Что представляет собой электрический ток в вакууме
Перейти к содержимому

Что представляет собой электрический ток в вакууме

Эмиссия электронов в вакууме для создания электрического тока

Направленное движение электронов под действием собирающей их силы называют электрическим током. Вакуум — это пространство, состоящее из газа, давление которого ниже атмосферного. По сути, это диэлектрик, но существует условие, при котором даже в нём может появиться ток. Вызывается он эмиссией, явлением, широко используемым в ламповой электронике.

Электрический ток в вакууме физика

Основные понятия

С первого взгляда кажется, что ток и вакуум — это несовместимые понятия. Ведь в диэлектрике упорядоченное движение зарядов невозможно. Но на самом деле это не совсем так. Чтобы понять, почему же возникает проводимость в вакууме нужно изучить природу возникновения тока и что представляет собой газовое пространство с давлением ниже атмосферного.

В любом теле существуют частицы. Они могут находиться в свободном состоянии или быть привязаны к атому. Те и другие обладают определённым зарядом. Первые хаотично передвигаются в теле, компенсируя перемещение зарядов. Но если к материалу приложить силу, которая заставит носителей заряда двигаться в одном направлении, то возникнет электрический ток.

Его сила определяется количеством частиц прошедших через поперечное сечение тела за единицу времени. Измеряется она в амперах. Носителями зарядов могут быть:

  • протоны;
  • ионы;
  • электроны;
  • дырки.

 что представляет собой электрический ток в вакууме

Любое физическое тело состоит из молекул. Формируют их атомы, вокруг которых вращаются электроны. При химической реакции или внешнем воздействии электромагнитных полей происходит перемещение электронов. Они выбиваются или притягиваются другим телом, испытывающим недостаток в элементарных частицах. В результате возникает ток. Его направление совпадает с напряжённостью поля, формирующего движение частиц и создающего электричество.

Вакуум по определению представляет собой пространство, в котором нет вещества. Физики им называют среду, заполненную газом давление, которого меньше атмосферного. Воздух состоит из молекул, которые, двигаясь хаотично, сталкиваются друг с другом и различными препятствиями. Расстояние, которое молекула преодолевает после удара, называют длиной свободного пробега.

Если воздух заключить в сосуд и из него выкачивать воздух, то наступит такой момент, при котором молекулы не будут испытывать столкновение. То есть их свободный пробег будет определяться размерами ёмкости. Таким образом, хоть в сосуде и создался вакуум, некоторое количество молекул в среде останется.

Откачать же все частицы практически невозможно. Может только образоваться так называемый глубокий вакуум, в котором частичка практически не встречает сопротивление движению.

Отсюда следует, что при меньших размерах сосуда вакуум создаётся при большем давлении газа, чем в большой замкнутой ёмкости.

Возникновение тока в вакууме

В газах электрический ток может возникнуть при разряде. Называют его кратковременным. Чтобы он мог поддерживаться необходимо воздействие электрической силы и присутствие носителей заряда. Поле создаёт тела, отличающиеся по знаку заряда. Молекулы в обычной среде — изоляторы. Но если изменить условия они становятся проводниками. При увеличении температуры или воздействии радиации происходит ионизация.

Электрический ток в вакууме кратко

Это эндотермический процесс, при котором из нейтронов или молекул появляются ионы. С физической точки зрения, для этого необходимо получение частицей энергии достаточной, чтобы преодолеть потенциальный барьер. Появление свободных частиц при нагревании среды называют термоэлектронной эмиссией. При ней электроны покидают металл, называют их термоэлектронами.

Это явление можно наблюдать при опыте. Впервые его провёл Томас Эдисон. Заключался он в следующем. Две пластины располагались в вакуумной камере. Их наружно соединяли между собой токопроводящей шиной. В разрыв подключали электрометр. В обычном состоянии стрелка прибора показывала ноль. Как только одну из пластин нагревали, стрелка отклонялась.

Физики объяснили это явление, проведя аналогию с испарением воды. Как при нагреве воды испускаются её молекулы, так и разогретый металл излучает электроны. В результате проявляется электронное облако.

Для того чтобы появилась электропроводность, создаётся пучок электронов. Чтобы появился направленный пучок, в металле к которому идут разогнанные электроны, делают отверстие.

Электрический ток в вакууме

Для термоэлектронного тока существует такое понятие, как сила насыщения. Определяется она максимальным значением. При этом все электроны, излучающиеся с поверхности, попадают в облако и достигают противоположной пластины — анода. Плотность насыщения находится по формуле Ричардсона — Дэшмана, полученной на основе квантовой статистики: jн = C * T * 2 * e- A/(kT) . Здесь A — работа выхода, T — температура нагрева, С — справочная величина.

Следует отметить, что с ростом температуры число носителей зарядов, кинетическая энергия теплового движения которых больше работы выхода, растёт, а процесс термоэлектронной эмиссии проявляется заметнее.

Применение явления

Термоэлектронная эмиссия нашла широкое применение при производстве различных электронных приборов. В частности, эффект возникновения тока используется в электронных лампах и микроскопах, рентгеновских установках. Применяется он и в радиотехнике, автоматике, телемеханике, в приборах, предназначенных для выпрямления, усиления, генерирования сигналов. Простейшим устройством является двухэлектродный вакуумный диод. В его состав входит:

  • баллон с откаченным газом;
  • анод — проводящая пластина;
  • катод — излучающий электрод.

Давление в вакууме составляет 10 -6 —10 -7 миллиметров ртутного столба. Катод выполняется в виде нити накала, а анод — петли. Излучающий электрод изготавливается из металлического цилиндра, покрытого слоем оксидированного щёлочноземельного металла.

Изготовление термокатода позволило создать электронно-лучевую трубку, работающую на принципе протекания электрического тока в вакууме. Кратко работу ЭЛТ можно описать следующим образом. На электронную пушку (катод) подаётся напряжение, она разогревается и начинает испускать электроны. На противоположной стороне находится анод, притягивающий заряд. Электроны фокусируются линзой, и сформированный пучок с помощью отклоняющих пластин направляется на экран.

 носители заряда в вакууме

Вакуумные диоды, в отличие от полупроводниковых не имеют обратного тока. Если их подключить в неправильной полярности, то ток идти не будет, в то время как у кремниевых или германиевых он, хоть и небольшой, присутствует. При этом «электра» приборы, работающие на термоэлектронной эмиссии, выигрывают у своих полупроводниковых аналогов в скорости. Под действием ускорения электроны достигают ускорения порядка шести тысяч километров в секунду.

Если катод нагреть до определённой температуры и поддерживать её постоянной, то вольт-амперная характеристика будет нелинейной. Следовательно, закон Ома работать не будет. Правило, описывающее зависимость анодного тока от напряжения, при малых значениях потенциала называется законом трёх вторых.

Согласно ему ток равен: I = B * U3/2. Причём B, параметр, который зависит от размеров электродов и их расположения относительно друг друга.

Решение задач

В школьных конспектах и рефератах можно встретить задания, связанные с появлением тока в вакууме. Эти задачи позволяют школьникам старших классов закрепить пройденный материал и понять практическое применение эффекта.

Вот три из них, рассчитаны на учеников десятого класса:

 какими частицами создается ток в вакууме

Применение электрического тока в вакууме

  1. Объяснить причину уменьшения напряжения при увеличении силы тока во время возникновения дугового разряда. Для утверждения верности сказанного нужно рассуждать так. При возрастании силы тока увеличивается термоэлектронная эмиссия с катодного вывода. В результате количество носителей заряда увеличивается. В свою очередь, это приводит к уменьшению сопротивления участка между электродами. Снижение сопротивления происходит быстрее по сравнению с увеличением силы тока. То есть в вакууме нарушается линейность, установленная законом Ома, а значит и напряжение уменьшается.
  2. Какими заряженными частицами создаётся ток в вакууме? Так как вакуум является диэлектриком, то он не содержит частицы, которые могли бы проводить электричество. Для возникновения тока необходимо введение в среду дополнительного материала способного испускать заряды. При нагревании происходит эмиссия электронов с поверхности. Поэтому только электроны способны участвовать в переносе заряда.
  3. Доказать, что при упругом столкновении молекулы и электрона энергии передаётся меньше, чем при неупругом. Так как при прямолинейном ударе справедлив закон сохранения энергии, то верным будут равенства: mV 2 / 2 = mV 2 э / 2 + mV 2 м / 2; mV 2 = mV 2 э + mV 2 м, где m — массы частиц, а v — их скорости, полученные после удара. Эти уравнения можно свести в систему и решить их относительно Vэ и Vм. В итоге получится равенство: Vм = (2 * m * V) / (mэ + mм). Отсюда можно сделать выводы:
  • Энергия, полученная молекулой , будет равна: W = mV 2 м / 2 = (mV 2 / 2) * ((4 m * m э) / (m э+ m)) 2 . Учитывая, что me значительно меньше m, то массой электрона можно пренебречь. Поэтому W = (4mэ * mэ * V 2 ) / m * 2. Из этого следует, что молекуле передаётся небольшая часть энергии.
  • При неупругом столкновении действует закон сохранения импульса. Электрон отдаёт весь заряд: w = mV2 / 2.

Таким образом, движение электронов в вакууме, по сути, является разновидностью электрического тока. Получить его, возможно, лишь поместив в среду нагреваемый катод. Именно он и будет источником испускания электронов.

Поле, возникшее между катодом и анодом, сообщит частицам скорость и определит их направление.

Электрический ток в вакууме

Вакуум — пространство, свободное от вещества. В наиболее общем смысле, вакуум — это пустота. В физике и технике под вакуумом подразумевается газообразная среда при давлении в сотни раз ниже атмосферного.

Электрический ток в физике — это направленное движение носителей заряда. Вакуум — диэлектрик, и ток не может возникнуть в нем сам по себе. Условие протекания электрического тока в вакууме — наличие в нем достаточного количества свободных заряженных частиц. Например, электронов.

Термоэлектронная эмиссия

Как свободные электроны могут появиться в вакууме? Благодаря явлению термоэлектронной эмиссии, открытому Томасом Эдисоном в 1879 году.

Определение. Термоэлектронная эмиссия

Термоэлектронная эмиссия — испускание электронов из металла при его нагревании.

Металлы являются наилучшими проводниками, так как имеют свободные электроны, которые иногда еще называют электронным газом. При нагревании металла энергия электронов (измеряется в электронвольтах) увеличивается и они могут «вырваться» из металла. Для того, чтобы вылететь из металла, электрон должен обладать энергией, превышающей работу выхода электронов для этого металла.

A в ы х = E 0 — μ

Здесь A в ы х — работа выхода, которую нужно преодолеть электрону, E 0 — его энергия, μ — энергия Ферми.

Термоэлектронный ток

Испущенные металлом свободные электроны образуют у поверхности металла электронное облако. Если создать в данной области электрическое поле, электроны начинают двигаться под действием сил поля. Иными совами, возникает электрический ток, называемый термоэлектронным.

Определение. Термоэлектронный ток

Термоэлектронный ток — ток, возникающий при испускании (эмиссии) электронов накаленными телами в вакуумных приборах.

Так, если в вакууме поместить две металлические пластины и создать между ними разность потенциалов и условия для термоэлектронной эмиссии, возникнет термоэлектронный ток.

Электрический ток в вакууме широко используется в вакуумных приборах. Самый простой пример — электронная лампа, или вакуумный диод.

Вакуумный диод представляет собой баллон с откачанным воздухом, содержащий электроды: катод и анод. Электроны выбиваются из катода и летят к аноду.

Для вакуумного диода не выполняется закон Ома. При небольших значениях напряжения на аноде имеет место формула зависимости силы электрического тока от напряжения:

где B — коэффициент пропорциональности, который зависит от формы, расположения и размеров электродов.

При увеличении разности потенциалов между электродами сила тока будет расти. Однако, для термоэлектронного тока существует понятие тока насыщения. Это ток такой силы, при котором все электроны из электронного облака достигают другой анода. При достижении силы тока насыщения и дальнейшем росте разности потенциалов, сила тока насыщения не меняется.

Эмиссионную способность материала катода характеризует плотность тока насыщения, которая определяется по формуле Ричардсона-Дешмана:

j = 1 — h R i A · T 2 · e — q φ k T .

Здесь h — постоянная Планка, h R i — усредненное значение коэффициента отражения электронов от потенциального порога, A — термоэлектрическая постоянная, равная 120 , 4 A К 2 · с м 2 , T — температура, q — заряд электрона, q φ — работа выхода, k — постоянная Больцмана.

11 класс

Когда говорят об электрическом токе в вакууме 1 , то имеют в виду такую степень разрежения газа, при которой можно пренебречь соударениями между его молекулами. В этом случае средняя длина свободного пробега молекул больше размеров сосуда. Такой разреженный газ является изолятором, так как в нём нет (или почти нет) свободных заряженных частиц.

1 Под вакуумом (от лат. vacuum — пустота) понимают состояние газа при давлении существенно ниже атмосферного. Обычно вакуум создаётся в замкнутых сосудах, где давление может составлять от 100 до 0,1 Па.

На рисунке 2.28 изображена схема цепи, содержащей сосуд, из которого откачан воздух. В этот сосуд впаяны два электрода, один из которых (анод А) соединён с положительным полюсом источника тока (батарея Gl), другой (катод К) — с отрицательным.

Несмотря на достаточно большое напряжение, которое обеспечивает источник тока (около 100 В), чувствительный гальванометр, включённый в цепь, не фиксирует тока. Следовательно, в вакууме отсутствуют свободные носители заряда. Таким образом, электрический ток в вакууме будет существовать, если ввести в сосуд свободные носители заряда. Как это осуществить?

Наиболее просто проводимость межэлектродного промежутка в вакууме можно обеспечить с помощью электронной эмиссии с поверхности электродов. Например, в результате термоэлектронной эмиссии электроны испускаются с поверхности достаточно нагретого металла. Это же может происходить и при воздействии на поверхность металла электромагнитным излучением. Такое явление называется фотоэлектронной эмиссией. И наконец, с поверхности металла испускаются электроны при бомбардировке её быстрыми электронами. Это вторичная электронная эмиссия. Отметим, что электронная эмиссия возникает в тех случаях, когда часть электронов металла (электрода) приобретает в результате внешних воздействий энергию, достаточную для преодоления их связи с металлом (для совершения работы выхода электронов 2 Авых).

2 Работу выхода электронов обычно измеряют в электрон вольтах (эВ). 1 эВ — это работа, которую совершает электрическое поле над электроном, который проходит разность потенциалов в 1 В. 1 эВ ≈ 1,6 • 10 -19 Дж.

Исследования физических явлений опытным путём

Обсудим, как можно получить электрический ток в вакууме, используя термоэлектронную эмиссию. Рассмотрим схему цепи, изображённую на рисунке 2.29.

В качестве катода в вакуумном баллоне впаяна вольфрамовая нить, концы которой выведены наружу и присоединены к источнику тока — батарее накала G2. Замкнём ключ S2 и, когда вольфрамовая нить накалится, замкнём и ключ Sl. Стрелка прибора при этом отклонится, в цепи появился ток. Тем самым накалённая нить обеспечивает появление необходимых для существования тока носителей заряда — заряженных частиц. C помощью опыта нетрудно убедиться, что эти частицы заряжены отрицательно.

Изменим полярность анодной батареи Gl — нить станет анодом, а холодный электрод — катодом (рис. 2.30).

И хотя нить накалена и испускает в вакуум заряженные частицы, тока в цепи нет. Из этого опыта следует, что частицы, испускаемые накалённой нитью, заряжены отрицательно — отталкиваются от холодного катода и притягиваются к аноду. Измерением заряда и массы было доказано, что катод испускает электроны.

Электрический ток в вакууме представляет собой направленный поток электронов.

Вакуумный диод.

Устройства, основанные на применении явления термоэлектронной эмиссии, называют электронными лампами. Простейшим типом электронных ламп является двухэлектродная лампа 3 — диод прямого накала.

3 Отметим, что существуют трёхэлектродные электронные лампы — триоды. Баллон, анод и катод вакуумного триода имеют такую же конструкцию, как у диода. Но на пути электронов от катода к аноду в триоде расположен третий электрод — сетка. Она позволяет управлять анодным током лампы. Триоды применяют в различных радиотехнических устройствах: усилителях, генераторах и т. д.

Он представляет собой вакуумированный баллон, в котором находятся два электрода: вольфрамовая нить К, являющаяся источником электронов (катод), и металлический полуцилиндр А (анод), окружающий катод (рис. 2.31, а).

В других типах ламп анод может быть замкнутым цилиндром, который расположен не горизонтально, как на рисунке 2.31, а, а вертикально. В этом случае и катод, совпадающий с осью анода, тоже расположен вертикально. Условное обозначение диода показано на рисунке 2.31, б. В лампах прямого накала нить накала из вольфрама одновременно является катодом. Для получения значительной эмиссии нить нагревают до температуры около 2000—2500 К.

В настоящее время диоды прямого накала почти не применяются. Вместо них используют диоды с подогревным катодом, которые относятся к лампам с косвенным накалом. В лампах с косвенным накалом катод представляет собой никелевую трубочку, покрытую слоем оксидов щёлочноземельных металлов — бария, стронция, кальция. Такой катод называют оксидным. Работа выхода электронов с поверхности оксидного катода в несколько раз меньше, чем с поверхности вольфрама. Это позволяет снизить температуру накала до 1000 К. Подогрев катода обеспечивается небольшой спиралью, расположенной внутри трубочки (рис. 2.32, а).

Условное обозначение диода с подогревным катодом изображено на рисунке 2.32, б.

Для получения вольт-амперной характеристики вакуумного диода можно воспользоваться цепью, схема которой изображена на рисунке 2.33.

В отличие от вольт-амперной характеристики металлического проводника, эта характеристика нелинейная (рис. 2.34).

Следовательно, электронная лампа представляет собой проводник, для которого не выполняется закон Ома.

Если катод не покрыт оксидным слоем, то при достаточно большом анодном напряжении все электроны, покинувшие катод, достигают анода, и при дальнейшем увеличении напряжения сила тока не изменяется. Такой ток называется током насыщения Iн (штриховая линия на рисунке 2.34). При повышении температуры катода (это можно сделать, увеличив при помощи реостата силу тока в цепи накала) сила тока насыщения возрастает (см. рис. 2.34).

Важным свойством вакуумного диода является его односторонняя проводимость: электроны в нём движутся от раскалённого катода к аноду. Обратное направление тока невозможно. Приборы, обладающие свойством проводить ток только в одном направлении, используют для выпрямления переменного тока.

Электронные пучки. Электронно-лучевая трубка.

Электронные пучки представляют собой направленные потоки быстро движущихся электронов. Электронные пучки отклоняются электрическим полем. Проходя между пластинами заряженного конденсатора, электроны отклоняются от отрицательно заряженной пластины к положительно заряженной. Электронные пучки отклоняются также в магнитном поле. Пролетая над северным полюсом магнита, электроны отклоняются влево, а пролетая над южным полюсом — вправо.

Возможность управления электронным пучком с помощью электрического или магнитного поля и свечение под действием пучка покрытого люминофором 4 экрана используются в электронно-лучевой трубке. Её устройство показано на рисунке 2.35.

4 Люминофоры — вещества (стекло, сульфиды цинка и кадмия), которые при бомбардировке их электронами, светятся.

Трубка представляет собой вакуумный баллон, изготовленный в виде колбы, расширенной с одной стороны. Расширенное дно колбы покрыто люминофором и образует экран трубки. В узком конце трубки помещён источник быстрых электронов — электронная пушка. Она состоит из накаливаемого оксидного катода К (рис. 2.36) и трёх коаксиальных цилиндров: управляющего электрода (сетки) М, первого анода А1 и второго анода А2.

Электроны испускаются нагретым оксидным слоем торца цилиндрического катода и проходят через отверстие в цилиндрическом управляющем электроде (он регулирует число электронов в пучке).

После электронной пушки сфокусированный электронный пучок на пути к экрану проходит последовательно между двумя парами управляющих пластин. Если электрического ноля между пластинами нет, то пучок не отклоняется и светящаяся точка располагается в центре экрана. При сообщении разности потенциалов вертикально расположенным пластинам пучок смещается в горизонтальном направлении, а при сообщении разности потенциалов горизонтальным пластинам он смещается в вертикальном направлении. Одновременное использование двух пар пластин позволяет перемещать светящуюся точку по экрану в любом направлении.

Малая масса электронов в электронном пучке обеспечивает малую инерционность электронно-лучевой трубки: электронный пучок практически мгновенно реагирует на изменение напряжения на управляющих пластинах.

Нa этом свойстве электронных пучков основано действие электроннолучевой трубки в электронном осциллографе — приборе, который применяют для исследования быстропеременных процессов в электрических цепях (рис. 2.37).

Вопросы:

1. Движением каких заряженных частиц обусловлен ток в вакууме?

2. Какое явление называют эмиссией электронов? Какие виды эмиссии электронов вам известны?

3. Сравните? условия возникновения тока в металлических проводниках и в вакууме.

4. Что называют работой выхода электронов?

5. Опишите устройство и принцип действия:

а) вакуумного диода;

б) электронно-лучевой трубки.

6. Каким важным свойством обладают вакуумные диоды?

Вопросы для обсуждения:

Будет ли работать радиолампа с разбитым стеклом в космосе?

Пример решения задачи

В электронно-лучевой трубке ускоряющее анодное напряжение равно 16 кВ, а расстояние от анода до экрана — 30 см. За какое время электроны проходят это расстояние? Начальную скорость электронов считать равной нулю.

где Ua — ускоряющее анодное напряжение.

Согласно теореме о кинетической энергии, ΔEk = А.

Учитывая, что υ0 = 0, запишем

Расстояние l от анода до экрана электрон, двигаясь равномерно со скоростью υ, преодолевает за время t = l / υ.

Учитывая выражение для скорости электрона, запишем:

Подставляя числовые данные, получим

Ответ: t ≈ 4 ∙ 10 -9 с.

Упражнения:

1. Максимальная анодная сила тока в диоде равна 50 мА. Сколько электронов вылетает из катода каждую секунду?

2. В диоде электрон подлетает к аноду со скоростью, модуль которой равен 8 ∙ 10 6 м/с. Определите анодное напряжение.

3. В диоде электроны ускоряются до энергии 100 эВ. Чему равен модуль их минимальной скорости движения у анода лампы?

4. Расстояние между катодом и анодом диода равно 1 см. Сколько времени движется электрон от катода к аноду при анодном напряжении, равном 440 В? Движение электрона считать равноускоренным.

Это любопытно.

Из истории развития физики и техники

В 1879 г. знаменитый американский изобретатель Томас Алва Эдисон (1847—1931) продемонстрировал лампу накаливания с угольной нитью. Лампа горела в течение 40 ч, питаясь от специальной высоковольтной динамо-машины. Совершенствуя свою лампу, Эдисон пытался устранить такой её дефект, как внутреннее почернение колбы, вызывающее потерю до 50% светового потока.

Он предположил, что внутри лампы происходит электрический разряд и что осадок на её внутренней поверхности образуется в результате рассеяния заряженных частиц угольной пыли, отрывающихся от раскалённой нити. Если ввести внутрь колбы дополнительный положительно заряженный электрод, такие заряженные частицы будут им притягиваться. При этом Эдисон обнаружил появление электрического тока в цепи. Так было открыто явление термоэлектронной эмиссии, названное в ту пору эффектом Эдисона. Этот эффект получил исчерпывающее объяснение после открытия английским физиком Джозефом Джоном Томсоном (1856—1940) электронов (1897) как результат их эмиссии накалёнными металлами.

В 1904 г. английский учёный Джон Флеминг (1849— 1945), изучая эффект Эдисона, предложил первую электронную лампу — вакуумный диод (рис. 2.38).

Это устройство стало первым электронным детектором радиоволн, преобразующим радиосигналы переменного тока в постоянный ток. В 1907 г. американский инженер Ли де Форест (1873—1961) изобрёл трёхэлектродную электронную лампу — аудион (позднее известный как триод; рис. 2.39), которая позволила усиливать электрические сигналы, подводимые к третьему электроду — управляющей сетке.

Разработки первых электронных ламп ознаменовали зарождение вакуумной электроники.

Тема лекции "электрический ток в вакууме".

Нажмите, чтобы узнать подробности

Лекция содержит в себе краткое описание материала по теме электрический ток в вакууме. определение, что такое вакуум, вакуумный диод, электронно лучевая трубка.

Просмотр содержимого документа
«Тема лекции «электрический ток в вакууме».»

Электрический ток в вакууме

Вакуум — это состояние газа, при котором давление меньше атмосферного. Различают низкий, средний и высокий вакуум.

Для создания высокого вакуума необходимое разрежение, за которого в газе, что остался, средняя длина свободного пробега молекул больше размеров сосуда или расстояния между электродами в сосуде. Следовательно, если в сосуде создан вакуум, то молекулы в нем почти не сталкиваются между собой и пролетают свободно межэлектродный пространство. При этом они испытывают столкновения лишь с электродами или со стенками сосуда.

Чтобы в вакууме существовал ток, необходимо поместить в вакуум источник свободных электронов. Наибольшая концентрация свободных электронов в металлах. Но при комнатной температуре они не могут покинуть металл, потому что их в нем удерживают силы кулоновского притяжения положительных ионов. Для преодоления этих сил электрону, чтобы покинуть поверхность металла, необходимо затратить определенную энергию, которую называют работой выхода.

Если кинетическая энергия электрона превысит или будет равна работе выхода, то он покинет поверхность металла и станет свободным.

Процесс испускания электронов с поверхности металла называют эмиссией. В зависимости от того, как была передана электронам необходима энергия, различают несколько видов эмиссии. Один из них — термоелектронна эмиссия.

Ø Испускание электронов нагретыми телами называют термоелектронною эмиссией.

Явление термоэлектронной эмиссии приводит к тому, что нагретый металлический электрод непрерывно испускает электроны. Электроны образуют вокруг электрода электронное облако. Электрод при этом заряжается положительно, и под воздействием электрического поля заряженного облака электроны из облака частично возвращаются на электрод.

В равновесном состоянии число электронов, покинувших электрод за секунду, равно числу электронов, которые вернулись на электрод за это время.

2. Электрический ток в вакууме

Для существования тока необходимо выполнение двух условий: наличие свободных заряженных частиц и электрического поля. Для создания этих условий в баллон помещают два электрода (катод и анод) и выкачивают из баллона воздуха. В результате нагрева катода из него вылетают электроны. На катод подают отрицательный потенциал, а на анод — положительный.

Электрический ток в вакууме представляет собой направленный движение электронов, полученных в результате термоэлектронной эмиссии.

3. Вакуумный диод

Современный вакуумный диод состоит из стеклянного или металлокерамического баллона, из которого откачан воздух до давления 10-7 мм рт. ст. В баллон впаяны два электрода, один из которых — катод — имеет вид вертикального металлического цилиндра, изготовленного из вольфрама и покрытого обычно слоем оксидов щелочноземельных металлов.

Внутри катода расположен изолированный проводник, что его нагревает переменный ток. Нагретый катод испускает электроны, достигающие анода. Анод лампы представляет собой круглый или овальный цилиндр, имеющий общую ось с катодом.

Односторонняя проводимость вакуумного диода обусловлена тем, что вследствие нагревания электроны вылетают из горячего катода и движутся до холодного анода. Электроны могут двигаться через диод только от катода к аноду (то есть электрический ток может протекать только в обратном направлении: от анода к катоду).

На рисунке воспроизведен вольт-амперную характеристику вакуумного диода (отрицательное значение напряжения соответствует случаю, когда потенциал катода выше потенциала анода, то есть электрическое поле «пытается» вернуть электроны обратно на катод).

Вакуумные диоды используют для выпрямления переменного тока. Если поместить между катодом и анодом еще один электрод (сетку), то даже незначительное изменение напряжения между сеткой и катодом существенно влиять на анодный ток. Такая электронная лампа (триод) позволяет усиливать слабые электрические сигналы. Поэтому некоторое время эти лампы были основными элементами электронных устройств.

4. Электронно-лучевая трубка

Электрический ток в вакууме применяли в электронно-лучевой трубке (ЭЛТ), без которой долгое время нельзя было представить телевизор или осциллограф.

На рисунке упрощенно показана конструкция ЭЛТ.

Электронная «пушка» в горловине трубки — катод, который испускает интенсивный пучок электронов. Специальная система цилиндров с отверстиями (1) фокусирует этот пучок, делает его узким. Когда электроны попадают на экран (4), он начинает светиться. Управлять потоком электронов можно с помощью вертикальных (2) или горизонтальных (3) пластин.

Электронам в вакууме можно передать значительную энергию. Электронные пучки можно применять даже для плавки металлов в вакууме.

Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован. Обязательные поля помечены *