Меню

Напряженность электрического тока в вакууме

Электрический ток в вакууме — причины появления, свойства и применение

Электрический ток в вакууме Электрический ток в вакууме - причины появления, свойства и применение

Виды вакуума

Как же ведет себя электрический ток в вакууме? Как и любой ток, ток в вакууме появляется при наличии источника со свободными заряженными частицами.

Какими частицами создается электрический ток в вакууме? Чтобы создать вакуум в каком-либо закрытом сосуде, необходимо из него откачать газ. Делают это чаще всего с помощью вакуумного насоса. Это такое устройство, которое необходимо, чтобы откачать газ или пар до нужного для опыта давления.

Существует четыре вида вакуума: низкий вакуум, средний вакуум, высокий вакуум и сверхвысокий вакуум.

Рис. 1. Характеристики вакуума

§ 112. Электрический ток в вакууме. Электронно-лучевая трубка

Каковы условия существования электрического тока?

До открытия уникальных свойств полупроводников в радиотехнике использовались исключительно электронные лампы.

Откачивая газ из сосуда (трубки), можно получить газ с очень малой концентрацией молекул.

Запомни Состояние газа, при котором молекулы успевают пролететь от одной стенки сосуда к другой, ни разу не испытав соударений друг с другом, называют вакуумом.

Если в сосуд с вакуумом поместить два электрода и подключить их к источнику тока, то ток между электродами не пойдёт, так как в вакууме нет носителей заряда. Следовательно, для создания тока в трубке должен быть источник заряженных частиц.

Термоэлектронная эмиссия. Чаще всего действие такого источника заряженных частиц основано на свойстве тел, нагретых до высокой температуры, испускать электроны.

Запомни Явление испускания электронов нагретыми металлами называется термоэлектронной эмиссией.

Это явление можно рассматривать как испарение электронов с поверхности металла. У многих твёрдых веществ термоэлектронная эмиссия начинается при температурах, при которых испарение самого вещества ещё не происходит. Такие вещества и используются для изготовления катодов.

Односторонняя проводимость. Диод. Явление термоэлектронной эмиссии приводит к тому, что нагретый металлический электрод, в отличие от холодного, непрерывно испускает электроны. Электроны образуют вокруг электрода электронное облако

. Электрод заряжается положительно, и под влиянием электрического поля заряженного облака электроны из облака частично возвращаются на электрод.

В равновесном состоянии число электронов, покинувших электрод в секунду, равно числу электронов, возвратившихся на электрод за это время. Чем выше температура металла, тем выше плотность электронного облака.

При подключении электродов к источнику тока между ними возникает электрическое поле. Если положительный полюс источника тока соединён с холодным электродом (анодом), а отрицательный — с нагретым (катодом), то вектор напряжённости электрического поля направлен к нагретому электроду. Под действием этого поля электроны частично покидают электронное облако и движутся к холодному электроду. Электрическая цепь замыкается, и в ней устанавливается электрический ток. При противоположной полярности включения источника напряжённость поля направлена от нагретого электрода к холодному. Электрическое поле отталкивает электроны облака назад к нагретому электроду. Цепь оказывается разомкнутой.

Односторонняя проводимость широко использовалась раньше в электронных приборах с двумя электродами — вакуумных диодах, которые служили, как и полупроводниковые диоды, для выпрямления электрического тока. Однако в настоящее время вакуумные диоды практически не применяются.

Если в аноде электронной лампы сделать отверстие, то часть электронов, ускоренных электрическим полем, пролетит в это отверстие, образуя за анодом электронный пучок. Количеством электронов в пучке можно управлять, поместив между катодом и анодом дополнительный электрод и изменяя его потенциал.

Свойства электронных пучков и их применение. Испускаемые катодом потоки электронов, движущихся в вакууме, называют иногда катодными лучами

Перечислим свойства электронных пучков (катодных лучей).

    1) Электроны в пучке движутся по прямым линиям.

2) Электронный пучок, попадая на мишень, передаёт ей часть кинетической энергии, что вызывает её нагревание. В современной технике это свойство используют для электронной плавки в вакууме сверхчистых металлов.

3) При торможении быстрых электронов, попадающих на вещество, возникает рентгеновское излучение. Это явление используют в рентгеновских трубках.

4) Некоторые вещества (стекло, сульфиды цинка и кадмия), бомбардируемые электронами, светятся. В настоящее время среди материалов этого типа (люминофоров) применяются такие, у которых в световую энергию превращается до 25% энергии электронного пучка.

5) Электронные пучки отклоняются электрическим полем. Например, проходя между пластинами конденсатора, электроны отклоняются от отрицательно заряженной пластины к положительно заряженной (рис. 16.20).

6) Электронный пучок отклоняется также в магнитном поле. Пролетая над северным полюсом магнита, электроны отклоняются влево, а пролетая над южным, отклоняются вправо. Отклонение электронных потоков, идущих от Солнца, в магнитном поле Земли приводит к тому, что свечение газов верхних слоёв атмосферы (полярное сияние) наблюдается только у полюсов.

7) Электронные пучки обладают ионизирующей способностью.

8)Электронные пучки могут проходить сквозь очень тонкие металлические пластины толщиной 0,003—0,03 мм.

Электронно-лучевая трубка. Возможность управления электронным пучком с помощью электрического или магнитного поля и свечение покрытого люминофором экрана под действием пучка применяют в электронно-лучевой трубке.

Электронно-лучевая трубка была основным элементом первых телевизоров и осциллографа — прибора для исследования быстропеременных процессов в электрических цепях (рис. 16.21).

Устройство электронно-лучевой трубки показано на рисунке 16.22. Эта трубка представляет собой вакуумный баллон, одна из стенок которого служит экраном. В узком конце трубки помещён источник быстрых электронов — электронная пушка

(рис. 16.23). Она состоит из катода, управляющего электрода и анода (чаще несколько анодов располагается друг за другом). Электроны испускаются нагретым оксидным слоем с торца цилиндрического катода С, окружённого теплозащитным экраном Н. Далее они проходят через отверстие в цилиндрическом управляющем электроде В (он регулирует число электронов в пучке). Каждый анод (А1 и А2) состоит из дисков с небольшими отверстиями. Эти диски вставлены в металлические цилиндры. Между первым анодом и катодом создаётся разность потенциалов в сотни и даже тысячи вольт. Сильное электрическое поле ускоряет электроны, и они приобретают большую скорость. Форма, расположение и потенциалы анодов выбирают так, чтобы наряду с ускорением электронов осуществлялась и фокусировка электронного пучка, т. е. уменьшение площади поперечного сечения пучка на экране почти до точечных размеров.

На пути к экрану пучок последовательно проходит между двумя парами управляющих пластин, подобных пластинам плоского конденсатора (см. рис. 16.22). Если электрического поля 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. Так как масса электронов очень мала, то они почти мгновенно, т. е. за очень короткое время, реагируют на изменение разности потенциалов управляющих пластин.

В настоящее время чаще используются телевизоры с жидкокристаллическим или плазменным экраном.

В электронно-лучевой трубке, применяемой в телевизоре (так называемом кинескопе), управление пучком, созданным электронной пушкой, осуществляется с помощью магнитного поля. Это поле создают катушки, надетые на горловину трубки (рис. 16.24).

Цветной кинескоп содержит три разнесённые электронные пушки и экран мозаичной структуры, составленный из люминофоров трёх типов (красного, синего и зелёного свечения). Каждый электронный пучок возбуждает люминофоры одного типа, свечение которых в совокупности даёт на экране цветное изображение.

Электронно-лучевые трубки широко применялись в дисплеях — устройствах, присоединяемых к электронно-вычислительным машинам (ЭВМ). На экран дисплея, подобный экрану телевизора, поступала информация, записанная и переработанная ЭВМ. Можно было непосредственно видеть текст на любом языке, графики различных процессов, изображения реальных объектов, а также воображаемые объекгы, подчиняющиеся законам, записанным в программе вычислительной машины.
Ключевые слова для поиска информации по теме параграфа. Термоэлектронная эмиссия. Катодные лучи

Вопросы к параграфу

    1. Для какой цели в электронных лампах создают вакуум?

2. Наблюдается ли термоэлектронная эмиссия в диэлектриках?

3. Как осуществляется управление электронными пучками?

4. Как устроена электронно-лучевая трубка?

Электронная пушка создаёт пучок электронов в стеклянной вакуумирован- ной камере. Все электроны, покинувшие раскалённый катод пушки, покидают катод и ударяются в экран электронно-лучевой трубки. Если увеличить ускоряющее напряжение в пушке в 2 раза, то сила тока, идущего в вакууме через трубку,

    1) не изменится 3) возрастёт примерно в 2 раза 2) возрастёт примерно в раза 4) возрастёт примерно в 4 раза

Вакуумный диод, у которого анод (положительный электрод) и катод (отрицательный электрод) — параллельные пластины, работает в режиме, когда между током и напряжением выполняется соотношение I = aU3/2 (где а — некоторая постоянная величина). Линейная зависимость тока от напряжения (закон Ома) нарушается из-за

    1) свойств электронного пучка

2) появления дополнительных носителей тока

3) того, что свойства анода и катода разные

4) движения электронов в вакууме

Электрический ток в вакууме

Ток в вакууме не может существовать самостоятельно, так как вакуум является диэлектриком. В таком случае создать ток можно с помощью термоэлектронной эмиссии. Термоэлектронная эмиссия – явление, при котором электроны выходят из металлов при нагревании. Такие электроны называются термоэлектронами, а все тело – эмиттер.

На это явление впервые обратил внимание американский ученый Томас Эдисон в 1879 году.

Рис. 2. Термоэлектронная эмиссия

Эмиссия делится на:

  • вторичную электронную (выбивание быстрыми электронами);
  • термоэлектронную (испарение электронов с горячего катода);
  • фотоэлектронная (электроны выбиваются светом);
  • электронная (выбивание сильным полем).

Электроны смогут вылететь из металла, если будут обладать достаточной кинетической энергией. Она должна быть больше работы выхода электронов для данного металла. Электроны, вылетающие из катода, образуют электронное облако. Половина из них возвращается в исходное положение. В равновесном состоянии число вылетевших электронов равно количеству вернувшихся. От температуры прямо пропорционально зависит плотность электронного облака (т.е. при повышении температуры, плотность облака становится больше).

При подключении электродов к источнику между ними возникает электрическое поле. Если положительный полюс источника тока соединить с анодом (холодным электродом), а отрицательный – с катодом (нагретым электродом), то напряженность электрического поля будет направлена к нагретому электроду.

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.

Что представляет собой электрический ток в вакууме

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 током. 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.

Где берутся свободные носители зарядов в вакууме? Вакуумный диод

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 (рис. 7.6), то часть свободных электронов в металле будут иметь достаточную энергию, чтобы выйти из металла (выполнить работу выхода).

Читайте также:  Возникает ли индукционный ток в незамкнутом контуре пересекаемом переменным магнитным полем

Явление излучения электронов нака­ленными телами называется термоэлектрон­ной эмиссией.

Однако кинетическую энергию свобод­ных электронов в веществе можно увели­чить и с помощью света.

Излучение элект­ронов веществом под действием света назы­вается фотоэлектронной эмиссией, или внеш­ним фотоэффектом.

Рис. 7.6. Излучение электронов раска­ленным проводником

Природу и закономернос­ти внешнего фотоэффекта объяснил Альберт Эйнштейн, за что и получил Нобелевскую премию по физике 1921 г.

Рассмотрим подробнее явления, происхо­дящие в сосуде (баллоне), где имеется про­водник, который может быть накален с помощью электрического тока (рис. 7.6). В баллоне создан вакуум.

Поскольку при нагревании проводника из него излучаются электроны, то может возникнуть мысль, что электроны с тече­нием времени могут заполнить весь баллон. Тем не менее это не так. Будем называть этот проводник в баллоне катодом. Элект­роны, которые оставили накаленный катод, образуют вокруг него облачко. Это вызвано тем, что катод, утратив часть свободных электронов, заряжается положительно. Поло­жительно заряженный катод и удерживает возле себя облачко электронов.

Рис. 7.7. Если в баллон ввести поло­жительно заряженный анод, то в пепи появится электрический ток

Катод (гр.— опускание, движе­ние книзу): 1) Электрод прибора или ус­тройства, который соединяют с отрицательным полюсом ис­точника тока. 2) Отрицательный полюс источ­ника тока (гальванического эле­мента и т. п.). 3) Источник электронов в элект­ронно-вакуумных приборах. Материал с сайта https://worldofschool.ru

Рис. 7.8. Внутреннее строение вакуум­ного диода

Если теперь в баллон ввести еще один электрод (анод) и создать электрическое поле между анодом и катодом (рис. 7.7), то в баллоне возникнет электрический ток. В этом случае ток возможен, поскольку по­ложительно заряженный анод притягивает отрицательно заряженные электроны. Если же анод будет иметь отрицательный заряд, то электроны от него будут отталкиваться. Однако при небольших напряжениях наи­более быстрые электроны все же могут до­лететь до анода, и в цепи может наблюдать­ся небольшой ток. При увеличении напря­жения (если анод заряжен отрицательно) ток в цепи совсем прекратится.

Анод (гр.— путь вверх, восхож­дение): 1) Электрод электро- и радио­технических приборов, электро­литических ванн и других ус­тройств, соединяющихся с по­ложительным полюсом источ­ника электрического тока. 2) Положительный полюс источ­ника электрического тока.

Рассмотренный прибор называется ваку­умным диодом, строение одного из которых показано на рис. 7.8. Практически диод про­водит ток лишь в одном направлении — когда анод заряжен положительно. Поэтому его используют в основном для выпрям­ления переменных токов. Однако в наше время вакуумные диоды в выпрямителях повсеместно вытеснены полупроводниковы­ми диодами — более надежными, экономич­ными, долговечными.

Источник



Электрический ток в вакууме — причины появления, свойства и применение

Электрический ток в вакууме Электрический ток в вакууме - причины появления, свойства и применение

Виды вакуума

Как же ведет себя электрический ток в вакууме? Как и любой ток, ток в вакууме появляется при наличии источника со свободными заряженными частицами.

Какими частицами создается электрический ток в вакууме? Чтобы создать вакуум в каком-либо закрытом сосуде, необходимо из него откачать газ. Делают это чаще всего с помощью вакуумного насоса. Это такое устройство, которое необходимо, чтобы откачать газ или пар до нужного для опыта давления.

Существует четыре вида вакуума: низкий вакуум, средний вакуум, высокий вакуум и сверхвысокий вакуум.

Рис. 1. Характеристики вакуума

Физика процесса

Электрический ток в вакууме может образовываться только направленным движением электронов. Ввести их, возможно, с помощью помещения в среду металла. Для того чтобы частицы покинули поверхность проводника нужно им отдать энергию. Этот процесс называется работой выхода электронов из вещества.

Её значение для разных материалов было установлено экспериментально. Так, для наиболее популярных веществ работа выхода равна:

  • вольфрама — 4,5 эВ;
  • кадмия — 2,2 эВ;
  • цинка — 4,2 эВ;
  • оксида бария — 1 эВ.

То есть для того чтобы извлечь электрон, нужно сообщить ему определённую энергию. Только тогда он сможет вылететь с поверхности. В обычном состоянии энергия электрона в металле составляет 3,2 KT (тепловая). При комнатной температуре (T = 300 K) KT = 0,026 эВ. Этой величины будет явно недостаточно, чтобы появилась электропроводность в вакууме.

Если же нагреть тело до 3 тыс. градусов по кельвину (многие металлы начинают расплавляться), то KT = 0,26 эВ. Этого значения всё равно мало для того, чтобы выбить электроны. Но на самом деле носители имеют определённое распределение по энергиям. Найденное значение показывает среднюю величину. Поэтому в теле из-за высокой плотности заряженных частиц обязательно будут такие электроны, которые имеют энергию превышающую работу выхода.

Над поверхностью проводника появляется электронное облако. При этом чем выше температура, тем плотнее оно будет. Вылетевший электрон приводит к изменению заряда металла. В итоге он начинает втягиваться обратно. Устанавливается равновесие. Какое число электронов вылетает, такое же их количество возвращается.

Для того чтобы образовался поток зарядов нужно ввести вспомогательную цепь. Другими словами, сообщить электронам дополнительную энергию. Зависимость между током и напряжением в рассматриваемом случае не будет соответствовать закону Ома. Ведь образованное электронное облако задерживает вновь вылетающие электроны. Но если увеличить напряжение на другом выводе, то концентрация носителей в образованном поле уменьшится, значит, снизится и тормозящий эффект. Это приведёт к увеличению тока.

Таким образом, вылетающие электроны можно уподобить электра ракетам, преодолевшим земное притяжение. Если к выводу присоединить положительный электрод источника тока, то возникшее электромагнитное поле между спиралью и электродом внутри колбы с вакуумом, устремит к нему электроны. Внутри потечёт электрический ток.

Электрический ток в вакууме

Ток в вакууме не может существовать самостоятельно, так как вакуум является диэлектриком. В таком случае создать ток можно с помощью термоэлектронной эмиссии. Термоэлектронная эмиссия – явление, при котором электроны выходят из металлов при нагревании. Такие электроны называются термоэлектронами, а все тело – эмиттер.

На это явление впервые обратил внимание американский ученый Томас Эдисон в 1879 году.

Рис. 2. Термоэлектронная эмиссия

Эмиссия делится на:

  • вторичную электронную (выбивание быстрыми электронами);
  • термоэлектронную (испарение электронов с горячего катода);
  • фотоэлектронная (электроны выбиваются светом);
  • электронная (выбивание сильным полем).

Электроны смогут вылететь из металла, если будут обладать достаточной кинетической энергией. Она должна быть больше работы выхода электронов для данного металла. Электроны, вылетающие из катода, образуют электронное облако. Половина из них возвращается в исходное положение. В равновесном состоянии число вылетевших электронов равно количеству вернувшихся. От температуры прямо пропорционально зависит плотность электронного облака (т.е. при повышении температуры, плотность облака становится больше).

При подключении электродов к источнику между ними возникает электрическое поле. Если положительный полюс источника тока соединить с анодом (холодным электродом), а отрицательный – с катодом (нагретым электродом), то напряженность электрического поля будет направлена к нагретому электроду.

Общие сведения

Понятие вакуум сходно слову «пустота». В физике под ним понимают пространство, которое освобождено от любых веществ. Однако учёные считают, что такого места быть не может. Объясняют это они тем, что даже в самом пустом пространстве должны существовать флуктуации. Экспериментально это удалось доказать Генриху Казимиру, описавшему явление в своём конспекте.

Он предположил, что вакуум представляет собой «резервуар» в котором вблизи абсолютного нуля происходит ряд волнений. Его опыт состоял в следующем. Учёный взял две заряженные пластины и поместил их между вакуумным пространством. Под действием внешних фотонов проводники притягивались друг к другу. То есть через пространство проходила хотя и слабая, но сила.

Резервуар с вакуумом

Поэтому в физике существует особый термин — физический вакуум. Под ним понимают замкнутое пространство, в котором давление в несколько раз меньше по сравнению с газовой средой. То есть его величина не оказывает никакого влияния и ей можно пренебречь. Так как электричество образуется при перемещении элементарных носителей зарядов, которые в вакууме практически отсутствуют, при простом воздействии на среду его получить не удастся. Поэтому единственной возможностью пропустить ток через пустоту является добавление в неё заряженных частиц.

В 1879 году Эдисон, изучая причину перегорания нитей в лампах накаливания, обнаружил образование тёмного налёта около анодного вывода. Этот эффект изобретатель объяснял тем, что внутри колбы возникает разряд, вследствие которого заряженные частицы угольной пыли выбиваются с проводника. Он предположил, что если в лампу ввести дополнительный электрод с положительным зарядом, то эти частицы будут им притягиваться.

Так был открыт эффект термоэлектронной эмиссии. Другими словами, испускание заряженных частиц при нагреве проводника до температур 1500 — 2500 о С. При таких величинах электроны разрывают связи и высвобождаются. Это явление сродни испарению молекул с поверхности жидкости. Оно нашло своё применение в вакуумных электронных приборах. Например, используется в электронно-лучевых трубках, ламповых диодах.

Вакуумный диод

Вакуумный диод

Одним из типичных устройств, использующих проводимость безвоздушного пространства, является вакуумная двухэлектродная электронная лампа. Если на её положительный вывод подаётся обратное напряжение, то все испущенные катодом электроны возвращаются. При прямом же смещении носители зарядов устремляются к аноду. Другими словами, происходит выпрямление переменного сигнала. Устройство работает как диод.

Исследовать появление электрического тока в вакууме и газах можно с помощью радиоэлемента, состоящего из следующих частей:

  • запаянной колбы;
  • электрода из металла (анод);
  • вольфрамовой спирали (катод);
  • реостата.

Нить из вольфрама находится в герметичной колбе и подключена через реостат к генератору для регулировки силы тока. Электрод подключён к микроамперметру. С него цепь, проходя через балластный резистор, замыкается на катоде.

Реостатом можно регулировать температуру катода. Переменным сопротивлением устанавливается разность потенциалов между положительным и отрицательным выводом. Вольт-амперная характеристика, то есть зависимость анодного тока от напряжения будет формироваться следующим образом. Допустим, напряжения нет. Тогда электроны, вылетевшие из катода, притянутся обратно. Ток в цепи анода не течёт. Если на вывод подать отрицательный сигнал, то электроны будут отталкиваться. Ток снова не течёт.

Появление электрического тока в вакууме и газах

Когда на анод поступает положительное напряжение, то возникает электрическое поле. Оно создаёт силу, направленную в сторону анода. Скорость полёта электронов разная, так как некоторые из них отталкиваются от уже ранее вылетевших частиц. Чем больше будет напряжённость поля, тем сильнее начнёт протекать ток. Но изменение будет происходить не линейно. Например, если увеличить напряжение в два раза, то число электронов, вылетевших из катода, увеличится в больше раз, чем это число. Чем больше разность потенциалов, тем меньше пространственный заряд электронов.

На графике эта зависимость будет представлять полукубическую параболу. Описать её можно приблизительной формулой: I = U3/2. Если продолжить поднимать напряжение, то напряжённость становится намного больше поля, создаваемого пространственным облаком. Все электроны начнут добираться до анода. Сила тока уже не будет зависеть от напряжения. На ВАХ это изображается прямой линией, а эффект называется током насыщения.

Термоэлектронный ток

Если около поверхности металла есть электрическое поле, то электроны из электронного облака образуют электрический ток. Этот ток называют термоэлектронным.

И так, если в вакууме находятся две металлические пластинки, между ними существует разность потенциалов, то между этими пластинками появится термоэлектронный ток.

Читайте также:  Зависимость тока от частоты при резонансе токов

Сила тока должна расти при увеличении разности потенциалов. Для термоэлектронного тока существует сила тока насыщения. Это максимальная сила тока, при которой все электроны, которые попадают с поверхности катода в электронное облако, достигают анода. При этом ни какого обратного тока электронов через поверхность внутрь катода нет. Сила тока насыщения при увеличении разности потенциалов между анодом и катодом не изменяется.

Для металлов работа выхода составляет несколько электрон-вольт. При этом энергия $kT$ даже при больших температурах в тысячи кельвинов всего лишь доли электрон — вольта. Значит, $\frac=A_v\beta \gg 1,\ \to exp\left[\beta \left(E_k+A_v\right)\right]\gg 1,$ следовательно, в знаменателе формулы (4) единицей можно пренебречь и записать эту формулу в виде:

Сила тока насыщения зависит от работы выхода и температуры. Для чистых металлов существенный ток можно получить при температурах порядка $2000 К$, что означает, что в качестве катодов следует использовать металлы с высокой температурой плавления. При этом надо, чтобы работа выхода у них была минимальна. Так, вольфрам, имеющий работу выхода $4,5 эВ$, должен быть нагрет до температуры $2500 К$x.

Для того чтобы уменьшить рабочую температуру и снизить работу выхода применяют оксидные катоды.

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.

Что мы узнали?

Кратко о электрическом токе в вакууме мы узнали их этой статьи. Для существования его в вакууме в первую очередь необходимо наличие свободных заряженных частиц. Также рассмотрены виды вакуума и их характеристики. Необходимым для изучения является понятие термоэлектронной эмиссии. Информацию можно использовать для подготовки доклада и сообщения на уроке физики.

ФизикаПлоское зеркало – увеличение и виды

ФизикаВторой закон Ньютона – формула, запись и определение кратко

Характеристика электронного облака

Облако электронов около поверхности металла описывается формулой (5). В выражении (5) число квантовых состояний в элементе фазового объема $dxdydzdp_xdp_ydp_z$ запишется как:

Тогда количество электронов в элементе фазового объема будет равно:

где $E_k=\frac<2m_e>$. $p^2=^2+^2+^2$. Концентрацию электронного облака ($n_0$) около поверхности металла можно найти последовательным интегрированием выражения (7) по $dxdydz$ а за тем по $dp_xdp_ydp_z$, в результате получим:

Средняя кинетическая энергия электронов равна:

Источник

Электрический ток в вакууме: кратко о природе и применении

Электрический ток в вакууме Электрический ток в вакууме - причины появления, свойства и применение

Виды вакуума

Как же ведет себя электрический ток в вакууме? Как и любой ток, ток в вакууме появляется при наличии источника со свободными заряженными частицами.

Какими частицами создается электрический ток в вакууме? Чтобы создать вакуум в каком-либо закрытом сосуде, необходимо из него откачать газ. Делают это чаще всего с помощью вакуумного насоса. Это такое устройство, которое необходимо, чтобы откачать газ или пар до нужного для опыта давления.

Существует четыре вида вакуума: низкий вакуум, средний вакуум, высокий вакуум и сверхвысокий вакуум.

Рис. 1. Характеристики вакуума

Общие сведения

Любое физическое тело, будь то газ, жидкость или твёрдое вещество состоит из набора молекул, образованных ковалентными связями атомов. Это электрически нейтральные частицы, не несущие заряды. С точки зрения квантовой физики, молекула — это система, состоящая из ядер и электронов.

В равновесном состоянии число положительных частиц равняется количеству отрицательных. Поэтому тело находится в энергетическом равновесии.

Установлено, что электрический ток возможен при существовании так называемых свободных частиц — электронов. Они не привязаны к ядрам и хаотично перемещаются по физическому телу. Из-за того что их движение хаотичное, то заряд, который они несут, скомпенсирован. Для того чтобы появился электроток, протекающий длительное время нужно выполнение трёх условий:

  • существование свободных носителей зарядов;
  • действие электрического поля;
  • замкнутая цепь.

Сторонние силы источника тока обеспечивают круговорот зарядов перемещая их в цепи против электрического поля на определённом участке. Из опытов стало известно, что сила тока пропорциональна работе (напряжению) которую необходимо выполнить, чтобы переместить заряд из одной точки в другую. То есть для того чтобы появился электроток должна быть создана разность потенциалов. Такое состояние характерно для металлов полупроводников и даже газов с жидкостями (явление пробоя). Но безвоздушное пространство отличается от них тем что в нём ничего нет.

На самом деле существует два понятия вакуума:

  • физическое — под ним понимают состояние газа, при котором длина свободного пробега молекул больше размера сосуда;
  • технический — сильно разряжённый газ.

Поэтому физики считают, что вакуум — это пространство в котором нет молекул атомов или ионов. Для того чтобы протекал ток нужны заряженные частицы. Вот ими как раз и являются электроны, но при этом они не существуют в вакууме сами по себе, а помещаются туда. Впервые процесс внесения отрицательных частиц в такую среду был выполнен Томасом Эдисоном в 1884 году. Он не был учёным, а был изобретателем. Его лампа накаливания и исследование свойств проводника при нагреве и послужили толчком для создания электровакуумного диода — устройства, проводящего эл. ток в вакууме.

Электрический ток в вакууме

Ток в вакууме не может существовать самостоятельно, так как вакуум является диэлектриком. В таком случае создать ток можно с помощью термоэлектронной эмиссии. Термоэлектронная эмиссия – явление, при котором электроны выходят из металлов при нагревании. Такие электроны называются термоэлектронами, а все тело – эмиттер.

На это явление впервые обратил внимание американский ученый Томас Эдисон в 1879 году.

Рис. 2. Термоэлектронная эмиссия

Эмиссия делится на:

  • вторичную электронную (выбивание быстрыми электронами);
  • термоэлектронную (испарение электронов с горячего катода);
  • фотоэлектронная (электроны выбиваются светом);
  • электронная (выбивание сильным полем).

Электроны смогут вылететь из металла, если будут обладать достаточной кинетической энергией. Она должна быть больше работы выхода электронов для данного металла. Электроны, вылетающие из катода, образуют электронное облако. Половина из них возвращается в исходное положение. В равновесном состоянии число вылетевших электронов равно количеству вернувшихся. От температуры прямо пропорционально зависит плотность электронного облака (т.е. при повышении температуры, плотность облака становится больше).

При подключении электродов к источнику между ними возникает электрическое поле. Если положительный полюс источника тока соединить с анодом (холодным электродом), а отрицательный – с катодом (нагретым электродом), то напряженность электрического поля будет направлена к нагретому электроду.

Термоэлектронная эмиссия

Явление образования электронного облака около поверхности металла вследствие теплового движения свободных электронов называют термоэлектронной эмиссией. При абсолютном нуле температур явления термоэлектронной эмиссии нет. Это значит, что при $T=0K$ электронного облака над поверхностью металла не существует.

Электроны, имеющие кинетическую энергию $E_k\ $около поверхности металла имеют полную энергию ($E_i$) равную:

Тогда формула (1) имеет вид:

где $A_v=E_0-\mu $ — работа выхода электронов из металла. Из выражения (4) видно, что плотность электронного облака около поверхности металла зависит от работы выхода $A_v$ и уменьшается с ее увеличением.

Открытие явления и его природа

Томас Эдисон, проводя ряд экспериментов с лампочкой накаливания, пытался выяснить причину перегорания нити. Физик обратил внимание, что при её разрыве на стекле колбы с внутренней её стороны образуется чёрный налёт. При дальнейшем изучении Эдисон обнаружил что если пластина, внесённая в вакуум относительно нити накаливания, подключается к положительному потенциалу ток не появлялся. В ином случае проводник довольно сильно нагревался.

Это явление учёный объяснил существованием зарядов определённого знака, которые способны перемещаться в вакууме. На то время электрон ещё не был открыт. Эдисон увидел, что при повышении напряжения степень накала изменялась. Этот эффект был после назван термоэлектронной эмиссией. Уже после этого явления нашлось применение в детектировании радиоволн.

С физической точки зрения, термоэлектронной эмиссией называют способность тел испускать со своей поверхности электроны при нагревании. Связано это с тем что в веществах существует так называемый потенциальный барьер. То есть область пространства с конкретной потенциальной энергией. В равновесном состоянии величина заряда мала и не позволяет частице перейти через этот барьер. Но как только потенциал электрона возрастает, он свободно проходит через него. Нужную дополнительную энергию как раз и получает частица за счёт тепловых колебаний.

Уровень потенциального барьера зависит от двух параметров:

  • термоэлектронной работы выхода f;
  • значения надбарьерного отражения электронов.

Таким образом, прикладывая разность потенциалов между двумя проводниками, подключёнными к одной цепи, можно добиться протекания между ними тока. При нагревании проводника до высоких температур вокруг него образуется электронное облако. Причём чем выше температура, тем его плотность больше.

Так как проводник начинает заряжаться отрицательно из-за частичного ухода электронов то возникает сила притягивающая вылетевшие частицы обратно.

Но при дальнейшем повышении температуры наступает такой момент, когда электроны вырываются из облака. Этому способствует другой проводник с меньшим потенциалом, к которому и устремляются электроны. Возникает электропроводность.

Вакуумный диод

Прибором простейшего вида, использующим явление возникновения электричества, порождаемого термоэлектронной эмиссией, является вакуумный диод. Его работа довольно простая, а сам прибор относится к простейшим устройствам. Основной характеристикой диода является вольт-амперная зависимость.

Она имеет три участка: нелинейный, степенной, насыщения. На первом происходит медленное возрастание силы тока при увеличении напряжения. Эта зависимость экспоненциальная. На втором промежутке изменение описывается формулой: I = G * U 3/2 где: G — проводимость, величина, обратная сопротивлению. Третий участок характеризуется тем что при росте напряжения значение тока практически не изменяется. Это связано с тем что число электронов, вылетевших из проводника, становится постоянным для любого момента времени.

Сам электронный прибор представляет собой колбу с двумя электродами. В середине сосуда создан физический вакуум. Один электрод (катод) предназначен для испускания электронов, а другой (анод) для их получения. Катодный вывод состоит из нити, которая разогревается под действием тока и длинного цилиндра с уложенным в него спиралью подогревателя.

При нагреве электрода возникает термоэлектронная эмиссия. Электроны покидают поверхность и создают облако с избытком отрицательных зарядов. Поверхность же вывода начинает заряжаться положительно. Некоторое количество частиц, обладающих небольшой скоростью, падают на катод, но быстрые электроны преодолевают барьер и переходят на анод. Если на положительный вывод подать прямое смещение, то возникнет ускоряющее поле, которое ещё больше способствует переносу электронов.

В результате появится постоянный ток. Электровакуумный диод имеет неоспоримое достоинство перед полупроводниковым — отсутствие обратного тока. Кроме этого, устройство способно выдерживать большие напряжения и ионизирующее излучение. Но при этом прибор нельзя назвать энергоэффективным.

Наиболее часто в качестве термокатода используют вольфрам или смесь окислов щёлочноземельных металлов. Следует отметить, что к основным параметрам диода относят крутизну вольт-амперной характеристики ток насыщения и запирающее напряжение. Последнее определяет значение, при котором происходит пробой — появление искры с дугой и увеличение в несколько раз силы тока. То есть нарушения прочности вакуума.

Читайте также:  Пересчет тока трехфазного в однофазное

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.

называется энергия, которую необходимо сообщить электрону, чтобы удалить его с поверхности металла в бесконечность в состоянии с нулевой
Ek
.

Для разных металлов работа выхода различна.

Источник

Электрический ток в вакууме – причины появления, свойства и применение

Свободное пространство от вещества называют вакуумом. Электрический ток, являясь упорядоченным движением носителей зарядов, самостоятельно в нём появиться не может. Но существуют радиоэлектронные приборы, чаще всего усилительные, работа которых построена именно на пропускании электричества через вакуумную среду. Появление таких устройств стало возможным после открытия термоэлектронной эмиссии, фундаментального физического явления.

Электрический ток в вакууме - причины появления, свойства и применение

Электрический ток в жидкостях

Как известно, химически чистая (дистиллированная) вода является плохим проводником. Однако при растворении в воде различных веществ (кислот, щелочей, солей и др.) раствор становится проводником, из-за распада молекул вещества на ионы. Это явление называется электролитической диссоциацией

, а сам раствор
электролитом
, способным проводить ток.

В отличие от металлов и газов прохождение тока через электролит сопровождается химическими реакциями на электродах, что приводит к выделению на них химических элементов, входящих в состав электролита.

Первый закон Фарадея: масса вещества, выделяющегося на каком-либо из электродов, прямо пропорциональна заряду, прошедшему через электролит

Электрохимический эквивалент вещества — табличная величина.

Второй закон Фарадея:

Протекание тока в жидкостях сопровождается выделением теплоты. При этом выполняется закон Джоуля-Ленца.

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.

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.



Электрический ток в металлах

При прохождении тока металлы нагреваются. В результате чего ионы кристаллической решетки начинают колебаться с большей амплитудой вблизи положений равновесия. В результате этого поток электронов чаще соударяется с кристаллической решеткой, а следовательно возрастает сопротивление их движению. При увеличении температуры растет сопротивление проводника.

Каждое вещество характеризуется собственным температурным коэффициентом сопротивления — табличная величина. Существуют специальные сплавы, сопротивление которых практически не изменяется при нагревании, например манганин и константан.

Явление сверхпроводимости.

При температурах близких к абсолютному нулю (-2730C) удельное сопротивление проводника скачком падает до нуля. Сверхпроводимость — микроскопический квантовый эффект.

Электрический ток в газах

Газы в естественном состоянии не проводят электричества (являются диэлектриками), так как состоят из электрически нейтральных атомов и молекул. Проводником может стать ионизированный газ, содержащий электроны, положительные и отрицательные ионы.

Ионизация может возникать под действием высоких температур, различных излучений (ультрафиолетового, рентгеновского, радиоактивного), космических лучей, столкновения частиц между собой.

Ионизированное состояние газа получило название плазмы

. В масштабах Вселенной плазма — наиболее распространенное агрегатное состояние вещества. Из нее состоят Солнце, звезды, верхние слои атмосферы.

Прохождение электрического тока через газ называется газовым разрядом

В «рекламной» неоновой трубке протекает тлеющий разряд

. Светящийся газ представляет собой «живую плазму».


Между электродами сварочного аппарата возникает
дуговой разряд
.


Дуговой разряд горит в ртутных лампах — очень ярких источниках света.
Искровой разряд
наблюдаем в молниях. Здесь напряженность электрического поля достигает пробивного значения. Сила тока около 10 МА!


Для
коронного разряда
характерно свечение газа, образуя «корону», окружающую электрод. Коронный разряд — основной источник потерь энергии высоковольтных линий электропередачи.

Характеристики

Электрический ток характеризуется величинами, которые описывают его свойства.

Сила и плотность тока

Для описания характеристики электричества часто используют термин «сила тока». Название не совсем удачное, так как оно характеризует только интенсивность движения электрических зарядов, а не какую-то силу в буквальном смысле. Тем не менее, этим термином пользуются, и он означает количество электричества (зарядов) проходящего через плоскость поперечного сечения проводника. Единицей измерения силы тока в системе СИ является ампер (А).

1 А означает то, что за одну секунду через поперечное сечение проводника проходит электрический заряд 1 Кл. (1А = 1 Кл/с).

Плотность тока – векторная величина. Вектор направлен в сторону движения положительных зарядов. Модуль этого вектора равен отношению силы тока на некотором перпендикулярном к направлению движения зарядов сечении проводника к площади этого сечения. В системе СИ измеряется в А/м2. Плотность более ёмко характеризует электричество, однако на практике чаще используется величина «сила тока».

Разница потенциалов (напряжение) на участке цепи выражается соотношением: U = I×R, где U – напряжение, I – сила тока, а R – сопротивление. Это знаменитый закон Ома.

Мощность

Электрическими силами совершается работа против активного и реактивного сопротивления. На пассивных сопротивлениях работа преобразуется в тепловую энергию. Мощностью называют работу, выполненную за единицу времени. По отношению к электричеству применяют термин «мощность тепловых потерь». Физики Джоуль и Ленц доказали, что мощность тепловых потерь проводника равна силе тока умноженной на напряжение: P = I× U. Единица измерения мощности – ватт (Вт).

Частота

Переменный ток характеризуется также частотой. Данная характеристика показывает, как за единицу времени изменяется количество периодов (колебаний). Единицей измерения частоты является герц. 1 Гц = 1 периоду за секунду. Стандартная частота промышленного тока составляет 50 Гц.

Ток смещения

Понятие «ток смещения» ввели для удобства, хотя в классическом понимании его нельзя назвать током, так как отсутствует перенос заряда. С другой стороны, интенсивность магнитного поля пребывает в зависимости от токов проводимости и смещения.

Токи смещения можно наблюдать в конденсаторах. Несмотря на то, что при зарядке и разрядке между обкладками конденсатора не происходит перемещения заряда, ток смещения протекает через конденсатор и замыкает электрическую цепь.

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
.

Физика процесса

Электрический ток в вакууме может образовываться только направленным движением электронов. Ввести их, возможно, с помощью помещения в среду металла. Для того чтобы частицы покинули поверхность проводника нужно им отдать энергию. Этот процесс называется работой выхода электронов из вещества.

Её значение для разных материалов было установлено экспериментально. Так, для наиболее популярных веществ работа выхода равна:

  • вольфрама — 4,5 эВ;
  • кадмия — 2,2 эВ;
  • цинка — 4,2 эВ;
  • оксида бария — 1 эВ.

То есть для того чтобы извлечь электрон, нужно сообщить ему определённую энергию. Только тогда он сможет вылететь с поверхности. В обычном состоянии энергия электрона в металле составляет 3,2 KT (тепловая). При комнатной температуре (T = 300 K) KT = 0,026 эВ. Этой величины будет явно недостаточно, чтобы появилась электропроводность в вакууме.

Электрический ток в вакууме - причины появления, свойства и применение

Если же нагреть тело до 3 тыс. градусов по кельвину (многие металлы начинают расплавляться), то KT = 0,26 эВ. Этого значения всё равно мало для того, чтобы выбить электроны. Но на самом деле носители имеют определённое распределение по энергиям. Найденное значение показывает среднюю величину. Поэтому в теле из-за высокой плотности заряженных частиц обязательно будут такие электроны, которые имеют энергию превышающую работу выхода.

Над поверхностью проводника появляется электронное облако. При этом чем выше температура, тем плотнее оно будет. Вылетевший электрон приводит к изменению заряда металла. В итоге он начинает втягиваться обратно. Устанавливается равновесие. Какое число электронов вылетает, такое же их количество возвращается.

Для того чтобы образовался поток зарядов нужно ввести вспомогательную цепь. Другими словами, сообщить электронам дополнительную энергию. Зависимость между током и напряжением в рассматриваемом случае не будет соответствовать закону Ома. Ведь образованное электронное облако задерживает вновь вылетающие электроны. Но если увеличить напряжение на другом выводе, то концентрация носителей в образованном поле уменьшится, значит, снизится и тормозящий эффект. Это приведёт к увеличению тока.

Таким образом, вылетающие электроны можно уподобить электра ракетам, преодолевшим земное притяжение. Если к выводу присоединить положительный электрод источника тока, то возникшее электромагнитное поле между спиралью и электродом внутри колбы с вакуумом, устремит к нему электроны. Внутри потечёт электрический ток.

Источник