Электрический ток в вакууме

  В современной технике довольно широко применяются электровакуум­ные приборы (электронные лампы, вакуумные фотоэлементы), в которых обеспечиваются условия для возникновения и поддержа­ния электрического тока в среде, не обладающей электропроводно­стью.

 Простейшим простейший электровакуумным прибором является двухэлектродная лампа (диод), схема которой дана на рис. 2.3.1. Два металлических электрода, находящихся внутри стеклянного или металлического баллона, из которого удален воздух,  имеют вы

воды наружу, что позволяет подвести к ним электрическое напряжение. Один электрод соединен с отрицатель­ным полюсом источника напряжения и называется катодом К. Другой электрод соединен с положительным полюсом источника и называется анодом А.

     Напряжение между электродами создает в вакууме электрическое поле, которое необходимо для возникновения и поддержания электрического тока между электродами. Однако этого условия недостаточно. Электрический ток не может возникнуть, если внутри баллона нет свободных заряженных частиц. Для того чтобы ток возник и поддерживался, необходимо в пространство между электродами непрерывно вводить свободные заряженные частицы. В электровакуумных приборах для этого используется физический процесс выхода свободных электронов из катода — электронная эмиссия.

   Выход свободных электронов из металла может быть и при нор­мальной температуре. Но отделившиеся от металла электроны не могут удалиться более чем на несколько межатомных расстояний, так как металл, заряженный положительно, электростатическими силами притягивает их обратно. Процессы испускания и поглоще­ния электронов металлом идут одновременно, поэтому около като­да имеется электронное облако, которое тоже препятствует выхо­ду электронов из металла. Электрическое поле между металлом и электронным облаком создает для свободных электронов на гра­нице металл—вакуум потенциаль­ный барьер с разностью потенциа­лов U0.

Без специальных мер по увели­чению кинетической энергии сво­бодных электронов до величины, при которой возможно преодоле­ние потенциального барьера, элек­тронная эмиссия проявляется на­столько слабо, что практически ее использовать нельзя.

Электрон может преодолеть потенциальный барьер и выйти из ме­талла, если ему извне сообщить до­полнительную энергию, равную работе, которая затрачивается на перемещение электрона через поверхностный слой на границе металла с вакуумом. Величина этой работы, равная произведению величины заряда электрона е и напряжения U0 называется работой выхода

                                         А0 = е U0                                     (2.3.1)

Одним из способов увеличения электронной эмиссии является нагревание металла. В этом случае эмиссия электронов называется термоэлектронной.

В электронной лампе источником свободных электронов (эмит­тером) является катод, нагретый до определенной температуры; на­пример, рабочая температура катода из вольфрама 2250 — 2550 °С.

Применение в качестве эмиттеров материалов, характеризую­щихся меньшей работой выхода, чем вольфрам (окислы бария, стронция), позволяет значительно снизить рабочую температуру катода (до 550—1000 °С). Электроны, перешедшие из катода в ваку­ум, под действием электрического поля направляются на анод. При таких условиях промежуток между электродами электронной лам­пы является проводящим, а в цепи рис. 2.3.1 устанавливается элек­трический ток, называемый анодным (Iа)

Величина анодного тока зависит от различных факторов, важ­нейшими из которых являются температура катода Т и напря­жение Ua. Эти зависимости, называемые вольт-амперными (анодными) ха­рактеристиками, показаны на рис. 2.3.2. С ростом напряжения ток сначала медленно, а затем резко возрастает, что объясняется уве­личением скорости движения электронов к аноду.

При некоторой величине Ua и температуре катода Т1 анодный ток достигает тока эмиссии I1, когда все электроны, покинувшие катод, достигают анода. Пологий участок вольт-амперной характеристики называется участком насыщения. При увеличении температуры  ток  эмиссии возрастает,  а  пологий  участок  кривой

                     Рис. 2.3.2                 I = f(Ua) располагается на графике выше.

Если потенциал катода оказывается выше потенциала анода, ток в цепи практически равен нулю, т.к. электрическое поле направлено от катода к аноду; электроны, покинувшие катод, не могут достигнуть анода, потому что под действием поля возвращаются на катод. Это «запирающее» свойство диода используется для выпрямления переменного тока.                                                                                

Энергия, необходимая для преодоления потенциального барьера, может быть сообщена электронам излучением (видимым, ультрафиолетовым, инфракрасным). В этом случае наблюдается фотоэлектронная эмиссия – явление, открытое в 1888 г. профессором Московского  университета А.Г. Столетовым.

Электроны из проводника могут быть также вырваны действием силь­ного электрического поля (напряженность порядка 10 В/см). Та­кая эмиссия называется автоэлектронной, или холодной. В прибо­рах, работающих по принципу холодной эмиссии, наиболее распро­странен ртутный катод.

Контрольные вопросы

1 Какие частицы находится в межэлектродном пространстве работающего лампового диода? 

2 С какой целью производится подогрев катода?

3 Будет ли работать ламповый диод с подогревом анода и холодным катодом?

4 Как изменится анодный ток при уменьшении температуры катода?

5 Каким образом можно увеличить анодный ток насыщения?

6 Как изменится анодный ток, если изменить полярность анода и катода?

7 Для каких целей можно использовать фотоэлектронную эмиссию?

Электромагнитные явления