Електронні пучки. Електронно-променева трубка

Якщо в аноді електронної лампи зробити отвір, то частина електронів, прискорених електричним полем, пролетить в цей отвір, утворюючи за анодом електронний пучок. Кількістю електронів в пучку можна управляти, помістивши між катодом і анодом додатковий електрод і змінюючи його потенціал.

Властивості електронних пучків і їх вживання. Електронний пучок, потрапляючи на тіла, викликає їх нагрівання. У сучасній техніці цю властивість використовують для електронної плавки у вакуумі надчистих металів.

При гальмуванні швидких електронів, що потрапляють на речовину, виникає рентгенівське випромінювання. Це явище використовують в рентгенівських трубках.

Деякі речовини (стекло, сульфіди цинку і кадмію), що бомбардуються електронами, світяться. В даний час серед матеріалів цього типа (люмінофорів) застосовуються такі, в яких на світлову енергію перетворюється до 25% енергії електронного пучка.

Електронні пучки відхиляються електричним полем. Наприклад, проходя між пластинами конденсатора, електрони відхиляються від негативно зарядженої пластини до позитивно зарядженої.

Електронний пучок відхиляється також в магнітному полі. Пролітаючи над північним полюсом магніта, електрони відхиляються вліво, а пролітаючи над південним, відхиляються вправо (рис.16.21). Відхилення електронних потоків, що йдуть від Сонця, в магнітному полі Землі приводить до того, що свічення газів верхніх шарів атмосфери (полярне сяяння) спостерігається лише в полюсів.

Можливість управління електронним пучком за допомогою електричного або магнітного поля і свічення покритого люмінофором екрану під дією пучка застосовують в електронно-променевій трубці.

Електронно-променева трубка. Електронно - променева трубка – основний елемент один з типів телевізорів і осцилографа – приладу для дослідження швидкопливних процесів в електричних ланцюгах (рис.16.22).

Пристрій електронно-променевої трубки показаний на малюнку 16.23. Ця трубка є вакуумним балоном, одна із стінок якого служить екраном. У вузькому кінці трубки поміщено джерело швидких електронів - електронну гармату. Вона складається з катода, електроду, що управляє, і анода (частіше декілька анодів розташовуються один за одним). Електрони випускаються нагрітим оксидним шаром з торця циліндрового катода С, оточеноготеплозахисним екраном Н. Далі вони проходять через отвір в циліндровому електроді, що управляє, В (він регулює число електронів в пучку). Кожен анод (А₁ і А₂) складається з дисків з невеликими отворами. Ці диски вставлені в металеві циліндри. Між першим анодом і катодом створюється різниця потенціалів в сотні і навіть тисячі вольт. Сильне електричне поле прискорює електрони, і вони набувають великої швидкості. Форма, розташування і потенціали анодів вибирають так, щоб поряд з прискоренням електронів здійснювалося і фокусування електронного пучка, тобто зменшення площі поперечного перетину пучка на екрані майже до точкових розмірів.

На шляху до екрану пучок послідовно проходить між двома парами пластин, що управляють, подібних до пластин плоского конденсатора. Якщо електричного поля між пластинами немає, то пучок не відхиляється і точка, що світиться, розташовується в центрі екрану. При передачі різниці потенціалів вертикально розташованим пластинам пучок зміщується в горизонтальному напрямі, а при передачі різниці потенціалів горизонтальним пластинам він зміщується у вертикальному напрямі.

Одночасне використання двох пар пластин дозволяє переміщати точку, що світиться, по екрану в будь-якому напрямі. Оскільки маса електронів дуже мала, то вони майже миттєво, тобто за дуже короткий час, реагують на зміну різниці потенціалів пластин, що управляють.

У електронно-променевій трубці, що використовується в телевізорі (так званому кінескопі), управління пучком, створеним електронною гарматою, здійснюється за допомогою магнітного поля. Це поле створюють котушки, надіті на горловину трубки.

Кольоровий кінескоп містить три рознесені електронні гармати і екран мозаїчної структури, складений з люмінофорів трьох типів (червоного, синього і зеленого свічення). Кожен електронний пучок збуджує люмінофори одного типа, свічення яких в сукупності створює на екрані кольорове зображення.

Широке вживання електронно-променеві трубки знаходять в дисплеях - пристроях, що приєднуються до електронно-обчислювальних машин (ЕОМ). На екран дисплея, подібний до екрану телевізора, поступає інформація, записана і перероблена ЕОМ. Можна безпосередньо бачити текст на будь-якій мові, графіки різних процесів, зображення реальних об'єктів, а також уявні об'єкти, що підкоряються законам, записаним в програмі обчислювальної машини.

У електронно-променевих трубках формуються вузькі електронні пучки, керовані електричними і магнітними полями. Ці пучки використовуються в осцилографах, кінескопах телевізорів, дисплеях ЕОМ.

 

Електричний струм в газах

Ми розглянули механізм провідності твердих і рідких тіл, а також струму у вакуумі. Залишилося познайомитися із струмом в газах.

Електричний розряд в газі. Візьмемо електрометр з приєднаними до нього дисками плоского конденсатора і зарядимо його (рис.16.27). При кімнатній температурі, якщо повітря досить сухе, конденсатор розряджається дуже повільно.

Це показує, що електричний струм, що викликається різницею потенціалів в повітрі між дисками, дуже малий. Отже, електрична провідність повітря при кімнатній температурі мала і повітря можна вважати діелектриком.

Тепер нагріватимемо повітря між дисками сірником, що горить (рис.16.28). Відмітимо, що стрілка електрометра швидко наближається до нуля, тобто, конденсатор розряджається. Отже, нагрітий газ є провідником і в нім встановлюється електричний струм.

Процес проходження електричного струму через газ називають газовим розрядом.

Іонізація газів. Ми бачили, що повітря при кімнатній температурі дуже поганий провідник. При нагріванні провідність повітря зростає. Збільшення провідності повітря можна викликати і іншими способами, наприклад дією випромінювань: ультрафіолетового, рентгенівського, радіоактивного і др.

За звичайних умов гази майже повністю складаються з нейтральних атомів або молекул і, отже, є діелектриками. Унаслідок нагрівання або дії випромінюванням частина атомів іонізуєтся – розпадається на позитивно заряджені іони і електрони (рис.16.29). У газі можуть утворюватися і негативні іони, які з'являються завдяки приєднанню електронів до нейтральних атомів.

Іонізація газів при нагріванні пояснюється тим, що по мірі нагрівання молекули рухаються все швидше і швидше. При цьому деякі молекули починають рухатися так швидко, що частина з них при зіткненнях розпадається, перетворюючись на іони. Чим вище температура, тим більше утворюється іонів.

Провідність газів. Механізм провідності газів схожий на механізм провідності розчинів і розплавів електролітів. Відмінність полягає в тому, що негативний заряд переноситься в основному не негативними іонами, як у водних розчинах або розплавах електролітів, а електронами.

Таким чином, в газах поєднується електронна провідність, подібна до провідності металів, з іонною провідністю, подібній провідності водних розчинів або розплавів електролітів. Ще одна істотна відмінність. У розчинах електролітів утворення іонів відбувається унаслідок послаблення внутрішньо молекулярних зв'язків під дією молекул розчинника (молекул води). У газах утворення іонів відбувається або при нагріванні, або за рахунок дії зовнішніх іонізаторів, наприклад, випромінювань.

Несамостійний і самостійний розряди. Розряд в газі може відбуватися і без зовнішнього іонізатора. Розряд здатний підтримувати сам себе. Чому це можливо?

Несамостійний розряд. Для дослідження розряду в газі при різному тиску зручно використовувати скляну трубку з двома електродами (рис.16.31).

При невеликій різниці потенціалів між електродами трубки позитивно заряджені іони переміщаються до негативного електроду, а електрони і негативно заряджені іони - до позитивного електроду. В результаті в трубці виникає електричний струм, тобто відбувається газовий розряд.

Не всі іони, що утворюються, досягають електродів; частина їх возз'єднується з електронами, утворюючи нейтральні молекули газу.

У міру збільшення різниці потенціалів між електродами трубки доля заряджених частинок, що досягають електродів, збільшується. Зростає і сила струму в колі. Нарешті, настає момент, при якому всі заряджені частинки, що утворюються в газі за секунду, досягають за цей час електродів. При цьому подальшого зростання сили струму не відбувається (рис.16.32). Струм, як то кажуть, досягає насичення. Якщо дію іонізатора припинити, то припиниться і розряд, оскільки інших джерел іонів немає. З цієї причини такий розряд називають несамостійним розрядом.

Самостійний розряд. Що відбуватиметься з розрядом в газі, якщо продовжувати збільшувати різницю потенціалів на електродах?

Здавалося б, сила струму і при подальшому збільшенні різниці потенціалів повинна залишатися незмінною. Проте досвід показує, що в газах при збільшенні різниці потенціалів між електродами, починаючи з деякого її значення, сила струму знову зростає (рис.16.33). Це означає, що в газі з'являються додаткові іони окрім тих, які утворюються за рахунок дії іонізатора. Сила струму може зрости в сотні і тисячі разів, а число іонів, що виникають в процесі розряду, може стати таким великим, що зовнішній іонізатор буде вже не потрібний для підтримки розряду. Якщо прибрати зовнішній іонізатор, то розряд не припиниться. Оскільки розряд в цьому випадку не має потреби для своєї підтримки в зовнішньому іонізаторі, його називають самостійним розрядом.