mozok.click » Фізика » Струм у вакуумі та його застосування
Інформація про новину
  • Переглядів: 268
  • Автор: admin
  • Дата: 12-02-2018, 19:16
12-02-2018, 19:16

Струм у вакуумі та його застосування

Категорія: Фізика

Електричний струм у вакуумі. Найважливішими приладами в електротехніці першої половини XX ст. були прилади (мал. 68), в яких використовувався електричний струм у вакуумі (електронні лампи (вакуумні діоди та тріоди), електронно-променеві трубки та ін.).

На сьогодні на зміну електронним лампам прийшли напівпровідникові прилади, електронно-променевим трубкам - рідкокристалічні екрани, проте вивчення закономірностей електричного струму у вакуумі залишається важливим, оскільки він і сьогодні використовується, наприклад, при вакуумному плавленні та зварюванні, у вакуумних фотоелементах.

Як ми знаємо, щоб існував електричний струм необхідні вільні носії електричного заряду. Що ж є носієм заряду у вакуумі? Як відомо, вакуум (від лат. vacuum - пустота) - стан газу за тиску, меншого від атмосферного. Вакуум можна створити, відкачуючи газ (повітря) з посудини до тих пір, поки довжина вільного пробігу молекул (відстань, яку пролітає молекула між зіткненнями) не буде дорівнювати розмірам посудини. Таким чином, вакуум є ізолятором, оскільки не має вільних носіїв заряду.

Для створення електричного струму розмістимо у вакуумованій посудині дві металеві пластини (електроди), їх називають К - катод та А - анод. Один з цих електродів може стати джерелом вільних електронів, якщо його внутрішнім електронам надати додаткової енергії, достатньої для виконання роботи виходу з металу.



Пригадаємо, таку енергію електрони провідності можуть дістати при освітленні металу (зовнішній фотоефект), нагріванні (термоелектронна емісія), під дією сильного електричного поля (автоелектронна емісія), при бомбардуванні поверхні металу потоком електронів у вакуумі (вторинна електронна емісія) тощо.

Проте електрони, вирвавшись за межі електрода, далеко від його поверхні піти не можуть, оскільки, втрачаючи електрони, електрод сам при цьому заряджається позитивно і притягує їх назад. Між «електронною хмаринкою* над металом та «електронним газом* у металі встановлюється динамічна рівновага. Якщо ж тепер катод з’єднати з негативним полюсом джерела струму, а анод -з позитивним, то електрони будуть рухатись від катода до анода й у посудині виникне електричний струм.

Розглянемо детальніше струм у вакуумі, створений завдяки термоелектронній емісії (на прикладі вакуумного діода).

Перший вакуумний діод (електронна лампа) було сконструйовано у 1904 р. англійським ученим Флеміном (мал. 68, а). На мал. 69 наведено схему будови вакуумного діода та його умовне позначення на радіосхемах.

Усередині балона зі скла або металокераміки, з якого відкачаноповітря, розміщено два циліндричніелектроди: металевий анод (А) і металевий катод (Я). Катод покривається шаром оксидів лужноземельних металів з низькою роботою виходу електронів і нагрівається тепловим випромінюванням до температури, за якої виникає термоелектронна емісія розжареної змінним струмом спіралі (С), розміщеної в його середині. Навколо нагрітого катода утворюється електронна хмара - хмара просторового заряду.

Якщо підключити катод до позитивного полюса батареї, а анод - до негативного, то поле усередині діода зміщуватиме електрони до катода, і струму

не буде. Якщо ж навпаки - анод підключити до позитивного полюса, а катод до негативного - то електричне поле переміщуватиме електрони у напрямку від катода до анода (анодний струм). Таку залежність наявності струму від полярності, прикладеної до діода напруги, називають односторонньою провідністю.

Властивість односторонньої провідності використовують у випрямлячах змінного струму (коли треба перейти від змінного струму до постійного). У наш час у випрямлячах використовуються напівпровідникові діоди.

Властивості вакуумного діода, як і будь-якого приладу, відображає його вольт-амперна характеристика - залежність величини анодного струму /а через діод від прикладеної напруги U між катодом і анодом.

Вольт-амперну характеристику вакуумного діода наведено на мал. 70. Основною причиною нелінійності вольт-амперної характеристики вакуумного діода є те, що катод випускає вільні електрони в обмеженій кількості. До того ж, на рух електронів, крім поля між анодом і катодом, істотно впливає поле просторового заряду електронної хмари. Чим вища напруга між анодом і катодом, тим менший просторовий заряд електронної хмари і тим більша кількість електронів досягає анода - тим більша сила струму в колі. Якщо за деякої напруги всі електрони, що покинули катод, досягають анода, то з подальшим збільшенням напруги сила струму вже не змінюється. Струм досягає насичення.

Якщо підвищити температуру катода, то більша кількість електронів буде залишати катод. Електронна хмара навколо нього стане щільнішою. Струм насичення буде досягнутий за більшої напруги між анодом і катодом, а сила струму насичення зросте.

Електронні пучки та їх властивості. Рухаючись між катодом і анодом, електрони прискорюються електричним полем і набувають величезної швидкості. Робота сил поля витрачається на надання електронам кінетичної енергії,

де т - маса, е - заряд, v - швидкість руху електрона, U - прискорююча напруга (напруга між електродами). Швидкість, яку може набувати електрон, рухаючись у вакуумі, досягає 10ь км/с і більше, наближаючись у спеціально побудованих прискорювачах до швидкості світла (З’Ю8 м/с).

Якщо в аноді зробити отвір, то частина електронів, прискорених електричним полем, пролетить в отвір, утворюючи за анодом так званий елек тронний пучок. Кількістю електронів у пучку можна керувати, змінюючи потенціал додаткового електрода, встановленого між катодом і анодом. Взаємодіючи з речовиною, електронні пучки спричиняють різні ефекти, які використовуються на практиці.


Наприклад:

Електронний пучок, потрапляючи на тіла, спричинює їх нагрівання. Ця властивість використовується, зокрема, для електронного плавлення надчистих металів у вакуумі.

Внаслідок гальмування швидких електронів, що наштовхнулися на речовину, виникає рентгенівське проміння, яке широко застосовується у медицині та техніці.

Під дією електронних пучків деякі речовини (люмінофори) здатні світитися.

Електронні пучки відхиляються електричним та магнітним полями. Еілектронно-променева трубка. Властивості електронних пучків поширюватися прямолінійно, відхилятися в електричному або магнітному полі і викликати світіння люмінофорів використовують в електронно-променевих трубках(мз.л. 71). У вузькій частині трубки розміщено електронну гармату, що складається із катода і анода (частіше анодів декілька, розміщених один за одним). Між першим анодом і катодом створюється різниця потенціалів близько сотні вольт. Цей анод призначений для фокусування електронного пучка. На другий анод подається висока напруга (близько 1000 В) для прискорення електронів. Між анодом і екраном трубки, покритим шаром люмінофору, розміщено дві пари керувальних пластин, на які подається напруга, що відхиляє електронний промінь праворуч-ліворуч і вверх-вниз. Оскільки маса електронів пучка мала, вони майже безінерційно реагують на зміну напруги на керувальних пластинах. Тому електронно-променеві трубки широко використовують для вивчення швидкоплинних процесів. Вони є складовою частиною осцилографів, телевізорів, моніторів комп’ютерів та інших пристроїв. Електронним пучком у кінескопі телевізора керують також за допомогою магнітного поля котушок, надітих на трубку.

Однак випромінювання, яке поширюється в просторі навколо електронно-променевих трубок, шкідливе і тому їх поступово замінюють на екрани з рідких кристалів.

Дайте відповіді на запитання

1. Що називають вакуумом?

2. Що таке термоелектронна емісія?

3. Поясніть будову вакуумного діода. Які функції може виконувати діод?

4. Які закономірності вольт-амперної характеристики вакуумного діода?

5. Які властивості електронних променів (пучків)?

6. Що буде відбуватись з катодом електронної лампи, якщо в її балоні буде міститись незначна кількість повітря?

Приклади розв’язування задач

Задача. Пучок електронів з енергією1 W = 3000 еВ рухається у вакуумі паралельно пластинам незарядженого конденсатора. Визначити вертикальне зміщення цього пучка на виході з конденсатора, якщо на конденсатор подати напругу U = 600 В. Довжина пластин конденсатора L = 6 см, а відстань між ними d = 3 см.


Розв’язання

На мал. 72 зображено траєкторію руху електрона у зарядженому конденсаторі.

Розв’яжемо задачу координатним методом. По осі X електрон рухається за інерцією з постійною швидкістю о0 = const. Швидкість руху електронів за

інерцією визначається їх енергією

Рівняння руху електрона вздовж осі X має вигляд

Що стосується руху вздовж осі У, то потрібно врахувати, що на електрон діє сила F = еЕ . Під дією цієї сили електрон набуває прискорення

Коор

дината рухомого електрона

За умовою задачі х = L, коли у = h, тоді маємо два рівняння:

З першого рівняння визначаємо t2 і підставляємо в друге рівняння. Врахуємо та

кож, що модуль напруженості

В результаті зміщення електрона на вихо

ді з конденсатора буде дорівнювати

Підставляючи числові значення, ма

тимемо

Відповідь: 6 мм.

Вправа 11

1. З нитки катода діаметром 0,16 мм і довжиною 5 см випромінюється за одиницю часу 1,5- 10і' електронів з квадратного сантиметра поверхні. Вважаючи, що до анода долітає кожен п’ятий електрон, визначити спад напруги на опорі 5 кОм, який включений в анодне коло лампи.

1 Досить часто для малих значень енергії використовують одиницю електрон-вольт: 1 еВ= 1,6-10 19 Дж.

2. У діоді електрон підлітає до анода, маючи швидкість 8 Мм/с. Визначити анодну напругу.

3. У телевізійному кінескопі прискорююча анодна напруга дорівнює 16 кВ, а відстань від анода до екрана - ЗО см. За який час електрони проходять цю відстань?

4. Відстань між катодом та анодом діода дорівнює 1 мм. Скільки часу рухається електрон від катода до анода, якщо анодна напруга становить 40 В? Вважати, що рух рівноприскорений.






^