Повні розв’язки, як у зошиті. Хочеш розібратися самостійно — під кожним завданням є «Пояснення з репетитором».
Сторінка 47
§ 6. Електричний струм у вакуумі
Завдання 1
Звідки у вакуумі носії заряду?
Поясніть, звідки беруться вільні заряджені частинки (електрони) у вакуумі та як їх роблять вільними.
Розв’язання
У вакуумі (стан газу з дуже низьким тиском) носіями заряду є електрони, які виникають на поверхні металу.
Зазвичай електрони утримуються силами притягання позитивних йонів металу, але при нагріванні їхня кінетична енергія зростає настільки, що вони вилітають із поверхні.
Цей процес називається термоелектронною емісією, і саме завдяки йому біля металу утворюється «електронна хмара».
Відповідь:
Носіями заряду є вільні електрони, які виникають на поверхні нагрітого металу завдяки термоелектронній емісії.
Сторінка 50
Завдання 1 (с. 50)
Електронна емісія та вакуум
Поясніть, чому для розгону електронів до великих швидкостей потрібен глибокий вакуум.
Розв’язання
Електрони — це дуже малі частинки, які рухаються між електродами.
Якщо у балоні є повітря (газ), електрони постійно зіштовхуються з його молекулами.
Ці зіткнення гальмують електрони, і вони не набирають великої швидкості до анода.
У вакуумі немає молекул газу, тому електрони летять прямим шляхом без втрати енергії на зіткнення.
Відповідь:
Глибокий вакуум необхідний, щоб уникнути зіткнень електронів із молекулами повітря, які гальмували б їх і не дозволяли набрати велику швидкість.
Завдання 2
Будова електровакуумного пристрою
На рис. 1 зображено пристрій. Визначте катод і анод. Поясніть, чому струму не буде, якщо підігрівати анод замість катода.
Розв’язання
На рисунку електрод зліва має нитку розжарення (підігрів) і підключений до мінусового полюса — це катод.
Електрод справа підключений до позитивного полюса і слугує колектором електронів — це анод.
Якщо нагріти анод, він не випромінюватиме електронів, оскільки для цього потрібна спеціальна нитка розжарення (катод).
Без вільних електронів, що вилетіли з катода, між електродами не може бути струму, навіть якщо анод нагрітий.
Відповідь:
Катод — це лівий електрод з ниткою розжарення; анод — правий електрод. Струму не виникне при нагріванні анода, бо саме катод має випромінювати електрони завдяки термоелектронній емісії.
При прямому ввімкненні катод має негативний заряд, а анод — позитивний.
Електрони, що вилітають із катода, притягуються до анода і створюють струм.
Якщо змінити полярність (зворотне ввімкнення), анод стає негативним, а катод — позитивним.
Електрони відштовхуються від катода назад або не можуть вилетіти, оскільки немає сили притягання до анода.
Відповідь:
Вакуумний діод має однобічну провідність, оскільки електрони можуть рухатися лише від нагрітого катода до позитивного анода; при зворотному ввімкненні поле відштовхує електрони назад.
Завдання 4
Види електронної емісії
Порівняти термоелектронну, фотоелектронну, автоелектронну, вторинну та йонно-електронну емісію, визначивши їх спільні риси та відмінності.
Розв’язання
Визначимо спільну рису: усі процеси стосуються вилітання електронів з поверхні матеріалу під дією певного фактору.
Розглянемо механізми для кожного виду: - Термоелектронна: енергія нагрітого тіла (металу). - Фотоелектронна: енергія падаючих світлових квантів (фотонів). - Автоелектронна: енергія зовнішнього електричного поля. - Вторинна: енергія, передана при зіткненні швидких частинок (електронів) із поверхнею. - Йонно-електронна: виліт електронів під дією позитивних іонів газу.
Сформулюємо висновок про відмінність: джерело енергії для виходу електрона різниться у кожному випадку.
Відповідь:
Спільне — це процес вилітання електронів з поверхні матеріалу. Відмінність полягає в джерелі енергії, що викликає емісію: термоелектронна (тепло), фотоелектронна (світло), автоелектронна (зовнішнє поле), вторинна (удар електронами) та йонно-електронна (удар іонами).
Завдання 5
Сучасне застосування вакуумних діодів
Визначити сучасні галузі техніки, де все ще використовуються вакуумні діоди, попри те, що їх замінюють напівпровідникові прилади.
Розв’язання
Згадаємо основне призначення вакуумних діодів у складній техніці — це перетворення змінного струму на постійний (випрямлення) та генерація рентгенівського випромінювання.
Розглянемо конкретні галузі: - Рентгенологія: рентгенівські трубки містять вакуумні діоди для створення променів. - Електронна балістика та радіолокація: використовуються в спеціалізованих приймачах. - Високочастотна техніка: деякі типи ламп (кварцові, імпедансні) працюють на частотах, де напівпровідники неефективні.
Висновкуємо, що основними сучасними галузями залишаються медичне обладнання (рентген), радіолокаційні системи та деякі види промислового випрямлення високої потужності.
Відповідь:
Вакуумні діоди сьогодні застосовують переважно в рентгеновських трубках медичного обладнання, у радіолокаційних системах та в деяких видах високочастотної техніки, де напівпровідникові прилади не можуть працювати надійно.
