Электрический ток в вакууме
Вакуум — пространство, свободное от вещества. В наиболее общем смысле, вакуум — это пустота. В физике и технике под вакуумом подразумевается газообразная среда при давлении в сотни раз ниже атмосферного.
Электрический ток в физике — это направленное движение носителей заряда. Вакуум — диэлектрик, и ток не может возникнуть в нем сам по себе. Условие протекания электрического тока в вакууме — наличие в нем достаточного количества свободных заряженных частиц. Например, электронов.
Термоэлектронная эмиссия
Как свободные электроны могут появиться в вакууме? Благодаря явлению термоэлектронной эмиссии, открытому Томасом Эдисоном в 1879 году.
Определение. Термоэлектронная эмиссия
Термоэлектронная эмиссия — испускание электронов из металла при его нагревании.
Металлы являются наилучшими проводниками, так как имеют свободные электроны, которые иногда еще называют электронным газом. При нагревании металла энергия электронов (измеряется в электронвольтах) увеличивается и они могут «вырваться» из металла. Для того, чтобы вылететь из металла, электрон должен обладать энергией, превышающей работу выхода электронов для этого металла.
A в ы х = E 0 — μ
Здесь A в ы х — работа выхода, которую нужно преодолеть электрону, E 0 — его энергия, μ — энергия Ферми.
Термоэлектронный ток
Испущенные металлом свободные электроны образуют у поверхности металла электронное облако. Если создать в данной области электрическое поле, электроны начинают двигаться под действием сил поля. Иными совами, возникает электрический ток, называемый термоэлектронным.
Определение. Термоэлектронный ток
Термоэлектронный ток — ток, возникающий при испускании (эмиссии) электронов накаленными телами в вакуумных приборах.
Так, если в вакууме поместить две металлические пластины и создать между ними разность потенциалов и условия для термоэлектронной эмиссии, возникнет термоэлектронный ток.
Электрический ток в вакууме широко используется в вакуумных приборах. Самый простой пример — электронная лампа, или вакуумный диод.
Вакуумный диод представляет собой баллон с откачанным воздухом, содержащий электроды: катод и анод. Электроны выбиваются из катода и летят к аноду.
Для вакуумного диода не выполняется закон Ома. При небольших значениях напряжения на аноде имеет место формула зависимости силы электрического тока от напряжения:
где B — коэффициент пропорциональности, который зависит от формы, расположения и размеров электродов.
При увеличении разности потенциалов между электродами сила тока будет расти. Однако, для термоэлектронного тока существует понятие тока насыщения. Это ток такой силы, при котором все электроны из электронного облака достигают другой анода. При достижении силы тока насыщения и дальнейшем росте разности потенциалов, сила тока насыщения не меняется.
Эмиссионную способность материала катода характеризует плотность тока насыщения, которая определяется по формуле Ричардсона-Дешмана:
j = 1 — h R i A · T 2 · e — q φ k T .
Здесь h — постоянная Планка, h R i — усредненное значение коэффициента отражения электронов от потенциального порога, A — термоэлектрическая постоянная, равная 120 , 4 A К 2 · с м 2 , T — температура, q — заряд электрона, q φ — работа выхода, k — постоянная Больцмана.
III. Основы электродинамики
Как известно, химически чистая (дистиллированная) вода является плохим проводником. Однако при растворении в воде различных веществ (кислот, щелочей, солей и др.) раствор становится проводником, из-за распада молекул вещества на ионы. Это явление называется электролитической диссоциацией, а сам раствор электролитом, способным проводить ток.
В отличие от металлов и газов прохождение тока через электролит сопровождается химическими реакциями на электродах, что приводит к выделению на них химических элементов, входящих в состав электролита.
Первый закон Фарадея: масса вещества, выделяющегося на каком-либо из электродов, прямо пропорциональна заряду, прошедшему через электролит
Электрохимический эквивалент вещества — табличная величина.
Второй закон Фарадея:
Протекание тока в жидкостях сопровождается выделением теплоты. При этом выполняется закон Джоуля-Ленца.
Электрический ток в металлах
При прохождении тока металлы нагреваются. В результате чего ионы кристаллической решетки начинают колебаться с большей амплитудой вблизи положений равновесия. В результате этого поток электронов чаще соударяется с кристаллической решеткой, а следовательно возрастает сопротивление их движению. При увеличении температуры растет сопротивление проводника.
Каждое вещество характеризуется собственным температурным коэффициентом сопротивления — табличная величина. Существуют специальные сплавы, сопротивление которых практически не изменяется при нагревании, например манганин и константан.
Явление сверхпроводимости. При температурах близких к абсолютному нулю (-273 0 C) удельное сопротивление проводника скачком падает до нуля. Сверхпроводимость — микроскопический квантовый эффект.
Применение электрического тока в металлах
Лампа накаливания производит свет за счет электрического тока, протекающего по нити накала. Материал нити накала имеет высокую температуру плавления (например, вольфрам), так как она разогревается до температуры 2500 – 3250К. Нить помещена в стеклянную колбу с инертным газом.
Электрический ток в газах
Газы в естественном состоянии не проводят электричества (являются диэлектриками), так как состоят из электрически нейтральных атомов и молекул. Проводником может стать ионизированный газ, содержащий электроны, положительные и отрицательные ионы.
Ионизация может возникать под действием высоких температур, различных излучений (ультрафиолетового, рентгеновского, радиоактивного), космических лучей, столкновения частиц между собой.
Ионизированное состояние газа получило название плазмы. В масштабах Вселенной плазма — наиболее распространенное агрегатное состояние вещества. Из нее состоят Солнце, звезды, верхние слои атмосферы.
Прохождение электрического тока через газ называется газовым разрядом.
В «рекламной» неоновой трубке протекает тлеющий разряд. Светящийся газ представляет собой «живую плазму».
Между электродами сварочного аппарата возникает дуговой разряд.
Дуговой разряд горит в ртутных лампах — очень ярких источниках света.
Искровой разряд наблюдаем в молниях. Здесь напряженность электрического поля достигает пробивного значения. Сила тока около 10 МА!
Для коронного разряда характерно свечение газа, образуя «корону», окружающую электрод. Коронный разряд — основной источник потерь энергии высоковольтных линий электропередачи.
Электрический ток в вакууме
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.
Электрический ток в вакууме
Макс Борн 1 в свое время выбрал астрономию в качестве устного экзамена на докторскую степень. Когда он пришел на экзамен к известному астро- ному-физику Шварцшильду, тот задал ему следующий вопрос:
— Что Вы делаете, когда видите падающую звезду?
Борн, понимавший, что на это надо отвечать так: «Я бы посмотрел на часы, заметил время, определил созвездие, из которого она появилась, направление движения, длину светящейся траектории и затем вычислил бы приблизительную траекторию», не удержатся и ответил:
Мы же рассмотрим еще один предмет «загадывания» желаний — лампу. Правда, это не волшебная лампа, а вакуумный диод.
Термоэлектронная эмиссия. Вакуум, как и любой газ, не проводит электрический ток, так как в нем нет свободных носителей заряда. Но в некоторых приборах возникает необходимость протекания тока в вакууме. В этом случае для внесения электронов в вакуум используют термоэлектронную эмиссию, т.е. испускание свободных электронов в вакуум нагретым катодом. Катод нагревается путем пропускания через него электрического тока и выделением при этом джоулева тепла.
Вакуумный диод представляет собой запаянную стеклянную колбу, внутри которой находятся катод (К) и анод (Л). Фотография и принципиальная схема диода представлены на рис. 6.16.
Диод является приспособлением для одностороннего пропускания тока, т.е. он пропускает ток только в одном направлении и не пропускает в другом. Чтобы понять механизм такого одностороннего пропускания, разберем его более детально.
Рис. 6.16. Вакуумный диод
Макс Борн (1882—1970) — немецкий и британский физик-теоретик и математик, один из создателей квантовой механики. Лауреат Нобелевской премии по физике (1954 г.).
Катод обычно изготавливается в виде проволоки, которая накаливается током. Далее происходит термоэлектронная эмиссия, т.е. нагретый катод испускает электроны. Для того, чтобы придать им направленное движение (ток), необходимо создать в лампе (диоде) электрическое иоле, т.е. приложить между анодом и катодом некоторую разность потенциалов (анодное напряжение UA). Другими словами, диод подключают к источнику тока. При увеличении напряжения UA сила анодного тока 1А сначала возрастает, а затем достигает максимума и остается неизменной (возникает так называемый ток насыщения /и).
Вольт-амперная характеристика (ВАХ) диода — это зависимость силы тока (Г) от напряжения (U). Скажем, для проводников вольт-амперная характеристика выражается законом Ома для участка цени (6.9), на графике ВАХ проводника — прямая линия. Для вакуумного диода зависимость силы тока от напряжения не является линейной функцией (рис. 6.17).
Рис. 6.17. Вольт-амперная характеристика вакуумного диода
При малых напряжениях на аноде UA (см. рис. 6.17, участок 1—2) выполняется закон Богуславского — Ленгмюра (коротко — закон трех вторых)
На этом участке ток на аноде растет медленнее, чем увеличивается напряжение. Это вызвано тем, что внутри диода образуется пространственный заряд или, иначе, электронное облако. Некоторые электроны, вылетевшие с катода, не имеют достаточной скорости (следовательно, и кинетической энергии), чтобы достичь анода. Такие электроны остаются в пространстве между анодом и катодом, создавая отрицательно заряженное электронное облако. Это облако препятствует дальнейшему прохождению через него других электронов, движущихся к аноду, поскольку отталкивает от себя отрицательно заряженные электроны. Именно но этой причине напряжение на участке 1—2 рис. 6.17 растет быстрее, чем ток. Часть электронов просто не долетает до анода, пополняя электронное облако, т.е. до анода доходит меньше электронов, чем вылетело с катода.
Участок 2—3 также нелинеен, однако, в точке 2 находится перегиб вольт-амперной характеристики вакууммного диода. Напряжение на аноде увеличивают, электрическое поле внутри диода возрастает, и электроны из облака вынуждены двигаться в направлении катода. При этом сила тока на этом участке растет быстрее, чем напряжение. То есть на анод приходит больше электронов, чем вылетело с катоды. Таким образом, оставшиеся электроны вернулись из облака в анод.
В итоге, на участке 3—4 достигается насыщение, когда электронное облако полностью рассасывается под действие сильного электрического поля (созданного большой разностью потенциалов). Физически это означает, что на анод приходит ровно столько электронов, сколько способен эмитировать катод за единицу времени. Понятно, что при дальнейшем увеличении напряжения ток расти уже не может. Это и называется насыщением.
Ток насыщения /н увеличивается при повышении температуры Ткатода, поскольку увеличивается термоэлектронная эмиссия с катода. Зависимость плотности тока насыщения/, = IJS (S — площадь катода) от температуры выражается формулой Ричардсона
где Л — работа выхода электрона из катода; к — постоянная Больцмана; В — эмиссионная постоянная, которая зависит от материала катода, для чистых металлов В = 120 А/(см* К) 2 .
Выпрямители переменного тока. Вакуумный диод пропускает ток только в одном направлении. Это значит, что подключить его к источнику постоянного тока можно только таким образом, чтобы катод был подключен к «минусу» источника, анод — к «плюсу». Это так называемое прямое подключение. При обратном подключении (когда катод подключен к «плюсу», анод — к «минусу» источника) отрицательно заряженные электроны, покинув катод, начнут двигаться в сторону «плюса», т.е. обратно к катоду и электрического тока не возникнет.
На этом свойстве диода основано его применение. Вакуумный диод применяют для выпрямления переменного тока. Мы часто в быту пользуемся выпрямителями переменного тока, даже не догадываясь об этом. Например, обычная розетка у нас дома является источником переменного тока с частотой 50 Гц. Однако мы подключаем к ней приборы, рассчитанные на постоянный ток, не задумываясь об этом. Например, телефоны, фотоаппараты и т.п. Следовательно, где-то в этой цепи есть выпрямители, преобразующие переменный ток в постоянный. Существует огромное разнообразие выпрямителей переменного тока, однако мы рассмотрим здесь только самые простейшие.
На рис. 6.18, а представлена схема однополупериодного выпрямителя на основе вакуумного диода. Положительные полунериоды пропускаются диодом, отрицательные — отсекаются. В результате на выходе их цепи получается ток только одного направления, в то время как на входе он был двунаправленным (переменным).
На рис. 6.18, б — схема двухиолупериодного выпрямителя. Здесь два диода работают в противофазе, в результате отрицательные полупериоды не отсекаются, как в предыдущем случае, а преобразуются в положительные. Следует заметить, что выпрямитель не может дать постоянного тока в привычном для нас смысле. Сигнал на выходе из выпрямителя представляет собой колебания небольшой амплитуды (рис. 6.18, в), однако такие колебания легко выравниваются обычным фильтром.
Вакуумный триод — тот же диод, но отличается тем, что в нем между анодом и катодом расположен третий электрод — сетка, которая служит
Рис. 6.18. Выпрямители переменного тока:
а — однополупериодный; б — двухполупериодный; в — сигнал на выходе
для управления электронным облаком. Подавая положительный потенциал на сетку, добиваются более быстрого рассасывания электронного облака. И наоборот, отрицательный потенциал на сетке способствует разрастанию пространственного заряда (облака).
Зависимость силы тока на аноде от напряжения на сетке называется сеточной характеристикой и представлена на рис. 6.19.
Рис. 6.19. Сеточная характеристика вакуумного триода
Сопротивление триода есть отношение изменения напряжения на аноде (At/д) к изменению силы тока на аноде (А/А) при постоянном напряжении на сетке ([/. = const), т.е.
Таким образом сопротивление триода определяется крутизной его вольт- амперной характеристики (см. рис. 6.17) и различно на разных участках.
Триод используется для усиления электрических колебаний. В усилителе колебаний слабый импульс напряжения At/.’подают па сопротивление Rc в сеточной цепи. Усиленный импульс напряжения At/д снимают с сопротивления Ra в анодной цепи. Коэффициент усиления но напряжению такого усилителя
Электрический ток в вакууме
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).
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.