SGK Vật Lí 11 - Bài 16. Dòng điện trong chân không

16 Dòng điện trong chân không
I - CÁCH TẠO RA DÒNG ĐIỆN TRONG CHÂN KHỔNG
Bản chất dòng điện trong chân không
Chân không là môi trường đã được lấy đi tất cả các phân tử khí. Nó không chứa hạt tải điện nên không dẫn điện. Muốn tạo ra dòng điện chạy giữa hai điện cực đặt trong chân không, ta phải đưa hạt tải điện là các electron vào trong đó.
Dòng điện trong chán không là dòng chuyến dời có hướng của các electron được đưa vào khoảng chân không đó.
Thí nghiệm
Sơ đồ thí nghiệm nghiên cứu dòng điện trong chân không
Khi dây tóc không được đốt nóng.
Khi dãy tóc đưọc đốt nóng đỏ.
Khi dây tóc đưọc đốt nóng ở nhiệt độ cao hon.
Lấy một đèn điôt chân không D, cấu tạo bởi một bóng thuỷ tinh đã hút chân không, bên trong có một catôt K (là dây tóc vonfam FF") và một anôt là bản cực kim loại A. Catôt được đốt nóng bằng dòng điện (mạch điện gồm một bộ pin ỹp và một biến trở R). Vôn kế V dùng để đo hiệu điện thế ƠAK giữa anôt và catôt. Anôt được nối với nguồn điện áp biến đổi và một điện kếG (Hình 16.1). Đốt nóng catôt ở các mức độ khác nhau, cho hiệu điện thế t/AK giữa anôt và catôt thay đổi từ giá trị âm đến giá trị dương và vẽ các đồ thị biểu diễn dòng điện /A (chạy từ A đến FF') theo Í/AK. Các đồ thị thu được, gọi là đặc tuyến von - ampe của điôt D, được vẽ trên Hình 16.2.
ra Trên đồ thị c) Hình 16.2, dòng bão hoà vào khoảng bao nhiêu ?
Khi dây tóc FF' không được đốt nóng, dòng /A = 0, chân không không dẫn điện (đường a)).
Khi dây tóc nóng đỏ nhưng hiệu điện thế ƠAK 0, dòng /A tăng nhanh theo Í/AK rồi đạt đến giá trị bão hoà (đường b)).
Khi dây tóc nóng horh, ta được đường cong c) có dạng giống như đường b), nhưng giá trị của dòng bão hoà lớn hơn. ra
Ta giải thích đồ thị ở Hình 16.2 như sau :
Khi đớt nóng catôt, chuyển động nhiệt của nguyên tử trong catôt làm một số electron có thể bứt ra khỏi bề mặt catôt và bay vào chân không với một tốc độ ban đầu nào đó. Tốc độ này không đều nhau, một số ít êlectron có thể có tốc độ lớn.
Khi Í/AK âm và nhỏ, các electron có tốc độ ban đầu lớn vẫn thắng được lực đẩy của anôt và tới anôt, gây ra một dòng anôt nhỏ chạy về catôt.
Khi UÁK dương, anôt hút các electron và gây ra dòng anôt lớn.
, c) Khi sô' electron phát ra từ catôt trong một giây bằng số electron đến anôt trong một giây thì dòng điện đạt đến giá trị bão hoà. Vì thế, nhiệt độ catôt càng cao, dòng bão hoà càng lớn.
Đặc tuyến vón - ampe vẽ trên Hình 16.2 chứng tỏ điôt chân không có tính chỉnh lưu. Trước khi có điôt bán dẫn, người ta vẫn dùng nó để lắp bộ chỉnh lưu dòng điện xoay chiều.
II - TIẠ CATÔT
Để tạo ra dòng điện trong chân không, trước đây, người ta dùng một hiệu điện thế lớn giữa anôt và catôt đặt trong một ống thuỷ tinh nối với bơm chân không, rồi rút khí cho đến khi trong ống là chân không (ống này gọi là ống tia catôt).
1. Thí nghiệm
Hình 16.3 minh hoạ một thí nghiệm tạo ra dòng điện trong chân không bằng cách rút dần khí trong ống. Ông thuỷ tinh dài chừng 30 cm, nguồn điện có hiệu điện thế khoảng vài ngàn vôn.
Rút khí
Khoảng tối catôt
+
Tạo lia catôt bằng quá trinh phóng điện tự lực qua khí:
ở áp suất thấp, ta quan sát'thấy cột sáng anôt và khoảng tối catôt.
ở áp suất rất thẩp (khoảng 10~3-.mmHg), trong ốpg có tia catôt làm huỳnh quang ống thuỷ tinh.
Khi áp suất của khí trong ống bằng áp suất khí quyển, ta không thấy quá trình phóng điện.
Khi áp suất đã đủ nhỏ, trong ống có quá trình phóng điện tự lực (Hình 16.3a), ta thấy một cột khí phát sáng kéo dài từ anôt đến gần catôt (cột sáng anôt), còn ở gần catôt có một khoảng tối (khoảng tối catôt). K3
Tiếp tục giảm áp suất, khoảng tối catôt mở rộng. Đến khi áp suất vào khoảng IO-3 mmHg, khoảng tối catôt chiếm toàn bộ ống nên không còn thấy ống phát sáng. Quá trình phóng điện vẫn duy trì và ở phía đối diện với catôt, thành ống thuỷ tinh phát ra ánh sáng màu vàng lục (Hình 16.3b).
Ta gọi tia phát ra từ catôt làm huỳnh quang thuỷ tinh là tia catôt hay tia âm cực.
Tiếp tục rút khí để đạt chân không tốt hơn nữa thì quá trình phóng điện biến mất. 53
Tính chất của tia catôt
Để tìm hiểu bản chất của tia catôt, trước hết người ta làm thí nghiêm trên các ống phóng điện hình dạng khác nhau, trong ống có đặt các vật và các điện cực khác nhau để tìm hiểu các tính chất của nó. Người ta thấy tia catôt có các tính chất sau :
Nó phát ra từ catôt, theo phương vuông góc với bề mặt catôt. Gặp một vật cản, nó bị chặn lại và làm vật đó tích điện âm.
Nó mang năng lượng lớn : nó có thể làm đen phim ảnh, làm huỳnh quang một số tinh thể, làm kim loại phát ra tia Ấ, làm nóng các vật mà nó rọi vào và tác dụng lực lên các vật đó.
ĐB Vì sao khi áp suất còn lớn ta không thấy quá trình phóng điện qua khí, và khi áp suất đã đủ nhỏ lại có quá trình phóng điện tự lực ?
53 Vì sao khi rút khí để được chân không tốt hơn thì tia catôt lại biến mất ?
Từ trường làm lệch tia catôt theo phương vuông góc với phương lan truyền và phương từ trường.
Từ trường làm tia catôt lệch theo hướng vuông góc với phương lan truyền và phương của từ trường (Hình 16.4), còn điện trường làm tia catôt lệch theo chiều ngược với chiều của điện trường.
Bản chất của tia catôt
Những tính chất trên chứng tỏ tia catôt là một dòng các electron phát ra tù' catôt ; do áp suất của khí thấp, chỉ một 'tỉ lệ rất nhỏ của các electron này va chạm với phân tử khí và làm ion hoá chúng. Các ion dương nhận năng lượng của điện trường, đập vào catôt, sinh ra các electron mới để duy trì quá trình phóng điện. Đại bộ phận các electron còn lại, không bị va chạm với các phân tử khí. Chúng chuyển động như các electron tự do trong chân không. Như vậy, tia catôt thực chất là dòng electron phát ra từ catót và bay gần như tự do trong ông thí nghiệm. Tuy trong ống vẫn còn khí, nhưng tia catôt không khác gì một dòng electron trong chân không.
ứng dụng
á-êstì
Tia catôt có nhiều tính chất có thê áp dụng vào thực tế. úhg dụng phổ biến nhất là dể làm ống phóng điện tử và đèn hình. Đề tạo được tia catôt mạnh và đáp ứng được các yêu cầu của kĩ thuật, người ta không dùng phóng điện qua chất khí ở áp suất thấp như đã mô tả ở trên, mà dùng một điôt chân không với catôt được nung nóng và anôt có lỗ thủng để cho dòng electron bay ra (gọi là sứ/ĩg electron). Súng electron được sử dụng trong ống phóng điện tử và đèn hình.
Hình 16.5 Súng electron	Súng electron (Hình 16.5) có cực catôt K là dây tóc FF', cực
lưới G lã một lưỡi kim loại bao quanh catôt, và anôt là một bộ gồm ba ống kim loại. Hai ống ngoài nối với cực Â|, còn ống ớ giữa nối với cực Â,. Catôt được đốt nóng, phát ra electron. Anôt A J ở điện thê' dương so với catôt, làm nhiệm vụ gia tốc chùm electron. Anôt A-, ờ điện thê'có thể điều chính được, dùng đê hội tụ chùm electron tại điểm mong muốn. Lưới G ở điện thê'âm so với catôt sẽ chặn một phần dòng electron, cho phép ta điều chinh cường độ dòng này. Súng electron được dùng đế tạo ra chùm tia electron trong ong phóng điện tử và đèn hình.
Chân không chỉ dẫn điện nếu ta đưa electron vào trong đó.
Dòng điện trong chân không là dòng chuyên dời có hướng của các electron.
Ega Điôt chân không với catôt nóng đỏ có tính chinh lưu.
Tia catôt là một dòng các electron phát rá từ catôt, có năng lưựng lớn và bay tự do trong không gian, được sinh ra khi phóng điện qua chất khí ở áp suất thấp. Nó cũng có thể được tạo ra bằng một súng electron.
Tia catôt có khả năng làm huỳnh quang các chất và bị làm lệch bằng điện trường và từ trường. Nó được dùng trong đèn hình và ống phóng điện tử.
CÂU HỎI VẬ BÀI TẬP
5»
Vì sao chân không không dẫn điện ? Bằng cách nào ta tạo được dòng điện trong chân không ?
Điôt chân không cấu tạo như thế nào và có tính chất gì ?
Tia catôt ỉà gì ? Có thể tạo ra nó bằng cách nào ?
Tại sao khi phóng điện qua khí ở áp suất thấp lại sinh ra tia catôt ?
Kể vài tính chất của tia catôt chứng tỏ nó là dòng các electron bay tự do.
Súng electron tạo ra tia catôt theo nguyên tắc nào ?
Hãy kể hai ứng dụng của tia catôt mà em biết.
ở bài tập 8 và 9 dưới đây, phát biểu nào là chính xác ?
Dòng điện trong chân không sinh ra do chuyển động của
các electron phát ra từ catôt.
các electron mà ta đưa từ bên ngoài vào giữa các điện cực đặt trong chân không.
c. các electron phát ra từ anôt bị đốt nóng đỏ. D. các ion khí còn dư trong chân không.
Người ta kết luận tia catôt là dòng hạt tích điện âm vì
nó có mang năng lượng.
khi rọi vào vật nào, nó làm cho vật ấy tích điện ãm.
c. nó bị điện trường làm lệch hướng.
D. nó làm huỳnh quang thuỷ tinh.
Catòt của một điôt chân không có diện tích mặt ngoài s = 10 mm2. Dòng bão hoà /bh = 10 mA. Tính sô' electron phát xạ từ một đơn vị diện tích của catôt trong một giấy.
Hiệu điện thế giữa anôt và catôt của một súng electron là 2 500 V, tính tốc độ của electron mà súng phát ra. Cho biết khối lượng của electron là 9,11.10-31 kg.
Em có biết ?
ỐNG PHÓNG ĐIỆN TỬ VÀ ĐÈN HÌNH 1. Ống phóng điện tử
Ong phóng điện tứ được minh hoạ trên Hình 16.6. Chùm tia electron do súng electron phát ra, được điều chính cho đi qua khoảng không giữa hai bộ bán cực Yy Y2 và Xp X2 rồi đập vào màn huỳnh quang giữ ở điện áp cao, đế lại ớ đó một chấm sáng M. Dùng điện trường giữa hai bán cực Y2, ta lầm lệch được chùm electron theo phương thắng đứng. Tương tự, dùng điện trường giữa hai bán cực xv X2, ta có thể làm nó dịch chuyến theo phương ngang. Điếm M di chuyến vê một đường sáng trên màn huỳnh quang, ông phóng điện tứ được dùng trong dao động kí điện tứ.
2. Đèn hình
Súng
electron
Điện áp
Hình 16.6 Ống phóng điện tử
Hình 16.7 Đèn hình
Đèn hình được minh hoạ trên Hình16.7a. Chùm tia electron do súng electron phát ra được điều chính cho đi qua khoáng không giữa hai cuộn dây Y và X (được cuốn theo dạng đặc biệt và gọi là cuộn lái tia), rồi hội tụ trên màn huỳnh quang giữ ở điện áp cao, đế lại ở đó một chấm sáng M. Dùng từ trường tạo bới hai dòng điện biến đổi theọ thời , gian theo quy luật thích họp chạy qua hai cuộn dây Y và X, ta làm lệch chùm electron theo phương thắng đứng và phương nằm ngang, cho M vẽ nên những đường ngang, làm sáng toàn bộ màn huỳnh quang. Cường độ của tín hiệu ánh có chỗ yếu, chỗ mạnh, làm màn huỳnh quang có các điếm tối, sáng khác nhau tạo ra hình ảnh (Hình 16.7b). Đèn hình được dùng trong tivi và máy vi tính.