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.

Оглавление:

• Основные понятия
• Возникновение тока в вакууме
• Применение явления
• Решение задач

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.

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.

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.

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.

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:

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: mV² / 2 = mV² э / 2 + mV²м / 2; mV² = mV²э + mV²м, 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 = mV²м / 2 = (mV² / 2) * ((4 m * m э) / (m э+ m))². Учитывая, что me значительно меньше m, то массой электрона можно пренебречь. Поэтому W = (4mэ * mэ * V² ) / 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.