Электрический ток в вакууме. Видеоурок. Физика 10 Класс

Перед тем, как говорить, по какому механизму распространяется электрический ток в вакууме, необходимо понять, что же это за среда.

Определение. Вакуум – состояние газа, при котором свободный пробег частицы больше размера сосуда. То есть такое состояние, при котором молекула или атом газа пролетает от одной стенки сосуда к другой, не сталкиваясь с другими молекулами или атомами. Существует также понятие глубины вакуума, которое характеризует то малое количество частиц, которое всегда остается в вакууме.

Для существования электрического тока необходимо наличие свободных носителей заряда. Откуда они берутся в области пространства с очень малым содержанием вещества? Для ответа на этот вопрос необходимо рассмотреть опыт, проведенный американским физиком Томасом Эдисоном (рис. 1). В ходе эксперимента две пластины помещались в вакуумную камеру и замыкались за ее пределами в цепь с включенным электрометром. После того как одну пластину нагревали, электрометр показывал отклонение от нуля (рис. 2).

Рис. 1. Томас Эдисон (Источник)

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 (Источник)

• 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 (Источник)

---

 

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.

 

Дополнительные рекомендованные ссылки на ресурсы сети Интернет

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

 

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?

Электрический ток в вакууме

Электрический ток в вакууме

Вакуум — пространство, свободное от вещества. В наиболее общем смысле, вакуум — это пустота. В физике и технике под вакуумом подразумевается газообразная среда при давлении в сотни раз ниже атмосферного.

Электрический ток в физике — это направленное движение носителей заряда. Вакуум — диэлектрик, и ток не может возникнуть в нем сам по себе. Условие протекания электрического тока в вакууме — наличие в нем достаточного количества свободных заряженных частиц. Например, электронов.

Термоэлектронная эмиссия

Как свободные электроны могут появиться в вакууме? Благодаря явлению термоэлектронной эмиссии, открытому Томасом Эдисоном в 1879 году.

Определение. Термоэлектронная эмиссия

Термоэлектронная эмиссия — испускание электронов из металла при его нагревании.  

Металлы являются наилучшими проводниками, так как имеют свободные электроны, которые иногда еще называют электронным газом. При нагревании металла энергия электронов (измеряется в электронвольтах) увеличивается и они могут «вырваться» из металла. Для того, чтобы вылететь из металла, электрон должен обладать энергией, превышающей работу выхода электронов для этого металла.

Aвых=E0-μ

Здесь Aвых — работа выхода, которую нужно преодолеть электрону, E0 — его энергия, μ — энергия Ферми.

 

Термоэлектронный ток

Испущенные металлом свободные электроны образуют у поверхности металла электронное облако. Если создать в данной области электрическое поле, электроны начинают двигаться под действием сил поля. Иными совами, возникает электрический ток, называемый термоэлектронным.

Определение. Термоэлектронный ток

Термоэлектронный ток — ток, возникающий при испускании (эмиссии) электронов накаленными телами в вакуумных приборах.

Так, если в вакууме поместить две металлические пластины и создать между ними разность потенциалов и условия для термоэлектронной эмиссии, возникнет термоэлектронный ток. 

Электрический ток в вакууме широко используется в вакуумных приборах. Самый простой пример — электронная лампа, или вакуумный диод.

Вакуумный диод представляет собой баллон с откачанным воздухом, содержащий электроды: катод и анод. Электроны выбиваются из катода и летят к аноду.

Для вакуумного диода не выполняется закон Ома. При небольших значениях напряжения на аноде имеет место формула зависимости силы электрического тока от напряжения:

I

Проектируем электрику вместе: Электрический ток в вакууме

Что такое вакуум?.. Носители электрических зарядов в вакууме.. Поверхностный потенциальный барьер.. Работа выхода.. Термоэлектронная эмиссия.. Вакуумный диод.. О скорости движения электронов в вакууме.. Применение термоэлектронной эмиссии..

Но что такое вакуум?
Ва́куум (от лат. vacuus — пустой) — пространство, свободное от вещества.
                                              

Когда речь идет о вакууме, то многие почему-то считают, что это совсем пустое пространство. На самом же деле это не так, идет ли речь о замкнутой емкости, из которой откачан газ, или о межзвездном пространстве.
В технике и прикладной физике вакуум характеризуется соотношением между длиной свободного пробега молекул газа и линейным размером вакуумной камеры. Если молекула пробегает от стенки к стенке камеры, не встречаясь с другими молекулами, то считают, что в сосуде создан вакуум, хотя в нем еще может быть очень много молекул. При глубоком вакууме молекула может много раз пролететь от стенки к стенке, прежде чем встретится с другой молекулой.
Откачать все молекулы из сосуда практически невозможно. Сверхвысоким вакуум считается при достижении давления ниже 10^– 9 мм рт.ст. Для сравнения, давление в космосе на несколько порядков ниже, а в дальнем космосе и вовсе может достигать 10^{– 16} мм рт.ст. Космический вакуум является наилучшим приближением к физическому вакууму, но и он не является совершенным, даже в межзвёздном пространстве есть как минимум несколько атомов водорода на кубический сантиметр. Кроме того, космическое пространство заполнено так называемым реликтовым излучением (состоящим из фотонов), а также большим количеством реликтовых нейтрино.
 
Носители электрических зарядов в вакууме

Для существования электрического тока необходимо наличие свободных носителей заряда.
В вакууме, как мы знаем, вещества очень мало. Откуда же там возьмутся носители зарядов? Количества ионизированных молекул  в вакууме совершенно недостаточно для существования электрического тока.   
Тем не менее, электрический ток в вакууме может существовать, если использовать источник заряженных частиц. Каких частиц?
Ионы не могут претендовать на эту роль, ибо это был бы уже не вакуум, а ионизированный газ. А вот электроны могли бы обеспечить протекание тока через вакуум. Как же получить в вакууме достаточное количество свободных электронов?

Поверхностный потенциальный барьер

Большое количество свободных электронов находится в металлах, поэтому они являются идеальными источниками электронов в вакууме.
При обычных температурах свободные электроны практически не покидают металл, поскольку в поверхностном слое металла образуется электрическое поле, препятствующее выходу электронов из металла в окружающий вакуум.

Действительно, когда отдельные электроны покидают металл (на расстояния порядка атомных), в его поверхностном слое возникает избыточный положительный заряд за счет образования положительных ионов. Покинувшие металл электроны под  действием сил притяжения положительного заряда возвращаются обратно, в результате чего над поверхностью металла образуется «электронное облако» из выходящих и возвращающихся электронов, находящихся в динамическом равновесии.
Это «облако» вместе с наружным слоем положительных ионов металла образует двойной электрический слой, электрическое поле которого подобно полю плоского конденсатора. Толщина этого слоя равна нескольким межатомным расстояниям (10^{– 10} — 10^– 9 м). Он не создает электрического поля во внешнем пространстве, но образует поверхностный потенциальный барьер, препятствующий выходу электронов из металла.

Работа выхода

Таким образом, для того чтобы электрон мог покинуть металл, он должен преодолеть задерживающее его электрическое поле двойного слоя, т. е. обладать энергией, достаточной для преодоления потенциального барьера.

Эта дополнительная энергия электронов для преодоления потенциального барьера металла называется работой выхода.

Для разных металлов она различна и зависит от химических свойств, от чистоты их поверхности и колеблется в пределах нескольких электрон-вольт.
Так, для вольфрама работа выхода равна 7,2*10^{– 19} Дж или 4,5 эВ (1 эВ = 1,6*10^{– 19} Дж).

Термоэлектронная эмиссия

Если сообщить свободным электронам дополнительную энергию, необходимую для совершения работы выхода, например, через нагревание металла, то часть электронов может покинуть металл, т. е. наблюдается явление испускания электронов нагретым телом.

Явление испускания электронов нагретыми телами (эмиттерами) в вакуум или другую среду называется термоэлектронной эмиссией.
 
Для наглядности термоэлектронную эмиссию можно представить как испарение электронов из эмиттера (по аналогии с испарением воды при ее нагревании).
Термоэлектронная эмиссия становится возможной, когда металл нагревается до высокой температуры. Другими словами, когда большое количество внешней энергии в виде тепла передается свободным электронам в металлах.

Вакуумный диод

Явление термоэлектронной эмиссии можно наблюдать в вакуумной лампе с двумя электродами – анодом, на который подается положительный потенциал и катодом, который соединен с отрицательным потенциалом. Такая лампа называется вакуумным диодом (рис. 1).

Если катод холодный, то ток в цепи катод – анод практически отсутствует.
При повышении температуры катода электроны начинают преодолевать потенциальный барьер у поверхности катода и привлекаются положительным анодом – через вакуум протекает электрический ток, который тем больше, чем выше температура катода: Iн3 > Iн2 > Iн1 при Т3 > Т2 > Т1.

При одной и той же температуре катода ток в цепи катод – анод возрастает с повышением напряжения на аноде (Uа) и выходит к некоторому стационарному значению, называемому током насыщения (Iн). При этом почти все свободные электроны, испускаемые катодом, достигают анода. Ток насыщения характеризует эмиссионную способность материала катода.                                                                                                                                            

При Uа =0 анодный ток не равен нулю, т. е. некоторые электроны, эмиттируемые нагретым катодом, обладают энергией, достаточной для преодоления работы выхода и достижения анода без приложения электрического поля между анодом и катодом.

О скорости движения электронов в вакууме

Из-за отсутствия торможения носителей заряда (большой свободный пробег без столкновений), скорость заряженных частиц в вакууме резко возрастает. Так, под действием ускоряющего поля анода электроны в вакуумном диоде достигают скоростей до 6000 км/сек.
С учетом малого расстояния между катодом и анодом (до 1,0 см) время пролета электрона от катода до анода составляет примерно 3*10^{– 9} сек (сравнимо с периодом метровых радиоволн).

Для сравнения, движение свободных электронов в проводнике происходит довольно медленно, от долей миллиметра до нескольких миллиметров в секунду, поскольку электроны испытывают сопротивление своему движению в электрическом поле, сталкиваясь с атомами вещества.

Применение термоэлектронной эмиссии

Сегодня большинство из нас рассматривает электронно-лучевой кинескоп, вакуумный диод, триод, как электротехнические предметы антиквариата. Тем не менее, основной принцип их работы (электроны испускаются из нагретого катода) до сих пор находит применение в линейных ускорителях, усилителях, в различных электровакуумных приборах (триодах, тетродах, клистронах, магнетронах, лампах бегущей волны и др.).

 Похожие статьи: 1. Взаимодействие электрических зарядов. Закон Кулона
                               2. Направление электрического тока
                               3. Постоянный и переменный ток
                               4. Проводники и изоляторы. Полупроводники
                               5. О скорости распространения электрического тока
                               6. Электрический ток в жидкостях
                               7. Что такое электрический ток?
                               8. Проводимость в газах
                               9. О проводимости полупроводников


 

Что представляет собой электрический ток в вакууме

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 диэлектриком. Для того, чтобы в нем стало возможным прохождение электрического тока, нужно обеспечить наличие в достаточном количестве свободных зарядов. В этой статье мы рассмотрим что представляет собой электрическийток в вакууме . Как электрическийток может появиться в вакууме Для того, чтобы создать в вакууме полноценный электрическийток, 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 током. 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 тока 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 тока, является электронный поток, 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 диода 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 поток электронов.

Электрический ток в вакууме. Электронно-лучевая трубка

Электрический ток в вакууме. Электронно-лучевая трубка

«Физика — 10 класс»

Какое физическое явление называют постоянным током?
Каковы условия существования электрического тока?

До открытия уникальных свойств полупроводников в радиотехнике использовались исключительно электронные лампы.

Откачивая газ из сосуда (трубки), можно получить газ с очень малой концентрацией молекул.

Состояние газа, при котором молекулы успевают пролететь от одной стенки сосуда к другой, ни разу не испытав соударений друг с другом, называют вакуумом.

Если в сосуд с вакуумом поместить два электрода и подключить их к источнику тока, то ток между электродами не пойдёт, так как в вакууме нет носителей заряда. Следовательно, для создания тока в трубке должен быть источник заряженных частиц.

Термоэлектронная эмиссия.

Чаще всего действие такого источника заряженных частиц основано на свойстве тел, нагретых до высокой температуры, испускать электроны.

Явление испускания электронов нагретыми металлами называется термоэлектронной эмиссией.

Это явление можно рассматривать как испарение электронов с поверхности металла. У многих твёрдых веществ термоэлектронная эмиссия начинается при температурах, при которых испарение самого вещества ещё не происходит. Такие вещества и используются для изготовления катодов.

Односторонняя проводимость. Диод.

Явление термоэлектронной эмиссии приводит к тому, что нагретый металлический электрод, в отличие от холодного, непрерывно испускает электроны. Электроны образуют вокруг электрода электронное облако. Электрод заряжается положительно, и под влиянием электрического поля заряженного облака электроны из облака частично возвращаются на электрод.

В равновесном состоянии число электронов, покинувших электрод в секунду, равно числу электронов, возвратившихся на электрод за это время. Чем выше температура металла, тем выше плотность электронного облака.

При подключении электродов к источнику тока между ними возникает электрическое поле. Если положительный полюс источника тока соединён с холодным электродом (анодом), а отрицательный — с нагретым (катодом), то вектор напряжённости электрического поля направлен к нагретому электроду. Под действием этого поля электроны частично покидают электронное облако и движутся к холодному электроду. Электрическая цепь замыкается, и в ней устанавливается электрический ток. При противоположной полярности включения источника напряжённость поля направлена от нагретого электрода к холодному. Электрическое поле отталкивает электроны облака назад к нагретому электроду. Цепь оказывается разомкнутой.

Односторонняя проводимость широко использовалась раньше в электронных приборах с двумя электродами — вакуумных диодах, которые служили, как и полупроводниковые диоды, для выпрямления электрического тока. Однако в настоящее время вакуумные диоды практически не применяются.

Если в аноде электронной лампы сделать отверстие, то часть электронов, ускоренных электрическим полем, пролетит в это отверстие, образуя за анодом электронный пучок. Количеством электронов в пучке можно управлять, поместив между катодом и анодом дополнительный электрод и изменяя его потенциал.

Свойства электронных пучков и их применение.

Испускаемые катодом потоки электронов, движущихся в вакууме, называют иногда катодными лучами.

Перечислим свойства электронных пучков (катодных лучей).

1) Электроны в пучке движутся по прямым линиям.
2) Электронный пучок, попадая на мишень, передаёт ей часть кинетической энергии, что вызывает её нагревание. В современной технике это свойство используют для электронной плавки в вакууме сверхчистых металлов.
3) При торможении быстрых электронов, попадающих на вещество, возникает рентгеновское излучение. Это явление используют в рентгеновских трубках.
4) Некоторые вещества (стекло, сульфиды цинка и кадмия), бомбардируемые электронами, светятся. В настоящее время среди материалов этого типа (люминофоров) применяются такие, у которых в световую энергию превращается до 25% энергии электронного пучка.

5) Электронные пучки отклоняются электрическим полем. Например, проходя между пластинами конденсатора, электроны отклоняются от отрицательно заряженной пластины к положительно заряженной (рис. 16.20).
6) Электронный пучок отклоняется также в магнитном поле. Пролетая над северным полюсом магнита, электроны отклоняются влево, а пролетая над южным, отклоняются вправо. Отклонение электронных потоков, идущих от Солнца, в магнитном поле Земли приводит к тому, что свечение газов верхних слоёв атмосферы (полярное сияние) наблюдается только у полюсов.
7) Электронные пучки обладают ионизирующей способностью.
8) Электронные пучки могут проходить сквозь очень тонкие металлические пластины толщиной 0,003—0,03 мм.

Электронно-лучевая трубка.

Возможность управления электронным пучком с помощью электрического или магнитного поля и свечение покрытого люминофором экрана под действием пучка применяют в электронно-лучевой трубке.

Электронно-лучевая трубка была основным элементом первых телевизоров и осциллографа — прибора для исследования быстропеременных процессов в электрических цепях (рис. 16.21).

Устройство электронно-лучевой трубки показано на рисунке 16.22. Эта трубка представляет собой вакуумный баллон, одна из стенок которого служит экраном. В узком конце трубки помещён источник быстрых электронов — электронная пушка (рис. 16.23). Она состоит из катода, управляющего электрода и анода (чаще несколько анодов располагается друг за другом). Электроны испускаются нагретым оксидным слоем с торца цилиндрического катода С, окружённого теплозащитным экраном Н. Далее они проходят через отверстие в цилиндрическом управляющем электроде В (он регулирует число электронов в пучке). Каждый анод (А1 и А₂) состоит из дисков с небольшими отверстиями. Эти диски вставлены в металлические цилиндры. Между первым анодом и катодом создаётся разность потенциалов в сотни и даже тысячи вольт. Сильное электрическое поле ускоряет электроны, и они приобретают большую скорость. Форма, расположение и потенциалы анодов выбирают так, чтобы наряду с ускорением электронов осуществлялась и фокусировка электронного пучка, т. е. уменьшение площади поперечного сечения пучка на экране почти до точечных размеров.

На пути к экрану пучок последовательно проходит между двумя парами управляющих пластин, подобных пластинам плоского конденсатора (см. рис. 16.22). Если электрического поля между пластинами нет, то пучок не отклоняется и светящаяся точка располагается в центре экрана. При сообщении разности потенциалов вертикально расположенным пластинам пучок смещается в горизонтальном направлении, а при сообщении разности потенциалов горизонтальным пластинам он смещается в вертикальном направлении.

Одновременное использование двух пар пластин позволяет перемещать светящуюся точку по экрану в любом направлении. Так как масса электронов очень мала, то они почти мгновенно, т. е. за очень короткое время, реагируют на изменение разности потенциалов управляющих пластин.

В настоящее время чаще используются телевизоры с жидкокристаллическим или плазменным экраном.

В электронно-лучевой трубке, применяемой в телевизоре (так называемом кинескопе), управление пучком, созданным электронной пушкой, осуществляется с помощью магнитного поля. Это поле создают катушки, надетые на горловину трубки (рис. 16.24).

Цветной кинескоп содержит три разнесённые электронные пушки и экран мозаичной структуры, составленный из люминофоров трёх типов (красного, синего и зелёного свечения). Каждый электронный пучок возбуждает люминофоры одного типа, свечение которых в совокупности даёт на экране цветное изображение.

Электронно-лучевые трубки широко применялись в дисплеях — устройствах, присоединяемых к электронно-вычислительным машинам (ЭВМ). На экран дисплея, подобный экрану телевизора, поступала информация, записанная и переработанная ЭВМ. Можно было непосредственно видеть текст на любом языке, графики различных процессов, изображения реальных объектов, а также воображаемые объекгы, подчиняющиеся законам, записанным в программе вычислительной машины.

Источник: «Физика — 10 класс», 2014, учебник Мякишев, Буховцев, Сотский

Электрический ток в различных средах — Физика, учебник для 10 класса — Класс!ная физика

Электрическая проводимость различных веществ. Электронная проводимость металлов — Зависимость сопротивления проводника от температуры. Сверхпроводимость — Электрический ток в полупроводниках. Собственная и примесная проводимости — Электрический ток через контакт полупроводников с разным типом проводимости. Транзисторы — Электрический ток в вакууме. Электронно-лучевая трубка — Электрический ток в жидкостях. Закон электролиза — Электрический ток в газах. Несамостоятельный и самостоятельный разряды — Плазма — Примеры решения задач по теме «Электрический ток в различных средах»

Электрический ток в вакууме. Электровакуумные приборы

— 17-

Важнейшими приборами в электронике первой половины ХХ в. были электронные лампы, в которых использовался электрический ток в вакууме. Однако им на смену пришли полупроводниковые приборы. Но и сегодня ток в вакууме используется в электронно-лучевых трубках, при вакуумном плавлении и сварке, в том числе в космосе, и во многих других установках. Это и определяет важность изучения электрического тока в вакууме.

Вакуум (от лат. vacuum – пустота) – состояние газа при давлении, меньшем атмосферного. Это понятие применяется к газу в замкнутом сосуде или в сосуде, из которого откачивают газ, а часто и к газу в свободном пространстве, например к космосу. Физической характеристикой вакуума есть соотношение между длиной свободного пробега молекул и размером сосуда, между электродами прибора и т.д.

воздух

Рис.1. Откачивание воздуха из сосуда

Когда речь идет о вакууме, то почему-то считают, что это совсем пустое пространство. На самом же деле это не так. Если из какого-нибудь сосуда откачивать воздух (рис.1), то количество молекул в нем с течением времени будет уменьшаться, хотя все молекулы из сосуда удалить невозможно. Так когда же можно считать, что в сосуде создан вакуум?

Молекулы воздуха, двигаясь хаотически, часто сталкиваются между собой и со стенками сосуда. Между такими столкновениями молекулы пролетают определенные расстояния, которые называются длиной свободного пробега молекул. Понятно, что при откачивании воздуха концентрация молекул (их количество в единице объема) уменьшается, а длина свободного пробега – увеличивается. И вот наступает момент, когда длина свободного пробега становится равной размерам сосуда: молекула движется от стенки к стенке сосуда, практически не встречаясь с другими молекулами. Вот тогда-то и считают, что в сосуде создан вакуум, хотя в нем еще может быть много молекул. Понятно, что в меньших по размерам сосудах вакуум создается при больших давлениях газа в них, чем в больших сосудах.

Если продолжать откачивание воздуха из сосуда, то говорят, что в нем создается более глубокий вакуум. При глубоком вакууме молекула может много раз пролететь от стенки к стенке, прежде чем встретится с другой молекулой.

Откачать все молекулы из сосуда практически невозможно.

Где берутся свободные носители зарядов в вакууме?

Если в сосуде создан вакуум, то в нем все же есть немало молекул, некоторые из них могут быть и ионизированы. Но заряженных частичек в таком сосуде для выявления заметного тока мало.

Как же получить в вакууме достаточное количество свободных носителей заряда? Если нагреть проводник, пропуская по нему электрический ток или другим способом (рис.2), то часть свободных электронов в металле будет иметь достаточную энергию, чтобы выйти из металла (выполнить работу выхода). Явление излучения электронов накаленными телами называется термоэлектронной эмиссии.

Рис. 2. Излучение электронов раскаленным проводником

Электроника и радио почти ровесники. Правда, поначалу радио обходилось без своей сверстницы, но позднее электронные приборы стали материальной основой радио, или, как говорят, его элементарной базой.

Начало электроники можно отнести к 1883 году, когда знаменитый Томас Альфа Эдисон, пытаясь продлить срок службы осветительной лампы с угольной нитью накаливания, ввел в баллон лампы, из которой откачан воздух, металлический электрод.

Именно этот опыт привел Эдисона к его единственному фундаментально-научному открытию, которое легло в основу всех электронных ламп и всей электроники до транзисторного периода. Открытое им явление впоследствии получило название термоэлектронной эмиссии.

Внешне опыт Эдисона выглядел довольно просто. К выводу электрода и одному из выводов раскаленной электрическим током нити он подсоединил батарею и гальванометр.

Стрелка гальванометра отклонялась всякий раз, когда к электроду подсоединялся плюс батареи, а к нити – минус. Если полярность менялась, то ток в цепи прекращался.

Эдисон обнародовал этот эффект и получил патент на открытие. Правда, работу свою он, как говорится, до ума не довел и физическую картину явления не объяснил. В это время электрон еще не был открыт, а понятие «термоэлектронная эмиссия», естественно, могло появиться лишь после открытия электрона.

Вот в чем ее суть. В раскаленной металлической нити скорость движения и энергия электронов повышаются настолько, что они отрываются от поверхности нити и свободным потоком устремляются в окружающее ее пространство. Вырывающиеся из нити электроны можно уподобить ракетам, преодолевшим силу земного притяжения. Если к электроду будет присоединен плюс батареи, то электрическое поле внутри баллона между нитью накаливания и электродом устремит к нему электроны. То есть внутри лампы потечет электрический ток.

Поток электронов в вакууме является разновидностью электрического тока. Такой электрический ток в вакууме можно получить, если в сосуд, откуда тщательно откачивается воздух, поместить нагреваемый катод, являющийся источником «испаряющихся» электронов, и анод. Между катодом и анодом создается электрическое поле, сообщающее электронам скорости в определенном направлении.

В трубках телевизоров, радиолампах, установках для плавления металлов электронным лучом, многих других установках электроны движутся в вакууме. Каким образом получают потоки электронов в вакууме? Как управляют этими потоками?

Рис.3

Мы знаем, что в металлах имеются электроны проводимости. Средняя скорость движения этих электронов зависит от температуры металла: она тем больше, чем выше температура. Расположим в вакууме на некотором расстоянии друг от друга два металлических электрода (рис.3) и создадим между ними определенную разность потенциалов. Тока в цепи не будет, что свидетельствует об отсутствии в пространстве между электродами свободных носителей электрического заряда. Следовательно, в металлах имеются свободные электроны, но они удерживаются внутри металла и при обычных температурах практически

не могут выходить из него. Для того чтобы электроны смогли выйти за пределы металла (аналогично вылетанию молекул за пределы жидкости при ее испарении), они должны преодолеть силы электрического притяжения со стороны избытка положительного заряда, возникшего в металле вследствие вылетания электронов, а также сил отталкивания со стороны электронов, которые вылетели ранее и образовали вблизи поверхности металла электронное «облачко». Иначе говоря, чтобы вылететь из металла в вакуум, электрон должен выполнить определённую работу А против этих сил, естественно, разную для разных металлов. Эту работу называют работой выхода электронов из металла. Работа выхода выполняется электронами за счет их кинетической энергии. Поэтому ясно, что медленные электроны вырваться из металла не могут, а вырываются только те, кинетическая энергия которых Ек превышает работу выхода, то есть Ек ≥ А. Выход свободных электронов из металла называют эмиссией электронов.

Для того чтобы существовала эмиссия электронов, необходимо сообщить электронам проводимости металлов кинетическую энергию, достаточную для выполнения работы выхода. В зависимости от способа сообщения электронам необходимой кинетической энергии бывают различные типы электронной эмиссии. Если энергия сообщается электронам проводимости за счет бомбардировки металла извне какими-то иными частицами (электронами, ионами), имеет место вторичная электронная эмиссия. Эмиссия электронов может происходить под влиянием облучения металла светом. В этом случае наблюдается фотоэмиссия, или фотоэлектрический эффект. Возможно также вырывание электронов из металла под действием сильного электрического поля – автоэлектронная эмиссия. Наконец, электроны могут приобретать кинетическую энергию за счет нагревания тела. В этом случае говорят об термоэлектронной эмиссии.

Рассмотрим подробнее явление термоэлектронной эмиссии и его применение.

При обычных температурах мизерное число электронов может обладать кинетической энергией, сравнимой с работой выхода электронов из металла. С повышением температуры число таких электронов растет и при нагревании металла до температур порядка 1000 – 1500 градусов уже значительное число электронов будет иметь энергию, превышающую работу выхода из металла. Именно эти электроны могут вылететь из металла, но они не удаляются от его поверхности, поскольку металл при этом заряжается положительно и притягивает электроны. Поэтому около нагретого металла создается «облачко» электронов. Часть электронов из этого «облачка» возвращается обратно в металл, и в то же время из металла вылетают новые электроны. При этом между электронным «газом» и электронным «облачком» устанавливается динамическое равновесие, когда число электронов, вылетающих за определённое время из металла, сравнивается с числом электронов, которые за то же время возвращаются из «облачка» в металл.

Электрический ток в вакууме

Условие существования электрического тока в вакууме

Вообще говоря, в вакууме не может проходить электрический ток, если в нем нет носителей заряда. Если в вакууме присутствуют электроны, то их движение обусловит появление тока, который называют током в вакууме. Следовательно, необходимо, чтобы в вакууме появились электроны.

В металле имеется так называемый «электронный газ». При термодинамическом равновесии распределение электронов на энергоуровнях определено статистикой Ферми — Дирака и задано выражением:

где $\beta =\frac{1}{kT}$, $n_i$ — количество электронов, которые имеют энергию $E_i$, $g_i$ — число квантовых состояний, которые соответствуют энергии $E_i$, $\mu $ — энергия Ферми при температуре T (при $T\to 0K\ \mu \to {\mu }_{0\ }при\ T=0K$). Так как выражение для энергии Ферми записывают как:

В большинстве случаев $\mu \gg kT$, следовательно, для выражения (1) можно полагать $\mu ={\mu }_{0\ }.$

Допустим, что $E_0-\ $энергия электрона около поверхности вне металла. Используя формулу (1) можно вычислить вероятность того, что электрон имеет энергию $E_0$, если ее подставить в (1) вместо $E_i$. Найденная вероятность будет отлична от нуля, причем она увеличивается с ростом температуры. Значит, вблизи поверхности металла присутствует электронное облако, находящееся в динамическом равновесии с электронным газом внутри металла. Электроны из электронного облака внутри металла имеют кинетическую энергию, которой достаточно для того, чтобы преодолеть силы, которые удерживали их внутри и выйти за пределы вещества. Электроны, находящиеся вне металла над его поверхностью при соответствующих условиях могут быть захвачены силами, которые удерживают электроны внутри. Получается, что в условиях динамического равновесия через поверхность металла протекают противоположно направленные токи, их силы равны по модулю. Сумма сил этих токов равна нулю.

Термоэлектронная эмиссия

Явление образования электронного облака около поверхности металла вследствие теплового движения свободных электронов называют термоэлектронной эмиссией. При абсолютном нуле температур явления термоэлектронной эмиссии нет. Это значит, что при $T=0K$ электронного облака над поверхностью металла не существует.

Электроны, имеющие кинетическую энергию $E_k\ $около поверхности металла имеют полную энергию ($E_i$) равную:

Тогда формула (1) имеет вид:

где $A_v=E_0-\mu $ — работа выхода электронов из металла. Из выражения (4) видно, что плотность электронного облака около поверхности металла зависит от работы выхода $A_v$ и уменьшается с ее увеличением.

Термоэлектронный ток

Определение 1

Если около поверхности металла есть электрическое поле, то электроны из электронного облака образуют электрический ток. Этот ток называют термоэлектронным.

И так, если в вакууме находятся две металлические пластинки, между ними существует разность потенциалов, то между этими пластинками появится термоэлектронный ток.

Сила тока должна расти при увеличении разности потенциалов. Для термоэлектронного тока существует сила тока насыщения. Это максимальная сила тока, при которой все электроны, которые попадают с поверхности катода в электронное облако, достигают анода. При этом ни какого обратного тока электронов через поверхность внутрь катода нет. Сила тока насыщения при увеличении разности потенциалов между анодом и катодом не изменяется.

Для металлов работа выхода составляет несколько электрон-вольт. При этом энергия $kT$ даже при больших температурах в тысячи кельвинов всего лишь доли электрон — вольта. Значит, $\frac{A_v}{kT}=A_v\beta \gg 1,\ \to exp\left[\beta \left(E_k+A_v\right)\right]\gg 1,$ следовательно, в знаменателе формулы (4) единицей можно пренебречь и записать эту формулу в виде:

Сила тока насыщения зависит от работы выхода и температуры. Для чистых металлов существенный ток можно получить при температурах порядка $2000 К$, что означает, что в качестве катодов следует использовать металлы с высокой температурой плавления. При этом надо, чтобы работа выхода у них была минимальна. Так, вольфрам, имеющий работу выхода $4,5 эВ$, должен быть нагрет до температуры $2500 К$x.

Для того чтобы уменьшить рабочую температуру и снизить работу выхода применяют оксидные катоды.

Характеристика электронного облака

Облако электронов около поверхности металла описывается формулой (5). В выражении (5) число квантовых состояний в элементе фазового объема $dxdydzdp_xdp_ydp_z$ запишется как:

Тогда количество электронов в элементе фазового объема будет равно:

где $E_k=\frac{p^2}{2m_e}$. $p^2={p_x}^2+{p_y}^2+{p_z}^2$. Концентрацию электронного облака ($n_0$) около поверхности металла можно найти последовательным интегрированием выражения (7) по $dxdydz$ а за тем по $dp_xdp_ydp_z$, в результате получим:

Средняя кинетическая энергия электронов равна:

Плотность тока насыщения

Плотность тока насыщения ($j_n$) определяется формулой Ричардсона — Дешмана:

где $A=\frac{q_em_ek^2}{2{\pi }^2{\hbar }^3}=1,2\cdot 10^6А\cdot м^{-2}\cdot К^{-2}.$ Часто формулу (10) представляют в виде:

Пример 1

Задание: Изобразите график зависимости $ln\left(\frac{j_n}{T^2}\right)$ от $\frac{1}{T}$. Как используя данный график можно определить работу выхода электрона?

Решение:

Для того чтобы построить график зависимости $ln\left(\frac{j_n}{T^2}\right)(\frac{1}{T})$ используем формулу Ричардсона — Дешмана в виде:

\[ln\left(\frac{j_n}{T^2}\right)=lnA-\frac{A_v}{kT}\left(1.1\right).\]

Исходя из формулы (1.1) искомый график — прямая линия (рис.1). Пересекая ось ординат, данная прямая отсекает на этой вертикальной оси отрезок равный $lnA$. Величина A должна быть универсальной постоянной для всех металлов, однако этот результат экспериментом не подтверждается. Так как на величину A оказывают влияния поверхностные эффекты, помимо этого, у кристалла плотность тока насыщения может отличаться для разных граней.

Рисунок 1.

Ответ: По углу наклона прямой, которая изображена на рис.1, можно определить работу выхода электрона из металла.

Пример 2

Задание: Объясните, как с помощью вакуумного диода показать, что носителями тока через вакуум являются электроны.

Решение:

Вакуумный диод — вакуумная лампа, которая имеет два электрода. Катодом является проволока (нить) из тугоплавкого металла, которую накаляют с помощью электрического тока. Металлический анод обычно, имеет форму цилиндра, окружает катод. Диод включают в электрическую цепь, которая включает последовательно соединенные источник тока, диод и миллиамперметр. Если цепь замкнуть, то ток через амперметр не идет. Если катод нагреть до определённой температуры, то миллиамперметр покажет наличие тока в цепи. Если полярность батареи источника тока заменить, ток прекратится. Этот опыт показывает, что носителями тока через вакуум являются частицы с отрицательным зарядом, а именно электроны, так как никаких химических реакций около электродов не наблюдается при прохождении тока.