Електричний струм у вакуумі.

Мета.

Навчальна. Ознайомити з механізмом провідності у вакуумі та принципом роботи електровакуумних приладів.

Розвиваюча. Розвивати логічне та алгоритмічне мислення.

Виховна. Виховувати культуру наукового мислення та мовлення.

Тип уроку. Урок засвоєння нових знань.

Дидактичні матеріали:

• Підручник. Фізика 11 кл. Рівень стандарту:/ Бар'яхтар В.Г., Довгий С.О.

План

Хід уроку

1. Організаційний момент. Актуалізація опорних знань.

Перевірка домашнього завдання.

2. Електричний струм у вакуумі.

Термоелектронна емісія. Вакуум (від латин. vacuum — порожнеча) — це стан газу за тиску, який менший від атмосферного.

Розрізняють низький, середній, високий (глибокий) вакууми. Коли кажуть про електричний струм у вакуумі, мають на увазі високий вакуум — стан газу, за якого довжина вільного пробігу молекул газу більша за лінійні розміри ємності, в якій міститься газ.

Щоб у вакуумі існував струм, слід помістити у вакуумі джерело вільних заряджених частинок, наприклад електронів. Найбільша концентрація вільних електронів — у металах. Однак вільні електрони зазвичай не можуть залишити поверхню металу — вони утримуються силами кулонівського притягання з боку позитивних йонів. Для подолання цих сил електрону необхідно мати певну енергію.

Енергію, яку необхідно мати електрону, щоб залишити метал, називають роботою виходу.

Електрон може залишити метал, якщо його кінетична енергія Ek буде більшою за роботу виходу або буде дорівнювати їй:

Роботу виходу електронів вимірюють в електрон­вольтах (1 еВ = 1,6 · 10–19 Дж), визначають експериментально для кожного металу окремо та заносять до таблиць.

Таблиця. Робота виходу електронів з металів.

Процес випромінювання електронів із поверхні металів називають електронною емісією. Залежно від того, як була передана електронам необхідна енергія, розрізняють кілька видів емісій:

• термоелектронна емісія — випромінювання електронів нагрітими тілами;
• фотоелектронна емісія відбувається під дією випромінювання, яке падає на поверхню тіла;
• автоелектронна емісія зумовлена наявністю біля поверхні тіла сильного електричного поля, яке «вириває» електрони з металу;
• вторинна електронна і йонно­електронна емісії — випромінювання електронів із поверхні тіла внаслідок його бомбардування електронами або йонами відповідно;
• вибухова електронна емісія — емісія електронів унаслідок переходу мікроскопічних ділянок катода в плазму (локальний вибух).

Щоб створити електричний струм у вакуумі, найчастіше використовують термоелектронну емісію — процес випромінювання електронів нагрітими тілами.

У нагрітому металі є величезна кількість швидких електронів, які безперервно з нього вилітають. Саме тому біля поверхні металу утворюється хмара вільних електронів — електронна хмара, що має негативний заряд, а сама поверхня металу набуває позитивного заряду. Під впливом електричного поля, створеного електронною хмарою та поверхнею металу, деякі електрони повертаються в метал. У стані рівноваги кількість електронів, що залишили метал, дорівнює кількості електронів, що повернулися в нього. При цьому чим вища температура металу, тим більша густина електронної хмари.

Електричний струм у вакуумі. Ви вже знаєте, що для існування струму необхідно виконання двох умов: наявність вільних заряджених частинок і наявність електричного поля. Для створення цих умов у скляний балон поміщують два електроди (катод і анод) і відкачують із балона повітря. Катод нагрівають, використовуючи нитку розжарення — тонкий дріт із тугоплавкого металу, підключений до джерела струму. У результаті з поверхні катода вилітають електрони. Щоб збільшити емісію електронів, катод покривають шаром оксидів лужноземельних металічних елементів (Барію, Стронцію, Калію тощо), для яких робота виходу електронів є невеликою. На катод подають негативний потенціал, а на анод — позитивний (пряме ввімкнення). Електрони, що вилетіли з катода, потрапляють в електричне поле між катодом і анодом

і починають рухатися напрямлено, створюючи електричний струм.

Електричний струм у вакуумі являє собою напрямлений рух вільних електронів, отриманих у результаті електронної емісії.

Пристрій, що складається зі скляного  балона, з якого відкачано повітря, і розташованих у балоні двох електродів (анода і підігрівного катода), називають вакуумним (ламповим) діодом. Очевидно: якщо подати на катод позитивний потенціал, а на анод — негативний (зворотне ввімкнення), то електрони, що вилітають із катода, будуть відкидатися полем назад, на катод, і струму в колі не буде. Таким чином, вакуумний діод має однобічну провідність.

Свого часу однобічну провідність вакуумного діода активно використовували в радіоелектроніці для перетворення змінного струму на пульсуючий. Якщо між катодом і анодом увімкнути джерело змінного струму, то протягом першого півперіоду діод пропускатиме електричний струм, а протягом другого півперіоду електрони відштовхуватимуться від анода і струму в лампі не буде. Отже, струм у колі буде незмінного напрямку, але пульсуючим. У сучасній електроніці замість лампових (вакуумних) діодів використовують напівпровідникові.

Електронні пучки: їх властивості та застосування. Якщо в аноді лампового діода зробити отвір, то частина електронів, прискорених електричним полем, влетить у цей отвір і створить за анодом електронний пучок — потік електронів, які швидко рухаються.

Властивості електронних пучків:

1) спричиняють нагрівання тіл у разі потрапляння на їх поверхню;

Використовують для плавлення надчистих металів, для зварювання, спаювання та різання металів у вакуумі.

2) викликають появу рентгенівського випромінювання в разі швидкого гальмування;

Використовують у рентгенівських трубках: під час різкого гальмування електронного пучка виникають електромагнітні хвилі частотою понад 2  1017 Гц.

3) викликають світіння деяких речовин і матеріалів (так званих люмінофорів);

4) відхиляються електричним і магнітним полями.

Третю і четверту властивості використовують в електронно­променевих трубках — вакуумних пристроях з керованим електронним пучком і спеціальним екраном, який світиться в місцях потрапляння електронів.

Електроннопроменева трубка тривалий час була основним елементом осцилографа — пристрою для дослідження змінних процесів в електричних колах.

3. Вчимося розв’язувати задачі.

Задача 17.1. У більшості електронно-променевих трубок керування електронним пучком відбувається за допомогою магнітного поля. На рис. електронний пучок відхиляється вліво. Визначте, як спрямовано керувальне магнітне поле, які котушки його створюють і який напрямок струму в цих котушках.

Задача 17.2. В електронно-променевій трубці потік електронів проходить прискорювальну різницю потенціалів 10 кВ. Якої середньої швидкості набувають електрони? Вважайте, що початкова швидкість руху електронів дорівнює нулю.

4. Запитання до уроку.

Запитання 17.1. Що являє собою електричний струм у вакуумі?

Запитання 17.2. У чому полягає явище електронної емісії?

Запитання 17.3. За якої умови електрон може залишити поверхню провідника?

Запитання 17.4. Опишіть процес утворення електронної хмари.

Запитання 17.5. Чому вакуумний діод має однобічну провідність?

Запитання 17.6. Де застосовують вакуумні діоди?

Запитання 17.7. Назвіть основні властивості електронних пучків. Де їх застосовують?

Запитання 17.8. Назвіть основні частини електронно-променевої трубки. Якими є їхні функції?

5. Домашнє завдання.

Підручник.  §8.

Задача 17.3. Яку найменшу швидкість повинен мати електрон, щоб вилетіти з поверхні катоду, покритого барій оксидом? Авих=1 еВ.

Задача 17.4. Установіть відповідність між потенціалом керувальних пластин електронно-променевої трубки та напрямком відхилення світної точки на її екрані.

Усне опитування по запитаннях до уроку.

6. Перевір себе.

7. Для допитливих.