Конспект лекции по физике на тему «электрический ток в газах и в вакууме»

Презентация на тему: » Электрический ток в различных средах. ВОПРОСЫ: 1.Вакуум. Явление термоэлектронной эмиссии 2.Вакуумный диод и триод 3.Электронно – лучевая трубка, кинескоп.» — Транскрипт:

1

Электрический ток в различных средах

2

ВОПРОСЫ: 1.Вакуум. Явление термоэлектронной эмиссии 2.Вакуумный диод и триод 3.Электронно – лучевая трубка, кинескоп

3

Вакуум. Явление термоэлектронной эмиссии Вопрос 1

4

Вакуум. Явление термоэлектронной эмиссии Вакуум – пространство, не содержащее каких – либо частиц (молекул, атомов, элементарных частиц …) Абсолютный вакуум создать невозможно. Почему? Скажите, где существует относительный вакуум Почему электрический ток в вакууме невозможен

5

Вакуум. Явление термоэлектронной эмиссии Чтобы ток в вакууме стал возможен, необходим источник свободных заряженных частиц Таким источником в вакуумных приборах служит разогретый до высокой температуры (1000 – С) катод, из которого вылетают электроны. Это явление получило название термоэлектронной эмиссии Почему при разогреве катода из него начинают вылетать электроны

6

Свойства электронных пучков Падая на тело вызывает нагревание(электронное плавление сверхчистых металлов); В результате торможения быстрых электронов возникает рентгеновское излучение (медицина, техника); Под действие электронных пучков некоторые вещества(люминофоры) способны светиться. Отклоняются электрическим и магнитным полем.

7

Электронные пучки Работа сил поля используется для сообщения электронам кинетической энергии A=W или eU=mV² /2 Cкорость электронов достигает 10 км/с и больше, приближаясь, в специально построенных ускорителях, к скорости света – 10 м/с

8

Вакуумный диод и триод Вопрос 2

9

Вакуумный диод и триод нить накала катод анод + — Е Вакуумный диод 1. Прямое включение Электроны, вылетевшие из разогретого катода, устремляются к аноду, замыкая цепь Вакуумный диод хорошо проводит ток в прямом направлении При увеличении напряжения на аноде происходит насыщение – все электроны достигают анода U(В) I(A)

10

Вакуумный диод и триод нить накала катод анод — Е Вакуумный диод 2. Обратное включение Электроны, вылетевшие из разогретого катода, тормозятся электрическим полем и возвращаются к катоду Вакуумный диод не проводит ток в обратном направлении +

11

Вакуумный диод и триод Вольт – амперная характеристика вакуумного диода (ВАХ) U (В) I (А) Вакуумный диод обладает односторонней проводимостью и применяется для выпрямления переменного тока (кенотрон)

12

Вакуумный диод и триод Вакуумный триод нить накала катод анод + — управляющая сетка График изменения напряжения между катодом и сеткой График изменения анодного тока Вакуумный триод обладает усилительными свойствами

13

Вакуумный диод и триод Различные радиолампы тетрод пентод КК АА УС ЭС АС А — анод К — катод УС – управляющая сетка ЭС – экранирующая сетка АС – защитная (антидинатронная) сетка Существуют радиолампы с большим числом электродов (гептод, октод …), а также совмещенные лампы (триод – пентод, триод – триод и т.д.) Все они обладают усилительными свойствами и, хотя во многих случаях их заменили полупроводниковые элементы (транзисторы, диоды …), радиолампы все еще широко используются, особенно при больших мощностях сигналов

14

Электронно – лучевая трубка Вопрос 3

15

Электронно – лучевая трубка Электронно – лучевая трубка – электровакуумный прибор, в котором используется электронный пучок малого сечения, который может отклоняться в любом направлении, и, попадая на люминесцентный экран, создавать изображение нить накала катод модулятор фокусирую щий анод ускоряющий анод анод (1-30 кВ) горизонтально отклоняющие пластины вертикально отклоняющие пластины люминофор Объясните принцип действия ЭЛТ и назначение каждого электрода

16

Электронно-лучевая трубка

17

Электронно – лучевая трубка Кинескоп телевизора Кинескоп – электронно – вакуумная трубка, предназначенная для создания телевизионного изображения Отличие кинескопа от осциллографической ЭЛТ в способе отклонения электронного луча Отклонение луча происходит магнитным полем, создаваемым строчными и кадровыми катушками отклоняющей системы, находящейся на горловине кинескопа строчные импульсы кадровые импульсы

18

Электронно – лучевая трубка Электронные осциллографы широко применяется для исследования электрических сигналов, измерений, настройки радиотехнических устройств О применении кинескопов расскажите сами

Где берутся свободные носители зарядов в вакууме? Вакуумный диод

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. 7.6), то часть свободных электронов в металле будут иметь достаточную энергию, чтобы выйти из металла (выполнить работу выхода).

Явление излучения электронов нака­ленными телами называется термоэлектрон­ной эмиссией.

Однако кинетическую энергию свобод­ных электронов в веществе можно увели­чить и с помощью света.

Излучение элект­ронов веществом под действием света назы­вается фотоэлектронной эмиссией, или внеш­ним фотоэффектом.

Рис. 7.6. Излучение электронов раска­ленным проводником

Природу и закономернос­ти внешнего фотоэффекта объяснил Альберт Эйнштейн, за что и получил Нобелевскую премию по физике 1921 г.

Рассмотрим подробнее явления, происхо­дящие в сосуде (баллоне), где имеется про­водник, который может быть накален с помощью электрического тока (рис. 7.6). В баллоне создан вакуум.

Поскольку при нагревании проводника из него излучаются электроны, то может возникнуть мысль, что электроны с тече­нием времени могут заполнить весь баллон. Тем не менее это не так. Будем называть этот проводник в баллоне катодом. Элект­роны, которые оставили накаленный катод, образуют вокруг него облачко. Это вызвано тем, что катод, утратив часть свободных электронов, заряжается положительно. Поло­жительно заряженный катод и удерживает возле себя облачко электронов.

Рис. 7.7. Если в баллон ввести поло­жительно заряженный анод, то в пепи появится электрический ток

Катод (гр.— опускание, движе­ние книзу): 1) Электрод прибора или ус­тройства, который соединяют с отрицательным полюсом ис­точника тока. 2) Отрицательный полюс источ­ника тока (гальванического эле­мента и т. п.). 3) Источник электронов в элект­ронно-вакуумных приборах. Материал с сайта https://worldofschool.ru

Рис. 7.8. Внутреннее строение вакуум­ного диода

Если теперь в баллон ввести еще один электрод (анод) и создать электрическое поле между анодом и катодом (рис. 7.7), то в баллоне возникнет электрический ток. В этом случае ток возможен, поскольку по­ложительно заряженный анод притягивает отрицательно заряженные электроны. Если же анод будет иметь отрицательный заряд, то электроны от него будут отталкиваться. Однако при небольших напряжениях наи­более быстрые электроны все же могут до­лететь до анода, и в цепи может наблюдать­ся небольшой ток. При увеличении напря­жения (если анод заряжен отрицательно) ток в цепи совсем прекратится.

Анод (гр.— путь вверх, восхож­дение): 1) Электрод электро- и радио­технических приборов, электро­литических ванн и других ус­тройств, соединяющихся с по­ложительным полюсом источ­ника электрического тока. 2) Положительный полюс источ­ника электрического тока.

Рассмотренный прибор называется ваку­умным диодом, строение одного из которых показано на рис. 7.8. Практически диод про­водит ток лишь в одном направлении — когда анод заряжен положительно. Поэтому его используют в основном для выпрям­ления переменных токов. Однако в наше время вакуумные диоды в выпрямителях повсеместно вытеснены полупроводниковы­ми диодами — более надежными, экономич­ными, долговечными.

На этой странице материал по темам:

Вопросы по этому материалу:

Конспект лекции по физике на тему «Электрический ток в газах и в вакууме»

Электрический ток в газах и вакууме

При обычных условиях газы плохие проводники тока. Для повышения проводимости можно газ либо нагреть, либо облучать разного рода лучами: ультрафиолетовыми, рентгеновскими и т.д.

Ток в газах — это направленное движение ионов и свободных электронов, при этом ток в газах называют РАЗРЯДОМ.

Газ, в котором большая часть атомов или молекул, ионизирована, называется ПЛАЗМОЙ.

Различают разряды: ТИХИЙ, ИСКРОВОЙ, ДУГОВОЙ.

Тихий разряд бывает трех видов: НЕСВЕТЯЩИЙСЯ, КИСТЕВОЙ и КОРОННЫЙ.

Некоторые применения коронного разряда в газах:

  • Коронный разряд применяется для очистки газов от пыли и сопутствующих загрязнений (электростатический фильтр), для диагностики состояния конструкций (позволяет обнаруживать трещины в изделиях).
  • Коронный разряд применяется в копировальных аппаратах (ксероксах) и лазерных принтерах для заряда светочувствительного барабана, переноса порошка с барабана на бумагу и для снятия остаточного заряда с барабана.
  • Коронный разряд применяется для определения давления внутри лампы накаливания. Величина разряда зависит от острия и давления газа вокруг него. Острие у всех ламп одного типа — это нить накала. Значит, коронный разряд будет зависеть только от давления. А значит, о давлении газа в лампе можно судить по величине коронного разряда.

Искровой разряд наблюдается в виде искры на электродах.

Дуговой разряд наблюдается между двумя электродами, когда расстояние между ними мало, а пространство заполнено раскаленными газами и парами веществ, из которых состоят электроды. Впервые дугу открыл в 1802 г В.В. Петров, с тех пор дуга называется дугой Петрова.

В вакууме нет носителей электрических зарядов, поэтому при нормальных условиях ток в вакууме не протекает. Но американский ученый Томас Эдисон обнаружил, что если один из электродов в стеклянной колбе нагреть, то возникает ток. При этом было обнаружено, что нагретый катод испускает со своей поверхности электроны. Это явление получило название — ТЕРМОЭЛЕКТРОННОЙ ЭМИССИИ.

Простейший электровакуумный прибор —ДИОД.

Диод состоит из стеклянного баллона, в котором находятся катод и анод. Анод изготовлен из металлической пластины, а катод из тонкой проволоки, свернутой в спираль, которую принято называть НИТЬЮ НАКАЛА лампы.

ОСНОВНОЕ СВОЙСТВО ДИОДА — односторонняя проводимость, т.е. только при правильном подключении ток будет проходить.

ТРИОД — электровакуумный прибор, который состоит из стеклянного баллона, в котором находятся три электрода: анод, катод и сетка. При помощи сетки, подавая тот или иной потенциал на нее, можно регулировать поток электронов.

Действительно, если на сетку подать положительный потенциал относительно катода, то большая часть электронов пройдет к аноду. Если же на сетку подать отрицательный относительно катода потенциал, то электрическое поле между сеткой и катодом будет препятствовать прохождению электронов. Т.о. изменяя напряжение между сеткой и катодом можно регулировать силу тока в цепи анода.

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)

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

— 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.

Закон Ричардсона

В каждом металле есть один или два свободных электрона, которые могут переходить от одного атома к другому. Иногда это называют «  морем электронов  ». Их энергия следует статистическому распределению вместо того, чтобы быть однородной, и при определенных условиях электрон может иметь достаточно энергии, чтобы покинуть металл, не возвращаясь к нему. Минимальная энергия, необходимая электрону, чтобы покинуть поверхность, называется выработкой и варьируется от металла к металлу. В электронных лампах тонкий слой оксида часто наносится на поверхность металла для достижения более низкой выходной мощности, что облегчает уход электронов с поверхности.

Уравнение Ричардсона утверждает, что плотность излучаемого тока J (А / м 2 ) зависит от температуры T по уравнению:

Jзнак равноВграммТ2е-WkТ{\ displaystyle J = A_ {G} T ^ {2} e ^ {- W \ over kT}}

Там , где Т представляет собой температуру металла в градусах Кельвина , Вт является работа металла в электрон-вольт , к является постоянная Больцмана , а G является постоянной Ричардсона . Экспонента в уравнении показывает, что излучаемый ток сильно увеличивается с температурой и имеет тенденцию становиться пропорциональным квадрату последнего при высоких температурах. В уравнения термоэлектронной эмиссии играют важную роль в проектировании полупроводников .

С 1911 по 1930 год, когда физическое понимание поведения электронов в металлах расширилось, Ричардсон, Душман, Фаулер, Зоммерфельд и Нордхейм предложили для A G несколько теоретических выражений . В начале XXI — го  века, точная форма этого выражения до сих пор обсуждается академическими специалистами, но есть договоренность , что G будет записана в виде:

Вграммзнак равноλрВ{\ Displaystyle A _ {\ mathrm {G}} = \; \ lambda _ {\ mathrm {R}} A_ {0}}

где λ R — поправочный коэффициент, связанный с материалом (со значением, близким к 0,5), а A — универсальная постоянная, определяемая формулой

Взнак равно4πмk2ечас3знак равно1.20173×106Вм-2K-2{\ displaystyle A_ {0} = {4 \ pi mk ^ {2} e \ over h ^ {3}} = 1.20173 \ times 10 ^ {6} \, \ mathrm {A \, m ^ {- 2} \ , K ^ {- 2}}}

где m и e представляют собой массу и заряд электрона , а h — постоянная Планка .

Около 1930, была достигнута договоренность , что, из — за волновой природы электрона, в г ав части исходящих электронов отражаются , когда они достигают поверхности эмиттера, снижая плотность тока эмиссии:. Λ R будет иметь значение (1- г ау ). Поэтому уравнение термоэлектронной эмиссии записывается следующим образом:

Jзнак равно(1-рвv)ВТ2е-WkТ{\ displaystyle J = (1-r _ {\ mathrm {av}}) A_ {0} T ^ {2} \ mathrm {e} ^ {- W \ over kT}}.

Однако более поздняя теоретическая работа Модиноса предполагает, что валентная зона излучающего материала также должна быть принята во внимание. Это вводит второй поправочный коэффициент λ B для λ R , который дает

Вграммзнак равноλB(1-рвv)В{\ displaystyle A _ {\ mathrm {G}} = \ lambda _ {\ mathrm {B}} (1-r _ {\ mathrm {av}}) A_ {0}}

Экспериментальные значения коэффициента A G обычно того же порядка величины, что и A , но заметно различаются между излучающими материалами, а также в зависимости от кристаллографической поверхности одного и того же материала. Качественно эти экспериментальные различия объясняются различными значениями Л R .

В литературе по этому поводу существует значительная путаница: (1) в нескольких работах не различают A G от A , используя только A (или иногда термин «постоянная Ричардсона»); (2) уравнения, которые могут или не могут использовать поправочный коэффициент ( λ R ), получают одно и то же имя; и (3) этим уравнениям даны разные названия, включая «уравнение Ричардсона», «уравнение Душмана», «уравнение Ричардсона-Душмана» и «уравнение Ричардсона-Лауэ-Душмана».

ФИЗИКА

§ 3.11. Электрический ток в вакууме

До открытия уникальных свойств полупроводников в радиотехнике использовались исключительно электронные лампы. В этих лампах, а также в электронно-лучевых трубках, широко используемых и сейчас, электроны движутся в вакууме. Как же получают потоки электронов в вакууме? Какими свойствами они обладают?

Когда говорят об электрическом токе в вакууме, то имеют в виду такую степень разрежения газа, при которой можно пренебречь соударениями между его молекулами. В этом случае средняя длина свободного пробега молекул больше размеров сосуда.

Такой разреженный газ является изолятором, так как в нем нет (или почти нет) свободных заряженных частиц — носителей электрического тока.

На рисунке 3.27 изображена схема цепи, содержащей сосуд, из которого откачан воздух. В этот сосуд впаяны два электрода, один из которых (анод (А) соединен с положительным полюсом источника тока (батарея G1), другой (катод К) — с отрицательным. Несмотря на достаточно большое напряжение, которое обеспечивает источник тока (около 100 В), включенный в цепь чувствительный гальванометр не фиксирует тока; это указывает на отсутствие в вакууме свободных носителей заряда.

Рис. 3.27

Электронная эмиссия

Электрический ток в вакууме будет существовать, если ввести в сосуд свободные носители заряда. Как это осуществить?

Наиболее просто проводимость межэлектродного промежутка в вакууме можно обеспечить с помощью электронной эмиссии с поверхности электродов. Электронная эмиссия возникает в случаях, когда часть электронов металла (электрода) приобретает в результате внешних воздействий энергию, достаточную для преодоления их связи с металлом (для совершения работы выхода Авых).

В § 3.8 мы уже познакомились с двумя видами электронной эмиссии: ионно-электронной эмиссией (при бомбардировке катода положительными ионами) и термоэлектронной эмиссией (испускание электронов с поверхности достаточно нагретого металла). Электроны испускаются также при воздействии на поверхность металла электромагнитным излучением. Такое явление называется фотоэлектронной эмиссией. И наконец, с поверхности металла испускаются электроны при бомбардировке ее быстрыми электронами. Это вторичная электронная эмиссия.

Все виды эмиссии широко используются для получения электрического тока в вакууме. Однако в большинстве современных электронных вакуумных приборов используется термоэлектронная эмиссия.

Получение электрического тока в вакууме

Посмотрим, как, используя термоэлектронную эмиссию, можно получить ток в вакууме. Для этой цели внесем изменения в цепь, схема которой изображена на рисунке 3.27. В качестве катода в вакуумном баллоне теперь впаяна вольфрамовая нить, концы которой выведены наружу и присоединены к источнику тока — батарее накала G2 (рис. 3.28). Замкнем ключ S2 и, когда вольфрамовая нить накалится, замкнем и ключ S1. Стрелка прибора при этом отклонится, в цепи появился ток. Значит, накаленная нить обеспечивает появление необходимых для существования тока носителей заряда — заряженных частиц.

Рис. 3.28

С помощью опыта нетрудно убедиться, что эти частицы заряжены отрицательно.

Изменим полярность анодной батареи G1 — нить станет анодом, а холодный электрод — катодом (рис. 3.29). И хотя нить по-прежнему накалена и по-прежнему посылает в вакуум заряженные частицы, тока в цепи нет.

Рис. 3.29

Из этого опыта следует, что частицы, испускаемые накаленной нитью, заряжены отрицательно — отталкиваются от холодного катода и притягиваются к аноду. Измерением заряда и массы было доказано, что катод испускает электроны.

Итак, электрический ток в вакууме представляет собой направленный поток электронов.

В отличие от тока в металлическом проводнике (где проводимость тоже электронная), в вакууме электроны движутся между электродами, ни с чем не сталкиваясь. Поэтому под действием электрического поля электроны непрерывно ускоряются. Скорость электронов у анода даже в маломощных электровакуумных приборах достигает нескольких тысяч километров в секунду, что в десятки миллиардов раз превышает среднюю скорость направленного движения электронов в металле.

Для создания тока в вакууме необходим специальный источник заряженных частиц. Действие такого источника обычно основано на термоэлектронной эмиссии.

Названия эффекта термоэлектронной эмиссии

Термин «термоэлектронная эмиссия» имеет и другие названия. По именам ученых, которые открыли и впервые исследовали это явление, он определяется как эффект Ричардсона или эффект Эдисона. Таким образом, если человеку в тексте книги встретятся эти два словосочетания, он должен помнить, что подразумевается все тот же физический термин. Путаницу внесло разногласие между публикациями отечественных и зарубежных авторов. Советские физики стремились давать законам поясняющие определения.

Термин «термоэлектронная эмиссия» содержит в себе суть явления. Человеку, который видит это словосочетание на странице, сразу понятно, что речь идет о температурном испускании электронов, только остается за кадром, что происходит это непременно в металлах. Но для того и существуют определения, чтобы раскрывать детали. В зарубежной науке очень щепетильно относятся к первенству и авторскому праву. Поэтому ученый, который смог зафиксировать нечто, получает именное явление, а бедные студенты должны фактически наизусть заучивать фамилии первооткрывателей, а не только суть эффекта.

Электрический ток в газах

Газы в естественном состоянии не проводят электричества (являются диэлектриками), так как состоят из электрически нейтральных атомов и молекул. Проводником может стать ионизированный газ, содержащий электроны, положительные и отрицательные ионы.

Ионизация может возникать под действием высоких температур, различных излучений (ультрафиолетового, рентгеновского, радиоактивного), космических лучей, столкновения частиц между собой.

Ионизированное состояние газа получило название плазмы. В масштабах Вселенной плазма — наиболее распространенное агрегатное состояние вещества. Из нее состоят Солнце, звезды, верхние слои атмосферы.

Прохождение электрического тока через газ называется газовым разрядом.

В «рекламной» неоновой трубке протекает тлеющий разряд. Светящийся газ представляет собой «живую плазму».Между электродами сварочного аппарата возникает дуговой разряд. Дуговой разряд горит в ртутных лампах — очень ярких источниках света.Искровой разряд наблюдаем в молниях. Здесь напряженность электрического поля достигает пробивного значения. Сила тока около 10 МА!Для коронного разряда характерно свечение газа, образуя «корону», окружающую электрод. Коронный разряд — основной источник потерь энергии высоковольтных линий электропередачи.

Рейтинг
( Пока оценок нет )
Editor
Editor/ автор статьи

Давно интересуюсь темой. Мне нравится писать о том, в чём разбираюсь.

Понравилась статья? Поделиться с друзьями:
Идеи обучения
Добавить комментарий

;-) :| :x :twisted: :smile: :shock: :sad: :roll: :razz: :oops: :o :mrgreen: :lol: :idea: :grin: :evil: :cry: :cool: :arrow: :???: :?: :!:

Adblock
detector