§ 32. Ток через вакуум. Электронно-лучевая трубка

Определения и обозначения

Термоэлектронная эмиссия — выход электронов из нагретого металла. При нагревании электроны получают дополнительную энергию и могут преодолеть притяжение со стороны поверхности. Это явление используют, чтобы получить свободные заряды для тока в вакууме.

Вакуумный диод — прибор с двумя электродами в откачанной колбе: катодом и анодом. Катод при нагревании испускает электроны, а анод принимает их и создаёт направленное движение. Диод нужен для изучения и управления током, который проходит только при подходящей полярности.

Электронный пучок — направленное движение большого числа электронов. Электрическое поле ускоряет отрицательно заряженные частицы и может изменять их траектории. Узкий пучок позволяет точно направить электроны на нужный участок экрана.

Электронно-лучевая трубка — вакуумный прибор, в котором электронный пучок создаёт изображение на экране. Пучок формируется и отклоняется внутри трубки, а экран светится в месте попадания электронов. Поэтому движение невидимых частиц превращается в видимую точку, линию или картину.

Как это устроено

Для тока нужны свободные заряженные частицы, способные перемещаться. В вакууме почти нет вещества, которое могло бы дать такие частицы, поэтому электроны получают с поверхности катода. Когда катод нагревают, электроны движутся быстрее и часть из них покидает металл: это и есть термоэлектронная эмиссия. Без нагревания количество вылетевших электронов обычно слишком мало для заметного тока.

Между катодом и анодом создают напряжение, то есть электрическое поле. Если анод положителен, он притягивает отрицательные электроны, и они летят к нему, набирая скорость. Поэтому ток возникает от катода к аноду по движению электронов. При обратной полярности отрицательный анод отталкивает электроны, так что они не достигают анода и ток резко уменьшается.

Электроны, вылетевшие с разных участков катода, сначала движутся в разных направлениях. Специальная форма электродов и управляющее электрическое поле заставляют их сближаться, поэтому поток становится узким электронным пучком. Поле действует на отрицательные частицы силой, направленной противоположно самому полю. Изменяя напряжение на управляющих элементах, можно менять количество электронов в пучке или его движение.

Для отклонения пучка используют две пары металлических пластин. Между пластинами создаётся электрическое поле, и на каждый электрон действует сила, из-за которой его траектория искривляется. Одна пара пластин отклоняет пучок, например, вверх или вниз, а другая — влево или вправо. Чем больше напряжение между пластинами, тем сильнее обычно изменяется направление движения.

В конце трубки расположен экран с покрытием из люминофора. Быстрые электроны передают ему энергию, и в месте попадания возникает свечение. Если пучок быстро перемещается и его отклонение непрерывно меняется, отдельные точки сливаются для глаза в линию. Управляя движением по двум направлениям, получают светящиеся изображения.

Вакуумный диод и электронно-лучевая трубка

Таблицу удобно читать по строкам, сравнивая одну характеристику двух приборов. По столбцу электронно-лучевой трубки видно, что она включает функции вакуумного диода и дополнительно управляет пучком.

Главное различие связано с результатом: диод нужен прежде всего для получения тока, а трубка — для превращения движения электронов в изображение. В обоих приборах источник электронов один и тот же по принципу — нагретый катод.

Разбор задач

Задача 1

К катоду и аноду вакуумного диода подключили источник напряжения сначала так, что анод положителен, а затем поменяли полярность. Нужно определить, когда возникнет ток.

1. Нагретый катод испускает электроны, поэтому именно он является источником носителей тока.
2. При положительном аноде электрическое поле притягивает отрицательные электроны к аноду. Они движутся через вакуум, и ток возникает.
3. После смены полярности анод становится отрицательным. Он отталкивает электроны от себя, поэтому они не достигают анода.

Ответ: ток возникнет, когда анод положителен относительно катода; при обратной полярности ток практически отсутствует.

Задача 2

Через вакуумный прибор проходит ток I = 0,32 мкА. Найдём, сколько электронов проходит через поперечное сечение за t = 1 с, если e = 1,6·10⁻¹⁹ Кл.

1. Переведём силу тока: 0,32 мкА = 0,32·10⁻⁶ А.
2. По формуле I = q/t найдём общий заряд: q = It = 0,32·10⁻⁶ · 1 = 3,2·10⁻⁷ Кл.
3. Число электронов равно отношению общего заряда к заряду одного электрона: N = q/e = 3,2·10⁻⁷ / 1,6·10⁻¹⁹ = 2·10¹².

Ответ: за 1 с через сечение проходит 2·10¹² электронов.

Задача 3

На экране электронно-лучевой трубки пучок отклоняется вверх. Требуется узнать, что произойдёт при изменении направления электрического поля между отклоняющими пластинами.

1. Электрон имеет отрицательный заряд, поэтому сила со стороны поля направлена противоположно вектору электрического поля.
2. Если направление поля изменить на противоположное, направление силы, действующей на электроны, также изменится.
3. Пучок начнёт отклоняться в другую сторону относительно исходной траектории, то есть светящийся след переместится вниз.

Ответ: след опустится вниз, если изменение поля полностью меняет направление отклонения; это объясняется отрицательным зарядом электронов.

Типичные ошибки

Ошибка: считать, что ток создают положительные ионы. Так думают по аналогии с электролитами, но в рассматриваемых приборах ток переносят электроны, покинувшие катод. Проверь себя: назови источник частиц — это нагретый катод.

Ошибка: считать, что сам вакуум создаёт ток. Вакуум лишь уменьшает столкновения частиц и позволяет электронам свободнее лететь между электродами. Проверь себя: найди в схеме источник электронов и поле, которое заставляет их двигаться.

Ошибка: путать движение электронов с направлением условного тока. Электроны движутся от катода к аноду, а условный ток направлен противоположно их движению. Проверь себя по знаку заряда: для отрицательных частиц эти направления различаются.

Ошибка: думать, что электроны в трубке летят от анода к катоду. Сначала пучок ускоряется от катода к аноду, затем направляется к экрану и отклоняется специальными полями. Проверь себя, восстановив цепочку: катод, анод, отклоняющие электроды, экран.

Связь с другими темами

Перед изучением темы нужно знать строение атома, заряд электрона, а также понятия электрического тока, напряжения и электрического поля. Эти знания помогают объяснить, откуда берутся частицы и почему они начинают двигаться.

Тема связывает движение зарядов с действием электрического поля. Здесь уже знакомые понятия тока и напряжения применяются к прибору, где между электродами нет проводника из обычного вещества.

Управление электронным пучком показывает, как электрические сигналы могут превращаться в изображение. Этот принцип полезен при изучении электронных устройств и способов отображения информации на экране.

Что запомнить

• Ток через вакуум возможен, если в нём есть свободные заряженные частицы.
• В вакуумных приборах электроны получают нагреванием катода.
• Положительно заряженный анод притягивает электроны и ускоряет их.
• Направление условного тока противоположно направлению движения электронов.
• Электронный пучок можно отклонять электрическим полем.
• В электронно-лучевой трубке попадание электронов на экран вызывает его свечение.