фізика / архив / 1 атестація / тема 3 Ел струм різні серд / заняття 11

Заняття 11

Електричний струм у вакуумі

Мета: пояснити з точки зору електронної теорії походження електричного струму в вакуумі; ознайомитися з принципом роботи діода; пояснити явище електронної емісії та випадки її появи; дати визначення роботі виходу електронів та пояснити одиниці виміру електрон-вольт.

1. Поведінка вільних електронів на межі металу з вакуумом

2. Явище термоелектронної емісії. Фотоелектронна емісія

3. Двоелектродна електронна лампа.

4. Режими роботи діоду.

Поведінка вільних електронів на межі металу з вакуумом

Припустимо, що електрон пролетів між іонами, вилетів з металу. Так як метал при цьому заряджається позитивно, то електрон, що вилетів, притягується і повертається в метал. Поблизу поверхні метала в вакуумі утворюється подвійний прошарок – негативний, що складається з електронів, і позитивний, що складається з іонів кристалічної ґратки. Електричне поле цього подвійного прошарку перешкоджає електронам залишати метал. При кімнатній температурі лише невелика кількість самих швидких електронів, що володіють великою кінетичною енергією, здатні подолати поле подвійного прошарку та залишити метал.

Робота, яку повинен виконувати електрон, щоб залишити метал, отримала назву роботи виходу.

Робота виходу вимірюється в електрон-вольтах.

1 эВ=1,6^.10^-19Кл^.1В=1,6^.10^-19Дж.

Метал	Робота виходу, эВ	Метал	Робота виходу, эВ	Метал	Робота виходу, эВ
Платина	6,0	Мідь	4,1	Натрій	1,9
Вольфрам	4,52	Торій	3,4	Калій	1,8
Ртуть	4,5	Кальцій	3,2	Цезій	1,8
Молібден	4,3	Барій	2,52

Явище термоелектронної емісії. Енергію, яка потрібна електронам, щоб вони змогли вийти за межі металу, можна повідомити нагріванням. Явище виходу електронів з металу при його нагріванні отримало назву термоелектронної емісії. Помітна термоелектронна емісія для більшості металів виникає лише при достатньо високій температурі ~2000К.

Фотоелектронна емісія. Повідомити електронам енергію, яка необхідна для того, щоб залишити метал, в деяких випадках можна, освітлюючи поверхню метала. В результаті взаємодії світла з металом частина електронів набуває додаткову енергію та залишає метал. Це явище отримало назву фотоелектронної емісії.

Для спостереження фотоелектронної емісії використовують колбу, частина внутрішньої поверхні якої вкрита прошарком цезію, який має невелику роботу виходу. Цей прошарок називають фотокатодом. Якщо на колбу не падає світло, електрони не вилітають за межі фотокатоду та мікроампер метр не відзначає струму в ланцюзі. При освітлені фотокатода під дією світла відбувається емісія електронів з фотокатода та по ланцюгу проходить струм. Такий пристрій називається фотоелементом.

Двоелектродна електронна лампа. Найпростішим електронним приладом, в якому використовується явище термоелектронної емісії, є двоелектродна електронна лампа – діод. Діод має розжарюваний катод і анод, поміщений в балон, в якому утворений вакуум. Нагрівання катода може проводитися за допомогою спеціального провідника, по якому проходить струм, або пропусканням струму безпосередньо через катод (в цьому випадку катод виготовляється з дроту з великим питомим опором). Перший тип катода називається катодом непрямого напруження, а інший – катодом прямого напруження. При нагріванні катода виникає явище термоелектронної емісії, в результаті якого біля катода утворюється ніби нерухома хмарка електронів, яка створює електричне поле. Це поле перешкоджає емісії електронів з катоду.

Якщо катод діода під'єднати до негативного, а анод до позитивного полюса джерела струму, то в діоді буде створено електричне поле, під дією якого електрони будуть рухатися від катода до анода, замикаючи ланцюг. Якщо катод під'єднати до позитивного, а анод до негативного полюса джерела струму, то електрони хмари не будуть рухатись до анода. Струму не буде.

Таким чином, через діод струм може проходити лише в одному напрямку – від анода до катода (електрони рухаються тільки від анода до катода проти напрямку струму). Іншими словами, діод має односторонню провідність.

Приклади рішення задач

Приклад 1. Для електронної зварки деталей використовують електронний пучок потужністю 10⁷ Вт та енергією електронів 100 кэВ. Визначити число електронів, що проходять через поперечний перетин пучка за 1 с.

Рішення.

Р=10⁷ Вт

=100 кэВ=10⁵ эВ

t=1 c

N - ?

Відповідь: 6,25^.10²⁰.

Приклад 2. Потік електронів в електронно-променевій трубці прискорюється полем при напрузі 5000 В а потім влітає в простір між пластинами, що відхиляють. Яку різність потенціалів треба докласти до пластин, що відхиляють, щоб змістити промінь на 5 мм, якщо довжина пластин 5 см та відстань між ними 2 см?

∆d=5 мм Для прискорення швидкості

U₁=5000B

l=5 см=5^.10^-2м .

d=2 см=2^.10^-2м З цією ж швидкістю електрон

E-? U-? пролетить , за той же час він відхилиться на

;

Питання для закріплення матеріалу

1. Як поблизу поверхні метала в вакуумі утворюється подвійний електричний прошарок

2. Що необхідно, щоб електрон залишив метал?

3. Що називається роботою виходу електрону?

4. Яка залежність між величиною роботи виходу та атомною масою речовини?

5. Що означає одиниця виміру електрон-вольт?

6. Термоелектронна емісія?

7. Фотоелектронна емісія?

8. Принцип роботи фотоелемента?

9. Принцип роботи двоелектродної електронної лампи.

10. До якого полюсу джерела струму треба під’єднати катод діода, щоб через діод струм не проходив?

11. Яку провідність має діод?

12. Намалюйте ВАХ для діоду.

13. Принцип роботи електронно-променевої трубки.

Вправа 11

1. В телевізійному кінескопі прискорюючи анодна напруга дорівнює 16 кВ, а відстань від аноду до екрану складає 30 см. За який час електрони проходять цю відстань?

2. В електронно-променевій трубці потік електронів з кінетичною енергією 8 кеВ рухається між пластинами плоского конденсатору довжиною 4 см. Відстань між пластинами 2 см. Яку напругу необхідно подати на пластини конденсатору, щоб зсув електронного пучка на виході з конденсатору виявився рівним 0,8 см?

3. В електронно-променевій трубці потік електронів прискорюється полем з різницею потенціалів 5 кВ й попадає у простір між вертикально відхиляючими пластинами довжиною 5 см, напруженість поля між якими 40 кВ/м. Знайти вертикальний зсув променю на виході з простору між пластинами.