Chuyên đề Dòng điện trong chân không

DÒNG ĐIỆN TRONG CHÂN KHÔNG Chân không lí tưởng là mội trường không có vật chất, nghĩa là không có bất kì một phận tử khí nào. Để tạo ra mội trường chân không, người ta dùng bơm hút khí để áp suất trong ống kín giảm xuống. Nếu hút khí bằng bơm chân không sơ cấp, buồng chân không đạt được áp suất 10-4 mmHg. Aùp suất này được gọi là độ chân không thấp, dùng trong công nghiệp chế tạo phích đựng nước, neon day tóc. Để có áp suất thấp hơn, người ta phải dùng bơm chân không cao cấp để buồng chân không đạt được áp suất 10-5 – 10-9 mm Hg, gọi là độ chân không cao. Kĩ thuật tao chân không cao được sử dụng trong công nghiệp chế tạo bóng neon hình, neon điện tử, chế tạo màng mỏng bàng các phương pháp bay hơi trong chân không. Để có độ chân không siêu cao, người ta phải dùng đến các loại bơm đặc biệt để đạt được áp suất dưới 10-9 mmHg. Trong thực tế, khi áp suất giảm đến dưới 10-4mmHg, mật độ các phân tử khí đã rất thấp và các phân tử có thể chuyển động tự do từ thành ống này đến thành ống kia mà không va chạm . Mội trường đó được gọi là môi trường chân không. Từ khái niệm chân không cho thấy, trong môi trường chân không không có các hạt mang điện nên ở điều kiện bình thường không có dòng điện chạy qua. Muốn tạo ra dòng điện trong chân không phải có các kĩ thuật làm phát sinh các hạt mang điện tự do trong ống chân không. Nguồn điện tích điện tự do này thường được tạo ra nhờ hiện tượng electron thoát ra khỏi bề mặt điện cực. Electron có thể thoát a khỏi điện cực nếu nó có động năng lớn hơn công thoát electron. Tùy theo cách truyền năng lượng cho e trong điện cực khác nhau, người ta phân biệt các loại phát xa e khác nhau. 1. Các loại phát xạ electron a/ phát xạ nhiệt e năng lượng truyền cho e để nó thoát khỏi mặt kim loại thông thường nhất là nhờ sự đốt nóng kim loại. Khi nhiệt độ của điện cực tăng lên, vận tốc chuyển động nhiệt của các e tang và một số e nhận được năng lượng đủ lớn để thực hiện công thoát và thoát ra khỏi mặt kim loại. Quá trình phát xạ e nhờ đốt nóng cực kim loại là phát xạ nhiệt e. Theo thuyết e cổ điển, năng lượng trung bình chuyển động nhiết của các e tự do là bằng 3/2kT, trong đó T là nhiệt độ tuyệ đối, k là hằng số Boltzmann. Cân bằng năng lượng nhiệt với công thoát e , ta tìm được Tk là nhiệt độ cung cấp cho e có năng lượng trung bình của chuyển động bằng công thoát. Catot kim loại phải được đốt nóng đến t0 khoảng hàng vain độ Kenvin thì e mới có đủ năng lượng cần thiết để thoát ra khỏi bề mặt kim loại. Thực tế ngay ở nhiệt độ phòng cũng đã có một số e thoát ra khỏi bề mặt kim loại đã khá lớn. Hiện tượng này có thể được giải thích như sau. Trong tinh thể, các e được sắp xếp từ các mức năng lượng thấp đến mức năng lượng cao. Do đó, một số e có năng lượng lớn hơn năng lượng lớn hơn nagn8 lượng trung bình. Sự phát xạ nhiết của các e này xảy ra ở nhiết độ không cao lắm. Hiện tượng phát xạ nhiệt e đóng vai trò đặc biết quan trọng trong kĩ thuật điện và vô tuyến điện. Nhiều neon điện tử chân không hoạt động dựa trên sự phát xạ nhiệt e. b/ Phát xạ quang e Ánh sáng là dòng có năng lượng Nếu ánh snag1 tới đập vào mặt kim loại thì một phần photon được phản xạ trở lại, phần khác đi sâu vào kim loại và va chạm với các nguyên tử trong kim loại. Những photon này truyền năng lượng của mình cho các e trong nguyên tử kim loại. Khi nhân được năng lượng này, e bị kích thích và chuyển lên mức năng lượng cao hơn. Nếu ánh sáng tới có bước sóng ngắn thì năng lượng của photon truyền cho e đủ lớn để nó có thể vượt hàng rào thế năng thoát ra khỏi kim loại. Hiên tượng này được gọi là phát xạ ánh quang e. c/ Phát xạ quang thứ cấp Sự phát xạ quang thứ cấp là phát xạ e từ mặt vật rắn hay lỏng khi bắn phá nó bằng các e hay ion. Hệ số phát xạ thứ cấp là tỉ số giữa số e thứ cấp N1 phát ra từ vật và số hạt sơ cấp N0 bắn phá vào vật: Hệ số phát xạ thứ cấp phụ thuộc vào bản chất của vật phát xạ e và của hạt sơ cấp củng như vào năng lượng của các hạt sơ cấp. Nhưng vận tốc của e thứ cấp không phụ thuộc vào năng lượng của các hạt sơ cấp. Trong trường hợp bắn phá bằng e thì một phần các e và bề mặt chính là những e sơ cấp phần xạ lại từ bề mặt, phần còn lại là các e thứ cấp phát ra từ vật. Tổng số e phát ra từ bề mặt có thể lớn hơn số e bắn vào nó. Hệ số phát xạ e phát ra từ vật. Tổng số e phát ra từ bề mặt có thể lớn hơn số e bắn vào nó. Hệ số phát xạ e đạt tới giá trị cực d8ai5 khi năng lượng của các hạt e sơ cấp khỏng vài trăm eV. Với nhôm, khi năng lượng e bắn phá vào bề mặt là 350 eV, thì số e phát ra lớn hơn số bắn vào 1.75 lần. Đối với kim loại nói chung, đối với các chất bán dẫn, thì số e phát ra có thể đạt tới 10 hoặc hơn nữa. Vì thế muốn có chùm e phát xạ thứ cấp lớn, người ta dùng cực phát xạ làm bằng kim loại có phủ lớp bán dẫn ở ngoài mặt. Hiện tượng phát xạ thứ cấp được ứng dụng để nhân e nhằm khuyếch đại các dòng e yếu trong chân không. Nhờ thiết bị nhân e, chùm e có thể được tăng lên hàng triệu lần. Người ta thường dùng các thiết bị nhân e để khuyech đại các dòng quang điện yếu, nhờ ghi lại được ánh sáng yếu ớt của các vì sao. Hiện tượng phát xạ thứ cấp cũng xảy ra khi bắn phá mặt kim loại bằng các ion. Trong trường hợp này hệ số phát xạ thứ cấp nhỏ hơn khi bắn bằng e. sự phát xạ thứ cấp gay ra bởi các ion dương đóng vai trò quan trọng trong một số dạng phóng điện trong chất khí. Oáng đếm nhấp nháy Oáng đếm nhấp nháy làm việc theo nguyên tắc khuyech đại quang điện nhờ ống nhân quang Trong ống đếm nhấp nháy, sự chuyển năng lượng của bức xạ điện từ thành xung thế qua 2 bước. Bước 1, năng lượng của hạt tới được chuyển thành photon ánh snag1. bước 2, photon ánh snag1 chuyển tahn2h xung thế bởi ống nhân quang. Cấu tạo của ống đếm nhấp nháy gồm tinh thể phát quang trong suốt và bộ nhân quang điện. Tinh thể phát quang thường là NaI hoặc KI được pha thêm một lượng nhỏ tạp chất tali(TI) làm các tâm kích hoạt, để phát hiên các hạt tích điện phải dùng chất huỳnh quang ZnS. Nguyên lí hoạt động của ống: khi bức xạ điện từ tới đập vào tinh thể sẽ kích thích nguyên tử chất phát quang giải phóng e. E được giải phóng chuyển động trong tinh thể, khi gặp các nguyên tử sẽ ion hóa nguyên tử và mất dần năng lượng. Các nguyên tử bị kích thích sẽ phát quang dưới dạng photon của ánh sáng thường hoặc tia cực tím. Ưùng với bức xạ điện từ gay6 ra sự lóe sáng của vài chục hoặc vài trăm photon ánh sáng. Các photon phát ra trong quá trình lóe sáng đập lean catot của ống nhân quang làm bout ra các e mới, các e này được nhân lean trong ống nhân quang nhờ 10 – 14 điện cực đặt nối tiếp nhau và cuối cùng cho một xung điện ở đầu ra của ống. Mỗi e ban đầu khi qua bộ khuyếch đại có thể sinh ra tới 107 – 108 e, tạo ra các xung điện thế có năng lượng xác định. d/ Tự phát xạ e. sự phát xạ e ra khỏi kim loại cũng xảy ra dưới tác dụng của điên trường rất mạnh. Hiên tượng xảy ra như sau: Nếu ở mặt kim loại có một điện trường, nó sẽ hút các e ở mặt ngoài kim loại làm chúng vược khỏi hàng rào thế năng. Người ta tính rằng, để phát xạ e khỏi kim loại ở nhiệt độ phòng thì cần phải tạo ra một điện trường không bé hơn 108 V/m. trong ống chân không có 2 điện cực : catot là mũi nhọn còn anot là một mặt lớn. Trong trường hợp này, các đường sức của điện trường tụ dày đặc xung quang catot và cường độ điện trường ở mặt catot trở nên rất lớn, ngay cả khi hiệu điện thế hai cực không lớn lắm. Khi cường độ điện trường tới khoảng 108 V/m thì trong ống phát sinh dòng điện yếu do các e thoát ra khỏi catot. Số e thoát ra tăng nhanh khi hiệu điện thế giữa 2 cực. Các e được thoát ra khỏi bề mặt cực kim loại khi nhiệt độ thấp, vì thế hiện tượng này gọi là sự phát xạ e catot lạnh hay sự tự phát xạ e. Hiện tượng phát xạ e sinh ra do hàng rào thế trên mặt kim loại bị biên đổi khi chịu tác dụng của một điện trường rất mạnh ở mặt ngoài. Sự biến đổi này dẫn tới độ cao của hàng rào giảm và thu hẹp bề rộng của hàng rào thế. Cả 2 biến đổi đó dẫn đến xác suất chuyển e qua hàng rào thế mặt ngoài kim loại tăng. Vì thế tương tự phát xạ e chỉ quan sát được trong các điện trường rất mạnh. 1. Bản chất dòng điện trong chân không Chân khơng lí tưởng là một mơi trường trong đĩ khơng cĩ một phân tử khí nào. Trong thực tế, khi ta làm giảm áp suất chất khí trong ống đến mức (khoảng dưới 0,0001 ) mà phân tử khí cĩ thể chuyển động từ thành nọ sang thành kia của ống mà khơng va chạm với các phân tử khác thì ta nĩi rằng trong ống là chân khơng. a) Thí nghiệm. Ta tiến hành thí nghiệm bằng một ống thuỷ tinh đã hut chân khơng cĩ hai điện cực: anot A và catot K (H. 43.1). Ta đặt một U vào giữa anot và catot: anot nối với cực dương, cịn catot nối với cực âm của nguồn điện. Kim điện thế G chỉ số khơng, chứng tỏ khơng cĩ dòng điện chạy qua chân khơng: chân khơng là mơi trường cách điện tốt.E tự do chuyển động thoát năng lượng Bây giờ đốt nĩng catot bằng một nguồn điện (H.43.2) kim điện thế G bị lệch, chứng tỏ cĩ dòng điện chạy qua chân khơng. Nhưng nếu ta nối catot K với cực dượng của nguồn điện , cịn nối anot A với cực âm thì vẫn khơng cĩ dòng điện chạy qua chân khơng. Như vậy dòng điện chạy qua chân khơng (nếu cĩ) chỉ theo một chiều từ anot sang catot. b) Bản chất dòng điện trong chân không:  ở điều kiện bình thường trong kim loại cĩ các E tự do chuyển động nhiều hỗn loạn, nhưng các e này khơng thoát ra được ngồi mặt kim loại do cĩ các lực liên kết giữa các e ở bên trong kim loại. Nếu, bằng cách nào đĩ, ta cung cấp cho các e   đĩ năng lượng cần thiết thì chúng cĩ thể bứt ra khỏi kim loại. Nếu năng lượng cần thiết được truyền cho e bằng cách nung kim loại đến nhiệt độ cao (như trong thí nghiệm trên, nhờ nguồn ) thì sẽ xảy ra sự phát xạ nhiệt e. Trong nhiều kim loại sự phát xạ nhiệt e xảy ra ở đ nhiệt ộ thấp hơn nhiều so với nhiệt độ nĩng chảy của kim loại. Khi ta chưa đặt U vào giữa anot và catot, anot nối với cực dương, cịn catot nối với cực âm của nguồn điện, thì do tác dụng, lực lực từ trường e sẽ  chuyển động từ catot sang anot và trong mạch xuất hiện dòng điện.Vậy dòng điện trong chân không là dịng chuyển dời cĩ hướng của các e bứt ra từ catot bị nung nĩng.Nếu ta mắc anot vào cực âm của nguồn điện cịn catot vào cực dương thì lực từ trường lại cĩ tác dụng đẩy e trở lại catot, do đĩ trong mạch khơng cĩ dòng điện. Vì vậy dòng điện chạy qua chân khơng chỉ theo một chiều từ anot sang catot. 2. Cường độ dịng điện trong chân khơng Làm thí nghiệm để nghiên cứu chi tiết sự phụ thuộc của I   qua chân khơng vào U đặt giữa anot và catot người ta thấy rằng: - Khi U, , tức là anot cĩ điện thế thấp hơn catot thì khơng cĩ dòng điện qua ống chân khơng. - Khi U dương tức là anot nối với cực dương, catot nối với cực âm, thì trong mạch cĩ dòng điện. U càng lớn thì I càng lớn. Tuy nhiên, khác với dòng điện qua vật dẫn kim loại, dòng điện trong chân không khơng tăng tỉ lệ bậc nhất với U (nghĩa là khơng tuân theo định luật Ơm). Nếu U đạt đến một giá trị nào đấy thì hầu như mọi e phát xạ từ catot đều đến anot. Nếu U ếp tục tăng thì dòng điện cũng khơng thể tăng lên được nữa, dòng điện qua ống đạt giá trị bão hồ . (H.43.3).Nhiệt độ catot càng cao thì khả năng phát xạ nhiệt e cang lớn, do đĩ I bão hồ cũng lớn hơn. Trong thực tế để cĩ dòng điện lớn, người ta phủ lên catot một lớp ơxit của kim loại kiềm thổ như bari, stronti, canxi v.v. Khi bị đốt nĩng các ơxit này phát xạ nhiều e hơn các kim loại  tinh khiết và do đĩ U tăng, dòng điện tăng lên. 3. Ứng dụng của dòng điện trong chân không a) Điơt điện tử.  Dựa vào tính chất dẫn điện theo một chiều trong chân khơng người ta chế tạo đèn điện tử hai cực hay điơt điện tử được dùng để biến đổi dòng điện xoay chiếu thành dòng điện1 chiếu (cịn gọi là chỉnh lưu dòng điện xoay chiều). l Điot điện tử à một ống thủy tinh hoặc kim loại được hút chân khơng đến áp suất khoảng , cĩ hai điện cực: catột là một ống kim loại hình trụ, bên trong ống là dây đốt được dùng để làm nĩng catot (dây đốt được đốt bằng nguồn điện riêng); cịn anot thường cũng là một hình trụ bằng kim loại, đồng trục với catot. Trong các sơ đồ điện, điơt điện tử Nếu trong điơt điện tử nĩi trên ta đặt thêm một điện cực ở gần catot, thì bằng cách thay đổi điện thế cực này ta cĩ thể làm thay đổi dịng e đi từ catot sang atơt và do đĩ làm thay đổi I qua đèn. Hiện tượng này dùng để tạo ra triơt điện tử (hay đèn điện tử ba cực) và cực thứ ba đĩ được gọi là cực lưới. b) Ống phĩng điện tử - Nếu ta khoét một cái lỗ trên anot của điơt điện tử thì một phần e đi từ catot sang anot sẽ chui qua lỗ tạo nên một chùm tia e. Vì e là hạt mang điện âm nên chúng tia e bị lệch trong điện trường và từ trường. Khi chùm tia e đập vào lớp chất huỳnh quang thì nĩ kích thích làm lớp này phát sáng. (Chùm tia e cịn cĩ tính chất khác giống như tia catot). - Các tính chất của chùm tia e như bị lệch đi trong điện trường  và từ trường, và khả năng kích thích Sự phát quang của các chất, được ứng dụng trong ống phóng điện tử là bộ phận chủ yếu trong máy thu hình, trong dao động kí điện tử.... ống phóng điện điện thế tử là một ống chân khơng mà mặt trước của nĩ là màn hình quang (H.43.5) được phủ bằng chất huỳnh quang (như kẽm sunfat chẳng hạn) phát ra ánh sáng khi bị e đập vào. Trong phần cổ ống (phần hẹp) cĩ nguồn phát e , gồm dây đốt, catot, các cực điều khiển và anot. Ta đặt giữa anot và catot một U   từ vài trăm nghìn V Trên đường đi đến màn huỳnh quang chùm e đi qua hai cặp bản cực làm lệch, giống như ha tụ điện i: một cặp bản nằm ngang một cặp bản thẳng đứng. Khi đặt một U  giữa hai bản nằm ngang, chùm tia bị lệch theo phương thẳng đứng. Cịn khi đặt một U giữa hai bản thẳng đứng chùm tia bị lệch theo phương nằm ngang. Khi đặt các U thích hợp vào hai cặp bản đĩ ta cĩ thể làm cho chùm tia e cĩ thể đập vào vị trí xác định trên màn huỳnh quang. Các cực được cấu tạo, xếp đặt và cĩ các điện thế sao cho chum e , một mặt được tăng tốc, mặt khác được hội tụ chỉ gây một điểm sáng nhỏ trên màn huỳnh quang. Vì m của các e rất bé, quán tính của các e rất nhỏ, cho nên chúng hầu như phản ứng tức thời khi U giữa các cặp bản thay đổi. Vì vậy dùng ống phóng điện tử trong các dao động kí điện tử cĩ thể nghiên cứu những quá trình biến thiên nhanh. Trong các máy thu hình chùm tia e được làm lệch nhờ. từ trường 1/Đèn điện tử chân khơng: a)Bản chất: _Bản chất của đèn điện tử cĩ kích thước lớn, khi hoạt động toả ra nhiều nhiệt. Hiện nay hầu hết các thiết bị điện tử đã khơng cịn dùng đèn này nữa mà dùng các linh kiện bán dẫn để thay thế (transistor, IC...). Tuy nhiên trong lĩnh vực chế tạo ampli cho giới sành nhạc, người ta vẫn rất chuộng ampli đèn,vì ampli đèn cĩ khả năng tạo ra âm thanh thực bởi tính chất của nĩ. Đèn điện tử chân khơng hai cực Đèn điện tử chân khơng ba cực b)Nguyên lí hoạt động: 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 nĩng 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 đĩ, 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 khơng, giữa các cực cần cĩ một điện trường, chính các điện trường này đã tạo ra dịng điện trong chân khơng: điện tử di chuyển đến a-nốt. _Nếu là đèn điện tử hai cực: Dịng điện tử đơn thuần di chuyển từ ca-tốt đến a-nốt với cường độ phụ thuộc vào điện trường tạo ra (cùng các thơng số khác của đèn ảnh hưởng đến) _Nếu là đèn điện tử ba cực, dịng điện này phụ thuộc vào cực điều khiển (như hình), điện trường cực điều khiển sẽ quyết định dịng điện đi đến anot. Do điện tử cĩ khối lượng rất nhỏ, chuyển động hầu như khơng cĩ quán tính nên sự khơng chế luồng điện tử này cĩ thể tạo nên những luồng điện tức thời. Điện tử lại cĩ diện tích rất nhỏ cho nên khống chế luồng điện tử về mặt số lượng cĩ thể tạo được những dịng điện rất nhỏ cho những dụng cụ cần độ nhạy cao, những biến thiên rất nhỏ cũng được cảm nhận, cĩ thể tập trung để tạo được dịng điện rất lớn cho những dụng cụ cần cĩ cơng suất mạnh. Đây chính là ưu điểm của đèn điện tử chân khơng so với các transistor điện tử bán dẫn khiến cho chúng cịn được sử dụng trong các bộ ampli cơng suất để khuyếch đại tín hiệu tương tự. (Ở transitor cĩ thể khơng "mở" khi mức độ tín hiệu (tương tự) thấp hơn một giá trị nhất định nào đĩ, dẫn đến sự khuếch đại bị thất thốt, làm ảnh hưởngđếnâm thanh được khuếch đại) Như vậy về mặt tần số, cĩ những dụng cụ điện tử làm việc tới 10 mũ 12 Hz, về mặt cơng suất cĩ những đèn phát tới vài trăm kw. Năng lượng điện là loại năng lượng dễ chuyển hĩa thành các dạng năng lượng khác nên dụng cụ điện tử rất tiện dụng cho những quá trình vật lý phức tạp như những biến đổi quang – điện, nhiệt-điện, bức xạ, c)Ứng dụng: _Đèn điện tử hai cực (tương đương điốt): nắn điện, tách sĩng. _Đèn điện tử chân khơng ba cực (tương tự các transistor bán dẫn): khuyếch đại, tạo sĩng, biến tần, hiện sĩng, chỉ thị báo hiệu, truyền hình, đo lường, tự động... d)Phân loại: Đèn điện tử cĩ rất nhiều loại, nhiều cơng dụng khác nhau nên cĩ rất nhiều cách phân loại: _Về mặt cơng dụng cĩ thể chia làm đèn khuyếch đại, đèn nắn điện, đèn tách sĩng, đền đổi tần, đèn phát, đèn tạo sĩng, đèn chỉ thị... _Về mặt chế độ cơng tác cĩ thể chia làm đèn làm việc theo chế độ liên tục, đèn làm việc theo chế độ xung. _Về mặt tần số cĩ thể chia làm đèn âm tần, đèn cao tần, đèn siêu cao tần. _Về mặt kết cấu nội bộ đèn cĩ thể chia làm đèn 2 cực, đèn 3 cực, 4 cực, năm cực, nhiều cực, đèn ghép, đèn kép, đèn nung trực tiếp, đèn nung gián tiếp đèn ca tốt lạnh. Về mặt kết cấu ngoại hình cĩ thể làm làm đèn vỏ thủy tinh, đèn vỏ kim loại, gốm. _Về mặt làm nguội cĩ thể chia làm đèn làm nguội tự nhiên, làm nguội bằng giĩ, làm nguội bằng nước chảy đối lưu, làm nguội bằng cách bay hơi. _Về cách bố trí các chân đèn để sử dụng đế đèn cĩ thể chia làm loại 8 chân (octal), 9 chân tăm (noval), Rimlock, chân chìa... Người ta cịn chia làm loại đèn chân khơng và đèn cĩ khí, trong đĩ cĩ đèn gazotron, thyratron, đèn ổn áp (Stabilitron). _Về nguyên lý cơng tác, đèn điện tử cịn cĩ các loại manhêtron, klystron, đèn sĩng chạy dùng cho lĩnh vực siêu cao. _Về hiệu ứng sử dụng cịn cĩ các loại đèn tia âm cực dùng cho máy hiện sĩng, máy thu hình áp dụng tính năng điện – quang để xem sĩng, xem hình cĩ các loại đèn quang điện (tế bào quang điện) đèn nhãn quang điện để thể hiện sự biến đổi ánh sáng thành sự biến đổi của dịng điện dùng cho âm thanh chiếu bĩng hoặc trong thiết bị kiểm tra tự động. Tĩm lại, cĩ rất nhiều cách phân loại đèn điện tử và cĩ rất nhiều loại đèn điện tử thực hiện được nhiều yêu cầu kỹ thuật phức tạp và ứng dụng rất nhiều trong các lĩnh vực khác nhau của kỹ thuật.