§ 11. Електричний струм у вакуумі

Електричний струм у вакуумі. Як ми знаємо, щоб існував електричний струм, необхідні вільні носії електричного заряду. Що ж є носієм заряду у вакуумі? Як відомо, вакуум (від лат. vacuum — порожнеча), тому за одним із визначень, вакуум — це розріджений стан газу за тиску, меншого від атмосферного. Вакуум є ізолятором, оскільки не має вільних носіїв заряду.

Розглянемо посудину, в якій створено високий вакуум — стан газу, за якого довжина вільного пробігу молекул (відстань, яку пролітає молекула між зіткненнями) перебільшує розміри посудини. У посудині містяться дві металеві пластини — електроди — катод і анод. Один із цих електродів може стати джерелом вільних електронів, якщо їм надати додаткової енергії, достатньої для виконання роботи виходу з металу. Процес випускання електронів з поверхні металу називають емісією. Емісія за певних умов настає за освітлення металу (зовнішній фотоефект), нагрівання (термоелектронна емісія), під дією сильного електричного поля (автоелектронна емісія), за бомбардування поверхні металу потоком електронів у вакуумі (вторинна електронна емісія) тощо. Проте електрони, вирвавшись за межі електрода, далеко від його поверхні відлетіти не можуть, оскільки, втрачаючи електрони, електрод сам одночасно заряджається позитивно й притягує їх назад. Між «електронною хмаринкою» над металом та «електронним газом» у металі встановлюється динамічна рівновага. Якщо ж тепер катод з’єднати з негативним полюсом джерела струму, а анод — з позитивним, то електрони будуть рухатися від катода до анода, і в посудині виникне електричний струм.

Прилади, в яких використовувався електричний струм у вакуумі (електронні лампи (вакуумні діоди та тріоди), електронно-променеві трубки та ін.), активно використовували в електротехніці в першій половині ХХ ст. (мал. 60).

Мал. 60. Прилади, де використовується електричний струм у вакуумі: а — вакуумний діод Флемінга (1904); б — кінескоп телевізора (50-ті роки ХХ ст.); в — кінескоп монітора комп’ютера (90-ті роки ХХ ст.)

На сьогодні на зміну електронним лампам прийшли напівпровідникові прилади, електронно-променевим трубкам — рідкокристалічні екрани, проте вивчення закономірностей електричного струму у вакуумі залишається важливим, оскільки він і сьогодні використовується, наприклад, для вакуумного плавлення та зварювання, у вакуумних фотоелементах.

Розглянемо детальніше струм у вакуумі, створений завдяки термоелектронній емісії (на прикладі вакуумного діода).

Мал. 61. Будова й умовне позначення вакуумного діода

На малюнку 61 наведено схему будови вакуумного діода та його умовне позначення на радіосхемах. Усередині балона зі скла або металокераміки, з якого відкачано повітря, розміщено два циліндричні електроди: металевий анод (А) і металевий катод (К). Розміщена в його середині спіраль (С) нагрівається електричним струмом і спричинює термоелектронну емісію електронів з катодів. Навколо катода утворюється електронна хмара — хмара просторового заряду.

Якщо підключити катод до позитивного полюса батареї, а анод — до негативного, то поле всередині діода зміщуватиме електрони до катода, і струму не буде. Якщо ж навпаки — анод підключити до плюса, а катод до мінуса, то електричне поле переміщуватиме електрони в напрямку від катода до анода (анодний струм). Цим пояснюється властивість односторонньої провідності діода, яку використовують у випрямлячах змінного струму (коли треба перейти від змінного струму до постійного). Тепер у випрямлячах використовують напівпровідникові діоди.

Мал. 62. Вольт-амперна характеристика вакуумного діода

Властивості вакуумного діода, як і будь-якого приладу, відображає його вольт-амперна характеристика (мал. 62) — залежність величини анодного струму через діод І_a від прикладеної напруги U між катодом і анодом. Основна причина нелінійності вольт-амперної характеристики вакуумного діода в тому, що катод випускає вільні електрони в обмеженій кількості. До того ж на рух електронів, крім поля між анодом і катодом, істотно впливає поле просторового заряду електронної хмари. Що вищою буде напруга між анодом і катодом, то меншим буде просторовий заряд електронної хмари й більша кількість електронів досягне анода, а отже, більшою буде сила струму в колі. Якщо за деякої напруги всі електрони, що покинули катод, досягають анода, то з подальшим збільшенням напруги сила струму практично не змінюється. Струм досягає насичення.

Якщо підвищити температуру катода, то більша кількість електронів буде залишати катод. Електронна хмара навколо нього стане щільнішою. Струм насичення буде досягнуто за більшої напруги між анодом і катодом, а сила струму насичення зросте.

Електронні пучки та їх властивості. Рухаючись між катодом і анодом, електрони прискорюються електричним полем і набувають величезної швидкості, досягаючи 10 8 м/с і більше. У спеціально побудованих прискорювачах швидкість руху електронів наближається до швидкості світла

Якщо в аноді зробити отвір, то частина електронів, прискорених електричним полем, пролетить в отвір, утворюючи за анодом так званий електронний пучок. Кількістю електронів у пучку можна керувати, змінюючи потенціал додаткового електрода, встановленого між катодом і анодом. Взаємодіючи з речовиною, електронні пучки спричиняють різні ефекти. Усі ці властивості використовують на практиці, наприклад: для електронного плавлення надчистих металів у вакуумі, отримання рентгенівських променів.

Властивості електронних пучків поширюватися прямолінійно, відхилятися в електричному або магнітному полі та спричиняти світіння люмінофорів, якими покривають екран, застосовують в електронно-променевих трубках (мал. 63), які донедавна використовували в телевізорах і моніторах комп’ютерів.

Мал. 63. Схематичне зображення електронно-променевої трубки

ЗНАЮ, ВМІЮ, РОЗУМІЮ

1. У чому суть явища емісії? 2. Поясніть будову вакуумного діода. Які функції може виконувати діод? 3. Які закономірності вольт-амперної характеристики вакуумного діода? 4. Які властивості електронних променів (пучків)?

Приклади розв’язування задач

Задача. Пучок електронів з енергією 1 W = 3000 еВ рухається у вакуумі паралельно пластинам незарядженого конденсатора. Визначте вертикальне зміщення цього пучка на виході з конденсатора, якщо на конденсатор подати напругу U = 600 В. Довжина пластин конденсатора L = 6 см, а відстань між ними d = 3 см.

1 Досить часто для малих значень eнepгії виκopиcтовують одиницю електрон-вольт: 1 еВ = 1,6·10 -19 Дж.

• 1. З нитки катода діаметром 0,16 мм і довжиною 5 см випромінюється за одиницю часу 1,5 • 10 17 електронів із квадратного сантиметра поверхні. Вважаючи, що до анода долітає кожний п’ятий електрон, визначте спад напруги на опорі 5 кОм, який включений в анодне коло лампи.
• 2. У діоді електрон підлітає до анода, маючи швидкість 8 Мм/с. Визначте анодну напругу.
• 3. В електронно-променевій трубці прискорювальна анодна напруга дорівнює 16 кВ, а відстань від анода до екрана — 30 см. За який час електрони проходять цю відстань?
• 4. Відстань між катодом й анодом діода дорівнює 1 мм. Скільки часу рухається електрон від катода до анода, якщо анодна напруга становить 40 В? Вважайте, що рух рівноприскорений.

Перевірте себе (§ 1-11)

1. Укажіть назву величини, що характеризує швидкість перенесення електричного заряду через поперечний переріз провідника.

• А) робота струму
• Б) електрорушійна сила
• В) сила струму
• Г) потужність струму

2. У якому середовищі здійснюється перенесення речовини під час проходження струму?

• А) у металах
• Б) в електролітах
• В) у напівпровідниках
• Г) у будь-якому середовищі

3. Укажіть рядок, у якому наведено лише діелектрики.

• А) вода, ртуть, олія
• Б) залізо, алюміній, магній
• В) повітря, скло, водний розчин соляної кислоти
• Г) слюда, парафін, спирт

4. У колі, зображеному на малюнку, амперметр показує 1 А. До яких точок кола потрібно під’єднати вольтметр, щоб його покази були 4 В?

• А) до точок А і Б
• Б) до точок Б і В
• В) до точок В і Г
• Г) до точок А і В

5. Укажіть джерело світла, в якому використовується розряд у гамі.

• А) люмінесцентна лампа
• Б) лампа розжарювання
• В) світлодіод
• Г) прожектор

6. Як зміниться маса речовини, що виділяється на електроді, якщо силу струму, яка проходить через електроліт, збільшити в 3 рази, а час електролізу — зменшити в 6 разів?

• А) зменшиться у 18 разів
• Б) зменшиться у 2 рази
• В) зменшиться в 6 разів
• Г) зменшиться у 3 рази

7. У колі, зoбpаженoмy на малюнку, повзунок реостата пересунули вниз. Укажіть правильний характер змін.

• А) сила струму зменшилась, напруга збільшилась
• Б) сила струму й напруга збільшились
• В) сила струму збільшилась, напруга зменшилась
• Г) сила струму й напруга зменшились

8. За дaними малюнка визначте кількість теплоти, яка виділяється в колі протягом 20 хв.

9. Через розчин сірчаної кислоти пропустили заряд 2·10 5 Кп. Визначте масу та об’єм утвореного водню за нормальних умов (ρ_атм =10 5 Па, Т = 273 К), густина водню — 0,09 кг/м 3

10. Три гальванічні елементи, ЕРС яких 2,2 В; 1,1 В; 0,9 В, а внутрішні опори відповідно 0,2 Ом; 0,4 Ом; 0,5 Ом, увімкнені в коло послідовно та створюють струм 1 А. Визначте зовнішній опір кола.

Ви запитали: чи кипить вода у вакуумі при кімнатній температурі?

При зниженні тиску рідина кипить при нижчій температурі. Вода (або будь-яка рідина) кипить, коли тиск її пари дорівнює атмосферному. … Фактично, ви можете кип’ятити воду при температурах, нижчих за кімнатну. Вода взагалі не є рідиною, коли тиск наближається до вакууму.

При якій температурі кипить вода у вакуумі?

> Температура кипіння води проти вакуумної таблиці тиску

Вода у вакуумі кипить при вищій або нижчій температурі, ніж за нормального тиску?

З таким меншим тиском вам не потрібно докладати стільки тепла, щоб підняти тиск пари за межі атмосферного тиску навколишнього середовища – іншими словами, вода кипить при більш низькій температурі. Поміщення рідини в частковий вакуум також знизить її температуру кипіння.

Чи існує волога у вакуумі?

Наявність водяної пари у вакуумних системах є, мабуть, найпоширенішою з усіх проблем, з якими стикаються практикуючі вакуумні технології. . Водяна пара у вигляді вологості є зустрічається у всьому повітрі.

Як можна кип’ятити воду без вогню чи електрики?

8 простих способів кип’ятіння води без електрики

1. Газова плита.
2. Табірна піч.
3. Гриль -барбекю.
4. Вогняна яма.
5. Камін або дров’яна піч.
6. Сонячна плита.
7. Свічки.
8. Ракетна піч.

Що станеться, якщо налити воду у вакуумну камеру?

У вакуумній камері тиск може бути надзвичайно низьким. Насправді так низько вода фактично може закипіти при кімнатній температурі. Отже, якщо ви налисте трохи води у камеру з високим вакуумом, ви побачите, як вона закипить.

Чому вода у вакуумі кипить при нижчій температурі і стає холоднішою під час кипіння?

Чому вода у вакуумі кипить при нижчій температурі, а під час кип’ятіння охолоджується? Поміщення рідини в частковий вакуум також знизить її температуру кипіння. Причина та ж: По видаляючи частину повітря, що оточує рідину, ви знижуєте атмосферний тиск на ній.

Чому вода кипить під вакуумом?

Тиск і температура є двома факторами, які визначають поточний стан речовини об’єктів. Надмірний тиск перетворить воду на лід при кімнатній температурі. Отже, нульовий тиск, як і у вакуумі, змушує воду негайно перетворюватися на газ. Ось чому вода кипить у вакуумі.

Що відбувається з водою в космосі?

Вода, вилита в космос (за межами космічного корабля) швидко випаровуватися або википати. У космосі, де немає повітря, немає тиску повітря. З падінням тиску повітря температура, необхідна для закипання води, стає нижчою. … У космосі через відсутність тиску повітря вода википає при надзвичайно низькій температурі.

Що робить волога у вакуумі?

Наприклад, при внутрішньому тиску 29.87 дюйма вода кипить лише за 6°F. При цьому тиску волога легко перетворюється на пара, які видаляє насос. Чим глибше і повніше вакуум, тим більше вологи видаляється з системи.

При якій температурі вода закипає

Вода закипає при температурі, при якій тиск насичених парів води дорівнює зовнішньому тиску. Тому при нормальному атмосферному тиску вона закипає при 100 град. Цельсія, і по фігу скільки зовні градусів. Важливо саме тиск, а не температура зовнішнього середовища. І при нулі градусів вода кипить не у вакуумі, а при двленіі вище вакууму – кілька мм рт. ст.

Чим вище зовнішній тиск, тим при більшій температурі вода кипить. Але при температурі вище 374 град. вже ніякого тиску не вистачить, щоб запобігти її кипіння: ця температура називається критичною. При такій температурі (і вище) вода вже не може перебувати в рідкому стані.

може залишитися накопичений водою, якщо знайти матеріал для судини в який можливо помістити цю воду. Ця температура (+374 град Цельсія) обмежена саме відсутністю матеріалу. З розвитком матеріалознавства ця температура може стати вище, над чим сьогодні працюють ряд вчених. – 3 роки тому

Я пацсталом. Таку температуру спокійно витримує звичайна каструля. Ніколи не задавалися питанням, чому рідкий повітря – це суворий мінус (майже -200), а в балонах завжди СТИСНЕНИЙ повітря, тоді як рідка вода – це ось воно, з крана? – 3 роки тому

Температури кипіння води в різних умовах відрізняється в залежності від зміни тиску рідини в посудині і тиску атмосфери: при звичайному атмосферному тиску (близько 760 мм рт. Ст.) Становить 100 ° С. Однак вода може закипіти і при 70 ° С. Точка закипання залежить від: підвищення або зниження атмосферного тиску, наприклад в горах (чим вище поверхню води, тим нижче температура кипіння); в вакуумі, в розрідженому середовищі, при тиску 0,001 атм. рідина закипить при 6,7 ° С.

Якщо вода знаходиться в герметичній посудині, то температура її закипання буде вище через прямій залежності від тиску всередині ємності: при нагріванні рідина утворює пар, що перетворюється в конденсат на стінках посудини, який підвищує внутрішній тиск. В таких умовах температуру закипання води можна регулювати і вона найчастіше варіюється від 80 до 120 ° С при 0,78-1,04 атмосферного тиску.

При кип’ятінні води в каструлі в першу чергу нагрівається її дно і стінки, тут утворюються бульбашки з водяною парою. У них температура помітно вище, ніж в інших рідинах. Тільки до певного моменту тиск води на ці бульбашки не дозволяє їм вирватися назовні і пар стискається. Так триває поки не зрівняється температура пара і основної маси рідини. Тільки тоді бульбашки можуть спливати, починається нуртування води. Це так званий білий ключ. перша фаза кипіння.

Зазвичай воді досить нагрітися до 100 градусів Цельсія, щоб закипіти.

Якщо підніматися вгору, то на кожні триста метрів підйому температура закипання води зменшується на 1 градус.

Альпіністи навіть скаржаться, що високо в горах у них чай толком не заварюється. На висоті 6 кілометрів вода кипить вже при 80 градусах.

Температура кипіння або точка кипіння – температура, при якій відбувається кипіння рідини, яка знаходиться під постійним тиском. Температура кипіння відповідає температурі насиченої пари над плоскою поверхнею киплячій рідини. Що з себе являє кипіння ми розібралися, а при якій температурі закипає вода? Здавалося очевидний-вода кипить при 100 ° С, але це правило працює лише при нормальному атмосферному тиску тобто 760 мм ртутного столба.А наприклад високо в горах. де тиск не досягає до 760мм ртутного стовпа вода закипає не досягнувши 100 ° С.І вода може кипіти досягнувши 100 ° С, але за умови що ця вода надзвичайно чиста, позбавлена ​​яких би то не було домішок.

При нормальному атмосферному тиску, яким вважається тиск, що дорівнює 760 мм. ртутного стовпа (Р = 760 мм. рт. ст.), то в цьому випадку вода повинна закипати і закипає при температурі, яка дорівнює сто градусів за Цельсієм.

Загальновідомо і те, що цифри ці (температура кипіння води) зменшуються, відповідно, при зниженні атмосферного тиску. На вершинах гір (наприер, того ж Евересту) вода закипає вже при температурі 70 градусів. І навпаки – чим вище тиск, тим вище / більше температура кипіння води.

Вода закипає при нормальних умовах (температура навколишнього середовища 20 градусів Цельсія, тиск близько 745-760 міліметрів ртутного стовпа) при досягненні температури 100 градусів Цельсія. Температури кипіння води залежить від тиску, так наприклад високо в горах температура кипіння води набагато нижче, а в скороварці становить 120 градусів Цельсія. Це все через різницю в тиску.

буває в горах кипить і при 76 градусах Цельсія – 3 роки тому

Ну взагалі то при ста градусах Цельсія, при тиску сімдесят шість сантиметрів ртутного стовпа. Це ж еталон і звідси і взято. При більш низькому тиску, наприклад в горах вода закипає при більш низькій температурі. При більш високому тиску, приклад в автоклаві або в системі охолодження вашого автомобіля, при більш високій температурі.

760 ММ рт ст зазвичай говорять, 76 см рт ст так не говорять. – 3 роки тому

Залежить від хімічної структури води і складу домішок в тому числі металів і солей. В середньому водопровідна вода переходить в газоподібний стан при температурі 100 градусів за Цельсієм при атмосферному тиску 785 мм.рт.ст – звичайний тиск. Що і приймається за точку кипіння.

нормальний атмосферний тиск 760 мм.рт.ст. 785 мм.рт.ст це значно підвищений тиск. – 3 роки тому

Схожі статті