Газдардағы электр тогы. Вакуумдегi электр тогы. Физика, 10 сынып, қосымша материал.

Вакуумдағы электр тогы

Термоэлектрондық эмиссия Диод

электронның металдан шығу жұмысы

Диодтың вольт-амперлік сипаттамасы

Электронды-сәулелік түтікше

Вакуумдағы электр тогы жөніндегі оқу материалын төмендегідей жүйелілікпен оқытқан қолайлы болар деп санаймыз:

1) Термоэлектрондық эмиссия Диод. Вакуумдағы электр тогы жөнінде айтпастан бұрын оқушыларды мынадай екі мәселемен таныстыра кету орынды. Оның біріншісі – вакуум жөніндегі ұғым. Вакуум деп қысымы атмосфералық қысымнан кем болған кездегі газдың күйін айтады. Газ қаншалықты жақсы сиретілген болса, соншалықты вакуум жоғары. Қалыпты жағдайдағы газ қысымы – сынап бағанасымен (с.б). электрондық приборлардың ішінде ауа, молекулаларының еркін жолының орташа ұзындығы ыдыс өлшемімен үлкен болатын вакуумға дейін, сире-тіледі, ол шамамен 10^-5 -10^- с.б. тең. Бұл вакуумды жоғары вакуум деп атайды. Ғарыштағы вакуум 10^- с.б., ал ғылыми лабо-раторияларда алынып жүрген ең жоғары вакуум 10^- с.б. Олай болса, біз әңгімелейтін вакуум – жоғары вакуум.

Екіншісі – электронның металдан шығу жұмысы. Қалыпты жағдайда металл кесегінің ішіндегі еркін электрондар хаосты жылулық қозғалыста болғанымен металды тастап, шығып кетпейді. Әр электронды металдан шығарып алу үшін белгілі жұмыс жасау керек болады, ол жұмысты электронның шығу жұмысы әр түрлі. Осы жерде металдардан электрон-ның шығу жұмысының кестесін көрсетуге болады.

Мұнан соң металдардан электронды шығарып алудың әр түрлі жол-дары бар екендігі айтылады. Қыздыру нәтижесінде – термоэлектрондық эмиссия, күшті электр өрісінің көмегімен – электростатикалық электрон-дық эмиссия, бөлшектермен атқылау нәтижесінде – екінші реттік электр-ондық эмиссия. Металдардан электрондардың көптеп шығу құбылысы жалпы атпен электрондық эмиссия деп аталатындығы айтылады.

Бұл тақырыпта тек термоэлектрондық эмиссия жөнінде ғана әңгіме болады.

Алдымен электр өрісі болғанымен вакуум арқылы ток жүрмейтіндігін, тек зарядты бөлшектер пайда болған кезде ғана вакуумның ток өткізе-тіндігіне тәжірибе көмегімен оқушылардың көзін жеткізуге болады. Ол үшін, қазіргі кезде барлық мектептерде бар, демонстрациялық екі электродты электрондық шамды пайдаланамыз. 36- суретте көрсетілгендей электр тізбегі түзіледі, оны тақтаға сызып қоюға болады.

Шам қорабының ішінде вакуум бар екендігі, оған екі өткізгіш еніп тұрғандығы түсіндіріледі. Егер ₁ батареясының көмегімен кернеу берсек, гальванометр токты көрсетпейді, өйткені вакуумда еркін электр зарядтары жоқ. Егер қорапқа еніп тұрған сымды электр тогымен қыздыратын болсақ, онда термоэлектрондық эмиссия құбылысының нәтижесінде вакуумда электрондар пайда болады, оларды оң зарядталған электрод өзіне тарды, тізбекте ток жүреді. Қыздырылатын электронды катод, ал оң заридты электронды анод деп атайтындығы айтылуы тиіс. ₁ батериясының полюстерін ауыстырып, қосып, металдан ұшып шығатын бөлшектердің зариядының теріс болатындығы, олардың электрондар екендігі дәлелденеді. Катод тізбегіндегі реостат кедергісін өзгерту арқылы термоэлектрондық эмиссия кезінде металдан ұшып шығатын электрондар санының температураға тәуелді екендігін анықтауға болады.

Сонан соң қоланылған приборды екі электродты электрондық шам, немесе вакуумдық диод деп атайтындығын айтуға болады. Диодтардың конструкциялық ерекшеліктеріне және катиодтың тура қыздырылатын, жанама жолмен қыздырылатын түрлерінің болатындығына тоқтау керек. Оқушыларды шам қорабы ішіндегі вакуумның қаншалықты қажеттілігі ойландыруы мүмкін, оны айтып түсіндіру керек болады. Вакуум болмаса шам ішіндегі қыздырылатын сымдардың ауадағы оттегі әсерінен жанып кететіндігін және электрондар қозғалысына газ молекулалары кедергі жасайтындығын дәлел ретінде келтірген жөн.

Вакуумдық диодтың электр тогын тек бір бағытта (анодтан катодқа қарай) өткізетіндігіне, бұл қасиеті жағынан шала өткізгішті диодтарға ұқсас екендігіне, сондықтан бұл шамдар да айнымалы электр тогын түзету үшін қолданылатындығына айрықша тоқтау керек болады.

2) Диодтың вольт-амперлік сипаттамасы. Анод пен катод арасын-дағы токтың сол электродтарға берілетін кернеу шамасына тәуелділігін вольт-амперлік сипаттама деп атайды. Диодтың вольт-амперлік сипаттама-сын 36– суретте келтірілген құрылғы көмегімен өлшеуге болады, тек гальванометрдің орнына демонстрациялық амперметр, электродтар арасына демонстрациялық вольтметр қосса болғаны.

Алдымен электр өрісін бермей тұрып, катодты белгілі температураға қыздырғанда жүретін процесті түсіндіріп алу керек. Термоэлектрондық эмиссия нәтижесінде катодтан ұшып шыққан электрондар катод айма-ғында электрондық бұлт түзеді. Катод температурасы тұрақты болса, белгілі моментте катодтан ұшып шығатын электрондар мен катодқа қайтып оралатын электрондар саны теңесіп, динамикалық тепе-теңдік орнайды. Бұл құбылыс кебу кезінде сұйық бетінен ұшып шығатын молекулалар саны мен қаныққан будан сұйыққа қайтып келіп жатқан молекулалар санының тепе-теңдігіне ұқсас екендігіне оқушылардың назарын аударуға болады.

Сонан соң ₁ батареясынан алынатын кернеуді потенциометр көме-гімен 10 В-тан өсіре отырып, анодтық токтың сәйкес мәндерін жазамыз. Тіпті тақтаға кесте сызуға болады. Алынған кесте көмегімен график салынады. Катодтың температурасын өсіріп (Т₂>Т₁) тағы бір сипаттаманың графигін салуға болады. Сонан соң алынған тәуелділік талқыланады. Анодтық кернеудің (U_а) төменгі мәндеріндегі токтың (І_а) өзгерісіне катод айналасындағы электрондық бұлттың (оны көлемдік заряд деп те атайды) әсері түсіндіріледі. Кернеудің белгілі мәнінен бастап, катодтан шығатын барлық электрондардың анодқа тартылып кетуіне байланысты анодтық ток қанығу мәніне жетеді, кернеуді әрі қарай өсіргенмен анод-тық ток өспейді. Катод температурасын өсіргенде тәуелділік сипаты сол күйінде қалатындығына оқушылардың назарын аударамыз.

Вакуумдағы электр тогының кернеуге тәуелділігі металдардағы токтың кернеуге тәуелділігіне ұқсамайтындығын, металдардағы ток пен кернеу-дің байланысы Ом заңына бағынатындығын айтуға болады.

Оқушыларға катод пен анод арасындағы электронның қозғалыс жылдамдығы жөнінде түсінік беріледі. Электрон вакуумда еш кедергісіз қозғала алатындықтан, электр өрісінің әсерінен ол үдемелі қозғалысқа түседі. Анодқа жеткен кездегі оның жылдамдығы максимальді. Егер анодтық кернеудің мәні 100 В болса, онда электрон анодқа жеткен кезде-гі оның кинетикалық энергиясы mv / 2 электр өрісінің жасаған жұмысына (еU_а) тең , немесе

= еU_а , одан v= = 6 * 10⁶ м/c

Бұл жылдамдықты электрондардың металдағы жылдамдығымен салыстыруға болады.

Термоэлектрондық эмиссия механизмін тура бақылауға болмайтын-дықтан, электрондық шам жөніндегі кинофильмдерді көрсету өте тиімді екендігін ескертеміз.

3) Электронды-сәулелік түтікше. Электронды-сәулелік түтікшенің құрылысымен және оның жұмысымен оқушыларды таныстыру үшін электростатикалық басқарушы жүйелі осциллографиялық түтікшемен таныстырған тиімді. Кейбір физикалық кабинеттерде оның демонстра-циялық варианты да болуы мүмкін.

Электронды-сәулелік түтікшенің құрылымын түсіндіру үшін оның схемалық кескіні бейнеленген плакатты пайдалануға болады, өйткені түтікшенің өзінен оның жұмысшы бөліктерін ажыратып көрсету мүмкін емес.

Электронды-сәулелік түтікше негізгі төрт бөліктен тұрады: жоғарғы вакуумды қолбадан, электрондық прожектордан, электрондық сәулені басқарушы жүйеден және люминесценттік экраннан.

Электрондық прожекторға, оны электрондық зеңбірек деп те атайды, катод, басқарушы және фокустаушы электрондар мен анод енеді, оның негізгі қызметі-интенсивтілігі белгілі, фокусталған жіңішке электрондық сәуле жасау. Электрондық прожектор қалыпты жұмыс істейтін болса, экранның дәл ортасында, диаметрі миллиметрдің бөлігіндей болатын жарық нүкте беруі тиіс.

Электрондық прожектордың шыққан электрондар шоғы экранға барар жолда конденсаторлар тәріздес, бірінен кейін бірі орналасқан, жазықтық-тары өзара перпендикуляр екі жұп пластиналар арасынан өтеді, бұл пластиналарды басқару жүйесі немесе ауытқытушы жүйе деп атайды. Плас-тиналардың бір жұбы, астарларының зарядына байланысты, электрондық сәулені вертикаль бағытта, ал екінші жұбы – горизонталь бағытта ығыстырады. Егер пластиналардың бірінші жұбына айнымалы кернеу берілсе экранда вертикаль жарық сызық пайда болады да, дәл сондай кернеу екінші жұбына берілгенде – горизонталь жарық сызық береді.

Люминисценттік экран қолбаның ішкі жағынан, электрон шоғы келіп түскенде жарық шығаратын қасиеті бар зат (люминофор) жағы арқылы дайындалады. Ондай қасиеті бар заттар жөнінде болашақта айтылатын-дығы туралы ескерту керек.

Электронды-сәулелік түтікшенің осы айтылған бөліктерін мектеп осциллографынан көрсетіп, электрондық вертикаль және горизонталь бағыттар бойынша жылжытуға болатындығын демонстрациялау керек.

Электронды-сәулелік түтікшелердегі басқару жүйесі ретінде тек электростатикалық өріс ғана емес, магниттік өріс те қолданылатындығы айтылуы тиіс.

Баяндауды электронды-сәулелік түтікшелердің осциллографтарда, кине-скоптарда, электрондық есептеу машиналарының дисплейлерінде және де басқа әр түрлі электрондық құрылғыларда қолданылатындығын айтумен аяқтаймыз.

Тақырыпты бекіту үшін «электронды-сәулелік түтікше» деп аталатын, екі бөлімнен тұратын кинофильмді көрсетуге болады.

Металл атомындағы валентті электрондар өте әлсіз байланысқан. Олар өз атомдарынан босанып шыққаннан кейін бос күйге түседі. Осы бос элек-трондардың металдан сыртқа шығуы электрондар эмиссиясы деп аталады. Металдардан электрондарды бөліп алудың бірнеше әдісі бар. Солардың бірі металды қыздыру. Металды қыздырғанда одан электрондардың бөлініп шығу құбылысын термоэлектрондық эмиссия деп атайды. Бұл құбылысты 1883 жылы Эдисон ашты. Егер осы электрондарды бір бағытта қозғалуға мәжбүр етсек, онда ток пайда болады, оны термоэлектрондық ток деп атайды. Термо-электрон құбылысын бақылау үшін ауасы сорылып алынып ( қысымы 10^-6-10^-7мм.сын.бағ.), ішіне екі электрод орнатылған шыны ыдыс қолданылады. Оны диод деп атайды. Электродтардың біреуі катод делінеді, ол өте нашар балқитын металдан (мысалы, вольфрам) жіп түрінде (спираль) жасалады. Катод ток көзі арқылы қыздырылады, сөйтіп одан электрондар бөлініп шығады. Ал анод цилиндр формалы металдан жасалады. Қыздыру батареясының көмегімен катод қызады да, одан электрондар бөлініп шығады. Катодтың айналасында электрон «бұлты» пайда болады.осы кернеудің жәрдемімен электрондар анодқа қарай жол тартады. Бұл кезде анод батареяның оң полюсімен жал-ғанады. Нәтижесінде, катодтан анодқа қарай бағытталған электр тогы пайда болады.

Анодтың кернеуі белгілі бір шамаға жеткеннен кейін токтың өсуі тоқталады. Әрі қарай кернеуді қанша өсіргенімен ток шамасы өзгермейді. Бұл токты қанығу тогы деп атайды.

Катодтың температурасын өсіретін болсақ, онда қанығу тогының күші өсетінін байқаймыз.

Диод арқылы ток тек бір бағытта ғана жүреді. Атап айтқанда, анодты батареяның оң полюсімен, катодты теріс полюсімен жалғағанда ғана диодта ток пайда болады. Ал, анодты батареяның теріс полюсімен жалғасақ, онда диод арқылы ток жүрмейді. Диодтың осы қасиеті айнымалы токты түзету үшін қолданылады. Осы мақсатта қолданылатын диодтарды кенотрондар деп атайды. Трансформатордың бірінші орамына айнымалы ток беріледі. Ал, екінші орамында жиілігі берілген айнымалы токтың жиілігіне тең, айнымалы ток пайда болады. Периодтың жартысындай уақытта айнымалы ток 1К₁421 бағытымен жүріп өтеді. Периодтың қалған бөлігінде ток 3К₂423 бағытымен жүріп өтеді.

Триод- үш электродты шам. Анод пен катодтың ортасында тор болады. Тор катодқа жақынырақ орналасады.Сондықтан тор мен катодтың арасындағы потенциалдар айырмасының өзгеруі катод айналасындағы электр өрісі кернеулігіне көп әсерін тигізеді. Катод пен тор арасындағы потенциалдар айырмасын торлық ток деп атайды. Торлық ток нөлге тең болғанда тордың шамдағы токқа ешқандай әсері болмайды. Егер торды оң зарядтасақ, онда электрондық ток көбейеді. Ал торды теріс зарядтасақ, ток азаяды. Олай болса, триодтағы анодтық ток тордағы кернеуге байланысты.

Анодтық токтың тордағы кернеуге байланыстылығы шамның торлық сипаттамасы деп аталады.Электронды шам үш параметрмен сипатталады, оның біріншісі торлық сипаттаманың тіктігі деп аталады. Анодтық кернеу du_a=const тұрақты болғанда тіктік мынаған тең:

S=dI_a/dU_T ,

Мұндағы U_T- тор кернеуі.

Графикке көз салсақ, оның АВ бөлігінің түзу сызық екенін байқар едік. Бұл торлық сипаттаманың жұмыстық бөлігі деп аталады. Күшейту коэффициенті шамның екінші статикалық параметрі болады. Анодтық ток тұрақты болғанда dI_a= const анодтық және торлық кернеулердің ара қатынасын ашып береді, яғни

µ= - dU_a/dU_T .

үшінші параметр шамның кедергісі делінеді. Ол мынаған тең:

R_i = dU_a/dI_a

Электрондық шамның бұл үш параметрінің арасында мынадай байланыс бар: µ= SR_i , мұны шамның негізгі теңдеуі дейді. Триод өте әлсіз электр тербелістерін күшейту үшін қолданылады.