Ток в вакууме может быть обусловлен движением. Ток, электрический ток в вакууме. Тема. 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.
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.
Важнейшими приборами в электронике первой половины ХХ в. были электронные лампы, в которых использовался электрический ток в вакууме. Однако им на смену пришли полупроводниковые приборы. Но и сегодня ток в вакууме используется в электронно-лучевых трубках, при вакуумном плавлении и сварке, в том числе в космосе, и во многих других установках. Это и определяет важность изучения электрического тока в вакууме.
Вакуум (от лат. vacuum – пустота) – состояние газа при давлении, меньшем атмосферного. Это понятие применяется к газу в замкнутом сосуде или в сосуде, из которого откачивают газ, а часто и к газу в свободном пространстве, например к космосу. Физической характеристикой вакуума есть соотношение между длиной свободного пробега молекул и размером сосуда, между электродами прибора и т.д.
Рис.1. Откачивание воздуха из сосуда
Когда речь идет о вакууме, то почему-то считают, что это совсем пустое пространство. На самом же деле это не так. Если из какого-нибудь сосуда откачивать воздух (рис.1 ), то количество молекул в нем с течением времени будет уменьшаться, хотя все молекулы из сосуда удалить невозможно. Так когда же можно считать, что в сосуде создан вакуум?
Молекулы воздуха, двигаясь хаотически, часто сталкиваются между собой и со стенками сосуда. Между такими столкновениями молекулы пролетают определенные расстояния, которые называются длиной свободного пробега молекул. Понятно, что при откачивании воздуха концентрация молекул (их количество в единице объема) уменьшается, а длина свободного пробега – увеличивается. И вот наступает момент, когда длина свободного пробега становится равной размерам сосуда: молекула движется от стенки к стенке сосуда, практически не встречаясь с другими молекулами. Вот тогда-то и считают, что в сосуде создан вакуум, хотя в нем еще может быть много молекул. Понятно, что в меньших по размерам сосудах вакуум создается при больших давлениях газа в них, чем в больших сосудах.
Если продолжать откачивание воздуха из сосуда, то говорят, что в нем создается более глубокий вакуум. При глубоком вакууме молекула может много раз пролететь от стенки к стенке, прежде чем встретится с другой молекулой.
Откачать все молекулы из сосуда практически невозможно.
Где берутся свободные носители зарядов в вакууме?
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.2 ), то часть свободных электронов в металле будет иметь достаточную энергию, чтобы выйти из металла (выполнить работу выхода). Явление излучения электронов накаленными телами называется термоэлектронной эмиссии.
Рис. 2. Излучение электронов раскаленным проводником
Электроника и радио почти ровесники. Правда, поначалу радио обходилось без своей сверстницы, но позднее электронные приборы стали материальной основой радио, или, как говорят, его элементарной базой.
Начало электроники можно отнести к 1883 году, когда знаменитый Томас Альфа Эдисон, пытаясь продлить срок службы осветительной лампы с угольной нитью накаливания, ввел в баллон лампы, из которой откачан воздух, металлический электрод.
Именно этот опыт привел Эдисона к его единственному фундаментально-научному открытию, которое легло в основу всех электронных ламп и всей электроники до транзисторного периода. Открытое им явление впоследствии получило название термоэлектронной эмиссии.
Внешне опыт Эдисона выглядел довольно просто. К выводу электрода и одному из выводов раскаленной электрическим током нити он подсоединил батарею и гальванометр.
Стрелка гальванометра отклонялась всякий раз, когда к электроду подсоединялся плюс батареи, а к нити – минус. Если полярность менялась, то ток в цепи прекращался.
Эдисон обнародовал этот эффект и получил патент на открытие. Правда, работу свою он, как говорится, до ума не довел и физическую картину явления не объяснил. В это время электрон еще не был открыт, а понятие «термоэлектронная эмиссия», естественно, могло появиться лишь после открытия электрона.
Вот в чем ее суть. В раскаленной металлической нити скорость движения и энергия электронов повышаются настолько, что они отрываются от поверхности нити и свободным потоком устремляются в окружающее ее пространство. Вырывающиеся из нити электроны можно уподобить ракетам, преодолевшим силу земного притяжения. Если к электроду будет присоединен плюс батареи, то электрическое поле внутри баллона между нитью накаливания и электродом устремит к нему электроны. То есть внутри лампы потечет электрический ток.
Поток электронов в вакууме является разновидностью электрического тока. Такой электрический ток в вакууме можно получить, если в сосуд, откуда тщательно откачивается воздух, поместить нагреваемый катод, являющийся источником «испаряющихся» электронов, и анод. Между катодом и анодом создается электрическое поле, сообщающее электронам скорости в определенном направлении.
В трубках телевизоров, радиолампах, установках для плавления металлов электронным лучом, многих других установках электроны движутся в вакууме. Каким образом получают потоки электронов в вакууме? Как управляют этими потоками?
Рис.3
Мы знаем, что в металлах имеются электроны проводимости. Средняя скорость движения этих электронов зависит от температуры металла: она тем больше, чем выше температура. Расположим в вакууме на некотором расстоянии друг от друга два металлических электрода (рис.3 ) и создадим между ними определенную разность потенциалов. Тока в цепи не будет, что свидетельствует об отсутствии в пространстве между электродами свободных носителей электрического заряда. Следовательно, в металлах имеются свободные электроны, но они удерживаются внутри металла и при обычных температурах практически
не могут выходить из него. Для того чтобы электроны смогли выйти за пределы металла (аналогично вылетанию молекул за пределы жидкости при ее испарении), они должны преодолеть силы электрического притяжения со стороны избытка положительного заряда, возникшего в металле вследствие вылетания электронов, а также сил отталкивания со стороны электронов, которые вылетели ранее и образовали вблизи поверхности металла электронное «облачко». Иначе говоря, чтобы вылететь из металла в вакуум, электрон должен выполнить определённую работу А против этих сил, естественно, разную для разных металлов. Эту работу называют работой выхода электронов из металла. Работа выхода выполняется электронами за счет их кинетической энергии. Поэтому ясно, что медленные электроны вырваться из металла не могут, а вырываются только те, кинетическая энергия которых Е к превышает работу выхода, то есть Е к ≥ А. Выход свободных электронов из металла называют эмиссией электронов .
Для того чтобы существовала эмиссия электронов, необходимо сообщить электронам проводимости металлов кинетическую энергию, достаточную для выполнения работы выхода. В зависимости от способа сообщения электронам необходимой кинетической энергии бывают различные типы электронной эмиссии. Если энергия сообщается электронам проводимости за счет бомбардировки металла извне какими-то иными частицами (электронами, ионами), имеет место вторичная электронная эмиссия . Эмиссия электронов может происходить под влиянием облучения металла светом. В этом случае наблюдается фотоэмиссия , или фотоэлектрический эффект . Возможно также вырывание электронов из металла под действием сильного электрического поля – автоэлектронная эмиссия . Наконец, электроны могут приобретать кинетическую энергию за счет нагревания тела. В этом случае говорят об термоэлектронной эмиссии .
Рассмотрим подробнее явление термоэлектронной эмиссии и его применение.
При обычных температурах мизерное число электронов может обладать кинетической энергией, сравнимой с работой выхода электронов из металла. С повышением температуры число таких электронов растет и при нагревании металла до температур порядка 1000 – 1500 градусов уже значительное число электронов будет иметь энергию, превышающую работу выхода из металла. Именно эти электроны могут вылететь из металла, но они не удаляются от его поверхности, поскольку металл при этом заряжается положительно и притягивает электроны. Поэтому около нагретого металла создается «облачко» электронов. Часть электронов из этого «облачка» возвращается обратно в металл, и в то же время из металла вылетают новые электроны. При этом между электронным «газом» и электронным «облачком» устанавливается динамическое равновесие, когда число электронов, вылетающих за определённое время из металла, сравнивается с числом электронов, которые за то же время возвращаются из «облачка» в металл.
Любой ток появляется только при наличии источника со свободными заряженными частицами. Это связано с тем, что в вакууме отсутствуют какие-либо вещества, в том числе и электрические заряды. Поэтому вакуум считается самым лучшим . Для того, чтобы в нем стало возможным прохождение электрического ток а, нужно обеспечить наличие в достаточном количестве свободных зарядов. В этой статье мы рассмотрим что представляет собой электрический ток в вакууме.
Как электрический ток может появиться в вакууме
Для того, чтобы создать в вакууме полноценный электрический ток, необходимо использовать такое физическое явление, как термоэлектронная эмиссия. Она основана на свойстве какого-либо определенного вещества испускать при нагревании свободные электроны. Такие электроны, выходящие из нагретого тела, получили название термоэлектронов, а все тело целиком называется эмиттером.
Термоэлектронная эмиссия лежит в основе работы вакуумных приборов, более известных, как электронные лампы. В самой простейшей конструкции содержится два электрода. Один из них катод, представляет собой спираль, материалом которой служит молибден или вольфрам. Именно он накаливается электрическим ток ом. Второй электрод называется анодом. Он находится в холодном состоянии, выполняя задачу по сбору термоэлектронов. Как правило, анод изготавливается в форме цилиндра, а внутри его размещается нагреваемый катод.
Применение ток а в вакууме
В прошлом веке электронные лампы играли ведущую роль в электронике. И, хотя, их давно уже заменили полупроводниковые приборы, принцип работы этих устройств применяется в электронно-лучевых трубках. Данный принцип используется при сварочных и плавильных работах в вакууме и других областях.
Таким образом, одной из разновидностей ток а, является электронный по ток, протекающий в вакууме. При накаливании катода, между ним и анодом появляется электрическое поле. Именно оно придает электронам определенное направление и скорость. По этому принципу работает электронная лампа с двумя электродами (диод), которая широко применяется в радиотехнике и электронике.
Устройство современного представляет собой баллон из стекла или металла, откуда предварительно откачан воздух. Внутрь этого баллона впаиваются два электрода катод и анод. Для усиления технических характеристик устанавливаются дополнительные сетки, с помощью которых увеличивается по ток электронов.
