Elektrisk strøm i et vakuum. Elektronisk utslipp

Er det mulig å spre en elektrisk strøm i et vakuum (fra det latinske vakuumet - tomhet)? Siden det ikke er noen gratis ladningsbærere i et vakuum, er det et ideelt dielektrikum. Utseendet av ioner ville føre til at vakuumet forsvant og produksjon av en ionisert gass. Men utseendet til frie elektroner vil sikre strømmen av strøm gjennom vakuumet. Hvordan få gratis elektroner i et vakuum? Ved hjelp av fenomenet termionisk utslipp - utslipp av elektroner av et stoff ved oppvarming.

Vakuumdiode, triode, katodestrålerør (i gamle fjernsyn) er enheter hvis drift er basert på fenomenet termionisk utslipp. Det grunnleggende operasjonsprinsippet: tilstedeværelsen av et ildfast materiale som strømmen strømmer gjennom - katoden, en kald elektrode som samler termioniske elektroner - anoden.

Full vakuum kan ikke fås med noen pumpe. Uansett hvor mye vi pumper ut lampen, vil det alltid være spor av gass i den. Derfor, i lampen, passerer den elektriske strømmen som vi nettopp har møtt faktisk ikke i et vakuum, men i en veldig sjelden gass.

Moderne pumper gir et så høyt vakuum at molekylene som er igjen i utladningsrøret praktisk talt ikke påvirker bevegelsen av elektroner og strømmen flyter på samme måte som i et fullstendig vakuum. I noen tilfeller pumpes imidlertid lampen bevisst ikke ut i denne grad. I en slik lampe kolliderer elektroner på vei gjentatte ganger med gassmolekyler. Når de blir truffet, overfører de deler av energien til gassmolekyler. Vanligvis brukes denne energien til å varme opp gassen, men under visse forhold avgir molekylene eller atomene i gassen den i form av lys. Slike glødende rør kan sees over metro -dører, i butikkvinduer og skilt.

Passering av en elektrisk strøm i en gass er et ekstremt komplekst og mangfoldig fenomen. En av formene er en lysbue som brukes til elektrisk sveising og smelting av metaller.

Temperaturen ved atmosfæretrykk er omtrent 3700 grader. I en lysbue som brenner i en gass komprimert til 20 atmosfærer, når temperaturen 5900 grader, det vil si til temperaturen på soloverflaten.

Den elektriske lysbuen avgir sterkt hvitt lys og brukes derfor også som en kraftig lyskilde i projektorlamper og flomlys.

Gassbrudd er en annen form for elektrisk utladning. Vi vil samle to motsatt ladede metallkuler (se bildet på omslaget). I dette tilfellet øker det elektriske feltet mellom dem. Til slutt blir den så stor at den river elektroner ut av luftmolekylene mellom kulene. Luften er ionisert. De resulterende frie elektronene og ionene skynder seg til ballene. På vei bryter de opp nye molekyler, skaper nye ioner. Luften blir øyeblikkelig ledende.

Når de nærmer seg ballene, nøytraliserer ionene ladningene til ballene; feltet forsvinner. De resterende ionene kombineres igjen til molekyler. Luft er igjen en isolator.

Alt dette skjer på et splitsekund. Sammenbruddet ledsages av gnist og knitring. En gnist er et resultat av gløden av molekyler som er begeistret for virkningen av flygende ladninger. Den knitrende støyen skyldes ekspansjon av luften når den varmes opp i gnistbanen.

Dette fenomenet ligner lyn og torden i miniatyr. Lyn er faktisk den samme elektriske utladningen som oppstår når to motsatt ladede skyer nærmer seg hverandre eller mellom en sky og jorden.

Vi vil nå ikke samle to forhåndsladede kuler, men to karbon- eller metallelektroder koblet til en tilstrekkelig kraftig generator. Utladningen som oppstår mellom dem stopper ikke, siden takket være generatoren blir ikke elektrodene nøytralisert av ionene som faller på dem. I stedet for et veldig kortsiktig luftbrudd, opprettes en stabil lysbue (fig. 12), som vi allerede har diskutert ovenfor. Den høye temperaturen som utvikler seg i buen opprettholder den ioniserte tilstanden til luften mellom elektrodene, og skaper også betydelig termionisk utslipp fra katoden.

Tema. Elektrisk strøm i et vakuum

Formålet med leksjonen: å forklare studentene hva elektrisk strøm er i et vakuum.

Leksjonstype: leksjon i å lære nytt materiale.

TIMEPLAN

STUDERER NYT MATERIAL

Vakuum er tilstanden til en gass der trykket er mindre enn atmosfæretrykket. Skill mellom lavt, middels og høyt vakuum.

For å skape et høyt vakuum, nødvendig rarefaksjon, for hvilken gjennomsnittlig fri bane for molekyler er større enn dimensjonene til fartøyet eller avstanden mellom elektrodene i fartøyet. Følgelig, hvis et vakuum opprettes i fartøyet, kolliderer molekylene i det nesten ikke med hverandre og flyr fritt gjennom interelektroderommet. I dette tilfellet opplever de kun kollisjoner med elektrodene eller med veggene i fartøyet.

For at en strøm skal eksistere i et vakuum, må en kilde til frie elektroner plasseres i et vakuum. Den høyeste konsentrasjonen av frie elektroner i metaller. Men ved romtemperatur kan de ikke forlate metallet, fordi de holdes i det av kreftene i Coulomb -tiltrekningen av positive ioner. For å overvinne disse kreftene må elektronet bruke en viss mengde energi, som kalles arbeidsfunksjonen, for å forlate metalloverflaten.

Hvis kinetisk energi til et elektron overstiger eller er lik arbeidsfunksjonen, forlater det metalloverflaten og blir fri.

Prosessen med å avgi elektroner fra en metalloverflate kalles emisjon. Avhengig av hvordan energien ble overført til elektronene, skilles det flere typer utslipp. En av dem er termoelektronisk utslipp.

Ø Utslipp av elektroner fra oppvarmede kropper kalles termoelektronisk emisjon.

Fenomenet termionisk utslipp fører til det faktum at en oppvarmet metallelektrode kontinuerlig avgir elektroner. Elektronene danner en elektronsky rundt elektroden. I dette tilfellet er elektroden ladet positivt, og under påvirkning av det elektriske feltet til den ladede skyen går elektroner fra skyen delvis tilbake til elektroden.

I en likevektstilstand er antallet elektroner som forlater elektroden per sekund lik antallet elektroner som har returnert til elektroden i løpet av denne tiden.

For at strømmen skal eksistere, må to betingelser være oppfylt: tilstedeværelsen av frie ladede partikler og et elektrisk felt. For å skape disse forholdene plasseres to elektroder (katode og anode) i ballongen og luft pumpes ut av ballongen. Som et resultat av oppvarming av katoden, slipper elektroner ut av den. Et negativt potensial påføres katoden, og et positivt potensial påføres anoden.

En moderne vakuumdiode består av en glass- eller cermetballong, hvorfra luft evakueres til et trykk på 10-7 mm Hg. Kunst. To elektroder er loddet inn i ballongen, hvorav den ene - katoden - har formen av en vertikal metallsylinder laget av wolfram og vanligvis dekket med et lag av jordalkalimetalloksider.

En isolert leder er plassert inne i katoden, som varmes opp av en vekselstrøm. Den oppvarmede katoden avgir elektroner som når anoden. Lampens anode er en rund eller oval sylinder som har en felles akse med katoden.

Ensidig ledningsevne til en vakuumdiode skyldes det faktum at elektroner på grunn av oppvarming flyr ut av den varme katoden og beveger seg til den kalde anoden. Elektroner kan bare bevege seg gjennom dioden fra katoden til anoden (det vil si at den elektriske strømmen bare kan strømme i motsatt retning: fra anoden til katoden).

Figuren gjengir strømspenningskarakteristikken til en vakuumdiode (en negativ spenningsverdi tilsvarer tilfellet når katodepotensialet er høyere enn anodepotensialet, det vil si at det elektriske feltet "prøver" å returnere elektroner tilbake til katoden).

Vakuumdioder brukes til å rette opp vekselstrøm. Hvis du plasserer en annen elektrode (rutenett) mellom katoden og anoden, vil selv en liten endring i spenningen mellom rutenettet og katoden påvirke anodestrømmen betydelig. Et slikt elektronisk rør (triode) kan forsterke svake elektriske signaler. Derfor var disse lampene en stund hovedelementene i elektroniske enheter.

En elektrisk strøm i et vakuum ble brukt i et katodestrålerør (CRT), uten hvilket en fjernsyn eller et oscilloskop ikke kunne tenkes på lenge.

Figuren viser en forenklet utforming av en CRT.

En elektron "pistol" i nakken på røret er en katode som avgir en intens elektronstråle. Et spesielt system med sylindere med hull (1) fokuserer denne bjelken, noe som gjør den smal. Når elektroner treffer skjermen (4), begynner den å lyse. Du kan kontrollere strømmen av elektroner ved hjelp av vertikale (2) eller horisontale (3) plater.

Betydelig energi kan overføres til elektroner i et vakuum. Elektronstråler kan til og med brukes til å smelte metaller i et vakuum.

SPØRSMÅL TIL STUDENTER UNDER PRESENTASJONEN AV NYTT MATERIAL

Første nivå

1.Hva er hensikten med å skape et høyt vakuum i vakuumrør?

2. Hvorfor leder vakuumdioden bare strøm i en retning?

3. Hva er hensikten med elektronpistolen?

4. Hvordan kontrolleres elektronstråler?

Andre nivå

1. Hvilke funksjoner har strømspenningsegenskapene til en vakuumdiode?

2. Vil en radiolampe med knust glass fungere i verdensrommet?

SIKRING AV STUDIERT MATERIAL

1. Hva må gjøres slik at et trielektroderør kan brukes som en diode?

2. Hvordan kan du: a) øke hastigheten til elektroner i strålen; b) endre bevegelsesretningen til elektroner; c) slutte å bevege elektroner?

1. Maksimal anodestrøm i vakuumdioden er 50 mA. Hvor mange elektroner sendes ut fra katoden hvert sekund?

2. En elektronstråle, som akselereres med en spenning på U 1 = 5 kV, flyr inn i en flat kondensator i midten mellom platene og parallelt med dem. Lengden på kondensatoren er l = 10 cm, avstanden mellom platene er d = 10 mm. For hva er den minste spenningen U 2 over kondensatorens elektroner vil ikke fly ut av den?

Løsninger. Bevegelsen til et elektron ligner bevegelsen til et legeme kastet horisontalt.

Den horisontale komponenten v i elektronhastigheten endres ikke; den sammenfaller med elektronhastigheten etter akselerasjon. Denne hastigheten kan bestemmes ved hjelp av energibevaringsloven: Her er e en elementær elektrisk ladning, meg er massen til et elektron. Den vertikale akselerasjonen a overfører kraften F til elektronet, som virker fra kondensatorens elektriske felt. I følge Newtons andre lov,

hvor er det elektriske feltstyrken i kondensatoren.

Elektroner vil ikke fly ut av kondensatoren hvis de beveger seg en avstand d / 2.

Så, - tidspunktet for elektronens bevegelse i kondensatoren. Herfra

Ved å kontrollere mengdenheter og erstatte de numeriske verdiene får vi U 2 = 100 B.

DET VI LÆRTE I LEKSJONEN

Vakuum er en gass som er så sjelden at den gjennomsnittlige frie banen til molekyler overstiger fartøyets lineære dimensjoner.

Energien som et elektron trenger å bruke for å forlate metalloverflaten kalles arbeidsfunksjonen.

Utslipp av elektroner fra oppvarmede legemer kalles termoelektronisk emisjon.

Elektrisk strøm i et vakuum er retningsbevegelsen til elektroner generert av termionisk utslipp.

Vakuumdioden har enveiskonduktivitet.

Et katodestrålerør lar deg kontrollere bevegelsen av elektroner. Det var CRT som gjorde fjernsyn mulig.

Hjemmelekser

1. Sub-1: § 17; under-2: § 9.

Рів1 nr. 6.12; 6,13; 6.14.

Рів2 nr. 6.19; 6,20; 6.22, 6.23.

3. D: forbered deg på selvstendig arbeid nr. 4.

OPPGAVER FRA Uavhengig arbeid nr. 4 "DC -LOVER"

Oppgave 1 (1,5 poeng)

Bevegelsen av hvilke partikler som skaper en elektrisk strøm i væsker?

En bevegelse av atomer.

Bevegelse av molekyler.

Bevegelsen av elektroner.

D Bevegelse av positive og negative ioner.

Figuren viser en elektrisk utslipp i luft som er opprettet med en Tesla -transformator.

Og den elektriske strømmen i en hvilken som helst gass ledes i retningen der negative ioner beveger seg.

W Gassens ledningsevne skyldes bare bevegelse av elektroner.

Ledningsevnen til enhver gass skyldes bevegelse av bare ioner.

D Ledningsevnen til enhver gass skyldes bevegelse av bare elektroner og ioner.

Oppgave 3 tar sikte på å etablere en korrespondanse (logisk par). For hver linje merket med en bokstav, match setningen merket med et tall.

A Halvledere av n -type.

B Halvledere p -type.

Elektronisk ledningsevne.

D Hullets ledningsevne.

1 Halvledere der hull er hovedladingsbærerne.

2 Halvledere der elektroner er hovedladningsbærerne.

3 Ledningsevne til en halvleder på grunn av bevegelse av hull.

4 Ledningsevne til en halvleder på grunn av bevegelse av elektroner.

5 Halvledere der elektroner og hull er hovedladingsbærerne.

Hvilken strøm var elektrolysen av en vandig oppløsning av CuSO4, hvis i 2 min. 160 g kobber ble frigitt på katoden?

Vakuum er tilstanden til en sjelden gass, der den gjennomsnittlige frie banen til molekylerλ er større enn dimensjonene til fartøyet d, der gassen befinner seg.

Fra definisjonen av vakuum følger det at det praktisk talt ikke er noen interaksjon mellom molekyler, derfor kan ionisering av molekyler ikke forekomme, derfor kan gratis ladningsbærere ikke oppnås i et vakuum, derfor er en elektrisk strøm umulig i det;
For å lage en elektrisk strøm i et vakuum, må du plassere en kilde til frie ladede partikler i den. Metallelektroder koblet til en strømkilde plasseres i et vakuum. En av dem blir oppvarmet (det kalles katoden), som et resultat av hvilket ioniseringsprosessen skjer, dvs. elektroner flyr ut av stoffet, positive og negative ioner dannes. Virkningen av en slik kilde til ladede partikler kan være basert på fenomenet termionisk utslipp.

Termionisk utslipp er prosessen med å avgi elektroner fra en oppvarmet katode. Fenomenet termionisk utslipp fører til det faktum at en oppvarmet metallelektrode kontinuerlig avgir elektroner. Elektronene danner en elektronsky rundt elektroden. Elektroden lades positivt, og under påvirkning av det elektriske feltet til den ladede skyen går elektronene fra skyen delvis tilbake til elektroden. I likevekt er antallet elektroner som forlater elektroden per sekund lik antallet elektroner som kommer tilbake til elektroden i løpet av denne tiden. Jo høyere temperaturen på metallet er, desto høyere er tettheten til elektronskyen. Arbeidet som et elektron må gjøre for å forlate metallet kalles arbeidsfunksjonen A ute.

[A out] = 1 eV

1 eV er energien som et elektron henter når det beveger seg i et elektrisk felt mellom punkter med en potensialforskjell på 1 V.

1 eV = 1,6 * 10 -19 J

Forskjellen mellom temperaturene på varme og kalde elektroder forseglet i et fartøy som luft evakueres fra fører til ensidig ledning av elektrisk strøm mellom dem.

Når elektrodene er koblet til en strømkilde, oppstår et elektrisk felt mellom dem. Hvis den positive polen til strømkilden er koblet til en kald elektrode (anode), og den negative polen til en oppvarmet (katode), blir vektoren til det elektriske feltstyrken rettet til den oppvarmede elektroden. Under virkningen av dette feltet forlater elektroner delvis elektronskyen og beveger seg mot den kalde elektroden. Den elektriske kretsen er lukket og det etableres en elektrisk strøm i den. Med motsatt polaritet ved å slå på kilden, blir feltstyrken rettet fra den oppvarmede elektroden til den kalde. Det elektriske feltet skyver skyelektronene tilbake mot den oppvarmede elektroden. Kretsen er åpen.

En enhet som har enveis ledning av elektrisk strøm kalles en vakuumdiode. Den består av et vakuumrør (fartøy), hvorfra luft pumpes ut og hvor det er elektroder koblet til en strømkilde. Strømspenningskarakteristikk for en vakuumdiode. Signer delene av I - V karakteristisk diodemengde og lukket ?? Ved lave anodespenninger når ikke alle elektronene som sendes ut av katoden anoden, og den elektriske strømmen er liten. Ved høye spenninger når strømmen metning, dvs. maksimal verdi. En vakuumdiode brukes til å rette opp vekselstrøm. For tiden brukes vakuumdioder praktisk talt ikke.

Hvis det lages et hull i anoden til vakuumrøret, vil en del av elektronene akselerert av det elektriske feltet fly inn i dette hullet og danne en elektronstråle bak anoden. Elektronstrålen er en strøm av raskt flygende elektroner i vakuumrør og gassutladningsanordninger.

Egenskaper for elektronstråler:
- avbøyning i elektriske felt;
- avbøyd i magnetfelt under virkningen av Lorentz -kraften;
- ved bremsing av en stråle som faller på et stoff, genereres røntgenstråling;
- forårsaker glød (luminescens) av noen faste og flytende legemer;
- varm stoffet og fall ned på det.

Katodestrålerør (CRT).
CRT bruker fenomenene termionisk utslipp og egenskapene til elektronstråler.

I en elektronpistol passerer elektroner som sendes ut av en oppvarmet katode gjennom et kontrollnettelektrode og akselereres av anodene. Elektronpistolen fokuserer elektronstrålen til et punkt og endrer lysstyrken på gløden på skjermen. De avbøyende horisontale og vertikale platene lar deg flytte elektronstrålen på skjermen til et hvilket som helst punkt på skjermen. Skjermen på røret er dekket med et fosfor, som begynner å lyse når det bombarderes med elektroner.

Det er to typer rør:
1) med elektrostatisk kontroll av elektronstrålen (avbøyning av den elektriske strålen bare av det elektriske feltet);
2) Elektromagnetisk styrt (magnetiske avbøyningsspoler legges til).
I katodestrålerør dannes smale elektronstråler, styrt av elektriske og magnetiske felt. Disse bjelkene brukes i: TV -bilderør, dataskjermer, elektroniske oscilloskoper innen måleteknologi.

Elektrisk strøm kan dannes ikke bare i metaller, men også i et vakuum, for eksempel i radiorør, i katodestrålerør. La oss finne ut hvilken natur strømmen har i et vakuum.

Metaller inneholder et stort antall frie, tilfeldig bevegelige elektroner. Når et elektron nærmer seg overflaten av et metall, forhindrer tiltrekningskreftene som virker på det fra siden av positive ioner og rettet innover, at elektronet rømmer fra metallet. Arbeidet som må gjøres for å fjerne et elektron fra et metall i et vakuum kalles arbeidsutgang. Det er forskjellig for forskjellige metaller. Så for wolfram er det lik 7,2 * 10 -19 J. Hvis energien til et elektron er mindre enn arbeidsfunksjonen, kan den ikke forlate metallet. Det er mange elektroner selv ved romtemperatur, hvis energi ikke er mye større enn arbeidsfunksjonen. Etter å ha forlatt metallet, beveger de seg bort fra det en kort avstand og, under virkningen av tiltrekningskreftene til ionene, går de tilbake til metallet, som et resultat av at det dannes et tynt lag av utgående og tilbakevendende elektroner nær overflaten , som er i dynamisk likevekt. På grunn av tap av elektroner blir metalloverflaten ladet positivt.

For at elektronet skal forlate metallet, må det arbeide mot frastøtende krefter i det elektriske feltet til elektronlaget og mot kreftene i det elektriske feltet til metallets positivt ladede overflate (fig. 85. a). Ved romtemperatur er det nesten ingen elektroner som kan forlate det ladede dobbeltlaget.

For at elektroner skal kunne fly ut av dobbeltlaget må de ha en energi som er mye høyere enn arbeidsfunksjonen. For dette tilføres energi til elektronene fra utsiden, for eksempel ved oppvarming. Utslipp av elektroner fra et oppvarmet legeme kalles termionisk utslipp. Det er et av bevisene på tilstedeværelsen av frie elektroner i metallet.

Fenomenet termionisk utslipp kan observeres i et slikt eksperiment. Etter å ha ladet elektrometeret positivt (fra en elektrifisert glassstang), kobler vi det med en leder til elektrode A i demonstrasjonsvakuumlampen (fig. 85, b). Elektrometeret tømmes ikke. Etter å ha lukket kretsen, varmer vi tråden K. Vi ser at nålen til elektrometeret faller ned - elektrometeret er utladet. Elektronene som sendes ut av det glødende filamentet tiltrekkes av den positivt ladede elektroden A og nøytraliserer ladningen. Strømmen av termoelektroner fra filamentet til elektrode A, under virkningen av et elektrisk felt, dannet en elektrisk strøm i et vakuum.

Hvis elektrometeret lades negativt, vil det ikke bli utladet i et slikt eksperiment. Elektroner som rømmer fra filamentet tiltrekkes ikke lenger av elektrode A, men tvert imot blir frastøtt fra det og går tilbake til filamentet.

La oss sette sammen en elektrisk krets (fig. 86). Når glødetråden K ikke blir oppvarmet, er kretsen mellom den og elektroden A åpen - galvanometernålen er på null. Det er ingen strøm i kretsen. Etter å ha lukket nøkkelen, varmer vi opp filamentet. En strøm gikk gjennom galvanometerkretsen, siden de termioniske elektronene lukket kretsen mellom filamentet og elektroden A, og derved dannet en elektrisk strøm i et vakuum. Elektrisk strøm i et vakuum er en rettet strøm av elektroner under virkningen av et elektrisk felt. Hastigheten på den bevegede bevegelsen til elektroner som danner en strøm i et vakuum er milliarder ganger større enn hastigheten på den rettet bevegelsen til elektroner som danner en strøm i metaller. Så hastigheten på elektronstrømmen ved anoden til lampene på en radiomottaker når flere tusen kilometer i sekundet.

Leksjon nummer 40-169 Elektrisk strøm i gasser. Elektrisk strøm i et vakuum.

Luft - dielektrisk

Rekombinasjon av ladede partikler

4.arc - oppstår mellom nært forskyvede elektroder - høy strømtetthet, lav spenning mellom elektrodene, (i spotlights, projeksjonskinoutstyr, sveising, kvikksølvlamper)

Elektrisk strøm i et vakuum.

Vakuumdiode.

VAC (strømspenningskarakteristikk) for en vakuumdiode.

Elektronstråler er en strøm av raskt flygende elektroner i vakuumrør og gassutladningsanordninger. Egenskaper for elektronstråler: - avbøyning i elektriske felt; - avbøyd i magnetfelt under virkningen av Lorentz -kraften; - når retardering av en stråle som rammer et stoff, oppstår røntgenstråling; - forårsaker glød (luminescens) av noen faste og flytende legemer (luminoforer); - varm stoffet og fall ned på det.

Katodestrålerør (CRT)