ВИВЧЕННЯ НОВОГО МАТЕРІАЛУ
Вакуум - це стан газу, при якому тиск менше атмосферного. Розрізняють низький, середній і високий вакуум.
Для створення високого вакууму необхідне розрідження, за якого в газі, що залишився, середня довжина вільного пробігу молекул більше розмірів посудини або відстані між електродами в посудині. Отже, якщо в судині створений вакуум, то молекули в ньому майже не стикаються між собою і пролітають вільно міжелектродний простір. При цьому вони відчувають зіткнення лише з електродами або зі стінками посудини.
Щоб в вакуумі існував струм, необхідно помістити в вакуум джерело вільних електронів. Найбільша концентрація вільних електронів в металах. Але при кімнатній температурі вони не можуть покинути метал, тому що їх в ньому утримують сили кулонівського тяжіння позитивних іонів. Для подолання цих сил електрону, щоб залишити поверхню металу, необхідно затратити певну енергію, яку називають роботою виходу.
Якщо кінетична енергія електрона перевищить або буде дорівнює роботі виходу, то він покине поверхню металу і стане вільним.
Процес випускання електронів з поверхні металу називають емісією. Залежно від того, як була передана електронам необхідна енергія, розрізняють кілька видів емісії. Один з них - термоелектронна емісія.
Ø Випущення електронів нагрітими тілами називають термоелектронною емісією.
Явище термоелектронної емісії призводить до того, що нагрітий металевий електрод безперервно випускає електрони. Електрони утворюють навколо електрода електронну хмару. Електрод при цьому заряджається позитивно, і під впливом електричного поля зарядженого хмари електрони з хмари частково повертаються на електрод.
У рівноважному стані число електронів, які залишили електрод за секунду, дорівнює числу електронів, які повернулися на електрод за цей час.
Для існування струму необхідно виконання двох умов: наявність вільних заряджених частинок і електричного поля. Для створення цих умов в балон поміщають два електроди (катод і анод) і викачують з балона повітря. В результаті нагрівання катода з нього вилітають електрони. На катод подають негативний потенціал, а на анод - позитивний.
Електричний струм у вакуумі являє собою спрямований рух електронів, отриманих в результаті термоелектронної емісії.
Сучасний вакуумний діод складається з скляного або металокерамічного балона, з якого відкачано повітря до тиску 10-7 мм рт. ст. У балон впаяні два електроди, один з яких - катод - має вигляд вертикального металевого циліндра, виготовленого з вольфраму і покритого зазвичай шаром оксидів лужноземельних металів.
Усередині катода розташований ізольований провідник, що його нагріває змінний струм. Нагрітий катод випускає електрони, що досягають анода. Анод лампи являє собою круглий або овальний циліндр, що має загальну вісь з катодом.
Одностороння провідність вакуумного діода обумовлена тим, що внаслідок нагрівання електрони вилітають з гарячого катода і рухаються до холодного анода. Електрони можуть рухатися через діод тільки від катода до анода (тобто електричний струм може протікати тільки в зворотному напрямку: від анода до катода).
На малюнку відтворено вольт-амперну характеристику вакуумного діода (від'ємне значення напруги відповідає випадку, коли потенціал катода вище потенціалу анода, тобто електричне поле «намагається» повернути електрони назад на катод).
Вакуумні діоди використовують для випрямлення змінного струму. Якщо помістити між катодом і анодом ще один електрод (сітку), то навіть незначна зміна напруги між сіткою і катодом істотно впливати на анодний струм. Така електронна лампа (тріод) дозволяє підсилювати слабкі електричні сигнали. Тому деякий час ці лампи були основними елементами електронних пристроїв.
Електричний струм у вакуумі застосовували в електронно-променевої трубки (ЕПТ), без якої довгий час не можна було уявити телевізор або осцилограф.
На малюнку спрощено показана конструкція ЕПТ.
Електронна «гармата» в горловині трубки - катод, який випускає інтенсивний пучок електронів. Спеціальна система циліндрів з отворами (1) фокусує цей пучок, робить його вузьким. Коли електрони потрапляють на екран (4), він починає світитися. Керувати потоком електронів можна за допомогою вертикальних (2) або горизонтальних (3) пластин.
Електронам в вакуумі можна передати значну енергію. Електронні пучки можна застосовувати навіть для плавки металів в вакуумі.
Питання до учнів ЗА ЧАС ПРОВЕДЕННЯ ВИКЛАДЕННЯ НОВОГО МАТЕРІАЛУ
1. З якою метою в електронних лампах створюють високий вакуум?
2. Чому вакуумний діод проводить струм тільки в одному напрямку?
3. Яке призначення електронної гармати?
4. Як здійснюють управління електронними пучками?
1. Які особливості має вольт-амперна характеристика вакуумного діода?
2. Чи буде працювати в космосі радіолампа з розбитим склом?
Закріплення ВИВЧЕНОГО МАТЕРІАЛУ
1. Що потрібно зробити, щоб тріелектродну лампу можна було використовувати як діод?
2. Яким чином можна: а) збільшити швидкість електронів в пучку; б) змінити напрямок руху електронів; в) зупинити рухомі електрони?
1. Максимальний анодний струм у вакуумному діоді 50 мА. Скільки електронів вилітає з катода щомиті?
2. Пучок електронів, які розганяються напругою U 1 = 5 кВ, влітає в плоский конденсатор посередині між пластинами і паралельно до них. Довжина конденсатора l = 10 см, відстань між пластинами d = 10 мм. За якого найменшого напруги U 2 на конденсаторі електрони не будуть вилітати з нього?
Рішення. Рух електрона нагадує рух тіла, кинутого горизонтально.
Горизонтальна складова v швидкості електрона не змінюється, вона збігається зі швидкістю електрона після прискорення. Цю швидкість можна визначити, скориставшись законом збереження енергії: Тут e - елементарний електричний заряд, me - маса електрона. Вертикальне прискорення a передає електрону сила F. що діє з боку електричного поля конденсатора. Згідно з другим законом Ньютона,
де - напруженість електричного поля в конденсаторі.
Електрони не будуть вилітати з конденсатора, якщо вони змістяться на відстань d / 2.
Отже, - час руху електрона в конденсаторі. Звідси
Перевіривши одиниці величин і підставивши числові значення, отримуємо U 2 = 100 B.
ЩО МИ ДІЗНАЛИСЬ на уроці
• Вакуум - газ, розріджене настільки, що середня довжина вільного пробігу молекул перевищує лінійні розміри посудини.
• Енергію яку необхідно затратити електрону, щоб залишити поверхню металу, називають роботою виходу.
• Випромінювання електронів нагрітими тілами називають термоелектронною емісією.
• Електричний струм у вакуумі являє собою спрямований рух електронів, отриманих в результаті термоелектронної емісії.
• Вакуумний діод має однобічну провідність.
• Електронно-променева трубка дозволяє управляти рухом електронів. Саме ЕПТ уможливила створення телебачення.
1. Подр-1: § 17; підр-2: § 9.
Рів1 № 6.12; 6.13; 6.14.
Рів2 № 6.19; 6.20; 6.22, 6.23.
3. Д: підготуватися до самостійної роботи № 4.
ЗАВДАННЯ З САМОСТІЙНОЇ РОБОТИ № 4 «ЗАКОНИ ПОСТІЙНОГО СТРУМУ»
Завдання 1 (1,5 бала)
Рух будь частинок створює електричний струм в рідинах?
А Рух атомів.
Б Рух молекул.
В Рух електронів.
Г Рух позитивних і негативних іонів.
На малюнку показаний електричний розряд в повітрі, створений за допомогою трансформатора Тесла.
А Електричний струм в будь-якому газі звернений в ту сторону, куди рухаються негативні іони.
Б Провідність будь-якого газу обумовлена рухом тільки електронів.
У Провідність будь-якого газу обумовлена рухом тільки іонів.
Г Провідність будь-якого газу обумовлена рухом тільки електронів та іонів.
Завдання 3 має на меті встановити відповідність (логічну пару). До кожної рядку, зазначеного літерою, підберіть твердження, позначене цифрою.
А Напівпровідники n-типу.
Б Напівпровідники p-типу.
Г Діркова провідність.
1 Напівпровідники, в яких основними носіями зарядів є дірки.
2 Напівпровідники, в яких основними носіями зарядів є електрони.
3 Провідність напівпровідника, обумовлена рухом дірок.
4 Провідність напівпровідника, обумовлена рухом електронів.
5 Напівпровідники, в яких основними носіями зарядів є електрони і дірки.
З якої сили струму проводився електроліз водного розчину CuSO 4. якщо за 2 хв. на катоді виділилося 160 г міді?