11 класс
§ 13. Электрический ток в вакууме
Электронная эмиссия.
Когда говорят об электрическом токе в вакууме 1, то имеют в виду такую степень разрежения газа, при которой можно пренебречь соударениями между его молекулами. В этом случае средняя длина свободного пробега молекул больше размеров сосуда. Такой разреженный газ является изолятором, так как в нём нет (или почти нет) свободных заряженных частиц.
1 Под вакуумом (от лат. vacuum — пустота) понимают состояние газа при давлении существенно ниже атмосферного. Обычно вакуум создаётся в замкнутых сосудах, где давление может составлять от 100 до 0,1 Па.
На рисунке 2.28 изображена схема цепи, содержащей сосуд, из которого откачан воздух. В этот сосуд впаяны два электрода, один из которых (анод А) соединён с положительным полюсом источника тока (батарея Gl), другой (катод К) — с отрицательным.
Несмотря на достаточно большое напряжение, которое обеспечивает источник тока (около 100 В), чувствительный гальванометр, включённый в цепь, не фиксирует тока. Следовательно, в вакууме отсутствуют свободные носители заряда. Таким образом, электрический ток в вакууме будет существовать, если ввести в сосуд свободные носители заряда. Как это осуществить?
Наиболее просто проводимость межэлектродного промежутка в вакууме можно обеспечить с помощью электронной эмиссии с поверхности электродов. Например, в результате термоэлектронной эмиссии электроны испускаются с поверхности достаточно нагретого металла. Это же может происходить и при воздействии на поверхность металла электромагнитным излучением. Такое явление называется фотоэлектронной эмиссией. И наконец, с поверхности металла испускаются электроны при бомбардировке её быстрыми электронами. Это вторичная электронная эмиссия. Отметим, что электронная эмиссия возникает в тех случаях, когда часть электронов металла (электрода) приобретает в результате внешних воздействий энергию, достаточную для преодоления их связи с металлом (для совершения работы выхода электронов 2 Авых).
2 Работу выхода электронов обычно измеряют в электрон вольтах (эВ). 1 эВ — это работа, которую совершает электрическое поле над электроном, который проходит разность потенциалов в 1 В. 1 эВ ≈ 1,6 • 10 -19 Дж.
Исследования физических явлений опытным путём
Обсудим, как можно получить электрический ток в вакууме, используя термоэлектронную эмиссию. Рассмотрим схему цепи, изображённую на рисунке 2.29.
В качестве катода в вакуумном баллоне впаяна вольфрамовая нить, концы которой выведены наружу и присоединены к источнику тока — батарее накала G2. Замкнём ключ S2 и, когда вольфрамовая нить накалится, замкнём и ключ Sl. Стрелка прибора при этом отклонится, в цепи появился ток. Тем самым накалённая нить обеспечивает появление необходимых для существования тока носителей заряда — заряженных частиц. C помощью опыта нетрудно убедиться, что эти частицы заряжены отрицательно.
Изменим полярность анодной батареи Gl — нить станет анодом, а холодный электрод — катодом (рис. 2.30).
И хотя нить накалена и испускает в вакуум заряженные частицы, тока в цепи нет. Из этого опыта следует, что частицы, испускаемые накалённой нитью, заряжены отрицательно — отталкиваются от холодного катода и притягиваются к аноду. Измерением заряда и массы было доказано, что катод испускает электроны.
Электрический ток в вакууме представляет собой направленный поток электронов.
Вакуумный диод.
Устройства, основанные на применении явления термоэлектронной эмиссии, называют электронными лампами. Простейшим типом электронных ламп является двухэлектродная лампа 3 — диод прямого накала.
3 Отметим, что существуют трёхэлектродные электронные лампы — триоды. Баллон, анод и катод вакуумного триода имеют такую же конструкцию, как у диода. Но на пути электронов от катода к аноду в триоде расположен третий электрод — сетка. Она позволяет управлять анодным током лампы. Триоды применяют в различных радиотехнических устройствах: усилителях, генераторах и т. д.
Он представляет собой вакуумированный баллон, в котором находятся два электрода: вольфрамовая нить К, являющаяся источником электронов (катод), и металлический полуцилиндр А (анод), окружающий катод (рис. 2.31, а).
В других типах ламп анод может быть замкнутым цилиндром, который расположен не горизонтально, как на рисунке 2.31, а, а вертикально. В этом случае и катод, совпадающий с осью анода, тоже расположен вертикально. Условное обозначение диода показано на рисунке 2.31, б. В лампах прямого накала нить накала из вольфрама одновременно является катодом. Для получения значительной эмиссии нить нагревают до температуры около 2000—2500 К.
В настоящее время диоды прямого накала почти не применяются. Вместо них используют диоды с подогревным катодом, которые относятся к лампам с косвенным накалом. В лампах с косвенным накалом катод представляет собой никелевую трубочку, покрытую слоем оксидов щёлочноземельных металлов — бария, стронция, кальция. Такой катод называют оксидным. Работа выхода электронов с поверхности оксидного катода в несколько раз меньше, чем с поверхности вольфрама. Это позволяет снизить температуру накала до 1000 К. Подогрев катода обеспечивается небольшой спиралью, расположенной внутри трубочки (рис. 2.32, а).
Условное обозначение диода с подогревным катодом изображено на рисунке 2.32, б.
Для получения вольт-амперной характеристики вакуумного диода можно воспользоваться цепью, схема которой изображена на рисунке 2.33.
В отличие от вольт-амперной характеристики металлического проводника, эта характеристика нелинейная (рис. 2.34).
Следовательно, электронная лампа представляет собой проводник, для которого не выполняется закон Ома.
Если катод не покрыт оксидным слоем, то при достаточно большом анодном напряжении все электроны, покинувшие катод, достигают анода, и при дальнейшем увеличении напряжения сила тока не изменяется. Такой ток называется током насыщения Iн (штриховая линия на рисунке 2.34). При повышении температуры катода (это можно сделать, увеличив при помощи реостата силу тока в цепи накала) сила тока насыщения возрастает (см. рис. 2.34).
Важным свойством вакуумного диода является его односторонняя проводимость: электроны в нём движутся от раскалённого катода к аноду. Обратное направление тока невозможно. Приборы, обладающие свойством проводить ток только в одном направлении, используют для выпрямления переменного тока.
Электронные пучки. Электронно-лучевая трубка.
Электронные пучки представляют собой направленные потоки быстро движущихся электронов. Электронные пучки отклоняются электрическим полем. Проходя между пластинами заряженного конденсатора, электроны отклоняются от отрицательно заряженной пластины к положительно заряженной. Электронные пучки отклоняются также в магнитном поле. Пролетая над северным полюсом магнита, электроны отклоняются влево, а пролетая над южным полюсом — вправо.
Возможность управления электронным пучком с помощью электрического или магнитного поля и свечение под действием пучка покрытого люминофором 4 экрана используются в электронно-лучевой трубке. Её устройство показано на рисунке 2.35.
4 Люминофоры — вещества (стекло, сульфиды цинка и кадмия), которые при бомбардировке их электронами, светятся.
Трубка представляет собой вакуумный баллон, изготовленный в виде колбы, расширенной с одной стороны. Расширенное дно колбы покрыто люминофором и образует экран трубки. В узком конце трубки помещён источник быстрых электронов — электронная пушка. Она состоит из накаливаемого оксидного катода К (рис. 2.36) и трёх коаксиальных цилиндров: управляющего электрода (сетки) М, первого анода А1 и второго анода А2.
Электроны испускаются нагретым оксидным слоем торца цилиндрического катода и проходят через отверстие в цилиндрическом управляющем электроде (он регулирует число электронов в пучке).
После электронной пушки сфокусированный электронный пучок на пути к экрану проходит последовательно между двумя парами управляющих пластин. Если электрического ноля 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.
Малая масса электронов в электронном пучке обеспечивает малую инерционность электронно-лучевой трубки: электронный пучок практически мгновенно реагирует на изменение напряжения на управляющих пластинах.
Нa этом свойстве электронных пучков основано действие электроннолучевой трубки в электронном осциллографе — приборе, который применяют для исследования быстропеременных процессов в электрических цепях (рис. 2.37).
Вопросы:
1. Движением каких заряженных частиц обусловлен ток в вакууме?
2. Какое явление называют эмиссией электронов? Какие виды эмиссии электронов вам известны?
3. Сравните? условия возникновения тока в металлических проводниках и в вакууме.
4. Что называют работой выхода электронов?
5. Опишите устройство и принцип действия:
а) вакуумного диода;
б) электронно-лучевой трубки.
6. Каким важным свойством обладают вакуумные диоды?
Вопросы для обсуждения:
Будет ли работать радиолампа с разбитым стеклом в космосе?
Пример решения задачи
В электронно-лучевой трубке ускоряющее анодное напряжение равно 16 кВ, а расстояние от анода до экрана — 30 см. За какое время электроны проходят это расстояние? Начальную скорость электронов считать равной нулю.
где Ua — ускоряющее анодное напряжение.
Согласно теореме о кинетической энергии, ΔEk = А.
Учитывая, что υ0 = 0, запишем
Расстояние l от анода до экрана электрон, двигаясь равномерно со скоростью υ, преодолевает за время t = l / υ.
Учитывая выражение для скорости электрона, запишем:
Подставляя числовые данные, получим
Ответ: t ≈ 4 ∙ 10 -9 с.
Упражнения:
1. Максимальная анодная сила тока в диоде равна 50 мА. Сколько электронов вылетает из катода каждую секунду?
2. В диоде электрон подлетает к аноду со скоростью, модуль которой равен 8 ∙ 106 м/с. Определите анодное напряжение.
3. В диоде электроны ускоряются до энергии 100 эВ. Чему равен модуль их минимальной скорости движения у анода лампы?
4. Расстояние между катодом и анодом диода равно 1 см. Сколько времени движется электрон от катода к аноду при анодном напряжении, равном 440 В? Движение электрона считать равноускоренным.
Это любопытно...
Из истории развития физики и техники
В 1879 г. знаменитый американский изобретатель Томас Алва Эдисон (1847—1931) продемонстрировал лампу накаливания с угольной нитью. Лампа горела в течение 40 ч, питаясь от специальной высоковольтной динамо-машины. Совершенствуя свою лампу, Эдисон пытался устранить такой её дефект, как внутреннее почернение колбы, вызывающее потерю до 50% светового потока.
Он предположил, что внутри лампы происходит электрический разряд и что осадок на её внутренней поверхности образуется в результате рассеяния заряженных частиц угольной пыли, отрывающихся от раскалённой нити. Если ввести внутрь колбы дополнительный положительно заряженный электрод, такие заряженные частицы будут им притягиваться. При этом Эдисон обнаружил появление электрического тока в цепи. Так было открыто явление термоэлектронной эмиссии, названное в ту пору эффектом Эдисона. Этот эффект получил исчерпывающее объяснение после открытия английским физиком Джозефом Джоном Томсоном (1856—1940) электронов (1897) как результат их эмиссии накалёнными металлами.
В 1904 г. английский учёный Джон Флеминг (1849— 1945), изучая эффект Эдисона, предложил первую электронную лампу — вакуумный диод (рис. 2.38).
Это устройство стало первым электронным детектором радиоволн, преобразующим радиосигналы переменного тока в постоянный ток. В 1907 г. американский инженер Ли де Форест (1873—1961) изобрёл трёхэлектродную электронную лампу — аудион (позднее известный как триод; рис. 2.39), которая позволила усиливать электрические сигналы, подводимые к третьему электроду — управляющей сетке.
Разработки первых электронных ламп ознаменовали зарождение вакуумной электроники.
