ЭМИССИОННЫЕ ЯВЛЕНИЯ И ИХ ПРИМЕНЕНИЕ.

При сообщении электронам в металле энергии, необходимой для преодоления работы выхода, часть электронов покидает металл, в результате чего будет наблюдаться явление испускания электронов или электронная эмиссия. В зависимости от способа сообщения электронам энергии различают термоэлектронную, фотоэлектронную, вторичную и автоэлектронную эмиссии.

Рис.42. Термоэлектронная эмиссия — это эмиссия электронов из металла под действием нагревания.

1. Термоэлектронная эмиссия— это испускание электронов нагретыми металлами.

Концентрация свободных электронов в металлах высока, и даже при средних температурах, из-за распределения электронов по энергиям некоторые электроны обладают энергией, достаточной для преодоления потенциального барьера на границе металла. С повышением температуры число электронов, кинетическая энергия теплового движения которых больше работы выхода растет, растет и число вышедших электронов и явление термоэлектронной эмиссии становится более заметным. Если поддерживать температуру накаленного катода постоянной и снять зависимость анодного тока I от анодного напряжения U, т.е. вольтамперную характеристику, то оказывается, что она не является линейной и закон Ома не выполняется. Зависимость термоэлектронного тока от анодного напряжения в области малых положительных значений напряжения описывается законом трех вторых:

I = B.U^3/2. (9.1.)

где В - коэффициент, зависящий от формы и размеров электродов, а также их взаимного расположения. При увеличении анодного напряжения ток возрастает до некоторого максимального значения I_max, называемого током насыщения. Это означает, что почти все электроны, покидающие катод, достигают анода, поэтому дальнейшее увеличение напряженности поля не может привести к увеличению термоэлектронного тока. Явление термоэлектронной эмиссии используется в приборах, в которых необходимо получить поток электронов в вакууме, например в электронных лампах, применяемых в радиотехнике, автоматике и телемеханике для выпрямления переменных токов и усиления электрических сигналов.

Рис. 43.

При увеличении анодного напряжения ток возрастает до некоторого максималь­ного значения I_нас, называемого током насыщения. Это означает, что почти все электро­ны, покидающие катод, достигают анода, поэтому дальнейшее увеличение напряжен­ности поля не может привести к увеличению термоэлектронного тока. Следовательно, плотность тока насыщения характеризует эмиссионную способность материала катода. Явление термоэлектронной эмиссии используется в приборах, в которых необ­ходимо получить поток электронов в вакууме, например в электронных лампах, рентгеновских трубках, электронных микроскопах и т. д. Электронные лампы широко применяются в электро- и радиотехнике, автоматике и телемеханике для выпрямления переменных токов, усиления электрических сигналов и переменных токов, генерирова­ния электромагнитных колебаний в т. д. В зависимости от назначения в лампах используются дополнительные управляющие электроды.

2. Фотоэлектронная эмиссия — это эмиссия электронов из металла под действием света, а также коротковолнового электромагнитного излучения (например, рентгеновс­кого). Основные закономерности этого явления будут разобраны при рассмотрении фотоэлектрического эффекта.

3. Вторичная электронная эмиссия — это испускание электронов поверхностью ме­таллов, полупроводников или диэлектриков при бомбардировке их пучком электронов. Вторичный электронный поток состоит из электронов, отраженных поверхностью (упруго и неупруго отраженные электроны), и «истинно» вторичных электронов — эле­ктронов, выбитых из металла, полупроводника или диэлектрика первичными электро­нами.

Явление вторичной электронной эмиссии используется в фотоэлектронных умножителях ( ФЭУ), применимых для усиления слабых электрических токов. ФЭУ представ­ляет собой вакуумную трубку с фотокатодом К и анодом А, между которыми расположено несколько электродов — эмиттеров (рис. ). Электроны, вырванные из фотокатода под действием света, попадают на эмиттер Э₁, пройда ускоряющую разность потенциалов между К и Э₁. Из эмиттера Э₁ выбивается d электронов. Усиленный таким образом электронный поток направляется на эмиттер Э₂, и процесс умножения повторяется на всех последующих эмиттерах. Если ФЭУ содержит n эмит­теров, то на аноде А, называемом коллектором, получается усиленный в dⁿ раз фотоэлектронный ток.

4. Автоэлектронная эмиссия — это эмиссия электронов с поверхности металлов под действием сильного внешнего электрического поля. Эти явления можно наблюдать в откачанной трубке, конфигурация электродов которой (катод — острие, анод — вну­тренняя поверхность трубки) позволяет при напряжениях примерно 10³ В получать электрические поля напряженностью примерно 10⁷ В/м. При постепенном повышении напряжения уже при напряженности поля у поверхности катода примерно 10⁵ —10⁶ В/м возникает слабый ток, обусловленный электронами, испускаемыми катодом. Сила этого тока увеличивается с повышением напряжения на трубке. Токи возникают при холодном катоде, поэтому описанное явление называется также холодной эмиссией. Объяснение механизма этого явления возможно лишь на основе квантовой теории.

Рис. 44.

ИОНИЗАЦИЯ ГАЗОВ.

Газы при не высоких температурах и при атмосферном, давлении являются хорошими изоляторами. Но газ становится проводником электричества, когда часть его молекул ионизуется, т.е. происходит расщепление нейтральных атомов и молекул на ионы и свободные электроны. Для этого газ необходимо подвергнуть действию какого-либо ионизатора.

Ионизация газов происходит под действием различных ионизаторов: сильного нагрева, коротковолнового электромагнитного излучения (света), корпускулярного излучения и т.д. Для того чтобы выбить из молекулы один электрон, необходимо затратить определенную энергию, называемую энергией ионизации, значения которой для атомов различных веществ лежат в пределах от 4 до 25 эВ. Одновременно с процессом ионизации всегда идет и обратный процесс — рекомбинации: положительные ионы и электроны, встречаясь, воссоединяются между собой с образованием нейтральных атомов и молекул.

ГАЗОВЫЙ РАЗРЯД.

Прохождение электрического тока через газ называется газовым разрядом. Если ионизация газа вызывается внешним ионизатором то разряд является несамостоятельным. Вообще то электропроводность газа никогда не равна нулю, так как в нем всегда имеются свободные заряды, образующиеся, как в результате столкновений молекул газа меду собой, так и в результате действия на газ естественного излучения радиоактивных веществ Земли и космических лучей. Характер газового разряда определяется составом газа, его плотностью, температурой, конфигурацией и материалом электродов, приложенным напряжением.

 

САМОСТОЯТЕЛЬНЫЙ ГАЗОВЫЙ РАЗРЯД.

Разряд в газе, сохраняющийся после прекращения действия внешнего ионизатора, называется самостоятельным. При больших напряжениях возникающие под действием внешнего ионизатора электроны, сильно ускоренные электрическим полем, сталкиваясь с нейтральными молекулами газа, ионизируют их, в результате чего образуются вторичные электроны и положительные ионы. Положительные ионы движутся к катоду, а электроны — к аноду. Вторичные электроны вновь ионизируют молекулы газа, и общее количество электронов и ионов будет возрастать по мере продвижения электронов к аноду лавинообразно. Это называется ударной ионизацией. Однако ударная ионизация под действием электронов недостаточна для поддержания разряда при удалении внешнего ионизатора. Для этого необходимо, чтобы электронные лавины < воспроизводились>, т.е. чтобы в газе под действием каких-то процессов возникали все новые и новые электроны. Таких процессов несколько:

1. Ускоренные полем положительные ионы, ударяясь о катод, выбивают из него электроны.

2. Положительные ионы, сталкиваясь с нейтральными молекулами газа, ионизируют их. Переход таких молекул обратно в нейтральное состояние сопровождается испусканием фотонов.

3. Фотон, поглощенный нейтральной молекулой, ионизирует ее.

4. Выбивание электронов под действием фотонов.

При значительных напряжениях между электродами в газе наступает момент, когда положительные ионы, обладающие меньшей длиной свободного пробега, чем электроны, приобретают энергию достаточную для ионизации нейтральных молекул газа, и к катоду устремляются ионные лавины. Тогда сила тока растет уже практически без увеличения напряжения и разряд становится самостоятельным, т.е. сохраняется после прекращения действия внешнего ионизатора. Напряжение, при котором возникает самостоятельный разряд называется напряжением пробоя. В зависимости от давления газа, конфигурации электродов (т.е. поля), параметров внешней цепи бывают четыре типа самостоятельного газового разряда: тлеющем, искровом, дуговом и коронном.

1. Тлеющий разряд возникает при низких давления. Если к электродам, впаянным в стеклянную трубку длиной 30 - 50 см, приложить постоянное напряжение (1000 В/м), постепенно откачивая из трубки воздух, то при давлении 5 - 7 кПа возникает разряд в виде извилистого шнура красноватого цвета, идущего от катода к аноду. При дальнейшем понижении давления газа шнур утолщается, и при давлении 10 — 15 Па разряд заполняет весь объем трубки. При дальнейшем откачивании и достижении давления 1 Па свечение газа ослабевает, и начинают светиться стенки трубки. Тлеющий разряд применяется в технических устройствах. Свечение столба газа имеет характерный, для конкретного газа цвет и его используют в газосветных трубках. Тлеющий разряд используют также для катодного напыления металлов. Катод в таком разряде, вследствие бомбардировки положительными ионами, сильно нагревается и переходит в газообразное состояние. Помещая рядом с катодом холодные предметы, их можно покрывать равномерным слоем металла.

2. Искровой разряд возникает при больших напряженностях электрического поля ( 3.10⁶ В/м) в газе, находящемся при атмосферном давлении. Искра имеет вид ярко светящегося тонкого канала, сложным образом изогнутого и разветвленного. По стриммерной теории, возникновению ярко светящегося канала искры предшествует появление слабо светящихся скоплений ионизированного газа - стримеров. Стримеры возникают не только в результате образования электронных лавин посредством ударной ионизации, но и в результате фотонной ионизации газа. Лавины, догоняя друг друга, образуют проводящие мостики из стримеров, по которым в следующие моменты времени и устремляются мощные потоки электронов, образуя каналы искрового разряда. Из-за выделения процессах большого количества энергии, газ в искровом промежутке нагревается до очень высокой температуры ( 10⁴ К^о ), что и приводит к его свечению. Быстрый нагрев газа ведет к резкому повышению давления и возникновению ударных волн, объясняющих звуковые эффекты при искровом разряде. Искровой разряд используется для воспламенения горючей смеси в двигателях внутреннего сгорания и предохранения электрических линий от перенапряжений. При малой длине разрядного промежутка искровой разряд вызывает разрушение (эрозию) поверхности металла и поэтому он применяется для электроискровой обработки металлов (резание, сверление).

Дуговой разряд.

Если после зажигания искрового разряда от мощного источника постепенно уменьшать расстояние между электродами, то разряд становится непрерывным, т.е. возникает дуговой разряд. При этом сила тока резко возрастает, достигая сотен ампер, а напряжение на разрядном промежутке падает до нескольких десятков вольт. Дуговой разряд поддерживается за счет высокой температуры катода, из-за интенсивной термоэлектронной эмиссии, и термической ионизации молекул. Дуговой разряд находит широкое применение при сварке и резке металлов, получении высококачественных сталей и освещении.

4. Коронный разряд — высоковольтный электрический разряд при высоком давлении в резко неоднородном электрическом поле вблизи электродов с большой кривизной поверхности (шипы, острия). В зависимости от знака коронирующего электрода различают отрицательную и положительную короны.

 

ПЛАЗМА И ЕЕ СВОЙСТВА.

Плазмой называется сильно ионизованный газ, в котором концентрации положитель­ных и отрицательных зарядов практически одинаковы. Различают высокотемператур­ную плазму, возникающую при сверхвысоких температурах, и газоразрядную плазму, возникающую при газовом разряде. Плазма характеризуется степенью ионизации a — отношением числа ионизованных частиц к полному их числу в единице объема плазмы. В зависимости от величины a говорят о слабо (a составляет доли процента), умеренно (a — несколько процентов) и полностью (a близко к 100%) ионизованной плазме.

Заряженные частицы (электроны, ионы) газоразрядной плазмы, находясь в ускоря­ющем электрическом поле, обладают различной средней кинетической энергией. Это означает, что температура Т_e электронного газа одна, а ионного T_и, — другая, причем Т_e> T_и. Несоответствие этих температур указывает на то, что газоразрядная плазма является неравновесной, поэтому она называется также неизотермической. Убыль числа заряженных частиц в процессе рекомбинации в газоразрядной плазме восполняется ударной ионизацией электронами, ускоренными электрическим полем. Прекращение действия электрического поля приводит к исчезновению газоразрядной плазмы.

Высокотемпературная плазма является равновесной, или изотермической, т. е. при определенной температуре убыль числа заряженных частиц восполняется в результате термической ионизации. В такой плазме соблюдается равенство средних кинетических энергий составляющих плазму различных частиц. В состоянии подобной плазмы находятся звезды, звездные атмосферы, Солнце. Их температура достигает десятков миллионов градусов.

Условием существования плазмы является некоторая минимальная плотность заря­женных частиц, начиная с которой можно говорить о плазмекак таковой. Эта плотность определяется в физике плазмы из неравенства L> > D, где L—линейный размер системы заряженных частиц, D — так называемый дебаевский радиус экранирования, представляющий собой то расстояние, на котором происходит экранирование кулоновского поля любого заряда плазмы.

Плазма обладает следующими основными свойствами:

1). высокой степенью ионизации газа,

2). нулевым результирующим пространственным зарядом,

3). большой электропроводностью,

4). свечением,

5). сильным взаимодействием с электрическим и магнитным полями,

6). колебаниями электронов в плазме с большой частотой

( 10⁸ Гц ),

7). < коллективным> — одновременным взаимодействием очень большого числа заряженных частиц,

Все эти свойства определяют качественное своеобразие плазмы, позволяющее считать ее особым, четвертым, состоянием вещества.

Изучение физических свойств плазмы позволяет, с одной стороны, решать многие проблемы астрофизики, поскольку в космическом пространстве плазма — наиболее распространенное состояние вещества, а с другой — открывает принципиальные воз­можности осуществления управляемого термоядерного синтеза. Основным объектом исследований по управляемому термоядерному синтезу является высокотемпературная плазма (»10⁸ К) из дейтерия и трития.

Низкотемпературная плазма (< 10⁵К) применяется в газовых лазерах, в термоэле­ктронных преобразователях и магнитогидродинамических генераторах (МГД-генераторах) — установках для непосредственного преобразования тепловой энергии в элект­рическую, в плазменных ракетных двигателях, весьма перспективных для длительных космических полетов.

Низкотемпературная плазма, получаемая в плазмотронах, используется для резки и сварки металлов, для получения некоторых химических соединений (например, галогенидов инертных газов), которые не удается получить другими способами, и т. д.

 

МАГНЕТИЗМ. ЛЕКЦИЯ № 10.

МАГНИТНОЕ ПОЛЕ.

Источниками магнитного поля являются движущиеся электрические заряды (токи). М агнитное поле возникает в пространстве, окружающем проводники с током, подобно тому, как в пространстве, окружающем неподвижные электрические заряды, возникает электрическое поле.

Рис. 45. Линии магнитной индукции полей постоянного магнита и катушки с током.

Магнитное поле является силовым, и его изображают с помощью силовых линий магнитной индукции, касательные к которым в каждой точке пространства совпадают с направлением вектора магнитной индукции В. Силовые линии магнитной индукции всегда замкнуты и охватывают проводники с током. Вектор магнитной индукции B определяет силы, действующие на токи или движущиеся заряды в магнитном поле. За положительное направление вектора B принимается направление от южного полюса S к северному полюсу N магнитной стрелки. Аналогично силовым линиям в электростатике можно построить линии магнитной индукции, в каждой точке которых вектор B направлен по касательной. Магнитное поле оказывает на рамку с током ориентирующее действие, поворачивая ее. За положительное направление магнитного поля принимается направление, вдоль которого располагается положительная нормаль к рамке. Поскольку магнитное поле оказывает ориентирующее действие на рамку с током, то на нее действует вращающая пара сил. Момент этих сил определяется свойствами и поля и рамки.

M = [p_m.B], (10.1)

где В - вектор магнитной индукции, т.е. количественной силовой характеристики магнитного поля, p_m.- вектор магнитного момента рамки с током.

Рис. 46. Магнитный момент, p_m. = I.S.n = I.S_n.,

Для плоского контура с током,

p_m. = I.S.n = I.Sn., (10.2)

где I - cила тока, S - площадь контура, n - единичный вектор нормали к поверхности рамки. Отношение максимального механического вращающего момента к магнитному моменту рамки дает величину силовой характеристики магнитного поля – индукцию

B = M_max./p_m. (10.3)

Модуль вектора магнитной индукции равен отношению силы Ампера, действующей на прямой проводник с током, к силе тока I в проводнике и его длине Δ l:

B = F _max./I∆ l. (10.4)

Магнитное поле можно описывать и вектором напряженности Н, который связан с вектором магнитной индукции соотношением

B = m₀m.H, (10.5)

где m₀ - магнитная постоянная, равная 4p.10^-7 Н/м², m - магнитная проницаемость вещества, показывающая, во сколько раз магнитное поле в веществе отличается от внешнего магнитного поля. В системе единиц СИ за единицу магнитной индукции принята индукция такого магнитного поля, в котором на каждый метр длины проводника при силе тока 1 А действует максимальная сила Ампера 1 Н. Эта единица называется тесла (Тл).

ЗАКОН БИО-САВАРА-ЛАПЛАСА.

Закон Био-Савара-Лапласа дает величину и направление вектора индукции В магнитного поля, создаваемого в пространстве на расстоянии r, от элемента проводника dl с током I:

dB = (m₀m/4p).I.([dl.r]/r³), (10.6.)

где dl - вектор, по модулю равный длине dl элемента проводника и совпадающий по направлению с током, r - радиус-вектор, проведенный из элемента dl проводника в точку А пространства, r - модуль радиуса-вектора. Направление dB перпендикулярно dl и r, т.е. перпендикулярно плоскости, в которой они лежат, и совпадает с касательной к линии магнитной индукции. Модуль вектора

dB = (m₀m/4p).I.(dl.suna)/r²), (10.7.)

где a - угол между векторами dl и r.

Направление тока и магнитных силовых линий связаны правилом «правого винта».

Рис. 47. Иллюстрация закона Био–Савара.

Направление вектора dB определяется по правилу векторного произведения (иначе - правилу правого винта или правилу буравчика). Построим плоскость через векторы I dl и r и расположим в этой плоскости головку винта. Если производить вращение головки от первого вектора в векторном произведении к второму, то направление поступательного движения винта укажет направление вектора dB.

⇐ Предыдущая6789101112131415Следующая ⇒

Поделиться:

Популярное:

1. Алкогольная зависимость. Клинические проявления и стадии алкоголизма.
2. Алкогольный галлюциноз. Клинические проявления, дифференциальная диагностика с алкогольным делирием и галлюцинаторным синдромом при эндогениях.
3. Анализ публичного заявления.
4. Анализ — это такой логический приём, с помощью которого мы мысленно расчленяем приметы, явления, выделяя отдельные их части, свойства.
5. Бюджетный дефицит и причины его появления
6. В условиях ОУ родители могут заполнить бланк заявления о согласии на проведение психологической работы с ребенком в ОУ в текущем учебном году.
7. Венозная гиперемия. Причины, механизмы развития, внешние проявления. Особенности микро- и макроциркуляции, последствия
8. Виды предъявления для опознания
9. Виды связей между явлениями и их признаками. Их классификация
10. Внешние эффекты (экстерналии) и теорема Коуза-Стиглера. Природа и формы проявления внешних эффектов
11. Вопрос 2.Понятие глобализации и формы ее проявления в современном мире.
12. Вопрос 27. Воля, психолого-правовая оценка процесса волеизъявления у субъектов уголовного, гражданского, административного судопроизводства.