Elektrisk ström i vakuum

I teknisk mening kallas rymden ett vakuum, mängden materia i vilken, jämfört med ett vanligt gasformigt medium, är obetydlig. Vakuumtrycket är minst två storleksordningar lägre än atmosfärstrycket; under sådana förhållanden finns det praktiskt taget inga kostnadsfria avgiftsbärare i den.

Men som vi vet elchock kallas den ordnade rörelsen av laddade partiklar under inverkan av ett elektriskt fält, medan det i ett vakuum per definition inte finns något sådant antal laddade partiklar som är tillräckligt för att bilda en stabil ström. Detta betyder att för att skapa en ström i ett vakuum är det nödvändigt att på något sätt lägga till laddade partiklar till den.

1879 upptäckte Thomas Edison fenomenet termionisk strålning, som idag är ett av de beprövade sätten att få fria elektroner i vakuum genom att värma upp en metallkatod (negativ elektrod) till ett sådant tillstånd att elektroner börjar flyga ut ur den. Detta fenomen används i många elektroniska vakuumapparater, särskilt i vakuumrör.

Låt oss placera två metallelektroder i ett vakuum och ansluta dem till en likspänningskälla, och sedan börja värma upp den negativa elektroden (katoden). I detta fall kommer den kinetiska energin hos elektronerna inuti katoden att öka. Om elektronenergin som dessutom erhålls på detta sätt visar sig vara tillräcklig för att övervinna potentialbarriären (för att utföra katodmetallens arbetsfunktion), kommer sådana elektroner att kunna fly in i utrymmet mellan elektroderna.

Eftersom det är mellan elektroderna elektriskt fält (skapad av ovanstående källa), bör elektroner som kommer in i detta fält börja accelerera i anodens riktning (positiv elektrod), det vill säga teoretiskt kommer en elektrisk ström att uppstå i ett vakuum.

Men detta är inte alltid möjligt, och bara om elektronstrålen kan övervinna den potentiella gropen på katodens yta, vars närvaro beror på uppkomsten av en rymdladdning nära katoden (elektronmoln).

För vissa elektroner kommer spänningen mellan elektroderna att vara för låg jämfört med deras genomsnittliga kinetiska energi, detta kommer inte att räcka för att komma ut ur brunnen och de kommer att gå tillbaka, och för vissa kommer den att vara tillräckligt hög för att lugna ner elektronerna - och framåt och börjar accelereras av det elektriska fältet. Således, ju högre spänning som appliceras på elektroderna, desto fler elektroner kommer att lämna katoden och bli strömbärare i ett vakuum.

Så ju högre spänningen är mellan elektroderna som är placerade i ett vakuum, desto mindre är djupet på potentialbrunnen nära katoden.Som ett resultat visar det sig att strömtätheten i vakuumet under termionisk strålning är relaterad till anodspänningen genom ett förhållande som kallas Langmuirs lag (till ära av den amerikanske fysikern Irving Langmuir) eller lagen om den tredje:

Till skillnad från Ohms lag är förhållandet här icke-linjärt. Dessutom, när potentialskillnaden mellan elektroderna ökar, kommer vakuumströmtätheten att öka tills mättnad inträffar, ett tillstånd där alla elektroner från elektronmolnet vid katoden når anoden. Att ytterligare öka potentialskillnaden mellan elektroderna kommer inte att resultera i en ökning av strömmen. R

Olika katodmaterial har olika emissivitet, kännetecknad av mättnadsströmmen. Mättnadsströmtätheten kan bestämmas med Richardson-Deshmans formel, som relaterar strömtätheten till katodmaterialets parametrar:

Här:

Denna formel härleddes av forskare baserat på kvantstatistik.