Области знаний
Партнёрские проектыМатериалы БРЭСпецпроектыСтать автором
Настроить видСменить языкИнформация
О РУВИКИ
Найти статью

Электрический ток в вакууме

Pause

Электрический ток в вакууме — это упорядоченное движение электронов в пространстве с сильно разрежённым газом (вакууме). В отличие от металлов, где носителями заряда являются свободные электроны, в вакууме изначально нет свободных носителей заряда, поэтому вакуум является диэлектриком. Для возникновения тока в вакууме необходимо искусственно создать источник свободных электронов, что осуществляется с помощью явления термоэлектронной эмиссии[1].

Описание

Для существования электрического тока в любой среде необходимо наличие свободных носителей заряда. В вакууме их нет, поэтому ток самопроизвольно возникнуть не может. Для создания тока необходимо выполнить два условия:

  1. Создать источник свободных электронов. Это достигается путём эмиссии электронов с поверхности электрода.
  2. Создать электрическое поле. Для направленного движения электронов между электродами необходимо приложить напряжение.
undefined

Термоэлектронная эмиссия — это явление испускания электронов нагретыми металлами[2]. При нагревании металла электроны получают дополнительную энергию. Если эта энергия превышает работу выхода (минимальную энергию, необходимую электрону для преодоления потенциального барьера на границе металл-вакуум), электроны покидают металл[2].

Явление термоэлектронной эмиссии было открыто американским изобретателем Томасом Эдисоном в 1883 году при исследовании лампы накаливания. Он обнаружил, что при нагревании нити накала в вакууме возникает электрический ток между нитью и дополнительным электродом, если последний подключён к положительному полюсу источника тока[1]. Это явление получило название эффект Эдисона.

Виды эмиссии электронов

Помимо термоэлектронной, существуют и другие виды эмиссии электронов[3]:

Однако именно термоэлектронная эмиссия наиболее широко используется в вакуумных приборах.

Вакуумные приборы

Вакуумный диод

Вакуумный диод — это простейший электровакуумный прибор, состоящий из двух электродов (катода и анода), помещённых в вакуумированный баллон[1][3]. Катод служит источником электронов (обычно это нагреваемая нить из вольфрама или оксидный катод), а анод — коллектором электронов.

Устройство

  • Катод — испускает электроны за счёт термоэлектронной эмиссии. Может быть прямого накала (сама нить служит катодом) или косвенного накала (нить накала подогревает катод, покрытый оксидным слоем для уменьшения работы выхода)[3].
  • Анод — принимает электроны, создавая электрическое поле, ускоряющее их.
  • Баллон — стеклянная или металлическая оболочка, из которой откачан воздух [1].

Вольт-амперная характеристика вакуумного диода описывает зависимость анодного тока от анодного напряжения [4][3].

undefined
  1. Режим пространственного заряда (начальный участок): При малых напряжениях не все электроны, испущенные катодом, достигают анода. Часть из них создаёт «электронное облако» вблизи катода, которое создаёт объёмный отрицательный заряд, препятствующий движению других электронов. Ток возрастает нелинейно с ростом напряжения.
  2. Режим насыщения: При достижении некоторого напряжения все электроны, испущенные катодом, достигают анода. Дальнейшее увеличение напряжения не приводит к росту тока, так как количество электронов ограничено эмиссионной способностью катода. Этот максимальный ток называется током насыщения.
  3. Закон "трёх вторых" (закон Чайлда-Ленгмюра): В режиме пространственного заряда плотность тока пропорциональна напряжению в степени 3/2[4].
undefined

В наиболее общей форме закон утверждает, что ток вакуумного диода Ia пропорционален напряжению Ua, возведённому в степень 3/2:

где g — постоянная (первеанс) данного диода, зависящая только от взаимного расположения, формы, размеров его электродов.

Ключевое свойство вакуумного диода — односторонняя проводимость: он пропускает ток только в одном направлении (от анода к катоду во внешней цепи, то есть от катода к аноду внутри прибора). Это свойство используется для выпрямления переменного тока.

Триод

Триод — это электровакуумный прибор с тремя электродами: катодом, анодом и управляющей сеткой, расположенной между ними. Сетка позволяет управлять потоком электронов от катода к аноду. Изменяя потенциал сетки, можно регулировать анодный ток, что позволяет усиливать электрические сигналы. Триоды широко использовались в радиотехнике до появления полупроводниковых транзисторов.

Электронно-лучевая трубка (ЭЛТ)

Электронно-лучевая трубка — это вакуумный прибор, в котором сфокусированный пучок электронов (электронный луч) используется для создания изображения на люминесцентном экране.

Принцип действия:

  1. Электроны испускаются катодом и ускоряются электрическим полем.
  2. С помощью фокусирующих и отклоняющих систем (электрических или магнитных полей) луч направляется на экран.
  3. При попадании электронов на экран, покрытый люминофором, возникает свечение.
  4. Изменяя интенсивность и положение луча, можно формировать изображение.

ЭЛТ долгое время использовались в телевизорах, осциллографах и мониторах.

Свойства электронных пучков и их применение

Электронные пучки обладают рядом уникальных свойств, которые находят широкое применение в науке и технике:

  • Прямолинейность распространения: В отсутствие внешних полей электроны движутся по прямым линиям.
  • Нагревание вещества: При попадании на мишень электроны передают ей свою кинетическую энергию, что вызывает нагревание. Это используется в электронно-лучевой плавке сверхчистых металлов и для резки металлов.
  • Управление электрическими и магнитными полями: Электронный пучок можно отклонять с помощью электрических или магнитных полей, что используется в электронно-лучевых трубках и осциллографах.
  • Рентгеновское излучение: При торможении быстрых электронов в веществе возникает тормозное рентгеновское излучение, используемое в рентгеновских трубках.
  • Свечение люминофоров: При бомбардировке электронами некоторые вещества (люминофоры) начинают светиться, что используется в ЭЛТ и электронно-оптических преобразователях.
  • Магнетрон в корпусе
    Вакуумные генераторы СВЧ: Электронные пучки используются в магнетронах, лампах бегущей волны и других устройствах для генерации микроволнового излучения.

⚠️Подсказка для ЕГЭ/ОГЭ

Для успешной сдачи ЕГЭ по теме «Электрический ток в вакууме» вам необходимо усвоить главное: ток в вакууме возможен только при наличии свободных носителей заряда, которые создаются за счет термоэлектронной эмиссии (испускание электронов нагретым металлом) или фотоэмиссии (вторичной эмиссии – реже). Ключевое устройство – вакуумный диод (двухэлектродная лампа), где вольт-амперная характеристика имеет четкий вид: при малых анодных напряжениях ток растет с ростом U (область пространственного заряда, описываемая законом «трёх вторых» – , а при достижении напряжения насыщения все испущенные электроны достигают анода, и ток перестает расти (ток насыщения определяется только температурой катода). Обязательно помните, что для поддержания тока необходимо непрерывно пополнять электроны (катод должен быть горячим), а вакуум нужен для того, чтобы электроны не сталкивались с молекулами газа. Применение: вакуумные диоды и триоды (электронные лампы) используются в усилителях, генераторах, выпрямителях (в старых устройствах), а также электронно-лучевые трубки (ЭЛТ) – для создания электронных пучков, отклоняемых электрическим и магнитным полями (это даёт фокусировку и управление лучом в телевизорах, осциллографах).

В заданиях ЕГЭ могут попросить проанализировать график I(U) вакуумного диода, объяснить, почему при обратном напряжении ток практически отсутствует (анод холодный, эмиссии нет), или сравнить ток насыщения при разных температурах катода. Свяжите свойства с практикой: ток в вакууме управляется внешним полем, но имеет одностороннюю проводимость (диодные свойства), а электронные пучки широко применяются в электронной микроскопии, микролитографии и ускорителях заряженных частиц.

Систематизируйте материал через тройку «условие существования → механизм эмиссии → вольт-амперная характеристика → применение» .

Примечания

  1. ↑ 1 2 3 4 Электрический ток в вакууме // БГПУ.
  2. ↑ 1 2 Ток в вакууме // koi.tspu.ru.
  3. ↑ 1 2 3 4 Ток в вакууме. Вакуумный диод // Лаборатория электричества и магнетизма НГУ.
  4. ↑ 1 2 §30 Ток в вакууме. «Закон 3/2» // phys.nsu.ru.

Литература

Категории

© Правообладателем данного материала является АНО «Интернет-энциклопедия «РУВИКИ».
Использование данного материала на других сайтах возможно только с согласия АНО «Интернет-энциклопедия «РУВИКИ».
Pause