Особенности протекания тока в вакууме. Электрический ток в газах. Электрический ток в вакууме

Это краткий пересказ.

Работа над полной версией продолжается

Лекция 20

Ток в вакууме

1. Замечание о вакууме

Электрического тока в вакууме нет, т.к. в термодинамическом вакууме отсутствуют какие-либо частицы.

Однако наилучший достигнутый практически вакуум составляет

,

т.е. огромное количество частиц.

Тем не менее, когда говорят о токе в вакууме, подразумевают идеальный в термодинамическом смысле вакуум, т.е. полное отсутствие частиц. За протекание тока отвечают частицы, полученные из какого-либо источника.

2. Работа выхода

Как известно, в металлах существует электронный газ, который удерживается силой притяжения к кристаллической решетке. В нормальных условиях энергия электронов не велика, поэтому они удерживаются внутри кристалла.

Если подходить к электронному газу с классических позиций, т.е. считать, что он подчиняется распределению Максвелла-Больцмана, то очевидно, что существует большая доля частиц, скорости которых выше средних. Следовательно, эти частицы обладают достаточной энергией, чтобы вырваться за пределы кристалла и образовать вблизи него электронное облако.

Поверхность металла при этом заряжается положительно. Образуется двойной слой, который препятствует удалению электронов от поверхности. Следовательно, чтобы удалить электрон, необходимо сообщить ему дополнительную энергию.

Определение: Работой выхода электронов из металла называется энергия, которую необходимо сообщить электрону, чтобы удалить его с поверхности металла в бесконечность в состоянии с нулевой E k .

Для разных металлов работа выхода различна.

Металл	Работа выхода, эВ
	1,81

3. Электронная эмиссия.

В обычных условиях энергия электронов достаточно мала и они связаны внутри проводника. Существуют способы сообщения электронам дополнительной энергии. Явление испускания электронов при внешнем воздействии называется электронной эмиссией, и было открыто Эдисоном в 1887 году. В зависимости от способа сообщения энергии различают 4 вида эмиссии:

1. Термоэлектронная эмиссия (ТЭЭ), способ – подвод тепла (нагрев).

2. Фотоэлектронная эмиссия (ФЭЭ), способ – освещение.

3. Вторичная электронная эмиссия (ВЭЭ), способ – бомбардировка частицами.

4. Автоэлектронная эмиссия (АЭЭ), способ – сильное электрическое поле.

4. Автоэлектронная эмиссия

Под действием сильного электрического поля электроны могут вырываться с поверхности металла.

Данной величины напряженности хватает, чтобы вырвать электрон.

Данное явление называется холодной эмиссией. Если поле достаточно сильное, то число электронов может стать большим, а, следовательно, большим ток. По закону Джоуля – Ленца будет выделяться большое количество теплоты и АЭЭ может перейти в ТЭЭ.

5. Фотоэлектронная эмиссия (ФЭЭ)

Явление фотоэффекта известно достаточно давно, смотри «Оптика».

6. Вторичная электронная эмиссия (ВЭЭ)

Это явление применяется в фотоэлектронных умножениях (ФЭУ).

При работе происходит лавинообразное нарастание числа электронов. Применяется для регистрации слабых световых сигналов.

7. Вакуумный диод.

Для изучения ТЭЭ применяют устройство, которое называется вакуумный диод. Чаще всего конструктивно он представляет собой два коаксиальных цилиндра, помещенных в стеклянную вакуумную колбу.

Нагрев катода осуществляется электрическим током прямым или косвенным способом. При прямом – ток проходит через сам катод, при косвенном – внутри катода помещают дополнительный проводник – нить накала. Разогрев происходит до достаточно высоких температур, поэтому катод делают сложным. Основа – тугоплавкий материал (вольфрам), а покрытие – материал с малой работой выхода (цезий).

Диод относится к нелинейным элементам, т.е. он не подчиняется закону Ома. Говорят, что диод – это элемент с односторонней проводимостью. Большая часть ВАХ диода описывается законом Богуславского – Ленгмюра или законом «3/2»

При повышении температуры накала ВАХ сдвигается вверх и ток насыщения растет. Зависимость плотности тока насыщения от температуры описывается законом Ричардсона – Дешмана

Методами квантовой статистики можно получить эту формулу с const = B одинаковой для всех металлов. Эксперимент показывает, что константы различны.

8. Однополупериодный выпрямитель

9. Двухполупериодный выпрямитель (самостоятельно).

10. Применение ламп.

К достоинствам ламп относят

· лёгкость управления потоком электронов,

· большая мощность,

· большой участок почти линейной ВАХ.

· Лампы используют в мощных усилителях.

К недостаткам относятся:

· низкий КПД,

· высокое потребление энергии.

Пустота – так переводится слово вакуум с латыни. Вакуумом принято называть пространство, в котором находится газ, давление которого в сотни, а может быть и в тысячи раз ниже атмосферного. На нашей планете вакуум создается искусственным путем, так как в естественных условиях такое состояние невозможно.

Виды вакуума

Как же ведет себя электрический ток в вакууме? Как и любой ток, ток в вакууме появляется при наличии источника со свободными заряженными частицами.

Какими частицами создается электрический ток в вакууме? Чтобы создать вакуум в каком-либо закрытом сосуде, необходимо из него откачать газ. Делают это чаще всего с помощью вакуумного насоса. Это такое устройство, которое необходимо, чтобы откачать газ или пар до нужного для опыта давления.

Существует четыре вида вакуума: низкий вакуум, средний вакуум, высокий вакуум и сверхвысокий вакуум.

Рис. 1. Характеристики вакуума

Электрический ток в вакууме

Ток в вакууме не может существовать самостоятельно, так как вакуум является диэлектриком. В таком случае создать ток можно с помощью термоэлектронной эмиссии. Термоэлектронная эмиссия – явление, при котором электроны выходят из металлов при нагревании. Такие электроны называются термоэлектронами, а все тело – эмиттер.

На это явление впервые обратил внимание американский ученый Томас Эдисон в 1879 году.

Рис. 2. Термоэлектронная эмиссия

Эмиссия делится на:

• вторичную электронную (выбивание быстрыми электронами);
• термоэлектронную (испарение электронов с горячего катода);
• фотоэлектронная (электроны выбиваются светом);
• электронная (выбивание сильным полем).

Электроны смогут вылететь из металла, если будут обладать достаточной кинетической энергией. Она должна быть больше работы выхода электронов для данного металла. Электроны, вылетающие из катода, образуют электронное облако. Половина из них возвращается в исходное положение. В равновесном состоянии число вылетевших электронов равно количеству вернувшихся. От температуры прямо пропорционально зависит плотность электронного облака (т.е. при повышении температуры, плотность облака становится больше).

При подключении электродов к источнику между ними возникает электрическое поле. Если положительный полюс источника тока соединить с анодом (холодным электродом), а отрицательный – с катодом (нагретым электродом), то напряженность электрического поля будет направлена к нагретому электроду.

Применение электрического тока в вакууме

Электрический ток в вакууме используется в различных электронных приборах. Одним из таких приборов является вакуумный диод

Рис. 3. Вакуумный диод

Состоит он из баллона, который включает 2 электрода – катод и анод.

Что мы узнали?

Кратко о электрическом токе в вакууме мы узнали их этой статьи. Для существования его в вакууме в первую очередь необходимо наличие свободных заряженных частиц. Также рассмотрены виды вакуума и их характеристики. Необходимым для изучения является понятие термоэлектронной эмиссии. Информацию можно использовать для подготовки доклада и сообщения на уроке физики.

На этом уроке мы продолжаем изучение протекания токов в различных средах, конкретно, в вакууме. Мы рассмотрим механизм образования свободных зарядов, рассмотрим основные технические приборы, работающие на принципах тока в вакууме: диод и электронно-лучевая трубка. Также укажем основные свойства электронных пучков.

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 облако. Такое явление называется термоэлектронной эмиссией.

Рис. 2. Схема опыта Эдисона

Свойство электронных пучков

В технике очень важное значение имеет использование так называемых электронных пучков.

Определение. Электронный пучок - поток электронов, длина которого много больше его ширины. Получить его довольно просто. Достаточно взять вакуумную трубку, по которой проходит ток, и проделать в аноде, к которому и идут разогнанные электроны, отверстие (так называемая электронная пушка) (рис. 3).

Рис. 3. Электронная пушка

Электронные пучки обладают рядом ключевых свойств:

В результате наличия большой кинетической энергии они имеют тепловое воздействие на материал, в который врезаются. Данное свойство применяется в электронной сварке. Электронная сварка необходима в тех случаях, когда важно сохранение чистоты материалов, например, при сваривании полупроводников.

• При столкновении с металлами электронные пучки, замедляясь, излучают рентгеновское излучение, применяемое в медицине и технике (рис. 4).

Рис. 4. Снимок, сделанный при помощи рентгеновского излучения ()

• При попадании электронного пучка на некоторые вещества, называющиеся люминофорами, происходит свечение, что позволяет создавать экраны, помогающие следить за перемещением пучка, конечно же, невидимого невооруженным глазом.
• Возможность управлять движением пучков с помощью электрических и магнитных полей.

Следует отметить, что температура, при которой можно добиться термоэлектронной эмиссии, не может превышать той температуры, при которой идет разрушение структуры металла.

На первых порах Эдисон использовал следующую конструкцию для получения тока в вакууме. В вакуумную трубку с одной стороны помещался проводник, включенный в цепь, а с другой стороны - положительно заряженный электрод (см. рис. 5):

Рис. 5

В результате прохождения тока по проводнику он начинает нагреваться, эмиссируя электроны, которые притягиваются к положительному электроду. В конце концов, возникает направленное движение электронов, что, собственно, и является электрическим током. Однако количество таким образом испускаемых электронов слишком мало, что дает слишком малый ток для какого-либо использования. С этой проблемой можно справиться добавлением еще одного электрода. Такой электрод отрицательного потенциала называется электродом косвенного накаливания. С его использованием количество движущихся электронов в разы увеличивается (рис. 6).

Рис. 6. Использование электрода косвенного накаливания

Стоит отметить, что проводимость тока в вакууме такая же, как и у металлов - электронная. Хотя механизм появления этих свободных электронов совсем иной.

На основе явления термоэлектронной эмиссии был создан прибор под названием вакуумный диод (рис. 7).

Рис. 7. Обозначение вакуумного диода на электрической схеме

Вакуумный диод

Рассмотрим подробнее вакуумный диод. Существует две разновидности диодов: диод с нитью накаливания и анодом и диод с нитью накаливания, анодом и катодом. Первый называется диодом прямого накала, второй - косвенного накала. В технике применяется как первый, так и второй тип, однако диод прямого накала имеет такой недостаток, что при нагревании сопротивлении нити меняется, что влечет за собой изменение тока через диод. А так как для некоторых операций с использованием диодов необходим совершенно неизменный ток, то целесообразнее использовать второй тип диодов.

В обоих случаях температура нити накаливания для эффективной эмиссии должна равняться .

Диоды используются для выпрямления переменных токов. Если диод используется для преобразования токов промышленного значения, то он называется кенотроном.

Электрод, расположенный вблизи испускающего электроны элемента, называется катодом (), другой - анодом (). При правильном подключении при увеличении напряжения растет сила тока. При обратном же подключении ток идти не будет вообще (рис. 8). Этим вакуумные диоды выгодно отличаются от полупроводниковых, в которых при обратном включении ток хоть и минимальный, но есть. Благодаря этому свойству вакуумные диоды используются для выпрямления переменных токов.

Рис. 8. Вольтамперная характеристика вакуумного диода

Другим прибором, созданным на основе процессов протекания тока в вакууме, является электрический триод (рис. 9). Его конструкция отличается от диодной наличием третьего электрода, называемого сеткой. На принципах тока в вакууме основан также такой прибор, как электронно-лучевая трубка, составляющий основную часть таких приборов, как осциллограф и ламповые телевизоры.

Рис. 9. Схема вакуумного триода

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 ()

На следующем уроке мы разберем прохождение электрического тока в жидкостях.

Список литературы

1. Тихомирова С.А., Яворский Б.М. Физика (базовый уровень) - М.: Мнемозина, 2012.
2. Генденштейн Л.Э., Дик Ю.И. Физика 10 класс. - М.: Илекса, 2005.
3. Мякишев Г.Я., Синяков А.З., Слободсков Б.А. Физика. Электродинамика. - М.: 2010.

1. Physics.kgsu.ru ().
2. Cathedral.narod.ru ().

Домашнее задание

1. Что такое электронная эмиссия?
2. Какие есть способы управления электронными пучками?
3. Как зависит проводимость полупроводника от температуры?
4. Для чего используется электрод косвенного накала?
5. *В чем основное свойство вакуумного диода? Чем оно обусловлено?

До того, как в радиотехнике стали использовать полупроводниковые приборы, везде использовались электронные лампы.

Понятие вакуума

Электронная лампа представляла собой запаянный с обоих концов стеклянный тубус, в одном стороне которого располагался катод, а в другом анод. Из тубуса отчаливали газ до такого состояния, при котором молекулы газа могли пролететь от одной стенки до другой и при этом не столкнуться. Такое состояние газа называется вакуум . Другими словами вакуум - это сильноразреженный газ.

В таких условиях проводимость внутри лампы можно обеспечить только путем введения внутрь источника заряженных частиц. Для того, чтобы внутри лампы появились заряженные частицы пользовались таким свойством тел, как термоэлектронная эмиссия.

Термоэлектронная эмиссия – это явление испускания телом электронов, под действием высокой температуры. У очень многих веществ термоэлектронная эмиссия начинается при температурах, при которых еще не может начаться испарение самого вещества. В лампах из таких веществ делали катоды.

Электрический ток в вакууме

Катод потом нагревали, вследствие чего он начинал постоянно испускать электроны. Эти электроны образовывали вокруг катода электронное облако. При подключении к электродам источника питания, между ними образовывалось электрическое поле.

При этом, если положительный полюс источника соединить с анодом, а отрицательный с катодом, то вектор напряженности электрического поля будет направлен в сторону катода. Под действием этой силы, некоторые электроны вырываются из электронного облака и начинают двигаться к аноду. Тем самым они создают электрический ток внутри лампы.

Если же подключить лампу иначе, положительный полюс соединить с катодом, а отрицательный с анодом, то напряженность электрического поля будет направлена от катода к аноду. Это электрическое поле будет отталкивать электроны назад к катоду, и проводимости не будет. Цепь останется разомкнутой. Это свойство получило название односторонней проводимости .

Вакуумный диод

Раньше односторонняя проводимость широко использовалась в электронных приборах с двумя электродами. Такие приборы назывались вакуумными диодами . Они выполняли в свое время роль, которую выполняют сейчас полупроводниковые диоды.

Чаще всего использовались для выпрямления электрического тока. В данный момент вакуумные диоды практически нигде не применяются. Вместо них все прогрессивное человечество использует полупроводниковые диоды.

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.

Термоэлектронная эмиссия

Явление образования электронного облака около поверхности металла вследствие теплового движения свободных электронов называют термоэлектронной эмиссией. При абсолютном нуле температур явления термоэлектронной эмиссии нет. Это значит, что при $T=0K$ электронного облака над поверхностью металла не существует.

Электроны, имеющие кинетическую энергию $E_k\ $около поверхности металла имеют полную энергию ($E_i$) равную:

Тогда формула (1) имеет вид:

где $A_v=E_0-\mu $ -- работа выхода электронов из металла. Из выражения (4) видно, что плотность электронного облака около поверхности металла зависит от работы выхода $A_v$ и уменьшается с ее увеличением.

Термоэлектронный ток

Определение 1

Если около поверхности металла есть электрическое поле, то электроны из электронного облака образуют электрический ток. Этот ток называют термоэлектронным.

И так, если в вакууме находятся две металлические пластинки, между ними существует разность потенциалов , то между этими пластинками появится термоэлектронный ток.

Сила тока должна расти при увеличении разности потенциалов. Для термоэлектронного тока существует сила тока насыщения. Это максимальная сила тока, при которой все электроны, которые попадают с поверхности катода в электронное облако, достигают анода. При этом ни какого обратного тока электронов через поверхность внутрь катода нет. Сила тока насыщения при увеличении разности потенциалов между анодом и катодом не изменяется.

Для металлов работа выхода составляет несколько электрон-вольт. При этом энергия $kT$ даже при больших температурах в тысячи кельвинов всего лишь доли электрон -- вольта. Значит, $\frac{A_v}{kT}=A_v\beta \gg 1,\ \to exp\left[\beta \left(E_k+A_v\right)\right]\gg 1,$ следовательно, в знаменателе формулы (4) единицей можно пренебречь и записать эту формулу в виде:

Сила тока насыщения зависит от работы выхода и температуры. Для чистых металлов существенный ток можно получить при температурах порядка $2000 К$, что означает, что в качестве катодов следует использовать металлы с высокой температурой плавления. При этом надо, чтобы работа выхода у них была минимальна. Так, вольфрам, имеющий работу выхода $4,5 эВ$, должен быть нагрет до температуры $2500 К$x.

Для того чтобы уменьшить рабочую температуру и снизить работу выхода применяют оксидные катоды.

Характеристика электронного облака

Облако электронов около поверхности металла описывается формулой (5). В выражении (5) число квантовых состояний в элементе фазового объема $dxdydzdp_xdp_ydp_z$ запишется как:

Тогда количество электронов в элементе фазового объема будет равно:

где $E_k=\frac{p^2}{2m_e}$. $p^2={p_x}^2+{p_y}^2+{p_z}^2$. Концентрацию электронного облака ($n_0$) около поверхности металла можно найти последовательным интегрированием выражения (7) по $dxdydz$ а за тем по $dp_xdp_ydp_z$, в результате получим:

Средняя кинетическая энергия электронов равна:

Плотность тока насыщения

Плотность тока насыщения ($j_n$) определяется формулой Ричардсона - Дешмана :

где $A=\frac{q_em_ek^2}{2{\pi }^2{\hbar }^3}=1,2\cdot 10^6А\cdot м^{-2}\cdot К^{-2}.$ Часто формулу (10) представляют в виде:

Пример 1

Задание: Изобразите график зависимости $ln\left(\frac{j_n}{T^2}\right)$ от $\frac{1}{T}$. Как используя данный график можно определить работу выхода электрона?

Решение:

Для того чтобы построить график зависимости $ln\left(\frac{j_n}{T^2}\right)(\frac{1}{T})$ используем формулу Ричардсона - Дешмана в виде:

Исходя из формулы (1.1) искомый график - прямая линия (рис.1). Пересекая ось ординат, данная прямая отсекает на этой вертикальной оси отрезок равный $lnA$. Величина A должна быть универсальной постоянной для всех металлов, однако этот результат экспериментом не подтверждается. Так как на величину A оказывают влияния поверхностные эффекты, помимо этого, у кристалла плотность тока насыщения может отличаться для разных граней.

Рисунок 1.

Ответ: По углу наклона прямой, которая изображена на рис.1, можно определить работу выхода электрона из металла.

Пример 2

Задание: Объясните, как с помощью вакуумного диода показать, что носителями тока через вакуум являются электроны.

Решение:

Вакуумный диод -- вакуумная лампа, которая имеет два электрода. Катодом является проволока (нить) из тугоплавкого металла, которую накаляют с помощью электрического тока. Металлический анод обычно, имеет форму цилиндра, окружает катод. Диод включают в электрическую цепь, которая включает последовательно соединенные источник тока, диод и миллиамперметр. Если цепь замкнуть, то ток через амперметр не идет. Если катод нагреть до определённой температуры, то миллиамперметр покажет наличие тока в цепи. Если полярность батареи источника тока заменить, ток прекратится. Этот опыт показывает, что носителями тока через вакуум являются частицы с отрицательным зарядом, а именно электроны, так как никаких химических реакций около электродов не наблюдается при прохождении тока.