Э ЛЕКТРИЧЕСКИЙ ТОК В РАЗЛИЧНЫХ СРЕДАХ

7. ТЕМА: Электрический ток в вакууме.

(лекция)

Цель урока:

1. Объяснить явление термоэлектронной эмиссии, происходящее при нагревании катода.

Томас Альва Эдисон

«Большинство людей упускают появившуюся возможность. Потому что она бывает одета в комбинезон и с виду напоминает работу»

2. Рассмотреть работу вакуумного диода, триода, электронно-лучевой трубки.

1883 г. - Открытие Т. Эдисоном явления термоэлектронной эмиссии.

1922 г. - Дж. Лилиенфельд открыл явление автоэлектронной эмиссии – испускание электронов металлами под воздействием сильного электрического поля.

1928 г. - Р. Фаулер и Л. Нордгейм объяснили явление холодной эмиссии электронов из металлов на основе электронного туннелирования (модель Фаулера – Нордгейма). http://acmephysics.narod.ru/b_r/history3.htm

Томас Альва Эдисон

«У меня не было рабочих дней и дней отдыха. Я просто делал и получал от этого удовольствие»

До полупроводников в радиотехнике использовались электронные лампы: в них электроны двигаются в вакууме.

Немного из истории. Изобретение электронной лампы напрямую связано с развитием техники освещения. В начале 80-х годов XIX века знаменитый американский изобретатель Томас Эдисон занимался усовершенствованием лампы накаливания.

Одним из ее недостатков было постепенное уменьшение световой отдачи из-за потускнения баллона вследствие появления темного пятна на внутренней стороне стекла. Исследуя в 1883 году причины этого эффекта, Эдисон заметил, что часто на потускневшем стекле баллона в плоскости петли нити оставалась светлая, почти незатемненная полоса, причем полоса эта всегда оказывалась с той стороны лампы, где находился положительный ввод накальной цепи.

Дело выглядело так, будто часть угольной нити накала, примыкающая к отрицательному вводу, испускала из себя мельчайшие материальные частицы. Пролетая мимо положительной стороны нити, они покрывали внутреннюю сторону стеклянного баллона всюду, за исключением той линии на поверхности стекла, которая как бы заслонялась положительной стороной нити. Картина этого явления стала более очевидна, когда Эдисон ввел внутрь стеклянного баллона небольшую металлическую пластину, расположив ее между вводами нити накала. Соединив эту пластинку через гальванометр с положительным электродом нити, можно было наблюдать текущий через пространство внутри баллона электрический ток.

Эдисон предположил, что поток угольных частичек, испускаемых отрицательной стороной нити, делает часть пути между нитью и введенной им пластинкой проводящим, и установил, что поток этот пропорционален степени накала нити, или, другими словами, световой мощности самой лампы. На этом, собственно, и заканчивается исследование Эдисона. Американский изобретатель не мог тогда и представить, на пороге какого величайшего научного открытия он стоял.

Оказалось, что при сильном нагревании нити лампы, помещенной в вакуум, она начинает испускать в окружающее пространство электроны. Этот процесс получил название термоэлектронной эмиссии, и его можно рассматривать как испарение электронов из материала нити.

Прошло почти 20 лет, прежде чем наблюдавшееся Эдисоном явление получило свое правильное всестороннее объяснение.

Мысль о возможности практического использования «эффекта Эдисона» впервые пришла в голову английскому ученому Дж. Флемингу, который в 1904 году создал основанный на этом принципе детектор, получивший название «двухэлектродной трубки», или «диода» Флеминга.

Лампа Флеминга представляла собой обычный стеклянный баллон, заполненный разреженным газом. Внутри баллона помещалась нить накала вместе с охватывавшим ее металлическим цилиндром. Нагретый электрод лампы непрерывно испускал электроны, которые образовывали вокруг него «электронное облако». Чем выше была температура электрода, тем выше оказывалась плотность электронного облака. При подключении электродов лампы к источнику тока между ними возникало электрическое поле. Если положительный полюс источника соединяли с холодным электродом (анодом), а отрицательный — с нагретым (катодом), то под действием электрического поля электроны частично покидали электронное облако и устремлялись к холодному электроду.

Таким образом, между катодом и анодом устанавливался электрический ток. При противоположном включении источника отрицательно заряженный анод отталкивал от себя электроны, а положительно заряженный катод — притягивал. В этом случае электрического тока не возникало.

То есть диод Флеминга обладал ярко выраженной односторонней проводимостью. Будучи включенной в приемную схему, лампа действовала подобно выпрямителю, пропуская ток в одном направлении и не пропуская в обратном, и могла служить, таким образом, волноуказателем — детектором.

См. также http://www.radiomurlo.narod.ru/HTMLs_2/RADIO_lamp.html, http://nice.artip.ru/kak-rabotaet-radiolampa-klassy-usileniya-sa-bazhanov.

Термоэлектронная эмиссия.

Электрический ток – это упорядоченное движение свободных носителей электрического заряда. В металлах – электронов, в электролитах – ионов, в газах – ионов и электронов.

Вакуум – это такое состояние, когда молекулы газа пролетают от одной стенки сосуда до другой, не сталкиваясь друг с другом, т.е. (сталкиваются только со стенками сосуда) концентрация газа в сосуде чрезвычайно мала и, соответственно, очень мало его давление.

Самый простой способ: поместить в сосуд, из которого откачан воздух, разогретый до высокой температуры металл. С поверхности нагретого металла вылетают свободные электроны – это физическое явление называется термоэлектронной эмиссией.

Как создать электрический ток в вакууме, где нет свободных носителей заряда?

Вылетая с поверхности металла, электроны «уносят» с собой отрицательный заряд, а сам металл при этом заряжается положительно. Возникает электрическое поле, которое «удерживает» вылетевшие электроны вблизи поверхности – образуется «электронное облако».

Часть электронов под действием электрического поля снова возвращается в металл, другие снова вылетают и т.д. При постоянной температуре металла устанавливается так называемое динамическое равновесие и концентрация электронов в облаке остается постоянной. При повышении температуры металла концентрация возрастает, при понижении – уменьшается.

Далее в сосуд нужно вставить еще один электрод и соединить его с положительным полюсом источника высокого напряжения – это будет анод, а подогреваемый электрод соединить с отрицательным полюсом – это катод. Между катодом и анодом возникнет электрическое поле, которое сможет «вырвать» свободные электроны из облака вблизи катода и направить их к аноду: в вакууме возникнет электрический ток.

Именно так устроена и работает простейшая двухэлектродная электронная лампа – вакуумный диод.

Рассмотрим сначала понятие «вакуум».

ЭЛЕКТРОННАЯ ЛАМПА http://www.radiomurlo.narod.ru/HTMLs_2/RADIO_lamp.html

http://www.translatorscafe.com/cafe/RU/units-converter/current/c/

2. Немного истории .