Электричество и магнетизм (1188650), страница 41
Текст из файла (страница 41)
Ïðè ýòîì îáà çîíäà èìåþòîòíîñèòåëüíî ïëàçìû áëèçêèé ê ïëàâàþùåìó îòðèöàòåëüíûé ïîòåíöèàë, ò. å. íàõîäÿòñÿ íà èîííîé âåòâè âîëüò-àìïåðíîé õàðàêòåðèñòèêè.Ïðè îòñóòñòâèè ðàçíîñòè ïîòåíöèàëîâ òîê ìåæäó çîíäàìè ðàâåí íóëþ. àññ÷èòàåì âåëè÷èíó òîêà, ïðîõîäÿùåãî ÷åðåç äâîéíîé çîíä âáëèçè òî÷êè I = 0. Ïðè íåáîëüøèõ ðàçíîñòÿõ ïîòåíöèàëîâ èîííûå òîêèíà îáà çîíäà ðàâíû èîííîìó òîêó íàñûùåíèÿ è êîìïåíñèðóþò äðóãäðóãà. Âåëè÷èíà ðåçóëüòèðóþùåãî òîêà öåëèêîì ñâÿçàíà ñ ðàçëè÷èåìâ ýëåêòðîííûõ òîêàõ. Ïóñòü ïîòåíöèàë íà ïåðâîì çîíäå ðàâåíU1 = −Uf + ∆U1 ,(5.32)U2 = −Uf + ∆U2 .(5.33)à íà âòîðîìÏî ïðåäïîëîæåíèþ ∆U1 è ∆U2 ìåíüøå Uf .
Íàïðÿæåíèå U ìåæäóçîíäàìè ðàâíîU = U2 − U1 = ∆U2 − ∆U1 .(5.34)Íàéä¼ì òîê, ïðèõîäÿùèé íà ïåðâûé ýëåêòðîä:1e(−Uf + ∆U1 )I1 = Iií + Ie1 = Iií − neS hve i · exp=4kTeeUfe∆U11exp.neS hve i exp −= Iií −4kTekTeÇàìåòèì òåïåðü, ÷òî ïðè ∆U1 = 0 (ïðè U1 = Uf ) ýëåêòðîííûé è èîííûé òîê êîìïåíñèðóþò äðóã äðóãà.
Ýòî îçíà÷àåò, ÷òî çàêëþ÷¼ííûé âèãóðíûå ñêîáêè ìíîæèòåëü ðàâåí Iií . Èìååì ïîýòîìóe∆U1.I1 = Iií 1 − exp(5.35)kTe224Àíàëîãè÷íîàçîâûé ðàçðÿä. ÏëàçìàI2 = Iií 1 − expe∆U2kTe.(5.36)Çàìåòèì òàêæå, ÷òî çîíäû 1 è 2 ñîåäèíåíû ïîñëåäîâàòåëüíî è ÷åðåçíèõ ïðîõîäèò îäèí è òîò æå òîê I , íî â ðàçíîì íàïðàâëåíèè. ÏîëîæèìI1 = −I2 = I.(5.37)Âûðàçèì ∆U1 è ∆U2 èç (5.35) è (5.36) è çàìåíèì âõîäÿùèå â ýòèâûðàæåíèÿ I1 è I2 ÷åðåç I ñ ïîìîùüþ (5.37):kTeI,∆U1 =ln 1 −eIií(5.38)kTeI.∆U2 =ln 1 +eIií(5.39)kTe 1 − I/Iií.lne1 + I/Iií(5.40)àçðåøàÿ ýòî ðàâåíñòâî îòíîñèòåëüíî I , íàéä¼ìI = Iií theU.2kTe(5.41)Ýòà îðìóëà ìîæåò ñëóæèòü äëÿ îïðåäåëåíèÿ òåìïåðàòóðû ýëåêòðîíîâ ïî îðìå âîëüò-àìïåðíîé õàðàêòåðèñòèêè äâîéíîãî çîíäà.Íàáëþäàåìàÿ íà îïûòå çàâèñèìîñòü òîêà îò íàïðÿæåíèÿ èçîáðàæåíà íà ðèñ.
5.12. Ýòà êðèâàÿ îòëè÷àåòñÿ îò (5.41) íàêëîíîì àñèìïòîò âîáëàñòè áîëüøèõ |U |. Ýòîò íàêëîí óæå îáñóæäàëñÿ â êîíöå ïóíêòà 7.Íàêëîí àñèìïòîò â ïåðâîì ïðèáëèæåíèè ÿâëÿåòñÿ ëèíåéíûì. Ïîýòîìóâìåñòî (5.41) ëó÷øå ïèñàòüI = Iií theU+ AU,2kTe225PSfragreplaementsðàèêè òèïà ðèñ.5.12 ïðîùåâñåIãî îáðàáàòûâàòü ñëåäóþùèì îáðàçîì.IiíÑíà÷àëà íàõîäèòñÿ Iií èç ïåðåñå÷åíèÿU0àñèìïòîò ñ îñüþ U = 0. Çàòåì, ïîíàêëîíó àñèìïòîò, íàõîäèòñÿ âåëè÷è−Iiííà A. Ïîñëå ýòîãî èç (5.42) íåòðóäíîîïðåäåëèòü Te . Äèåðåíöèðóÿ ýòó èñ.
5.12. Âîëüò-àìïåðíàÿ õàðàêòåîðìóëó ïî U â òî÷êå U = 0 è ïðèíèðèñòèêà äâîéíîãî çîíäàìàÿ âî âíèìàíèå, ÷òî ïðè ìàëûõ àðãóìåíòàõ th α ≈ α, à ïðè ìàëûõ íàêëîíàõ êðèâîé íàñûùåíèÿ A → 0,íàéä¼ì1 eIií.kTe = dI (5.43)2 dU U=0Êîíöåíòðàöèþ ïëàçìû n ìîæíî íàéòè èç îðìóëû (5.31). Êàê ýòîóæå ÿñíî èç ñêàçàííîãî, äâîéíûå çîíäû óäîáíî ïðèìåíÿòü äëÿ èçìåðåíèÿ ýëåêòðîííîé òåìïåðàòóðû è êîíöåíòðàöèè ýëåêòðîíîâ â ïëàçìå.Êîíòðîëüíûå âîïðîñûÂû÷èòàÿ âòîðîå ðàâåíñòâî èç ïåðâîãî, íàéä¼ìU = ∆U1 − ∆U2 =àçäåë V(5.42)ãäå A íåêîòîðàÿ êîíñòàíòà, âåëè÷èíà êîòîðîé ìîæåò áûòü íàéäåíàèç îïûòà.1.
Ïðè êàêèõ óñëîâèÿõ âîçíèêàåò ãàçîâûé ðàçðÿä? Îò êàêèõ ïàðàìåòðîâ ãàçàçàâèñèò ïîòåíöèàë çàæèãàíèÿ ãàçîâîãî ðàçðÿäà?2. Ïîëüçóÿñü êðèâîé Ïàøåíà (ðèñ. 5.5), îïðåäåëèòå íàïðÿæ¼ííîñòü ýëåêòðè÷åñêîãî ïîëÿ, ïðè êîòîðîì ïðîèñõîäèò ïðîáîé âîçäóõà ïðè àòìîñåðíîì äàâëåíèè.3. ×òî òàêîå äåáàåâñêèé ðàäèóñ ýêðàíèðîâàíèÿ?4. Äàéòå îïðåäåëåíèå ïîíÿòèÿ ïëàçìà.5. Ïî÷åìó ïîòåíöèàë çîíäà, ïîãðóæ¼ííîãî â ïëàçìó è îòêëþ÷¼ííîãî îò èñòî÷íèêà ïèòàíèÿ, îêàçûâàåòñÿ îòëè÷íûì îò ïîòåíöèàëà îêðóæàþùåé ïëàçìû?6.
×åì îïðåäåëÿåòñÿ âåëè÷èíà çîíäîâîãî òîêà íàñûùåíèÿ?7. ×åì îïðåäåëÿåòñÿ òåìïåðàòóðà ýëåêòðîíîâ è èîíîâ â ïëàçìå?ÑÏÈÑÎÊ ËÈÒÅÀÒÓÛ1. Ñèâóõèí Ä.Â. Îáùèé êóðñ èçèêè. Ò. III. Ýëåêòðè÷åñòâî. Ì.: Íàóêà,1983. ë. IX.2. Àðöèìîâè÷ Ë.À. ×òî êàæäûé èçèê äîëæåí çíàòü î ïëàçìå. Ì.: Àòîìèçäàò, 1976.3. àéçåð Þ.Ï. Ôèçèêà ãàçîâîãî ðàçðÿäà: Ó÷åáíîå ïîñîáèå. Ì.: Íàóêà, 1987.4. Êèíãñåï À.Ñ. Ýëåìåíòû èçèêè ïëàçìû: Ó÷åáíî-ìåòîäè÷åñêîå ïîñîáèå. Ì.: ÌÔÒÈ, 1985.5.∗ Ôèçèêà è òåõíîëîãèÿ èñòî÷íèêîâ èîíîâ / Ïîä ðåä.
ß. Áðàóíà; ïåð. ñ àíãë.ïîä ðåä. Å.Ñ. Ìàøêîâîé. Ì.: Ìèð, 1998.226àçîâûé ðàçðÿä. Ïëàçìààáîòà 3.5.1Èçó÷åíèå ïëàçìû ãàçîâîãî ðàçðÿäà â íåîíåÖåëü ðàáîòû: èçó÷åíèå âîëüò-àìïåðíîé õàðàêòåðèñòèêè òëåþùåãîðàçðÿäà; èçó÷åíèå ñâîéñòâ ïëàçìû ìåòîäîì çîíäîâûõ õàðàêòåðèñòèê. ðàáîòå èñïîëüçóþòñÿ: ñòåêëÿííàÿ ãàçîðàçðÿäíàÿ òðóáêà, íàïîëíåííàÿ èçîòîïîì íåîíà, âûñîêîâîëüòíûé èñòî÷íèê ïèòàíèÿ, èñòî÷íèêïèòàíèÿ ïîñòîÿííîãî òîêà, äåëèòåëü íàïðÿæåíèÿ, ðåçèñòîð, ïîòåíöèîìåòð, àìïåðìåòðû, âîëüòìåòðû, ïåðåêëþ÷àòåëè.Ýêñïåðèìåíòàëüíàÿ óñòàíîâêà. Ñõåìà óñòàíîâêè äëÿ èññëåäîâàíèÿïëàçìû ãàçîâîãî ðàçðÿäà â íåîíå ïðåäñòàâëåíà íà ðèñ. 1.
Ñòåêëÿííàÿãàçîðàçðÿäíàÿ òðóáêà èìååò õîëîäíûé (íåíàêàëèâàåìûé) ïîëûé êàòîä,òðè àíîäà è ãåòòåðíûé óçåë ñòåêëÿííûé áàëëîí, íà âíóòðåííþþ ïîâåðõíîñòü êîòîðîãî íàïûëåíà ãàçîïîãëîùàþùàÿ ïë¼íêà (ãåòòåð). Òðóáêà íàïîëíåíà èçîòîïîì íåîíà 22 Ne ïðè äàâëåíèè 2 ìì ðò. ñò. Êàòîä èîäèí èç àíîäîâ (I èëè II) ñ ïîìîùüþ ïåðåêëþ÷àòåëÿ Ï1 ïîäêëþ÷àþòñÿ ÷åðåç áàëëàñòíûé ðåçèñòîð Rá (≃ 450 êÎì) ê ðåãóëèðóåìîìó âûñîêîâîëüòíîìó èñòî÷íèêó ïèòàíèÿ (ÂÈÏ) ñ âûõîäíûì íàïðÿæåíèåì äî3 êÂ.0-3 ê ÂÈÏ− ∅∅ +RáR1R21ÊàòîäÀíîä-IAåòòåðíûéóçåëÀíîä-IIIÈñòî÷íèê ïèòàíèÿV1Ï1∅ ∅∅RÇîíäû∅∅∅∅∅∅Àíîä-IIA2Ï20-30 Â−∅ ∅+6V2èñ. 1.
Ñõåìà óñòàíîâêè äëÿ èññëåäîâàíèÿ ãàçîâîãî ðàçðÿäàÏðè ïîäêëþ÷åíèè ê ÂÈÏ àíîäà-I ìåæäó íèì è êàòîäîì âîçíèêàåòãàçîâûé ðàçðÿä. Òîê ðàçðÿäà èçìåðÿåòñÿ ìèëëèàìïåðìåòðîì A1 , à ïàäåíèå íàïðÿæåíèÿ íà ðàçðÿäíîé òðóáêå öèðîâûì âîëüòìåòðîì V1àáîòà 3.5.1227(Â7-38), ïîäêëþ÷¼ííûì ê òðóáêå ÷åðåç âûñîêîîìíûé (25 ÌÎì) äåëèòåëü íàïðÿæåíèÿ ñ êîýèöèåíòîì (R1 + R2 )/R2 = 10.Ïðè ïîäêëþ÷åíèè ê ÂÈÏ àíîäà-II ðàçðÿä âîçíèêàåò â ïðîòðàíñòâåìåæäó êàòîäîì è àíîäîì-II, ãäå íàõîäèòñÿ äâîéíîé çîíä, èñïîëüçóåìûéäëÿ äèàãíîñòèêè ïëàçìû ïîëîæèòåëüíîãî ñòîëáà.
Çîíäû èçãîòîâëåíûèç ìîëèáäåíîâîé ïðîâîëîêè äèàìåòðîì d = 0,2 ìì è èìåþò äëèíó l == 5,2 ìì. Îíè ïîäêëþ÷åíû ê èñòî÷íèêó ïèòàíèÿ (030 Â) ÷åðåç ïîòåíöèîìåòð R. Ïåðåêëþ÷àòåëü Ï2 ïîçâîëÿåò èçìåíÿòü ïîëÿðíîñòü íàïðÿæåíèÿ íà çîíäàõ. Âåëè÷èíà íàïðÿæåíèÿ íà çîíäàõ èçìåíÿåòñÿ ñ ïîìîùüþ äèñêðåòíîãî ïåðåêëþ÷àòåëÿ ¾V ¿ âûõîäíîãî íàïðÿæåíèÿ èñòî÷íèêà ïèòàíèÿ è ïîòåíöèîìåòðà R, à èçìåðÿåòñÿ âîëüòìåòðîì V2 . Äëÿèçìåðåíèÿ çîíäîâîãî òîêà èñïîëüçóåòñÿ ìèêðîàìïåðìåòð A2 .Àíîä-III â íàøåé ðàáîòå íå èñïîëüçóåòñÿ.ÇÀÄÀÍÈÅ ðàáîòå ïðåäëàãàåòñÿ ñíÿòü âîëüò-àìïåðíóþ õàðàêòåðèñòèêó òëåþùåãî ðàçðÿäà è çîíäîâûå õàðàêòåðèñòèêè ïðè ðàçíûõ òîêàõ ðàçðÿäàè ïî ðåçóëüòàòàì èçìåðåíèé ðàññ÷èòàòü êîíöåíòðàöèþ è òåìïåðàòóðóýëåêòðîíîâ â ïëàçìå, ñòåïåíü èîíèçàöèè, ïëàçìåííóþ ÷àñòîòó è äåáàåâñêèé ðàäèóñ ýêðàíèðîâàíèÿ.1.
Ñíèìèòå âîëüò-àìïåðíóþ õàðàêòåðèñòèêó ðàçðÿäà. Äëÿ ýòîãî: óñòàíîâèòå ïåðåêëþ÷àòåëü Ï1 â ïîëîæåíèå ¾Àíîä-I¿; ðó÷êó ðåãóëèðîâêèâûõîäíîãî íàïðÿæåíèÿ ÂÈÏ íà ìèíèìóì; âêëþ÷èòå ÂÈÏ â ñåòü.Ïëàâíî óâåëè÷èâàÿ âûõîäíîå íàïðÿæåíèå ÂÈÏ, îïðåäåëèòå íàïðÿæåíèå çàæèãàíèÿ ðàçðÿäà, çàòåì ñíèìèòå çàâèñèìîñòü íàïðÿæåíèÿ U1 íàðàçðÿäíîé òðóáêå îò ïðîòåêàþùåãî ÷åðåç íå¼ òîêà Ið . Òîê ðàçðÿäà èçìåíÿéòå â äèàïàçîíå 0,55 ìÀ.2. Ñíèìèòå çîíäîâûå õàðàêòåðèñòèêè. Äëÿ ýòîãî óìåíüøèòå íàïðÿæåíèå ÂÈÏ äî íóëÿ, ïåðåâåäèòå ïåðåêëþ÷àòåëü Ï1 â ïîëîæåíèå ¾Àíîä-II¿è ïëàâíî óâåëè÷èâàéòå íàïðÿæåíèå ÂÈÏ äî âîçíèêíîâåíèÿ ðàçðÿäà.Óñòàíîâèòå ðàçðÿäíûé òîê Ið = 1 ìÀ. Âêëþ÷èòå èñòî÷íèê ïèòàíèÿ ïîñòîÿííîãî òîêà Á5-47 è ñíèìèòå âîëüò-àìïåðíóþ õàðàêòåðèñòèêó äâîéíîãî çîíäà I = f (U ). Ïîâòîðèòå èçìåðåíèÿ ïðè äðóãîé ïîëÿðíîñòè (ïåðåêëþ÷àòåëü Ï2 ).Ïîâòîðèòå èçìåðåíèÿ çîíäîâûõ õàðàêòåðèñòèê ïðè òîêàõ ðàçðÿäà,ðàâíûõ 2, 3, 4 è 5 ìÀ.Îáðàáîòêà ðåçóëüòàòîâ1.
Ïîñòðîéòå âîëüò-àìïåðíóþ õàðàêòåðèñòèêó ðàçðÿäà U1 = f (Ið ).2. Ïîñòðîéòå ñåìåéñòâî çîíäîâûõ õàðàêòåðèñòèê I = f (U ) íà îäíîìëèñòå.228àçîâûé ðàçðÿä. Ïëàçìà3. Ïî çîíäîâûì õàðàêòåðèñòèêàì îïðåäåëèòå òåìïåðàòóðó Te ýëåêòðîíîâ ïî îðìóëå (5.43): òîê Iií íàéäèòå èç ïåðåñå÷åíèÿ àñèìïòîòû êòîêó íàñûùåíèÿ ñ îñüþ U = 0 (ñì. ðèñ. 5.12); (dI/dU )|u=0 íàêëîíõàðàêòåðèñòèêè I = f (U ) â òî÷êå U = 0, I = 0; âçÿâ ∆U â âîëüòàõ èïðèíÿâ çàðÿä ýëåêòðîíà e = 1, ðàññ÷èòàéòå ýíåðãèþ (¾òåìïåðàòóðó¿)ýëåêòðîíîâ (kTe ) â ýëåêòðîí-âîëüòàõ.4. Ïîëàãàÿ êîíöåíòðàöèþ ýëåêòðîíîâ ne ðàâíîé êîíöåíòðàöèè èîíîâ ni ,îïðåäåëèòå å¼ èç îðìóëû (5.31):r2kTeIií = 0,4ne eS.miÇäåñü S = π·d·l ïëîùàäü ïîâåðõíîñòè çîíäà; çíà÷åíèÿ d è l ïðèâåäåíûâ îïèñàíèè ýêñïåðèìåíòàëüíîé óñòàíîâêè; mi = 22·1,66·10−24 ã ìàññàèîíà íåîíà.5. Ïîñòðîéòå ãðàèêè Te = f (Ip ), ne = f (Ip ).6.
àññ÷èòàéòå ïëàçìåííóþ ÷àñòîòó êîëåáàíèé ýëåêòðîíîâ ïî îðìóëå(5.16):sωp =ne e 2.ε 0 me7. àññ÷èòàéòå äåáàåâñêèé ðàäèóñ rD ïî îðìóëå (5.18), êîòîðàÿ â ñëó÷àå Te ≫ Ti ïðèíèìàåò â ñèñòåìå ÑÈ âèärε0 kTi,rD =ne2ïîëàãàÿ òåìïåðàòóðó èîíîâ ðàâíîé êîìíàòíîé: Ti ≃ 300 K.8.
Îöåíèòå ñðåäíåå ÷èñëî èîíîâ â äåáàåâñêîé ñåðå ïî îðìóëå (5.12).9. Îöåíèòå ñòåïåíü èîíèçàöèè ïëàçìû α (äîëþ èîíèçîâàííûõ àòîìîâ).àáîòà 3.5.2229àáîòà 3.5.2Èíäóêöèîííûé ãàçîâûé ðàçðÿäÖåëü ðàáîòû: èçó÷åíèå ñâîéñòâ ïëàçìû ìåòîäîì çîíäîâûõ õàðàêòåðèñòèê. ðàáîòå èñïîëüçóþòñÿ: ãàçîðàçðÿäíàÿ òðóáêà ñ âûñîêî÷àñòîòíûì(Â×)-ãåíåðàòîðîì, èñòî÷íèê ïîñòîÿííîãî òîêà, ãåíåðàòîð çâóêîâîé÷àñòîòû (Ç), îñöèëëîãðà, îðâàêóóìíûé íàñîñ, âàêóóììåòð, íàòåêàòåëü, âàêóóìíûé êðàí.àçîðàçðÿäíóþ ïëàçìó ìîæíî ïîëó÷èòü, èñïîëüçóÿ ýëåêòðè÷åñêèåðàçðÿäû â ïåðåìåííûõ âûñîêî÷àñòîòíûõ (Â×) ïîëÿõ. Ñóùåñòâóþò ðàçëè÷íûå ñïîñîáû ââåäåíèÿ Â×-ïîëÿ â ðàçðÿäíûé îáú¼ì.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
