До того, як в радіотехніці стали використовувати напівпровідникові прилади, всюди використовувалися електронні лампи.

поняття вакууму

Електронна лампа була запаяний з обох кінців скляний тубус, в одному боці якого розташовувався катод, а в іншому анод. З тубуса відправлялися газ до такого стану, при якому молекули газу могли пролетіти від однієї стінки до іншої і при цьому не зіткнутися. Такий стан газу називається вакуум. Іншими словами вакуум - це сільноразреженний газ.

В таких умовах провідність всередині лампи можна забезпечити тільки шляхом введення всередину джерела заряджених частинок. Для того, щоб усередині лампи з'явилися заряджені частинки користувалися такою властивістю тіл, як термоелектронна емісія.

Термоелектронна емісія - це явище випускання тілом електронів, під дією високої температури. У дуже багатьох речовин термоелектронна емісія починається при температурах, при яких ще не може початися випаровування самого речовини. У лампах з таких речовин робили катоди.

Електричний струм у вакуумі

Катод потім нагрівали, внаслідок чого він починав постійно випускати електрони. Ці електрони утворювали навколо катода електронну хмару. При підключенні до електродів джерела живлення, між ними виникала електричне поле.

При цьому, якщо позитивний полюс джерела з'єднати з анодом, а негативний з катодом, то вектор напруженості електричного поля буде направлений в сторону катода. Під дією цієї сили, деякі електрони вириваються з електронної хмари і починають рухатися до анода. Тим самим вони створюють електричний струм всередині лампи.

Якщо ж підключити лампу інакше, позитивний полюс з'єднати з катодом, а негативний з анодом, то напруженість електричного поля буде направлена ​​від катода до анода. Це електричне поле буде відштовхувати електрони назад до катода, і провідності не буде. Ланцюг залишиться розімкнутої. Це властивість отримало назву односторонньої провідності.

вакуумний діод

Раніше одностороння провідність широко використовувалася в електронних приладах з двома електродами. Такі прилади називалися вакуумними діодами. Вони виконували свого часу роль, яку виконують зараз напівпровідникові діоди.

Найчастіше використовувалися для випрямлення електричного струму. В даний момент вакуумні діоди практично ніде не застосовуються. Замість них все прогресивне людство використовує напівпровідникові діоди.

Будь-ток з'являється тільки при наявності джерела з вільними зарядженими частинками. Це пов'язано з тим, що в вакуумі відсутні будь-які речовини, в тому числі і електричні заряди. Тому вакуум вважається найкращим. Для того, щоб в ньому стало можливим проходження електричного струм а, потрібно забезпечити наявність в достатній кількості вільних зарядів. У цій статті ми розглянемо що являє собою електричний струм у вакуумі.

Як електричний струм може з'явитися в вакуумі

Для того, щоб створити в вакуумі повноцінний електричний струм, необхідно використовувати таке фізичне явище, як термоелектронна емісія. Вона заснована на властивості будь-якого певного речовини випускати при нагріванні вільні електрони. Такі електрони, що виходять з нагрітого тіла, отримали назву термоелектронів, а все тіло цілком називається емітером.

Термоелектронна емісія лежить в основі роботи вакуумних приладів, більш відомих, як електронні лампи. У найпростішої конструкції міститься два електроди. Один з них катод, являє собою спіраль, матеріалом якої служить молібден або вольфрам. Саме він розжарюється електричним ток му. Другий електрод називається анодом. Він знаходиться в холодному стані, виконуючи завдання по збору термоелектронів. Як правило, анод виготовляється у формі циліндра, а всередині його розміщується нагрівається катод.

Застосування ток а в вакуумі

У минулому столітті електронні лампи відігравали провідну роль в електроніці. І, хоча, їх давно вже замінили напівпровідникові прилади, принцип роботи цих пристроїв застосовується в електронно-променевих трубках. Даний принцип використовується при зварювальних і плавильних роботах в вакуумі та інших областях.

Таким чином, однією з різновидів ток а, є електронний по струм, що протікає в вакуумі. При прожарюванні катода, між ним і анодом з'являється електричне поле. Саме воно надає електронам певний напрям і швидкість. За цим принципом працює електронна лампа з двома електродами (діод), яка широко застосовується в радіотехніці і електроніці.

Пристрій сучасного являє собою балон зі скла або металу, звідки попередньо відкачано повітря. Всередину цього балона впаюються два електроди катод і анод. Для посилення технічних характеристик встановлюються додаткові сітки, за допомогою яких збільшується по ток електронів.

На цьому уроці ми продовжуємо вивчення протікання струмів в різних середовищах, конкретно, в вакуумі. Ми розглянемо механізм утворення вільних зарядів, розглянемо основні технічні прилади, що працюють на принципах струму в вакуумі: діод і електронно-променева трубка. Також зазначимо основні властивості електронних пучків.

Результат досвіду пояснюється наступним чином: в результаті нагрівання метал зі своєї атомної структури починає випускати електрони, за аналогією випускання молекул води при випаровуванні. Розігрітий метал оточує електронну хмару. Таке явище називається термоелектронної емісією.

Мал. 2. Схема досвіду Едісона

Властивість електронних пучків

У техніці дуже важливе значення має використання так званих електронних пучків.

Визначення.Електронний пучок - потік електронів, довжина якого багато більше його ширини. Отримати його досить просто. Досить взяти вакуумну трубку, по якій проходить струм, і виконати в аноді, до якого і йдуть розігнані електрони, отвір (так звана електронна гармата) (рис. 3).

Мал. 3. Електронна гармата

Електронні пучки мають ряд ключових властивостей:

В результаті наявності великої кінетичної енергії вони мають теплову дію на матеріал, в який врізаються. Дана властивість застосовується в електронній зварюванні. Електронна зварювання необхідна в тих випадках, коли важливо збереження чистоти матеріалів, наприклад, при зварюванні напівпровідників.

• При зіткненні з металами електронні пучки, сповільняться, випромінюють рентгенівське випромінювання, яке застосовується в медицині і техніці (рис. 4).

Мал. 4. Знімок, зроблений за допомогою рентгенівського випромінювання ()

• При попаданні електронного пучка на деякі речовини, що називаються люминофорами, відбувається світіння, що дозволяє створювати екрани, які допомагають стежити за переміщенням пучка, звичайно ж, невидимого неозброєним оком.
• Можливість управляти рухом пучків за допомогою електричних і магнітних полів.

Слід зазначити, що температура, при якій можна добитися термоелектронної емісії, не може перевищувати тієї температури, при якій відбувається руйнування структури металу.

На перших порах Едісон використав наступну конструкцію для отримання струму в вакуумі. У вакуумну трубку з одного боку містився провідник, включений в ланцюг, а з іншого боку - позитивно заряджений електрод (див. Рис. 5):

Мал. 5

В результаті проходження струму по провіднику він починає нагріватися, еміссіруя електрони, які притягуються до позитивного електрода. Зрештою, виникає спрямований рух електронів, що, власне, і є електричним струмом. Однак кількість таким чином випускаються електронів занадто мало, що дає занадто малий струм для будь-якого використання. З цією проблемою можна впоратися додаванням ще одного електрода. Такий електрод негативного потенціалу називається електродом непрямого розжарювання. З його використанням кількість рухомих електронів в рази збільшується (рис. 6).

Мал. 6. Використання електрода непрямого розжарювання

Варто відзначити, що провідність струму в вакуумі така ж, як і у металів - електронна. Хоча механізм появи цих вільних електронів зовсім інший.

На основі явища термоелектронної емісії був створений прилад під назвою вакуумний діод (рис. 7).

Мал. 7. Позначення вакуумного діода на електричній схемі

вакуумний діод

Розглянемо докладніше вакуумний діод. Існує два різновиди діодів: діод з ниткою розжарювання і анодом і діод з ниткою розжарювання, анодом і катодом. Перший називається діодом прямого напруження, другий - непрямого напруження. В техніці застосовується як перший, так і другий тип, однак діод прямого напруження має такий недолік, що при нагріванні опір нитки змінюється, що тягне за собою зміну струму через діод. А так як для деяких операцій з використанням діодів необхідний зовсім незмінний струм, то доцільніше використовувати другий тип діодів.

В обох випадках температура нитки розжарювання для ефективної емісії повинна дорівнювати .

Діоди використовуються для випрямлення змінних струмів. Якщо діод використовується для перетворення струмів промислового значення, то він називається кенотроном.

Електрод, розташований поблизу випускає електрони елемента, називається катодом (), інший - анодом (). При правильному підключенні при збільшенні напруги зростає сила струму. При зворотному ж підключенні ток йти не буде взагалі (рис. 8). Цим вакуумні діоди вигідно відрізняються від напівпровідникових, в яких при зворотному включенні струм хоч і мінімальний, але є. Завдяки цій властивості вакуумні діоди використовуються для випрямлення змінних струмів.

Мал. 8. Вольтамперная характеристика вакуумного діода

Іншим приладом, створеним на основі процесів протікання струму в вакуумі, є електричний триод (рис. 9). Його конструкція відрізняється від диодной наявністю третього електрода, званого сіткою. На принципах струму в вакуумі заснований також такий прилад, як електронно-променева трубка, що становить основну частину таких приладів, як осцилограф і лампові телевізори.

Мал. 9. Схема вакуумного тріода

Електронно-променева трубка

Як вже було сказано вище, на основі властивостей поширення струму в вакуумі було сконструйовано таке важливе пристрій, як електронно-променева трубка. В основі своєї роботи вона використовує властивості електронних пучків. Розглянемо будову цього приладу. Електронно-променева трубка складається з вакуумної колби, що має розширення, електронної гармати, двох катодів і двох взаємно перпендикулярних пар електродів (рис. 10).

Мал. 10. Будова електронно-променевої трубки

Принцип роботи наступний: вилетіли внаслідок термоелектронної емісії з гармати електрони розганяються завдяки позитивному потенціалу на анодах. Потім, подаючи бажане напруга на пари керуючих електродів, ми можемо відхиляти електронний пучок, як нам хочеться, по горизонталі та по вертикалі. Після чого спрямований пучок падає на люмінофорний екран, що дозволяє нам бачити на ньому зображення траєкторії пучка.

Електронно-променева трубка використовується в приладі під назвою осцилограф (рис. 11), призначеному для дослідження електричних сигналів, і в кінескопіческіх телевізорах за тим лише винятком, що там електронні пучки управляються магнітними полями.

Мал. 11. Осцилограф ()

На наступному уроці ми розберемо проходження електричного струму в рідинах.

Список літератури

1. Тихомирова С.А., Яворський Б.М. Фізика (базовий рівень) - М .: Мнемозина, 2012.
2. Генденштейн Л.Е., Дік Ю.І. Фізика 10 клас. - М .: Ілекса, 2005.
3. Мякішев Г.Я., Синяков А.З., Слобідська Б.А. Фізика. Електродинаміка. - М .: 2010 року.

1. Physics.kgsu.ru ().
2. Cathedral.narod.ru ().

Домашнє завдання

1. Що таке електронна емісія?
2. Які є способи управління електронними пучками?
3. Як залежить провідність напівпровідника від температури?
4. Для чого використовується електрод непрямого напруження?
5. * У чому основна властивість вакуумного діода? Чим воно обумовлено?

Найважливішими приладами в електроніці першої половини ХХ ст. були електронні лампи, в яких використовувався електричний струм у вакуумі. Однак їм на зміну прийшли напівпровідникові прилади. Але і сьогодні струм у вакуумі використовується в електронно-променевих трубках, при вакуумному плавленні і зварці, в тому числі в космосі, і в багатьох інших установках. Це і визначає важливість вивчення електричного струму у вакуумі.

вакуум (Від лат.vacuum- порожнеча) - стан газу при тиску, меншому атмосферного. Це поняття застосовується до газу в замкнутій посудині або в посудині, з якої відкачують газ, а часто і до газу у вільному просторі, наприклад до космосу. Фізичною характеристикою вакууму є співвідношення між довжиною вільного пробігу молекул і розміром судини, між електродами приладу і т.д.

Рис.1. Відкачування повітря з судини

Коли йдеться про вакуум, то чомусь вважають, що цей зовсім порожній простір. Насправді ж це не так. Якщо з якої-небудь судини відкачувати повітря (рис.1 ), То кількість молекул в ньому з часом буде зменшуватися, хоча всі молекули з судини видалити неможливо. Так коли ж можна вважати, що в судині створений вакуум?

Молекули повітря, рухаючись хаотично, часто стикаються між собою і зі стінками посудини. Між такими зіткненнями молекули пролітають певні відстані, які називаються завдовжки вільного пробігу молекул. Зрозуміло, що при відкачуванні повітря концентрація молекул (їх кількість в одиниці об'єму) зменшується, а довжина вільного пробігу - збільшується. І ось настає момент, коли довжина вільного пробігу стає рівною розмірам судини: молекула рухається від стінки до стінки судини, практично не зустрічаючись з іншими молекулами. Ось тоді-то і вважають, що в судині створений вакуум, хоча в ньому ще може бути багато молекул. Зрозуміло, що в менших за розмірами судинах вакуум створюється при великому тиску газу в них, ніж у великих судинах.

Якщо продовжувати відкачування повітря з посудини, то кажуть, що в ньому створюється більш глибокий вакуум. При глибокому вакуумі молекула може багато разів пролетіти від стінки до стінки, перш ніж зустрінеться з іншою молекулою.

Відкачати все молекули з судини практично неможливо.

Де беруться вільні носії зарядів у вакуумі?

Якщо в судині створений вакуум, то в ньому все ж є чимало молекул, деякі з них можуть бути і іонізовані. Але заряджених частинок в такій судині для виявлення помітного струму мало.

Як же отримати у вакуумі достатню кількість вільних носіїв заряду? Якщо нагрівати провідник, пропускаючи по ньому електричний струм або іншим способом (рис.2 ), То частина вільних електронів в металі матиме достатню енергію, щоб вийти з металу (виконати роботу виходу). Явище випромінювання електронів розжареними тілами називається термоелектронної емісії.

Мал. 2. Випромінювання електронів розжареним провідником

Електроніка та радіо майже ровесники. Правда, спочатку радіо обходилося без своєї однолітки, але пізніше електронні прилади сталі матеріальною основою радіо, або, як кажуть, його елементарною базою.

Початок електроніки можна віднести до 1883 року, коли знаменитий Томас Альфа Едісон, намагаючись продовжити термін служби освітлювальної лампи з вугільною ниткою розжарювання, ввів в балон лампи, з якої відкачано повітря, металевий електрод.

Саме цей досвід привів Едісона до його єдиного фундаментально-наукового відкриття, яке лягло в основу всіх електронних ламп і всієї електроніки до транзисторного періоду. Відкрите ним явище згодом отримало назву термоелектронної емісії.

Зовні досвід Едісона виглядав досить просто. До висновку електроду і одному з висновків розжареної електричним струмом нитки він під'єднав батарею і гальванометр.

Стрілка гальванометра відхилялася всякий раз, коли до електроду під'єднувався плюс батареї, а до нитки - мінус. Якщо полярність мінялася, то струм в ланцюзі припинявся.

Едісон оприлюднив цей ефект і отримав патент на відкриття. Правда, роботу свою він, як то кажуть, до пуття не довів і фізичну картину явища не пояснив. В цей час електрон ще не був відкритий, а поняття "термоелектронна емісія", природно, могло з'явитися лише після відкриття електрона.

Ось у чому її суть. В розжареній металевій нитці швидкість руху і енергія електронів підвищуються настільки, що вони відриваються від поверхні нитки і вільним потоком спрямовуються в оточуюче її простір. Вириваються з нитки електрони можна уподібнити ракетам, що подолали силу земного тяжіння. Якщо до електроду буде приєднаний плюс батареї, то електричне поле всередині балона між ниткою розжарювання і електродом спрямує до нього електрони. Тобто всередині лампи потече електричний струм.

Потік електронів у вакуумі є різновидом електричного струму. Такий електричний струм у вакуумі можна отримати, якщо в посудину, звідки ретельно відкачується повітря, помістити нагрівається катод, що є джерелом "випаровуються", і анод. Між катодом і анодом створюється електричне поле, що повідомляє електрони швидкості в певному напрямку.

В трубках телевізорів, радіолампах, установках для плавлення металів електронним променем, багатьох інших установках електрони рухаються у вакуумі. Яким чином отримують потоки електронів у вакуумі? Як управляють цими потоками?

рис.3

Ми знаємо, що в металах є електрони провідності. Середня швидкість руху цих електронів залежить від температури металу: вона тим більше, чим вище температура. Розташуємо в вакуумі на деякій відстані один від одного два металеві електроди (рис.3 ) І створимо між ними певну різницю потенціалів. Струму в колі не буде, що свідчить про відсутність в просторі між електродами вільних носіїв електричного заряду. Отже, в металах є вільні електрони, але вони утримуються усередині металу і при звичайних температурах практично

не можуть виходити з нього. Для того щоб електрони змогли вийти за межі металу (аналогічно вильоту молекул за межі рідини при її випаровуванні), вони повинні подолати сили електричного тяжіння з боку надлишку позитивного заряду, що виник в металі унаслідок вильоту електронів, а також сил відштовхування з боку електронів, які вилетіли раніше і утворили поблизу поверхні металу електронну "хмарку". Інакше кажучи, щоб вилетіти з металу у вакуум, електрон повинен виконати певну роботуАпроти цих сил, природно, різну для різних металів. Цю роботу називаютьроботою виходу електронів з металу. Робота виходу виконується електронами за рахунок їх кінетичної енергії. Тому ясно, що повільні електрони вирватися з металу не можуть, а вириваються тільки ті, кінетична енергія якихЕ до перевищує роботу виходу, тобтоЕ до ≥ А. Вихід вільних електронів з металу називаютьемісією електронів .

Для того щоб існувала емісія електронів, необхідно повідомити електронам провідності металів кінетичну енергію, достатню для виконання роботи виходу. Залежно від способу повідомлення електронам необхідної кінетичної енергії бувають різні типи електронної емісії. Якщо енергія повідомляються електрони провідності за рахунок бомбардування металу ззовні якимись іншими частинками (електронами, іонами), має місцевторинна електронна емісія . Емісія електронів може відбуватися під впливом опромінення металу світлом. У цьому випадку спостерігаєтьсяфотоемісія , абофотоелектричний ефект . Можливо також виривання електронів з металу під дією сильного електричного поля -автоелектронна емісія . Нарешті, електрони можуть придбавати кінетичну енергію за рахунок нагрівання тіла. У цьому випадку говорять протермоелектронної емісії .

Розглянемо докладніше явище термоелектронної емісії і його застосування.

При звичайних температурах мізерне число електронів може володіти кінетичної енергією, порівнянною з роботою виходу електронів з металу. З підвищенням температури число таких електронів росте і при нагріванні металу до температур порядку 1000 - 1500 градусів вже значне число електронів матиме енергію, що перевищує роботу виходу з металу. Саме ці електрони можуть вилетіти з металу, але вони не віддаляються від його поверхні, оскільки метал при цьому заряджає позитивно і притягає електрони. Тому біля нагрітого металу створюється "хмарка" електронів. Частина електронів з цієї "хмарки" повертається назад в метал, і в той же час з металу вилітають нові електрони. При цьому між електронним "газом" і електронною "хмаркою" встановлюється динамічна рівновага, коли число електронів, що вилітають за певний час з металу, порівнюється з числом електронів, які за той же час повертаються з "хмарки" в метал.