Fizika · Elektr va magnetizm · 8-sinf

Vakuum va gazlarda elektr toki

Neon reklama qanday yonadi va eski televizor kineskopida nur qanday chiziladi?

Vaziyat

Kechqurun shahar ko‘chalarida reklama yozuvlari qizil-to‘q sariq rangda yonadi: shisha naycha ichidagi siyrak neon gazidan tok o‘tmoqda. Eski televizorlarda kineskop ortidagi «elektron to‘p» elektronlar dastasini ekranga otib, tasvirni nuqtama-nuqta chizgan. Payvandchi esa elektrod bilan metall orasida ko‘zni qamashtiruvchi yoy yoqadi. Odatda vakuum ham, gaz ham tok o‘tkazmaydi — bu hollarda zaryad tashuvchilar qayerdan paydo bo‘ladi va tok nimaga bog‘liq?

Mavzu

Vakuum va gazlarda elektr toki. Neon reklama, eski televizor kineskopi va payvandlash yoyi

Asosiy tushunchalar

Termoelektron emissiya
Elektron-nur trubka
Gaz razryadi

Formulalar

j_{s} = A T^{2} e^{- W / (k T)}

Richardson–Deshman formulasi: to‘yinish toki zichligi; $W$ — chiqish ishi.

I = K U^{3 / 2}

Boguslavskiy–Lengmyur «3/2 qonuni»: fazoviy zaryad cheklagan diod toki.

I_{a} = K {(U_{g} + \frac{U_{a}}{μ})}^{3 / 2}, μ = S R_{i}

Triod: to‘r kuchlanishi anod kuchlanishidan $μ$ marta kuchliroq ta’sir qiladi; $S$ — xarakteristika tikligi, $R_{i}$ — ichki qarshilik.

y = \frac{l L}{2 d} \cdot \frac{U_{y}}{U_{a}}, \frac{e}{m} = \frac{U_{y}^{2}}{2 U_{a} d^{2} B^{2}}

Elektron nurning og‘ishi va Tomson usuli ( $e E = e v B$ da nur og‘maydi).

U_{t e s h} = \frac{B p d}{\ln (A p d) - \ln \ln (1 + 1 / γ)}

Pashen qonuni: gaz teshilish kuchlanishi faqat bosim × masofa ko‘paytmasiga bog‘liq.

Nazariya

Vakuumda tok: elektron emissiya

Vakuumda erkin zaryad yo‘q — ularni elektroddan «chiqarib olish» kerak. Metalldan chiqish uchun elektron chiqish ishi $W$ (bir necha eV) ni bajarishi lozim. Qizdirilgan katoddan elektronlar «bug‘lanadi» — termoelektron emissiya; to‘yinish toki Richardson–Deshman formulasi bo‘yicha haroratga eksponensial bog‘liq. Emissiyaning boshqa turlari: yorug‘lik ta’sirida fotoemissiya (fotoeffekt), zarbadan ikkilamchi emissiya, juda kuchli maydonda ( $\sim 10^{9}$ V/m, uchli katod) elektronlar to‘siqdan tunnel o‘tadi — avtoelektron emissiya (elektron mikroskoplar, Fauler–Nordgeym toki). Turli metallarning chiqish ishlari farqi ular tutashganda kontakt potensiallar farqi $(W_{1} - W_{2}) / e$ ni beradi; termoelektrik hodisalar (Zeebek, Pelte, Tomson) shunga asoslanadi — batafsil boshqa tajribalarda.

Vakuum diod: 3/2 qonun va to‘yinish

Katod atrofida chiqqan elektronlar fazoviy zaryad buluti hosil qiladi va keyingilarini qaytaradi. Kichik $U_{a}$ da tok bulut bilan cheklangan: $I = K U^{3 / 2}$ (Boguslavskiy–Lengmyur). $U_{a}$ oshgani sari bulut so‘riladi, nihoyat katod chiqargan barcha elektronlar anodga yetadi — to‘yinish toki $I_{s}$ ; u faqat katod harorati va materialiga bog‘liq. Teskari kuchlanishda elektronlar qaytariladi: diod tokni faqat bir tomonga o‘tkazadi — to‘g‘rilagich. Yarimo‘tkazgichli diod ham shunday ishlaydi, lekin qizdirish kerak emas, ≈ 0,6 V da ochiladi va ancha ixcham. Chiqish ishini aniqlash: turli $T$ da $I_{s}$ ni yozib, $\ln (I_{s} / T^{2})$ ni $1 / T$ ga qarab chizing — og‘ma $- W / k$ .

Triod — birinchi kuchaytirgich

Katod yaqiniga siyrak sim to‘r qo‘yilsa, unga berilgan kichik kuchlanish fazoviy zaryad to‘sig‘ini boshqaradi: $U_{g}$ ning 1 V o‘zgarishi anod tokini $U_{a}$ ning $μ$ V o‘zgarishi kabi o‘zgartiradi. Parametrlar: tiklik $S = Δ I_{a} / Δ U_{g}$ , ichki qarshilik $R_{i} = Δ U_{a} / Δ I_{a}$ , kuchaytirish koeffitsienti $μ = S R_{i}$ . Anod zanjiriga yuklama $R_{a}$ qo‘yilsa, to‘rdagi kichik signal $K = μ R_{a} / (R_{a} + R_{i})$ marta kuchayadi — «Kuchaytirgich» rejimida ko‘ring. Triodlar radio, televideniye va dastlabki EHMlarning asosi bo‘lgan. Model: musbat to‘rda to‘r toki hisobga olinmagan.

Elektron-nur trubka va ossillograf

Elektron to‘p (katod, modulyator, tezlatuvchi anodlar) ingichka dasta hosil qiladi: $v = \sqrt{2 e U_{a} / m}$ . Og‘diruvchi plastinalar orasida nur parabola bo‘ylab egiladi, ekranda $y = l L U_{y} / (2 d U_{a})$ . X plastinalarga arrasimon (yoyish) kuchlanish berilsa, nuqta ekran bo‘ylab tekis yuradi va Y signalning vaqt bo‘yicha shakli chiziladi — bu ossillograf. Ikkala plastinaga sinusoidal signal berilsa Lissaju figuralari chiqadi: ularning shakli chastotalar nisbati va fazalar farqiga bog‘liq. Televizor kineskopida nur magnit g‘altaklar bilan og‘diriladi. Elektron dastalar elektron mikroskop, rentgen trubka, vakuumda payvandlash va eritishda ishlatiladi. Model: norelyativistik, kichik og‘ish burchaklari.

Elektronning solishtirma zaryadi e/m

Tomson usuli: Y plastinalar sohasida maydonlarga perpendikulyar magnit maydon $B$ beriladi. $e E = e v B$ bo‘lganda nur og‘maydi, demak $v = E / B = U_{y} / (d B)$ . $v^{2} = 2 e U_{a} / m$ dan $e / m = U_{y}^{2} / (2 U_{a} d^{2} B^{2}) \approx 1,76 \cdot 10^{11}$ C/kg. Magnetron usuli: diod o‘qi bo‘ylab magnit maydon kiritilsa, elektronlar egri chiziq bo‘ylab uchadi; $B > B_{k r} = \sqrt{8 m U / e} / r_{a}$ da ular anodga yetmay qaytadi va tok keskin tushadi: $e / m = 8 U / (B_{k r}^{2} r_{a}^{2})$ . «Diod» rejimida $B$ ni oshirib, tok yarmiga tushgan qiymatni toping.

Gazlarda tok: ionizatsiya, razryad turlari, plazma

Gaz molekulalari neytral, lekin ionizatorlar (alanga, ultrabinafsha, rentgen, radioaktiv nurlanish) ularni ion va elektronlarga ajratadi; ion va elektronlar uchrashib yana qo‘shiladi — rekombinatsiya. Ionizator ishlaganda kuchsiz tok o‘tadi va u ionizator o‘chsa to‘xtaydi — nomustaqil razryad (kuchlanish oshganda tok to‘yinadi). Kuchlanish yanada oshsa, elektronlar erkin yugurish yo‘lida molekulani ionlay oladigan energiya to‘playdi — elektron ko‘chkisi boshlanadi, ionlar katoddan yangi elektronlar urib chiqaradi va razryad mustaqil bo‘ladi (Pashen qonuni). Miltillama razryad siyrak gazda yorug‘lik beradi (neon — qizil-to‘q sariq, argon — binafsha, simob bug‘i — ko‘kimtir); yoy — katta tok, kichik kuchlanish (o‘nlab volt), payvandlash va yoy pechlari; uchqun — yuqori bosimda qisqa muddatli kanal (chaqmoq — ulkan uchqun); toj — ingichka sim yoki uchli jism atrofidagi kuchli maydonda (elektr uzatish liniyalaridagi isrof, elektrofiltrlar). Ionlashgan, umuman neytral gaz — plazma: razryadning musbat ustuni, chaqmoq kanali, Quyosh. Model: VAX sxematik, $γ$ = 0,02, toj boshlanishi Pik formulasi bo‘yicha.

Bilasizmi?

Qizigan tola yaqinida vakuumda tok o‘tishini 1883-yilda Tomas Edison cho‘g‘lanma lampa bilan tajribalarida kuzatgan — bu hodisa «Edison effekti» deb ham ataladi.
Jozef Jon Tomson 1897-yilda katod nurlarining elektr va magnit maydonda og‘ishini o‘lchab, ular zaryadli zarralar oqimi ekanini va ularning e/m nisbatini aniqlagan — elektron shunday kashf etilgan.

Tajribada nima bor

Tajriba hayotiy vaziyatdan boshlanadi: natijani taxmin qilasiz, boshqaruvlarni o‘zgartirib tajriba o‘tkazasiz va xulosa chiqarasiz. Ichida topshiriqlar, nazariya, test va ekskursiya bor — kamera o‘zi harakatlanib, eng muhim joylarni tushuntiradi.