Giáo án Vật lý 11 cơ bản bài 16: Dòng điện trong chân không

Ngày: .
Tiết 31
Bài 16
DÒNG ĐIỆN TRONG CHÂN KHÔNG
I. Mục tiêu
1. Kiến thức
 - Nêu được bản chất của dòng điện trong chân không
 - Nêu được bản chất và tính chất của tia catôt
 - Nêu được ứng dụng của tia catôt trong ống phóng điện tử
2. Kỹ năng
 - Nhận dạng được các thiết bị có ứng dụng ống phóng điện tử
II. Chuẩn bị
1. Giáo viên
 - Thước kẻ
 - Chuẩn bị bài giảng
 - Hình vẽ trong SGK trên giấy khổ lớn
2. Học sinh
 - Chuẩn bị bài mới
III. Hoạt động dạy - học
Hoạt động 1. Kiểm tra bài cũ
Trình bày quá trình dẫn điện tự lực và các cách tạo ra quá trình dẫn điện tự lực
 Nêu định nghĩa, cách tạo ra và ứng dụng của tia lửa điện, hồ quang điện.
Hoạt động 2. Đặt vấn đề nhận thức bài học
 Chúng ta thường nghĩ chân không là môi trường trong đó không còn một phân tử khí nào nghĩa là không còn vật chất, do đó không thể nói tới dòng điện trong chân không. Thực ra không phải như vậy, người ta có thể tạo ra dòng điện trong chân không và dòng điện trong chân không là dòng điện hết sức quen thuộc với mỗi chúng ta. Bài này sẽ giúp chúng ta tìm hiểu những vấn đề trên.
Hoạt động 3. Tìm hiểu về dòng điện trong chân không
Hoạt động của giáo viên
Hoạt động của học sinh
+ Tìm hiểu về bản chất của dòng điện trong chân không
? Ở điều kiện bình thường chân không có phải là môi trường dẫn điện không?
? Để chân không dẫn điện được thì phải làm như thế nào?
* Tìm hiểu về các hạt tải điện trong chân không
+ Thí nghiệm sau đây giúp chúng ta hiểu cách người ta dùng để tạo ra hạt tải điện trong chân không.
+ Vẽ hình
+ D là đèn điôt chân không, cấu tạo bởi một bóng thuỷ tinh đã hút chân không bên trong có một catôt K (dây tóc vonfam FF’) và một anôt là bản cực kim loại A.
+ Mạch điện gồm một bộ pin và biến trở R tạo ra dòng điện để đốt nóng catôt.
+ Vôn kế dùng để đo hiệu điện thế UAK giữa anôt và catôt.
+ Điện kế G dùng để đo cường độ dòng điện giữa anôt và catôt.
? Khi chưa đóng khoá K, điện kế chỉ số 0. Tại sao?
+ Yêu cầu HS trao đổi theo bàn để dự đoán hiện tượng xảy ra khi đóng K và giải thích dự đoán
+ Yêu cầu HS trình bày dự đoán và giải thích.
? Như vậy hạt tải điện trong chân không là hạt gì?
? Bản chất của dòng điện trong chân không là gì?
+ Yêu cầu HS lập bảng so sánh dòng điện trong chân không với dòng điện trong các môi trường khác về hạt tải điện và nguồn gốc
* Tìm hiểu về đặc điểm của dòng điện trong chân không
+ Dòng điện trong chân không cũng là dòng các electrôn như dòng điện trong kim loại. Vậy dòng điện này có tuân theo định luật ôm không? Sau đây là thí nghiệm dùng để tìm hiểu tính chất của dòng điện trong chân không
+ Vẽ hình
+ Nguồn dùng để đốt nóng catôt FF’
+ Nguồn điện ở phía dưới để tạo ra hiệu điện thế U giữa hai cực của điôt.
+ Biến trở R’ thay đổi giá trị của U.
+ Vôn kế V dùng để đo hiệu điện thế giữa anôt và catôt
+ Điện kế G chỉ cường độ dòng điện chạy qua điôt
+ Người ta tiến hành thí nghiệm bằng cách đốt nóng catôt ở các mức độ khác nhau thì hiệu điện thế UAK giữa anôt và catôt thay đổi từ giá trị âm đến giá trị dương, và người ta vẽ được đường đặc tuyến V – A của điôt D trên hình 16.2.
? Khi chưa đốt nóng FF’ thì IA = 0, chân không có dẫn điện không?
? Khi FF’ được nung đỏ thì IA như thế nào?
? Chân không có dẫn điện không?
? Khi UAK < 0 thì IA như thế nào?
? Khi UAK > 0 thì IA như thế nào?
? Khi UAK = 15 V thì IA như thế nào?
+ Khi dây tóc nóng hơn ta được đường cong c) có dạng gần giống như đường b nhưng giá trị của dòng bảo hoà lớn hơn.
? Trên đồ thị đường c) h 16.2 dòng bão hoà vào khoảng bao nhiêu? 
+ Ở điều kiện bình thường chân không, không phải là môi trường dẫn điện vì trong đó không có hạt tải điện.
+ Để chân không dẫn điện được thì phải tìm cách liên tục đưa các hạt tải điện vào chân không.
+ Khi chưa đóng khoá K, điện kế chỉ số 0 vì chưa có dòng điện chạy qua khoảng chân không trong đèn D (do trong khoảng chân không này chưa có hạt tải điện).
+ Trao đổi theo bàn để tìm câu trả lời
+ Khi đóng khoá K có dòng điện chạy qua catôt làm catôt nóng đỏ và gây ra hiện tượng phát xạ nhiệt electrôn. Các electrôn do catôt tạo ra chuyển động về anôt dưới tác dụng của điện trường, tạo ra dòng điện. Kim của điện kế G quay, chỉ cường độ dòng điện trên
+ Hạt tải điện trong chân không là hạt electrôn.
+ Dòng điện trong chân không là dòng chuyển dời có hướng của các electrôn được đưa vào khoảng chân không đó.
Môi trường
Hạt tải điện 
Nguồn gốc
Kim loại
electrôn
Vốn có
Điện phân
Iôn dương, iôn âm
Điện li
Khí 
Iôn dương, iôn âm, electrôn
Tác nhân iôn hoá
Chân không
electrôn
Do phát xạ nhiệt electrôn
+ Khi chưa đốt nóng FF’ thì IA = 0, chân không không dẫn điện.
+ Khi FF’ được nung đỏ thì IA khác 0.
+ Chân không dẫn điện 
+ UAK < 0: IA rất nhỏ
+ UAK > 0: IA tăng nhanh theo U
+ UAK = 15 V: IA = max
+ Dòng bão hoà 20 mA
I. Cách tạo ra dòng điện trong chân không
1. Bản chất của dòng điện trong chân không
 Dòng điện trong chân không là dòng chuyển dời có hướng của các electrôn được đưa vào khoảng chân không đó.
2. Thí nghiệm
 a) Khi chưa đốt nóng catôt thì IA = 0, chân không không dẫn điện.
 b) Khi đốt nóng catôt thì IA khác 0, chân không dẫn điện.
 + UAK < 0: IA rất nhỏ
 + UAK > 0: IA tăng nhanh theo U
 + UAK = 15 V: IA = max
Hoạt động 4. Tìm hiểu tia catôt
+ Trong phần trên chúng ta đã tìm hiểu cách tạo ra hạt tải điện trong chân không bằng phát xạ nhiệt electrôn. Ngoài cách trên người ta còn sử dụng các cách khác để tạo ra dòng điện trong chân không. Sau đây là cách thường dùng và có nhiều ứng dụng thực tế nhất.
* Thí nghiệm về tia catôt
+ Người ta dùng một ống thuỷ tinh dài chừng 30 cm, nguồn điện có hiệu điện thế khoảng vài ngàn vôn. Người ta tạo ra dòng điện trong chân không bằng cách rút dần khí trong ống.
+ Khi áp suất của khí trong ống bằng áp suất khí quyển ta không thấy quá trình phóng điện.
+ Khi áp suất đủ nhỏ, trong ống có quá trình phóng điện tự lực (hình 16.3 a), ta thấy một cột khí phát sáng kéo dài từ anôt đến gần catôt (cột sáng anôt), còn ở gần catôt có một khoảng tối ( khoảng tối catôt).
? 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?
+ Tiếp tục giảm áp suất, khoảng tối catôt mở rộng. Đến khi áp suất vào khoảng 10-3 mmHg, khoảng tối catôt chiếm toàn bộ ống nên không còn thấy ống phát sáng. Quá trình phóng điện vẫn duy trì và ở phía đối diện với catôt, thành ống thuỷ tinh phát ra ánh sáng màu vàng lục (hình 16.3 b)
+ Ta gọi tia phát ra từ catôt làm huỳnh quang thuỷ tinh là tia catôt hay tia âm cực.
+ Tiếp tục rút khí để đạt chân không tốt hơn nữa thì quá trình phóng điện biến mất.
? Vì sao khi rút khí để đạt chân không tốt hơn thì tia catôt lại biến mất?
* Tìm hiểu tính chất và bản chất của tia catôt.
+ Để tìm hiểu bản chất của tia catôt, người ta làm thí nghiệm trên các ống phóng điện hình dạng khác nhau, trong ống có đặt các vật và các điện cực khác nhau để tìm hiểu các tính chất của nó. 
+ Yêu cầu HS đọc SGK sau đó thảo luận theo nhóm và trình bày các tính chất của tia catôt.
? Từ những tính chất trên thì bản chất của tia catôt là gì?
+ Yêu cầu HS đọc mục II.4 và cho biết ứng dụng của tia catôt.
+ Khi áp suất còn lớn (gần bằng áp suất khí quyển) không có dòng điện phóng qua chất khí vì ở điều kiện bình thường không khí là môi trường cách điện. Khi áp suất đủ nhỏ, chỉ một tỉ lệ rất nhỏ các electrôn va chạm với các phân tử khí làm iôn hoá chúng, biến chúng thành iôn dương và electrôn tự do. Các iôn dương nhận năng lượng của điện trường, đập vào catôt, sinh ra các electrôn mới để duy trì quá trình phóng điện.
+ Vì khi chân không cao, electrôn bay từ catôt đến anôt không va chạm với các phân tử khí để iôn hoá nó thành iôn dương và electrôn. Không có iôn dương đập vào catôt nên không thể làm catôt phát ra electrôn, do đó không có quá trình phóng điện tự lực.
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.
+ Tia catôt thực chất là dòng electrôn phát ra từ catôt và bay tự do trong ống thí nghiệm.
+ Ứng dụng của tia catôt: làm ống phóng điện tử và đèn hình.
II. Tia catôt
1. Thí nghiệm. (SGK)
2. Tính chất của tia catôt
 + Tia catôt truyền thẳng
 + Tia catôt phát ra vuông góc với bề mặt catôt
 + Tia catôt mang năng lượng
 + Tia catôt có thể đâm xuyên các lá kim loại mỏng, có tác dụng lên kính ảnh và có khả năng iôn hoá không khí
 + Tia catôt làm phát quang một số chất khi đập vào chúng (thuỷ tinh phát ánh sáng màu xanh lục, vôi phát ánh sáng màu da cam).
 + Tia catôt bị lệch trong điện trường, từ trường.
3. Bản chất của tia catôt
 Tia catôt thực chất là dòng electrôn phát ra từ catôt và bay tự do trong ống thí nghiệm.
4. Ứng dụng
 Dùng để làm ống phóng điện tử và đèn hình.
Hoạt động 5. Củng cố - Dặn dò - Hướng dẫn tiết học sau
+ Yêu cầu học sinh nhắc lại
Bản chất của dòng điện trong chân không
Bản chất của tia catôt và tính chất của nó
+ Về nhà
Học bài
Làm các bài tập 8, 9, 10, 11
Đọc mục “Em có biết” trang 100
Chuẩn bị bài 17. Dòng điện trong chất bán dẫn
+ Nhắc lại và ghi nhớ
+ Nhận nhiệm vụ
Hoạt động 6. Bổ sung – Rút kinh nghiệm