Новое решение
ru/8.1.13.md
+41 −0
| @@ -0,0 +1,41 @@ | |||
| + | ### Условие | ||
| + | |||
| + | $8.1.13.$ [Вставьте условие задачи] | ||
| + | |||
| + | ### Решение | ||
| + | |||
| + | ### Условие | ||
| + | |||
| + | $8.1.13.$ В вакуумном диоде два электрода: катод, с которого «испаряются» электроны (его специально подогревают), и анод, на который попадают вылетевшие с катода электроны. Объясните, почему диод можно использовать как выпрямитель. На рисунке показано, как при постоянном напряжении между анодом и катодом ток в цепи анода зависит от температуры катода. Объясните качественно эту зависимость. | ||
| + | |||
| + |  | ||
| + | |||
| + | ### Решение | ||
| + | |||
| + | #### 1. Почему диод можно использовать как выпрямитель | ||
| + | |||
| + | Работа вакуумного диода основана на явлении термоэлектронной эмиссии. Катод специально подогревают, и электроны, получая тепловую энергию, достаточную для преодоления работы выхода, покидают его поверхность. Анод при этом остается холодным и электронов не испускает. | ||
| + | |||
| + | Если к диоду приложить прямое напряжение (анод подключен к «плюсу», катод к «минусу»), электрическое поле будет ускорять вылетевшие электроны в сторону анода — в цепи пойдет ток. Если приложить обратное напряжение (анод к «минусу», катод к «плюсу»), поле будет отталкивать электроны обратно к катоду. Поскольку холодный анод не является источником электронов, ток в обратном направлении будет равен нулю. Благодаря такой строгой односторонней проводимости вакуумный диод служит выпрямителем. | ||
| + | |||
| + | #### 2. Качественное объяснение зависимости $I(T)$ при $U = \text{const}$ | ||
| + | |||
| + | График зависимости анодного тока от температуры катода имеет два выраженных участка: | ||
| + | |||
| + | - Участок быстрого роста (режим ограничения эмиссией): При относительно низких температурах катод испускает мало электронов, и приложенного напряжения $U$ достаточно, чтобы перенести их все на анод. В этом случае ток ограничен лишь способностью катода испускать электроны. Эта зависимость описывается формулой Ричардсона — Дэшмана: | ||
| + | $$ I \propto T^2 \exp\left(-\frac{A_{\text{вых}}}{kT}\right) $$ | ||
| + | где $A_{\text{вых}}$ — работа выхода электрона, $k$ — постоянная Больцмана. Это объясняет крутой нелинейный подъем кривой. | ||
| + | |||
| + | - Участок насыщения (режим ограничения пространственным зарядом): При дальнейшем повышении температуры катод начинает испускать избыточное количество электронов. Они скапливаются в вакууме между электродами, образуя отрицательно заряженное электронное облако (пространственный заряд). Электрическое поле этого облака отталкивает часть новых вылетающих электронов обратно на поверхность катода. | ||
| + | |||
| + | В этом режиме ток через диод больше не увеличивается с ростом температуры, так как он лимитируется способностью внешнего электрического поля анода «вытягивать» электроны из этого облака. На этом участке ток подчиняется закону «трех вторых» (закону Богуславского — Ленгмюра): | ||
| + | $$ I \propto U^{3/2} $$ | ||
| + | Поскольку по условию напряжение $U$ постоянно, ток также остается постоянным, и график выходит на горизонтальное плато. | ||
| + | |||
| + | #### Ответ | ||
| + | |||
| + | Смотрите решение. | ||
| + | |||
| + | #### Ответ | ||
| + | |||
| + | [Вставьте краткий ответ или результат в рамке] | ||
| @@ -0,0 +1,41 @@ | |||
| ### Условие | |||
| $8.1.13.$ [Вставьте условие задачи] | |||
| ### Решение | |||
| ### Условие | |||
| $8.1.13.$ В вакуумном диоде два электрода: катод, с которого «испаряются» электроны (его специально подогревают), и анод, на который попадают вылетевшие с катода электроны. Объясните, почему диод можно использовать как выпрямитель. На рисунке показано, как при постоянном напряжении между анодом и катодом ток в цепи анода зависит от температуры катода. Объясните качественно эту зависимость. | |||
|  | |||
| ### Решение | |||
| #### 1. Почему диод можно использовать как выпрямитель | |||
| Работа вакуумного диода основана на явлении термоэлектронной эмиссии. Катод специально подогревают, и электроны, получая тепловую энергию, достаточную для преодоления работы выхода, покидают его поверхность. Анод при этом остается холодным и электронов не испускает. | |||
| Если к диоду приложить прямое напряжение (анод подключен к «плюсу», катод к «минусу»), электрическое поле будет ускорять вылетевшие электроны в сторону анода — в цепи пойдет ток. Если приложить обратное напряжение (анод к «минусу», катод к «плюсу»), поле будет отталкивать электроны обратно к катоду. Поскольку холодный анод не является источником электронов, ток в обратном направлении будет равен нулю. Благодаря такой строгой односторонней проводимости вакуумный диод служит выпрямителем. | |||
| #### 2. Качественное объяснение зависимости $I(T)$ при $U = \text{const}$ | |||
| График зависимости анодного тока от температуры катода имеет два выраженных участка: | |||
| - Участок быстрого роста (режим ограничения эмиссией): При относительно низких температурах катод испускает мало электронов, и приложенного напряжения $U$ достаточно, чтобы перенести их все на анод. В этом случае ток ограничен лишь способностью катода испускать электроны. Эта зависимость описывается формулой Ричардсона — Дэшмана: | |||
| $$ I \propto T^2 \exp\left(-\frac{A_{\text{вых}}}{kT}\right) $$ | |||
| где $A_{\text{вых}}$ — работа выхода электрона, $k$ — постоянная Больцмана. Это объясняет крутой нелинейный подъем кривой. | |||
| - Участок насыщения (режим ограничения пространственным зарядом): При дальнейшем повышении температуры катод начинает испускать избыточное количество электронов. Они скапливаются в вакууме между электродами, образуя отрицательно заряженное электронное облако (пространственный заряд). Электрическое поле этого облака отталкивает часть новых вылетающих электронов обратно на поверхность катода. | |||
| В этом режиме ток через диод больше не увеличивается с ростом температуры, так как он лимитируется способностью внешнего электрического поля анода «вытягивать» электроны из этого облака. На этом участке ток подчиняется закону «трех вторых» (закону Богуславского — Ленгмюра): | |||
| $$ I \propto U^{3/2} $$ | |||
| Поскольку по условию напряжение $U$ постоянно, ток также остается постоянным, и график выходит на горизонтальное плато. | |||
| #### Ответ | |||
| Смотрите решение. | |||
| #### Ответ | |||
| [Вставьте краткий ответ или результат в рамке] | |||