0: Мы продолжаем изучать электрический ток в различных средах, но сегодня мы познакомимся с электрическим током в очень необычной среде, а именно в вакууме. Итак, тема урока электрический ток.
1: В вакууме.
2: Электрический ток в вакууме точка вакуумный диод вакуумный.
3: Диод.
4: Домашнее задание.
5: На понедельник конспект.
6: Я расскажу вам больше, чем в учебнике, так что с 3 восклицательными знаками в учебнике Мякишева для 10 класса.
7: Изучите параграф номер 117.
8: Задачи по рымкевичу.
9: С номерами 869.
10: Тире 871 это 3 задачи по ринкевичу и 2 задачи посложнее по Гельфгат.
11: Для 10 класса задача с номерами 14 23.
12: И 14 24. Ну а теперь слушайте и не говорите, что вы не слышали, что такое электричес.
13: Ток мы знаем это направленное движение заряженных частиц. А что такое вакуум? Как вы себе представляете, что такое вакуум?
14: Пустота так пустота. Как же так? С 1 стороны, электрический ток это движение заряженных частиц, а с другой стороны, там ничего не должно быть. Значит, не должно быть заряженных частиц. Так, что ли?
15: Может быть, их там чуть чуть чувствуется, что мы в Одессе дело. Вот в чем у вакуума есть определение физическим вакуумом называется состояние Газа, при котором длина свобод
16: Пробега молекул больше размеров сосуда. Давайте запишем физическим вакуумом называется состояние Газа, при котором физическим вакуумом
17: Называется состояние Газа, при котором длина свободного пробега молекул
18: Больше размера сосуда, состояние Газа, при котором длина свободного пробега молекул больше размеров сосуда.
19: Длина свободного пробега молекул больше размера сосуда. Кстати, из этого вытекает, что вакуумом может быть вакуум может быть и при атмосферном давлении, например, в порах растений микроскопических. Размеры такие, что длина свободного пробега больше, чем размер.
20: Меры этих пор. Длина свободного пробега молекул воздуха при атмосферном давлении 10 минус 7 степени метра, то есть 1 10 микрометра, а размеры пор могут быть меньше, но это определение на самом деле не имеет отношения к тому, о чем пойдёт речь дальше для
21: Нас вакуум это действительно пустота, но что такое пустота это значит, там нет молекул.
22: Если мы хотим, чтобы протекал электрический ток, мы не имеем права в вакуум поместить ионы. Ну, нейтральные атомы нам не подходят, потому что они не являются носителями заряда. Можно, конечно, атомы ионизировать, но тогда это будет уже газ, потому
23: Потому что атомы частички вещества, но давайте договоримся так мы будем считать, что вакуум остаётся вакуумом, если в нём нет частиц типа молекул, атомов или Ионов, но какие-то заряженные частицы
24: Нам нужны для того, чтобы протекал электрический ток. Такими заряженными частицами будут у нас электроны, то есть электрический ток в вакууме. Это направленное движение электронов, при этом у нас никакого вещества нет. То есть мы можем
25: Считать, что это вакуум. А с другой стороны, у нас есть заряженные частицы, которые могут двигаться. Вот что имеется ввиду под электрическим током в вакууме. То есть это направленное движение электронов. Теперь возникает вопрос, а откуда взять эти электроны? Каким
26: То образом их нужно ввести в вакуум, привнести. И вот исторически впервые это было сделано томасом эдисоном в 1884 году, э,
27: Не был учёным, он был изобретателем, и, в частности, он изобрёл лампу накаливания с металлическим, с металлической нитью вольфрамовой нитью. Беда была в том, что лампы эти горели сравнительно недолго, и эдисон
28: Решил выяснить, а как можно увеличить срок службы таких ламп? И он создал вот такую конструкцию. Ну, я, может быть, не так изображу лампу, как это было у самого эдисона, но зато
29: То это будет для нас привычно. Вот нить накаливания, она подключена к источнику тока вот лампа, корпус её.
30: Лампа накаливания.
31: Нить разогревается с помощью источника тока раскалённая нить.
32: И вот эдисон решил выяснить.
33: Почему лампа служит недолго, что происходит? Например, можно предположить, что испаряется вольфрам или, может, ещё что-то уходит, и edison впаял вот сюда металлический электрод.
34: Металлический электрод.
35: И собрал вот такую электрическую цепь.
36: Подключил этот металлический электрод к источнику тока довольно высокого напряжения батарея с большим количеством элементов, и оказалось, что в цепи потёк электрический ток.
37: Если здесь включить гальванометр, то обнаружено было, что в такой цепи течёт электрический ток. Здесь напряжение порядка, может быть там нескольких вольт, а тут напряжение порядка 100 вольт. И вот оказалось, что если
38: Положительный полюс батареи присоединить к вот этому электроду. Ну, будем его называть анодом. Точно так же, как когда мы изучали ток в жидкостях, положительный электрод называется анодом. А если отрицательный полюс подключить сюда
39: К нити накаливания, которая будет называться нами катодом, то течёт ток, причём, что интересно, ток течёт, только если положительный полюс подключён сюда, а отрицательный сюда.
40: Если поменять полярность, то тока не будет. Итак, здесь течёт ток и причём если поменять полярность поля,
41: Тока нет.
42: Этот опыт был проведён в 1884 году эдисоном.
43: Он ставил перед собой задачу продлить срок службы лампы накаливания, но учёные физики, такие как томсон.
44: Начали объяснять, попытались объяснить, в чем же дело. И вот томсон.
45: В 1887 году высказал предположение, что нить испускает отрицательно заряженные частицы.
46: Через 10 лет, в 1897 году, эти частицы получили название электронов, и в 1897 году оказалось, что электронов встречаются как составная, являются состав
47: Частями атомов томсон изучил свойства этих электронов, но впервые, ещё не называя их электронами, томсон понял, что какие-то отрицательно заряженные частицы испускаются металлом, когда, когда металл
48: Great явление испускания электронов нагретыми телами получило название термоэлектронной эмиссии термоэлектронной.
49: Моя эмиссия.
50: Эмиссия, значит, испускание термо это значит испускание под действием высокой температуры оказывается, если, в частности, металлы нагреть до высокой температуры, они начинают испускать электроны. Существуют и другие виды электронной эмиссии, например.
51: Есть фотоэлектронная эмиссия в 11 классе, мы будем её изучать. Под действием света из металлов могут вылетать электроны. Есть так называемая вторичная электронная эмиссия. Если быстрый электрон ударяется о поверхность металла.
52: Он может выбить даже не 1, а несколько электронов, подобно тому, как крупная капля, упав на поверхность воды, может выбить несколько капелек, но мы с вами сегодня будем изучать термоэлектронную эмиссию. Что же происходит в металле, в резуль?
53: Ьтате чего наблюдается явление термоэлектронной эмиссии, чтобы ответить на этот вопрос. Давайте сначала зададимся другим вопросом а почему, например, вот из этого металлического колпачка авторучки не разлетаются во все стороны электроны их же
54: Там полно.
55: Почему из металла электроны не улетают? Они остаются внутри. Они взаимодействуют с кристаллической решёткой. Для того, чтобы извлечь электрон из металла, нужно совершить некоторую работу. Эта работа имеет
56: Своё название. Она называется работа выхода электрона, работа выхода электрона.
57: Из металла работа выхода электрона из металла в справочных таблицах можно найти работу выхода. Кстати, работа выхода может относиться не только
58: Только к металлам, но и к любым веществам. Например, возьмём некоторые характерные металлы. Вольфрам, работа выхода. Обозначим её, а выхода вот так она
59: Обычно измеряется в электрон вольтах 4 с половиной электрон вольта.
60: Возьмём другой материал, например, калий.
61: Работа выхода электрона из калия.
62: Равняется 2,2 электрон вольта, работа выхода из цинка.
63: Работа выхода из цинка.
64: 4 и 2/10 электрон вольта.
65: А вот возьмём соединение оксид Бария какая формула окиси Бария барий, оо барий оо. Оказывается, работа выхода электрона из оксида Бария.
66: 1 электрон вольт.
67: Это важно будет в дальнейшем 1 электрон вольт значит для того, чтобы электрон извлечь, нужно, чтобы он обладал вот такой энергией, тогда он сможет вылететь а какая энергия у электронов вообще в me?
68: Dali вот, например, сейчас здесь.
69: Тепловая порядка 3/2 кт при комнатной температуре кт 26/1000 электрон вольта при комнатной температуре.
70: При т равняется 300 кельвинов.
71: Кт равняется 0 0 26 электрон вольта ну, 3/2 кт это энергия, средняя кинетическая энергия поступательного движения электронов, которая вычисляется по стандартной формуле мв. Квадрат пополам равняется 3/2.
72: Значит, этой энергии явно недостаточно для того, чтобы электрон покинул металл. Но если мы будем нагревать, то эта энергия будет увеличиваться. Давайте нагреем, например, до 3000 кельвинов, то есть
73: Ну, понятно, что редкий материал выдержит такую температуру. При этом кт будет не 0 0 26, а 0 26 электрон вольта. Все равно этого мало, казалось бы, но не будем забывать, что
74: Энергия вот эта, это средняя энергия, что у электронов существует определённое распределение по энергиям, есть электроны, у которых кинетическая энергия меньше средней, а есть электроны, у которых кинетическая энергия больше средней. И вот
75: Таких хоть и мало, но поскольку общее количество электронов огромно порядка 10 29 штук в 1 кубическом метре, то находятся такие, которым повезло настолько, что их энергия оказывается больше работ.
76: Выхода, и тогда эти электроны покидают металл и располагаются вблизи поверхности металла, что дальше с ними происходит. А дальше все зависит от того, что находится вблизи поверхности металла, если там не
77: Ничего нет. Никакие электрические поля не созданы, то в этом случае электроны просто находятся вблизи, они вылетели из металла. Металл заряжается положительно, и поэтому он обратно втягивает в себя эти электроны, то есть над
78: Поверхностью металла появляется такое электронное облако. Чем выше температура металла, тем это электронное облако, более плотное, но в любом случае электрон вылетевший возвращается обратно. То есть
79: Устанавливается равновесие между термоэлектронной эмиссией и обратным процессом возвращения электронов в металл. Исследовать явление термоэлектронной эмиссии можно с помощью вот такой установки.
80: Изготовим устройство, похожее на то, что было у эдисона металлический электрод 1, a2 металлический электрод сделаем подогрев.
81: Например, пусть это будет вольфрамовая спираль. Вот я её изображу. Вот таким образом будем эту вольфрамовую спираль накалять с помощью электрического тока. Силу тока нам нужно регулировать.
82: Поэтому мы используем не просто источник тока, а ещё и последовательно с ним включим реостат.
83: Вот так.
84: Теперь мы силу тока через эту спираль можем регулировать.
85: 2 часть электрической цепи. Включим вот сюда амперметр. Ну, на самом деле это должен быть микроамперметр и будем изменять
86: Напряжение между
87: Вольфрамовой спиралью, которую теперь мы будем называть катодом и вот этим электродом, который мы будем называть анодом анод.
88: Катод.
89: Напряжение между анодом и катодом мы будем измерять вольтметром.
90: И регулировать с помощью вот такого, как говорят, делителя, напряжения.
91: Батарея, которая создаёт напряжение, может быть порядка сотен даже вольт. Вот эта установка для изучения электрического тока в вакууме. Этим реостатом регулируется температура катода регу.
92: Лируется.
93: Температура катода, то есть металла, из которого вылетают электроны.
94: Этим реостатом регулируется напряжение между катодом и анодом.
95: Регулируется напряжение.
96: Между
97: Катодом.
98: И анодом.
99: Какой же вид будет иметь зависимость напряжения на аноде? Зависимость тока в цепи анода вот этого тока мы его будем называть анодный ток и с индексом а и с индексом. А анодный ток
100: Какой же вид будет иметь зависимость анодного тока от напряжения у между анодом и катодом? Ну давайте сначала рассуждать теоретически, а потом мы приведём результаты эксперимента.
101: Смотрите, допустим, напряжения между анодом и катодом нет. То есть мы не подключили ничего сюда или просто ручка вот этого реостата находится в нижнем положении. Тогда электроны, вылетевшие из катода.
102: Притянутся обратно. Они вылетели через после того, как они вылетели. Катод зарядился положительно, поскольку электроны отрицательно заряжены, а до этого катод был нейтрален, они вылетели и вернулись обратно. И вот здесь у нас электронная
103: Облако электроны вот так вылетели, вернулись и наблюдается динамическое равновесие, то есть подвижное равновесие между термоэлектронной эмиссией и возвращением электронов обратно. Ток в цепи анода при этом отсутствует. Давайте
104: Приготовим координатные оси для изображения графика.
105: Здесь у нас будет напряжение на аноде, то есть между анодом и катодом. Это будет 0. Здесь у нас будет анодный ток.
106: Вот так.
107: Когда напряжение на аноде отсутствует, анодный ток равен нулю.
108: Представьте себе, что вы подключили на анод отрицательный полюс батареи не так, как здесь, положительный к аноду, отрицательный к аноду, а наоборот, тогда электрическое поле будет отталкивать электри.
109: Поле между анодом и катодом будет отталкивать электроны в сторону катода ток в этой цепи не потечёт, поскольку по прежнему ни 1 электрон не доберётся до анода, значит, если мы будем подавать отрицательное напряжение.
110: То тока течь не будет.
111: А теперь давайте подавать на анот относительно катода положительное напряжение и плавно будем его увеличивать. Когда мы подаём на анод положительное напряжение, то
112: Между анодом и катодом возникает электрическое поле. Это электрическое поле создаёт электрическую силу, которая направлена в сторону анода. Как вы думаете, все ли электроны вышедшие?
113: Из катода при небольших напряжениях достигнут анода? Нет. А что им мешает достигнуть анода, если они не все достигли анода? Что им мешает достигнуть анода?
114: Отталкивание от тех электронов, которые вылетели раньше. Смотрите, допустим, у меня вот здесь находится какой-то электрон, он своим электрическим полем препятствует тем электронам, которые идут позади.
115: Добраться до анода, он их отталкивает обратно, и здесь, в пространстве между катодом и анодом, существует электронное облако, обладающее зарядом отрицательным. Это электронное облако отталкивает те электроны, которые вылетают позже.
116: Оно создаёт электрическое поле, направленное против электрического поля, создаваемого анодом, поэтому некоторая часть электронов долетит, а некоторая часть вернётся обратно, чем больше напря.
117: Женность поля, создаваемого внешним источником между анодом и катодом, тем сильнее внешнее поле по сравнению с полем, создаваемым самими электронами между полем, создаваемым между анодом и катодом, и полем, как говорят, пространственного заряда.
118: Электронов, то есть полем самого облака. Чем больше напряжение, тем большая часть электронов доберётся до анода и меньшая часть вернётся на катод. В таком случае, скажите, пожалуйста, если я уви
119: Увеличу напряжение между анодом и катодом в 2 раза, сила тока при этом увеличится в 2 раза меньше чем в 2 раза или больше чем в 2 раза. Как вы думаете физика на пальцах?
120: Если бы это был обычный резистор, работал бы закон ома, мы увеличили количество, мы увеличили напряжение в 2 раза. По закону ома сила тока должна увеличиться в 2 раза.
121: Ну, смотрите, есть у нас такая формула. Сила тока равняется е н с в. Она не очень подходит для этого случая, но, по крайней мере, можно рассуждать, когда вы
122: Увеличиваете напряжённость поля, то у вас увеличивается количество электронов, добирающихся до катода за счёт того, что меньшая часть возвращается на анот. А что такое сила тока? Это число электронов.
123: Вылетевших в единицу времени. Значит, если увеличить в 2 раза напряжение, то оказывается, что сила тока увеличится не в 2 раза, а больше, чем в 2 раза, и кривая будет идти вот так.
124: Сверхлинейная, то есть закон ома здесь не работает. Или если вы хотите, чтобы он работал, вы должны сказать, что у вас сопротивление вот этого промежутка меняется. Чем больше напряжение, тем меньше пространственный заряд электронов сказывается на токе.
125: И в результате ток растёт вот так можно показать, что эта зависимость сила тока прямо пропорциональна напряжению в степени 3/2 полукубическая парабола.
126: Сделаем следующий шаг. А что, если мы продолжим увеличивать напряжение? Что если мы продолжим увеличивать напряжение между анодом и катодом, тогда напряжённость поля, создаваемого между катодом и анодом, может стать
127: Больше, чем поле, создаваемое пространственным зарядом, то есть электроны, вылетевшие вслед за первыми, уже не будут отталкиваться заметно обратно и все равно доберутся до анода, как будет зависим, какой вид будет.
128: Иметь зависимость тока от напряжения. Если каждый электрон, вышедший из катода, доберётся до анода, каждый электрон, вышедший из катода, доберётся до анода, вылетело, допустим, 10 в 10 электронов в секунду. Все.
129: Ни добрались до анода ток равен заряду, делённому на время заряд всегда один и тот же, потому что теперь все электроны, вылетевшие из катода, доберутся до анода, будет при этом сила тока зависеть.
130: От напряжения уже не будет, и оказывается, что ток перестаёт дальше меняться. И вот этот ток называется ток насыщения при высоких напряжениях обозначим его
131: С индексом n и n ток насыщения.
132: Чем определяется величина тока насыщения числом электронов, вылетающим из катода, потому что теперь при высоких напряжениях все электроны достигают анода, а как можно изменить количество электронов, за секунду вылетающих из
133: Катода.
134: За счёт чего они вылетают за счёт явления термоэлектронной эмиссии, как изменить количество электронов, вылетающих из катода в единицу времени, если не менять площадь?
135: Увеличить поле, что увеличить поле поле поле увеличивать, если очень сильно начнётся совсем другой эффект. Нет, тоже самое напряжение, как заставить большее количество электронов вылетать из катода, нагреть сильнее, значит,
136: Величина тока насыщения определяется температурой катода если мы изменим температуру катода, изменив, например, силу тока в цепи катода, то ток насыщения изменится.
137: Вот так.
138: Пусть это будет кривая 1 это кривая 2 кривая 3 т 1 температура больше чем т 2 больше чем 3 т 3 то есть сила тока на.
139: Насыщение определяется эмиссионной способностью катода эмиссионная способность, то есть количество электронов, вылетающих с единицы площади в единицу времени. А эта эмиссионная способность, в свою очередь, зависит от температуры. То, что здесь из
140: Ображено, представляет собой вольтамперную характеристику вот этого устройства. Устройство это состоит из фактически 2 электродов анода и катода. Двухэлектродная
141: Устройство получило название диода. То, что здесь нарисовано. Это схема вакуумного диода. Немножко позже мы с вами познакомимся с полупроводниковыми диодами. Итак, мы имеем дело с устройством, которое называется вакуумным дио.
142: И важным свойством этого диода является то, что в 1 сторону ток течь может, а в противоположную сторону он течь не может, то есть вакуумный диод обладает односторонней проводи.
143: Мостью односторонняя проводимость.
144: Вакуумные диоды можно использовать для того, чтобы преобразовывать ток меняющегося направления в ток постоянного направления. Ток меняющегося направления используется, например, у нас в сети осветитель.
145: Переменный ток, а для работы компьютеров, для работы различных электронных схем нужен обязательно постоянный ток и what существует устройство, которое называется выпрямители, которые преобразуют переменный ток промышленной частоты, той, что
146: У нас в розетке в постоянный ток раньше, до того, как появились полупроводниковые диоды, для этого использовались вот такие вакуумные диоды, такие вакуумные диоды, которые используются, как говорят, для выпрямле.
147: Переменного тока носили название кенотроны кенотрон кенотрон это вакуумный диод, который используется для выпрямления Токов промышленной
148: Частоты, то есть 50 Герц, у нас 60 Герц в соединённых штатах.
149: Как же на практике устроена эта двухэлектродная электронная лампа вакуумный диод?
150: Конструкции бывают самые разнообразные, но общие это обязательно наличие накалённого катода и наличие анода, например, катод может представлять собой просто
151: Храмовую нить, которая раскаляется электрическим током, проходящим по ней, эта вольфрамовая нить окружена цилиндрическим электродом.
152: Вот таким я тут нарисую так называемый вырыв, чтоб было видно, что внутри.
153: Это анод, от него идёт вывод на 1 из ножек в цоколе диода анод.
154: Это катод.
155: От него тоже надо 2 провода вывести для того, чтобы нагреть этот катод.
156: Вот эти проводники идут к цоколю, все это находится в корпусе, из которого выкачан воздух. Тут вакуум.
157: К цоколю лампы.
158: Вот так устроен вакуумный диод металлический обычно это никель, анод, вольфрамовый катод и проводники, 3 штуки 2 идут к катоду.
159: И 1 к аноду изображается на схеме вакуумный диод. Вот так на электронных схемах изображается вот так.
160: Как правило.
161: Диоды и вообще электронные лампы питаются от сети переменного тока, что имеется ввиду? Катод раскаляется переменным током, и это приводит к неприятным вещам. Дело в том, что переменный ток меня
162: С частотой 50 раз в секунду, то есть за 1 50 секунды, он принимает максимальное значение, спадает до нуля, потом принимает максимальное значение противоположного знака и спадает до нуля в результате
163: 100 раз в секунду ток вот в этой цепи проходит через 0 и 100 раз в секунду он достигает по модулю максимального значения, и нить Накала меняет свою температуру с частотой в 2 раза.
164: Больше, чем частота тока в сети. Почему? Потому что температура определяется величиной тока независимо от направления. А это означает, что эмиссионная способность катода пульсирует с частотой 100 раз в секунду, а это нам не подходит. Поэтому
165: Используются немножко другие конструкции. Такие конструкции используются в лампах, ну, раньше использовались в лампах, работающих на батареях, например, в каких-то там переносных приёмниках пятидесятых годов, а в приёмниках и в устройствах работающих
166: От сети используются катоды с подогревным, используются подогревные, катоды. Вот это катод называется катод прямого Накала.
167: Катод прямого Накала катод прямого Накала, а в устройствах, подключаемых к сети переменного тока исполь.
168: Катоды косвенного Накала или подогревные, катоды, катод.
169: Косвенного.
170: Накала.
171: Или подогревной катод.
172: Анод устроен точно так же, а сам катод устроен так.
173: Вот такой подогреватель, просто петля из изолированного вольфрамового провода. Он вставлен в трубочку. Диаметр этой трубочки обычно где-то 2 3 миллиметра. Вот я трубочку.
174: Опять-таки нарисую с вырывом, чтобы было видно, что внутри.
175: Вот.
176: Вот это так называемый подогреватель.
177: Подогреватель.
178: А это сам катод.
179: Катод.
180: Катод сделан из никеля, но этот катод покрыт оксидом Бария катод покрытый.
181: Барий оо для чего? А дело в том, что у оксида Бария работа выхода гораздо меньше, чем работа выхода. Например, у вольфрама таблицу мы с вами уже рисовали. И поэтому для того, чтобы эмиссионная способ
182: Была такая, как у вольфрамового, например, катода достаточно нагреть такой подогревной катод до гораздо Меньших температур уже там не до 2500 градусов, а где-то до 800 градусов. Это повышает долговечность.
183: С лампы.
184: И все это потребляет меньше тока изображается на электронных схемах диод с катодом косвенного Накала. Вот так анод изображается, как обычно, подогреватель. Вот. А вот
185: Собственно, катод.
186: Подогреватель это вот эта нить, а сам катод, вот он показан.
187: Подогреватель.
188: Катод.
189: Анод.
190: Правда, поскольку такой катод довольно массивный, для того, чтобы заработала лампа, нужно, чтобы он разогрелся, а это требует некоторого времени, поэтому ламповая аппаратура после включения не сразу начинает работать, а нужно где-то.
191: Минутку подождать, пока разогреются катоды, радиоламп, и тогда она начинает уже работать.
192: Diod это не единственный вакуумный прибор, на следующем уроке мы с вами поговорим о вакуумном триоде и о его удивительных свойствах, а на сегодня, пока хватит, урок окончен.