Ток, електрически ток във вакуум. Тема на електронния брой. Електрически ток във вакуум

Първи стъпки

Празнота, така се превежда думата вакуум от латински. Вакуум обикновено се нарича пространство, в което има газ, чието налягане е стотици, а може би и хиляди пъти по-ниско от атмосферното налягане. На нашата планета вакуумът се създава изкуствено, тъй като такова състояние е невъзможно при естествени условия.

Видове вакуум

Как се държи електрическият ток във вакуум? Като всеки ток, ток във вакуум се появява при наличието на източник със свободни заредени частици.

Какви частици създават електрически ток във вакуум? За да създадете вакуум във всеки затворен съд, е необходимо да изпомпвате газа от него. Най-често това се прави с помощта на вакуумна помпа. Това е устройство, което е необходимо за изпомпване на газ или пара до налягането, необходимо за експеримента.

Има четири вида вакуум: нисък вакуум, среден вакуум, висок вакуум и ултрависок вакуум.

Ориз. 1. Характеристики на вакуума

Електрически ток във вакуум

Токът във вакуум не може да съществува самостоятелно, тъй като вакуумът е диелектрик. В този случай може да се създаде ток с помощта на термоемисия. Термоелектронната емисия е явление, при което електроните излизат от металите при нагряване. Такива електрони се наричат термоелектрони, а цялото тяло е емитер.

Това явление е забелязано за първи път от американския учен Томас Едисън през 1879 г.

Ориз. 2. Термионна емисия

Емисиите се разделят на:

вторична електронна (нокаут от бързи електрони);
термоефективен (изпаряване на електрони от горещ катод);
фотоелектронни (електроните се избиват от светлина);
електронен (нокаутиране със силно поле).

Електроните ще могат да излетят от метала, ако имат достатъчна кинетична енергия. Тя трябва да е по-голяма от работната работа на електрона за даден метал. Електроните, излизащи от катода, образуват електронен облак. Половината от тях се връщат в първоначалното си положение. В равновесно състояние броят на излъчените електрони е равен на броя на върнатите електрони. Плътността на електронния облак зависи пряко от температурата (т.е., когато температурата се повишава, плътността на облака става по-голяма).

Когато електродите са свързани към източник, между тях възниква електрическо поле. Ако положителният полюс на източника на ток е свързан към анода (студен електрод), а отрицателният полюс към катода (нагрят електрод), тогава силата на електрическото поле ще бъде насочена към нагрятия електрод.

Прилагане на електрически ток във вакуум

Електрическият ток във вакуум се използва в различни електронни устройства. Едно такова устройство е вакуумен диод

Ориз. 3. Вакуумен диод

Състои се от цилиндър, който включва 2 електрода - катод и анод.

Какво научихме?

Научихме накратко за електрическия ток във вакуум от тази статия. За да съществува във вакуум, първо е необходимо наличието на свободни заредени частици. Разгледани са и видовете вакуум и техните характеристики. Необходимо е да се проучи концепцията за термоемисия. Информацията може да се използва за изготвяне на доклад и съобщение в урок по физика.

Тест по темата

Оценка на доклада

Среден рейтинг: 3.9. Общо получени оценки: 354.

Урок No 40-169 Електрически ток в газове. Електрически ток във вакуум.

При нормални условия газът е диелектрик (Р ), т.е. се състои от неутрални атоми и молекули и не съдържа свободни носители на електрически ток. Проводник газе йонизиран газ, има електронно-йонна проводимост.

Въздушно-диелектричен

Газова йонизация- това е разпадането на неутрални атоми или молекули на положителни йони и електрони под въздействието на йонизатор (ултравиолетово, рентгеново и радиоактивно лъчение; нагряване) и се обяснява с разпадането на атоми и молекули по време на сблъсъци при високи скорости. Газоотделяне– преминаване на електрически ток през газ. Газовият разряд се наблюдава в газоразрядни тръби (лампи), когато са изложени на електрическо или магнитно поле.

Рекомбинация на заредени частици

Газът престава да бъде проводник, ако йонизацията спре, това се случва поради рекомбинация (повторното събиране е обратнотозаредени частици). Видове газови разряди: самоподдържащи се и несамостоятелни.

Несамостоятелен газоразряд- това е разряд, който съществува само под въздействието на външни йонизатори Газът в тръбата се йонизира и се подава към електродитев тръбата възниква напрежение (U) и електрически ток (I). С увеличаване на U, токът I се увеличава Когато всички заредени частици, образувани за секунда, достигнат до електродите през това време (при определено напрежение ( U*), токът достига насищане (I n). Ако действието на йонизатора спре, тогава спира и разрядът (I = 0). Самоподдържащ се газоразряд- разряд в газ, който продължава след прекратяване на външния йонизатор поради йони и електрони в резултат на ударна йонизация (= йонизация на токов удар); възниква при увеличаване на потенциалната разлика между електродите (възниква електронна лавина). При определена стойност на напрежението ( U разбивка) силата на тока отново се увеличава. Йонизаторът вече не е необходим за поддържане на разряда. Йонизацията възниква чрез електронен удар. Несамостоятелният газов разряд може да се трансформира в самостоятелен газов разряд, когато U a = U запалване. Електрическо разрушаване на газ- преминаване на несамостоятелен газоразряд в самоподдържащ се. Видове независим газоразряд: 1. тлеене - при ниско налягане (до няколко mm Hg) - наблюдава се в газосветлинни тръби и газови лазери. (флуоресцентни лампи) 2. искра - при нормално налягане (П = П банкомат) и висока напрегнатост на електрическото поле E (мълния - сила на тока до стотици хиляди ампера). 3. корона - при нормално налягане в нееднородно електрическо поле (на върха, огън на Свети Елмо).

4. дъга - възниква между близко разположени електроди - висока плътност на тока, ниско напрежение между електродите (при прожектори, оборудване за прожекционни филми, заваряване, живачни лампи)

плазма- това е четвъртото състояние на агрегация на вещество с висока степен на йонизация поради сблъсъка на молекули с висока скорост при висока температура; намира се в природата: йоносферата е слабо йонизирана плазма, Слънцето е напълно йонизирана плазма; изкуствена плазма - в газоразрядни лампи. Плазмата е: 1. - ниска температура T 10 5 K. Основни свойства на плазмата: - висока електропроводимост; - силно взаимодействие с външни електрически и магнитни полета. При T = 20∙ 10 3 ÷ 30∙ 10 3 K всяко вещество е плазма. 99% от материята във Вселената е плазма.

Електрически ток във вакуум.

Вакуумът е силно разреден газ, практически няма сблъсъци на молекули, дължинатасвободният път на частиците (разстоянието между сблъсъци) е по-голям от размера на съда(P « P ~ 10 -13 mm Hg. чл.). Вакуумът се характеризира с електронна проводимост(токът е движението на електрони), практически няма съпротивление (Р

). Във вакуум: - електрически ток е невъзможен, т.к възможният брой йонизирани молекули не може да осигури електрическа проводимост; - възможно е да се създаде електрически ток във вакуум, ако използвате източник на заредени частици; - действието на източник на заредени частици може да се основава на явлението термоелектронна емисия. Термионна емисия- феноменът на излъчване на свободни електрони от повърхността на нагрети тела, излъчването на електрони от твърди или течни тела възниква, когато се нагряват до температури, съответстващи на видимото сияние на горещ метал. Нагретият метален електрод непрекъснато излъчва електрони, образувайки електронен облак около себе си.В равновесно състояние броят на електроните, които са напуснали електрода, е равен на броя на електроните, които са се върнали в него (тъй като електродът става положително зареден, когато електроните се загубят). Колкото по-висока е температурата на метала, толкова по-висока е плътността на електронния облак. Електрическият ток във вакуум е възможен във вакуумни тръби. Електронната тръба е устройство, което използва явлението термионна емисия.

Вакуумен диод.

Вакуумният диод е двуелектродна (А - анод и К - катод) електронна тръба. Вътре в стъкления балон се създава много ниско налягане (10 -6 ÷10 -7 mm Hg), вътре в катода е поставена нишка, за да го нагрее. Повърхността на нагрятия катод излъчва електрони. Ако анодът е свързанс “+” на източника на ток, а катода с “–”, тогава във веригата протича постоянен термоефективен ток. Вакуумният диод има еднопосочна проводимост.Тези. ток в анода е възможен, ако анодният потенциал е по-висок от потенциала на катода. В този случай електроните от електронния облак се привличат към анода, създавайки електрически ток във вакуум.

I-V характеристика (волт-амперна характеристика) на вакуумен диод.

Ток на входа на диодния токоизправител При ниски анодни напрежения не всички електрони, излъчени от катода, достигат до анода и токът е малък. При високи напрежения токът достига насищане, т.е. максимална стойност. Вакуумният диод има еднопосочна проводимост и се използва за коригиране на променлив ток.

Електронни лъчие поток от бързо летящи електрони във вакуумни тръби и газоразрядни устройства. Свойства на електронните лъчи: - отклоняват се в електрически полета; - отклоняват се в магнитни полета под въздействието на силата на Лоренц; - при забавяне на лъч, попаднал върху вещество, се появява рентгеново лъчение; - предизвиква светене (луминесценция) на някои твърди тела и течности (луминофори); - загрейте веществото чрез контакт с него.

Катодна тръба (CRT)

- използват се явления на термоемисия и свойства на електронните лъчи. Състав на CRT: електронен пистолет, хоризонтални и вертикални отклоняващи електродни пластини и екран. В електронния пистолет електроните, излъчени от нагрят катод, преминават през електрода на управляващата мрежа и се ускоряват от анодите. Електронна пушка фокусира електронен лъч в точка и променя яркостта на светлината на екрана. Отклоняващите хоризонтални и вертикални плочи ви позволяват да преместите електронния лъч на екрана до всяка точка на екрана. Тръбният екран е покрит с фосфор, който започва да свети, когато е бомбардиран с електрони. Има два вида тръби:1. с електростатично управление на електронния лъч (отклоняване на електронния лъч само от електрическо поле)2. с електромагнитно управление (добавени са магнитни отклоняващи намотки). Основни приложения на CRT:кинескопи в телевизионно оборудване; компютърни дисплеи; електронни осцилоскопи в измервателната техника.Изпитен въпрос47. В кой от следните случаи се наблюдава явлението термоелектронна емисия?А. Йонизация на атоми под въздействието на светлина. Б. Йонизация на атомите като резултат сблъсъципри високи температури. Б. Емисия на електрони от повърхността на нагрят катод в телевизионна тръба. Г. При преминаване на електрически ток през електролитен разтвор.

Всеки ток се появява само при наличие на източник със свободни заредени частици. Това се дължи на факта, че във вакуума няма вещества, включително електрически заряди. Следователно вакуумът се счита за най-добрият. За да премине електрически ток през него, е необходимо да се осигури наличието на достатъчен брой безплатни заряди. В тази статия ще разгледаме какво представлява електрическият ток във вакуум.

Как може да се появи електрически ток във вакуум?

За да се създаде пълен електрически ток във вакуум, е необходимо да се използва такова физическо явление като термоемисия. Основава се на свойството на определено вещество да излъчва свободни електрони при нагряване. Такива електрони, напускащи нагрято тяло, се наричат термоелектронни електрони, а цялото тяло се нарича емитер.

Термоелектронната емисия е в основата на работата на вакуумните устройства, по-известни като вакуумни тръби. Най-простият дизайн съдържа два електрода. Един от тях е катодът, който представлява спирала, чийто материал е молибден или волфрам. Именно той се нагрява от електрически ток. Вторият електрод се нарича анод. Той е в студено състояние, изпълнявайки задачата да събира термоелектрони. По правило анодът е направен във формата на цилиндър, а вътре в него е поставен нагрят катод.

Прилагане на ток във вакуум

През миналия век вакуумните тръби играят водеща роля в електрониката. И въпреки че отдавна са заменени от полупроводникови устройства, принципът на работа на тези устройства се използва в електронно-лъчеви тръби. Този принцип се използва при заваряване и топене във вакуум и други области.

Така една от разновидностите на тока е електронен поток, протичащ във вакуум. При нагряване на катода между него и анода възниква електрическо поле. Именно това дава на електроните определена посока и скорост. На този принцип работи електронна тръба с два електрода (диод), която се използва широко в радиотехниката и електрониката.

Съвременното устройство представлява цилиндър от стъкло или метал, от който предварително е изпомпван въздух. Два електрода, катод и анод, са запоени вътре в този цилиндър. За подобряване на техническите характеристики са монтирани допълнителни решетки, с помощта на които се увеличава електронният поток.

Електрическият ток може да се генерира не само в метали, но и във вакуум, например в радиотръби, в електронно-лъчеви тръби. Нека разберем природата на тока във вакуум.

Металите съдържат голям брой свободни, произволно движещи се електрони. Когато електронът се приближи до повърхността на метала, силите на привличане, действащи върху него от страната на положителните йони и насочени навътре, не позволяват на електрона да напусне метала. Работата, която трябва да се извърши, за да се отстрани електрон от метал във вакуум, се нарича работна функция.За различните метали е различно. Така че за волфрама е равно 7,2*10 -19 j.Ако енергията на електрона е по-малка от работната работа, той не може да напусне метала. Има много електрони, дори при стайна температура, чиято енергия не е много по-голяма от работната работа. След като напуснат метала, те се отдалечават от него на кратко разстояние и под въздействието на силите на привличане на йоните се връщат към метала, в резултат на което се образува тънък слой от изходящи и връщащи се електрони, които са в динамично равновесие , се образува близо до повърхността. Поради загубата на електрони металната повърхност става положително заредена.

За да напусне електронът метала, той трябва да извърши работа срещу силите на отблъскване на електричното поле на електронния слой и срещу силите на електричното поле на положително заредената повърхност на метала (фиг. 85. а). При стайна температура почти няма електрони, които биха могли да излязат отвъд заредения двоен слой.

За да могат електроните да избягат отвъд двойния слой, те трябва да имат енергия, много по-голяма от работната функция. За да направите това, енергията се предава на електроните отвън, например чрез нагряване. Излъчването на електрони от нагрято тяло се нарича термоемисия.Това е едно от доказателствата за наличието на свободни електрони в метала.

В такъв експеримент може да се наблюдава явлението термоелектронна емисия. След като заредихме електрометъра положително (от електрифицирана стъклена пръчка), ние го свързваме с проводник към електрод А на демонстрационната вакуумна лампа (фиг. 85, b). Електромерът не се разрежда. След като затворим веригата, загряваме нишката K. Виждаме, че иглата на електрометъра пада - електрометърът се разрежда. Електроните, излъчени от горещата нишка, се привличат към положително заредения електрод А и неутрализират неговия заряд. Потокът от термоелектронни електрони от нишката към електрод А под въздействието на електрическо поле образува електрически ток във вакуум.

Ако електрометърът е зареден отрицателно, тогава той няма да се разреди при такъв експеримент. Електроните, излизащи от нишката, вече не се привличат от електрод А, а напротив, отблъскват се от него и се връщат обратно към нишката.

Нека сглобим електрическа верига (фиг. 86). Когато нишката K не се нагрява, веригата между нея и електрод A е отворена - стрелката на галванометъра е на нула. Във веригата му няма ток. Затваряйки ключа, нагряваме нишката. През веригата на галванометъра протича ток, тъй като термоелектронните електрони затварят веригата между нишката и електрод А, като по този начин образуват електрически ток във вакуум. Електрическият ток във вакуум е насочен поток от електрони под въздействието на електрическо поле.Скоростта на насоченото движение на електроните, образуващи ток във вакуум, е милиарди пъти по-голяма от скоростта на насоченото движение на електроните, образуващи ток в металите. По този начин скоростта на електронния поток на анода на радиоприемните лампи достига няколко хиляди километра в секунда.