Дәріс. Электр доғасының физикалық сипаттамасы

Электродоғасы – қатты дене немесе біреуі қатты дене екіншісі сұйық зат екі эктродтар аралығында ауа арқылы өткен тянақты электр ағымы. Әдеттегі жағдайда ауа электр тогын өткізбейтіні белгілі. Сондықтан екі электрод аралығындагы ауа электр тогін өткізгіш болуы үшін ауа молекулаларын иондандыру қажет. Газды ортада қалыптасқан электрдоғасының ток тығыздығы жоғары, температурасы жоғары, электродтар аралығындағы кернеу төмен шамалы болып келеді. Газды ортаны электр тогін өткізгіш қабілетті ету үшін газды иондандыру қажет, иондандырудың бірнеше тәсілдері бар. Олар:

- соқтығыс арқылы иондандыру;

- сәуле әсерімен иондандыру (фотоиондандыру);

- қыздыру арқылы иондандыру (термиялық иондандыру).

Иондану процесінде атомның электроны (немесе электрондары) ядродан бөлініп шығып еркін қозғалысты жағдайға көшеді. Электронды атом ядросынан ажырату үшін белгілі мөлшерлі энергия қарышталуы шарт және бұл энергияны иондандыру жұмысы деп атайды. Иондандыру жұмысы электрон-вольт бірлігімен өлшенеді. Электрон-вольт дегеніміз электронның 1 вольт потенциал айырмашылығы әсерімен иемденетін энергиясы.

1 вольт-электрон вт. сек. эрг.

Атомды иондандыруға қажетті иондандыру жұмысын иондандыру потенциалы деп атайды. Атом соқтығысу арқылы иондануы үшін электронның кинетикалық энергиясы иондану жұмысына тең немесе одан артық болуы керек, яғни

, (6)

 

мұндағы – иондандыру жұмысы;

m – электрон массасы, 9,11·10^-28 г;

V – электрон жылдамдығы м/с;

Сәуле энергиясының кванты да атомды иондандырады, ол үшін сәуле энергиясының квант әсері иондандыру жұмысына тең болуы шарт, демек

 

hν=еU, (7)

 

мұндағы һ – Планк тұрақты саны (6,54·10^-27 эрг/сек.);

ν – тербеліс жиілігі.

Фотоиондану орын алуы үшін газ атомдары жоғары жиілікті толқынды сәуле әсерін алуы керек.

Қыздыру әсерінен, демек термиялық иондану орын алуы үшін төменде келтірілген шарт орындалуы керек

, (8)

 

мұндағы к – Больцман тұрақты саны (1,36.10~¹⁶ эрг/град.);

Т – газ температурасы, К.

Берілген көлемді газ атомдарын толық иондандыру үшін өте жоғары температураға ( 10⁴ К) қыздыру керек.

Электрдоғасындағы газдың электртогін өткізгіштігі ондағы электр зарядты элементарлық бөлшектер – электрон және иондар болуымен байланысты. Бұлар негізінен газдың термиялық иондану нәтижесінде қалыптасады. Нейтральды атом, электрондар, иондар аралас қалыптасқан көлемді аумақ плазма болып аталады. Электрдоғасында оның нәрлендіргіштен алған энергиясы плазмадағы элементарлық бөлшектердің кинетикалық, потенциальдық энергиясына ауысады және бұл энергиялар өз кезегінде элекродтарға беріледі, бір бөлігі электрмагниттік сәулеге – фотондарға айналады да доға аумағынан сырт кетеді. Электродтар аралығындағы ток өткізгіш газ арна қыйылған конус немесе цилиндр пішінді болады. Оның электродтардан әртүрлі қашықтықта қасиеті өзгеше болып келеді. Электродтарға тікелей жанасқан жұқа газ қабатының температурасы салыстырмалы төмен. Электродтардың полярлылығына сәйкес бұл жұқа газ қабатын доғаның катодтық және анодтық аумағы деп атайды. Жуық жорамалды көрсеткіштерге сәйкес катодтық аумақтың (ℓ_к) қалыңдығы нейтральды атомдардың еркін жүгірісінің бірнеше мәнімен өлшенетіндей, яғни ℓ_к = 10^-4÷10^-5 см. Анодтық аумақ электрон еркін жүгіріс шамасымен өлшемдес деп есептеледі де ℓ_а = 10^-3÷10^-4 см болып саналады. Екі электродтық аумақ аралығында доғаның басым ұзындылықты, температурасы аса жоғары аумағы орналасқан, бұл аумақты доғаның бағанасы деп атайды (4-сурет).

4-сурет. Электр доғасыньң сұлбасы

 

Доға кернеуі оның аумақтарында біркелкі болып үлестенбейді, керісінше кернеу шамасы доға аумақтарында әртүрлі шамалы болады. Кернеудің елеулі төмендеуі электродтық аумақтарда орын алады. Бұл осы аумақтардағы электр өрісінің кернеуінің жоғарылығын көрсетеді . Мысалы, катодтық аумақта қалындығы ℓ_к = 10^-5 см, кернеу төмендеуі U = 10÷20 В, электр өрісі кернеуі Е_к=2·10⁶ В/см болып келеді. Сәйкесті анодтық аумақта Е=10⁴В/см. Сондықтан электродтық аумақтарда өтетін үрдістер нәрлендіргіш электр энергиясын жылу энергиясына ауыстыру және оны электродтарға беруде бірінші дәрежелі роль атқарады.

Катод материалының қайнау температурасы жоғарылаған сайын температуралар айырмашылығы және катод аумағында кернеу шамасы салыстырмалы төмен болады. Басқа шарттар бір қалыпты сақталғанда вольфрам катодтың кернеуі 8-9 В, алюминий катодтың кернеуі 17-18 В болып келеді. Катод аумағының кернеуінің газ жылу өткізгіштігіне тәуелділігіде экспериментті дәлелденеді. Гелийдің жылу өткізгіштігі аргонның жылу өткізгіштігінен жоғары, сәйкесті гелий ағымында жалыданған доғаның катод жән анод аумағындағы кернеуі аргон ағымында жалындаған доғадан жоғары. Катод және анод аумағындағы кернеу шамасы алюминий буында темір буындағыдан жоғары, бұл аталған металдардың жылу өткізгіштігімен сәйкесті.

Тәжрибе көрсеткендей, катод аумағындағы газдың жылу өткізгіштік коэффициенті өссе, катодтың балқу жылдамдығы да өседі. Болат катодты ауада жалындаған доғада U_к = 14 В, U_в = 4,36 В, сондықтан әр Ампер токпен катодқа берілетін қуат,

 

Р_к = (14-4,36) = 9,64 Вт/А.

Бұл қуат 17,4 г/А∙сағ. болатты балқытуға жеткілікті. Іс жүзінде 14,5 г/А∙сағ. болат балқуы орын алады және 2 Вт/А катод материалын буландыруға қарышталады.