BÀI 16: DÒNG ĐIỆN TRONG CHÂN KHÔNG
A. LÍ THUYẾT TRỌNG TÂM
1. Bản chất dòng điện trong chân không
- Dòng điện trong chân không là dòng chuyển dời có hướng của các êlectron được đưa vào khoảng chân không đó.
- Cách tạo ra dòng điện trong chân không: Dùng một hiệu điện thế lớn giữa anôt và catôt đặt trong một ống thủy tinh nối với bơm chân không rồi rút khí cho đến khi trong ống là chân không.
2. Tia catôt
- Tia catôt là một dòng các êlectron phát ra từ catôt, 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 êlectron.
- Bản chất: Tia catôt là dòng các êlectron phát ra từ catôt và bay gần như tự do trong ống thí nghiệm.
- Tính chất:
- Tia catôt phát ra từ catôt theo phương vuông góc với bề mặt catôt. Bị chặn lại khi gặp vật cản và làm cho vật cản tích điện âm.
- Mang năng lượng lớn: Làm đen phim ảnh, làm huỳnh quang một số tinh thể, làm kim loại phát ra tia X, ...
- Từ trường làm tia catôt lệch theo hướng vuông góc với phương lan truyền và phương của từ trường. Điện trường làm tia catôt lệch theo chiều ngược với điện trường.
- Tia catôt được sử dụng làm ống phóng điện tử hoặc đèn hình.
B. PHƯƠNG PHÁP GIẢI BÀI TẬP
Phần này chủ yếu là lí thuyết và bài tập định tính giải thích các hiện tượng liên quan đến dòng điện trong chân không, do đó các em cần nắm vững và vận dụng linh hoạt các kiến thức ở mục A vào từng câu hỏi cụ thể.
C. GIẢI BÀI TẬP SÁCH GIÁO KHÓA
Câu C1 (trang 96 SGK Vật Lí 11):
Trên đồ thị c) hình 16.2 SGK, dòng điện bão hòa khoảng bao nhiêu?
Trả lời:
Trên đồ thị c) hình 16.2 SGK, dòng điện bão hòa khoảng 20 mA.
Câu C2 (trang 97 SGK Vật Lí 11):
Vì sao khi áp suất còn lớn ta không thấy quá trình phóng điện qua khí, và khi áp suất đã đủ nhỏ lại có quá trình phóng điện tự lực?
Trả lời:
- Khi áp suất còn lớn thì hạt tải điện ban đầu được tạo ra do các tác nhân icon hóa được gia tốc trong điện trường giữa hai cực anôt và catôt sẽ bị va chạm với các phân tử khí trong môi trường. Vì vậy động năng nó đạt được không đủ lớn, nên không icon hóa được các phần tử khác nhau và không gây được hiện tượng nhân số hạt tải điện ⇒ không thấy quá trình phóng điện qua chất khí.
- Khi áp suất đã đủ nhỏ quãng đường tự do trung bình của các hạt tải tăng lên, động năng đủ lớn, có thể icon hóa được các phần tử khí khác và gây được hiện tượng nhân số hạt tải điện. Lúc đó, dù ngừng phun các hạt tải vào môi trường vẫn duy trì được dòng điện ⇒ có quá trình phóng điện tự lực.
Câu C3 (trang 97 SGK Vật Lí 11):
Vì sao khi rút khí để được chân không tốt hơn thì tia catôt lại biến mất?
Trả lời:
Khi chân không cao, êlectron bay từ catôt đến anôt không va chạm với phân tử khí để ion hóa nó thành ion dương và êlectron. Không có ion dương nên không thể làm catôt phát ra êlectron, do đó không có quá trình phóng điện tự lực, tia catôt biến mất.
D. CÂU HỎI – BÀI TẬP
Bài 1 (trang 99 SGK Vật Lí 11):
Vì sao chân không dẫn điện? Bằng cách nào ta tạo ra được dòng điện trong chân không?
Lời giải:
- 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 êlectron tự do trong chân không và tạo ra một hiệu điện thế giữa các anôt và catôt trong ống chân không đó.
- Các tác nhân có thể là: nung nóng catôt 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 catôt đẻ phát xạ lạnh êlectron.
Bài 2 (trang 93 SGK Vật Lí 11):
Điốt chân không cấu tạo như thế nào và các tính chất là gì?
Lời giải:
Điốt chân không có cấu tạo gồm catôt được nung nóng và anôt có lỗ thủng để cho dòng êlectron bay ra và có tính chất chỉ cho dòng điện đi qua theo một chiều từ anôt sang catôt
Bài 3 (trang 99 SGK Vật Lí 11):
Tia catôt là gi? Có thể tạo ra nó bằng cách nào?
Lời giải:
- Tia catôt là một dòng các êlectron có năng lượng lớn bay tự do trong không gian.
- Có thể tạo ra tia catôt bằng cách phóng điện trong chất khí ở áp suất thấp hay áp suất dùng đi ốt chân không…
Bài 4 (trang 99 SGK Vật Lí 11):
Tại sao khi phóng điện qua khí ở áp suất thấp lại sinh ra tia catôt?
Lời giải:
Tia catôt là một dòng các êlectron có năng lượng lớn bay tự do trong không gian. Vì vậy chỉ khi áp suất của khí đủ thấp, để khoảng cách trung bình giữa hai phần tử khí lớn hơn quãng đường bay tự dó trung bình của các êlectron, khi đó các êlectron mới được coi như chuyển động tự do, mà không bị va chạm với các phần tử khí ⇒ tạo thành tia catôt.
Bài 5 (trang 99 SGK Vật Lí 11):
Kể vài tính chất của tia catôt chứng tỏ nó là dòng các êlectron bay tự do?
Lời giải:
Tính chất của tia catôt
- Tia catôt phát ra từ catôt theo phương vuông góc với bề mặt catôt. Bị chặn lại khi gặp vật cản và làm cho vật cản tích điện âm.
- Mang năng lượng lớn: Làm đen phim ảnh, làm huỳnh quang một số tinh thể, làm kim loại phát ra tia X, ...
- Từ trường làm tia catôt lệch theo hướng vuông góc với phương lan truyền và phương của từ trường. Điện trường làm tia catôt lệch theo chiều ngược với điện trường.
Bài 6 (trang 99 SGK Vật Lí 11):
Súng êlectron tạo ta tia catôt theo nguyên tắc nào?
Lời giải:
Súng êlectron tạo tạo ra tia catôt theo nguyên tắc của một điốt chân không có catôt là một dây tóc được nung nóng và anốt có lỗ thủng để cho dòng êlectron bay ra.
Bài 7 (trang 99 SGK Vật Lí 11):
Hãy kể hai ứng dụng của tia catốt mà em biết.
Lời giải:
Ứng dụng của tia catôt: dùng trong các ống catôt, đèn hình, để hàn trong chân không hoặc nấu các kim loại rất tinh khiết trong chân không.
Bài 8 (trang 99 SGK Vật Lí 11):
Phát biểu nào là chính xác?
Dòng điện trong chân không sinh ra do chuyển động của
A. các êlectron phát ra từ catôt
B. các êlectron ta đưa từ bên ngoài vào các điện cực trong chân không.
C. các êlectron phát ra từ anôt bị đốt nóng đỏ.
D. các ion khí còn dư trong chân không.
Lời giải: Chọn A.
Dòng điện trong chân không sinh ra do chuyển động các êlectron phát ra từ catôt.
Bài 9 (trang 99 SGK Vật Lí 11):
Phát biểu nào là chính xác?
Người ta kết luận tia catôt 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: Chọn B.
Người ta kết luận tia catôt 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 Lí 11):
Catôt của một điốt chân không có mặt ngoài S = 10 mm2. Dòng bão hòa Ibh = 10 mA. Tính số êlectron phản xạ từ một đơn vị điện tích của catôt trong cùng một giây.
Lời giải:
Số êlectron phản xạ từ một đơn vị điện tích của catôt trong một giây:
\(\text{n}=\frac{{{\text{I}}_{\text{bh}}}}{\text{e}.\text{S}}=\frac{{{10.10}^{-3}}}{{{1,6.10}^{-19}}{{.10.10}^{-6}}}={{6,25.10}^{21}}\) hạt/m2
Bài 11 (trang 99 SGK Vật Lí 11):
Hiệu điện thế giữa anôt và catôt của một súng êlectron là 2500 V, tính tốc độ của các êlectron mà sóng phát ra. Cho biết khối lượng của êlectron là 9.11.10-31 kg.
Lời giải:
Theo định lí động năng, trong trường hợp này động năng của êlectron nhận được là do công của điện trường cung cấp.
Ta có: Wđ = AFđ \(\Rightarrow \frac{m{{v}^{2}}}{2}=eU\)
Tốc độ của êlectron mà súng phát ra là: \(\text{v}=\sqrt{\frac{2\text{e}.\text{U}}{\text{m}}}=\sqrt{\frac{{{2.1,6.10}^{-19}}.2500}{{{9,11.10}^{-31}}}}={{2,96.10}^{7}}~\text{m}/\text{s}\)
Trên đây là gợi ý giải bài tập Vật Lý 11 bài dòng điện trong chân không do giáo viên Ican trực tiếp biên soạn theo chương trình mới nhất. Chúc bác bạn học tập vui vẻ.