîçìîæíî òîëüêî ïðè ïîâûøåíèè íàïðÿæåíèÿ. àçðÿä ïðè ýòîìïåðåõîäèò â ðåæèì àíîìàëüíîãî òëåþùåãî ðàçðÿäà (ó÷àñòîê ÅÆ íàÂÀÕ).  àíîìàëüíîì ðàçðÿäå ïëîòíîñòü òîêà âûøå, ÷åì â íîðìàëüíîì.Êàê ýòî ìîæíî âèäåòü íà íèæíåé êðèâîé ðèñ. 5.8, îïèñûâàþùåé ðàñïðåäåëåíèå îáú¼ìíîãî çàðÿäà, ìåæäó êàòîäíûì ñëîåì è àíîäîì îáðàçóåòñÿ äëèííàÿ (åñëè òðóáêà äëèííàÿ) ýëåêòðîíåéòðàëüíàÿ îáëàñòü, áîëüøàÿ ÷àñòü êîòîðîé íàçûâàåòñÿ ïîëîæèòåëüíûì ñòîëáîì.
Íà ðèñ. 5.8òàêæå âèäíî, ÷òî â ïîëîæèòåëüíîì ñòîëáå ïëîòíîñòü ýëåêòðîíîâ ðàâíàïëîòíîñòè èîíîâ, òîê â îñíîâíîì ïåðåíîñèòñÿ ýëåêòðîíàìè, à âûçûâàþùåå òîê ýëåêòðè÷åñêîå ïîëå îäíîðîäíî ïî äëèíå, êàê ýòî èìååò ìåñòîâ îáû÷íîì îìè÷åñêîì ïðîâîäíèêå.  ñîîòâåòñòâèè ñî ñêàçàííûì âûøå,òàêîå ñîñòîÿíèå ãàçà íàçûâàåòñÿ ïëàçìîé. Ïîëîæèòåëüíûé ñòîëá òëåþùåãî ãàçîâîãî ðàçðÿäà ïðåäñòàâëÿåò ñîáîé ïðèìåð íèçêîòåìïåðàòóðíîéñëàáîèîíèçèðîâàííîé íåðàâíîâåñíîé ïëàçìû, ïîääåðæèâàåìîé ýëåêòðè÷åñêèì ïîëåì.Ñîñòîÿíèå ïëàçìû â ïîëîæèòåëüíîì ñòîëáå ñîâåðøåííî íå çàâèñèòîò ïðîöåññîâ â ïðèýëåêòðîäíûõ îáëàñòÿõ, à îïðåäåëÿåòñÿ òîëüêî ïðîöåññàìè âíóòðè íåãî. îæäåíèå è ãèáåëü ýëåêòðîíîâ ïðîõîäÿò íà îíå èõäðåéîâîãî äâèæåíèÿ îò êàòîäà ê àíîäó.
Ïîòåðè ýëåêòðîíîâ â ñòîëáå(çà ñ÷¼ò äèóçèè ê ñòåíêàì òðóáêè, à òàêæå ðåêîìáèíàöèè â îáú¼ìå) äîëæíû êîìïåíñèðîâàòüñÿ èîíèçàöèåé. È âñ¼-òàêè áîëüøàÿ ÷àñòüýëåêòðîíîâ, äîñòèãàþùèõ àíîäà, ïîñòóïàåò â ñòîëá èçâíå (èç êàòîäíîãîñëîÿ), êàê ýòî ïðîèñõîäèò ïðè òîêå ÷åðåç îáû÷íûé ïðîâîäíèê. íîðìàëüíîì òëåþùåì ðàçðÿäå â ñëó÷àå, êîãäà ïîòåðè ýëåêòðîíîâ îáóñëîâëåíû äèóçèåé, ÂÀÕ ïîëîæèòåëüíîãî ñòîëáà ìîæåò áûòüïàäàþùåé.
 ýòîì ñëó÷àå ïàäàþùåé áóäåò è ÂÀÕ âñåãî ðàçðÿäà, ÷òîïîäòâåðæäàåò ýêñïåðèìåíò: ïðè óâåëè÷åíèè òîêà íàïðÿæåíèå íà ðàçðÿäíîì ïðîìåæóòêå íå îñòà¼òñÿ ïîñòîÿííûì, êàê ýòî äîëæíî áûòü äëÿíîðìàëüíîãî òëåþùåãî ðàçðÿäà, à óìåíüøàåòñÿ.Ýòî îáúÿñíÿåòñÿ íàãðåâîì ãàçà.  öåíòðàëüíîé îáëàñòè ãàç íàãðåâàåòñÿ ñèëüíåå, åãî êîíöåíòðàöèÿ ïîíèæàåòñÿ, äëèíà ïðîáåãà ýëåêòðîíîââîçðàñòàåò è îíè ïîëó÷àþò âîçìîæíîñòü íàáèðàòü ýíåðãèþ, íåîáõîäèàçäåë V215ìóþ äëÿ èîíèçàöèè, ïðè ìåíüøåì ïîëå, ÷åì äî íàãðåâà. Ñëåäîâàòåëüíî,íàïðÿæåíèå, íåîáõîäèìîå äëÿ ïîääåðæàíèÿ òàêîãî òîêà, ïîíèæàåòñÿ.Ñëó÷àéíûå ëîêàëüíûå ïåðåãðåâû, à òàêæå äðóãèå ïðîöåññû, ïðèâîäÿùèå ê ïîÿâëåíèþ îòðèöàòåëüíîãî äèåðåíöèàëüíîãî ñîïðîòèâëåíèÿ, ìîãóò áûòü ïðè÷èíîé ðàçâèòèÿ ðàçëè÷íûõ íåóñòîé÷èâîñòåé.
Ìåõàíèçì, òèïà îïèñàííîãî âûøå, ìîæåò âûçâàòü ñòÿãèâàíèå ðàçðÿäà âòîêîâûé øíóð (êîíòðàêöèÿ). Ýòèì îáúÿñíÿåòñÿ ïåðåõîä àíîìàëüíîãîðàçðÿäà â äóãîâîé: êàòîäíîå ïÿòíî óìåíüøàåòñÿ íàñòîëüêî, ÷òî êàòîä âýòîì ìåñòå íàêàëÿåòñÿ è íà÷èíàåòñÿ òåðìîýìèññèÿ. Äðóãèå íåóñòîé÷èâîñòè âåäóò ê îáðàçîâàíèþ â ïîëîæèòåëüíîì ñòîëáå ïîïåðå÷íûõ ñëî¼â,èëè ñòðàò, êîòîðûå, êàê ïðàâèëî, äâèæóòñÿ â ïðîäîëüíîì íàïðàâëåíèè.4. Âûñîêî÷àñòîòíûé íàãðåâ ïëàçìûÈîíèçàöèþ â ïëàçìå ìîæíî ñîçäàòü è ñ ïîìîùüþ âûñîêî÷àñòîòíîãî ýëåêòðîìàãíèòíîãî ïîëÿ.
Ñóùåñòâóþò ðàçëè÷íûå ñïîñîáû ââåäåíèÿâûñîêî÷àñòîòíîãî ïîëÿ â ðàçðÿäíûé îáú¼ì. Îäèí èç íèõ îñíîâàí íàýëåêòðîìàãíèòíîé èíäóêöèè: ÷åðåç êàòóøêó-ñîëåíîèä, â êîòîðóþ âñòàâëåíà äèýëåêòðè÷åñêàÿ (íàïðèìåð, ñòåêëÿííàÿ) ãàçîðàçðÿäíàÿ êàìåðà,ïðîïóñêàåòñÿ òîê âûñîêîé ÷àñòîòû, è âíóòðè êàòóøêè èíäóöèðóåòñÿâèõðåâîå ýëåêòðè÷åñêîå ïîëå. Ñèëîâûå ëèíèè ýòîãî ïîëÿ, à âìåñòå ñíèìè è ëèíèè òîêà â ãàçîðàçðÿäíîé êàìåðå îáðàçóþò çàìêíóòûå êðóãîâûå ëèíèè. Òàêîé ðàçðÿä íàçûâàåòñÿ êîëüöåâûì, èíäóêöèîííûì èëèðàçðÿäîì H -òèïà, ÷òî óêàçûâàåò íà îïðåäåëÿþùóþ ðîëü ìàãíèòíîãîïîëÿ.Äðóãîé ñïîñîá âîçáóæäåíèÿ çàêëþ÷àåòñÿ â òîì, ÷òî âûñîêî÷àñòîòíîå íàïðÿæåíèå ïîäà¼òñÿ íà ýëåêòðîäû, êîòîðûå ìîãóò íåïîñðåäñòâåííî ñîïðèêàñàòüñÿ ñ ðàçðÿäíîé ïëàçìîé èëè áûòü èçîëèðîâàíû îò íå¼äèýëåêòðèêàìè (ñòåíêàìè ðàçðÿäíîé êàìåðû).
Ñèñòåìà äâóõ ýëåêòðîäîâ âåä¼ò ñåáÿ ïî îòíîøåíèþ ê ïåðåìåííîìó íàïðÿæåíèþ êàê êîíäåíñàòîð, ïîýòîìó òàêèå ðàçðÿäû íàçûâàþòñÿ ¼ìêîñòíûìè èëè ðàçðÿäàìèE -òèïà.Âûñîêî÷àñòîòíûå ðàçðÿäû óñïåøíî èñïîëüçóþòñÿ â òåõíèêå. Èíäóêöèîííûå ðàçðÿäû ïðèìåíÿþòñÿ â áåçýëåêòðîäíûõ ãåíåðàòîðàõ ïëîòíîéíèçêîòåìïåðàòóðíîé ïëàçìû (â ïëàçìîòðîíàõ), ïðèìåíÿåìûõ, íàïðèìåð, äëÿ ïëàçìîõèìè÷åñêîãî ïðîèçâîäñòâà ÷èñòûõ âåùåñòâ. àçðÿäû¼ìêîñòíîãî òèïà ïðèìåíÿþòñÿ â ìîùíûõ ãàçîðàçðÿäíûõ ëàçåðàõ.Èññëåäóåì ýëåêòðè÷åñêèé ïðîáîé â âûñîêî÷àñòîòíîì ïîëå.
Íà÷í¼ìñ èññëåäîâàíèÿ äâèæåíèÿ ýëåêòðîíà ïðè íèçêîì äàâëåíèè ãàçà, êîãäàñòîëêíîâåíèÿ ñ ìîëåêóëàìè ïðîèñõîäÿò ðåäêî. Äâèæåíèå ýëåêòðîíà âîäíîðîäíîì ïåðåìåííîì ýëåêòðè÷åñêîì ïîëå îïèñûâàåòñÿ óðàâíåíèåì216àçîâûé ðàçðÿä. Ïëàçìàmed2 x= −eE0 sin ωt,dt2ãäå E0 àìïëèòóäà ýëåêòðè÷åñêîãî ïîëÿ. Èíòåãðèðóÿ ýòî óðàâíåíèå,ïîëó÷èìeE0cos ωt,v = v0 +ωmeãäå v0 ñêîðîñòü ýëåêòðîíà â ìîìåíò t = 0.Ìû âèäèì, ÷òî ñêîðîñòü ýëåêòðîíà ïåðèîäè÷åñêè óâåëè÷èâàåòñÿ èóìåíüøàåòñÿ, íî â ñðåäíåì ýíåðãèè îò ïîëÿ ýëåêòðîí íå ïîëó÷àåò. Òàêîáñòîèò äåëî, ïîêà âàêóóì äîñòàòî÷íî âûñîê. Ïðè óâåëè÷åíèè äàâëåíèÿâñ¼ ÷àùå ïðîèñõîäÿò ñîóäàðåíèÿ ýëåêòðîíîâ ñ ìîëåêóëàìè ãàçà, îäíàêîìåäëåííûå ýëåêòðîíû íå ìîãóò èîíèçèðîâàòü ìîëåêóëû è ñîóäàðÿþòñÿñ íèìè óïðóãî.×òîáû ïîíÿòü, êàê âîçíèêàåò ïðîáîé, èññëåäóåì, ÷òî ïðîèñõîäèòïðè óïðóãîì ñîóäàðåíèè ýëåêòðîíà ñ ìîëåêóëàìè ãàçà.
Êàê óæå îòìå÷àëîñü, ïðè òàêèõ ñîóäàðåíèÿõ ýëåêòðîí ïî÷òè íå òåðÿåò êèíåòè÷åñêîéýíåðãèè, îäíàêî íàïðàâëåíèå åãî ñêîðîñòè ïðåòåðïåâàåò ñóùåñòâåííûåèçìåíåíèÿ è ìîæåò âíîâü ñîâïàñòü ñ èçìåíèâøèìñÿ íàïðàâëåíèåì ýëåêòðè÷åñêîãî ïîëÿ.  ýòîì ñëó÷àå ýëåêòðîí ïðè äàëüíåéøåì äâèæåíèè íåâîçâðàùàåò ïîëþ ýíåðãèþ, à âíîâü å¼ ïîëó÷àåò. ×àñòü ýëåêòðîíîâ ìîæåò ïîýòîìó çàìåòíî óñêîðÿòüñÿ âûñîêî÷àñòîòíûì ïîëåì. Óâåëè÷åíèåýíåðãèè ýëåêòðîíà ïðîäîëæàåòñÿ äî òåõ ïîð, ïîêà îíà íå ñòàíåò äîñòàòî÷íîé äëÿ èîíèçàöèè ãàçà. Çàòåì ïðîöåññ ïîâòîðÿåòñÿ: ïðè óïðóãèõñòîëêíîâåíèÿõ ñ ìîëåêóëàìè ãàçà ÷àñòü ýëåêòðîíîâ â ýëåêòðè÷åñêîìïîëå óñêîðÿåòñÿ, âñëåäñòâèå ÷åãî ïðîèñõîäÿò íîâûå àêòû èîíèçàöèè.Òàêèì îáðàçîì, â ãàçå íàêàïëèâàþòñÿ ýëåêòðîíû è èîíû. Ïî ìåðå óâåëè÷åíèÿ èõ êîíöåíòðàöèè âîçðàñòàåò ðîëü ïðîöåññîâ ðåêîìáèíàöèè.
Âðåçóëüòàòå äåéñòâèÿ ýòèõ äâóõ àêòîðîâ èîíèçàöèè è ðåêîìáèíàöèè óñòàíàâëèâàåòñÿ ñòàöèîíàðíàÿ ïëàçìà. ż êîíöåíòðàöèÿ è òåìïåðàòóðà çàâèñÿò îò ñîðòà ãàçà, åãî äàâëåíèÿ, à òàêæå îò ÷àñòîòû èàìïëèòóäû âûñîêî÷àñòîòíîãî ïîëÿ.5. Ýëåêòðîïðîâîäíîñòü ïëàçìûÏðèëîæèì ê ïëàçìå ýëåêòðè÷åñêîå ïîëå ñ íàïðÿæ¼ííîñòüþ E . Ïîäåãî äåéñòâèåì ïðèõîäÿò â äâèæåíèå êàê ýëåêòðîíû, òàê è èîíû. Äåéñòâóþùèå íà íèõ ñèëû ìàëî îòëè÷àþòñÿ äðóã îò äðóãà, à ìàññû ðàçëè÷àþòñÿ î÷åíü ñèëüíî. Îñíîâíûìè íîñèòåëÿìè òîêà ÿâëÿþòñÿ ïîýòîìóýëåêòðîíû.
Ñâîáîäíî äâèãàÿñü íà ïóòè ñâîáîäíîãî ïðîáåãà, ýëåêòðîíûàçäåë V217ïðèîáðåòàþò íàïðàâëåííóþ (äðåéîâóþ) ñêîðîñòü. Ïîñëå î÷åðåäíîãîñîóäàðåíèÿ ñêîðîñòü ýëåêòðîíà ìîæåò èìåòü ñàìûå ðàçíûå íàïðàâëåíèÿ, òàê ÷òî ñðåäíåå çíà÷åíèå ýòîé ñêîðîñòè â íà÷àëå ïðîáåãà áëèçêî êíóëþ.  êîíöå ïðîáåãà îíî ðàâíîv êîí = −eλE,me hve iãäå λ äëèíà ñâîáîäíîãî ïðîáåãà, à hve i òåïëîâàÿ ñêîðîñòü ýëåêòðîíà, ïî ñðàâíåíèþ ñ êîòîðîé äðåéîâàÿ ñêîðîñòü îáû÷íî ìàëà. Ñðåäíååçíà÷åíèå äðåéîâîé ñêîðîñòè ðàâíî ïîýòîìó ïîëîâèíå vêîí :väð =eλE.2me hve i(5.19)Ñðåäíÿÿ òåïëîâàÿ ñêîðîñòü hve i îïðåäåëÿåòñÿ èç îáû÷íîé îðìóëû:r8kTehve i =(5.20).πmeÎáúåäèíÿÿ ýòè îðìóëû, íàéä¼ìv äð = −bE,(5.21)ãäå ïîäâèæíîñòü ýëåêòðîíîâ b ðàâíàeλ.b= p2 8me kTe /π(5.22)Ýëåêòðîïðîâîäíîñòü ïëàçìû σ îïðåäåëÿåòñÿ ñîâìåñòíûì äðåéîâûì äâèæåíèåì âñåõ ýëåêòðîíîâ, òàê ÷òîσ=ne eväðe2 λnej== neb = p.EE2 8me kTe /π(5.23)Ïîëó÷åííàÿ îðìóëà ïîêàçûâàåò, ÷òî ýëåêòðîïðîâîäíîñòü ïëàçìûïðîïîðöèîíàëüíà êîíöåíòðàöèè ýëåêòðîíîâ è óìåíüøàåòñÿ ñ ðîñòîìòåìïåðàòóðû ïëàçìû.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
