अंतरिक्ष प्रभार

अंतरिक्ष प्रवाह, विद्युत आवेशों के संग्रह की व्याख्या है जिसमें अतिरिक्त विद्युत आवेश को भिन्न-भिन्न बिंदु, जैसे आवेशों के अतिरिक्त अंतरिक्ष के क्षेत्र पर वितरित आवेश को यांत्रिकी के रूप में माना जाता है। यह मॉडल सामान्यतः तब प्रारम्भ होता है, जब आवेश वाहकों को ठोस के किसी क्षेत्र से उत्सर्जित किया गया हो I उत्सर्जित वाहकों के बादल अंतरिक्ष आवेश क्षेत्र बना सकते हैं यदि वे पर्याप्त रूप से विस्तारित हुए हो, या ठोस में त्याग किये गए आवेशित परमाणु या अणु प्रभारी क्षेत्र बना सकते हैं।

कुचालक मीडिया (निर्वात सहित) में अंतरिक्ष आवेश प्रभाव अधिक स्पष्ट होते हैं; अत्यधिक प्रवाहकीय मीडिया में, विद्युत् का आवेश तीव्रता से अप्रभावी हो जाता है। अंतरिक्ष आवेश का चिन्ह ऋणात्मक या धनात्मक हो सकता है। यह स्थिति किसी धातु वस्तु के निकट के क्षेत्र में अधिक परिचित होती है, जब इसे निर्वात में तप्त करने के लिए गर्म किया जाता है। यह प्रभाव प्रथम बार पूर्व में थॉमस एडीसन द्वारा प्रकाश बल्ब विद्युत तंतु में देखा गया था, जहाँ इसे कभी-कभी एडिसन प्रभाव कहा जाता है। कई निर्वात और ठोस राज्य इलेक्ट्रॉनिक उपकरणों में अंतरिक्ष आवेश महत्वपूर्ण घटना है।

कारण

भौतिक व्याख्या

जब धातु वस्तु को निर्वात में रखा जाता है, और तप्त करने के लिए गरम किया जाता है, जिसके परिणाम स्वरुप ऊर्जा इलेक्ट्रॉनों को सतह के परमाणुओं से उबालने लिए पर्याप्त होती है, और मुक्त इलेक्ट्रॉनों के बादल में धातु की वस्तु को घेर लेती है। इसे थर्मिओनिक उत्सर्जन कहा जाता है। परिणामी बादल नकारात्मक रूप से आवेशित होता है, और निकट की किसी भी सकारात्मक आवेशित वस्तु की ओर आकर्षित हो सकता है, इस प्रकार विद्युत प्रवाह उत्पन्न करता है जो निर्वात से होकर प्रवाहित होता है।

अंतरिक्ष आवेश कई प्रकार की परिघटनाओं का परिणाम हो सकता है, किन्तु सबसे महत्वपूर्ण हैं:

1. वर्तमान घनत्व और स्थानिक समरूपता और विषमता प्रतिरोध का संयोजन है I
2. हेट्रोआवेश निर्माण के लिए कुचालक के अंदर प्रजातियों का आयनीकरण होता है I
3. इलेक्ट्रोड बढ़ाने से आवेश प्रवाह और तनाव उत्पन्न होता है I
4. विद्युत वृक्षों जैसी संरचनाओं में ध्रुवीकरण (तरंगें) होती है। जल वृक्ष जल-संसेचित बहुलक रोधन केबल में दिखाई देने वाले वृक्ष जैसी आकृति को दिया गया नाम है।

यह परामर्श दिया गया है कि प्रत्यावर्ती धारा (एसी) में अपूर्ण चक्र के अंतर्गत इलेक्ट्रोड पर प्रवाह किए गए अधिकांश वाहक अगले अपूर्ण चक्र के अंतर्गत बाहर निकल जाते हैं, इसलिए चक्र पर आवेश का शुद्ध संतुलन व्यावहारिक रूप से शून्य होता है। चूँकि, वाहकों के छोटे से अंश को गहन स्तर पर स्थिर किया जा सकता है, जिससे क्षेत्र के विपरीत होने पर उन्हें बनाए रखा जा सके। प्रत्यावर्ती धारा में आवेश की मात्रा एकदिश धारा (डीसी) की तुलना में मंद होती है, और लंबे समय के पश्चात् देखने योग्य हो जाती है।

हेटेरो और होमो आवेश

हेटेरो आवेश का तात्पर्य है कि अंतरिक्ष आवेश की ध्रुवीयता के निकट इलेक्ट्रोड के विपरीत है, और होमो आवेश की विपरीत स्थिति है। उच्च वोल्टेज अनुप्रयोग के अंतर्गत, इलेक्ट्रोड के निकट हेटेरो आवेश से ब्रेकडाउन वोल्टेज अल्प होने की आशा है, जबकि होमो आवेश इसे बढ़ा देगा। प्रत्यावर्ती धारा की स्थितियों के अंतर्गत ध्रुवीयता विपरीत होने के पश्चात्, होमो आवेश को हेटेरो अंतरिक्ष आवेश में परिवर्तित कर दिया जाता है।

गणितीय व्याख्या

यदि निकट निर्वात में 10⁻⁶ mmHg का दबाव है, या उससे न्यून चालन का मुख्य वाहन इलेक्ट्रॉन है। कैथोड से उत्सर्जन वर्तमान घनत्व (J), इसके थर्मोडायनामिक तापमान T के फंक्शन (गणित) के रूप में, अंतरिक्ष-आवेश की अनुपस्थिति में, रिचर्डसन के नियम द्वारा दिया गया है:

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

जहाँ

• $A_{0}={\frac {4\pi em_{\mathrm {e} }k^{2}}{h^{3}}}\approx 1.2\times 10^{6}\mathrm {A{\cdot }m^{-2}{\cdot }K^{-2}}$
• e = प्रारंभिक धनात्मक आवेश (अर्थात, इलेक्ट्रॉन आवेश का परिमाण),
• m_e = इलेक्ट्रॉन द्रव्यमान,
• k = बोल्ट्जमैन स्थिरांक = 1.38×10⁻²³ J/K,
• h = प्लांक नियतांक = 6.62×10⁻³⁴ J⋅s,
• φ = कैथोड का कार्य फलन,
• ř = माध्य इलेक्ट्रॉन परावर्तन गुणांक।

प्रतिबिंब गुणांक 0.105 जितना न्यून हो सकता है, किन्तु सामान्यतः 0.5 के निकट होता है। टंगस्टन के लिए, (1 - ř)A₀ = (0.6 to 1.0)×10⁶ A⋅m⁻²⋅K⁻², और φ = 4.52 eV. 2500 डिग्री सेल्सियस पर उत्सर्जन 28207 A/m² है I

जैसा कि ऊपर दिया गया है, उत्सर्जन धारा कुछ स्पंदित वाल्वों जैसे कैविटी मैग्नेट्रॉन को त्यागकर सामान्य रूप से इलेक्ट्रोड द्वारा एकत्रित की तुलना में कई गुना अधिक है। कैथोड द्वारा उत्सर्जित अधिकांश इलेक्ट्रॉन इसके निकट में इलेक्ट्रॉनों के बादल के कूलम्ब के नियम द्वारा पुनः प्रस्तुत किये जाते हैं। इसे अंतरिक्ष आवेश प्रभाव कहा जाता है। बड़े वर्तमान घनत्वों की सीमा में, J ऊपर के थर्मिओनिक उत्सर्जन समीकरण के अतिरिक्त बाल-लैंगमुइर समीकरण द्वारा दिया गया है।

घटना

अंतरिक्ष आवेश सभी निर्वात नलिका का अंतर्निहित गुण है। इसने प्रत्येक विद्युत इंजीनियर के लिए जीवन को कठिन या सरल बना दिया है, जो अपने डिजाइनों में नलिका का प्रयोग करते थे। उदाहरण के लिए, अंतरिक्ष आवेश ने ट्रायोड एम्पलीफायरों के व्यावहारिक अनुप्रयोग को सीमित कर दिया, जिससे निर्वात नलिका टेट्रोड जैसे और नवाचार हुए है।

दूसरी ओर, कुछ नलिका अनुप्रयोगों में अंतरिक्ष आवेश उपयोगी था, क्योंकि यह नलिका के लिफाफे के अंदर नकारात्मक वैद्युतवाहक बल उत्पन्न करता है, जिसका उपयोग नलिका के ग्रिड पर नकारात्मक पूर्वाग्रह निर्माण के लिए किया जा सकता है। नियंत्रण वोल्टेज के अतिरिक्त प्रारम्भ की गई ग्रिड वोल्टेज का उपयोग करके ग्रिड पूर्वाग्रह भी प्राप्त किया जा सकता है। यह इंजीनियर के नियंत्रण और प्रवर्धन की निष्ठा में सुधार कर सकता है। इसने वाहन ऑडियो के लिए अंतरिक्ष आवेश नलिका निर्माण की अनुमति दी जिसके लिए केवल 6 या 12 वोल्ट एनोड वोल्टेज की आवश्यकता थी (विशिष्ट उदाहरण 6DR8/EBF83, 6GM8/ECC86, 6DS8/ECH83, 6ES6/EF97 और 6ET6/EF98 थे)।

डाइलेक्ट्रिक्स के अंदर अंतरिक्ष शुल्क भी हो सकते हैं। उदाहरण के लिए, जब उच्च वोल्टेज इलेक्ट्रोड के निकट गैस विखंडन प्रारम्भ करती है, तो इलेक्ट्रोड के निकट के क्षेत्र में विद्युत आवेशों को प्रवाहित किया जाता है, जिससे गैस में अंतरिक्ष आवेश क्षेत्र बन जाते हैं। अंतरिक्ष शुल्क ठोस या तरल कुचालक के अंदर भी हो सकते हैं, जो उच्च विद्युत क्षेत्रों द्वारा तनावग्रस्त होते हैं। ठोस डाइलेक्ट्रिक्स के अंदर फंसे हुए अंतरिक्ष शुल्क प्रायः उच्च वोल्टेज विद्युत् केबल्स और संधारित्र के अंदर कुचालक विफलता के लिए अग्रणी योगदान के कारक होते हैं।

अर्धचालक भौतिकी में, आवेश वाहकों की न्यूनता वाले अंतरिक्ष आवेश सतहों का उपयोग पी-एन जंक्शनों के सुधारात्मक व्यवहार और फोटोवोल्टिक कोशिकाओं में वोल्टेज के निर्माण के अध्यन के लिए प्रतिरूप के रूप में किया जाता है।

अंतरिक्ष-आवेश-सीमित धारा

निर्वात में (बाल नियम)

File:ChildLangmuirLawGraph1.png

चाइल्ड-लैंगमुइर नियम को दर्शाने वाला ग्राफ़। S और d स्थिर हैं और के बराबर हैं1.

1911 में क्लेमेंट डी. चाइल्ड द्वारा प्रथम बार प्रस्तावित, चाइल्ड लॉ कहता है कि प्लेन-पैरेलल निर्वात डायोड में अंतरिक्ष-आवेश-लिमिटेड धारा (SCLC) सीधे एनोड वोल्टेज के तीन-भाग शक्ति के रूप में भिन्न होता है। $V$ कैथोड और एनोड को विभक्त करने वाली दूरी d के वर्ग के व्युत्क्रमानुपाती होती हैI

इलेक्ट्रॉनों के लिए, वर्तमान घनत्व J (एम्पीयर प्रति वर्ग मीटर) लिखा जाता है:

$$J={\frac {I}{S}}={\frac {4\varepsilon _{0}}{9}}{\sqrt {\frac {2e}{m_{\mathrm {e} }}}}{\frac {V^{3/2}}{d^{2}}}.$$

जहाँ $I$ एनोड धारा है और S धारा प्राप्त करने वाले एनोड की सतह क्षेत्र है; $e$ इलेक्ट्रॉन के आवेश का परिमाण है, और $m_{\mathrm {e} }$ इसका द्रव्यमान है। समीकरण को तीन अर्ध शक्ति नियम या बाल-लैंगमुइर नियम के रूप में भी जाना जाता है। बच्चे ने मूल रूप से इस समीकरण को परमाणु आयनों के स्थिति में व्युत्पन्न किया था, जिनके भार और उनके द्रव्यमान का अधिक कम अनुपात होता है। इरविंग लैंगमुइर ने 1913 में इलेक्ट्रॉन धाराओं के लिए आवेदन प्रकाशित किया, और इसे बेलनाकार कैथोड और एनोड के विषय में विस्तारित किया। समीकरण की वैधता निम्नलिखित मान्यताओं के अधीन है:

1. इलेक्ट्रॉन इलेक्ट्रोड के मध्य बैलिस्टिक रूप से यात्रा करते हैं (यदि, कोई प्रकीर्णन नहीं है)।
2. इंटरइलेक्ट्रोड क्षेत्र में, किसी भी आयन का अंतरिक्ष आवेश नगण्य होता है।
3. कैथोड सतह पर इलेक्ट्रॉनों का वेग शून्य होता है।

नो स्कैटरिंग (बैलिस्टिक ट्रांसपोर्ट) की धारणा बाल-लैंगमुइर नियम की भविष्यवाणियों को मॉट-गर्नी नियम से भिन्न है। उत्तरार्द्ध स्थिर-राज्य प्रवाह परिवहन और इसलिए पृथक्करण को मानता है।

वर्तमान के वर्षों में, एससीएलसी के विभिन्न मॉडलों को संशोधित किया गया है जैसा कि दो समीक्षा पत्रों में बताया गया है। निम्नलिखित समीकरण के साथ कैथोड सतह पर गैर-शून्य वेग के विषय के लिए बाल नियम को और सामान्यीकृत किया गया था:

${I}={\frac {2\varepsilon _{0}m}{9q}}\left({\frac {\left.\nu _{\text{initial}}^{3/2}-\left(\nu _{\text{initial}}^{2}+{\frac {2{\text{qV}}}{m}}\right){}^{3/4}\right)}{d}}\right){}^{2}$ जहाँ $\nu _{\text{initial}}$ कण का प्रारंभिक वेग है। विशेष विषय के लिए यह समीकरण बाल नियम में $\nu _{\text{initial}}$ शून्य के बराबर हो जाता है ।

अर्धचालकों में

अर्धचालक और इन्सुलेट सामग्री में, विद्युत क्षेत्र आवेशित कणों, इलेक्ट्रॉनों को विशिष्ट प्रवाह वेग तक पहुंचने का कारण बनता है जो क्षेत्र की दिशा के समानांतर होता है। यह निर्वात में मुक्त आवेशित कणों के व्यवहार से विभक्त है, जिसमें क्षेत्र कण को ​​​​त्वरित करता है। प्रवाह वेग के परिमाण के मध्य आनुपातिकता कारक, $v$, और विद्युत क्षेत्र, ${\mathcal {E}}$, इलेक्ट्रॉन गतिशीलता $\mu$ कहा जाता है:-

$$v=\mu {\mathcal {E}}$$

प्रवाह प्रणाली (मोट्ट-गर्ने नियम)

अंतरिक्ष-आवेश-लिमिटेड धारा का बाल नियम व्यवहार जो निर्वात डायोड में प्रारम्भ होता है, सामान्यतः सिंगल-कैरियर डिवाइस में अर्धचालक पर प्रारम्भ नहीं होता है, और इसे मोट्ट-गर्ने नियम द्वारा प्रतिस्थापित किया जाता है। मोटाई की सामग्री के पतले स्लैब के लिए $L$, दो लक्षित ओमिक संपर्कों के मध्य सैंडविच, विद्युत प्रवाह घनत्व, $J$, स्लैब के माध्यम से प्रवाहित किया जाता है:

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

जहाँ $V$ वह वोल्टेज है जिसे स्लैब में लगाया गया है और $\varepsilon$ ठोस की पारगम्यता है। मोट्ट-गर्ने नियम आंतरिक अर्धचालक में आवेश-परिवहन में कुछ महत्वपूर्ण अंतर्दृष्टि प्रदान करता है, अर्थात् किसी को यह आशा नहीं करनी चाहिए कि ड्रिफ्ट धारा प्रारम्भ वोल्टेज के साथ रैखिक रूप से बढ़ता है, यदि ओम के नियम से, जैसा कि धातु या अत्यधिक डोप्ड अर्धचालक में आवेश-परिवर्तित से आशा की जाती है। चूंकि मोट्ट-गर्ने नियम में एकमात्र अज्ञात मात्रा आवेश-वाहक गतिशीलता है, $\mu$, समीकरण का उपयोग सामान्यतः आंतरिक अर्धचालकों में आवेश परिवहन की विशेषता के लिए किया जाता है। दोषों और गैर-ओमिक संपर्कों वाले अर्धचालकों के साथ-साथ अनाकार अर्धचालकों की विशेषता के लिए मोट्ट-गर्ने नियम का उपयोग करना है, चूँकि वोल्टेज के संबंध में वर्तमान और विद्युत् नियम निर्भरता दोनों के परिमाण में महत्वपूर्ण विचलन के रूप में सावधानी के साथ संपर्क किया जाना चाहिए। उन विषयो में मोट्ट-गर्ने नियम को लक्षण वर्णन के लिए सरलता से उपयोग नहीं किया जा सकता है, और अन्य समीकरण जो दोषों या गैर-आदर्श प्रवाह के लिए उत्तरदायी हो सकते हैं, उनका उपयोग किया जाना चाहिए।

मोट्ट-गर्ने नियम की व्युत्पत्ति के अंतर्गत, निम्नलिखित मान्यताओं को बनाना होगा:

1. केवल आवेश वाहक उपस्तिथ होता है, यदि केवल इलेक्ट्रॉन या छिद्र है।
2. सामग्री में कोई आंतरिक चालकता नहीं है, किन्तु आवेश�