Повні розв’язки, як у зошиті. Хочеш розібратися самостійно — під кожним завданням є «Пояснення з репетитором».
§ 6. Електричний струм у вакуумі
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.
