8.7.
Werbung
Einführung in die Physik II für Studierende der Naturwissenschaften und Zahnheilkunde VL # 31, 08.07.2009 Vladimir Dyakonov Experimentelle Physik VI [email protected] Professor Dr. Vladimir Dyakonov, Experimentelle Physik VI Leitungsmechanismen • Ladungstransport in Festkörpern – Ladungsträger und Beweglichkeit in verschiedenen Stoffen – Temperaturabhängigkeit des Widerstands – Fotoleitung • Ladungstransport in Flüssigkeiten – Elektrolyse – Ionenbeweglichkeit • Ladungstransport in Gasen – Ionisation – Unselbständige Gasentladung – Selbständige Gasentladung Ladungstransport in Gasen Spannung an Plattenkondensator Es fließt kein Strom durch die Luft Luft ist ein guter Isolator oder schlechter Leiter! und was ist mit den Bogenentladungen? Strom durch die Luft? Muss also irgendwie gehen!!! E Photoleiter: Elektron wird vom Valenz- ins Leitungsband angehoben wenn hν > ΔE und trägt so zur Leitfähigkeit bei Leitungsband ΔE hν Valenzband hν Photoionisation Elektron wird Energie hν zugeführt Wenn hν > Ionisierungsenergie Wion ein positiv geladenes Atom (Ion) negativ geladenes freies Elektron (hat mit Atom nichts mehr zu tun) Ion und Elektron tragen zu Strom bei Wenn hν < Wion kein Ion, angeregtes Atom kein Beitrag zu Strom hν> Wion hν < Wion Röntgenstrahlung hν~30keV >> Wion ~1..30eV Ionisationsenergie Luft: Stromfluss nur wenn durch äußere Einwirkungen Ladungsträger erzeugt werden Ladungsträger werden durch Ionisation von Gasmolekülen erzeugt Ionisierungsenergie wird durch Schalenaufbau der Atomhülle bestimmt Ladungstransport in Gasen Atome werden durch äußere Einwirkungen ionisiert Leitung erfolgt durch Ionen bzw. freie Elektronen Strom = Anzahl x Ladung x Beweglichkeit x E-feld x Fläche I = N ze µ E A Beweglichkeit [cm2/Vs] Na+ 1.3 Na1.8 O2+ 2.2 Ionen im Wasser 10-4 Elektronen im Halbleiter103 Beweglichkeit Gas >> Flüssigkeit Strom so gering, weil N sehr klein Temperaturionisation Bei hohen Temperaturen (hohe Geschwindigkeit) genug kinetische Energie um bei Zusammenstoß zu ionisieren 10 000K 30 000K Ionisatíonsgrad von Gasen in Abhängigkeit von der Temperatur T = 5000K Oberfläche der Sonne 10-4 ter Teil von H-Atomen ionisiert Ladungstransport in Gasen Kerze bzw. Röntgenstrahlung... Kerze in Plattenkondensator: Temperatur zu niedrig, aber Ionen in Flamme Stoßionisation Wkin Atom Atom+ bzw. Ion Ladungsträger (Elektronen, Ionen) werden im Feld beschleunigt Inelastischer Stoß mit Neutralteilchen Elektronen werden herausgeschlagen (Wkin > Wion) Atom wird ionisiert Unselbständige Gasentladung Ladungsträger für Stromfluss in Gas durch äußere Einwirkung erzeugt Einfallende ionisierende Strahlung (N Teilchen) erzeugt Np Ladungsträger Widerstand R Ionisierende Strahlung Spannung wird angelegt und verändert Was passiert? Wie ändert sich der Strom mit der Spannung? Spannungsabhängigkeit Ladungen werden im E-Feld zu Elektroden beschleunigt Ohmscher Bereich -Rekombinationsbereich: geringe Spannung: kleine Beschleunigung Ladungsträger langsam, rekombinieren bevor sie zur Leitung beitragen Sättigungsbereich: Beschleunigung stärker, alle erzeugten Ladungsträger tragen zu Leitung bei N/Np 1 Was passiert bei noch höheren Spannungen? Ohmscher Bereich N/Np > 1 mehr Ladungsträger gemessen als erzeugt Unselbständige Gasentladung Was passiert im Auslösebereich? Spannung ist sehr groß, Elektronen werden stark beschleunigt hohe Elektronenenergie Stoßionisation: Lawineneffekt Strom wird unabhängig von Zahl der durch Ionisation generierten Ladungsträger Geiger-Müller Zählrohr Metallrohr mit Gas gefüllt Ladungsträgergeneration durch ionisierende Teilchen Feldstärke im Bereich des Drahtes hoch: Stoßionisation Lawinendurchbruch Stromimpuls Lautsprecher Stromimpuls unabhängig von der Art der Ionisation Einmal „Tick“ ein ionisierendes Teilchen, oftmals „Tick“ viele Selbständige Gasentladung Gasentladung kann ohne äußere Einwirkungen selbst unterhalten werden, keine externe Ionisierungsquelle, thermische Quelle, .... Jeder Ladungsträger sorgt für seinen eigenen Ersatz Wie machen sie das? • Ionen prallen auf Kathode und schlagen Elektronen heraus • Energetische Elektronen ionisieren Neutralteilchen durch Stoßionisation Voraussetzung Teilchen müssen hohe kinetische Energie haben d.h. sie müssen schnell sein d.h. sie müssen durch hohe Spannung beschleunigt werden Glimmentladung Geißlersche Röhre Wieso bewirkt Stromfluss in Gas Emission von Licht? Wieso hängt die Entladung vom Gasdruck ab und warum leuchtet es in der Röhre? Licht bei der Entladung 1) hν Elektron und Ion rekombinieren Photon wird emittiert: Umgekehrter Prozess zu Photoionisation hν hängt von Atom und Anfangsbedingungen ab 2) hν Angeregte Zustände (Stoßanregung) geben Anregungsenergie ab: Emission eines Photons hν hν = ΔE (atomspezifisch) Gasdruckabhängigkeit Experiment: Hoher Druck kein Stromfluss mittlerer Druck Stromfluss mit Leuchten kleiner Druck kein Stromfluss Erinnerung: Druck in einem Gas, Maß für Anzahl der Teilchen pro Volumeneinheit Stoßionisation Teilchen muss eine Mindestgeschwindigkeit v haben v = Beschleunigung x Zeit = a T = Kraft/Masse x Zeit= F/m T = Feldstärke x Ladung x Zeit/Masse = e E T /m e, m Konstante E: angelegte Spannung durch Länge der Röhre Aber was ist T? T Zeit zwischen zwei Kollisionen: groß wenn wenig Teilchen, klein bei vielen Teilchen Druckabhängigkeit Hoher Druck: viele Stöße, kleine v ⇒ keine selbständige Entladung Mittlerer Druck: v gut, genug Teilchen Kleiner Druck: hohe v, aber keine Stöße mehr, weil keine Teilchen Glimmentladung Stromfluss in Gasröhre: Leuchten Glimmentladung Zonen unterschiedlicher Helligkeit Erklärung kompliziert größter Teil positive Säule: gleichmäßig diffuses Licht Leuchtstoffröhre Leuchtstofflampe gefüllt mit Quecksilberdampf Glimmentladung Quecksilber emittiert hauptsächlich im UV Umwandlung in sichtbares Licht in Beschichtung (Phosphor) Leuchtstoffröhre Leuchtstoffröhre Der Startvorgang geht hier wie folgt vor sich: i) nach dem Einschalten liegt, da durch die Röhre noch kein Strom fließt, die volle Netzspannung am Starter an. Die Glimmlampe des Starters zündet. ii) Der Bimetallstreifen erwärmt und verbiegt sich, so dass beide Kontakte kurzgeschlossen werden. Nun fließt ein großer Strom durch die Heizwendeln in der Leuchtstoffröhre und die Drosselspule. Die Wendeln beginnen zu glühen und senden Elektronen aus, die das Gas in der Röhre mit Ladungsträgern anreichern. iii) Die nun fehlende Glimmentladung im Starter lässt das Bimetall abkühlen, wodurch sich der Bimetallkontakt wieder öffnet. iv) Die Selbstinduktion durch den schnellen Abfall des Stromes in der Drosselspule erzeugt nun kurzzeitig eine hohe Spannung, die das mit Ladungsträgern angereicherte Gas in der Röhre zündet. Der Strom fließt nun durch das ionisierte Gas in der Röhre. Neonröhren Neonröhren sind reine Entladungslampen Zum Betrieb ist Hochspannung notwendig 2000...15.000V!! Füllgas Leuchtfarbe Neon rot Argon gelb, grün, blau Bogenentladungen Treten bei hohen Drücken und hohen Strömen auf Strom erwärmt Elektroden, dass Elektronen austreten Ladungsträger müssen nicht mehr durch Ionisation erzeugt werden Kohlenbogenentladung Intensive Lichtquelle für Projektoren Stromtransport in Gasen • Damit in einem Gas ein Strom fließen kann müssen Ladungsträger durch Ionisation erzeugt werden • Ionisation erfolgt über ionisierende Strahlung, Stoßionisation oder thermische Ionisation • Werden Ladungsträger erzeugt so kommt es zur unselbständigen Gasentladung, d.h. zur Aufrechterhaltung ist eine externe Ionisation notwendig • Unselbständige Gasentladung wird zur Detektion und Charakterisierung von ionisierender (radioaktiver) Strahlung eingesetzt, z.B. Geiger-Müller Zählrohr • Selbständige Gasentladung läuft ohne äußere Einwirkungen ab, erfordert aber eine höhere Spannung und definierte Druckverhältnisse • Bei unselbständigen Gasentladung Leuchterscheinungen durch Relaxation von angeregten Zuständen und Rekombination • Glimmentladung bei moderaten Drücken und Spannungen • Bogenentladung und Funkenentladungen bei hohen Drücken und Strömen
