Електричний струм у вакуу

Поділитися

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.

Електричний струм у вакуумі

1. Термоелектронна емісія

Перед тим, як говорити, яким механізмом поширюється електричний струм у вакуумі, необхідно зрозуміти, що ж це за середовище.

Визначення. Вакуум - стан газу, при якому вільний пробіг частки більше розміру судини. Тобто такий стан, при якому молекула чи атом газу пролітає від однієї стінки судини до іншої, не стикаючись з іншими молекулами чи атомами. Існує також поняття глибини вакууму, яке характеризує ту малу кількість частинок, яка завжди залишається у вакуумі.

Результат досвіду пояснюється так: в результаті нагрівання метал зі своєї атомної структури починає випускати електрони, за аналогією, як випромінювання молекул води при випаровуванні. Розігрітий метал оточує електронне озеро. Таке явище називається термоелектронною емісією.

Мал. 2. Схема досвіду Едісона

2. Вставка 1. Властивість електронних пучків

У техніці дуже важливе значення має використання про електронних пучків.

Визначення. Електронний пучок - потікелектронів, 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)

Мал. 3. Електронна гармата

Електронні пучки мають ряд ключових властивостей:

Внаслідок наявності великої кінетичної енергії мають тепловий вплив 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, яке застосовується в медицині та техніці

Мал. 4. Знімок, зроблений за допомогою рентгенівського випромінювання (Джерело)

- 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 поміщавсяпровідник, включений у ланцюг, а з іншого боку позитивно заряджений електрод (див. рис. 5):

В результаті проходження струму провідником він починає нагріватися, емісуючи електрони, які притягуються до позитивного електрода. Зрештою, виникає спрямоване рух електронів, що і 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.

Мал. 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.

3. Застосування струму у вакуумі

На основі явища термоелектронної емісії було створено прилад під назвою вакуумний діод.

Мал. 7. Позначення вакуумного діода на електричній схемі

4. Вставка 2. 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 діод прямого розжарення, другий – непрямого розжарення. У техніці застосовується як перший, так і другий тип, проте діод прямогоНапруження має такий недолік, що при нагріванні опорі нитки змінюється, що тягне за собою 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. 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.

Мал. 8. Вольтамперна характеристика вакуумного діода

Іншим приладом з урахуванням процесів протікання струму у вакуумі є електричний тріод. 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.

Мал. 9. Схема вакуумного тріода

5. Вставка 3. 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.

Мал. 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 електроди, 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, призначений для дослідження електричних сигналів, і в кінескопічних телевізорах за тим винятком, що там електронні пучки управляються магнітними полями.

На наступному уроці ми розберемо проходження електричного струму в рідинах

Список рекомендованої літератури:

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

Рекомендовані посилання на ресурси інтернет:

Рекомендоване домашнє завдання:

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