Ионизация и рекомбинация
Включай источник ионизации и продвигай время. Сравни рост числа носителей с их исчезновением.
Схему можно прокрутить вбок. Все значения повторены в расчёте ниже.
Качественная модель dN/dt = G − λN с λ = 0,5; линейный член объединяет уход и потери. Это не количественный закон рекомбинации плазмы и не модель пробоя. Условные носители показаны парами.
Ионизация: появляются заряженные частицы
Обычный газ состоит преимущественно из нейтральных атомов или молекул и проводит ток слабо. Ионизатор — нагревание, излучение или другой процесс — может создавать электроны и положительные ионы. В некоторых газах электроны также присоединяются к нейтральным частицам, образуя отрицательные ионы.
Обратный процесс — рекомбинация: носители соединяются с образованием нейтральных частиц. Проводимость определяется балансом рождения, рекомбинации и ухода носителей к электродам.
Ионизация
Создаёт носители
Поле
Организует направленный перенос
Рекомбинация
Уменьшает число свободных носителей
Газовый ток требует появления и поддержания достаточного числа заряженных частиц.
Почему газ может снова плохо проводить после удаления ионизатора?
Носители рекомбинируют и уходят к электродам, а новые уже не образуются с прежней скоростью.
Разряд: внешний ионизатор нужен не всегда
Несамостоятельный разряд существует, пока носители создаются внешним ионизатором. В самостоятельном разряде процессы внутри разряда поддерживают образование носителей. Ударная ионизация может возникать, когда электроны получают от поля достаточно энергии между столкновениями.
Порог зависит от газа, давления, расстояния между электродами и их состояния. Нельзя характеризовать пробой одним универсальным напряжением. Большое поле и достаточный путь разгона действуют совместно.
| Разряд | Что поддерживает носители |
|---|---|
| Несамостоятельный | Внешний ионизатор |
| Самостоятельный | Процессы самого разряда |
| Прекращение питания | Обычно приводит к затуханию и рекомбинации |
Самостоятельный разряд не означает независимости от источника энергии.
Почему лавина не создаёт энергию из ничего?
Энергию для ионизации электроны получают от электрического поля, поддерживаемого источником.
Разряд в плазменной лампе
Светящиеся каналы в разреженном газе связаны с электрическим разрядом. Видимое свечение сопровождает процессы возбуждения и возвращения частиц в состояния меньшей энергии.
Luc Viatour · CC BY-SA 3.0 · Источник. Без изменений.
Изображение временно недоступно. Ссылка на источник находится выше.
Генератор Ван де Граафа
Достаточно сильное поле может вызвать ионизацию воздуха. Возникновение разряда зависит от давления, геометрии и состава газа.
Jared C. Benedict · CC BY-SA 3.0 · Источник. Без изменений.
Изображение временно недоступно. Ссылка на источник находится выше.
Виды: условия определяют картину
Искровой разряд кратковременно создаёт проводящий канал; пример — электрическая искра. Дуговой разряд связан с большим током и высокой температурой канала. Тлеющий разряд характерен для определённых условий пониженного давления, коронный — для резко неоднородного поля возле электродов.
Названия относятся к режимам, а не к разным фундаментальным носителям. В реальных устройствах возможны переходы между режимами. Фото помогает увидеть проявление, но не даёт полных значений поля, тока и давления.
| Вид | Характерная особенность |
|---|---|
| Искровой | Краткий канал пробоя |
| Дуговой | Большой ток и горячий канал |
| Тлеющий | Свечение при подходящем пониженном давлении |
| Коронный | Область сильного неоднородного поля |
Тип газового разряда определяют по условиям и механизму поддержания.
Почему острый электрод облегчает коронный разряд?
Около острия поле может быть существенно сильнее среднего поля в большом зазоре.
Плазма: коллективная заряженная среда
Плазма — ионизированная среда с коллективным поведением заряженных частиц, обычно квазинейтральная в достаточно больших объёмах. Она может содержать также нейтральные частицы. Квазинейтральность не исключает токов, полей и локального разделения заряда.
Интерактив показывает качественный баланс носителей при включении и выключении ионизации. Условные коэффициенты не предсказывают реальный пробой. Модель помогает понять, почему число носителей может расти, стабилизироваться или уменьшаться.
Источник носителей
Ионизация
Механизмы потерь
Рекомбинация и уход
Баланс
Изменение числа свободных частиц
Плазма не обязана быть полностью ионизированной и не сводится просто к очень горячему газу.
Может ли квазинейтральная плазма проводить ток?
Да. Средний баланс положительного и отрицательного заряда не препятствует их направленному движению.
Шесть выводов
Тест · 10 вопросовОдин правильный ответ в каждом вопросе
Сначала изучи модель и конспект. За каждый верный ответ — 0,5 балла, максимум — 5. После проверки откроются пояснения.
Учебный источник и иллюстрации
Основа: предоставленный учебник «Физика, 10 класс», § 36. Тема и содержание сверены с файлом «10 класс. Физика — § 36. Электрический ток в газах. Плазма.pdf». Объяснения, расчётные примеры и модели подготовлены для этого конспекта. Дополнительные зависимости в моделях отмечены отдельно.
Изображения загружаются непосредственно из интернета. Авторство и лицензии указаны под каждой иллюстрацией. Размеры и цвета учебных схем условны; ограничения каждой модели указаны рядом.