Электрический ток в вакууме

Тема урока: Электрический ток в вакууме. Термоэлектронная эмиссия. Электронно-лучевая трубка

10 класс

Учитель Кудинова Е.В.

2014-2015 учебный год

Тема урока: Электрический ток в вакууме. Термоэлектронная эмиссия. Электронно-лучевая трубка
Цель и задачи урока:
Образовательная – формирование понятий «электрический ток в вакууме», «термоэлектронная эмиссия», изучение устройства и принципа работы вакуумных приборов на примере вакуумного диода и электронно-лучевой трубки.
Развивающая – развитие стремления к самостоятельному изучению основ электротехники, формирование умений устанавливать причинно-следственные связи, развитие логического мышления, познавательного интереса.
Воспитательная – показать возможность познаваемости явлений природы, формирование научного мировоззрения.
 Ведущая идея урока: Вакуум является идеальным диэлектриком. Чтобы в вакууме мог проходить электрический ток, в нем необходимо предварительно «создать» некоторую концентрацию свободных носителей заряда, это осуществляется с помощью явления термоэлектронной эмиссии. Термоэлектронная эмиссия – явление испускания веществом электронов при нагревании. Вакуумные приборы, работа которых основана на явлении термоэлектронной эмиссии, называются электронными лампами (вакуумный диод, электронно-лучевая трубка).
 Тип урока: урок усвоения новых знаний.
Форма проведения урока: урок-беседа, урок-лекция.
Методы обучения: словесные, наглядные.
Структура урока:
1. Организационный момент (2 мин)

2. Проверка домашнего задания (10 мин)

3. Изучение нового материала (20 мин)

4. Применение знаний – формирование умений и навыков (10 мин)

5. Задание на дом, подведение итогов урока (3 мин)

Содержание урока:

1. Проверка домашнего задания.

2. Учащимся предлагается ответить на вопросы:

Что такое вакуум, и как его можно получить?

А возможно ли распространение электрического тока в вакууме?

3. Изучение нового материала осуществляется путем беседы учителя с классом:

Вакуум характеризуется «отсутствием» вещества, а, следовательно, и отсутствием электрических зарядов.

Для получения вакуума – состояния газа при давлении меньше атмосферного – следует разряжать газ, уменьшая его концентрацию. Чем меньше концентрация и давление газа в сосуде, тем выше вакуум. Пусть расстояние между стенками сосуда , а длина свободного пробега молекулы, т. е. среднее расстояние, пролетаемое молекулой между двумя последовательными столкновениями, – . В зависимости от соотношения между этими величинами различают низкий (, ), средний (, ) и высокий (, ) вакуум. При  см низкому вакууму соответствуют давления  мм рт. ст., среднему – от  мм рт. ст. до  мм рт. ст. и высокому –  мм. рт. ст.

Поскольку в вакууме нет свободных носителей зарядов, то он является идеальным диэлектриком. Следовательно, для того чтобы в вакууме мог проходить электрический ток, в нем необходимо каким-то образом предварительно «создать» некоторую концентрацию свободных носителей заряда.

Это осуществляется с помощью явления термоэлектронной эмиссии, т. е. испускания веществом электронов при нагревании, открытого американским физиком Томасом Эдисоном в 1883 г. При этом электроны, испускаемые нагретым телом, называют термоэлектронами, а само тело – эмиттером.

Вакуумные приборы, работа которых основана на явлении термоэлектронной эмиссии, называются электронными лампами. Простейшая из них –вакуумный диод – содержит два электрода. Один – в виде спирали из тугоплавкого материала, например вольфрама или молибдена, накаливаемый током, называется катодом. Второй – холодный электрод, собирающий термоэлектроны, называется анодом и чаще всего имеет форму цилиндра, внутри которого расположен накаливаемый катод. 

Рассмотрим вольт-амперную характеристику вакуумного диода . Как видим, увеличение напряжения сначала вызывает рост силы тока, а в дальнейшем сила тока не меняется. Для пояснения этого факта заметим, что вылетающие из катода термоэлектроны образуют вокруг него отрицательно заряженное облако, препятствующее вылету новых электронов. Если на анод подать некоторое положительное напряжение, то под действием электрического поля часть электронов двинется к аноду, т. е. в лампе возникнет ток, и цель замкнется. По мере увеличения напряжения все большее число электронов, покинувших катод, достигает анода. Когда все электроны, вылетевшие из эмиттера, будут достигать анода, то ток перестанет зависеть от анодного напряжения и достигнет своего максимального значения (ток насыщения ). Для увеличения  надо повысить температуру катода, чего можно достигнуть увеличением силы тока. Таким образом, сила тока насыщения зависит от температуры катода.

Кроме того сила тока насыщения  зависит от вещества катода, поскольку различные вещества характеризуются различной способностью к испусканию электронов.



Из-за того, что вольт-амперная характеристика вакуумного диода оказывается нелинейной, т. е. не подчиняется закону Ома, диод является нелинейнымэлементом. Поскольку ток в лампе возможен только в том случае, когда положительный полюс батареи соединен с анодом, а отрицательный – с катодом, то вакуумные диоды обладают односторонней проводимостью. Действительно, при изменении полярности приложенного напряжения и при его достаточной величине  термоэлектроны не достигают анода (он заряжен отрицательно), и ток через лампу не проходит. Односторонняя проводимость диода используется в выпрямителях, предназначенных для преобразования переменного тока в постоянный.

Если в аноде вакуумной лампы сделать отверстие, то часть электронов будет пролетать сквозь него. Их движением можно управлять с помощью электрического и магнитного полей. Прибор, в котором используется пучок электронов, свободно летящих в пространстве за анодом, называетсяэлектронно-лучевой трубкой.



В узком конце трубки находится электронная пушка, которая формирует пучок электронов и состоит из катода, нагреваемого нитью накала, управляющего электрода и ускоряющего анода. Электроны, вылетающие из катода, разгоняются электрическим полем (5000 – 50 000 В) между катодом и анодом. Экран электронно-лучевой трубки покрыт изнутри специальным веществом – люминофором, которое светится под действием падающих электронов. В том месте экрана, куда падает пучок, появляется маленькая светящаяся точка. Изменяя напряжение на аноде, можно фокусировать электронный пучок, т. е. изменять площадь поперечного сечения электронного пучка на экране. Изменяя напряжение между катодом и управляющим электродом, можно изменять интенсивность электронного пучка (яркость пятна на экране). Пучок проходит последовательно две пары отклоняющих пластин (плоских конденсаторов), позволяющих смещать его в горизонтальном и вертикальном направлениях, т. е. перемещать светящуюся точку в любом направлении. Вследствие малой массы электронов положение светящейся точки на экране при изменении напряжения на пластинах конденсаторов изменяется практически мгновенно, т. е. безынерционно.

Электронно-лучевые трубки находят широкое применение в осциллографах, дисплеях компьютеров, радиолокаторах, медицинской аппаратуре.

В кинескопах телевизоров вместо отклоняющих пластин используют магнитные отклоняющие катушки. Магнитное поле одной пары катушек вызывает отклонение электронного пучка по горизонтали, второй пары катушек – по вертикали. Периодичность изменения силы тока в катушках вызывают изменения магнитных полей, в результате которых электронный пучок за  с пробегает по экрану слева направо 625 раз. Кадры сменяют друг друга с частотой  кадров в секунду, что воспринимается человеческим глазом как непрерывное движение.
Для получения цветных изображений вместо одной пушки необходимо применять три, которые передают сигналы трех одноцветных изображений – красного, синего и зеленого цвета. Экран кинескопа покрывается кристаллами люминофора трех сортов, которые под действием электронного пучка светятся соответственно красным, синим и зеленым светом. Смешением этих цветов можно получить всю цветовую гамму красок и оттенков.
4. Для закрепления материала учащиеся отвечают на ряд вопросов:
1)Что называют вакуумом?
2)Какими заряженными частицами может создаваться электрический ток в вакууме?
3)Что такое термоэлектронная эмиссия?
4)Почему вакуумный диод обладает односторонней проводимостью?
5)Какие функции может выполнять вакуумный диод?
6)Какую роль играет сетка в трехэлектродной электронной лампе?
7)Почему силу тока в анодной цепи электронной лампы при данной температуре нельзя увеличивать больше определенного предела?

Домашнее задание: §46, подготовиться к уроку решения задач по теме «Электрический ток в газах и вакууме»