Что такое ток в вакууме. Тема лекции "электрический ток в вакууме"

А возможно ли распространение электрического тока в вакууме (от лат. vacuum - пустота)? Поскольку в вакууме нет свободных носителей зарядов, то он является идеальным диэлектриком. Появление ионов привело бы к исчезновению вакуума и получению ионизированного газа. Но вот появление свободных электронов обеспечит протекание тока через вакуум. Как получить в вакууме свободные электроны? С помощью явления термоэлектронной эмиссии - испускания веществом электронов при нагревании.

Вакуумный диод, триод, электронно-лучевая трубка (в старых телевизорах) - приборы, работа которых основана на явлении термоэлектронной эмиссии. Основной принцип действия: наличие тугоплавкого материала, через который протекает ток - катод, холодный электрод, собирающий термоэлектроны – анод.

Полного вакуума нельзя получить никаким насосом. Сколько бы мы ни откачивали лампу, следы газа всегда в ней останутся. Поэтому в лампе электрический ток, с которым мы только что познакомились, проходит фактически не в вакууме, а в очень разреженном газе.

Современные насосы дают столь высокое разрежение, что остающиеся в разрядной трубке молекулы практически не влияют на движение электронов и ток проходит так же, как и в полном вакууме. Однако в некоторых случаях лампа сознательно не откачивается до такой степени. В такой лампе электроны на своём пути многократно сталкиваются с молекулами газа. При ударах они передают молекулам газа часть своей энергии. Обычно эта энергия идёт на нагревание газа, но при определённых условиях молекулы или атомы газа излучают её в виде света. Такие светящиеся трубки можно увидеть над дверями метро, на витринах и вывесках магазинов.

Прохождение электрического тока в газе - чрезвычайно сложное и многообразное явление. Одной из форм его является электрическая дуга, применяемая при электросварке и плавлении металлов.

Температура в ней при атмосферном давлении около 3700 градусов. В дуге, горящей в газе, сжатом до 20 атмосфер, температура доходит до 5900 градусов, то-есть до температуры поверхности Солнца.

Электрическая дуга испускает яркий белый свет и поэтому применяется ещё как мощный источник света в проекционных фонарях и в прожекторах.

Другой формой электрического разряда служит пробой газа. Будем сближать два разноимённо заряженных металлических шара (см. рисунок на обложке). При этом электрическое поле между ними возрастает. Наконец, оно становится настолько большим, что вырывает электроны из молекул воздуха, находящихся между шарами. Происходит ионизация воздуха. Образовавшиеся свободные электроны и ионы устремляются к шарам. На своём пути они разбивают новые молекулы, создают новые ионы. Воздух на мгновение становится проводящим.

Подходя к шарам, ионы нейтрализуют заряды шаров; поле исчезает. Оставшиеся ионы вновь соединяются в молекулы. Воздух снова изолятор.

Всё это происходит в доли секунды. Пробой сопровождается искрой и треском. Искра - результат свечения молекул, возбуждаемых ударами летящих зарядов. Треск вызван расширением воздуха вследствие его нагревания на пути искры.

Это явление напоминает в миниатюре молнию и гром. Действительно, молния - это такой же электрический разряд, происходящий при сближении двух разноимённо заряженных облаков или между облаком и Землёй.

Будем сближать теперь не два предварительно заряженных шара, а два угольных или металлических электрода, присоединённых к достаточно мощному генератору. Возникающий между ними разряд не прекращается, так как благодаря генератору электроды не нейтрализуются попадающими на них ионами. Вместо очень кратковременного пробоя воздуха создаётся устойчивая электрическая дуга (рис. 12), о которой мы уже говорили выше. Высокая температура, развивающаяся в дуге, поддерживает ионизованное состояние воздуха между электродами, а также создаёт значительную термоэлектронную эмиссию из катода.

Электрический ток в вакууме может проходить при условии, что в него будут помещены свободные носители заряда. Ведь вакуум это отсутствие, какого либо вещества. А значит, нет никаких носителей зарядов, чтобы обеспечить ток. Понятие вакуум можно определить так, когда длинна свободного пробега молекулы больше размеров сосуда.

Для того чтобы выяснить каким же образом можно обеспечить прохождение тока в вакууме проведем опыт. Для него нам понадобится электрометр и вакуумная лампа. То есть стеклянная колба с вакуумом, в которой находятся два электрода. Один, из которых выполнен в виде металлической пластины назовем его анод. А второй в виде проволочной спирали из тугоплавкого материала назовём его катод.

Подсоединим электроды лампы к электрометру таким образом, чтобы катод был подключён к корпусу электрометра, а анод к стержню. Сообщим заряд электрометру. Поместив положительный заряд на его стержень. Мы увидим, что заряд сохранится на электрометре, несмотря на наличие лампы. Это и не удивительно ведь между электродами в лампе нет носителей зарядов, то есть не может возникнуть ток, чтобы электрометр разрядился.

Рисунок 1 — вакуумная лампа, подключённая к заряженному электрометру

Теперь подключим к катоду в виде проволочной спирали источник тока. При этом катод разогреется. И мы увидим, что заряд электрометра начнет уменьшаться, пока совсем не исчезнет. Как же это могло произойти ведь в зазоре между электродами лампы небыли носителей заряда, чтобы обеспечить ток проводимости.

Очевидно, что носители заряда каким-то образом появились. А произошло это, потому что при нагревании катода в пространство между электродами эмитировались электроны с поверхности катода. Как известно в металлах есть свободные электроны проводимости. Которые способны перемещаться в объёме металла между узлами решётки. Но чтобы покинуть металл им недостаточно энергии. Так как их удерживают Кулоновские силы притяжения между положительными ионами решётки и электронами.

Электроны совершают хаотическое тепловое движение, перемещаясь по проводнику. Подходя к границе металла, где отсутствуют положительные ионы, они замедляются и в итоге возвращаются внутрь под действием силы Кулона, которая стремится приблизить два разноименный заряда. Но если металл подогреть, то тепловое движение усиливается, и электрон приобретает достаточно энергии чтобы покинуть поверхность металла.

При этом вокруг катода образуется так называемое электронное облако. Это электроны, вышедшие из поверхности проводника, и при отсутствии внешнего электрического поля они вернутся обратно в него. Так как, теряя электроны, проводник заряжается положительно. Это тот случай если бы мы сначала подогрели катод, а электрометр при этом был бы разряжен. Поле бы внутри при этом отсутствовало.

Но поскольку на электрометре есть заряд, он создает поле, которое заставляет двигаться электроны. Помните на аноде у нас положительный заряд к нему, и стремятся электроны под действием поля. Таким образом, в вакууме наблюдается электрический ток.

Если скажем, мы подключим электрометр наоборот, что при этом произойдет. Получится, что на аноде лампы будет отрицательный потенциал, а на катоде положительный. Все электроны, вылетевшие с поверхности катода, тут же вернутся обратно под действием поля. Поскольку катод теперь будет иметь еще больший положительный потенциал, он будет притягивать электроны. А на аноде будет избыток электронов отталкивающих электроны с поверхности катода.

Рисунок 2 — зависимость ток от напряжения для вакуумной лампы

Такая лампа называется вакуумный диод. Она способна пропускать ток только в одном направлении. Вольтамперная характеристика такой лампы состоит из двух участков. На первом участке выполняется закон Ома. То есть с увеличением напряжения все больше электронов вылетевших с катода долетают до анода и тем самым увеличивается ток. На втором участке все электроны, вылетевшие с катода, долетают до анода и с дальнейшим увеличением напряжения ток не увеличивается. Просто нет нужного количества электронов. Этот участок называется насыщением.

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

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.

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.

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.

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.

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.

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

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?

На этом уроке мы продолжаем изучение протекания токов в различных средах, конкретно, в вакууме. Мы рассмотрим механизм образования свободных зарядов, рассмотрим основные технические приборы, работающие на принципах тока в вакууме: диод и электронно-лучевая трубка. Также укажем основные свойства электронных пучков.

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 облако. Такое явление называется термоэлектронной эмиссией.

Рис. 2. Схема опыта Эдисона

Свойство электронных пучков

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):

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

Вакуумный диод

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

Электронно-лучевая трубка

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.

Рис. 11. Осциллограф ()

На следующем уроке мы разберем прохождение электрического тока в жидкостях.

Список литературы

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

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

Домашнее задание

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

Любой ток появляется только при наличии источника со свободными заряженными частицами. Это связано с тем, что в вакууме отсутствуют какие-либо вещества, в том числе и электрические заряды. Поэтому вакуум считается самым лучшим . Для того, чтобы в нем стало возможным прохождение электрического ток а, нужно обеспечить наличие в достаточном количестве свободных зарядов. В этой статье мы рассмотрим что представляет собой электрический ток в вакууме.

Как электрический ток может появиться в вакууме

Для того, чтобы создать в вакууме полноценный электрический ток, необходимо использовать такое физическое явление, как термоэлектронная эмиссия. Она основана на свойстве какого-либо определенного вещества испускать при нагревании свободные электроны. Такие электроны, выходящие из нагретого тела, получили название термоэлектронов, а все тело целиком называется эмиттером.

Термоэлектронная эмиссия лежит в основе работы вакуумных приборов, более известных, как электронные лампы. В самой простейшей конструкции содержится два электрода. Один из них катод, представляет собой спираль, материалом которой служит молибден или вольфрам. Именно он накаливается электрическим ток ом. Второй электрод называется анодом. Он находится в холодном состоянии, выполняя задачу по сбору термоэлектронов. Как правило, анод изготавливается в форме цилиндра, а внутри его размещается нагреваемый катод.

Применение ток а в вакууме

В прошлом веке электронные лампы играли ведущую роль в электронике. И, хотя, их давно уже заменили полупроводниковые приборы, принцип работы этих устройств применяется в электронно-лучевых трубках. Данный принцип используется при сварочных и плавильных работах в вакууме и других областях.

Таким образом, одной из разновидностей ток а, является электронный по ток, протекающий в вакууме. При накаливании катода, между ним и анодом появляется электрическое поле. Именно оно придает электронам определенное направление и скорость. По этому принципу работает электронная лампа с двумя электродами (диод), которая широко применяется в радиотехнике и электронике.

Устройство современного представляет собой баллон из стекла или металла, откуда предварительно откачан воздух. Внутрь этого баллона впаиваются два электрода катод и анод. Для усиления технических характеристик устанавливаются дополнительные сетки, с помощью которых увеличивается по ток электронов.