Тема лекции "электрический ток в вакууме". Что представляет собой электрический ток в вакууме Свойство электронных пучков

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.

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 - упорядоченное движение электрозарядов. Его можно получить, например, в проводнике, который соединяет заряженное и незаряженное тело. Однако этот ток прекратится, как только разность потенциалов этих тел станет нулевой. Упорядоченное ток) будет существовать также в проводнике, соединяющем пластины заряженного конденсатора. В этом случае ток сопровождается нейтрализацией зарядов, находящихся на пластинах конденсатора, и продолжается, пока разность потенциалов пластин конденсатора не станет нулевой.

Эти примеры показывают, что электрический ток в проводнике возникает лишь при наличии на концах проводника разных потенциалов, т. е. тогда, когда в нем есть электрическое поле.

Но в рассмотренных примерах ток не может быть длительным, так как в процессе перемещения зарядов потенциалы тел быстро выравниваются и электрическое поле в проводнике исчезает.

Следовательно, для получения тока необходимо поддерживать на концах проводника разные потенциалы. Для этого можно переносить заряды с одного тела на другое обратно по другому проводнику, образуя для этого замкнутую цепь. Однако под действием сил этого же электрического поля такой перенос зарядов невозможен, так как потенциал второго тела меньше потенциала первого. Поэтому перенос возможен только силами неэлектрического происхождения. Наличие таких сил обеспечивает источник тока, включаемый в цепь.

Силы, действующие в источнике тока, переносят заряд от тела с меньшим потенциалом к телу с большим потенциалом и совершают при этом работу. Следовательно, должен обладать энергией.

Источниками тока являются гальванические элементы, аккумуляторы, генераторы и т. д.

Итак, основные условия возникновения электрического тока: наличие источника тока и замкнутой цепи.

Прохождение тока в цепи сопровождается рядом легконаблюдаемых явлений. Так, например, в некоторых жидкостях при прохождении по ним тока наблюдается выделение вещества на электродах, опущенных в жидкость. Ток в газах часто сопровождается свечением газов и т. д. Электрический ток в газах и вакууме изучал выдающийся французский физик и математик - Андре Мари Ампер, благодаря которому мы теперь знаем природу таких явлений.

Как известно, вакуум - наилучший изолятор, т. е. пространство, из которого выкачан воздух.

Но можно получить электрический ток в вакууме, для чего необходимо внести в него носители зарядов.

Возьмем сосуд, из которого откачан воздух. В этот сосуд впаяны две металлические пластины - два электрода. Один из них A (анод) соединим с положительным источником тока, другой K (катода) - с отрицательным. Напряжение между достаточно приложить 80 - 100 В.

Включим в цепь чувствительный миллиамперметр. Прибор не показывает никакого тока; это указывает на то, что электрический ток в вакууме не существует.

Видоизменим опыт. В качестве катода впаяем в сосуд проволочку - нить, с выведенными наружу концами. Эта нить по-прежнему останется катодом. С помощью другого источника тока накалим ее. Мы заметим, что, как только нить накаляется, прибор, включенный в цепь, показывает электрический ток в вакууме, и тем больший, чем сильнее накалена нить. Значит, нить при нагревании обеспечивает наличие в вакууме заряженных частиц, она является их источником.

Как заряжены эти частицы? Ответ на этот вопрос может дать опыт. Переменим полюсы у впаянных в сосуд электродов - нить сделаем анодом, а противоположный полюс - катодом. И хотя нить накалена и посылает заряженные частицы в вакуум, тока нет.

Из этого следует, что эти частицы заряжены отрицательно, потому что они отталкиваются от электрода А, когда он заряжен отрицательно.

Что представляют собой эти частицы?

Согласно электронной теории, свободные электроны в металле находятся в хаотическом движении. При накале нити это движение усиливается. При этом некоторые электроны, приобретая энергию, которой достаточно для совершения выхода, вылетают из нити, образуя около нее «электронное облачко». Когда между нитью и анодом образуется электрическое поле, то электроны летят к электроду А, если он присоединен к положительному полюсу батареи, и отталкиваются обратно к нити, если он присоединен к отрицательному полюсу, т. е. имеет заряд, одноименный с электронами.

Итак, электрический ток в вакууме - это направленный поток электронов.

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.