Для существования разряда необходима эмиссия электронов с катода.

Эмиссия электронов может быть обусловлена несколькими причинами.

Положительные ионы, образовавшиеся при столкновении свободных электронов с нейтральными атомами, при своем движении к катоду приобретают под действием поля большую кинетическую энергию. При ударах таких быстрых ионов с поверхности катода выбиваются электроны.

Кроме того катод может испускать электроны при нагревании до высокой температуры (термоэлектронная эмиссия) При самостоятельном разряде нагрев катода может происходить за счет бомбардировки его положительными ионами.

ДОБАВИТЬ ГРАФИК ТОКА В ГАЗЕ В ЗАВИСИМОСТИ ОТ НАПРЯЖЕНИЯ

В зависимости от свойств и состояния газа, а также от характера и расположения электродов и приложенного к ним напряжения возникают различные виды самостоятельного разряда в газах:

- тлеющий

- дуговой

- коронный

- искровой

Тлеющий разряд

Образуется при низком давлении газа, что объясняется повышением проводимости газа при разрежении (увеличивается путь свободного пробега).

Для возбуждения тлеющего разряда достаточно напряжения в несколько сотен вольт.

При тлеющем разряде почти вся трубка, за исключением небольшого участка возле катода, заполнена однородным свечением, называемым положительным столбом.

Тлеющий разряд применяется в трубках для свечения реклам. Красное свечение возник при наполнении трубки неоном, Синевато–зеленоватый - при аргоне.

В лампах дневного света используется разряд в парах ртути.

В прожекторах – в парах галогенных газов.

Дуговой разряд

При соприкосновении двух угольных стержней в месте их контакта из-за большого сопротивления выделяется большое количество теплоты. Температура повышается настолько, что начинается термоэлектронная эмиссия. Вследствие этого при раздвижении угольных электродов между ними начинается разряд. Между углями возникает столб ярко светящегося газа – электрическая дуга.

Проводимость газа в этом случае значительна и при атмосферном давлении, т.к. число электронов, испускаемых отрицательным электродом, очень велико.

Сила тока в небольшой дуге достигает нескольких ампер, а в больших дугах – нескольких сотен ампер при напряжении порядка 50В.

Электрическая дуга может возникать не только между угольными, но и между металлическими электродами.

Если увеличивать силу тока при тлеющем разряде, то температура катода за счет бомбардировки ионами увеличится настолько, что начнется дуговой разряд. Таким образом, для возникновения дугового разряда не обязательно предварительное сближение электродов.

Дуговой разряд - мощный источник света, его используют в прожекторах, проекционных аппаратах и киноаппаратах.

Коронный разряд

При атмосферном давлении вблизи заостренных участков проводника, несущего большой электрический заряд, наблюдается газовый разряд, светящаяся часть которого напоминает корону. Он вызывается высокой напряженностью электрического поля вблизи заряженного острия. При такой большой напряженности поля ионизация посредством электронного удара происходит при атмосферном давлении.

По мере удаления от поверхности проводника напряженность быстр убывает. Поэтому ионизация и связанное с ней свечение газа наблюдаются в ограниченной области пространства.

Искровой разряд

При большом напряжении между электродами в воздухе возник искровой разряд, имеющий вид пучка ярких зигзагообразных полосок, разветвляющихся от тонкого канала. Этот вид разряда возникает тогда, когда мощность источника тока недостаточна для поддержания дугового или тлеющего разряда.

Пример гигантского искрового разряда – молния, возникающая между облаками или облаком и землей. Сила тока в молнии достигает 500 000 А, разность потенциалов между облаком и землей – 1млрд.В.

ЗАКОН ОМА ДЛЯ ТОКА В ГАЗЕ

СХЕМА ГАЗОРАЗРЯДНОЙ ЛАМПЫ

Люминесцентная лампа

При включении лампы ток течет по цепи через дроссель, стартер и нити накаливания.

Нити накаливания разогреваются, нагревая газ (пары ртути) внутри лампы.

Одновременно протекающим через него током разогревается биметаллический контакт внутри стартера.

При нагревании до определенной температуры биметаллический контакт стартера изгибается и размыкается.

Маленький конденсатор, включенный параллельно контакту стартера, защищает его от возникновения искры и обгорания в момент размыкания.

В момент размыкания контакта стартера в цепи возникает сильный импульс напряжения благодаря наличию в цепи дросселя – катушки на металлическом сердечнике с большой индуктивностью.

Импульс напряжения вызывает в разогретом газе тлеющий разряд. Сопротивление газового промежутка резко падает, через него начинает течь ток. Лампа светиться.

Далее разряд поддерживается благодаря протекающему через него току.

При горении лампы сопротивление катушки дросселя ограничивает ток в цепи.

Люминофор на колбе лампы придает свету определенный цвет и равномерность свечения.

ТОК В ВАКУУМЕ. ТЕРМОЭЛЕКТРОННАЯ ЭМИССИЯ

Вакуум - это такое состояние газа в сосуде, при котором молекулы пролетают от одной стенки сосуда к другой, ни разу не испытав соударений друг с другом.

Вакуум-изолятор, ток в нем может возникнуть только за счет искусственного введения заряженных частиц

В вакууме нет носителей свободного заряда, поэтому без внешнего влияния ток в вакууме отсутствует.

Для этого используют эмиссию (испускание) электронов веществами.

В вакуумных лампах с нагреваемыми катодами происходит термоэлектронная эмиссия, а в фотодиоде - фотоэлектронная.

Объясним, почему нет самопроизвольного испускания свободных электронов металлом. Существование таких электронов в металле – следствие тесного соседства атомов в кристалле. Однако свободны эти электроны только в том смысле, что они не принадлежат конкретным атомам, но остаются принадлежащими кристаллу в целом. Некоторые из свободных электронов, оказавшись в результате хаотического движения у поверхности металла, вылетают за его пределы.

Микро участок поверхности металла, который до этого был электрически нейтральным, приобретает положительный некомпенсированный заряд, под влиянием которого вылетевшие электроны возвращаются в металл.

Процессы вылета – возврата происходят непрерывно, в результате чего над поверхностью металла образуется сменное электронное облако, и поверхность металла образуют двойной электрический слой, против удерживающих сил которого должна быть совершена работа выхода.

Если эмиссия электронов происходит, значит, некоторые внешние воздействия (нагрев, освещение, облучение) совершили такую работу.

Термоэлектронная эмиссия - свойство тел, нагретых до высокой температуры, испускать электроны.

Для изготовления катодов используют вещества, у которых термоэлектронная эмиссия начинается при температурах, при которых испарение самого вещества еще не происходит.

Электровакуумный диод

Простейшим прибором, использующим термоэлектронную эмиссию, является электровакуумный диод.

Внутри баллона из стекла или металлокерамики, из которого откачан воздух, размещены два электрода: анод и катод.

Анод представляет собой круглый или овальный цилиндр, имеющий общую ось с катодом.

Катод имеет вид вертикального металлического цилиндра, покрываемого обычно слоем оксидов щелочноземельных металлов с низкой работой выхода электронов – бария, стронция, кальция. Такой катод называется оксидным.

При нагревании поверхность такого катода выделяет гораздо больше электронов, чем катода из чистого металла.

Внутри катода расположен изолированный проводник – нить накала, нагреваемый внешним переменным током.

Нагретый катод испускает электроны, достигающие анода, если он имеет более высокий потенциал, чем катод.

Вокруг катода при его нагревании создается электронное облако.

Если подключить катод к положительному выводу батареи, а анод – к отрицательному, то поле внутри диода будет смещать электроны к катоду, и тока не будет. Если же подключить наоборот – анод к плюсу, а катод к минусу – то электрическое поле будет перемещать электроны по направлению к аноду.

Этим объясняется свойство односторонней проводимости диода.

Основная причина нелинейности вольт-амперной характеристики вакуумного диода в том, что свободные электроны, образующие ток, испускаются одним из электродов в ограниченном количестве. Кроме того, на движение электронов наряду с полем существенное влияние оказывает поле пространственного заряда электронного облака у катода.

Чем выше напряжение между анодом и катодом, тем меньше пространственный заряд электронного облака и тем большее количество электронов достигает анода, тем больше сила тока в цепи.

Если катод не покрыт оксидным слоем, то при достаточно большом напряжении все электроны, покинувшие катод, достигают анода и при дальнейшем увеличении напряжения сила тока уже не меняется. Ток достигает насыщения.

Если повысить температуру катода, то катод будет покидать большее количество электронов. Электронное облако вокруг катода станет более плотным. Ток насыщения будет достигнут при большем напряжении между анодом и катодом, а сила тока насыщения возрастает.

В электронной лампе с оксидным катодом достигнуть тока насыщения нельзя. Это требует столь высокого напряжения, при котором катод разрушается.

Электровакуумный триод

Потоком движущихся от катода к аноду электронов можно управлять с помощью электромагнитного поля. Для этого диод модифицируется, и между анодом и катодом добавляется сетка.

Получившийся прибор называется триодом.

Если на сетку подать отрицательный потенциал, то поле между сеткой и катодом будет препятствовать движению электрона. Если подать положительный – то поле будет препятствовать движению электронов.

Электронно-лучевая трубка

Представляет собой длинную стеклянную колбу, в которой создан высокий вакуум (10-6-10-7 мм рт. ст.). Внутри баллона имеется система электродов, позволяющая получать очень тонки и очень длинный пучок электронов. Эту совокупность электродов называют электронной пушкой (прожектором)

Катод- источник быстрых электронов представляет собой узкий цилиндр, внутри которого находится нагреватель. Снаружи катод покрыт специальным оксидным веществом с малой работой выхода электронов. Электроны испускаются с торца разогретого цилиндра.

Управляющий электрод предназначен для регулировки интенсивности электронного пучка. Он имеет цилиндрическую форму и окружает катод. Через отверстие в основании этого цилиндра пролетают электроны, испускаемые катодом. На управляющий электрод попадает небольшой отрицательный потенциал. Изменяя потенциал управляющего электрода можно изменять яркость пятна на экране.

Напротив катода расположены Аноды в форме пустотелого цилиндра, к которому электронный пучок попадает, пройдя через фокусирующий цилиндр, содержащий диафрагму с узким отверстием.

Форма, расположение и потенциалы анодов выбраны так, чтобы наряду с ускорением электронов осуществлялась и фокусировка электронного пучка, т.е. уменьшение площади его поперечного сечения на экране почти до точки.

Между катодом и анодом поддерживается напряжение несколько киловольт,

необходимое для разгона пучка электронов.

Ускоренные электрическим полем электроны вылетают из отверстия диафрагмы и летят к экрану, изготовленного из вещества, светящегося под действием ударов электронов.

Для управления электронным лучом служат две пары управляющих металлических пластин, одна из которых расположена вертикально, а другая горизонтально.

Если левая из пластин имеет отрицательный потенциал, а правая – положительный, то луч отклонится вправо, а если полярность пластин изменить, то луч отклонится влево.

Если же на эти пластины подать переменное напряжение, то луч будет совершать колебания в горизонтальной плоскости.

Аналогично будет колебаться луч в вертикальной плоскости, если переменное напряжение на вертикально отклоняющие пластины.

СОПРОТИВЛЕНИЕ ПРОВОДНИКОВ

Для каждого проводника существует определенная зависимость силы тока от приложенной разности потенциалов на концах проводника. Эту зависимость выражает так называемая вольт-амперная характеристика проводника.

Ее находят, измеряя силу тока в проводнике при различных значениях напряжения.

Основная электрическая характеристика проводника — сопротивление. От этой величины зависит сила тока в проводнике при заданном напряжении.

Сопротивление проводника представляет собой меру противодействия проводника установлению в нем электрического тока.

Наличие сопротивления объясняется хаотическим тепловым движением молекул проводника, препятствующих направленному движению носителей заряда, образующему электрический ток в проводнике.

Пусть к проводнику длиной l и поперечным сечением S приложено напряжение U.

Под действием электрического поля напряженностью E = U/l электроны, являющиеся носителями электрического тока, приобретают постоянное ускорение в направлении противоположном напряженности поля:

a = =  =

Из-за столкновений с атомами и молекулами электроны под действием электрического поля движутся по сложной не прямолинейной траектории. За промежуток времени τе между столкновениями электрон, движущийся равноускоренно, приобретает направленную скорость:

v = a τе =  τе

Сила тока через поперечное сечение проводника (учитывая, что q0 = e):

I = q0nSv = enSv = enS  τе = U

Сила тока в однородном проводнике прямо пропорциональна приложенному напряжению.

Коэффициент пропорциональности между силой тока и напряжением обозначают:

g =  и называют проводимостью

Единица измерения – См (Сименс) или Мо(обратный Ом)

Электрическое сопротивление проводника:

R = =

Единица измерения – Ом = В/А

Наиболее простой вид имеет вольт-амперная характеристика металлических проводников и растворов электролитов. Впервые для металлов ее установил немецкий ученый Георг Ом. (См.ниже «Закон Ома для участка цепи»)

С помощью закона Ома можно определить сопротивление проводника по силе тока при известном напряжении:

R =

Проводник имеет сопротивление 1 Ом, если при напряжении в 1 В сила тока в нем 1 А.

Сопротивление зависит от материала проводника и его геометрических размеров.

Сопротивление проводника длиной l с постоянной площадью поперечного сечения S:

R = ρ

где ρ =  — удельное сопротивление проводника - величина, зависящая от рода вещества и его состояния (от тем­пературы в первую очередь)

Единица измерения – Ом*м

Удельное сопротивление – скалярная физическая величина, численно равная сопротивлению однородного цилиндрического проводника единичной длины и единичной площади сечения (при направлении тока перпендикулярно его сечению)

Удельное сопротивление численно равно сопротивлению проводника, имеющего форму куба с ребром 1 м, если ток направлен вдоль нормали к двум противоположным граням куба.

При нагревании удельное сопротивление металлов увеличивается по линейному закону:

ρ = ρ0 (1+ α DT)

ρ0 – удельное сопротивление при T0 = 293оК, DT = T - T0;

a – температурный коэффициент сопротивления, особый для каждого металла

Единица измерения – 1/К = К-1

Коэффициент a называют температурным коэффициентом сопротивления.

Он характеризует зависимость сопротивления вещества от температуры.

Температурный коэффициент сопротивления численно равен относительному изменению сопротивления проводника при его нагревании на 1К.

Страницы: 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10, 11, 12, 13, 14, 15, 16, 17, 18, 19, 20, 21, 22, 23, 24, 25, 26, 27, 28, 29, 30, 31, 32, 33, 34, 35, 36, 37, 38, 39, 40, 41, 42, 43, 44, 45, 46, 47, 48, 49, 50, 51, 52, 53, 54, 55, 56, 57, 58, 59, 60, 61, 62, 63, 64