МИНИСТЕРСТВО ОБЩЕГО И ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ

НОВОСИБИРСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ

Фи з и ч е с к и й ф а к ул ь т е т

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 111510 −−−≈ смОмσ ) 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 про-водимость 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

закона сохранения заряда. Изменение заряда в единичном объеме dtdq определяется

плотностями тока источника uj и стока cj , т.е.

cu jjdtdq +≈ .

При установившемся режиме 0=dtdq и, следовательно, cu jj =

Ток источника (поступление ионизованного α -источником воздуха) в данном эксперименте постоянный. Сток заряженных частиц образуется за счет их взаимной рекомбинация

2knI p ≈

движения заряженных частиц под действием электрического поля

denvInp ≈

(ток проводимости), выноса заряженных частиц с потоком воздуха nI и диффузии заряженных частиц на стенки gI . Здесь k - коэффициент рекомбинация, n - число

заряженных частиц в единице объема, EbUd = - 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

ku II =

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

EbenInp±±± ≈

или

EInp±≈ σ

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 +− bb ; 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/