Струм, електричний струм у вакуумі.

Звітність

пошук...

Порожнеча - так перекладається слово вакуум з латини. Вакуумом прийнято називати простір, в якому знаходиться газ, тиск якого в сотні, а може бути і в тисячі разів нижче за атмосферний. На нашій планеті вакуум створюється штучним шляхом, тому що в природних умовах такий стан неможливий.

Види вакууму

Як поводиться електричний струм у вакуумі? Як і будь-який струм, струм у вакуумі з'являється за наявності джерела з вільними зарядженими частинками.

Якими частинками створюється електричний струм у вакуумі? Щоб створити вакуум у будь-якій закритій посудині, необхідно з нього відкачати газ. Роблять це найчастіше за допомогою вакуумного насоса. Це такий пристрій, який необхідно, щоб відкачати газ або пару до потрібного тиску.

Існує чотири види вакууму: низький вакуум, середній вакуум, високий вакуум та надвисокий вакуум.

Мал. 1. Характеристики вакууму

Електричний струм у вакуумі

Струм у вакуумі не може існувати самостійно, оскільки вакуум є діелектриком. У такому разі створити струм можна за допомогою термоелектронної емісії. Термоелектронна емісія – явище, у якому електрони виходять із металів під час нагрівання. Такі електрони називаються термоелектронами, а тіло – емітер.

На це явище вперше звернув увагу американський вчений Томас Едісон у 1879 році.

Мал. 2. Термоелектронна емісія

Емісія поділяється на: вторинну електронну
(вибивання швидкими електронами); термоелектронну
(Випарювання електронів з гарячого катода); фотоелектронна
(Електрони вибиваються світлом); електронна

(Вибивання сильним полем).

При підключенні електродів до джерела з-поміж них виникає електричне поле. Якщо позитивний полюс джерела струму з'єднати з анодом (холодним електродом), а негативний – з катодом (нагрітим електродом), то напруженість електричного поля буде спрямована до нагрітого електрода.

Застосування електричного струму у вакуумі

Електричний струм у вакуумі використовується у різних електронних приладах. Одним з таких приладів є вакуумний діод

Мал. 3. Вакуумний діод

Складається він з балона, який включає 2 електроди – катод та анод.

Що ми дізналися?

Коротко про електричний струм у вакуумі ми дізналися їх цієї статті. Для існування його у вакуумі насамперед потрібна наявність вільних заряджених частинок. Також розглянуті види вакууму та його характеристики. Необхідним вивчення є поняття термоелектронної емісії. Інформацію можна використовувати для підготовки доповіді та повідомлення на уроці фізики.

Тест на тему

Оцінка доповіді

Середня оцінка: 3.9. Усього отримано оцінок: 354.

Урок № 40-169 Електричний струм у газах. Електричний струм у вакуумі.

У звичайних умовах газ – це діелектрик ( R ), тобто. складається з нейтральних атомів та молекул і не містить вільних носіїв електричного струму. Газ-провідник- це іонізований газ, він має електронно-іонну провідність.

Повітря-діелектрик

Іонізація газу- це розпад нейтральних атомів або молекул на позитивні іони та електрони під дією іонізатора (ультрафіолетове, рентгенівське та радіоактивне випромінювання; нагрівання) і пояснюється розпадом атомів та молекул при зіткненнях на високих швидкостях. Газовий розряд- Проходження електричного струму через газ. p align="justify"> Газовий розряд спостерігається в газорозрядних трубках (лампах) при впливі електричного або магнітного поля.

Рекомбінація заряджених частинок

Газ перестає бути провідником, якщо припиняється іонізація, це відбувається внаслідок рекомбінації (возз'єднання протилежнозаряджених частинок). Види газових розрядів: самостійний та несамостійний.

Несамостійний газовий розряд- це розряд, що існує лише під дією зовнішніх іонізаторів Газ у трубці іонізований, на електроди подаєтьсянапруга (U) і трубці виникає електричний струм(I). У разі збільшення U зростає сила струму I Коли всі заряджені частинки, що утворюються за секунду, досягають за цей час електродів (при певній напрузі ( U*), струм досягає насичення (I н). Якщо дія іонізатора припиняється, припиняється і розряд (I= 0). Самостійний газовий розряд- розряд у газі, що зберігається після припинення дії зовнішнього іонізатора за рахунок іонів та електронів, що виникли внаслідок ударної іонізації (= іонізації електричного удару); виникає зі збільшенням різниці потенціалів між електродами (виникає електронна лавина). При деякому значенні напруги ( U пробою) сила струму знову зростає. Іонізатор вже не потрібний для підтримки розряду. Відбувається іонізація електронним ударом. Несамостійний газовий розряд може переходити в самостійний газовий розряд при U а = U запалювання. Електричний пробій газу- Перехід несамостійного газового розряду до самостійного. Типи самостійного газового розряду: 1. тліючий - при низьких тисках (до кількох мм рт.ст.) - спостерігається в газосвітніх трубках та газових лазерах. (лампи денного світла) 2. іскровий - при нормальному тиску ( P = P атм)і високої напруженості електричного поля Е (блискавка - сила струму до сотень тисяч ампер). 3. коронний – при нормальному тиску у неоднорідному електричному полі (на вістря, вогні святого Ельма).

4. дуговий – виникає між близько зрушеними електродами – велика щільність струму, мала напруга між електродами, (у прожекторах, проекційній кіноапаратурі, зварювання, ртутні лампи)

Плазма- Це четвертий агрегатний стан речовини з високим ступенем іонізації за рахунок зіткнення молекул на великій швидкості при високій температурі; зустрічається у природі: іоносфера – слабко іонізована плазма, Сонце – повністю іонізована плазма; штучна плазма – у газорозрядних лампах. Плазма буває: 1. - низькотемпературна Т105К. Основні властивості плазми: - Висока електропровідність; - сильна взаємодія із зовнішніми електричними та магнітними полями. При Т = 20∙10 3 ÷ 30∙ 10 3 До будь-яка речовина – плазма. 99% речовини у Всесвіті – плазма.

Електричний струм у вакуумі.

Вакуум – сильно розріджений газ, зіткнень молекул практично немає, довжинавільного пробігу частинок (відстань між зіткненнями) більше розмірів судини(Р «Р~10 -13 мм рт. ст.). Для вакууму характерна електронна провідність(Струм - рух електронів), опір практично відсутній ( R

). У вакуумі: - Електричний струм неможливий, т.к. можливу кількість іонізованих молекул не може забезпечити електропровідність; - Створити електричний струм у вакуумі можна, якщо використовувати джерело заряджених частинок; - дія джерела заряджених частинок може ґрунтуватися на явищі термоелектронної емісії. Термоелектронна емісія- явище вильоту вільних електронів з поверхні нагрітих тіл, випромінювання електронів твердими або рідкими тілами відбувається при їх нагріванні до температур, що відповідають видимому світінню розжареного металу. Нагрітий металевий електрод безперервно випромінює електрони, утворюючи навколо себе електронну хмару.У рівноважному стані число електронів, що залишили електрод, дорівнює числу електронів, що повернулися на нього (бо електрод при втраті електронів заряджається позитивно). Чим вища температура металу, тим вища щільність електронної хмари. Електричний струм у вакуумі можливий у електронних лампах. Електронна лампа – пристрій, у якому застосовується явище термоелектронної емісії.

Вакуумний діод.

Вакуумний діод - це двоелектродна (А-анод і К-катод) електронна лампа. Усередині скляного балона створюється дуже низький тиск (10 -6 ÷ 10 -7 мм рт. ст.), нитка розжарення, вміщена всередину катода для його нагрівання. Поверхня нагрітого катода випромінює електрони. Якщо анод з'єднанийз “+” джерела струму, а катод з “–”, то ланцюга протікає постійний термоелектронний струм. Вакуумний діод має односторонню провідність.Тобто. струм в аноді можливий, якщо потенціал анода вищий за потенціал катода. У цьому випадку електрони з електронної хмари притягуються до анода, створюючи електричний струм у вакуумі.

ВАХ (вольтамперна характеристика) вакуумного діода

Струм на вході діодного випрямляча При малих напругах на аноді не всі електрони, що випускаються катодом, досягають анода, і невеликий струм. При високих напругах струм досягає насичення, тобто. максимальне значення. Вакуумний діод має односторонню провідність і використовується для випрямлення змінного струму.

Електронні пучки- це потік 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 (люмінесценцію) деяких твердих і рідких тіл (люмінофорів); - Нагріють речовину, потрапляючи на нього.

Електронно-променева трубка (ЕЛТ)

- використовуються явища термоелектронної емісії та властивості електронних пучків. Склад ЕЛТ: електронна гармата, горизонтальні та вертикальні відхиляючі пластини-електродів та екран. В електронній гарматі електрони, що випускаються підігрівним катодом, проходять через електрод-сітку, що управляє, 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 керуванням електронного пучка (відхилення електронного пучка лише електричним полем)2. з електромагнітним управлінням (додаються магнітні котушки, що відхиляють). Основне застосування ЕЛТ:кінескопи у телеапаратурі; дисплеї ЕОМ; електронні осцилографи у вимірювальній техніці.Екзаменаційне питання47. У якому з наведених нижче випадків спостерігається явище термоелектронної емісії?А. Іонізація атомів під впливом світла. Б. Іонізація атомів у результаті сутичокен за високої температури. В. Випуск електронів з поверхні нагрітого катода в телевізійній трубці. Г. Під час проходження електричного струму через розчин електроліту.

Будь-який струм з'являється лише за наявності джерела з вільними зарядженими частинками. Це з тим, що у вакуумі відсутні будь-які речовини, зокрема і електричні заряди. Тому вакуум вважається найкращим. Для того, щоб у ньому стало можливим проходження електричного струму, потрібно забезпечити наявність у достатній кількості вільних зарядів. У цій статті ми розглянемо, що являє собою електричний струм у вакуумі.

Як електричний струм може з'явитися у вакуумі

Щоб створити у вакуумі повноцінний електричний струм, необхідно використовувати таке фізичне явище, як термоелектронна емісія. Вона заснована на властивості якоїсь певної речовини випускати при нагріванні вільні електрони. Такі електрони, що виходять із нагрітого тіла, отримали назву термоелектронів, а все тіло цілком називається емітером.

Термоелектронна емісія лежить в основі роботи вакуумних приладів, більш відомих як електронні лампи. У найпростішій конструкції міститься два електроди. Один з них катод, є спіраль, матеріалом якої служить молібден або вольфрам. Саме він розжарюється електричним струмом. Другий електрод називається анодом. Він знаходиться в холодному стані, виконуючи завдання зі збирання термоелектронів. Як правило, анод виготовляється у формі циліндра, а всередині його розміщується катод, що нагрівається.

Застосування струму у вакуумі

У минулому столітті електронні лампи грали провідну роль електроніці. І, хоча їх давно вже замінили напівпровідникові прилади, принцип роботи цих пристроїв застосовується в електронно-променевих трубках. Цей принцип використовується при зварювальних та плавильних роботах у вакуумі та інших областях.

Таким чином, одним з різновидів струму є електронний струм, що протікає у вакуумі. При розжарюванні катода, між ним та анодом з'являється електричне поле. Саме воно надає електронам певного напрямку та швидкості. За цим принципом працює електронна лампа з двома електродами (діод), яка широко застосовується в радіотехніці та електроніці.

Пристрій сучасного є балоном зі скла або металу, звідки попередньо відкачано повітря. Всередину цього балона впаюються два електроди катод та анод. Для посилення технічних характеристик встановлюються додаткові сітки, за допомогою яких збільшується струм електронів.

Електричний струм може утворитися не тільки в металах, а й у вакуумі, наприклад, у радіолампах, в електронно-променевих трубках. З'ясуємо природу струму у вакуумі.

У металах є велика кількість вільних електронів, що безладно рухаються. Коли електрон підходить до поверхні металу, сили тяжіння, що діють на нього з боку позитивних іонів і спрямовані всередину, перешкоджають виходу електрона з металу. Робота, яку треба зробити для видалення електрона з металу у вакуумі, називається роботою виходу.Для різних металів вона різна. Так, для вольфраму вона дорівнює 7,2 * 10-19 дж.Якщо енергія електрона менша від роботи виходу, він не може залишити метал. Багато електронів навіть при кімнатній температурі, енергія яких не набагато більша за роботу виходу. Залишивши метал, вони віддаляються від нього на невелику відстань і під дією сил тяжіння іонів повертаються в метал, в результаті чого поблизу поверхні утворюється тонкий шар електронів, що виходять і повертаються, що знаходяться в динамічній рівновазі. Внаслідок втрати електронів поверхня металу заряджається позитивно.

Щоб електрон залишив метал, він повинен здійснити роботу проти сил відштовхування електричного поля електронного шару та проти сил електричного поля позитивно зарядженої поверхні металу (рис. 85. а). За кімнатної температури майже немає електронів, які могли б вийти за подвійний заряджений шар.

Щоб електрони могли вилетіти межі подвійного шару, їм треба мати енергію набагато більше, ніж робота виходу. Для цього ззовні електронам повідомляється енергія, наприклад, нагріванням. Випуск електронів нагрітим тілом називається термоелектронною емісією.Вона є одним із доказів наявності вільних електронів у металі.

Явище термоелектронної емісії можна спостерігати такий досвід. Зарядивши електрометр позитивно (від наелектризованої скляної палички), з'єднаємо його провідником з електродом А демонстраційної вакуумної лампи (рис. 85 б). Електрометр не розряджається. Замкнувши ланцюг, розжаримо нитку К. Бачимо, стрілка електрометра опадає - електрометр розряджається. Електрони, що випускаються розжареною ниткою, притягуються позитивно зарядженим електродом А та нейтралізують його заряд. Потік термоелектронів від нитки розжарення до електрода А під дією електричного поля утворив електричний струм у вакуумі.

Якщо електрометр зарядити негативно, він у такому досвіді розряджатися нічого очікувати. Електрони, що вилітають з нитки розжарення, тепер не притягуються електродом А, а навпаки, відштовхуються від нього і повертаються назад до нитки розжарення.

Зберемо електричний ланцюг (рис. 86). При ненагрітій нитці До ланцюга між нею і електродом А розімкнена - стрілка гальванометра стоїть на нулі. У його ланцюзі струму немає. Замкнувши ключ, нагріємо нитку розжарення. По ланцюгу гальванометра пішов струм, оскільки термоелектрони замкнули ланцюг між ниткою розжарення та електродом А, утворивши цим електричний струм у вакуумі. Електричний струм у вакуумі є спрямованим потіком електронів під дією електричного поля.Швидкість спрямованого руху електронів, що утворюють струм у вакуумі, у мільярди разів більша за швидкість спрямованого руху електронів, що утворюють струм у металах. Так, швидкість потоку електронів біля анода ламп радіоприймача сягає кількох тисяч кілометрів на секунду.