2. Двохелектродна лампа

З попередньої теми стає зрозумілим, як зробити, йшов постійний електричний струм. Очевидно, досить нагріти один з мета­левих електродів, а саме електрод, з'єднаний з негативним полюсом джерела струму. В цьому випадку електрони, вилітаючи з нагрітого металу, притягуватимуться до позитивно зарядженого електрода, і в колі йтиме струм. Електрод можна нагріти, приєднавши його до джерела струму. Так ми, нарешті, підійшли до принципу будови двох­електродної лампи (діода), яка широко застосовується в електро- й радіотехніці.

Сучасний діод складається із скляного або металевого балона M , з якого старанно відкачане повітря. В балон впаяні два електроди, один з яких К (катод) роблять у вигляді нитки з тугоплавкого металу, звичайно вольфраму, яка може розжарюватися від джерела струму для створення електронної «хмарки» в балоні. Анод діода А найчастіше має форму циліндра, всередині якого по осі розміщений розжарюваний катод.

Розглянутий нами катод — катод прямого розжарення — застосовується рідко. Найпоширеніші катоди побічного розжарення. Вони є напівпровідниковим шаром, нанесеним на керамічну трубку. Нагріваються ці катоди за допомогою мініатюрної електричної пічки — підігрівника. На малюнку 1 показано схематичне зображення діода з катодом прямого (а) і побічного (б) розжарення.

Ознайомимося з основними властивостями діода. Для цього складемо електричне коло з діода, джерел напруги U_a і U_K і міліамперметра . Комутатор К₂ дає можливість створювати між анодом і катодом напругу (анодну) різної полярності. У разі замикання пере­микача К₂ в положення 1 на анод подається позитивний відносно катода потенціал, а у разі зами­кання перемикача К₂ в положення 2 — негативний. Якщо замкнено перемикач Якщо замкнено перемикач К₂ в положення 1, тобто подамо на анод позитивний відносно катода потенціал, але не замкнемо перемикач К, тобто не будемо розігрівати катод, то струму в колі не буде

навіть у разі великих анодних напруг. Це й зрозуміло. Температура обох електродів дорівнює кімнатній, термоелектронна емісія катода й анода мізерно мала і у просторі між анодом і катодом практично відсутні заряджені частинки, рух яких в електричному полі міг би створити електричний струм.

Якщо перемикач замкнути і розігріти катод, то навіть за анодної напруги в колі анода йтиме струм І₀ незначної сили. Виникнення цього струму можна пояснити так.

За високої температури катода великою буде і емісія електронів з нього. Найшвидші електрони, вилетівши з катода, долітають до анода, створюючи в колі анодний струм. Якщо на анод подати невеликий від'ємний потенціал відносно катода (перемикач К₂ у положенні 2), то анодний струм зменшується, оскільки в цьому випадку електрони мають долати гальмівне поле між анодом і катодом. За певної анодної напруги V навіть найшвидші електрони не можуть подолати гальмівне поле і сила анодного струму дорівнюва­тиме нулю.

Подамо тепер на анод додатний відносно катода потенціал (пере­микач К₂ у положенні 1). У цьому випадку електричне поле між анодом і катодом сприяє рухові електронів до анода, але пору­шується динамічна рівновага між випусканням з катода та повер­ненням до нього електронів і емісія посилюється. Залежність між си­лою струму в діоді і анодною на­пругою можна зобразити графічно (мал. 192). Криву, яка показує залежність сили струму в діоді від анодної напруги, називають вольт-амперною характеристикою діода. Зі збільшенням анодної напруги емітованих катодом, захоплюється електричним полем, і сила анодного струму різко зростає доти, поки напруга не досягне такого значення U_н, за якого всі емітовані

катодом за одиницю часу електрони переноситимуться

полем до анода. Сила анодного струму досягає максимального начення І_н, яку нази­вають силою струму насичення діода, і подальше збільшення анодної напруги не веде до збільшення сили анодного струму. Анодна напруга U_Н дістала назву напруги насичення.

За напруги U_а = 0 сила струму І₀ дуже мала, значно менша за силу струму насичення І_ш, тому вважають, що

вольтамперна характеристика проходить

через початок координат, тобто нехтують

силою струму І₀; тоді U_а = 0 і І о = 0.

Зверніть увагу, що вольтамперна характеристика діода не є лінійною, як це має місце у випадку металевого провідника, а отже, опір, знайдений як частка від ділення анодної напруги на силу струму, у разі різних анодних напруг буде різним і не може бути параметром діода. Таким чином, електронна лампа є прикладом провідника, який не підлягає закону Ома.

Оскільки розжарений катод лампи випускає електрони, а не позитивні іони, діод проводить струм лише тоді, коли на анод лампи подається додатний відносно катода потенціал. Якщо на анод подати від'ємний потенціал, то термоелектрони відштовхуватимуться від негативно зарядженого анода і притягуватимуться до позитивно зарядженого катода і струм через лампу не йтиме — лампа запирається. Це означає, що лампа має однобічну провідність. Однобічна провідність діода широко використовується в техніці для випрямлення змін

Питання для самоперевірки:

1.Що таке емісія електронів? за якої умови виникає емісія електронів?

2.Як залежить термоелектронна емісія від температури?

3.Опишіть будову діода. Як розташовано катоди в електронних лампах?

4.Щ таке струм насичення діода? Як можна його збільшити?

5. Чим пояснюється однобічна провідність діода?

6.Яке призначення електронної гармати?

7. Як керують електронним променем в електронно – променевій трубці?

8. Замалювати схеми двохелектродної лампи та електронно – променевої трубки.

Література: С.У. Гончаренко Фізика 10клас (§80,81,82)

ТЕМА 6

Розділ: Електричний струм в різних середовищах.

Мета вивчення : ознайомлення з поняттям четвертого стану речовини – плазми.

План вивчення:

1.Що таке плазма.

2.Методи отримання плазми.

3.Високотемпературна плазма.

4. Низькотемпературна плазма.

1. Поняття про плазму

Розглядаючи електричні розряди в газах, ми говоримо про те, що газ у міжелектродному просторі сильно іонізований. За високого ступеня іонізації газ набуває нових властивостей і фактично є особливим станом речовини, відмінним від газоподібного, рідкого чи кристалічного. Тому такий сильно іонізований газ дістав назву плазми — четвертого стану речовини. Таким є, наприклад, стан газу в стовпі тліючого розряду, дуговому розряді, каналі іскрового розряду. Ос­кільки концентрація електронів та іонів у плазмі однакова, то сумарний об'ємний заряд у ній, як і в металах, дорівнює нулю. Це дуже важлива властивість плазми. Взагалі тонізований газ можна назвати плазмою тільки в тому випадку, коли він у цілому електрично нейтральний.

Властивості плазми як сильно іонізованого газу істотно відрізняються від властивостей слабо іонізованого, а тим більше неіонізованого газу. Які ж саме властивості плазми?

Звичайно ступінь іонізації газу в плазмі становить відсотки і навіть десятки відсотків. Тому плазма має дуже велику електропровідність і за характером своєї електропро­відності наближається до металів. Завдяки високій електропровідності плазма сильно взаємодіє із зовнішніми електричними і магнітними полями і саме ці поля сильно впливають на її властивості.

Плазма має деяку схожість зі звичайними газами і підлягає багатьом газовим законам. Проте між плазмою та звичайними газами є великі відмінності. У плазмі іони й електрони сильно взаємодіють між собою внаслідок дії кулонівських сил. Оскільки ці сили є більше далекодіючими (обернена пропорційність r²), ніж сили взаємодії між нейтральними молекулами (звичайно обернена пропор­ційність г² для сил притягання), то плазма є своєрідним пружним середовищем, в якому можуть легко збуджуватися і поширюватися різноманітніші, ніж у звичайному газі, коливання і хвилі. Особливо різко відрізняється плазма від звичайного газу, коли є зовнішнє електричне або магнітне поле. В цьому випадку на частинки плазми (іони й елек­трони) діють збоку полів великі сили, яких не існує в газі нейтральних атомів і молекул.

Обидві ці обставини в поєднанні з великою електропро­відністю плазми приводять до того, що властивості плазми за наявності електричних полів різко відрізняються від властивостей звичайних газів і рідин.

2.Методи отримання плазми. Високотемпературна плазма. Низькотемпературна плазма.

Одержують плазму не тільки за допомогою газового роз­ряду. Всі методи іонізації газу (теплова, або термічна іонізація, фотоіонізація за допомогою радіоактивного випромінювання тощо) можуть бути використані для добуван­ня плазми.

Газорозрядна плазма стійка лише за наявності електрич­ного поля. З припиненням дії електричного поля майже мит­тєво зникає й газорозрядна плазма (внаслідок рекомбінації електронів і позитивних іонів). Газорозрядну плазму називають низькотемпературною — температура її становить близько 100 000 °С.

За надвисоких температур порядку мільйонів градусів атоми газу повністю іонізуються. Властивості такої висо­котемпературної плазми і способи її одержання набули останнім часом надзвичайно важливого значення у зв'язку з проблемою здійснення керованих термоядерних реакцій — реакцій злиття двох ядер дейтерію (одного з ізотопів Гідрогену) з утворенням ядер Гелію і тритію (також ізотопу Гідрогену), які супроводжуються виділенням величезних кількостей внутрішньоядерної енергії. Розв'язання проблеми керованих термоядерних реакцій відкрило б доступ людству до величезних запасів енергії, зосередженої в ядрах елементів, широко розповсюджених у природі. Некерована термоядерна реакція є джерелом енергії у водневих бомбах.

Низькотемпературну плазму широко застосовують у різ­них газорозрядних приладах. Перспективним напрямом ви­користання низькотемпературної плазми є створення магніто­гідродинамічних генераторів (МГД-генераторів), принцип дії яких буде розглянуто пізніше.

Досить перспективним є також створення плазмових реактивних двигунів. Основна їх перевага — високі швид­кості витікання робочого тіла (плазми).

Як відомо, сила тяги ракети визначається добутком маси викинутої речовини на швидкість її витікання. Під час розряду в газі можна одержати дуже високі температури, а значить, і високі швидкості витікання іонізованого газу, тому плазмовий реактивний двигун може значно економніше витрачати робочу речовину, досягаючи одночасно набагато більших швидкостей польоту. Основою плазмового двигуна є електричний розряд у газі або сукупність розрядів, внаслідок яких утворюється, а потім розганяється плазма.

Питання для самоперевірки:

1.Що таке плазма ?

2.Як отримають плазму ? Перелічить всі методи отримання плазми?

3. Яка плазма є високотемпературною? Низькотемпературною?

4. Де використовують низькотемпературну плазму?

5.Який принцип роботи плазмового реактивного двигуна?

Література: С.У. Гончаренко Фізика 10клас (§88)

ТЕМА 7

Розділ: Електричний струм в різних середовищах.

Мета вивчення : ознайомлення з принципами роботи напівпровідникових приладів.

План вивчення:

1.Терморезистор, будова , принцип дії, застосування.

2.Фоторезистор, будова, принцип дії, застосування.

3.Напівпровідниковий тріод – транзистор.

1. Термо- і фоторезистор

Залежність питомого опору напівпровідників від темпе­ратури широко використовується для вимірювання температур, автоматичного регулювання сили струму в різних керуючих реле тощо. Прилади, дія яких ґрунтується на використанні значної залежності опору напівпровідників від температури, дістали назву терморезисторів (або термісторів).

Для виготовлення терморезисторів використовуються напівпровідникові матеріали з великим температурним кое­фіцієнтом опору. Терморезистори широко використовуються в різних установках автоматики й телемеханіки, радіо­техніці, термометрії тощо. Принцип дії цих установок такий. Терморезистор, опір якого значно перевищує опір інших елементів, вмикають в електричне коло пристрою. Коли в колі проходить електричний струм, його сила визначається опором терморезистора (або його температурою). З під­вищенням температури терморезистора сила струму в колі зростає ід навпаки, зі зниженням температури сила струму зменшується. Таки чином, зміни температури термо­резистора впливають на зміни сили струму в колі. Ця важлива обставина дає змогу застосовувати терморезистори в різних схемах і створювати багато автоматичних пристроїв, просто й надійно здійснювати дистанційне вимірювання і регулювання температури, пожежну сигналізацію, контроль за темпе­ратурним режимом працюючих машин і механізмів тощо.

Залежність опору напівпровідників від освітлення використовується у фоторезисторах (фотоопорах). Найпро­стіший фоторезистор — це діелектрична пластинка , на яку нанесено тонкий шар напівпровідника. На кінцях цього шару закріплені металеві електроди, а всю систему вміщують у пластмасовий корпус з віконцем для світлових променів.

Фоторезистори використовуються в різних пристроях авто­матики й телемеханіки, у пристроях для відтворення оптичного запису звуку тощо. Вони дають змогу керувати на відстані виробничими процесами, автоматично відрізняти порушення

нормального ходу процесу і зупиня­ти його в таких випадках.

Вдень сонячне світло освітлює фоторезистор, і від того його опір незначний. За цих умов у колі проходить струм значної сили, і якір реле притягується до осердя котушки. Коло освітлювальної лампи розімкнуте. Від настання сутінок опір фоторезистора різко зростає, сила струму в його колі зменшується майже до нуля, якір відходить від осердя і замикає коло освітлювальної лампи.

Аналогічні реле на фоторезисторах застосовуються в автоматичних лініях для підрахунку і сортування виробів масової продукції на виробництві за їх розмірами і кольором. Фоторезистори мають такі переваги: практично необме­жений строк служби, малі розміри, простота виготовлення, висока чутливість і надійність у роботі тощо. Це зумовило їх широке застосування в різноманітних автоматичних при­строях і приладах.