Vorlesung 36 - Physik (Uni Würzburg)
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Einführung in die Physik II für Studierende der Naturwissenschaften und Zahnheilkunde Sommersemester 2007 VL #36 am 29.06.2007 Vladimir Dyakonov 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 1 Stoßionisation Wkin Atom+ bzw. Ion Atom 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? 2 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 3 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 4 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? 5 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 = ∆E (atomspezifisch) 6 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 ⇒ kein selbständige Entladung Mittlerer Druck: v gut, genug Teilchen Kleiner Druck: hohe v, aber keine Stöße mehr, weil keine Teilchen 7 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) 8 Leuchtstoffröhre Neonröhren Neonröhren sind reine Entladungslampen Zum Betrieb ist Hochspannung notwendig 2000...15.000V!! Füllgas Leuchtfarbe Neon rot Argon gelb, grün, blau 9 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 10
