yavor1 (553178), страница 99
Текст из файла (страница 99)
Существуют трубки с электромагнитным управлением, которые применяются, например, в телевизорах В этих трубках отсутствуют управляющие электроды, а на горловину трубки надеваются специальные катушки, по которым течет ток, величина и направление которого меняется. При изменении величины и направления вектора индукции магнитного поля соответственно меняется величина и направление силы Лоренца, отклоняющей электронный пучок. ГЛАВА 48 ТОК В ГАЗАХ З 48.1.
Ионизация и рекомбинация 1. Для того чтобы газ стал проводником, его необходимо ионизировать, т. е. превратить нейтральные молекулы (илп атомы) в ионы. Процесс ионизации заключается в том, что под действием некоторых лучей нз молекул вылетают электроны, и тем самым мо- 476 лекулы превращаются в положительные ионы Таким образом, электрический ток в газах — это встречный поток положительных ионов и свободных электронов Ионизация может происходить под действием коротковолнового излучения — ультрафиолетовых, рентгеновских и гамма-лучеи, а также альфа-, бета- и космических лучей Злектропроводность, возникающая под действием внешнего излучения, называется несамостоятельной проводимостью. 2 Обозначим через Л(, число молекул газа в исследуемом объеме )7.
Концентрация молекул и, =- Ж,!$' Часть молекул ионизирована. Обозначим число ионов одного знака через Ф, их концентрация и = ЛЧК. Отношение числа ионов к общему числу молекул называется доэффициентом ионизации, а =М/Ж, =-п7п, Обычно в газах при несамостоятельнои проводимости степень ионизации газа очень мала аж!0 м — 10 ы Число нейтральных (неионизированных) молекул Л' = Мо — Л( =- Жо (1 — и) = Л'ь, то же относится и к их концентрации и'жп,. 3 Пусть в объеме )' за счет действия каких-либо лучей возникло за время А( некоторое число ионов АЛ7 = — Р Й' АГ РЛ'ьб1= () Па ГА(, (48 !) где р — коэффициент ионизации, зависящий от энергии ионизатора Наряду с процессом ионизации идет обратный процесс рекомбинации ионов (иначе — молизации) Он заключается в том, что при столкновении положительного иона с электроном вновь образуется нейтральный атом или молекула.
Число частиц, рекомбинировавших в объеме Г за время М, пропорционально как числу положительных ионов, так и числу электронов. А так как число и тех, и других частиц равно Л', то вероятность рекомбинации пропорциональна М'. Кроме того, она пропорциональна времени Аг и обратно пропорциональна объему )' — в самом деле, чем ближе расположены друг к другу ионы разных знаков, тем вероятнее их рекомбинация Итак, ЬЛ),„=ТЛ7'М7У= упЧ ЛГ. (48 2) Здесь у — коэффициент рекомбинации, зависящий от природы газа, Через некоторое время после начала ионизации газа скорость рекомбинации А)Ур„!АГ сравнится со скоростью ионизация АЖ/М и в газе установится динамическое равновесие Зтому состоянию соответствует определенная концентрация ионов, которую можно найти, приравняв выражения (48!) и (48 2) п =='к(1 ь!р (48 3) 477 й 48.2.
Несамостоятельный разряд 1. Для исследования этого процесса рассмотрим явления в ионизапионной к мере, схема которой изображена на рис. 48.1. Корпус сосуда, наполненного газом, обычно служит катодом. Анод имеет форму стержня; он изолируется от корпуса хорошим изолятором из янтаря, фарфора или специальных пластмасс. Жесткое излучение, типа рентгеновских, гамма- или космических лучей, проникает через стенки камеры. Мягкое излучение, типа бета- или альфа-частиц, вводится через специальное окошко. 1 0 уу Рг Ю Рис.
48 2. Рис. 48.1. Подадим на электроды камеры значительную разность потенциалов — от нескольких сот до нескольких тысяч вольт, в зависимости от конструкции камеры. Меняя разность потенциалов и измеряя соответствующий ей ток, снимем вояьтамперную характеристику газового разряда (рис. 48.2). 2. Если не обращать внимания на скачок тока на участке 3 — 4, то участок характеристики 0 — 1 — 2 — 3 очень похож на вольтамперную характеристику диода. Участок 0 — 1 — 2 — 3 называется областью несамостоятельного разряда; область 3 — 4 характеризует переход к самостоятельному разряду. Как видно, в области слабых токов (участок 0 — 1) характеристика приближенно линейна, значит, здесь справедлив закон Ома. На участке 1 — 2 закон Ома нарушается и рост тока происходит медленнее, чем рост потенциала.
Наконец, на участке 2 — 3 ток не зависит от потенциала — это так называемый ток насыщения 1,. 3. Для того чтобы объяснить особенности разряда при разных значениях потенциала, вычислим силу тока в камере. Для простоты рассуждений положим, что электроды камеры изготовлены в виде плоских пластин, расположенных параллельно друг другу на небольшом расстоянии 4(. В этом случае поле между пластинами окажется однородным, а плотность тока во всех точках одинаковой. Так же, как и в электролитах, плотность тока выразится формулами (46.3) и (46.6): 1=ел(п, +п ) =еп(Ь, + Ь )Е, (48. 4) 478 где Ь.„— подвижность положительных ионов, Ь вЂ” подвижность электрояов, п =--ап, — концентрация ионов.
4. Анализируя механизм тока в электролитах, мы из формулы (46.3) получили закон Ома, поскольку там концентрация ионов не зависела от тока. Иначе обстоит дело в газах. Здесь с ростом тока уменьшается концентрация ионов и зависимость тока от разности потенциалов оказывается довольно сложной функцией. Рассмотрим, как изменится условие динамического равновесия между процессами ионизации и рекомбинации при наличии тока.
За счет тока нз объема между электродами за время М уносится определенное число ионов: Л У„„= (~/е =- ~ Л((е =- /5 А й~е. (48.5) Условие динамического равновесия при наличии тока выглядит так: ЛЬ( Лй(р + ЛА (48.6) Подставив значения всех слагаемых, получим ()п,)' = уп""У+ —, )8 е ' Учитывая, что е(= ИЗ вЂ” это расстояние между электродами, имеем окончательно рп, = уп'+-~. (48.7) Итак, концентрация ионов оказалась функцией плотности тока. Исключив из системы равенств (48.4) и (48.7) концентрацию ионов и, получим некоторую функцию, выражающую зависимость плотности тока от напряженности поля. График этой зависимости и является вольтамперной характеристикой (см.
рис. 48.2). 5. Рассмотрим два предельных случая, когда количество ионов, уносимых током, много меньше или много больше числа рекомбинирующих ионов. Итак, пусть сперва ЛУ,.„~( ЛЖ„,„. Тогда вторым слагаемым в правой части (48.6) можно пренебречь. Мы вновь вернемся к равенству (48.3). Следовательно, при слабых токах концентрация ионов от тока практически не зависит, вследствие чего плотность тока примерно пропорциональна напряженности поля. На характеристике этому соответствует почти линейный участок 0 — 1. Пусть теперь, наоборот, ток настолько велик, что практически все ионы уносятся током и рекомбинации не успевает произойти. Тогда ЛЖ„„))ЛФ„„„и в равенствах (48.6) и (48.7) можно пренебречь первым слагаемым в правой части.
Имеем рл. = (,~ей. (48.8) Мы видим, что плотность тока не зависит от поля. Это и есть ток насыи(ения. 479 6. Сила тока насыщения >, =- (',Я = 1)г>,е)'. (48.9) Как видно, она пропорциональна объему ионизационной камеры, концентрации молекул газа (инымн словами — давлению газа) и коэффициенту ионизации. Таким образом, с помощью ионнзационной камеры, работающей в режиме тока насыщения, можно сравнить ионизирующую способность разных видов излучения.
С этой целью ионизационные камеры широко применяются в ядерной физике (2 81.8). $48.8. Ударная ионизация 1. Как видно из графика рис. 48.2, при разности потенциалов превосходящей >рю ток в газе скачком возрастает, в то время как в большом интервале разностей потенциалов от ф, до >рз ток оставался неизменным. Анализ выражения для плотности тока (48.4) позволяет прийти к выводу, что внезапный и резкий скачок величины тока может возникнуть лишь по одной причине: при разности потенциалов, превосходящей гр„скачком воз(застаип> концентрация ионов.
Причиной такого резкого скачка является ударная ионина>(ил газа. Для того чтобы ионизировать атом или молекулу, требуется некоторая энергия >в',„„, величина которой зависит от химической природы газа. Для атомов водорода и кислорода кг„,„ = 13,6 эВ, для азота 14,5 эВ, для гелия 24,5 эВ, для атомов щелочных металлов — порядка 4 — 5 эВ. Если кинетическая энергия частицьп соударяющейся с атомом, превысит энергию ионизации, то при неуаругом ударе возможна ионизация молекулы. 2.
В газе кинетическая энергия К ионизирующей частицы возникает за счет работы А электрических сил, действующих на ион в электрическом поле: К=А =г'Л=еЕЛ, (48. 10) где Š— напряженность поля, Л вЂ” длина свободного пробега иона. Как положительные ионы, так и электроны движутся в поле с одииаковой напряженностью, но длина свободного пробега электрона оказывается много больше длины свободного пробега положительного иона. Следовательно, основную роль в ударной ионизации играют свободные электроны. 3.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
