Dòng điện trong chân không

Thuyết trình
Dòng điện trong chân không
Nho`m 2
- 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.
I>Bản chất của dòng điện trong chân không :
1) 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.
+ Một ống thủy tinh đã hút chân không.

+ Hai điện cực anốt A và catốt K.
+ Hai nguồn điện không đổi E1 và E2.
+ Điện kế G.
+ Hai ngắt k1 và k2.
2) Thí nghiệm :
a) Dụng cụ :



+ Đóng k1, mở k2 : G chỉ số không, chứng tỏ không có dòng điện chạy qua chân không.




Vậy :Chân không là môi trường cách điện tốt.




K1
+ Mở k1, đóng k2 : K được đốt nóng bởi nguồn E 2, G chỉ số không, qua đó chứng tỏ không có dòng điện qua chân không.

K1
+ Đóng cả k1 và k2 :
Nguồn E 1 mắc như hình vẽ : G chỉ số khác không, chứng tỏ có dòng điện chạy qua chân không.


K1
- Đảo cực nguồn E 1 : G chỉ số không, chứng tỏ không có dòng điện chạy qua chân không.

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

K1
+ 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.
c) Giải thích :
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.
Vậy : Dòng điện trong chân không là dòng chuyển dời có hướng từ catốt đến anốt của các electron phát xạ nhiệt từ catốt dưới tác dụng của điện trường ngoài.
II>Cường độ dòng điện trong chân không :
1) Khi UAK < 0 : không có dòng điện qua ống chân không.
2) Khi UAK > 0 : trong mạch có dòng điện.
+ UAK càng lớn thì cường độ dòng điện càng lớn; nhưng dòng điện không tuân theo định luật Ohm đối với hiệu điện thế.
+ Khi UAK đạt đến một giá trị nào đó thì hầu như toàn bộ các electron bứt ra khỏi K đều về hết A, lúc đó nếu tiếp tục tăng UAK thì dòng điện không tăng nữa; ta nói dòng điện qua ống chân không đã đạt giá trị bão hòa.
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
- Nhiệt độ của K càng lớn thì electron bị phát xạ nhiệt càng nhiều nên cường độ dòng bão hoà càng lớn.
- Lý thuyết chứng tỏ mật độ dòng điện bão hòa được tính theo công thức :
- 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.
(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.
Đặc tuyến volt ampère:
3. Tia catôt
a) Khái niệm
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 êlectron do catôt phát ra
và bay trong chân không

=> Khái niệm

Tia catôt là dòng các êlectron do catôt phát ra và bay trong chân không.




.
Vậy tia catôt có những tính chất gì???
b) Tính chất
Tia catôt truyền thẳng

Tia catôt làm phát quang một số chất khi đập vào chúng


Vôi
Tia catôt bị lệch trong điện trường
Thí nghiệm minh hoạ
Tia catôt mang năng lượng

Làm đen phim ảnh, huỳnh quang tinh thể, phát tia X, làm nóng vật, tác dụng lực lên vật

Tia catôt phát ra vuông góc với mặt catôt, gặp vật cản bị chặn lại và làm vật đó tích điện âm
-
-
Tia catôt có thể đâm xuyên các lá kim loại mỏng, tác dụng lên kính ảnh và ion hoá không khí
- 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)Phát xạ nhiệt electron
b)Các loại phát xạ 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
2) Phát xạ quang electron.
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 bản dẫn : δ>10
3)Phát xạ electron thứ cấp.
Ta biết rằng khi đặt vào HĐT U vào tụ điện lớn Ugh 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.
4)Tự phát xạ electron
III>Ứng dụng của dòng điện trong chân không :

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.
1) Đèn điện tử :
+ Dùng trong các mạch khuếch đại dao động, máy phát dao động điện từ.
Đèn điện tử chân không hai cực. Đèn điện tử chân không ba cực.
- 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.
Đèn điện tử chân không ba cực
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 (như hình), điện trường cực điều khiển sẽ quyết định đến cường độ dòng điện đi đến a-nốt.
- 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...
2) Ống phóng điện tử :
a) Cấu tạo :
b) Hoạt động :
c) Ứng dụng : dùng trong các dao động ký điện tử, trong các máy thu hình.
+ Đặt vào anốt và catốt một hiệu điện thế khoảng từ vài trăm đến vài nghìn volt.
+ 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.
* Nguyên lí hoạt động
+
+
-
+
-
+
+
-
-
+
3) Phát ra tia X
+ 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
- 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.
Nguyên lí hoạt động
Hình ảnh chụp X quang tay người đeo nhẫn Ảnh chụp tia X một hộp sọ người
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 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).
4)Kính hiển vi điện tử
Kính hiển vi điện tử quét
Là một thiết bị cho phép quan sát hình ảnh bề mặt mẫu với độ phân giải cao hơn kính hiển vi quang học hàng ngàn lần. cơ sở của việc tạo ảnh dựa trên sự tương tác của electron và mẫu nghiên cứu nên kính hiển vi điện tử quét không chỉ cho hình ảnh bề mặt với độ phân giải cao mà còn cho biết nhiều thông tin quan trọng khác của mẫu như: thành phần hóa học cách sắp xếp các nguyên tử.
Kính hiển vi điện tử truyền qua

Chùm electron phát ra từ súng điện tử được hội tụ bởi các thấu kính điện từ trước khi đi qua mẫu. độ rộng của chùm electron tới mẫu được điều khiển bởi một khe hẹp. chùm electron truyền qua mẫu tiếp tục đi qua một thấu kính điện từ gọi là vật kính. Khe hẹp ngay sau vật kính cho phép lựa chọn vùng cần quan sát. Chùm electron này qua một thấu kính trung gian trước, sau đó đi qua thấu kính phóng đại làm cho ảnh của vùng nghiên cứu (được chọn bởi khe hẹp sau vật kính) được phóng đại hàng trăm ngàn lần. nhờ đó có thể quan sát được các cấu trúc cỡ nm của mẫu.
Ngoài việc cho biết hình dạng, kích thước hạt, biên hạt, kính hiển vi điện tử truyền qua còn cho biết thông tin về sự sắp xếp các hạt, các nguyên tử trên từng diện tích vimo (vùng micromet). Do cách tạo ảnh từ chùm electron truyền qua nên các mẫu nghiên cưú phải rất mỏng để electron có thể truyền qua được.
CÁC LOẠI KÍNH HIỂN VI ĐIỆN TỬ
Kính hiển vi điện tử quét
Kính hiển vi điện tử truyền qua
kính hiển vi điện tử truyền
Thiết bị kính hiển vi điện tử quét

Hình ảnh đầu một con kiến
Thử đoán xem đây là gì nhé ???
Còn nữa nè !!
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.
Củng cố bài học:
1: Chọn phát biểu đúng:
A: Dòng điện trong chân không tuân theo định luật Ôm.
B: Khi hiệu điện thế đặt vào điôt chân không tăng lên thì cường độ dòng điện tăng.
C: Dòng điện chạy trong điôt chân không chỉ theo một chiều từ anôt đến catôt.
D: Quỹ đạo của electron trong tia catôt không phải là một đường thẳng.
Củng cố bài học:
2: Chọn phát biểu sai:
A: Tia catôt làm phát quang tất cả các chất.
B: Tia catôt truyền thẳng.
C: Tia catôt bị lệch trong điện trường, từ trường.
D: Tia catôt mang năng lượng.
BT về nhà:
BT SGK/105
BT 3.8 & 3.9/SBT
Bài học kết thúc tại đây
Cảm ơn !

Nguyễn Đình Tuấn
Hoàng Hà
Đỗ Quốc Khải
Vũ Xuân Dũng
Đặng Thảo Phương
Nguyễn Hồng Ngọc
Trần Thị Phương Hải
Đỗ Nguyệt Anh
Vũ Tuấn Anh
Đỗ Thanh Tuyền

Implementation
The end!