Физика 9 класс. 1. Физика. Методы познания природы. Физические явления

• Название: 1. Физика. Методы познания природы. Физические явления
• Анкор: Физика 9 класс
• Дата: 13.05.2022
• Размер: 5.42 Mb.
• Имя файла: fizika_90_voprosov.docx
• Тип: Документы; #527598
• страница: 40 из 64

55.Электрический ток в вакууме. Вакуумные приборы.

Вакуум (от лат. vacuum – пустота) – состояние газа при давлении, меньшем атмосферного. Это понятие применяется к газу в замкнутом сосуде или в сосуде, из которого откачивают газ, а часто и к газу в свободном пространстве, например к космосу. Физической характеристикой вакуума есть соотношение между длиной свободного пробега молекул и размером сосуда, между электродами прибора и т.д.

воздух   



Рис.1. Откачивание воздуха из сосуда

Молекулы воздуха, двигаясь хаотически, часто сталкиваются между собой и со стенками сосуда. Между такими столкновениями молекулы пролетают определенные расстояния, которые называются длиной свободного пробега молекул. Понятно, что при откачивании воздуха концентрация молекул (их количество в единице объема) уменьшается, а длина свободного пробега – увеличивается. И вот наступает момент, когда длина свободного пробега становится равной размерам сосуда: молекула движется от стенки к стенке сосуда, практически не встречаясь с другими молекулами. Вот тогда-то и считают, что в сосуде создан вакуум, хотя в нем еще может быть много молекул. Понятно, что в меньших по размерам сосудах вакуум создается при больших давлениях газа в них, чем в больших сосудах. Если продолжать откачивание воздуха из сосуда, то говорят, что в нем создается более глубокий вакуум. При глубоком вакууме молекула может много раз пролететь от стенки к стенке, прежде чем встретится с другой молекулой. Откачать все молекулы из сосуда практически невозможно. Где берутся свободные носители зарядов в вакууме? Если в сосуде создан вакуум, то в нем все же есть немало молекул, некоторые из них могут быть и ионизированы. Но заряженных частичек в таком сосуде для выявления заметного тока мало. Как же получить в вакууме достаточное количество свободных носителей заряда? Если нагреть проводник, пропуская по нему электрический ток или другим способом (рис.2), то часть свободных электронов в металле будет иметь достаточную энергию, чтобы выйти из металла (выполнить работу выхода).

Явление излучения электронов накаленными телами называется термоэлектронной эмиссии.

 Очевидно, достаточно нагреть один из металлических электродов, а именно электрод, соединённый с отрицательным полюсом источника тока. В этом случае электроны, вылетая из нагретого металла, будут притягиваться к положительно заряженному электроду, и в цепи будет протекать ток. Так мы, наконец, подошли к принципу устройства двухэлектродной лампы (диода), широко применяемой в электра - и радиотехнике. 

Рис.4

 Современный диод состоит из стеклянного или металлического баллона (рис.4), из которого тщательно откачивается воздух. В баллон впаяны два электрода, один из которых (катод) изготовляют в виде нити из тугоплавкого металла, обычно вольфрама, которая может разогреваться от источника тока для создания электронного «облачка» в баллоне. Анод диода чаще всего имеет форму цилиндра, внутри которого по оси расположен накаливаемый катод.

 Рассмотренный нами катод – катод прямого накала – применятся редко. Наиболее распространены катоды косвенного подогрева. Они представляют собой полупроводниковый слой, нанесённый на керамическую трубочку. Нагреваются эти катоды с помощью миниатюрной электрической печки (рис.5) – подогревателя. На

(рис.6) показано схематическое изображение диода с катодом прямого (а) и косвенного (б) накала.

     

а) б)

Рис.5 Рис.6

Познакомимся с основными свойствами диода. Для этого составим электрическую цепь из диода, источников напряжения Ua и Uk и гальванометра (рис.7). Коммутатор К2 позволяет создавать между анодом и катодом напряжение (анодное) разной полярности. При замыкании переключателя К2 в положение 1 на анод подается положительный относительно катода потенциал, а при замыкании переключателя К2 в положение 2 – отрицательный.



Рис.7

Если замкнём переключатель К2 в положение 1, то есть сообщим аноду положительный относительно катода потенциал, но не замкнём переключатель К1 (не будем разогревать катод), то тока в цепи не будет даже при больших анодных напряжениях Uа. И это понятно. Температура обоих электродов равна комнатной, термоэлектронная эмиссия катода анода ничтожно мала, и в пространстве между анодом и катодом практически отсутствуют заряженные частицы, движение которых в электрическом поле могло бы создать электрический ток.

Если переключатель К1 замкнуть и разогреть катод, то даже при анодном напряжении Ua=0 в цепи анода будет протекать незначительной силы ток I0. Возникновение этого тока можно объяснить так. При высокой температуре катода большой будет и эмиссия электронов из него. Наиболее быстрые электроны, вылетевшие из катода, долетают до анода, создавая в цепи анодный ток. Если аноду сообщить небольшой отрицательный потенциал относительно катода (переключатель К2 в положении 2), то сила анодного тока уменьшается, поскольку в этом случае электроны должны преодолевать тормозящее поле между анодом и катодом. При определённом анодном напряжении U1 даже наиболее быстрые электроны не могут преодолеть тормозящее поле и сила анодного тока равна нулю.Сообщим теперь аноду положительный относительно катода потенциал (переключатель К2 в положении 1). В этом случае электрическое поле между анодом и катодом содействует движению электронов к аноду, но при этом нарушается динамическое равновесие между вылетом из катода и возвращением в него электронов и эмиссия усиливается. Зависимость между силой тока в диоде и анодным напряжением можно изобразить графически

 Ia

 Iн -----------------------------------


Рис.8 U1 а U2 U3 Uн Uа  

Кривая, показывающая зависимость силы тока в диоде от анодного напряжения, называется вольтамперной характеристикой диода. По мере увеличения анодного напряжения всё большее число вылетающих из катода электронов увлекается электрическим полем и сила анодного тока резко возрастает до тех пор, пока напряжение не достигнет такого значения Uн, при котором все вылетающие из катода за единицу времени электроны будут перемещаться полем к аноду. Сила анодного тока достигает максимального значения Iн, которое называют силой тока насыщения диода, и дальнейшее увеличение анодного напряжения не ведёт к увеличению силы анодного тока. Анодное напряжение Uн получило название напряжения насыщения.

При напряжении Uа = 0 сила тока Iо очень мала, значительно меньше силы тока насыщения, поэтому считают, что вольтамперная характеристика проходит через начало координат, то есть пренебрегают силой тока Iо: тогда при Ua = 0 и I0 = 0.

Обратите внимание, что вольтамперная характеристика диода нелинейная, как это имеет место в случае металлических проводников. Сопротивление диода, найденное как частное от деления анодного напряжения на силу тока, при разных анодных напряжениях будет разным и не может служить параметром диода. Таким образом, электронная лампа является примером проводника, для которого не выполняется закон Ома.

Поскольку накаливаемый диод лампы испускает электроны, а не положительные ионы, диод проводит ток только в случае сообщения аноду лампы положительного относительно катода потенциала. Если же аноду сообщить отрицательный потенциал, то термоэлектроны будут отталкиваться от отрицательно заряженного анода и притягиваться к положительно заряженному катоду и ток через лампу не идет – лампа запирается. Это означает, что лампа обладает односторонней проводимостью. Односторонняя проводимость диода широко используется в технике для выпрямления переменного тока.

Вакуумный триод

Для улучшения действия электронной лампы в нее вводят до­полнительные сетки. Лампу с двумя сетками называют тетродом (т. е. четырехэлектродной), с тремя — пентодом (пятиэлектродной). Появление электронных ламп разнообразных устройств, основанных на их применении, сыграли огромную роль в развитии радио. Триод также применяют, как генератор электрических колебаний. Потоком электронов, движущихся в электронной лампе от катода к аноду можно управлять с помощью электрических и магнитных полей. Простейшим электровакуумным прибором, в котором осуществляется управление потоком электронов с помощью электрического поля, является триод. Баллон, анод и катод вакуумного триода имеют такую же конструкцию, как и у диода, однако на пути электронов от катода к аноду в триоде располагается третий электрод, называемый сеткой. Обычно сетка – это спираль из нескольких витков тонкой проволоки вокруг катода

  Рис.9 Рис.10

Если на сетку подаётся положительный потенциал относительно катода (рис.9), то значительная часть электронов пролетает от катода к аноду, и в цепи анода существует электрический ток. При подаче на сетку отрицательного потенциала относительно катода электрическое поле между сеткой и катодом препятствует движению электронов от катода к аноду (рис.10), анодный ток убывает. Таким образом, изменяя напряжение между сеткой и катодом, можно регулировать силу тока в цепи анода, что и послужило причиной названия сетки управляющей.

Рис. 11. Схема включения триода

Условное графическое обозначение триода показано на рис.11. Промышленность выпускает широкий ассортимент самых разных триодов, а также двойных триодов с общим и раздельными катодами, которые применялись в разной радиоаппаратуре, еще находясь в эксплуатации.

Тетрод – четырехэлектродная лампа

Для уменьшения проходной емкости были созданы четырехэлектродные лампы – тетроды (рис.12). У такой лампы между управляющей сеткой и анодом располагается экранная сетка, которая заземляется по переменному току конденсатором большой емкости. Благодаря этому проходная емкость уменьшается в сотни и тысячи раз. По постоянному току на экранную сетку подается положительное напряжение, примерно такое же что и на анод. Так эта сетка увеличивает притягивающее поле, которым электроны из электронного облака вынуждаются лететь к аноду, и часть летящих к аноду электронов попадает на нее. Образуется ток экранной сетки, составляющий примерно 10...20% от анодного тока, с чем приходится мириться.

 

Рис. 12. Четырехэлектродная лампа – тетрод.

Электронно-лучевая трубка

Электроны, испускаемые нагретым катодом, можно с помощью электрических полей разгонять до высоких скоростей. Пучки электронов, движущихся с большими скоростями, можно использовать для получения рентгеновских лучей, плавки и резки металлов. Способность электронных пучков испытывать отклонения под действием электрических и магнитных полей и вызывать свечение кристаллов используется в электронно-лучевых трубках.

Электронно-лучевая трубка – прибор с одним или несколькими управляемыми электронными пучками. Если электронный пучок попадает на тела, то они нагреваются, что используется для электронного плавления и сварки материалов в вакууме и обеспечивает их сверхвысокую чистоту.

Некоторые вещества под действием электронных пучков светятся, что используется в телевидении, радиолокации, осциллографах и т.п.



Рис.13.