Электрический ток в вакууме — справочник студента

Общие сведения

Понятие вакуум сходно слову «пустота». В физике под ним понимают пространство, которое освобождено от любых веществ. Однако учёные считают, что такого места быть не может. Объясняют это они тем, что даже в самом пустом пространстве должны существовать флуктуации. Экспериментально это удалось доказать Генриху Казимиру, описавшему явление в своём конспекте.

Он предположил, что вакуум представляет собой «резервуар» в котором вблизи абсолютного нуля происходит ряд волнений. Его опыт состоял в следующем. Учёный взял две заряженные пластины и поместил их между вакуумным пространством. Под действием внешних фотонов проводники притягивались друг к другу. То есть через пространство проходила хотя и слабая, но сила.

Поэтому в физике существует особый термин — физический вакуум. Под ним понимают замкнутое пространство, в котором давление в несколько раз меньше по сравнению с газовой средой. То есть его величина не оказывает никакого влияния и ей можно пренебречь.

Так как электричество образуется при перемещении элементарных носителей зарядов, которые в вакууме практически отсутствуют, при простом воздействии на среду его получить не удастся.

Поэтому единственной возможностью пропустить ток через пустоту является добавление в неё заряженных частиц.

В 1879 году Эдисон, изучая причину перегорания нитей в лампах накаливания, обнаружил образование тёмного налёта около анодного вывода.

Этот эффект изобретатель объяснял тем, что внутри колбы возникает разряд, вследствие которого заряженные частицы угольной пыли выбиваются с проводника.

Он предположил, что если в лампу ввести дополнительный электрод с положительным зарядом, то эти частицы будут им притягиваться.

При таких величинах электроны разрывают связи и высвобождаются. Это явление сродни испарению молекул с поверхности жидкости. Оно нашло своё применение в вакуумных электронных приборах.

Например, используется в электронно-лучевых трубках, ламповых диодах.

Физика процесса

Электрический ток в вакууме может образовываться только направленным движением электронов. Ввести их, возможно, с помощью помещения в среду металла. Для того чтобы частицы покинули поверхность проводника нужно им отдать энергию. Этот процесс называется работой выхода электронов из вещества.

Её значение для разных материалов было установлено экспериментально. Так, для наиболее популярных веществ работа выхода равна:

• вольфрама — 4,5 эВ;
• кадмия — 2,2 эВ;
• цинка — 4,2 эВ;
• оксида бария — 1 эВ.

То есть для того чтобы извлечь электрон, нужно сообщить ему определённую энергию. Только тогда он сможет вылететь с поверхности. В обычном состоянии энергия электрона в металле составляет 3,2 KT (тепловая). При комнатной температуре (T = 300 K) KT = 0,026 эВ. Этой величины будет явно недостаточно, чтобы появилась электропроводность в вакууме.

Если же нагреть тело до 3 тыс. градусов по кельвину (многие металлы начинают расплавляться), то KT = 0,26 эВ. Этого значения всё равно мало для того, чтобы выбить электроны.

Но на самом деле носители имеют определённое распределение по энергиям. Найденное значение показывает среднюю величину.

Поэтому в теле из-за высокой плотности заряженных частиц обязательно будут такие электроны, которые имеют энергию превышающую работу выхода.

Над поверхностью проводника появляется электронное облако. При этом чем выше температура, тем плотнее оно будет. Вылетевший электрон приводит к изменению заряда металла. В итоге он начинает втягиваться обратно. Устанавливается равновесие. Какое число электронов вылетает, такое же их количество возвращается.

Для того чтобы образовался поток зарядов нужно ввести вспомогательную цепь. Другими словами, сообщить электронам дополнительную энергию. Зависимость между током и напряжением в рассматриваемом случае не будет соответствовать закону Ома.

Ведь образованное электронное облако задерживает вновь вылетающие электроны. Но если увеличить напряжение на другом выводе, то концентрация носителей в образованном поле уменьшится, значит, снизится и тормозящий эффект.

Это приведёт к увеличению тока.

Таким образом, вылетающие электроны можно уподобить электра ракетам, преодолевшим земное притяжение. Если к выводу присоединить положительный электрод источника тока, то возникшее электромагнитное поле между спиралью и электродом внутри колбы с вакуумом, устремит к нему электроны. Внутри потечёт электрический ток.

Вакуумный диод

Одним из типичных устройств, использующих проводимость безвоздушного пространства, является вакуумная двухэлектродная электронная лампа. Если на её положительный вывод подаётся обратное напряжение, то все испущенные катодом электроны возвращаются. При прямом же смещении носители зарядов устремляются к аноду. Другими словами, происходит выпрямление переменного сигнала. Устройство работает как диод.

Исследовать появление электрического тока в вакууме и газах можно с помощью радиоэлемента, состоящего из следующих частей:

• запаянной колбы;
• электрода из металла (анод);
• вольфрамовой спирали (катод);
• реостата.

Нить из вольфрама находится в герметичной колбе и подключена через реостат к генератору для регулировки силы тока. Электрод подключён к микроамперметру. С него цепь, проходя через балластный резистор, замыкается на катоде.

Реостатом можно регулировать температуру катода. Переменным сопротивлением устанавливается разность потенциалов между положительным и отрицательным выводом.

Вольт-амперная характеристика, то есть зависимость анодного тока от напряжения будет формироваться следующим образом. Допустим, напряжения нет. Тогда электроны, вылетевшие из катода, притянутся обратно. Ток в цепи анода не течёт.

Если на вывод подать отрицательный сигнал, то электроны будут отталкиваться. Ток снова не течёт.

Когда на анод поступает положительное напряжение, то возникает электрическое поле. Оно создаёт силу, направленную в сторону анода. Скорость полёта электронов разная, так как некоторые из них отталкиваются от уже ранее вылетевших частиц.

Чем больше будет напряжённость поля, тем сильнее начнёт протекать ток. Но изменение будет происходить не линейно. Например, если увеличить напряжение в два раза, то число электронов, вылетевших из катода, увеличится в больше раз, чем это число.

Чем больше разность потенциалов, тем меньше пространственный заряд электронов.

На графике эта зависимость будет представлять полукубическую параболу. Описать её можно приблизительной формулой: I = U3/2.

Если продолжить поднимать напряжение, то напряжённость становится намного больше поля, создаваемого пространственным облаком. Все электроны начнут добираться до анода. Сила тока уже не будет зависеть от напряжения.

На ВАХ это изображается прямой линией, а эффект называется током насыщения.

Электронно-лучевая трубка

В вакуумных радиолампах поток электронов направлен от анода к катоду во все стороны. Но можно создать такие конструкции, в которых электроны будут направлены в одном направлении. Создаётся такой поток с помощью специальных фокусирующих пластин. Его часто называют катодным лучом. С его помощью можно нагревать тела, например, в вакуумных печах.

По своей природе он обладает следующими свойствами:

• на него действует электрическое и магнитное поле (сила Лоренца);
• попадая на некоторые вещества, например, сернистый цинк, сфокусированный электронный поток приводит к интересному результату — свечению;
• луч генерирует рентгеновское излучение.

На этих свойствах и базируется класс вакуумных приборов называемый электронно-лучевыми трубками (ЭЛТ).

Устроено такое устройство следующим образом. Электроны в приборе образовываются с помощью термоэлектронной эмиссии. Катод прибора представляет собой цилиндр с плоским основанием, покрытым окисью бария. Этот электрод испускает электроны. Чтобы управлять их интенсивностью используется сетка. Подавая на неё напряжение, можно запирать поток или отпирать.

Главная деталь в определение электронного потока это его узкая направленность. Добиться этого можно, используя дополнительные анодные выводы. Один из них ускоряющий, а другой фокусирующий.

Разность потенциалов кратна десяткам киловольт.

Вылетев с пушки поток, попадает на экран, покрытый люминофором. Вся эта система находится в колбе с безвоздушным пространством. Для того чтобы можно было перемещать луч по поверхности экрана используют конденсаторы.

В зависимости от расположения их пластин происходит отклонение потока. Вызывает его подающееся на обкладки напряжение. От его значения луч может притягиваться к одной стороне или другой, по сути, изменяя поток электрического тока в вакууме.

Так, кратко, и работает ЭЛТ.

Источник: https://nauka.club/fizika/tok-v-vakuume.html

Электрический ток в вакууме — Класс!ная физика

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;

• — действие источника заряженных частиц может быть основано на явлении термоэлектронной эмиссии.
• Термоэлектронная эмиссия

— это испускание электронов твердыми или жидкими телами при их нагревании до температур, соответствующих видимому свечению раскаленного металла.

Нагретый металлический электрод непрерывно испускает электроны, образуя вокруг себя электронное облако.

В равновесном состоянии число электронов, покинувших электрод, равно числу электронов, возвратившихся на него ( т.к. электрод при потере электронов заряжается положительно).

1. Чем выше температура металла, тем выше плотность электронного облака.
2. 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.

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:

• 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.
• 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.

Следующая страница «Электрический ток в жидкостях. Закон электролиза» Назад в раздел «10-11 класс»

Электрический ток в различных средах — Класс!ная физика

Электронная проводимость металлов. Зависимость сопротивления проводника от температуры. Сверхпроводимость — Электрический ток в полупроводниках. Р-n переход.

Полупроводниковые приборы — Электрический ток в вакууме. Вакуумный диод. Электронно-лучевая трубка — Электрический ток в жидкостях.

Закон электролиза — Электрический ток в газах — Контрольные вопросы к зачету по теме: Электрический ток в различных средах

Источник: http://class-fizika.ru/10_11.html

Электрический ток в вакууме. Диод (двухэлектродная лампа). Свойства электронных пучков

Электрический ток в вакууме.
Для существования электрического тока в вакууме нужно искусственно ввести в это пространство свободные электроны (с помощью эмиссионных явлений).
1.Термоэлектронная эмиссия Процесс испускания электронов нагретыми металлами называется термоэлектронной эмиссией. Интенсивность термоэлектронной эмиссии зависит от площади катода, температуры нагрева металла и свойств вещества. Если кинетическая энергия электронов больше энергии связи, то происходит термоэлектронная эмиссия.
2. Фотоэлектронная эмиссия (фотоэлектрический эффект, фотоэффект). Процесс испускания электронов металлами под воздействием света. Открыт Г. Герцем, исследован А. Г. Столетовым.  Объяснен А. Эйнштейном.
3. Автоэлектронная эмиссия. Процесс испускания электронов под воздействием электрического поля.
Диод (двухэлектродная лампа).
Изобретен Т. А. Эдисоном. Баллон — стекло или керамика, Вакуум: 10-6 -10-7 мм рт. ст. Катод — нить накала. Анод — круглый или овальный цилиндр. Катод: в виде вертикального металлического цилиндра, покрытого слоем оксидов щелочноземельных металлов. (Позволяет увеличить долговечность катода. У таких катодов ток насыщения практически недостижим.)
Вольтамперные характеристики диода С увеличением напряжения все большее количество электронов получает энергию, достаточную для того, чтобы достичь анода; ток возрастает. При некотором значении напряжения все электроны достигают анода. Ток перестает возрастать — ток насыщения. Для увеличения тока насыщения необходимо увеличить количество электронов (увеличить температуру катода). В приборах с косвенным накалом ток насыщения практически не достигается.
Свойство диода Основное свойство диода: пропускает ток в одном направле­нии. Это свойство используется для выпрямления переменного тока. Ток существует, если на аноде — положительный потенциал, ток отсутствует, если на аноде—отрицательный потенциал
Вакуумный триод. Изобретен в 1913 г. Л. де Форестом.   Регулируя потенциал между катодом и сеткой можно регулировать число электронов в анодной цепи. Главная характеристика — крутизна     Применения: Безынерционный электронный ключ в генераторах электромагнитных волн высокой частоты (рабочая точка находится на криволинейном участке характеристика). Усилительный элемент (рабочая точка находится на прямолинейном участке). Из многоэлектродных ламп наиболее часто применяются пентоды, октоды, гептоды.             Важное достоинство — в одном корпусе можно соединить две и более системы.
Свойства электронных пучков Отклоняются в электрическом и магнитном полях. Независимость распространения. Вызывают свечение веществ, нагрев металла, рентгенов­ское излучение.
Электронно-лучевая трубка Основной частью осциллографа и телевизора является элект­ронно-лучевая трубка: RI — регулирует интенсивность электронного пучка (яркость); R2 — фокусирует луч на экране; К — катод (электронная пушка); С — управляющий электрод; А1 и А2 — аноды; ВП, ГП— вертикальная и горизонтальная отклоняющие пластины.
В телевизионных трубках вместо отклоняющих пластин применяется электромагнитная система отклонения (катушки), работа которой основана на действии силы Лоренца

Источник: https://www.eduspb.com/node/1770

Электрический ток в вакууме

Что такое вакуум?.. Носители электрических зарядов в вакууме.. Поверхностный потенциальный барьер.. Работа выхода.. Термоэлектронная эмиссия.. Вакуумный диод.. О скорости движения электронов в вакууме.. Применение термоэлектронной эмиссии..

Но что такое вакуум?

Ва́куум (от лат. vacuus — пустой) — пространство, свободное от вещества.
                                              

Когда речь идет о вакууме, то многие почему-то считают, что это совсем пустое пространство. На самом же деле это не так, идет ли речь о замкнутой емкости, из которой откачан газ, или о межзвездном пространстве.
В технике и прикладной физике вакуум характеризуется соотношением между длиной свободного пробега молекул газа и линейным размером вакуумной камеры. Если молекула пробегает от стенки к стенке камеры, не встречаясь с другими молекулами, то считают, что в сосуде создан вакуум, хотя в нем еще может быть очень много молекул. При глубоком вакууме молекула может много раз пролететь от стенки к стенке, прежде чем встретится с другой молекулой.

Откачать все молекулы из сосуда практически невозможно. Сверхвысоким вакуум считается при достижении давления ниже 10– 9 мм рт.ст.

Для сравнения, давление в космосе на несколько порядков ниже, а в дальнем космосе и вовсе может достигать 10– 16 мм рт.ст. Космический вакуум является наилучшим приближением к физическому вакууму, но и он не является совершенным, даже в межзвёздном пространстве есть как минимум несколько атомов водорода на кубический сантиметр. Кроме того, космическое пространство заполнено так называемым реликтовым излучением (состоящим из фотонов), а также большим количеством реликтовых нейтрино.
 

• Носители электрических зарядов в вакууме
• Для существования электрического тока необходимо наличие свободных носителей заряда.
• Поверхностный потенциальный барьер
• Большое количество свободных электронов находится в металлах, поэтому они являются идеальными источниками электронов в вакууме.

В вакууме, как мы знаем, вещества очень мало. Откуда же там возьмутся носители зарядов? Количества ионизированных молекул  в вакууме совершенно недостаточно для существования электрического тока.    Тем не менее, электрический ток в вакууме может существовать, если использовать источник заряженных частиц. Каких частиц? Ионы не могут претендовать на эту роль, ибо это был бы уже не вакуум, а ионизированный газ. А вот электроны могли бы обеспечить протекание тока через вакуум. Как же получить в вакууме достаточное количество свободных электронов?

При обычных температурах свободные электроны практически не покидают металл, поскольку в поверхностном слое металла образуется электрическое поле, препятствующее выходу электронов из металла в окружающий вакуум.

Действительно, когда отдельные электроны покидают металл (на расстояния порядка атомных), в его поверхностном слое возникает избыточный положительный заряд за счет образования положительных ионов. Покинувшие металл электроны под  действием сил притяжения положительного заряда возвращаются обратно, в результате чего над поверхностью металла образуется «электронное облако» из выходящих и возвращающихся электронов, находящихся в динамическом равновесии.

Это «облако» вместе с наружным слоем положительных ионов металла образует двойной электрический слой, электрическое поле которого подобно полю плоского конденсатора. Толщина этого слоя равна нескольким межатомным расстояниям (10– 10 — 10– 9 м). Он не создает электрического поля во внешнем пространстве, но образует поверхностный потенциальный барьер, препятствующий выходу электронов из металла.

Работа выхода

Таким образом, для того чтобы электрон мог покинуть металл, он должен преодолеть задерживающее его электрическое поле двойного слоя, т. е. обладать энергией, достаточной для преодоления потенциального барьера.

Эта дополнительная энергия электронов для преодоления потенциального барьера металла называется работой выхода.

Для разных металлов она различна и зависит от химических свойств, от чистоты их поверхности и колеблется в пределах нескольких электрон-вольт.

Так, для вольфрама работа выхода равна 7,2*10– 19 Дж или 4,5 эВ (1 эВ = 1,6*10– 19 Дж).

Термоэлектронная эмиссия

Если сообщить свободным электронам дополнительную энергию, необходимую для совершения работы выхода, например, через нагревание металла, то часть электронов может покинуть металл, т. е. наблюдается явление испускания электронов нагретым телом.

1. Явление испускания электронов нагретыми телами (эмиттерами) в вакуум или другую среду называется термоэлектронной эмиссией.
2. Для наглядности термоэлектронную эмиссию можно представить как испарение электронов из эмиттера (по аналогии с испарением воды при ее нагревании).
3. Вакуумный диод

 
Термоэлектронная эмиссия становится возможной, когда металл нагревается до высокой температуры. Другими словами, когда большое количество внешней энергии в виде тепла передается свободным электронам в металлах.

Явление термоэлектронной эмиссии можно наблюдать в вакуумной лампе с двумя электродами – анодом, на который подается положительный потенциал и катодом, который соединен с отрицательным потенциалом. Такая лампа называется вакуумным диодом (рис. 1).

Если катод холодный, то ток в цепи катод – анод практически отсутствует.
При повышении температуры катода электроны начинают преодолевать потенциальный барьер у поверхности катода и привлекаются положительным анодом – через вакуум протекает электрический ток, который тем больше, чем выше температура катода: Iн3 > Iн2 > Iн1 при Т3 > Т2 > Т1.

При одной и той же температуре катода ток в цепи катод – анод возрастает с повышением напряжения на аноде (Uа) и выходит к некоторому стационарному значению, называемому током насыщения (Iн).

При этом почти все свободные электроны, испускаемые катодом, достигают анода. Ток насыщения характеризует эмиссионную способность материала катода.

                                                                                                                                            

При Uа =0 анодный ток не равен нулю, т. е. некоторые электроны, эмиттируемые нагретым катодом, обладают энергией, достаточной для преодоления работы выхода и достижения анода без приложения электрического поля между анодом и катодом.

О скорости движения электронов в вакууме

Из-за отсутствия торможения носителей заряда (большой свободный пробег без столкновений), скорость заряженных частиц в вакууме резко возрастает. Так, под действием ускоряющего поля анода электроны в вакуумном диоде достигают скоростей до 6000 км/сек.

С учетом малого расстояния между катодом и анодом (до 1,0 см) время пролета электрона от катода до анода составляет примерно 3*10– 9 сек (сравнимо с периодом метровых радиоволн).

Для сравнения, движение свободных электронов в проводнике происходит довольно медленно, от долей миллиметра до нескольких миллиметров в секунду, поскольку электроны испытывают сопротивление своему движению в электрическом поле, сталкиваясь с атомами вещества.

Применение термоэлектронной эмиссии

Сегодня большинство из нас рассматривает электронно-лучевой кинескоп, вакуумный диод, триод, как электротехнические предметы антиквариата.

Тем не менее, основной принцип их работы (электроны испускаются из нагретого катода) до сих пор находит применение в линейных ускорителях, усилителях, в различных электровакуумных приборах (триодах, тетродах, клистронах, магнетронах, лампах бегущей волны и др.).

Источник: http://vgs-design-el.blogspot.com/p/blog-page_90.html

Электрический ток в вакууме

Тема урока:Электрический ток в вакууме. Термоэлектронная эмиссия. Электронно-лучевая трубка

Тема урока:Электрический ток в вакууме. Термоэлектронная эмиссия.

Электронно-лучевая трубкаЦель и задачи урока:Образовательная – формирование понятий «электрический ток в вакууме», «термоэлектронная эмиссия», изучение устройства и принципа работы вакуумных приборов на примере вакуумного диода и электронно-лучевой трубки.

Развивающая – развитие стремления к самостоятельному изучению основ электротехники, формирование умений устанавливать причинно-следственные связи, развитие логического мышления, познавательного интереса.Воспитательная – показать возможность познаваемости явлений природы, формирование научного мировоззрения.

Ведущая идея урока: Вакуум является идеальным диэлектриком.

Чтобы в вакууме мог проходить электрический ток, в нем необходимо предварительно «создать» некоторую концентрацию свободных носителей заряда, это осуществляется с помощью явления термоэлектронной эмиссии.

Термоэлектронная эмиссия – явление испускания веществом электронов при нагревании. Вакуумные приборы, работа которых основана на явлении термоэлектронной эмиссии, называются электронными лампами (вакуумный диод, электронно-лучевая трубка).

Тип урока:урок усвоения новых знаний.Форма проведения урока: урок-беседа, урок-лекция.Методы обучения:словесные, наглядные.Структура урока:1. Организационный момент (2 мин)2. Проверка домашнего задания (10 мин)3. Изучение нового материала (20 мин)4. Применение знаний – формирование умений и навыков (10 мин)5. Задание на дом, подведение итогов урока (3 мин)

Содержание урока:

1.Проверка домашнего задания.

2.Учащимся предлагается ответить на вопросы:

3.Изучение нового материала осуществляется путем беседы учителя с классом:

Вакуум характеризуется «отсутствием» вещества, а, следовательно, и отсутствием электрических зарядов.

Для получения вакуума – состояния газа при давлении меньше атмосферного – следует разряжать газ, уменьшая его концентрацию. Чем меньше концентрация и давление газа в сосуде, тем выше вакуум.

Пусть расстояние между стенками сосуда , а длина свободного пробега молекулы, т. е. среднее расстояние, пролетаемое молекулой между двумя последовательными столкновениями, – . В зависимости от соотношения между этими величинами различают низкий (, ), средний (, ) и высокий (, ) вакуум. При  см низкому вакууму соответствуют давления  мм рт. ст.

, среднему – от  мм рт. ст. до  мм рт. ст. и высокому –  мм. рт. ст.

Поскольку в вакууме нет свободных носителей зарядов, то он является идеальным диэлектриком. Следовательно, для того чтобы в вакууме мог проходить электрический ток, в нем необходимо каким-то образом предварительно «создать» некоторую концентрацию свободных носителей заряда.

Это осуществляется с помощью явления термоэлектронной эмиссии, т. е. испускания веществом электронов при нагревании, открытого американским физиком Томасом Эдисоном в 1883 г.

При этом электроны, испускаемые нагретым телом, называют термоэлектронами, а само тело – эмиттером.

Вакуумные приборы, работа которых основана на явлении термоэлектронной эмиссии, называются электронными лампами. Простейшая из них –вакуумный диод – содержит два электрода.

Один – в виде спирали из тугоплавкого материала, например вольфрама или молибдена, накаливаемый током, называется катодом. Второй – холодный электрод, собирающий термоэлектроны, называется анодом и чаще всего имеет форму цилиндра, внутри которого расположен накаливаемый катод.

 

Рассмотрим вольт-амперную характеристику вакуумного диода . Как видим, увеличение напряжения сначала вызывает рост силы тока, а в дальнейшем сила тока не меняется.

Для пояснения этого факта заметим, что вылетающие из катода термоэлектроны образуют вокруг него отрицательно заряженное облако, препятствующее вылету новых электронов. Если на анод подать некоторое положительное напряжение, то под действием электрического поля часть электронов двинется к аноду, т. е.

в лампе возникнет ток, и цель замкнется. По мере увеличения напряжения все большее число электронов, покинувших катод, достигает анода.

Когда все электроны, вылетевшие из эмиттера, будут достигать анода, то ток перестанет зависеть от анодного напряжения и достигнет своего максимального значения (ток насыщения). Для увеличения  надо повысить температуру катода, чего можно достигнуть увеличением силы тока. Таким образом, сила тока насыщения зависит от температуры катода.

Кроме того сила тока насыщения  зависит от вещества катода, поскольку различные вещества характеризуются различной способностью к испусканию электронов.

Из-за того, что вольт-амперная характеристика вакуумного диода оказывается нелинейной, т. е. не подчиняется закону Ома, диод является нелинейнымэлементом.

Поскольку ток в лампе возможен только в том случае, когда положительный полюс батареи соединен с анодом, а отрицательный – с катодом, то вакуумные диоды обладают односторонней проводимостью.

Действительно, при изменении полярности приложенного напряжения и при его достаточной величине  термоэлектроны не достигают анода (он заряжен отрицательно), и ток через лампу не проходит. Односторонняя проводимость диода используется в выпрямителях, предназначенных для преобразования переменного тока в постоянный.

Если в аноде вакуумной лампы сделать отверстие, то часть электронов будет пролетать сквозь него. Их движением можно управлять с помощью электрического и магнитного полей. Прибор, в котором используется пучок электронов, свободно летящих в пространстве за анодом, называетсяэлектронно-лучевой трубкой.

В узком конце трубки находится электронная пушка, которая формирует пучок электронов и состоит из катода, нагреваемого нитью накала, управляющего электрода и ускоряющего анода. Электроны, вылетающие из катода, разгоняются электрическим полем (5000 – 50 000 В) между катодом и анодом.

Экран электронно-лучевой трубки покрыт изнутри специальным веществом – люминофором, которое светится под действием падающих электронов. В том месте экрана, куда падает пучок, появляется маленькая светящаяся точка. Изменяя напряжение на аноде, можно фокусировать электронный пучок, т. е. изменять площадь поперечного сечения электронного пучка на экране.

Изменяя напряжение между катодом и управляющим электродом, можно изменять интенсивность электронного пучка (яркость пятна на экране). Пучок проходит последовательно две пары отклоняющих пластин (плоских конденсаторов), позволяющих смещать его в горизонтальном и вертикальном направлениях, т. е. перемещать светящуюся точку в любом направлении.

Вследствие малой массы электронов положение светящейся точки на экране при изменении напряжения на пластинах конденсаторов изменяется практически мгновенно, т. е. безынерционно.

Электронно-лучевые трубки находят широкое применение в осциллографах, дисплеях компьютеров, радиолокаторах, медицинской аппаратуре.

В кинескопах телевизоров вместо отклоняющих пластин используют магнитные отклоняющие катушки.

Кадры сменяют друг друга с частотой  кадров в секунду, что воспринимается человеческим глазом как непрерывное движение.

Для получения цветных изображений вместо одной пушки необходимо применять три, которые передают сигналы трех одноцветных изображений – красного, синего и зеленого цвета. Экран кинескопа покрывается кристаллами люминофора трех сортов, которые под действием электронного пучка светятся соответственно красным, синим и зеленым светом. Смешением этих цветов можно получить всю цветовую гамму красок и оттенков.

• 4.Для закрепления материала учащиеся отвечают на ряд вопросов:
• Домашнее задание: §46, подготовиться к уроку решения задач по теме «Электрический ток в газах и вакууме»

1)Что называют вакуумом?2)Какими заряженными частицами может создаваться электрический ток в вакууме?3)Что такое термоэлектронная эмиссия?4)Почему вакуумный диод обладает односторонней проводимостью?5)Какие функции может выполнять вакуумный диод?6)Какую роль играет сетка в трехэлектродной электронной лампе?7)Почему силу тока в анодной цепи электронной лампы при данной температуре нельзя увеличивать больше определенного предела?

Источник: https://kopilkaurokov.ru/fizika/uroki/eliektrichieskii-tok-v-vakuumie

К.Ю.Богданов. §45 учебника ФИЗИКА-10

§ 45. ЭЛЕКТРИЧЕСКИЙ ТОК В ВАКУУМЕ. ТЕРМОЭЛЕКТРОННАЯ ЭМИССИЯ.

Возможность управлять движением заряженных частиц в вакууме с помощью внешних электрических и магнитных полей служит основой для работы электронно-лучевых трубок и других электровакуумных приборов.

Вакуумом называют разряженный газ, концентрация молекул в котором так мала, что они не сталкиваются друг с другом. Поэтому вакуум является идеальным изолятором.

Однако, если внести в вакуум свободные заряженные частицы, например, электроны, то он становится проводником тока. При этом движением свободных зарядов в вакууме легко управлять, т.к. они не сталкиваются с молекулами разряженного газа.

Приборы, в которых электрический ток проходит через вакуум, называют электровакуумными.

Источником заряженных частиц для вакуума может быть поверхность металла, нагретого до высоких температур (1500-2500 оС).

При таких температурах часть свободных электронов металла обладает энергией, достаточной для того, чтобы разорвать все имеющиеся связи и покинуть поверхность металла.

Это явление, напоминающее испарение молекул с поверхности жидкости, называют термоэлектронной эмиссий.

Простейшим электровакуумным прибором является вакуумный диод — устройство, пропускающее ток только в одном направлении. Обычно, вакуумный диод – это стеклянная лампа (1), внутри которой создан вакуум (рис. 45а) и находятся вольфрамовая нить (2, катод) и металлический цилиндр (3, анод).

Чтобы нагреть вольфрамовую нить диода, через неё пропускают ток, и в результате термоэлектронной эмиссии рядом с раскалённой нитью появляется облако электронов. Поэтому, если диод подключить к источнику тока, соединив нить (2) с его отрицательным полюсом, а цилиндр (3) – с положительным (рис.

45а), то электроны из облака вокруг нити будут двигаться к цилиндру, и через диод пойдёт ток. Противоположное подключение – нить к плюсу источника тока, а цилиндр – к его минусу, не вызовет тока, т.к. поле внутри диода будет отталкивать электроны от цилиндра.

Таким образом, в вакуумном диоде электроны могут двигаться только в одном направлении – от горячего катода к холодному аноду. Вакуумные диоды используются для  преобразования переменного тока в постоянный.

45б показано, как изменяется, загибаясь вправо, траектория движения электрона пролетающего между пластинами заряженного плоского конденсатора.

Таким образом, пролетая между пластинами конденсаторов, электроны могут менять свои траектории в горизонтальной и вертикальной плоскостях.

Так как электроны в вакууме не испытывают никаких столкновений, их скорость в электровакуумных приборах может достигать очень больших значений.

Легко посчитать, что в вакуумном диоде, между анодом и катодом которого приложено напряжение 100 В, электроны разгоняются до 6.106 м/с, что в миллиарды раз больше, чем скорость их упорядоченного движения в металлах.

При торможении электронов их кинетическая энергия может переходить в энергию излучения (например, рентгеновского), тепловую и другие формы энергии.

Электронно-лучевая трубка (ЭЛТ), или кинескоп является самым важным элементом в большинстве телевизоров и компьютерных мониторов. ЭЛТ состоит из стеклянной колбы (1, на рис. 45в), внутри которой находится вакуум. Один из концов колбы узкий и длинный, а другой — широкий и достаточно плоский — экран (2).

Внутренняя стеклянная поверхность экрана покрыта люминофором, веществом, которое при бомбардировке электронами испускает свет. В качестве люминофоров для цветных ЭЛТ используются довольно сложные составы на основе редкоземельных металлов — иттрия, эрбия и т. п.

Отклонение электронного луча в вертикальной и горизонтальной плоскости, а также его фокусировка происходит посредством специальной отклоняющей системы (5), создающей необходимую комбинацию электрических и магнитных полей.

• Вопросы для повторения:
• ·        Какой газ называют вакуумом?
• ·        Что такое термоэлектронная эмиссия?
• ·        Почему вакуумный диод пропускает ток только в одном направлении?
• ·        Объясните принципы работы ЭЛТ?
• 

Рис. 45.

(а) – вакуумный диод и схема его подключения: 1 — стеклянная колба, 2 – вольфрамовая нить, 3 — анод; (б) –изменение траектории электрона между пластинами плоского конденсатора; (в) – конструкция электронно-лучевой трубки: 1 – стеклянная колба, 2 – экран, 3 – катод, 4 – электронный луч, 5 – система отклонения и фокусировки луча.

Источник: http://kaf-fiz-1586.narod.ru/10bf/uchebnik/45.htm