§ 6. ЕЛЕКТРИЧНИЙ СТРУМ У ВАКУУМІ

• До змісту відповідей

ПИТАННЯ ДЛЯ ОБГОВОРЕННЯ

Згадайте, що таке електричний струм.

Електричний струм — це впорядкований (напрямлений) рух заряджених частинок.

А що ви уявляєте, коли застосовуєте слово «вакуум»?

Під фізичним поняттям вакууму розуміють простір, вільний від речовини, або стан газу за тиску, який є набагато меншим від атмосферного.

Як ви вважаєте, чи може у вакуумі існувати електричний струм?

Електричний струм у вакуумі може існувати за умови наявності в ньому вільних заряджених частинок та електричного поля, яке забезпечить їхній рух.

Якщо ні, то чи можна щось зробити, щоб така можливість з’явилася?

Для появи електричного струму необхідно штучно ввести у вакуум вільні носії заряду, наприклад, шляхом нагрівання металевого провідника до високої температури.

1. Звідки у вакуумі носії заряду?

Носії заряду з’являються у вакуумі внаслідок термоелектронної емісії — процесу випромінювання електронів із поверхні нагрітих тіл, коли кінетична енергія електронів стає достатньою для подолання сил притягання до позитивних йонів металу.

Проведіть аналогію між термоелектронною емісією та випаровуванням рідини. Що спільне? У чому відмінність?

Спільним є те, що в обох процесах частинки залишають поверхню речовини завдяки збільшенню їхньої кінетичної енергії внаслідок нагрівання, що дозволяє подолати сили утримання. Відмінність полягає в тому, що під час випаровування з рідини вилітають її молекули, а під час термоелектронної емісії з поверхні металу вилітають вільні електрони.

2. Що являє собою електричний струм у вакуумі?

Електричний струм у вакуумі являє собою напрямлений рух вільних електронів, отриманих у результаті електронної емісії.

3. Чому вакуумний діод має однобічну провідність?

Вакуумний діод має однобічну провідність тому, що лише один із його електродів (катод) нагрівається і випускає електрони. Притягання цих електронів анодом і створення струму можливе лише тоді, коли на анод подано позитивний потенціал відносно катода.

Що це означає?

Це означає, що пристрій здатний пропускати електричний струм лише в одному напрямку — від катода до анода, і не проводить його у зворотному напрямку.

КОНТРОЛЬНІ ЗАПИТАННЯ

1. Що являє собою електричний струм у вакуумі?

Електричний струм у вакуумі — це напрямлений рух вільних електронів, які були випромінені катодом унаслідок термоелектронної емісії та рухаються під дією електричного поля.

2. У чому полягає явище термоелектронної емісії?

Явище термоелектронної емісії полягає у процесі випромінювання електронів із поверхні нагрітих тіл.

3. За якої умови електрон може залишити поверхню провідника?

Електрон може залишити поверхню провідника за умови, що його кінетична енергія стане достатньою для подолання сил кулонівського притягання з боку позитивних іонів металу.

4. Чому за відсутності електричного поля електрони, що вилетіли з металу, залишаються біля поверхні, утворюючи електронну хмару?

Електрони залишаються біля поверхні через дію електричного поля, яке створюється негативно зарядженою електронною хмарою та нескомпенсованим позитивним зарядом самого металу.

5. Чому вакуумний діод має однобічну провідність?

Однобічна провідність зумовлена тим, що електрони випромінюються лише нагрітим катодом і можуть рухатися до анода тільки тоді, коли анод з’єднаний із позитивним полюсом джерела, а за негативного потенціалу анода вони відштовхуються назад до катода.

ВПРАВА № 6

1. Чому для того, щоб розігнати електрони до величезних швидкостей, необхідно створити глибокий вакуум?

Глибокий вакуум необхідний для мінімізації зіткнень електронів із молекулами газів, що дозволяє частинкам рухатися без втрати енергії та безперешкодно розганятися електричним полем.

2. На рис. 1 зображений електровакуумний пристрій. Який електрод у цьому пристрої слугує катодом, який — анодом? Чому, якщо підігрівати анод, а не катод, то електричний струм у пристрої не виникне?

У пристрої на рис. 1 лівий електрод, під’єднаний до негативного полюса джерела, слугує катодом, а правий електрод, під’єднаний до позитивного полюса, — анодом. Електричний струм не виникне при підігріванні анода, оскільки електрони, що вилетять із нього внаслідок термоелектронної емісії, будуть відштовхуватися негативно зарядженим катодом і не зможуть рухатися в закритому колі.

3. Свого часу однобічну провідність вакуумного діода використовували в радіоелектроніці для перетворення змінного струму на пульсуючий (рис. 2, а). Якщо подавати на діод змінну напругу (графік її залежності від часу подано на рис. 2, б), то графік залежності сили струму від часу матиме вигляд, зображений на рис. 2, в. Поясніть, чому.

Графік сили струму має такий вигляд через властивість однобічної провідності діода, який пропускає електричний струм лише під час додатного півперіоду напруги, коли анод має позитивний потенціал відносно катода. Під час від’ємного півперіоду анод заряджений негативно і відштовхує електрони, що вилітають із катода, тому струм у колі стає рівним нулю.

4. Сьогодні замість вакуумних діодів здебільшого використовують напівпровідникові. Але вакуумні діоди все ще застосовують у деяких спеціалізованих галузях техніки. Дізнайтесь, у яких.

Вакуумні електронні прилади застосовують у потужних радіопередавачах, установках для радіолокації та в авіаційній техніці. Також їх використовують у високоякісних аудіопідсилювачах (ламповий звук) та в апаратурі, що працює в умовах жорсткого радіоактивного випромінювання, до якого напівпровідники є чутливими.