Меню

Электрический ток в вакууме краткий конспект 10 класс

Физика. 10 класс

Конспект урока

Физика, 10 класс

Урок 35. Электрический ток в вакууме и газах

Перечень вопросов, рассматриваемых на уроке:

1) особенности протекания электрического тока в вакууме и газах;

2) газовый разряд;

3) рекомбинация, ионизация;

4) самостоятельный разряд и несамостоятельный разряды;

6) зависимость силы тока от напряжения;

7) зависимость силы тока от внешних условий.

Глоссарий по теме:

Термоэлектронная эмиссия – явление испускания электронов нагретыми металлами.

Катодные лучи – это испускаемые катодом потоки электронов, движущиеся в вакууме.

Электрический ток газах или газовый разряд – это процесс прохождения электрического тока через газ.

Ионизация – это распад атомов и молекул на ионы.

Рекомбинация – это образование из ионов нейтральных атомов и молекул.

Самостоятельный разряд – это разряд, происходящий в газе без внешнего ионизатора.

Несамостоятельный разряд – это разряд, происходящий в газе только под влиянием внешнего ионизатора.

Плазма – это частично или полностью ионизированный газ.

Основная и дополнительная литература по теме урока:

Г.Я. Мякишев., Б.Б.Буховцев., Н.Н.Сотский. Физика.10 класс. Учебник для общеобразовательных организаций М.: Просвещение, 2017. – С. 372-375, 380-385.

Рымкевич А.П. Сборник задач по физике. 10-11 класс М.: Дрофа,2009.

Фортов В. Е., Храпак А. Г., Якубов И. Т. Физика неидеальной плазмы. Издательство: Физматлит, 2010 г.

Теоретический материал для самостоятельного изучения

Вакуум является идеальным диэлектриком. Чтобы в вакууме мог проходить электрический ток, в нем необходимо предварительно «создать» некоторую концентрацию свободных носителей заряда, это осуществляется с помощью явления термоэлектронной эмиссии. Термоэлектронная эмиссия – явление испускания веществом электронов при нагревании. Вакуумные приборы, работа которых основана на явлении термоэлектронной эмиссии, называются электронными лампами (вакуумный диод, электронно-лучевая трубка).

Электрический ток в газах, другими словами газовый разряд, — это совокупность электрических, оптических и тепловых явлений, возникающих при протекании электрического тока через вещество, находящееся в газообразном состоянии. Когда газ находится в своем обычном состоянии, он является диэлектриком. Чтобы протекание тока стало возможным, необходимо создать подходящие для этого условия, т. е. ионизировать газ. Ионизация происходит в результате воздействия:

1) космических лучей;

2) рентгеновского излучения;

3) ультрафиолетового излучения;

4) высокой температуры;

5) электрического поля.

Все газовые разряды делятся на 2 вида:

К самостоятельным относятся: искровой, дуговой, тлеющий и коронный разряды.

Электронно-лучевые трубки находят широкое применение в осциллографах, дисплеях компьютеров, радиолокаторах, медицинской аппаратуре.

Плазма – это частично или полностью ионизированный газ. В целом плазма является электрически нейтральной системой.

Частицы плазмы легко перемещаются под воздействием электрических и магнитных полей. Поэтому любое нарушение электрической нейтральности отдельных областей плазмы быстро ликвидируется, и нейтральность плазмы восстанавливается. Проводимость плазмы увеличивается по мере роста степени её ионизации.

При высоких температурах проводимость полностью ионизированной плазмы приближается к сверхпроводимости.

Примеры и разбор решения заданий:

  1. Выберите правильный ответ.

Электронная пушка создаёт пучок электронов в стеклянной вакуумной камере. Все электроны, покинувшие катод пушки, ударяются в экран электронно-лучевой трубки. Если увеличить ускоряющее напряжение в пушке в 2 раза, то сила тока, идущего в вакууме через трубку.

  1. 1 не изменится;
  2. возрастёт примерно в раза;
  3. возрастёт примерно в 2 раза;
  4. возрастёт примерно в 4 раза.

Правильный вариант: 1) не изменится;

Подсказка: вспомните определение тока насыщения в вакууме.

  1. Решите задачу: «Скорость электрона при выходе с поверхности катода, покрытого оксидом бария, уменьшилась в 2 раза. Работа выхода электрона из оксида бария равна 1,6·10 -19 Дж. Найдите скорость электрона до выхода из катода и после выхода из катода».

Источник

Тема лекции «электрический ток в вакууме».

Нажмите, чтобы узнать подробности

Лекция содержит в себе краткое описание материала по теме электрический ток в вакууме. определение, что такое вакуум, вакуумный диод, электронно лучевая трубка.

Просмотр содержимого документа
«Тема лекции «электрический ток в вакууме».»

Электрический ток в вакууме

Вакуум — это состояние газа, при котором давление меньше атмосферного. Различают низкий, средний и высокий вакуум.

Для создания высокого вакуума необходимое разрежение, за которого в газе, что остался, средняя длина свободного пробега молекул больше размеров сосуда или расстояния между электродами в сосуде. Следовательно, если в сосуде создан вакуум, то молекулы в нем почти не сталкиваются между собой и пролетают свободно межэлектродный пространство. При этом они испытывают столкновения лишь с электродами или со стенками сосуда.

Чтобы в вакууме существовал ток, необходимо поместить в вакуум источник свободных электронов. Наибольшая концентрация свободных электронов в металлах. Но при комнатной температуре они не могут покинуть металл, потому что их в нем удерживают силы кулоновского притяжения положительных ионов. Для преодоления этих сил электрону, чтобы покинуть поверхность металла, необходимо затратить определенную энергию, которую называют работой выхода.

Читайте также:  Классификация вольтметры постоянного тока

Если кинетическая энергия электрона превысит или будет равна работе выхода, то он покинет поверхность металла и станет свободным.

Процесс испускания электронов с поверхности металла называют эмиссией. В зависимости от того, как была передана электронам необходима энергия, различают несколько видов эмиссии. Один из них — термоелектронна эмиссия.

Ø Испускание электронов нагретыми телами называют термоелектронною эмиссией.

Явление термоэлектронной эмиссии приводит к тому, что нагретый металлический электрод непрерывно испускает электроны. Электроны образуют вокруг электрода электронное облако. Электрод при этом заряжается положительно, и под воздействием электрического поля заряженного облака электроны из облака частично возвращаются на электрод.

В равновесном состоянии число электронов, покинувших электрод за секунду, равно числу электронов, которые вернулись на электрод за это время.

2. Электрический ток в вакууме

Для существования тока необходимо выполнение двух условий: наличие свободных заряженных частиц и электрического поля. Для создания этих условий в баллон помещают два электрода (катод и анод) и выкачивают из баллона воздуха. В результате нагрева катода из него вылетают электроны. На катод подают отрицательный потенциал, а на анод — положительный.

Электрический ток в вакууме представляет собой направленный движение электронов, полученных в результате термоэлектронной эмиссии.

3. Вакуумный диод

Современный вакуумный диод состоит из стеклянного или металлокерамического баллона, из которого откачан воздух до давления 10-7 мм рт. ст. В баллон впаяны два электрода, один из которых — катод — имеет вид вертикального металлического цилиндра, изготовленного из вольфрама и покрытого обычно слоем оксидов щелочноземельных металлов.

Внутри катода расположен изолированный проводник, что его нагревает переменный ток. Нагретый катод испускает электроны, достигающие анода. Анод лампы представляет собой круглый или овальный цилиндр, имеющий общую ось с катодом.

Односторонняя проводимость вакуумного диода обусловлена тем, что вследствие нагревания электроны вылетают из горячего катода и движутся до холодного анода. Электроны могут двигаться через диод только от катода к аноду (то есть электрический ток может протекать только в обратном направлении: от анода к катоду).

На рисунке воспроизведен вольт-амперную характеристику вакуумного диода (отрицательное значение напряжения соответствует случаю, когда потенциал катода выше потенциала анода, то есть электрическое поле «пытается» вернуть электроны обратно на катод).

Вакуумные диоды используют для выпрямления переменного тока. Если поместить между катодом и анодом еще один электрод (сетку), то даже незначительное изменение напряжения между сеткой и катодом существенно влиять на анодный ток. Такая электронная лампа (триод) позволяет усиливать слабые электрические сигналы. Поэтому некоторое время эти лампы были основными элементами электронных устройств.

4. Электронно-лучевая трубка

Электрический ток в вакууме применяли в электронно-лучевой трубке (ЭЛТ), без которой долгое время нельзя было представить телевизор или осциллограф.

На рисунке упрощенно показана конструкция ЭЛТ.

Электронная «пушка» в горловине трубки — катод, который испускает интенсивный пучок электронов. Специальная система цилиндров с отверстиями (1) фокусирует этот пучок, делает его узким. Когда электроны попадают на экран (4), он начинает светиться. Управлять потоком электронов можно с помощью вертикальных (2) или горизонтальных (3) пластин.

Электронам в вакууме можно передать значительную энергию. Электронные пучки можно применять даже для плавки металлов в вакууме.

Источник

Электрический ток в вакууме

Американский изобретатель Эдисон в 1879 г., экспериментируя с лампой накаливания добавил в нее металлический электрод(анод) и обнаружил, что при нагревании нити накала(катод) до высокой температуры в вакууме образуется электрический ток. Но электрический ток существует, если анод подключен к положительному полюсу источника тока.

опыт эдисона

Проблема : как объяснить природу тока в вакууме и почему электрический ток в анодной цепи появляется, если на анод подан положительный потенциал.

Вакуум – это такая степень разряжения газа, при которой вероятность столкновения молекул очень мала.

Вакуум не пропускает электрический ток, т.к. нет носителя заряда.

Источником заряженных частиц в вакууме может являться нагретая до высокой температуры металлическая спираль (электрод). При этом вокруг спирали образуется электронное “облачко”.

Явление выхода электронов с поверхности металла при его нагревании называется термоэлектронной эмиссией .

Работу, которую необходимо совершить электрону для вылета из металла в вакуум, называют работой выхода .

– условие, при котором электрон покидает металл.

При подключении электродов двухэлектродной электронной лампы к источнику тока появляется электрическое поле под действием которого электроны покидают электронное облако и движутся к аноду. В электрической цепи устанавливается электрический ток.

Таким образом ток в вакууме осуществляется за счет термоэлектронной эмиссии и представляет собой поток электронов от катода к аноду.

! Если на анод подать отрицательный потенциал, то электрическое поле отталкивает электроны облака назад к аноду. Тока в цепи нет.

Читайте также:  Номинальным условным током короткого замыкания

Основное свойство вакуумного диода: пропускать ток в одном направлении . Это свойство используется для преобразования переменного тока в постоянный.

Если в аноде электронной лампы сделать отверстие, то часть электронов, ускоренная электрическим полем, пролетит в отверстие, образуя за анодом электронный пучок. Электронным пучком можно управлять, поместив между катодом и анодом дополнительный электрод и изменяя его потенциал.

  1. Электронный пучок в месте падения нагревает металл. Это свойство используется для электронной плавки сверхчистых металлов в вакууме и для резки металлов электронным лучом.
  2. Электрическое и магнитное поля оказывают действие на движущиеся электроны, изменяя направление их движения. Это свойство используется для управления электронным пучком в вакуумных приборах.
  3. При попадании на вещество происходит торможение быстрых электронов, что приводит к возникновению рентгеновского излучения.
  4. Некоторые вещества (люминофоры) при бомбардировке электронами светятся.

Экспериментальным доказательством является создание приборов, в основе работы которых лежит теория электрического тока в вакууме.

Электронно-лучевая трубка (ЭЛТ) является основным элементом осциллографа – прибора для исследования быстропеременных процессов в электрических цепях. Трубка представляет собой вакуумный баллон, одна из стенок которого является экраном. В узкой части трубки находится электронная пушка, состоящая из нити накала, катода и анода в виде цилиндра с отверстием.

схема электронно-лучевой трубки

Такая конструкция позволяет получить узкий электронный пучок, который на пути к экрану проходит последовательно между двумя парами пластин, расположенных вертикально и горизонтально. При подаче напряжения на пластины пучок отклоняется в электрическом поле, что позволяет перемещать светящуюся точку по экрану в любом направлении.

кинескоп

Электронно-лучевая трубка также используется в телевизионных приемниках и мониторах ЭВМ. В такой ЭЛТ (кинескопе) управление электронным пучком(1) осуществляется магнитным полем катушки(2) на горловине кинескопа(3).

Вакуумный диод , обладая односторонней проводимостью, находит применение в выпрямителях переменного тока.

вакуумный диод

Вакуумный триод (трехэлектродная электронная лампа) имеет дополнительный электрод – сетку. Изменяя потенциал сетки можно управлять потоком электронов, идущих от катода к аноду, т.е. управлять анодным током в цепи. Используется как усилитель тока в радиоэлектронных устройствах.

Источник



Электрический ток в вакууме краткий конспект 10 класс

«Физика — 10 класс»

Какое физическое явление называют постоянным током?
Каковы условия существования электрического тока?

До открытия уникальных свойств полупроводников в радиотехнике использовались исключительно электронные лампы.

Откачивая газ из сосуда (трубки), можно получить газ с очень малой концентрацией молекул.

Состояние газа, при котором молекулы успевают пролететь от одной стенки сосуда к другой, ни разу не испытав соударений друг с другом, называют вакуумом.

Если в сосуд с вакуумом поместить два электрода и подключить их к источнику тока, то ток между электродами не пойдёт, так как в вакууме нет носителей заряда. Следовательно, для создания тока в трубке должен быть источник заряженных частиц.

Термоэлектронная эмиссия.

Чаще всего действие такого источника заряженных частиц основано на свойстве тел, нагретых до высокой температуры, испускать электроны.

Явление испускания электронов нагретыми металлами называется термоэлектронной эмиссией.

Это явление можно рассматривать как испарение электронов с поверхности металла. У многих твёрдых веществ термоэлектронная эмиссия начинается при температурах, при которых испарение самого вещества ещё не происходит. Такие вещества и используются для изготовления катодов.

Односторонняя проводимость. Диод.

Явление термоэлектронной эмиссии приводит к тому, что нагретый металлический электрод, в отличие от холодного, непрерывно испускает электроны. Электроны образуют вокруг электрода электронное облако. Электрод заряжается положительно, и под влиянием электрического поля заряженного облака электроны из облака частично возвращаются на электрод.

В равновесном состоянии число электронов, покинувших электрод в секунду, равно числу электронов, возвратившихся на электрод за это время. Чем выше температура металла, тем выше плотность электронного облака.

При подключении электродов к источнику тока между ними возникает электрическое поле. Если положительный полюс источника тока соединён с холодным электродом (анодом), а отрицательный — с нагретым (катодом), то вектор напряжённости электрического поля направлен к нагретому электроду. Под действием этого поля электроны частично покидают электронное облако и движутся к холодному электроду. Электрическая цепь замыкается, и в ней устанавливается электрический ток. При противоположной полярности включения источника напряжённость поля направлена от нагретого электрода к холодному. Электрическое поле отталкивает электроны облака назад к нагретому электроду. Цепь оказывается разомкнутой.

Односторонняя проводимость широко использовалась раньше в электронных приборах с двумя электродами — вакуумных диодах, которые служили, как и полупроводниковые диоды, для выпрямления электрического тока. Однако в настоящее время вакуумные диоды практически не применяются.

Если в аноде электронной лампы сделать отверстие, то часть электронов, ускоренных электрическим полем, пролетит в это отверстие, образуя за анодом электронный пучок. Количеством электронов в пучке можно управлять, поместив между катодом и анодом дополнительный электрод и изменяя его потенциал.

Читайте также:  Решение задач по двигателям постоянного тока параллельного возбуждения

Свойства электронных пучков и их применение.

Испускаемые катодом потоки электронов, движущихся в вакууме, называют иногда катодными лучами.

Перечислим свойства электронных пучков (катодных лучей).

1) Электроны в пучке движутся по прямым линиям.
2) Электронный пучок, попадая на мишень, передаёт ей часть кинетической энергии, что вызывает её нагревание. В современной технике это свойство используют для электронной плавки в вакууме сверхчистых металлов.
3) При торможении быстрых электронов, попадающих на вещество, возникает рентгеновское излучение. Это явление используют в рентгеновских трубках.
4) Некоторые вещества (стекло, сульфиды цинка и кадмия), бомбардируемые электронами, светятся. В настоящее время среди материалов этого типа (люминофоров) применяются такие, у которых в световую энергию превращается до 25% энергии электронного пучка.

5) Электронные пучки отклоняются электрическим полем. Например, проходя между пластинами конденсатора, электроны отклоняются от отрицательно заряженной пластины к положительно заряженной (рис. 16.20).
6) Электронный пучок отклоняется также в магнитном поле. Пролетая над северным полюсом магнита, электроны отклоняются влево, а пролетая над южным, отклоняются вправо. Отклонение электронных потоков, идущих от Солнца, в магнитном поле Земли приводит к тому, что свечение газов верхних слоёв атмосферы (полярное сияние) наблюдается только у полюсов.
7) Электронные пучки обладают ионизирующей способностью.
8) Электронные пучки могут проходить сквозь очень тонкие металлические пластины толщиной 0,003—0,03 мм.

Электронно-лучевая трубка.

Возможность управления электронным пучком с помощью электрического или магнитного поля и свечение покрытого люминофором экрана под действием пучка применяют в электронно-лучевой трубке.

Электронно-лучевая трубка была основным элементом первых телевизоров и осциллографа — прибора для исследования быстропеременных процессов в электрических цепях (рис. 16.21).

Устройство электронно-лучевой трубки показано на рисунке 16.22. Эта трубка представляет собой вакуумный баллон, одна из стенок которого служит экраном. В узком конце трубки помещён источник быстрых электронов — электронная пушка (рис. 16.23). Она состоит из катода, управляющего электрода и анода (чаще несколько анодов располагается друг за другом). Электроны испускаются нагретым оксидным слоем с торца цилиндрического катода С, окружённого теплозащитным экраном Н. Далее они проходят через отверстие в цилиндрическом управляющем электроде В (он регулирует число электронов в пучке). Каждый анод (А 1 и А2) состоит из дисков с небольшими отверстиями. Эти диски вставлены в металлические цилиндры. Между первым анодом и катодом создаётся разность потенциалов в сотни и даже тысячи вольт. Сильное электрическое поле ускоряет электроны, и они приобретают большую скорость. Форма, расположение и потенциалы анодов выбирают так, чтобы наряду с ускорением электронов осуществлялась и фокусировка электронного пучка, т. е. уменьшение площади поперечного сечения пучка на экране почти до точечных размеров.

На пути к экрану пучок последовательно проходит между двумя парами управляющих пластин, подобных пластинам плоского конденсатора (см. рис. 16.22). Если электрического поля между пластинами нет, то пучок не отклоняется и светящаяся точка располагается в центре экрана. При сообщении разности потенциалов вертикально расположенным пластинам пучок смещается в горизонтальном направлении, а при сообщении разности потенциалов горизонтальным пластинам он смещается в вертикальном направлении.

Одновременное использование двух пар пластин позволяет перемещать светящуюся точку по экрану в любом направлении. Так как масса электронов очень мала, то они почти мгновенно, т. е. за очень короткое время, реагируют на изменение разности потенциалов управляющих пластин.

В настоящее время чаще используются телевизоры с жидкокристаллическим или плазменным экраном.

В электронно-лучевой трубке, применяемой в телевизоре (так называемом кинескопе), управление пучком, созданным электронной пушкой, осуществляется с помощью магнитного поля. Это поле создают катушки, надетые на горловину трубки (рис. 16.24).

Цветной кинескоп содержит три разнесённые электронные пушки и экран мозаичной структуры, составленный из люминофоров трёх типов (красного, синего и зелёного свечения). Каждый электронный пучок возбуждает люминофоры одного типа, свечение которых в совокупности даёт на экране цветное изображение.

Электронно-лучевые трубки широко применялись в дисплеях — устройствах, присоединяемых к электронно-вычислительным машинам (ЭВМ). На экран дисплея, подобный экрану телевизора, поступала информация, записанная и переработанная ЭВМ. Можно было непосредственно видеть текст на любом языке, графики различных процессов, изображения реальных объектов, а также воображаемые объекгы, подчиняющиеся законам, записанным в программе вычислительной машины.

Источник: «Физика — 10 класс», 2014, учебник Мякишев, Буховцев, Сотский

Электрический ток в различных средах — Физика, учебник для 10 класса — Класс!ная физика

Источник