Электрический ток в вакууме и в газах: Урок 35. электрический ток в вакууме и газах — Физика — 10 класс

Электрический ток в жидкостях, металлах, газах, вакууме. Электролиз, законы Фарадея, ионизация, термоэлектронная эмиссия. Курсы по физике

Тестирование онлайн

  • Электрический ток в различных средах. Основные понятия

Электрический ток в жидкостях

Как известно, химически чистая (дистиллированная) вода является плохим проводником. Однако при растворении в воде различных веществ (кислот, щелочей, солей и др.) раствор становится проводником, из-за распада молекул вещества на ионы. Это явление называется электролитической диссоциацией, а сам раствор электролитом, способным проводить ток.

В отличие от металлов и газов прохождение тока через электролит сопровождается химическими реакциями на электродах, что приводит к выделению на них химических элементов, входящих в состав электролита.

Первый закон Фарадея: масса вещества, выделяющегося на каком-либо из электродов, прямо пропорциональна заряду, прошедшему через электролит

Электрохимический эквивалент вещества — табличная величина.

Второй закон Фарадея:

Протекание тока в жидкостях сопровождается выделением теплоты. При этом выполняется закон Джоуля-Ленца.

Электрический ток в металлах

При прохождении тока металлы нагреваются. В результате чего ионы кристаллической решетки начинают колебаться с большей амплитудой вблизи положений равновесия. В результате этого поток электронов чаще соударяется с кристаллической решеткой, а следовательно возрастает сопротивление их движению. При увеличении температуры растет сопротивление проводника.

Каждое вещество характеризуется собственным температурным коэффициентом сопротивления — табличная величина. Существуют специальные сплавы, сопротивление которых практически не изменяется при нагревании, например манганин и константан.

Явление сверхпроводимости. При температурах близких к абсолютному нулю (-2730C) удельное сопротивление проводника скачком падает до нуля. Сверхпроводимость — микроскопический квантовый эффект.

Применение электрического тока в металлах

Лампа накаливания производит свет за счет электрического тока, протекающего
по нити накала. Материал нити накала имеет высокую температуру плавления (например, вольфрам), так как она разогревается до температуры 2500 – 3250К.
Нить помещена в стеклянную колбу с инертным газом.

Электрический ток в газах

Газы в естественном состоянии не проводят электричества (являются диэлектриками), так как состоят из электрически нейтральных атомов и молекул. Проводником может стать ионизированный газ, содержащий электроны, положительные и отрицательные ионы.

Ионизация может возникать под действием высоких температур, различных излучений (ультрафиолетового, рентгеновского, радиоактивного), космических лучей, столкновения частиц между собой.

Ионизированное состояние газа получило название плазмы. В масштабах Вселенной плазма — наиболее распространенное агрегатное состояние вещества. Из нее состоят Солнце, звезды, верхние слои атмосферы.

Прохождение электрического тока через газ называется газовым разрядом.

В «рекламной» неоновой трубке протекает тлеющий разряд. Светящийся газ представляет собой «живую плазму».

Между электродами сварочного аппарата возникает дуговой разряд.

Дуговой разряд горит в ртутных лампах — очень ярких источниках света.

Искровой разряд наблюдаем в молниях. Здесь напряженность электрического поля достигает пробивного значения. Сила тока около 10 МА!

Для коронного разряда характерно свечение газа, образуя «корону», окружающую электрод. Коронный разряд — основной источник потерь энергии высоковольтных линий электропередачи.

Электрический ток в вакууме

А возможно ли распространение электрического тока в вакууме (от лат. vacuum — пустота)? Поскольку в вакууме нет свободных носителей зарядов, то он является идеальным диэлектриком. Появление ионов привело бы к исчезновению вакуума и получению ионизированного газа. Но вот появление свободных электронов обеспечит протекание тока через вакуум. Как получить в вакууме свободные электроны? С помощью явления термоэлектронной эмиссии — испускания веществом электронов при нагревании.

Вакуумный диод, триод, электронно-лучевая трубка (в старых телевизорах) — приборы, работа которых основана на явлении термоэлектронной эмиссии. Основной принцип действия: наличие тугоплавкого материала, через который протекает ток — катод, холодный электрод, собирающий термоэлектроны — анод.

Электрический ток в вакууме

Электрический ток в вакууме

Вакуум — пространство, свободное от вещества. В наиболее общем смысле, вакуум — это пустота. В физике и технике под вакуумом подразумевается газообразная среда при давлении в сотни раз ниже атмосферного.

Электрический ток в физике — это направленное движение носителей заряда. Вакуум — диэлектрик, и ток не может возникнуть в нем сам по себе. Условие протекания электрического тока в вакууме — наличие в нем достаточного количества свободных заряженных частиц. Например, электронов.

Термоэлектронная эмиссия

Как свободные электроны могут появиться в вакууме? Благодаря явлению термоэлектронной эмиссии, открытому Томасом Эдисоном в 1879 году.

Определение. Термоэлектронная эмиссия

Термоэлектронная эмиссия — испускание электронов из металла при его нагревании.

Металлы являются наилучшими проводниками, так как имеют свободные электроны, которые иногда еще называют электронным газом. При нагревании металла энергия электронов (измеряется в электронвольтах) увеличивается и они могут «вырваться» из металла. Для того, чтобы вылететь из металла, электрон должен обладать энергией, превышающей работу выхода электронов для этого металла.

Aвых=E0-μ

Здесь Aвых — работа выхода, которую нужно преодолеть электрону, E0 — его энергия, μ — энергия Ферми.

Нужна помощь преподавателя?

Опиши задание — и наши эксперты тебе помогут!

Описать задание

Термоэлектронный ток

Испущенные металлом свободные электроны образуют у поверхности металла электронное облако. Если создать в данной области электрическое поле, электроны начинают двигаться под действием сил поля. Иными совами, возникает электрический ток, называемый термоэлектронным.

Определение. Термоэлектронный ток

Термоэлектронный ток — ток, возникающий при испускании (эмиссии) электронов накаленными телами в вакуумных приборах.

Так, если в вакууме поместить две металлические пластины и создать между ними разность потенциалов и условия для термоэлектронной эмиссии, возникнет термоэлектронный ток.

Электрический ток в вакууме широко используется в вакуумных приборах. Самый простой пример — электронная лампа, или вакуумный диод.

Вакуумный диод представляет собой баллон с откачанным воздухом, содержащий электроды: катод и анод. Электроны выбиваются из катода и летят к аноду.

Для вакуумного диода не выполняется закон Ома. При небольших значениях напряжения на аноде имеет место формула зависимости силы электрического тока от напряжения:

I=BU32

где B — коэффициент пропорциональности, который зависит от формы, расположения и размеров электродов.

При увеличении разности потенциалов между электродами сила тока будет расти. Однако, для термоэлектронного тока существует понятие тока насыщения. Это ток такой силы, при котором все электроны из электронного облака достигают другой анода. При достижении силы тока насыщения и дальнейшем росте разности потенциалов, сила тока насыщения не меняется.

Эмиссионную способность материала катода характеризует плотность тока насыщения, которая определяется по формуле Ричардсона-Дешмана:

j=1-hRiA·T2·e-qφkT.

Здесь h — постоянная Планка, hRi — усредненное значение коэффициента отражения электронов от потенциального порога, A — термоэлектрическая постоянная, равная 120,4 AК2·см2, T — температура, q — заряд электрона, qφ — работа выхода, k — постоянная Больцмана.

Электрический ток в жидкостях, в полупроводниках, в вакууме, в газах 🐲 СПАДИЛО.РУ

Напоминаем, что в каждой среде есть свои носители электрических зарядов. В металлах ими служат свободные электроны, в электролитах — положительные и отрицательные ионы, в газах — ионы и электроны, полупроводниках — электроны и дырки, в вакууме — электроны. Электрический ток может течь с переносом и без переноса вещества. Перенос вещества осуществляется только ионами.

Электрический ток в электролитах

Электролиты — жидкости, проводящие электрический ток. К ним относят растворы солей, щелочей и кислот.

Положительные ионы (катионы) движутся к катоду, а отрицательные (анионы) — к аноду.

Пример №1. Электрическая цепь, изображенная на рисунке, включает в себя сосуд со слабым раствором поваренной соли (NaCl) и опущенными в него двумя электродами. В каком направлении (вправо, влево, вверх, вниз) будут двигаться ионы натрия при замыкании ключа:

При замыкании ключа в растворе соли начнут образовываться ионы: положительные в виде Na+ и отрицательные в виде Cl. Положительные ионы будут двигаться к отрицательному электроду (катоду), т. е. вправо.

Электрический ток в полупроводниках

К полупроводникам относят элементы четвертой группы таблицы химических элементов Д.И. Менделеева, которые имеют 4 валентных электрона. Собственная проводимость полупроводников — электронно-дырочная.

При низкой температуре все электроны участвуют в создании ковалентных связей, свободных электронов нет, и полупроводник ведет себя как диэлектрик. При повышении температуры или облучении полупроводников часть ковалентных связей разрушается, и появляются свободные электроны. На месте разрушенной связи возникает электронная вакансия — дырка. Она также перемещается по кристаллу и ведет себя подобно положительной частице.

Зависимость удельного сопротивления полупроводников от температуры и внешнего излучения показана на графике.

В полупроводниках также может осуществляться примесная проводимость.

Донорные примеси — это элементы пятой группы таблицы химических элементов Д.И. Менделеева. Только 4 из 5 валентных электрона участвуют в создании ковалентных связей. Остальные сразу становятся свободными. Полупроводник, основными носителями в котором являются отрицательные электроны, относятся к полупроводникам n-типа.

Акцепторные примеси — элементы третьей группы таблицы химических элементов Д.И. Менделеева. Три валентных электрона устанавливают ковалентные связи, а не месте четвертой появляется дырка. Полупроводник с положительными носителями относится к полупроводникам p-типа.

Применение полупроводниковых приборов

Термисторы — приборы, сопротивление которых изменяется при нагревании. Они позволяют определять малые изменения температуры.

Фоторезисторы — приборы, аналогичные термисторам, но сопротивление в них изменяется не при изменении температуры, а при изменении освещенности.

Полупроводниковый диод — соединение полупроводников двух типов. Обладает односторонней проводимостью.

Электрический ток в вакууме

Получение основных носителей происходит за счет термоэлектронной эмиссией.

Определение

Термоэлектронная эмиссия — процесс испускания электронов при нагревании катода до высокой температуры.

Свойства электронных пучков:

  • вызывают нагревание тел;
  • при торможении возникает рентгеновское излучение;
  • при попадании на некоторые вещества (люминофоры) вызывают их свечение;
  • направление электронов может изменять под действием электрического и магнитного полей.

Электрический ток в газах

Электрический ток в газах называют разрядом. Обычно газы состоят из нейтральных молекул, поэтому они являются диэлектриками. Чтобы появились носители электрического заряда, необходима затрата энергии.

Несамостоятельный разряд. При нагреве газа или при облучении его атомов могут отделиться электроны, и атомы превращаются в положительные ионы.

Самостоятельный разряд. В газах при столкновении молекул может освободиться хотя бы один электрон. Если он попадет в электрическое поле, то начнет двигаться с ускорением. Сталкиваясь с нейтральным атомом газа, ускоренный электрон может «выбить» из него другой электрон, превратив сам атом в положительный ион. Электроны будут и дальше ускоряться, разрушая атомы. Ионы создают ток в противоположном направлении. Таким образом, электрический ток в газах создается электронами и ионами.

Задание EF18453

На рис. 1 изображена зависимость силы тока через светодиод D от приложенного к нему напряжения, а на рис. 2 – схема его включения. Напряжение на светодиоде практически не зависит от силы тока через него в интервале значений 0,05 А<I<0,2 А. Этот светодиод соединён последовательно с резистором R и подключён к источнику с ЭДС E1=6 В. При этом сила тока в цепи равна 0,1 А. Какова сила тока, текущего через светодиод, при замене источника на другой с ЭДС E2=4,5 В? Внутренним сопротивлением источников пренебречь.

Алгоритм решения

1.Записать исходные данные.

2.С помощью закона Ома для участка и для полной цепи определить сопротивление на светодиоде.

3.Выполнить решение задачи в общем виде.

4.Подставить известные данные и вычислить искомую величину.

Решение

Запишем исходные данные:

• ЭДС первого источника тока: ε1=6 В.

• Сила тока, проходящая через светодиод, подключенный к первому источнику тока: I1 = 0,1 А.

• ЭДС второго источника тока: ε2=4,5 В.

Из рисунка 1 следует, что при силе тока, равной I1= 0,1 А напряжение на светодиоде равно UD = 3 В. По закону Ома для участка цепи напряжение на резисторе, будет равно:

U1=I1R

По закону Ома для полной (замкнутой) цепи, имеем:

ε1=U1+UD

Следовательно:

U1=ε1−UD

Тогда сопротивление резистора равно:

R=ε1−UDI1..

Напряжение на светодиоде не зависит от силы тока, проходящего через него в интервале значений (это следует из графика рис. 1), поэтому U2=ε2−UDдля любой силы тока из этого интервала значений, следовательно, сила тока в цепи при изменении ЭДС источника:

I2=U2R..=ε2−UDR..=I1ε2−UDε1−UD..

I2=0,14,5−36−3..=0,05 (А)

Ответ: 0,05


pазбирался: Алиса Никитина | обсудить разбор | оценить

электрический ток в различных средах

 на главную

Официальный сайт АНО ДО Центра «Логос», г. Глазов

http://logos-glz.ucoz.net/

ГОТОВИМСЯ К УРОКУ

Кинематика

Динамика

МКТ

Термодинамика

Электростатика

Электрический
ток

Электрический
ток в средах

Магнитное поле
Электромагнитная индукция

Оптика

Методы
познания


Электрический ток в различных средах                                                      немного о физике:
   

Электрическим током называют всякое  упорядоченное
движение электрических зарядов. Электрический ток может
проходить через различные вещества при определенных
условиях. Одним из условий возникновения электрического тока
является наличие свободных зарядов, способных двигаться под
действием электрического поля.

Поэтому в этом разделе мы попытаемся  установить,
какие частицы, переносят  электрический заряд в
различных средах.

Электрический ток в
металлах.

Металлы состоят из положительно заряженных ионов,
находящихся в узлах кристаллической решетки и совокупности
свободных электронов. Вне электрического поля свободные
электроны движутся хаотически, подобно молекулам идеального
газа, а потому рассматриваются в классической электронной
теории как электронный газ.

Под действием внешнего электрического поля меняется
характер движения свободных электронов внутри металла.
Электроны, продолжая хаотичные движения, вместе с тем
смещаются в направлении действия сил электрического поля.

Следовательно, электрический
ток в металлах
— это упорядоченное движение
электронов.

Сила тока в металлическом
проводнике
определяется по формуле:

где I — сила тока
в проводнике, e
модуль заряда электрона,  n0
— концентрация электронов проводимости, 


— средняя скорость упорядоченного движения электронов,
S
— площадь поперечного
сечения проводника.

Плотность тока проводимости
численно равна заряду, проходящему за 1с через единицу
площади поверхности, перпендикулярной направлению тока.

где j — плотность тока.

У большинства металлов практически каждый атом
ионизирован. А так как концентрация электронов проводимости  одновалентного
металла равна

где

Na
— постоянная Авогадро, 
A —

атомная масса металла,
ρ

плотность металла,

то получаем
что концентрация определяется в пределах 1028
1029 м-3.

Закон Ома для
однородного участка цепи:

где U — напряжение на
участке,  R
сопротивление участка.

Для однородного участка цепи:

где  ρУ— удельное сопротивление проводника,
l — длина проводника, 
S — площадь поперечного сечения проводника.

Удельное сопротивление проводника зависит от температуры
и  эта зависимость выражается соотношением:

ρу = ρоу
( 1 + α ∆Т )

где
ρоу


удельное сопротивление
металлического проводника при температуре Т =273К,
α —
термический коэффициент сопротивления,
∆Т
= Т — То 
изменение
температуры.

Вольт-амперная характеристика металлов.

Сила тока в  проводниках по закону Ома прямо
пропорциональна напряжению. Такая зависимость имеет место
для проводников со строго заданным сопротивлением (
для резисторов
).

Тангенс угла наклона графика равен проводимости
проводника. Проводимостью
называется величина, обратная сопротивлению

где  G
проводимость.

Но так как сопротивление металлов зависит от температуры,
то вольт-амперная характеристика металлов не является
линейной.

Электрический ток в
растворах и расплавах электролитов.

Явление распада молекул солей, щелочей и кислот в воде на
ионы противоположных знаков называют
электролитической диссоциацией. Полученные в
следствие распада ионы служат носителями заряда в жидкости,
а сама жидкость становятся проводником.

Вне электрического поля ионы движутся хаотически. Под действием внешнего электрического поля
ионы, продолжая хаотичные движения, вместе с тем
смещаются в направлении действия сил электрического поля:
катионы к катоду, анионы — к аноду.

Следовательно, электрический ток
в растворах (расплавах) электролитов
— это
направленное перемещение ионов обоих знаков в
противоположных направлениях.

Прохождение электрического тока через раствор электролита
всегда сопровождается выделением на электродах веществ,
входящих в его состав. Это явление называют
электролизом.

При движении внутри электролитов ионы взаимодействуют с
молекулами воды и другими ионами, т.е. электролиты оказывают
некоторое противодействие движению, а, следовательно,
обладают сопротивлением. Электрическое сопротивление
электролитов зависит от концентрации ионов, величины заряда
иона, от скорости движения ионов обоих знаков.

Сопротивление электролитов так же определяется по
формуле:

где  ρУ— удельное сопротивление электролита,
l — длина жидкого проводника, 
S — площадь поперечного сечения жидкого проводника.

При увеличении температуры электролита уменьшается его
вязкость, что ведет к увеличению скорости движения ионов.
Т.е. при повышении температуры сопротивление электролита
уменьшается.

Законы Фарадея.

1. Масса вещества, выделяемого
на электроде, прямо пропорциональна электрическому заряду,
прошедшему через электролит.

где m — масса
вещества, выделяющегося на электроде,  k
— электрохимический эквивалент, q
— заряд, прошедший через электролит.

2. Электрохимический эквивалент
вещества прямо пропорционален его химическому эквиваленту.

где М— молярная масса вещества,
F- постоянная Фарадея,
z — валентность иона.

постоянная Фарадея
численно равна заряду, который должен пройти через
электролит, чтобы выделить из него массу вещества, численно
равную химическому эквиваленту.

Объединенный закон Фарадея.

Электрический ток в
газах.

При нормальных условиях   газы  состоят 
из  нейтральных молекул, а поэтому являются
диэлектриками. Так как для  получения электрического
тока необходимо наличие заряженных частиц, то молекулы газа
следует ионизировать (оторвать электроны от молекул). Для
ионизации молекул необходимо затратить энергию —
энергию ионизации,
количество которой зависит от рода вещества. Так, энергия
ионизации минимальна для атомов щелочных металлов,
максимальна — для инертных газов.

Ионизировать молекулы можно при нагревании газа, при
облучении его различного рода лучами. Благодаря
дополнительной  энергии  возрастает скорость 
движения  молекул, нарастает интенсивность их теплового
движения  и  при соударении отдельные молекулы
теряют электроны, превращаясь в положительно заряженные
ионы.

Электроны, оторвавшись от молекулы могут присоединятся к
нейтральным молекулам, образуя при этом отрицательно
заряженные ионы.

Следовательно, при ионизации появляются три типа
носителей зарядов: положительные ионы, отрицательные ионы и
электроны.

Под действием внешнего электрического поля ионы обоих
знаков и электроны движутся  в направлении действия сил электрического поля:
положительные ионы  к катоду, отрицательные ионы и
электроны — к аноду. Т.е.
электрический ток в газах
— это упорядоченное
движение ионов и электронов под действием электрического
поля.

Вольт- амперная характеристика газов.

Зависимость силы тока от напряжения выражена  кривой
ОАВС.

На  участке графика  ОА сила тока подчиняется
закону Ома. При малом напряжении сила тока мала, т.к. 
ионы двигаясь с малыми скоростями рекомбинируют, не достигая
электродов. При увеличении напряжения  между
электродами скорость направленного движения электронов 
и ионов возрастает, поэтому  большая часть заряженных
частиц достигает  электродов, а, следовательно
возрастает сила тока.

При определенном значении напряжения U1
все ионы имеют достаточные скорости и, не рекомбинируя,
достигают электродов. Ток становится максимально возможным и
не зависит от дальнейшего увеличения напряжения до значения
U2. Такой ток называют
током насыщения, и ему
соответствует участок графика АВ.

При напряжении U2 в
несколько тысяч вольт скорость электронов, возникающих при
ионизации молекул, а следовательно, их кинетическая энергия
значительно увеличиваются. И когда  кинетическая
энергия  достигает значения энергии ионизации,
электроны, сталкиваясь с нейтральными молекулами, ионизируют
их. Дополнительная ионизация  приводит к
лавинообразному увеличению количества заряженных частиц, а
следовательно и к значительному увеличению силы тока без
воздействия внешнего ионизатора. Прохождение электрического
тока без воздействия внешнего ионизатора называют
самостоятельным разрядом
. Такая зависимость
выражена участком графика АС.

Электрический ток в
вакууме.

В вакууме отсутствуют заряженные частиц, а следовательно,
он является диэлектриком. Т.е.  необходимо создать
определенные  условия, которые помогут  получить
заряженные частицы.

Свободные электроны есть в металлах. При комнатной
температуре  они не могут покинуть металл, т. к.
удерживаются в нем силами кулоновского притяжения со стороны
положительных ионов. Для преодоления этих сил электрону
необходимо затратить определенную энергию, которая
называется работой выхода.
Энергию, большую или  равную работе выхода, электроны
могут получить при разогреве металла до высоких температур.

При нагревании металла  количество электронов с
кинетической энергией, большей работы выхода, увеличивается,
поэтому из металла вылетает большее количество электронов.
Испускание электронов из металлов  при его нагревании
называют термоэлектронной эмиссией.
Для осуществления термоэлектронной эмиссии в качестве оного
из электродов используют тонкую проволочную нить из
тугоплавкого металла (нить накала). Подключенная  к
источнику тока нить раскаляется и с ее поверхности 
вылетают электроны. Вылетевшие электроны попадают в
электрическое поле между двумя электродами и начинают
двигаться направленно, создавая электрический ток.

Явление термоэлектронной эмиссии лежит  в основе
принципа действия электронных ламп:  вакуумного диода,
вакуумного триода.

                 
Вакуумный диод                                           
Вакуумный триод


 

Вольт-амперная характеристика
вакуумного диода.

Зависимость силы тока от напряжения выражена  кривой
ОАВСD.

При испускании электронов катод приобретает положительный
заряд и поэтому удерживает возле себя электроны.  При
отсутствии электрического поля между катодом и анодом,
вылетевшие электроны образуют у  катода электронное
облако.

По мере увеличения напряжения между анодом и катодом
большее количество электронов устремляется к аноду, а
следовательно сила тока увеличивается. Эта зависимость
выражена участком графика ОАВ. Участок АВ является
характеризует прямую зависимость  силы тока от
напряжения, т.е. в  интервале напряжений
U1 — U2
выполняется закон Ома.

Нелинейная зависимость на участке ВСD
объясняется тем, что число электронов, устремляющихся к
аноду, стает больше числа электронов, вылетающих с катода.

При достаточно большом  значении напряжения
U3все электроны,
вылетающие с катода, достигают анода, и электрический 
ток достигает насыщения.

Так же в качестве источника заряженных частиц можно
использовать радиоактивный препарат, испускающий
α-частицы.Под действием сил
электрического поля α-частицы
будут двигаться, т.е. возникнет электрический ток.

Таким образом,
электрический ток в вакууме может
быть создан упорядоченным  движением любых заряженных
частиц (электронов, ионов)
.

Электрический ток в
полупроводниках.

Полупроводники — вещества, удельное сопротивление которых
убывает с увеличением температуры и зависит от наличия
примесей и  изменения освещенности. Удельное
сопротивление проводников при комнатной температуре
находится в интервале от 10-3 до 107
Ом ·м. 
Типичными представителями полупроводников являются кристаллы
германия и кремния.

В этих кристаллах атомы соединены между собой ковалентной
связью. При нагревании ковалентная связь нарушается, атомы
ионизируются. Это обуславливает  возникновение
свободных электронов и «дырок»- вакантных положительных мест
с недостающим электроном.

При этом электроны соседних атомов могут занимать
вакантные места, образуя «дырку»  в соседнем атоме.
Таким образом не только  электроны, но и «дырки» могут
перемещаться по кристаллу. При помещении такого кристалла в электрическое поле
электроны и дырки придут в упорядоченное движение —
возникнет электрический ток.

Собственная проводимость.

В чистом кристалле электрический  ток создается
равным количеством электронов и «дырок». Проводимость,
обусловленную движением свободных электронов и равного им
количества «дырок» в полупроводниковом кристалле  без
примесей, называют собственной
проводимостью полупроводника
.

При повышении  температуры собственная проводимость
полупроводника увеличивается, т.к. увеличивается число
свободных электронов и «дырок».

Примесная  проводимость.

Проводимость проводников зависит от наличия примесей.
Примеси бывают донорные и акцепторные. Донорная примесь
примесь с большей валентностью. Например, для
четырехвалентного кремния донорной примесью является
пятивалентный мышьяк. Четыре валентных электрона атома
мышьяка участвуют в создании ковалентной связи, а пятый 
станет электроном проводимости.

При нагревании  нарушается ковалентная связь, 
возникают  дополнительные   электроны
проводимости  и «дырки». Поэтому в кристалле количество
свободных электронов преобладает над количеством «дырок».
Проводимость такого проводника является электронной,
полупроводник является
полупроводником n-типа

Электроны являются основными
носителями
заряда, «дырки» —
неосновными
.

Акцепторная
 примесь
примесь с меньшей валентностью. Например, для
четырехвалентного кремния акцепторной примесью является
трехвалентный индий. Три валентных электрона атома индия
участвуют в создании ковалентной связи с тремя атомами
кремния, а на месте четвертой  незавершенной
ковалентной связи образуется «дырка».

При нагревании  нарушается ковалентная связь, 
возникают  дополнительные   электроны
проводимости  и «дырки». Поэтому в кристалле количество
«дырок» преобладает над количеством свободных электронов.
Проводимость такого проводника является дырочной,
полупроводник является
полупроводником p-типа

«Дырки» являются основными
носителями
заряда, электроны —
неосновными
.

p-n
переход.

При контакте полупроводников p-типа
и  n-типа через границу
происходит диффузия электронов из n-области
в p-область и «дырок» из
p-области в n-область. Это
приводит к возникновению запирающего слоя, препятствующего
дальнейшей диффузии.  p-n
переход обладает односторонней
проводимостью.

При подключении p-n перехода к
источнику тока так, чтобы p-область
была соединена с положительным полюсом , а  n-область —
с отрицательным полюсом, появляется  движение основных
носителей зарядов через контактный слой. Этот способ
подключения называют включением в прямом направлении.

При подключении p-n перехода к
источнику тока так, чтобы p-область
была соединена с отрицательным  полюсом , а 
n-область — с положительным полюсом, толщина запирающего
слоя увеличивается, и движение основных носителей зарядов
через контактный слой прекращается, но может иметь место
движение неосновных зарядов через контактный слой. Этот
способ подключения называют включением в обратном
направлении.

Принцип действия полупроводникового диода  основан
на свойстве односторонней проводимости 
p-n перехода. Основное применение
полупроводникового диода — выпрямитель тока.

Вольт-амперная характеристика
полупроводникового диода.

Зависимость силы тока от напряжения выражена  кривой
АОВ.

Ветвь ОВ соответствует пропускному направлению тока,
когда ток создается основными носителями зарядов, и 
при увеличении напряжения сила тока возрастает. Ветвь АО
соответствует току, созданному неосновными носителями
зарядов, и значения силы тока невелики.

Элеком37, Электрический ток в газах и в вакууме.

Электрический ток в газах и в вакууме.

Электрический ток в газах

В обычных условиях газы не проводят электрический ток. Это объясняется электрической нейтральностью молекул газов и, следовательно, отсутствием носителей электрических зарядов.
Для того чтобы газ стал проводником, от молекул необходимо оторвать один или несколько электронов. Тогда появятся свободные носителя зарядов — электроны и положительные ионы. Этот процесс называется ионизацией газов.

Ионизировать молекулы газа можно внешним воздействием — ионизатором. Ионизаторами может быть: поток света, рентгеновские лучи, поток электронов или α-частиц.
Молекулы газа также ионизируются при высокой температуре. Ионизация приводит к возникновению в газах свободных носителей зарядов — электронов, положительных ионов, отрицательных ионов (электрон, объединившийся с нейтральной молекулой).

Если создать в пространстве, занятом ионизированным газом, электрическое поле, то носители электрических зарядов придут в упорядоченное движение – так возникает электрический ток в газах.
Если ионизатор перестает действовать, то газ снова становится нейтральным, так как в нем происходит рекомбинация – образование нейтральных атомов ионами и электронами.

Электрический ток в вакууме

Вакуумом называется такая степень разрежения газа, при котором можно пренебречь соударением между его молекулами и считать, что средняя длина свободного пробега превышает линейные размеры сосуда, в котором газ находится.

Электрическим током в вакууме называют проводимость межэлектродного промежутка в состоянии вакуума. Молекул газа при этом столь мало, что процессы их ионизации не могут обеспечить такого числа электронов и ионов, которые необходимы для ионизации.
Проводимость межэлектродного промежутка в вакууме может быть обеспечена лишь с помощью заряженных частиц, возникших за счет эмиссионных явлений на электродах.

Электрический ток в газах. Термоэлектронная эмиссия. Электрический ток в вакууме

Плоский воздушный конденсатор с расстоянием между обкладками 2,00 см заряжен до напряжения 1000 В и отключен от источника энергии. За какое время разрядится конденсатор, если в каждом кубическом сантиметре воздуха между обкладками кон­денсатора ионизатор образует 2,00*108 пар одновалентных ионов в секунду? Считать, что все ионы достигают обкладок конденсатора. Каким стал бы ток насыщения, если при неизменном ионизаторе конденсатор подключить к источнику постоянного напряжения? Как зависит ток насыщения от величины напряжения на конденса­торе? Площадь каждой обкладки 50,0 см2.

Дано: d=2,00 см—2,00 10-2 м — расстояние между обкладками конденсатора, S=50,0 см2 = 5,00*10 -3 м2 — площадь каждой обкладки конденсатора, ɛ0=8,85*10-12 Ф/м — электрическая постоянная, ɛ=1 — относительная диэлектрическая проницаемость воздуха, U=1000 В=1,00*103 В — напряжение на конденсаторе, nо=2,00*108 см-3*с-1=2,00*1014 м-3*с-1 — число пар одновалент­ных ионов, образующихся в каждом кубическом метре воздуха за секунду, e=1,602*10-19 Кл — заряд одновалентного иона.

Найти: 1) t — время, за которое разрядится конденсатор; 2) Iн — ток насыщения при подключении конденсатора к источ­нику; 3) зависимость тока насыщения от напряжения.

Решение. 1) Время разрядки конденсатора t найдем, зная заряд q конденсатора и суммарный заряд ионов одного знака qt образовавшихся в пространстве между обкладками конденсатора под действием ионизатора за одну секунду:

t = q/qt

Для определения заряда q воспользуемся формулами C=q/U и C=ɛ0ɛS/d , откуда:

Заряд ионов одного знака qt, образовавшихся за одну секунду, определяем по формуле qt=n1e, где nt — число пар ионов, образо­вавшихся между обкладками конденсатора за секунду. Если объем диэлектрика между обкладками конденсатора V выразить через площадь обкладки и толщину слоя диэлектрика: V=Sd, то:

Подставив в формулу t=q/qt найденные значения q и qt, получаем:

Мы видим, что время разрядки конденсатора не зависит от площади его обкладок. Окончательно время разрядки конденсатора:

Малое время разрядки обусловлено тем, что мы не учитывали реком­бинацию ионов.

2) Ток насыщения находим по формуле:

где q макс — максимальный заряд, достигающий обкладок конден­сатора: qмакс= ntet =n0Sdet; t — время, за которое этот заряд достигает обкладок (проходит по цепи). Тогда:

Ток насыщения, как видно из формулы, численно равен заряду, ионов одного знака, образующемуся под действием ионизатора между обкладками конденсатора в единицу времени. Вычисляем ток насыщения Iн:

3) Анализ полученной для тока насыщения формулы показывает, что ток насыщения не зависит от напряжения и, следовательно, не подчиняется закону Ома. Ток насыщения определяется лишь интенсивностью ионизатора и объемом межэлектродного простран­ства.

Ответ. 1) Время разрядки конденсатора 6,91 10-1 с. 2) Ток насыщения 3,204 10-9 А. 3) Ток насыщения не зависит от напряжения.

Электрический ток в газах. Электрический ток в вакууме. Электронно-лучевая трубка. | Поурочные планы по физике 8 класс

Электрический ток в газах. Электрический ток в вакууме. Электронно-лучевая трубка.

27.02.2014

5209

0


Цель: сформировать
понятие термоэлектронной эмиссии; показать ее прак­тическое применение. Побуждать учащихся к преодолению трудностей в
процессе умственной деятельности, воспитать интерес к физике.

Ход урока

I. Организационный момент

II.   Повторение
изученного

1. Почему чистая вода не проводит электричество?

2. Почему становится проводником при растворении соли?

3. Что называется электрохимическим эквивалентом?

4. Как можно определить заряд электрона?

III. Изучение нового материала

Укрепим две металлические пластины параллельно друг
другу, соединим одну со стержнем, а вторую — с корпусом электрометра и сообщим
им разноимен­ные заряды. Электрометр не заряжается. Через воздух между
пластинами при небольших значениях напряжения электрический ток не проходит.

Эксперимент 2

Внесем в пространство между пластинами пламя
спиртовки, и заряженный электрометр быстро зарядится.

Под воздействием пламени газ стал проводником
электрического тока.

Явление протекания электрического тока через газ,
наблюдаемое только при условии какого-либо внешнего воздействия на газ
называется несамостоятель­ным электрическим разрядом.

Повышение температуры газа делает его проводником
электрического тока, т. к. нейтральные атомы или молекулы превращаются в ионы.
Процесс отры­ва электрона от атома называется ионизацией атома. Процесс
возникновения свободных электронов и положительных ионов в результате
столкновения атомов и молекул газа при высокой температуре называют термической
иони­зацией.

Частично или полностью ионизированный газ, в котором
плотности положи­тельных и отрицательных ионов практически одинаковы,
называется плазмой.

Если два электрода поместить в герметичный сосуд и
удалить из сосуда воз­дух, то ток в вакууме не возникнет. В вакууме нет
заряженных частиц, они есть в электродах, но они не могут выйти в вакуум, т. к.
их удерживают силы кулоновского притяжения друг к другу. Для освобождения
электрона с поверхности твер­дого тела нужно совершить работу против сил
электростатического притяжения.

Такая работа называется работой выхода. Т. А. Эдисон
обнаружил, что ток может возникнуть, если один из находящихся электродов
нагреть до высокой температуры. Явление испускания свободных электронов с
поверхности нагре­того тела называется термоэлектронной эмиссией. Это явление
объясняется тем, что при повышении температуры тела увеличивается кинетическая
энергия не­которой части электронов в веществе. Если эта энергия превысит
работу выхода, то он может преодолеть силы притяжения и выйти с поверхности
тела в вакуум. На этом явлении основана работа электронных ламп.

Простейшей электронной лампой является диод. Он
состоит из вакуумного баллона (стеклянного или керамического), двух электродов
— анода и катода. Ка­тод — проволочная спираль с двумя выводами для подключения
к источнику тока. Второй электрод — анод — металлический диск или цилиндр.

При подключении к источнику тока катод нагревается, и
с его поверхности испускаются электроны. Если нет электрического поля, часть
электронов дости­гает анода. Если поле электрическое есть между электродами, то
в цепи течет ток.

Через диод ток может протекать только тогда, когда
нить накала является като­дом. Поэтому он используется при превращении
переменного тока в постоянный.

IV. Закрепление изученного

1. Можно создать электрический ток в вакууме?

2. Что препятствует выходу электронов с поверхности
тела?

3. Что называется работой выхода?

4. Какими заряженными частицами может создаваться
электрический ток в вакууме?

5. Как устроен вакуумный диод?

6. Для чего применяют вакуумный триод?

7. Как устроена электронно-лучевая трубка?

Домашнее задание

§  48-49.
Упражнение  23

Электрический поток в вакууме, Рон Куртус

SfC Home> Физика> Электричество>

, Рон Куртус (12 ноября 2019 г.)

Электрические заряды, такие как электроны и отрицательные ионы, легко будут течь в вакууме или почти вакууме как форма электричества, если есть положительные электрические заряды, притягивающие частицы. Точно так же положительные ионы будут течь, если есть отрицательные электрические заряды, притягивающие частицы.

По мере увеличения количества атомов или молекул в пространстве между электрическими зарядами сопротивление электрическому потоку увеличивается.

Наиболее частое место, где вы испытываете поток электрических зарядов в почти вакууме, находится в телевизионной кинескопе старого образца или электронно-лучевой трубке (ЭЛТ). В некоторой степени этот тип электрического потока также наблюдается в люминесцентной лампе. Солнце испускает потоки заряженных частиц, которые при притяжении к магнитным полюсам Земли создают северное и южное сияние.

Вопросы, которые могут у вас возникнуть:

  • Как движутся электроны в электронно-лучевой трубке?
  • Как движутся электроны в люминесцентной лампе?
  • Что происходит при солнечных вспышках?

Этот урок ответит на эти вопросы. Полезный инструмент: Конвертация единиц



Электронно-лучевая трубка

Из электронно-лучевой трубки (ЭЛТ) удалена большая часть воздуха. Нить накала, нагретая до белого каления, испускает электроны.Отрицательный заряд также применяется к нити накала или катоду для ускорения электронов от него. На другом конце шейки ЭЛТ находится ряд пластин, на которые подается положительный электрический заряд. Это ускоряет электроны к нему. Пластины называются анодами.

Изменения в их зарядах могут направлять луч высокоскоростных электронов, когда они проходят мимо и врезаются в экран телевизора или ЭЛТ, вызывая вспышки света.

Пучок электронов называется катодным лучом, это название было дано много лет назад, когда было открыто это явление.

Люминесцентные лампы

Люминесцентная лампа — это трубка, в которой был удален воздух и заменен небольшим количеством инертного газа, такого как ксенон, вместе со следами ртути. Давление внутри лампы составляет около 0,3% от атмосферного давления, так что это, по сути, частичный вакуум.

Балласт или катод нагревает и выбрасывает электроны, которые движутся к аноду или положительно заряженному выводу. При попадании на атомы газа испускается ультрафиолетовое излучение.

Солнечные вспышки

Штормы на поверхности Солнца испускают потоки электрически заряженных частиц.Эти электроны и ионы движутся через космический вакуум, пока не достигнут атмосферы Земли. Электрически заряженные частицы притягиваются к северному и южному магнитным полюсам. Столкновения с молекулами воздуха приводят к появлению света, который можно увидеть по небу над полюсами.

Сводка

Электрически заряженные частицы будут течь в вакууме или почти в вакууме как форма электричества, если есть электрические заряды, которые притягивают частицы.

Обычным устройством для измерения потока электрических зарядов в почти вакууме является телевизионная кинескопическая или электронно-лучевая трубка (ЭЛТ) старого образца.В некоторой степени этот тип электрического потока также наблюдается в люминесцентной лампе. Солнце испускает потоки заряженных частиц, которые при притяжении к магнитным полюсам Земли создают северное и южное сияние.


Стремитесь понять принципы


Ресурсы и ссылки

Полномочия Рона Куртуса

Сайты

Электроэнергетические ресурсы постоянного и переменного тока

Физические ресурсы

Книги

Научитесь электричеству и электронике Стэна Гибилиско; Макгроу-Хилл; (2001) 34 доллара.95 — Руководство для профессионалов, любителей и техников, желающих изучить цепи переменного и постоянного тока


Вопросы и комментарии

Есть ли у вас какие-либо вопросы, комментарии или мнения по этой теме? Если да, отправьте свой отзыв по электронной почте. Я постараюсь вернуться к вам как можно скорее.


Поделиться страницей

Нажмите кнопку, чтобы добавить эту страницу в закладки или поделиться ею через Twitter, Facebook, электронную почту или другие службы:


Студенты и исследователи

Веб-адрес этой страницы:
www.school-for-champions.com/science/
electric_flow_in_vacuum.htm

Пожалуйста, включите его в качестве ссылки на свой веб-сайт или в качестве ссылки в своем отчете, документе или тезисе.

Авторские права © Ограничения


Где ты сейчас?

Школа чемпионов

Физические темы

Электрический поток в вакууме

Библиография и авторский указатель электрических разрядов в вакууме (1897-1980) (Технический отчет)


Миллер, Х.C. Библиография и авторский указатель электрических разрядов в вакууме (1897-1980). США: Н. П., 1982.
Интернет. DOI: 10,2172 / 5575595.


Миллер, Х. С. Библиография и авторский указатель электрических разрядов в вакууме (1897–1980). Соединенные Штаты. https://doi.org/10.2172/5575595


Миллер, Х.C. Пт.
«Библиография и авторский указатель электрических разрядов в вакууме (1897-1980)». Соединенные Штаты. https://doi.org/10.2172/5575595. https://www.osti.gov/servlets/purl/5575595.

@article {osti_5575595,
title = {Библиография и авторский указатель электрических разрядов в вакууме (1897–1980)},
author = {Миллер, Х.C.},
abstractNote = {Эта библиография охватывает область электрических разрядов в вакууме, включая электрический пробой в вакууме и вакуумную дугу. В разделе краткого обзора перечислены некоторые обзорные статьи, которые будут полезны новичкам в этой области. Основная часть статьи состоит из библиографических списков, упорядоченных по годам публикации и в течение каждого года в алфавитном порядке по первому автору. Указатель авторов относится ко всем статьям, написанным или написанным в соавторстве определенным человеком.Всего по декабрь 1980 г. перечислено 2450 статей.},
doi = {10.2172 / 5575595},
url = {https://www.osti.gov/biblio/5575595},
журнал = {},
номер =,
объем =,
place = {United States},
год = {1982},
месяц = ​​{1}
}

вакуумная трубка | Encyclopedia.com

История

Ресурсы

Вакуумная трубка представляет собой полую стеклянную колбу приблизительно цилиндрической формы, которая содержит положительный электрод и отрицательный электрод, между которыми проходит ток через полный или частичный вакуум.Сетка между электродами контролирует поток электричества.

Катод вакуумной лампы представляет собой нить накала, обычно покрытого вольфрамом другим металлом. Когда нить накала достаточно нагревается электрическим током, она испускает электроны. Эта нить накала или электрод имеет отрицательный заряд. К катоду необходимо подавать свободные электроны, чтобы он мог продолжать их излучать, не накапливая постоянно растущий заряд. Обычно это делается путем подключения катода к отрицательной клемме генератора или батареи.Другой электрод, известный как анод, имеет положительный заряд. Электроны движутся от катода к аноду, в результате чего внутри трубки возникает односторонний ток.

В 1884 году Томас Эдисон, работая над своей лампочкой накаливания, вставил металлическую пластину между светящимися нитями. Он заметил, что электричество будет течь от положительной стороны нити к пластине, но не с отрицательной. Он не понимал, почему это так, и относился к этому эффекту (теперь известному как эффект Эдисона) как к любопытству.Невольно он создал первый диод.

Позже Джон Амброуз Флеминг из Англии, один из бывших помощников Эдисона, стал участвовать в разработке радиопередатчика для Гульельмо Маркони. В 1904 году Флеминг понял, что диод может преобразовывать переменный ток (AC) в постоянный (DC), и включил его в свой очень эффективный детектор радиоволн. Флеминг назвал свое устройство термоэмиссионным клапаном, поскольку оно использовало тепло для управления потоком электричества так же, как клапан управляет потоком воды.В Соединенных Штатах изобретение получило название вакуумная лампа.

В Германии Артур Венельт, который также работал с термоэлектронной эмиссией, в январе 1904 года подал заявку на патент на лампу, преобразующую переменный ток в постоянный ток. Однако он не упомянул об использовании устройства для обнаружения радиоволн и не смог продать свое изобретение для этой цели после того, как Флеминг подал заявку на получение собственного патента.

Ли де Форест (1873–1961) усовершенствовал вентиль Флеминга, добавив в 1906 г. третий элемент, тем самым изобрав триод.Это сделало детектор радиоволн даже лучше, но, как и Эдисон, он не осознал весь потенциал своего изобретения; его устройство, называемое аудионом, создавало электрический ток, который можно было значительно усилить.

В 1912 году Эдвин Ховард Армстронг понял, что сделал де Фест. Он использовал триод, чтобы изобрести схему регенерации, которая не только принимала радиосигналы, но и усиливала их до такой степени, что их можно было отправить в громкоговоритель и услышать без использования наушников.

Диоды обычно делались из двух концентрических цилиндров, расположенных один внутри другого.Катод испускал электроны, а анод собирал их. Термоэмиссионный клапан Флеминга работал при температуре 4532 ° F (2500 ° C), выделяя значительное количество тепла. Дефорест поместил сетку между катодом и анодом. Электроны проходили через решетку триода, вызывая протекание большего тока.

Эти первые вакуумные лампы назывались мягкими клапанами. Вакуум был не лучшим, и в трубке оставалось немного воздуха, что сокращало срок ее службы. Ленгмюр изобрел более эффективный вакуумный насос в 1915 году; при лучшем вакууме трубки служили дольше и были более стабильными.Усовершенствованные трубки были названы жесткими клапанами, и их рабочая температура упала до 3632 ° F (2000 ° C). В 1922 году температура была снова снижена до 1832 ° F (1000 ° C) с введением новых элементов. Косвенный нагрев повысил эффективность трубки.

Триоды были ограничены низкими частотами менее одного мегагерца. В 1927 году американский физик Альберт Уоллес Халл (1880-1966) изобрел тетрод для устранения высокочастотных колебаний и улучшения частотного диапазона. Год спустя был разработан пентод, который улучшил характеристики при низком напряжении, и стал наиболее часто используемым клапаном.

С годами в обиход вошли самые разные электронные лампы. Низковольтные / маломощные лампы использовались в радиоприемниках, а также в первых цифровых компьютерах. Фотоленты использовались в звуковом оборудовании, что позволяло записывать и извлекать звук из кинофильма. Электронно-лучевая трубка фокусировала электронный луч, что привело к изобретению осциллографов, телевизоров и фотоаппаратов. Микроволновая печь

КЛЮЧЕВЫЕ ТЕРМИНЫ

Амплитуда — Наибольшее расстояние, на которое объект может попасть от точки покоя, так как в самом высоком положении маятник достигает в своем движении.

Нить накала — тонкая проволока, нагретая до высокой температуры и, таким образом, испускающая электроны.

Кинетическая энергия — энергия, которой обладает объект в результате его движения; например, энергия бейсбольного мяча, когда он летит по небу после удара битой.

Полупроводник — твердое тело, проводимость которого варьируется от проводимости (например, металла) при высоких температурах до проводимости изолятора (например, резины) при низких температурах.

Вольфрам —металл, который является хорошим проводником и имеет высокую температуру плавления.

ламп использовались в радарах, ранней космической связи и микроволновых печах. Трубки для хранения, в которых можно было хранить и извлекать данные, сыграли важную роль в развитии компьютеров.

Несмотря на многочисленные достоинства, электронная лампа имела множество недостатков. Он был чрезвычайно хрупким, имел ограниченный срок службы, был довольно большим и требовал большой мощности для работы его нагревательного элемента. Преемник электронной лампы, транзистор, изобретенный Уолтером Хаузером Браттейном, Джоном Бардином и Уильямом Шокли в 1948 году, не имел ни одного из этих недостатков.После 1960 года небольшие, легкие низковольтные транзисторы стали коммерчески доступными и заменили вакуумные лампы в большинстве приложений, но с созданием микроскопических вакуумных трубок (микротрубок) в 1990-х годах вакуумные лампы снова используются в электронных устройствах. Более того, он никогда не переставал использоваться в некоторых домашних аудиосистемах высокого класса из-за его способности обеспечивать чрезвычайно хороший звук при относительно невысокой сложности схемы.

См. Также Электронно-лучевая трубка.

КНИГИ

Коллинз А.Фредерик. «Вакуумные трубки.» Справочник радиолюбителя. Редакция Роберта Герцберга. Нью-Йорк: Harper & Row, 1983.

ПЕРИОДИЧЕСКИЕ ДАННЫЕ

«Холодные катоды: вакуумная микроэлектроника вступает в гонку с плоскими дисплеями». Scientific American 263 (октябрь 1990 г.): 127-128.

Гудман, Билли. «Возвращение вакуумной трубки». Discover 11 (март 1990 г.): 55-57.

Oldfield, R.L. «Электронные трубки». Радио, телевидение и базовая электроника Чикаго: Американское техническое общество. 1960.

Катодных лучей | Введение в химию


Ключевые моменты
    • Электроны, ускоренные до высоких скоростей, движутся по прямым линиям через пустую электронно-лучевую трубку и ударяются о стеклянную стенку трубки, вызывая флуоресценцию или свечение возбужденных атомов.
    • Исследователи поняли, что что-то движется от анода, когда объекты, помещенные в трубку перед ним, могут отбрасывать тень на светящуюся стену. Катодные лучи переносят электронные токи через трубку. Электроны были впервые обнаружены как составляющие катодных лучей.
    • J.J. Томсон использовал электронно-лучевую трубку, чтобы определить, что внутри атомов есть небольшие отрицательно заряженные частицы, которые он назвал «электронами».

Условия
  • Crookes tube Ранняя экспериментальная электрическая разрядная трубка, изобретенная английским физиком Уильямом Круксом и другими в 1869-1875 гг., В которой были обнаружены катодные лучи, потоки электронов.
  • катодные лучи Потоки электронов, наблюдаемые в электронных лампах

Катодные лучи

Катодные лучи (также называемые электронным пучком или электронным пучком) — это потоки электронов, наблюдаемые в электронных лампах.Если вакуумированная стеклянная трубка оснащена двумя электродами и подается напряжение, стекло напротив отрицательного электрода будет светиться от электронов, испускаемых катодом. Электроны были впервые обнаружены как составляющие катодных лучей. Изображение в классическом телевизоре создается сфокусированным пучком электронов, отклоняемых электрическими или магнитными полями в электронно-лучевых трубках (ЭЛТ).

Катодные лучи названы так потому, что они испускаются отрицательным электродом или катодом в вакуумной трубке.Чтобы выпустить электроны в трубку, их сначала нужно оторвать от атомов катода. Первые вакуумные лампы с холодным катодом, называемые трубками Крукса, использовали высокий электрический потенциал между анодом и катодом для ионизации остаточного газа в трубке. Электрическое поле ускоряло ионы, и ионы высвобождали электроны при столкновении с катодом.

В современных электронных лампах используется термоэлектронная эмиссия, в которой катод состоит из тонкой проволочной нити накала, которая нагревается отдельным электрическим током, проходящим через него.Повышенное случайное тепловое движение атомов нити выбивает электроны из атомов на поверхности нити в вакуумированное пространство трубки. Поскольку электроны имеют отрицательный заряд, они отталкиваются катодом и притягиваются к аноду. Они движутся по прямой через пустую трубу. Напряжение, приложенное между электродами, ускоряет эти частицы малой массы до высоких скоростей.

Катодные лучи невидимы, но их присутствие было впервые обнаружено в первых электронных лампах, когда они ударялись о стеклянную стенку трубки, возбуждая атомы стекла и заставляя их излучать свет — свечение, называемое флуоресценцией.Исследователи заметили, что объекты, помещенные в трубку перед катодом, могут отбрасывать тень на светящуюся стену, и поняли, что что-то должно двигаться по прямым линиям от катода. После того, как электроны достигают анода, они проходят через анодный провод к источнику питания и обратно к катоду, поэтому катодные лучи переносят электрический ток через трубку.

История катодных лучей

В 1838 году Майкл Фарадей пропустил ток через стеклянную трубку, заполненную разреженным воздухом, и заметил странную легкую дугу, начинавшуюся на катоде (отрицательный электрод) и заканчивая почти на аноде (положительный электрод).

Трубы Крукса

В 1870-х годах британский физик Уильям Крукс и другие смогли откачать разреженные трубки до давления ниже 10 −6 атм. Они были названы трубками Крукса. Фарадей первым заметил темное пространство прямо перед катодом, где не было свечения. Это стало называться катодным темным пространством, темным пространством Фарадея или темным пространством Крукса.

Крукс обнаружил, что по мере того, как он откачивал из трубок все больше воздуха, темное пространство Фарадея распространилось вниз по трубке от катода к аноду, пока трубка не стала полностью темной.Но на анодном (положительном) конце трубки стало светиться стекло самой трубки. Происходило то, что по мере того, как из трубок закачивалось все больше воздуха, электроны в среднем могли путешествовать дальше, прежде чем столкнулись с атомом газа. К тому времени, когда трубка потемнела, большая часть электронов могла двигаться по прямым линиям от катода к анодному концу трубки без столкновений. Без каких-либо препятствий эти частицы с малой массой разгонялись до высоких скоростей за счет напряжения между электродами.Это были катодные лучи. Когда они достигли анодного конца трубки, они двигались так быстро, что, хотя они были привлечены к этому, они часто пролетали мимо анода и ударялись о заднюю стенку трубки. Когда они ударяли по атомам в стеклянной стенке, они возбуждали свои орбитальные электроны на более высокие энергетические уровни, заставляя их флуоресцировать.

Трубка Крукса Трубка Крукса — это разреженная трубка, откачиваемая до давления ниже 10 −6 атм. Он был использован при открытии катодных лучей.

Позже исследователи покрасили внутреннюю заднюю стену флуоресцентными химическими веществами, такими как сульфид цинка, чтобы свечение было более заметным. Сами катодные лучи невидимы, но эта случайная флуоресценция позволила исследователям заметить, что объекты в трубке перед катодом, такие как анод, отбрасывают тени с острыми краями на светящуюся заднюю стенку. В 1869 году немецкий физик Иоганн Хитторф первым понял, что что-то должно проходить по прямым линиям от катода, чтобы отбрасывать тени.Евгений Гольдштейн назвал их катодными лучами.

J.J. Эксперимент Томсона

J.J. Томсон изучил электронно-лучевые трубки и пришел к идее, что частицы в катодных лучах должны быть отрицательными, потому что они отталкиваются отрицательно заряженными объектами (катодом или отрицательно заряженной пластиной в электронно-лучевой трубке) и притягиваются положительно заряженными объектами. (либо анод, либо положительно заряженная пластина в электронно-лучевой трубке). Он назвал эти крошечные части атома «электронами».Своими экспериментами Томсон опроверг атомную теорию Дальтона, поскольку атомная теория Дальтона утверждала, что атомы — это самый маленький кусочек материи во Вселенной, и они неделимы. Ясно, что присутствие электронов отрицало эти части атомной теории Дальтона.

Interactive: Crookes Tube Подключите два электрода к источнику высокого напряжения и посмотрите, как они производят катодные лучи. J.J. Томсон использовал аналогичную экспериментальную установку, чтобы обнаружить первую субатомную частицу.Посмотрите, что вы можете определить о потоке частиц, которые называются катодными лучами.
Открытие электрона: эксперимент с катодно-лучевой трубкой — YouTube J.J. Томпсон открыл электрон, первую из субатомных частиц, с помощью эксперимента с электронно-лучевой трубкой. Работа Томпсона опровергла теорию атома Джона Далтона.
Показать источники

Boundless проверяет и курирует высококачественный контент с открытой лицензией из Интернета. Этот конкретный ресурс использовал следующие источники:

Электрический ток в газах и вакууме — примеры проблем с решением

1.

Ako vzniká elektrický prúd v plynoch a vo vákuu?

Риешение:

Elektrický prúd v plynoch (výboj) je usporiadaný pohyb voných iónov a elektrónov. Len ionizovaný plyn vedie elektrický prúd. Ionizačná energia je najmenšia možná energia, ktorá je potrebná na ionizáciu plynu (na rozbitie Neutrálneho atómu na ióny a elektróny

Ionizačná energia:

м = hmotnosť častice,

v = rýchlosť častice,

Q = náboj častice,

λ = stredná voľná dráha častice,

E = veľkosť intenzity elektrického poľa,

U = napätie medzi elektródami

Elektrický prúd vo vákuu — katódové žiarenie — je usmernený tok elektrónov emitujúcich kolmo z katódy.

  • Fotoemisia elektrónov = emisia spôsobená silným svetlom
  • Termoemisia elektrónov = emisia spôsobená vysokou teplotou
  • Výstupná práca = najmenšia energia potrebná na uvonenie elektrónu z telesa


2.

Medzi platami kondenzátora so vzduchovým dielektrikom, ktoré sú od seba vzdialené 0,5 cm je elektrické napätie 10kV. Akú rýchlosť má elektrón v okamihu zrážky s molkulou kyslíka, ktorú ionizoval? Aká je stredná voľná dráha elektróna?

Риешение:

Розбор:

л = 5.10 –3 м, U = 10 4 В, E i = 13,6 эВ = 13,6,1,602,10 –19 Дж = 21,787,10 –19 Дж, Q = e = 1,602,10 –19 С,

м e = 9,1,10 –31 кг,

  • Elektrón v okamihu zrážky s molkulou kyslíka mal rýchlosť v = 2,2.10 6 м.с –1
  • Stredná voľná dráha elektróna je 6,8 мкм.

3.

При наличии напряжения на розетке новой лампы при ионизации энергии 21,6эВ и средней мощности электродвигателя 1мм.Vzdialenosť medzi elektródami lampy je 1cm.

Риешение:

Розбор:

E i (Ne) = 21,6 эВ = 34,6,10 -19 Дж, λ = 10 -3 м, l = 10 -2 м, Q = e = 1,602,10 -19 C , U =?

E i = Q.E.λ

Neónová lampa sa rozsvieti pri napätí U = 216V.


4.

Napätie medzi anódou a katódou, ktoré sú vo vzdialenosti 10cm je 300V.Určite veľkosť rýchlosti elektrónov pri dopade na anódu, ich zrýchlenie a čas pohybu od katódy na anódu.

Риешение:

Розбор:

l = s = 10 –1 м, U = 300V, Q = e = 1,602,10 –19 C, me = 9,1,10 –31 кг

  • Rýchlosť elektrónov pri dopade na anódu je v = 10,3.10 6 m.s -1 .
  • Ich zrýchlenie a = 530,10 12 м.с –2 .
  • as pohybu elektrónov od katódy na anódu je t = 0,0194 мкс.

5.

Určite koľkokrát je rýchlosť elektrónov pri dopade na anódu pri napätí U 1 = 360V väčšia ako pri napätí U 2 = 40V.

Риешение:

Розбор:

U 1 = 360 В, U 2 = 40 В.

Rýchlosť elektrónov pri dopade na anódu pri napätí U 1 = 360V je trikrát väčšia ako pri napätí U 2 = 40V.


6.

Elektrón vletel medzi Horizontálne vychyľovacie platničky televíznej obrazovky. Если вы хотите, чтобы они были одними из гомогенных электрических полюсов с интенсивностью 10 5 V.m –1 , вы можете вплыть в тяжелую землю, чтобы получить электрическую энергию в электрическом поле!

Риешение:

Розбор:

Zrýchlenie elektrónu v elektrickom poli je a = 176,10 14 м.с –2 .


7.

Ak je veľkosť intenzity elektrického poľa 3.10 6 V.m –1 , nastáva vo vzduchu pri normal tlaku iskrový výboj. Vypočítajte kinetickú energiu elektrónu, ktorú dosiahne, ak jeho stredná voná dráha je 5.10 –6 m.

Риешение:

Розбор:

Kinetická energia elektrónu je E k = 2,4,10 –18 Дж.


8.

При напряжении 800 В, напряжение в трубах с питанием 5 мА. Aké teplo sa uvoní na anóde za 1minútu, ak predpokladáme, že celá kinetická energia sa premenila na teplo?

Риешение:

Розбор:


9.

Elektrón, ktorý v elektrickom poli prešiel z bodu A do bodu B, zväčšil veľkosť svojej rýchlosti z 800km.s –1 na 4000km.s –1 . Určite napätie medzi týmito bodmi!

Риешение:

Розбор:

Napätie medzi bodmi A, B je U = 44V.


10.

Medzi zemou a mrakom vznikol výboj vo forme blesku, pri ktorom bol prenesený náboj 20C. Rozdiel Potenciálov medzi mrakom a zemou bol 10 6 V. Blesk trval 10 –3 s. Určite energiu výboja a prúd.

Риешение:

Розбор:

Электропроводность — неомические проводники — электроны, ионизированные, ионные и газовые

Неомическая проводимость отмечается нелинейными графиками зависимости тока от тока.Напряжение. Это происходит в полупроводниковых переходах, электролитических растворах, некоторых ионных твердых веществах, не содержащихся в растворе , ионизированных газах и электронных лампах. Соответствующие примеры включают полупроводниковые p-n-диоды, растворы аккумуляторной кислоты или щелочи, кристаллы галогенидов щелочных металлов, ионизированные пары ртути в люминесцентной лампе и электронно-лучевые трубки.

Ионная проводимость намного ниже электронной, потому что масса и диаметр ионов делают их намного менее подвижными. Хотя ионы могут медленно дрейфовать в газе или жидкости, их движение через промежутки твердой решетки гораздо более ограничено.Тем не менее, с их тепловой кинетической энергией ионы будут диффундировать через решетку и в присутствии электрического поля будут блуждать по направлению к соответствующему электроду. В большинстве случаев будет иметь место как ионная, так и электронная проводимость, в зависимости от примесей. Таким образом, для исследования ионной проводимости материал должен быть очень чистым твердым телом.

В газах атомы газа должны ионизироваться электрическим полем, достаточным для обеспечения энергии ионизации газа в трубке. Для стабильных течений отношение месторождения к давлению газа , E / P, является основным параметром.Электроны, возвращающиеся в связанные состояния, создают характеристический спектр газа , качественно связанный с цветом , например, красный для неона, желто-оранжевый для паров натрия, или сине-белый для паров ртути.

Основное определение плазмы в физике включает все материальные проводники, омические и неомические. Плазма — это среда, в которой присутствует примерно равное количество противоположных зарядов, так что среда является нейтральной или почти нейтральной.В металле отрицательные электроны отделены от равного количества ядер положительных ионов. В полупроводнике могут быть дырки и электроны (собственные), дырки и ионизированные акцепторы (p-тип) или электроны и ионизированные доноры (n-тип). В электролитическом растворе и в ионном твердом теле есть положительные и отрицательные ионы. Ионизированный газ содержит электроны и положительные ионы. Небольшое различие между ними может быть сделано относительно того, имеет ли среда одну или две мобильных несущих.

В современном использовании термин плазма обычно относится к чрезвычайно горячим газам, таким как те, которые используются в Токамаке для экспериментов по ядерному синтезу .Плазма высоких энергий обсуждается в статье о термоядерном синтезе как средстве выработки электроэнергии.

Остающаяся категория неомической проводимости — это вакуумная трубка , в которой пучок электронов испускается либо из нагретого катода (термоэлектронный), либо из подходящего освещенного катода (фотоэлектрический) и движется через откачанное пространство к аноду. Луч на своем пути подвергается контролю в электростатических или магнитных полях. Вакуумированное пространство нельзя классифицировать ни как материал с определяемой проводимостью, ни как плазму, поскольку в нем присутствуют только электроны.Однако необходимо проанализировать взаимосвязь тока и напряжения. Эти графики обычно нелинейны или линейны в ограниченном диапазоне. Но вакуумные лампы не называют омическими даже в их линейных диапазонах, потому что нет материала, подверженного поведению решетки, ранее описанному как основание для омического сопротивления.

Электропроводность в организме человека и других животных организмов в основном ионные, поскольку жидкости организма содержат жизненно важные электролиты, которые подвергаются электрохимическому воздействию в органах.Дополнительная информация доступна в других статьях, в частности, о сердце , головном мозге и нейронах.

6 Электрический ток в газах Электрический ток в вакууме

ГАЗЫ
ТО ИЗЛУЧАЮЩЕЕ СВЕТ

Когда
электрический ток проходит через газ, газ излучает свет. Эта эмиссия
эксплуатируется во многих

электрический
лампы.Люминесцентные лампы, «неоновые» вывески, пары ртути и натрия.
лампы обычные

примера
из такого вида электрического освещения, как газоразрядные лампы. Цвета
газоразрядные лампы варьируются

широко
в зависимости от тож газ

и

г.
конструкция светильника.

Газы
при атмосферном давлении не очень хорошие проводники электричества. Следовательно,
для пропускания тока через газ требуется специальный аппарат, называемый
газоразрядная трубка.Газоразрядная трубка обычно представляет собой стеклянную трубку с двумя
электроды, запаянные через его стенки. Когда напряжение подается на два
электроды и давление газа в трубке снижается, в конечном итоге
достигается давление, при котором

ток
течет, и газ начинает светиться. Свечение обычно появляется, когда давление
составляет от 5 до 15 торр. Так действуют неоновые вывески; трубка, имеющая
электрод на каждом конце заполнен газом при низком давлении и высоком напряжении.
(обычно в диапазоне от 1000 до 5000 вольт) подается на электроды.Тип газа в трубке определяет цвет свечения. Неон
излучает красное свечение, гелий дает бледно-желтый цвет, а аргон дает синий цвет. Меркурий
пар также излучает синий свет, а пары натрия — желтый. Большая часть чего-либо
неоновые вывески содержат либо неоновый газ, либо смесь паров неона и ртути. А
диапазон цветов, охватывающий видимый спектр, может быть получен с помощью цветных
трубки или флуоресцентные покрытия внутри трубок.

Флуоресцентный
лампы устроены аналогично неоновым лампам: стеклянная трубка заполнена
с парами ртути и с электродом на каждом конце.Однако интерьер
трубки покрыты флуоресцентным материалом, излучающим видимый свет
при воздействии ультрафиолетового излучения. Ультрафиолетовое излучение с
длина волны 254 нм производится вместе с синим светом, который излучается, когда
электрический ток пропускается через пары ртути. Это ультрафиолетовое излучение
невидима, но содержит больше энергии, чем излучаемый видимый свет. В
энергия ультрафиолетового света поглощается флуоресцентным покрытием внутри
люминесцентная лампа и переизлучается как видимый свет.

свет, излучаемый газом, когда через него протекает электрический ток, возникает в результате
столкновения атомов в газе с электронами тока. Когда
напряжение подается на два электрода газоразрядной трубки, электрический
поле создается между электродами. В электрическом поле свободный электрон
будет ускоряться от отрицательного электрода к положительному
электрод. Когда такой электрон сталкивается с молекулой газа на своем пути, он
может передавать часть своей энергии молекуле газа, производя молекулу газа
в возбужденном (высокоэнергетическом) состоянии.

e‾ (высокий
энергия) + Hg xxv Hg * +
e‾ (более низкая энергия)


www.scifun.org

В этом уравнении Hg * представляет атом ртути в
возбужденное состояние. Возбужденная молекула газа не остается в высокоэнергетическом
состояние надолго. Он может вернуться в свое состояние с самой низкой энергией, основное состояние, путем
испускает свою избыточную энергию в виде света.

Hg * xxv Hg +
свет

Это
является источником свечения газоразрядной трубки.

Потому что
атомы и молекулы могут существовать только в определенных определенных энергетических состояниях, энергия
испускаемый возбужденной молекулой ограничивается различиями между этими состояниями.
Излучаются только определенные энергии света. Цвет свечения определяется
энергией излучаемого света. Энергия света связана с его
длину волны по уравнению E = hc / λ,
где λ
— длина волны, h — постоянная Планка (6,63

× 10‾ 34
Дж сек), а c — скорость света (3.00 Ч 10 8
м / сек). Следовательно, газы излучают только определенные длины волн света.
разрядная трубка. На рисунке показано, как длина волны связана с цветом и
длины волн света, излучаемого несколькими газами.

Не во всех газоразрядных лампах используется газ низкого давления.
В некоторых газоразрядных лампах давление газа во время работы составляет 1-2
атмосферы. Это нагнетание «высокого давления»

лампы.
Примеры включают ртутные и натриевые уличные фонари.Эти лампы
работают аналогично лампам низкого давления. Однако для начала текущего
для протекания газа под высоким давлением требуется очень высокое напряжение. Однажды
ток начинает течь, напряжение снижается. В этих лампах газ
фактически ионизированный; электронов, перемещающихся между электродами, достаточно
энергия для выбивания электронов из молекул газа.

Hg + e‾ (высокий
энергия) xxv Hg + + 2
e‾ (более низкая энергия)

ионы и электроны ускоряются в электрическом поле, что способствует
к току, сталкиваясь и возбуждая другие молекулы.В
при разряде высокого давления концентрация возбужденных молекул намного выше
чем в разряде низкого давления. По этой причине таких ламп много.
ярче и больше подходит для наружного освещения.

Газоразрядный
лампы более эффективны, чем лампы накаливания. Лампы накаливания работают от
нагревают вольфрамовую нить до такой степени, что она начинает светиться. Много энергии
израсходованные в этом процессе используются для нагрева нити. Только 18% энергии
потребляемая обычной 100-ваттной лампой накаливания, преобразуется в
видимый свет.Напротив, газоразрядные лампы преобразуют более 50% энергии, которую они используют.
поглощаются видимым светом. КПД люминесцентных ламп приближается к 80%.

А
Газоразрядная трубка — это сердце многих лазеров, например гелий-неонового лазера. Этот
лазер содержит газоразрядную трубку, заполненную гелием на 85% и неоном на 15%.
давление 2–3 торр. На каждом конце трубки есть зеркало. Немного света
испускаемый возбужденными молекулами газа, попадает в ловушку между зеркалами, будучи
неоднократно отражался взад и вперед.Когда этот свет проходит возбужденный газ
молекул, это побуждает их излучать свою энергию параллельно проходящему
свет. Эффект от этого заключается в усилении интенсивности светового луча, захваченного
между зеркалами. (Слово «лазер» — это аббревиатура от слова «усиление света».
по стимулированному излучению


www.scifun.org

радиации.)
Одно из зеркал пропускает около 1% света, а
параллельный пучок монохроматического света выходит из трубки.He-Ne лазер
излучает свет с длиной волны 632,8165 нм. Этот свет излучается возбужденным
атомы неона. Наличие гелия в газоразрядной трубке увеличивает
интенсивность излучения неона в 200 раз. Гелий поглощает энергию от
электроны и передает их неону, который является более эффективным эмиттером.


Скачано
с www.znanio.ru

.