Понятие о плазме. Катодные и каналовые лучи. Термоэлектронная эмиссия. Электронные лампы и их применение.

11.1. Понятие о плазме. Катодные и каналовые лучи

11.2. Термоэлектронная эмиссия

11.3. Электронные лампы и их применение

Понятие о плазме

Такое состояние вещества, при котором вещество полностью или частично ионизировано, но число положительных и отрицательных ионов в единице объема одинаково, то есть суммарный заряд единицы объема равен нулю, называется плазмой.

Опыт 11.1. Плазма.

Цель работы: Продемонстрировать электрический плазменный шнур.

Оборудование:

1. Индукционная катушка

2. Медные электроды

Ход работы.

1. С помощью индукционной катушки создается большое напряжение между двумя медными электродами и возникает пробой воздуха. При этом наблюдается плазменный шнур.

2. Плазменный шнур увлекается нагретым воздухом вверх. Он поднимается вверх, доходя до области, где расстояние между электродами большое и напряжение на катушке уже недостаточно для того, чтобы «пробить» воздух. Плазменный шнур исчезает, тут же появляется новый шнур, и процесс повторяется.

Квазинейтральность – основное свойство плазмы.

Различают несколько разновидностей плазмы.

1. Низкотемпературная плазма . Характеризуется тем, что нет полной ионизации, энергии образующих ее частиц сравнительно низки.

2. Среднетемпературная плазма . Вещество находится в полностью ионизированном состоянии.

3. Высокотемпературная плазма . Вещество, из которого состоят звезды. В земных условиях высокотемпературная плазма может получаться при термоядерном взрыве.

Наряду с температурой основными характеристиками являются концентрация частиц плазмы n и время жизни плазмы .

Основная проблема с получением плазмы, состоит в увеличении времени ее жизни. Для этого используют магнитные ловушки.

Область физики, которая занимается изучением поведения плазмы в магнитных полях называется магнитогидродинамикой (МГД). Известны два вида магнитных ловушек:

· Стелларатор. Имеет форму звезды. Разработан и используется за рубежом (ЦЕРН).

· Токамак. Имеет форму тора. Разработан и используется в нашей стране (ФИАН).

Рис. 94.

Если постепенно понижать давление в трубке тлеющего разряда (Рис. 94.), катодная часть разряда распространяется на все большую часть межэлектродного пространства, и в конце концов катодное темное пространство распространяется почти на весь сосуд. Свечение газа в этом случае перестает быть заметным, зато стенки трубки начинают светиться зеленоватым свечением. Большинство электронов, выбитых из катода и ускоренных катодным падение потенциала, долетает без столкновений с молекулами газа до стенок трубки и, ударяясь о них, вызывает свечение. По историческим причинам поток электронов, испускаемый катодом газоразрядной трубки при очень низких давлениях, получил название катодных лучей. Свечение, вызываемое бомбардировкой быстрыми электронами, называется катодолюминесценцией.

Если в катоде газоразрядной трубки сделать узкий канал, часть положительных ионов проникает в пространство за катодом и образует резко ограниченный пучок ионов, называемый каналовыми (или положительными) лучами. Именно таким способом были впервые получены пучки положительных ионов.

Применение плазмы

1. Низкотемпературная плазма – газовые разряды, электрическая дуга. Существует область химической технологии – плазмохимия, которая использует возможность протекания некоторых химических реакций в струе низкотемпературной плазмы, причём в других условиях эти реакции осуществить невозможно. Приведём примеры указанных реакций:

- плазмохимический пиролиз углеводородов. В струю водородной плазмы подается метан, который под действием высокой температуры разлагается на этилен, ацетилен и другие непредельные углеводороды. Для остановки реакции в плазмотрон тангенциально подаётся вода, в результате чего температура резко падает. Этот метод называется закалкой. Смесь этилена с ацетиленом (синтез - газ) является исходным сырьём для получения многих важных веществ;

- получение окислов азота из воздуха. В плазменной струе кислород и азот воздуха разлагаются до атомарного состояния, а затем образуют соединения NO, NO₂, которые являются исходным сырьём для получения азотной кислоты.

2. Высокотемпературная плазма необходима для решения более глобального вопроса: создание управляемого термоядерного синтеза для разрешения энергетического кризиса.

3. МГД-двигатели, которые используются для корректировки параметров орбит искусственных спутников Земли.

4. МГД-генераторы, позволяющие создать упорядоченное движение заряженных частиц, т.е. являющиеся источниками электрического тока.

 

Термоэлектронная эмиссия

Электрический ток в вакууме может возникнуть, если в него внести заряженные частицы с помощью эмиссии (испускания).

Различают несколько видов эмиссии:

1. Автоэлектронная эмиссия – вырывание электронов с поверхности вещества под действием электрического поля.

2. Фотоэлектронная эмиссия (фотоэффект) – вырывание электронов под действием излучения.

3. Термоэлектронная эмиссия – вырывание электронов с поверхности под действием тепла (при нагревании).

Дан стеклянный баллон, из которого выкачен газ

Рис. 95.

При нагревании средняя энергия электронов увеличивается и достигает такого значения, при котором электроны покидают поверхность металлов, при этом вблизи поверхности металлов создается электронное облако.

Между электронами, покидающими поверхность металла, и электронами возвращающимися устанавливается равновесие.

При подаче напряжения между анодом и катодом (причем электрод, около которого сформировано облако электронов, – катод) возникает направленное движение частиц от катода к аноду, называемое анодным током. Если поменять полюса электродов, то тока не будет, так как свободные электроны притянутся назад, а новые поступать не будут.

Величина плотности тока насыщения определяется по формуле Дэшмана:

. (75)

где – некоторая постоянная, Т – температура катода, А_вых – работа выхода электрона из металла, k – постоянная Больцмана.

Опыт 11.2. Термоэлектронная эмиссия.

Цель работы: изучить явление термоэлектронной эмиссии.

Оборудование:

1. Лампа
2. Электрометр

Рис.96.

Ход работы.

1. На лампу подаем напряжение 60В. Нить накала нагревается.
2. Электрометр заряжаем отрицательно и соединяем его с колпачком. Их потенциалы выравниваются. Угол отклонения стрелки электрометра уменьшается, но не достигает нуля.
3. Повторяем опыт, зарядив электрометр положительно. При соединении его с колпачком заряд полностью нейтрализуется.

Вывод: результат опыта можно объяснить следующим образом. Колпачок находится в электрическом поле облака термоэлектронов. Вследствие электростатической индукции происходит разделение зарядов. На внутренней поверхности колпачка будет накапливаться положительный заряд, а на внешней – отрицательный.

⇐ Предыдущая10111213141516171819Следующая ⇒

Поделиться: