$8.1.13.$ 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.
#### 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:
@@ -20,7 +20,7 @@2. Качественное объяснение зависимости $I(T)$ при $U = \text{const}$
$$ I \propto T^2 \exp\left(-\frac{A_{\text{вых}}}{kT}\right) $$
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.
+
- 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
ещё строк без изменений 5
### Условие
### 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.
$8.1.13.$ 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.
#### 1. Почему диод можно использовать как выпрямитель
#### 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.
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.
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 $U = \text{const}$
#### 2. Качественное объяснение зависимости $I(T)$ при $U = \text{const}$
График зависимости анодного тока от температуры катода имеет два выраженных участка:
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:
- 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:
@@ -20,7 +20,7 @@2. Качественное объяснение зависимости $I(T)$ при $U = \text{const}$
$$ I \propto T^2 \exp\left(-\frac{A_{\text{вых}}}{kT}\right) $$
$$ I \propto T^2 \exp\left(-\frac{A_{\text{вых}}}{kT}\right) $$
где $A_{\text{вых}}$ — работа выхода электрона, $k$ — постоянная Больцмана. Это объясняет крутой нелинейный подъем кривой.
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.
- 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):
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):
$$ I \propto U^{3/2}$$
$$ I \propto U^{3/2}$$
Поскольку по условию напряжение $U$ постоянно, ток также остается постоянным, и график выходит на горизонтальное плато.
Поскольку по условию напряжение $U$ постоянно, ток также остается постоянным, и график выходит на горизонтальное плато.
