Савельев - Курс общей физики Том 2 - Электричество (934756), страница 51

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

Текст из файла (страница 51)

Автоэлектронная эмиссия была объяснена квантовой теорией. При наличии Сюлюж сильного поля препятствую- юле щий выходу электронов потенциальный барьер на поверхности металла выглядит так, как показано на рис. 188. Согласно квантовой механике имеется отличная от нуля вероятность того, что элементарная частица пройдет через потенциальный барьер даже в том случае, когда ее энергия меньше, чем высота барьера.

Частица как бы проходит через туннель в барьере, в связи с чем это явление называют туннельным эффектом. Вероятность туннельного эффекта растет с уменьшением ши. рины барьера. Поэтому автоэлектронная эмиссия наблюдается лишь в очень сильных полях. Фотоионизация. Электромагнитное излучение («свет») состоит из элементарных частиц — фотонов. Энергия фотона равна йт, где Ь- постоянная Планка, т — частота излучения. Фотон может быть поглощен молекулой (см.

сноску на стр. 306), причем его энергия идет на возбуждение или ионизацию. В этом случае ионизация молекулы называется фотон он и з а ц и ей. Непосредственную (прямую) фотоионизацию способно вызвать ультрафиолетовое излучение. Видимое излучение (обладающее меньшей частотой) может обусловить так называемую ступенчатую фотоионизацию. Энергия фотона видимого света недостаточна для отщепления электрона от молекулы. Однако ее хватает для того, чтобы 2! И.

В. Савельев. в и перевести молекулу в одно пз возбужденных состояний. Для ионизации молекулы, находящейся в возбужденном состоянии, требуется меньше энергии, чем для ионнзации молекулы в нормальном состоянии. Поэтому ионизация молекулы, возбужденной фотоном, может быть достигнута за счет ее соударения с другой молекулой. В газовом разряде возможно возникновение коротковолнового излучения, способного вызвать прямую фотоионнзацию, Достаточно быстрый электрон может прн ударе не только ионизировать молекулу, но и перевести образовавшийся ион в возбужденное состояние.

Переход иона в основное состояние сопровождается испусканием излучения меньшей длины волны (т. е. большей частоты), чем у излучения нейтральной молекулы. Энергия фотонов такого излучения достаточна для непосредственной фотоионизации. Кроме перечисленных процессов, в некоторых видах самостоятельного газового разряда играет большую роль явление термоэлектронной эмиссии, рассмотренное в $?5. Имеет место также фотоэлектронная ам песняя (или внешний фотоэ ф ф ект), заключающаяся в испускании электронов поверхностью металла илн полупроводника при освещении ее светом с достаточно малой длиной волны. Однако роли фотоэлектронной эмиссии в различных видах самостоятельного разряда мы касаться не будем.

8 88. Газоразрядная плазма При некоторых видах самостоятельного разряда степень ионизация газа бывает очень большой. Газ в сильно ионизированном состоянии при условии, что суммарный заряд электронов и ионов в каждом элементарном объеме равен (или почти равен) нулю, называется пл ази о й'). Плазма представляет собой особое состояние вещества. В таком состоянии находится вещество в недрах Солнца н других звезд, обладающих температурой в десятки миллионов градусов.

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 б переданной при упругом ударе энергии очень мала — она в среднем равна б = 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 оспозных 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.

Характеристики

Список файлов книги