Mô tả thí nghiệm, Bản chất dòng điện trong chân không và ứng dụng - Vật lý 11 bài 16

Vậy bản chất của dòng điện trong chân không là gì? thí nghiệm về dòng điện trong chân không được mô tả như thế nào? Tia catot có bản chất và ứng dụng gì trong thực tế? chúng ta cùng tìm hiểu qua bài viết dưới đây.

I. Cách tạo ra dòng điện trong chân không

1. Bản chất dòng điện trong chân không

- Để chân không dẫn điện, ta phải đưa các electron và trong đó.

- Dòng điện trong chân không là dòng chuyển dời có hướng của các êlectron được đưa vào khoảng chân không đó.

2. Thí nghiệm mô tả dòng điện trong chân không

- Lấy một đèn điôt chân không D, bên trong có một catôt K (là dây tóc vonfam FF') và một anôt là bản cực kim loại A. Catôt được đốt nóng bằng dòng điện (mạch điện gồm một bộ pin E_F và một biến trở R).

- Vôn kế V dùng để đo hiệu điện thế U_AK giữa anôt và catôt. Anôt được nối với nguồn điện áp biến đổi và một điện kế G như hình sau:

- Đồ thị biểu diễn I_A theo U_AK như sau:

• Thí nghiệm cho thấy đường đặc tuyến V – A của dòng điện trong chân không:

- Đồ thị a): Khi K không được đốt nóng, I = 0

- Đồ thị b): Khi K nóng đỏ:

 U_AK < 0: I không đáng kể

 U_AK > 0: I tăng nhanh theo U rồi đạt giá trị bão hòa

- Đồ thị c): Đốt dây tóc với nhiệt độ cao hơn, đường cong (c) có dạng như (b) nhưng dòng bão hòa lớn hơn.

II. Tia Catot

1. Thí nghiệm tia catot

- Thí nghiệm tạo ra dòng điện trong chân không bằng cách rút dần khí trong ống được minh họa như hình vẽ. Ống thuỷ tinh dài chừng 30 cm, nguồn điện có hiệu điện thế khoảng vài ngàn vôn:

- Khi áp suất trong ống bằng áp suất khi quyển ta không thấy quá trình phóng điện.

- Khi áp suất trong ống đã đủ nhỏ, trong ống có quá trình phóng điện tự lực, trong ống có cột sáng anot và khoảng tối catot.

- Khi áp suất trong ống hạ xuống còn khoảng 10^-3mmHg, khoảng tối catot chiếm toàn bộ ống. Quá trình phóng điện vẫn duy trì và ở phía đối diện catot, thành ống thủy tinh phát ánh sáng màu vàng lục.

- Ta gọi tia phát ra từ catot làm từ huỳnh quang thủy tinh là tia catot.

- Tiếp tục hút khí để đạt chân không tốt hơn nữa thì quá trình phóng điện biến mất.

2. Tính chất của tia catot

- Nó phát ra từ catôt, theo phương vuông góc với bề mặt catôt. Gặp một vật cản, nó bị chặn lại và làm vật đó tích điện âm.

- Nó mang năng lượng lớn: nó có thể làm đen phim ảnh, làm huỳnh quang một số tinh thể, làm kim loại phát ra tia X, làm nóng các vật mà nó rọi vào và tác dụng lực lên các vật đó.

- Từ trường làm tia catôt lệch theo hướng vuông góc với phương lan truyền và phương của từ trường, còn điện trường làm tia catôt lệch theo chiều ngược với chiều của điện trường.

3. Bản chất của tia catot

- Tia catôt thực chất là dòng êlectron phát ra từ catôt và bay gần như tự do trong ống thí nghiệm.

- Tia catôt được sinh ra khi phóng điện qua chất khí ở áp suất thấp hoặc bằng một súng êlectron.

4. Ứng dụng của tia catot

- Tia catôt có khả năng làm huỳnh quang các chất và bị làm lệch bằng điện trường và từ trường. Nó được dùng trong đèn hình và ống phóng điện tử.

III.Bài tập về dòng điện trong chân không

* Bài 1 trang 99 SGK Vật Lý 11: Vì sao chân không dẫn điện? Bằng cách nào ta tạo ra được dòng điện trong chân không?

° Lời giải bài 1 trang 99 SGK Vật Lý 11:

- Chân không có các hạt mang điện tích tự do nên không dẫn điện.

- Để tạo ra được dòng điện trong chân không ta phải dùng các tác nhân để tạo ra các electron tự do trong chân không và tạo ra một hiệu điện thế giữa các anot và catot trong ống chân không đó.

- Các tác nhân có thể là: nung nóng catot để phát xạ nhiệt điện tử, dùng các bức xạ điện tử như tia tử ngoại, ánh sáng thấy được, chùm trong icon dương,... chiếu vào catot để phát xạ lạnh electron.

* Bài 2 trang 99 SGK Vật Lý 11: Điốt chân không câu tạo như thế nào và các tính chất là gì?

° Lời giải bài 2 trang 99 SGK Vật Lý 11:

- Điốt chân không có cấu tạo gồm: Một bình thủy tinh kín hút chân không, một catot làm bằng vôn fam và một anot làm bằng kim loại.

* Bài 3 trang 99 SGK Vật Lý 11: Tia catốt là gì? Có thể tạo ra nó bằng cách nào?

° Lời giải bài 3 trang 99 SGK Vật Lý 11:

- Tia catot là một dòng các electron phát ra từ catot, có năng lượng lớn và bay tự do trong không gian, được sinh ra khi phóng điện qua chất khí ở áp suất thấp. Nó cũng có thể được tạo ra bằng một súng electron.

* Bài 4 trang 99 SGK Vật Lý 11: Tại sao khi phóng điện qua khí ở áp suất thấp lại sinh ra tia catốt?

° Lời giải bài 4 trang 99 SGK Vật Lý 11:

- Khi phóng điện qua khí ở áp suất thấp, các ion dương nhận năng lượng của điện trường, đạp vào catot, sinh ra các electron mới có thể duy trì quá trình phóng điện.

- Các electron tạo ra có thể chuyển động trên một đoạn đường dài mà không va chạm với các phân tử khí, đó chính là tia catot.

* Bài 5 trang 99 SGK Vật Lý 11: Kể vài tính chất của tia catốt chứng tỏ nó là dòng các êlectrôn bay tự do.

° Lời giải bài 5 trang 99 SGK Vật Lý 11:

¤ Một số tính chất của tia catốt chứng tỏ nó là dòng các êlectrôn bay tự do:

- Tia catôt phát ra theo phương vuông góc với bề mặt catôt. Gặp một vật cản, nó bị chặn lại và làm vật đó tích điện âm.

- Tia catot có năng lượng lớn: Nó có thể làm đen phim ảnh, làm huỳnh quang một số tinh thể, làm kim loại phát ra tia X, làm nóng các vật rọi vào và tác dụng lực lên các vật đó.

- Từ trường lệch làm các tia catot theo hướng vuông góc với phương lan truyền và phương của từ trường, còn điện trường làm tia catot lệch theo chiều ngược với chiều của điện trường.

* Bài 6 trang 99 SGK Vật Lý 11: Súng electron tạo ta tia catot theo nguyên tắc nào?

° Lời giải bài 6 trang 99 SGK Vật Lý 11:

- Súng electron tạo tạo ra tia cattot theo nguyên tắc của một đi ốt chân không có catot là một dây tóc được nung nóng và a nốt có lỗ thủng để cho dòng electron bay ra.

* Bài 7 trang 99 SGK Vật Lý 11: Hãy kể hai ứng dụng của tia catốt mà em biết.

° Lời giải bài 7 trang 99 SGK Vật Lý 11:

- Ứng dụng của tia catot: Dùng trong các ống catot, đèn hình, để hàn trong chân không hoặc nấu các kim loại rất tinh khiết trong chân không.

* Bài 8 trang 99 SGK Vật Lý 11: Phát biểu nào là chính xác? Dòng điện trong chân không sinh ra do chuyển động của:

A. các electron phát ra từ catot

B. các electron ta đưa từ bên ngoài vào các điện cực trong chân không.

C. các electron phát ra từ anot bị đốt nóng đỏ.

D. các icon khí còn dư trong chân không.

° Lời giải bài 8 trang 99 SGK Vật Lý 11:

¤ Chọn đáp án: A. các electron phát ra từ catot

- Dòng điện trong chân không sinh ra do chuyển động các electron phát ra từ catot.

* Bài 9 trang 99 SGK Vật Lý 11: Phát biểu nào là chính xác? Người ta kết luận tia catot là dòng tích điện âm vì:

A. nó có mang năng lượng.

B. khi rọi vào vật nào nó làm cho vật ấy tích điện âm.

C. nó bị điện trường là cho lệch hướng.

D. nó làm cho huỳnh quang thủy tinh.

° Lời giải bài 9 trang 99 SGK Vật Lý 11:

¤ Chọn đáp án: B. khi rọi vào vật nào nó làm cho vật ấy tích điện âm.

- Người ta kết luận tia catot là hạt tích điện âm vì khi rọi vào vật nào nó làm cho vật ấy tích điện âm.

* Bài 10 trang 99 SGK Vật Lý 11: Catot của một điốt chân không có mặt ngoài S = 10 mm². Dòng bão hòa I_bh = 10mA. Tính số electron phản xạ từ một đơn vị điện tích của catot trong cùng một giây.

° Lời giải bài 10 trang 99 SGK Vật Lý 11:

- Đề cho: I_bh = 10mA = 10.10^-3(A); S = 10mm² = 10.10^-6(m²).

- Số electron phản xạ từ một đơn vị điện tích của catot trong một giây là:

- Kết luận: n = 6,25.10²¹(hạt/m²).

* Bài 11 trang 99 SGK Vật Lý 11: Hiệu điện thế giữa anot và catot của một súng electron là 2500V, tính tốc độ của các electron mà sóng phát ra. Cho biết khối lượng của electron là 9.11.10^-31kg.

° Lời giải bài 11 trang 99 SGK Vật Lý 11:

- Theo định lý động năng, trong trường hợp này động năng của electron nhận được là do công của điện trường cung cấp, do đó ta có:

- Suy ra tốc độ của electron mà súng phát ra là:

- Kết luận: v = 2,96.10⁷(m/s).