Vacuümcondensator en doorslagspanning.

[Flisk]

Ik heb een vraag i.v.m. vacuümcondensatoren. Even een kleine schets erbij halen.

condensator 1459 keer bekeken

Beschouw dat de situatie in rust is en de spanning over de condensator kleiner is dan de doorslagspanning in vacuüm. Er vloeit dus geen stroom, dus er geldt:

\(V_{ab}=\mathcal{E}=\frac{Qd}{A\epsilon_0}\)

 Ik vraag mij af waarom er nu precies geen stroom vloeit tussen de condensatorplaten. Er is een elektrisch veld aanwezig en een lading op het ene oppervlak wordt aangetrokken door de tegengestelde ladingen op het andere oppervlak. Er moet dus één of andere kracht zijn die deze aantrekkingskracht tegenwerkt en de ladingen op hun plek houden waardoor er dus geen stroom doorheen dat vacuüm vloeit. Ik vermoed dat die kracht zijn oorsprong vindt op moleculair niveau maar mijn boek vermeldt nergens welke kracht dit precies is. Weet iemand hoe dit precies werkt?

[jkien]

De elektronen moeten een energiedrempel overwinnen om het metaal van de kathode te verlaten. Daarvoor moeten ze eerst een zetje krijgen, bijvoorbeeld van uv-licht of van de hitte van een gloeispiraal.
 
De energie die een elektron nodig heeft om te ontsnappen aan een (neutraal) metaal is tussen de 3 en 5 eV. De waarde hangt af van het metaal, en heet de 'work function' van het metaal (meetbaar m.b.v. het fotoelektrisch effect). De oorsprong ervan is de binding tussen de geleidingselektronen en het metaalrooster, met name aan het oppervlak.

[Flisk]

Bestaat er al een theorie die de doorslagspanning in bijvoorbeeld vacuüm verklaart of is dit enkel nog maar experimenteel onderzocht? Ik vind er maar weinig van terug.

 
 

De oorsprong ervan is de binding tussen de geleidingselektronen en het metaalrooster, met name aan het oppervlak.

Als er netto lading in een geleider aanwezig is in de vorm van elektronen, heb je een overschot. Hoe komt het dan dat deze toch gebonden blijven aan het metaalrooster? Ik zou denken dat enkel de elektronen in een neutrale geleider gebonden zijn en al wat je er dan doorheen jaagt van elektronen vrij zijn maar dit is duidelijk een foute gedachte.

[jkien]

Als je de pluspool van een 9 volt batterij aardt, dan ontstaat er een elektronenoverschot op zijn minpool, en de potentiaal is daar -9V. Hier twijfel ik: misschien kunnen de elektronen dan ontsnappen aan het metaal van de minpool, omdat 9 eV groter is dan de work function. Uiteindelijk zou de batterij leeglopen. Maar dat kan niet kloppen want dan zou een elektroscoop positieve lading langer vasthouden dan negatieve. Blijkbaar geeft een foton op een andere manier energie aan een geleidingselektron dan de elektrische potentiaal.

Zie ook dit filmpje dat laat zien dat een elektroscoop onder uv-licht negatieve lading wel verliest, maar positieve niet (fotoelektrisch effect): 1

Overigens, wat bedoel je met de doorslagspanning van vacuum? Voor mij is dat geen bekend begrip. Of bedoel je de doorslagspanning in een partieel vacuum, dus bij lage gasdruk?

[Flisk]

Als dat waar is dan zou je B^--straling met bvb een geigerteller kunnen meten uit zo'n batterij. Kan me moeilijk voorstellen dat nog niemand dit geprobeerd heeft, ik heb nu al wat gezocht op het internet maar nog niets gevonden.

[Benm]

Overigens, wat bedoel je met de doorslagspanning van vacuum? Voor mij is dat geen bekend begrip. Of bedoel je de doorslagspanning in een partieel vacuum, dus bij lage gasdruk?

Dat zal het inderdaad wel zijn. Een hard vacuum zal niet doorslaan (er is geen gas dat je kunt ioniseren), maar praktische vacuums slaan wel door. Afhankelijk van welk gas er aanwezig is zit er een bepaald optimum in het 'gemak' waarmee het doorslaat, in de orde van 0.01 bar.

[Flisk]

Ik bedoel het theoretische geval van een perfect vacuüm. Misschien is doorslagspanning geen juist woord dan, maar ik bedoel gewoon vanaf wanneer er elektronen al dan niet tussen de condensatorplaten zullen beginnen stromen. Vrije elektronen kunnen zich voortbewegen doorheen vacuüm en mijn originele vraag was dus waarom dit niet gebeurt bij lage spanning in een een condensator. Er is immers een elektrisch veld, een vrij elektron zou zonder probleem doorheen dat vacuüm versnellen. Er moet dus een of andere kracht zijn die dit tegenhoudt.

In een geval van netto lading op een condensatorplaat (meer elektronen dan protonen), zie ik niet direct in waarom die extra elektronen toch gebonden zijn aan die plaat.

[jkien]

De potentiaal U(r ) is de som van U₁ en U₂ , waarbij U₁ de potentiaal is van de geladen geleider zonder workfunction, en U₂ de potentiaal van het neutrale metaal met workfunction.

QU4 1461 keer bekeken

U₁ is evenredig met de lading; U₂ niet, die is onafhankelijk van de lading. De som U₁+U₂ heeft een vaste drempel die overwonnen kan worden met uv of hitte, maar niet met elektrische lading.

 
(NB de grafiek is gemaakt voor een geladen bol, vandaar de coördinaat r en de holle vorm van U₁. De bol verschilt niet wezenlijk met de plaat van een vlakke condensator)

[Benm]

In een geval van netto lading op een condensatorplaat (meer elektronen dan protonen), zie ik niet direct in waarom die extra elektronen toch gebonden zijn aan die plaat.

Een beetje om dezelfde reden dat water in recht staande emmer niet over de rand loopt, ook al zet je die emmer op een gebouw van een kilometer hoog. De potentiele energie is enorm, maar er is geen kracht aanwezig om het water over de rand van de emmer te krijgen.

Bij een metaal en spanningsverschil heb je feitelijk dezelfde situatie: er is heel veel potentiele energie te winnen door naar de overkant te schieten, maar je moet ook een klein beetje energie investeren om een electron los te krijgen uit het metaalrooster.

De electrische gradient voorziet nooit in dat eerste beetje energie: losraken van het metaalrooster is iet s dat eerst een beetje energie kost, hoe groot het potentiaalverschil ook is. De electrische gradient voorziet niet in dat beetje energie, maar iets 'externs' als licht of thermische beweging wel.

[Flisk]

Ik denk dat ik de term heb gevonden voor het fenomeen waar ik op doel, (cold) field electron emission, in het Nederlands veldemissie. Naast het foto-elektrisch effect en uittreding d.m.v. warmte is dat dus ook een mogelijkheid. Zie bijvoorbeeld hier, dat proefje is wel niet in vacuüm denk ik. Dit is blijkbaar reeds verklaard m.b.v. kwantummechanica, momenteel ga ik het dus nog niet kunnen begrijpen. Dat is iets voor volgend semester.