Descărcare luminiscentă

Introducere

Descărcarea de strălucire (2) pagina 25 este un fenomen care apare în anumite condiții de presiune și diferența de potențial a gazelor. Gazul este apoi ionizat și formează ceea ce se numește plasmă (2) pagina 11 (stare foarte reprezentată în univers, și anume mai mult de 99%), stare în care ionii și electronii formează „o supă” în general neutră. În alte condiții pe care le vom explica mai târziu, plasma poate fi distribuită prin formarea de striații (1) (o alternanță de zone întunecate și o zonă bogată în plasmă). Propunem să studiem acest fenomen aici, mai precis distribuția striațiilor, precum și condițiile de apariție a descărcării strălucitoare.

Teorie

În această secțiune vom explica mai întâi fenomenele care au loc în timpul unei descărcări de strălucire, apoi din mai multe formule pentru a înțelege legăturile care există între diferiții parametri pentru a le putea varia. .

Fenomen

Diferitele regiuni ale fenomenului.

Prezentăm mai jos zonele traversate succesiv de electroni (de la dreapta la stânga pe imaginea de mai sus)

Regiunea catodică: acumulare de sarcină pozitivă care formează o teacă luminoasă
Crokkes Dark Space: electronii accelerează, dar nu au suficientă energie pentru a ioniza atomii/moleculele prezente în tub, valoarea câmpului electric scade rapid în spațiu.
Strălucire negativă: electronii au suficientă energie pentru a crea ionizare, apariția unui câmp ambipolar (câmp electric opus câmpului aplicat din cauza delocalizării sarcinilor)
Faraday Dark Space: Electronii au pierdut energie în timpul trecerii lor în strălucirea negativă, încep să accelereze din nou (câmpul ambipolar (1) scade deoarece ionii sunt la distanțe mari de electroni)
Coloana pozitivă: Sosiți la o anumită distanță de strălucirea negativă, electronii au redobândit energia necesară ionizării mediului. Își pierd o fracțiune din energie atunci când se ciocnesc cu moleculele de gaz și sunt re-accelerate mai lent decât la capătul zonei întunecate din cauza câmpului ambipolar slab indus de ionizarea locală a mediului. Suntem atunci într-o zonă întunecată. Fenomenul este reprodus imediat ce electronii au dobândit o viteză suficientă etc.
Regiunea anodică: Observăm același fenomen ca și în regiunea catodului.

Formule

Legea lui Paschen

Această lege (4) prezice existența unui prag de diferență de potențial de la care este posibilă apariția plasmei. Acest prag depinde direct de produsul presiunii și de distanța inter-electrod.

este presiunea gazului (în torr).
este distanța dintre catod și anod (în cm).
și sunt constante care depind de natura gazului și de compoziția electrozilor.

Legea lui Goldstein-Wehner

Această lege (5) ne oferă o relație între diametrul tubului, presiunea și distanța dintre 2 striații succesive (o linie de lumină + un spațiu întunecat, vezi imaginea de mai sus) în cazul striațiilor staționare.

este presiunea (în Torr).
este raza (în cm).
este o constantă care depinde de natura gazului și care nu este aceeași cu cea a legii lui Paschen.

Protocol experimental

Scopul experienței noastre

Vom încerca să verificăm legile părții anterioare în cazul aerului înconjurător.

Pentru legea lui Paschen, vom încerca să luăm valori diferite de $> pentru diferite valori ale lui și, și vom încerca să potrivim valorile lui $> în conformitate cu o lege Paschen în funcție de produsul și pentru a obține valorile și mai ales ale (numai din cele 2 am putut găsi pentru aer).

Echipament

vezi numerele pe fotografia de mai jos

[1] Un tub cilindric de 15 cm lungime pe 3 cm în diametru

phyexp/uploads/D% C3% A9charge/Montage.png "/>
fotografia adunării

Starea apariției fenomenelor

Pentru apariția descărcării de strălucire: este doar necesar să fim la o presiune scăzută suficient de mică, astfel încât generatorul nostru să poată aplica o diferență de potențial suficientă pentru a ioniza mediul.

Proces

Reglarea distanței dintre electrozi datorită tubului telescopic și închiderii tubului
Închiderea supapei
Presiune scăzută
Reglarea presiunii prin reglarea supapei
Odată ce se atinge o presiune destul de scăzută (mai puțin de 10 torr), livrarea unei diferențe de potențial între electrozi
Luând măsurători
Oprirea generatorului
Oprirea pompei
Deschiderea supapei
Deschiderea tubului

Luând măsurători

Pentru dungi: formăm un „clopot” opac în jurul tubului sub care avem o cameră. Camera este plasată în fața tubului cu un standard clar vizibil la nivelul tubului (sau chiar ia tubul însuși ca standard dacă este vizibil). De îndată ce apar dungile, așteptăm să se stabilizeze fenomenul și facem o fotografie. Putem apoi să analizăm fotografia pentru a obține distanța dintre dungi dintr-un software care dă numărul de pixeli între două puncte pe o fotografie și, datorită standardului, ne întoarcem la distanța reală dintre 2 dungi. Ne asigurăm în prealabil că mai multe dungi sunt vizibile pe fotografie pentru a putea lua ca valoare media celor notate pe fotografie. Tuburi de 50 cm lungime pentru 3,4 și 4,3 cm diametru interior sunt utilizate în aceste experimente.

Observații, rezultate și incertitudini

Observații

Pe dungi

Acest lucru se poate realiza cu tuburi de 6-7 ori mai lungi decât diametrul. Nu am putut obține o descărcare nervurată complet stabilă. Acestea fiind spuse, am reușit să observăm „zone” stabile timp de aproximativ zece secunde (a se vedea partea stângă a tubului în al doilea videoclip de mai jos în jurul valorii de 15 secunde). Acestea sunt zonele stabile pe care le-am făcut în fotografii și pe care le vom folosi în partea următoare. În cele trei fotografii de mai jos, acoladele albe sunt folosite pentru a indica zona în cauză.

phyexp/uploads/D% C3% A9charge/SGT1.png "/>
Imaginea 1: Strii într-un tub de 4,3 cm diametru la 0,19 torr

phyexp/uploads/D% C3% A9charge/SGT2.png "/>
Imaginea 2: dungi într-un tub de 4,3 cm diametru la 0,16 torr

phyexp/uploads/D% C3% A9charge/SPT1.png "/>
Imaginea 3: dungi într-un tub de 3,4 cm diametru la 0,085 torr

Pentru apariția plasmei

Observăm că plasma nu apare până la o anumită tensiune de prag, așa cum ne-am așteptat în urma studiului nostru teoretic. Am văzut că tensiunea la care apare această plasmă depinde, așa cum era de așteptat, de presiunea și distanța dintre electrozi. De asemenea, am avut ocazia să analizăm prezența sau absența unui ciclu de histerezis (persistența unui fenomen când încetează cauza care l-a produs). Între oprirea pentru a descărca strălucirea și „invers”.

Rezultate

Distribuția striațiilor în tub - legea Goldstein-Wehner

Tensiunea de debut plasmatic - legea lui Paschen

În primul rând, am luat valorile pragului de tensiune pe parcursul mai multor zile. Am trasat apoi curba pe Matlab și am dorit să producem o potrivire grație cftool cu instrucțiunea de a urma legea lui Paschen prezentată în secțiunea de teorie de mai sus. După cum putem vedea în figura de mai jos, nu a avut prea mult succes. Cu toate acestea, putem vedea pe acest grafic că există mai multe grupuri diferite de valori aparent consistente între ele.

Ni s-a recomandat apoi să realizăm grafice corespunzătoare valorilor luate împreună (cel puțin în aceeași zi), deoarece condițiile atmosferice (în special hidrometria) pot influența pragul. Apoi ne-am separat valorile în grupuri (pe care le-am luat cu toții împreună, pe o perioadă mai mică de 20 de minute). Iată ce obținem:

phyexp/uploads/D% C3% A9charge/c1.png "/>
Graficul 1 (Luăm 12 valori ale presiunii pentru D = 11,8cm)

phyexp/uploads/D% C3% A9charge/c2.png "/>
Graficul 2 (Luăm 11 valori ale presiunii pentru D = 11,4cm)

phyexp/uploads/D% C3% A9charge/c3.png "/>
Graficul 3 (Luăm 10 valori ale presiunii pentru D = 7,85cm)

phyexp/uploads/D% C3% A9charge/c4.png "/>
Graficul 4 (Luăm 11 valori ale presiunii pentru D = 6,6cm)

phyexp/uploads/D% C3% A9charge/c5.png "/>
Graficul 5 (Luăm 9 valori ale presiunii pentru D = 5,2)

phyexp/uploads/D% C3% A9charge/c6.png "/>
Graficul 6 (Luăm 10 valori ale presiunii pentru D = 9,2)

phyexp/uploads/D% C3% A9charge/c7.png "/>
Graficul 7 (Luăm 12 valori ale presiunii pentru D = 10,35cm)

Graficul 8 (Luăm 8 valori ale presiunii pentru D = 8,7)

Aceste grafice au fost obținute prin introducerea următoarei instrucțiuni:

Tabel care leagă valorile și (a se vedea partea teoretică) și fiabilitatea graficului obținut, grafic cu grafic:

graficul nr			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

Incertitudini

Tensiunea la debutul plasmei

Pentru presiune: folosim formula jumătății de absolvire împărțită la $>

Vom da aici doar valoarea maximă a acestei incertitudini (gradarea manometrului nostru nefiind liniară), care este suficientă pentru a interpreta rezultatele:) $> Torr

Pentru distanța dintre electrozi: luăm în considerare faptul că electrozii nu sunt potențial complet paraleli și, prin urmare, luăm 2 mm de incertitudine

Apoi folosim legea propagării incertitudinilor pentru a avea incertitudinea asupra:

Distanța dintre striații

* Experimental

Pentru distanța măsurată între creste: Facem un tip A pentru a găsi eroarea.

* Teoretic (Legea lui Goldstein):

Pentru presiune: ca cea văzută anterior

Apoi propagăm incertitudinea după cum urmează: = \ sqrt \ right) ^ 2 + \ left (\ frac

\ dreapta) ^ 2 >> $$>

Analiză

Distribuția marcajelor și comparația teoretică

Nu am avut suficient timp pentru a lua multe măsurători pentru decalajul dintre dungi. Prin urmare, nu putem încerca potriviri care să ne permită să găsim valori experimentale ale și. De asemenea, nu am reușit să găsim valori pentru aceste două constante pentru aer oriunde, așa că nu putem face comparații cantitative între lege și experiment.

Forma curbei și valorile coeficienților legii lui Paschen

Am încercat aceeași măsurare de mai multe ori (la distanță și presiune constantă) pentru a verifica prezența sau absența histerezisului. Am observat de fiecare dată că valoarea tensiunii de dispariție a plasmei este aceeași cu cea a aspectului, deci nu există histerezis.

O modalitate de a explica problemele întâmpinate și de a merge mai departe

În ceea ce privește dungile

Ar trebui să putem testa diferența dintre dungi pentru multe valori diferite ale, ceea ce ne-ar permite să avem suficiente valori pentru a putea încadra curba prin matlab pentru a putea da valori experimentale ale și .
Ar trebui să găsim o modalitate de a face dungile cu adevărat staționare, poate prin îmbunătățirea calității izolației tubului nostru, care ar reduce curenții macroscopici de molecule care pot destabiliza fenomenul.

În ceea ce privește curba Paschen

Pentru a explica variațiile de la o curbă la alta, faptul că tubul poate fi modificat (menționat în paragraful anterior) pare în continuare un argument plauzibil.
O altă idee menționată este faptul că condițiile atmosferice (7) s-au schimbat de la o manipulare la alta (hidrometria în special).

Supliment: arc electric

În timpul experimentelor noastre, s-a întâmplat să observăm un fenomen apropiat de descărcarea strălucitoare, arcul electric. Acest fenomen este continuitatea descărcării de strălucire, apare fie atunci când intensitatea la bornele electrozilor crește destul de brusc (vezi curba de mai jos), fie când presiunea crește la o tensiune fixă.

„Fluxul de curent în materialul ionizat emite radiații luminoase al căror spectru este caracteristic naturii gazului și într-un grad mai mic, al celui al electrozilor în cazul în care acestea sunt fuzibile. Această ionizare și fluxul unui curent electric care urmează generează zgomote datorită expansiunii gazului după încălzirea bruscă a acestuia.

Ceea ce caracterizează diferența principală, din punct de vedere microscopic, între arcul electric (3) și descărcarea de strălucire este diferența de temperatură dintre ioni și electroni. În regim arc, ionii și electronii au aceeași temperatură, în timp ce în regimul de descărcare strălucitoare, temperatura electronilor este mai mare decât cea a ionilor.

În modul arc, coloana pozitivă poate lipsi ca în cazul nostru .

Zgomotele se datorează expansiunii gazului după încălzirea bruscă a acestuia.

(Al doilea videoclip este puțin lung pentru a începe, dar vă permite să observați schimbarea de regim între descărcarea de strălucire și arc)

Referințe

Bibliografie:

, Michel Moisan și Jacques Pelletier (1)

, Jean Marcel Rax (2)

, Serge Vacquié (3)

Stephanie A. Wissel, Andrew Zwicker, Jerry Ross și Sophia Gershman American Journal of Physics (09/2013) (4)

V A Lisovskiy, V A Koval, E P Artushenko și V D Yegorenkov JURNALUL EUROPEAN DE FIZICĂ (09/2012) (5)