uabooks.top

1883-ban Thomas Edison amerikai feltaláló, miközben találmányának, az elektromos izzólámpának a működési idejét szerette volna meghosszabbítani, az izzó burájába, amelyből kiszivattyúzta a levegőt, elektródot vezetett. Az elektródot az áramforrás pozitív, az izzószálat pedig annak negatív pólusához kötve, Edison áram létrejöttét észlelte. Viszont amikor az elektródot az áramforrás negatív pólusához, az izzószálat a pozitív pólusához kötötte, áram nem jött létre. A következő paragrafusból megtudjátok, miért jött létre a vákuumban áram, és Edison izzója miért rendelkezett egyirányú vezetőképességgel.

Termikus elektronemisszió

Hogy megtudjuk, mi is az áram a vákuumban, elsőként megismerkedünk a vákuum fogalmával.

Vákuum (lat. vacuum - üresség) - olyan gázállapot, amelyben a nyomás jelentősen alacsonyabb a normális légköri nyomásnál.

Megkülönböztetünk elő-, közép- és nagyvákuumot. Ha a vákuumban elektromos áramról beszélünk, akkor nagyvákuumról van szó — a gáz olyan állapotáról, amelyben a molekulák (atomok) átlagos szabad úthossza jelentősen meghaladja a gázt tartalmazó edény lineáris méretét.

Ahhoz, hogy a vákuumban elektromos áram jöjjön létre, szabad töltéshordozók, például elektronok forrását kell elhelyezni benne. Az elektronok legnagyobb koncentrációja a fémekben van. Viszont nem tudják elhagyni a fémet, mivel visszatartja ókét a pozitív elektronok részéről ható Coulomb-féle erő. Ennek az erőnek a leküzdésére az elektronoknak bizonyos munkát kell végezniük.

Az elektronoknak a fém felszínének elhagyásához szükséges energiáját A_kil kilépési munkának nevezzük.

Ha az elektron E_k kinetikus energiája megegyezik a kilépési munkával vagy meghaladja azt, akkor elhagyja a fémet:

Az elektronok kilépési munkáját elektron-voltokban mérik (1 eV =1,6-Ю^-19 J), kísérletileg határozzák meg, és táblázatba foglalják (lásd az 1. függeléket).

Az elektronok kilépését a fémből elektronemissziónak nevezzük. Attól függően, milyen módon tett szert az elektron a szükséges energiára, többféle emissziót különböztetünk meg (lásd a bal oldali szövegoszlopot). Hogy a vákuumban elektromos áramot hozzanak létre, termikus elektronemissziót alkalmaznak, azaz olyan folyamatot, amikor az elektronok melegítés hatására hagyják el a fémet.

Mivel a felmelegített fém szünet nélkül termeli az elektronokat, a felszínét szabad elektronok felhője — elektronfelhő — veszi körül, amely negatív töltéssel rendelkezik. Ennek megfelelően a fém felszíne pozitív töltésű lesz (8.1. ábra). Az elektronfelhő és a fém felszíne között létrejött elektromos tér hatására az elektronok egy része visszatér. Egyensúlyi állapotban a fémet elhagyó elektronok száma megegyezik a visszatért elektronok számával. Eközben minél nagyobb a fém hőmérséklete, annál nagyobb az elektronfelhő sűrűsége.

Az elektronok viselkedése a molekulák víz feletti viselkedésére emlékeztet, az elektronfelhő pedig a vízfelszínen lévő telített gőzt juttatja eszünkbe.

Elektromos áram a vákuumban. Vákuumdióda

Már ismeretes számotokra, hogy az áram létezéséhez két feltételre van szükség: szabad töltéshordozókra és elektromos térre.

Az említett feltételek létrehozásához egy palackba két elektródot (katódot és anódot) helyeznek, majd kiszivattyúzzák belőle a levegőt. A katódot felmelegítik vékony, tűzálló fémből készült dróttal (izzószál), amelyet az áramforráshoz kapcsolnak. Ennek eredményeként a ka-tód felszínét elektronok hagyják el. Az emisszió növelése érdekében a katód felszínét alkáliföldfémekkel (bárium, stroncium, kálium) vonják be. A katódra negatív, az anódra pedig pozitív potenciált kapcsolnak. A katódot elhagyó elektronok az elektródok közötti elektromos térben irányítottan mozognak, miáltal elektromos áramot hoznak létre (8.2. ábra).

Az elektromos áram a vákuumban - az

elektronemisszió hatására létrejött szabad elektronok irányított mozgása.

A vákuumot tartalmazó üvegpalackból és a benne lévő két elektródból (anódból és fűtő katódból) álló eszközt vákuumdiódának (két-elektródos elektroncső) nevezzük (8.3. ábra). Ha a katódra pozitív, az anódra pedig negatív potenciált adnak (záróirányú kapcsolás), akkor a katódot elhagyó elektronok a tér hatására visszajutnak a katódra, és az áramkörben nem észlelhető elektromos áram. Tehát a vákuumdióda egyoldalú vezetőképességgel rendelkezik (8.4. ábra).

Thomas Edison miért nem talált magyarázatot 1883-ban arra, hogy az izzólámpájának a beleépített elektróddal egyirányú volt a ve-zetó'képessége?

A vákuumdióda egyoldalú vezetőképességét régebben a rádióelektronikában használták váltóáram pulzálóvá alakítására. Ha az anód és a katód közé váltóáramú áramforrást iktatnak, az első félperiódus idején a dióda átengedi az áramot, a második félperiódus alatt viszont az elektronok eltaszítódnak az anód-tól és a lámpában nem lesz áram (8.6. ábra). Tehát az áramkörben az áram változatlan irányú, de pulzáló lesz. Napjainkban lámpás (vákuumos) diódák helyett félvezető diódákat használnak (lásd a 9. §-t).

Elektronnyalábok: tulajdonságaik és alkalmazásuk

Ha az elektronlámpa anódjában létrehoznak egy rést, akkor az elektromos tér által felgyorsított elektronok egy része belerepül ebbe a résbe, és az anód mögött elektronnyalábot — gyorsan mozgó elektronáramlást — hoz létre.

Az elektronnyalábok tulajdonságai:

1) a testek felszínének ütközve annak felmelegedését okozzák;

2) az anyagban történő fékeződésükkor röntgensugárzást eredményeznek;

3) az egyes anyagokat (az úgynevezett luminoforokat) fénykibocsátásra kényszerítik;

4) az elektromos és mágneses tér eltéríti az elektronnyalábot.

Az első tulajdonságot nagy tisztaságú fémek vákuumban való olvasztására, fémek vákuumban történő hegesztésére, forrasztására és vágására használják. A második tulajdonságot a röntgencsövekben hasznosítják: az elektronnyaláb hirtelen lefékezésekor 2 ■ 10¹⁷ Hz frekvenciájú elektromágneses hullámok jönnek létre. A harmadik és negyedik tulajdonságot az elektronsugárcsövek-ben — irányított elektronnyalábot és speciális ernyőt tartalmaz, amely a becsapódás helyén felvillan — alkalmazzák (8.7. ábra). Az elekt-ronsugárcső hosszú ideig az oszcillográf — az elektromos áramkörökben végbemenő változó folyamatok vizsgálatára szolgáló eszköz - fő alkotóeleme volt.

Hegesztés a nyílt világűrben

1984. július 25-én Vlagyimir Dzsa-nibekov és Szvetlána Szavickaja szovjet űrhajósok kiléptek a nyílt világűrbe és három órán keresztül elsőkként végeztek kozmikus hegesztést nagyvákuumban.

A hegesztőkészüléket a J. 0. Pofonról elnevezett Elektromos Hegesztési Intézetben dolgozták ki és készítették el. A készülék alkalmas volt fém hegesztésére, forrasztására, vágására és hevítésére. A műveleteket az űrhajósok a kezükben tartott, 2,5 kg tömegű rövid fókusztávolságú elektronsugár ágyúval végezték.

8.7. ábra. Elektronnyaláb elektrosztatikus vezérlésével ellátott elektronsugárcső

Összegezés

Az elektromos áram a vákuumban az elektronemisszió hatására létrejött szabad elektronok irányított mozgása. A vákuumban az elektromos áram létrehozásához töltött részecskéket előállító eszközre van szükség, amelynek szerepét magas hőmérsékletre felmelegített fémvezetők töltik be.

Az elektronoknak a fém felszínének elhagyásához szükséges energiáját A_kil kilépési munkának nevezzük. Ha az elektron kinetikus energiája megegyezik a kilépési munkával vagy meghaladja azt, akkor elhagyja a fémet:

Az elektronok kilépését a fémből elektronemissziónak nevezzük.

• Termikus elektronemisszió - folyamat, amely során az elektronok melegítés hatására elhagyják a fémet. A termikus elektronemissziót széles körben alkalmazzák a vákuumos elektromos berendezésekben, például a vákuumlámpákban, elektronsugárcsövekben.

8. gyakorlat

1. Állítsatok fel megfelelést az elektronsugárcső vezérlő lemezeinek potenciálja és az ernyőre vetülő pont elhajlásának iránya között (1. ábra)!

2. Mekkora legkisebb sebesség mellett hagyja el az elektron a bárium-oxiddal bevont kátéd felszínét?

Az elektronsugárcsőben az elektronnyaláb 10 kV gyorsító potenciálkülönbségen halad át. Milyen az elektronok átlagsebessége? Kezdeti sebességüket tekintsétek nullának!

4. Az elektronsugárcsövek többségében az elektronnyaláb vezérlése mágnes segítségével történik. A 2. ábrán az elektronnyaláb balra tér el. Idézzétek fel a balkéz szabályt, és határozzátok meg, hogyan irányul a vezérlő mágneses tér, milyen tekercsek hozzák azt létre, és milyen az áram iránya ezekben a tekercsekben!

5. A modern tévékészülékek működése a folyékony kristályokon vagy fénydiódákon alapul, vastagságuk néhány centiméter, súlyuk pedig akkora, hogy mágnesek segítségével is falra rögzíthetők. Milyenek voltak az első generációs tévék? Derítsétek ki!

Fizika és technika Ukrajnában

Vagyim Jevhenovics Laskarjov (1903-1974) - neves szovjet-ukrán tudós, aki jelentős sikereket ért el a fizika és a félvezetők technikájának fejlesztésében. Laskarjov a tranzisztor egyik „szülőatyja". Manapság e nélkül az eszköz nélkül egyetlen elektronikus eszköz sem működne.

Vagyim Jevhenovics Kijevben született, tanulmányait a Kijevi Népfőiskolái Oktatási Intézetében végezte. Idővel A. F. Joffe akadémikus meghívására a Leningrádi Fizikai-Műszaki Intézet laboratóriumának vezetője lett. Kutatásai a kristályok elektronsűrűsége terén annyira jelentősek voltak, hogy a tudós 1935-ben doktori disszertáció megvédése nélkül kapta meg a fizika és matematika tudományok doktora címet.

1939-ben Laskarjov visszatért Kijevbe és munkásságát az Ukrán Tudományos Akadémia Fizikai Kutatóintézetében folytatta. 1941-ben a tudós kísérletileg felfedezte a réz-oxid p-n átmenetét. Laskarjov nem csupán felfedezte a p-n átmenetet és kutatta a szennyeződések hatását az átmenetre, hanem 1946-ban rátalált a kiegyensúlyozatlan áramhordozók bipoláris diffúziójára, 1948-ban pedig kidolgozta a félvezetők foto-elektromotoros erejének általános elméletét.

Laskarjov tudományos eredményeinek elismeréseként 1960-ban létrehozták az Ukrán Tudományos Akadémia Félvezetők Intézetét. 2002-től az intézet a tudós nevét viseli.

 

Fizika tankönyv 11. osztályosok szerzők Dovgy, Baryakhtar, Loktev