Електрически ток във вакуум

В технически смисъл пространство се нарича вакуум, количеството вещество, в което в сравнение с обикновена газова среда е незначително. Налягането във вакуум е поне с два порядъка по -ниско от атмосферното; при такива условия в него практически няма свободни носители на заряд.

Но както знаем токов удар се нарича подредено движение на заредени частици под действието на електрическо поле, докато във вакуум, по дефиниция, няма такъв брой заредени частици, който да е достатъчен за образуване на стабилен ток. Това означава, че за да се създаде ток във вакуум, е необходимо по някакъв начин да се добавят заредени частици към него.

През 1879 г. Томас Едисон открива явлението термионно излъчване, което днес е един от доказаните начини за получаване на свободни електрони във вакуум чрез нагряване на метален катод (отрицателен електрод) до такова състояние, че електроните започват да излитат от него. Това явление се използва в много вакуумни електронни устройства, по -специално във вакуумни тръби.

Нека поставим два метални електрода във вакуум и ги свържем към източник на постоянно напрежение, след което започнем да загряваме отрицателния електрод (катод). В този случай кинетичната енергия на електроните вътре в катода ще се увеличи. Ако допълнително получената по този начин електронна енергия се окаже достатъчна за преодоляване на потенциалната бариера (за изпълнение на работната функция на катодния метал), тогава такива електрони ще могат да избягат в пространството между електродите.

Тъй като между електродите има електрическо поле (създадени от горния източник), електроните, влизащи в това поле, трябва да започнат да се ускоряват по посока на анода (положителен електрод), тоест теоретично във вакуум ще възникне електрически ток.

Но това не винаги е възможно, а само ако електронният лъч е в състояние да преодолее потенциалната яма на повърхността на катода, чието присъствие се дължи на появата на космически заряд близо до катода (електронен облак).

За някои електрони напрежението между електродите ще бъде твърде ниско в сравнение със средната им кинетична енергия, това няма да е достатъчно за излизане от кладенеца и те ще се върнат обратно, а за някои ще бъде достатъчно високо, за да се успокоят електроните преминават по -нататък и започват да се ускоряват от електрическото поле. По този начин, колкото по -високо е напрежението, приложено към електродите, толкова повече електрони ще напуснат катода и ще станат носители на ток във вакуум.

Така че, колкото по -високо е напрежението между електродите, разположени във вакуум, толкова по -малка е дълбочината на потенциалната яма в близост до катода. В резултат на това се оказва, че плътността на тока във вакуума по време на термионно излъчване е свързана с напрежението на анода чрез отношение, наречено закон на Лангмюир (в чест на американския физик Ървинг Лангмюр) или законът на третото:

За разлика от закона на Ом, тук връзката е нелинейна. Освен това, с увеличаване на потенциалната разлика между електродите, плътността на тока във вакуум ще се увеличава, докато настъпи насищане — състояние, когато всички електрони от електронния облак в катода достигнат анода. По -нататъшното увеличаване на потенциалната разлика между електродите няма да доведе до увеличаване на тока. R

Различните катодни материали имат различна излъчвателна способност, характеризираща се с тока на насищане.Плътността на тока на насищане може да се определи по формулата на Ричардсън-Дешман, която свързва плътността на тока с параметрите на катодния материал:

Тук:

Тази формула е получена от учени въз основа на квантовата статистика.