Физические основы вакуумной и плазменной электроники

дуги обычно служит ртуть, налитая в баллон, из которого откачан воздух. Разряд происходит в парах ртути. Электроны вылетают из катода за счет автоэлектронной эмиссии. Сильное поле у катода создается положительным пространственным зарядом, образованным ионами. Электроны испускаются катодными пятнами. Температура газа в этом случае невелика. Ионизация молекул в плазме происходит, как и при тлеющем разряде, за счет электронных ударов.

Электрическая дуга используется как источник света (в кинопроекторах). Но наибольшее применение она нашла в электросварке (изобрел русский ученый Бенардос в 1882 году).

7.7 Искровойикоронныйразряды

Искровой разряд возникает в тех случаях, когда напряженность электрического поля достигает пробивного для данного газа значения Eпр. Значение Eпр зависит от давления газа; для воздуха при

атмосферном давлении оно составляет около 30 МВ/м (30 кВ/см). С увеличением давления Eпр возрастает. Согласно эксперимен-

тальному закону Пашена (Ф. Пашен – немецкий физик, 1865–1947) отношение пробивной напряженности поля к давлению приблизительно постоянно:

EPпр const.

Искровой разряд сопровождается образованием ярко светящегося извилистого, разветвленного канала, по которому проходит кратковременный импульс тока большой силы. Примером может служить молния. Ее длина бывает до 10 км, а диаметр канала – до 40 см и сила тока может достигать 100000 А и более при продолжительности импульса около 10–4 с. Каждая молния состоит из нескольких (до 50) импульсов, следующих по одному и тому же каналу. Их общая длительность (вместе с промежутками между импульсами) может достигать нескольких секунд. Температура газа в искровом канале бывает до 10000 К. Быстрый сильный нагрев газа приводит к резкому повышению давления и возникновению ударных и звуковых волн. Поэтому искровой разряд сопровождается

– 181 –

звуковыми явлениями – от слабого треска при искре малой мощности до раскатов грома, сопровождающих молнию.

Возникновению искры предшествует образование в газе сильно ионизированного канала, называемого стримером. Этот канал получается путем перекрытия отдельных электронных лавин, возникающих на пути искры. Инициатором каждой лавины служит электрон, образующийся путем фотоионизации (рисунок 7.11).

Рисунок 7.11

Если напряженность поля такова, что электрон, вылетевший из катода, приобретает на длине свободного пробега энергию, достаточную для ионизации, то происходит размножение электронов – возникает лавина (образующиеся при этом положительные ионы не играют существенной роли вследствие гораздо меньшей подвижности, они лишь формируют пространственный заряд, вызывающий перераспределение потенциала). Коротковолновое излучение, испускаемое атомом, у которого при ионизации был вырван один из внутренних электронов (это излучение показано на рисунке волнистой линией), вызывает фотоионизацию молекул, причем образовавшиеся электроны порождают все новые лавины. После перекрытия лавин образуется хорошо проводящий канал – стример, по которому от катода к аноду устремляется поток электронов – происходит пробой.

Если один из электродов (или оба) имеют очень большую кривизну (например, электродом служит очень тонкая проволока или острие), то при не слишком большом напряжении возникает так называемый коронный разряд. При увеличении напряжения этот разряд переходит в искровой или дуговой.

– 182 –

7.8 Плазма

По определению Ленгмюра, плазма – это «часть дугового разряда, в котором плотности электронов и ионов в основном равны друг другу». В настоящее время принято следующее определение. Плазмой называется частично или полностью ионизированный газ, в котором положительные и отрицательные заряды в среднем нейтрализуют друг друга. В общем случае плазма состоит из электронов, положительных ионов и нейтральных атомов (или молекул). В пределах малых объемов строгое равенство количества положительно и отрицательно заряженных частиц может нарушаться. Поэтому говорят, что плазма квазинейтральна (латинская приставка квази означает мнимый, ненастоящий).

Плазму принято характеризовать степенью ионизации , под которой понимают отношение концентрации ионизированных атомов к их общей концентрации. В зависимости от значения гово-

рят о слабоионизованной плазме ( 10 3 ), умеренно ионизован-

ной плазме ( 10 2 ) и полностью ионизованной плазме.

Плазма является преобладающим состоянием вещества во Вселенной. Звезды, галактические туманности и межзвездная среда представляют собой плазму, которую называют четвертым состоянием вещества. Один из верхних слоев атмосферы, называемый ионосферой, состоит из слабоионизованной плазмы. Этот слой отражает радиоволны и делает возможным радиосвязь на больших расстояниях. В земных условиях плазма образуется при электрическом разряде в газах, в процессе горения и взрыва.

Сила взаимодействия между атомами и молекулами убывает с расстоянием очень быстро (как 1/r6). Поэтому частицы газа взаимодействуют лишь при их сильном сближении. Кулоновские силы убывают гораздо медленнее (как 1/r2). Поэтому взаимодействие между частицами (электронами и ионами) в плазме постоянно влияет на их движение, вследствие чего для плазмы характерны коллективные процессы.

Вокруг каждого заряда располагаются преимущественно заряды противоположного знака, нейтрализующие влияние данного заряда за пределами сферы радиусом D, называемым дебаевским радиусом экранировки. (Петер Йозеф Вильгельм Дебай (1884–1966)

– 184 –

родился в Голландии, учился и работал в Германии, а с 1940 года – в США.) Расчет дает следующее выражение:

D 0kT . ne2

Подставив значения констант, получим

D 69 Tn .

Оценим дебаевский радиус для плазмы, возникающей в канале молнии. Газ ионизован полностью, так что концентрация n равна

концентрации молекул воздуха ( 2,7 1025 1/м3), а температура составляет 2 104 К. Таким образом, D = 2 10–9 м.

Внешнее электрическое поле проникает в плазму только на расстояние порядка дебаевского радиуса. То есть плазма экранирует внешнее электрическое поле. Дебаевский радиус определяет размеры областей, в которых равенство количества частиц разных знаков может не соблюдаться, т.е. нарушается условие квазинейтральности. Квазинейтральность плазмы в целом соблюдается при условии, что линейные размеры l области, занимаемой плазмой, много больше дебаевского радиуса (l >> D). Только при выполнении этого условия можно говорить о плазме как таковой.

Для плазмы характерны коллективные процессы. Дальнодействие кулоновских сил приводит к тому, что плазма может рассматриваться как упругая среда. Если группу электронов в плазме сдвинуть из их равновесного положения, то на них будет действовать электростатическая возвращающая сила. Это служит причиной того, что в плазме легко возбуждаются продольные колебания пространственного заряда, называемые ленгмюровскими волнами. (Ирвинг Ленгмюр (1881–1957) – американский физик и химик.) Частота колебаний этих волн называется плазменной частотой и определяется выражением

где m – масса электрона; n – концентрация электронов.

– 185 –

Средние значения энергии электронов, ионов и нейтральных атомов могут отличаться друг от друга. В этом случае плазму нельзя характеризовать одним значением температуры и приходится различать электронную Tэ, ионную Tи и температуру нейтральных

атомов Tа . Плазму, у которой эти температуры различны, называют

неизотермической. Если все три температуры одинаковы, плазма называется изотермической. Неизотермической является газоразрядная плазма, т.е. плазма, возникающая при газовом разряде. Плазма, возникающая вследствие высокой температуры вещества, является изотермической. Условно изотермическую плазму подразделяют на низкотемпературную (Tи < 105 К) и высокотемператур-

ную (Tи > 106 К).

Достаточно разогретая плазма является очень хорошим проводником. Благодаря большей подвижности электронов, чем ионов, проводимость плазмы в основном определяется электронами. Расчет дает следующее выражение для проводимости плазмы:

10 3T 32.

При температуре порядка 15 106 К проводимость плазмы равна проводимости одного из лучших проводников – серебра.

Важнейшими техническими применениями плазмы являются управляемый термоядерный синтез и непосредственное преобразование теплоты в электрическую энергию в магнитогидродинамических генераторах (МГД-генераторах) (рисунок 7.12).

Рисунок 7.12

Принцип действия МГД-генератора заключается в следующем. Газ, возникающий при сгорании топлива и представляющий собой плазму, движется в сильном поперечном магнитном поле. В элек-

– 186 –

тропроводящей плазме, как и в любом проводнике, движущемся в таком поле, возникает явление электромагнитной индукции. Генерируется электрический ток, который протекает через плазму и внешнюю нагрузку. При этом между металлическими пластинами образуется разность потенциалов.

– 187 –

Рекомендуемаялитература

1.Шимони К. Физическая электроника / К. Шимони. – М.:

Энергия, 1977. – 608 с.

2.Росадо Л. Физическая электроника и микроэлектроника : пер. с исп. / Л. Росадо. – М.: Высшая школа, 1991.

3.Гудаков Г.А. Физические основы электроники: курс лекций / Г.А. Гудаков. – Владивосток: Изд-во ВГУЭС, 2003.

4.Савельев И.В. Курс общей физики: учеб. пособие для втузов.

В3 т. / И.В. Савельев. – 7-е изд., стер. – СПб.: Лань, 2007.

Т. 2: Электричество и магнетизм. Волны. Оптика. – 496 с.

Т. 3: Квантовая оптика. Атомная физика. Физика твердого тела. Физика атомного ядра и элементарных частиц. – 317 с.

5.Сивухин Д.В. Общий курс физики: учеб. пособие для вузов.

В5 т. / Д.В. Сивухин. – М.: Физматлит, 2005–2006.

Т. 3: Электричество. – 5-е изд., стер. – М.: Физматлит, 2006. –

654с.

6.Зисман Г.А. Курс общей физики. В 3 т. / Г.А. Зисман, О.М. Тодес. – СПб.: Лань, 2007.

Т. 2: Электричество и магнетизм. – 7-е изд. – 352 с.

Т. 3: Оптика. Физика атомов и молекул. Физика атомного ядра и микрочастиц. – 6-е изд. – 512 с.

7.Фриш С.Э. Курс общей физики. В 3 т. / С.Э. Фриш, А.В. Тиморева. – СПб.: Лань, 2009.

Т. 2: Электрические и электромагнетические явления. – 12-е

изд., стер. – СПб.: Лань, 2009. – 528 с.

– 188 –