Электрический ток в вакууме

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.

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.

$A_{вых}=E_0-\mu$

Здесь $A_{вых}$ - работа выхода, которую нужно преодолеть электрону, $E_0$ - его энергия, $\mu$ - 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.

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:

$I=B{U}^{\raisebox{1ex}{$3$}\!\left/ \!\raisebox{-1ex}{$2$}\right.}$

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:

$j=\left(1-hRi\right)A·T^2·e^{\frac{-q\phi }{kT}}$.

Здесь $h$ - постоянная Планка, $hRi$ - усредненное значение коэффициента отражения электронов от потенциального порога, $A$ - термоэлектрическая постоянная, равная $120,4 \frac{A}{{К}^2·с{м}^2}$, $T$ - температура, $q$ - заряд электрона, $q\phi$ - работа выхода, $k$ - постоянная Больцмана.