Андрей Смирнов
Время чтения: ~18 мин.
Просмотров: 0

Электрический ток в вакууме

Термоэлектронная эмиссия

Перед тем, как говорить, по какому механизму распространяется электрический ток в вакууме, необходимо понять, что же это за среда.

Определение. Вакуум – состояние газа, при котором свободный пробег частицы больше размера сосуда. То есть такое состояние, при котором молекула или атом газа пролетает от одной стенки сосуда к другой, не сталкиваясь с другими молекулами или атомами. Существует также понятие глубины вакуума, которое характеризует то малое количество частиц, которое всегда остается в вакууме.

Для существования электрического тока необходимо наличие свободных носителей заряда. Откуда они берутся в области пространства с очень малым содержанием вещества? Для ответа на этот вопрос необходимо рассмотреть опыт, проведенный американским физиком Томасом Эдисоном (рис. 1). В ходе эксперимента две пластины помещались в вакуумную камеру и замыкались за ее пределами в цепь с включенным электрометром. После того как одну пластину нагревали, электрометр показывал отклонение от нуля (рис. 2).

Рис. 1. Томас Эдисон

Результат опыта объясняется следующим образом: в результате нагревания металл из своей атомной структуры начинает испускать электроны, по аналогии испускания молекул воды при испарении. Разогретый металл окружает электронное озеро. Такое явление называется термоэлектронной эмиссией.

Рис. 2. Схема опыта Эдисона

Физический вакуум

Под физическим вакуумом в квантовой физике понимают низшее (основное) энергетическое состояние квантованного поля, обладающее нулевыми импульсом, моментом импульса и другими квантовыми числами. При этом такое состояние вовсе не обязательно соответствует пустоте: поле в низшем состоянии может быть, например, полем квазичастиц в твёрдом теле или даже в ядре атома, где плотность чрезвычайно высока. Физическим вакуумом называют также полностью лишённое вещества пространство, заполненное полем в таком состоянии. Такое состояние не является абсолютной пустотой. Квантовая теория поля утверждает, что, в согласии с принципом неопределённости, в физическом вакууме постоянно рождаются и исчезают виртуальные частицы: происходят так называемые нулевые колебания полей. В некоторых конкретных теориях поля вакуум может обладать нетривиальными топологическими свойствами. В теории могут существовать несколько различных вакуумов, различающихся плотностью энергии или другими физическими параметрами (в зависимости от применяемых гипотез и теорий). Вырождение вакуума при спонтанном нарушении симметрии приводит к существованию непрерывного спектра вакуумных состояний, отличающихся друг от друга числом голдстоуновских бозонов. Локальные минимумы энергии при разных значениях какого-либо поля, отличающиеся по энергии от глобального минимума, носят название ложных вакуумов; такие состояния метастабильны и стремятся распасться с выделением энергии, перейдя в истинный вакуум или в один из нижележащих ложных вакуумов.

Некоторые из этих предсказаний теории поля уже были успешно подтверждены экспериментом. Так, эффект Казимира и лэмбовский сдвиг атомных уровней объясняется нулевыми колебаниями электромагнитного поля в физическом вакууме. На некоторых других представлениях о вакууме базируются современные физические теории. Например, существование нескольких вакуумных состояний (упомянутых выше ложных вакуумов) является одной из главных основ инфляционной теории Большого взрыва.

Ложный вакуум

Скалярное поле φ в состоянии ложного вакуума. Энергия E выше, чем в состоянии истинного вакуума (основное состояние), но потенциальный барьер препятствует переходу поля. Таким образом, переход возможен лишь при высокой энергии поля или путём квантовомеханического туннелирования

Основная статья: Ложный вакуум

Ложный вакуум — состояние в квантовой теории поля, которое не является состоянием с глобально минимальной энергией, а соответствует её локальному минимуму. Такое состояние стабильно в течение определённого времени (метастабильно), но может «туннелировать» в состояние истинного вакуума.

Эйнштейновский вакуум

Основная статья: Эйнштейновский вакуум

Эйнштейновский вакуум — иногда встречающееся название для решений уравнений Эйнштейна в общей теории относительности для пустого, без материи, пространства-времени. Синоним — пространство Эйнштейна.

Уравнения Эйнштейна связывают метрику пространства-времени (метрический тензор gμν) с тензором энергии-импульса. В общем виде они записываются как

Gμν+Λgμν=8πGc4Tμν,{\displaystyle G_{\mu \nu }+\Lambda g_{\mu \nu }={8\pi G \over c^{4}}T_{\mu \nu },}

где тензор Эйнштейна Gμν является определённой функцией метрического тензора и его частных производных, R — скалярная кривизна, Λ — космологическая постоянная, Tμν — тензор энергии-импульса материи, π — число пи, c — скорость света в вакууме, G — гравитационная постоянная Ньютона.

Вакуумные решения этих уравнений получаются при отсутствии материи, то есть при тождественном равенстве нулю тензора энергии-импульса в рассматриваемой области пространства-времени: Tμν = 0. Часто лямбда-член также принимается равным нулю, особенно при исследовании локальных (некосмологических) решений. Однако при рассмотрении вакуумных решений с ненулевым лямбда-членом (лямбда-вакуум) возникают такие важные космологические модели, как модель Де Ситтера (Λ > 0) и модель анти-Де Ситтера (Λ < 0).

Тривиальным вакуумным решением уравнений Эйнштейна является плоское пространство Минковского, то есть метрика, рассматриваемая в специальной теории относительности.

Другие вакуумные решения уравнений Эйнштейна включают в себя, в частности, следующие случаи:

  • Космологическая модель Милна (частный случай метрики Фридмана с нулевой плотностью энергии)
  • Метрика Шварцшильда, описывающая геометрию вокруг сферически симметричной массы
  • Метрика Керра, описывающая геометрию вокруг вращающейся массы
  • Плоская гравитационная волна (и другие волновые решения)

Условие существования электрического тока в вакууме

Вообще говоря, в вакууме не может проходить электрический ток, если в нем нет носителей заряда. Если в вакууме присутствуют электроны, то их движение обусловит появление тока, который называют током в вакууме. Следовательно, необходимо, чтобы в вакууме появились электроны.

В металле имеется так называемый «электронный газ». При термодинамическом равновесии распределение электронов на энергоуровнях определено статистикой Ферми — Дирака и задано выражением:

где $\beta =\frac{1}{kT}$, $n_i$ — количество электронов, которые имеют энергию $E_i$, $g_i$ — число квантовых состояний, которые соответствуют энергии $E_i$, $\mu $ — энергия Ферми при температуре T (при $T\to 0K\ \mu \to {\mu }_{0\ }при\ T=0K$). Так как выражение для энергии Ферми записывают как:

В большинстве случаев $\mu \gg kT$, следовательно, для выражения (1) можно полагать $\mu ={\mu }_{0\ }.$

Допустим, что $E_0-\ $энергия электрона около поверхности вне металла. Используя формулу (1) можно вычислить вероятность того, что электрон имеет энергию $E_0$, если ее подставить в (1) вместо $E_i$. Найденная вероятность будет отлична от нуля, причем она увеличивается с ростом температуры. Значит, вблизи поверхности металла присутствует электронное облако, находящееся в динамическом равновесии с электронным газом внутри металла. Электроны из электронного облака внутри металла имеют кинетическую энергию, которой достаточно для того, чтобы преодолеть силы, которые удерживали их внутри и выйти за пределы вещества. Электроны, находящиеся вне металла над его поверхностью при соответствующих условиях могут быть захвачены силами, которые удерживают электроны внутри. Получается, что в условиях динамического равновесия через поверхность металла протекают противоположно направленные токи, их силы равны по модулю. Сумма сил этих токов равна нулю.

Генерация и рекомбинация носителей заряда

В электролитах, полупроводниках, плазме одновременно происходят процессы рекомбинации и ионизации частиц. Электрически нейтральные атомы и молекулы распадаются на заряженные частицы — ионизация и одновременно частицы разных знаков притягиваются друг к другу и образуют электрически нейтральные частицы — рекомбинация. В равновесном состоянии число актов рекомбинации и диссоциации в единицу времени равны друг другу и в среде устанавливается равновесная концентрация носителей заряда. Выведенная из состояния равновесия система постепенно самопроизвольно переходит в равновесную. Постоянную времени установления равновесной концентрации зарядов называют временем релаксации.

Диссоциация нейтральных частиц происходит главным образом из-за теплового движения и колебания частиц, их соударений. Так как на диссоциацию требуется некоторая энергия, называемая энергией активации, то концентрация носителей заряда, если нет иных факторов, препятствующих тепловой диссоциации, нарастает при повышении температуры. Именно поэтому электропроводность электролитов, полупроводников, не полностью ионизированной плазмы нарастает при повышении температуры. Количественно концентрация носителей заряда в веществе в зависимости от температуры выражается уравнением Аррениуса.

Известен механизм диссоциации на заряженные частицы посредством внешнего нетеплового воздействия, например, электромагнитным излучением или потоком быстрых частиц, например, потоком электронов, ионизирующим излучением. При таком воздействии концентрация носителей заряда повышается по сравнению с равновесной тепловой концентрацией. Поглощение фотона или заряженной частицы в полупроводнике порождает с некоторой вероятностью электронно-дырочную пару, это явление используется в различных полупроводниковых фотоприёмниках и полупроводниковых детекторах частиц. Макроскопически повышение концентрации носителей заряда проявляется в изменении электрических свойств, например, электропроводности.

Рекомбинация заряженных частиц сопровождается выделением энергии равной энергии диссоциации или энергии ионизации. В большинстве случаев эта энергия превращается в тепловое движение, но может переходить в иные виды энергии, например, уноситься фотоном, как в светодиодах и полупроводниковых лазерах в актах рекомбинации электронно-дырочных пар.

Генерация и рекомбинация носителей заряда

В электролитах, полупроводниках, плазме одновременно происходят процессы рекомбинации и ионизации частиц. Электрически нейтральные атомы и молекулы распадаются на заряженные частицы — ионизация и одновременно частицы разных знаков притягиваются друг к другу и образуют электрически нейтральные частицы — рекомбинация. В равновесном состоянии число актов рекомбинации и диссоциации в единицу времени равны друг другу и в среде устанавливается равновесная концентрация носителей заряда. Выведенная из состояния равновесия система постепенно самопроизвольно переходит в равновесную. Постоянную времени установления равновесной концентрации зарядов называют временем релаксации.

Диссоциация нейтральных частиц происходит главным образом из-за теплового движения и колебания частиц, их соударений. Так как на диссоциацию требуется некоторая энергия, называемая энергией активации, то концентрация носителей заряда, если нет иных факторов, препятствующих тепловой диссоциации, нарастает при повышении температуры. Именно поэтому электропроводность электролитов, полупроводников, не полностью ионизированной плазмы нарастает при повышении температуры. Количественно концентрация носителей заряда в веществе в зависимости от температуры выражается уравнением Аррениуса.

Известен механизм диссоциации на заряженные частицы посредством внешнего нетеплового воздействия, например, электромагнитным излучением или потоком быстрых частиц, например, потоком электронов, ионизирующим излучением. При таком воздействии концентрация носителей заряда повышается по сравнению с равновесной тепловой концентрацией. Поглощение фотона или заряженной частицы в полупроводнике порождает с некоторой вероятностью электронно-дырочную пару, это явление используется в различных полупроводниковых фотоприёмниках и полупроводниковых детекторах частиц. Макроскопически повышение концентрации носителей заряда проявляется в изменении электрических свойств, например, электропроводности.

Рекомбинация заряженных частиц сопровождается выделением энергии равной энергии диссоциации или энергии ионизации. В большинстве случаев эта энергия превращается в тепловое движение, но может переходить в иные виды энергии, например, уноситься фотоном, как в светодиодах и полупроводниковых лазерах в актах рекомбинации электронно-дырочных пар.

Носители заряда в полупроводниках

В полупроводниках носителями заряда являются электроны.
Для удобства описания процессов проводимости в полупроводниках вводят понятие квазичастицы — дырка — положительно заряженная частица с зарядом равным по модулю заряду электрона. Фактически дырка — это электрон, перескакивающий на свободную соседнюю вакансию в кристаллической решётке полупроводника. Макроскопически дырки ведут себя так как истинные положительно заряженные частицы, в частности знак ЭДС в эффекте Холла указывает на движение положительно заряженных частиц в дырочном полупроводнике.

По отношению концентраций электронов и дырок различают собственные полупроводники, в которых концентрация электронов и дырок равны, полупроводники с электронным типом проводимости или иначе называемые полупроводниками n-типа проводимости или просто n-типа с увеличенной по сравнению с дырками концентрацией электронов и полупроводники с дырочным типом проводимости называемые полупроводниками p-типа — с увеличенной концентрацией дырок.

Тип той или иной проводимости чистому полупроводнику придает легирующая примесь. Примеси, придающие полупроводнику электронный тип проводимости называют донорными примесями, а примеси придающие дырочный тип проводимости называют акцепторными примесями.

Чистые полупроводники и полупроводники с равной концентрацией акцепторных и донорных примесей, такие полупроводники называют компенсировнными полупроводниками образуют собственные полупроводники.

Электроны в полупроводнике n-типа называют основными носителями, а дырки — неосновными, в полупроводнике p-типа соответственно наоборот. Ток неосновных носителей играет важную роль в некоторых типах полупроводниковых приборов, например в биполярных транзисторах а активном режиме ток, протекающий через базовый слой, является током неосновных носителей.

Согласно зонной теории энергия электрона в кристаллической решётке полупроводника не может принимать произвольный ряд энергий, а только их энергии могут лежать в пределах определённых диапазонов — разрешенных зон, разделённых запрещенной зоной. Разрешенную зону с меньшей энергией называют валентной зоной, а разрешенную зону с высокой энергией называют зоной проводимости. Электроны с энергиями валентной зоны несвободны, то есть не могут двигаться при наложении электрического поля, так как все энергетические уровни в этой зоне заняты и согласно принципу запрета Паули электрон не может изменить свое состояние, а движение требует изменения состояния. Электроны с энергиями зоны проводимости подвижны, так в ней имеются расположенные выше свободные энергетические уровни.

Если из валентной зоны удалить электрон, то в ней образуется положительно заряженная вакансия — дырка, которую может занять другой электрон из валентной зоны, то есть при наложении электрического поля происходит движение дырок в валентной зоне — возникновение электропроводности в валентной зоне — дырочной проводимости.

Освобождение электрона из узла кристаллической решётки полупроводника и перевод его в зону проводимости требует затраты определённой энергии активации (ионизации). Эта энергия в чистых полупроводниках равна разности энергий низа зоны проводимости и верха валентной зоны и называется шириной запрещённой зоны. В собственных легированных полупроводниках энергия активации равна разности уровней донорных и акцепторных примесей.

Так как для появления свободных носителей в полупроводниках требуется энергия активации, при абсолютном нуле температуры и отсутствия внешнего облучения все полупроводники являются диэлектриками. При повышении температуры часть электронов переходит из валентной зоны в зону проводимости и возникает электропроводность. В легированных полупроводниках акцепторные уровни находятся вблизи верха валентной зоны, а уровни донорных примесей вблизи низа зоны проводимости, поэтому в легированных полупроводниках ионизация (возникновение носителей заряда) требует очень малой энергии активации, поэтому в слаболегированных полупроводниках уже при комнатной температуре все примесные атомы ионизированы и проводимость определяется в основном концентрацией легирующей примеси.

Что такое ток, напряжение и сопротивление

Электрический ток ( I ) – это упорядоченное движение заряженных частиц. Первая мысль, которая приходит в голову из школьного курса физики – движение электронов. Безусловно. Однако электрический заряд могут переносить не только они, а, например, еще ионы, определяющие возникновение электрического тока в жидкостях и газах. Хочу предостеречь также от сравнения тока с протеканием воды по шлангу. (Хотя при рассмотрении Закона Кирхгофа такая аналогия будет уместна). Если каждая конкретная частица воды проделывает путь от начала до конца, то носитель электрического тока так не поступает.

Если уж нужна наглядность, то я бы привел пример переполненного автобуса, когда на остановке некто, втискиваясь в заднюю дверь, становится причиной выпадения из передней менее удачливого пассажира. Условиями возникновения и существования электрического тока являются:

  • Наличие свободных носителей заряда
  • Наличие электрического поля, создающего и поддерживающего ток.

Будем считать, что теперь про электрический ток Вы знаете все. Это, конечно, шутка. Тем более что еще ничего не сказано про электрическое поле, которое у многих ассоциируется с напряжением, что не верно. Электрическое поле – это вид материи, существующей вокруг электрически заряженных тел и оказывающее на них силовое воздействие. Опять же, обращаясь к знакомому со школы “одноименные заряды отталкиваются, а разноименные притягиваются” можно представить электрическое поле как нечто это воздействие передающее.

Это поле, равно как любое другое непосредственно ощутить нельзя, но существует его количественная характеристика – напряженность электрического поля.

Существует множество формул, описывающих взаимосвязь электрического поля с другими электрическими величинами и параметрами. Я ограничусь одной, сведенной к примитиву: E=Δφ. Здесь:

  • E – напряженность электрического поля. Вообще это величина векторная, но я упростил все до скаляра.
  • Δφ=φ1-φ2 – разность потенциалов (рисунок 1).

Поскольку условием существования тока является наличие электрического поля, то его (поле) надо каким либо образом создать. Хорошо знакомые опыты электризации расчески, натирания тканью эбонитовой палочки, верчения ручки электростатической машины по вполне очевидным причинам на практике неприемлимы.

Электролиз в домашних условиях

Поэтому были изобретены устройства, способные обеспечивать разность потенциалов за счет сил неэлектростатического происхождения (одно из них – хорошо всем известная батарейка), получившие название источник электродвижущей силы (ЭДС), которая обозначается так: ε. Физический смысл ЭДС определяется работой, которую совершают сторонние силы, перемещая единичный заряд, но для того, чтобы получить первоначальное понятие что такое электрический ток, напряжение и сопротивление нам не нужно подробное рассмотрение этих процессов в интегральной и иных не менее сложных формах.

Напряжение ( U )

Наотрез отказываюсь продолжать заморачивать Вам голову сугубо теоретическими выкладками и даю определение напряжения как разности потенциалов на участке цепи: U=Δφ=φ1-φ2, а для замкнутой цепи будем считать напряжение равным ЭДС источника тока: U=ε. Это не совсем корректно, но на практике вполне достаточно. Сопротивление ( R ) – название говорит само за себя – физическая величина, характеризующая противодействие проводника электрическому току. Формула, определяющая зависимость напряжения, тока и сопротивления называется закон Ома. Этот закон рассматривается на отдельной странице этого раздела.

Кроме того, сопротивление зависит от ряда факторов, например, материала проводника. Данные эти справочные, приводятся в виде значения удельного сопротивления ρ, определяемого как сопротивление 1 метра проводника/сечение. Чем меньше удельное сопротивление, тем меньше потери тока в проводнике.

Источники электрической энергии

Соответственно сопротивление проводника длиной L и площадью сечения S, будет составлять R=ρ*L/S. Непосредственно из приведенной формулы видно, что сопротивление проводника также зависит от его длины и сечения. Температура тоже оказывает влияние на сопротивление. Несколько слов про единицы измерения тока, напряжения, сопротивления. Основные единицы измерения этих величин следующие:

  • Ток – Ампер (А)
  • Напряжение – Вольт (В)
  • Сопротивление – Ом (Ом).

Это единицы измерения интернациональной системы (СИ) не всегда удобны. На практике применяются из производные (милиампер, килоом и пр.). При расчетах следует учитывать размерность всех величин, содержащихся в формуле. Так, если Вы, в законе Ома умножите ампер на килоом, то напряжение получите совсем не вольтах.

Электронно-лучевая трубка

Как уже было сказано выше, на основе свойств распространения тока в вакууме было сконструировано такое важное устройство, как электронно-лучевая трубка. В основе своей работы она использует свойства электронных пучков

Рассмотрим строение этого прибора. Электронно-лучевая трубка состоит из вакуумной колбы, имеющей расширение, электронной пушки, двух катодов и двух взаимно перпендикулярных пар электродов (рис. 10).

Рис. 10. Строение электронно-лучевой трубки

Принцип работы следующий: вылетевшие вследствие термоэлектронной эмиссии из пушки электроны разгоняются благодаря положительному потенциалу на анодах. Затем, подавая желаемое напряжение на пары управляющих электродов, мы можем отклонять электронный пучок, как нам хочется, по горизонтали и по вертикали. После чего направленный пучок падает на люминофорный экран, что позволяет нам видеть на нем изображение траектории пучка.

Электронно-лучевая трубка используется в приборе под названием осциллограф (рис. 11), предназначенном для исследования электрических сигналов, и в кинескопических телевизорах за тем лишь исключением, что там электронные пучки управляются магнитными полями.

Рис. 11. Осциллограф

К занятию прикреплен файл  «Это интересно!». Вы можете скачать файл  в любое удобное для вас время.

  • http://www.umnik-umnica.com/ru/school/physics/10-klass/
  • https://www.youtube.com/watch?v=NAMWGKyNBWI
  • https://www.youtube.com/watch?v=p9hW2Qqm0hg
  • https://www.youtube.com/watch?v=1wY1k-6LoLA
     

Длина свободного пробега носителей заряда

Среднее расстояние, на котором движение носителя заряда может считаться независимым от присутствия других частиц называют длиной свободного пробега. Обычно это расстояние равно длине пути частицы до столкновения с другой частицей, но например, в плазме длиной пробега считается расстояние до существенного электростатического взаимодействия с другой заряженной частицей плазмы и изменении направления движения.

В электролитах длина свободного пробега ограничена столкновениями, в металлах длина свободного пробега электронов ограничена рассеиванием электронов на атомах, дефектах кристаллической решетки и её тепловых колебаниях — рассеиванием на фононах.

В полупроводниках электроны и дырки рассеиваются на дефектах кристаллической решетки, примесных атомах и на фононах. В чистых полупроводниках длина свободного пробега может достигать при низких температурах нескольких миллиметров.

В вакууме и разреженной плазме понятие длины свободного пробега теряет смысл, так как частицы не взаимодействуют. Условно можно считать, что длина свободного пробега равна размерам сосуда.

Чем выше длина свободного пробега λ{\displaystyle \lambda } и больше концентрация носителей n{\displaystyle n}, тем выше удельная электропроводность σ{\displaystyle \sigma }:

σ≈λ⋅n.{\displaystyle \sigma \approx \lambda \cdot n.}

ФизикаУчебник для 10-11 классов

§ 3.11. Электрический ток в вакууме

До открытия уникальных свойств полупроводников в радиотехнике использовались исключительно электронные лампы. В этих лампах, а также в электронно-лучевых трубках, широко используемых и сейчас, электроны движутся в вакууме. Как же получают потоки электронов в вакууме? Какими свойствами они обладают?

Когда говорят об электрическом токе в вакууме, то имеют в виду такую степень разрежения газа, при которой можно пренебречь соударениями между его молекулами. В этом случае средняя длина свободного пробега молекул больше размеров сосуда.

Такой разреженный газ является изолятором, так как в нем нет (или почти нет) свободных заряженных частиц — носителей электрического тока.

На рисунке 3.27 изображена схема цепи, содержащей сосуд, из которого откачан воздух. В этот сосуд впаяны два электрода, один из которых (анод (А) соединен с положительным полюсом источника тока (батарея G1), другой (катод К) — с отрицательным. Несмотря на достаточно большое напряжение, которое обеспечивает источник тока (около 100 В), включенный в цепь чувствительный гальванометр не фиксирует тока; это указывает на отсутствие в вакууме свободных носителей заряда.

Рис. 3.27

Электронная эмиссия

Электрический ток в вакууме будет существовать, если ввести в сосуд свободные носители заряда. Как это осуществить?

Наиболее просто проводимость межэлектродного промежутка в вакууме можно обеспечить с помощью электронной эмиссии с поверхности электродов. Электронная эмиссия возникает в случаях, когда часть электронов металла (электрода) приобретает в результате внешних воздействий энергию, достаточную для преодоления их связи с металлом (для совершения работы выхода Авых).

В § 3.8 мы уже познакомились с двумя видами электронной эмиссии: ионно-электронной эмиссией (при бомбардировке катода положительными ионами) и термоэлектронной эмиссией (испускание электронов с поверхности достаточно нагретого металла). Электроны испускаются также при воздействии на поверхность металла электромагнитным излучением. Такое явление называется фотоэлектронной эмиссией. И наконец, с поверхности металла испускаются электроны при бомбардировке ее быстрыми электронами. Это вторичная электронная эмиссия.

Все виды эмиссии широко используются для получения электрического тока в вакууме. Однако в большинстве современных электронных вакуумных приборов используется термоэлектронная эмиссия.

Получение электрического тока в вакууме

Посмотрим, как, используя термоэлектронную эмиссию, можно получить ток в вакууме. Для этой цели внесем изменения в цепь, схема которой изображена на рисунке 3.27. В качестве катода в вакуумном баллоне теперь впаяна вольфрамовая нить, концы которой выведены наружу и присоединены к источнику тока — батарее накала G2 (рис. 3.28). Замкнем ключ S2 и, когда вольфрамовая нить накалится, замкнем и ключ S1. Стрелка прибора при этом отклонится, в цепи появился ток. Значит, накаленная нить обеспечивает появление необходимых для существования тока носителей заряда — заряженных частиц.

Рис. 3.28

С помощью опыта нетрудно убедиться, что эти частицы заряжены отрицательно.

Изменим полярность анодной батареи G1 — нить станет анодом, а холодный электрод — катодом (рис. 3.29). И хотя нить по-прежнему накалена и по-прежнему посылает в вакуум заряженные частицы, тока в цепи нет.

Рис. 3.29

Из этого опыта следует, что частицы, испускаемые накаленной нитью, заряжены отрицательно — отталкиваются от холодного катода и притягиваются к аноду. Измерением заряда и массы было доказано, что катод испускает электроны.

Итак, электрический ток в вакууме представляет собой направленный поток электронов.

В отличие от тока в металлическом проводнике (где проводимость тоже электронная), в вакууме электроны движутся между электродами, ни с чем не сталкиваясь. Поэтому под действием электрического поля электроны непрерывно ускоряются. Скорость электронов у анода даже в маломощных электровакуумных приборах достигает нескольких тысяч километров в секунду, что в десятки миллиардов раз превышает среднюю скорость направленного движения электронов в металле.

Для создания тока в вакууме необходим специальный источник заряженных частиц. Действие такого источника обычно основано на термоэлектронной эмиссии.

Рейтинг автора
5
Материал подготовил
Максим Иванов
Наш эксперт
Написано статей
129
Ссылка на основную публикацию
Похожие публикации