PhyExp Wiki Розряд Люмінесцентний Розряд
Вступ
Тлеючий розряд (2), сторінка 25 - явище, яке виникає за певних умов тиску та різниці потенціалів газів. Потім газ іонізується і утворює плазму (2) на стор. 11 (стан, дуже представлений у Всесвіті, а саме більше 99%), стан, в якому іони та електрони утворюють "суп", в основному нейтральний. За інших умов, які ми пояснимо пізніше, плазма може розподілятися, утворюючи смуги (1) (чергування темних зон і зони, багатої плазмою). Саме це явище ми пропонуємо вивчити тут, точніше розподіл смуг, а також умови появи тлеючого розряду.
Теорія
У цьому розділі ми спочатку пояснимо явища, що відбуваються під час тлеючого розряду, а потім з кількох формул, щоб зрозуміти зв'язки, що існують між різними параметрами, щоб мати можливість їх змінювати. .
Феномен
Різні регіони явища.
Нижче наведено зони, що послідовно перетинаються електронами (справа наліво на зображенні вище)
- Катодна область: накопичення позитивного заряду, який утворює світлову оболонку
- Кроккес Темний простір: електрони прискорюються, але їм не вистачає енергії для іонізації атомів/молекул, що знаходяться в трубці, значення електричного поля швидко зменшується в просторі.
- Негативне світіння: електрони мають достатньо енергії для створення іонізації, появи амбіполярного поля (електричного поля, протилежного прикладеному полю внаслідок делокалізації зарядів)
- Темний простір Фарадея: Електрони втратили енергію під час проходження в негативному світінні, вони знову починають прискорюватися (амбіполярне поле (1) зменшується, оскільки іони знаходяться на великій відстані від електронів)
- Позитивна колонка: Прибувши на певній відстані від негативного світіння, електрони знову придбали енергію, необхідну для іонізації середовища. Вони втрачають частку своєї енергії при зіткненні з молекулами газу і знову прискорюються повільніше, ніж у кінці темної зони, через слабке амбіполярне поле, викликане локальною іонізацією середовища. Тоді ми перебуваємо в темній зоні. Явище відтворюється, як тільки електрони відновлюють достатню швидкість тощо.
- Анодна область: Ми спостерігаємо те саме явище, що і для області катода.
Формули
Закон Пашена
Цей закон (4) передбачає існування порогу різниці потенціалів, з якого можлива поява плазми. Цей поріг безпосередньо залежить від добутку тиску та міжелектродної відстані.
- - тиск газу (в торр).
- - відстань між катодом і анодом (в см).
- і є константами, які залежать від природи газу та складу електродів.
Закон Гольдштейна-Венера
Цей закон (5) дає нам співвідношення між діаметром трубки, тиском і відстанню між 2 послідовними смугами (світла лінія + темний простір, див. Зображення вище) у випадку нерухомих смуг.
- - тиск (в Торр).
- - радіус (в см).
- це константа, яка залежить від природи газу і яка не така, як у закону Пашена.
Експериментальний протокол
Мета нашого досвіду
Ми спробуємо перевірити закони попередньої частини у випадку навколишнього повітря.
- Для закону Пашена ми спробуємо взяти різні значення $> для різних значень і, і спробуємо зіставити значення $> відповідно до закону Пашена як функцію добутку і отримати значення і особливо (лише з 2, які ми могли б знайти для повітря).
Обладнання
дивіться цифри на фотографії нижче
- [1] Циліндрична трубка довжиною 15 см і діаметром 3 см
phyexp/uploads/D% C3% A9charge/Montage.png "/>
фото збірки
Умова появи явищ
- Для появи тлеючого розряду: просто необхідно знаходитись на досить низькому тиску, щоб наш генератор міг застосувати різницю потенціалів, достатню для іонізації середовища.
Процес
- Регулювання відстані між електродами завдяки телескопічній трубці та затвору трубки
- Закриття клапана
- Низький тиск
- Регулювання тиску за допомогою регулювання клапана
- Як тільки досягається досить низький тиск (менше 10 торр), подається різниця потенціалів між електродами
- Здійснення вимірювань
- Зупинка генератора
- Зупинка насоса
- Відкриття клапана
- Відкриття трубки
Здійснення вимірювань
- Для смуг: Ми формуємо непрозорий "дзвіночок" навколо трубки, під якою ми маємо камеру. Камера розміщується перед трубкою зі стандартом, який добре видно на рівні трубки (або навіть візьміть саму трубку за стандарт, якщо її видно). Як тільки смуги з’являються, ми чекаємо, поки явище стабілізується, і робимо знімок. Потім ми можемо проаналізувати фотографію, щоб отримати відстань між смугами за допомогою програмного забезпечення, яке надає кількість пікселів між двома точками на фотографії, і завдяки стандарту повернутися до реальної відстані між 2 смугами. Попередньо ми переконуємось, що на фотографії видно кілька смуг, щоб мати можливість взяти за величину середнє значення тих, що записані на фото. У цих експериментах використовуються трубки довжиною 50 см для внутрішнього діаметра 3,4 та 4,3 см.
Спостереження, результати та невизначеності
Спостереження
На смугах
Цього можна досягти за допомогою труб, які в 6-7 разів перевищують діаметр. Ми не змогли отримати абсолютно стабільний розрядний розряд. Однак нам вдалося спостерігати стабільні "зони" протягом приблизно десяти секунд (див. Ліву частину трубки у другому відео нижче приблизно 15 секунд). Це стабільні ділянки, які ми зробили на фотографіях і які використаємо в наступній частині. На трьох фотографіях нижче білі фігурні дужки використовуються для позначення даної області.
phyexp/uploads/D% C3% A9charge/SGT1.png "/>
Зображення 1: Смуги в трубці діаметром 4,3 см при 0,19 торр
phyexp/uploads/D% C3% A9charge/SGT2.png "/>
Зображення 2: Смуги в трубці діаметром 4,3 см при 0,16 торр
phyexp/uploads/D% C3% A9charge/SPT1.png "/>
Зображення 3: Смуги в трубці діаметром 3,4 см при 0,085 торр
Для появи плазми
Ми спостерігаємо, що плазма не з'являється до певного порогового напруги, як ми очікували після нашого теоретичного дослідження. Ми бачили, що напруга, при якій з’являється ця плазма, як очікується, залежить від тиску та відстані між електродами. Ми також мали можливість вивчити наявність або відсутність циклу гістерезису (стійкість явища, коли причина, яка його спричиняє, припиняється.) Між вимкненням до тлеючого розряду та "іншим способом".
Результати
Розподіл смуг у трубці - закон Гольдштейна-Венера
Напруга початку плазми - закон Пашена
Спочатку ми приймали порогові значення напруги протягом декількох днів. Потім ми побудували криву на Matlab і хотіли досягти відповідності завдяки cftool з інструкцією дотримуватися закону Пашена, представленому у розділі теорії вище. Як ми бачимо на малюнку нижче, він не був дуже успішним. Однак на цьому графіку ми бачимо, що між ними існує кілька різних груп, очевидно, послідовних значень.
Тоді нам порадили скласти графіки, що відповідають значенням, взятим разом (принаймні того самого дня), оскільки атмосферні умови (зокрема, гідрометрія) можуть впливати на поріг. Потім ми розділили наші цінності на групи (які всі ми взяли разом, менше ніж за 20 хвилин). Ось що ми отримуємо:
phyexp/uploads/D% C3% A9charge/c1.png "/>
Графік 1 (Беремо 12 значень тиску для D = 11,8 см)
phyexp/uploads/D% C3% A9charge/c2.png "/>
Графік 2 (Беремо 11 значень тиску для D = 11,4 см)
phyexp/uploads/D% C3% A9charge/c3.png "/>
Графік 3 (Беремо 10 значень тиску для D = 7,85 см)
phyexp/uploads/D% C3% A9charge/c4.png "/>
Графік 4 (Беремо 11 значень тиску для D = 6,6 см)
phyexp/uploads/D% C3% A9charge/c5.png "/>
Графік 5 (Беремо 9 значень тиску для D = 5,2)
phyexp/uploads/D% C3% A9charge/c6.png "/>
Графік 6 (Беремо 10 значень тиску для D = 9,2)
phyexp/uploads/D% C3% A9charge/c7.png "/>
Графік 7 (Беремо 12 значень тиску для D = 10,35 см)
Графік 8 (Беремо 8 значень тиску для D = 8,7)
Ці графіки були отримані шляхом введення наступної інструкції:
Таблиця, що стосується значень і (див. Теоретичну частину) та надійності отриманого графіка, графік за графіком:
| графік n ° | R 2 | ||
| 1 | 315,8 | 0,456 | 0,877 |
| 2 | 350,1 | 0,283 | 0,617 |
| 3 | 451.4 | - 0,027 | 0,991 |
| 4 | 374 | -0,193 | 0,951 |
| 5 | 377 | 0,050 | 0,847 |
| 6 | 398,9 | 0,587 | 0,982 |
| 7 | 253,9 | -0,231 | 0,417 |
| 8 | 389 | 0,784 | 0,629 |
Невизначеності
Напруга на плазмі
- Для тиску: ми використовуємо формулу напівграду, поділену на $>
Ми наведемо тут лише максимальне значення цієї невизначеності (градуювання нашого манометра не є лінійним), що є достатнім для інтерпретації результатів:) $> Torr
- Для відстані між електродами: ми беремо до уваги той факт, що електроди потенційно не повністю паралельні, і тому ми беремо 2 мм невизначеності
Потім ми використовуємо закон поширення невизначеностей, щоб мати невизначеність:
Відстань між смугами
* Експериментальний
Для відстані, виміряної між хребтами: Ми робимо тип А, щоб знайти помилку.
* Теоретичний (закон Гольдштейна):
- Для тиску: як той, який бачили раніше
Потім ми поширюємо невизначеність таким чином: = \ sqrt \ right) ^ 2 + \ left (\ frac
\ праворуч) ^ 2 >> $$>
Аналіз
Розподіл показників та теоретичне порівняння
- У нас не було достатньо часу, щоб провести багато вимірювань зазору між смугами. Тому ми не можемо робити спроби, які дозволять нам знаходити експериментальні значення і. Ми також ніде не змогли знайти значення цих двох постійних для повітря, тому ми не можемо проводити кількісне порівняння закону та експерименту.
Форма кривої та значення коефіцієнтів закону Пашена
- Ми спробували одне і те ж вимірювання кілька разів (на відстані та постійному тиску), щоб перевірити наявність або відсутність гістерезису. Ми щоразу спостерігали, що значення напруги зникнення плазми є таким самим, як і зовнішнього вигляду, тому гістерезису немає.
Спосіб пояснити виниклі проблеми та піти далі
Щодо смуг
- Ми повинні мати можливість протестувати розрив між смугами для багатьох різних значень, що дозволило б нам мати достатньо значень, щоб ми могли відповідати кривій за допомогою matlab, щоб мати можливість дати експериментальні значення і .
- Нам довелося б знайти спосіб зробити смуги справді нерухомими, можливо, покращивши якість ізоляції нашої трубки, що зменшило б макроскопічні струми молекул, які потенційно можуть дестабілізувати явище.
Щодо кривої Пашена
- Щоб пояснити зміни від однієї кривої до іншої, той факт, що трубку можна змінити (згадано в попередньому параграфі), все ще здається вірогідним.
- Ще однією ідеєю, про яку згадували, є той факт, що атмосферні умови (7) змінювались від однієї маніпуляції до іншої (зокрема, гідрометрія).
Додаток: Електрична дуга
Під час експериментів ми випадково спостерігали явище, близьке до розжарювання, електричної дуги. Це явище полягає у безперервності тлеючого розряду, воно з’являється або тоді, коли інтенсивність на висновках електродів досить різко зростає (див. Криву нижче), або коли тиск зростає при фіксованій напрузі.
"Потік струму в іонізованій речовині випромінює світлове випромінювання, спектр якого характерний для природи газу і в меншій мірі для електродів у тому випадку, коли вони плавкі. Це іонізація і потік електричного струму, який сліди генерують шуми через розширення газу після його раптового нагрівання.
Що характеризує головну різницю, з мікроскопічної точки зору, між електричною дугою (3) і тлеючим розрядом - це різниця температур між іонами та електронами. У дуговому режимі іони та електрони мають однакову температуру, тоді як у режимі тлеючого розряду температура електронів вища, ніж температура іонів.
У дуговому режимі позитивний стовпець може бути відсутнім, як у нашому випадку .
Шум виникає внаслідок розширення газу після його раптового нагрівання.
(Друге відео трохи довге для початку, але воно дозволяє спостерігати за зміною режиму між розжарюванням та дугою)
Список літератури
Бібліографія:
, Мішель Мойсан та Жак Пелтьє (1)
, Жан Марсель Ракс (2)
, Серж Ваккі (3)
Стефані А. Віссель, Ендрю Цвікер, Джеррі Росс та Софія Гершман, Американський фізичний журнал (09/2013) (4)
V A Lisovskiy, V A Koval, E P Artushenko and V D Yegorenkov ЄВРОПЕЙСЬКИЙ ФІЗИЧНИЙ ЖУРНАЛ (09/2012) (5)