Elektromos áram vákuumértékben. Mi az elektromos áram vákuumban?

Mielőtt a félvezető eszközöket elkezdték volna használni a rádiótechnikában, mindenhol vákuumcsöveket használtak.

Vákuum koncepció

Az elektroncső mindkét végén lezárt üvegcső volt, egyik oldalán katóddal, másik oldalán anóddal. A csőből gáz szabadult fel olyan állapotba, amelyben a gázmolekulák ütközés nélkül repülhettek egyik falról a másikra. Ezt a gázállapotot ún vákuum. Más szóval, a vákuum nagyon ritka gáz.

Ilyen körülmények között a lámpán belüli vezetőképesség csak úgy biztosítható, ha töltött részecskéket juttatunk a forrásba. Annak érdekében, hogy a töltött részecskék megjelenjenek a lámpában, a testek olyan tulajdonságát használták fel, mint a termikus emisszió.

A termikus emisszió az a jelenség, amikor egy test elektronok kibocsátása hatása alatt áll magas hőmérséklet. Sok anyag esetében a termikus emisszió olyan hőmérsékleten kezdődik, amelyen magának az anyagnak a párolgása még nem kezdődhet meg. A lámpákban ilyen anyagokból katódokat készítettek.

Elektromos áram vákuumban

A katódot ezután felmelegítették, amitől folyamatosan elektronokat bocsátott ki. Ezek az elektronok elektronfelhőt alkottak a katód körül. Amikor áramforrást csatlakoztattak az elektródákhoz, elektromos mező keletkezett közöttük.

Ezen túlmenően, ha a forrás pozitív pólusa az anódhoz, a negatív pólus pedig a katódhoz csatlakozik, akkor az elektromos térintenzitásvektor a katód felé irányul. Ennek az erőnek a hatására egyes elektronok kiszabadulnak az elektronfelhőből, és elkezdenek mozogni az anód felé. Így elektromos áramot hoznak létre a lámpa belsejében.

Ha másképp csatlakoztatja a lámpát, a pozitív pólust a katódhoz, a negatív pólust az anódhoz köti, akkor az elektromos térerősség a katódról az anódra irányul. Ez az elektromos tér visszaszorítja az elektronokat a katód felé, és nem lesz vezetés. Az áramkör nyitva marad. Ezt a tulajdonságot ún egyoldalú vezetőképesség.

Vákuum dióda

Korábban az egyirányú vezetést széles körben használták elektronikus eszközök két elektródával. Az ilyen eszközöket hívták vákuum diódák. Egy időben azt a szerepet töltötték be, amit most a félvezető diódák.

Leggyakrabban elektromos áram kiegyenesítésére használják. Jelenleg a vákuumdiódákat gyakorlatilag sehol nem használják. Ehelyett az egész progresszív emberiség félvezető diódákat használ.

Ebben a leckében folytatjuk az áramok áramlásának tanulmányozását különböző közegekben, különösen vákuumban. Megfontoljuk a szabad töltések képződésének mechanizmusát, megfontoljuk a fő műszaki eszközöket, amelyek a vákuum áramának elvein működnek: egy dióda és egy katódsugárcső. Megmutatjuk az elektronsugarak alapvető tulajdonságait is.

A kísérlet eredményét a következőképpen magyarázzuk: hevítés hatására a fém elektronokat kezd kibocsátani az atomszerkezetéből, hasonlóan a párolgás során a vízmolekulák emissziójához. A felhevített fémet elektronfelhő veszi körül. Ezt a jelenséget termikus emissziónak nevezik.

Rizs. 2. Edison kísérlet vázlata

Az elektronsugarak tulajdonságai

A technikában nagyon fontos az úgynevezett elektronsugarak alkalmazása.

Meghatározás. Az elektronsugár olyan elektronfolyam, amelynek hossza sokkal nagyobb, mint a szélessége. Elég könnyű megszerezni. Elég, ha veszünk egy vákuumcsövet, amelyen keresztül áramlik, és az anódon egy lyukat készítünk, ahová a felgyorsult elektronok mennek (ún. elektronágyú) (3. ábra).

Rizs. 3. Elektronpisztoly

Az elektronsugarak számos kulcsfontosságú tulajdonsággal rendelkeznek:

Nagy mozgási energiájuk következtében termikus hatást fejtenek ki az általuk érintett anyagra. Ezt a tulajdonságot az elektronikus hegesztésben használják. Az elektronikus hegesztésre olyan esetekben van szükség, amikor fontos az anyagok tisztaságának megőrzése, például félvezetők hegesztésekor.

Fémekkel való ütközéskor az elektronsugarak lelassulnak, és az orvostudományban és a technikában használatos röntgensugarakat bocsátanak ki (4. ábra).

Rizs. 4. Röntgenfelvétellel készült fénykép ()

Amikor egy elektronsugár eltalál bizonyos anyagokat, úgynevezett foszforokat, izzás lép fel, ami lehetővé teszi olyan képernyők létrehozását, amelyek segítik a nyaláb mozgásának nyomon követését, ami természetesen szabad szemmel nem látható.
A gerendák mozgásának szabályozása elektromos és mágneses mezők segítségével.

Meg kell jegyezni, hogy az a hőmérséklet, amelyen a hőkibocsátás elérhető, nem haladhatja meg azt a hőmérsékletet, amelyen a fémszerkezet tönkremegy.

Edison eleinte a következő tervet használta az áram előállítására vákuumban. A vákuumcső egyik oldalára egy áramkörbe kapcsolt vezetőt, a másik oldalára pozitív töltésű elektródát helyeztek (lásd 5. ábra):

Rizs. 5

A vezetőn áthaladó áram hatására felmelegszik, és elektronokat bocsát ki, amelyek vonzódnak a pozitív elektródához. A végén az elektronok irányított mozgása következik be, ami valójában egy elektromos áram. Az így kibocsátott elektronok száma azonban túl kicsi, ami túl kevés áramot eredményez bármilyen felhasználáshoz. Ez a probléma egy másik elektróda hozzáadásával megoldható. Az ilyen negatív potenciálú elektródát indirekt izzószál elektródának nevezzük. Használatával jelentősen megnő a mozgó elektronok száma (6. ábra).

Rizs. 6. Indirekt izzószál elektróda használata

Érdemes megjegyezni, hogy az áram vezetőképessége vákuumban megegyezik a fémek vezetőképességével - elektronikus. Bár ezeknek a szabad elektronoknak a megjelenési mechanizmusa teljesen más.

A termikus emisszió jelensége alapján létrehoztak egy vákuumdiódának nevezett eszközt (7. ábra).

Rizs. 7. Vákuumdióda kijelölése elektromos diagramon

Vákuum dióda

Nézzük meg közelebbről a vákuumdiódát. A diódáknak két típusa van: egy izzószálas és anódos dióda, valamint egy izzószálas, anódos és katódos dióda. Az elsőt közvetlen izzószálas diódának, a másodikat indirekt izzószálas diódának nevezik. A technikában mind az első, mind a második típust alkalmazzák, azonban a közvetlen izzószálas diódának megvan az a hátránya, hogy hevítéskor megváltozik az izzószál ellenállása, ami a diódán átmenő áram változását vonja maga után. És mivel egyes diódákkal végzett műveletek teljesen állandó áramot igényelnek, célszerűbb a második típusú diódák használata.

Mindkét esetben az izzószál hőmérsékletének az effektív emisszióhoz egyenlőnek kell lennie .

A diódákat a váltakozó áramok egyenirányítására használják. Ha diódát használnak az áramok átalakítására ipari érték, akkor kenotronnak hívják.

Az elektronkibocsátó elem közelében elhelyezkedő elektródát katódnak (), a másikat anódnak () nevezzük. Helyes csatlakoztatás esetén az áramerősség a feszültség növekedésével nő. Fordított csatlakoztatás esetén egyáltalán nem folyik áram (8. ábra). Ily módon a vákuumdiódák előnyösen összehasonlíthatók a félvezető diódákkal, amelyekben, ha visszakapcsolják, az áram, bár minimális, jelen van. Ennek a tulajdonságnak köszönhetően vákuumdiódákat használnak a váltakozó áramok egyenirányításához.

Rizs. 8. Vákuumdióda áram-feszültség karakterisztikája

Egy másik eszköz, amelyet a vákuumban folyó áramfolyamatok alapján hoztak létre, egy elektromos trióda (9. ábra). Kialakítása eltér a dióda kialakításától egy harmadik elektróda, az úgynevezett rács jelenlétében. Az olyan eszközök, mint a katódsugárcső, amely az eszközök, például az oszcilloszkóp és a csöves televíziók nagy részét alkotja, szintén a vákuumban áramló áram elvén alapul.

Rizs. 9. Vákuum trióda áramkör

Katódsugárcső

Mint fentebb említettük, a vákuumban történő áramterjedés tulajdonságai alapján egy olyan fontos eszközt terveztek, mint a katódsugárcső. Munkáját az elektronsugarak tulajdonságaira alapozza. Nézzük meg ennek az eszköznek a felépítését. A katódsugárcső egy tágulásos vákuumlombikból, egy elektronágyúból, két katódból és két egymásra merőleges elektródapárból áll (10. ábra).

Rizs. 10. Katódsugárcső felépítése

A működési elv a következő: a pisztolyból a termikus emisszió miatt kibocsátott elektronok az anódokon lévő pozitív potenciál miatt felgyorsulnak. Ezután a kívánt feszültséget a vezérlőelektródapárokra kapcsolva az elektronsugarat tetszés szerint, vízszintesen és függőlegesen is eltéríthetjük. Ezt követően az irányított nyaláb a foszfor képernyőre esik, amely lehetővé teszi, hogy a sugár pályájának képét lássuk rajta.

Katódsugárcsövet használnak az oszcilloszkópnak nevezett műszerben (11. ábra), amelyet elektromos jelek vizsgálatára terveztek, és a katódsugárcsöves televíziókban, azzal az egyetlen kivétellel, hogy ott az elektronsugarat mágneses mezők vezérlik.

Rizs. 11. Oszcilloszkóp ()

A következő leckében megvizsgáljuk az elektromos áram áthaladását folyadékokban.

Hivatkozások

Tikhomirova S.A., Yavorsky B.M. Fizika (alapfok) - M.: Mnemosyne, 2012.
Gendenshtein L.E., Dick Yu.I. Fizika 10. osztály. - M.: Ilexa, 2005.
Myakishev G.Ya., Sinyakov A.Z., Slobodskov B.A. Fizika. Elektrodinamika. - M.: 2010.

Physics.kgsu.ru ().
Cathedral.narod.ru ().

Házi feladat

Mi az elektronikus kibocsátás?
Milyen módszerekkel lehet szabályozni az elektronsugarat?
Hogyan függ a félvezető vezetőképessége a hőmérséklettől?
Mire használható az indirekt izzószálas elektród?
*Mi a vákuumdióda fő tulajdonsága? minek köszönhető?

A vákuum a ritkított gáz állapota, amelyben a molekulák átlagos szabad útjaλ nagyobb, mint a d edény mérete, amelyben a gáz található.

A vákuum definíciójából az következik, hogy a molekulák között gyakorlatilag nincs kölcsönhatás, ezért a molekulák ionizációja nem mehet végbe, ezért vákuumban nem nyerhetők szabad töltéshordozók, ezért abban elektromos áram nem lehetséges;
Ahhoz, hogy vákuumban elektromos áramot hozzon létre, szabad töltésű részecskék forrását kell bele helyeznie. Az áramforráshoz csatlakoztatott fémelektródákat vákuumban helyezik el. Az egyiket felmelegítik (katódnak hívják), aminek eredményeként ionizációs folyamat megy végbe, azaz. Az anyagból elektronok szabadulnak fel, és pozitív és negatív ionok képződnek. Az ilyen töltött részecskék forrásának hatása a termikus emisszió jelenségén alapulhat.

A termikus emisszió az a folyamat, amikor egy fűtött katód elektronokat bocsát ki. A termikus emisszió jelensége egy felhevített fémelektródát folyamatosan elektronokat bocsát ki. Az elektronok elektronfelhőt képeznek az elektród körül. Az elektróda pozitív töltésűvé válik, és a töltött felhő elektromos mezőjének hatására a felhőből az elektronok részben visszakerülnek az elektródába. Egyensúlyi állapotban az elektródát másodpercenként elhagyó elektronok száma megegyezik az ezalatt az elektródára visszatérő elektronok számával. Minél magasabb a fém hőmérséklete, annál nagyobb az elektronfelhő sűrűsége. Azt a munkát, amelyet az elektronnak el kell végeznie ahhoz, hogy elhagyja a fémet, az A kilépési függvénynek nevezzük.

[A kimenet] = 1 eV

Az 1 eV az az energia, amelyet az elektron 1 V potenciálkülönbségű pontok közötti elektromos térben való mozgás során nyer.

1 eV = 1,6*10 -19 J

A levegőt kiszívott edénybe zárt hideg és meleg elektródák hőmérséklete közötti különbség egyirányú elektromos áramvezetéshez vezet közöttük.

Ha az elektródákat áramforráshoz csatlakoztatjuk, elektromos mező keletkezik közöttük. Ha az áramforrás pozitív pólusa egy hideg elektródához (anódhoz), a negatív pólusa pedig egy fűtötthez (katódhoz) van kötve, akkor az elektromos térerősség vektora a fűtött elektródára irányul. Ennek a mezőnek a hatására az elektronok részben elhagyják az elektronfelhőt, és a hideg elektróda felé mozognak. Az elektromos áramkör zárva van, és elektromos áram jön létre benne. Ha a forrást ellentétes polaritással kapcsolják be, a térerősség a fűtött elektródától a hideg felé irányul. Az elektromos tér a felhő elektronjait visszanyomja a felhevült elektróda felé. Az áramkör megszakadtnak tűnik.

Az egyirányú elektromos áram vezetőképességű eszközt vákuumdiódának nevezzük. Egy elektroncsőből (edényből) áll, amelyből levegőt szivattyúztak ki, és amelyben elektródák vannak csatlakoztatva egy áramforráshoz. A vákuumdióda áram-feszültség karakterisztikája. Írja alá a szakaszok az áram-feszültség karakterisztikát a dióda áteresztőképességű mód és zárt?? Alacsony anódfeszültségnél a katód által kibocsátott elektronok nem mindegyike éri el az anódot, és az elektromos áram kicsi. Nagy feszültségeknél az áram eléri a telítettséget, azaz. maximális érték. A váltakozó elektromos áram egyenirányításához vákuumdiódát használnak. Jelenleg a vákuumdiódákat gyakorlatilag nem használják.

Ha egy elektroncső anódján lyukat készítenek, akkor az elektromos tér által felgyorsított elektronok egy része ebbe a lyukba repül, elektronnyalábot képezve az anód mögött. Az elektronsugár az gyorsan repülő elektronok áramlása vákuumcsövekben és gázkisüléses eszközökben.

Az elektronsugarak tulajdonságai:
- elektromos mezőkben eltérni;
- elhajlás mágneses mezőben a Lorentz-erő hatására;
- ha egy anyagot érő sugár lelassul, röntgensugárzás jelenik meg;
- egyes szilárd anyagok és folyadékok fényét (lumineszcenciáját) okozza;
- melegítse fel az anyagot érintkezéssel.

Katódsugárcső (CRT).
A katódsugárcsövek termikus emissziós jelenségeket és az elektronsugarak tulajdonságait használják fel.

Az elektronágyúban a felmelegített katód által kibocsátott elektronok áthaladnak egy vezérlőrács elektródán, és az anódok felgyorsítják őket. Az elektronágyú az elektronsugarat egy pontba fókuszálja, és megváltoztatja a képernyő fényerejét. Az eltérítő vízszintes és függőleges lemezek lehetővé teszik, hogy a képernyőn lévő elektronsugarat a képernyő bármely pontjára mozgassa. A cső képernyőjét foszfor borítja, amely elektronokkal bombázva világítani kezd.

Kétféle cső létezik:
1) az elektronsugár elektrosztatikus szabályozásával (az elektronsugár eltérítése csak elektromos térrel);
2) elektromágneses vezérléssel (mágneses eltérítő tekercsek hozzáadva).
A katódsugárcsövek keskeny elektronsugarat állítanak elő, amelyet elektromos és mágneses mezők vezérelnek. Ezeket a nyalábokat a következőkben használják: TV képcsövek, számítógépes kijelzők, elektronikus oszcilloszkópok mérőberendezésekben.

Ez egy rövid összefoglaló.

A munka a teljes verzión folytatódik

Előadás20

Áram vákuumban

1. Megjegyzés a vákuumról

Vákuumban nincs elektromos áram, mert termodinamikai vákuumban nincsenek részecskék.

Az elért legjobb gyakorlati vákuum azonban az

azok. hatalmas számú részecske.

Amikor azonban vákuumban áramló áramról beszélnek, akkor termodinamikai értelemben ideális vákuumot értenek, pl. részecskék teljes hiánya. Valamelyik forrásból nyert részecskék felelősek az áram áramlásáért.

2. Munka funkció

Mint ismeretes, a fémekben van egy elektrongáz, amelyet a kristályrács vonzási ereje tart. Normál körülmények között az elektronok energiája nem magas, ezért a kristály belsejében maradnak.

Ha az elektrongázt klasszikus pozíciókból közelítjük meg, pl. Ha figyelembe vesszük, hogy a Maxwell-Boltzmann eloszlásnak engedelmeskedik, akkor nyilvánvaló, hogy nagy arányban vannak olyan részecskék, amelyek sebessége nagyobb az átlagosnál. Következésképpen ezek a részecskék elegendő energiával rendelkeznek ahhoz, hogy kiszabaduljanak a kristályból, és elektronfelhőt alkossanak a közelében.

A fém felülete pozitív töltésű lesz. Kettős réteg képződik, amely megakadályozza az elektronok eltávolítását a felületről. Ezért egy elektron eltávolításához további energiát kell adni neki.

Meghatározás: Fémből származó elektronok munkafüggvénye az az energia, amelyet egy elektronnak át kell adni ahhoz, hogy azt nulla állapotban a végtelenségig eltávolítsa a fém felületérőlE k.

A munkafunkció különböző fémeknél eltérő.

Fém	Munkafunkció, eV



	1,81

3. Elektronikus kibocsátás.

Normál körülmények között az elektronok energiája meglehetősen alacsony, és egy vezető belsejében vannak megkötve. Vannak módok arra, hogy további energiát adjunk az elektronoknak. Az elektronemisszió jelenségét külső hatás hatására elektronemissziónak nevezik, és Edison fedezte fel 1887-ben. Az energiaátvitel módjától függően 4 típusú kibocsátást különböztetnek meg:

1. Termionikus emisszió (TEE), módszer – hőellátás (fűtés).

2. Fotoelektron-emisszió (PEE), módszer – világítás.

3. Másodlagos elektronemisszió (SEE), módszer – részecskebombázás.

4. Field elektronemisszió (FEE), módszer – erős elektromos tér.

4. Autoelektronikus kibocsátások

Erős elektromos tér hatásának kitéve elektronok kilökhetnek ki a fém felületéről.

Ez a feszültségérték elegendő egy elektron kihúzásához.

Ezt a jelenséget hidegemissziónak nevezik. Ha a mező elég erős, akkor az elektronok száma megnőhet, és ennek következtében az áramerősség is megnőhet. A Joule-Lenz törvény szerint nagy mennyiségű hő szabadul fel, és az AEE TEE-vé alakulhat.

5. Fotoelektron-emisszió (PEE)

A fotoelektromos hatás jelensége régóta ismert, lásd „Optika”.

6. Másodlagos elektronemisszió (SEE)

Ezt a jelenséget a fotosokszorozó eszközökben (PMT) használják.

Működés közben az elektronok számának lavinaszerű növekedése következik be. Gyenge fényjelek rögzítésére szolgál.

7. Vákuumos dióda.

A TEE tanulmányozásához egy vákuumdiódának nevezett eszközt használnak. Leggyakrabban két koaxiális hengerből áll, amelyeket egy üveg vákuumlombikba helyeznek.

A katódot közvetlenül vagy közvetetten elektromos áram melegíti. Egyenárammal az áram áthalad magán a katódon, indirekt áram esetén egy további vezető kerül a katód belsejébe - egy izzószál. A melegítés meglehetősen magas hőmérsékletre történik, így a katód összetett. Az alap egy tűzálló anyag (volfrám), a bevonat pedig egy anyag kevés munka hozam (cézium).

A dióda nemlineáris elemekhez tartozik, pl. nem engedelmeskedik Ohm törvényének. Azt mondják, hogy a dióda egyirányú vezetőképességű elem. A dióda áram-feszültség jellemzőinek többségét a Boguslavsky–Langmuir törvény vagy a „3/2” törvény írja le.

Az izzószál hőmérsékletének növekedésével az áram-feszültség karakterisztika felfelé tolódik el, és a telítési áram nő. A telítési áramsűrűség hőmérséklettől való függését a Richardson–Deshman törvény írja le