saveliev2 (797914), страница 51

Просмтор этого файла доступен только зарегистрированным пользователям. Но у нас супер быстрая регистрация: достаточно только электронной почты!

Текст из файла (страница 51)

Плазма, возникшая вслед- ') Плазму определяют как сильно нонизнрованную квазинейтральную (т. е. почти нейтральную) среду, в которой хаотическое движение частиц преобладает над нх направленным перемещением под действием внешнего электрического поля, ствие высокой температуры вещества, называется в ы с окотемпературной (или изотермической). Плазма, возникающая при газовом разряде, называется г а з о р а з р я д н о й. Для того чтобы плазма находилась в стационарном состоянии, необходимо наличие процессов, восполняющих убыль ионов а результате рекомбинации.

В высокотемпературной плазме это осуществляется за счет тер мической ионизации, в газоразрядной плазме — за счет ударной ионизации электронами, ускоренными электрическим полем. Особую разновидность плазмы представляет собой ионосфера (один из слоев атмосферы). Высокая степень ионизации молекул (-.1та) поддерживается в этом случае за счет фотоионизации, обусловленной коротковолновым излучением Солнца. Электроны в газоразрядной плазме принимают учат стие в двух движениях — в хаотическом движении с не.

которой средней скоростью р и в упорядоченном движе~ нии в направлении, противоположном Е, со средней скоро. стью й (гораздо меньшей, чем р). Условия в плазме таковы, я что электрическое поленетоль- 1 1 ко обусловливает упорядочен- 1 ное движение электронов, но и -зс увеличивает скорость 8 их хаотического движения.

Пусть в момент включения Рис. 1Зэ. поля в газе имеется некоторое число электронов, средняя скорость которых соотк гми' 3 ветствует температуре газа Т,1 — — ИТ„~. За время между двумя последовательными соударениямн с молекулами газа электрон проходит в среднем путь К (рис. 189", траектория электрона слегка искривлена под действием силы — еЕ). При этом поле совершает над ним работу А = еЕ1р (88.1) где 1г — проекция перемещения электрона на направление силы. Вследствие соударений с молекулами направление движения электрона все время изменяется случайным образом. Поэтому работа (88Л) для отдельных участков траектории имеет разную величину н разный знак. На одних участках поле увеличивает энергию электрона, на других — уменьшает.

Если бы упорядоченное движение электронов отсутствовало, среднее значение )ь а следовательно и работы (88А) было равно нулю. Однако наличие упорядоченного движения приводит к тому, что среднее значение работы А отлично от нуля и притом положительно. Оио равно А = еЕйт = еЕй —, л где т — средняя продолжительность свободного пробега электрона (й«п). Следовательно, поле в среднем увеличивает энергию электрона. Правда, электрон, столкнувшись с молекулой, )гередает ей часть своей энергии. Но, как мы-выясннли в предыдущем параграфе, доля Ь переданной при упругом ударе энергии очень мала — она в среднем равна Ь = 2лг/М, где лг — масса электрона, а М вЂ” масса молекулы ').

В разреженном газе (Х обратно пропорциональна давлению) и при достаточно большой напряженности тоэ поля Е работа (88.2) может превосходить энергию Ь— передаваемую в среднем молекуле при каждом столкновении. Поэтому энергия хаотического движения электрона будет расти. В конце концов она достигнет значечения, достаточного для того, чтобы возбудить или иони'зировать молекулу. Начиная с этого момента часть соударений перестает быть упругой и сопровождается большой потерей энергии. Поэтому средняя доля передаваемой энергии Ь увеличивается. 'Таким образом, энсргию, необходимую для ионизация, электроны приобретают не за один свободный пробег, а постепенно накапливают ее на протяжении ряда пробегов.

Ионизация приводит к возникновению большого количества электронов и положительных ионов— появляется плазма. ') согласно формуле (87.1) при центральном ударе б = 4лггм. В случае, когда электрон н молекула лишь слегка «задевают» друг друга, б = О, Энергия электронов плазмы определяется условием, что средняя величина работы, совершаемой полем над электроном за один свободный пробег, равна средней величине энергии, отдаваемой электроном при соударении с молекулой: А то' еЕй==б— б 2 (в этом соотношении б есть сложная функция скорости р).

Опыт показывает, что для электронов в газоразрядной плазме имеет место максвелловское распределение по скоростям. Вследствие слабого взаимодействия электронов с молекулами (б при упругом ударе очень мало, а относительное количество неупругих соударений незначительно) средняя скорость хаотического движения элем- тронов оказывается во много раз больше скорости, соответствующей температуре газа Т,. Если ввести температуру электронов Т„определив ее из соотношения лгоэ 3 — = Тйт., то для Т, получается значение порядка нескольких десятков тысяч градусов.

Отличие Т, и Т, свидетельствует о том, что между электронами и молекулами в газоразрядной плазме нет термодинамического равновесия '). Концентрация носителей тока в плазме очень велика. Поэтому плазма обладает хорошей электропроводностью. Подвижность электронов, как уже отмечалось, примерно на три порядка больше, чем у ионов, вследствие чего ток в плазме создается в основном электронами, 5 89. Тлеющий разряд Самостоятельный разряд принимает разнообразные формы в зависимости от давления газа, конфигурации электродов и параметров внешней цепи.

Физические явления, которыми сопровождается разряд, очень сложны. Мы ограничимся кратким рассмотрением основных видов самостоятельного разряда, опуская ряд деталей. ') В высокотемпературной плазме средняя энергия молекул, элентронов и ионов одинакова. Этим объясняется ее другое название — изотермическая. Тлеющий разряд возникает при низких давлениях. Его можно наблюдать в стеклянной трубке длиной около О,б м, с впаянными у концов плоскими металлическими электродами (рис.

190). На электроды подается напряжение порядка 1000 в. Прн атмосферном давлении ток через трубку не течет. Если' понижать давление в трубке, то примерно при 40 льн рт. ст. возникает разряд в виде светящегося извилистого тонкого шнура, соединяющего /Гаюта у ~ д ! я' Ийдное вилюе аипенциапа Рис. 1ЗО. анод с катодом. По мере понижения давления шнур утолщается и приблизительно при 5 ми рт. ст. заполняет все сечение трубки — устанавливается тлеющий р а вряд. Его основные части показаны на рис. 190.

Вблизи катода располагается тонкий светящийся слой, называемый к атодной светя щейся пленкой 8. Между катодом и светящейся пленкой находится а стопово те иное про стр аист во 4. По другую сторону светящейся пленки помещается слабо светящийся слой, по контрасту кажущийся темным и называемый кру к со в ым те иным пространством 5. Этот слой переходит в светящуюся область, которую называют тлеющим свечением 2. Все перечисленные выше слои образуют катодную часть тлеющего разряда.

С тлеющим свечением граничит темный промежуток — ф а р а д е е в о т е м н о е п р о с т р а н с т в о б. Граница между ними размыта. Вся остальная часть трубки заполнена светящимся газом: ее называют положи- тель н ы и сто л б о м 1. При понижении давления катодная часть разряда и фарадеево темное пространство расширяются, а положительный столб укорачивается. При давлении порядка 1 мм рт. ст. положительный столб распадается на ряд чередующихся темных и светлых изогнутых слоев — с т р а т.

Измерения, проведенные с помощью зондов (тоненьких проволочек, впаянных в разных точках вдоль труб. ки), а также другими методами, показали, что потенциая изменяется вдоль трубки неравномерно (см. график на рнс. 190). Почти все падение потенциала приходигся нй первые три участка разряда по круксовр темное про» странство включительно (катодное падение по» тенци зла). В области тлеющего свечения потенциал не изменяется — здесь напряженность поля равна нулЮ.

Наконец, в фарадеевом темном пространстве и положи» тельном столбе потенциал медленно растет. Такое рас пределение потенциала вызвано образованием в области круксова темного пространства положительного пространственного заряда, обусловленного повышенной концентрацией положительных ионов. Основные процессы, необходимые для поддержания тлеющего разряда, происходят в его катодной части. Остальные части разряда не существенны, они могут даже отсутствовать (при малом расстоянии между алек» тродами или при низком давлении). Основных процессов два.

Это — вторичная электронная эмиссия из катода, обусловленная бомбардировкой его положительными ионами, и ударная ионизация электронами молекул газа. Положительные ионы, ускоренные катодным падением потенциала, бомбардируют катод и выбивают из него электроны. Вторичные электроны вылетают из катода с небольшой скоростью. В астоновом темном пространстве онн ускоряются электрическим полем. Приобретя достаточную энергию, электроны начинают возбуждать моле купы газа, в результате чего возникает катодная светя» щаяся пленка. Электроны, пролетевшие без столкнове ний в область круксова темного пространства, имеют большую энергию, вследствие чего они чаще ионизируют молекулы, чем возбуждают (см.

Характеристики

Список файлов книги