Bài 21. Dòng điện trong chân không

Vật Lý 11
Dòng điện trong chân không
Bài 21:
Dòng điện trong chân không
Bài 21:
Nội dung bài học:
1
Bản chất dòng điện trong chân không
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
Bản chất dòng điện trong chân không:
Môi trường chân không
1.1
1
- 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 10-4mmHg, 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.
Bản chất dòng điện trong chân không:
Môi trường chân không
1.1
1
- 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.
TN
1
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.
 
Bản chất dòng điện trong chân không:
TN
1
Tiến hành thí nghiệm (SGK/102):
Nguồn điện E2, để đốt nóng catot K. Nguồn điện E1 để tạo hiệu điện thế U giữa hai cực của diot; nhờ biến trở R có thể thay đổi giá trị của U.

Sơ đồ thí nghiệm nghiên cứu dòng điện trong chân không
Bản chất dòng điện trong chân không:
TN
1
Tiến hành thí nghiệm (SGK/102):
b) Tiến hành và kết quả:
 
 
r1
 
r2
K2
K1
G
K
A
V
R
Bản chất dòng điện trong chân không:
TN
1
Tiến hành thí nghiệm (SGK/102):
b) Tiến hành và kết quả:
 
 
- G chỉ số 0, chứng tỏ không có dòng điện chạy qua chân không .
Chân không là môi trường cách điện tốt.
 
r1
r2
K2
K1
G
K
A
V
R
Bản chất dòng điện trong chân không:
TN
1
Tiến hành thí nghiệm (SGK/102):
b) Tiến hành và kết quả:
 
 
r1
 
r2
K2
K1
G
K
A
V
R
Bản chất dòng điện trong chân không:
TN
1
Tiến hành thí nghiệm (SGK/102):
b) Tiến hành và kết quả:
 
 
- K được đốt nóng bởi nguồn E2 ,G chỉ số 0, chứng tỏ không có dòng điện chạy qua chân không .
 
r1
r2
K2
K1
G
K
A
V
R
Bản chất dòng điện trong chân không:
TN
1
Tiến hành thí nghiệm (SGK/102):
b) Tiến hành và kết quả:
 
 
r1
 
r2
K2
K1
G
K
A
V
R
Bản chất dòng điện trong chân không:
TN
1
Tiến hành thí nghiệm (SGK/102):
b) Tiến hành và kết quả:
 
 
- G chỉ số khác 0, chứng tỏ có dòng điện chạy qua chân không .
 
r1
r2
K2
K1
G
K
A
V
R
Bản chất dòng điện trong chân không:
TN
1
Tiến hành thí nghiệm (SGK/102):
b) Tiến hành và kết quả:
Đảo cực E1.
 
r1
 
r2
K2
K1
G
K
A
V
R
Bản chất dòng điện trong chân không:
TN
1
Tiến hành thí nghiệm (SGK/102):
b) Tiến hành và kết quả:
 
- G chỉ số 0, chứng tỏ không có dòng điện chạy qua chân không .
 
r1
r2
K2
K1
G
K
A
V
R
- Đảo cực E1.
Dòng điện chạy qua chân không (nếu có) chỉ theo một chiều từ A đến K.
Bản chất dòng điện trong chân không:
TN
1
Tiến hành thí nghiệm (SGK/102):
c) Giải thích:
Bản chất dòng điện trong chân không:
- Khi K được đốt nóng bởi nguồn E 2 : sẽ có sự phát xạ nhiệt electron tại K.
- Khi chưa có điện trường ngoài (k1 mở) : electron bứt ra khỏi K sẽ tụ tập gần K làm xuất hiện một điện trường hướng từ K (lúc này nhiễm điện dương) ra đám mây electron, có tác dụng kéo electron trở về K, sau một thời gian sẽ xảy ra trạng thái cân bằng động giữa hai quá trình : 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.
TN
1
Tiến hành thí nghiệm (SGK/102):
c) Giải thích:
Bản chất dòng điện trong chân không:
Dòng điện trong diot chân không là dòng dịch chuyển có hướng của các electron bứt ra từ catot bị nung nóng dưới tác dụng điện trường
TN
1
Tiến hành thí nghiệm (SGK/102):
c) Giải thích:
Bản chất dòng điện trong chân không:
Khi đặt vào giữa A và K một điện trường : giữa A và K có điện trường tổng hợp
Khi hướng từ A về K :
Nếu E1 > E2 : có hướng từ A về K nên kéo electron từ K về A sinh ra dòng điện.
Nếu E1 < E2 : có hướng từ K về A có tác dụng kéo electron quay về K nên không sinh ra dòng điện (thực ra vẫn có dòng điện nhưng rất nhỏ là do khi electron bứt ra khỏi K, nó có một động năng ban đầu nào đó).
Khi hướng từ K về A : có hướng từ K về A có tác dụng kéo electron quay về K nên không sinh ra dòng điện.
Bản chất dòng điện trong chân không:
Các loại phát xạ electron:
NC
1
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.
Bản chất dòng điện trong chân không:
Các loại phát xạ electron:
NC
1
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
Bản chất dòng điện trong chân không:
Các loại phát xạ electron:
NC
1
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
Bản chất dòng điện trong chân không:
Các loại phát xạ electron:
NC
1
4. Tự phát xạ electron :
 
- 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.
C2
1
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?
- Electron tự do trong kim loại muốn bứt ra khỏi mặt kim loại thì phải có một động năng đủ lớn để thắng được lực hút cúa các ion kim loại. Ở nhiệt độ bình thường, động năng trung bình của chuyển động nhiệt của các electron nhỏ hơn công thoát này, tuy nhiên cũng có trường hợp một số ít các electron có động năng chuyển 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.
ĐT
2
Sự phụ thuộc của cường độ dòng điện trong chân không vào hiệu điện thế:
Đặc tuyến V-A của dòng điện trong chân không khi catot có nhiệt độ T và T’>T.
Khảo sát sự phụ thuộc của I trong chân không vào U đặt giữa anot và catot, người ta thu được đồ thị sau:
ĐT
2
Sự phụ thuộc của cường độ dòng điện trong chân không vào hiệu điện thế:
Đặc tuyến V-A của dòng điện trong chân không khi catot có nhiệt độ T và T’>T.
Từ đồ thị, ta thấy:
- Đặc tuyến V-A không là đường thẳng. Vậy dòng điện trong chân không không tuân đeo định luật Ohm.
 
 
C3
2
Sự phụ thuộc của cường độ dòng điện trong chân không vào hiệu điện thế:
 
- Khi đặt vào anot và catot một hiệu điện thế U<0 thì điện trường theo hướng ngược lại, lực tác dụng làm cản trở chuyển động của e phát xạ nhiệt từ catot đến anot, nếu |u| nhỏ vẫn có một số được anot tạo dòng nhỏ. khi giá trị lớn lúc đó không còn nào ta gọi là hiệu thế hãm.
C4
2
Sự phụ thuộc của cường độ dòng điện trong chân không vào hiệu điện thế:
 
- Khi nhiệt độ catot tăng thì thì các e phát xạ nhiệt càng nhiều, do đó số lượng e đến được anot tăng làm dòng điện bão hòa tăng.
UAK <0
Khi bứt ra khỏi catot,1 số e có động năng lớn có thể chuyển động ngược chiều điện trường về anốt tạo thành dòng điện. Số e này không nhiều nên dòng điện trong TH này là khá nhỏ.
K2
Khi U < Ubh : U tăng thì I tăng.
K2
U tăng nhưng chưa lớn
K2
Khi U ≥ Ubh : U tăng I không tăng và có giá trị I = Ibh (gọi là cường độ dòng điện bão hoà).
Nhiệt độ catôt càng cao thì Ibh càng lớn.
K2
2
Sự phụ thuộc của cường độ dòng điện trong chân không vào hiệu điện thế:
Vì diot chân không có tình dẫn điện theo một chiều nên nó được dung để biến đổi dòng điện xoay chiều thành dòng điện một chiều
K
A
2
Sự phụ thuộc của cường độ dòng điện trong chân không vào hiệu điện thế:
Thực nghiệm chứng tỏ mật độ dòng điện bão hòa được tính theo công thức:
 
(Với B là hệ số phụ thuộc vào kim loại, Ao là công thoát electron từ mặt kim loại.)
Trong thực tế, để có dòng điện lớn, người ta phủ lên catốt một lớp oxit của kim loại kiềm thổ (bari, stronti, canxi, . . .), khi bị đốt nóng các oxit này phát ra nhiều electron hơn.
3
Ứng dụng của dòng điện trong chân không:
3.1
Tia catot:
Thí nghiệm
Điôt chân không
có dạng ống thuỷ
tinh dài và trên A
có 1 lỗ nhỏ O
Nhận xét
Ở sau lỗ có dòng các electron do catôt phát ra
và bay trong chân không
3
Ứng dụng của dòng điện trong chân không:
3.1
Tia catot:
Tia catôt truyền thẳng
Nếu không có tác dụng điện trường hay từ trường. Dùng một lá kim loại mỏng có hình chữ thập làm anot và đặt nó đối diện, song song catot thì ở thành trong ống có một bóng đen hình chữ thập như lá kim loại.
3
Ứng dụng của dòng điện trong chân không:
3.1
Tia catot:
Tia catôt phát quang
Làm phát quang một số chất khi đập vào chúng, như làm thủy tinh phát ra ánh sang xanh lục, vôi phát ra ánh sáng da cam
Vôi
3
Ứng dụng của dòng điện trong chân không:
3.1
Tia catot:
Tia catôt bị lệch trong điện trường, từ trường
Tia catot và nói chung làm chùm e có tốc độ lớn, khi đập vào các vật có nguyên tử lượng lớn (platin) bị hãm lại và phát ra tia Rơn-ghen.
3
Ứng dụng của dòng điện trong chân không:
3.1
Tia catot:
Tia catôt mang năng lượng:
Làm đen phim ảnh, huỳnh quang tinh thể, phát tia X, làm nóng vật, tác dụng lực lên vật
3
Ứng dụng của dòng điện trong chân không:
3.1
Tia catot:
Tia catôt phát ra vuông góc với mặt catôt, gặp vật cản bị chặn lại
và làm vật đó tích điện âm
__
__
3
Ứng dụng của dòng điện trong chân không:
3.2
Ống phóng điện tử:
3
Ứng dụng của dòng điện trong chân không:
3.2
Ống phóng điện tử:
+ Dưới tác dụng của hai cặp bản tụ điện (nằm ngang và thẳng đứng), các electron bứt ra khỏi catốt, sẽ bị lệch và đập vào một điểm nào đó trên mặt huỳnh quang làm điểm đó phát sáng.
+ Đặt vào anốt và catốt một hiệu điện thế khoảng từ vài trăm đến vài nghìn volt.
+ Ứng dụng: dùng trong các dao động ký điện tử, trong các máy thu hình.
3
Ứng dụng của dòng điện trong chân không:
3.2
Ống phóng điện tử:
* Nguyên lí hoạt động
+
+
-
+
-
+
+
-
-
+
3
Ứng dụng của dòng điện trong chân không:
3.3
Đèn điện tử:
Điốt điện tử (đèn điện tử hai cực) : dùng để chỉnh lưu dòng điện xoay chiều thành dòng điện một chiều.
b) Triốt điện tử (đèn điện tử ba cực) :
+ Ngoài anốt A và catốt K còn có thêm cực lưới G dùng để điều khiển dòng điện qua đèn.
+ Dùng trong các mạch khuếch đại dao động, máy phát dao động điện từ.
3
Ứng dụng của dòng điện trong chân không:
3.3
Đèn điện tử:
3
Ứng dụng của dòng điện trong chân không:
3.3
Đèn điện tử:
Đèn điện tử chân không hai cực. Đèn điện tử chân không ba cực.
3
Ứng dụng của dòng điện trong chân không:
3.3
Đèn điện tử:
- Đèn điện tử là một loại thiết bị dựa vào sự khống chế luồng điện tử phát xạ để thực hiện những yêu cầu kỹ thuật phức tạp.
- Khi hoạt động, các đèn điện tử cần đốt nóng các sợi đốt (một sợi ở đèn hai cực, ba cực đơn hoặc nhiều sợi ở các đèn điện tử kép), khi nhiệt độ các sợi đốt đạt đến một mức độ nào đó, động năng của chúng thắng sự liên kết của kim loại và sẵn sàng nhảy ra khỏi bề mặt kim loại của sợi đốt.
- Để điều khiển các đèn điện tử chân không, giữa các cực cần có một điện trường, chính các điện trường này đã tạo ra dòng điện trong chân không: điện tử di chuyển đến a-nốt.
3
Ứng dụng của dòng điện trong chân không:
3.3
Đèn điện tử:
Nếu là đèn điện tử hai cực: Dòng điện tử đơn thuần di chuyển từ ca-tốt đến a-nốt với cường độ phụ thuộc vào điện trường tạo ra (cùng các thông số khác của đèn ảnh hưởng đến)
Nếu là đèn điện tử ba cực, dòng điện này phụ thuộc vào cực điều khiển, điện trường cực điều khiển sẽ quyết định đến cường độ dòng điện đi đến a-nốt.
3
Ứng dụng của dòng điện trong chân không:
3.3
Đèn điện tử:
- Đèn điện tử hai cực (tương đương điốt): nắn điện, tách sóng.
- Đèn điện tử chân không ba cực (tương tự các transistor bán dẫn): khuyếch đại, tạo sóng, biến tần, hiện sóng, chỉ thị báo hiệu, truyền hình, đo lường, tự động...
3
Ứng dụng của dòng điện trong chân không:
3.4
Phát ra tia X:
3
Ứng dụng của dòng điện trong chân không:
3.4
Phát ra tia X:
- Bức xạ tia X là chùm electron được gia tốc với vận tốc lớn. Các electron có động năng lớn sẽ xuyên sâu vào cấu trúc nguyên tử. Nó sẽ tương tác với hạt nhân và các electron lớp trong cùng .
- Khi tương tác với các electron càng trong cùng thì bức xạ phát ra mang năng lượng càng lớn, với bước sóng càng nhỏ.
+ Với nguyên tử có nguyên tử khối càng lớn thì hạt nhân càng nặng, càng nhiều lớp electron. Cho nên khi electron mà xuyên vô được thì năng lượng tương tác càng lớn => tia X có tần số càng lớn
Hình ảnh chụp X quang tay người đeo nhẫn Ảnh chụp tia X một hộp sọ người
3
Ứng dụng của dòng điện trong chân không:
3.5
Kính hiển vi điện tử:
Kính hiển vi điện tử là tên gọi chung của nhóm thiết bị quan sát cấu trúc vi mô của vật rắn, hoạt động dựa trên nguyên tắc sử dụng các hạt điện tử được tăng tốc ở hiệu điện thế cao để quan sát (khác với kính hiển vi quang học sử dụng sóng ánh sáng để quan sát).
Hai loại kính hiển vi điện tử phổ biến nhất :
Kính hiển vi điện tử truyền qua (Transmission Electron Microscope, viết tắt TEM).
Kính hiển vi điện tử quét (Scanning Electron Microscope, viết tắt SEM).
kính hiển vi điện tử truyền
Thiết bị kính hiển vi điện tử quét
Ảnh hiển vi điện tử độ phân giải cao chụp lớp phân cách Si/SiO2
Kính hiển vi điện tử quét được sử dụng phổ biến hơn vì nó cho ảnh có chiều sâu, mẫu phân tích dễ gia công hơn.
Nguyên lí kính hiển vi điện tử truyền qua quét
1. Chọn phát biểu đúng.
A. Dòng điện trong chân không tuân theo định luật Ôm.
B. Khi hiệu điện thế đặt vào điốt chân không tăng thì cường độ dòng điện tăng.
D. Quỹ đạo của electron trong tia catốt không phải là một đường thẳng.
C. Dòng điện trong điốt chân không chỉ theo một chiều từ anốt đến catốt.
(Câu đúng: Màu xanh dương; Câu sai: Màu đỏ)
BÀI TẬP

2. Chọn đáp án đúng:
 
 
 
 
(Câu đúng: Màu xanh dương; Câu sai: Màu đỏ)
BÀI TẬP

Cường độ dòng điện bão hoà trong điốt chân không bằng 1 mA, trong thời gian 1 s số electron bứt ra khỏi mặt catốt là
2. Chọn đáp án đúng:
BÀI TẬP

Cường độ dòng điện bão hoà trong điốt chân không bằng 1 mA, trong thời gian 1 s số electron bứt ra khỏi mặt catốt là
 
3. Chọn đáp án đúng:
 
 
 
 
(Câu đúng: Màu xanh dương; Câu sai: Màu đỏ)
BÀI TẬP

 
3. Chọn đáp án đúng:
BÀI TẬP

 
 
4. Chọn đáp án đúng:
 
 
 
 
(Câu đúng: Màu xanh dương; Câu sai: Màu đỏ)
BÀI TẬP

Số electron N phát ra từ catot trong mỗi giây khi dòng điện trong điốt chân không có giá trị bão hòa I = 12 mA là bao nhiêu?
4. Chọn đáp án đúng:
BÀI TẬP

Số electron N phát ra từ catot trong mỗi giây khi dòng điện trong điốt chân không có giá trị bão hòa I = 12 mA là bao nhiêu?
 
5. Chọn đáp án đúng:
 
 
 
 
(Câu đúng: Màu xanh dương; Câu sai: Màu đỏ)
BÀI TẬP

 
5. Chọn đáp án đúng:
BÀI TẬP

 
 
Cảm ơn thầy và các bạn đã theo dõi