Электрический ток в вакууме. Тема лекции "электрический ток в вакууме"

27.08.2023

Электрический ток в вакууме

Вакуум - это состояние газа, при котором давление меньше атмосферного. Различают низкий, средний и высокий вакуум.

Для создания высокого вакуума необходимое разрежение, за которого в газе, что остался, средняя длина свободного пробега молекул больше размеров сосуда или расстояния между электродами в сосуде. Следовательно, если в сосуде создан вакуум, то молекулы в нем почти не сталкиваются между собой и пролетают свободно межэлектродный пространство. При этом они испытывают столкновения лишь с электродами или со стенками сосуда.

Чтобы в вакууме существовал ток, необходимо поместить в вакуум источник свободных электронов. Наибольшая концентрация свободных электронов в металлах. Но при комнатной температуре они не могут покинуть металл, потому что их в нем удерживают силы кулоновского притяжения положительных ионов. Для преодоления этих сил электрону, чтобы покинуть поверхность металла, необходимо затратить определенную энергию, которую называют работой выхода.

Если кинетическая энергия электрона превысит или будет равна работе выхода, то он покинет поверхность металла и станет свободным.

Процесс испускания электронов с поверхности металла называют эмиссией. В зависимости от того, как была передана электронам необходима энергия, различают несколько видов эмиссии. Один из них - термоелектронна эмиссия.

Ø Испускание электронов нагретыми телами называют термоелектронною эмиссией.

Явление термоэлектронной эмиссии приводит к тому, что нагретый металлический электрод непрерывно испускает электроны. Электроны образуют вокруг электрода электронное облако. Электрод при этом заряжается положительно, и под воздействием электрического поля заряженного облака электроны из облака частично возвращаются на электрод.

В равновесном состоянии число электронов, покинувших электрод за секунду, равно числу электронов, которые вернулись на электрод за это время.

2. Электрический ток в вакууме

Для существования тока необходимо выполнение двух условий: наличие свободных заряженных частиц и электрического поля. Для создания этих условий в баллон помещают два электрода (катод и анод) и выкачивают из баллона воздуха. В результате нагрева катода из него вылетают электроны. На катод подают отрицательный потенциал, а на анод - положительный.

Электрический ток в вакууме представляет собой направленный движение электронов, полученных в результате термоэлектронной эмиссии.

3. Вакуумный диод

Современный вакуумный диод состоит из стеклянного или металлокерамического баллона, из которого откачан воздух до давления 10-7 мм рт. ст. В баллон впаяны два электрода, один из которых - катод - имеет вид вертикального металлического цилиндра, изготовленного из вольфрама и покрытого обычно слоем оксидов щелочноземельных металлов.

Внутри катода расположен изолированный проводник, что его нагревает переменный ток. Нагретый катод испускает электроны, достигающие анода. Анод лампы представляет собой круглый или овальный цилиндр, имеющий общую ось с катодом.

Односторонняя проводимость вакуумного диода обусловлена тем, что вследствие нагревания электроны вылетают из горячего катода и движутся до холодного анода. Электроны могут двигаться через диод только от катода к аноду (то есть электрический ток может протекать только в обратном направлении: от анода к катоду).

На рисунке воспроизведен вольт-амперную характеристику вакуумного диода (отрицательное значение напряжения соответствует случаю, когда потенциал катода выше потенциала анода, то есть электрическое поле «пытается» вернуть электроны обратно на катод).

Вакуумные диоды используют для выпрямления переменного тока. Если поместить между катодом и анодом еще один электрод (сетку), то даже незначительное изменение напряжения между сеткой и катодом существенно влиять на анодный ток. Такая электронная лампа (триод) позволяет усиливать слабые электрические сигналы. Поэтому некоторое время эти лампы были основными элементами электронных устройств.

4. Электронно-лучевая трубка

Электрический ток в вакууме применяли в электронно-лучевой трубке (ЭЛТ), без которой долгое время нельзя было представить телевизор или осциллограф.

На рисунке упрощенно показана конструкция ЭЛТ.

Электронная «пушка» в горловине трубки - катод, который испускает интенсивный пучок электронов. Специальная система цилиндров с отверстиями (1) фокусирует этот пучок, делает его узким. Когда электроны попадают на экран (4), он начинает светиться. Управлять потоком электронов можно с помощью вертикальных (2) или горизонтальных (3) пластин.

Электронам в вакууме можно передать значительную энергию. Электронные пучки можно применять даже для плавки металлов в вакууме.

Перед тем, как говорить, по какому механизму распространяется электрический ток в вакууме, необходимо понять, что же это за среда.

Определение. Вакуум – состояние газа, при котором свободный пробег частицы больше размера сосуда. То есть такое состояние, при котором молекула или атом газа пролетает от одной стенки сосуда к другой, не сталкиваясь с другими молекулами или атомами. Существует также понятие глубины вакуума, которое характеризует то малое количество частиц, которое всегда остается в вакууме.

Для существования электрического тока необходимо наличие свободных носителей заряда. Откуда они берутся в области пространства с очень малым содержанием вещества? Для ответа на этот вопрос необходимо рассмотреть опыт, проведенный американским физиком Томасом Эдисоном (рис. 1). В ходе эксперимента две пластины помещались в вакуумную камеру и замыкались за ее пределами в цепь с включенным электрометром. После того как одну пластину нагревали, электрометр показывал отклонение от нуля (рис. 2).

Результат опыта объясняется следующим образом: в результате нагревания металл из своей атомной структуры начинает испускать электроны, по аналогии испускания молекул воды при испарении. Разогретый металл окружает электронное озеро. Такое явление называется термоэлектронной эмиссией.

Рис. 2. Схема опыта Эдисона

В технике очень важное значение имеет использование так называемых электронных пучков.

Определение. Электронный пучок – поток электронов, длина которого много больше его ширины. Получить его довольно просто. Достаточно взять вакуумную трубку, по которой проходит ток, и проделать в аноде, к которому и идут разогнанные электроны, отверстие (так называемая электронная пушка) (рис. 3).

Рис. 3. Электронная пушка

Электронные пучки обладают рядом ключевых свойств:

В результате наличия большой кинетической энергии они имеют тепловое воздействие на материал, в который врезаются. Данное свойство применяется в электронной сварке. Электронная сварка необходима в тех случаях, когда важно сохранение чистоты материалов, например, при сваривании полупроводников.

При столкновении с металлами электронные пучки, замедляясь, излучают рентгеновское излучение, применяемое в медицине и технике (рис. 4).

Рис. 4. Снимок, сделанный при помощи рентгеновского излучения ()

При попадании электронного пучка на некоторые вещества, называющиеся люминофорами, происходит свечение, что позволяет создавать экраны, помогающие следить за перемещением пучка, конечно же, невидимого невооруженным глазом.

Возможность управлять движением пучков с помощью электрических и магнитных полей.

Следует отметить, что температура, при которой можно добиться термоэлектронной эмиссии, не может превышать той температуры, при которой идет разрушение структуры металла.

На первых порах Эдисон использовал следующую конструкцию для получения тока в вакууме. В вакуумную трубку с одной стороны помещался проводник, включенный в цепь, а с другой стороны – положительно заряженный электрод (см. рис. 5):

В результате прохождения тока по проводнику он начинает нагреваться, эмиссируя электроны, которые притягиваются к положительному электроду. В конце концов, возникает направленное движение электронов, что, собственно, и является электрическим током. Однако количество таким образом испускаемых электронов слишком мало, что дает слишком малый ток для какого-либо использования. С этой проблемой можно справиться добавлением еще одного электрода. Такой электрод отрицательного потенциала называется электродом косвенного накаливания. С его использованием количество движущихся электронов в разы увеличивается (рис. 6).

Рис. 6. Использование электрода косвенного накаливания

Стоит отметить, что проводимость тока в вакууме такая же, как и у металлов – электронная. Хотя механизм появления этих свободных электронов совсем иной.

На основе явления термоэлектронной эмиссии был создан прибор под названием вакуумный диод (рис. 7).

Рис. 7. Обозначение вакуумного диода на электрической схеме

Рассмотрим подробнее вакуумный диод. Существует две разновидности диодов: диод с нитью накаливания и анодом и диод с нитью накаливания, анодом и катодом. Первый называется диодом прямого накала, второй – косвенного накала. В технике применяется как первый, так и второй тип, однако диод прямого накала имеет такой недостаток, что при нагревании сопротивлении нити меняется, что влечет за собой изменение тока через диод. А так как для некоторых операций с использованием диодов необходим совершенно неизменный ток, то целесообразнее использовать второй тип диодов.

В обоих случаях температура нити накаливания для эффективной эмиссии должна равняться .

Диоды используются для выпрямления переменных токов. Если диод используется для преобразования токов промышленного значения, то он называется кенотроном.

Электрод, расположенный вблизи испускающего электроны элемента, называется катодом (), другой – анодом (). При правильном подключении при увеличении напряжения растет сила тока. При обратном же подключении ток идти не будет вообще (рис. 8). Этим вакуумные диоды выгодно отличаются от полупроводниковых, в которых при обратном включении ток хоть и минимальный, но есть. Благодаря этому свойству вакуумные диоды используются для выпрямления переменных токов.

Рис. 8. Вольтамперная характеристика вакуумного диода

Другим прибором, созданным на основе процессов протекания тока в вакууме, является электрический триод (рис. 9). Его конструкция отличается от диодной наличием третьего электрода, называемого сеткой. На принципах тока в вакууме основан также такой прибор, как электронно-лучевая трубка, составляющий основную часть таких приборов, как осциллограф и ламповые телевизоры.

Рис. 9. Схема вакуумного триода

Как уже было сказано выше, на основе свойств распространения тока в вакууме было сконструировано такое важное устройство, как электронно-лучевая трубка. В основе своей работы она использует свойства электронных пучков. Рассмотрим строение этого прибора. Электронно-лучевая трубка состоит из вакуумной колбы, имеющей расширение, электронной пушки, двух катодов и двух взаимно перпендикулярных пар электродов (рис. 10).

Рис. 10. Строение электронно-лучевой трубки

Принцип работы следующий: вылетевшие вследствие термоэлектронной эмиссии из пушки электроны разгоняются благодаря положительному потенциалу на анодах. Затем, подавая желаемое напряжение на пары управляющих электродов, мы можем отклонять электронный пучок, как нам хочется, по горизонтали и по вертикали. После чего направленный пучок падает на люминофорный экран, что позволяет нам видеть на нем изображение траектории пучка.

Электронно-лучевая трубка используется в приборе под названием осциллограф (рис. 11), предназначенном для исследования электрических сигналов, и в кинескопических телевизорах за тем лишь исключением, что там электронные пучки управляются магнитными полями.

На следующем уроке мы разберем прохождение электрического тока в жидкостях.

Список литературы

Тихомирова С.А., Яворский Б.М. Физика (базовый уровень) – М.: Мнемозина, 2012.
Генденштейн Л.Э., Дик Ю.И. Физика 10 класс. – М.: Илекса, 2005.
Мякишев Г.Я., Синяков А.З., Слободсков Б.А. Физика. Электродинамика. – М.: 2010.

Physics.kgsu.ru ().
Cathedral.narod.ru ().
Энциклопедия Физики и Техники ().

Домашнее задание

Что такое электронная эмиссия?
Какие есть способы управления электронными пучками?
Как зависит проводимость полупроводника от температуры?
Для чего используется электрод косвенного накала?
*В чем основное свойство вакуумного диода? Чем оно обусловлено?

Тема. Электрический ток в вакууме

Цель урока: разъяснить ученикам природу электрического тока в вакууме.

Тип урока: урок изучения нового материала.

ПЛАН УРОКА

ИЗУЧЕНИЕ НОВОГО МАТЕРИАЛА

Ø Испускание электронов нагретыми телами называют термоелектронною эмиссией.

На рисунке упрощенно показана конструкция ЭЛТ.

ВОПРОС К УЧАЩИМСЯ В ХОДЕ ИЗЛОЖЕНИЯ НОВОГО МАТЕРИАЛА

Первый уровень

1. С какой целью в электронных лампах создают высокий вакуум?

2. Почему вакуумный диод проводит ток только в одном направлении?

3. Каково назначение электронной пушки?

4. Как осуществляют управление электронными пучками?

Второй уровень

1. Какие особенности имеет вольт-амперная характеристика вакуумного диода?

2. Будет ли работать в космосе радіолампа с разбитым стеклом?

ЗАКРЕПЛЕНИЕ ИЗУЧЕННОГО МАТЕРИАЛА

1. Что нужно сделать, чтобы триелектродну лампу можно было использовать как диод?

2. Каким образом можно: а) увеличить скорость электронов в пучке; б) изменить направление движения электронов; в) остановить движущиеся электроны?

1. Максимальный анодный ток в вакуумном диоде 50 мА. Сколько электронов вылетает из катода ежесекундно?

2. Пучок электронов, которые разгоняются напряжением U 1 = 5 кВ, влетает в плоский конденсатор посередине между пластинами и параллельно к ним. Длина конденсатора l = 10 см, расстояние между пластинами d = 10 мм. За какого наименьшего напряжения U 2 на конденсаторе электроны не будут вылетать из него?

Решения. Движение электрона напоминает движение тела, брошенного горизонтально.

Горизонтальная составляющая v скорости электрона не меняется, она совпадает со скоростью электрона после ускорения. Эту скорость можно определить, воспользовавшись законом сохранения энергии: Здесь e - элементарный электрический заряд, me - масса электрона. Вертикальное ускорение a передает электрону сила F , действующая со стороны электрического поля конденсатора. Согласно второму закону Ньютона,

где - напряженность электрического поля в конденсаторе.

Электроны не будут вылетать из конденсатора, если они сместятся на расстояние d /2 .

Итак, - время движения электрона в конденсаторе. Отсюда

Проверив единицы величин и подставив числовые значения, получаем U 2 = 100 B .

ЧТО МЫ УЗНАЛИ НА УРОКЕ

Вакуум - газ, разреженный настолько, что средняя длина свободного пробега молекул превышает линейные размеры сосуда.

Энергию которую необходимо затратить электрону, чтобы покинуть поверхность металла, называют работой выхода.

Испускание электронов нагретыми телами называют термоелектронною эмиссией.

Вакуумный диод имеет одностороннюю проводимость.

Электронно-лучевая трубка позволяет управлять движением электронов. Именно ЭЛТ сделала возможным создание телевидения.

Домашнее задание

1. Подр-1: § 17; подр-2: § 9.

Рів1 № 6.12; 6.13; 6.14.

Рів2 № 6.19; 6.20; 6.22, 6.23.

3. Д: подготовиться к самостоятельной работе № 4.

ЗАДАНИЯ ИЗ САМОСТОЯТЕЛЬНОЙ РАБОТЫ № 4 «ЗАКОНЫ ПОСТОЯННОГО ТОКА»

Задание 1 (1,5 балла)

Движение каких частиц создает электрический ток в жидкостях?

А Движение атомов.

Бы Движение молекул.

В Движение электронов.

Г Движение положительных и отрицательных ионов.

На рисунке показан электрический разряд в воздухе, созданный с помощью трансформатора Тесла.

А Электрический ток в любом газе обращен в ту сторону, куда движутся отрицательные ионы.

Бы Проводимость любого газа обусловлена движением только электронов.

В Проводимость любого газа обусловлена движением только ионов.

Г Проводимость любого газа обусловлена движением только электронов и ионов.

Задача 3 имеет целью установить соответствие (логическую пару). К каждой строке, отмеченного буквой, подберите утверждение, обозначенное цифрой.

А Полупроводники n -типа.

Б Полупроводники p -типа.

Электронная проводимость.

Г Дырочная проводимость.

1 Полупроводники, в которых основными носителями зарядов являются дырки.

2 Полупроводники, в которых основными носителями зарядов являются электроны.

3 Проводимость полупроводника, обусловленная движением дырок.

4 Проводимость полупроводника, обусловленная движением электронов.

5 Полупроводники, в которых основными носителями зарядов являются электроны и дырки.

По какой силы тока проводился электролиз водного раствора CuSO 4 , если за 2 мин. на катоде выделилось 160 г меди?

Отправить свою хорошую работу в базу знаний просто. Используйте форму, расположенную ниже

Студенты, аспиранты, молодые ученые, использующие базу знаний в своей учебе и работе, будут вам очень благодарны.

Размещено на http://www.allbest.ru/

Э л ектрический ток в вакууме

1. Электронно-лучевая трубка

Вакуум-это такое состояние газа в сосуде, при котором молекулы пролетают от одной стенки сосуда к другой, ни разу не испытав соударений друг с другом.

Вакуум-изолятор, ток в нем может возникнуть только за счет искусственного введения заряженных частиц, для этого используют эмиссию (испускание) электронов веществами. В вакуумных лампах с нагреваемыми катодами происходит термоэлектронная эмиссия, а в фотодиоде фотоэлектронная.

Объясним, почему нет самопроизвольного испускания свободных электронов металлом. Существование таких электронов в металле - следствие тесного соседства атомов в кристалле. Однако свободны эти электроны только в том смысле, что они не принадлежат конкретным атомам, но остаются принадлежащими кристаллу в целом. Некоторые из свободных электронов, оказавшись в результате хаотического движения у поверхности металла, вылетают за его пределы. Микро участок поверхности металла, который до этого был электрически нейтральным, приобретает положительный некомпенсированный заряд, под влиянием которого вылетевшие электроны возвращаются в металл. Процессы вылета - возврата происходят непрерывно, в результате чего над поверхностью металла образуется сменное электронное облако, и поверхность металла образуют двойной электрический слой, против удерживающих сил которого должна быть совершена работа выхода. Если эмиссия электронов происходит, значит, некоторые внешние воздействия (нагрев, освещение) совершили такую работу

Термоэлектронная эмиссия-свойство тел, нагретых до высокой температуры, испускать электроны.

Электронно-лучевая трубка представляет собой стеклянную колбу, в которой создан высокий вакуум (10 в -6 степени-10 в -7 степени мм рт. ст.). Источником электронов является тонкая проволочная спираль (она же - катод). Напротив катода расположен анод в форме пустотелого цилиндра, к которому электронный пучок попадает, пройдя через фокусирующий цилиндр, содержащий диафрагму с узким отверстием. Между катодом и анодом поддерживается напряжение несколько киловольт. Ускоренные электрическим полем электроны вылетают из отверстия диафрагмы и летят к экрану, изготовленного из вещества, светящегося под действием ударов электронов.

Для управления электронным лучом служат две пары металлических пластин, одна из которых расположена вертикально, а другая горизонтально. Если левая из пластин имеет отрицательный потенциал, а правая - положительный, то луч отклонится вправо, а если полярность пластин изменить, то луч отклонится влево. Если же на эти пластины подать напряжение, то луч будет совершать колебания в горизонтальной плоскости. Аналогично будет колебаться луч в вертикальной плоскости, если переменное напряжение на вертикально отклоняющие пластины. Предыдущие пластины - горизонтально отклоняющие.

2. Электрический ток в вакууме

Что такое вакуум?

Это такая степень разрежения газа, при которой соударений молекул практически нет;

Электрический ток невозможен, т.к. возможное количество ионизированных молекул не может обеспечить электропроводность;

Создать эл.ток в вакууме можно, если использовать источник заряженных частиц; лучевой трубка вакуумный диод

Действие источника заряженных частиц может быть основано на явлении термоэлектронной эмиссии.

3. Вакуумный диод

Электрический ток в вакууме возможен в электронных лампах.

Электронная лампа - это устройство, в котором применяется явление термоэлектронной эмиссии.

Вакуумный диод - это двухэлектродная (А- анод и К - катод) электронная лампа.

Внутри стеклянного баллона создается очень низкое давление

Н - нить накала, помещенная внутрь катода для его нагревания. Поверхность нагретого катода испускает электроны. Если анод соединен с + источника тока, а катод с -, то в цепи протекает

постоянный термоэлектронный ток. Вакуумный диод обладает односторонней проводимостью.

Т.е. ток в аноде возможен, если потенциал анода выше потенциала катода. В этом случае электроны из электронного облака притягиваются к аноду, создавая эл.ток в вакууме.

4. Вольтамперная характеристика вакуумного диода

При малых напряжениях на аноде не все электроны, испускаемые катодом, достигают анода, и электрический ток небольшой. При больших напряжениях ток достигает насыщения, т.е. максимального значения.

Вакуумный диод используется для выпрямления переменного тока.

Ток на входе диодного выпрямителя

Ток на выходе выпрямителя

5. Электронные пучки

Это поток быстро летящих электронов в электронных лампах и газоразрядных устройствах.

Свойства электронных пучков:

Отклоняются в электрических полях;

Отклоняются в магнитных полях под действием силы Лоренца;

При торможении пучка, попадающего на вещество возникает рентгеновское излучение;

Вызывает свечение (люминисценцию) некоторых твердых и жидких тел (люминофоров);

Нагревают вещество, попадая на него.

6. Электронно - лучевая трубка (ЭЛТ)

Используются явления термоэлектронной эмиссии и свойства электронных пучков.

ЭЛТ состоит из электронной пушки, горизонтальных и вертикальных отклоняющих пластин-электродов и экрана.

В электронной пушке электроны, испускаемые подогревным катодом, проходят через управляющий электрод-сетку и ускоряются анодами. Электронная пушка фокусирует электронный пучок в точку и изменяет яркость свечения на экране. Отклоняющие горизонтальные и вертикальные пластины позволяют перемещать электронный пучок на экране в любую точку экрана. Экран трубки покрыт люминофором, который начинает светиться при бомбардировке его электронами.

Существуют два вида трубок:

1) с электростатическим управлением электронного пучка (отклонение эл. пучка только лишь эл.полем);

2) с электромагнитным управлением (добавляются магнитные отклоняющие катушки).

Основное применение ЭЛТ:

кинескопы в телеаппаратуре;

дисплеи ЭВМ;

электронные осциллографы в измерительной технике.

Размещено на Allbest.ru

...

Подобные документы

Вакуум - состояние газа при давлении меньше атмосферного. Поток электронов в вакууме как разновидность электрического тока. Явление термоэлектронной эмиссии, его применение. Вакуумный диод (двухэлектродная лампа). Вольтамперная характеристика диода.

реферат , добавлен 24.10.2008

Понятие электрического тока и условия его возникновения. Сверхпроводимость металлов при низких температурах. Понятия электролиза и электролитической диссоциации. Электрический ток в жидкостях. Закон Фарадея. Свойства электрического тока в газах, вакууме.

презентация , добавлен 27.01.2014

Понятие электрического тока. Поведение потока электронов в разных средах. Принципы работы вакуумно-электронной лучевой трубки. Электрический ток в жидкостях, в металлах, полупроводниках. Понятие и виды проводимости. Явление электронно-дырочного перехода.

презентация , добавлен 05.11.2014

Основные понятия и специальные разделы электродинамики. Условия существования электрического тока, расчет его работы и мощности. Закон Ома для постоянного и переменного тока. Вольт-амперная характеристика металлов, электролитов, газов и вакуумного диода.

презентация , добавлен 30.11.2013

Понятие электрического тока как упорядоченного движения заряженных частиц. Виды электрических батарей и способы преобразования энергии. Устройство гальванического элемента, особенности работы аккумуляторов. Классификация источников тока и их применение.

презентация , добавлен 18.01.2012

Понятие электрического тока, выбор его направления, действие и сила. Движение частиц в проводнике, его свойства. Электрические цепи и виды соединений. Закон Джоуля-Ленца о количестве теплоты, выделяемое проводником, закон Ома о силе тока на участке цепи.

презентация , добавлен 15.05.2009

Образование электрического тока, существование, движение и взаимодействие заряженных частиц. Теория появления электричества при соприкосновении двух разнородных металлов, создание источника электрического тока, изучение действия электрического тока.

презентация , добавлен 28.01.2011

Тепловое действие электрического тока. Сущность закона Джоуля-Ленца. Понятие теплицы и парника. Эффективность использования тепловентиляторов и кабельного обогрева грунта теплиц. Тепловое воздействие электрического тока в устройстве инкубаторов.

презентация , добавлен 26.11.2013

Расчет линейных электрических цепей постоянного тока, определение токов во всех ветвях методов контурных токов, наложения, свертывания. Нелинейные электрические цепи постоянного тока. Анализ электрического состояния линейных цепей переменного тока.

курсовая работа , добавлен 10.05.2013

Понятие электрического тока. Закон Ома для участка цепи. Особенности протекания тока в металлах, явление сверхпроводимости. Термоэлектронная эмиссия в вакуумных диодах. Диэлектрические, электролитические и полупроводниковые жидкости; закон электролиза.