"Физика (изд. ВЕНТАНА-ГРАФ)", Хижнякова Л.С., Синявина А.А.
Электрический ток в вакууме — это направленное движение электронов между электродами. В обычном вакууме почти нет свободных частиц, поэтому ток появляется, когда нагретый катод испускает электроны. Положительный анод притягивает их, и между электродами возникает ток. Этот принцип лежит в основе вакуумного диода — прибора, который пропускает ток преимущественно в одном направлении. Разобравшись в работе диода, легче понять, как управляют током в электронных устройствах и выпрямляют переменный ток.
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 между электродами. В вакууме нет привычной среды, подобной металлу или раствору, поэтому носители должны сначала появиться. Это определение помогает понять, почему одних электродов и источника напряжения недостаточно.
Термоэлектронная эмиссия — вылет электронов с поверхности нагретого металла. Получив энергию при нагревании, некоторые электроны могут покинуть катод и оказаться в пространстве вокруг него. Понятие объясняет, откуда берутся частицы, способные переносить заряд в вакууме.
Электронная лампа-диод — прибор с двумя электродами в вакууме: катодом и анодом. Источник электрического тока и нагреватель катода создают условия, при которых электроны могут двигаться между электродами. Название «диод» напоминает о двух основных электродах прибора.
Катод и анод — электроды диода; нагретый катод испускает электроны, а анод принимает их. Катод служит источником электронов, анод — электродом, к которому они направляются при подходящей полярности. Эти названия позволяют описывать устройство диода и не путать назначение его частей.
В обычном состоянии в вакууме почти нет свободных носителей заряда, поэтому сам по себе он ток не проводит. Чтобы возник ток, в пространстве между электродами должны находиться заряженные частицы, которые могут перемещаться. В диоде роль таких частиц выполняют электроны, испускаемые катодом. Следовательно, вакуум не создаёт носители самостоятельно: их источник — электрод.
При нагревании катода часть электронов получает достаточно энергии, чтобы покинуть металл и оказаться в вакууме. Внутри металла электроны удерживаются, поэтому без дополнительной энергии им трудно выйти наружу. Нагрев передаёт им энергию, и некоторые преодолевают это удерживание. Чем больше электронов покинуло поверхность, тем больше частиц может участвовать в движении между электродами.
Если анод подключён к положительному полюсу источника, электрическое поле притягивает к нему электроны. Электроны имеют отрицательный заряд, поэтому их притягивает положительный электрод. Они движутся от катода к аноду, и это направленное движение зарядов образует ток. Анод принимает электроны и замыкает путь их движения через вакуумный промежуток.
При обратной полярности анод становится отрицательным и отталкивает электроны, испущенные катодом. Катод при этом не испускает положительных зарядов, которые могли бы двигаться к отрицательному аноду. Поэтому направленного потока электронов через промежуток практически не возникает. Именно сочетание источника электронов и подходящего направления электрического поля определяет, сможет ли диод проводить ток.
Работа диода показывает, почему ток в вакууме возможен при наличии источника электронов и почему он зависит от направления подключения. Нагретый катод обеспечивает частицы, а электрическое поле направляет их к аноду. Если отсутствует хотя бы одно из этих условий, заметный поток зарядов не возникает. Благодаря такой избирательности диод пропускает ток преимущественно в одном направлении.
| Условие | Подключение анода | Движение электронов | Ток через диод |
|---|---|---|---|
| Катод нагрет, анод положителен | К положительному полюсу | От катода к аноду | Проходит |
| Катод нагрет, анод отрицателен | К отрицательному полюсу | Электроны отталкиваются от анода | Практически не проходит |
| Катод не нагрет | Любое | Свободных электронов почти нет | Практически не проходит |
Пользуйся таблицей, проверяя два условия: испускает ли катод электроны и притягивает ли их анод. Если оба условия выполнены, электроны движутся через вакуум и ток проходит. При обратной полярности или ненагретом катоде заметного тока нет.
В вакуумной лампе катод нагрет, анод подключён к положительному полюсу источника. Нужно определить, возникнет ли ток и в каком направлении движутся электроны. Рассуждать следует отдельно о появлении электронов и о действии поля.
В диоде поменяли полярность источника, оставив катод нагретым. Нужно сравнить ток с прежним случаем, когда анод был положительным. Нагрев обеспечивает электроны, но результат зависит и от того, как поле действует на них.
На схеме вакуумного диода указаны полюса источника и направление условного тока. Нужно проверить, согласуется ли оно с движением электронов. Для этого сначала определяют полярность анода, а затем учитывают противоположность двух направлений.
Ошибка — считать, что вакуум проводит ток сам по себе. Так думают, потому что представляют ток как движение, которое создаёт источник напряжения без участия частиц. Проверь себя: назови носители заряда и объясни, откуда они взялись; в диоде их испускает катод.
Ошибка — считать, что нагрев катода автоматически гарантирует ток. Нагрев создаёт электроны, но не задаёт направление их движения к другому электроду. Проверь полярность: анод должен притягивать электроны, то есть быть положительным.
Ошибка — путать движение электронов с условным направлением тока. Путаница возникает, если забыть, что электроны заряжены отрицательно, а направление тока условно выбрано как направление движения положительных зарядов. Проверь ответ: стрелки электронов и условного тока должны смотреть в противоположные стороны.
Ошибка — полагать, что диод проводит одинаково при любой полярности. Иногда учитывают нагрев катода, но забывают, что электрическое поле может как притягивать электроны, так и отталкивать их. Проверь подключение анода: положительный собирает электроны, отрицательный мешает их движению к нему.
Чтобы разобраться в токе в вакууме, нужно знать, что ток — упорядоченное движение заряженных частиц. Также пригодится понимание действия электрического поля на заряды: разноимённые притягиваются, а одноимённые отталкиваются. Эти знания помогают предсказать движение электронов между электродами.
Тема связана с электрическим током в металлах: в обоих случаях носителями заряда являются электроны. Разница в том, что в металле электроны перемещаются внутри вещества, а в вакууме — между электродами. Поэтому для вакуумного диода необходимо сначала получить свободные электроны от катода.
Работа вакуумного диода помогает понять выпрямление переменного тока и принцип действия электронных приборов. Диод пропускает ток преимущественно при одной полярности, поэтому может использоваться для направления тока в цепи. Это пример того, как свойства движения зарядов применяют в устройствах.
Почему ненагретый катод почти не испускает электроны?
Электроны удерживаются внутри металла силами притяжения. При обычной температуре большинство из них не получает достаточно энергии, чтобы покинуть катод. Нагрев помогает части электронов преодолеть это удерживание.
Может ли ток в вакууме возникнуть без нагревания катода?
В описанном вакуумном диоде нагрев нужен, чтобы катод испускал электроны. Если источника свободных электронов нет, электрическому полю нечего направленно перемещать между электродами. Поэтому при ненагретом катоде ток практически отсутствует.
Почему вакуумный диод пропускает ток только в одном направлении?
Нагретый катод испускает электроны, а положительный анод притягивает и собирает их. При обратной полярности анод становится отрицательным и отталкивает электроны. Поэтому через диод проходит ток преимущественно при одном подключении.
В какую сторону движутся электроны внутри диода?
Когда анод положителен относительно катода, электроны движутся от катода к аноду. Их направляет электрическое поле. При такой полярности анод собирает электроны, испущенные катодом.
Чем направление тока отличается от направления движения электронов?
Условное направление тока принято считать направлением движения положительных зарядов. Электроны имеют отрицательный заряд, поэтому движутся противоположно условному направлению тока. В диоде электроны идут от катода к аноду, а условный ток — от анода к катоду.
§ 49. Электрический ток в вакууме
