שיחה:מטען מרחבי

שינויים בערך

אני מעביר לפה חלק גדול ממה שהיה כתוב בערך. אלו דברים שבחלקם לא רלוונטיים ובחלקם כתובים לא טוב. אשמח אם כותב הערך יסביר את כוונתו ולמה מתייחסים הפסקאות הללו - ואז ניתן יהיה להחזיר אותם לערך. טוקיוני 17:35, 12 ביוני 2010 (IDT)

כתבתי את זה כאשר הסתמכתי על הערך באנגלית. במסגרת עבודה שעשיתי עברתי על מקורות רבים ואיששתי את הכתוב. הכתוב להלן נכון והוא צריך להיות חלק מהערך. לחלק מהכתוב לא הצלחתי למצוא מילים המתארות אותו כמו שצריך בעברית (hetro and homo charge) ולכן יכול להיות שהשמות קצת לא מובנים. אודה למי שיעזור לי בזה. חוצמזה בסוף (חוק צ'יילד וחוק מוט) הם מודלים המוצעים לשיטה זו.Jwortzel - שיחה 12:20, 13 ביוני 2010 (IDT)

הערך האנגלי הוא לא טוב. תרגום מילולי שלו לעברית (במיוחד עם הכותב לא מבין את הדברים) זה לא דבר בריא. אם אתה מתכוון להשקיע בכך מאמץ אז אתחיל להסביר מדוע הכתוב למטה בעייתי:

• יש התמקדות מוגזמת בפליטה תרמיונית. מטען מרחבי נגרם מכל סוג של זרם של יונים, לאו דווקא מזרמים של אלקטרונים ולאו דווקא מאלקטרונים הנובעים מפליטה תרמיונית.
• פיסקת הפתיחה של 'הסבר פיזיקלי' היא הסבר פיזיקלי לתופעת הפליטה התרמיונית ולא למטען מרחבי ולכן אין לה מקום בערך.
• הפרק 'הסבר מתמטי' נותן את המשוואות המתארות פליטה תרמיונית ולא מטען מרחבי.
• פרק ההסבר הפיזיקלי: מה זה הטרומטען? מה זה לחץ העשרה? מה זה פולריזציה במבנים כמו עץ מים?

אם אקבל תשובות לנושאים הללו, אמשיך בהערות. טוקיוני 15:16, 13 ביוני 2010 (IDT)

הסבר פיזיקלי

כאשר חפץ מתכת ממוקם בריק ומחומם עד אשר הוא פולט אור, האנרגיה מספיקה לגרום לאלקטרונים לרתוח הרחק מהמשטח האטומי שלהם, ולהקיף את חפץ המתכת בענן של אלקטרונים חפשיים. מצב זה נקרא פליטה תרמיונית. הענן הנוצר כתוצאה מכך טעון שלילית, ויכול להמשך לכל חפץ קרוב אשר טעון חיובית, ולכן יוצר זרם חשמלי אשר עובר דרך הריק.

מטען מרחבי יכול להגרם משורה של תופעות, אשר החשובות שבהן הם:

1. קומבינציה של צפיפות זרם וחוסר הומוגניות התנגדותית מרחבית.
2. יוניזציה של מינים של חומרים דיאלקטרים על מנת לייצר הטרומטען.
3. הזרקת מטענים מאלקטרודות וייצור לחץ העשרה.
4. פולריזציה במבנים כמו עץ מים.

הוצע שבזרם חילופין, רובם של נושאי המטען המוזרקים מהאלקטרודות במהלך חצי מחזור מוצאים משם בחצי המחזור השני, ולכן האיזון של המטען ברשת במהלך מחזור שלם הוא מעשית אפס. אולם, שבריר של נושאי מטען יכולים להלכד ברמות עמוקות מספיק על מנת להשאר גם כאשר השדה הפוך. סכם המטען בזרם חילופין צריך לגדול בקצב איטי יותר מאשר בזרם ישר ולהפוך למורגש לאחר זמן רב יותר.

מטען זהה ואחר

מטען אחר משמעותו שהקוטביות של המטען המרחבי היא הפוכה לזו של האלקטרודה השכנה, ומטען זהה הוא הסיטואציה ההפוכה. תחת אפליקציות של מתח גבוה, יש צפי למטען אחר ליד האלקטרודה על מנת להפחית את מתח השבירה, מפני שמטען זהה יגדיל אותו. לאחר היפוך קוטביות תחת תנאי זרם חילופין, המטען הזהה מומר למטען מרחבי אחר.

הסבר מתמטי

אם בריק יש לחץ של 10^-6 או פחות, הנושא העיקרי של ההולכה הוא אלקטרון. צפיפות זרם הפליטה (J) מהקתודה, כפונקציה של הטמפרטורה התרמודינמית שלו, בהיעדר מטען מרחבי, נתון על ידי

$J=(1-{\tilde {r}})A_{0}T^{2}\exp \left({\frac {-\phi }{kT}}\right)$

כאשר

A₀ = ${\frac {4\pi emk^{2}}{h^{3}}}\approx$ 1.2 × 10⁶ A m^-2 K^-2

e = מטען בסיסי חיובי

m = מסת אלקטרון

k = קבוע בולצמן

h = קבוע פלנק

φ = פונקציית העבודה של הקתודה

ř = הגורם המשמעותי של השתקפות אלקטרון

גורם ההשתקפות יכול להיות נמוך ביותר, אפילו 0.105, אבל בדרך כלל הוא קרוב ל 0.5.

זרם הפליטה כפי שמוצג לעיל גדול בהרבה סדרי גודל מאשר בדרך כלל מורגש באלקטרודות, מלבד מקרים מסוימים. רוב האלקטרונים הנפלטים מהקתודה מובלים בחזרה אליה על ידי דחיה של ענן האלקטרונים אשר נמצא בשכנות. אפקט זה נקרא אפקט המטען המרחבי'. בגבול צפיפויות הזרמים הגדולות, ניתן להוציא את J על ידי משוואת צ'יילד-לנגמויר, בקירוב טוב יותר מאשר משוואת הפליטה התרמיונית שלעיל.

תרחיש

מטען מרחבי הוא תכונה המוטבעת בכל שפופרות הריק. תופעה זו לעתים הקלה ולעתים הקשתה את החיים על מהנדסי חשמל אשר השתמשו בשפופרות אלו.

מטען מרחבי שימש באפליקציות רבות הכוללות בתוכן שפופרות עקב העובדה שהוא מייצר כא"מ שלילי במעטפת של השפופרת, אשר יכול ליצר נטיה שלילית למעטפת של השפופרת. נטיה זו יכולה להיות מושגת גם על ידי שימוש במתח המושרה על המעטפת, אשר מתווסף על מתח הבקרה של המערכת. נטיה זו יכולה לשפר את יכולת הבקרה של המהנדס וכן את הדיוק של ההגבר.

תופעה של מטען מרחבי יכול לקרות גם כתוצאה בחומרים דיאלקטריים. למשל, כאשר גז הקרוב לאלקטרודה של מתח גבוה מתחיל תהליך של פריצה חשמלית, מטענים חשמליים מוזרקים לתוך האזור הקרוב לאלקטרודה, ויוצרים אזורים טעונים מטען מרחבי בסביבת הגז. תופעה של מטען מרחבי יכול גם לקרות בחומרים דיאלקטרים מוצקים או נוזלים, אשר נדחסים על ידי שדות חשמליים גדולים. מטענים מרחביים אשר לכודים בתוך חומרים דיאלקטרים מוצקים בדרך כלל מהוים גורם התורם לכשל הדיאלקטרי בכבלים ובקבלים המעבירים מתחים גבוהים.

חוק צ'יילד

ידוע גם בתור חוק צ'יילד-לנגמיר או בתור חוק שלושת חצאי ההספק. החוק בונה מודל לפיו הזרם אשר זורם כתוצאה מהמטען המרחבי הוא בעצם דיודה אשר תכונותיה החשמליות משתנות ביחס ישר למתח האנודה בחזקת שלושה חצאים, וביחס הפוך לריבוע המרחק המפריד את האנודה והקתודה:

$I_{a}=JS=2.33\times 10^{-6}{\frac {S\nu {V_{a}}^{3/2}}{d^{2}}}$.

${V_{a}}$ הוא מתח האנודה $d$ הוא המרחק בין האנודה לקתודה $I_{a}$ הוא זרם האנודה $J$ הוא צפיפות הזרם $S$ הוא השטח.

חוק צ'יילד מניח את ההנחות הבאות:

1. האלקטרודות שטוחות, מקבילות ומתייחסים אליהם בתור משטחים אינסופיים שווי פוטנציאל.
2. האלקטרונים במשטח הקתודה הם בעלי מהירות אפסית
3. באזור האלקטרודות, קיימים רק אלקטרונים
4. הזרם הוא זרם כתוצאה ממטען מרחבי
5. מתח האנודה נשאר קבוע לזמן מספיק ארוך עד להתיצבות זרם האנודה

המודל של מוט

מודל ההולכה של המטען המרחבי של מוט טוען כי צפיפות זרם ההולכה על ידי המטען המרחבי במצב היציב J בדגימה דיאלקטרית בין אלקטרודות שטוחות ומקבילות אשר המרחק ביניהן L, הוא ביחס ישר לריבוע המתח הנופל עליהם V:

$J={\frac {9{\epsilon }{\mu }{V}^{2}}{8{L}^{3}}}$

מודל זה מניח את ההנחות הבאות:

1. נוכח רק סוג אחד של נושאי מטען
2. בחומר אין מוליכות אינטרינזית (משל עצמו), אלא מטענים מוזרים אליו מאלקטרודה אחת ונלכדים באלקטרודה השנייה.
3. ניידות נושאי המטען $\mu$ והפרמיטיביות המגנטית $\epsilon$ קבועים לכל אורך הפיסה.
4. השדה המגנטי בקתודה ממנה מזריקים אלקטרונים הוא אפסי.