Урок. Термоелектронна емісія та струм у вакуумі, його застосування. Електронно-вакуумні прилади.

Тема: Термоелектронна емісія та струм у вакуумі, його застосування.

            Електронно-вакуумні прилади. 

Клас: 11.

Мета уроку:

•                               Навчальна: Сформувати знання про термоелектронну емісію як явище, що лежить в основі електричного струму у вакуумі. Ознайомити учнів із принципом дії та застосуванням електронно-вакуумних приладів на прикладі вакуумного діода та електронно-променевої трубки.
•                               Розвивальна: Розвивати логічне мислення, вміння аналізувати та узагальнювати отримані знання. Сприяти розвитку самостійної навчальної діяльності учнів.
•                               Виховна: Виховувати інтерес до фізики як науки, її ролі в сучасному світі, а також акуратність при виконанні завдань. 

Тип уроку: Урок засвоєння нових знань. 

Форма проведення: Бесіда з елементами демонстрації, самостійна робота. 

Обладнання та наочність:

Мультимедійний проектор для демонстрації презентації.

Електронно-променева трубка (якщо є в наявності).

Схеми вакуумних діодів.

Елементи для демонстрації термоелектронної емісії (електроплитка, колба з металевими електродами, джерело струму, амперметр). 

Хід уроку

І. Організаційний момент (5 хв)

Привітання з учнями, перевірка готовності до уроку.

Перевірка наявності домашнього завдання. 

ІІ. Актуалізація опорних знань (10 хв)

Фронтальне опитування:

•          Що таке електричний струм?
•          Які носії електричного струму існують?
•          У яких середовищах ми вже вивчали електричний струм?
•          Чому у вакуумі немає електричного струму?

Обговорення: Нагадування про будову атома і механізми перенесення заряду. 

ІІІ. Вивчення нового матеріалу (15 хв)

1. Термоелектронна емісія:

Означення: Вихід електронів з поверхні металу при його нагріванні.

Пояснення: При нагріванні, вільні електрони в металі отримують додаткову енергію, яка може бути достатньою для подолання "потенціального бар'єра" на поверхні металу.

Демонстрація: Провести демонстраційний експеримент: нагріти катод і спостерігати появу струму в колі.

Схема експериментальної установки

Для досліду нам знадобиться вакуумний діод. Це скляна колба, з якої викачане повітря, що містить два електроди:

1. Катод (з підігрівачем).
2. Анод (металева пластина або циліндр).

Обладнання:

   Вакуумний діод (наприклад, 2Ц2С або аналогічний).

   Джерело живлення для розжарення катода (низька напруга, 2-6 В).

   Джерело живлення для анодного кола (висока напруга, 10 - 100В).

   Міліамперметр (для фіксації струму).

   З'єднувальні проводи.

Хід експерименту

1. Складання кола

Ми підключаємо катод до низьковольтного джерела. Анод підключаємо до «плюса» високовольтного джерела, а катод — до його «мінуса». У це коло послідовно вмикаємо міліамперметр.

2. Холодний катод (Початковий стан)

Вмикаємо анодну напругу, але не вмикаємо підігрів катода.

•          Спостереження: Стрілка міліамперметра стоїть на нулі.

-  Висновок: Повітря в колбі немає, вільних носіїв заряду теж немає — струм не тече.

3. Нагрівання катода

Подаємо напругу на нитку розжарення катода. Катод починає світитися темно-червоним або жовтим кольором.

•          Спостереження: Як тільки катод розжарюється, стрілка міліамперметра починає відхилятися. У колі з'являється електричний струм!

-  Фізика процесу: Енергія теплового руху електронів у металі стає достатньою, щоб вони подолали потенціальний бар'єр (роботу виходу) і вилетіли з поверхні катода. Електричне поле між анодом і катодом підхоплює ці електрони і жене їх до анода.

4. Зміна полярності (Перевірка однобічної провідності)

Міняємо місцями «плюс» і «мінус» анодного джерела (тепер на аноді «мінус»).

•          Спостереження: Струм зникає, хоча катод залишається гарячим.

Висновок: Електрони відштовхуються від негативно зарядженого анода. Це доводить, що носії заряду мають негативний знак.

2. Струм у вакуумі:

Природа: Електричний струм у вакуумі — це спрямований рух вільних електронів, що утворюються внаслідок термоелектронної емісії.

Умови існування: Для існування струму у вакуумі необхідні дві умови:

•          Наявність емітера (нагрітого катода).
•          Електричне поле, яке буде прискорювати електрони.

Де це застосовується сьогодні?

Хоча напівпровідники (транзистори) майже витіснили вакуумні лампи, "струм у вакуумі" досі працює в критично важливих сферах:

•          Рентгенівські трубки: Де електрони, розігнані високою напругою, гальмуються об анод, створюючи випромінювання.
•          Магнетрони: Джерело хвиль у вашій мікрохвильовій печі.
•          Підсилювачі високої потужності: Використовуються в радіомовленні та космічному зв'язку.

3. Вакуумний діод:

Призначення: Прилад для випрямлення змінного струму.

Будова: Складається з двох електродів — катода (емітер) і анода, поміщених у вакуум.

Принцип дії:

•          При подачі позитивного потенціалу на анод, електрони, що вилетіли з катода, притягуються до нього, створюючи струм.
•          При подачі негативного потенціалу на анод, електрони відштовхуються, струм не йде.

Вольт-амперна характеристика: Пояснення, чому струм залежить від напруги.

Призначення: Випрямлення струму

Завдяки здатності пропускати струм лише в одному напрямку, діод працює як «ніпель» або «клапан». Якщо подати на нього змінний струм (який постійно змінює напрямок), діод «відріже» від’ємні напівхвилі, залишивши тільки позитивні. Так змінний струм перетворюється на пульсуючий постійний.

Електронно-вакуумні прилади:

Електронно-променева трубка (ЕПТ):

Будова: Електронна гармата, відхиляючі пластини, екран з люмінофором.

Принцип дії: Електронна гармата створює сфокусований пучок електронів. Відхиляючі пластини керують рухом пучка, а люмінофорний екран світиться під дією електронів.

Застосування: Старі телевізори, осцилографи. 

ІV. Закріплення нового матеріалу (10 хв)

      Бесіда:

1. Що таке термоелектронна емісія?
2. За яких умов у вакуумі виникає електричний струм?
3. Яке призначення вакуумного діода?
4. Де застосовується електронно-променева трубка?

Задача: Які зміни відбудуться, якщо ввімкнути вакуумний діод у коло змінного струму?

V. Підведення підсумків уроку (5 хв)

Рефлексія: Обговорення, що учні дізналися нового, що було найскладнішим, а що — найцікавішим.

Оцінювання: Коментування роботи учнів. 

VІ. Домашнє завдання (5 хв)

Опрацювати матеріал підручника за відповідним параграфом.

Виконати вправи та розв'язати задачі, наведені у підручнику.

Підготувати повідомлення про сучасне застосування електронно-вакуумних технологій.