Сегодня с вами разберем задачу из ЕГЭ по физике. Это будет полезная задача о том как изменяется график вольт-амперных характеристик вакуумного диода при облучению его светом с некоторой частотой. Что же будет с ВАХ-характеристикой, если изменять частоту излучения? Как будут изменяться ключевые точки на графике?
Почему речь пошла о вакуумном диоде? Дело в том, что вакуумом можно назвать разреженное скопление газа в стеклянной колбочке, которое исключает соударение молекул с электронами, что сводить электропроводимость вакуума к минимуму (сопротивление становится большим).
Вакуумный диод — это баллон с отсутствием воздуха во внутренней полости. По давлению внутри это примерно 10e-6 или даже 10e-7 миллиметров ртутного столба.
Давайте сначала решим экзаменационную задачу, а потом еще немного поговорим о диодах...
Задача
В опыте по изучению фотоэффекта катод освещается жёлтым светом, в результате чего в цепи возникает ток (смотри рисунок). Зависимость показаний амперметра I от напряжения U между анодом и катодом приведена на рисунке 2. Используя законы фотоэффекта и предполагая, что отношение числа фотоэлектронов к числу поглощённых фотонов не зависит от частоты света, объясните, как изменится представленная зависимость I(U), если освещать катод зелёным светом, оставив мощность поглощённого катодом света неизменной.
Рисунок
Решение:
Вспомним уравнение Эйнштейна для фотоэффекта:
Но самое важное понимать что есть что в данном уравнении:
Сначала катод освещается желтым светом, а затем зеленым. То есть частота падающего света увеличивается:
Здесь можно вспомнить спектр всех частот, который (хотя бы примерно) нужно держать в голове каждому физику:
При неизменной работе выхода это означает, что энергия вылетающих из катода электронов увеличится. Поэтому чтобы их остановить, понадобится большее запирающее напряжение, так как:
Попытаемся найти ток насыщения. Прошедший заряд будет определять количество электронов, успевших долететь до анода (фотоэлектронов). В условии задачи сказано, что отношении числа фотоэлектронов к числу поглощенных фотонов остается неизменным. Пусть это отношение будет определять некоторая константа.
Мощность поглощенных фотонов также остается постоянной. Здесь суммарная энергия получается путем умножения числа фотонов на энергию, которую несет в себе один фотон излучения:
Получаем ток насыщения. Здесь четко видно, что ток насыщения уменьшается и сдвигается вниз.
Силу тока насыщения определяют количество выбитых из катода электронов, и это количество пропорционально количество падающих на катод фотонов.
Результат
Вот такая вот получилась задача. Разумеется её можно было бы решить короче, без комментариев. Но тогда это решение ничем бы не отличалось от кучи такого «добра» в интернете. А цель этого канала именно в том, чтобы разбирать задачи как можно подробнее.
Структура вакуумного диода
Во внутренней вакуумной полости баллона размещается пара электродов:
- Катодный электрод.
Изготавливаемый из металлов, вертикально расположенный элемент цилиндрической формы. На поверхности сформировано напыление из металлических оксидов (используются металлы земельно-щелочной группы) поэтому катод называется оксидным. Катоды данного типа отличаются тем, что в момент повышения температуры электроны отделяются от них гораздо активнее, чем от стандартных катодов металлического типа. По катоду проводится изолированный проводниковый элемент, который нагревается посредством тока переменной или постоянной частоты. Отделяющиеся от элемента отрицательно заряженные частицы находятся в потоке и притягиваются в сторону анодного электрода. Катоды диодов вакуумного типа выполняются преимущественно по подобию W и V литер. Это позволяет увеличить размер устройства по длине.
- Анодный электрод.
Округлый или элиптоидный цилиндрический элемент. Расположен на одной горизонтали с катодом. Аноды выполняются по форме кубообразные элементы с отсутствующими боковыми гранями. Если рассматривать его в разрезе, то можно увидеть закруглённый на углах четырёхугольник. Видимая конструкция обусловлена тем, что промежуток катод-анод по всем векторам направлений должен быть одинаковым. По этой причине и катоды, и аноды контуром похожи на эллипс. Для уменьшения нагреваемости анода, в его конструкцию обычно включаются специальные теплоотводные «ребра».
Электровакуумный диод
Помимо вакуумных полупроводников были созданы также электровакуумные диоды. Под этим названием подразумевается двухэлектродная вакуумная электронная лампа. Конструкция этого устройства сходна с диодом вакуумного типа. На деле они практически не отличаются. Единственный несовпадающий момент заключается в том, что в электровакуумном диоде роль катодного электрода исполняет w-подобная, либо ровная нить.
В процессе функционирования диода температурный уровень нити должен подниматься, пока не достигнет определённого градуса. В этот момент запускается процесс термоэлектронной эмиссии. Когда аноды электроды получают напряжение со знаком «минус», происходит перенаправление электронов в обратную сторону, к катоду. В момент, когда на анод начинает поставляться напряжение со знаком «плюс», отсоединившиеся электроны вновь движутся к анодному электроду. Это провоцирует возникновение тока.
Сферы применения
Вакуумные и аналогичного типа диоды применяются в качестве выравнивателей частоты приложеного напряжения. Данное свойство качество является базовым для вакуумных выпрямителей. Они применяются как фиксаторы высокочастотных волн и выпрямители электронных потоков переменного характера.
Диоды электровакуумного типа обладают односторонней электропроводностью. Причина этому в том, что электроны могут двигаться лишь по направлению катод-анод. Это позволяет эксплуатировать вакуумный диод в роли инвертера.
Применение вакуумных диодов позволяет питать радиотехнику от сети с переменным током. Параметры вакуумного диода определяют качество и назначение механизма, в котором он установлен. Однако вакуумные диоды имеют ограничения по рабочей частоте напряжения: 500 МГц.
Принцип работы
Диоды вакуумного типа работают следующим образом:
◼ Катод разогревается, начинается отделение отрицательно заряженных частиц.
◼ Развивается процесс термоэлектронной эмиссии.
◼ Уже свободные частицы блокируют отделение других частиц, происходит образование электронного облака.
◼ Электроны с самой низкой скоростью перемещения притягиваются обратно к катоду.
◼ При строго фиксированной температуре происходит стабилизация электронного облака. То есть количество отлетающих электронов совпадает с количеством оседающих
При возникновении нулевого напряжения (короткого замыкания) частицы движутся к в сторону анодного электрода. Это происходит за счёт преодоления быстрыми электронами потенциальной ямы. Ток отсекается, если пустить по аноду напряжение со знаком «минус» на 1В или даже менее того.
Если подать положительное напряжение, то произойдёт формирование ускоряющего поля, увеличивающего анодный ток. На уровне близком к предельной катодной эмиссии рост тока снижает скорость и стабилизируется. Это называется эффектом «насыщения».
Вольт-амперная характеристика (ВАХ)
Вольт-амперная характеристика диодов вакуумного типа состоит из трёх участков:
Начальный, нелинейный.
Характеризуется медленным возрастанием тока и повышением уровня напряжения на анодном электроде, что рассматривается как следствие оказываемого электронным облаком (с отрицательным зарядом) сопротивления. Уровень тока на аноде весьма низок, но он увеличивается по экспоненте вместе с напряжением. Это происходит благодаря неоднородности скоростей движущихся электронов. Чтобы прекратить анодный ток потребуется отрицательное, запирающее напряжение на аноде.
Закон степени 3/2-х. Второй участок.
Проявляется взаимозависимость тока и напряжения на аноде в соответствии с законом степени 3/2-х, где одна из переменных находится в зависимости от роста катодной температуры.
Последний, насыщение.
Если уровень напряжения продолжает увеличиваться, то происходит замедление, а затем и прекращение роста тока, поскольку все электроны приникают к аноду, эмиссионный потенциал катода израсходован.Ток, который при этом устанавливается на аноде, называется током насыщения.
Основные характеристики вакуумного диода
Охарактеризовать вакуумный диод можно по следующим параметрам:
◼ Крутизне ВАХ;
◼ Дифференциальному сопротивлению;
◼ Максимально допустимому обратному напряжению;
◼ Запирающему напряжению;
◼ Максимально допустимой рассеиваемой мощности;
Вычисление крутизны и внутреннего сопротивления осуществляется через анодное напряжение и уровень температуры на катоде.
Решение целиком исходной задачи
Понравилась статья? Поставьте лайк, подпишитесь на канал! Вам не сложно, а мне очень приятно :)
Если Вам нужен репетитор по физике, математике или информатике/программированию, Вы можете написать мне или в мою группу Репетитор IT mentor в VK
Библиотека с книгами для физиков, математиков и программистов
Репетитор IT mentor в telegram
