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第三章、带电粒子在气体放电中的运动教程
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第三章、带电粒子在放电气体中运动
气体放电是由于带电粒子(电子和离子)通过气体形成电流的结果。在放电气体中,虽然带电粒子所占比例非常小,但所起作用占主导地位。称带电粒子在整体放电气体中所占比例为电离度(一个中性粒子电离成一个电子和一个正离子)。
根据电离度的大小将放电气体分为:弱电离电离度<10-4;中等电离电离度10-4~10-3;强电离电离度10-2。可见即使是强电离的放电气体,带电粒子也只占放电气体的百分之几。所以可以将带电粒子看作混入气体中的一种成分或杂质,放电气体就是中性气体、电子气体、离子气体的混合物电离气体。在下面的讨论中,均将带电离子作为少数粒子处理。
§3.1 带电粒子在气体中的热运动
在放电气体中,如果没有外加场(电场或磁场)作用,带电粒子与其他气体粒子运动规律一样,这样可以简化处理带电粒子某些特性。下面就气体粒子的平均动能及平均自由程进行讨论。
带电粒子的平均动能及相关关系
假定电离气体处于非外场(E=0,B=0)情况下(例如,热等离子体-太阳、弧光放电等离子体),带电粒子就像非带电粒子一样做杂乱无章的热运动。正如气体粒子做热运动一样,处于一种热平衡状态,速度分布符合Boltzman-Maxwell分布:
(3-1-1)
热平衡下平均动能可以用温度T来表征,且各种粒子的平均动能是完全相等的(电子的平均动能=正离子的平均动能=中性粒子的平均动能),即有:
(3-1-2)
e、+、-、n分别代表电子、正离子、负粒子、中性粒子,、M+、M-、Mn为各自的质量,T为绝对温度。由于电离气体处于热平衡状态,且温度又是粒子动能的宏观反映,所以在热平衡情况下有:
(3-1-3)
也就是说,在热平衡条件下,电子温度、正离子温度、负离子温度、中性粒子温度都相等,且都等于气体温度T。
由此可以得出以下结论:
在热平衡的电离气体中,无论是电子、离子、中性气体粒子,其平均动能都相等;
由于各种粒子的平均动能都相等,所以各种粒子对应的绝对温度也相等;
粒子质量越小,相应的平均速度越大,电子的平均速度是质量为Mn的中性粒子的平均速度的。
因为,对于最小的气体中性粒子H原子,其质量MH是电子质量的1840倍,所以电子速度。
带电粒子的平均自由程及其分布规律
自由程:一个粒子与任何其他粒子连续发生两次碰撞之间所经过的距离。
1、气体原子、分子或离子的平均自由程
对于处于热平衡状态的气体原子、分子或离子,由于其做无规则的杂乱运动,碰撞的发生具有偶然性,所以自由程也是无规则的,很难说某个粒子的自由程的具体数值,只能取统计效应。由气体动力学原理可知,分子、原子或粒子的平均自由程可表示为:
(3-1-4)
其中分子半径,分子密度。可见平均自由程反比于分子碰撞截面与粒子密度n的乘积。不同气体的碰撞截面不同,一般核外电子壳层越多,碰撞截面积越大,一般为10-16~10-15cm2。而在133Pa(1Torr)情况下为10-2~10-3cm,一个大气压下,为10-4~10-5cm。
2、放电气体中电子的平均自由程
由于电子直径远小于原子、分子的直径,且运动速度也远比原子、分子大,可以认为分子、原子相对于电子是静止的,这样电子的平均自由程可以写成:
(3-1-5)
实际上,电子的平均自由程与电子动能有关,但上式在一定的能量范围内与实际情况比较接近。
前面介绍了电子的平均自由程,它只是一种平均效应。在气体放电中,电子自由程的分布起着更重要的作用。假设放电区间的电子密度为,则电子自由程处于范围内的电子数应为:
(3-1-6)
3、杂乱电子流密度
在没有外场情况下,电子运动是杂乱无章的,这样在单位时间内穿过某一方向的电子数为:,由此得出杂乱电子流密度为:
(3-1-7)
§3.2 带电粒子在放电气体中的定向迁移运动
一、放电气体中带电粒子在定向电场作用下的运动特征
前面介绍了带电粒子在非外场(
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