1、電弧物理,主講教師：黃健康,1.1、氣體粒子的運動-溫度 1.2、電離 1.3、電子發(fā)射 1.4、帶電粒子的運動,第一章 電離和電子發(fā)射等基礎(chǔ)知識,1.1.1 氣體粒子動能和溫度關(guān)系 理想氣體的狀態(tài)方程(equation of state)：氣體的p、V、T之間的關(guān)系式,1.1、氣體粒子的運動-溫度,摩爾氣體常數(shù),阿佛加德羅常數(shù),玻爾茲曼常數(shù),粒子密度數(shù),1.1.1 氣體粒子動能和溫度關(guān)系,1.1、氣體粒子的運動-溫度,分子碰撞面積為A的器壁前,分子碰撞器壁后,溫度的微觀意義,1.1.1 氣體粒子動能和溫度關(guān)系,1.1、氣體粒子的運動-溫度,分子的動量改變?yōu)?在下次碰撞發(fā)生前,牛頓第二定律、沖

2、量定理,1.1.1 氣體粒子動能和溫度關(guān)系,1.1、氣體粒子的運動-溫度,容器內(nèi)共有N個分子：,1.1.1 氣體粒子動能和溫度關(guān)系,1.1、氣體粒子的運動-溫度,平均動能為,氣體壓力為,均方根速度,單原子氣體溫度T，就是從整體上觀察氣體粒子總動量的量度,1.1.2 麥克斯韋速度分布律 平衡態(tài)下，理想氣體分子速度分布是有規(guī)律的，這個規(guī)律叫麥克斯韋速度分布律，若不考慮分子速度的方向，則叫麥克斯韋速率分布律。,1.1、氣體粒子的運動-溫度,1.1.2 麥克斯韋速度分布律,1.1、氣體粒子的運動-溫度,分布函數(shù),表示速率在 區(qū)間的分子數(shù)占總分子數(shù)的百分比 .,1.1.2 麥克斯韋速度分布律,1.1、氣

3、體粒子的運動-溫度,曲線下面積恒為1,幾何意義,1.1.2 麥克斯韋速度分布律,1.1、氣體粒子的運動-溫度,麥氏分布函數(shù)：,反映理想氣體在熱動平衡條件下，各速率區(qū)間分子數(shù)占總分子數(shù)的百分比的規(guī)律 .,1.1.2 麥克斯韋速度分布律,1.1、氣體粒子的運動-溫度,三種統(tǒng)計速率,A、最概然速率,根據(jù)分布函數(shù)求得,1.1.2 麥克斯韋速度分布律,1.1、氣體粒子的運動-溫度,B、平均速率,1.1.2 麥克斯韋速度分布律,1.1、氣體粒子的運動-溫度,C、方均根速率,1.1.2 麥克斯韋速度分布律,1.1、氣體粒子的運動-溫度,1.1.2 麥克斯韋速度分布律,1.1、氣體粒子的運動-溫度,1.1.3

4、 單位時間通過單位面積的粒子數(shù),1.1、氣體粒子的運動-溫度,1.1.4 玻爾茲曼關(guān)系 在麥氏速度分布律的基礎(chǔ)上，第一次考慮了重力對分子運動的影響，建立了更全面的玻爾茲曼分布律，建立了知名過程方向性的玻爾茲曼H定理，建立了玻爾茲曼熵公式。 微觀粒子的空間分布對系統(tǒng)宏觀性質(zhì)會產(chǎn)生一定的影響，但一般說來，主要決定系統(tǒng)宏觀性質(zhì)的還是微觀粒子的能量分布。 量子理論指出：任何微觀粒子的能量都不連續(xù)，而是量子化的，都具有若干個可能的能級。其中：能量最低的能級基態(tài)；其余能級激發(fā)態(tài)。,1.1、氣體粒子的運動-溫度,玻爾茲曼,玻爾茲曼關(guān)系式,1.1.5 平均自由程,1.1、氣體粒子的運動-溫度,氮氣分子在270

5、C時的平均速率為476m/s.,克勞修斯指出：氣體分子的速度雖然很大，但前進中要與其他分子作頻繁的碰撞，每碰一次，分子運動方向就發(fā)生改變，所走的路程非常曲折。,氣體分子平均速率,1.1.5 平均自由程,1.1、氣體粒子的運動-溫度,在相同的t時間內(nèi)，分子由A到B的位移大小比它的路程小得多,分子自由程:,氣體分子兩次相鄰碰撞之間自由通過的路程。,分子碰撞頻率:,單位時間內(nèi)一個分子與其他分子碰撞的次數(shù)。,1.1.5 平均自由程,1.1、氣體粒子的運動-溫度,大量分子的分子自由程與每秒碰撞次數(shù)服從統(tǒng)計分布規(guī)律?？梢郧蟪銎骄杂沙毯推骄鲎泊螖?shù)。,假定,A、平均碰撞次數(shù),1.1.5 平均自由程,1.1

6、、氣體粒子的運動-溫度,運動方向上，以 d 為半徑的圓柱體內(nèi)的分子都將與分子A 碰撞,一秒鐘內(nèi):,一秒鐘內(nèi)A與其它分子發(fā)生碰撞的平均次數(shù),一切分子都在運動,1.1.5 平均自由程,1.1、氣體粒子的運動-溫度,平均自由程,與分子的有效直徑的平方和分子數(shù)密度成反比,B、平均自由程,平均自由程與平均 速率無關(guān)，與分子有效直 徑及分子數(shù)密度有關(guān)。當溫度恒定時,平均自由程與氣體壓強成反比,每秒鐘一個分子竟發(fā)生幾十億次碰撞！,1.1.6 自由程的發(fā)布,1.1、氣體粒子的運動-溫度,1.1.7 擴散 擴散：物體內(nèi)各部分密度不均勻時，物質(zhì)由密度大往密度小的地方遷移的現(xiàn)象。,1.1、氣體粒子的運動-溫度,擴散

7、系數(shù),胡克(Fick)第二定律,1.1.8 氣體粒子的碰撞-能量交換,1.1、氣體粒子的運動-溫度,遵循能量守恒、動量守恒,1.2.1 原子外殼,1.2、電離,電子 軌道雜化,1.2.1 原子外殼 價電子：價電子指原子核外電子中能與其他原子相互作用形成化學鍵的電子。 主族元素的價電子就是主族元素原子的最外層電子；過渡元素的價電子不僅是最外層電子，次外層電子及某些元素的倒數(shù)第三層電子也可成為價電子。 一個原子可以跟鄰近原子分享電子，一條共價鍵，或者從其他原子中移走電子，一條離子鍵。 價電子同時亦決定該元素的電導性能。,1.2、電離,1.2.2 電離點位，激發(fā)點位 電離電位 當原子獲得足夠大的能量

8、而其一個或某些外層電子脫離該原子核的作用力范圍，成為自由電子，這時原子由于失去電子而成為離子，這種現(xiàn)象稱為電離。為使原子發(fā)生電離所需的能量稱為電離能，也稱電離電位，以電子伏特為單位。原子失去一個電子，稱為一次電離；失去二個電子稱為二次電離，依次類推。產(chǎn)生不同程度電離的電離電位是不同的。,1.2、電離,1.2.2 電離點位，激發(fā)點位 激發(fā)電位：將原子中的一個外層電子從基態(tài)躍遷至激發(fā)態(tài)所需的能量稱為激發(fā)電位，通常以ev為單位。,1.2、電離,1.2.3 輻射-發(fā)光 被激發(fā)而處于高能級的電子是不穩(wěn)定的，在很短時間內(nèi)，又要回到較低的激發(fā)能級或基態(tài)能級上去。能量將以光子的形勢放出。,1.2、電離,1.2

9、.4 電離的種類 A、碰撞電離 任意方法把粒子加速到超過某一限度并用它撞擊中性氣體粒子時，一部分能量傳遞給中性氣體粒子就會使其發(fā)生電離。 B、光電離 光電效應(yīng)：光照射到物體表面時，有電子從物體表面逸出的現(xiàn)象。 C、熱電離 氣體被加熱到高溫，則高速粒子群中能量 特別高的粒子將在相互碰撞之際引起碰撞電離， 這種氣體高溫下電離現(xiàn)象為熱電離。,1.2、電離,1.2.4 電離的種類 C、熱電離,1.2、電離,當t10000K時，才需考慮熱電離； 當t20000K時，幾乎全部的分子都處于熱電離狀態(tài)。,1.2.5 熱電離，熱分解,1.2、電離,1.2.6 熱電離的沙哈(Saha)公式,1.2、電離,SAHA

10、 方程 在僅含單種氣體的完全平衡和局域熱力學平衡等離子體中存在著電離平衡: A+wi A+ + e SAHA推導出如下方程: a2/(1-a2) P = 2.410- 4 (T 5/2) exp(-wi /kT) P 氣壓 (Torr) T 絕對溫度 ( K) wi 氣體分子（原子）電離電位 ( eV) k Boltzman常數(shù) (8.61410-5 eVdeg-1),1.2.6 熱電離的沙哈(Saha)公式,1.2、電離,SAHA 方程 在僅含單種氣體的完全平衡和局域熱力學平衡等離子體中存在著電離平衡: A+wi A+ + e SAHA推導出如下方程: a2/(1-a2) P = 2.410

11、- 4 (T 5/2) exp(-wi /kT) P 氣壓 (Torr) T 絕對溫度 ( K) wi 氣體分子（原子）電離電位 ( eV) k Boltzman常數(shù) (8.61410-5 eVdeg-1),1.2.6 熱電離的沙哈(Saha)公式,1.2、電離,常壓熱平衡條件下氮等離子體的電離度 a 隨溫度變化： T ( K ) a 5,000 3.210-7 10,000 0.0065 15,000 0. 22 20,000 0. 82,電離過程: e + A A+ + 2e kion P2,三體復(fù)合過程: e + A+ + M A + M krecom P3,1.2.6 熱電離的沙哈(S

12、aha)公式,1.2、電離,1.2.7 陰離子的形成 陰離子是指原子由于外界作用得到一個或幾個電子，使其最外層電子數(shù)達到穩(wěn)定結(jié)構(gòu)。原子半徑越小的原子其得失電子能力越強，金屬性也就越弱。陰離子是帶負電荷的離子，核電荷數(shù)=質(zhì)子數(shù)核外電子數(shù)，所帶負電荷數(shù)等于原子得到的電子數(shù)。,1.2、電離,附著( attachment ) 碰撞 （當A具有正電子親合勢時） e + A + M A- + M,1.3.1 電子發(fā)射-功函數(shù) 金屬鍵形象地描繪成從金屬原子上“脫落”下來的大量自由電子形成可與氣體相比擬的帶負電的“電子氣”，金屬原子則“浸泡”在“電子氣”的“海洋”之中。,1.3、電子發(fā)射,1.3.1 電子發(fā)射

13、-功函數(shù),1.3、電子發(fā)射,電子飛出表面必需具有一定能量，記為eVw，則稱Vw為功函數(shù),1.3.2 熱電子發(fā)射 熱電子發(fā)射：電子從外界獲得熱能逸出金屬的現(xiàn)象稱為熱電子發(fā)射。,1.3、電子發(fā)射,發(fā)射電流密度：,道舒曼公式,服從麥克斯韋發(fā)布,1.3.2 熱電子發(fā)射 費米-狄拉克分布：,1.3、電子發(fā)射,費米能級,1.3.2 熱電子發(fā)射,1.3、電子發(fā)射,陰極發(fā)射電子而使得能量損失造成陰極表面的冷卻。,熱電子發(fā)射就是一種金屬表面的電子氣化現(xiàn)象。,陽極則流入電子流，以凝固熱的形式吸收功率。,能 量 傳 輸,熱電子以指數(shù)形式增加，輻射以溫度的4方增加，熱電子傳輸?shù)墓β蔬h遠大于輻射,1.3.3 復(fù)合電極的

14、熱電子發(fā)射釷鎢陰極和氧化物 涂層陰極 當陰極表面存在氧化物時，電子發(fā)射變得容易很多。,1.3、電子發(fā)射,電子波動性,還有一部分電子，在某種原因下，電子被勢壘反射回金屬內(nèi)部。,1.3.3 復(fù)合電極的熱電子發(fā)射釷鎢陰極和氧化物 涂層陰極,1.3、電子發(fā)射,在焊接中，焊條藥皮中一般加入堿、堿土類化合物，但只有其中較少的一部分才到達陰極表面。堿金屬：括鈹(Be)、鎂(Mg)、鈣(Ca)、鍶(Sr)、鋇(Ba)、鐳(Ra)六種金屬元素。,1.3.4 肖脫基效應(yīng)(Schottky effect)和自發(fā)射 為了維持陰極發(fā)射的熱電子能連續(xù)不斷地飛向陽極，必須在陰極和陽極間外加一個加速電場Ea然而由于Ea的存在

15、使陰極表面的勢壘Eb降低，因而逸出功減小，發(fā)射電流增大這一現(xiàn)象稱為肖脫基(Scholtky)效應(yīng)可以證明，在加速電場Ea的作用下，陰極發(fā)射電流Ia與Ea有如下的關(guān)系：,1.3、電子發(fā)射,Ia和I分別是加速電場為 Ea和零時的發(fā)射電流,當外加電場足夠大時，位能曲線將下降 為曲線3，且勢壘厚度b也變小，處于費 米能級的部分電子將由于上述的波動性 而穿過勢壘向外跑出，稱為：場致發(fā)射 或自發(fā)射,1.3.5其它電子發(fā)射 A 光電子發(fā)射 B 電子和離子轟擊下的二次發(fā)射,1.3、電子發(fā)射,用電子流或離子流轟擊物體表面，使之發(fā)射電子的過程叫二次電子發(fā)射。發(fā)射的電子叫次級電子或二次電子。二次電子的數(shù)目取決于入射

16、離子或電子的速度、入射角、物體的性質(zhì)及物體表面的狀態(tài)。,1.3.5 接觸電位差,1.3、電子發(fā)射,兩種金屬外部空間中的電位差等于其功函數(shù)之差，也就是接觸電位差。,1.4.1 電子在真空中的運動,1.4、帶電粒子的運動,真空管電流公式：電流并不遵循流經(jīng)普通電阻適用的歐姆定律，而是與電壓的3/2次方成正比，與距離的平方成反比。,能量從陰極通過空間后，在陽極產(chǎn)熱，在路徑中沒有熱產(chǎn)生。,1.4.1 電子在真空中的運動,1.4、帶電粒子的運動,熱電子極限電流,空間電荷極限電流,1.4.2 帶電粒子在氣體中的運動電子的溫度和中 性氣體溫度,1.4、帶電粒子的運動,方向不規(guī)則的運動正反映出電子氣的溫度，因此

17、被電場加速到很高速度的電子發(fā)生碰撞的結(jié)果將獲得高溫。另一方面，與電子碰撞的中性粒子也或多或少的要獲得一部分能量，但由于質(zhì)量大，能量少，故中性氣體的溫度上升很少。因此處于同一放電空間卻共存著兩種溫度完全不相同的粒子氣體：高溫電子氣體和低溫中性氣體。,1.4.3 遷移率,1.4、帶電粒子的運動,飛行時間：,電子在電場方向移動的平均距離：,電場方向速度：,簽約率：,1.4.3 遷移率,1.4、帶電粒子的運動,1.4.4 電子溫度和氣體溫度,1.4、帶電粒子的運動,電子在移動一個平均自由程期間從電場獲得的能量要比電子以溫度形式所擁有的能量小得多。 在11000K時，電子溫度與中性粒子溫度比為1.11左右。非常接近。 電子的溫度在10納秒就能平衡。 電子碰撞中性粒子，把能量傳遞給中性粒子，中性粒子在1微秒溫度就能平衡。,1.4.5 帶電粒子的擴散,1.4、帶電粒子的運動,