g9f-1.4· Глава 1: Электрический ток в различных средах· ~12 мин

Электрический ток в вакууме и газах

Термоэлектронная эмиссия, вакуумный диод и газовый разряд

В вакууме в обычных условиях ток не проходит, так как там нет свободных носителей заряда. Однако при нагревании металлического катода из него вылетают электроны — это явление называется термоэлектронной эмиссией; вылетевшие электроны движутся к аноду, создавая ток в вакууме. Именно на этом принципе работает вакуумный диод, который пропускает ток только в одном направлении (когда анод положителен). Газы в нормальных условиях являются диэлектриками, так как состоят из нейтральных молекул. Когда тепло, высокое напряжение или излучение ионизируют газ, образуются положительные ионы, отрицательные ионы и электроны, и газ начинает проводить ток. Если разряд продолжается только при воздействии внешнего ионизатора, его называют несамостоятельным разрядом; если он продолжается сам по себе — самостоятельным разрядом.

📌Пример

Например: молния — пример самостоятельного газового разряда (искрового разряда) в природе.

Ключевые термины

Термоэлектронная эмиссия — Явление вылета электронов с поверхности металлического катода при его нагревании.
Вакуумный диод — Вакуумная лампа, состоящая из катода и анода, пропускающая ток только в одном направлении (когда анод положителен).
Ионизация — Отрыв электрона от нейтральной молекулы газа; в результате образуются положительный ион и свободный электрон.
Газовый разряд — Явление прохождения электрического тока через ионизированный газ.
Самостоятельный разряд — Газовый разряд, который продолжается сам по себе даже после прекращения действия внешнего ионизатора.
Рекомбинация — Соединение положительного иона с электроном с образованием нейтрального атома; уменьшает число носителей и ослабляет ток.
Носители заряда в различных средах
СредаНосители зарядаПроводимость
ВакуумЭлектроны, вылетевшие из катодаЗа счёт термоэлектронной эмиссии
Неионизированный газОтсутствуютДиэлектрик — не проводит
Ионизированный газПоложительные ионы, отрицательные ионы, электроныГазовый разряд

В вакууме ток переносят только электроны, а в ионизированном газе — как ионы, так и электроны.

Виды газового разряда
Вид разрядаПример / применение
Искровой разрядМолния
Коронный разрядСлабое свечение вокруг проводов высокого напряжения
Дуговой разрядЭлектросварка
Тлеющий разрядЛюминесцентная (дневного света) лампа

Четыре основных вида самостоятельного газового разряда и их типичные примеры.

✎Сопротивление вакуумного диода (закон Ома)
  1. 1Дано: Напряжение U=200 ВU = 200 \text{ В}, ток I=0,05 АI = 0{,}05 \text{ А}. Сопротивление R=?R = ?
  2. 2Формула: Из закона Ома: R=UIR = \dfrac{U}{I}
  3. 3Вычисление: R=2000,05=4000 ОмR = \dfrac{200}{0{,}05} = 4000 \text{ Ом}
  4. 4Ответ: Сопротивление диода в этом режиме составляет 4000 Ом4000 \text{ Ом}.
✎Заряд, накопленный на аноде (q=I⋅tq = I \cdot t)
  1. 1Дано: Ток I=0,02 АI = 0{,}02 \text{ А}, время t=12 сt = 12 \text{ с}. Заряд q=?q = ?
  2. 2Формула: q=I⋅tq = I \cdot t
  3. 3Вычисление: q=0,02⋅12=0,24 Клq = 0{,}02 \cdot 12 = 0{,}24 \text{ Кл}
  4. 4Ответ: За 12 секунд на аноде накапливается заряд 0,24 Кл0{,}24 \text{ Кл}.
🚫Частая ошибка

Ионы переносят ток в газах и электролитах; а в вакууме ток переносят только электроны, вылетевшие из катода.

⚠️Внимание

Не путай формулу сопротивления: R=UIR = \dfrac{U}{I}. 2000,05=4000 Ом\dfrac{200}{0{,}05} = 4000 \text{ Ом} (а не IU\dfrac{I}{U} или U⋅IU \cdot I).

⚠️Внимание

Диод пропускает ток только тогда, когда анод положителен; если анод отрицателен, электроны не достигают анода и ток прерывается.

💡Заметка

Ионизация создаёт носители заряда, а рекомбинация — обратный процесс: ион и электрон соединяются, образуя нейтральный атом, что уменьшает число носителей.

💡Заметка

Несамостоятельный разряд требует внешнего ионизатора; самостоятельный разряд (например, молния) продолжается сам по себе.

Правила

  1. 1Ток в вакууме создают электроны, вылетевшие в результате термоэлектронной эмиссии.
  2. 2Вакуумный диод пропускает ток только в одном направлении (когда анод положителен).
  3. 3При ионизации газа ток переносят положительные ионы, отрицательные ионы и электроны.
  4. 4Несамостоятельный разряд требует внешнего ионизатора; самостоятельный разряд продолжается сам по себе.

Тренировка

15 лёгких · 15 средних · 15 сложных

В каждом тесте — 10 случайных вопросов

ЛёгкийСреднийСложныйМикс