Corrente elettrica nel vuoto. Emissione elettronica. Corrente, corrente elettrica nel vuoto

Corrente elettrica nel vuoto

È possibile che la corrente elettrica si propaghi nel vuoto (dal latino vuoto - vuoto)? Poiché nel vuoto non esistono portatori di carica liberi, è un dielettrico ideale. La comparsa degli ioni porterebbe alla scomparsa del vuoto e alla produzione di gas ionizzato. Ma la comparsa di elettroni liberi garantirà il flusso di corrente attraverso il vuoto. Come ottenere elettroni liberi nel vuoto? Utilizzando il fenomeno dell'emissione termoionica: l'emissione di elettroni da parte di una sostanza quando riscaldata.

Diodo a vuoto, triodo, tubo catodico (nei vecchi televisori) sono dispositivi il cui funzionamento si basa sul fenomeno dell'emissione termoionica. Il principio di base del funzionamento: la presenza di un materiale refrattario attraverso il quale scorre la corrente - il catodo, un elettrodo freddo che raccoglie gli elettroni termoionici - l'anodo.

Pieno vuoto non può essere ottenuto da nessuna pompa. Non importa quanto pompiamo la lampada, al suo interno rimarranno sempre tracce di gas. Pertanto, in una lampada, la corrente elettrica che abbiamo appena conosciuto non passa in realtà nel vuoto, ma in un gas molto rarefatto.

Le pompe moderne forniscono un vuoto così elevato che le molecole rimaste nel tubo di scarica non hanno praticamente alcun effetto sul movimento degli elettroni e la corrente scorre come nel vuoto completo. In alcuni casi, tuttavia, la lampada non viene evacuata deliberatamente fino a questo punto. In una lampada del genere, gli elettroni si scontrano ripetutamente con le molecole di gas lungo il loro percorso. Quando colpiscono, trasferiscono parte della loro energia alle molecole del gas. Solitamente questa energia viene utilizzata per riscaldare il gas, ma in determinate condizioni le molecole o gli atomi del gas la emettono sotto forma di luce. Tali tubi luminosi possono essere visti sopra le porte della metropolitana, sulle vetrine e sulle insegne dei negozi.

Il passaggio della corrente elettrica in un gas è un fenomeno estremamente complesso e diversificato. Una delle sue forme è l'arco elettrico, utilizzato nella saldatura elettrica e nella fusione dei metalli.

La temperatura in esso è pressione atmosferica circa 3700 gradi. In un arco che brucia in gas compresso a 20 atmosfere, la temperatura raggiunge i 5900 gradi, cioè la temperatura della superficie del Sole.

L'arco elettrico emette una luce bianca brillante e viene quindi utilizzato anche come potente sorgente luminosa nelle lampade di proiezione e nei proiettori.

Un'altra forma di scarica elettrica è la rottura del gas. Avvicineremo due sfere metalliche di carica opposta (vedi immagine in copertina). In cui campo elettrico tra loro aumenta. Alla fine diventa così grande da strappare gli elettroni dalle molecole d'aria tra le sfere. Si verifica la ionizzazione dell'aria. Gli elettroni e gli ioni liberi risultanti si precipitano verso le palline. Nel loro percorso scompongono nuove molecole e creano nuovi ioni. L'aria diventa momentaneamente conduttiva.

Avvicinandosi alle palline, gli ioni neutralizzano le cariche delle palline; il campo scompare. Gli ioni rimanenti si ricombinano in molecole. L'aria è ancora una volta un isolante.

Tutto questo avviene in una frazione di secondo. La rottura è accompagnata da una scintilla e da un crepitio. Una scintilla è il risultato del bagliore delle molecole eccitate dagli impatti delle cariche volanti. La fessura è causata dall'espansione dell'aria dovuta al suo riscaldamento nel percorso della scintilla.

Questo fenomeno ricorda in miniatura fulmini e tuoni. Il fulmine, infatti, è la stessa scarica elettrica che si verifica quando due nubi di carica opposta si avvicinano tra loro o tra una nube e la Terra.

Uniremo ora non due palline precaricate, ma due elettrodi di carbonio o metallo collegati ad un generatore sufficientemente potente. La scarica che avviene tra loro non si ferma, poiché grazie al generatore gli elettrodi non vengono neutralizzati dagli ioni che cadono su di essi. Invece di una rottura dell'aria a brevissimo termine, viene creato un arco elettrico stabile (Fig. 12), di cui abbiamo già discusso in precedenza. L'elevata temperatura che si sviluppa nell'arco mantiene lo stato ionizzato dell'aria tra gli elettrodi e crea anche una significativa emissione termoionica dal catodo.

Prima di parlare del meccanismo con cui la corrente elettrica si propaga nel vuoto, è necessario capire di che tipo di mezzo si tratta.

Definizione. Il vuoto è uno stato del gas in cui si trova il percorso libero di una particella taglia più grande nave. Cioè, uno stato in cui una molecola o un atomo di gas vola da una parete all'altra di un recipiente senza entrare in collisione con altre molecole o atomi. Esiste anche il concetto di profondità del vuoto, che caratterizza il piccolo numero di particelle che rimangono sempre nel vuoto.

Perché esista una corrente elettrica devono esserci portatori di carica liberi. Da dove vengono nelle regioni dello spazio con pochissima materia? Per rispondere a questa domanda è necessario considerare l'esperimento condotto dal fisico americano Thomas Edison (Fig. 1). Durante l'esperimento, due piastre furono poste in una camera a vuoto e chiuse all'esterno di essa in un circuito con un elettrometro acceso. Dopo che una piastra è stata riscaldata, l'elettrometro ha mostrato una deviazione da zero (Fig. 2).

Il risultato dell'esperimento è spiegato come segue: come risultato del riscaldamento, il metallo inizia a emettere elettroni dalla sua struttura atomica, in modo simile all'emissione di molecole d'acqua durante l'evaporazione. Il metallo riscaldato circonda il lago elettronico. Questo fenomeno è chiamato emissione termoionica.

Riso. 2. Schema dell'esperimento di Edison

Tecnologicamente molto importante prevede l'utilizzo dei cosiddetti fasci di elettroni.

Definizione. Un fascio di elettroni è un flusso di elettroni la cui lunghezza è molto maggiore della sua larghezza. È abbastanza facile da ottenere. È sufficiente prendere un tubo a vuoto attraverso il quale scorre la corrente e praticare un foro nell'anodo, al quale vanno gli elettroni accelerati (il cosiddetto cannone elettronico) (Fig. 3).

Riso. 3. Cannone elettronico

I fasci di elettroni hanno una serie di proprietà chiave:

Grazie alla loro elevata energia cinetica, hanno un effetto termico sul materiale con cui colpiscono. Questa proprietà è utilizzata nella saldatura elettronica. La saldatura elettronica è necessaria nei casi in cui è importante mantenere la purezza dei materiali, ad esempio durante la saldatura di semiconduttori.

Quando entrano in collisione con i metalli, i fasci di elettroni rallentano ed emettono raggi X utilizzati in medicina e tecnologia (Fig. 4).

Riso. 4. Foto scattata utilizzando i raggi X ()

Quando un fascio di elettroni colpisce alcune sostanze chiamate fosfori, si verifica un bagliore che consente di creare schermi che aiutano a monitorare il movimento del fascio, che, ovviamente, è invisibile a occhio nudo.

La capacità di controllare il movimento dei raggi utilizzando campi elettrici e magnetici.

Va notato che la temperatura alla quale può essere ottenuta l'emissione termoionica non può superare la temperatura alla quale la struttura metallica viene distrutta.

Inizialmente, Edison utilizzò il seguente progetto per generare corrente nel vuoto. Un conduttore collegato a un circuito è stato posizionato su un lato del tubo a vuoto e un elettrodo caricato positivamente è stato posizionato sull'altro lato (vedere Fig. 5):

Come risultato del passaggio di corrente attraverso il conduttore, questo inizia a riscaldarsi emettendo elettroni che vengono attratti dall'elettrodo positivo. Alla fine, si verifica un movimento diretto di elettroni, che, in realtà, è una corrente elettrica. Tuttavia, il numero di elettroni così emessi è troppo piccolo, risultando in una corrente insufficiente per qualsiasi utilizzo. Questo problema può essere superato aggiungendo un altro elettrodo. Un tale elettrodo a potenziale negativo è chiamato elettrodo a filamento indiretto. Con il suo utilizzo, il numero di elettroni in movimento aumenta più volte (Fig. 6).

Riso. 6. Utilizzando un elettrodo a filamento indiretto

Vale la pena notare che la conduttività della corrente nel vuoto è la stessa di quella dei metalli: elettronica. Sebbene il meccanismo per la comparsa di questi elettroni liberi sia completamente diverso.

Basandosi sul fenomeno dell'emissione termoionica è stato realizzato un dispositivo chiamato diodo a vuoto (Fig. 7).

Riso. 7. Designazione di un diodo a vuoto su uno schema elettrico

Diamo uno sguardo più da vicino al diodo del vuoto. Esistono due tipi di diodi: un diodo con filamento e anodo e un diodo con filamento, anodo e catodo. Il primo è chiamato diodo a filamento diretto, il secondo è chiamato diodo a filamento indiretto. Nella tecnologia vengono utilizzati sia il primo che il secondo tipo, tuttavia, il diodo a filamento diretto presenta lo svantaggio che quando riscaldato, la resistenza del filamento cambia, il che comporta una variazione della corrente attraverso il diodo. E poiché alcune operazioni che utilizzano diodi richiedono una corrente completamente costante, è più consigliabile utilizzare il secondo tipo di diodi.

In entrambi i casi la temperatura del filamento per l'emissione effettiva deve essere pari a .

I diodi vengono utilizzati per rettificare le correnti alternate. Se un diodo viene utilizzato per convertire le correnti industriali, viene chiamato kenotron.

L'elettrodo situato vicino all'elemento che emette elettroni è chiamato catodo (), l'altro è chiamato anodo (). Se collegato correttamente, la corrente aumenta all'aumentare della tensione. Se collegato al contrario, non scorrerà alcuna corrente (Fig. 8). In questo modo i diodi a vuoto si confrontano favorevolmente con i diodi a semiconduttore, nei quali, quando riaccesi, la corrente, sebbene minima, è presente. A causa di questa proprietà, i diodi del vuoto vengono utilizzati per rettificare le correnti alternate.

Riso. 8. Caratteristica corrente-tensione di un diodo a vuoto

Un altro dispositivo creato sulla base dei processi del flusso di corrente nel vuoto è un triodo elettrico (Fig. 9). Il suo design differisce da quello del diodo per la presenza di un terzo elettrodo, chiamato griglia. Anche un dispositivo come un tubo a raggi catodici, che costituisce la maggior parte di dispositivi come un oscilloscopio e televisori a tubo, si basa sui principi della corrente nel vuoto.

Riso. 9. Circuito triodo a vuoto

Come accennato in precedenza, sulla base delle proprietà della propagazione della corrente nel vuoto, è stato progettato un dispositivo così importante come un tubo a raggi catodici. Basa il suo lavoro sulle proprietà dei fasci di elettroni. Diamo un'occhiata alla struttura di questo dispositivo. Un tubo a raggi catodici è costituito da una beuta da vuoto con un'espansione, un cannone elettronico, due catodi e due coppie di elettrodi reciprocamente perpendicolari (Fig. 10).

Riso. 10. Struttura di un tubo a raggi catodici

Il principio di funzionamento è il seguente: gli elettroni emessi dal cannone a causa dell'emissione termoionica vengono accelerati a causa del potenziale positivo sugli anodi. Quindi, applicando la tensione desiderata alle coppie di elettrodi di controllo, possiamo deviare il fascio di elettroni come desiderato, orizzontalmente e verticalmente. Dopo di che il raggio diretto cade sullo schermo al fosforo, che ci permette di vedere su di esso l'immagine della traiettoria del raggio.

Un tubo a raggi catodici viene utilizzato in uno strumento chiamato oscilloscopio (Fig. 11), progettato per studiare i segnali elettrici, e nei televisori CRT, con l'unica eccezione che i fasci di elettroni sono controllati da campi magnetici.

Nella prossima lezione vedremo il passaggio della corrente elettrica nei liquidi.

Bibliografia

Tikhomirova S.A., Yavorsky B.M. Fisica ( un livello base di) – M.: Mnemosyne, 2012.
Gendenshtein L.E., Dick Yu.I. Fisica 10° grado. – M.: Ilexa, 2005.
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Physics.kgsu.ru ().
Cathedral.narod.ru ().
Enciclopedia della fisica e della tecnologia ().

Compiti a casa

Cos'è l'emissione elettronica?
Quali sono i modi per controllare i fasci di elettroni?
In che modo la conduttività di un semiconduttore dipende dalla temperatura?
A cosa serve un elettrodo a filamento indiretto?
*Qual è la proprietà principale di un diodo a vuoto? A cosa è dovuto?

Cos'è il vuoto? - questo è il grado di rarefazione di un gas al quale praticamente non si verificano collisioni di molecole;

La corrente elettrica non è possibile perché il numero possibile di molecole ionizzate non può fornire conduttività elettrica;
- è possibile creare corrente elettrica nel vuoto se si utilizza una fonte di particelle cariche;
- l'azione di una sorgente di particelle cariche può basarsi sul fenomeno dell'emissione termoionica.

Emissione termoionica

Si tratta dell'emissione di elettroni da parte di corpi solidi o liquidi quando vengono riscaldati a temperature corrispondenti al bagliore visibile del metallo caldo.
L'elettrodo metallico riscaldato emette continuamente elettroni, formando attorno a sé una nuvola di elettroni.
In uno stato di equilibrio, il numero di elettroni che hanno lasciato l'elettrodo è uguale al numero di elettroni che vi sono tornati (poiché l'elettrodo si carica positivamente quando si perdono gli elettroni).
Maggiore è la temperatura del metallo, maggiore è la densità della nuvola di elettroni.

Diodo a vuoto

La corrente elettrica nel vuoto è possibile nei tubi a vuoto.
Un tubo a vuoto è un dispositivo che sfrutta il fenomeno dell'emissione termoionica.

Un diodo a vuoto è un tubo elettronico a due elettrodi (A - anodo e K - catodo).
All'interno del contenitore di vetro si crea una pressione molto bassa

H - filamento posto all'interno del catodo per riscaldarlo. La superficie del catodo riscaldato emette elettroni. Se l'anodo è collegato al + della sorgente di corrente e il catodo a -, nel circuito scorre una corrente termoionica costante. Il diodo del vuoto ha conduttività unidirezionale.
Cioè, la corrente nell'anodo è possibile se il potenziale dell'anodo è superiore al potenziale del catodo. In questo caso, gli elettroni della nuvola elettronica vengono attratti dall'anodo, creando una corrente elettrica nel vuoto.

Caratteristica corrente-tensione di un diodo a vuoto.

A basse tensioni anodiche, non tutti gli elettroni emessi dal catodo raggiungono l'anodo e la corrente elettrica è piccola. Ad alte tensioni, la corrente raggiunge la saturazione, cioè valore massimo.
Un diodo a vuoto viene utilizzato per raddrizzare la corrente alternata.
Corrente all'ingresso del raddrizzatore a diodi:

Corrente di uscita del raddrizzatore:

I fasci di elettroni sono un flusso di elettroni che volano rapidamente nei tubi a vuoto e nei dispositivi a scarica di gas.

Proprietà dei fasci di elettroni:

Deflette nei campi elettrici;
- deviare dentro campi magnetici sotto l'influenza della forza di Lorentz;
- quando un raggio che colpisce una sostanza viene decelerato, compaiono radiazioni di raggi X;
- provoca bagliore (luminescenza) di alcuni solidi e liquidi (luminofori);
- riscaldare la sostanza contattandola.

Tubo a raggi catodici (CRT)

Vengono utilizzati i fenomeni di emissione termoionica e le proprietà dei fasci di elettroni.

Un CRT è costituito da un cannone elettronico, piastre di elettrodi di deflessione orizzontale e verticale e uno schermo.
In un cannone elettronico, gli elettroni emessi da un catodo riscaldato passano attraverso l'elettrodo della griglia di controllo e vengono accelerati dagli anodi. Un cannone elettronico concentra un fascio di elettroni in un punto e modifica la luminosità della luce sullo schermo. Le piastre deviabili orizzontali e verticali consentono di spostare il fascio di elettroni sullo schermo in qualsiasi punto dello schermo. Lo schermo del tubo è rivestito di fosforo che inizia a brillare quando viene bombardato da elettroni.

Esistono due tipi di tubi:

1) con controllo elettrostatico del fascio di elettroni (deflessione del fascio elettrico solo ad opera del campo elettrico);
2) con controllo elettromagnetico (si aggiungono bobine di deflessione magnetica).

Principali applicazioni del CRT:
tubi catodici in apparecchiature televisive;
schermi di computer;
oscilloscopi elettronici nella tecnologia di misurazione.

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Elcorrente elettrica nel vuoto

1. Tubo a raggi catodici

Il vuoto è uno stato del gas in un recipiente in cui le molecole volano da una parete all'altra del recipiente senza mai scontrarsi tra loro.

Un isolante sottovuoto, la corrente al suo interno può sorgere solo a causa dell'introduzione artificiale di particelle cariche, a questo scopo viene utilizzata l'emissione (emissione) di elettroni da parte di sostanze. L'emissione termoionica avviene nei tubi a vuoto con catodi riscaldati e l'emissione fotoelettronica avviene in un fotodiodo.

Spieghiamo perché non c'è emissione spontanea di elettroni liberi dal metallo. L'esistenza di tali elettroni in un metallo è una conseguenza della stretta vicinanza degli atomi nel cristallo. Questi elettroni però sono liberi solo nel senso che non appartengono ad atomi specifici, ma rimangono appartenenti al cristallo nel suo insieme. Alcuni degli elettroni liberi, trovandosi a causa del movimento caotico vicino alla superficie del metallo, volano oltre i suoi confini. Una microsezione della superficie metallica, che prima era elettricamente neutra, acquisisce una carica positiva non compensata, sotto l'influenza della quale gli elettroni emessi ritornano al metallo. I processi di partenza e ritorno avvengono continuamente, a seguito dei quali sopra la superficie metallica si forma una nuvola di elettroni sostituibile e la superficie metallica forma un doppio strato elettrico, contro le forze di tenuta di cui deve essere eseguita la funzione di lavoro. Se si verifica l'emissione di elettroni, allora alcuni influenze esterne(riscaldamento, illuminazione) hanno svolto tale lavoro

L'emissione termoionica è una proprietà dei corpi riscaldati alta temperatura, emettono elettroni.

Un tubo a raggi catodici è un pallone di vetro in cui viene creato un alto vuoto (da 10 a -6 gradi - da 10 a -7 gradi mm Hg). La sorgente di elettroni è una sottile spirale metallica (nota anche come catodo). Di fronte al catodo si trova un anodo a forma di cilindro cavo, nel quale entra il fascio di elettroni dopo aver attraversato un cilindro di focalizzazione contenente un diaframma con un'apertura stretta. Tra il catodo e l'anodo viene mantenuta una tensione di diversi kilovolt. Gli elettroni accelerati dal campo elettrico volano fuori dal diaframma e volano verso uno schermo costituito da una sostanza che si illumina sotto l'influenza degli impatti degli elettroni.

Per controllare il fascio di elettroni vengono utilizzate due coppie di piastre metalliche, una delle quali è posizionata verticalmente e l'altra orizzontalmente. Se la piastra sinistra ha un potenziale negativo e quella destra ha un potenziale positivo, il raggio devierà a destra e se la polarità delle piastre viene cambiata, il raggio devierà a sinistra. Se viene applicata tensione a queste piastre, il raggio oscillerà sul piano orizzontale. Allo stesso modo, il raggio oscillerà sul piano verticale se è presente una tensione alternata sulle piastre di deflessione verticali. Le piastre precedenti sono piastre di deflessione orizzontale.

2. Corrente elettrica nel vuoto

Cos'è il vuoto?

Questo è un grado di rarefazione del gas al quale praticamente non si verificano collisioni di molecole;

La corrente elettrica non è possibile perché il numero possibile di molecole ionizzate non può fornire conduttività elettrica;

È possibile creare corrente elettrica nel vuoto se si utilizza una fonte di particelle cariche; diodo a vuoto del tubo a fascio

L'azione di una sorgente di particelle cariche può basarsi sul fenomeno dell'emissione termoionica.

3. Diodo a vuoto

La corrente elettrica nel vuoto è possibile nei tubi a vuoto.

Un tubo a vuoto è un dispositivo che sfrutta il fenomeno dell'emissione termoionica.

Un diodo a vuoto è un tubo elettronico a due elettrodi (A - anodo e K - catodo).

All'interno del contenitore di vetro si crea una pressione molto bassa

corrente termoionica costante. Il diodo del vuoto ha conduttività unidirezionale.

Quelli. la corrente nell'anodo è possibile se il potenziale dell'anodo è superiore al potenziale del catodo. In questo caso, gli elettroni della nuvola elettronica vengono attratti dall'anodo, creando una corrente elettrica nel vuoto.

4. Corrente-tensioneCaratteristiche del diodo a vuoto

Un diodo a vuoto viene utilizzato per raddrizzare la corrente alternata.

Corrente all'ingresso del raddrizzatore a diodi

Corrente di uscita del raddrizzatore

5. Fasci di elettroni

Si tratta di un flusso di elettroni che volano rapidamente nei tubi a vuoto e nei dispositivi a scarica di gas.

Proprietà dei fasci di elettroni:

Deflette nei campi elettrici;

Vengono deviati nei campi magnetici sotto l'influenza della forza di Lorentz;

Quando un raggio che colpisce una sostanza viene decelerato, appare la radiazione a raggi X;

Provoca bagliore (luminescenza) di alcuni solidi e liquidi (luminofori);

La sostanza viene riscaldata dal contatto con essa.

6. Tubo a raggi catodici (CRT)

Vengono utilizzati i fenomeni di emissione termoionica e le proprietà dei fasci di elettroni.

Un CRT è costituito da un cannone elettronico, piastre di elettrodi di deflessione orizzontale e verticale e uno schermo.

In un cannone elettronico, gli elettroni emessi da un catodo riscaldato passano attraverso l'elettrodo della griglia di controllo e vengono accelerati dagli anodi. Un cannone elettronico concentra un fascio di elettroni in un punto e modifica la luminosità della luce sullo schermo. Le piastre deviabili orizzontali e verticali consentono di spostare il fascio di elettroni sullo schermo in qualsiasi punto dello schermo. Lo schermo del tubo è rivestito di fosforo che inizia a brillare quando viene bombardato da elettroni.

Esistono due tipi di tubi:

1) con controllo elettrostatico del fascio di elettroni (deflessione del fascio elettrico solo ad opera del campo elettrico);

2) con controllo elettromagnetico (si aggiungono bobine di deflessione magnetica).

Principali applicazioni del CRT:

tubi catodici in apparecchiature televisive;

schermi di computer;

oscilloscopi elettronici nella tecnologia di misurazione.

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