§ 8. Електричний струм у вакуумі. Електровакуумні прилади
У 1883 р. американський винахідник Томас Едісон, намагаючись збільшити термін служби свого винаходу — електричної лампи розжарювання, увів у балон лампи, з якого було відкачано повітря, електрод. Приєднавши електрод до позитивного полюса джерела струму, а нитку розжарення лампи — до негативного, Едісон спостерігав появу струму. А от коли електрод був з’єднаний з негативним полюсом джерела, а нитка розжарення — з позитивним полюсом, струм не виявлявся. Про те, чому у вакуумі існував струм і чому лампа Едісона мала однобічну провідність, ви дізнаєтесь із цього параграфа.
Томас Едісон
1. Термоелектронна емісія
Щоб розібратися, що являє собою струм у вакуумі, спочатку визначимося з поняттям вакууму.
Вакуум (від латин. vacuum — порожнеча) — це стан газу за тиску, який менший від атмосферного.
Розрізняють низький, середній, високий (глибокий) вакууми. Коли кажуть про електричний струм у вакуумі, мають на увазі високий (глибокий) вакуум — стан газу, за якого довжина вільного пробігу молекул газу більша за лінійні розміри ємності, в якій міститься газ.
Щоб у вакуумі існував струм, слід помістити у вакуумі джерело вільних заряджених частинок, наприклад електронів. Найбільша концентрація вільних електронів — у металах. Однак вільні електрони зазвичай не можуть залишити поверхню металу — вони утримуються силами кулонівського притягання з боку позитивних йонів. Для подолання цих сил електрону необхідно мати певну енергію.
Енергію, яку необхідно мати електрону, щоб залишити метал, називають роботою виходу Авих.
Електрон може залишити метал, якщо його кінетична енергія Еk буде більшою за роботу виходу або буде дорівнювати їй:
Роботу виходу електронів вимірюють в електрон-вольтах (1 еВ = 1,6 • 10 -19 Дж), визначають експериментально для кожного металу окремо та заносять до таблиць (див. Додаток 1).
Процес випромінювання електронів із поверхні металів називають електронною емісією. Залежно від того, як була передана електронам необхідна енергія, розрізняють кілька видів емісій (див. колонку зліва). Щоб створити електричний струм у вакуумі, найчастіше використовують термоелектронну емісію — процес випромінювання електронів нагрітими тілами.
Види електронної емісії
• Термоелектронна емісія — випромінювання електронів нагрітими тілами.
• Фотоелектронна емісія відбувається під дією випромінювання, яке падає на поверхню тіла.
• Автоелектронна емісія зумовлена наявністю біля поверхні тіла сильного електричного поля, яке «вириває» електрони з металу.
• Вторинна електронна і йонно-електронна емісії — випромінювання електронів із поверхні тіла внаслідок його бомбардування електронами або йонами відповідно.
• Вибухова електронна емісія — емісія електронів унаслідок переходу мікроскопічних ділянок катода в плазму (локальний вибух).
У нагрітому металі є величезна кількість швидких електронів, які безперервно з нього вилітають. Саме тому біля поверхні металу утворюється хмара вільних електронів — електронна хмара, що має негативний заряд, а сама поверхня металу набуває позитивного заряду (рис. 8.1). Під впливом електричного поля, створеного електронною хмарою та поверхнею металу, деякі електрони повертаються в метал. У стані рівноваги кількість електронів, що залишили метал, дорівнює кількості електронів, що повернулися в нього. При цьому чим вища температура металу, тим більша густина електронної хмари.
Рис. 8.1. Електрони, що покинули метал, утримуються біля його поверхні електричним полем, створеним електронною хмарою та нескомпенсованими позитивними йонами металу
Погодьтеся: описана «поведінка» електронів дуже нагадує «поведінку» молекул біля поверхні рідини, а електронна хмара асоціюється з насиченою парою біля поверхні рідини.
2. Електричний струм у вакуумі. Вакуумний діод
Ви вже знаєте, що для існування струму необхідно виконання двох умов: наявність вільних заряджених частинок і наявність електричного поля.
Для створення цих умов у скляний балон поміщують два електроди (катод і анод) і відкачують із балона повітря. Катод нагрівають, використовуючи нитку розжарення — тонкий дріт із тугоплавкого металу, підключений до джерела струму. У результаті з поверхні катода вилітають електрони. Щоб збільшити емісію електронів, катод покривають шаром оксидів лужноземельних металічних елементів (Барію, Стронцію, Калію тощо), для яких робота виходу електронів є невеликою. На катод подають негативний потенціал, а на анод — позитивний (пряме ввімкнення). Електрони, що вилетіли з катода, потрапляють в електричне поле між катодом і анодом і починають рухатися напрямлено, створюючи електричний струм (рис. 8.2).
Рис. 8.2. Термоелектрони (електрони, що вилетіли з металу в ході термоелектронної емісії), рухаючись від катода до анода, створюють електричний струм
Електричний струм у вакуумі являє собою напрямлений рух вільних електронів, отриманих у результаті електронної емісії.
Пристрій, що складається зі скляного балона, з якого відкачано повітря, і розташованих у балоні двох електродів (анода і підігрівного катода), називають вакуумним (ламповим) діодом (рис. 8.3). Очевидно: якщо подати на катод позитивний потенціал, а на анод — негативний (зворотне ввімкнення), то електрони, що вилітають із катода, будуть відкидатися полем назад, на катод, і струму в колі не буде. Таким чином, вакуумний діод має однобічну провідність (рис. 8.4).
Рис. 8.3. Вакуумний діод: а — будова; б — позначення на схемі
Рис. 8.4. Вольт-амперна характеристика (ВАХ) вакуумного діода. Пряме ввімкнення: зі збільшенням напруги між електродами сила струму швидко зростає. Зворотне ввімкнення: сила струму дорівнює нулю
• Чому в 1883 р. Т. Едісон не зміг пояснити причину того, що його лампа розжарювання з введеним додатковим електродом мала однобічну провідність?
Свого часу однобічну провідність вакуумного діода активно використовували в радіоелектроніці для перетворення змінного струму на пульсуючий. Якщо між катодом і анодом увімкнути джерело змінного струму, то протягом першого півперіоду діод пропускатиме електричний струм, а протягом другого півперіоду електрони відштовхуватимуться від анода і струму в лампі не буде (рис. 8.6). Отже, струм у колі буде незмінного напрямку, але пульсуючим. У сучасній електроніці замість лампових (вакуумних) діодів використовують напівпровідникові (див. § 9).
Рис. 8.6. Використання вакуумного діода для перетворення змінного струму на пульсуючий
3. Електронні пучки: їх властивості та застосування
Якщо в аноді лампового діода зробити отвір, то частина електронів, прискорених електричним полем, влетить у цей отвір і створить за анодом електронний пучок — потік електронів, які швидко рухаються.
Властивості електронних пучків:
- 1) спричиняють нагрівання тіл у разі потрапляння на їх поверхню;
- 2) викликають появу рентгенівського випромінювання в разі швидкого гальмування;
- 3) викликають світіння деяких речовин і матеріалів (так званих люмінофорів);
- 4) відхиляються електричним і магнітним полями.
Першу властивість використовують для плавлення надчистих металів, для зварювання, спаювання та різання металів у вакуумі. Другу властивість використовують у рентгенівських трубках: під час різкого гальмування електронного пучка виникають електромагнітні хвилі частотою понад 2 • 10 17 Гц. Третю і четверту властивості використовують в електронно-променевих трубках — вакуумних пристроях з керованим електронним пучком і спеціальним екраном, який світиться в місцях потрапляння електронів (рис. 8.7). Електронно-променева трубка тривалий час була основним елементом осцилографа — пристрою для дослідження змінних процесів в електричних колах.
Рис. 8.7. Принципова будова електронно-променевої трубки з електростатичним керуванням електронним пучком
Зварювання у відкритому космосі
25 липня 1984 р. радянські космонавти Володимир Джанібеков і Світлана Савицька вийшли у відкритий космос і протягом трьох годин здійснювали перше космічне зварювання в умовах глибокого вакууму.
Зварювальний апарат був розроблений і створений в Інституті електрозварювання ім. Є. О. Патона НАНУ. Апарат дозволяв здійснювати зварювання, спаювання, різання і нагрівання металу. Ці операції виконувалися короткофокусною електронно-променевою гарматою масою 2,5 кг, яку слід було тримати в руці.
Поштова марка України: «Зварювання в космосі», 2006 р.
Підбиваємо підсумки
• Електричний струм у вакуумі являє собою напрямлений рух вільних електронів. Для створення струму у вакуумі необхідно джерело електронів, у ролі якого використовують металеві провідники, нагріті до високої температури, опромінені світлом тощо.
• Термоелектронна емісія — процес випромінювання електронів нагрітими тілами. Явище термоелектронної емісії набуло широкого застосування у вакуумних електронних пристроях, наприклад у вакуумних лампах й електронно-променевих трубках.
Контрольні запитання
1. Що являє собою електричний струм у вакуумі? 2. У чому полягає явище електронної емісії? 3. За якої умови електрон може залишити поверхню провідника? 4. Опишіть процес утворення електронної хмари. 5. Чому вакуумний діод має однобічну провідність? 6. Де застосовують вакуумні діоди? 7. Назвіть основні властивості електронних пучків. Де їх застосовують? 8. Назвіть основні частини електронно-променевої трубки. Якими є їхні функції?
1. Установіть відповідність між потенціалами керувальних пластин електронно-променевої трубки та напрямком відхилення світної точки на її екрані (рис. 1).
2. Яку найменшу швидкість повинен мати електрон, щоб вилетіти з поверхні катоду, покритого барій оксидом?
3. В електронно-променевій трубці потік електронів проходить прискорювальну різницю потенціалів 10 кВ. Якої середньої швидкості набувають електрони? Вважайте, що початкова швидкість руху електронів дорівнює нулю.
4. У більшості електронно-променевих трубок керування електронним пучком відбувається за допомогою магнітного поля. На рис. 2 електронний пучок відхиляється вліво. Згадайте правило лівої руки та визначте, як напрямлено керувальне магнітне поле, які котушки його створюють і який напрямок струму в цих котушках.
5. Сучасні ТВ-панелі працюють на рідких кристалах або світлодіодах, мають товщину кілька сантиметрів й так мало важать, що кріпляться на стіні за допомогою магнітів. А якими були телевізори першого покоління? Дізнайтеся.
Фізика і техніка в Україні
Вадим Євгенович Лашкарьов (1903-1974) — видатний український радянський науковець, із ім’ям якого пов’язані становлення та розвиток фізики і техніки напівпровідників в Україні. В. Є. Лашкарьов — один із «батьків» транзистора. Зараз без цього пристрою не працює жоден електронний прилад.
Вадим Євгенович народився в Києві, навчався в Київському інституті народної освіти. Згодом на запрошення академіка А. Ф. Йоффе він очолив лабораторію в Ленінградському фізико-технічному інституті. Дослідження В. Є. Лашкарьова з розподілу електронної густини в кристалах виявилися настільки значними, що в 1935 р. ученому було присуджено науковий ступінь доктора фізико-математичних наук без захисту дисертації.
У 1939 р. В. Є. Лашкарьов повернувся до Києва і почав працювати в Інституті фізики Академії наук УРСР. У 1941 р. вчений експериментально виявив p-n-перехід у купрум(І) оксиді. В. Є. Лашкарьов не тільки відкрив р-n-перехід і дослідив вплив домішок на це явище — в 1946 р. учений виявив біполярну дифузію нерівноважних носіїв електричного струму, а в 1948 р. побудував загальну теорію фото-ЕРС у напівпровідниках.
Визнанням видатних наукових результатів В. Є. Лашкарьова стало створення в 1960 р. Інституту напівпровідників АН УРСР, який учений очолив. Із 2002 р. Інститут фізики напівпровідників НАНУ носить його ім’я.
§ 42. Тиск світла. Фотохімічна дія світла
Дослід Лебедєва. Уперше висловив припущення про існування тиску світла Йоганн Кеплер у 1619 р., пояснюючи цим тиском відхилення хвостів комет, які наближались до Сонця. У 1873 р. Джеймс Максвелл теоретично розрахував силу тиску сонячного випромінювання на чорну поверхню, розташовану перпендикулярно до сонячних променів. Цей тиск приблизно дорівнював 4 · 10 -6 Па. Згідно з теорією Максвелла світло, як і будь-яка електромагнітна хвиля, чинить тиск на перешкоду. Під дією електричного поля хвилі електрони в тілах коливаються. Утворюється електричний струм. Цей струм напрямлений уздовж напруженості електричного поля. На електрони, які рухаються впорядковано, діє сила Лоренца магнітного поля. За правилом лівої руки, сила Лоренца напрямлена вздовж хвилі. Це і є сила тиску світла.
Проте жодних експериментальних даних, які б підтвердили існування світлового тиску, на той час не було. Виявити й виміряти тиск світла вдалось у 1900 р. російському фізикові Петру Миколайовичу Лебедєву.
В експериментальній установці Лебедєва (мал. 191) на тонкій пружній кварцовій нитці було підвішено коромисло з тонкими легкими пластинками з металевої фольги. Одна з пластин була покрита тонким шаром сажі. Світло падало на пластинки. Чорною пластинкою світло поглиналось, дзеркальною — відбивалось. Про величину світлового тиску можна було зробити висновок, вимірявши кут закручування нитки. Проте на закручування нитки впливало неоднакове нагрівання боків пластин (той бік, що повернутий до джерела світла, нагрівається дужче, ніж протилежний). Молекули повітря, що відбиваються від нагрітого боку, передають пластинці більший імпульс, ніж молекули, що відбиваються від холоднішого боку. Унаслідок цього виникає закручуючий момент, який у 1000 разів більший за закручуючий момент, зумовлений тиском світла. Щоб позбутися цього впливу, Лебедєв помістив установку в скляний балон, з якого викачали повітря. Тиск світла, отриманий з експерименту, збігався зі значенням світлового тиску, розрахованим Максвеллом, з точністю до 2 %.
Мал. 191. Схема досліду вимірювання тиску світла
Пояснення тиску світла з квантових позицій. Квантова теорія світла пояснює причину світлового тиску досить просто. Фотони, подібно до звичайних частинок речовини, мають імпульс. Коли фотони поглинаються тілом, то вони передають тілу свій імпульс. За законом збереження, набутий імпульс тіла дорівнює зміні імпульсу фотонів. У випадку дзеркальної поверхні фотони відбиваються, і тіло отримує подвійний імпульс, а чорна пластина, що поглинає фотони, отримує вдвічі менший імпульс, ніж дзеркальна. Це й зумовлює обертання пластин. За другим законом Ньютона, зміна імпульсу тіла означає, що на тіло діє сила. Відношення сили до площі поверхні, на яку вона діє, і є тиском.
Таким чином, тиск світла пояснюється і хвильовою, і квантовою теоріями світла.
Тиск світла розраховують за формулою р = (1 + k)ω, де k = 0 — для чорної поверхні, k = 1 — для дзеркальної поверхні, ω — густина енергії електромагнітної хвилі.
Фотохімічна дія світла. Поглинання світла речовиною може супроводжуватись також хімічною дією світла. Хімічна дія світла виявляється в тому, що світло викликає такі хімічні перетворення, які без світла не відбуваються. Хімічні реакції, що перебігають унаслідок дії світла, називають фотохімічними. Наприклад, під дією ультрафіолетового випромінювання з молекул кисню утворюються молекули озону, 3O2 + hv = 2O3. Як видно, у процесі фотохімічної реакції кожний поглинутий фотон взаємодіє з однією молекулою.
Найважливішою фотохімічною реакцією є фотосинтез — процес утворення під дією світла вуглеводнів з виділенням кисню в рослинах і деяких мікроорганізмах за реакцією
Завдяки фотосинтезу на Землі зберігається безперервний кругообіг вуглецю й підтримується життя. Учені встановили, що фотосинтез хлорофілом вуглеводів, що містяться в рослинах, відбувається під дією червоних променів спектра сонячного світла. Приєднуючи до вуглеводневого ланцюга атоми інших елементів, одержуваних із ґрунту, рослини будують молекули вуглеводів, жирів і білків, створюючи їжу для людини й тварин.
Хімічну дію світла покладено в основу фотографії на фотоплівку (фотопластину). Основу такої фотографії становить фотохімічна реакція розкладу бромистого срібла. Зір людини також пояснюється особливими фотохімічними процесами, які відбуваються в сітківці ока.
Сьогодні такі приймачі випромінювання, як фотоемульсії, фотоелектронні помножувачі, електронно-оптичні перетворювачі (що перетворюють інфрачервоне випромінювання на видиме), ПЗЗ-матриці (від скорочення: прилади із зарядовим зв’язком), дають змогу астрономам реєструвати випромінювання небесних тіл у всьому діапазоні електромагнітного спектра.
Про інші явища, що пояснюються квантовими властивостями світла, читайте в електронному додатку.
Ви можете самостійно оцінити переваги фотографічного методу порівняно з візуальним, а також назвати переваги цифрової фотографії порівняно з фотоплівками. А з виведенням астрономічних досліджень у космос ученні мають змогу досліджувати унікальні його знімки (мал. 192).
Мал. 192. Фотографії, отримані за допомогою космічного телескопа Габбла
ЗНАЮ, ВМІЮ, РОЗУМІЮ
1. Поясніть ідею досліду Лебедєва. 2. Яка основна трудність виникала під час вимірювання тиску світла і як її вдалось подолати Лебедєву? 3. Чи може фотон, зіткнувшись із перешкодою, віддати їй більше, ніж мав до зіткнення: а) енергії; б) імпульсу? 4. У чому виявляється хімічна дія світла? 5. Які реакції називають фотохімічними? Наведіть приклади фотохімічних реакцій.
Приклади розв’язування задач
Задача. Потік монохроматичного світла λ = 5 · 10 -7 м падає нормально на плоску дзеркальну поверхню й тисне на неї із силою 10 -8 Н. Визначте кількість фотонів, які щосекунди падають на цю поверхню.
1. На поверхню площею 50 см 2 , що повністю поглинає світло, за 1 с падає нормально до неї 1,5 · 10 20 фотонів жовтого випромінювання з довжиною хвилі 589 нм. Яка сила тиску цього випромінювання діє на дану поверхню у вакуумі?
2. На поверхню площею 100 см 2 щохвилини падає 63 Дж світлової енергії. Визначте світловий тиск у випадках, коли поверхня повністю відбиває й повністю поглинає світло.
3. Визначте силу світлового тиску сонячного випромінювання, що падає нормально на дзеркальну поверхню площею 30 м 2 . Вважайте, що сонячна стала дорівнює
4. Пучок світла з довжиною хвилі 0,49 мкм, що падає перпендикулярно до поверхні, чинить на неї тиск 5 мкПа. Скільки фотонів щосекунди потрапляє на 1 м 2 цієї поверхні? Коефіцієнт відбиття світла від даної поверхні — 0,25.
5. Визначте тиск світла на стінки електричної лампи потужністю 100 Вт. Колба лампи має сферичну поверхню радіусом 5 см, стінки якої відбивають 10 % світла. Вважайте, що вся спожита лампою потужність іде на випромінювання.
Виконуємо навчальні проекти
• Сонце — основне джерело енергії. Використання сонячної енергії.
• Тиск світла в космічних масштабах.
• Фотоелементи, їх використання.