electricity Labworks / 2.1-2.8 Электрический ток / Labwork(electricity)2-2
.pdfМИНИСТЕРСТВО ОБЩЕГО И ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ
НОВОСИБИРСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ
Физический факультет Кафедра общей физики
ОПИСАНИЕ ЛАБОРАТОРНЫХ РАБОТ
Часть 3. Электричество и магнетизм
Новосибирск, 1988
2. ЭЛЕКТРИЧЕСКИЙ ТОК
Лабораторная работа 2.2
НЕСАМОСТОЯТЕЛЬНЫЙ РАЗРЯД В ГАЗАХ
Цель работа - изучение несамостоятельного разряда и измерение электрически характеристик воздуха, ионизованного α - частицами.
Проводимость (Здесь и далее вместо термина "удельная проводимость" используются "проводимость" и "электропроводность". ) газа в нормальных условиях
очень мала σ ≈ 10−15 Ом−1см−1 ) и обусловлена наличием в нем небольшого числа ионов и электронов, образованных при ионизации атомов газа под действием космических лучей и естественной радиоактивности земной коры. Ионизация газа может возникать также под действием высоких температур, рентгеновских лучей, радиоактивных излучений, в результате столкновений атомов газа между собой, с электронами и другими быстрыми частицами. Во всех этих случаях происходит отрыв от атома газа одного или нескольких электронов. Атомы при этом превращаются в положительные ионы, а свободные электроны, соединяясь с нейтральными атомами (молекулами), образуют отрицательные ионы. Если образование ионов происходит только под действием внешнего ионизатора, то такой газовый разряд и соответствующая ему проводимость называются несамостоятельными /I/, /3/.
Для изучения несамостоятельной проводимости воздуха в данной работе используется установка, схема которой приведена на рисунке.
Вентилятор питаемый от специального источника, протягивает ионизованный энергичными α -частицами воздух через измерительный конденсатор, выполненный в виде двух коаксиальных цилиндров, между которыми приложена разность потенциалов, создаваемая источником пилообразного напряжения. Под действием
электрического поля E& ионы движутся к обкладкам конденсатора в соответствии со знаком их заряда и полярностью напряжения генератора. Ионный ток измеряется с помощью измерителя малых токов (ИМТ-0,5), выход которого подключен к входу Y самопишущего двухкоординатного потенциометра, на вход X которого подается линейно меняющееся напряжение генератора пилы. Таким образом производится автоматическая запись вольт - амперной характеристики датчика на диаграммную ленту.
Схематическое изображение установки для изучения несамостоятельного разряда в газах: 1 – источник α - частиц; 2 - измерительный цилиндрический конденсатор; 3 - вентилятор; 4 - измеритель малых токов
Объяснить полученную вольт - амперную характеристику можно исходя из dq dt определяется
плотностями тока источника ju и стока jc , т.е.
dqdt ≈ ju + jc .
При установившемся режиме dqdt =0 и, следовательно, ju = jc
Ток источника (поступление ионизованного α -источником воздуха) в данном эксперименте постоянный. Сток заряженных частиц образуется за счет их взаимной рекомбинация
I p ≈ kn2
движения заряженных частиц под действием электрического поля
Inp ≈envd
(ток проводимости), выноса заряженных частиц с потоком воздуха In и диффузии
заряженных частиц на стенки I g . Здесь k - коэффициент рекомбинация, n - число заряженных частиц в единице объема, U d =bE& - скорость дрейфа заряженных частиц
под действием поля E& . Если поле в датчике настолько велико, что ионы достигает электродов, не успевая рекомбинировать и пройти через весь конденсатор с потоком воздуха, то наблюдается режим насыщения, т.е. ток источника равен току насыщения
Iu = Ik
Когда рекомбинация и уход заряженных частиц на стенки по различным причинам малы, но электрическое поле недостаточно велико, чтобы уловить все ионы, попавшие в конденсатор, в измерительном конденсаторе существует режим омической проводимости
Inp± ≈en±b± E
или
Inp ≈σ ± E
где σ + и σ − - проводимость воздуха при положительном и отрицательном напряжении на коллекторе зарядов соответственно. В переходной области Inp, In, Ig, Ip соизмеримы, т.е. для выполнения закона Ома в газах необходимы следующие условия:
Концентрация заряженных частиц в области проводимости достаточно высокая
и не зависит от величины поля.
Поле, создаваемое электродами, больше поля, образованного самими заряженными частицами.
Подвижность заряженных частиц не зависит от внешнего поля.
Электропроводность σ ± среды в этом случае не зависит от величины поля и легко определяется из участка вольт – амперной характеристики, на которой выполняется закон Ома. Оценить концентрацию ионов можно по величине тока насыщения, скорости потока воздуха Un и входному сечению конденсатора S
In=enUnS
Задания
1. Соберите схему по рисунку. Запишите 3-4 вольт - амперные характеристики несамостоятельного разряда для различных скоростей протяжки воздуха. Объясните полученные кривые.
2. Определите: а) электропроводность ионизованного воздуха σ + и σ − , б) отношение подвижностей отрицательных и положительных ионов b− b+ ; в) концентрацию ионов n . Оцените ошибки.
Контрольные вопросы
1. Оцените количество ионов, образуемых α - частицами источника за 1 с. Какой максимальный ток проводимости в газе мог бы обеспечить используемый в работе α - источник?
2.Объясните схему образования отрицательного иона. Оцените максимальное количество электронов, которое мог бы присоединить к себе дополнительно нейтральный атом водорода.
3.В работе используется цилиндрический измерительный конденсатор. Что изменится, если заменить его на плоский?
Интернет версия подготовлена на основе издания: Описание лабораторных работ. Часть3. Электричество и магнетизм. Новосибирск: Изд-во, НГУ, 1988
Физический факультет НГУ,1999
Лаборатория электричества и магнетизма НГУ,1999,http://www.phys.nsu.ru/electricity/