Учебник - Электричество - Калашников С.Г. (1238776), страница 82
Текст из файла (страница 82)
Частично она излучается в виде света, и поэтому рекомбинация ионов сопровождается свечением (свечение рекомбинации). Если концентрация положительных и отрицательных ионов велика, то и число ежесекундно происходящих актов рекомбинации также будет большим, и свечение рекомбинации может быть очень сильным. Излучение света при рекомбинации является одной из причин свечения многих форм газового разряда. 1 1б7 ИОНИЗАЦИЯ ЭЛЕКТРОННЫМИ УДАРАМИ й 167. Ионизация электронными ударами В явлениях электрического разряда в газах большую роль играет ионизация атомов электронными ударами.
Этот процесс заключается в том, что движущийся электрон, обладающий достаточной кинетической энергией,при соударении снейтральным атомом выбивает из него один или несколько атомных электронов, в результате чего нейтральный атом превращается в положительный ион, а в газе появляются новые электроны. Схема типичного опыта для изучения ионизации электронными ударами показана на рис. 289 (опыты Джеймса Франка и Густава Герца).
Исследуемый гэз при давлении порядка 0,1- 0,01 мм рт. ст. вводится в стеклянную трубку, которая сначала откачивается до высокого вакуума (для удаления других газов). Трубка имеет накали- Кх ваемый катод К, сетку С и коллектор ионов Кл. На сетку подается положительный (отно- ч сительно катода) потел- Д1 Дг пиал, коюрый можно изменять при помощи делителя напряжения и измсрять вольт- метром г'. На коллек- рис. 289. Схема опытов Д. Франка и Г. Герца тор ионов накладывается отрицательный потенциал, на 0,8 — 1,0 В больший, чем потенциал катода. Эта небольшая разность потенциалов снимается с делителя напряжения Дг, положительный конец которого соединен с катодом. В подобных опытах катод обычно нагревают излучением вспомогательной спирали, помев1енпой внутрь катода.
Этим устраняется изменение потенциала вдоль катода, вызываемое током накала, н поэтому все точки такого катода имеют одни и тот же потенциал (катоды косвенного нагрева, или эквипотенпивльные катоды) . Расстояние катод — сетка в таких трубках делают значительно меньшим, чем расстояние сетка-коллектор„ и подбирают давление газа так,чтобы средняя длина свободного пробега электронов в газе была больше расстояния между сеткой и катодом. Поэтому электроны, испущенные катодом, движутся в пространстве катод-сетка практически без соударений, и если разность потенциалов (выраженная в вольтах), между сеткой и катодом равна 1у', то каждый электрон приобретает кинетическую 386 гл хи| РАЗРЯД|4 В ГЛЗАХ энергию (выраженную в электронвольтах) ти2/2 = е17.
(167.1) Электроны, ускоренные сеткой, испытывают затем соударения с атомами газа в пространстве между сеткой и коллектором Так как потенциал коллектора ниже, чем потенциал катода, то в отсутствие ионизации все электроны тормозятся, не долетая до коллектора, и поэтому ток через гальванометр равен нулю Если, однако, постепенно повышать разность потенциалов У между сеткой и катодом, то, когда энергия электронов сделается равной энергии ионизации, в пространстве сетка — коллектор появятся положительные ионы, Они будут двигаться к коллектору, и гальванометр обнаружит ток.
Поэтому, измеряя наименьший потенциал сетки Г(,при котором впервые появляется ток коллектора, можно найти энергию ионизации атомов исследуемого газа. В точных измерениях прнходнтся еще учитывать то обстоятельство, что если катод н сетка сделаны нз разных металлов, то между ними существует электрическое поле прн нулевом показании вольтметра Ч, а, следовательно, на отрезке катод-сетка уже имеется некоторая разность потенциалов ььнь Это — так называемая кокгпактнал разность патенциалащ возникающая всегда между двумя различными металлами (5 198) Поэтому более точное выражение для энергии электронов имеет внд ьпи /2 = е(7+ ебь ь (157 1а) Контактную разность потенциалов можно всегда определить на опыте н ввести соответствующую поправку к показаниям вольтметра Метод Франка и Герца не является единственным методом измерения энергии ионизации.
Она может быть определена также из исследования линейчатых спектров свечения разреженных газов и паров и притом с очень большой точностью. Значения энергии ионизапии, найденные по спектрам, хорошо совпадыот с ес значениями, определенными методом электронных ударов. В табл. 12 даны значения энергии ионизации некоторых атомов.
Таблица 12 Элемент Не Не Аг Нб (ььа К КЬ Энергия ноннзацнн, эВ 24,5 21,5 13,9 10,4 5,12 4,32 4,б8 9 168. Движение ионов в газах В 3 146, 147 мы видели, что вследствие соударений электронов с кристаллической решеткой металла появляется определенная сила трения, пропорциональная скорости, и поэтому скорость упорядоченного движения электронов и оказывается 387 1 1св ДВИЖЕНИЯ ИОНОВ В ГЛЗЛХ пропорциональной напряженности поля Е. Этот закон оказывается применимым и к газовым ионам, если они испытывают много соударений; поэтому можно считать, что Вл = 6~Е.
(168.1) Здесь 6~ — подвижность газовых ионов, аналогичная подвижности электронов в металлах Она равна средней скорости, приобретаемой ионами в поло с напряженностью, равной единице, и в системе единиц СИ выражается в мз/(В с). Индексы + и — обозначают, что подвижности положительных и отрицательных ионов различны, и поэтому скорость, приобретаемая ими в одном и том же поле, также неодинакова. Соотношение (168.1) справедливо в том случае, если число соударений достаточно велико, т.е. если средняя длина свободного пути 1 ионов газа значительно меньше расстояния д между электродами.
Обычно это условие выполняется, начиная с давлений газа в несколько десятых мм рт. ст, и выше. Если же | » д, то мы говорим, что ионы движутся в вакууме. В этом случае движение ионов будет происходить без сопротивления и ионы в электрическом поле будут двигаться с ускорением. Подвижность ионов данного типа тем больше, чем меньше сила трения, испьггываемая ими со стороны окружающих атомов газа. А сила трения тем меньше, чем меньше число соударений,которое в свою очередь пропорционально давлению газа.
Поэтому в очень широком интервале изменения давлений подвижность ионов обратно пропорциональна давлению газа, т.е. бр = сопв1. (168.2) Значения подвижностей некоторых ионов прн р = 700 мм рт. ст. и Т = 18 'С приведены в табл. 13. Таблииа 13 Однако движение ионов в газах более сложно, чем движение электронов в металлах В газовых разрядах часто наблюдается неравномерное распределение ионов между электродами, при котором градиент концентрации ионов дп/Нз не равен нулю, н поэтому возникает заметный поток диффузии ионов Заряд, переносимый положительными ионами вследствие диффузии через единицу поверхности в единицу времени 1плотность тока 388 гл хю РАЗРЯДЫ В ГАЗАХ диффузии), равен Йи, — аР+ —, 4х ' где Р+ — коэффициент диффузии ионов, д — заряд иона.
Ко- личество электричества, проходящее через ту же площадку за единицу времени вследствие упорядоченного движения ионов под действием поля (плотность тока дрейфа), есть оп+Ь+Е. Поэтому плотность тока ъ равна ьь — — йп+Ь+Š— дР+ — „'. (168.3) Аналогичное выражение получается и для плотности тока у вызванного движением отрицательных ионов Нужно только учесть, что вследствие отрицательного заряда ионов направление тока противоположно направлению потока диффузии, и поэтому =дп Ь Е+оР (168.3а) Полная плотность тока в иопизованном газе есть у' = у++у- (168.4) Концентрации гьь и и в ионизованном газе могут быть не равны друг другу.
Поэтому, в отличие от металлов, в газовых проводниках при наличии тока появляются объемные заряды, которые обусловливают сложное распределение электрического поля между электродами. Второе обстоятельство, сильно отличающее газовые проводники от металлов, заключается в следующем В металлах концентрация электронов есть величина постоянная, не зависящая от напряженности поля и плотности тока и определяемая только природой данного металла.
В ионизованном же газе носители заряда (ионы и электроны) могут возникать в процессе разряда, например в результате ионизации электронными ударами. Поэтому концентрации ионов пч. и и могут зависеть от напряженности поля. Указанные причины приводят к тому, что газовые проводники, как правило, не подчиняются закону Ома. 8 169.
Несамостоятельные и самостоятельные разряды Рассмотрим цепь, содержащую источник напряжения, Газовый промежуток и переменное сопротивление г, которое можно изменять в широких пределах (рис. 290). Цепь содержит также токоизмерительный прибор А и вольтметр Ъ'. Предположим сначала, что на газовый промежуток воздействует какой-либо ио- 1 1бэ несамОстОятельные и сАМООТОятельные РАзРяды 389 низатор, например ультрафиолетовые лучи, падающие на отрицательный электрод и освобождающие из него фотоэлектроны. От этого газ приобретет некоторую электропроводность и в цепи появится ток. Если плавно уменьшать сопротивление г в цепи газового промежутка, то сила тока будет сначала увеличиваться, что связано с увеличе- А вием напряжения между электродами и объясняется уменьшением пространственного заряда между ними.
При „ч дальнейшем уменьшении сопротивления напряжение на электродах достигнет такого значения, при котором все образующиеся ионы доходят до положительного электрода, и мы получим ток насыщения г„сила которого зависит только от интенсивности ионизатора (рис.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
