Електричний струм у вакуумі#
Термоелектронна емісія#
Для розуміння природи електричного струму у вакуумі необхідно спочатку з'ясувати, що таке вакуум.
Вакуум (від латинського слова vacuum, що означає "порожнеча") — фізичний стан газу, при якому тиск нижчий за атмосферний.
У фізиці розрізняють низький, середній та високий (глибокий) вакуум. Коли йдеться про дослідження електричного струму у вакуумі, мається на увазі саме високий (глибокий) вакуум — стан, при якому середня довжина вільного пробігу молекул газу перевищує лінійні розміри посудини, що містить цей газ.
Для виникнення електричного струму у вакуумному просторі необхідна наявність носіїв заряду, найчастіше - електронів. Найвища концентрація вільних електронів спостерігається в металах, однак ці електрони зазвичай не здатні самостійно покинути поверхню металу через сили електростатичного притягання з боку позитивно заряджених іонів кристалічної ґратки. Щоб подолати ці сили утримання, електрон повинен отримати достатню енергію.
Мінімальну енергію, необхідну електрону для виходу з металу, називають роботою виходу і позначають \(A_{вих}\). Електрон зможе залишити поверхню металу лише за умови, що його кінетична енергія \(E_k\) дорівнюватиме роботі виходу або перевищить її:
\[E_k \geq A_{вих} \text{ або } \frac{mv^2}{2} \geq A_{вих}\]
Роботу виходу електронів вимірюють спеціальною позасистемною одиницею - електрон-вольтом (1 еВ = \(1.6 \cdot 10^{-19}\) Дж). Значення роботи виходу визначають експериментально.
Явище випромінювання електронів з поверхні металу отримало назву електронної емісії. Залежно від способу передачі енергії електронам, розрізняють декілька видів емісії.
Види електронної емісії
Термоелектронна емісія - випромінювання електронів з речовини під впливом теплової енергії (нагрівання).
Фотоелектронна емісія - випромінювання електронів під дією електромагнітного випромінювання, що падає на поверхню тіла.
Автоелектронна емісія - випромінювання електронів під впливом сильного зовнішнього електричного поля, що діє біля поверхні провідника.
Вторинна електронна і іонно-електронна емісії - випромінювання електронів внаслідок бомбардування поверхні тіла електронами або іонами відповідно.
Вибухова електронна емісія - випромінювання електронів при локальному переході мікроскопічних ділянок катода в стан плазми.
Для створення електричного струму у вакуумі найчастіше застосовують термоелектронну емісію - процес випромінювання електронів з поверхні нагрітих матеріалів.
При нагріванні металу велика кількість електронів набуває достатню енергію для подолання потенціального бар'єру на межі металу. В результаті навколо поверхні утворюється електронна хмара — скупчення вільних електронів з негативним зарядом, тоді як сама поверхня металу набуває позитивного заряду. Електричне поле, що виникає між електронною хмарою та поверхнею металу, змушує частину електронів повертатися назад у метал. За умов рівноваги кількість електронів, що покидають метал, стає рівною кількості електронів, що повертаються. Підвищення температури металу призводить до збільшення густини електронної хмари.
Цікаво відзначити, що описаний процес формування електронної хмари біля поверхні нагрітого металу нагадує випаровування рідини, коли молекули залишають поверхню і формують насичену пару біля поверхні рідини.
Електричний струм у вакуумі. Вакуумний діод#
Для виникнення електричного струму необхідні дві ключові умови: наявність вільних носіїв заряду та наявність електричного поля.
Щоб забезпечити ці умови, створюють спеціальну конструкцію: у скляний балон з відкачаним повітрям розміщують два електроди - катод та анод. Катод нагрівають за допомогою нитки розжарення (тонкого дроту з тугоплавкого металу, приєднаного до джерела струму). Внаслідок нагрівання з поверхні катода емітуються електрони. Для підвищення ефективності емісії катод зазвичай покривають шаром оксидів лужноземельних металів (Барію, Стронцію, Калію та ін.), які характеризуються низькою роботою виходу електронів. Між катодом та анодом створюють електричне поле, подаючи на катод негативний потенціал, а на анод - позитивний (це називають прямим ввімкненням). У такому електричному полі емітовані з катода електрони рухаються напрямлено до анода, формуючи електричний струм.
Електричний струм у вакуумі - це напрямлений рух вільних електронів, які вивільнилися внаслідок електронної емісії.
Описана вище система, що складається зі скляної колби з вакуумом та розміщених усередині катода й анода, називається вакуумним (ламповим) діодом. Якщо змінити полярність підключення - подати на катод позитивний потенціал, а на анод негативний (зворотне ввімкнення), електрони, що вилітають з катода, будуть відштовхуватися електричним полем і повертатися назад до катода. У цьому випадку струм у системі не виникає. Отже, вакуумний діод проводить струм тільки в одному напрямку, тобто має однобічну провідність.
Однобічна провідність вакуумного діода знайшла застосування в радіоелектроніці для перетворення змінного струму в пульсуючий постійний струм. При підключенні діода до джерела змінного струму в першому півперіоді (коли анод має позитивний потенціал відносно катода) діод проводить струм, а в другому півперіоді (коли анод має негативний потенціал) струм не проходить. В результаті на виході отримується струм, що має постійний напрямок, але змінну величину (пульсуючий струм). У сучасній електроніці вакуумні діоди здебільшого замінені напівпровідниковими аналогами.
Електровакуумна лампа - це загальний термін для широкого класу електронних приладів, у яких електричний струм проходить через вакуум або розріджений газ між електродами. Ця категорія включає різні типи ламп: діоди, тріоди, тетроди, пентоди та інші.
Електровакуумний діод - це конкретний тип електровакуумної лампи, що має лише два електроди: катод (який випромінює електрони) та анод (який їх приймає). Діод дозволяє струму протікати лише в одному напрямку (від катода до анода), виконуючи функцію випрямлення змінного струму.
Електровакуумний тріод - електровакуумна лампа, що має три електроди (катод, анод і сітку). Сітка використовується для керування потоком електронів між катодом і анодом, що дозволяє підсилювати електричний сигнал.
Електровакуумний тетрод — електровакуумна лампа, що має чотири електроди: катод, керувальну сітку, екранувальну сітку та анод.
Рис. 1. Електровакуумний тріод. Glass envelope - скляна колба, Filament (cathode) - нитка (катод), Grid - сітка, Plate (anode) - анодна пластина. CC BY-SA 3.0, Посилання. Wiki
Рис. 2. Діод з катодом прямого нагріву.
Автор: vector version Bastianow - Власна робота, CC BY-SA 2.5, Посилання. Wiki
Рис. 3. Діод з катодом непрямого нагріву.
Автор: Bastianow, CC BY-SA 4.0,
Посилання. Wiki
Рис. 4. Будова електровакуумного діода: 1 - скляна колба; 2 - анод; 3 - катод
CC BY-SA 2.5, Посилання. Wiki
Електронні пучки#
Якщо в анодній пластині вакуумного діода зробити невеликий отвір, частина прискорених електронів пролетить крізь нього, утворюючи електронний пучок - спрямований потік електронів, що рухаються з великою швидкістю.
Електронні пучки мають такі характерні властивості:
При потраплянні на тверді тіла викликають їх нагрівання;
При різкому гальмуванні породжують рентгенівське випромінювання;
Здатні викликати світіння певних речовин (люмінофорів);
Піддаються відхиленню під дією електричних і магнітних полів.
Перша властивість знаходить застосування в технологіях обробки металів - плавленні особливо чистих зразків, зварюванні, спаюванні та різанні металевих деталей у вакуумному середовищі. Друга властивість використовується в рентгенівських апаратах, де під час різкого гальмування електронного пучка виникають електромагнітні коливання з частотою понад \(2 \cdot 10^{17}\) Гц. Третя і четверта властивості знайшли застосування в електронно-променевих трубках - пристроях, що містять керований електронний пучок і спеціальний екран з люмінофорним покриттям, яке світиться в місцях потрапляння електронів. Електронно-променеві трубки тривалий час були основними компонентами осцилографів - приладів для візуалізації та аналізу електричних сигналів, що змінюються з часом.