Физика для углубленного изучения 3. Строение и свойства вещества - Бутиков Е.И.
Скачать (прямая ссылка):
jS/e. Скорость убывания концентрации п(() таких частиц мы
получим, разделив это число на объем SI газа между электродами. Поэтому уравнение баланса вместо (1) при наличии тока запишется в виде ,
% = Q-a n>--L. (8)
Для установления режима, когда ^ = 0, из (8) получаем
q = an* + jj. (9)
§ 31. ЭЛЕКТРИЧЕСКИЙ ТОК В ГАЗАХ
259
Уравнение (9) позволяет найти зависимость плотности j установившегося тока при несамостоятельном разряде от приложенного напряжения U (или от напряженности поля Е).
Два предельных случая видны непосредственно.
Закон Ома. При низком напряжении, когда /—>О, в уравнении (9) можно пренебречь вторым слагаемым в правой части, после чего получаем п = Из формулы (7) при этом имеем
]=e^(be + Aj)E. (10)
Плотность тока j пропорциональна напряженности приложенного электрического поля. Таким образом, для несамостоятельного газового разряда в слабых электрических полях выполняется закон Ома.
Ток насыщения. При низкой концентрации п электронов и ионов в уравнении (9) можно пренебречь первым (квадратичным по п) слагаемым в правой части. В этом приближении вектор плотности тока направлен вдоль напряженности электрического поля, а его модуль
j = qel (11)
не зависит от приложенного напряжения. Этот результат справедлив для сильных электрических полей. В этом случае говорят о токе насыщения.
Оба рассмотренных предельных случая можно исследовать и не обращаясь к уравнению (9). Однако таким путем нельзя проследить, как при увеличении напряжения происходит переход от закона Ома к нелинейной зависимости тока от напряжения.
В первом предельном случае, когда ток очень мал, основной механизм удаления электронов и ионов из области разряда — это рекомбинация. Поэтому для стационарной концентрации п можно воспользоваться выражением (2), что при учете (7) немедленно дает формулу (10). Во втором предельном случае, наоборот, пре-небрегается рекомбинацией. В сильном электрическом поле электроны и ионы не успевают сколько-нибудь заметно рекомбинировать за время пролета от одного электрода до другого, если концентрация их достаточно мала. Тогда все образуемые внешним источником электроны и ионы достигают электродов и полная плотность тока равна qel. Она пропорциональна длине / ионизационной камеры, поскольку полное число производимых ионизатором электронов и ионов пропорционально /.
Экспериментальное изучение газового разряда. Выводы теории несамостоятельного газового разряда подтверждаются экспериментами. Для исследования разряда в газе удобно использовать стеклянную трубку с двумя металлическими электродами. Электрическая схема такой установки показана на рис. 102. Подвижности электро-
260
VI. АТОМЫ И ИЗЛУЧЕНИЕ
нов и ионов сильно зависят от давления газа (обратно пропорционально давлению), поэтому опыты удобно проводить при пониженном давлении.
На рис. 103 представлена зависимость силы тока I в трубке от приложенного к электродам трубки напряжения U. Ионизацию в трубке можно создать, например, рентгеновскими или ультрафиолетовыми лучами либо с помощью слабого радиоактивного препарата. Существенно только, чтобы внешний источник ионов оста-
?h
Рис. 102. Схема установки для изучения газового разряда
Рис. 103. Экспериментальная вольт-ам-перная характеристика газового разряда
вался неизменным (q = const). Линейный участок О А вольт-ампер-ной характеристики соответствует области применимости закона Ома. На участке АВ сила тока нелинейно зависит от напряжения. Начиная с точки В ток достигает насыщения /5 и остается постоянным на некотором участке ВС. Все это соответствует теоретическим предсказаниям.
Самостоятельный разряд. Однако в точке С снова начинается возрастание тока, сначала медленное, а затем очень резкое. Это означает, что в газе появился новый, внутренний источник ионов. Если теперь убрать внешний источник, то разряд в газе не прекращается, т. е. из несамостоятельного разряд переходит в самостоятельный. При самостоятельном разряде образование новых электронов и ионов происходит в результате внутренних процессов в самом газе.
Ионизация электронным ударом. Нарастание тока при переходе от несамостоятельного разряда к самостоятельному происходит лавинообразно и называется электрическим пробоем газа. Напряжение, при котором происходит пробой, называется напряжением зажигания. Оно зависит от рода газа и от произведения давления газа р на расстояние I между электродами.
Процессы в газе, ответственные за лавинообразное нарастание силы тока при увеличении приложенного напряжения, связаны с ионизацией нейтральных атомов или молекул газа свободными электронами, разогнанными электрическим полем до достаточно
s 31. ЭЛЕКТРИЧЕСКИЙ ТОК В ГАЗАХ
261
больших энергий. Кинетическая энергия электрона перед очередным столкновением с нейтральным атомом или молекулой пропорциональна напряженности электрического поля Е и длине свободного пробега электрона к:
