Урок № 40
Тема: Электрический ток в газах. Несамостоятельный и самостоятельные разряды. Понятие о плазме. Электрический ток в вакууме. Электрические пучки и их свойства. Электронно-лучевая трубка.
Цель:
Организационный момент
Проверка домашнего задания (решение домашних задач у доски)
Объяснение нового материала
Все газы в обычных условиях являются хорошими изоляторами, однако в ограниченном пространстве газы, в том числе воздух, можно сделать проводниками. Для этого нужно искусственно создать а них подвижные носители зарядов, то есть ионизировать молекулы газа.
Показать это можно с помощью следующего опыта.
Возьмем плоский конденсатор, присоединим его пластины к источнику напряжения. Чувствительный гальванометр покажет нам, что тока в цепи нет, хотя между пластинами имеется электрическое поле. Это означает, что в воздухе между пластинами свободных зарядов или совсем нет, или так мало, что гальванометр не реагирует на их перемещение.
Поставим между пластинами горящую свечу или направим туда пучок рентгеновских лучей. При этом стрелка гальванометра отклонится, то есть в цепи пойдет ток. Значит в воздухе произошла ионизация молекул (появились подвижные носители зарядов). Если убрать ионизатор, то ток быстро исчезает, так как воздух между пластинами опять становится изолятором.
На основании опытов, подобного этому, было установлено, что ионизаторами газа могут быть: высокая температура, рентгеновское, ультрафиолетовое излучение и так далее.
В газе наряду с ионизацией всегда протекает и обратный процесс – рекомбинация ионов, то есть образование нейтральных молекул из ионов газа.
Чем интенсивнее ионизатор (то есть чем больше ионов он создает за единицу времени), тем больше носителей зарядов находится в единице объема газа.
При ионизации от молекулы газа отрывается один из валентных электронов. Часть таких электронов присоединяется к нейтральным молекулам газа, образуя отрицательные ионы, а часть остается в свободном состоянии. Таким образом, подвижными носителями заряда в ионизированном газе являются свободные электроны и ионы (как положительные, так и отрицательные). Поэтому проводимость ионизированного газа оказывается частично ионной и частично электронной.
Несамостоятельные и самостоятельные разряды в газе.
Разряд в газе, который происходит только при действии постороннего ионизатора, называют несамостоятельным (он обнаруживается только с помощью измерительных приборов).
Разряд в газе, который может происходить без действия постороннего ионизатора, называют самостоятельным.
Как уже было сказано, носителями тока в газе являются свободные электроны и ионы. Между тем при прохождении тока через газ ионы разряжаются у электродов, превращаясь в нейтральные атомы и молекулы, а электроны поглощаются положительным электродом. Кроме того, часть носителей тока еще исчезает при рекомбинации. Следовательно, для поддержания тока в газе необходимо каким-то образом восполнять непрерывную убыль носителей тока. При несамостоятельном разряде это делает посторонний ионизатор. При самостоятельном же разряде эту роль выполняет сам ток.
Существует несколько механизмов образования новых носителей тока в газе:
При достаточно высоком напряжении, когда напряженность достигает десятков тысяч вольт на сантиметр, свободные электроны, двигаясь под действием сил поля приобретают очень большую кинетическую энергию, что при столкновениях с молекулами газа отрывают от них электроны, то есть ионизируют молекулы. Такое явление называют ударной ионизацией. Чтобы ионизировать молекулу газа, нужно выполнить некоторую работу:
Аu = [pic] ue,
где [pic] u – потенциал ионизации атома или молекулы.
Чтобы свободный электрон при столкновениях с молекулой газа мог ее ионизировать, кинетическая энергия электрона Wк перед его ударом о молекулу должна быть больше или равной работе ионизации Аu, то есть Wк≥ Аu
При определенном напряжении на электродах каждый электрон прежде чем исчезнуть, вызовет ионизацию хотя бы одной молекулы газа и образует хотя бы один новый свободный электрон. Тогда разряд в газе не только сможет себя поддерживать самостоятельно, но процесс ударной ионизации может принять лавинный характер, что приведет к возникновению электрического пробоя газа. Для начала такого самостоятельного разряда достаточно нескольких свободных электронов, которые всегда есть в газе.
При высокой температуре отрицательного электрода с него происходит термоэлектронная эмиссия, создающая значительное число свободных электронов в газе. Затем положительно заряженные ионы газа притягиваются к отрицательному электроду, и если их кинетическая энергия достаточно велика, то при ударе об электрод они могут выбивать из него электроны. Это явление называют вторичной электронной эмиссией.
При холодном катоде вторичная эмиссия возникает только при высоком напряжении. Если же катод начален, то самостоятельный разряд будет происходить и при небольшом напряжении на электродах. Примером такого разряда является электрическая дуга.
Разряды могут быть : искровыми, кистевыми и коронными.
Понятие о плазме.
Вспомним, что газ, в котором нет подвижных носителей зарядов является диэлектриком, а ионизированный газ – проводник, хотя в целом он электрически нейтрален, так как содержит равные количества положительных т отрицательных зарядов. Газ, а котором значительная часть атомов или молекул ионизирована, называют плазмой.
Итак, плазмой называют вещество в таком состоянии, когда оно в целом электрически нейтрально, но содержит равные количества свободных положительных и отрицательных зарядов.
Если в плазме встречаются нейтральные атомы или молекулы, то ее называют частично ионизированной. Когда же все молекулы или атомы вещества ионизированы, то плазму называют полностью ионизированной.
При температуре порядке 20000-30000 К любое вещество представляет собой полностью ионизированную плазму. Это наиболее распространенное состояние вещества в природе. Солнце и другие звезды, в которых сосредоточено почти все вещество Вселенной, представляют собой гигантские сгустки высокотемпературной плазмы.
Электрический ток в вакууме.
Полный вакуум является идеальным изолятором. Для того, чтобы через пространство, в котором создан высокий вакуум, прошел ток, нужно искусственно ввести в это пространство свободные электроны. Это можно сделать с помощью термоэлектронной эмиссии, помещая в вакуум металлическую проволоку, которую можно включать в электрическую цепь.
Для опыта берут пустотную лампу накаливания. Электроны с раскаленной нити К вылетают в вакуум. Если между нитью канала К и электродом А создать электрическое поле, заставляющее двигаться электроны к электроду А, то цепь замыкается и в вакууме течет ток. В этом случае свободные электроны движутся беспрепятственно и за счет работы сил поля получают кинетическую энергию.
Работа сил поля по перемещению электрона между электродами К и А выражается формулой:
А = eU
а кинетическая энергия Wк = eU или [pic] = eU, где
m – масса е
[pic] - скорость е
e – заряд электрона
U – разгоняющее напряжение
Электронно-лучевая трубка
Для получения изображений на экране с помощью электронов в телевизорах, радиоланационных установках и других электронных приборах используют электронно-лучевую трубку. Такая трубка представляет собой герметически закрытую колбу с широким дном, из которой удален газ. В узкой части трубки расположена электронная пушка, которая создает электронный луч. Электронная пушка состоит из подогреваемого катода и управляющего электрода. При подогреве катода происходит термоэлектронная эмиссия. Электроны летят к аноду и по пути проходят через отверстие в управляющем электроде, который имеет форму цилиндра. Управляющий электрод позволяет собирать электроны в узкий пучок, который и называют электронным лучом.
Дно колбы является экраном.
Между анодом и катодом трубки создается напряжение в несколько тысяч вольт. Поле между анодом и катодом разгоняет электроны до больших скоростей, поэтому, когда электроны, пролетев колбу, ударяются об экран, покрытый люминофором , последний начинает светиться – на экране возникает светлое пятнышко.
Управлять движением электронным лучом в трубке можно с помощью дополнительного поперечного электрического поля, создаваемого отклоняющими пластинами. Для этого в трубку помещают две пары таких пластин, расположенных во взаимно-перпендикулярных плоскостях.
Поле одной пары пластин отклоняет электронный луч в горизонтальном направлении, поле второй пары – в вертикальном направлении. Таким способом можно перемещать светлое пятнышко в любое место экрана электронно-лучевой трубки. Управлять электронным лучом можно и с помощью магнитных полей, создаваемых двумя катушками. Такое управление лучом используется в трубках телевизоров
Домашнее задание: п. 20.1, 20.3, 20.7, 20.8, 20.11
