Природа электрического тока в вакууме

Что представляет собой электрический ток в вакууме

На практике возможен только частичный вакуум. Он может возникать естественным образом или создаваться путем откачивания воздуха из контейнера или использования потока жидкости для снижения давления (принцип Бернулли). Космическое пространство может приближаться к требованиям вакуума, но даже межгалактическое пространство будет содержать несколько атомов на кубический метр.

Электроны могут течь через вакуум. Проблема с этим на большом расстоянии заключается в том, что нужна сила, чтобы заставить электроны двигаться через вакуум.

Носители

В вакууме свободные электроны могут выступать в качестве носителей заряда. В электронном компоненте, известном как вакуумная трубка (также называемая вентилем), подвижное электронное облако генерируется нагретым металлическим катодом в процессе, называемом термоэлектронной эмиссией. Когда электрическое поле прикладывается достаточно сильно, чтобы собрать электроны в пучок, это можно назвать катодным лучом, и на этом основан дисплей катодной лучевой трубки, широко используемый в телевизорах и компьютерных мониторах до 2000-х годов.

Условия возникновения

Катод имеет цепь накала, по которой подается ток накала, необходимый для его разогрева. При повышении температуры поверхностные электроны приобретают энергию. Энергия, приобретенная поверхностными электронами, позволяет им перемещаться на небольшое расстояние от поверхности, что приводит к эмиссии.
Количество электронов, испускаемых с поверхности, ограничено эффектом пространственного заряда.

На количество электронов, испускаемых при термоэлектронной эмиссии, влияют различные факторы. При более высокой температуре образуется большее количество электронов. Металлы с меньшими рабочими функциями требуют меньше энергии для нагрева и высвобождения электронов, такие как вольфрам, металлические оксиды бария и стронция, а также торированный вольфрам. Чистая вольфрамовая нить должна быть нагрета до температуры 2300°C, чтобы испустить полезное количество электронов. Если вольфрам покрыт оксидом, для термоэлектронной эмиссии требуется всего 750°C. Другие факторы включают площадь поверхности и природу металла.

Таким образом, есть три свойства, которые влияют на эту эмиссию: температура поверхности металла, площадь поверхности металла и функция вещества.

1. Когда температура поверхности металла высока, скорость эмиссии электронов с поверхности металла выше.
2. Если площадь поверхности металла больше, то скорость эмиссии электронов с поверхности металла выше.
3. Если рабочая функция металла низкая, то скорость эмиссии электронов с поверхности металла высокая.

Плотность излучаемого тока J определяется формулой Ричардсона (или Ричардсона-Дешмана):
J = AT²exp(-W/kT),

где:
J = плотность тока эмиссии электронов (\(мА/мм^2\));
A = постоянная Планка в \(амперах/м2/к2\);
T = температура поверхности в Кельвинах (K);
W = рабочая функция материала катода в Дж или эВ;
K = постоянная Больцмана, например, \(1,3806488E^-23 Дж K-1\).
В некоторых электронных устройствах термоионная эмиссия играет важную роль, и классическим примером является выход электронов из горячего катода в вакуум.

Металлы при нормальной температуре

Когда металлу обеспечена нормальная температура, валентные электроны могут получить достаточную энергию и разорвать связь с родительской частицей, чтобы стать свободными электронами.
В металле свободные электроны будут обладать некоторой кинетической энергией, но они не обладают достаточной энергией, чтобы покинуть металл. Притягательная сила атомного ядра будет противостоять свободным электронам из металла, которые пытаются вырваться.

Энергия свободных электронов в металле мала по сравнению с энергией электронов в вакууме. Таким образом, свободным электронам требуется дополнительная энергия от внешнего источника, чтобы переместиться в вакуум.

Металлы под воздействием высокой температуры

Когда к металлу прикладывается предмет с высокой температурой, свободные электроны получают достаточно энергии и преодолевают притягательную силу атомного ядра, которое удерживает свободные электроны внутри металла.
Свободные электроны в металле преодолевают притягательную силу атомного ядра, разрывают связь с металлом и перемещаются в вакуум. Такое излучение происходит в основном в металлах при нагревании до очень высоких температур.

Как только тепловая энергия поступает в металл, свободные электроны вылетают с его поверхности. Этот процесс эмиссии играет ключевую роль в работе электронного устройства.

Один электрод обычно называется катодом, или эмиттером, а другой — анодом или пластиной. Как правило, электронам в катоде мешает вырваться с поверхности потенциально-энергетический барьер. Когда электрон начинает удаляться от поверхности, он индуцирует соответствующий положительный заряд в материале, который стремится притянуть его обратно к поверхности. Чтобы вырваться, электрон должен каким-то образом получить энергию, достаточную для преодоления этого энергетического барьера. При обычных температурах почти ни один из электронов не может получить достаточно энергии для побега. Однако, когда катод очень горячий, энергия электронов значительно возрастает за счет теплового движения. При достаточно высоких температурах значительное количество электронов способно вырваться наружу. Освобождение электронов с горячей поверхности и есть термоэлектронная эмиссия.

Применение электрического тока в вакууме

Используется в высокочастотных вакуумных транзисторах, применяемых в электронике, силовой электронике, электронных пушках, для генерации рентгеновского излучения и преобразования энергии из солнечной энергии и источников высокой температуры, в диодных вентилях, вакуумных трубках, катодно-лучевых трубках (КЛТ), электронных микроскопах, электродинамических тросах и т. д.

Электровакуумный диод

Источник: studfile.net

Электроны, вырвавшиеся из горячего катода, образуют вблизи него облако отрицательных зарядов, называемое пространственным зарядом. Если пластина батареи поддерживается положительной по отношению к катоду, электроны в облаке притягиваются к ней. Пока между электродами поддерживается разность потенциалов, от катода к пластине будет течь постоянный ток.

Простейшим примером термоионного устройства является электровакуумный диод, в котором единственными электродами являются катод и пластина или анод. Диод можно использовать для преобразования переменного тока (AC) в пульсирующий постоянный ток (DC).