گزارشکارآزمایشگاه فیریک جدید تخلیه الکتریکی گازها

تئوری آزمایش: 

گازهادرشرایطمعمولیجریانبرقراهدایتنمیكنندوعایقالكتریسیتههستندواگربخواهیمدرفشارمعمولیمثلاًدرهواجریانیعبوردهیم،بایدولتاژیااختلافپتانسیلبسیارزیادیبیندوقطببرقراركنیمیااینكهفاصلهالكترودهارابسیاركوچكبگیریمكهدراینصورتبرقراركردنولتاژیدرحدودچندهزارولت،منجربهتولیدجرقهالكتریكیمیشودكهیكتخلیهآنیاست. لولهایمطابقشكلدرنظربگیریدكهازیكسوبهپمپخلأوصلاستودوقطبمثبتومنفیدرداخلآنتعبیهشدهاست.

اگراختلافپتانسیلنسبتاًزیاددرحدودچندهزارولتبینآندوقطببرقراركنیموفشارگازرا پائینبیاوریمتابهحدودچندمیلیمترجیوه(صدماتمسفریاچندتور)برسد؛شاهدعبوروبرقراری جریانیازدرونگازخواهیمبودكهباروشناییگازدرونلولهونورافشانیآنهمراهاست.اینپدیدهراتخلیهالكتریكیدردرونگازمینامندكهدرآغازمطالعاتمربوطبهساختماناتماهمیتزیادیداشت.

امروزه حبابهای روشنایی كه براساس این پدیده ساخته می شود از وسائل همگانی و معمولی است،

رنگ قرمز و آشنای لامپهای تبلیغاتی نئون را همه می شناسیم و اگر به جای نئون، گاز دیگری به كار بریم،رنگ لوله تغییر خواهد كرد ولی شیوه كار تقریباً یكسان است. برای مثال هوا، رنگ صورتی پریده، بخارسدیم، رنگ زرد و بخار جیوه رنگ آبی مایل به سبز پیدا می كند .

در گذشته ( اواخر سده نوزدهم میلادی ) مطالعه پدیده تخلیه در گازها مطالعه تازه ای بود كه به نتایج

مهمی، یعنی به كشف اشعه كاتدی، الكترون و خواص آن و به دنبالش به شناخت ساختمان درونی اتم رسید.

در طی بررسی پدیده تخلیه الكتریكی درگازها، دانشمندان دریافتند كه با تخلیه بیشتر حباب خطوطتاریكی در این گستره نورانی ظاهر می گردد. با ادامه تخلیه، خطوط تاریك مجاور كاتد به طرف آند گسترش 10 اتمسفر ) خطوط نورانی به طور كامل از بین می - می یابند و در نهایت در فشارهای بسیار پائین ( حدود 6 روند و روشنایی گاز لوله ناپدید می شود. در این حالت هنوز جریان الكتریكی در دو سر حباب ( لوله تخلیه الكتریكی ) بر قرار است و نوعی درخشندگی یا تابش مهتابی در دیواره لوله آشكار می گردد. در این حالت كه از برخورد اشعه ZnS اشعه ای نامرئی حاصل شده است كه می توان توسط ماده فلوئورسان 3 ( موادی مثل نامرئی به آنها، اشعه مرئی تولید می شود) آن را مرئی كرد. ( پدیده فلوئورسان سبز رنگ مربوط به شیشه )

 تئوری آزمایش:

 گازهادرشرایطمعمولیجریانبرقراهدایتنمیكنندوعایقالكتریسیتههستندواگربخواهیمدرفشارمعمولیمثلاًدرهواجریانیعبوردهیم،بایدولتاژیااختلافپتانسیلبسیارزیادیبیندوقطببرقراركنیمیااینكهفاصلهالكترودهارابسیاركوچكبگیریمكهدراینصورتبرقراركردنولتاژیدرحدودچندهزارولت،منجربهتولیدجرقهالكتریكیمیشودكهیكتخلیهآنیاست. لولهایمطابقشكلدرنظربگیریدكهازیكسوبهپمپخلأوصلاستودوقطبمثبتومنفیدرداخلآنتعبیهشدهاست.

اگراختلافپتانسیلنسبتاًزیاددرحدودچندهزارولتبینآندوقطببرقراركنیموفشارگازرا پائینبیاوریمتابهحدودچندمیلیمترجیوه(صدماتمسفریاچندتور)برسد؛شاهدعبوروبرقراری جریانیازدرونگازخواهیمبودكهباروشناییگازدرونلولهونورافشانیآنهمراهاست.اینپدیدهراتخلیهالكتریكیدردرونگازمینامندكهدرآغازمطالعاتمربوطبهساختماناتماهمیتزیادیداشت.

امروزه حبابهای روشنایی كه براساس این پدیده ساخته می شود از وسائل همگانی و معمولی است،

رنگ قرمز و آشنای لامپهای تبلیغاتی نئون را همه می شناسیم و اگر به جای نئون، گاز دیگری به كار بریم،رنگ لوله تغییر خواهد كرد ولی شیوه كار تقریباً یكسان است. برای مثال هوا، رنگ صورتی پریده، بخارسدیم، رنگ زرد و بخار جیوه رنگ آبی مایل به سبز پیدا می كند .

در گذشته ( اواخر سده نوزدهم میلادی ) مطالعه پدیده تخلیه در گازها مطالعه تازه ای بود كه به نتایج

مهمی، یعنی به كشف اشعه كاتدی، الكترون و خواص آن و به دنبالش به شناخت ساختمان درونی اتم رسید.

در طی بررسی پدیده تخلیه الكتریكی درگازها، دانشمندان دریافتند كه با تخلیه بیشتر حباب خطوطتاریكی در این گستره نورانی ظاهر می گردد. با ادامه تخلیه، خطوط تاریك مجاور كاتد به طرف آند گسترش 10 اتمسفر ) خطوط نورانی به طور كامل از بین می - می یابند و در نهایت در فشارهای بسیار پائین ( حدود 6 روند و روشنایی گاز لوله ناپدید می شود. در این حالت هنوز جریان الكتریكی در دو سر حباب ( لوله تخلیه الكتریكی ) بر قرار است و نوعی درخشندگی یا تابش مهتابی در دیواره لوله آشكار می گردد. در این حالت كه از برخورد اشعه ZnS اشعه ای نامرئی حاصل شده است كه می توان توسط ماده فلوئورسان 3 ( موادی مثل نامرئی به آنها، اشعه مرئی تولید می شود) آن را مرئی كرد. ( پدیده فلوئورسان سبز رنگ مربوط به شیشه )

ژوليوس (یوليوس) پلوکر  بين دو مفتول فلزی که در دو انتهای یک لوله ی شيشه ای محتوی گاز جوش داده بود٬ اختلاف پتانسيل مناسبی برقرار کرد و مشاهده نمود که از مدار مربوطه٬ جریانی عبور می کند که یادآور قضيه ی الکتروليز است. با این تفاوت که در عمل الکتروليز مایعات باعث برقراری جریان الکتریسته هستند و در اینجا گازها (گازهایی که در حال عادی عایق جریان الکتریسته هستند.)پلوکر ثابت کرد که قابليت هدایت گاز وابسته به ميزان تراکم آن در لوله بوده و با خارج کردن مقداری از آن یا به عبارت دیگر با کم کردن فشار گاز افزایش خواهد یافت. در این حالت است که هر گازی شروع به درخشيدن به رنگ خاص خود می کند. به طوری که بر حسب رنگ درخشش می توان نوع گاز را در لوله تعيين کرد. (اعلانهای نئونی تجاری از جمله آثار این اکتشاف است).اگر ميزان خلاء را در لوله زیاد کنيم٬ آنگاه در حوالی کاتد فضای تاریکی ظاهر می شود که اگر خارج کردن گاز را از لوله ادامه دهيم٬ این فضا توسعه یافته و سرانجام لوله را پر می کند٬ و لوله دیگر از درخشندگی باز می ماند. ولی در همين شرایط نيز اشعه ای نامرئی از ميان لوله در حال عبور است که در برخورد با اجسام دیگر وجود خود را نمایان می سازد. آویگن گلدشتين) یکی از شاگردان پلوکر) در سال 1876 این اشعه را «کاتدیک» ناميد. قبلاً در سال 1869 یوهان ویلهلم هيتورف) شاگرد دیگر پلوکر)انحراف آنها را در ميدان مغناطيسی پيدا کرد. و سرانجام در سال 1879 کرمول ورلی نشان داد که آنها دارای بار منفی هستند. در ابتدا سعی می شد این پدیده ها را به زبان تصورات موجی بفهمند. در آن زمان دانشمندان می پرسيدند چرا هدایت گازها در اثر تقليل فشار آنها در لوله افزایش می یابد؟ چرا فقط سيل اشعه منفی پيدا شده است و از مثبت خبری نيست؟ تا اینکه ویليام کروکس گاز داخل لوله را با شدت بيشتری تخليه کرد؛ در این حالت از کاتد فضای تاریک دیگری جدا شد که آن نيز به تدریج تمام لوله را پر کرد. و از آن پس بود که از آند٬ رنگ سبزی شعله کشيد. آن روز در سال 1878 را می توان تولد لوله های اشعه الکتریکی شمرد. کروکس در این مورد نوشت: ما واقعاً به آن منطقه مرزی دست یافته ایم که ماده و انرژی تداخل می کند . (منبع : ارزنده نيا٬ محمد (1387) اتم و الفبای کتاب طبيعت٬ تهران: اطلاعات٬ کتابهای سپيده٬ چاپ سوم،rasekhoon.net)

ناحیه تاریك آستون: این ناحیه لایه بسیار نازكی است كه روی كاتد را می‌پوشاند و بعلت كم بودن سرعت الكترونها در این ناحیه و جریان یونهای مثبت، بار فضا مثبت و میدان نیز مثبت است.

ناحیه افروختگی كاتد: در این ناحیه الكترونهایی كه كاتد را با انرژی كم ترك كرده‌اند دوباره با یونهایی كه به طرف قطب منفی می‌روند تركیب می شوند و باعث تولید نور مرئی می‌شود.

ناحیه تاریك كاتدی: در انتهای ناحیه افروختگی كاتدی به علت كاهش جریان یونهای مثبت، بار مثبت فضا كاهش می‌یابد در این ناحیه الكترونها شتاب می‌گیرند ولی چون انرژی كافی ندارند نمی‌توانند اتمها را یونیزه كنند و به همین دلیل این ناحیه تاریك است.

ناحیه افروختگی منفی: در این ناحیه اتمها یونیزه شده و نور مرئی ایجاد می‌كنند و بار فضا منفی و میدان نیز منفی می‌باشد.

ناحیه‌ تاریك فاراده: بار فضا در این ناحیه صفر است چون الكترونها با یونهایی كه جذب قطب منفی می‌شوند در این ناحیه دوباره تركیب می‌گردند.

ستون مثبت: در این ناحیه گاز یونیزه شده و پلاسما نامیده می‌شود بطوریكه E مثبت و بار صفر است.

این ناحیه چون در محدوده قطب مثبت لوله تخلیهایجاد میشود از این رو آنرا ستون مثبت مینامند.در این ناحیه الکترون هایی که از سمت ناحیه تاریک فاراده می آیند و انرژی لازم را دارند باعث برانگیزش و یونیزه شدن اتمها میشوند.گاهی در شرایط خاص از فشار و یا جریانی برای گازهای ویژه همچون گازهای مولکولی و گاز های بی اثر این ناحیه به صورت لایه هایی از نوار روشن و تاریک دیده میشود . و علت این لایه ها افت و خیز انرژی الکترونهاست .یعنی الکترونها پس از برخورد با اتمها و ایجاد ناحیه و نوار روشن انرژی خود را از دست داده و سپس دوباره شتاب گرفته و نوار روشن بعدی را به وجود می آورند .

روابط تجربی زیادی در این مورد وجود دارد که یکی از معروف ترین این روابط به صورت زیر است :             L/R = C/(PR)m

که L فاصله ی بین نوار های اریک و روشن ستون مثبت ، R شعاع لوله تخلیه الکتریکی ، p فشار گاز درون لوله و C مقدار ثابتی است و توان m  چیزی حدود ½ است .همه دانشمندان در این باره اتفاق نظر دارند که در ابتدای ستون مثبت همواره یک لایه پرنورتر مشاهده میشود که آن را باید به علت بالا بودن انرژی الکترون ها در اول ستون مثبت دانست .

ناحیه تاریك آندی: در این قسمت الكترونهای كه انرژی خود را در برخوردهای متوالی در ستون مثبت از دست داده‌اند از این ناحیه عبور می‌كنند و به طرف آند می‌روند.

افروختگی آندی: الكترونهایی كه ناحیه قبلی را پشت سر گذاشته‌اند؛ انرژی مختصری كه طی آن كسب كره‌اند در نزدیكی یا روی آند ایجاد یك لایه نازك تابناك می‌كنند.

لوازم انجام آزمایش :

１.                         مجموعه لوله‌های تخلیه

２.                        منبع تغزیه ولتاژ بالا

３.                         آمپر سنج

４.                         سیم های رابط

５.                        اسپکتروسکوپ

６.                         کولیس و خط کش

هدف از انجام آزمایش :

تشخیص نوع گاز درون لوله ها از روی رنگ آنها و بررسی ناحیه های تشکیل شده در لوله های تخلیه الکتریکی ناشی از تغییرات به شرح زیر:

1.     فشار درون لوله ها

2.     ولتاژ اعمال شده به دو سر لوله ها

3.     تغییر جریان

4.     تغییر قطر لوله های تخلیه الکتریک

روش انجام آٰزمایش:

روش انجام افزایش به این صورت است که ما در آزمایشگاه به تعداد شش لوله تخلیه الکتریکی با قطر های ثابت داریم ابتدا منبع تغزیه را روشن و در جریان مستقیم یا متناوب می گذاریم که اگر جریان متناوب را انتخاب کنیم باید از یک خود القا گر استفاده کنیم و اگر از یک جریان مستقیم استفاده کنیم باید یک مقاومت به مدار وصل کنیم زیرا اگر ولتاژ زیاد باشد لوله های تخلیه الکتریکی خراب میشوند سپس ولتاژی به میزان معین  را به دو سر لوله ها اعمال میکنیم بدین گونه که قسمت منفی منبع تغذیه را به کاتد و مثبت را به آند وصل میکنیم و با تغییر لوله ها یعنی تغییر فشار و نوع گاز تغییرات را مقایسه میکنیم :

نتایج آزمایش :

·        با کاهش فشار در درون لوله های تخلیه الکتریکی جریان افزایش می یابد .

·        با کم کردن فاصله الکترود ها نیز در لوله های تخلیه الکتریکی جریان افزایش می یابد.