Електричний струм у вакуумі
👩🏫Методичні акценти для вчителя • План проведення уроку на 45 хвНУШ▼
🎯 Очікувані результати навчання (НУШ):
Формування предметних компетентностей за темою «Електричний струм у вакуумі», розвиток критичного мислення, вміння аналізувати причинно-наслідкові зв'язки та застосовувати набуті знання на практиці.
💬 Провокативне питання для старту:
Використайте блок «Гачок (Hook)» нижче для 2-хвилинної розминки з класом перед поясненням нового матеріалу.
⏱️ Рекомендований таймінг 45-хвилинного уроку:
Тема: Розділ 1. Електричний струм у різних середовищах • с. 47. Електричний струм у вакуумі. Д/з: опрацювати матеріал уроку та завдання «У зошит» на платформі EZZ-SCHOOL BOOKS.
⚡ Фронтальне бліц-опитування класу на початку уроку (2 хв):
- Що є ключовим поняттям теми «Електричний струм у вакуумі» і чому воно важливе?
- Де у повсякденному житті, науці чи IT ми стикаємося з цим явищем/алгоритмом?
- Яка найпоширеніша помилка виникає під час першого знайомства з матеріалом?
🏠 Диференційоване домашнє завдання:
- Базовий рівень (обов'язковий): опрацювати конспект і блок «У зошит».
- Достатній рівень: скласти власну шпаргалку та пройти MiniCheck.
- Високий / STEM: виконати симуляцію у лабораторії та скласти BossQuiz на 100 XP.
📊 Критерії формувального оцінювання:
Твоя місія на цей урок
Натискай на цілі у міру їх опанування:
- 1Зрозуміти фізичний стан вакууму (довжина вільного пробігу молекул перевищує розміри судини).Опанувати ➔
- 2Опанувати явище термоелектронної емісії — випаровування електронів з розжареного катода.Опанувати ➔
- 3Вивчити будову та односторонню провідність вакуумного діода.Опанувати ➔
- 4Дізнатися про принцип дії електронно-променевої трубки (кінескопа) та електронного мікроскопа.Опанувати ➔
🌌 Як пустити струм крізь порожнечу, де немає жодного атома речовини?
Вакуум — це абсолютна пустка. Там немає ані вільних електронів, ані йонів. Здавалося б, струм у вакуумі неможливий у принципі! Проте саме струм у вакуумі створив телебачення XX століття, перші комп’ютери та надпотужні електронні мікроскопи. Звідки ж у порожнечі беруться заряди?
1. Фізичний стан вакууму та термоелектронна емісія
У фізиці вакуумом називають такий розріджений стан газу, за якого середня довжина вільного пробігу молекул λ значно перевищує лінійні розміри посудини d (λ ≫ d). У такому стані молекули практично не стикаються одна з одною в об'ємі колби, а вільно долітають від однієї стінки до іншої. Оскільки вільних заряджених частинок у вакуумі немає, вакуум сам по собі є ідеальним діелектриком.
Щоб створити електричний струм у вакуумі, необхідно штучно ввести в нього вільні носії заряду. Найефективніший спосіб — явище термоелектронної емісії: випускання електронів металом при його сильному нагріванні.
Вільні електрони всередині металу утримуються силами притягання до позитивних йонів ґратки. Щоб вилетіти з металу назовні, електрон повинен подолати потенціальний бар'єр і виконати роботу виходу A_вих (вимірюється в електронвольтах, еВ; для вольфраму A_вих ≈ 4,5 еВ). При нагріванні металу до 1500 - 2500 °C кінетична енергія значної частини електронів перевищує роботу виходу, і вони масово вилітають у вакуум, утворюючи навколо розжареної нитки хмару вільних електронів («електронну хмару»).
2. Вакуумний діод та одностороння провідність
Найпростішим електровакуумним приладом є вакуумний діод (двоелектродна лампа). Вона складається з відкачаного скляного або металевого балона з двома електродами:
- Катод: тонка вольфрамова нитка (прямий нагрів) або металевий циліндр з внутрішнім підігрівачем (непрямий нагрів). При нагріванні випускає електрони шляхом термоелектронної емісії.
- Анод: холодний металевий циліндр, що оточує катод.
Пряме ввімкнення (Uₐ > 0)
Якщо на анод подати позитивний потенціал, електричне поле притягує електрони з електронної хмари катода. Через вакуум тече струм — анодний струм.
Зворотне ввімкнення (Uₐ < 0)
Якщо на анод подати негативний потенціал, поле відштовхує електрони назад до катода. Оскільки холодний анод електронів не випускає, струм у лампі строго дорівнює нулю!
Властивість односторонньої провідності: Вакуумний діод пропускає струм лише в одному напрямку (від анода до катода умовного струму, тобто рух електронів від катода до анода). Це дозволило використовувати діоди (кенотрони) як надійні випрямлячі змінного струму.
Яка фундаментальна властивість вакуумного діода лежить в основі його використання у блоках живлення?
3. Тріод Лі де Фореста та електронно-променева трубка (ЕПТ)
Тріод — народження радіоелектроніки (1906 р.)
Американський винахідник Лі де Форест додав між катодом і анодом третій електрод — керівну сітку. Оскільки сітка розташована впритул до катода, навіть мікроскопічна зміна напруги на ній створює сильне електричне поле, яке відкриває або перекриває потік електронів до анода.
Зміна напруги на сітці в 0,1 В викликає гігантську зміну анодного струму! Тріод став першим в історії підсилювачем слабких електричних сигналів, відкривши епоху радіомовлення, телебачення та перших ЕОМ.
Електронно-променева трубка (ЕПТ)
ЕПТ формує вузький сфокусований пучок швидких електронів (електронний промінь), який рухається у високому вакуумі. Основні вузли:
- Електронна гармата: розжарений катод, керівний електрод і прискорювальні аноди (розганяють електрони напругою до 10–25 кВ);
- Відхиляюча система: дві пари пластин (горизонтальні та вертикальні), що відхиляють промінь електричним полем (або магнітні котушки);
- Флуоресцентний екран: вкритий люмінофором, який світиться в точці падіння електронів.
ЕПТ десятиліттями слугувала екранами осцилографів, радіолокаторів і кінескопів телевізорів. Крім того, на основі фокусування електронних пучків створено електронний мікроскоп, чия роздільна здатність у 100 000 разів перевищує світловий мікроскоп завдяки мізерній довжині хвилі електрона!
Шпаргалка до § 6: Електричний струм у вакуумі
Усе найважливіше для повторення перед уроком або самостійною роботою
🌌 Вакуум
Стан розрідженого газу, коли довжина вільного пробігу молекул більша за посудину.
🔥 Термоелектронна емісія
Випромінювання електронів розжареною поверхнею металу.
🚪 Діод
Двоелектродна лампа з односторонньою провідністю.
🔬 Електронний промінь
Потік електронів у вакуумі. Використовується в рентгенівських трубках та мікроскопах.
Самоперевірка (картки знань)
Натискай для перевороту (або Пробіл / ◀ ▶ на клавіатурі)
У зошит (за підручником)
Вправи з підручника «Фізика 9 клас (Бар'яхтар, Довгий та ін., Ранок 2026)», § 6, с. 47. Виконуй у робочий зошит або за комп'ютером за вказівкою вчителя:
Визначення напрямку руху електронів у діоді
💡 Підказка від нас: Електрони рухаються від негативно зарядженого катода до позитивного анода. Технічний напрямок струму при цьому — від анода до катода.
Пояснення причини відсутності струму при зміні полярності
💡 Підказка від нас: При зворотній полярності на катоді утворюється позитивний заряд, що блокує вихід електронів, а холодний анод не здатний до термоелектронної емісії.
Розрахунок швидкості електрона в електронній трубці
💡 Підказка від нас: Кінетична енергія електрона дорівнює роботі електричного поля: m · v² / 2 = e · U. Звідси v = √(2eU / m).
Бос-тест до § 6: Електричний струм у вакуумі
Питання 1 з 3 • Завдай удару по босу теми