Merupakan arus listrik dalam ruang hampa. Topik perkuliahan adalah “arus listrik dalam ruang hampa”. Arus listrik dalam ruang hampa

Sebelum perangkat semikonduktor mulai digunakan dalam teknik radio, tabung vakum banyak digunakan.

Konsep vakum

Tabung elektron adalah tabung kaca yang kedua ujungnya disegel, dengan katoda di satu sisi dan anoda di sisi lain. Gas dilepaskan dari tabung ke keadaan di mana molekul gas dapat terbang dari satu dinding ke dinding lainnya tanpa bertabrakan. Keadaan gas ini disebut kekosongan. Dengan kata lain, ruang hampa adalah gas yang sangat dijernihkan.

Dalam kondisi seperti itu, konduktivitas di dalam lampu hanya dapat dipastikan dengan memasukkan partikel bermuatan ke dalam sumbernya. Agar partikel bermuatan muncul di dalam lampu, mereka menggunakan properti benda seperti emisi termionik.

Emisi termionik adalah fenomena emisi elektron oleh suatu benda di bawah pengaruh suhu tinggi. Bagi banyak zat, emisi termionik dimulai pada suhu dimana penguapan zat itu sendiri belum dapat dimulai. Pada lampu, katoda dibuat dari bahan tersebut.

Arus listrik dalam ruang hampa

Katoda kemudian dipanaskan, menyebabkannya terus menerus memancarkan elektron. Elektron ini membentuk awan elektron di sekitar katoda. Ketika sumber listrik dihubungkan ke elektroda, medan listrik terbentuk di antara keduanya.

Apalagi jika kutub positif sumber dihubungkan ke anoda, dan kutub negatif ke katoda, maka vektor intensitas medan listrik akan diarahkan ke katoda. Di bawah pengaruh gaya ini, beberapa elektron keluar dari awan elektron dan mulai bergerak menuju anoda. Dengan demikian, mereka menciptakan arus listrik di dalam lampu.

Jika lampu dihubungkan secara berbeda, menghubungkan kutub positif ke katoda dan kutub negatif ke anoda, maka kuat medan listrik akan diarahkan dari katoda ke anoda. Medan listrik ini akan mendorong elektron kembali menuju katoda dan tidak terjadi konduksi. Sirkuit akan tetap terbuka. Properti ini disebut konduktivitas unilateral.

dioda vakum

Di masa lalu, konduksi satu sisi banyak digunakan pada perangkat elektronik dengan dua elektroda. Perangkat seperti itu disebut dioda vakum. Pada suatu waktu mereka melakukan peran yang sekarang dilakukan dioda semikonduktor.

Paling sering digunakan untuk meluruskan arus listrik. DI DALAM saat ini Dioda vakum praktis tidak pernah digunakan dimanapun. Sebaliknya, seluruh umat manusia progresif menggunakan dioda semikonduktor.

Pada pembelajaran kali ini kita terus mempelajari aliran arus pada berbagai media, khususnya pada ruang hampa. Kami akan mempertimbangkan mekanisme pembentukan muatan bebas, mempertimbangkan perangkat teknis utama yang beroperasi berdasarkan prinsip arus dalam ruang hampa: dioda dan tabung sinar katoda. Kami juga akan menunjukkan sifat dasar berkas elektron.

Hasil percobaannya dijelaskan sebagai berikut: akibat pemanasan, logam mulai mengeluarkan elektron dari struktur atomnya, mirip dengan emisi molekul air selama penguapan. Logam yang dipanaskan dikelilingi oleh awan elektron. Fenomena ini disebut emisi termionik.

Beras. 2. Skema percobaan Edison

Properti berkas elektron

Dalam teknologi, penggunaan berkas elektron sangatlah penting.

Definisi. Berkas elektron adalah aliran elektron yang panjangnya jauh lebih besar daripada lebarnya. Cara mendapatkannya cukup mudah. Cukup dengan mengambil tabung vakum tempat arus mengalir dan membuat lubang di anoda, tempat elektron yang dipercepat mengalir (yang disebut senjata elektron) (Gbr. 3).

Beras. 3. Pistol elektron

Berkas elektron memiliki sejumlah sifat utama:

Karena energi kinetiknya yang tinggi, mereka menimbulkan efek termal pada material yang ditumbuknya. Properti ini digunakan dalam pengelasan elektronik. Pengelasan elektronik diperlukan jika menjaga kemurnian bahan itu penting, misalnya saat mengelas semikonduktor.

• Ketika bertabrakan dengan logam, berkas elektron melambat dan memancarkan sinar-X yang digunakan dalam kedokteran dan teknologi (Gbr. 4).

Beras. 4. Foto diambil dengan menggunakan sinar-X ()

• Ketika berkas elektron mengenai zat tertentu yang disebut fosfor, terjadi pendaran, yang memungkinkan terciptanya layar yang membantu memantau pergerakan berkas, yang tentu saja tidak terlihat dengan mata telanjang.
• Kemampuan mengendalikan pergerakan sinar menggunakan medan listrik dan magnet.

Perlu dicatat bahwa suhu di mana emisi termionik dapat dicapai tidak boleh melebihi suhu di mana struktur logam hancur.

Pada awalnya, Edison menggunakan konstruksi berikut untuk menghasilkan arus dalam ruang hampa. Sebuah konduktor yang terhubung ke suatu sirkuit ditempatkan di satu sisi tabung vakum, dan elektroda bermuatan positif ditempatkan di sisi lain (lihat Gambar 5):

Beras. 5

Akibat aliran arus melalui konduktor, konduktor mulai memanas, melepaskan elektron yang tertarik ke elektroda positif. Pada akhirnya terjadi pergerakan elektron yang terarah, yang sebenarnya merupakan arus listrik. Namun, jumlah elektron yang dipancarkan terlalu kecil, sehingga arus yang dihasilkan terlalu sedikit untuk digunakan. Masalah ini dapat diatasi dengan menambahkan elektroda lain. Elektroda potensial negatif disebut elektroda filamen tidak langsung. Ketika digunakan, jumlah elektron yang bergerak meningkat beberapa kali lipat (Gbr. 6).

Beras. 6. Menggunakan elektroda filamen tidak langsung

Perlu dicatat bahwa konduktivitas arus dalam ruang hampa sama dengan konduktivitas logam - elektronik. Meskipun mekanisme kemunculan elektron bebas ini sangat berbeda.

Berdasarkan fenomena emisi termionik, perangkat yang disebut dioda vakum telah dibuat (Gbr. 7).

Beras. 7. Penunjukan dioda vakum pada diagram kelistrikan

dioda vakum

Mari kita lihat lebih dekat dioda vakum. Ada dua jenis dioda: dioda dengan filamen dan anoda dan dioda dengan filamen, anoda dan katoda. Yang pertama disebut dioda filamen langsung, yang kedua disebut dioda filamen tidak langsung. Dalam teknologi, baik tipe pertama dan kedua digunakan, namun dioda filamen langsung memiliki kelemahan yaitu ketika dipanaskan, resistansi filamen berubah, yang mengakibatkan perubahan arus yang melalui dioda. Dan karena beberapa operasi menggunakan dioda memerlukan arus yang benar-benar konstan, lebih disarankan untuk menggunakan dioda jenis kedua.

Dalam kedua kasus tersebut, suhu filamen untuk emisi efektif harus sama .

Dioda digunakan untuk menyearahkan arus bolak-balik. Jika dioda digunakan untuk mengubah arus industri, maka disebut kenotron.

Elektroda yang terletak di dekat unsur pemancar elektron disebut katoda (), yang lain disebut anoda (). Pada koneksi yang benar Ketika tegangan meningkat, arus meningkat. Jika dihubungkan secara terbalik, tidak ada arus yang mengalir sama sekali (Gbr. 8). Dengan cara ini, dioda vakum lebih baik dibandingkan dengan dioda semikonduktor, yang ketika dihidupkan kembali, arusnya, meskipun minimal, tetap ada. Karena sifat ini, dioda vakum digunakan untuk menyearahkan arus bolak-balik.

Beras. 8. Karakteristik arus-tegangan dioda vakum

Perangkat lain yang dibuat berdasarkan proses aliran arus dalam ruang hampa adalah triode listrik (Gbr. 9). Desainnya berbeda dari desain dioda dengan adanya elektroda ketiga, yang disebut grid. Perangkat seperti tabung sinar katoda, yang merupakan bagian terbesar dari perangkat seperti osiloskop dan televisi tabung, juga didasarkan pada prinsip arus dalam ruang hampa.

Beras. 9. Rangkaian triode vakum

Tabung sinar katoda

Seperti disebutkan di atas, berdasarkan sifat perambatan arus dalam ruang hampa, perangkat penting seperti tabung sinar katoda dirancang. Pekerjaannya didasarkan pada sifat-sifat berkas elektron. Mari kita lihat struktur perangkat ini. Tabung sinar katoda terdiri dari labu vakum dengan ekspansi, pistol elektron, dua katoda dan dua pasang elektroda yang saling tegak lurus (Gbr. 10).

Beras. 10. Struktur tabung sinar katoda

Prinsip operasinya adalah sebagai berikut: elektron yang dipancarkan dari pistol akibat emisi termionik dipercepat karena potensi positif di anoda. Kemudian, dengan memberikan tegangan yang diinginkan pada pasangan elektroda kontrol, kita dapat membelokkan berkas elektron sesuai keinginan, secara horizontal dan vertikal. Setelah itu sinar terarah jatuh pada layar fosfor, yang memungkinkan kita melihat gambar lintasan sinar di atasnya.

Tabung sinar katoda digunakan dalam instrumen yang disebut osiloskop (Gbr. 11), yang dirancang untuk mempelajari sinyal listrik, dan di televisi CRT, dengan pengecualian bahwa berkas elektron di sana dikendalikan. medan magnet.

Beras. 11. Osiloskop ()

Pada pelajaran berikutnya kita akan melihat aliran arus listrik dalam zat cair.

Referensi

1. Tikhomirova S.A., Yavorsky B.M. Fisika (tingkat dasar) - M.: Mnemosyne, 2012.
2. Gendenshtein L.E., Dick Yu.I. Fisika kelas 10. - M.: Ilexa, 2005.
3. Myakishev G.Ya., Sinyakov A.Z., Slobodskov B.A. Fisika. Elektrodinamika. - M.: 2010.

1. Fisika.kgsu.ru ().
2. Katedral.narod.ru ().

Pekerjaan rumah

1. Apa itu emisi elektronik?
2. Apa cara untuk mengendalikan berkas elektron?
3. Bagaimana konduktivitas semikonduktor bergantung pada suhu?
4. Untuk apa elektroda filamen tidak langsung digunakan?
5. *Apa sifat utama dioda vakum? Apa penyebabnya?

Arus listrik dapat lewat dalam ruang hampa asalkan ditempatkan pembawa muatan bebas di dalamnya. Bagaimanapun, ruang hampa adalah tidak adanya zat apa pun. Ini berarti tidak ada pembawa biaya yang menyediakan arus. Konsep vakum dapat didefinisikan ketika jalur bebas suatu molekul lebih besar dari ukuran bejana.

Untuk mengetahui bagaimana cara memastikan aliran arus dalam ruang hampa, kita akan melakukan percobaan. Untuk ini kita memerlukan elektrometer dan tabung vakum. Artinya, labu kaca dengan ruang hampa berisi dua elektroda. Salah satunya dibuat dalam bentuk pelat logam, sebut saja anoda. Dan yang kedua berupa spiral kawat yang terbuat dari bahan tahan api disebut katoda.

Mari kita sambungkan elektroda lampu ke elektrometer sehingga katoda terhubung ke badan elektrometer, dan anoda terhubung ke batang. Mari kita berikan muatan ke elektrometer. Dengan menempatkan muatan positif pada batangnya. Kita akan melihat bahwa muatan akan tetap berada pada elektrometer meskipun ada lampu. Hal ini tidak mengherankan karena tidak ada pembawa muatan di antara elektroda-elektroda pada lampu, sehingga tidak ada arus yang dapat timbul sehingga elektrometer dapat melepaskan muatannya.

Gambar 1 - tabung vakum yang dihubungkan ke elektrometer bermuatan

Sekarang mari kita sambungkan sumber arus ke katoda dalam bentuk spiral kawat. Dalam hal ini, katoda akan memanas. Dan kita akan melihat bahwa muatan elektrometer akan mulai berkurang hingga hilang sama sekali. Bagaimana hal ini bisa terjadi karena tidak ada pembawa muatan di celah antara elektroda lampu untuk memberikan arus konduksi.

Jelas sekali bahwa pembawa muatan entah bagaimana muncul. Hal ini terjadi karena ketika katoda dipanaskan, elektron dari permukaan katoda dipancarkan ke ruang antar elektroda. Seperti yang Anda ketahui, logam memiliki elektron konduksi bebas. Yang mampu memindahkan volume logam di antara simpul kisi. Namun mereka tidak memiliki cukup energi untuk meninggalkan logam tersebut. Karena mereka ditahan oleh gaya tarik-menarik Coulomb antara ion positif kisi dan elektron.

Elektron mengalami gerakan termal yang kacau saat bergerak sepanjang konduktor. Mendekati batas logam, di mana tidak ada ion positif, mereka melambat dan akhirnya kembali ke dalam di bawah pengaruh gaya Coulomb, yang cenderung mendekatkan dua muatan yang berbeda. Namun jika logam dipanaskan, pergerakan termal meningkat, dan elektron memperoleh energi yang cukup untuk meninggalkan permukaan logam.

Dalam hal ini, awan elektron disebut terbentuk di sekitar katoda. Ini adalah elektron yang keluar dari permukaan konduktor, dan jika tidak ada medan listrik eksternal, elektron tersebut akan kembali ke dalamnya. Karena dengan kehilangan elektron, konduktor menjadi bermuatan positif. Hal ini terjadi jika kita memanaskan katoda terlebih dahulu, dan elektrometer akan habis. Tidak akan ada lapangan di dalamnya.

Namun karena terdapat muatan pada elektrometer maka timbullah medan yang menyebabkan elektron bergerak. Ingat, di anoda kita mempunyai muatan positif, dan elektron cenderung mengalir di bawah pengaruh medan. Jadi, arus listrik diamati dalam ruang hampa.

Jika kita katakan kita menghubungkan elektrometer secara terbalik, apa yang akan terjadi? Ternyata akan ada potensi negatif di anoda lampu, dan potensi positif di katoda. Semua elektron yang dipancarkan dari permukaan katoda akan segera kembali lagi di bawah pengaruh medan. Karena katoda sekarang mempunyai potensial positif yang lebih besar, maka katoda akan menarik elektron. Dan di anoda akan terjadi kelebihan elektron yang menolak elektron dari permukaan katoda.

Gambar 2 - arus versus tegangan untuk tabung vakum

Lampu ini disebut dioda vakum. Ia mampu melewatkan arus hanya dalam satu arah. Karakteristik arus-tegangan lampu tersebut terdiri dari dua bagian. Pada bagian pertama, hukum Ohm terpenuhi. Artinya, ketika tegangan meningkat, semakin banyak elektron yang dipancarkan dari katoda mencapai anoda dan dengan demikian arus meningkat. Pada bagian kedua, semua elektron yang dipancarkan dari katoda mencapai anoda dan dengan peningkatan tegangan lebih lanjut, arus tidak meningkat. Jumlah elektronnya tidak tepat. Area ini disebut saturasi.

Vakum adalah keadaan gas yang dijernihkan di mana terdapat jalur bebas rata-rata molekulλ lebih besar dari ukuran bejana d tempat gas berada.

Dari pengertian ruang hampa dapat disimpulkan bahwa praktis tidak ada interaksi antar molekul, oleh karena itu ionisasi molekul tidak dapat terjadi, oleh karena itu pembawa muatan bebas tidak dapat diperoleh dalam ruang hampa, oleh karena itu arus listrik tidak mungkin terjadi di dalamnya;
Untuk menciptakan arus listrik dalam ruang hampa, Anda perlu menempatkan sumber partikel bermuatan bebas ke dalamnya. Elektroda logam yang dihubungkan ke sumber arus ditempatkan dalam ruang hampa. Salah satunya dipanaskan (disebut katoda), akibatnya terjadi proses ionisasi, yaitu. Elektron dilepaskan dari zat dan ion positif dan negatif terbentuk. Tindakan sumber partikel bermuatan tersebut dapat didasarkan pada fenomena emisi termionik.

Emisi termionik adalah proses emisi elektron dari katoda yang dipanaskan. Fenomena emisi termionik menyebabkan elektroda logam yang dipanaskan terus menerus memancarkan elektron. Elektron membentuk awan elektron di sekitar elektroda. Elektroda menjadi bermuatan positif, dan di bawah pengaruh medan listrik dari awan bermuatan, sebagian elektron dari awan dikembalikan ke elektroda. Dalam keadaan setimbang, jumlah elektron yang meninggalkan elektroda per detik sama dengan jumlah elektron yang kembali ke elektroda selama waktu tersebut. Semakin tinggi suhu logam, semakin tinggi pula kepadatan awan elektronnya. Usaha yang harus dilakukan elektron untuk meninggalkan logam disebut fungsi kerja A keluar.

[A keluar] = 1 eV

1 eV adalah energi yang diperoleh elektron ketika bergerak dalam medan listrik antara titik-titik yang beda potensial 1 V.

1 eV = 1,6*10 -19 J

Perbedaan antara suhu elektroda panas dan dingin yang disegel ke dalam bejana tempat udara dievakuasi menyebabkan konduksi arus listrik satu arah di antara keduanya.

Ketika elektroda dihubungkan ke sumber arus, timbul medan listrik di antara keduanya. Jika kutub positif sumber arus dihubungkan ke elektroda dingin (anoda), dan kutub negatif ke elektroda panas (katoda), maka vektor kuat medan listrik diarahkan ke elektroda yang dipanaskan. Di bawah pengaruh medan ini, sebagian elektron meninggalkan awan elektron dan bergerak menuju elektroda dingin. Rangkaian listrik ditutup dan arus listrik terbentuk di dalamnya. Ketika sumber dinyalakan dengan polaritas yang berlawanan, kuat medan diarahkan dari elektroda yang dipanaskan ke elektroda yang dingin. Medan listrik mendorong elektron awan kembali ke elektroda yang dipanaskan. Sirkuit tampaknya terbuka.

Alat yang mempunyai daya hantar arus listrik satu arah disebut dioda vakum. Ini terdiri dari tabung elektron (bejana), dari mana udara telah dipompa keluar dan di dalamnya terdapat elektroda yang dihubungkan ke sumber arus. Karakteristik arus-tegangan dari dioda vakum. Tanda tangani bagian karakteristik tegangan arus dari mode throughput dioda dan tutup?? Pada tegangan anoda rendah, tidak semua elektron yang dipancarkan katoda mencapai anoda, dan arus listriknya kecil. Pada tegangan tinggi, arus mencapai saturasi, yaitu. nilai maksimum. Dioda vakum digunakan untuk menyearahkan arus listrik bolak-balik. Saat ini, dioda vakum praktis tidak digunakan.

Jika sebuah lubang dibuat pada anoda tabung elektron, maka sebagian elektron yang dipercepat oleh medan listrik akan terbang ke dalam lubang tersebut, membentuk berkas elektron di belakang anoda. Berkas elektron adalah aliran elektron yang terbang cepat dalam tabung vakum dan perangkat pelepasan gas.

Sifat berkas elektron:
- menyimpang dalam medan listrik;
- membelokkan medan magnet di bawah pengaruh gaya Lorentz;
- ketika sinar yang mengenai suatu zat diperlambat, radiasi sinar-X muncul;
- menyebabkan pendaran (luminescence) pada beberapa benda padat dan cair;
- Panaskan zat dengan cara dikontakkan.

Tabung sinar katoda (CRT).
CRT menggunakan fenomena emisi termionik dan sifat berkas elektron.

Dalam senjata elektron, elektron yang dipancarkan oleh katoda yang dipanaskan melewati elektroda jaringan kontrol dan dipercepat oleh anoda. Pistol elektron memfokuskan berkas elektron ke suatu titik dan mengubah kecerahan cahaya di layar. Membelokkan pelat horizontal dan vertikal memungkinkan Anda memindahkan berkas elektron di layar ke titik mana pun di layar. Layar tabung ditutupi dengan fosfor, yang mulai bersinar ketika dibombardir dengan elektron.

Ada dua jenis tabung:
1) dengan kontrol elektrostatis berkas elektron (defleksi berkas elektron hanya oleh medan listrik);
2) dengan kontrol elektromagnetik (kumparan defleksi magnetik ditambahkan).
Tabung sinar katoda menghasilkan berkas elektron sempit yang dikendalikan oleh medan listrik dan magnet. Sinar ini digunakan dalam: tabung gambar TV, display komputer, osiloskop elektronik pada peralatan pengukuran.

Arus listrik tidak hanya dapat dihasilkan pada logam, tetapi juga pada ruang hampa, misalnya pada tabung radio, pada tabung sinar katoda. Mari kita cari tahu sifat arus dalam ruang hampa.

Logam punya jumlah besar elektron bebas yang bergerak secara acak. Ketika sebuah elektron mendekati permukaan logam, gaya tarik menarik yang bekerja padanya dari sisi ion positif dan diarahkan ke dalam mencegah elektron meninggalkan logam. Usaha yang harus dilakukan untuk melepaskan elektron dari logam dalam ruang hampa disebut fungsi kerja. Ini berbeda untuk logam yang berbeda. Jadi, untuk tungsten sama dengan 7,2*10 -19 j. Jika energi elektron lebih kecil dari fungsi kerja, maka elektron tidak dapat meninggalkan logam. Banyak elektron bahkan dengan suhu kamar, yang energinya tidak lebih besar dari fungsi kerja. Setelah meninggalkan logam, mereka menjauh darinya dalam jarak dekat dan, di bawah pengaruh gaya tarik menarik ion, kembali ke logam, sebagai akibatnya terbentuk lapisan tipis elektron keluar dan kembali, yang berada dalam keseimbangan dinamis. , terbentuk di dekat permukaan. Akibat hilangnya elektron, permukaan logam menjadi bermuatan positif.

Agar sebuah elektron dapat meninggalkan logam, ia harus melakukan kerja melawan gaya tolak-menolak medan listrik lapisan elektron dan melawan gaya medan listrik permukaan logam yang bermuatan positif (Gbr. 85.a). Pada suhu kamar hampir tidak ada elektron yang dapat keluar dari lapisan ganda bermuatan.

Agar elektron dapat keluar dari lapisan ganda, elektron harus mempunyai energi yang jauh lebih besar daripada fungsi kerja. Untuk melakukan ini, energi diberikan kepada elektron dari luar, misalnya melalui pemanasan. Emisi elektron oleh benda yang dipanaskan disebut emisi termionik. Ini adalah salah satu bukti adanya elektron bebas dalam logam.

Fenomena emisi termionik dapat diamati dalam percobaan tersebut. Setelah mengisi elektrometer secara positif (dari batang kaca yang dialiri listrik), kami menghubungkannya dengan konduktor ke elektroda A dari lampu vakum demonstrasi (Gbr. 85, b). Elektrometer tidak mengeluarkan cairan. Setelah menutup rangkaian, kita memanaskan benang K. Kita melihat jarum elektrometer turun - elektrometer habis. Elektron yang dipancarkan oleh filamen panas tertarik ke elektroda A yang bermuatan positif dan menetralkan muatannya. Aliran elektron termionik dari filamen ke elektroda A di bawah pengaruh medan listrik membentuk arus listrik dalam ruang hampa.

Jika elektrometer bermuatan negatif, maka elektrometer tidak akan mengeluarkan muatan dalam percobaan tersebut. Elektron yang keluar dari filamen tidak lagi tertarik oleh elektroda A, tetapi sebaliknya, ditolak dan kembali ke filamen.

Mari kita merakit rangkaian listrik (Gbr. 86). Jika benang K tidak dipanaskan, rangkaian antara benang tersebut dan elektroda A terbuka - jarum galvanometer berada pada nol. Tidak ada arus di sirkuitnya. Dengan menutup kunci, kami memanaskan filamen. Arus mengalir melalui rangkaian galvanometer, ketika elektron termionik menutup rangkaian antara filamen dan elektroda A, sehingga membentuk arus listrik dalam ruang hampa. Arus listrik dalam ruang hampa adalah aliran elektron yang terarah di bawah pengaruh medan listrik. Kecepatan gerak terarah elektron yang membentuk arus dalam ruang hampa milyaran kali lebih besar daripada kecepatan gerak terarah elektron yang membentuk arus dalam logam. Dengan demikian, kecepatan aliran elektron pada anoda lampu penerima radio mencapai beberapa ribu kilometer per detik.