Ηλεκτρικό ρεύμα στο κενό

Από τεχνική άποψη, ο χώρος ονομάζεται κενό, η ποσότητα της ύλης στην οποία, σε σύγκριση με ένα συνηθισμένο αέριο μέσο, ​​είναι ασήμαντη. Η πίεση κενού είναι τουλάχιστον δύο τάξεις μεγέθους χαμηλότερη από την ατμοσφαιρική πίεση. υπό τέτοιες συνθήκες, πρακτικά δεν υπάρχουν φορείς δωρεάν τελών σε αυτό.

Αλλά όπως ξέρουμε ηλεκτροπληξία ονομάζεται διατεταγμένη κίνηση φορτισμένων σωματιδίων υπό τη δράση ηλεκτρικού πεδίου, ενώ στο κενό, εξ ορισμού, δεν υπάρχει τέτοιος αριθμός φορτισμένων σωματιδίων που να επαρκεί για να σχηματίσει σταθερό ρεύμα. Αυτό σημαίνει ότι για να δημιουργηθεί ένα ρεύμα στο κενό, είναι απαραίτητο να προσθέσουμε με κάποιο τρόπο φορτισμένα σωματίδια σε αυτό.

Το 1879, ο Thomas Edison ανακάλυψε το φαινόμενο της θερμιονικής ακτινοβολίας, το οποίο σήμερα είναι ένας από τους αποδεδειγμένους τρόπους απόκτησης ελεύθερων ηλεκτρονίων στο κενό θερμαίνοντας μια μεταλλική κάθοδο (αρνητικό ηλεκτρόδιο) σε τέτοια κατάσταση που τα ηλεκτρόνια αρχίζουν να πετούν έξω από αυτήν. Αυτό το φαινόμενο χρησιμοποιείται σε πολλές ηλεκτρονικές συσκευές κενού, ιδιαίτερα σε σωλήνες κενού.

Ας τοποθετήσουμε δύο μεταλλικά ηλεκτρόδια σε κενό και ας τα συνδέσουμε σε μια πηγή τάσης συνεχούς ρεύματος και, στη συνέχεια, αρχίζουμε να θερμαίνουμε το αρνητικό ηλεκτρόδιο (κάθοδος). Σε αυτή την περίπτωση, η κινητική ενέργεια των ηλεκτρονίων μέσα στην κάθοδο θα αυξηθεί. Εάν η ενέργεια των ηλεκτρονίων που λαμβάνεται επιπλέον με αυτόν τον τρόπο αποδειχθεί επαρκής για να ξεπεράσει το φράγμα δυναμικού (για να εκτελέσει τη λειτουργία εργασίας του μετάλλου της καθόδου), τότε τέτοια ηλεκτρόνια θα μπορούν να διαφύγουν στο χώρο μεταξύ των ηλεκτροδίων.

Αφού υπάρχει ανάμεσα στα ηλεκτρόδια ηλεκτρικό πεδίο (που δημιουργείται από την παραπάνω πηγή), τα ηλεκτρόνια που εισέρχονται σε αυτό το πεδίο θα πρέπει να αρχίσουν να επιταχύνουν προς την κατεύθυνση της ανόδου (θετικό ηλεκτρόδιο), δηλαδή, θεωρητικά, θα συμβεί ηλεκτρικό ρεύμα στο κενό.

Αλλά αυτό δεν είναι πάντα δυνατό και μόνο εάν η δέσμη ηλεκτρονίων είναι σε θέση να ξεπεράσει το δυναμικό κοίλωμα στην επιφάνεια της καθόδου, η παρουσία του οποίου οφείλεται στην εμφάνιση ενός διαστημικού φορτίου κοντά στην κάθοδο (νέφος ηλεκτρονίων).

Για ορισμένα ηλεκτρόνια η τάση μεταξύ των ηλεκτροδίων θα είναι πολύ χαμηλή σε σύγκριση με τη μέση κινητική τους ενέργεια, αυτή δεν θα είναι αρκετή για να βγουν από το φρεάτιο και θα επιστρέψουν, και για μερικά θα είναι αρκετά υψηλή για να ηρεμήσουν τα ηλεκτρόνια προς τα κάτω. και αρχίζουν να επιταχύνονται από το ηλεκτρικό πεδίο. Έτσι, όσο υψηλότερη είναι η τάση που εφαρμόζεται στα ηλεκτρόδια, τόσο περισσότερα ηλεκτρόνια θα φύγουν από την κάθοδο και θα γίνουν φορείς ρεύματος στο κενό.

Έτσι, όσο μεγαλύτερη είναι η τάση μεταξύ των ηλεκτροδίων που βρίσκονται στο κενό, τόσο μικρότερο είναι το βάθος του φρεατίου δυναμικού κοντά στην κάθοδο.Ως αποτέλεσμα, αποδεικνύεται ότι η πυκνότητα ρεύματος στο κενό κατά τη διάρκεια της θερμιονικής ακτινοβολίας σχετίζεται με την τάση της ανόδου με μια σχέση που ονομάζεται νόμος του Langmuir (προς τιμή του Αμερικανού φυσικού Irving Langmuir) ή ο νόμος του τρίτου:

Σε αντίθεση με το νόμο του Ohm, εδώ η σχέση είναι μη γραμμική. Επίσης, καθώς αυξάνεται η διαφορά δυναμικού μεταξύ των ηλεκτροδίων, η πυκνότητα του ρεύματος κενού θα αυξάνεται μέχρι να επέλθει κορεσμός, μια κατάσταση όπου όλα τα ηλεκτρόνια από το νέφος ηλεκτρονίων στην κάθοδο φτάνουν στην άνοδο. Η περαιτέρω αύξηση της διαφοράς δυναμικού μεταξύ των ηλεκτροδίων δεν θα οδηγήσει σε αύξηση του ρεύματος. R

Διαφορετικά υλικά καθόδου έχουν διαφορετική ικανότητα εκπομπής, που χαρακτηρίζεται από το ρεύμα κορεσμού Η πυκνότητα του ρεύματος κορεσμού μπορεί να προσδιοριστεί από τον τύπο Richardson-Deshman, ο οποίος συσχετίζει την πυκνότητα ρεύματος με τις παραμέτρους του υλικού καθόδου:

Εδώ:

Αυτός ο τύπος προήλθε από επιστήμονες με βάση την κβαντική στατιστική.