شحنة الفضاء

شحنة الفضاء space charge (أو الشحنة الفراغية) هي تجمُّع جسيمات ذات شحنة كهربائية تشغل حيِّزاً من الفضاء الحر، أو داخل جهاز أو نبيطة device. ففي الصمامات أو الأنابيب الإلكترونية المتعددة المساري، وخاصة الأنبوب الإلكتروني[ر] ثلاثي المساري، المفرَّغ من الهواء تنطلق الإلكترونات من الكاتود (المهبط) باتجاه الأنود (المصعد)، ولكن لا يصل منها إلى الأنود إلا القليل لسببين، فهي أولاً تحتاج إلى زمن محدد كي تبلغه، ويزداد هذا الزمن كلما قلَّ الجهد الموجب المطبق على الأنود، ثم إن الإلكترونات السالبة تلقى دفعاً من الشبكة ذات الجهد السالب، فترتد بعض الإلكترونات بسببها. ولذلك تتجمع الإلكترونات بين الكاتود والشبكة مشكِّلة سحابة إلكترونية سالبة الشحنة هي ما يسمى شحنة الفضاء. تُستنزف هذه السحابة باستمرار نتيجة هجرة الإلكترونات منها باتجاه الأنود ذي الجهد الموجب، ويتم تعويض الإلكترونات المستنزَفة بإلكترونات يصدرها الكاتود الساخن. وهكذا يشكل انتقال الإلكترونات نحو الأنود تياراً كهربائياً تتحكم فيه شحنة الفضاء. وتتلاشى شحنة الفضاء من أمام الكاتود عندما يصل جهد الأنود الموجب قيمة تكفي لجذب جميع الإلكترونات التي يصدرها الكاتود، وعند ذلك يبلغ التيار حدَّ الإشباع، ولا تتحكم فيه حينئذٍ سوى درجة حرارة الكاتود، فيزداد بازديادها.

لا يقتصر حدوث شحنة الفضاء على الأنابيب الإلكترونية، وإنما يتعداها إلى الجوار المباشر للرؤوس المؤنَّفة المشحونة، وإلى الأسلاك الدقيقة في أنابيب الانفراغ الغازية. كما تظهر شحنة الفضاء عند أي مسرى (إلكترود) electrode يُستخدم لحقن الإلكترونات أو الأيونات في مادة عازلة سائلة أو صلبة، كما هي الحال عند حقن الإلكترونات أو الثقوب holes في نصف ناقل نقي pure semiconductor من مسرىً حاقن في كثير من النبائط الإلكترونية.

يسبب وجود شحنة الفضاء تعديلاً في خطوط الحقل الكهربائي. ففي أنبوب إلكتروني ثلاثي المساري يحتوي على أنود وكاتود وشبكة، تنطلق خطوط الحقل الكهربائي من الأنود، وتنتهي بالكاتود. إن وجود شحنة الفضاء بين المسريين يجعل بعض خطوط الحقل تنتهي بشحنة الفضاء ذاتها، خاصةً إذا كان تيار الإلكترونات آقل من حد الإشباع.

وإذا قُذِفت حزمة جسيمات كالإلكترونات أو الأيونات في الخلاء، شكَّلت الجسيمات المقذوفة شحنة فضاء. ونظراً لتدافع الشحنات المتماثلة فإن حزمة الجسيمات تبدأ متوازية ثم لا تلبث أن تتباعد تدريجياً، الأمر الذي يحدُّ من شدة حزمة الجسيمات التي يمكن تسريعها في المسرِّعات، كما يحدُّ من مقدرة تجهيزات فصل النظائر في الحقول الكهرمغنطيسية.

ويطلق اسم منطقة شحنة الفضاء space charge region (أو منطقة الشحنة الفراغية) على منطقة التماس بين نصف ناقل من النوع n ونصف ناقل من النوع p، أو بين معدن ونصف ناقل. وهي منطقة خالية من الشحنات الحرة (الإلكترونات والثقوب) بسبب الحقل الكهربائي الذي تشكله طبقتا الأيونات الموجبة (في الجانب من النوع n) والسالبة (في الجانب من النوع p). وتقوم هذه المنطقة بدور أساسي في العديد من النبائط (مثل الديود والترانزستور) نظراً لتأثيرها على التيار المار في الوصلة p-n وعلى وسعيتها capacitance.

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

 قانون تشايلد

رسم بياني يوضح قانون تشايلد-لانگموير. S و d هما ثابتان ويساويان 1.

اقترحه لأول مرة كلمنت تشايلد في 1911، Child's Law states that the space-charge limited current (SCLC) in a plane-parallel vacuum diode varies directly as the three-halves power of the anode voltage V_a and inversely as the square of the distance d separating the cathode and the anode.

For electrons, the current density J (amperes per meter squared) is written:

$J={\frac {I_{a}}{S}}={\frac {4\epsilon _{0}}{9}}{\sqrt {2e/m_{e}}}{\frac {V_{a}^{3/2}}{d^{2}}}$.

where I_a is the anode current and S the anode surface inner area; $e$ is the magnitude of the charge of the electron and $m_{e}$ is its mass. The equation is also known as the "Three-halves Power" Law and as the Child–Langmuir Law. Child originally derived this equation for the case of atomic ions, which have much smaller ratios of their charge to their mass. Irving Langmuir published the application to electron currents in 1913, and extended it to the case of cylindrical cathodes and anodes.

The equation's validity is subject to the following assumptions:

1. Electrons travel ballistically between electrodes (i.e., no scattering).
2. In the interelectrode region, the space charge of any ions is negligible.
3. The electrons have zero velocity at the cathode surface.

The assumption of no scattering (ballistic transport) is what makes the predictions of Child–Langmuir Law different from those of Mott–Gurney Law. The latter assumes steady-state drift transport and therefore strong scattering.

 انظر أيضا

• Thermionic emission
• أنبوب مفرغ
• Grid leak

 المصادر

• الموسوعة العربية
• Telecommunications by A. T. Starr, Second Ed., Sir Isaac Pitman & Sons, Ltd, London, 1958
• Physics of Dielectrics for the Engineer by R. Coelho, Elsevier Scientific Pub. Co., Amsterdam, 1979