Condições de vácuo: corrente elétrica no vácuo. O que é corrente elétrica no vácuo?

A corrente elétrica é o movimento ordenado de cargas elétricas. Pode ser obtido, por exemplo, em um condutor que conecta um corpo carregado e um descarregado. No entanto, esta corrente irá parar assim que a diferença de potencial entre estes corpos se tornar zero. Uma corrente ordenada também existirá no condutor que conecta as placas de um capacitor carregado. Neste caso, a corrente é acompanhada pela neutralização das cargas localizadas nas placas do capacitor e continua até que a diferença de potencial das placas do capacitor se torne zero.

Esses exemplos mostram que uma corrente elétrica em um condutor ocorre apenas quando existem diferentes potenciais nas extremidades do condutor, ou seja, quando existe um campo elétrico nele.

Mas nos exemplos considerados, a corrente não pode ser duradoura, pois no processo de movimentação de cargas, os potenciais dos corpos se equalizam rapidamente e o campo elétrico no condutor desaparece.

Portanto, para obter corrente é necessário manter diferentes potenciais nas extremidades do condutor. Para fazer isso, você pode transferir cargas de um corpo para outro através de outro condutor, formando um circuito fechado para isso. Porém, sob a influência das forças do mesmo campo elétrico, tal transferência de carga é impossível, uma vez que o potencial do segundo corpo é menor que o potencial do primeiro. Portanto, a transferência só é possível por forças de origem não elétrica. A presença de tais forças é fornecida por uma fonte de corrente incluída no circuito.

As forças que atuam na fonte de corrente transferem carga de um corpo com potencial mais baixo para um corpo com potencial mais alto e realizam trabalho ao mesmo tempo. Portanto, deve ter energia.

As fontes de corrente são células galvânicas, baterias, geradores, etc.

Assim, as principais condições para a ocorrência de corrente elétrica são: presença de fonte de corrente e circuito fechado.

A passagem de corrente num circuito é acompanhada por uma série de fenômenos facilmente observáveis. Por exemplo, em alguns líquidos, quando uma corrente passa por eles, observa-se a liberação de uma substância nos eletrodos imersos no líquido. A corrente nos gases é frequentemente acompanhada pelo brilho dos gases, etc. A corrente elétrica nos gases e no vácuo foi estudada pelo notável físico e matemático francês Andre Marie Ampere, graças a quem agora conhecemos a natureza de tais fenômenos.

Como você sabe, o vácuo é o melhor isolante, ou seja, o espaço de onde o ar foi bombeado.

Mas é possível obter uma corrente elétrica no vácuo, para a qual é necessário introduzir nela portadores de carga.

Tomemos um recipiente do qual o ar foi bombeado. Duas placas de metal são soldadas neste recipiente - dois eletrodos. Conectamos um deles A (ânodo) a uma fonte de corrente positiva, o outro K (cátodo) a uma fonte de corrente negativa. A tensão entre é suficiente para aplicar 80 - 100 V.

Vamos conectar um miliamperímetro sensível ao circuito. O dispositivo não mostra nenhuma corrente; isso indica que a corrente elétrica não existe no vácuo.

Vamos mudar a experiência. Como cátodo, soldamos um fio no vaso - um fio, com as pontas para fora. Este filamento ainda será o cátodo. Usando outra fonte de corrente, nós aquecemos. Notaremos que assim que o filamento é aquecido, o dispositivo conectado ao circuito apresenta uma corrente elétrica no vácuo, e quanto maior, mais o filamento é aquecido. Isso significa que, quando aquecido, o fio garante a presença de partículas carregadas no vácuo; é a sua fonte.

Como essas partículas são carregadas? A experiência pode fornecer a resposta a esta pergunta. Vamos trocar os pólos dos eletrodos soldados no recipiente - faremos do fio um ânodo e do pólo oposto - um cátodo. E embora o filamento seja aquecido e envie partículas carregadas para o vácuo, não há corrente.

Segue-se que essas partículas têm carga negativa porque são repelidas do eletrodo A quando este está carregado negativamente.

O que são essas partículas?

De acordo com a teoria eletrônica, os elétrons livres em um metal estão em movimento caótico. Quando o filamento é aquecido, esse movimento se intensifica. Ao mesmo tempo, alguns elétrons, adquirindo energia suficiente para sair, voam para fora do fio, formando uma “nuvem de elétrons” ao seu redor. Quando um campo elétrico é formado entre o filamento e o ânodo, os elétrons voam para o eletrodo A se estiver conectado ao pólo positivo da bateria, e são repelidos de volta para o filamento se estiver conectado ao pólo negativo, ou seja, tem a mesma carga dos elétrons.

Portanto, a corrente elétrica no vácuo é um fluxo direcionado de elétrons.

Nesta lição continuamos a estudar o fluxo de correntes em vários meios, especificamente no vácuo. Consideraremos o mecanismo de formação de cargas gratuitas, consideraremos os principais dispositivos técnicos que operam segundo os princípios da corrente no vácuo: um diodo e um tubo de raios catódicos. Indicaremos também as propriedades básicas dos feixes de elétrons.

O resultado do experimento é explicado da seguinte forma: com o aquecimento, o metal passa a emitir elétrons de sua estrutura atômica, semelhante à emissão de moléculas de água durante a evaporação. O metal aquecido é cercado por uma nuvem de elétrons. Este fenômeno é chamado de emissão termiônica.

Arroz. 2. Esquema do experimento de Edison

Propriedade dos feixes de elétrons

Na tecnologia, o uso dos chamados feixes de elétrons é muito importante.

Definição. Um feixe de elétrons é um fluxo de elétrons cujo comprimento é muito maior que sua largura. É muito fácil de conseguir. Basta pegar um tubo de vácuo por onde flui a corrente e fazer um furo no ânodo, para onde vão os elétrons acelerados (o chamado canhão de elétrons) (Fig. 3).

Arroz. 3. Arma de elétrons

Os feixes de elétrons têm uma série de propriedades importantes:

Como resultado da sua elevada energia cinética, têm um efeito térmico no material que impactam. Esta propriedade é usada em soldagem eletrônica. A soldagem eletrônica é necessária nos casos em que é importante manter a pureza dos materiais, por exemplo, na soldagem de semicondutores.

• Ao colidir com metais, os feixes de elétrons diminuem a velocidade e emitem raios X usados ​​​​na medicina e na tecnologia (Fig. 4).

Arroz. 4. Foto tirada com raios X ()

• Quando um feixe de elétrons atinge certas substâncias chamadas fósforos, ocorre um brilho, que possibilita a criação de telas que ajudam a monitorar o movimento do feixe, que, claro, é invisível a olho nu.
• A capacidade de controlar o movimento de feixes usando campos elétricos e magnéticos.

Deve-se notar que a temperatura na qual a emissão termiônica pode ser alcançada não pode exceder a temperatura na qual a estrutura metálica é destruída.

No início, Edison usou o seguinte projeto para gerar corrente no vácuo. Um condutor conectado a um circuito foi colocado em um lado do tubo de vácuo e um eletrodo carregado positivamente foi colocado no outro lado (ver Fig. 5):

Arroz. 5

Com a passagem da corrente pelo condutor, ele começa a aquecer, emitindo elétrons que são atraídos pelo eletrodo positivo. Ao final, ocorre um movimento direcionado de elétrons, que, na verdade, é uma corrente elétrica. No entanto, o número de elétrons assim emitidos é muito pequeno, resultando em pouca corrente para qualquer uso. Este problema pode ser superado adicionando outro eletrodo. Esse eletrodo de potencial negativo é chamado de eletrodo de filamento indireto. Com seu uso, o número de elétrons em movimento aumenta várias vezes (Fig. 6).

Arroz. 6. Usando um eletrodo de filamento indireto

É importante notar que a condutividade da corrente no vácuo é a mesma dos metais - eletrônicos. Embora o mecanismo para o aparecimento desses elétrons livres seja completamente diferente.

Com base no fenômeno da emissão termiônica, foi criado um dispositivo denominado diodo de vácuo (Fig. 7).

Arroz. 7. Designação de um diodo de vácuo no diagrama elétrico

Diodo de vácuo

Vamos dar uma olhada mais de perto no diodo de vácuo. Existem dois tipos de diodos: um diodo com filamento e ânodo e um diodo com filamento, ânodo e cátodo. O primeiro é chamado de diodo de filamento direto, o segundo é chamado de diodo de filamento indireto. Na tecnologia são utilizados tanto o primeiro quanto o segundo tipo, porém, o diodo de filamento direto tem a desvantagem de que, quando aquecido, a resistência do filamento muda, o que acarreta uma mudança na corrente que passa pelo diodo. E como algumas operações com diodos requerem uma corrente completamente constante, é mais aconselhável usar o segundo tipo de diodo.

Em ambos os casos, a temperatura do filamento para emissão efetiva deve ser igual a .

Diodos são usados ​​para retificar correntes alternadas. Se um diodo for usado para converter correntes industriais, ele será chamado de kenotron.

O eletrodo localizado próximo ao elemento emissor de elétrons é denominado cátodo (), o outro é denominado ânodo (). Quando conectado corretamente, a corrente aumenta à medida que a tensão aumenta. Quando conectado ao contrário, nenhuma corrente fluirá (Fig. 8). Dessa forma, os diodos a vácuo se comparam favoravelmente aos diodos semicondutores, nos quais, quando religados, a corrente, embora mínima, está presente. Devido a esta propriedade, diodos de vácuo são usados ​​para retificar correntes alternadas.

Arroz. 8. Característica corrente-tensão de um diodo de vácuo

Outro dispositivo criado com base nos processos de fluxo de corrente no vácuo é um triodo elétrico (Fig. 9). Seu design difere do design do diodo pela presença de um terceiro eletrodo, denominado grade. Um dispositivo como um tubo de raios catódicos, que constitui a maior parte de dispositivos como um osciloscópio e televisores de tubo, também se baseia nos princípios da corrente no vácuo.

Arroz. 9. Circuito triodo de vácuo

Tubo de raios catódicos

Como mencionado acima, com base nas propriedades de propagação de corrente no vácuo, foi projetado um dispositivo tão importante como um tubo de raios catódicos. Baseia seu trabalho nas propriedades dos feixes de elétrons. Vejamos a estrutura deste dispositivo. Um tubo de raios catódicos consiste em um frasco de vácuo com expansão, um canhão de elétrons, dois cátodos e dois pares de eletrodos mutuamente perpendiculares (Fig. 10).

Arroz. 10. Estrutura de um tubo de raios catódicos

O princípio de funcionamento é o seguinte: os elétrons emitidos pela arma devido à emissão termiônica são acelerados devido ao potencial positivo nos ânodos. Então, aplicando a tensão desejada aos pares de eletrodos de controle, podemos desviar o feixe de elétrons conforme desejado, horizontal e verticalmente. Depois disso, o feixe direcionado incide sobre a tela de fósforo, o que nos permite ver a imagem da trajetória do feixe sobre ela.

Um tubo de raios catódicos é usado em um instrumento chamado osciloscópio (Fig. 11), projetado para estudar sinais elétricos, e em televisores CRT, com a única exceção de que os feixes de elétrons são controlados por campos magnéticos.

Arroz. 11. Osciloscópio ()

Na próxima lição veremos a passagem da corrente elétrica em líquidos.

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Trabalho de casa

1. O que é emissão eletrônica?
2. Quais são as maneiras de controlar os feixes de elétrons?
3. Como a condutividade de um semicondutor depende da temperatura?
4. Para que é usado um eletrodo de filamento indireto?
5. *Qual é a principal propriedade de um diodo de vácuo? A que isso se deve?

A corrente elétrica pode ser gerada não apenas em metais, mas também no vácuo, por exemplo, em tubos de rádio, em tubos de raios catódicos. Vamos descobrir a natureza da corrente no vácuo.

Os metais contêm um grande número de elétrons livres que se movem aleatoriamente. Quando um elétron se aproxima da superfície de um metal, as forças de atração que atuam sobre ele do lado dos íons positivos e direcionadas para dentro impedem que o elétron saia do metal. O trabalho que deve ser realizado para remover um elétron de um metal no vácuo é chamado função no trabalho.É diferente para metais diferentes. Então, para o tungstênio é igual a 7,2*10 -19 j. Se a energia de um elétron for menor que a função trabalho, ele não poderá deixar o metal. Existem muitos elétrons, mesmo à temperatura ambiente, cuja energia não é muito maior que a função trabalho. Tendo saído do metal, eles se afastam dele por uma curta distância e, sob a influência das forças de atração dos íons, retornam ao metal, resultando em uma fina camada de elétrons de saída e retorno, que estão em equilíbrio dinâmico , é formado próximo à superfície. Devido à perda de elétrons, a superfície do metal fica carregada positivamente.

Para que um elétron saia do metal, ele deve realizar trabalho contra as forças repulsivas do campo elétrico da camada de elétrons e contra as forças do campo elétrico da superfície do metal carregada positivamente (Fig. 85. a). À temperatura ambiente quase não há elétrons que possam escapar além da camada dupla carregada.

Para que os elétrons escapem além da camada dupla, eles devem ter uma energia muito maior que a função trabalho. Para fazer isso, a energia é transmitida aos elétrons de fora, por exemplo, por aquecimento. A emissão de elétrons por um corpo aquecido é chamada de emissão termiônica.É uma das provas da presença de elétrons livres no metal.

O fenômeno da emissão termiônica pode ser observado em tal experimento. Depois de carregar o eletrômetro positivamente (a partir de uma haste de vidro eletrificada), conectamos-o com um condutor ao eletrodo A da lâmpada de vácuo de demonstração (Fig. 85, b). O eletrômetro não descarrega. Fechado o circuito, aquecemos o fio K. Vemos que a agulha do eletrômetro cai - o eletrômetro está descarregado. Os elétrons emitidos pelo filamento quente são atraídos para o eletrodo A carregado positivamente e neutralizam sua carga. O fluxo de elétrons termiônicos do filamento para o eletrodo A sob a influência de um campo elétrico formou uma corrente elétrica no vácuo.

Se o eletrômetro estiver carregado negativamente, ele não descarregará em tal experimento. Os elétrons que escapam do filamento não são mais atraídos pelo eletrodo A, mas, ao contrário, são repelidos dele e retornam ao filamento.

Vamos montar um circuito elétrico (Fig. 86). Quando o fio K não é aquecido, o circuito entre ele e o eletrodo A está aberto - a agulha do galvanômetro está em zero. Não há corrente em seu circuito. Fechando a chave aquecemos o filamento. Uma corrente fluiu através do circuito do galvanômetro, à medida que os elétrons termiônicos fechavam o circuito entre o filamento e o eletrodo A, formando assim uma corrente elétrica no vácuo. A corrente elétrica no vácuo é um fluxo direcionado de elétrons sob a influência de um campo elétrico. A velocidade do movimento direcional dos elétrons formando corrente no vácuo é bilhões de vezes maior que a velocidade do movimento direcional dos elétrons formando corrente nos metais. Assim, a velocidade do fluxo de elétrons no ânodo das lâmpadas receptoras de rádio atinge vários milhares de quilômetros por segundo.

Este é um breve resumo.

O trabalho na versão completa continua

Palestra20

Corrente no vácuo

1. Uma nota sobre o vácuo

Não existe corrente elétrica no vácuo, porque em um vácuo termodinâmico não há partículas.

No entanto, o melhor vácuo prático alcançado é

,

aqueles. um grande número de partículas.

Porém, quando falam sobre corrente no vácuo, querem dizer um vácuo ideal no sentido termodinâmico, ou seja, ausência completa de partículas. Partículas obtidas de alguma fonte são responsáveis ​​pelo fluxo de corrente.

2. Função de trabalho

Como é sabido, nos metais existe um gás de elétrons que é mantido pela força de atração na rede cristalina. Em condições normais, a energia dos elétrons não é alta, por isso eles ficam retidos dentro do cristal.

Se abordarmos o gás de elétrons a partir de posições clássicas, ou seja, considere que obedece à distribuição de Maxwell-Boltzmann, então é óbvio que existe uma grande proporção de partículas cujas velocidades são superiores à média. Consequentemente, essas partículas têm energia suficiente para escapar do cristal e formar uma nuvem de elétrons próxima a ele.

A superfície metálica fica carregada positivamente. Forma-se uma camada dupla que impede a remoção de elétrons da superfície. Portanto, para remover um elétron, é necessário transmitir-lhe energia adicional.

Definição: Função trabalho dos elétrons de um metal é a energia que deve ser transmitida a um elétron para removê-lo da superfície do metal até o infinito em um estado zeroE k.

A função trabalho é diferente para metais diferentes.

Metal	Função de trabalho, eV
	1,81

3. Emissão eletrônica.

Em condições normais, a energia dos elétrons é bastante baixa e eles ficam presos dentro de um condutor. Existem maneiras de transmitir energia adicional aos elétrons. O fenômeno da emissão de elétrons sob influência externa é chamado de emissão de elétrons e foi descoberto por Edison em 1887. Dependendo do método de transmissão de energia, distinguem-se 4 tipos de emissões:

1. Emissão termiônica (TEE), método – fornecimento de calor (aquecimento).

2. Emissão de fotoelétrons (PEE), método – iluminação.

3. Emissão secundária de elétrons (SEE), método – bombardeio de partículas.

4. Emissão de elétrons de campo (FEE), método – campo elétrico forte.

4. Emissões autoeletrônicas

Quando expostos a um forte campo elétrico, os elétrons podem ser ejetados da superfície do metal.

Este valor de tensão é suficiente para retirar um elétron.

Este fenômeno é chamado de emissão fria. Se o campo for forte o suficiente, então o número de elétrons pode aumentar e, conseqüentemente, a corrente pode aumentar. De acordo com a lei de Joule-Lenz, uma grande quantidade de calor será liberada e o AEE poderá se transformar em ETE.

5. Emissão de fotoelétrons (PEE)

O fenômeno do efeito fotoelétrico é conhecido há muito tempo, veja “Óptica”.

6. Emissão de elétrons secundários (SEE)

Este fenômeno é utilizado em dispositivos fotomultiplicadores (PMTs).

Durante a operação, ocorre um aumento semelhante a uma avalanche no número de elétrons. Usado para gravar sinais de luz fracos.

7. Diodo de vácuo.

Para estudar o ETE, é usado um dispositivo chamado diodo de vácuo. Na maioria das vezes, consiste em dois cilindros coaxiais colocados em uma garrafa térmica de vidro.

O cátodo é aquecido por corrente elétrica, direta ou indiretamente. Com corrente contínua, a corrente passa pelo próprio cátodo; com corrente indireta, um condutor adicional é colocado dentro do cátodo - um filamento. O aquecimento ocorre a temperaturas bastante altas, de modo que o cátodo se torna complexo. A base é um material refratário (tungstênio) e o revestimento é um material com baixa função de trabalho (césio).

O diodo pertence a elementos não lineares, ou seja, não obedece à lei de Ohm. Dizem que um diodo é um elemento com condutividade unidirecional. A maior parte da característica corrente-tensão do diodo é descrita pela lei de Boguslavsky-Langmuir ou pela lei “3/2”

À medida que a temperatura do filamento aumenta, a característica corrente-tensão muda para cima e a corrente de saturação aumenta. A dependência da densidade da corrente de saturação com a temperatura é descrita pela lei de Richardson-Deshman

Usando métodos de estatística quântica, pode-se obter esta fórmula comconst= Bo mesmo para todos os metais. A experiência mostra que as constantes são diferentes.

8. Retificador de meia onda

9. Onda completa retificador (você mesmo).

10. Aplicação de lâmpadas.

As vantagens das lâmpadas incluem

· facilidade de controle de fluxo de elétrons,

· alto poder,

· uma grande seção de característica corrente-tensão quase linear.

· As válvulas são usadas em amplificadores potentes.

As desvantagens incluem:

· baixa eficiencia,

· alto consumo de energia.

Corrente elétrica no vácuo

O vácuo é um estado de gás em que a pressão é menor que a atmosférica. Existem vácuos baixos, médios e altos.

Para criar um alto vácuo, é necessária a rarefação, para a qual no gás que resta, o caminho livre médio das moléculas é maior que o tamanho do recipiente ou a distância entre os eletrodos no recipiente. Conseqüentemente, se um vácuo for criado em um recipiente, as moléculas nele quase não colidirão umas com as outras e voarão livremente através do espaço entre eletrodos. Nesse caso, eles colidem apenas com os eletrodos ou com as paredes do vaso.

Para que exista corrente no vácuo, é necessário colocar uma fonte de elétrons livres no vácuo. A maior concentração de elétrons livres em metais. Mas à temperatura ambiente eles não podem sair do metal, porque são mantidos nele pelas forças de atração coulombiana dos íons positivos. Para superar essas forças, um elétron deve gastar uma certa energia, que é chamada de função trabalho, para sair da superfície metálica.

Se a energia cinética do elétron exceder ou for igual à função trabalho, ele deixará a superfície do metal e ficará livre.

O processo de emissão de elétrons da superfície de um metal é chamado de emissão. Dependendo de como a energia necessária aos elétrons foi transferida, vários tipos de emissão são distinguidos. Um deles é a emissão térmica de elétrons.

Ø A emissão de elétrons por corpos aquecidos é chamada de emissão termoeletrônica.

O fenômeno da emissão termiônica faz com que um eletrodo metálico aquecido emita elétrons continuamente. Os elétrons formam uma nuvem eletrônica ao redor do eletrodo. Nesse caso, o eletrodo fica carregado positivamente e, sob a influência do campo elétrico da nuvem carregada, os elétrons da nuvem retornam parcialmente ao eletrodo.

No estado de equilíbrio, o número de elétrons que saem do eletrodo por segundo é igual ao número de elétrons que retornam ao eletrodo durante esse tempo.

2. Corrente elétrica no vácuo

Para que exista corrente, duas condições devem ser atendidas: a presença de partículas carregadas livres e um campo elétrico. Para criar essas condições, dois eletrodos (cátodo e ânodo) são colocados no cilindro e o ar é bombeado para fora do cilindro. Como resultado do aquecimento do cátodo, os elétrons voam para fora dele. Um potencial negativo é aplicado ao cátodo e um potencial positivo é aplicado ao ânodo.

A corrente elétrica no vácuo é o movimento direcionado de elétrons resultante da emissão termiônica.

3. Diodo de vácuo

Um diodo de vácuo moderno consiste em um cilindro de vidro ou metalocerâmico, do qual o ar é evacuado a uma pressão de 10-7 mm Hg. Arte. Dois eletrodos são soldados no cilindro, um dos quais - o cátodo - tem a forma de um cilindro metálico vertical feito de tungstênio e geralmente revestido com uma camada de óxidos de metais alcalino-terrosos.

Existe um condutor isolado dentro do cátodo que é aquecido por corrente alternada. O cátodo aquecido emite elétrons que chegam ao ânodo. O ânodo da lâmpada é um cilindro redondo ou oval que possui um eixo comum com o cátodo.

A condutividade unidirecional de um diodo de vácuo se deve ao fato de que, devido ao aquecimento, os elétrons voam para fora do cátodo quente e se movem para o ânodo frio. Os elétrons só podem fluir através do diodo do cátodo para o ânodo (ou seja, a corrente elétrica só pode fluir na direção oposta: do ânodo para o cátodo).

A figura mostra a característica corrente-tensão de um diodo de vácuo (um valor de tensão negativo corresponde ao caso em que o potencial catódico é maior que o potencial anódico, ou seja, o campo elétrico “tenta” devolver os elétrons de volta ao cátodo).

Diodos de vácuo são usados ​​para retificar a corrente alternada. Se você colocar outro eletrodo (grade) entre o cátodo e o ânodo, mesmo uma ligeira mudança na tensão entre a grade e o cátodo afetará significativamente a corrente do ânodo. Esse tubo eletrônico (triodo) permite amplificar sinais elétricos fracos. Portanto, durante algum tempo essas lâmpadas foram os principais elementos dos dispositivos eletrônicos.

4. Tubo de raios catódicos

A corrente elétrica no vácuo foi utilizada em um tubo de raios catódicos (CRT), sem o qual por muito tempo era impossível imaginar uma televisão ou um osciloscópio.

A figura mostra um projeto simplificado de um CRT.

A “arma” de elétrons no gargalo do tubo é o cátodo, que emite um intenso feixe de elétrons. Um sistema especial de cilindros com furos (1) focaliza esse feixe e o estreita. Quando os elétrons atingem a tela (4), ela começa a brilhar. O fluxo de elétrons pode ser controlado usando placas verticais (2) ou horizontais (3).

Energia significativa pode ser transferida para elétrons no vácuo. Feixes de elétrons podem até ser usados ​​para derreter metais no vácuo.