Номер 2.45, страница 44 - гдз по физике 11 класс сборник задач Заболотский, Комиссаров

Основы электродинамики. Глава 2. Электрический ток в различных средах. Электрический ток в газах и в вакууме - номер 2.45, страница 44.

Условие.

2.45. Какие частицы образуют ток в вакууме? В результате каких процессов их можно получить?

Решение.

Электрический ток в вакууме — это упорядоченное движение свободных заряженных частиц в пространстве, из которого удален воздух, под действием электрического поля. В идеальном вакууме носители заряда отсутствуют, поэтому для создания тока их необходимо туда искусственно ввести. Такими носителями заряда являются:

• Электроны — отрицательно заряженные частицы. Они являются основными носителями тока в подавляющем большинстве вакуумных электронных приборов (например, в электронно-лучевых трубках, вакуумных диодах, триодах).
• Ионы — положительно или отрицательно заряженные атомы или молекулы. Ток, создаваемый ионами, также возможен, но из-за их значительно большей массы по сравнению с электронами, их подвижность ниже. Ионные токи играют существенную роль в газовых разрядах при низком давлении или в специализированных устройствах, таких как ионные двигатели и масс-спектрометры.

Свободные заряженные частицы для создания тока в вакууме получают в результате следующих физических процессов:

1. Процессы получения свободных электронов (электронная эмиссия):

• Термоэлектронная эмиссия: Это явление испускания электронов нагретыми телами (чаще всего металлами). При повышении температуры кинетическая энергия некоторых электронов становится достаточной, чтобы преодолеть силы, удерживающие их внутри тела (совершить работу выхода). Этот процесс является основным в большинстве электронных ламп.
• Фотоэлектронная эмиссия (внешний фотоэффект): Это испускание электронов веществом под действием света или другого электромагнитного излучения. Если энергия падающих фотонов $h\nu$ превышает работу выхода электрона из вещества $A_{выхода}$, то электрон покидает поверхность. Этот принцип используется в фотоэлементах и фотоумножителях.
• Вторичная электронная эмиссия: Это испускание электронов поверхностью твердого тела при бомбардировке ее пучком частиц (как правило, другими электронами). Первичные частицы, обладая достаточной энергией, выбивают из вещества вторичные электроны. Эффект используется для усиления электронных потоков.
• Автоэлектронная (холодная) эмиссия: Это испускание электронов из проводника под действием очень сильного внешнего электрического поля (напряженностью порядка $10^8$ В/м и выше). Такое мощное поле способно "вытягивать" электроны с поверхности металла даже без его нагрева.

2. Процессы получения ионов:

• Ионизация остаточного газа: В техническом вакууме всегда присутствует некоторое количество атомов и молекул газа. Электроны, ускоренные электрическим полем, могут сталкиваться с ними и ионизировать их (выбивать электроны из атомов), в результате чего образуются положительные ионы и дополнительные свободные электроны.
• Специальные ионные источники: Это устройства, целенаправленно создающие поток ионов определенного типа (например, путем ионизации газа в разрядной камере) и вводящие их в вакуумную область для дальнейшего использования.

Ответ: Ток в вакууме образуют свободные заряженные частицы — в основном электроны, а также ионы. Электроны получают в результате явлений электронной эмиссии с поверхности электродов: термоэлектронной (при нагреве), фотоэлектронной (под действием света), вторичной (при бомбардировке частицами) и автоэлектронной (в очень сильном электрическом поле). Ионы могут образовываться в результате ионизации атомов остаточного газа или создаваться в специальных ионных источниках.