Фізика. Профільний рівень. 11 клас. Засєкіна

§ 11. Електричний струм у вакуумі

Електричний струм у вакуумі. Як ми знаємо, щоб існував електричний струм, необхідні вільні носії електричного заряду. Що ж є носієм заряду у вакуумі? Як відомо, вакуум (від лат. vacuum — порожнеча), тому за одним із визначень, вакуум — це розріджений стан газу за тиску, меншого від атмосферного. Вакуум є ізолятором, оскільки не має вільних носіїв заряду.

Розглянемо посудину, в якій створено високий вакуум — стан газу, за якого довжина вільного пробігу молекул (відстань, яку пролітає молекула між зіткненнями) перебільшує розміри посудини. У посудині містяться дві металеві пластини — електроди — катод і анод. Один із цих електродів може стати джерелом вільних електронів, якщо їм надати додаткової енергії, достатньої для виконання роботи виходу з металу. Процес випускання електронів з поверхні металу називають емісією. Емісія за певних умов настає за освітлення металу (зовнішній фотоефект), нагрівання (термоелектронна емісія), під дією сильного електричного поля (автоелектронна емісія), за бомбардування поверхні металу потоком електронів у вакуумі (вторинна електронна емісія) тощо. Проте електрони, вирвавшись за межі електрода, далеко від його поверхні відлетіти не можуть, оскільки, втрачаючи електрони, електрод сам одночасно заряджається позитивно й притягує їх назад. Між «електронною хмаринкою» над металом та «електронним газом» у металі встановлюється динамічна рівновага. Якщо ж тепер катод з’єднати з негативним полюсом джерела струму, а анод — з позитивним, то електрони будуть рухатися від катода до анода, і в посудині виникне електричний струм.

Прилади, в яких використовувався електричний струм у вакуумі (електронні лампи (вакуумні діоди та тріоди), електронно-променеві трубки та ін.), активно використовували в електротехніці в першій половині ХХ ст. (мал. 60).

Мал. 60. Прилади, де використовується електричний струм у вакуумі: а — вакуумний діод Флемінга (1904); б — кінескоп телевізора (50-ті роки ХХ ст.); в — кінескоп монітора комп’ютера (90-ті роки ХХ ст.)

На сьогодні на зміну електронним лампам прийшли напівпровідникові прилади, електронно-променевим трубкам — рідкокристалічні екрани, проте вивчення закономірностей електричного струму у вакуумі залишається важливим, оскільки він і сьогодні використовується, наприклад, для вакуумного плавлення та зварювання, у вакуумних фотоелементах.

Розглянемо детальніше струм у вакуумі, створений завдяки термоелектронній емісії (на прикладі вакуумного діода).

Мал. 61. Будова й умовне позначення вакуумного діода

На малюнку 61 наведено схему будови вакуумного діода та його умовне позначення на радіосхемах. Усередині балона зі скла або металокераміки, з якого відкачано повітря, розміщено два циліндричні електроди: металевий анод (А) і металевий катод (К). Розміщена в його середині спіраль (С) нагрівається електричним струмом і спричинює термоелектронну емісію електронів з катодів. Навколо катода утворюється електронна хмара — хмара просторового заряду.

Якщо підключити катод до позитивного полюса батареї, а анод — до негативного, то поле всередині діода зміщуватиме електрони до катода, і струму не буде. Якщо ж навпаки — анод підключити до плюса, а катод до мінуса, то електричне поле переміщуватиме електрони в напрямку від катода до анода (анодний струм). Цим пояснюється властивість односторонньої провідності діода, яку використовують у випрямлячах змінного струму (коли треба перейти від змінного струму до постійного). Тепер у випрямлячах використовують напівпровідникові діоди.

Мал. 62. Вольт-амперна характеристика вакуумного діода

Властивості вакуумного діода, як і будь-якого приладу, відображає його вольт-амперна характеристика (мал. 62) — залежність величини анодного струму через діод І_a від прикладеної напруги U між катодом і анодом. Основна причина нелінійності вольт-амперної характеристики вакуумного діода в тому, що катод випускає вільні електрони в обмеженій кількості. До того ж на рух електронів, крім поля між анодом і катодом, істотно впливає поле просторового заряду електронної хмари. Що вищою буде напруга між анодом і катодом, то меншим буде просторовий заряд електронної хмари й більша кількість електронів досягне анода, а отже, більшою буде сила струму в колі. Якщо за деякої напруги всі електрони, що покинули катод, досягають анода, то з подальшим збільшенням напруги сила струму практично не змінюється. Струм досягає насичення.

Якщо підвищити температуру катода, то більша кількість електронів буде залишати катод. Електронна хмара навколо нього стане щільнішою. Струм насичення буде досягнуто за більшої напруги між анодом і катодом, а сила струму насичення зросте.

Електронні пучки та їх властивості. Рухаючись між катодом і анодом, електрони прискорюються електричним полем і набувають величезної швидкості, досягаючи 10⁸ м/с і більше. У спеціально побудованих прискорювачах швидкість руху електронів наближається до швидкості світла

Якщо в аноді зробити отвір, то частина електронів, прискорених електричним полем, пролетить в отвір, утворюючи за анодом так званий електронний пучок. Кількістю електронів у пучку можна керувати, змінюючи потенціал додаткового електрода, встановленого між катодом і анодом. Взаємодіючи з речовиною, електронні пучки спричиняють різні ефекти. Усі ці властивості використовують на практиці, наприклад: для електронного плавлення надчистих металів у вакуумі, отримання рентгенівських променів.

Властивості електронних пучків поширюватися прямолінійно, відхилятися в електричному або магнітному полі та спричиняти світіння люмінофорів, якими покривають екран, застосовують в електронно-променевих трубках (мал. 63), які донедавна використовували в телевізорах і моніторах комп’ютерів.

Мал. 63. Схематичне зображення електронно-променевої трубки

ЗНАЮ, ВМІЮ, РОЗУМІЮ

1. У чому суть явища емісії? 2. Поясніть будову вакуумного діода. Які функції може виконувати діод? 3. Які закономірності вольт-амперної характеристики вакуумного діода? 4. Які властивості електронних променів (пучків)?

Приклади розв’язування задач

Задача. Пучок електронів з енергією¹W = 3000 еВ рухається у вакуумі паралельно пластинам незарядженого конденсатора. Визначте вертикальне зміщення цього пучка на виході з конденсатора, якщо на конденсатор подати напругу U = 600 В. Довжина пластин конденсатора L = 6 см, а відстань між ними d = 3 см.

¹ Досить часто для малих значень eнepгії виκopиcтовують одиницю електрон-вольт: 1 еВ = 1,6·10^-19 Дж.

Мал. 64

Вправа 7

• 1. З нитки катода діаметром 0,16 мм і довжиною 5 см випромінюється за одиницю часу 1,5 • 10¹⁷ електронів із квадратного сантиметра поверхні. Вважаючи, що до анода долітає кожний п’ятий електрон, визначте спад напруги на опорі 5 кОм, який включений в анодне коло лампи.
• 2. У діоді електрон підлітає до анода, маючи швидкість 8 Мм/с. Визначте анодну напругу.
• 3. В електронно-променевій трубці прискорювальна анодна напруга дорівнює 16 кВ, а відстань від анода до екрана — 30 см. За який час електрони проходять цю відстань?
• 4. Відстань між катодом й анодом діода дорівнює 1 мм. Скільки часу рухається електрон від катода до анода, якщо анодна напруга становить 40 В? Вважайте, що рух рівноприскорений.

Перевірте себе (§ 1-11)

1. Укажіть назву величини, що характеризує швидкість перенесення електричного заряду через поперечний переріз провідника.

• А) робота струму
• Б) електрорушійна сила
• В) сила струму
• Г) потужність струму

2. У якому середовищі здійснюється перенесення речовини під час проходження струму?

• А) у металах
• Б) в електролітах
• В) у напівпровідниках
• Г) у будь-якому середовищі

3. Укажіть рядок, у якому наведено лише діелектрики.

• А) вода, ртуть, олія
• Б) залізо, алюміній, магній
• В) повітря, скло, водний розчин соляної кислоти
• Г) слюда, парафін, спирт

4. У колі, зображеному на малюнку, амперметр показує 1 А. До яких точок кола потрібно під’єднати вольтметр, щоб його покази були 4 В?

• А) до точок А і Б
• Б) до точок Б і В
• В) до точок В і Г
• Г) до точок А і В

5. Укажіть джерело світла, в якому використовується розряд у гамі.

• А) люмінесцентна лампа
• Б) лампа розжарювання
• В) світлодіод
• Г) прожектор

6. Як зміниться маса речовини, що виділяється на електроді, якщо силу струму, яка проходить через електроліт, збільшити в 3 рази, а час електролізу — зменшити в 6 разів?

• А) зменшиться у 18 разів
• Б) зменшиться у 2 рази
• В) зменшиться в 6 разів
• Г) зменшиться у 3 рази

7. У колі, зoбpаженoмy на малюнку, повзунок реостата пересунули вниз. Укажіть правильний характер змін.

• А) сила струму зменшилась, напруга збільшилась
• Б) сила струму й напруга збільшились
• В) сила струму збільшилась, напруга зменшилась
• Г) сила струму й напруга зменшились

8. За дaними малюнка визначте кількість теплоти, яка виділяється в колі протягом 20 хв.

9. Через розчин сірчаної кислоти пропустили заряд 2·10⁵ Кп. Визначте масу та об’єм утвореного водню за нормальних умов (ρ_атм =10⁵ Па, Т = 273 К), густина водню — 0,09 кг/м³

10. Три гальванічні елементи, ЕРС яких 2,2 В; 1,1 В; 0,9 В, а внутрішні опори відповідно 0,2 Ом; 0,4 Ом; 0,5 Ом, увімкнені в коло послідовно та створюють струм 1 А. Визначте зовнішній опір кола.