Что такое электрический ток в вакууме. Электрический ток в вакууме

Движение заряженных свободных частиц, полученных в результате эмиссии, в вакууме под действием электрического поля

Описание

Для получения электрического тока в вакууме необходимо наличие свободных носителей. Получить их можно за счет испускания электронов металлами - электронной эмиссии (от латинского emissio - выпуск).

Как известно, при обычных температурах электроны удерживаются внутри металла, несмотря на то, что они совершают тепловое движение. Следовательно, вблизи поверхности существуют силы, действующие на электроны и направленные внутрь металла. Это силы, возникающие вследствие притяжения между электронами и положительными ионами кристаллической решетки. В результате в поверхностном слое металлов появляется электрическое поле, а потенциал при переходе из внешнего пространства внутрь металла увеличивается на некоторую величину Dj . Соответственно потенциальная энергия электрона уменьшается на e Dj .

Распределение потенциальной энергии электрона U для ограниченного металла показано на рис. 1.

Диаграмма потенциальной энергии электрона U в ограниченном металле

Рис. 1

Здесь W0 - уровень энергии покоящегося электрона вне металла, F - уровень Ферми (значение энергии, ниже которой все состояния системы частиц (фермионов), при абсолютном нуле заняты), E c - наименьшая энергия электронов проводимости (дно зоны проводимости). Распределение имеет вид потенциальной ямы, ее глубина e Dj =W 0 - E c (электронное сродство); Ф = W 0 - F - термоэлектронная работа выхода (работа выхода).

Условие вылета электрона из металла: W і W 0 , где W - полная энергия электрона внутри металла.

При комнатных температурах это условие выполняется лишь для ничтожной части электронов, значит, для увеличения числа покидающих металл электронов необходимо затратить определенную работу, то есть сообщить им дополнительную энергию, достаточную для вырывания из металла, наблюдая электронную эмиссию: при нагревании металла - термоэлектронную, при бомбардировке электронами или ионами - вторичную, при освещении - фотоэмиссию.

Рассмотрим термоэлектронную эмиссию.

Если испущенные раскаленным металлом электроны ускорить электрическим полем, то они образуют ток. Такой электронный ток может быть получен в вакууме, где столкновения с молекулами и атомами не мешают движению электронов.

Для наблюдения термоэлектронной эмиссии может служить пустотная лампа, содержащая два электрода: один в виде проволоки из тугоплавкого материала (молибден, вольфрам и др.), накаливаемый током (катод), и другой, холодный электрод, собирающий термоэлектроны (анод). Аноду чаще всего придают форму цилиндра, внутри которого расположен накаливаемый катод.

Рассмотрим схему для наблюдения термоэлектронной эмиссии (рис. 2).

Электрическая схема для наблюдения термоэлектронной эмиссии

Рис. 2

Цепь содержит диод Д , подогреваемый катод которого соединен с отрицательным полюсом батареи Б , а анод - с ее положительным полюсом; миллиамперметр mA , измеряющий силу тока через диод Д , и вольтметр V, измеряющий напряжение между катодом и анодом. При холодном катоде тока в цепи нет, так как сильно разряженный газ (вакуум) внутри диода не содержит заряженных частиц. Если катод раскалить с помощью дополнительного источника, то миллиамперметр зарегистрирует появление тока.

При постоянной температуре катода сила термоэлектронного тока в диоде возрастает с увеличением разности потенциалов между анодом и катодом (см. рис. 3).

Вольтамперные характеристики диода при различных температурах катода

Рис. 3

Однако эта зависимость не выражается законом аналогичным закону Ома, по которому сила тока пропорциональна разности потенциалов; эта зависимость носит более сложный характер, графически представленный на рисунке 2, например, кривой 0-1-4 (вольтамперная характеристика). При увеличении положительного потенциала анода сила тока возрастает в соответствии с кривой 0-1, при дальнейшем возрастании анодного напряжения сила тока достигает некоторого максимального значения i н , называемого током насыщения диода, и почти перестает зависеть от анодного напряжения (участок кривой 1-4).

Качественно такая зависимость тока диода от напряжения объясняется следующим образом. При разности потенциалов равной нулю сила тока через диод (при достаточном расстоянии между электродами) тоже равна нулю, так как электроны, покинувшие катод, образуют вблизи него электронное облако, создающее электрическое поле, тормозящее вновь вылетающие электроны. Эмиссия электронов прекращается: сколько электронов покидает металл, столько же в него возвращается под действием обратного поля электронного облака. При увеличении анодного напряжения концентрация электронов в облаке уменьшается, тормозящее действие его уменьшается, анодный ток увеличивается.

Зависимость силы тока диода i от анодного напряжения U имеет вид:

где a - коэффициент, зависящий от формы и расположения электродов.

Это уравнение описывает кривую 0-1-2-3, и носит название закона Богуславского - Лэнгмюра или “закона 3/2”.

Когда потенциал анода становится настолько большим, что все электроны, покидающие катод за каждую единицу времени, попадают на анод, ток достигает максимального значения и перестает зависеть от анодного напряжения.

При увеличении температуры катода вольтамперная характеристика изображается кривыми 0-1-2-5, 0-1-2-3-6 и т.д., то есть при разных температурах различными оказываются значения тока насыщения i н , которые быстро увеличиваются с возрастанием температуры. Одновременно увеличивается анодное напряжение, при котором устанавливается ток насыщения.

Электрический ток в вакууме

А возможно ли распространение электрического тока в вакууме (от лат. vacuum - пустота)? Поскольку в вакууме нет свободных носителей зарядов, то он является идеальным диэлектриком. Появление ионов привело бы к исчезновению вакуума и получению ионизированного газа. Но вот появление свободных электронов обеспечит протекание тока через вакуум. Как получить в вакууме свободные электроны? С помощью явления термоэлектронной эмиссии - испускания веществом электронов при нагревании.

Вакуумный диод, триод, электронно-лучевая трубка (в старых телевизорах) - приборы, работа которых основана на явлении термоэлектронной эмиссии. Основной принцип действия: наличие тугоплавкого материала, через который протекает ток - катод, холодный электрод, собирающий термоэлектроны – анод.

Полного вакуума нельзя получить никаким насосом. Сколько бы мы ни откачивали лампу, следы газа всегда в ней останутся. Поэтому в лампе электрический ток, с которым мы только что познакомились, проходит фактически не в вакууме, а в очень разреженном газе.

Современные насосы дают столь высокое разрежение, что остающиеся в разрядной трубке молекулы практически не влияют на движение электронов и ток проходит так же, как и в полном вакууме. Однако в некоторых случаях лампа сознательно не откачивается до такой степени. В такой лампе электроны на своём пути многократно сталкиваются с молекулами газа. При ударах они передают молекулам газа часть своей энергии. Обычно эта энергия идёт на нагревание газа, но при определённых условиях молекулы или атомы газа излучают её в виде света. Такие светящиеся трубки можно увидеть над дверями метро, на витринах и вывесках магазинов.

Прохождение электрического тока в газе - чрезвычайно сложное и многообразное явление. Одной из форм его является электрическая дуга, применяемая при электросварке и плавлении металлов.

Температура в ней при атмосферном давлении около 3700 градусов. В дуге, горящей в газе, сжатом до 20 атмосфер, температура доходит до 5900 градусов, то-есть до температуры поверхности Солнца.

Электрическая дуга испускает яркий белый свет и поэтому применяется ещё как мощный источник света в проекционных фонарях и в прожекторах.

Другой формой электрического разряда служит пробой газа. Будем сближать два разноимённо заряженных металлических шара (см. рисунок на обложке). При этом электрическое поле между ними возрастает. Наконец, оно становится настолько большим, что вырывает электроны из молекул воздуха, находящихся между шарами. Происходит ионизация воздуха. Образовавшиеся свободные электроны и ионы устремляются к шарам. На своём пути они разбивают новые молекулы, создают новые ионы. Воздух на мгновение становится проводящим.

Подходя к шарам, ионы нейтрализуют заряды шаров; поле исчезает. Оставшиеся ионы вновь соединяются в молекулы. Воздух снова изолятор.

Всё это происходит в доли секунды. Пробой сопровождается искрой и треском. Искра - результат свечения молекул, возбуждаемых ударами летящих зарядов. Треск вызван расширением воздуха вследствие его нагревания на пути искры.

Это явление напоминает в миниатюре молнию и гром. Действительно, молния - это такой же электрический разряд, происходящий при сближении двух разноимённо заряженных облаков или между облаком и Землёй.

Будем сближать теперь не два предварительно заряженных шара, а два угольных или металлических электрода, присоединённых к достаточно мощному генератору. Возникающий между ними разряд не прекращается, так как благодаря генератору электроды не нейтрализуются попадающими на них ионами. Вместо очень кратковременного пробоя воздуха создаётся устойчивая электрическая дуга (рис. 12), о которой мы уже говорили выше. Высокая температура, развивающаяся в дуге, поддерживает ионизованное состояние воздуха между электродами, а также создаёт значительную термоэлектронную эмиссию из катода.

Важнейшими приборами в электронике первой половины ХХ в. были электронные лампы, в которых использовался электрический ток в вакууме. Однако им на смену пришли полупроводниковые приборы. Но и сегодня ток в вакууме используется в электронно-лучевых трубках, при вакуумном плавлении и сварке, в том числе в космосе, и во многих других установках. Это и определяет важность изучения электрического тока в вакууме.

Вакуум (от лат. vacuum - пустота) - состояние газа при давлении, меньшем атмосферного. Это понятие применяется к газу в замкнутом сосуде или в сосуде, из которого откачивают газ, а часто и к газу в свободном пространстве, например к космосу. Физической характеристикой вакуума есть соотношение между длиной свободного пробега молекул и размером сосуда, между электродами прибора и т.д

Когда речь идет о вакууме, то почему-то считают, что это совсем пустое пространство. На самом же деле это не так. Если из какого-нибудь сосуда откачивать воздух то количество молекул в нем с течением времени будет уменьшаться, хотя все молекулы из сосуда удалить невозможно. Так когда же можно считать, что в сосуде создан вакуум?

Молекулы воздуха, двигаясь хаотически, часто сталкиваются между собой и со стенками сосуда. Между такими столкновениями молекулы пролетают определенные расстояния, которые называются длиной свободного пробега молекул. Понятно, что при откачивании воздуха концентрация молекул (их количество в единице объема) уменьшается, а длина свободного пробега - увеличивается. И вот наступает момент, когда длина свободного пробега становится равной размерам сосуда: молекула движется от стенки к стенке сосуда, практически не встречаясь с другими молекулами. Вот тогда-то и считают, что в сосуде создан вакуум, хотя в нем еще может быть много молекул. Понятно, что в меньших по размерам сосудах вакуум создается при больших давлениях газа в них, чем в больших сосудах. Если продолжать откачивание воздуха из сосуда, то говорят, что в нем создается более глубокий вакуум. При глубоком вакууме молекула может много раз пролететь от стенки к стенке, прежде чем встретится с другой молекулой. Откачать все молекулы из сосуда практически невозможно. Где берутся свободные носители зарядов в вакууме? Если в сосуде создан вакуум, то в нем все же есть немало молекул, некоторые из них могут быть и ионизированы. Но заряженных частичек в таком сосуде для выявления заметного тока мало. Как же получить в вакууме достаточное количество свободных носителей заряда? Если нагреть проводник, пропуская по нему электрический ток или другим способом, то часть свободных электронов в металле будет иметь достаточную энергию, чтобы выйти из металла (выполнить работу выхода).

Термоэлектронная эмиссия. Соединим стержень заряженного электрометра с одним электродом вакуумной стеклянной колбы, а корпус электрометра -- с другим электродом, представляющим собой тонкую металлическую нить (рис. 12). Опыт покажет, что электрометр не разряжается.

Рис. 12

Между двумя электродами, расположенными в герметичном сосуде, из которого удален воздух, и находящимися под напряжением, электрический ток отсутствует, так как в вакууме нет свободных носителей электрического заряда. Американский ученый и изобретатель Томас Эдисон (1847--1931) обнаружил (1879 г.), что в вакуумной стеклянной колбе возникает электрический ток, если один из электродов нагреть до высокой температуры.

Подключим к выводам металлической нити источник тока. Если нить соединена с отрицательным полюсом источника, то при ее нагревании электрометр быстро разряжается. При соединении нити с положительным полюсом электрометр не разряжается и при нагревании нити током. Эти опыты доказывают, что нагретый катод испускает частицы, обладающие отрицательным электрическим зарядом. Эти частицы -- электроны. Явление испускания свободных электронов с поверхности нагретых тел называется термоэлектронной эмиссией.

Диод. Термоэлектронная эмиссия используется в различных электронных приборах. Простейший из них -- электровакуумный диод. Этот прибор состоит из стеклянного баллона, в котором находятся два электрода: катод и анод. Анод изготовлен из металлической пластины, катод -- из тонкой металлической проволоки, свернутой в спираль. Концы спирали укреплены на металлических стержнях, имеющих два вывода для подключения в электрическую цепь. Соединив выводы катода с источником тока, можно вызвать нагревание проволочной спирали катода проходящим током до высокой температуры. Проволочную спираль, нагреваемую электрическим током, называют нитью накала лампы. Условное обозначение вакуумного диода показано на рисунке 13.

Рис. 13

Применение диода. Включив вакуумный диод в электрическую цепь последовательно с источником постоянного тока и амперметром, можно обнаружить основное свойство диода, используемое в различных радиоэлектронных приборах,-- одностороннюю проводимость. При подключении источника тока положительным полюсом к аноду и отрицательным к катоду электроны, испускаемые нагретым катодом, движутся под действием электрического поля к аноду -- в цепи течет электрический ток. Если подключить источник тока положительным полюсом к катоду, а отрицательным -- к аноду, то электрическое поле будет препятствовать движению электронов от катода к аноду -- электрического тока в цепи нет. Свойство односторонней проводимости диода используется в радиоэлектронных приборах для преобразования переменного тока в постоянный.

Триод. Потоком электронов, движущихся в электронной лампе от катода к аноду, можно управлять с помощью электрических и магнитных полей. Простейшим электровакуумным прибором, в котором осуществляется управление потоком электронов с помощью электрического поля, является триод. Баллон, анод и катод вакуумного триода имеют такую же конструкцию, как и у диода, однако на пути электронов от катода к аноду в триоде располагается третий электрод, называемый сеткой. Обычно сетка -- это спираль из нескольких витков тонкой проволоки вокруг катода.

Если на сетку подается положительный потенциал относительно катода (рис. 14а), то значительная часть электронов пролетает от катода к аноду, и в цепи анода существует электрический ток. При подаче на сетку отрицательного потенциала относительно катода электрическое поле между сеткой и катодом препятствует движению электронов от катода к аноду (рис. 14б), анодный ток убывает. Таким образом, изменяя напряжение между сеткой и катодом, можно регулировать силу тока в цепи анода.

Рис. 14

Устройство вакуумного триода показано на рисунке 15, его условное обозначение на схемах -- на рисунке 16.

Рис. 15

Электронные пучки и их свойства. Электроны, испускаемые нагретым катодом, можно с помощью электрических полей разгонять до высоких скоростей. Пучки электронов, движущихся с большими скоростями, можно использовать для получения рентгеновских лучей, плавки и резки металлов. Способность электронных пучков испытывать отклонения под действием электрических и магнитных полей и вызывать свечение кристаллов используется в электронно-лучевых трубках.

Электронно-лучевая трубка. Если в аноде 2 вакуумного диода сделать отверстие, то часть электронов, испущенных катодом 1, пролетит сквозь отверстие и образует в пространстве за анодом поток параллельно летящих электронов -- электронный луч 5 (рис. 15).

Рис. 16

Электровакуумный прибор, в котором используется такой поток электронов, называется электронно-лучевой трубкой.

Внутренняя поверхность стеклянного баллона электронно-лучевой трубки против анода покрыта тонким слоем кристаллов, способных светиться при попадании в них быстрых электронов. Эту часть трубки называют экраном (6).

С помощью электрических и магнитных полей можно управлять движением электронов на пути от анода до экрана и заставить электронный луч «рисовать» любую картину на экране. Эта способность электронного луча используется для создания изображений на экране электронно-лучевой трубки телевизора, называемой кинескопом. Изменение яркости свечения пятна на экране достигается путем управления интенсивностью пучка электронов с помощью дополнительного электрода, расположенного между катодом и анодом и работающего по принципу управляющей сетки электровакуумного триода.

В трубке электронно-лучевого осциллографа между анодом и экраном расположены две пары параллельных металлических пластин. Эти пластины называются отклоняющими пластинами. Подача напряжения на вертикально расположенные пластины 4 вызывает смещение электронного луча в горизонтальном направлении, подача напряжения на горизонтальные пластины 3 вызывает вертикальное отклонение луча. Смещения луча на экране трубки пропорциональны приложенному напряжению, поэтому электронный осциллограф может использоваться в качестве электроизмерительного прибора.

Для исследования быстропеременных электрических процессов в осциллографе осуществляется развертка -- равномерное перемещение электронного луча по горизонтали. Для того чтобы луч перемещался вдоль горизонтальной оси с постоянной скоростью, напряжение на горизонтально отклоняющих пластинах должно изменяться линейно во времени, а для возвращения луча в исходное положение напряжение должно очень быстро падать до нуля. Такая форма напряжения носит название пилообразной (рис. 17).

Любой ток появляется только при наличии источника со свободными заряженными частицами. Это связано с тем, что в вакууме отсутствуют какие-либо вещества, в том числе и электрические заряды. Поэтому вакуум считается самым лучшим . Для того, чтобы в нем стало возможным прохождение электрического ток а, нужно обеспечить наличие в достаточном количестве свободных зарядов. В этой статье мы рассмотрим что представляет собой электрический ток в вакууме.

Как электрический ток может появиться в вакууме

Для того, чтобы создать в вакууме полноценный электрический ток, необходимо использовать такое физическое явление, как термоэлектронная эмиссия. Она основана на свойстве какого-либо определенного вещества испускать при нагревании свободные электроны. Такие электроны, выходящие из нагретого тела, получили название термоэлектронов, а все тело целиком называется эмиттером.

Термоэлектронная эмиссия лежит в основе работы вакуумных приборов, более известных, как электронные лампы. В самой простейшей конструкции содержится два электрода. Один из них катод, представляет собой спираль, материалом которой служит молибден или вольфрам. Именно он накаливается электрическим ток ом. Второй электрод называется анодом. Он находится в холодном состоянии, выполняя задачу по сбору термоэлектронов. Как правило, анод изготавливается в форме цилиндра, а внутри его размещается нагреваемый катод.

Применение ток а в вакууме

В прошлом веке электронные лампы играли ведущую роль в электронике. И, хотя, их давно уже заменили полупроводниковые приборы, принцип работы этих устройств применяется в электронно-лучевых трубках. Данный принцип используется при сварочных и плавильных работах в вакууме и других областях.

Таким образом, одной из разновидностей ток а, является электронный по ток, протекающий в вакууме. При накаливании катода, между ним и анодом появляется электрическое поле. Именно оно придает электронам определенное направление и скорость. По этому принципу работает электронная лампа с двумя электродами (диод), которая широко применяется в радиотехнике и электронике.

Устройство современного представляет собой баллон из стекла или металла, откуда предварительно откачан воздух. Внутрь этого баллона впаиваются два электрода катод и анод. Для усиления технических характеристик устанавливаются дополнительные сетки, с помощью которых увеличивается по ток электронов.

Это краткий пересказ.

Работа над полной версией продолжается

Лекция 20

Ток в вакууме

1. Замечание о вакууме

Электрического тока в вакууме нет, т.к. в термодинамическом вакууме отсутствуют какие-либо частицы.

Однако наилучший достигнутый практически вакуум составляет

т.е. огромное количество частиц.

Тем не менее, когда говорят о токе в вакууме, подразумевают идеальный в термодинамическом смысле вакуум, т.е. полное отсутствие частиц. За протекание тока отвечают частицы, полученные из какого-либо источника.

2. Работа выхода

Как известно, в металлах существует электронный газ, который удерживается силой притяжения к кристаллической решетке. В нормальных условиях энергия электронов не велика, поэтому они удерживаются внутри кристалла.

Если подходить к электронному газу с классических позиций, т.е. считать, что он подчиняется распределению Максвелла-Больцмана, то очевидно, что существует большая доля частиц, скорости которых выше средних. Следовательно, эти частицы обладают достаточной энергией, чтобы вырваться за пределы кристалла и образовать вблизи него электронное облако.

Поверхность металла при этом заряжается положительно. Образуется двойной слой, который препятствует удалению электронов от поверхности. Следовательно, чтобы удалить электрон, необходимо сообщить ему дополнительную энергию.

Определение: Работой выхода электронов из металла называется энергия, которую необходимо сообщить электрону, чтобы удалить его с поверхности металла в бесконечность в состоянии с нулевой E k .

Для разных металлов работа выхода различна.

Металл	Работа выхода, эВ



	1,81

3. Электронная эмиссия.

В обычных условиях энергия электронов достаточно мала и они связаны внутри проводника. Существуют способы сообщения электронам дополнительной энергии. Явление испускания электронов при внешнем воздействии называется электронной эмиссией, и было открыто Эдисоном в 1887 году. В зависимости от способа сообщения энергии различают 4 вида эмиссии:

1. Термоэлектронная эмиссия (ТЭЭ), способ – подвод тепла (нагрев).

2. Фотоэлектронная эмиссия (ФЭЭ), способ – освещение.

3. Вторичная электронная эмиссия (ВЭЭ), способ – бомбардировка частицами.

4. Автоэлектронная эмиссия (АЭЭ), способ – сильное электрическое поле.

4. Автоэлектронная эмиссия

Под действием сильного электрического поля электроны могут вырываться с поверхности металла.

Данной величины напряженности хватает, чтобы вырвать электрон.

Данное явление называется холодной эмиссией. Если поле достаточно сильное, то число электронов может стать большим, а, следовательно, большим ток. По закону Джоуля – Ленца будет выделяться большое количество теплоты и АЭЭ может перейти в ТЭЭ.

5. Фотоэлектронная эмиссия (ФЭЭ)

Явление фотоэффекта известно достаточно давно, смотри «Оптика».

6. Вторичная электронная эмиссия (ВЭЭ)

Это явление применяется в фотоэлектронных умножениях (ФЭУ).

При работе происходит лавинообразное нарастание числа электронов. Применяется для регистрации слабых световых сигналов.

7. Вакуумный диод.

Для изучения ТЭЭ применяют устройство, которое называется вакуумный диод. Чаще всего конструктивно он представляет собой два коаксиальных цилиндра, помещенных в стеклянную вакуумную колбу.

Нагрев катода осуществляется электрическим током прямым или косвенным способом. При прямом – ток проходит через сам катод, при косвенном – внутри катода помещают дополнительный проводник – нить накала. Разогрев происходит до достаточно высоких температур, поэтому катод делают сложным. Основа – тугоплавкий материал (вольфрам), а покрытие – материал с малой работой выхода (цезий).

Диод относится к нелинейным элементам, т.е. он не подчиняется закону Ома. Говорят, что диод – это элемент с односторонней проводимостью. Большая часть ВАХ диода описывается законом Богуславского – Ленгмюра или законом «3/2»

При повышении температуры накала ВАХ сдвигается вверх и ток насыщения растет. Зависимость плотности тока насыщения от температуры описывается законом Ричардсона – Дешмана