14 Leitung Gase

Elektrische Leitung
1. Leitungsmechanismen Bändermodell
2. Ladungstransport in Festkörpern
i) Temperaturabhängigkeit Leiter
ii) Eigen- und Fremdleitung in Halbleitern
iii) Stromtransport in Isolatoren
iv) Fotoleiter
3. Stromtransport in Gasen
i) Erzeugung von Ladungsträgern
ii) Unselbständige Entladung
iii) Selbständige Entladung
4. Stromtransport in Flüssigkeiten
i) Ionenleitung in Flüssigkeiten
ii) Faradaysche Gesetze
iii) Elektrolyse und weiter Anwendungen
Ladungstransport in Gasen
Spannung an Plattenkondensator
Es fließt kein Strom durch die Luft,
Luft ist ein guter Isolator oder schlechter Leiter
Im Tisch E eingebaut
CFC-N12-1
0 .00
Koaxial Kabel
10 -7 A
Input
10
Output
20
0
kV
0
16
kV
kV
Netz
Hochspannung
Röntgenkugel
Tisch E
F1
Tisch F
E1
PM 2535
0,00 V
Gerät 4; im Tisch F eingebaut
Kerze bzw. Röntgenstrahlung lösen Stromfluss aus
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Ladungstransport in Gasen
Woher kommen die freien Ladungsträger in der Luft, bzw. einem Gas?
Gasatome müssen in Ionen und Elektronen aufgespaltet werden
(Ionisation): Gemisch von Ionen und Elektronen Plasma
Zufuhr von Energie zur Ablösung eines Elektrons
Ionisationsmechanismen:
– Photoionisation
– Stoßionisation
– Temperaturionisation
– Radioaktivität
– Glühemission (nur Elektronen treten aus Metallflächen bei hoher
Temperatur aus)
Aber: Ionen und Elektronen können auch wieder rekombinieren
Photoionisation
E
Leitungsband
∆E
hν
Photoleiter:
Elektron wird vom Valenz- ins
Leitungsband angehoben wenn
hν > ∆E
und trägt so zur Leitfähigkeit bei
Valenzband
hν
Photoionisation
Elektron wird Energie hν zugeführt
hν> Wion
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
Röntgenstrahlung hν~30keV >> Wion ~1..30eV
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Ionisationsenergie
Ionisationsenergie ist elementspezifisch
bestimmt durch Schalenaufbau der Atomhülle
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
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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
Kerze in Plattenko: Temperatur zu niedrig, aber Ionen in Flamme
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 Halbleiter 103
Elektronen im Metall
10
Festkörper > Beweglichkeit Gas >> Flüssigkeit
Strom aber so gering, weil n sehr klein
4
Unselbständige Gasentladung
Ladungsträger für Stromfluss in Gas durch äussere Einwirkung erzeugt
U
A
z. B. Einfallende ionisiernde Strahlung
(N Photonen) erzeugt Np Ladungsträger
Anode
Kathode
Ionisation
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:
niedere Spannung: kleine Beschleunigung Ladungsträger langsam,
viele 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
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Ionsationskammer
Messung der Stärke einer ionisierenden Strahlung
Im Sättigungsbereich gilt für den Strom I
I ∝ Anzahl der erzeugten Ladungsträger Np =
Anzahl der ionisierenden Partikel
Gasentladung
Was passiert im Auslösebereich bei hohen Spannungen?
Spannung ist sehr groß, Elektronen werden stark beschleunigt
hohe Elektronenenergie Stoßionisation: Lawineneffekt
Strom wird unabhängig von Zahl der durch Ionisation generierten
Ladungsträger
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Geiger-Müller Zählrohr
Metallrohr mit Gas gefüllt
Ladungsträgergeneration durch ionisierende Teilchen
Feldstärke im Bereich des Drahtes hoch: Stoßionisaton
Lawinendurchbruch
Stromimpuls Lautsprecher
Stromimpuls unabhängig von der Art der Ionisation
Einmal „Tick“ ein ionsierendes 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
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Kennlinie der Gasentladung
Unselbständige Entladung
A: Linearer Bereich → Ohmsches Gesetz
Gleichgewicht Erzeugung / Rekombination
B: Rekombinationsbereich
G
E
C: Sättigungsbereich
alle Ladungsträger fließen ab
F
C→D:
D
C
B
A
Stoßionisation setzt ein
D: Zündpunkt für selbständige Entladung
∆Ekin (zwischen Stößen) > ∆EIonisation
jede Ladung sorgt für eigenen Ersatz
E: Glimmentladung ( bei sehr kleinem
Druck )
Zünd
US
Sättigung
UC UZ
kritisch
U
F: Raumladungseffekte werden wichtig
Raumladung ⇒ Abschirmung
G: Bogenentladung ( bei großem Druck )
großer Strom ⇒ glühende Elektroden
Glühemission von Elektronen
Licht bei der Entladung
hν
Elektron und Ion rekombinieren
Photon wird emittiert: Umgekehrter
Prozess zu Photoionisation
hν hängt von Atom und Anfangsbedingung ab
hν
Angeregte Zustände (Stoßanregung)
geben Anregungsenergie ab:
Emission eines Photons hν
hν = ∆E (atomspezifisch)
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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 Volumseinheit
Stoßionisation
Teilchen muss eine Mindestgeschwindigkeit v haben
v =
Beschleunigung x Zeit = a T
=
Kraft/Masse x Zeit= F/m T
=
Feldstärke 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
Zündspannung als Funktion des Drucks (Paschenkurve)
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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)
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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 Ionsation erzeugt werden
Kohlenbogenentladung
Intensive Lichtquelle für
Projektoren
Elektroschweissen
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Funkenentladungen
Kurzzeitige Bogenentladungen
Blitzlicht
Energie in Kondensator beschränkt
Entladung in Gasröhre
Selbständige Gasentladung bis Energie aufgebraucht
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 Ionsiation
•Werden Ladungsträger erzeugt so kommt es zur unselbständigen
Gasentladung, dh zur Aufrechterhaltung ist eine externe Ionisation
notwendig
•Unselbständige Gasentladung wird zur Detektion und Charakterisierung von
ionisierender (radioaktiver) Strahlung eingesetzt, zB 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
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