Bài 21: Dòng điện trong chân không

Bài 21:

Vật Lý
11

Dòng điện trong chân
không


Bài 21:

Dòng điện trong chân không

Nội dung bài học:
Bản chất dòng điện trong chân không

1

2

Sự phụ thuộc của cường độ dòng điện trong chân không vào hiệu điện thế

3

Ứng dụng của dòng điện trong chân không


1
1.1

Bản chất dòng điện trong chân không:

Môi trường chân không

- Chân không lý tưởng là một môi trường không có một phân tử khí nào.

- Trong thực tế, khi làm giảm áp suất chất khí trong một ống xuống dưới 10

-4

mmHg, lúc đó phân tử khí có thể

chuyển động từ thành nọ đến thành kia của ống mà không va chạm với các phân tử khác thì trong ống được
xem là chân không.


1
1.1

Bản chất dòng điện trong chân không:
Môi trường chân không

- Do đó chân không là môi trường không có các hạt tải điện nên cách điện trong điều kiện thường.

- Muốn tạo ra dòng điện trong chân không phải làm phát sinh các hạt tải điện tự do trong ống chân không .

- Các kĩ thuật làm phát sinh các hạt electron là phải cung cấp năng lượng ngoài cho các electron ở đầu cực
catot để chúng thoát ra khỏi bề mặt kim loại.


1
TN

Bản chất dòng điện trong chân không:
Tiến hành thí nghiệm (SGK/102):
a) Dụng cụ:

- Một ống thủy tinh đã hút chân không.

- Hai điện cực anot A và catot K.
- Hai nguồn điện không đổi E1 và E2.
- Điện kế G.
 

- Hai khóa và .


1
TN

Bản chất dòng điện trong chân không:
Tiến hành thí nghiệm (SGK/102):
  2

A

K
r2

Nguồn điện E2, để đốt nóng catot K. Nguồn điện E1 để tạo

K2

G

hiệu điện thế U giữa hai cực của diot; nhờ biến trở R có thể

V

K1

thay đổi giá trị của U.

R
 

1

r1

Sơ đồ thí nghiệm nghiên cứu dòng điện trong chân không


1
TN

Bản chất dòng điện trong chân không:
Tiến hành thí nghiệm (SGK/102):
b) Tiến hành và kết quả:
  2

A

K
r2
K2

G

 

Đóng , mở .
V

K1

R
 

1

r1


1
TN

Bản chất dòng điện trong chân không:
Tiến hành thí nghiệm (SGK/102):
b) Tiến hành và kết quả:
  2

 

- Đóng , mở .

A

K
r2
K2

G

- G chỉ số 0, chứng tỏ không có dòng điện chạy qua chân không .

V

K1

Chân không là môi trường cách điện tốt.

R
 

1

r1


1
TN

Bản chất dòng điện trong chân không:
Tiến hành thí nghiệm (SGK/102):
b) Tiến hành và kết quả:
  2

A

K
r2
K2

G

 

Mở , Đóng .
V

K1

R
 

1

r1


1

TN

Bản chất dòng điện trong chân không:
Tiến hành thí nghiệm (SGK/102):
b) Tiến hành và kết quả:
  2

 

- Mở , đóng .

A

K
r2
K2

G

- K được đốt nóng bởi nguồn E2 ,G chỉ số 0, chứng tỏ không có dòng
điện chạy qua chân không .

V

K1

R
 

1

r1


1
TN

Bản chất dòng điện trong chân không:
Tiến hành thí nghiệm (SGK/102):
b) Tiến hành và kết quả:
  2

A

K
r2
K2

G

 

Đóng cả , .
V

K1

R
 

1

r1


1
TN

Bản chất dòng điện trong chân không:
Tiến hành thí nghiệm (SGK/102):
b) Tiến hành và kết quả:
  2

 

- Đóng cả , .

K

A

r2
K2

G

- G chỉ số khác 0, chứng tỏ có dòng điện chạy qua chân không .

V

K1

R
 

1

r1


1
TN

Bản chất dòng điện trong chân không:
Tiến hành thí nghiệm (SGK/102):
b) Tiến hành và kết quả:
  2

A

K
r2
K2

G

Đảo cực E1.
V

K1

R
 

1

r1


1
TN

Bản chất dòng điện trong chân không:
Tiến hành thí nghiệm (SGK/102):
b) Tiến hành và kết quả:
  2

K
- Đảo cực E1.

A

r2
K2

G

- G chỉ số 0, chứng tỏ không có dòng điện chạy qua chân không .
V

K1

Dòng điện chạy qua chân không (nếu có) chỉ theo một chiều từ
A đến K.

R
 

1

r1


1
TN

Bản chất dòng điện trong chân không:
Tiến hành thí nghiệm (SGK/102):
c) Giải thích:
  2

- Khi K được đốt nóng bởi nguồn E 2 : sẽ có sự phát xạ nhiệt electron
tại K.

A

K

r2
K2

G

- Khi chưa có điện trường ngoài (k1 mở) : electron bứt ra khỏi K sẽ tụ tập gần K làm xuất hiện

V

một điện trường hướng từ K (lúc này nhiễm điện dương) ra đám mây electron, có tác dụng kéo

K1

electron trở về K, sau một thời gian sẽ xảy ra trạng thái cân bằng động giữa hai quá trình :

R

electron bị phát xạ nhiệt ra khỏi K và electron quay về K; tức là không có sự dịch chuyển có
 

hướng của electron nên không có dòng điện.

1

r1


1
TN

Bản chất dòng điện trong chân không:
Tiến hành thí nghiệm (SGK/102):

c) Giải thích:
  2

A

K

r2
K2

G

Dòng điện trong diot chân không là dòng dịch chuyển có hướng

V

của các electron bứt ra từ catot bị nung nóng dưới tác dụng

K1

điện trường

R
 

1

r1

1
NC

Bản chất dòng điện trong chân không:
Các loại phát xạ electron:
1. Phát xạ nhiệt electron:

- Năng lượng cần truyền cho electron để thoát ra khỏi mặt kim loai thông thường là cung cấp nhiệt lượng
nhờ sự đốt nóng cực kim loại.

- Khi nhiệt độ tăng, các electron chuyển động nhiệt hỗn loạn có đủ động năng cần thiết bứt ra khỏi mặt
kim loại làm xuất hiện các hạt tải điện tự do.


1
NC

Bản chất dòng điện trong chân không:
Các loại phát xạ electron:
2. Phát xạ quang electron:

•

Ánh sáng là dòng hạt có năng lượng

- Khi ánh sáng đập vào bề mặt kim loai thì một số photon phản xạ trở lại, một số đi sâu vào bên trong và va chạm các
nguyên tử kim loại.

- Các photon truyền năng lượng cho electron trong nguyên tử và electron sẽ bị kích thích chuyển lên mức năng lượng cao
hơn.

- Nếu năng lượng phôton cung cấp đủ lớn thì electron có khả năng thoát ra khỏi bề mặt kim loại


1
NC

Bản chất dòng điện trong chân không:
Các loại phát xạ electron:
3. Phát xạ electron thứ cấp:

- Khi bắn phá bề mặt kim loại không phải là các photon mà là các hạt mang điện như electron hay ion thì cũng làm
xuất hiện các electron tự do.

- Nếu gọi tỉ số giữa số electron thoát ra và số electron bắn phá vào vật là δ thì :

Với kim loại nói chung : δ<2
Với chất bán dẫn : δ>10


1
NC

Bản chất dòng điện trong chân không:
Các loại phát xạ electron:
4. Tự phát xạ electron :

 

- Ta biết rằng khi đặt vào HĐT U vào tụ điện lớn thì tụ điện bị đánh thủng.

- Tương tự nếu đặt HĐT U rất lớn vào hai cực của điốt, điện trường E sinh ra có thể rất lớn làm sinh ra một lực hút
đủ lớn kéo electron bứt ra khỏi bề mặt kim loại và phát sinh ra một dòng điện có cường độ yếu.

- Số lượng electron thoát ra tăng khi U tăng.


1
C2

Bản chất dòng điện trong chân không:

Theo dự đoán của bạn, ở nhiệt độ bình thường, có thể có các electron tự do bứt ra khỏi mặt kim loại không? Vì sao?

  2

r2
năng đủ lớn để thắng được lực hút cúa các ion kim loại. Ở nhiệt độ bình thường,

A

K

- Electron tự do trong kim loại muốn bứt ra khỏi mặt kim loại thì phải có một động
K2

G

động năng trung bình của chuyển động nhiệt của các electron nhỏ hơn công thoát

V

này, tuy nhiên cũng có trường hợp một số ít các electron có động năng chuyển

K1

động nhiệt rất lớn do ít va chạm với các ion dương ở các nút mạng tinh thể, khi
đến bề mặt kim loại, các electron này bứt ra khỏi mặt kim loại.

R
 

1

r1


2 Sự phụ thuộc của cường độ dòng điện trong chân không vào hiệu điện thế:
ĐT

Đặc tuyến V-A của dòng điện trong chân không khi catot có nhiệt độ T và T’>T.

•

I

Khảo sát sự phụ thuộc của I trong chân không vào U đặt giữa anot và catot, người ta thu được đồ thị
sau:

T’>T

 

T

O
 

U


2 Sự phụ thuộc của cường độ dòng điện trong chân không vào hiệu điện thế:
ĐT

Đặc tuyến V-A của dòng điện trong chân không khi catot có nhiệt độ T và T’>T.
I

•

Từ đồ thị, ta thấy:
T’>T

- Đặc tuyến V-A không là đường thẳng. Vậy dòng điện trong chân
không không tuân đeo định luật Ohm.
 

T

 

- Khi : U tăng thì I tăng.
 

- Khi : U tăng, I không tăng và : Cđdđ đạt giá trị lớn nhất (bão hòa).
Nhiệt độ catot càng cao (T’>T) thì càng lớn.
O
 

U


2 Sự phụ thuộc của cường độ dòng điện trong chân không vào hiệu điện thế:
C3

•Đồ  thị cho thấy tuy U < 0 nhưng nếu |U| nhỏ vẫn có thể có . Giải thích tại sao.
I

- Khi đặt vào anot và catot một hiệu điện thế U<0 thì điện
T’>T
trường theo hướng ngược lại, lực điện tác dụng làm cản trở
chuyển động của e phát xạ nhiệt chuyển động từ catot đến
 

T

anot, nếu |U| nhỏ thì vẫn có một số e đến được anot tạo dòng
điện nhỏ. Khi |U| có giá trị lớn thì lúc đó không còn e nào đến
được anot, ta gọi đó là hiệu điện thế hãm.
O
 

U


2 Sự phụ thuộc của cường độ dòng điện trong chân không vào hiệu điện thế:
C4

•Tại
  sao giá trị của

tăng khi nhiệt độ của catot tăng?
I

- Khi nhiệt độ catot tăng thì thì các e phát xạ nhiệt càng nhiều,
T’>T
do đó số lượng e đến được anot tăng làm dòng điện bão hòa
tăng.
 

T

O
 

U