Здавалка
Главная | Обратная связь

Теоретическое введение.



Газы в естественном состоянии состоят из электрически нейтральных атомов и молекул, т.е. не содержат свободных зарядов и поэтому не проводят электрический ток. Проводить они могут только в том случае если часть молекул ионизируется - расщепляется на положительные и отрицательные ионы. Обычно происходит расщепление на одновалентный положительно заряженный ион и электрон. Ионизация может происходить под влиянием различных воздействий на газ: сильного нагрева, рентгеновский лучей, радиоактивных излучений, космических лучей, бомбардировки молекул газа быстро движущимися ионами и электронами (так называемая ударная ионизация) и т.д.

Если газ, находящийся под действием внешнего ионизатора, заключен в колбу с впаянными в неё электродами, то при подаче на электроды напряжения по трубке потечет ток. Процесс протекания тока через газ называется газовым разрядом. Если электропроводность газа создается за счет внешнего ионизатора, то электрический ток, возникающий в нем, называется несамостоятельным разрядом. С прекращением действия внешнего ионизатора такой разряд прекращается. Электрический разряд в газе, сохраняющийся после действия внешнего ионизатора, называется самостоятельным газовым разрядом. Для его осуществления необходимо, чтобы в результате самого разряда в газе непрерывно образовывались свободные заряды. Зависимость тока от приложенного напряжения называется вольт-амперной характеристикой. Она изображена на рис.3.

 

Если к электродам приложить напряжение, то ионы и электроны под действием сил со стороны электрического поля будут двигаться к противоположным электродам. При малых напряжениях (участок 1) концентрация зарядов остается постоянной, т.к. интенсивность ионизации будет постоянной, а электродов будет достигать лишь незначительное число заряженных частиц.

С увеличение разности потенциалов (участок 2) линейная зависимость нарушается. Это связано с тем, что под действием поля значительная часть ионов и электронов достигает электродов. Это приводит к уменьшению концентрации зарядов и нарушению пропорциональности между током и напряжением. Начиная с некоторого значения напряжения (участок 3), ток остается неизменным с увеличением напряжения. Это объясняется тем, что все заряды, возникшие в газе под действием внешнего ионизатора, достигают электродов. Если в объеме трубки V в единицу времени образуется пар свободных зарядов и все они приходят на электроды, то ток в трубке будет

(6.1.1)

где Iн - ток насыщения - максимально возможный ток при данной интенсивности ионизации. Газовый разряд, происходящий при напряжениях, соответствующих областям 1, 2, 3 является несамостоятельным газовым разрядом.

При дальнейшем увеличении напряжения (участок 4) происходит резкое увеличение тока. Это объясняется ударной ионизацией: электроны, возникшие в газе за счет внешнего ионизатора во время своего движения к аноду под действием электрического поля, приобретают энергию, достаточную для ионизации нейтральных молекул газа при столкновении с ними. При столкновении образуются вторичные электроны, ускоряясь полем, могут также ионизировать нейтральные молекулы газа.

Число носителей тока лавинообразно возрастает, возрастает и величина тока. Но разряд в газе остается еще несамостоятельным, т.к. ударная ионизация, вызванная одними электронами, недостаточна для поддержания разряда при удалении внешнего ионизатора. Это вызвано тем, что электроны движутся в электрическом поле от катода к аноду. Поэтому они могут ионизировать только те молекулы газа, которые лежат ближе к аноду по сравнению с местом возникновения данного электрона. Вблизи катода электроны еще не имеют энергии, достаточной для ионизации, и в этой области электроны могут возникать только благодаря внешнему ионизатору.

Если действие последнего прекратиться, то область ударной ионизации будет постепенно сокращаться, стягиваясь к аноду по мере движения к нему электронов, и в конце концов ударная ионизация и электрический ток в газе прекратятся. Переход от несамостоятельного разряда к самостоятельному становится возможным лишь при таком напряжении между электродами, когда положительные ионы также приобретают энергию, достаточную для ионизации молекул газа, т.е. возникают два встречных потока, каждый из которых способен вызвать ионизацию газа. В этом случае внешний ионизатор не играет существенной роли в газовом разряде, т.к. число создаваемых им первоначальных ионов мало по сравнению с числом вторичных ионов и прекращение действия ионизатора не влияет на протекание разряда.

Опыт показывает, что в большинстве случаев наблюдается не ударная ионизация молекул газа ионами, а выбивание ими электронов с поверхности катода, т.к. в этом случае работа, совершаемая ионом, меньше, чем при ударной ионизации. Наряду с процессом выбивания ионами электронов из катода - вторичной эмиссией, не менее важным является фотоэффект - выбивание электронов из катода под действием света - достаточно быстрый электрон может не только ионизировать молекулу, но и перевести образовавшийся ион в возбужденное состояние. Переходя затем в устойчивое состояние, ион испускает квант энергии, который способен вызвать фотоионизацию. Испускание света происходит при рекомбинации положительных ионов с электронами - "рекомбинационное свечение".

Повышая напряжение на электродах, можно возбудить все эти процессы и осуществить переход от несамостоятельного разряда к самостоятельному. Этот переход называется электрическим пробоем газа, а соответствующее напряжение - напряжением зажигания U3. Оно зависит от химической природы газа, материала катода, формы электродов и расстояния между ними, давления газа и наличия в нем примесей.

В данной работе мы будем рассматривать идеализированную вольт - амперную характеристику газонаполненной лампы приведенной на рис. 4.

При напряжениях U < U3 скачком устанавливается значение тока, равное I3, и лампа "загорается". При дальнейшем росте напряжения ток растет по закону, близкому к линейному. Если уменьшать напряжение на "горящей лампе", то при напряжении, равном U3, лампа еще не гаснет. Продолжая уменьшать напряжение, можно увидеть, что лишь при некотором напряжении (напряжение гашения Uг), которое меньше, чем U3, лампа "гаснет" и ток скачком резко падает. При этом самостоятельный разряд в лампе прекращается. У реальной лампы зависимость I = f(U) является не вполне линейной, причем при U < U3 кривые, снятые при возрастании и убывании напряжения, не вполне совпадают. Но эти отличия несущественны, и мы можем ими в данной работе пренебречь.

Газонаполненные лампы часто используют для получения релаксационных колебаний. Релаксационные колебания - периодические колебания, по форме резко отличающиеся от синусоидальных и представляющие собой периодически повторяющийся процесс возникновения электрического напряжения и последующего его исчезновения.

Рассмотрим работу генератора релаксационных колебаний. Принципиальная его схема приведена на рис 5. Он состоит из источника, дающего постоянное напряжение U0, конденсатора емкостью С, сопротивления R и лампы Л. Если включить источник, то в цепи появится ток. Сопротивление незажженной лампы бесконечно велико, и ток будет заряжать конденсатор. Разность потенциалов на его обкладках будет расти. Соответственно растет и разность потенциалов на электродах лампы, подсоединенной параллельно конденсатору. Когда она достигнет значения напряжения зажигания U3, лампа "зажжется" - ее сопротивление скачком уменьшится, и она начнет проводить ток. Т.к. сопротивление R велико, то поддерживать ток будут в основном заряды, расположенные на обкладках конденсатора. Это вызовет быстрое падение напряжение на конденсаторе, и когда оно достигнет значения напряжения гашения Uг, лампа "гаснет" и процесс начинается сначала. Возникают релаксационные колебания. Кривая изменения напряжения на конденсаторе представлена на рис.6.

Найдем закон, по которому будет меняться напряжение на конденсаторе.

В любой момент времени величина напряжения U0 равна сумме напряжений в элементах цепи:

(6.1.2)

где U - разность потенциалов на обкладках конденсатора.

Заряд конденсатора изменяется вследствие протекания по цепи электрического тока:

(6.1.3)

Изменение заряда вызывает изменение разности потенциала:

(6.1.4)

Из уравнений (6.1.3) и (6.1.4) находим:

(6.1.5)

Подставляя (6.1.5) в (6.1.2), получаем

(6.1.6)

Преобразуем выражение (6.1.6)

(6.1.7)

Проведем интегрирование:

(6.1.8)

Постоянная интегрирования находится из условия: при t=0, U=0. Тогда const = ln U0.

Потенцируя выражение (6.1.8) получим закон возрастания напряжения на конденсаторе генератора релаксационных колебаний:

(6.1.9)







©2015 arhivinfo.ru Все права принадлежат авторам размещенных материалов.