- •Министерство сельского хозяйства
- •Тема 1. Закон Кулона. Основные характеристики
- •Общие сведения
- •План самостоятельной работы по изучению учебного материала
- •Пояснения и указания к самостоятельной работе по изучению материала
- •1 Электрическое поле
- •1.1 Электрическое поле группы заряженных тел
- •Решение
- •Задача 1 Задание
- •1.2 Теорема Гаусса
- •Поток вектора напряженности электрического поля
- •Поле заряженной плоскости
- •1.4 Емкость плоского и цилиндрического конденсаторов, двухпроводной линии
- •Задача 2
- •Электрический ток, электрические цепи
- •Проводниковые и изоляционные материалы, их характеристики
- •Темы докладов
- •Зависимость электрического сопротивления от температуры
- •Задача 3 Пример
- •Решение
- •Задание
- •Электрический ток в вакууме
- •Контрольные вопросы
- •3 Электромагнитные явления
- •Свойства и применение магнитных материалов
- •Темы докладов
- •4 Электрические цепи однофазного синусоидального тока с последовательным соединением элементов
- •4.1 Резонанс напряжений
- •Задача 4
- •5 Электрические цепи однофазного синусоидального тока с параллельным соединением элементов
- •5.1 Резонанс токов
- •Задача 5
- •6 Линейные электрические цепи однофазного несинусоидального тока
- •Действующие значения несинусоидальных тока и напряжения
- •6.2 Мощность в цепи несинусоидального тока
- •Задача 6
- •Указания к решению задачи
- •Общие сведения о трехфазных системах
- •7.1 Магнитное поле трехфазной системы
- •7.2 Принцип действия синхронного и асинхронного электродвигателей
- •Приложения
- •Тест 1 (тоэ – эп) Основные характеристики электрического поля
- •Тест 2 (тоэ – этм/пм) Проводниковые материалы
- •Тест 3 (тоэ – этм/им) Изоляционные материалы
- •Тест 4 (тоэ – этм/мм) Магнитные материалы
- •Тест 5 (тоэ – рТиН) Резонанс токов и напряжений
- •Тест 6 (тоэ – нст) Линейные электрические цепи однофазного несинусоидального тока
- •Литература
Электрический ток в вакууме
В современной технике довольно широко применяются электровакуумные приборы (электронные лампы, вакуумные фотоэлементы), в которых обеспечиваются условия для возникновения и поддержания электрического тока в среде, не обладающей электропроводностью.
Простейшим простейший электровакуумным прибором является двухэлектродная лампа (диод), схема которой дана на рис. 2.3.1. Два металлических электрода, находящихся внутри стеклянного или металлического баллона, из которого удален воздух, имеют вы
Рис.
2.3.1
Напряжение между электродами создает в вакууме электрическое поле, которое необходимо для возникновения и поддержания электрического тока между электродами. Однако этого условия недостаточно. Электрический ток не может возникнуть, если внутри баллона нет свободных заряженных частиц. Для того чтобы ток возник и поддерживался, необходимо в пространство между электродами непрерывно вводить свободные заряженные частицы. В электровакуумных приборах для этого используется физический процесс выхода свободных электронов из катода — электронная эмиссия.
Выход свободных электронов из металла может быть и при нормальной температуре. Но отделившиеся от металла электроны не могут удалиться более чем на несколько межатомных расстояний, так как металл, заряженный положительно, электростатическими силами притягивает их обратно. Процессы испускания и поглощения электронов металлом идут одновременно, поэтому около катода имеется электронное облако, которое тоже препятствует выходу электронов из металла. Электрическое поле между металлом и электронным облаком создает для свободных электронов на границе металл—вакуум потенциальный барьер с разностью потенциалов U0.
Без специальных мер по увеличению кинетической энергии свободных электронов до величины, при которой возможно преодоление потенциального барьера, электронная эмиссия проявляется настолько слабо, что практически ее использовать нельзя.
Электрон может преодолеть потенциальный барьер и выйти из металла, если ему извне сообщить дополнительную энергию, равную работе, которая затрачивается на перемещение электрона через поверхностный слой на границе металла с вакуумом. Величина этой работы, равная произведению величины заряда электрона е и напряжения U0 называется работой выхода
А0 = е U0 (2.3.1)
Одним из способов увеличения электронной эмиссии является нагревание металла. В этом случае эмиссия электронов называется термоэлектронной.
В электронной лампе источником свободных электронов (эмиттером) является катод, нагретый до определенной температуры; например, рабочая температура катода из вольфрама 2250 — 2550 °С.
Применение в качестве эмиттеров материалов, характеризующихся меньшей работой выхода, чем вольфрам (окислы бария, стронция), позволяет значительно снизить рабочую температуру катода (до 550—1000 °С). Электроны, перешедшие из катода в вакуум, под действием электрического поля направляются на анод. При таких условиях промежуток между электродами электронной лампы является проводящим, а в цепи рис. 2.3.1 устанавливается электрический ток, называемый анодным (Iа)
Величина анодного тока зависит от различных факторов, важнейшими из которых являются температура катода Т и напряжение Ua. Эти зависимости, называемые вольт-амперными (анодными) характеристиками, показаны на рис. 2.3.2. С ростом напряжения ток сначала медленно, а затем резко возрастает, что объясняется увеличением скорости движения электронов к аноду.
При некоторой величине Ua и температуре катода Т1 анодный ток достигает тока эмиссии I1, когда все электроны, покинувшие катод, достигают анода. Пологий участок вольт-амперной характеристики называется участком насыщения. При увеличении температуры ток эмиссии возрастает, а пологий участок кривой
Рис. 2.3.2 I = f(Ua) располагается на графике выше.
Если потенциал катода оказывается выше потенциала анода, ток в цепи практически равен нулю, т.к. электрическое поле направлено от катода к аноду; электроны, покинувшие катод, не могут достигнуть анода, потому что под действием поля возвращаются на катод. Это «запирающее» свойство диода используется для выпрямления переменного тока.
Энергия, необходимая для преодоления потенциального барьера, может быть сообщена электронам излучением (видимым, ультрафиолетовым, инфракрасным). В этом случае наблюдается фотоэлектронная эмиссия – явление, открытое в 1888 г. профессором Московского университета А.Г. Столетовым.
Электроны из проводника могут быть также вырваны действием сильного электрического поля (напряженность порядка 10В/см). Такая эмиссия называется автоэлектронной, или холодной. В приборах, работающих по принципу холодной эмиссии, наиболее распространен ртутный катод.