Школа для Электрика. Все Секреты Мастерства. Образовательный сайт по электротехнике   Искать в Школе для электрика:
 
 

 

Справочник электрика / Основы электротехники

 

Электрический ток в вакууме


В техническом смысле вакуумом называют пространство, количество вещества в котором, по сравнению с обычной газообразной средой, пренебрежимо мало. Давление в вакууме как минимум на два порядка ниже атмосферного, в таких условиях свободные носители заряда в нем практически отсутствуют.

Но как мы знаем, электрическим током называется упорядоченное движение заряженных частиц под действием электрического поля, в то время как в вакууме по определению нет такого количества заряженных частиц, которого было бы достаточного для образования устойчивого тока. Это значит, что для создания тока в вакууме необходимо каким-то образом добавить в него заряженные частицы.

Электронные лампы

В 1879 году Томас Эдисон открыл явление термоэлектронной эмиссии, которое на сегодняшний день выступает одним из проверенных способов получения свободных электронов в вакууме посредством нагревания металлического катода (отрицательного электрода) до такого состояния, что из него начнут вылетать электроны. Данное явление используется во многих вакуумных электронных приборах, в частности в электронных лампах.

Вакуумная камера

Разместим два металлических электрода в вакууме и подключим их к источнику постоянного напряжения, затем начнем подогревать отрицательный электрод (катод). Кинетическая энергия электронов внутри катода при этом увеличится. Если дополнительно полученная таким образом энергия электронов окажется достаточной для преодоления потенциального барьера (для совершения работы выхода из металла катода), то такие электроны будут способны вылететь в пространство между электродами.

Поскольку между электродами присутствует электрическое поле (созданное выше упомянутым источником), электроны, попав в это поле, должны начать ускоряться в направлении анода (положительного электрода), то есть теоретически возникнет электрический ток в вакууме.

Но это возможно не всегда, а лишь в том случае, если электронный пучок будет в состоянии преодолеть потенциальную яму у поверхности катода, наличие которой обусловлено возникновением объемного заряда вблизи катода (электронное облако).

Для некоторых электронов напряжение между электродами окажется слишком низким по сравнению с их средней кинетической энергией, этого не хватит для выхода из ямы, и они вернутся назад, а для некоторых — достаточно высоким, чтобы электроны все же прошли дальше и стали ускоряться электрическим полем. Таким образом, чем выше приложенное к электродам напряжение — тем больше электронов покинут катод и станут носителями тока в вакууме.

Напряжение между электродами

Итак, чем выше напряжение между расположенными в вакууме электродами — тем меньше глубина потенциальной ямы возле катода. В результате получается, что плотность тока в вакууме при термоэлектронной эмиссии связана с напряжением на аноде соотношением, называемым законом Ленгмюра (в честь американского физика Ирвинга Ленгмюра) или законом трех вторых:

Закон Ленгмюра

В отличие от закона Ома, связь здесь нелинейна. Причем с увеличением разности потенциалов между электродами, плотность тока в вакууме будет расти до тех пор, пока не наступит насыщение — условие, когда все электроны из электронного облака у катода достигают анода. Дальнейший подъем разности потенциалов между электродами не приведет к усилению тока. Р

азные катодные материалы обладают разной эмиссионной способностью, характеризуемой током насыщения. Плотность тока насыщения можно определить по формуле Ричардсона-Дешмана, связывающей плотность тока с параметрами материала катода:

Электрический ток в вакууме

Здесь:

Электрический ток в вакууме

Данная формула была получена учеными на основе квантовой статистики.