Страница 190 - гдз по физике 11 класс учебник Касьянов

В О П Р О С Ы

1. В чём отличие несамостоятельного и самостоятельного разрядов?

В чём отличие несамостоятельного и самостоятельного разрядов?

Электрический разряд в газе — это процесс протекания электрического тока через газовую среду. Разряды делятся на два основных типа: несамостоятельные и самостоятельные. Их главное отличие заключается в механизме, который поддерживает наличие свободных носителей заряда (электронов и ионов) в газе.

Несамостоятельный разряд

Этот тип разряда существует только при наличии внешнего ионизатора — фактора, который создаёт свободные электроны и ионы в газе извне. Таким ионизатором может быть:

• Нагревание газа до высокой температуры.
• Облучение газа ультрафиолетовыми, рентгеновскими или радиоактивными лучами.
• Нагрев катода (термоэлектронная эмиссия).

В несамостоятельном разряде электрическое поле, приложенное к газу, лишь направляет движение уже созданных внешним ионизатором зарядов, создавая ток. Если убрать действие внешнего ионизатора, то носители заряда быстро рекомбинируют (электроны и ионы соединяются в нейтральные атомы), и разряд немедленно прекращается.

Самостоятельный разряд

Этот тип разряда, однажды возникнув, способен поддерживать себя сам, без помощи внешнего ионизатора. Для его существования необходимо достаточно сильное электрическое поле.

Основной механизм поддержания самостоятельного разряда — это ударная ионизация. Электроны, ускоренные сильным электрическим полем, приобретают кинетическую энергию, достаточную для того, чтобы при столкновении с нейтральным атомом или молекулой газа выбить из неё один или несколько электронов. В результате одного столкновения вместо одного свободного электрона появляются два (или больше) и положительный ион. Эти новые электроны также ускоряются полем и, в свою очередь, ионизируют другие атомы. Этот лавинообразный процесс называется электронной лавиной. Именно он обеспечивает постоянное восполнение носителей заряда, необходимых для поддержания тока.

Ключевые отличия:

1. Источник носителей заряда: В несамостоятельном разряде носители заряда создаются внешним ионизатором. В самостоятельном разряде они создаются за счет внутренних процессов в самом газе (ударная ионизация) под действием сильного электрического поля.
2. Условие существования: Несамостоятельный разряд прекращается сразу после отключения внешнего ионизатора. Самостоятельный разряд продолжается до тех пор, пока приложенное напряжение достаточно велико для поддержания ударной ионизации.
3. Напряженность электрического поля: Несамостоятельный разряд может существовать при относительно слабых полях. Самостоятельный разряд возникает и поддерживается только при напряженности поля выше некоторого критического значения (напряжение пробоя).

Ответ: Главное отличие состоит в том, что несамостоятельный разряд существует только под действием внешнего источника ионизации (например, ультрафиолетового излучения), который создаёт носители тока. Самостоятельный разряд поддерживает себя сам за счёт процесса ударной ионизации, при котором электроны, разогнанные сильным электрическим полем, ионизируют атомы газа, создавая таким образом новые носители тока. Поэтому несамостоятельный разряд прекращается при устранении внешнего ионизатора, а самостоятельный — нет, пока поддерживается достаточно высокое напряжение.

2. Сформулируйте условия пробоя газа высокого давления и разреженного газа.

Электрический пробой газа — это явление резкого увеличения электропроводности газа под действием сильного электрического поля, в результате чего газ превращается в плазму и начинает проводить электрический ток. Условия пробоя существенно различаются для газов высокого и низкого давления.

Условия пробоя газа высокого давления

Пробой газа при высоком давлении (например, при атмосферном давлении) связан с механизмом ударной ионизации и развитием электронных лавин.

1. Сильное электрическое поле. При высоком давлении плотность газа велика, а значит, средняя длина свободного пробега электронов $\lambda$ мала. Чтобы электрон успел набрать энергию, достаточную для ионизации атома или молекулы при столкновении (энергию ионизации $W_i$), необходимо очень сильное электрическое поле с напряженностью $E$.

2. Ударная ионизация. Основное условие для начала пробоя — энергия, которую электрон получает от поля на длине свободного пробега, должна быть не меньше энергии ионизации:

$e \cdot E \cdot \lambda \ge W_i$

где $e$ — элементарный заряд. Когда это условие выполняется, свободный электрон, ускоренный полем, сталкивается с нейтральной частицей и выбивает из нее еще один электрон. В результате вместо одного электрона появляются два, а также положительный ион.

3. Развитие электронной лавины. Оба электрона (первичный и вторичный) снова ускоряются полем и ионизируют другие атомы. Процесс приобретает лавинообразный характер. Возникает электронная лавина, которая движется к аноду. Когда концентрация заряженных частиц в лавине достигает критического значения, она превращается в стример (канал ионизированного газа), который замыкает межэлектродный промежуток, вызывая пробой. Визуально это проявляется как искра.

Ответ: Пробой газа высокого давления происходит при наличии очень сильного электрического поля, напряженность которого достаточна для того, чтобы свободные электроны на малой длине своего свободного пробега приобретали кинетическую энергию, равную или превышающую энергию ионизации атомов (молекул) газа, что приводит к развитию электронной лавины и возникновению искрового разряда.

Условия пробоя разреженного газа

В разреженном газе (при низком давлении) плотность частиц мала, и средняя длина свободного пробега электронов $\lambda$ велика. Механизм пробоя здесь иной и ключевую роль играют процессы на катоде.

1. Длинный свободный пробег. Электроны легко набирают энергию, достаточную для ионизации, даже в относительно слабом поле. Однако из-за низкой плотности газа вероятность столкновения электрона с молекулой мала. Поэтому одного лишь условия $e \cdot E \cdot \lambda \ge W_i$ недостаточно.

2. Вторичная электронная эмиссия. Ключевым для пробоя разреженного газа является процесс самоподдержания разряда. Электрон, вылетевший из катода, создает электронную лавину, движущуюся к аноду. Положительные ионы, образовавшиеся в этой лавине, движутся к катоду. Ударяясь о поверхность катода, они могут выбить из него новые (вторичные) электроны. Этот процесс называется вторичной электронной эмиссией.

3. Условие самоподдержания разряда. Пробой происходит тогда, когда разряд становится самоподдерживающимся. Это означает, что каждая первичная электронная лавина должна порождать в среднем хотя бы один новый электрон, выбитый из катода положительными ионами (или фотонами, испущенными возбужденными атомами). Если $\gamma$ — среднее число вторичных электронов, выбиваемых одним ионом, а $N_i$ — число ионов, созданных в одной лавине, то условие пробоя имеет вид:

$\gamma \cdot N_i \ge 1$

При выполнении этого условия число носителей заряда в разрядном промежутке начинает лавинообразно нарастать, и возникает самостоятельный разряд, обычно в форме тлеющего разряда.

Зависимость напряжения пробоя $U_{пробоя}$ от произведения давления $p$ на расстояние между электродами $d$ описывается законом Пашена. Существует минимальное напряжение пробоя при определенном значении $pd$. При очень низких давлениях (малых $pd$) пробой затруднен, так как электроны могут пролететь от катода к аноду, не совершив ни одного ионизирующего столкновения.

Ответ: Пробой разреженного газа происходит при условии, что разряд становится самоподдерживающимся. Это достигается, когда каждая электронная лавина, инициированная одним электроном, порождает такое количество положительных ионов, которое, достигнув катода, выбивает из него в среднем не менее одного нового вторичного электрона, способного начать следующую лавину.

3. В чём отличие тлеющего и дугового разрядов?

Тлеющий и дуговой разряды являются двумя основными типами самостоятельного газового разряда, но они существенно различаются по своим физическим характеристикам, условиям возникновения и внешнему виду. Основные отличия заключаются в следующем:

• Условия возникновения (давление, ток, напряжение):

  Тлеющий разряд возникает при низких давлениях газа (от долей до десятков Торр) и относительно небольших токах (от микроампер до единиц ампер). Для его поддержания требуется высокое напряжение (сотни и тысячи вольт).

  Дуговой разряд, напротив, характеризуется очень большими токами (от единиц до сотен тысяч ампер) и низким напряжением горения (десятки вольт). Он может существовать в широком диапазоне давлений, в том числе при атмосферном и выше. Дуговой разряд часто возникает из тлеющего при увеличении тока выше определенного предела.

• Механизм эмиссии электронов с катода:

  В тлеющем разряде основной механизм — это вторичная электронная эмиссия. Положительные ионы, ускоренные сильным полем у катода, выбивают из него электроны. При этом катод остается относительно холодным.

  В дуговом разряде доминирует термоэлектронная эмиссия. Катод под действием интенсивной бомбардировки ионами раскаляется до очень высокой температуры (тысячи градусов) и начинает испускать электроны, подобно нити накала в лампе. Это обеспечивает высокую плотность тока.

• Температура плазмы:

  Тлеющий разряд — это пример неравновесной («холодной») плазмы. В нем температура электронов ($T_e$) очень высока (десятки тысяч кельвинов), в то время как температура тяжелых частиц (ионов и нейтральных атомов, $T_g$) остается низкой, близкой к комнатной.

  Дуговой разряд — это равновесная («горячая») плазма. Температуры всех компонент плазмы (электронов, ионов, атомов) примерно одинаковы и очень высоки (несколько тысяч кельвинов).

• Внешний вид и плотность тока:

  Тлеющий разряд при низких давлениях заполняет почти весь объем разрядной трубки, имеет сложную структуру (темные и светлые области) и низкую плотность тока. Свечение обычно неяркое, «тлеющее».

  Дуговой разряд имеет вид очень яркого, ослепительного шнура (столба дуги), стянутого между электродами. Плотность тока в нем чрезвычайно высока, особенно в прикатодной области (катодном пятне).

• Применение:

  Тлеющий разряд используется в газоразрядных лампах (неоновые вывески, люминесцентные лампы), в газовых лазерах, для плазменного напыления и травления в микроэлектронике.

  Дуговой разряд применяется в электросварке, в дуговых сталеплавильных печах, в мощных источниках света (дуговые лампы, прожекторы), в плазмотронах для резки металлов.

Ответ:

Ключевое отличие тлеющего разряда от дугового заключается в механизме эмиссии электронов с катода и, как следствие, в плотности тока и температуре. В тлеющем разряде эмиссия происходит за счет выбивания электронов ионами с холодного катода (вторичная эмиссия), что приводит к малым токам, высокому напряжению и «холодной» плазме. В дуговом разряде катод раскален добела, и электроны испускаются за счет высокой температуры (термоэлектронная эмиссия), что обеспечивает огромные токи при низком напряжении и формирование «горячей», очень яркой плазмы.

4. Поясните принцип действия плазменного экрана.

Принцип действия плазменного экрана, или плазменной панели (PDP), основан на использовании маленьких ячеек, содержащих ионизированный газ — плазму. По сути, каждый пиксель на экране представляет собой миниатюрную флуоресцентную лампу.

Структура плазменной панели

Экран представляет собой матрицу, состоящую из миллионов микроскопических ячеек (капсул), расположенных между двумя параллельными стеклянными пластинами. Каждый элемент изображения, пиксель, формируется группой из трех таких ячеек, называемых субпикселями. Каждый субпиксель отвечает за один из трех основных цветов аддитивной цветовой модели RGB: красный (Red), зеленый (Green) и синий (Blue).

Принцип работы ячейки (субпикселя)

Процесс создания света в каждой отдельной ячейке происходит в несколько этапов:

• Внутри каждой ячейки находится смесь инертных газов (обычно неон и ксенон) под низким давлением. Внутренние стенки ячейки покрыты специальным веществом — люминофором. Для красного, зеленого и синего субпикселей используются разные типы люминофора, которые светятся соответствующим цветом.
• К каждой ячейке подведена система прозрачных электродов. Когда управляющая электроника подает на электроды определенной ячейки электрическое напряжение, в газе возникает электрический разряд.
• Под действием электрического поля газ в ячейке ионизируется и переходит в состояние плазмы. Плазма — это частично или полностью ионизированный газ, состоящий из ионов, электронов и нейтральных атомов.
• В плазме происходит активное движение заряженных частиц. Сталкиваясь друг с другом, возбужденные атомы инертного газа (например, ксенона) излучают энергию в виде фотонов ультрафиолетового (УФ) света. Это излучение невидимо для человеческого глаза.
• Ультрафиолетовые фотоны, испускаемые плазмой, попадают на люминофорное покрытие стенок ячейки. Люминофор поглощает невидимое УФ-излучение и переизлучает его энергию уже в виде видимого света. Цвет свечения (красный, зеленый или синий) зависит от химического состава люминофора в конкретном субпикселе.

Формирование изображения

Полноценное цветное изображение на экране создается путем комбинирования свечения субпикселей. Яркость каждого субпикселя точно контролируется путем изменения количества и частоты электрических импульсов, подаваемых на его электроды. Чем интенсивнее электрический разряд, тем больше УФ-излучения генерирует плазма и тем ярче светится люминофор. Смешивая в разных пропорциях яркость красного, зеленого и синего субпикселей внутри одного пикселя, можно получить практически любой оттенок цвета. Электроника дисплея с очень высокой скоростью обновляет состояние всех пикселей на экране, что позволяет формировать четкое и динамичное изображение.

Ответ: Принцип действия плазменного экрана заключается в следующем: экран состоит из миллионов микроячеек, заполненных инертным газом. При подаче электрического напряжения на ячейку газ в ней ионизируется, превращаясь в плазму, которая излучает ультрафиолетовый свет. Этот невидимый свет попадает на люминофорное покрытие стенок ячейки, заставляя его светиться видимым цветом (красным, зеленым или синим). Управляя яркостью свечения каждого субпикселя, на экране формируется полноцветное изображение.