L IM U
4. Ch ng 4: Dòng đ in trong chân không 61
4.1 Các l oi phát x electron 61
4.1.1 Phát x nhi t electron.
N ng l ng truy n cho electron đ nó thốt ra kh i b m t kim lo i thông th ng nh t là nh s đ t nóng c c kim lo i. Khi nhi t đ c a đi n c c t ng lên, v n t c chuy n đ ng nhi t c a các electron t ng và m t s electron nh n đ c n ng l ng
đ l n đ th c hi n cơng thốt và thốt ra kh i m t kim lo i. Quá trình phát x electron nh đ t nóng c c kim lo i g i là phát x nhi t electron.
4.1.2 Phát x quang electron Ánh sáng là dịng h t các photon có n ng l ng: Ánh sáng là dịng h t các photon có n ng l ng: hc hf W (4.4) Trong đó h là h ng s planck, c là v n t c ánh sáng trong chân không, f là t n s ánh sáng. là b c sóng ánh sáng. Nh v y n ng l ng c a photon t l v i t n s và t l ngh ch v i b c sóng.
N u ánh sáng t i đ p vào m t kim lo i thì m t ph n photon đ c ph n x tr l i ph n khác đi sâu vào kim lo i và va ch m v i các nguyên t trong kim lo i. Nh ng photon này truy n n ng l ng c a mình cho các electron trong nguyên t kim lo i. Khi nh n đ c n ng l ng này, electron b kích thích và chuy n lên m c n ng l ng cao h n. N u ánh sáng t i có b c sóng ng n thì n ng l ng c a photon truy n cho electron đ l n đ nó có th v t hàng rào th n ng (có chi u cao b ng cơng thốt A=e ) thoát ra kh i kim lo i. Hi n t ng này đ c g i là phát x quang electron.
4.1.3 Phát x electron th c p.
S phát x electron th c p là phát x electron t m t v t r n hay l ng khi b n
phá nó b ng các electron hay ion.
H s phát x th c p là t s gi a electron th c p N1 phát ra t v t và s h t s c p N0 b n phá vào v t: 0 1 N N (4.7)
H s phát x th c p ph thu c vào b n ch t c a v t phát x electron và c a h t s c p c ng nh vào n ng l ng c a h t s c p. Nh ng v n t c c a electron th c p không ph thu c vào n ng l ng c a các h t s c p.
Hi n t ng phát x th c p đ c ng d ng đ “nhân” electron nh m khu ch đ i các dịng electron y u trong chân khơng. Nh thi t b nhân electron, chùm electron có th đ c t ng lên hàng tri u l n. Ng i ta th ng dùng các thi t b nhân electron đ khu ch đ i các dịng quang đi n y u, nh đó ghi l i đ c ánh sáng y u t c a các vì sao.
NG M NH P NHÁY
ng đ m nh p nháy làm vi c theo nguyên t c khu ch đ i quang đi n nh ng nhân quang
Trong ng đ m nh p nháy, s chuy n n ng l ng c a b c x đi n t thành xung th qua hai b c:
B c 1, n ng l ng c a h t t i đ c chuy n thành photon ánh sáng.
B c 2, photon ánh sáng đ c chuy n thành xung th b i ng nhân quang (photo-multiplier).
C u t o c a ng đ m nh p nháy g m tinh th phát quang trong su t (ch t nh p nháy) và b nhân quang đi n. Tinh th phát quang th ng dùng là NaI ho c KI
đ c pha thêm m t l ng nh t p ch t tali (Tl) làm các tâm kích ho t, đ phát hi n các h t tích đi n ph i dùng ch t hu nh quang ZnS.
Nguyên lý ho t đ ng c a ng: khi b c x đi n t t i đ p vào tinh th s kích thích nguyên t ch t phát quang gi i phóng electron. Electron đ c gi i phóng chuy n
đ ng trong tinh th , khi g p các nguyên t s ion hóa nguyên t và m t -d n n ng l ng. các nguyên t b kích thích s phát quang d i d ng photon c a ánh sáng th ng ho c tia c c tím. ng v i m t b c x đi n t gây ra s lóe sáng c a vài ch c ho c vài tr m photon ánh sáng. Các photon phát ra trong q trình lóe sáng đ p lên catot c a ng nhân quang làm b t ra các electron m i, các electron này đ c nhân lên trong ng nhân quang nh 10-14 đi n c c đ t n i ti p nhau và cu i cùng cho m t xung
đi n đ u ra c a ng. m i electron ban đ u khi qua b khu ch đ i có th sinh ra t i 107-108 electron, t o ra các xung đi n th trên anot có giá tr hàng ch c mmV.
c đi m c a ng đ m nh p nháy là biên đ xung đi n đ u ra ng nhân
quang ph thu c vào n ng l ng b c x đi n t đ u vào, gi ng ng đ m t l . do đó, có th dùng b phân tích biên đ đ tách các xung t ng ng v i các b c x có n ng l ng xác đ nh.
4.1.4 T phát x electron
S phát x electron ra kh i kim lo i c ng x y ra d i tác d ng c a đi n tr ng r t m nh. Hi n t ng x y ra nh sau: n u m t kim lo i có m t đi n tr ng, nó s “ hút” các electron m t ngoài kim lo i làm chúng v t kh i hàng rào th n ng. Ng i ta tính r ng, đ phát x electron ra kh i kim lo i nhi t đ phịng thì c n ph i t o ra m t đi n tr ng không bé h n 108 V/m.
Hình 4.1: S đ quan sát s t phát electron
A
R
K A
Trong ng chân khơng ta có hai đi n c c: catod là m i nh n còn anod là m t m t l n. trong tr ng h p này, các đ ng s c c a đi n tr ng t dày đ c xung quanh catod và c ng đ đi n tr ng m t catod tr nên r t l n, ngay c khi hi u đi n th hai c c khơng l n l m. ví d , anod có d ng m t c u bán kính b, còn catod là m t hòn bi nh bán kính a đ t tâm m t c u (ab). Khi đó giá tr c a đi n th cách tâm catod m t kho ng r đ c tính b ng cơng th c sau:
0 1 1 1 1 a r U U a b (4.8) Còn c ng đ đi n tr ng đi m này là: 0 12 1 1 r b a U dr dU E (4.9)
Gi s r=a và b>>a, ta tìm đ c c ng đ đi n tr ng trên m t catod:
a U
E 0 (4.10)
N u l y a = 10-2mm = 10-5m thì ngay ch v i U0 = 1000V, c ng đ đi n tr ng E m t catod đ t t i 108V/m
Khi c ng đ đi n tr ng t i kho ng 108V/m thì trong ng phát sinh dịng
S electron thoát ra t ng nhanh khi t ng hi u đi n th gi a 2 c c. các electron
đ c thoát ra kh i b m t c c kim lo i khi nhi t đ th p, vì th hi n t ng này đ c g i là s phát x electron catod l nh hay s t phát x electron.
4.2 Dòng đi n trong chân khơng
4.2.1 Thí nghi m dịng đi n trong chân không
D ng c thí nghi m là bóng đèn th y tinh đã đ c hút khí đ áp su t trong
đèn là 10-6 mmHg. Trong đèn có 2 đi n c c, anod th ng là b ng kim lo i khó nóng ch y (Ni, Mo, Ta….) có d ng hình tr r ng bao quanh catod. Catod là dây W trên có ph 1 l p kim lo i có cơng thốt bé nh Ba, Tho đ t d c theo tr c c a anot và đ c n i v i m t ngu n đi n E2 dùng đ nung nóng catod. D ng c này đ c g i là diod chân không hay diod đi n t . M ch đi n ngoài đ c m c n i ti p v i ngu n đi n E1đ cung c p hi u đi n th U cho 2 đi n c c c a diod. Trên m ch m c vôn k V đ đo hi u đi n th gi a 2 đi n c c, mA đo dòng đi n ch y qua diod và bi n tr R đ thay đ i giá tr U (hình 4.2
Hình 4.2: s đ thí nghi m kh o sát dịng đi n trong chân khơng
V m A K 2 R E 1 E 2 K 1
Khi catod ch a đ c đ t nóng, khơng phát hi n đ c dịng đi n qua chân khơng dù đ t vào đi n c c 1 hi u đi n th l n.
Khi đ t nóng catod b ng ngu n đi n E2 và m c anod c a diod v i c c d ng, catod v i c c âm c a ngu n đi n E1, dòng đi n xu t hi n trong m ch ch a diod đ c
ch th qua mA. N u m c ng c l i, anod v i c c âm catod v i c c d ng c a ngu n
đi n, trong m ch khơng có dịng đi n.
4.2.2 B n ch t dịng đi n trong chân khơng
Dòng đi n trong diot chân khơng là dịng chuy n d ch có h ng c a các electron thoát ra t catod b nung nóng.
4.2.3 S ph thu c c a c ng đ dòng đi n trong chân không
vào hi u đi n th
Kh o sát s ph thu c c a dịng đi n trong chân khơng vào hi u đi n th U gi a anod và catod, th c nghi m nh n đ c đ ng đ c tr ng Von- Ampe có d nh nh hình 4.4
Hình 4.3: đ ng đ c tr ng vôn- ampe c a điôt chân không
0 U Ub TA TB A B Ibh I
ng đ c tr ng von –ampe c a diod chân khơng khơng tuy n tính nên dịng
đi n trong chân không không tuân theo đnh lu t ôm.
Khi hi u đi n th U = 0, c ng đ dòng đi n qua diod r t nh .
Khi hi u đi n th U t ng, c ng đ dòng đi n t ng t ng ng. ti p t c t ng U thì c ng đ dịng đi n đ t giá tr l n nh t g i là c ng đ dòng đi n bão hịa Ibh c a diod khi đó dịng đi n h u nh không ph thu c vào t ng hi u đi n th U.
4.3 ng d ng c a dòng đi n trong chân khơng.
4.3.1 Các tính ch t c a tia catod
Trong s phóng đi n thành mi n áp su t th p chúng ta nh n đ c chùm tia electron phát x do các ion d ng b n phá vào catod. Hiên t ng đó g i là s phát x electron th c p và dịng electron trong ng phóng đi n đ c g i là tia catod
phát x t catod l nh. Trong diod chân khơng, electron đ c gi i phóng kh i catod
b ng s phát x nhi t electron khi catod đ c đ t nóng. B n ch t tia catod là dịng electron, vì v y dù đ c t o ra b ng ph ng pháp nào, tính ch t c a tia catod c ng nh nhau. Tia catod có m t s tính ch t sau:
+ Tia catod phát ra vng góc v i b m t catod. N u catod có d ng m t c u lõm thì các tia catod phát ra s h i t t i tâm m t c u.
+ Tia catod truy n th ng n u khơng có tác d ng c a đi n tr ng hay t tr ng
Hình 4.4: tia catơt truy n th ng
+ -
+ Tia catod có đ ng n ng l n khi đ p vào v t làm v t nóng lên. V i các v t có kh i l ng nguyên t l n, electron b hãm l i và phát ra tia Rontgen (tia X). Tính ch t này đ c s d ng trong vi c hàn kim lo i tinh khi t trong chân không, ch t o màng m ng b ng ph ng pháp b c bay chùm tia electron trong chân khơng. Trong
kính hi n vi đi n t , chùm electron n ng l ng l n đ c s d ng đ kích thích m u phát ra electron th c p và tia Rontgen đ c tr ng.
+ Tia catod có th đâm xuyên các lá kim lo i m ng, tác d ng lên kính nh và có kh n ng ion hóa khí.
+ Tia catod đ p vào m t s ch t làm chúng phát quang nh th y tinh phát ánh sáng màu xanh l c, vôi phát ánh sáng màu da cam.
+ Tia catod là chùm h t mang đi n tích nên b l ch trong đi n tr ng, t tr ng.
Do nh ng tính ch t đ c bi t trên, tia catod đ c ng d ng r ng rãi trong các thi t b k thu t hi n đ i và các máy thông d ng trong đ i s ng.
4.3.2 Các ng d ng c a dịng đi n trong chân khơng
4.3.2.1 ng phóng đi n t
ng phóng đi n t (còn g i là ng tia catod – Cthode Ray Tube) đ u tiên s
d ng catod nóng đ c J.B.Johnson và H.W.Weinhart ch t o vào n m 1922. ng phóng đi n t đã đ c s d ng làm màn hi n th ng d ng trong m i l nh v c đ i s ng và k thu t nh máy thu hình, màn hình máy tính, màn hình trong dao đ ng kí đi n t , màn hi n th trong rada.
ng phóng đi n t là m t ng chân khơng có ngu n phát x electron g m catod, các c c đi u khi n và anod d ng hình tr r ng đ t cu i ng th y tinh. M t tr c là màn hình đ c ph m t l p hu nh quang, th ng là sunfua k m ZnS pha t p ch t đ t hi m.
Chùm electron phát x nhi t t catod đ t nóng cu i ng đ c gia t c nh hi u đi n th vài kilovon đ t trên hai đi n c c catod và anod. Trên đ ng đi đ n màn hình, chùm electron đ c h i t , sai đó đi qua hai c p b n c c lái tia theo ph ng ngang và ph ng th ng đ ng. vì v y, dịng electron phát x trong ng phóng đi n t có
th đi u khi n đ c. khi d t các hi u đi n th thích h p vào b ph n lái tia, chùm electron s đ c đi u khi n đ p vào v trí xác đnh trên màn hu nh quang
Hình 4.5: c u t o c a ng phóng đi n t
T i nh ng v trí mà electron va ch m, l p hu nh quang trên màn hình đ c kích thích phát sáng. Các c c đ c c u t o, s p x p và đ t các hi u đi n th sao cho chùm electron đ c gia t c t cu i ng đ n va ch m vào màn hu nh quang m t tr c và đ c h i t thành m t đi m sáng trên màn hu nh quang.
Màn hình máy thu hình: di n tích c a màn hình đ c phân chia thành các hàng, tín hi u video thu đ c t anten đi u ch nh c ng đ c a chùm electron đ p trên màn hu nh quang t o ra đ sáng t i trên màn hình. Chùm electron phát x t catot,
đ c đi u khi n b i t tr ng do các vòng dây đ t c c a ng hình. M t chu i liên ti p các đi m s s p x p thành 625 hàng t o lên hình nh trên màn hình. m t ng i có th c m nh n đ c các hình nh, các đi m sáng đ c quét v i t c đ 25 l n trong m t giây.
Màn hình màu: đ hi n th hình nh màu, m i đi m trên màn hình thay vì hi n
th c ng đ ánh sáng khác nhau nh màn hình đen tr ng, bây gi ph i tích h p 3 màu
ra m i màu s c. tín hi u video g i t i màn hình 3 màu c b n đó. hi n th trên màn hình màu, tivi màu ph i có 3 chùm tia catod v i 3 h th ng quét đ c l p, các đi m trên màn hình là s ph i h p c a 3 màu s c trên cho ra hình nh màu.
Màn hình dao đ ng kí đi n t : các electron có kh i l ng r t bé, quán tính r t
nh nên t c đ ph n ng c a nó g n nh t c th i khi hi u đi n th gi a các đi n c c thay đ i. do tính ch t này, dao đ ng kí đi n t đ c dùng đ nghiên c u các quá trình bi n thiên nhanh.
4.3.2.2 Kính hi n vi đi n t
+ Nguyên lý ho t đ ng c a kính hi n vi đi n t .
Khi quan sát các v t th , kho ng cách nh nh t gi a hai đi m mà m t ng i có th phân bi t đ c 0,1 mm – 0,2mm. đó là đ phân gi i c a m t. đ quan sát các chi ti t nh h n 0,1mm, ng i ta dùng kính hi n vi quang h c đ phân gi i c a kính