Lý thuyết về dòng điện trong chân không, tế bào quang điện vật lí 11 dòng điện
Dòng điện trong chân không là dòng các electron chuyển động từ cực âm về cực dương dưới tác dụng của điện trường.
1/ Thí nghiệm về dòng điện trong chân không
Một máy biến áp để hở được nối vào hai cực của nguồn điện. Khi đặt trong không khí không có dòng điện chạy qua
Đặt máy biến áp đó vào trong bình kín sau đó dùng bơm hút không khí bên trong bình ra ngoài để làm giảm áp suất bên trong bình (tạo ra môi trường chân không) khi đó ta ta thấy có sự phóng điện từ cực âm sang cực dương giữa hai đầu dây để hở => có dòng điện trong môi trường chân không.
Giải thích thí nghiệm sự hình thành dòng điện trong chân không:
Trong thí nghiệm vật lí trên sử dụng máy biến áp để tạo ra điện thế giữa hai đầu dây dẫn khá lớn (khoảng 10.000V) tạo ra điện trường lớn giữa hai đầu dây để hở. Trong dây dẫn kim loại có rất nhiều các electron tự do, tại đầu dây dẫn nối với cực âm (catot) các electron nhận được năng lượng có thể bứt ra khỏi catot.
Khi đặt trong môi trường không khí, các electron bứt ra khỏi catot không đủ năng lượng để có thể chuyển động đến với dây nối với cực dương (anot) do năng lượng bị mất dần khi electron va chạm với các phân tử không khí.
Khi đặt trong môi trường chân không, các electron bứt ra khỏi catot có thể đi xa hơn và đến được với anot, dòng electron tạo thành tia lửa điện và gây ra hiện tượng phát quang như trong thí nghiệm.
Bản chất dòng điện trong chân không
2/ Tia catot:
Là dòng các tia electron phát ra từ ống catot (một ống thủy tinh hút chân không có các điện cực bằng kim loại) nối vào hai đầu của nguồn điện.
Đặc điểm của tia catot:
- Tia catot truyền thẳng và bị lệch (bẻ cong) trong từ trường, điện trường
- Tia catot măng năng lượng có khả năng đâm xuyên
- Tia catot có thể làm phát quang một số chất và làm ion hóa không khí.
3. Tế bào quang điện là gì?
- Cấu tạo: là bình bằng thạch anh đã hút hết không khí (tế bào quang điện chân không), bên trong có hai điện cực: anôt là một vòng dây kim loại; catôt có dạng một chỏm cầu bằng kim loại mà ta cần khảo sát (hoặc một lá kim loại mỏng uốn thành nửa hình trụ).
- Dụng cụ trên sơ đồ: kính lọc sắc $F$ , $G$ là một micrôampe kể để đo cường độ dòng điện $I$, $V$ đo hiệu điện thế giữa hai điểm $A,K$.
- Hoạt động: Khi đóng mạch, di chuyển con chạy $C$ để $U_{AK}>0$. Chiếu chùm ánh sáng có bước sóng ngắn vào catôt, thì xảy ra hiện tượng quang điện và trong mạch xuất hiện dòng điện gọi là dòng quang điện, tạo nên bởi các electron bắn ra từ catôt đến cực anôt.
4. Công thức dòng điện trong chân không
Cường độ dòng quang điện bão hòa
$I = ne\ \ (1)$
trong đó
– $n$ là số electron bắn ra từ catôt đến anôt trong 1 s,
– $e$ là độ lớn điện tích của electron, $e = 1,6.10^{-19}C,$
– $I$ là cường độ dòng quang điện bão hòa trong tế bào quang điên ($A$).
Công suất của chùm sáng
$P = N\varepsilon \ \ (2)$
trong đó
- $N$ là số phôtôn đến kim loại ở catôt trong 1s.
- $\varepsilon= hf$ là năng lượng của mỗi phôtôn ứng với chùm sáng đơn sắc chiếu tới catôt ($J$).
- $P$ là công suất của chùm sáng ($W$).
Chú ý: trong các công thức (1) và (2) tính toán trong thời gian là 1s.
Hiệu suất của tế bào quang điện
$H = \dfrac{n}{N}.100 \%$