Електричний струм у вакуумі значення. Що являє собою електричний струм у вакуумі

До того, як у радіотехніці почали використовувати напівпровідникові прилади, скрізь використовувалися електронні лампи.

Поняття вакууму

Електронна лампа була запаяний з обох кінців скляний тубус, в одному боці якого розташовувався катод, а в іншому анод. З тубуса відправлялися газ до такого стану, при якому молекули газу могли пролетіти від однієї стінки до іншої і при цьому не зіткнутися. Такий стан газу називається вакуум. Тобто вакуум - це сильнорозріджений газ.

У таких умовах провідність усередині лампи можна забезпечити лише шляхом введення всередину джерела заряджених частинок. Для того, щоб усередині лампи з'явилися заряджені частинки, користувалися такою властивістю тіл, як термоелектронна емісія.

Термоелектронна емісія - це явище випромінювання тілом електронів, під дією високої температури. У багатьох речовин термоелектронна емісія починається при температурах, при яких ще не може початися випаровування самої речовини. У лампах із таких речовин робили катоди.

Електричний струм у вакуумі

Катод потім нагрівали, внаслідок чого він починав постійно випускати електрони. Ці електрони утворювали навколо катода електронну хмару. При підключенні до електродів джерела живлення між ними утворювалося електричне поле.

При цьому якщо позитивний полюс джерела з'єднати з анодом, а негативний з катодом, то вектор напруженості електричного поля буде направлений у бік катода. Під дією цієї сили деякі електрони вириваються з електронної хмари і починають рухатися до анода. Тим самим вони створюють електричний струм усередині лампи.

Якщо підключити лампу інакше, позитивний полюс з'єднати з катодом, а негативний з анодом, то напруженість електричного поля буде спрямована від катода до анода. Це електричне поле відштовхуватиме електрони назад до катода, і провідності не буде. Ланцюг залишиться розімкненим. Ця властивість отримала назву односторонньої провідності.

Вакуумний діод

Раніше одностороння провідність широко використовувалася в електронних приладівіз двома електродами. Такі прилади називалися вакуумними діодами. Вони виконували свого часу роль, яку виконують нині напівпровідникові діоди.

Найчастіше використовувалися для випрямлення електричного струму. На даний момент вакуумні діоди практично ніде не застосовуються. Натомість усе прогресивне людство використовує напівпровідникові діоди.

На цьому уроці ми продовжуємо вивчення протікання струмів у різних середовищах, безпосередньо у вакуумі. Ми розглянемо механізм утворення вільних зарядів, розглянемо основні технічні прилади, що працюють на принципах струму у вакуумі: діод та електронно-променева трубка. Також зазначимо основні властивості електронних пучків.

Результат досвіду пояснюється наступним чином: в результаті нагрівання метал зі своєї атомної структури починає випромінювати електрони, за аналогією випромінювання молекул води при випаровуванні. Розігрітий метал оточує електронну хмару. Таке явище називається термоелектронною емісією.

Рис. 2. Схема досвіду Едісона

Властивість електронних пучків

У техніці дуже важливе значення має використання про електронних пучків.

Визначення.Електронний пучок - потік електронів, довжина якого набагато більша за його ширину. Отримати його досить легко. Достатньо взяти вакуумну трубку, по якій проходить струм, і виконати в аноді, до якого йдуть розігнані електрони, отвір (так звана електронна гармата) (рис. 3).

Рис. 3. Електронна гармата

Електронні пучки мають ряд ключових властивостей:

Внаслідок наявності великої кінетичної енергії вони мають теплову дію на матеріал, у який врізаються. Ця властивість застосовується в електронному зварюванні. Електронне зварювання необхідне в тих випадках, коли важливим є збереження чистоти матеріалів, наприклад, при зварюванні напівпровідників.

При зіткненні з металами електронні пучки, сповільнюючись, випромінюють рентгенівське випромінювання, що застосовується в медицині та техніці (рис. 4).

Рис. 4. Знімок, зроблений за допомогою рентгенівського випромінювання ()

При попаданні електронного пучка на деякі речовини, що називаються люмінофорами, відбувається свічення, що дозволяє створювати екрани, що допомагають стежити за переміщенням пучка, звичайно ж, невидимого неозброєним оком.
Можливість керувати рухом пучків за допомогою електричних та магнітних полів.

Слід зазначити, що температура, коли можна домогтися термоелектронної емісії, неспроможна перевищувати тієї температури, коли він йде руйнація структури металу.

Спочатку Едісон використовував наступну конструкцію для отримання струму у вакуумі. У вакуумну трубку з одного боку поміщався провідник, включений у ланцюг, а з іншого - позитивно заряджений електрод (див. рис. 5):

Рис. 5

В результаті проходження струму провідником він починає нагріватися, емісуючи електрони, які притягуються до позитивного електрода. Зрештою, виникає спрямоване рух електронів, що, власне, є електричним струмом. Однак кількість електронів, що таким чином випускаються, занадто мало, що дає занадто малий струм для будь-якого використання. З цією проблемою можна впоратися додаванням ще одного електрода. Такий електрод негативного потенціалу називається електродом непрямого розжарювання. З його використанням кількість електронів, що рухаються, в рази збільшується (рис. 6).

Рис. 6. Використання електроду непрямого розжарювання

Варто відзначити, що провідність струму у вакуумі така сама, як і у металів - електронна. Хоча механізм появи цих вільних електронів зовсім інший.

На основі явища термоелектронної емісії було створено прилад під назвою вакуумний діод (рис. 7).

Рис. 7. Позначення вакуумного діода на електричній схемі

Вакуумний діод

Розглянемо докладніше вакуумний діод. Існує два різновиди діодів: діод з ниткою розжарювання та анодом і діод з ниткою розжарювання, анодом та катодом. Перший називається діодом прямого розжарення, другий - непрямого розжарення. У техніці застосовується як перший, так і другий тип, проте діод прямого розжарення має такий недолік, що при нагріванні опору нитки змінюється, що тягне зміну струму через діод. Оскільки для деяких операцій з використанням діодів необхідний абсолютно постійний струм, то доцільніше використовувати другий тип діодів.

В обох випадках температура нитки розжарювання для ефективної емісії повинна дорівнювати .

Діоди використовуються для випрямлення змінних струмів. Якщо діод використовується для перетворення струмів промислового значення, він називається кенотроном.

Електрод, розташований поблизу випромінює електрони елемента, називається катодом (), інший - анодом (). При правильному підключенні зі збільшенням напруги зростає сила струму. При зворотному підключенні струм йти взагалі (рис. 8). Цим вакуумні діоди вигідно відрізняються від напівпровідникових, у яких при зворотному включенні струм хоч і мінімальний, але є. Завдяки цій властивості вакуумні діоди використовуються для випрямлення змінних струмів.

Рис. 8. Вольтамперна характеристика вакуумного діода

Іншим приладом, створеним з урахуванням процесів протікання струму у вакуумі, є електричний тріод (рис. 9). Його конструкція відрізняється від діодної наявністю третього електрода, що називається сіткою. На принципах струму у вакуумі заснований такий прилад, як електронно-променева трубка, що становить основну частину таких приладів, як осцилограф і лампові телевізори.

Рис. 9. Схема вакуумного тріода

Електронно-променева трубка

Як уже було сказано вище, на основі властивостей поширення струму у вакуумі було сконструйовано такий важливий пристрій, як електронно-променева трубка. В основі своєї роботи вона використовує властивості електронних пучків. Розглянемо будову цього приладу. Електронно-променева трубка складається з вакуумної колби, що має розширення, електронної гармати, двох катодів та двох взаємно перпендикулярних пар електродів (рис. 10).

Рис. 10. Будова електронно-променевої трубки

Принцип роботи наступний: електрони, що вилетіли внаслідок термоелектронної емісії з гармати, розганяються завдяки позитивному потенціалу на анодах. Потім, подаючи бажану напругу на пари електродів, що управляють, ми можемо відхиляти електронний пучок, як нам хочеться, по горизонталі і по вертикалі. Після чого спрямований пучок падає на люмінофорний екран, що дозволяє бачити на ньому зображення траєкторії пучка.

Електронно-променева трубка використовується в приладі під назвою осцилограф (рис. 11), призначеному для дослідження електричних сигналів, і в кінескопічних телевізорах за тим винятком, що там електронні пучки управляються магнітними полями.

Рис. 11. Осцилограф ()

На наступному уроці ми розберемо проходження струму в рідинах.

Список літератури

Тихомирова С.А., Яворський Б.М. Фізика (базовий рівень) – М.: Мнемозіна, 2012.
Генденштейн Л.Е., Дік Ю.І. Фізика 10 клас. - М: Ілекса, 2005.
Мякішев Г.Я., Синяков А.З., Слобідськ Б.А. фізика. Електродинаміка. – К.: 2010.

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

Домашнє завдання

Що таке електронна емісія?
Які є способи керування електронними пучками?
Як залежить провідність напівпровідника від температури?
Навіщо використовується електрод непрямого розжарення?
*У чому основна властивість вакуумного діода? Чим воно зумовлене?

Вакуум – стан розрідженого газу, за якого довжина вільного пробігу молекулλ більше розмірів судини d, в якій знаходиться газ.

З визначення вакууму випливає, що між молекулами практично відсутня взаємодія, тому іонізація молекул відбутися не може, отже, вільних носіїв заряду у вакуумі отримати не можна, тому електричний струм у ньому неможливий;
Щоб створити електричний струм у вакуумі, потрібно помістити джерело вільних заряджених частинок. У вакуум поміщають металеві електроди, підключені до джерела струму. Одне з них нагрівають (він називається катодом), у результаті відбувається процес іонізації, тобто. з речовини вилітають електрони, утворюються позитивні та негативні іони. Дія такого джерела заряджених частинок може ґрунтуватися на явищі термоелектронної емісії.

Термоелектронна емісія – це процес випромінювання електронів із нагрітого катода. Явище термоелектронної емісії призводить до того, що нагрітий металевий електрод безперервно випромінює електрони. Електрони утворюють навколо електрода електронну хмару. Електрод заряджається позитивно, і під впливом електричного поля зарядженої хмари електрони з хмари частково повертаються на електрод. У рівноважному стані число електронів, що залишили електрод на секунду, дорівнює числу електронів, що повернулися на електрод за цей час. Чим вища температура металу, тим вища щільність електронної хмари. Робота, яку має здійснити електрон, щоб залишити метал, одержала назву роботи виходу А вих.

[А вих] = 1 еВ

1 еВ - це енергія, яку набуває електрон, рухаючись в електричному полі між точками з різницею потенціалів в 1 Ст.

1 еВ = 1,6 * 10 -19 Дж

Відмінність між температурами гарячих і холодних електродів, впаяних у посудину, з якого відкачано повітря, призводить до односторонньої провідності електричного струму між ними.

При підключенні електродів до джерела струму з-поміж них виникає електричне поле. Якщо позитивний полюс джерела струму з'єднаний з холодним електродом (анодом), а негативний – з нагрітим (катодом), вектор напруженості електричного поля спрямований до нагрітого електрода. Під дією цього поля електрони частково залишають електронну хмару та рухаються до холодного електрода. Електричний ланцюг замикається, і в ньому встановлюється електричний струм. При протилежній полярності включення джерела напруженість поля спрямована від нагрітого електрода до холодного. Електричне поле відштовхує електрони хмари назад до нагрітого електрода. Ланцюг виявляється розімкнутим.

Пристрій, який має односторонню провідність електричного струму, називається вакуумний діод. Складається з електронної лампи (судин), з якої викачується повітря і в якому знаходяться електроди, підключені до джерела струму. Вольтамперна характеристика вакуумного діода Підписати ділянки ВАХ пропускний режим діода та закритий?? При малих напругах на аноді не всі електрони, що випускаються катодом, досягають анода, і електричний струм невеликий. При високих напругах струм досягає насичення, тобто. максимальне значення. Вакуумний діод використовується для випрямлення змінного струму. В даний час вакуумні діоди практично не застосовуються.

Якщо в аноді електронної лампи зробити отвір, то частина електронів, прискорених електричним полем, пролетить в отвір, утворюючи за анодом електронний пучок. Електронний пучок – цепотік електронів, що швидко летять, в електронних лампах і газорозрядних пристроях.

Властивості електронних пучків:
- відхиляються у електричних полях;
- відхиляються у магнітних полях під дією сили Лоренца;
- при гальмуванні пучка, що потрапляє на речовину, виникає рентгенівське випромінювання;
- викликає свічення (люмінісценцію) деяких твердих та рідких тіл;
- Нагріють речовину, потрапляючи на нього.

Електронно-променева трубка (ЕЛТ).
В ЕЛТ використовуються явища термоелектронної емісії та властивості електронних пучків.

В електронній гарматі електрони, що випускаються катодом, що підігрівається, проходять через керуючий електрод-сітку і прискорюються анодами. Електронна гармата фокусує електронний пучок у крапку та змінює яскравість свічення на екрані. горизонтальні та вертикальні пластини, що відхиляють, дозволяють переміщати електронний пучок на екрані в будь-яку точку екрана. Екран трубки покритий люмінофором, який починає світитися під час бомбардування його електронами.

Існують два види трубок:
1) з електростатичним управлінням електронного пучка (відхилення ел. Пучка тільки електричним полем);
2) з електромагнітним управлінням (додаються магнітні котушки, що відхиляють).
В електронно-променевих трубках формуються вузькі електронні пучки, керовані електричними та магнітними полями. Ці пучки використовують у: кінескопах телевізорів, дисплеях ЕОМ, електронних осцилографах у вимірювальній техніці.

Це короткий переказ.

Робота над повною версією продовжується

Лекція20

Струм у вакуумі

1. Зауваження про вакуум

Електричного струму у вакуумі немає, т.к. у термодинамічному вакуумі відсутні будь-які частинки.

Однак найкращий досягнутий практично вакуум становить

тобто. безліч часток.

Проте, коли говорять про струм у вакуумі, мають на увазі ідеальний у термодинамічному сенсі вакуум, тобто. повна відсутність часток. За протікання струму відповідають частинки, отримані з джерела.

2. Робота виходу

Як відомо, у металах існує електронний газ, який утримується силою тяжіння до кристалічних ґрат. У нормальних умовах енергія електронів невелика, тому вони утримуються усередині кристала.

Якщо підходити до електронного газу із класичних позицій, тобто. вважати, що він підпорядковується розподілу Максвелла-Больцмана, то очевидно, що існує велика частка частинок, швидкості яких вищі за середні. Отже, ці частинки мають достатню енергію, щоб вирватися за межі кристала і утворити поблизу нього електронну хмару.

Поверхня металу у своїй заряджається позитивно. Утворюється подвійний шар, який запобігає видаленню електронів від поверхні. Отже, щоб видалити електрон, необхідно повідомити додаткову енергію.

Визначення: Роботою виходу електронів із металу називається енергія, яку необхідно повідомити електрону, щоб видалити його з поверхні металу в нескінченність у стані з нульовоюE k.

Для різних металів робота виходу є різною.

Метал	Робота виходу, еВ



	1,81

3. Електронна емісія.

У звичайних умовах енергія електронів досить мала і пов'язані всередині провідника. Існують способи сполучення електронів додаткової енергії. Явище випромінювання електронів при зовнішньому впливі називається електронною емісією, і було відкрито Едісоном 1887 року. Залежно від способу сполучення енергії розрізняють 4 види емісії:

1. Термоелектронна емісія (ТЕЕ), спосіб - підведення тепла (нагрів).

2. Фотоелектронна емісія (ФЕЕ), спосіб – освітлення.

3. Вторинна електронна емісія (ВЕЕ), спосіб – бомбардування частинками.

4. Автоелектронна емісія (АЕЕ), спосіб – сильне електричне поле.

4. Автоелектронна емісія

Під впливом сильного електричного поля електрони можуть вириватися з металу.

Даної величини напруженості вистачає щоб вирвати електрон.

Це явище називається холодною емісією. Якщо поле досить сильне, то число електронів може стати більшим, а отже, великим струмом. За законом Джоуля - Ленца виділятиметься велика кількість теплоти і АЕЕ може перейти в ТЕЕ.

5. Фотоелектронна емісія (ФЕЕ)

Явище фотоефекту відоме досить давно, дивись «Оптика».

6. Вторинна електронна емісія (ВЕЕ)

Це застосовується у фотоелектронних множеннях (ФЭУ).

Працюючи відбувається лавиноподібне наростання числа електронів. Застосовується для реєстрації слабких світлових сигналів.

7. Вакуумний діод.

Для вивчення ТЕЕ застосовують пристрій, який називається вакуумним діодом. Найчастіше конструктивно він є двома коаксіальними циліндрами, поміщеними в скляну вакуумну колбу.

Нагрівання катода здійснюється електричним струмом прямим або непрямим способом. При прямому струм проходить через сам катод, при непрямому всередині катода поміщають додатковий провідник нитку розжарення. Розігрівання відбувається до досить високих температур, тому катод роблять складним. Основа – тугоплавкий матеріал (вольфрам), а покриття – матеріал з малою роботоювиходу (цезій).

Діод належить до нелінійних елементів, тобто. він підпорядковується закону Ома. Кажуть, що діод – це елемент із односторонньою провідністю. Більшість ВАХ діода описується законом Богуславського – Ленгмюра чи законом «3/2»

При підвищенні температури розжарювання ВАХ зсувається вгору і струм насичення зростає. Залежність щільності струму насичення температури описується законом Річардсона – Дешмана