真空条件: 真空中の電流。 真空中の電流とは何ですか?

電流は電荷の規則正しい動きです。 それは、例えば、帯電した物体と帯電していない物体を接続する導体で得ることができる。 ただし、この電流は、これらの物体間の電位差がゼロになるとすぐに止まります。 充電されたコンデンサのプレートを接続する導体にも規則的な電流が存在します。 この場合、電流はコンデンサのプレートにある電荷の中和を伴い、コンデンサのプレートの電位差がゼロになるまで続きます。

これらの例は、導体の両端に異なる電位がある場合、つまり導体内に電界がある場合にのみ、導体中の電流が発生することを示しています。

しかし、検討した例では、電荷が移動する過程で物体の電位がすぐに等しくなり、導体の電場が消えるため、電流は長く持続することはできません。

したがって、電流を得るには、導体の両端で異なる電位を維持する必要があります。 これを行うには、ある物体から別の物体に、別の導体を介して電荷を転送し、閉回路を形成します。 しかし、同じ電場の力の影響下では、第 2 の本体の電位が第 1 の本体の電位よりも低いため、そのような電荷の移動は不可能です。 したがって、伝達は非電気的な力によってのみ可能です。 このような力の存在は、回路に含まれる電流源によって提供されます。

電流源に作用する力は、電位の低い物体から電位の高い物体に電荷を移動させ、同時に働きます。 したがって、エネルギーがなければなりません。

電流源はガルバニ電池、バッテリー、発電機などです。

したがって、電流が発生する主な条件は、電流源と閉回路の存在です。

回路内の電流の通過には、容易に観察できるさまざまな現象が伴います。 たとえば、一部の液体では、電流が流れると、液体に浸された電極上で物質の放出が観察されます。 ガス中の電流は、ガスの輝きなどを伴うことがよくあります。ガスや真空中の電流は、フランスの優れた物理学者で数学者のアンドレ マリー アンペールによって研究され、彼のおかげで、私たちはそのような現象の性質を知ることができました。

ご存知のとおり、真空は最良の断熱材、つまり空気が排出される空間です。

しかし、真空中で電流を得ることは可能であり、そのためには真空中に電荷キャリアを導入する必要がある。

空気が抜かれた容器を考えてみましょう。 2 つの金属板、つまり 2 つの電極がこの容器にはんだ付けされています。 そのうちの1つA（アノード）を正の電流源に接続し、もう1つのK（カソード）を負の電流源に接続します。 間の電圧は80～100Vを印加するのに十分です。

高感度のミリ電流計を回路に接続しましょう。 デバイスには電流が表示されません。 これは真空中には電流が存在しないことを示しています。

経験を変えてみましょう。 陰極として、端を出した状態でワイヤー、つまり糸を容器にはんだ付けします。 このフィラメントは引き続きカソードになります。 別の電流源を使用して、それを加熱します。 フィラメントが加熱されるとすぐに、回路に接続されたデバイスが真空中で電流を示し、その電流が大きくなるほどフィラメントが加熱されることがわかります。 これは、糸が加熱されると、真空中に荷電粒子が確実に存在し、荷電粒子の発生源となることを意味します。

これらの粒子はどのように帯電しているのでしょうか? 経験がこの質問に対する答えを提供します。 容器にはんだ付けされた電極の極を変更しましょう - 糸を陽極、反対の極を陰極にします。 フィラメントが加熱されて荷電粒子が真空中に送られますが、電流は流れません。

電極 A が負に帯電すると電極 A から反発するため、これらの粒子は負に帯電することになります。

これらの粒子は何ですか?

電子理論によれば、金属中の自由電子はカオス的な運動をしています。 フィラメントが加熱されると、この動きは激しくなります。 同時に、外に出るのに十分なエネルギーを獲得した一部の電子がスレッドから飛び出し、スレッドの周囲に「電子雲」を形成します。 フィラメントとアノードの間に電場が形成されると、電池の正極に接続されている場合は電子が電極 A に飛び、負極に接続されている場合はフィラメントに反発されます。電子と同じ電荷です。

したがって、真空中の電流は電子の方向性のある流れです。

このレッスンでは、引き続き電流の流れを学習します。 さまざまな環境、具体的には真空中で。 自由電荷の形成メカニズムを検討し、真空中の電流の原理で動作する主な技術デバイスであるダイオードと陰極線管を検討します。 電子線の基本的な性質も示します。

実験の結果は次のように説明されています。加熱の結果、蒸発中の水分子の放出と同様に、金属はその原子構造から電子を放出し始めます。 加熱された金属は電子雲に囲まれます。 この現象は熱電子放出と呼ばれます。

米。 2. エジソンの実験のスキーム

電子線の性質

技術的に非常に 重要いわゆる電子ビームを使用します。

意味。電子ビームは、長さが幅よりもはるかに長い電子の流れです。 入手は非常に簡単です。 電流が流れる真空管を用意し、陽極に穴を開け、そこに加速された電子を送り込む（いわゆる電子銃）だけで十分です（図3）。

米。 3. 電子銃

電子ビームにはいくつかの重要な特性があります。

高い運動エネルギーの結果、衝撃を受ける物質に熱影響を与えます。 この性質は電子溶接に利用されます。 電子溶接は、半導体の溶接など、材料の純度を維持することが重要な場合に必要です。

  • 電子線は金属に衝突すると速度が低下し、医療や技術で使用されるX線を放出します（図4）。

米。 4. X線を使用して撮影された写真（）

  • 電子ビームが蛍光体と呼ばれる特定の物質に当たると発光が発生し、もちろん肉眼では見えないビームの動きを監視するためのスクリーンを作成できるようになります。
  • 電場と磁場を使用してビームの動きを制御する能力。

熱電子放出が達成できる温度は、金属構造が破壊される温度を超えることはできないことに注意してください。

最初、エジソンは真空中で電流を生成するために次の設計を使用しました。 回路に接続された導体が真空管の一方の側に配置され、正に帯電した電極がもう一方の側に配置されました (図 5 を参照)。

米。 5

導体に電流が流れると、導体が加熱し始め、電子が放出され、正極に引き寄せられます。 最終的には、電子の指向性のある運動が発生し、実際にはそれが電流になります。 ただし、このようにして放出される電子の数は少なすぎるため、使用するには電流が少なすぎます。 この問題は、別の電極を追加することで解決できます。 このような負電位の電極を間接フィラメント電極と呼ぶ。 これを使用すると、移動する電子の数が数倍に増加します（図6）。

米。 6. 間接フィラメント電極の使用

真空中の電流の伝導率は金属、つまり電子の伝導率と同じであることは注目に値します。 これらの自由電子の出現メカニズムはまったく異なりますが。

熱電子放出の現象に基づいて、真空ダイオードと呼ばれるデバイスが作成されました（図7）。

米。 7. 電気回路図上の真空ダイオードの指定

真空ダイオード

真空ダイオードを詳しく見てみましょう。 ダイオードには、フィラメントとアノードを備えたダイオードと、フィラメント、アノード、カソードを備えたダイオードの 2 種類があります。 1 つ目は直接フィラメント ダイオードと呼ばれ、2 つ目は間接フィラメント ダイオードと呼ばれます。 技術的には、第 1 タイプと第 2 タイプの両方が使用されますが、直接フィラメント ダイオードには、加熱するとフィラメントの抵抗が変化し、ダイオードを流れる電流も変化するという欠点があります。 また、ダイオードを使用する一部の操作では完全に定電流が必要なため、2 番目のタイプのダイオードを使用することをお勧めします。

どちらの場合も、効果的な放出のためのフィラメント温度は以下に等しくなければなりません。 .

ダイオードは交流を整流するために使用されます。 ダイオードが工業用電流の変換に使用される場合、それはケノトロンと呼ばれます。

電子放出素子に近い電極を陰極（）、もう一方を陽極（）と呼びます。 正しく接続されている場合、電圧が増加すると電流も増加します。 逆に接続すると電流は全く流れません（図8）。 このように、真空ダイオードは、オンに戻すと最小限ではあるものの電流が存在する半導体ダイオードと比べて優れています。 この特性により、真空ダイオードは交流を整流するために使用されます。

米。 8. 真空ダイオードの電流電圧特性

真空中の電流の流れのプロセスに基づいて作成されたもう 1 つのデバイスは、三極管です (図 9)。 その設計は、グリッドと呼ばれる 3 番目の電極が存在する点でダイオードの設計とは異なります。 オシロスコープや真空管テレビなどのデバイスの大部分を構成する陰極線管などのデバイスも、真空中の電流の原理に基づいています。

米。 9. 真空三極管回路

ブラウン管

前述したように、真空中の電流伝播の性質に基づいて、陰極線管のような重要なデバイスが設計されました。 それは電子ビームの特性に基づいて研究を行っています。 この装置の構造を見てみましょう。 陰極線管は、拡張部を備えた真空フラスコ、電子銃、2 つの陰極、および 2 つの相互に直交する電極対で構成されています (図 10)。

米。 10. 陰極線管の構造

動作原理は次のとおりです。熱電子放出により銃から放出された電子は、陽極の正の電位により加速されます。 次に、制御電極ペアに所望の電圧を印加することにより、電子ビームを水平方向および垂直方向に希望通りに偏向することができます。 その後、指向性ビームが蛍光体スクリーン上に落ち、その上でビーム軌道の画像を見ることができます。

陰極線管は、電気信号を研究するために設計されたオシロスコープ (図 11) と呼ばれる機器やブラウン管テレビで使用されますが、電子ビームが磁場によって制御される点が唯一の例外です。

米。 11. オシロスコープ ()

次のレッスンでは、液体中の電流の流れを見ていきます。

参考文献

  1. Tikhomirova S.A.、Yavorsky B.M. 物理学 ( 基本的なレベルの) - M.: ムネモシュネ、2012 年。
  2. Gendenshtein L.E.、Dick Yu.I. 物理10年生。 - M.: イレクサ、2005 年。
  3. ミャキシェフ G.Ya.、シンヤコフ A.Z.、スロボツコフ B.A. 物理。 電気力学。 - M.: 2010年。
  1. Physics.kgsu.ru ()。
  2. Cathedral.narod.ru ()。

宿題

  1. 電子放出とは何ですか?
  2. 電子線を制御するにはどのような方法があるのでしょうか?
  3. 半導体の導電率は温度にどのように依存しますか?
  4. 間接フィラメント電極は何に使用されますか?
  5. *真空ダイオードの主な特性は何ですか? 何が原因でしょうか?

電流は金属中だけでなく、ラジオ管やブラウン管などの真空中でも発生します。 真空中の電流の性質を調べてみましょう。

金属には、ランダムに移動する自由電子が多数含まれています。 電子が金属の表面に近づくと、陽イオン側から内部に向かう引力が金属表面に作用し、電子が金属から離れるのを防ぎます。 真空中で金属から電子を取り除くために行わなければならない仕事はと呼ばれます 仕事関数。金属ごとに異なります。 したがって、タングステンの場合は次と等しくなります。 7.2*10 -19 ｊ．電子のエネルギーが仕事関数より小さい場合、電子は金属から離れることができません。 室温であっても、そのエネルギーが仕事関数よりもそれほど大きくない電子が多数存在します。 金属から離れると、それらは金属から少し離れ、イオンの引力の影響を受けて金属に戻り、その結果、動的平衡状態にある出て行く電子と戻ってくる電子の薄い層が形成されます。 、表面近くに形成されます。 電子の損失により、金属表面はプラスに帯電します。

電子が金属から離れるためには、電子層の電場の反発力と、金属の正に帯電した表面の電場の力に逆らって働かなければなりません(図85.a)。 室温では、荷電二重層を越えて逃げる電子はほとんどありません。

電子が二重層を超えて逃げるためには、電子が仕事関数よりもはるかに大きなエネルギーを持っていなければなりません。 これを行うには、加熱などによって外部から電子にエネルギーが与えられます。 加熱された物体による電子の放出は、熱電子放出と呼ばれます。これは金属内に自由電子が存在することの証拠の 1 つです。

このような実験では、熱電子放出の現象を観察できます。 電位計を（帯電したガラス棒から）プラスに帯電させたら、導体を使ってデモンストレーション用真空ランプの電極 A に接続します（図 85、b）。 エレクトロメーターが放電しない。 回路を閉じたら、スレッド K を加熱します。電位計の針が落ちるのがわかります - 電位計が放電されます。 熱いフィラメントによって放出された電子は、正に帯電した電極 A に引き寄せられ、その電荷を中和します。 電場の影響下でのフィラメントから電極 A への熱電子の流れにより、真空中に電流が形成されます。

電位計がマイナスに帯電している場合、このような実験では放電しません。 フィラメントから逃げた電子は電極 A に引き寄せられなくなり、逆に電極 A から反発されてフィラメントに戻ります。

電気回路を組み立ててみましょう（図86）。 糸 K が加熱されていない場合、糸 K と電極 A の間の回路は開き、検流計の針はゼロになります。 その回路には電流が流れません。 キーを閉じると、フィラメントが加熱されます。 熱電子がフィラメントと電極 A の間の回路を閉じると、検流計回路に電流が流れ、真空中に電流が形成されます。 真空中の電流は、電場の影響下で電子が流れる方向に流れます。真空中で電流を形成する電子の方向運動の速度は、金属中で電流を形成する電子の方向運動の速度よりも数十億倍大きい。 したがって、ラジオ受信機ランプの陽極における電子の流れの速度は、毎秒数千キロメートルに達します。

これは短い要約です。

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講義20

真空中の電流

1. 真空に関する注意事項

真空には電流が流れないので、 熱力学的真空では粒子は存在しません。

ただし、実際に達成される最高の真空度は次のとおりです。

,

それらの。 膨大な数の粒子。

しかし、彼らが真空中の電流について話すとき、それは熱力学的意味での理想的な真空を意味します。 粒子が完全に存在しないこと。 何らかの源から得られた粒子が電流の流れの原因となります。

2. 仕事関数

知られているように、金属中には結晶格子への引力によって保持される電子ガスが存在します。 通常の状態では、電子のエネルギーは高くないため、結晶内に保持されます。

古典的な位置から電子ガスにアプローチすると、つまり、 マクスウェル・ボルツマン分布に従うと仮定すると、平均よりも速い速度を持つ粒子が大部分を占めていることが明らかです。 その結果、これらの粒子は結晶から脱出し、結晶の近くに電子雲を形成するのに十分なエネルギーを持っています。

金属表面はプラスに帯電します。 二重層が形成され、表面からの電子の除去が妨げられます。 したがって、電子を除去するには、電子に追加のエネルギーを与える必要があります。

意味： 金属からの電子の仕事関数 電子を金属の表面からゼロの状態で無限に取り除くために電子に与えなければならないエネルギーですE k.

仕事関数は金属ごとに異なります。

金属

仕事関数、eV

1,81

3. 電子放出。

通常の状態では、電子のエネルギーは非常に低く、導体の内部に束縛されています。 電子に追加のエネルギーを与える方法があります。 外部からの影響によって電子が放出される現象は電子放出と呼ばれ、1887年にエジソンによって発見されました。 エネルギー伝達の方法に応じて、排出は 4 種類に区別されます。

1. 熱電子放出 (TEE)、方法 - 熱供給 (加熱)。

2. 光電子放出 (PEE)、方法 - 照明。

3. 二次電子放出 (SEE)、方法 - 粒子衝撃。

4. 電界電子放出 (FEE)、方法 – 強電界。

4. 自動車電子放出

強い電場にさらされると、金属の表面から電子が放出されることがあります。

この電圧値は電子を引き出すのに十分です。

この現象はコールドエミッションと呼ばれます。 場が十分に強い場合、電子の数が大きくなり、その結果、電流が大きくなる可能性があります。 ジュール・レンツの法則によれば、大量の熱が放出され、AEE が TEE に変化する可能性があります。

5. 光電子放出 (PEE)

光電効果の現象は古くから知られています。「光学」を参照してください。

6. 二次電子放出 (SEE)

この現象は光電子増倍装置 (PMT) で使用されます。

動作中、雪崩のような電子数の増加が発生します。 微弱な光信号を記録するために使用されます。

7. 真空ダイオード。

TEEを研究するには、真空ダイオードと呼ばれるデバイスが使用されます。 ほとんどの場合、ガラス真空フラスコ内に配置された 2 つの同軸シリンダーで構成されます。

カソードは電流によって直接または間接的に加熱されます。 直流の場合、電流は陰極自体を通過しますが、間接電流の場合、陰極の内側に追加の導体、つまりフィラメントが配置されます。 かなりの高温まで加熱されるため、陰極は複雑になります。 ベースは高融点材料（タングステン）、コーティングは仕事関数の低い材料（セシウム）です。

ダイオードは非線形要素に属します。 オームの法則に従いません。 ダイオードは一方向の導電性を持つ素子だそうです。 ダイオードの電流電圧特性のほとんどは、ボグスラフスキー・ラングミュアの法則または「3/2」の法則によって記述されます。

フィラメント温度が上昇すると、電流電圧特性が上方にシフトし、飽和電流が増加します。 飽和電流密度の温度依存性は、リチャードソン・デシュマンの法則によって説明されます。

量子統計手法を使用すると、次のようにしてこの式を取得できます。定数= Bすべての金属についても同様です。 実験によると、定数は 異なっています。

8. 半波整流器


9. フルウェーブ整流器（あなた自身）。

10. ランプの応用。

ランプの利点は次のとおりです。

· 電子の流れの制御が容易になり、

· ハイパワー、

· ほぼ直線的な電流-電圧特性の大部分。

· 真空管は強力なアンプに使用されます。

短所としては次のようなものがあります。

・効率が低い、

· エネルギー消費量が多い。

真空中の電流

真空とは、圧力が大気圧より低い気体の状態です。 低真空、中真空、高真空があります。

高真空、つまり残留ガス中の分子の平均自由行程が容器のサイズまたは容器内の電極間の距離よりも大きい真空を作り出すために必要な希薄化。 したがって、容器内を真空にすると、その中の分子はほとんど衝突せず、電極間を自由に飛び回ります。 この場合、衝突は電極または容器の壁とのみ発生します。

真空中に電流が存在するためには、真空中に自由電子源を置く必要があります。 金属の自由電子の最高濃度。 しかし、室温では、陽イオンのクーロン引力によって金属内に保持されるため、金属から離れることはできません。 これらの力に勝つには、電子が金属表面から離れるために仕事関数と呼ばれる特定のエネルギーを消費する必要があります。

電子の運動エネルギーが仕事関数を超えるか等しい場合、電子は金属の表面を離れて自由になります。

金属の表面から電子を放出するプロセスを放出と呼びます。 電子に必要なエネルギーがどのように伝達されるかに応じて、いくつかの種類の発光が区別されます。 その一つが熱電子放出です。

Ø 加熱された物体による電子の放出は、熱電子放出と呼ばれます。

熱電子放出現象により、加熱された金属電極から電子が連続的に放出されます。 電子は電極の周囲に電子雲を形成します。 この場合、電極は正に帯電し、帯電した雲の電場の影響を受けて、雲からの電子の一部が電極に戻されます。

平衡状態では、1 秒あたりに電極から出ていく電子の数は、この間に電極に戻る電子の数と等しくなります。

2. 真空中の電流

電流が存在するには、自由荷電粒子の存在と電場の存在という 2 つの条件が満たされなければなりません。 これらの条件を作り出すには、2 つの電極 (陰極と陽極) をシリンダー内に配置し、シリンダーから空気をポンプで送り出します。 陰極を加熱すると、陰極から電子が飛び出します。 負の電位がカソードに印加され、正の電位がアノードに印加される。

真空中の電流は、熱電子放出による電子の指向性運動です。

3. 真空ダイオード

最新の真空ダイオードはガラスまたは金属セラミックのシリンダーで構成されており、そこから空気が 10 ～ 7 mm Hg の圧力まで排気されます。 美術。 2 つの電極がシリンダーにはんだ付けされており、そのうちの 1 つ (陰極) はタングステン製の垂直金属シリンダーの形状をしており、通常はアルカリ土類金属酸化物の層でコーティングされています。

カソードの内側には絶縁された導体があり、交流によって加熱されます。 加熱された陰極は電子を放出し、その電子が陽極に到達します。 ランプの陽極は、陰極と共通の軸を有する円形または楕円形の円柱です。

真空ダイオードの一方向伝導性は、加熱により電子が熱陰極から飛び出て冷陽極に移動するという事実によるものです。 電子はダイオードを通ってカソードからアノードにのみ流れることができます（つまり、電流は逆方向、つまりアノードからカソードにのみ流れることができます）。

この図は、真空ダイオードの電流-電圧特性を示しています (負の電圧値は、カソード電位がアノード電位よりも高い場合、つまり、電界が電子をカソードに戻そうとする場合に対応します)。

真空ダイオードは交流を整流するために使用されます。 カソードとアノードの間に別の電極（グリッド）を配置すると、グリッドとカソード間の電圧がわずかに変化しただけでも、アノード電流に大きな影響を与えます。 このような電子管（三極管）を使用すると、弱い電気信号を増幅できます。 したがって、しばらくの間、これらのランプが主要な要素でした 電子デバイス.

4.ブラウン管

真空中の電流はブラウン管 (CRT) で使用されており、長い間、ブラウン管なしではテレビやオシロスコープを想像することは不可能でした。

この図は、CRT の簡略化された設計を示しています。

管のネックにある電子「銃」は陰極であり、強力な電子ビームを放射します。 穴のあるシリンダーの特別なシステム (1) がこのビームを集束させ、ビームを狭くします。 電子がスクリーン (4) に当たると、輝き始めます。 電子の流れは、垂直 (2) または水平 (3) プレートを使用して制御できます。

真空中ではかなりのエネルギーが電子に伝達される可能性があります。 電子ビームは、真空中で金属を溶かすためにも使用できます。