напруженість електричного поля навколо кожного з них буде різною. На вістрі густина заряду максимальна, тому при підвищенні напруги напруженість поля досягає тут значення ЕІ раніше, ніж біля плоского електрода. Тому поблизу вістря буде неповний пробій газу: утворюються електронні та іонні лавини і газовий проміжок починає світитись. Свічення газового проміжку поблизу вістря нагадує корону, тому цей тип газового розряду називають коронним.
У природі коронний розряд може виникнути під впливом атмосферного електричного поля на верхівках дерев, корабельних щогл та на інших вістрях. У далекі часи таке природне свічення називали вогнями святого Ельма; воно викликало забобонний жах у людей.
Коронний розряд можна спостерігати навколо проводів високовольтної лінії передавання електроенергії. У техніці коронний розряд використовують в електрофільтрах, призначених для очищення промислових газів від твердих і рідких домішок.
КИТИЧНИЙ та іскровий розряди
Якщо напруга збільшується, то на місці корони утворюються потужні електронні лавини, з'являються окремі світні вітки і коронний розряд переходить у китичний. Якщо напругу збільшувати й далі, то вітки китичного розряду збільшуються, стають дедалі довшими і тоді, коли одна з них досягне другого електрода, відбудеться пробій газового проміжку, виникає іскра. Іскровий розряд має переривчастий характер, бо після пробою напруга на електродах значно спадає, через те що проміжок між електродами коротко замикається. Іскра зникає, напруга знову зростає, і процес пробою повторюється.
Явище блискавки, яку ми спостерігаємо в природі, - це величезна електрична іскра природного іскрового розряду. Ще М. В, Ломоносов встановив, що біля поверхні Землі існує електричне поле, яке дуже збільшується перед початком грози. Причиною збільшення електричного атмосферного поля під час грози є електричні заряди, розміщені на хмарах. Звичайно нижня частина хмари, повернуга до Землі, має негативні, а верхня частина - позитивні заряди. Блискавка виникає або між двома хмарами, або між хмарою і Землею. Окремі розряди блискавок тривають кілька мікросекунд, при
цьому сила струму в блискавці досягає 500 000 А, напруга перед виник- 8 9
ненням блискавки становить 10° -10у В. Блискавка супроводиться значним нагріванням повітря, виникає ударна звукова хвиля - грім.
Для захисту різних будівель від блискавок застосовують громовідводи {блискавковідводи). Громовідводи - це загострені металеві спиці, закріплені на будівлях і з'єднані з землею. Дія громовідводів грунтується на стіканні зарядів з вістря.
Електрична дуга
Якщо в колі є потужне джерело струму, то іскру можна, перетворити в електричну дугу. Вперше електричну дугу добув професор фізики Петербурзької медико-хірургічної академії В. В. Петров у 1802 р. Він узяв дві деревні вуглини, приєднав їх до потужної батареї гальванічних елементів, з'єднав їх між собою, а потім почав розсувати. У місці стикання вуї лин виникав великий опір, оскільки не було ідеального контакту. Під час проходження струму в місці контакту кінці вуг лин розжарюватись, тоді як самі вуглини не нагрівались, бо теплопровідність вугілля мала. Коли стрижні розсували, відбувалась термічна іонізація газового проміжку, яка супроводилась термодинамічною емісією з розігрітого катода. Найгарячішим місцем дуги була заглибина (кратер дуги), яка утворюється на позитивному електроді внаслідок бомбардування його електронами. Температура кратера при нормальному атмосферному тиску досягає 4000 °С.
Дуговий розряд виникає тоді, коли внаслідок нагрівання катода основною причиною іонізації газу є термоелектронна емісія - випромінювання електронів дуже нагрітими тілами. Електроди при дуговому розряді можуть бути і металевими. Дугові розряди застосовують для зварювання і різання металів, в електропечах, у прожекторах, проекційних і кіноапаратах і як потужне джерело світла.
Жевріючий розряд
Якщо із скляної трубки викачати повітря і до розміщених усередині неї електродів прикласти постійну напругу в кілька сотень вольт, то виникає газовий розряд при зниженому тиску, який назвали жевріючим.
Якщо газ розріджувати, то відстань між сусідніми атомами збільшуватиметься, а отже, збільшуватиметься і довжина вільного пробігу електрона (та іона). Внаслідок цього електрони можуть набути енергії, потрібної для ударної іонізації при меншій напруженості поля між електродами.
Якщо, не змінюючи напруги, поступово змінювати в трубці тиск, то спочатку виникає китичний розряд, потім - тонкий звивистий світний канал, який з'єднує електроди, а при тиску порядку 1—15 Па розряд набуває вигляду, зображеного на рис, 14.3. До катода К прилягає тонкий світний шар 1 (його
ііазивають катодною плівкою), за яким розміщений катодний темний простір
Лпотім - світний шар 3 (тліюче світіння) і другий темний простір 4, який називають фарадеєвим темним простором. За другим темним простором розміщена світна область 5, яку називають позитивним стовпом.
Таке характерне світіння газу при жевріючому |
__ |
розряді пов'язане з розподілом потенціалу в роз- |
"ч* |
рядній трубці. Світіння позитивного стовпа ви- |
РМС. 14.3 |
г
атомів, тому мш |
колір. Це використовують у |
Якщо трубку ] |
режимі жевріючого розряду |
катода розпилю- |
ловуюгь для металізації поверхонь,
§ 132. Поняття про плазму
Поняття про плазму
XX ст.
Під
Властивостіі
і магнітні поля діють на плазму, і утворюються об'ємні заряди і струми.
електропровідності плазма наближається до металів об'ємний заряд також дорівнює нулю), тобто має дуже добру На відміну від металів провідність плазми зростає з
[ає і добру теплопровідність.
342
мок цього плазма легко віддає теплоту: електрони та іони швидко віддаюгь теплоту стінкам посудини, температура плазми знижується, відбу11асгься рекомбінація.
Для свого існування плазма потребує безперервного підведення енергії ЗЗОВНІ
І Цоб плазма не стикалась із стінками установки і не віддавала їм тегь непу, треба ізолювати її від стінок установки,
Якщо плазму помістити в магнітне поле, то характер руху електронів
іа іонів зміниться, воші почнуть рухатись по траєкторії, яка має вигляд
івинтової лінії. Цю гвинтову лінію ніби нанизано на силову лінію магнітного поля, при цьому електрони рухаються в одному, а позитивні іони - в протилежному напрямі. Якби можна було створити таке магнітне поле, плові лінії якого оточували б плазму з усіх боків (магнітна пастка), то було б розв'язане питання про термоізоляцію плазми. Насправді ця проблема значно складніша. З її розв'язанням пов'язане питання керування термоядерним синтезом (КТС).
Практичне застосування плазми
В інституті атомної енергії ім, і В. Курчатова було створено установки "Токамак", на яких у 1969 р, отримано перші ознаки термоядерної реакції, Завдання керованого термоядерного синтезу не розв'язане й досі. Його завершення дасть людству практично невичерпне джерело енергії
іншою перспективою використання плазми - до чого техніка підійшла ближче - є безпосереднє перетворення теплової енергії газу в електричну без проміжних машин і агрегатів за допомогою магнітогідродинамічного перетворювача енергії (скорочено МГД), Принцип дії МГД-неретво- рювача такий: струмина високотемпературної шіазми, потрапляючи в потужне магнітне поле, напрямлене перпендикулярно до площини рисунка
|
(рис. 14.4), поділяється на два компоненти: |
Мат інше поле |
|
позитивні та негативні частинки, які пряму- |
|
ють до різних пластин, створюючи певну |
|
|
|
|
|
різницю потенціалів. |
«з |
® ® |
® |Ф |
|
Газорозрядну плазму використовують |
|
I I |
|
у лазерах - квантових джерелах світла» |
|
® |
© |
|
II |
|
|
Плазмотрони (плазмові генератори) ши- |
® |
|
® к е „ |
роко застосовують у різних галузях техніки.. За їх допомогою ріжуть і зварюють метали, наносять покриття,
Плазма - найбільш поширений у Всесвіті стан речовини.
Усі зорі, у тому числі й Сонце, зоряні атмосфери, галактичні туманності і міжзоряне середовище - це четвертий стан речовини - плазма. З плазми складаються не тільки зорі, наша Земля оточена плазмовою оболонкою - іоносферою, за межами якої є радіаційні пояси, що оперізують Землю, в яких також є плазма. Процесами в навколоземній плазмі зумовлені магнітні бурі та полярні сяйва. Відбивання радіохвиль від іоносферної плазми забезпечує можливість далекого радіозв'язку на Землі.
Фізика плазми важлива і для розуміння багатьох процесів, які відбуваються в космосі, бо в усьому просторі нашої Сонячної системи існують "плазмові вітри", інтенсивність їх іноді така велика, що створює певну загрозу для космонавтів.
Фізика плазми є тепер галуззю науки, результати дослідження якої мають велике технічне застосування.
§ 133. Електричний струм у вакуумі
Вакуум
Під вакуумом розуміють такий ступінь розрідження газу в посудині, за якого довжина вільного пробігу молекули стає більшою за лінійні розміри посудини і співударами між молекулами газу можна знехтувати. При такому ступені розрідження самостійний газовий розряд відбуватися не може. Щоб у вакуумній трубці, яка має два електроди - катод і анод, - проходив електричний струм, треба яким-небудь способом внести туди заряджені частинки.
Термоелектронна емісія
Є кілька способів надання електронам додаткової енергії, потрібної для видалення їх з металу: нагрівання, опромінення видимим або ультрафіолетовим світлом, дія потужного зовнішнього поля, бомбардування металів частинками. Дія цих факторів може спричинювати явище електронної емісії
Термоелектронною емісією називають явище випромінювання електронів нагрітими металами. Електрони, які випромінюють нагріті метали, називають термоелектронами. У процесі нагрівання металу швидкість теплового руху вільних електронів зростає пропорційно 4 т . При такій високій температурі розжарення швидкість окремих електронів настільки збільшується, одо вони вилітають за межі металу. Підтвердженням цього може буги такий дослід.
Складемо коло, схему якого зображено |
|
на рис. 14.5, а. Джерело струму (батарея |
|
акумуляторів) приєднано з одного боку до |
|
с кляного балона-лампочки, обклеєної стані- |
|
олем, з другого боку - через гальванометр і |
|
цоколь лампочки - до металевої нитки роз- |
|
жарювання. У скляному балоні створено |
|
вакуум. Якщо на нитку розжарення не пода- |
|
вати напруги (ключ К розімкнений), то |
|
струму в колі не буде. Якщо, замкнувши |
|
ключ К, розжарити нитку лампочки, гальва- |
|
нометр покаже, що в колі проходить елект- |
|
ричний струм. Це відбувається тому, що з |
|
розжареної нитки відриваються термоелект- |
Рис. 14.5 |
рони і утворений потік електронів замикає коло. Вперше це явище спостерігав Т. Едісон (1883), тому його назвали ефектом Едісона.
Електронні лампи
У колі, зображеному на рис. 14.5, б, якщо катод холодний, струму не буде, бо електропровідність вакууму практично дорівнює нуию. Якщо за допомогою додаткового джерела струму нагріти катод, то внаслідок термоелектронної емісії катод почне випромінювати електрони, міліамперметр зареєструє струм у колі. Сила струму залежить від різниці потенціалів між катодом і анодом, а правильніше, від потенціалу £/а анода відносно катода.
Такі пристрої широко застосовують у радіотехніці, їх називають електронними лампами.
Діод
За конструктивним виконанням електронні лампи поділяють на діоди (двохелектродна електронна лампа, рис. 14.6, а, б), тріоди (триелектродна лампа, рис. 14.6, в), тетроди, пентоди і т. д. Залежно від того, як нагрівається катод, розрізняють лампи прямого (рис. 14.6, а) і посередні,ого (рис. 14.6, 6) розжарення. Анод найчастіше має форму циліндра, по осі якого встановлюють катод, виготовлений з тугоплавкого металу, наприклад вольфраму, молібдену тощо. Сила струму в лампі залежить від анодної напруги £/а, температури нитки розжарення (катода), матеріалу катода і геометрії електродів.
Анод |
/т\ |
Нитка |
Анод |
|
|
|
! |
| |
розжарення |
|
Залежність анодного струму від анодної напруги (рис. 14.7) називають вольт-амперною характеристикою. Як видно з рис, 14.7, вольт-амперна характеристика діода має нелінійний характер. Такий характер можна пояснити тим, що поблизу розжареного катода існує електронна хмара - просторовий заряд. При невеликих анодних напругах із збільшенням £Уа сила струму збільшується повільно, а електронна хмара, яка має негативний заряд, перешкоджає руху електронів, які вилітають з катода, і під дією сил відштовхування частина електронів знову повертається на катод, а решта досягає анода. Із збільшенням анодної напруги густина електрон-
ної хмари зменшується, сила струму збільшується. При певному значенні напруги £/а = с/н всі електрони, які вилітають з катода, досягають анода, струм досягає максимального значення і дальше збільшення, напруги сили струму змінити не може, Це значення сили струму називають струмом насичення / н . Якщо підвищити температуру Т катода, то це призведе
|
и* и*2 |
до того, що електронна хмара біля катода стане |
|
Рис, 14.7 |
|
густішою; отже, струм досягне максимального |
|
|
значення при більшій анодній напрузі, а струм насичення збільшиться (рис. 14.7). Якщо потенціал анода менший від потенціалу катода, то струму в колі лампи не буде; о т е , діоди мають однобічну провідність.
Ця властивість дає можливість застосовувати їх як випрямлячі змінного струму (кенотрони).
Тріод
Щоб керувати силою струму в електронній лампі, в неї вводять один, два або кілька додаткових електродів, які називають сітками (рис. 14,6, в), Звичайно сітки виготовляють у вигляді дротяних спіралей і розміщують між анодом і катодом.
Розглянемо роботу тріода. Сітку в тріоді звичайно встановлюють поблизу катода так, щоб найменші зміни потенціалу сітки впливали на зміни анодного струму. Якщо потенціал сітки відносно катода дорівнює нулю, то тріод працює як діод. Якщо потенціал сітки позитивний, то густина електронної хмари менша, отже, струм більший. Якщо потенціал сітки негативний, то густина електронної хмари біля катода збільшується, а струм зменшується. Від збільшення негативного потенціалу сітки струм шеншуватиметься і при деякому значенні негативного потенціалу дорівнюватиме нулю. Негативну сіткову напругу, при якій анодний струм дорівнюватиме нулю, називають напругою запирання. Напруга запирання залежить від анодної напруги. Чим більше С/а , тим більша напруга запирання. Отже, змінюючи сіткову напругу, можна регулювати значення анодного струму в колі, тому сітку називають керуючою.
Електронні лампи застосовують у різних радіотехнічних пристроях - підсилювачах, генераторах тощо.
§ 134. Електронні пучки. Електронно-променева трубка
Електронні пучки
Під електронними пучками розуміють напрямлені потоки електронів, поперечні розміри яких значно менші від їх довжини. Електронні пучки вперше були виявлені в газовому розряді, що відбувається при зниженому тиску.
ГІри жевріючому розряді позитивні іони вибивають з катода безліч електронів. Якщо розряд відбувається в трубці з дуже великим розрідженням, то середня довжина вільного пробігу електронів збільшується і катодний темний простір розширюється. Електрони, вибиті з катода позитивними іонами, рухаються майже без зіткнень і утворюють катодне проміння. Це проміння поширюється нормально до поверхні катода. Якщо в аноді електронної лампи зробити отвір, то частина електронів, прискорених електричним полем, пролетить в отвір, утворюючи за анодом електронний пучок.
Властивості і застосування електронних пучків
Електронні пучки спричинюють світіння (флуоресценцію) деяких речовин. До них належать скло, сульфіди цинку, кадмію тощо. Такі речовини називають люмінофорами. Цю властивість електронних
пучків застосовують у вакуумній електроніці — світіння екранів телевізорів, осцилографів, електронно-оптичних перетворювачів тощо.
Потрапляючи на тіла, електронні пучки нагрівають їх. Цю властивість використовують для зварювання надчистих металів у вакуумі. Електронні пучки відхиляються в електричному і магнітному полях. Можливість керування електронним пучком за допомогою електричного і магнітного поліп і світіння екранів, покритих люмінофором під дією електронних пучків, використовують в електронно-променевих трубках.
Електронно-променева трубка
Будову електронно-променевої трубки зображено на рис. 14.8. Це скляний вакуумний балон 2, в якому встановлено "електронну гармату", що складається з розжареного катода К, який імітує електрони, і анода з діафрагмою (найчастіше кількох анодів, розміщених один за одним) , £>2 • Між катодом і анодом створюють різницю потенціалів І/,
яка дає можливість розігнати електрони до великої швидкості і утворити вузький пучок. У місці екрана і7, покритого флуоресціюючою сполукою, куди падає електронний пучок, виникає яскрава світна точка.
Керують пучком за допомогою двох пар пластин Сх і С2 , розміщених перпендикулярно одна до одної. Поле пластин Сх зміщує промінь у горизонтальному напрямі, поле пластин С2 - у вертикальному.
На пластини Сх і С2 можна подавати або постійну, або змінну напругу. Залежно від цього світна пляма на екрані або залишатиметься на місці, або пере-
міщуватиметься, утворюючи пряму, синусоїду тощо. На цій властивості ґрунтується будова осцилографа. У складніших випадках на екрані можна домогтися, щоб темні та світлі плями, які дають зображення предметів,
ці телевізора.
•Процес проходження газу через газ називають газовим розрядом. Струм у газі, що утворився за наявності зовнішнього іонізатора, називають несамостійним газовим розрядом. Газовий розряд, який триває після припинення дії зовнішнього іонізатора, називають самостійним газовим розрядом. Іони і електрони утворюються при самостійному розряді завдяки іонізації електронним ударом, термоелектронною емісією і т. д.
®Розрізняють такі типи самостійного розряду: коронний, китичний, іскровий, електрична дуга, жевріючий.
•Під плазмою розуміють дуже іонізований газ, в якому концентрація електронів дорівнює приблизно концентрації позитивних іонів. У цілому її можна вважати електрично нейтральною, об'ємний заряд дорівнює нулю.
•Плазма має ряд специфічних властивостей.
•Плазма - найбільш поширений у Всесвіті стан речовини.
•Провідність вакууму зумовлена джерелом електронів. Як правило, для цього використовують явище термоелектронної емісії.
® Електричний струм у вакуумі використовують у різних радіотехнічних пристроях: електронних лампах, електронно-променевих трубках та ін.
Запитання для самоконтролю і повторення
1. Поясніть, що таке іонізація газу і рекомбінація іонів у газі. 2. Що таке газовий розряд? 3. У чому різниця між несамостійним і самостійним газовими розрядами? 4. Що таке дуговий і жевріючий розряди? 5. Що таке плазма? Які її властивості? 6. Що таке діод, яка його будова і чому він може працювати випрямлячем змінного струму? 7. Що таке електронні пучки, які їх властивості, де їх застосовують?
ГЛАВА 15 ЕЛЕКТРИЧНИЙ СТРУМ У НАШВПРОВЩНИКАХ
§ 135. Електронна структура твердих тіл
Напівпровідникові прилади
Бурхливий розвиток радіотехніки зобов'язаний електровакуумним приладам. Вони були невід'ємною частиною кожного радіотехнічного пристрою, і переважно їх властивостями визначалися технічні показники апаратури.
Потреби радіозв'язку, радіомовлення, радіолокації, телебачення та інших галузей радіотехніки стимулювали створення багатьох різних електровакуумних приладів, які тепер досягли високого ступеня досконалості.
