"Физика (базовый уровень)", Мякишев Г.Я., Петрова М.А. и др.
Электрический ток в вакууме — это направленное движение электронов между электродами. Чтобы он возник, нужны источник электронов, например нагретый катод, и электрическое поле, которое направит их движение. Вакуумный диод пропускает ток преимущественно при одной полярности напряжения, поэтому его используют для выпрямления переменного тока. При достаточно большом напряжении анод собирает почти все испущенные электроны, и ток достигает насыщения.
Текст подготовлен нейронной сетью по теме параграфа и не заменяет учебник — важные факты и формулировки сверяйте с ним.
Электрический ток в вакууме — упорядоченное движение свободных электронов. В вакууме почти нет частиц, которые могли бы переносить заряд, поэтому сначала нужно создать поток электронов, а затем электрическим полем направить его движение. Без источника электронов или поля устойчивого тока не будет.
Термоэлектронная эмиссия — испускание электронов нагретым металлом. Нагрев увеличивает энергию электронов внутри металла; некоторые из них могут преодолеть притяжение со стороны металла и покинуть его поверхность. Это явление используют, чтобы создать носители заряда в вакуумном приборе.
Катод и анод — электроды вакуумного прибора: катод испускает электроны, а анод принимает их. Если анод имеет положительный потенциал относительно катода, поле притягивает электроны к аноду и поддерживает поток между электродами. Обозначения помогают не путать назначение электродов и направление движения частиц.
Ток насыщения — наибольший ток при данном числе электронов, испускаемых катодом за единицу времени. Он устанавливается, когда анод собирает почти все электроны, которые катод успевает испустить. Поэтому дальнейшее увеличение напряжения лишь незначительно меняет ток: ограничивает его уже не поле, а скорость эмиссии.
Обычный вакуум сам по себе почти не проводит ток, потому что в нём нет достаточного количества свободных зарядов. В металле электроны есть, но они связаны с веществом и не могут просто перемещаться через пустое пространство. Нагрев катода передаёт электронам энергию; часть из них покидает металл и становится свободными носителями в вакууме.
Между катодом и анодом создают разность потенциалов — напряжение, из-за которого возникает электрическое поле. При положительном потенциале анода это поле действует на отрицательные электроны и ускоряет их от катода к аноду. Направленное движение зарядов образует электрический ток, но его условное направление принято считать противоположным движению электронов.
Двухэлектродный вакуумный прибор называют вакуумным диодом: в его баллоне находятся катод и анод, а нагреватель поддерживает катод горячим. Если анод положителен относительно катода, он принимает испущенные электроны. При смене полярности анод становится отрицательным, а катод — положительным; холодный анод не служит источником электронов, поэтому поток между электродами резко ослабевает.
Когда напряжение анода растёт, поле сильнее ускоряет электроны и помогает большему их числу достигнуть анода. Поэтому сила тока сначала увеличивается. Но количество электронов ограничено тем, сколько катод испускает за единицу времени; когда почти все они собираются анодом, ток достигает насыщения и дальнейший рост напряжения почти не влияет на его величину.
Способность диода пропускать ток при одной полярности и почти не пропускать при другой используют для выпрямления — преобразования переменного тока в ток, текущий преимущественно в одном направлении. В электронно-лучевых приборах электрическим полем управляют движением электронного потока, или пучка. В обоих случаях важно, что поле изменяет движение зарядов, но не создаёт сами электроны: их источником остаётся катод.
| Объект или режим | Как возникает или проявляется | Роль напряжения |
|---|---|---|
| Термоэлектронная эмиссия | Нагретый металл испускает электроны | Напряжение между электродами направляет испущенные электроны |
| Катод | Источник электронов, обычно нагреваемый | При положительном потенциале анода электроны уходят с катода к аноду |
| Анод | Электрод, принимающий электроны | Положительный потенциал притягивает электроны |
| Положительное напряжение анода | Электроны движутся от катода к аноду, возникает ток | При росте напряжения ток сначала увеличивается |
| Ток насыщения | Анод собирает почти все испущенные электроны | Дальнейшее повышение напряжения почти не меняет ток |
| Обратная полярность | Поток электронов к аноду резко ослабевает | Анод не становится источником электронов, ток практически отсутствует |
Сначала определите, какой электрод испускает электроны, а какой их принимает, затем сопоставьте это с полярностью. Такая проверка помогает понять, будет ли ток и в каком направлении движутся электроны. Строки о росте напряжения и насыщении показывают, почему ток не увеличивается безгранично.
В вакуумном диоде катод нагрет, а анод подключён к положительному полюсу источника. Укажите, какие частицы движутся между электродами и в каком направлении.
Ответ: электроны движутся от катода к аноду, а условный ток направлен от анода к катоду. Различайте движение частиц и принятую условную стрелку тока.
При увеличении напряжения между нагретым катодом и анодом сила тока сначала возрастает, а затем перестаёт заметно изменяться. Объясните наблюдение.
Ответ: устанавливается ток насыщения, ограниченный числом электронов, испускаемых катодом. Поэтому дальнейшее повышение напряжения почти не увеличивает силу тока.
Вакуумный диод включён в цепь переменного напряжения. Объясните, почему ток через диод проходит только в одну половину периода, и укажите направление тока в этой цепи.
Ответ: диод проводит в полупериод, когда анод положителен относительно катода. Стрелку условного тока в диоде направляют от анода к катоду; получаем однополупериодное выпрямление.
Ошибка: считать, что в вакууме ток создают положительные ионы, как в электролите. Так можно подумать, перенося модель проводимости из другой среды, но в вакуумном диоде основные носители — электроны, испускаемые катодом. Проверьте себя вопросом: какой электрод нагревают и какие частицы он выпускает?
Ошибка: путать направление движения электронов с условным направлением тока. Поскольку электрон заряжен отрицательно, направления противоположны; путаница возникает из-за того, что обе стрелки относятся к одному потоку. Проверьте знак заряда и отдельно назовите направление частиц и направление тока.
Ошибка: полагать, что любое увеличение напряжения анода обязательно увеличивает ток. Сначала это верно, потому что поле помогает собрать больше электронов, но после насыщения число электронов ограничено эмиссией катода. Спросите себя, достигают ли анода почти все испущенные частицы: если да, ток почти перестал зависеть от напряжения.
Ошибка: считать, что вакуумный диод одинаково проводит при любой полярности. Такая мысль упускает разницу между нагретым катодом и холодным анодом: последний не испускает заметного потока электронов. Проверьте, какой электрод отрицателен и может ли он быть источником электронов.
Для понимания темы нужны понятия электрического тока, напряжения, электрического поля, электронов и условного направления тока. Они позволяют объяснить, почему заряды начинают двигаться и как определить направление движения электронов. Знание электропроводности металлов помогает понять, откуда берутся электроны при нагревании.
Работа диода связана с выпрямителями, а движение электронов в поле — с электронно-лучевыми приборами и управлением электронными пучками. Тема также дополняет изучение испускания заряженных частиц веществом. Так свойства вещества и действие поля связываются с устройством приборов.
Почему вакуумный диод проводит ток, если в вакууме почти нет вещества?
Носители заряда появляются, когда нагретый катод испускает электроны. Электрическое поле между катодом и анодом направляет их движение, поэтому через вакуум возникает ток.
Зачем катод в вакуумном диоде нагревают?
Нагрев передаёт электронам металла дополнительную энергию. Часть электронов получает достаточно энергии, чтобы покинуть поверхность катода.
Почему электроны движутся от катода к аноду, а ток направлен наоборот?
Электроны имеют отрицательный заряд и при положительном потенциале анода движутся к нему от катода. Условное направление тока исторически принято противоположным направлению движения электронов.
Что означает ток насыщения и почему он не растёт вместе с напряжением?
Ток насыщения — наибольшая сила тока при данном числе электронов, испускаемых катодом за единицу времени. Когда анод собирает почти все эти электроны, повышение напряжения уже почти не увеличивает число частиц, проходящих через прибор.
Почему вакуумный диод пропускает ток только в одном направлении?
При прямой полярности положительный анод притягивает электроны, испущенные катодом. При обратной полярности холодный анод не испускает заметное количество электронов, а поле не направляет поток к нему, поэтому ток практически отсутствует.
§ 13. Электрический ток в вакууме
