Elektromos áram a gázokban. Elektromos áram vákuumban. Elektrovákuum készülékek Amit tanultunk
Tantárgy. Elektromos áram vákuumban
Az óra célja: elmagyarázni a tanulóknak az elektromos áram természetét a vákuumban.
Az óra típusa: óra új tananyag tanulása.
TANTERV
ÚJ TANULÁSI ANYAG
A vákuum a gáznak az az állapota, ahol a nyomás kisebb, mint a légköri nyomás. Különbséget tegyen alacsony, közepes és nagy vákuum között.
A nagyvákuum létrehozásához ritkításra van szükség, amelyhez a visszamaradó gázban a molekulák átlagos szabad útja nagyobb, mint az edény mérete vagy az edényben lévő elektródák közötti távolság. Következésképpen, ha az edényben vákuum jön létre, akkor a benne lévő molekulák szinte nem ütköznek egymással és szabadon repülnek át az elektródák közötti térben. Ebben az esetben csak az elektródákkal vagy az érfalakkal ütköznek.
Ahhoz, hogy a vákuumban áram létezzen, szabad elektronok forrását kell elhelyezni a vákuumban. A szabad elektronok legnagyobb koncentrációja a fémekben. De szobahőmérsékleten nem tudják elhagyni a fémet, mert a pozitív ionok Coulomb-vonzóereje tartja őket benne. Ezen erők leküzdéséhez egy elektronnak bizonyos mennyiségű energiát kell elköltenie ahhoz, hogy elhagyja a fémfelületet, amit munkafüggvénynek nevezünk.
Ha egy elektron kinetikus energiája meghaladja a munkafüggvényt vagy egyenlő azzal, akkor elhagyja a fém felületét és szabaddá válik.
A fém felületéről elektronok kibocsátásának folyamatát emissziónak nevezzük. Attól függően, hogy a szükséges energiát hogyan adták át az elektronoknak, többféle emisszió létezik. Az egyik a termoelektronikus emisszió.
Ø A felhevült testek elektronkibocsátását termoelektronikus emissziónak nevezzük.
A termikus emisszió jelensége ahhoz vezet, hogy egy felhevített fémelektróda folyamatosan elektronokat bocsát ki. Az elektronok elektronfelhőt képeznek az elektród körül. Ebben az esetben az elektróda pozitív töltésű, és a töltött felhő elektromos mezőjének hatására a felhőből az elektronok részben visszatérnek az elektródához.
Egyensúlyi állapotban az elektródát egy másodperc alatt elhagyó elektronok száma megegyezik az ezalatt az elektródára visszatérő elektronok számával.
Az áram létezéséhez két feltételnek kell teljesülnie: szabad töltésű részecskék jelenléte és elektromos tér. E feltételek megteremtése érdekében két elektródát (katódot és anódot) helyeznek a ballonba, és levegőt pumpálnak ki a ballonból. A katód melegítése következtében elektronok repülnek ki belőle. A katódra negatív, az anódra pozitív potenciál kerül.
A modern vákuumdióda üveg vagy kerámia-fém hengerből áll, amelyből a levegőt 10-7 Hgmm nyomásra evakuálják. Művészet. A ballonba két elektródát forrasztanak, amelyek közül az egyik - a katód - függőleges, volfrámból készült fémhenger formájú, és általában alkáliföldfém-oxid réteggel van bevonva.
A katód belsejében egy szigetelt vezető található, amelyet váltakozó árammal melegítenek. A fűtött katód elektronokat bocsát ki, amelyek elérik az anódot. A lámpa anódja egy kerek vagy ovális henger, amelynek közös tengelye van a katóddal.
A vákuumdióda egyirányú vezetése abból adódik, hogy a melegítés hatására az elektronok kirepülnek a forró katódból, és a hideg anódra költöznek. Az elektronok csak a diódán keresztül tudnak mozogni a katódról az anódra (azaz az elektromos áram csak ellenkező irányba folyhat: az anódról a katódra).
Az ábra a vákuumdióda volt-amper karakterisztikáját reprodukálja (negatív feszültségérték annak az esetnek felel meg, amikor a katódpotenciál nagyobb, mint az anódpotenciál, vagyis az elektromos tér „megpróbálja” visszavezetni az elektronokat a katódra) .
A vákuumdiódákat a váltakozó áram egyenirányításához használják. Ha még egy elektródát (rácsot) helyezünk a katód és az anód közé, akkor a rács és a katód közötti feszültség kismértékű változása is jelentősen befolyásolja az anódáramot. Egy ilyen vákuumcső (trióda) lehetővé teszi a gyenge elektromos jelek erősítését. Ezért egy ideig ezek a lámpák voltak az elektronikus eszközök fő elemei.
A katódsugárcsőben (CRT) vákuumban lévő elektromos áramot használtak, amely nélkül sokáig lehetetlen volt elképzelni egy TV-t vagy egy oszcilloszkópot.
Az ábra a katódsugárcső tervezésének egyszerűsített nézetét mutatja.
A cső nyakánál található elektron "ágyú" a katód, amely intenzív elektronsugarat bocsát ki. Egy speciális hengerrendszer lyukakkal (1) fókuszálja ezt a sugarat, keskenyebbé téve azt. Amikor az elektronok elérik a képernyőt (4), az világítani kezd. Az elektronáramlás függőleges (2) vagy vízszintes (3) lemezekkel szabályozható.
Vákuumban jelentős energia vihető át az elektronokra. Az elektronsugarak akár fémek vákuumban történő olvasztására is használhatók.
KÉRDÉS DIÁKHOZ AZ ÚJ ANYAG BEMUTATÁSA ALATT
Első szint
1. Mi a célja a nagyvákuumnak az elektroncsövekben?
2. Miért csak egy irányba vezet a vákuumdióda?
3. Mi a célja az elektronágyúnak?
4. Hogyan történik az elektronsugarak szabályozása?
Második szint
1. Milyen jellemzői vannak a vákuumdióda áram-feszültség karakterisztikának?
2. Működni fog egy rádiólámpa törött üveggel az űrben?
A VIZSGÁLT ANYAG KONFIGURÁLÁSA
1. Mit kell tenni, hogy a trielektród lámpát diódaként lehessen használni?
2. Hogyan lehet: a) növelni az elektronok sebességét a nyalábban; b) megváltoztatja az elektronok mozgásának irányát; c) leállítja az elektronok mozgását?
1. A vákuumdiódában a maximális anódáram 50 mA. Hány elektront bocsát ki a katód másodpercenként?
2. Az U 1 \u003d 5 kV feszültséggel felgyorsított elektronnyaláb egy lapos kondenzátorba repül a lemezek között, velük párhuzamosan. A kondenzátor hossza l = 10 cm, a lemezek közötti távolság d = 10 mm. A kondenzátoron mekkora minimális U 2 feszültség mellett nem repülnek ki belőle elektronok?
Megoldások. Az elektron mozgása egy vízszintesen eldobott test mozgásához hasonlít.
Az elektronsebesség v vízszintes komponense nem változik, egybeesik a gyorsulás utáni elektronsebességgel. Ez a sebesség az energiamegmaradás törvényével határozható meg: Itt e az elemi elektromos töltés, me az elektron tömege. Az a függőleges gyorsulás a kondenzátor elektromos teréből ható F erőt adja át az elektronnak. Newton második törvénye szerint
hol van az elektromos térerősség a kondenzátorban.
Az elektronok nem repülnek ki a kondenzátorból, ha d / 2 távolsággal elmozdulnak.
Így, 
az elektron mozgásának ideje a kondenzátorban. Innen
A mennyiségi egységek ellenőrzése és a számértékek helyettesítése után U 2 \u003d 100 B-t kapunk.
MIT TANULTUNK A LECKEBEN
A vákuum olyan ritka gáz, hogy a molekulák átlagos szabad útja meghaladja az edény lineáris méreteit.
Azt az energiát, amelyet egy elektronnak el kell fordítania ahhoz, hogy elhagyja a fém felületét, munkafüggvénynek nevezzük.
A fűtött testek elektronkibocsátását termoelektronikus emissziónak nevezzük.
A vákuumban lévő elektromos áram az elektronok irányított mozgása, amely termikus emisszió eredményeként keletkezik.
A vákuumdióda egyirányú vezetésű.
A katódsugárcső lehetővé teszi az elektronok mozgásának szabályozását. A CRT tette lehetővé a televíziózást.
Házi feladat
1. 1. alpont: 17. §; 2. alpont: 9. §.
Riv1 No. 6.12; 6,13; 6.14.
Riv2 No. 6.19; 6,20; 6,22, 6,23.
3. D: önálló munkára felkészítés 4. sz.
FELADATOK ÖNÁLLÓ MUNKÁBÓL 4. sz. "KÖZVETŐÁRAM TÖRVÉNYEI"
1. feladat (1,5 pont)
Milyen részecskék mozgása hoz létre elektromos áramot a folyadékokban?
Az atomok mozgása.
Vajon a molekulák mozgását.
In Az elektronok mozgása.
D Pozitív és negatív ionok mozgása.
Az ábrán egy Tesla transzformátor segítségével létrehozott elektromos kisülés látható a levegőben.
És bármely gáz elektromos árama abba az irányba irányul, ahol a negatív ionok mozognak.
Bármely gáz vezetőképessége csak az elektronok mozgásának köszönhető.
Bármely gáz vezetőképessége csak az ionok mozgásának köszönhető.
D Bármely gáz vezetőképessége csak elektronok és ionok mozgásának köszönhető.
A 3. feladat megfeleltetés (logikai pár) felállítását célozza. Minden betűvel jelölt sorhoz párosítsa a számmal jelölt állítást!
A n-típusú félvezetők.
B Félvezetők p-típusú.
elektronikus vezetőképesség.
D Lyuk vezetőképesség.
1 Félvezetők, amelyekben a lyukak a többségi töltéshordozók.
2 Félvezetők, amelyekben a töltéshordozók többsége elektron.
3 Félvezető vezetőképessége a lyukak mozgása miatt.
4 Félvezető vezetőképessége az elektronok mozgása miatt.
5 Félvezetők, amelyekben a töltéshordozók többsége elektronok és lyukak.
Milyen áramerősség mellett végezték el a CuSO 4 vizes oldatának elektrolízisét, ha 2 perc alatt. 160 g réz szabadult fel a katódon?
Az elektromos áram az elektromos töltések rendezett mozgása. Megszerezhető például egy töltött és töltetlen testet összekötő vezetőben. Ez az áram azonban leáll, amint a testek közötti potenciálkülönbség nullává válik. Rendezett áram) a töltött kondenzátor lapjait összekötő vezetőben is létezni fog. Ebben az esetben az áramot a kondenzátorlemezek töltéseinek semlegesítése kíséri, és addig folytatódik, amíg a kondenzátorlemezek közötti potenciálkülönbség nulla nem lesz.
Ezek a példák azt mutatják, hogy elektromos áram egy vezetőben csak akkor lép fel, ha a vezető végein különböző potenciálok vannak, vagyis ha elektromos tér van benne.
De a vizsgált példákban az áram nem lehet hosszú távú, mivel a töltések mozgatása során a testek potenciáljai gyorsan kiegyenlítődnek, és a vezetőben az elektromos mező eltűnik.
Ezért az áram eléréséhez különböző potenciálokat kell fenntartani a vezető végein. Ehhez a töltéseket egyik testről a másikra visszaviheti egy másik vezetőn keresztül, ehhez zárt áramkört képezve. Ugyanazon elektromos tér erőinek hatására azonban a töltések ilyen átvitele lehetetlen, mivel a második test potenciálja kisebb, mint az elsőé. Ezért az átvitel csak nem elektromos eredetű erők hatására lehetséges. Az ilyen erők jelenlétét az áramkörben lévő áramforrás biztosítja.
Az áramforrásban ható erők töltést adnak át egy kisebb potenciálú testről egy nagyobb potenciálú testre, és működnek. Ezért kell, hogy legyen energiája.
Az áramforrások galvanikus cellák, akkumulátorok, generátorok stb.
Tehát az elektromos áram előfordulásának fő feltételei: áramforrás és zárt áramkör jelenléte.
Az áramkörben az áram áthaladását számos könnyen megfigyelhető jelenség kíséri. Így például egyes folyadékokban, amikor áram halad át rajtuk, egy anyag felszabadulása figyelhető meg a folyadékba merített elektródákon. A gázok áramát gyakran kíséri a gázok izzása stb. Az elektromos áramot gázokban és vákuumban a kiváló francia fizikus és matematikus, André Marie Ampère tanulmányozta, akinek köszönhetően ma már ismerjük az ilyen jelenségek természetét.
Mint tudják, a vákuum a legjobb szigetelő, vagyis az a tér, ahonnan a levegőt kiszivattyúzzák.
De lehet elektromos áramot kapni vákuumban, amelyhez töltéshordozókat kell bevezetni.
Vegyünk egy edényt, amelyből a levegőt kiszivattyúzzák. Két fémlemez van forrasztva ebbe az edénybe - két elektróda. Az egyik A (anód) pozitív áramforráshoz, a másik K (katód) negatív áramforráshoz csatlakozik. A közötti feszültség elegendő 80-100 V alkalmazásához.
Az áramkörbe érzékeny milliampermérőt is beépítünk. A készülék nem mutat áramot; ez azt jelzi, hogy vákuumban nem létezik elektromos áram.
Változtassunk az élményen. Katódként egy huzalt - egy menetet, melynek végét kifelé hozzuk - forrasztjuk az edénybe. Ez az izzószál továbbra is katód marad. Egy másik áramforrás segítségével felmelegítjük. Észre fogjuk venni, hogy amint az izzószál felmelegszik, az áramkörhöz csatlakoztatott műszer vákuumban elektromos áramot mutat, és minél nagyobb, annál melegebb az izzószál. Ez azt jelenti, hogy hevítéskor az izzószál biztosítja a töltött részecskék jelenlétét vákuumban, ez a forrásuk.
Hogyan töltődnek fel ezek a részecskék? Erre a kérdésre a tapasztalat adhat választ. Cseréljük ki az edénybe forrasztott elektródák pólusait - a menetből anódot, az ellenkező pólust pedig katódká tesszük. És bár az izzószál felmelegszik, és töltött részecskéket küld a vákuumba, nincs áram.
Ebből következik, hogy ezek a részecskék negatív töltésűek, mert taszítják őket az A elektródától, ha az negatív töltésű.
Mik ezek a részecskék?
Az elektronikai elmélet szerint a fémben lévő szabad elektronok kaotikus mozgásban vannak. Amikor a cérna felmelegszik, ez a mozgás megnő. Ugyanakkor egyes elektronok, amelyek elegendő energiát szereznek a kilépéshez, kirepülnek a fonalból, és „elektronfelhőt” képeznek körülötte. Amikor az izzószál és az anód között elektromos tér jön létre, az elektronok az A elektród felé repülnek, ha az az akkumulátor pozitív pólusához kapcsolódik, és visszaszorulnak az izzószálhoz, ha az a negatív pólushoz kapcsolódik, azaz azonos nevű töltése van, mint az elektronoknak.
Tehát a vákuumban lévő elektromos áram az elektronok irányított áramlása.
Lehetséges-e elektromos áramot terjeszteni vákuumban (latin vákuum - üresség)? Mivel a vákuumban nincsenek szabad töltéshordozók, ideális dielektrikum. Az ionok megjelenése a vákuum megszűnéséhez és ionizált gáz képződéséhez vezetne. De a szabad elektronok megjelenése biztosítja az áram áramlását a vákuumon keresztül. Hogyan juthatunk szabad elektronokhoz vákuumban? A termikus emisszió jelenségének segítségével - az anyag által hevített elektronok kibocsátása.
A vákuumdióda, trióda, katódsugárcső (régi tévékben) olyan eszközök, amelyek működése a termikus emisszió jelenségén alapul. A működés alapelve: egy tűzálló anyag jelenléte, amelyen keresztül áramlik - a katód, egy hideg elektróda, amely összegyűjti a termoelektronokat - az anód.
Teljes vákuum semmilyen szivattyúval nem lehet beszerezni. Hiába pumpáljuk ki a lámpát, gáznyomok mindig maradnak benne. Ezért egy lámpában az elektromos áram, amellyel az imént találkoztunk, valójában nem vákuumban halad át, hanem egy nagyon ritka gázban.
A modern szivattyúk olyan nagy vákuumot adnak, hogy a kisülési csőben maradó molekulák gyakorlatilag nem befolyásolják az elektronok mozgását, és az áram ugyanúgy folyik, mint a teljes vákuumban. Bizonyos esetekben azonban a lámpát szándékosan nem ürítik ki ilyen mértékben. Egy ilyen lámpában az elektronok útjuk során többször ütköznek gázmolekulákkal. Becsapódáskor energiájuk egy részét átadják a gázmolekuláknak. Általában ezt az energiát használják fel a gáz melegítésére, de bizonyos körülmények között a gáz molekulái vagy atomjai fény formájában bocsátják ki. Ilyen fénycsövek láthatók a metró ajtaja felett, a kirakatokon, bolttáblákon.
Az elektromos áram áthaladása egy gázban rendkívül összetett és sokrétű jelenség. Ennek egyik formája a fémek elektromos hegesztésénél és olvasztásánál használt elektromos ív.
A hőmérséklet atmoszférikus nyomáson körülbelül 3700 fok. 20 atmoszférára sűrített gázban égő ívben a hőmérséklet eléri az 5900 fokot, vagyis a Nap felszínének hőmérsékletét.
Az elektromos ív fényes fehér fényt bocsát ki, ezért nagy teljesítményű fényforrásként is használják vetítőlámpákban és spotlámpákban.
Az elektromos kisülés másik formája a gázlebontás. Két ellentétes töltésű fémgolyót fogunk összerakni (lásd a borítón lévő képet). Ebben az esetben a köztük lévő elektromos tér megnő. Végül olyan nagy lesz, hogy elektronokat von ki a levegőmolekulákból a golyók között. A levegő ionizált. A keletkező szabad elektronok és ionok a golyókhoz rohannak. Útjuk során új molekulákat törnek fel, új ionokat hoznak létre. A levegő egy pillanatra vezetőképessé válik.
A golyókhoz közeledve az ionok semlegesítik a golyók töltéseit; eltűnik a mező. A fennmaradó ionok molekulákká rekombinálódnak. A levegő ismét szigetelő.
Mindez a másodperc töredéke alatt történik. A meghibásodást szikra és repedés kíséri. A szikra a repülő töltések hatására gerjesztett molekulák ragyogásának eredménye. A reccsenést a levegő tágulása okozza a szikra útján annak felmelegedése miatt.
Ez a jelenség miniatűr villámlásra és mennydörgésre hasonlít. Valójában a villámlás ugyanaz az elektromos kisülés, amely akkor következik be, amikor két ellentétes töltésű felhő közeledik egy felhő és a Föld között.
Most nem két előretöltött golyót fogunk össze, hanem két szén- vagy fémelektródát, amelyek egy kellően erős generátorhoz vannak csatlakoztatva. A köztük keletkező kisülés nem áll le, hiszen a generátornak köszönhetően az elektródákat nem semlegesítik a rájuk eső ionok. A levegő nagyon rövid távú lebomlása helyett stabil elektromos ív jön létre (12. ábra), amit fentebb már tárgyaltunk. Az ívben kialakuló magas hőmérséklet fenntartja a levegő ionizált állapotát az elektródák között, emellett jelentős termikus emissziót hoz létre a katódból.
Elektromos áram vákuumban
A vákuum a gáznak az az állapota, ahol a nyomás kisebb, mint a légköri nyomás. Különbséget tegyen alacsony, közepes és nagy vákuum között.
A nagyvákuum létrehozásához ritkításra van szükség, amelyhez a visszamaradó gázban a molekulák átlagos szabad útja nagyobb, mint az edény mérete vagy az edényben lévő elektródák közötti távolság. Következésképpen, ha az edényben vákuum jön létre, akkor a benne lévő molekulák szinte nem ütköznek egymással és szabadon repülnek át az elektródák közötti térben. Ebben az esetben csak az elektródákkal vagy az érfalakkal ütköznek.
Ahhoz, hogy a vákuumban áram létezzen, szabad elektronok forrását kell elhelyezni a vákuumban. A szabad elektronok legnagyobb koncentrációja a fémekben. De szobahőmérsékleten nem tudják elhagyni a fémet, mert a pozitív ionok Coulomb-vonzóereje tartja őket benne. Ezen erők leküzdéséhez egy elektronnak bizonyos mennyiségű energiát kell elköltenie ahhoz, hogy elhagyja a fémfelületet, amit munkafüggvénynek nevezünk.
Ha egy elektron kinetikus energiája meghaladja a munkafüggvényt vagy egyenlő azzal, akkor elhagyja a fém felületét és szabaddá válik.
A fém felületéről elektronok kibocsátásának folyamatát emissziónak nevezzük. Attól függően, hogy a szükséges energiát hogyan adták át az elektronoknak, többféle emisszió létezik. Az egyik a termoelektronikus emisszió.
Ø A felhevült testek elektronkibocsátását termoelektronikus emissziónak nevezzük.
A termikus emisszió jelensége ahhoz vezet, hogy egy felhevített fémelektróda folyamatosan elektronokat bocsát ki. Az elektronok elektronfelhőt képeznek az elektród körül. Ebben az esetben az elektróda pozitív töltésű, és a töltött felhő elektromos mezőjének hatására a felhőből az elektronok részben visszatérnek az elektródához.
Egyensúlyi állapotban az elektródát egy másodperc alatt elhagyó elektronok száma megegyezik az ezalatt az elektródára visszatérő elektronok számával.
2. Elektromos áram vákuumban
Az áram létezéséhez két feltételnek kell teljesülnie: szabad töltésű részecskék jelenléte és elektromos tér. E feltételek megteremtése érdekében két elektródát (katódot és anódot) helyeznek a ballonba, és levegőt pumpálnak ki a ballonból. A katód melegítése következtében elektronok repülnek ki belőle. A katódra negatív, az anódra pozitív potenciál kerül.
A vákuumban lévő elektromos áram az elektronok irányított mozgása, amely termikus emisszió eredményeként keletkezik.
3. Vákuumos dióda
A modern vákuumdióda üveg vagy kerámia-fém hengerből áll, amelyből a levegőt 10-7 Hgmm nyomásra evakuálják. Művészet. A ballonba két elektródát forrasztanak, amelyek közül az egyik - a katód - függőleges, volfrámból készült fémhenger formájú, és általában alkáliföldfém-oxid réteggel van bevonva.
A katód belsejében egy szigetelt vezető található, amelyet váltakozó árammal melegítenek. A fűtött katód elektronokat bocsát ki, amelyek elérik az anódot. A lámpa anódja egy kerek vagy ovális henger, amelynek közös tengelye van a katóddal.
A vákuumdióda egyirányú vezetése abból adódik, hogy a melegítés hatására az elektronok kirepülnek a forró katódból, és a hideg anódra költöznek. Az elektronok csak a diódán keresztül tudnak mozogni a katódról az anódra (azaz az elektromos áram csak ellenkező irányba folyhat: az anódról a katódra).
Az ábra a vákuumdióda volt-amper karakterisztikáját reprodukálja (negatív feszültségérték annak az esetnek felel meg, amikor a katódpotenciál nagyobb, mint az anódpotenciál, vagyis az elektromos tér „megpróbálja” visszavezetni az elektronokat a katódra) .
A vákuumdiódákat a váltakozó áram egyenirányításához használják. Ha még egy elektródát (rácsot) helyezünk a katód és az anód közé, akkor a rács és a katód közötti feszültség kismértékű változása is jelentősen befolyásolja az anódáramot. Egy ilyen vákuumcső (trióda) lehetővé teszi a gyenge elektromos jelek erősítését. Ezért egy ideig ezek a lámpák voltak az elektronikus eszközök fő elemei.
4. Katódsugárcső
A katódsugárcsőben (CRT) vákuumban lévő elektromos áramot használtak, amely nélkül sokáig lehetetlen volt elképzelni egy TV-t vagy egy oszcilloszkópot.
Az ábra a katódsugárcső tervezésének egyszerűsített nézetét mutatja.
A cső nyakánál található elektron "ágyú" a katód, amely intenzív elektronsugarat bocsát ki. Egy speciális hengerrendszer lyukakkal (1) fókuszálja ezt a sugarat, keskenyebbé téve azt. Amikor az elektronok elérik a képernyőt (4), az világítani kezd. Az elektronáramlás függőleges (2) vagy vízszintes (3) lemezekkel szabályozható.
Vákuumban jelentős energia vihető át az elektronokra. Az elektronsugarak akár fémek vákuumban történő olvasztására is használhatók.
Ebben a leckében folytatjuk az áramok áramlásának tanulmányozását különböző közegekben, különösen vákuumban. Megvizsgáljuk a szabad töltések kialakulásának mechanizmusát, megvizsgáljuk a fő műszaki eszközöket, amelyek a vákuumban áramló elven működnek: egy dióda és egy katódsugárcső. Megjelöljük az elektronsugarak főbb tulajdonságait is.
A kísérlet eredményét a következőképpen magyarázzuk: hevítés hatására a fém elektronokat kezd kibocsátani az atomszerkezetéből, a párolgás során a vízmolekulák kibocsátásával analóg módon. A felhevült fém körülveszi az elektronfelhőt. Ezt a jelenséget termikus emissziónak nevezik.
Rizs. 2. Az Edison-kísérlet vázlata
Az elektronsugarak tulajdonságai
A technikában nagy jelentőséggel bír az úgynevezett elektronsugarak alkalmazása.
Meghatározás. Az elektronsugár olyan elektronfolyam, amelynek hossza sokkal nagyobb, mint a szélessége. Megszerzése elég egyszerű. Elég, ha veszünk egy vákuumcsövet, amelyen áthalad az áram, és az anódon egy lyukat készítünk, ahová a szétszórt elektronok eljutnak (ún. elektronágyú) (3. ábra).
Rizs. 3. Elektronpisztoly
Az elektronsugarak számos kulcsfontosságú tulajdonsággal rendelkeznek:
A nagy kinetikus energia jelenléte következtében termikus hatást gyakorolnak arra az anyagra, amelybe beleütköznek. Ezt a tulajdonságot az elektronikus hegesztésben használják. Az elektronikus hegesztésre akkor van szükség, ha fontos az anyagok tisztaságának megőrzése, például félvezetők hegesztésekor.
- Fémekkel való ütközéskor az elektronsugarak lassulva bocsátanak ki az orvostudományban és a technikában használatos röntgensugarakat (4. ábra).
Rizs. 4. Röntgen segítségével készített kép ()
- Amikor egy elektronsugár eltalál néhány foszfornak nevezett anyaggal, izzás lép fel, ami lehetővé teszi olyan képernyők létrehozását, amelyek segítik a sugár mozgásának monitorozását, természetesen szabad szemmel láthatatlanul.
- A gerendák mozgásának szabályozása elektromos és mágneses mezők segítségével.
Meg kell jegyezni, hogy az a hőmérséklet, amelyen a hőkibocsátás elérhető, nem haladhatja meg azt a hőmérsékletet, amelyen a fémszerkezet tönkremegy.
Edison eleinte a következő konstrukciót használta, hogy vákuumban áramot nyerjen. A vákuumcső egyik oldalára egy, az áramkörben lévő vezetőt, a másik oldalára egy pozitív töltésű elektródát helyeztek (lásd 5. ábra):
Rizs. 5
A vezetőn áthaladó áram hatására felmelegszik, és elektronokat bocsát ki, amelyek vonzódnak a pozitív elektródához. A végén az elektronok irányított mozgása történik, ami valójában egy elektromos áram. Az így kibocsátott elektronok száma azonban túl kicsi, és túl kevés áramot ad bármilyen felhasználáshoz. Ez a probléma egy másik elektróda hozzáadásával megoldható. Az ilyen negatív potenciálú elektródát indirekt izzóelektródának nevezzük. Használatával sokszorosára nő a mozgó elektronok száma (6. ábra).
Rizs. 6. Indirekt izzítógyertya használata
Meg kell jegyezni, hogy az áram vezetőképessége vákuumban megegyezik a fémek vezetőképességével - elektronikus. Bár ezeknek a szabad elektronoknak a megjelenési mechanizmusa teljesen más.
A termikus emisszió jelensége alapján létrehoztak egy vákuumdiódának nevezett eszközt (7. ábra).
Rizs. 7. A vákuumdióda megjelölése az elektromos áramkörön
vákuum dióda
Nézzük meg közelebbről a vákuumdiódát. A diódáknak két típusa van: egy izzószálas dióda és egy anód, valamint egy izzószálas dióda, egy anód és egy katód. Az elsőt közvetlen izzószál diódának, a másodikat indirekt izzószálnak nevezik. A technológiában mind az első, mind a második típust használják, azonban a közvetlen izzószálas diódának van egy olyan hátránya, hogy hevítéskor a menet ellenállása megváltozik, ami a diódán átmenő áram változását vonja maga után. És mivel egyes diódákkal végzett műveletek teljesen állandó áramot igényelnek, célszerűbb a második típusú diódák használata.
Mindkét esetben az izzószál hőmérsékletének kell lennie a hatékony kibocsátás érdekében 
.
A diódákat a váltakozó áramok egyenirányítására használják. Ha a diódát ipari áramok átalakítására használják, akkor kenotronnak nevezik.
Az elektronkibocsátó elem közelében elhelyezkedő elektródát katódnak (), a másikat anódnak () nevezzük. Helyes csatlakoztatás esetén a feszültség növekedésével az áramerősség nő. Fordított kapcsolásnál az áram egyáltalán nem folyik (8. ábra). Ily módon a vákuumdiódák kedvezőbbek a félvezető diódákhoz képest, amelyekben visszakapcsoláskor, bár minimális, áram van jelen. Ennek a tulajdonságnak köszönhetően vákuumdiódákat használnak a váltakozó áramok egyenirányításához.
Rizs. 8. Vákuumdióda áram-feszültség karakterisztikája
Egy másik, a vákuumban folyó áramfolyamatok alapján létrehozott eszköz egy elektromos trióda (9. ábra). Kialakítása eltér a diódáétól egy harmadik elektróda, az úgynevezett rács jelenlétében. Szintén a vákuum áramának elvein alapul egy olyan műszer, mint a katódsugárcső, amely az olyan eszközök fő részét képezi, mint az oszcilloszkóp és a csöves televíziók.
Rizs. 9. Vákuumtrióda diagramja
Katódsugárcső
Mint fentebb említettük, a vákuumban történő áramterjedés tulajdonságai alapján egy olyan fontos eszközt terveztek, mint a katódsugárcső. Munkája középpontjában az elektronsugarak tulajdonságait használja. Fontolja meg ennek az eszköznek a felépítését. A katódsugárcső egy hosszabbítóval ellátott vákuumlombikból, egy elektronágyúból, két katódból és két egymásra merőleges elektródapárból áll (10. ábra).
Rizs. 10. A katódsugárcső felépítése
A működés elve a következő: a pisztolyból a termionikus emisszió eredményeként kibocsátott elektronok az anódokon lévő pozitív potenciál miatt felgyorsulnak. Ezután a kívánt feszültséget a vezérlőelektródákra kapcsolva tetszés szerint, vízszintesen és függőlegesen is eltéríthetjük az elektronsugarat. Ezt követően az irányított nyaláb a foszfor képernyőre esik, ami lehetővé teszi, hogy a sugár pályájának képét lássuk rajta.
A katódsugárcsövet egy oszcilloszkópnak nevezett műszerben (11. ábra) használják, amelyet elektromos jelek tanulmányozására terveztek, és a kineszkopikus televíziókban, azzal a kivétellel, hogy ott az elektronsugarat mágneses mezők vezérlik.
Rizs. 11. Oszcilloszkóp ()
A következő leckében elemezzük az elektromos áram áthaladását folyadékokban.
Bibliográfia
- Tikhomirova S.A., Yavorsky B.M. Fizika (alapfok) - M.: Mnemozina, 2012.
- Gendenstein L.E., Dick Yu.I. Fizika 10 évfolyam. - M.: Ileksa, 2005.
- Myakishev G.Ya., Sinyakov A.Z., Slobodskov B.A. Fizika. Elektrodinamika. - M.: 2010.
- Physics.kgsu.ru ().
- Cathedral.narod.ru ().
Házi feladat
- Mi az elektronikus kibocsátás?
- Milyen módszerekkel lehet szabályozni az elektronsugarat?
- Hogyan függ a félvezető vezetőképessége a hőmérséklettől?
- Mire használható az indirekt izzószálas elektród?
- *Mi a vákuumdióda fő tulajdonsága? minek köszönhető?
