Електричний струм у вакуумі – фізика

До відкриття унікальних властивостей напівпровідників в радіотехніці використовувалися виключно електронні лампи.

Відкачуючи газ з посудини (трубки), можна отримати газ з дуже малою концентрацією молекул.

Запам’ятай
Стан газу, при якому молекули встигають пролетіти від однієї стінки судини до іншої, ні разу не випробувавши зіткнень один з одним, називають вакуумом.

Якщо в посудину з вакуумом помістити два електроди і підключити їх до джерела струму, то струм між електродами не піде, оскільки у вакуумі немає носіїв заряду. Отже, для створення струму в трубці повинен бути джерело заряджених частинок.

Термоелектронна емісія. Найчастіше дія такого джерела заряджених частинок засноване на властивості тіл, нагрітих до високої температури, випускати електрони.

Запам’ятай
Явище випускання електронів нагрітими металами називається термоелектронної емісією.

Це явище можна розглядати як випаровування електронів з поверхні металу. У багатьох твердих речовин термоелектронна емісія починається при температурах, при яких випаровування самого речовини ще не відбувається. Такі речовини і використовуються для виготовлення катодів.

Одностороння провідність. Діод. Явище термоелектронної емісії призводить до того, що нагрітий металевий електрод, на відміну від холодного, безперервно випускає електрони. Електрони утворюють навколо електрода електронне хмара. Електрод заряджається позитивно, і під впливом електричного поля зарядженої хмари електрони з хмари частково повертаються на електрод.

У рівноважному стані число електронів, що покинули електрод у секунду, дорівнює числу електронів, які повернулися на електрод за цей час. Чим вище температура металу, тим вище щільність електронної хмари.

При підключенні електродів до джерела струму між ними виникає електричне поле. Якщо позитивний полюс джерела струму з’єднаний з холодним електродом (анодом), а негативний – з нагрітим (катодом), то вектор напруженості електричного поля направлений до нагрітого електроду. Під дією цього поля електрони частково залишають електронне хмара і рухаються до холодного електроду. Електричне коло замикається, і в ній встановлюється електричний струм. При протилежної полярності включення джерела напруженість поля спрямована від нагрітого електрода до холодного. Електричне поле відштовхує електрони хмари назад до нагрітого електроду. Ланцюг виявляється розімкнутої.

Одностороння провідність широко використовувалася раніше в електронних приладах з двома електродами – вакуумних діодах, які служили, як і напівпровідникові діоди, для випрямлення електричного струму. Проте в даний час вакуумні діоди практично не застосовуються.

Якщо в аноді електронної лампи зробити отвір, то частина електронів, прискорених електричним полем, пролетить в цей отвір, утворюючи за анодом електронний пучок. Кількістю електронів у пучку можна управляти, помістивши між катодом і анодом додатковий електрод і змінюючи його потенціал.

Властивості електронних пучків та їх застосування. Випускаються катодом потоки електронів, що рухаються у вакуумі, називають іноді катодними променями.

Перерахуємо властивості електронних пучків (катодних променів).

1) Електрони в пучку рухаються по прямих лініях.

2) Електронний пучок, потрапляючи на мішень, передає їй частину кінетичної енергії, що викликає її нагрівання. У сучасній техніці це властивість використовують для електронної плавки у вакуумі надчистих металів.

3) При гальмуванні швидких електронів, що потрапляють на речовину, виникає рентгенівське випромінювання. Це явище використовують в рентгенівських трубках.

4) Деякі речовини (скло, сульфіди цинку і кадмію), бомбардований електронами, світяться. В даний час серед матеріалів цього типу (люмінофорів) застосовуються такі, у яких в світлову енергію перетворюється до 25% енергії електронного пучка.

Електронні пучки відхиляються електричним полем
5) Електронні пучки відхиляються електричним полем. Наприклад, проходячи між пластинами конденсатора, електрони відхиляються від негативно зарядженої пластини до позитивно зарядженої (рис. 16.20).

6) Електронний пучок відхиляється також в магнітному полі. Пролітаючи над північним полюсом магніту, електрони відхиляються вліво, а пролітаючи над південним, відхиляються вправо. Відхилення електронних потоків, що йдуть від Сонця, в магнітному полі Землі призводить до того, що світіння газів верхніх шарів атмосфери (полярне сяйво) спостерігається тільки у полюсів.

7) Електронні пучки володіють іонізуючої здатністю.

8) Електронні пучки можуть проходити крізь дуже тонкі металеві пластини товщиною 0,003-0,03 мм.

Електронно-променева трубка. Можливість управління електронним пучком за допомогою електричного або магнітного поля і світіння покритого люмінофором екрану під дією пучка застосовують в електронно-променевої трубці.

Електронно-променева трубка була основним елементом перших телевізорів і осцилографа – приладу для дослідження швидкозмінних процесів в електричних ланцюгах (рис. 16.21).

Пристрій електронно-променевої трубки показано на малюнку 16.22. Ця трубка являє собою вакуумний балон, одна зі стінок якого служить екраном. У вузькому кінці трубки поміщений джерело швидких електронів – електронна гармата (рис. 16.23). Вона складається з катода, керуючого електрода і анода (частіше кілька анодів розташовується один за одним). Електрони испускаются нагрітим оксидним шаром з торця циліндричного катода С, оточеного теплозахисним екраном Н. Далі вони проходять через отвір в циліндричному керуючому електроді В (він регулює число електронів у пучку). Кожен анод (А1 і ​​А2) складається з дисків з невеликими отворами. Ці диски вставлені в металеві циліндри. Між першим анодом і катодом створюється різниця потенціалів в сотні і навіть тисячі вольт. Сильне електричне поле прискорює електрони, і вони набувають велику швидкість. Форма, розташування і потенціали анодів вибирають так, щоб поряд з прискоренням електронів здійснювалася і фокусування електронного пучка, т. Е. Зменшення площі поперечного перерізу пучка на екрані майже до точкових розмірів.

На шляху до екрану пучок послідовно проходить між двома парами керуючих пластин, подібних пластинам плоского конденсатора (див. Рис. 16.22). Якщо електричного поля між пластинами немає, то пучок не відхиляється і світиться точка розташовується в центрі екрана. При повідомленні різниці потенціалів вертикально розташованим пластинам пучок зміщується в горизонтальному напрямку, а при повідомленні різниці потенціалів горизонтальним пластинам він зміщується у вертикальному напрямку.

Одночасне використання двох пар пластин дозволяє переміщати світиться точку по екрану в будь-якому напрямку. Оскільки маса електронів дуже мала, то вони майже миттєво, т. Е. За дуже короткий час, реагують на зміну різниці потенціалів керуючих пластин.

В даний час найчастіше використовуються телевізори з рідкокристалічним або плазмовим екраном.

У електронно-променевої трубці, застосовуваної в телевізорі (так званому кінескопі), управління пучком, створеним електронною гарматою, здійснюється за допомогою магнітного поля
У електронно-променевої трубці, застосовуваної в телевізорі (так званому кінескопі), управління пучком, створеним електронною гарматою, здійснюється за допомогою магнітного поля. Це поле створюють котушки, надіті на горловину трубки (рис. 16.24).

Кольоровий кінескоп містить три рознесені електронні гармати і екран мозаїчної структури, складений з люмінофорів трьох типів (червоного, синього і зеленого свічення). Кожен електронний пучок збуджує люмінофори одного типу, світіння яких у сукупності дає на екрані кольорове зображення.

Електронно-променеві трубки широко застосовувалися в дисплеях – пристроях, що приєднуються до електронно-обчислювальних машин (ЕОМ). На екран дисплея, подібний екрану телевізора, надходила інформація, записана і перероблена ЕОМ. Можна було безпосередньо бачити текст на будь-якій мові, графіки різних процесів, зображення реальних об’єктів, а також уявні об’екги, підкоряються законам, записаним в програмі обчислювальної машини.

Посилання на основну публікацію