6. Изучение электропроводности твердых тел с помощью пакета программ “Открытая физика”

Запустите компьютерную программу Открытая физика (версия 2.6) часть 2 и откройте в Содержании разделы “Постоянный электрический ток, 1.12. Электрический ток в металлах и 1.13. Электрический ток в полупроводниках”. Ознакомьтесь с теоретическим материалом.

Контрольные вопросы

1. Дайте определение тока, силы и плотности тока. Какие из этих величин являются векторными?

2. Дайте определение подвижности носителей заряда, электрического сопротивления, удельного сопротивления и удельной электрической проводимости. В каких единицах они измеряются?

3. Дайте определение проводника и полупроводника. Что такое энергия активации полупроводника. Как ее можно определить?

4. Поясните механизм зависимости сопротивления от температуры для проводников и чистых полупроводников.

Лабораторная работа № 2.4 релаксационный генератор на основе тиратрона

Цель работы: Изучение самостоятельного газового разряда и ознакомление с принципом работы газоразрядных приборов.

Приборы и принадлежности: источник питания, реостат, тиратрон, резисторы различных сопротивлений, конденсаторы различных ёмкостей, вольтметр, электронный осциллограф АСК-1011, секундомер, соединительные провода.

Литература: [1-5]

План работы:

1. Изучение тлеющего разряда.

2. Изучение принципа работы газоразрядных приборов.

3. Изучение устройства и принципа работы релаксационного генератора на основе тиратрона.

4. Изучение экспериментальной установки.

5. Измерение потенциалов зажигания и гашения тиратрона.

6. Измерение периода релаксационных колебаний секундомером.

7. Измерение периода релаксационных колебаний с помощью осциллографа.

8. Измерение емкости батареи конденсаторов.

9. Изучение квазистационарных процессов в RC-цепях с помощью пакета программ “Открытая физика”

1. Тлеющий разряд в газах

Прохождение электрического тока через газ называется электрическим разрядом в газе или газовым разрядом.

Электрический разряд в газе, сохраняющийся после прекращения действия внешнего ионизатора, называется самостоятельным газовым разрядом. Для его осуществления необходимо, чтобы в результате самого разряда в газе непрерывно образовывались носители тока. Основным источником их возникновения является ударная ионизация молекул газа.

Если электропроводность газа создается и поддерживается за счет действия внешнего источника ионизации, то происходящий при этом электрический разряд в газе называется несамостоятельным газовым разрядом. Несамостоятельный газовый разряд прекращается, как только прекращается действие внешнего ионизатора.

Существует несколько различных видов самостоятельного разряда в газах, которые отличаются друг от друга как по внешнему виду, так и по характеру физических процессов, обусловливающих их возникновение и протекание. К ним относятся тлеющий, коронный, искровой, дуговой и другие разряды.

Тлеющий разряд представляет собой один из видов стационарного самостоятельного разряда в газах, обычно наблюдающегося при низких давлениях газа порядка нескольких кПа и меньше. Он происходит в разрядных трубках с холодным катодом и отличается малой плотностью тока на катоде и большим падением потенциала (порядка сотен вольт) в области разряда около катода. На рис.4.1 изображена трубка с тлеющим разрядом и показано распределение потенциала вдоль ее оси.

О сновными частями тлеющего разряда являются: катодное темное пространство (область І), резко отделенное от него отрицательное, или тлеющее свечение (область ІІ), которое постепенно переходит в область фарадеева темного пространства (область ІІІ). Эти три области образуют катодную часть разряда, за которой следует основная светящаяся часть разряда, определяющая его оптические свойства и называемая положительным столбом (область IV).

Основную роль в поддержании тлеющего разряда играют первые две области его катодной части. Резкое падение потенциала вблизи катода связано с большой концентрацией положительных ионов на границе областей Ι и ΙΙ, обусловленной сравнительно малой скоростью движения ионов к катоду. В катодном темном пространстве происходит ускорение электронов и положительных ионов, выбивающих электроны из катода. В области тлеющего свечения электроны производят интенсивную ударную ионизацию молекул газа и теряют свою энергию. Здесь образуются положительные ионы, необходимые для поддержания разряда. Напряженность электрического поля в этой области мала. Тлеющее свечение в основном вызывается рекомбинацией электронов и ионов. Протяженность катодного темного пространства определяется свойствами газа и материала катода.

В области положительного столба концентрация электронов и ионов приблизительно одинакова и очень велика, что обуславливает высокую электропроводность положительного столба и незначительное падение в нем потенциала. Свечение положительного столба определяется свечением возбужденных молекул газа. Вблизи анода вновь наблюдается сравнительно резкое изменение потенциала, связанное с процессом генерации положительных ионов. В ряде случаев положительный столб распадается на отдельные светящиеся участи – страты, разделенные темными промежутками. Положительный столб не играет существенной роли в поддержании тлеющего разряда. Поэтому при уменьшении расстояния между электродами трубки длина положительного столба сокращается и он может исчезнуть совсем.

Иначе обстоит дело с длиной катодного темного пространства, которая при сближении электродов не изменяется. Если электроды сблизить на столько, что расстояние между ними станет меньше длины катодного темного пространства, то тлеющий разряд в газе прекратиться. Опыты показали, что при прочих равных условиях длина катодного темного пространства обратно пропорциональна давлению газа. Следовательно, при достаточно низких давлениях электроны, выбиваемые из катода положительными ионами, проходят через газ почти без столкновений с его молекулами, образуя катодные лучи.

Тлеющий разряд используется в газосветных трубках, лампах дневного света, стабилизаторах напряжения, для получения электронных и ионных пучков.