Вакуумные условия электрический ток в вакууме. Что представляет собой электрический ток в вакууме

Электрический ток - упорядоченное движение электрозарядов. Его можно получить, например, в проводнике, который соединяет заряженное и незаряженное тело. Однако этот ток прекратится, как только разность потенциалов этих тел станет нулевой. Упорядоченное ток) будет существовать также в проводнике, соединяющем пластины заряженного конденсатора. В этом случае ток сопровождается нейтрализацией зарядов, находящихся на пластинах конденсатора, и продолжается, пока разность потенциалов пластин конденсатора не станет нулевой.

Эти примеры показывают, что электрический ток в проводнике возникает лишь при наличии на концах проводника разных потенциалов, т. е. тогда, когда в нем есть электрическое поле.

Но в рассмотренных примерах ток не может быть длительным, так как в процессе перемещения зарядов потенциалы тел быстро выравниваются и электрическое поле в проводнике исчезает.

Следовательно, для получения тока необходимо поддерживать на концах проводника разные потенциалы. Для этого можно переносить заряды с одного тела на другое обратно по другому проводнику, образуя для этого замкнутую цепь. Однако под действием сил этого же электрического поля такой перенос зарядов невозможен, так как потенциал второго тела меньше потенциала первого. Поэтому перенос возможен только силами неэлектрического происхождения. Наличие таких сил обеспечивает источник тока, включаемый в цепь.

Силы, действующие в источнике тока, переносят заряд от тела с меньшим потенциалом к телу с большим потенциалом и совершают при этом работу. Следовательно, должен обладать энергией.

Источниками тока являются гальванические элементы, аккумуляторы, генераторы и т. д.

Итак, основные условия возникновения электрического тока: наличие источника тока и замкнутой цепи.

Прохождение тока в цепи сопровождается рядом легконаблюдаемых явлений. Так, например, в некоторых жидкостях при прохождении по ним тока наблюдается выделение вещества на электродах, опущенных в жидкость. Ток в газах часто сопровождается свечением газов и т. д. Электрический ток в газах и вакууме изучал выдающийся французский физик и математик - Андре Мари Ампер, благодаря которому мы теперь знаем природу таких явлений.

Как известно, вакуум - наилучший изолятор, т. е. пространство, из которого выкачан воздух.

Но можно получить электрический ток в вакууме, для чего необходимо внести в него носители зарядов.

Возьмем сосуд, из которого откачан воздух. В этот сосуд впаяны две металлические пластины - два электрода. Один из них A (анод) соединим с положительным источником тока, другой K (катода) - с отрицательным. Напряжение между достаточно приложить 80 - 100 В.

Включим в цепь чувствительный миллиамперметр. Прибор не показывает никакого тока; это указывает на то, что электрический ток в вакууме не существует.

Видоизменим опыт. В качестве катода впаяем в сосуд проволочку - нить, с выведенными наружу концами. Эта нить по-прежнему останется катодом. С помощью другого источника тока накалим ее. Мы заметим, что, как только нить накаляется, прибор, включенный в цепь, показывает электрический ток в вакууме, и тем больший, чем сильнее накалена нить. Значит, нить при нагревании обеспечивает наличие в вакууме заряженных частиц, она является их источником.

Как заряжены эти частицы? Ответ на этот вопрос может дать опыт. Переменим полюсы у впаянных в сосуд электродов - нить сделаем анодом, а противоположный полюс - катодом. И хотя нить накалена и посылает заряженные частицы в вакуум, тока нет.

Из этого следует, что эти частицы заряжены отрицательно, потому что они отталкиваются от электрода А, когда он заряжен отрицательно.

Что представляют собой эти частицы?

Согласно электронной теории, свободные электроны в металле находятся в хаотическом движении. При накале нити это движение усиливается. При этом некоторые электроны, приобретая энергию, которой достаточно для совершения выхода, вылетают из нити, образуя около нее «электронное облачко». Когда между нитью и анодом образуется электрическое поле, то электроны летят к электроду А, если он присоединен к положительному полюсу батареи, и отталкиваются обратно к нити, если он присоединен к отрицательному полюсу, т. е. имеет заряд, одноименный с электронами.

Итак, электрический ток в вакууме - это направленный поток электронов.

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?

Электрический ток может образоваться не только в металлах, но и в вакууме, например в радиолампах, в электронно-лучевых трубках. Выясним природу тока в вакууме.

В металлах имеется большое количество свободных, беспорядочно движущихся электронов. Когда электрон подходит к поверхности металла, то силы притяжения, действующие на него со стороны положительных ионов и направленные внутрь, препятствуют выходу электрона из металла. Работа, которую надо совершить для удаления электрона из металла в вакууме, называется работой выхода. Для разных металлов она различна. Так, для вольфрама она равна 7,2*10 -19 дж. Если энергия электрона меньше работы выхода, он не может покинуть металл. Много электронов даже при комнатной температуре, энергия которых не намного больше работы выхода. Покинув металл, они удаляются от него на небольшое расстояние и под действием сил притяжения ионов возвращаются в металл, в результате чего вблизи поверхности образуется тонкий слой выходящих и возвращающихся электронов, находящихся в динамическом равновесии. Вследствие потери электронов поверхность металла заряжается положительно.

Чтобы электрон покинул металл, он должен совершить работу против сил отталкивания электрического поля электронного слоя и против сил электрического поля положительно заряженной поверхности металла (рис. 85. а). При комнатной температуре почти нет электронов, которые могли бы выйти за двойной заряженный слой.

Чтобы электроны могли вылететь за пределы двойного слоя, им надо иметь энергию намного больше, чем работа выхода. Для этого извне электронам сообщается энергия, например нагреванием. Испускание электронов нагретым телом называется термоэлектронной эмиссией. Она является одним из доказательств наличия свободных электронов в металле.

Явление термоэлектронной эмиссии можно наблюдать на таком опыте. Зарядив электрометр положительно (от наэлектризованной стеклянной палочки), соединим его проводником с электродом А демонстрационной вакуумной лампы (рис. 85, б). Электрометр не разряжается. Замкнув цепь, накалим нить К. Видим, стрелка электрометра опадает - электрометр разряжается. Электроны, испускаемые накаленной нитью, притягиваются положительно заряженным электродом А и нейтрализуют его заряд. Поток термоэлектронов от нити накала к электроду А под действием электрического поля образовал электрический ток в вакууме.

Если электрометр зарядить отрицательно, то он в таком опыте разряжаться не будет. Вылетающие из нити накала электроны теперь не притягиваются электродом А, а наоборот, отталкиваются от него и возвращаются обратно к нити накала.

Соберем электрическую цепь (рис. 86). При ненагретой нити К цепь между ней и электродом А разомкнута - стрелка гальванометра стоит на нуле. В его цепи тока нет. Замкнув ключ, нагреем нить накала. По цепи гальванометра пошел ток, так как термоэлектроны замкнули цепь между нитью накала и электродом А, образовав тем самым электрический ток в вакууме. Электрический ток в вакууме есть направленный поток электронов под действием электрического поля. Скорость направленного движения электронов, образующих ток в вакууме, в миллиарды раз больше скорости направленного движения электронов, образующих ток в металлах. Так, скорость потока электронов у анода ламп радиоприемника достигает нескольких тысяч километров в секунду.

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.

Электрический ток в вакууме

Вакуум - это состояние газа, при котором давление меньше атмосферного. Различают низкий, средний и высокий вакуум.

Для создания высокого вакуума необходимое разрежение, за которого в газе, что остался, средняя длина свободного пробега молекул больше размеров сосуда или расстояния между электродами в сосуде. Следовательно, если в сосуде создан вакуум, то молекулы в нем почти не сталкиваются между собой и пролетают свободно межэлектродный пространство. При этом они испытывают столкновения лишь с электродами или со стенками сосуда.

Чтобы в вакууме существовал ток, необходимо поместить в вакуум источник свободных электронов. Наибольшая концентрация свободных электронов в металлах. Но при комнатной температуре они не могут покинуть металл, потому что их в нем удерживают силы кулоновского притяжения положительных ионов. Для преодоления этих сил электрону, чтобы покинуть поверхность металла, необходимо затратить определенную энергию, которую называют работой выхода.

Если кинетическая энергия электрона превысит или будет равна работе выхода, то он покинет поверхность металла и станет свободным.

Процесс испускания электронов с поверхности металла называют эмиссией. В зависимости от того, как была передана электронам необходима энергия, различают несколько видов эмиссии. Один из них - термоелектронна эмиссия.

Ø Испускание электронов нагретыми телами называют термоелектронною эмиссией.

Явление термоэлектронной эмиссии приводит к тому, что нагретый металлический электрод непрерывно испускает электроны. Электроны образуют вокруг электрода электронное облако. Электрод при этом заряжается положительно, и под воздействием электрического поля заряженного облака электроны из облака частично возвращаются на электрод.

В равновесном состоянии число электронов, покинувших электрод за секунду, равно числу электронов, которые вернулись на электрод за это время.

2. Электрический ток в вакууме

Для существования тока необходимо выполнение двух условий: наличие свободных заряженных частиц и электрического поля. Для создания этих условий в баллон помещают два электрода (катод и анод) и выкачивают из баллона воздуха. В результате нагрева катода из него вылетают электроны. На катод подают отрицательный потенциал, а на анод - положительный.

Электрический ток в вакууме представляет собой направленный движение электронов, полученных в результате термоэлектронной эмиссии.

3. Вакуумный диод

Современный вакуумный диод состоит из стеклянного или металлокерамического баллона, из которого откачан воздух до давления 10-7 мм рт. ст. В баллон впаяны два электрода, один из которых - катод - имеет вид вертикального металлического цилиндра, изготовленного из вольфрама и покрытого обычно слоем оксидов щелочноземельных металлов.

Внутри катода расположен изолированный проводник, что его нагревает переменный ток. Нагретый катод испускает электроны, достигающие анода. Анод лампы представляет собой круглый или овальный цилиндр, имеющий общую ось с катодом.

Односторонняя проводимость вакуумного диода обусловлена тем, что вследствие нагревания электроны вылетают из горячего катода и движутся до холодного анода. Электроны могут двигаться через диод только от катода к аноду (то есть электрический ток может протекать только в обратном направлении: от анода к катоду).

На рисунке воспроизведен вольт-амперную характеристику вакуумного диода (отрицательное значение напряжения соответствует случаю, когда потенциал катода выше потенциала анода, то есть электрическое поле «пытается» вернуть электроны обратно на катод).

Вакуумные диоды используют для выпрямления переменного тока. Если поместить между катодом и анодом еще один электрод (сетку), то даже незначительное изменение напряжения между сеткой и катодом существенно влиять на анодный ток. Такая электронная лампа (триод) позволяет усиливать слабые электрические сигналы. Поэтому некоторое время эти лампы были основными элементами электронных устройств.

4. Электронно-лучевая трубка

Электрический ток в вакууме применяли в электронно-лучевой трубке (ЭЛТ), без которой долгое время нельзя было представить телевизор или осциллограф.

На рисунке упрощенно показана конструкция ЭЛТ.

Электронная «пушка» в горловине трубки - катод, который испускает интенсивный пучок электронов. Специальная система цилиндров с отверстиями (1) фокусирует этот пучок, делает его узким. Когда электроны попадают на экран (4), он начинает светиться. Управлять потоком электронов можно с помощью вертикальных (2) или горизонтальных (3) пластин.

Электронам в вакууме можно передать значительную энергию. Электронные пучки можно применять даже для плавки металлов в вакууме.