Електрически ток във вакуум

Дял

В този урок продължаваме да изучаваме протичането на токове в различни среди, по-специално във вакуум. Ще разгледаме механизма на образуване на свободни заряди, ще разгледаме основните технически устройства, работещи на принципите на тока във вакуум: диод и електронно-лъчева тръба. Посочваме и основните свойства на електронните лъчи.

1. Термионна емисия

Преди да говорим за механизма, по който електрическият ток се разпространява във вакуум, е необходимо да разберем какъв вид среда е той.

Определение. Вакуумът е състояние на газ, при което свободният път на частица е по-голям от размера на съда. Тоест такова състояние, при което молекула или атом на газ лети от една стена на съда към друга, без да се сблъсква с други молекули или атоми. Съществува и концепцията за дълбочина на вакуума, която характеризира малкия брой частици, които винаги остават във вакуум.

Резултатът от експеримента се обяснява по следния начин: в резултат на нагряване металът от неговата атомна структура започва да излъчва електрони, по аналогия с излъчването на водни молекули по време на изпаряване. Нагретият метал обгражда електронното езеро. Това явление се нарича термионна емисия.

Ориз. 2. Схема на експеримента на Едисон

2. Клетка 1. Свойства на електронните лъчи

В техниката използването на така наречените електронни лъчи е от голямо значение.

Определение. Електронен лъч - потокелектрони, чиято дължина е много по-голяма от ширината му. Получаването му е доста лесно. Достатъчно е да вземете вакуумна тръба, през която минава токът, и да направите отвор в анода, към който отиват разпръснатите електрони (т.нар. електронна пушка)

Ориз. 3. Електронна пушка

Електронните лъчи имат редица ключови свойства:

В резултат на наличието на висока кинетична енергия, те оказват термичен ефект върху материала, в който се блъскат. Това свойство се използва при електронно заваряване. Електронното заваряване е необходимо, когато поддържането на чистотата на материалите е важно, например при заваряване на полупроводници

- При сблъсък с метали електронните лъчи, забавяйки се, излъчват рентгенови лъчи, използвани в медицината и технологиите

Ориз. 4. Снимка, направена с помощта на рентгенови лъчи (Източник)

- Когато електронен лъч удари някои вещества, наречени фосфори, възниква сияние, което ви позволява да създавате екрани, които помагат да се следи движението на лъча, разбира се, невидими за невъоръжено око

- Възможност за управление на движението на лъчи с помощта на електрически и магнитни полета

Трябва да се отбележи, че температурата, при която може да се постигне термоелектронна емисия, не може да надвишава температурата, при която се разрушава металната структура.

Първоначално Едисон използва следната конструкция, за да получи ток във вакуум. Във вакуумната тръба от едната страна беше поставенапроводник, включен във веригата, и от друга страна положително зареден електрод (виж фиг. 5):

В резултат на преминаването на ток през проводника, той започва да се нагрява, излъчвайки електрони, които се привличат към положителния електрод. В крайна сметка има насочено движение на електрони, което всъщност е електрически ток. Въпреки това, броят на така излъчените електрони е твърде малък, давайки твърде малък ток за каквато и да е употреба. Този проблем може да бъде преодолян чрез добавяне на друг електрод. Такъв електрод с отрицателен потенциал се нарича индиректен електрод с нажежаема жичка. С използването му броят на движещите се електрони се увеличава многократно.

Ориз. 6. Използване на индиректна подгревна свещ

Трябва да се отбележи, че проводимостта на тока във вакуум е същата като тази на металите - електронна. Въпреки че механизмът за появата на тези свободни електрони е съвсем различен.

3. Прилагане на ток във вакуум

Въз основа на явлението термоелектронна емисия е създадено устройство, наречено вакуумен диод.

Ориз. 7. Обозначение на вакуумния диод на електрическата верига

4. Кутия 2. Вакуумен диод

Нека да разгледаме по-подробно вакуумния диод. Има два вида диоди: диод с нажежаема жичка и анод и диод с нажежаема жичка, анод и катод. Първият се нарича диод с директна нишка, а вторият - индиректна нишка. В технологията се използват както първият, така и вторият тип, но директен диоднишката има такъв недостатък, че при нагряване съпротивлението на нишката се променя, което води до промяна в тока през диода. И тъй като някои операции, използващи диоди, изискват напълно постоянен ток, по-целесъобразно е да се използва вторият тип диоди.

И в двата случая температурата на спиралата за ефективна емисия трябва да бъде равна на .

Диодите се използват за изправяне на променливи токове. Ако диодът се използва за преобразуване на индустриални токове, тогава той се нарича кенотрон.

Електродът, разположен близо до елемента, излъчващ електрони, се нарича катод (), а другият се нарича анод (). При правилно свързване, с увеличаване на напрежението, токът се увеличава. При обратната връзка токът изобщо няма да тече. По този начин вакуумните диоди се сравняват благоприятно с полупроводниковите диоди, в които при повторно включване има ток, макар и минимален. Поради това свойство вакуумните диоди се използват за коригиране на променливи токове.

Ориз. 8.Вамперна характеристика на вакуумен диод

Друго устройство, базирано на процесите на протичане на ток във вакуум, е електрически триод. Дизайнът му се различава от диодния по наличието на трети електрод, наречен решетка. Принципите на тока във вакуум също се основават на такова устройство като катодно-лъчева тръба, която е основната част от устройства като осцилоскоп и тръбни телевизори.

Ориз. 9. Схема на вакуумен триод

5. Кутия 3. Катоднолъчева тръба

Както бе споменато по-горе, въз основа на свойствата на разпространението на тока във вакуум е проектирано такова важно устройство като катодно-лъчева тръба. В основата на работата си тя използва свойствата на електронните лъчи. Помислете за структурата на това устройство. Катодната тръба се състои от вакуумна колба с удължител, електронна пушка, два катода и две взаимно перпендикулярни двойки електроди.

Ориз. 10. Устройството на катодната тръба

Принципът на действие е следният: електроните, излъчени от пистолета в резултат на термоемисия, се ускоряват поради положителния потенциал на анодите. След това, чрез прилагане на желаното напрежение към двойките управляващи електроди, можем да отклоним електронния лъч както желаем хоризонтално и вертикално. След това насоченият лъч попада върху фосфорния екран, което ни позволява да видим изображението на траекторията на лъча върху него.

Катодната тръба се използва в инструмент, наречен осцилоскоп, предназначен за изследване на електрически сигнали и в кинескопични телевизори, с единственото изключение, че там електронните лъчи се управляват от магнитни полета.

В следващия урок ще анализираме преминаването на електрически ток в течности.

Списък с препоръчителна литература:

1. Тихомирова С.А., Яворски Б.М. Физика (основно ниво) М.: Мнемозина. 2012 г
2. Gendenstein L.E., Dick Yu.I. Физика 10 клас. М.: Илекса. 2005 г
3. Мякишев Г.Я., Синяков А.З., Слободсков Б.А. Физика.Електродинамика М.: 2010

Препоръчителни връзки към интернет ресурси:

Препоръчителна домашна работа:

1. Какво е електронно излъчване?
2. Какви са начините за управление на електронни лъчи?
3. Как проводимостта на полупроводника зависи от температурата?
4. За какво се използва индиректен нажежен електрод?
5. *Какво е основното свойство на вакуумния диод? На какво се дължи?

---