Меню

Как изменяется ток насыщения в вакууме

Как изменяется ток насыщения в вакууме

Чудо — Рациональность — Наука — Духовность

Ж ИЗНЕННЫЙ ПУТЬ — это путь исследователя, постигающего тайны мироздания

Чем больше знаешь, тем больше убеждаешься что ни чего не знаешь.

Наш сайт доступен

Для получения электрического тока в вакууме необходимо наличие свободных носителей. Получить их можно за счет испускания электронов металлами — электронной эмиссии (от латинского emissio — выпуск).

Как известно, при обычных температурах электроны удерживаются внутри металла, несмотря на то, что они совершают тепловое движение. Следовательно, вблизи поверхности существуют силы, действующие на электроны и направленные внутрь металла. Это силы, возникающие вследствие притяжения между электронами и положительными ионами кристаллической решетки. В результате в поверхностном слое металлов появляется электрическое поле, а потенциал при переходе из внешнего пространства внутрь металла увеличивается на некоторую величину Dj . Соответственно потенциальная энергия электрона уменьшается на e Dj .

Распределение потенциальной энергии электрона U для ограниченного металла показано на рис. 1.

Диаграмма потенциальной энергии электрона U в ограниченном металле

Здесь W 0 — уровень энергии покоящегося электрона вне металла, F — уровень Ферми (значение энергии, ниже которой все состояния системы частиц (фермионов), при абсолютном нуле заняты), E c — наименьшая энергия электронов проводимости (дно зоны проводимости). Распределение имеет вид потенциальной ямы, ее глубина e Dj =W 0 — E c (электронное сродство); Ф = W 0 — F — термоэлектронная работа выхода (работа выхода).

Условие вылета электрона из металла: W і W 0 , где W — полная энергия электрона внутри металла.

При комнатных температурах это условие выполняется лишь для ничтожной части электронов, значит, для увеличения числа покидающих металл электронов необходимо затратить определенную работу, то есть сообщить им дополнительную энергию, достаточную для вырывания из металла, наблюдая электронную эмиссию: при нагревании металла — термоэлектронную, при бомбардировке электронами или ионами — вторичную, при освещении — фотоэмиссию.

Рассмотрим термоэлектронную эмиссию.

Если испущенные раскаленным металлом электроны ускорить электрическим полем, то они образуют ток. Такой электронный ток может быть получен в вакууме, где столкновения с молекулами и атомами не мешают движению электронов.

Для наблюдения термоэлектронной эмиссии может служить пустотная лампа, содержащая два электрода: один в виде проволоки из тугоплавкого материала (молибден, вольфрам и др.), накаливаемый током (катод), и другой, холодный электрод, собирающий термоэлектроны (анод). Аноду чаще всего придают форму цилиндра, внутри которого расположен накаливаемый катод.

Рассмотрим схему для наблюдения термоэлектронной эмиссии (рис. 2).

Электрическая схема для наблюдения термоэлектронной эмиссии

Цепь содержит диод Д , подогреваемый катод которого соединен с отрицательным полюсом батареи Б , а анод — с ее положительным полюсом; миллиамперметр mA , измеряющий силу тока через диод Д , и вольтметр V, измеряющий напряжение между катодом и анодом. При холодном катоде тока в цепи нет, так как сильно разряженный газ (вакуум) внутри диода не содержит заряженных частиц. Если катод раскалить с помощью дополнительного источника, то миллиамперметр зарегистрирует появление тока.

При постоянной температуре катода сила термоэлектронного тока в диоде возрастает с увеличением разности потенциалов между анодом и катодом (см. рис. 3).

Вольтамперные характеристики диода при различных температурах катода

Однако эта зависимость не выражается законом аналогичным закону Ома, по которому сила тока пропорциональна разности потенциалов; эта зависимость носит более сложный характер, графически представленный на рисунке 2, например, кривой 0-1-4 (вольтамперная характеристика). При увеличении положительного потенциала анода сила тока возрастает в соответствии с кривой 0-1, при дальнейшем возрастании анодного напряжения сила тока достигает некоторого максимального значения i н , называемого током насыщения диода, и почти перестает зависеть от анодного напряжения (участок кривой 1-4).

Качественно такая зависимость тока диода от напряжения объясняется следующим образом. При разности потенциалов равной нулю сила тока через диод (при достаточном расстоянии между электродами) тоже равна нулю, так как электроны, покинувшие катод, образуют вблизи него электронное облако, создающее электрическое поле, тормозящее вновь вылетающие электроны. Эмиссия электронов прекращается: сколько электронов покидает металл, столько же в него возвращается под действием обратного поля электронного облака. При увеличении анодного напряжения концентрация электронов в облаке уменьшается, тормозящее действие его уменьшается, анодный ток увеличивается.

Зависимость силы тока диода i от анодного напряжения U имеет вид:

где a — коэффициент, зависящий от формы и расположения электродов.

Это уравнение описывает кривую 0-1-2-3, и носит название закона Богуславского — Лэнгмюра или “закона 3/2”.

Когда потенциал анода становится настолько большим, что все электроны, покидающие катод за каждую единицу времени, попадают на анод, ток достигает максимального значения и перестает зависеть от анодного напряжения.

При увеличении температуры катода вольтамперная характеристика изображается кривыми 0-1-2-5, 0-1-2-3-6 и т.д., то есть при разных температурах различными оказываются значения тока насыщения i н , которые быстро увеличиваются с возрастанием температуры. Одновременно увеличивается анодное напряжение, при котором устанавливается ток насыщения.

Время инициации (log t o от -6 до -4);

Время существования (log t c от -4 до 15);

Время деградации (log t d от -6 до -4);

Время оптимального проявления (log t k от -4 до -2).

Технические реализации эффекта

Техническая реализация эффекта

Берем вакуумный диод, подаем на анод вольт 100 и меряем анодный ток. Он равен нулю. После этого дополнительно подаем 6,3 В на подогрев катода. Возникает анодный ток, который зависит от напряжения на аноде по закону трех вторых, как указано в содержательной части.

Электрические токи в вакууме имеют широчайшую область применения. Это все без исключения радиолампы, ускорители заряженных частиц, масс-спектрометры, вакуумные генераторы СВЧ, такие как магнетроны, лампы бегущей волны и т.п.

1. Фриш С.Э., Тиморева А.В. Курс общей физики.- М-Л: Государственное издательство технико-теоретическое издательство, 1952.- Т.2.- С.226-228.

2. Калашников С.Г. Электричество. М.: Наука, 1977.- С.339-342.

  • электрический ток
  • электрический ток в вакууме
  • вакуумный диод
  • анод
  • катод
  • ток насыщения
  • вольтамперная характеристика
  • термоэлектронная эмиссия
  • фотоэмиссия
  • эмиссия

Источник

Электрический ток в вакууме — причины появления, свойства и применение

Электрический ток в вакууме Электрический ток в вакууме - причины появления, свойства и применение

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

Физика процесса

Электрический ток в вакууме может образовываться только направленным движением электронов. Ввести их, возможно, с помощью помещения в среду металла. Для того чтобы частицы покинули поверхность проводника нужно им отдать энергию. Этот процесс называется работой выхода электронов из вещества.

Её значение для разных материалов было установлено экспериментально. Так, для наиболее популярных веществ работа выхода равна:

  • вольфрама — 4,5 эВ;
  • кадмия — 2,2 эВ;
  • цинка — 4,2 эВ;
  • оксида бария — 1 эВ.

То есть для того чтобы извлечь электрон, нужно сообщить ему определённую энергию. Только тогда он сможет вылететь с поверхности. В обычном состоянии энергия электрона в металле составляет 3,2 KT (тепловая). При комнатной температуре (T = 300 K) KT = 0,026 эВ. Этой величины будет явно недостаточно, чтобы появилась электропроводность в вакууме.

Если же нагреть тело до 3 тыс. градусов по кельвину (многие металлы начинают расплавляться), то KT = 0,26 эВ. Этого значения всё равно мало для того, чтобы выбить электроны. Но на самом деле носители имеют определённое распределение по энергиям. Найденное значение показывает среднюю величину. Поэтому в теле из-за высокой плотности заряженных частиц обязательно будут такие электроны, которые имеют энергию превышающую работу выхода.

Над поверхностью проводника появляется электронное облако. При этом чем выше температура, тем плотнее оно будет. Вылетевший электрон приводит к изменению заряда металла. В итоге он начинает втягиваться обратно. Устанавливается равновесие. Какое число электронов вылетает, такое же их количество возвращается.

Для того чтобы образовался поток зарядов нужно ввести вспомогательную цепь. Другими словами, сообщить электронам дополнительную энергию. Зависимость между током и напряжением в рассматриваемом случае не будет соответствовать закону Ома. Ведь образованное электронное облако задерживает вновь вылетающие электроны. Но если увеличить напряжение на другом выводе, то концентрация носителей в образованном поле уменьшится, значит, снизится и тормозящий эффект. Это приведёт к увеличению тока.

Таким образом, вылетающие электроны можно уподобить электра ракетам, преодолевшим земное притяжение. Если к выводу присоединить положительный электрод источника тока, то возникшее электромагнитное поле между спиралью и электродом внутри колбы с вакуумом, устремит к нему электроны. Внутри потечёт электрический ток.

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.

Общие сведения

Понятие вакуум сходно слову «пустота». В физике под ним понимают пространство, которое освобождено от любых веществ. Однако учёные считают, что такого места быть не может. Объясняют это они тем, что даже в самом пустом пространстве должны существовать флуктуации. Экспериментально это удалось доказать Генриху Казимиру, описавшему явление в своём конспекте.

Он предположил, что вакуум представляет собой «резервуар» в котором вблизи абсолютного нуля происходит ряд волнений. Его опыт состоял в следующем. Учёный взял две заряженные пластины и поместил их между вакуумным пространством. Под действием внешних фотонов проводники притягивались друг к другу. То есть через пространство проходила хотя и слабая, но сила.

Резервуар с вакуумом

Поэтому в физике существует особый термин — физический вакуум. Под ним понимают замкнутое пространство, в котором давление в несколько раз меньше по сравнению с газовой средой. То есть его величина не оказывает никакого влияния и ей можно пренебречь. Так как электричество образуется при перемещении элементарных носителей зарядов, которые в вакууме практически отсутствуют, при простом воздействии на среду его получить не удастся. Поэтому единственной возможностью пропустить ток через пустоту является добавление в неё заряженных частиц.

В 1879 году Эдисон, изучая причину перегорания нитей в лампах накаливания, обнаружил образование тёмного налёта около анодного вывода. Этот эффект изобретатель объяснял тем, что внутри колбы возникает разряд, вследствие которого заряженные частицы угольной пыли выбиваются с проводника. Он предположил, что если в лампу ввести дополнительный электрод с положительным зарядом, то эти частицы будут им притягиваться.

Так был открыт эффект термоэлектронной эмиссии. Другими словами, испускание заряженных частиц при нагреве проводника до температур 1500 — 2500 о С. При таких величинах электроны разрывают связи и высвобождаются. Это явление сродни испарению молекул с поверхности жидкости. Оно нашло своё применение в вакуумных электронных приборах. Например, используется в электронно-лучевых трубках, ламповых диодах.

Вакуумный диод

Вакуумный диод

Одним из типичных устройств, использующих проводимость безвоздушного пространства, является вакуумная двухэлектродная электронная лампа. Если на её положительный вывод подаётся обратное напряжение, то все испущенные катодом электроны возвращаются. При прямом же смещении носители зарядов устремляются к аноду. Другими словами, происходит выпрямление переменного сигнала. Устройство работает как диод.

Исследовать появление электрического тока в вакууме и газах можно с помощью радиоэлемента, состоящего из следующих частей:

  • запаянной колбы;
  • электрода из металла (анод);
  • вольфрамовой спирали (катод);
  • реостата.

Нить из вольфрама находится в герметичной колбе и подключена через реостат к генератору для регулировки силы тока. Электрод подключён к микроамперметру. С него цепь, проходя через балластный резистор, замыкается на катоде.

Реостатом можно регулировать температуру катода. Переменным сопротивлением устанавливается разность потенциалов между положительным и отрицательным выводом. Вольт-амперная характеристика, то есть зависимость анодного тока от напряжения будет формироваться следующим образом. Допустим, напряжения нет. Тогда электроны, вылетевшие из катода, притянутся обратно. Ток в цепи анода не течёт. Если на вывод подать отрицательный сигнал, то электроны будут отталкиваться. Ток снова не течёт.

Появление электрического тока в вакууме и газах

Когда на анод поступает положительное напряжение, то возникает электрическое поле. Оно создаёт силу, направленную в сторону анода. Скорость полёта электронов разная, так как некоторые из них отталкиваются от уже ранее вылетевших частиц. Чем больше будет напряжённость поля, тем сильнее начнёт протекать ток. Но изменение будет происходить не линейно. Например, если увеличить напряжение в два раза, то число электронов, вылетевших из катода, увеличится в больше раз, чем это число. Чем больше разность потенциалов, тем меньше пространственный заряд электронов.

На графике эта зависимость будет представлять полукубическую параболу. Описать её можно приблизительной формулой: I = U3/2. Если продолжить поднимать напряжение, то напряжённость становится намного больше поля, создаваемого пространственным облаком. Все электроны начнут добираться до анода. Сила тока уже не будет зависеть от напряжения. На ВАХ это изображается прямой линией, а эффект называется током насыщения.

Термоэлектронный ток

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, $\frac=A_v\beta \gg 1,\ \to exp\left[\beta \left(E_k+A_v\right)\right]\gg 1,$ 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.

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.

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.

ФизикаПлоское зеркало – увеличение и виды

ФизикаВторой закон Ньютона – формула, запись и определение кратко

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 $E_k=\frac<2m_e>$. $p^2=^2+^2+^2$. 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:

Источник



Что представляет собой электрический ток в вакууме

Электрический ток в вакууме Электрический ток в вакууме - причины появления, свойства и применение

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

Вакуумный диод

Прибором простейшего вида, использующим явление возникновения электричества, порождаемого термоэлектронной эмиссией, является вакуумный диод. Его работа довольно простая, а сам прибор относится к простейшим устройствам. Основной характеристикой диода является вольт-амперная зависимость.

Она имеет три участка: нелинейный, степенной, насыщения. На первом происходит медленное возрастание силы тока при увеличении напряжения. Эта зависимость экспоненциальная. На втором промежутке изменение описывается формулой: I = G * U 3/2 где: G — проводимость, величина, обратная сопротивлению. Третий участок характеризуется тем что при росте напряжения значение тока практически не изменяется. Это связано с тем что число электронов, вылетевших из проводника, становится постоянным для любого момента времени.

Сам электронный прибор представляет собой колбу с двумя электродами. В середине сосуда создан физический вакуум. Один электрод (катод) предназначен для испускания электронов, а другой (анод) для их получения. Катодный вывод состоит из нити, которая разогревается под действием тока и длинного цилиндра с уложенным в него спиралью подогревателя.

При нагреве электрода возникает термоэлектронная эмиссия. Электроны покидают поверхность и создают облако с избытком отрицательных зарядов. Поверхность же вывода начинает заряжаться положительно. Некоторое количество частиц, обладающих небольшой скоростью, падают на катод, но быстрые электроны преодолевают барьер и переходят на анод. Если на положительный вывод подать прямое смещение, то возникнет ускоряющее поле, которое ещё больше способствует переносу электронов.

В результате появится постоянный ток. Электровакуумный диод имеет неоспоримое достоинство перед полупроводниковым — отсутствие обратного тока. Кроме этого, устройство способно выдерживать большие напряжения и ионизирующее излучение. Но при этом прибор нельзя назвать энергоэффективным.

Наиболее часто в качестве термокатода используют вольфрам или смесь окислов щёлочноземельных металлов. Следует отметить, что к основным параметрам диода относят крутизну вольт-амперной характеристики ток насыщения и запирающее напряжение. Последнее определяет значение, при котором происходит пробой — появление искры с дугой и увеличение в несколько раз силы тока. То есть нарушения прочности 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.

Открытие явления и его природа

Томас Эдисон, проводя ряд экспериментов с лампочкой накаливания, пытался выяснить причину перегорания нити. Физик обратил внимание, что при её разрыве на стекле колбы с внутренней её стороны образуется чёрный налёт. При дальнейшем изучении Эдисон обнаружил что если пластина, внесённая в вакуум относительно нити накаливания, подключается к положительному потенциалу ток не появлялся. В ином случае проводник довольно сильно нагревался.

Это явление учёный объяснил существованием зарядов определённого знака, которые способны перемещаться в вакууме. На то время электрон ещё не был открыт. Эдисон увидел, что при повышении напряжения степень накала изменялась. Этот эффект был после назван термоэлектронной эмиссией. Уже после этого явления нашлось применение в детектировании радиоволн.

С физической точки зрения, термоэлектронной эмиссией называют способность тел испускать со своей поверхности электроны при нагревании. Связано это с тем что в веществах существует так называемый потенциальный барьер. То есть область пространства с конкретной потенциальной энергией. В равновесном состоянии величина заряда мала и не позволяет частице перейти через этот барьер. Но как только потенциал электрона возрастает, он свободно проходит через него. Нужную дополнительную энергию как раз и получает частица за счёт тепловых колебаний.

Уровень потенциального барьера зависит от двух параметров:

  • термоэлектронной работы выхода f;
  • значения надбарьерного отражения электронов.

Таким образом, прикладывая разность потенциалов между двумя проводниками, подключёнными к одной цепи, можно добиться протекания между ними тока. При нагревании проводника до высоких температур вокруг него образуется электронное облако. Причём чем выше температура, тем его плотность больше.

Так как проводник начинает заряжаться отрицательно из-за частичного ухода электронов то возникает сила притягивающая вылетевшие частицы обратно.

Но при дальнейшем повышении температуры наступает такой момент, когда электроны вырываются из облака. Этому способствует другой проводник с меньшим потенциалом, к которому и устремляются электроны. Возникает электропроводность.

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.

Предыдущая ФизикаПлоское зеркало – увеличение и виды Следующая

ФизикаВторой закон Ньютона – формула, запись и определение кратко

Физика процесса

Электрический ток в вакууме может образовываться только направленным движением электронов. Ввести их, возможно, с помощью помещения в среду металла. Для того чтобы частицы покинули поверхность проводника нужно им отдать энергию. Этот процесс называется работой выхода электронов из вещества.

Её значение для разных материалов было установлено экспериментально. Так, для наиболее популярных веществ работа выхода равна:

  • вольфрама — 4,5 эВ;
  • кадмия — 2,2 эВ;
  • цинка — 4,2 эВ;
  • оксида бария — 1 эВ.

То есть для того чтобы извлечь электрон, нужно сообщить ему определённую энергию. Только тогда он сможет вылететь с поверхности. В обычном состоянии энергия электрона в металле составляет 3,2 KT (тепловая). При комнатной температуре (T = 300 K) KT = 0,026 эВ. Этой величины будет явно недостаточно, чтобы появилась электропроводность в вакууме.

Электрический ток в вакууме - причины появления, свойства и применение

Если же нагреть тело до 3 тыс. градусов по кельвину (многие металлы начинают расплавляться), то KT = 0,26 эВ. Этого значения всё равно мало для того, чтобы выбить электроны. Но на самом деле носители имеют определённое распределение по энергиям. Найденное значение показывает среднюю величину. Поэтому в теле из-за высокой плотности заряженных частиц обязательно будут такие электроны, которые имеют энергию превышающую работу выхода.

Над поверхностью проводника появляется электронное облако. При этом чем выше температура, тем плотнее оно будет. Вылетевший электрон приводит к изменению заряда металла. В итоге он начинает втягиваться обратно. Устанавливается равновесие. Какое число электронов вылетает, такое же их количество возвращается.

Для того чтобы образовался поток зарядов нужно ввести вспомогательную цепь. Другими словами, сообщить электронам дополнительную энергию. Зависимость между током и напряжением в рассматриваемом случае не будет соответствовать закону Ома. Ведь образованное электронное облако задерживает вновь вылетающие электроны. Но если увеличить напряжение на другом выводе, то концентрация носителей в образованном поле уменьшится, значит, снизится и тормозящий эффект. Это приведёт к увеличению тока.

Таким образом, вылетающие электроны можно уподобить электра ракетам, преодолевшим земное притяжение. Если к выводу присоединить положительный электрод источника тока, то возникшее электромагнитное поле между спиралью и электродом внутри колбы с вакуумом, устремит к нему электроны. Внутри потечёт электрический ток.

Где берутся свободные носители зарядов в вакууме? Вакуумный диод

Если в сосуде создан вакуум, то в нем все же есть немало молекул, некоторые из них могут быть и ионизированы. Но заря­женных частичек в таком сосуде для вы­явления заметного тока мало.

Как же получить в вакууме достаточное количество свободных носителей заряда? Если нагреть проводник, пропуская по нему электрический ток или другим способом (рис. 7.6), то часть свободных электронов в металле будут иметь достаточную энергию, чтобы выйти из металла (выполнить работу выхода).

Явление излучения электронов нака­ленными телами называется термоэлектрон­ной эмиссией.

Однако кинетическую энергию свобод­ных электронов в веществе можно увели­чить и с помощью света.

Излучение элект­ронов веществом под действием света назы­вается фотоэлектронной эмиссией, или внеш­ним фотоэффектом.

Рис. 7.6. Излучение электронов раска­ленным проводником

Природу и закономернос­ти внешнего фотоэффекта объяснил Альберт Эйнштейн, за что и получил Нобелевскую премию по физике 1921 г.

Рассмотрим подробнее явления, происхо­дящие в сосуде (баллоне), где имеется про­водник, который может быть накален с помощью электрического тока (рис. 7.6). В баллоне создан вакуум.

Поскольку при нагревании проводника из него излучаются электроны, то может возникнуть мысль, что электроны с тече­нием времени могут заполнить весь баллон. Тем не менее это не так. Будем называть этот проводник в баллоне катодом. Элект­роны, которые оставили накаленный катод, образуют вокруг него облачко. Это вызвано тем, что катод, утратив часть свободных электронов, заряжается положительно. Поло­жительно заряженный катод и удерживает возле себя облачко электронов.

Рис. 7.7. Если в баллон ввести поло­жительно заряженный анод, то в пепи появится электрический ток

Катод (гр.— опускание, движе­ние книзу): 1) Электрод прибора или ус­тройства, который соединяют с отрицательным полюсом ис­точника тока. 2) Отрицательный полюс источ­ника тока (гальванического эле­мента и т. п.). 3) Источник электронов в элект­ронно-вакуумных приборах. Материал с сайта https://worldofschool.ru

Рис. 7.8. Внутреннее строение вакуум­ного диода

Если теперь в баллон ввести еще один электрод (анод) и создать электрическое поле между анодом и катодом (рис. 7.7), то в баллоне возникнет электрический ток. В этом случае ток возможен, поскольку по­ложительно заряженный анод притягивает отрицательно заряженные электроны. Если же анод будет иметь отрицательный заряд, то электроны от него будут отталкиваться. Однако при небольших напряжениях наи­более быстрые электроны все же могут до­лететь до анода, и в цепи может наблюдать­ся небольшой ток. При увеличении напря­жения (если анод заряжен отрицательно) ток в цепи совсем прекратится.

Анод (гр.— путь вверх, восхож­дение): 1) Электрод электро- и радио­технических приборов, электро­литических ванн и других ус­тройств, соединяющихся с по­ложительным полюсом источ­ника электрического тока. 2) Положительный полюс источ­ника электрического тока.

Рассмотренный прибор называется ваку­умным диодом, строение одного из которых показано на рис. 7.8. Практически диод про­водит ток лишь в одном направлении — когда анод заряжен положительно. Поэтому его используют в основном для выпрям­ления переменных токов. Однако в наше время вакуумные диоды в выпрямителях повсеместно вытеснены полупроводниковы­ми диодами — более надежными, экономич­ными, долговечными.

Источник

Почему существует ток насыщения в вакуумном диоде? (10 декабря 2009)

Вопрос мой. Задаю его, потому что в учебниках не встретил на него ответа.

  • версия для печати
  • Войдите или зарегистрируйтесь, чтобы отправлять комментарии

Комментарии

  • Войдите или зарегистрируйтесь, чтобы отправлять комментарии

Ведь, согласно определению, ток (сила тока) — это скорость изменения зарядов в единицу времени, и непрекращающийся разгон электронов, являющихся носителями зарядов, должен был бы вызвать также непрекращающийся рост тока через диод. На самом же деле ток, начиная с некоторого значения напряжения, перестаёт расти и остаётся неизменным при дальнейшем повышении напряжения.

  • Войдите или зарегистрируйтесь, чтобы отправлять комментарии
  • Войдите или зарегистрируйтесь, чтобы отправлять комментарии
  • Войдите или зарегистрируйтесь, чтобы отправлять комментарии
  • Войдите или зарегистрируйтесь, чтобы отправлять комментарии
  • Войдите или зарегистрируйтесь, чтобы отправлять комментарии

А если увеличивать при этом температуру катода?
Ток насыщения увеличится.

  • Войдите или зарегистрируйтесь, чтобы отправлять комментарии

e (заряд электрона) и S (площадь сечения потока электронов) — величины постоянные. А что такое n и V?

P. S. Кто-то постоянно спрашивает про температуру катода. В данном случае она принимается постоянной. Просьба не уводить вопрос в сторону.

  • Войдите или зарегистрируйтесь, чтобы отправлять комментарии
  • Войдите или зарегистрируйтесь, чтобы отправлять комментарии

1. Если разность потенциалов между электродами равна нулю, то сила анодного тока равна нулю, при условии, что расстояние между электродами достаточно большое (если электроды расположены близко, то незначительный ток будет идти). Вылетевшие из катода электроны образуют электронное облако, создающее поле, тормозящее вновь вылетающие электроны. В результате дальнейшая эмиссия электронов прекращается. Сколько электронов вылетело из металла, столько же в него возвращается под действием обратного поля электронного облака.

2. При создании между электродами поля, ускоряющего электроны, электронное облако рассасывается, и возникает ток. Сила тока возрастает с разностью потенциалов. Сила тока пропорциональна

I = α (ΔU) 3/2 − это формула Богуславского.

Сила тока возрастает быстрее, чем прямо пропорционально. При дальнейшем увеличении разности потенциалов возрастание силы тока начнет задерживаться, так как общее число электронов, испускаемых катодом при постоянной температуре, ограничено.

Когда разность потенциалов достигнет определенного значения, достаточного, чтобы отсасывать от катода все те электроны, которые из него испускаются, дальнейшее возрастание тока прекращается вовсе. При этом достигается ток насыщения.

На основании сказанного можно считать, что сила тока насыщения численно равна заряду всех электронов, испускаемых в единицу времени данным катодом при данной температуре.

  • Войдите или зарегистрируйтесь, чтобы отправлять комментарии

2. «. дальнейшее возрастание тока прекращается вовсе» — звучит несколько декларативно.

Хотелось бы именно знать, почему это происходит? Ведь все отсосанные электроны тоже летят с разными скоростями к аноду в зависимости от приложенного напряжения, т.е. чем больше напряжение, тем больше их скорость. Согласно же формуле I = e*n*V*S, где V — скорость электронов, ток I линейно зависит от V, т.е. от скорости электронов и никакого насыщения, вроде бы, не должно быть. Во всяком случае, математически это не видно.

  • Войдите или зарегистрируйтесь, чтобы отправлять комментарии
  • Войдите или зарегистрируйтесь, чтобы отправлять комментарии
  • Войдите или зарегистрируйтесь, чтобы отправлять комментарии
  • Войдите или зарегистрируйтесь, чтобы отправлять комментарии
  • Войдите или зарегистрируйтесь, чтобы отправлять комментарии

На движение электронов в лампе сильно влияет отрицательный пространственный заряд, образуемый электронами, находящимися между катодом и анодом. Если предположить, что анод и катод представляют собой бесконечные параллельные плоскости, между которыми нет электронов, то поле между ними, созданное анодным напряжением Uа, однородно и потенциалы точек поля возрастают равномерно от катода к аноду. Так как потенциал катода условно принимают равным нулю, то прямая распределения потенциала между анодом и катодом (прямая 1 на рис. 11.2) проходит через нуль.

Как следует из формулы v = ?(2eU / m), скорость электронов тем больше, чем большую разность потенциалов они проходят. Поэтому по мере приближения к аноду скорость электронов увеличивается. Так как число электронов, проходящих в единицу времени через любое сечение лампы, одно и то же, то с увеличением скорости плотность потока летящих электронов уменьшается. Таким образом, наибольшую плотность отрицательный пространственный заряд имеет у катода. Этот заряд снижает потенциалы тех точек, в которых он находится. У катода, где плотность заряда наибольшая, снижение потенциала также наибольшее (кривая 2 на рис. 11.2). При большой величине тока эмиссии плотность пространственного заряда у катода настолько велика, что потенциалы точек вблизи катода отрицательны (кривая 3 на рис. 11.2).

Если распределение потенциала соответствует кривым 1 или 2, то каждый вылетевший из катода электрон попадет в ускоряющее поле и долетит до анода. В этом случае анодный ток равен току эмиссии катода, поэтому его величина при неизменном токе накала и, следовательно, при неизменном токе эмиссии остается постоянной даже с увеличением анодного напряжения. Такой режим работы лампы называется режимом насыщения, а соответствующий ему анодный ток — током насыщения.

Если потенциалы точек поля у катода отрицательны (кривая 3 на рис. 11.2), то поле тормозит электроны и они образуют вблизи катода электронное облако, т. е. отрицательный пространственный заряд у катода увеличивается. При этом некоторые электроны из облака возвращаются обратно на катод, а на их место с его поверхности поступают другие электроны. Только электроны, обладающие большими скоростями и достаточной энергией, преодолевают действие тормозящего поля и достигают анода. При этом режиме, который называется режимом пространственного заряда, анодный ток меньше тока эмиссии. При увеличении анодного напряжения анодный ток возрастает, так как возрастают потенциалы всех точек между анодом и катодом.

При достаточно большой величине анодного напряжения потенциалы всех точек поля становятся положительными и наступает режим насыщения.

Источник

Читайте также:  Зарядка аккумуляторных батарей при постоянном зарядном токе