Ковальчук Наталья
511 группа
Тема: «Электрический ток в вакууме».
Цель урока: ознакомить учащихся с током в вакууме, с принципом работы вакуумных приборов на примере вакуумного диода и электронно-лучевой трубки.
Задачи:
Образовательные:
1. сформировать понятие вакуум, термоэлектронная эмиссия, вакуумный диод, электронная лампа, триод, электронно-лучевая трубка, электронная пушка;
2. ознакомить с принципом работы вакуумных приборов на примере вакуумного диода и электронно-лучевой трубки;
3. добиться усвоения учащимися учебного материала по теме «Электрический ток в вакууме».
Развивающие:
1. развивать и совершенствовать память, внимания;
2. формировать культуру устной и письменной речи;
3. развить познавательный интерес;
4. формировать представления о широких возможностях применения физических законов в технике и технологиях;
5. ориентировать учащихся в стремительном потоке научной информации;
6. убедить в необходимости ориентироваться в глобальных проблемах современности.
Воспитательные:
1. формировать механизмы психики (восприятие, память, воображение, мышление и др.);
2. познакомить ученика с возможностями применения физических законов в технике (технологиях);
3. прививать ученику интерес к физике, любознательность;
4. совершенствовать у учащихся представления о связи развития физики с развитием общества, техники и технологиями.
Ведущая идея урока: Вакуум, характеризуется «отсутствием» вещества. Вакуумные приборы, работа которых основана на явлении термоэлектронной эмиссии, называются электронными лампами. Простейшая из них - вакуумный диод - содержит два электрода. Прибор, в котором используется пучок электронов, свободно летящих в пространстве за анодом, называется электронно-лучевой трубкой.
Тип урока: урок усвоения новых знаний.
Форма проведения урока: урок – беседа, урок – лекция, урок решения задач.
Методы обучения: словесные, наглядные, практические.
Использованная литература: Физика: учебное пособие для 11 класса/ , , . –Мн., 2004.
Структура урока:
1. Оргмомент (1 мин);
2. Определение цели и задачи урока (1 мин);
3. Актуализация опорных знаний и способов деятельности (7 – 10 мин);
4. Формирование новых знаний и способов деятельности (20 – 25 мин);
5. Домашнее задание с пояснением (2 – 3 мин).
Содержание урока:
1. Проверка подготовки учащихся, кабинета и классной доски к уроку. Отмечаются отсутствующие.
2. Основной целью урока является ознакомление учащихся с током в вакууме, с принципом работы вакуумных приборов на примере вакуумного диода и электронно-лучевой трубки.
3. Учащимся предлагается ответить на следующие вопросы:
· В результате, какого процесса газ становится проводником? (Газ становиться проводником в результате процесса ионизации.)
· Какие частицы являются носителями тока в газах? (Электроны, положительные и отрицательные ионы.)
· Какие виды самостоятельного разряда вы знаете? (Различают несколько типов самостоятельных разрядов: тлеющий, искровой, коронный, дуговой.)
· При каких условиях возникает тлеющий разряд? (Тлеющим называется газовый разряд в разреженных газах, находящихся при низких давлениях (0,1 – 0,01 мм рт. ст.).)
· Каковы характерные признаки искрового разряда? (Искровой разряд возникает при давлениях порядка атмосферного при увеличении напряжения между электродами в газе до напряжения пробоя. Он сопровождается ярким свечением газа при проскакивании искры, характерным звуком и выделением некоторого количества теплоты.)
· При каких условиях возникает коронный разряд? (В сильном неоднородном электрическом поле при атмосферном давлении возникает коронный разряд.)
· Каковы характерные признаки дугового разряда? (В пространстве между сильно нагретыми электродами возникает дуговой электрический разряд. Он характеризуется большой силой тока (десятки и сотни ампер) и малым напряжением (десятки вольт). Дуговой разряд поддерживается за счет мощной термоэлектронной эмиссии с поверхности катода.)
· Какое состояние вещества называется плазмой? (Плазма – четвертое агрегатное состояние вещества, характеризующееся высокой степенью ионизации его частиц при равенстве концентраций положительно и отрицательно заряженных частиц.)
4. Возможно ли распространение электрического тока в вакууме, характеризующимся «отсутствием» вещества, а следовательно, и отсутствием электрических зарядов?
Для получения вакуума – состояния газа при давлении меньше атмосферного – следует разрежать газ, уменьшая его концентрацию. Чем меньше концентрация и давление газа в сосуде, тем выше вакуум. Пусть расстояние между стенками сосуда 
, а длина свободного пробега молекулы, т. е. среднее расстояние, пролетаемое молекулой между двумя последовательными столкновениями - 
. В зависимости от соотношения между этими величинами различают низкий (
), средний (
) и высокий (
) вакуум. При 
10 см низкому вакууму соответствуют давления 
мм рт. ст., среднему - от 1 мм рт. ст. до 10-3 мм рт. ст. и высокому - 
10-3 мм. рт. ст.
Поскольку в вакууме нет свободных носителей зарядов, то он является идеальным диэлектриком. Следовательно, для того чтобы в вакууме мог проходить электрический ток, в нем необходимо каким-то образом предварительно «создать» некоторую концентрацию свободных носителей заряда.
Это осуществляется с помощью явления термоэлектронной эмиссии, т. е. испускания веществом электронов при нагревании, открытого американским физиком Томасом Эдисоном в 1883 г. При этом электроны, испускаемые нагретым телом, называют термоэлектронами, а само тело - эмиттером.
Вакуумные приборы, работа которых основана на явлении термоэлектронной эмиссии, называются электронными лампами. Простейшая из них - вакуумный диод - содержит два электрода. Один - в виде спирали из тугоплавкого материала, например вольфрама или молибдена, накаливаемый током, называется катодом. Второй - холодный электрод, собирающий термоэлектроны, называется анодом и чаще всего имеет форму цилиндра, внутри которого расположен накаливаемый катод.
Рассмотрим вольт-амперную характеристику вакуумного диода.
Как видим, увеличение напряжения сначала вызывает рост силы тока, а в дальнейшем сила тока не меняется. Для пояснения этого факта заметим, что вылетающие из катода термоэлектроны образуют вокруг него отрицательно заряженное облако, препятствующее вылету новых электронов. Если на анод подать некоторое положительное напряжение, то под действием электрического поля часть электронов двинется к аноду, т. е. в лампе возникнет ток, и цель замкнется. По мере увеличения напряжения все большее число электронов, покинувших катод, достигает анода. Когда все электроны, вылетевшие из эмиттера, будут достигать анода, то ток перестанет зависеть от анодного напряжения и достигнет своего максимального значения (ток насыщения 
). Для увеличения надо повысить температуру катода, чего можно достигнуть увеличением силы тока. Таким образом, сила тока насыщения зависит от температуры катода.
Кроме того сила тока насыщения зависит от вещества катода, поскольку различные вещества характеризуются различной способностью к испусканию электронов.
Из-за того, что вольт-амперная характеристика вакуумного диода оказывается нелинейной, т. е. не подчиняется закону Ома, диод является нелинейным элементом. Поскольку ток в лампе возможен только в том случае, когда положительный полюс батареи соединен с анодом, а отрицательный - с катодом, то вакуумные диоды обладают односторонней проводимостью. Действительно, при изменении полярности приложенного напряжения и при его достаточной величине 
термоэлектроны не достигают анода (он заряжен отрицательно), и ток через лампу не проходит. Односторонняя проводимость диода используется в выпрямителях, предназначенных для преобразования переменного тока в постоянный.
Для управления током внутри лампы вводят дополнительные электроды, которые называются сетками, так как им обычно придают форму сеток или спиралей, окружающих катод. В зависимости от общего числа сеток такие лампы называют триодами (анод, катод, управляющая сетка), тетродами (анод, катод, 2 сетки), пентодами (анод, катод, 3 сетки).
Простейшей трехэлектродной лампой является вакуумный триод. В нем управляющая сетка расположена вблизи катода, что позволяет управлять током триода с помощью малых напряжений. Условное обозначение вакуумного триода на электрических схемах:
.
Если в аноде вакуумной лампы сделать отверстие, то часть электронов будет пролетать сквозь него. Их движением можно управлять с помощью электрического и магнитного полей. Прибор, в котором используется пучок электронов, свободно летящих в пространстве за анодом, называется электронно-лучевой трубкой.
В узком конце трубки находится электронная пушка, которая формирует пучок электронов и состоит из катода, нагреваемого нитью накала, управляющего электрода и ускоряющего анода. Электроны, вылетающие из катода, разгоняются электрическим полем (5000—50 000 В) между катодом и анодом. Экран электронно-лучевой трубки покрыт изнутри специальным веществом - люминофором, которое светится под действием падающих электронов. В том месте экрана, куда падает пучок, появляется маленькая светящаяся точка. Изменяя напряжение на аноде, можно фокусировать электронный пучок, т. е. изменять площадь поперечного сечения электронного пучка на экране. Изменяя напряжение между катодом и управляющим электродом, можно изменять интенсивность электронного пучка (яркость пятна на экране). Пучок проходит последовательно две пары отклоняющих пластин (плоских конденсаторов), позволяющих смещать его в горизонтальном и вертикальном направлениях, т. е. перемещать светящуюся точку в любом направлении. Вследствие малой массы электронов положение светящейся точки на экране при изменении напряжения на пластинах конденсаторов изменяется практически мгновенно, т. е. безинерционно.
Электронно-лучевые трубки находят широкое применение в осциллографах, дисплеях компьютеров, радиолокаторах, медицинской аппаратуре.
В кинескопах телевизоров вместо отклоняющих пластин используют магнитные отклоняющие катушки. Магнитное поле одной пары катушек вызывает отклонение электронного пучка по горизонтали, второй пары катушек - по вертикали. Периодичность изменения силы тока в катушках вызывают изменения магнитных полей, в результате которых электронный пучок за 
с пробегает по экрану слева направо 625 раз. Кадры сменяют друг друга с частотой 25 кадров в секунду, что воспринимается человеческим глазом как непрерывное движение.
Для получения цветных изображений вместо одной пушки необходимо применять три, которые передают сигналы трех одноцветных изображений - красного, синего и зеленого цвета. Экран кинескопа покрывается кристаллами люминофора трех сортов, которые под действием электронного пучка светятся соответственно красным, синим и зеленым светом. Смешением этих цветов можно получить всю цветовую гамму красок и оттенков.
5. Домашнее задание: §46, упражнение 25 (2).
Конспект ученика должен содержать все определения из параграфа, решенную задачу.
