Общие сведения
Термин вакуум аналогичен слову «пустота». В физике под ним понимается свободное от всех веществ пространство. Однако ученые считают, что такого места не может быть. Они объясняют это тем, что колебания должны существовать даже в самом пустом пространстве. Экспериментально это доказал Генрих Казимир, описавший явление в своем реферате.
Он предположил, что вакуум представляет собой «резервуар», в котором ряд возмущений возникает вблизи абсолютного нуля. Его опыт был следующим. Ученый взял две заряженные пластины и поместил их между вакуумной камерой. Под действием внешних фотонов проводники притягивались друг к другу. То есть хоть и слабо, но мощность прошла через комнату.
Поэтому в физике есть специальный термин — физический вакуум. Под ним понимается замкнутое пространство, где давление в несколько раз меньше по сравнению с газовой средой. То есть значение не имеет значения и им можно пренебречь.
Поскольку электричество генерируется движением элементарных носителей заряда, которые в вакууме практически отсутствуют, его нельзя получить, просто воздействуя на среду. Следовательно, единственный способ провести ток через пустоту — добавить в нее заряженные частицы.
В 1879 году Эдисон, изучая причину перегорания нити накала в лампах накаливания, обнаружил образование темного налета вблизи анодного вывода.
Изобретатель объяснил этот эффект тем, что внутри колбы возникает разряд, в результате которого из проводника выбиваются заряженные частицы угольной пыли. Он предположил, что если в лампу ввести дополнительный электрод с положительным зарядом, то эти частицы будут притягиваться к нему.
Так был открыт эффект термоэлектронной эмиссии. Другими словами, эмиссия заряженных частиц при нагреве проводника до температур 1500 — 2500°С. При таких значениях электроны разрывают связи и высвобождаются.
Это явление похоже на испарение молекул с поверхности жидкости. Он нашел свое применение в вакуумных электронных устройствах. Например, он используется в электронно-лучевых трубках, ламповых диодах.
Виды вакуума
Как ведет себя электрический ток в вакууме? Как всякий ток, вакуумный ток возникает при наличии источника свободных заряженных частиц.
Какие частицы создают электрический ток в вакууме? Для создания вакуума в закрытом сосуде необходимо откачать из него газ. Обычно это делается с помощью вакуумного насоса. Это такое устройство, которое необходимо для откачки газа или пара до необходимого для эксперимента давления.
Существует четыре типа вакуума: низкий вакуум, средний вакуум, высокий вакуум и сверхвысокий вакуум.
Рис. 1. Вакуумные свойства
Основные понятия
На первый взгляд ток и вакуум кажутся несовместимыми понятиями. В самом деле, в диэлектрике упорядоченное движение зарядов невозможно. Но на самом деле это не совсем так. Чтобы понять, почему в вакууме возникает проводимость, необходимо изучить природу тока и что представляет собой газовое пространство с давлением ниже атмосферного.
В каждом теле есть частицы. Они могут находиться в свободном состоянии или быть связанными с атомом. Оба имеют определенный заряд. Первое случайное движение в теле компенсирует движение зарядов. Но если к материалу приложить силу, заставляющую носители заряда двигаться в одном направлении, возникнет электрический ток.
Его прочность определяется количеством частиц, проходящих через поперечное сечение тела в единицу времени. Измеряется в амперах. Носителями заряда могут быть:
- протоны;
- ионы;
- электроны;
- дыра.
Каждое физическое тело состоит из молекул. Они образуются из атомов, вокруг которых вращаются электроны. При химической реакции или внешнем воздействии электромагнитных полей происходит движение электронов.
Их выбивает или притягивает другое тело, в котором отсутствуют элементарные частицы. Результат — ток. Направление совпадает с силой поля, которое формирует движение частиц и создает электричество.
Вакуум — это, по определению, пространство, в котором нет материи. Физики называют это средой, наполненной газом под давлением, которое меньше атмосферного давления. Воздух состоит из молекул, которые хаотично движутся, сталкиваются друг с другом и различными препятствиями. Расстояние, пройденное молекулой после удара, называется средней длиной свободного пробега.
Если воздух заключить в сосуд и из него откачать воздух, то наступит момент, когда молекулы не будут испытывать столкновения. То есть их свободный путь будет определяться размером контейнера. Даже если в сосуде был создан вакуум, некоторое количество молекул останется в среде.
Практически невозможно откачать все частицы. Так называемый глубокий вакуум может образоваться только тогда, когда частица практически не встречает сопротивления движению.
Отсюда следует, что при меньших размерах сосуда вакуум создается при более высоком давлении газа, чем в большой закрытой емкости.
Физики объясняли это явление, проводя аналогию с испарением воды. Как при нагревании воды испускаются молекулы, так и нагретый металл испускает электроны. В результате получается электронное облако.
Для появления электропроводности создается пучок электронов. Для того чтобы появился направленный пучок, в металле проделывается отверстие, в которое уходят рассеянные электроны.
Для термоэмиссионного тока существует так называемая сила насыщения. Он определяется максимальным значением. При этом все эмитированные с поверхности электроны попадают в облако и достигают противоположной пластины — анода.
Плотность насыщения находится по формуле Ричардсона-Дашмана, полученной на основе квантовой статистики: jn = C * T * 2 * eA/(kT). Здесь А — работа выхода, Т — температура нагрева, С — эталонное значение.
Следует отметить, что с повышением температуры увеличивается число носителей заряда, у которых кинетическая энергия теплового движения больше работы выхода, и процесс термоэлектронной эмиссии проявляется более заметно.
Читайте также: Экономия электроэнергии на предприятии: необходимые мероприятия
Электрический ток в вакууме
Ток в вакууме не может существовать сам по себе, так как вакуум является диэлектриком. В этом случае можно создать ток с помощью термоэлектронной эмиссии. Термоэлектронная эмиссия — это явление, при котором электроны высвобождаются из металлов при нагревании. Такие электроны называются термоэлектронами, а все тело является излучателем.
Это явление впервые заметил американский ученый Томас Эдисон в 1879 году.
Рис. 2. Термоэлектронная эмиссия
Выделение делится на:
- вторичный электронный (выбивает быстрые электроны);
- термоэмиссионный (испарение электронов с горячего катода);
- фотоэлектронный (электроны выбиваются светом);
- электронный (пинает из сильного поля).
Электроны могут вылететь из металла, если у них достаточно кинетической энергии. Она должна быть больше работы выхода электронов для данного металла. Электроны, испускаемые катодом, образуют электронное облако.
Половина из них возвращается в исходное положение. В равновесном состоянии количество испущенных электронов равно числу вернувшихся. Плотность электронного облака прямо пропорциональна температуре (т е с повышением температуры плотность облака увеличивается).
Когда электроды подключены к источнику, между ними создается электрическое поле. Если положительный полюс источника тока подключить к аноду (холодному электроду), а отрицательный полюс к катоду (горячему электроду), то напряженность электрического поля будет направлена на нагретый электрод.
Физика процесса
Электрический ток в вакууме может генерироваться только направленным движением электронов. Их можно ввести, поместив в металлическую среду. Чтобы частицы покинули поверхность проводника, им необходимо сообщить энергию. Этот процесс называется работой выхода электронов, покидающих вещество.
Его значение для различных материалов было установлено экспериментально. Так, для наиболее популярных веществ работа выхода равна:
- вольфрам — 4,5 эВ;
- кадмий — 2,2 эВ;
- цинк — 4,2 эВ;
- оксид бария — 1 эВ.
То есть, чтобы извлечь электрон, нужно придать ему определенную энергию. Только тогда он сможет взлететь с поверхности. В нормальном состоянии энергия электрона в металле составляет 3,2 КТ (тепловая). При комнатной температуре (T = 300 K) KT = 0,026 эВ. Этого значения будет явно недостаточно для появления электропроводности в вакууме.
Если тело нагреть до 3 тысяч градусов Кельвина (многие металлы начинают плавиться), то КТ = 0,26 эВ. Этого значения еще недостаточно, чтобы выбить электроны. Но на самом деле носители имеют определенное распределение энергии.
Найденное значение показывает среднее значение. Поэтому в теле из-за большой плотности заряженных частиц обязательно будут электроны, обладающие энергией, превышающей работу выхода.
Электронное облако появляется над поверхностью проводника. Кроме того, чем выше температура, тем плотнее он будет. Испущенный электрон вызывает изменение заряда металла. В результате он начинает отстраняться. Устанавливается равновесие. Сколько электронов вылетает, столько же возвращается.
Для формирования тока зарядов необходимо ввести вспомогательную цепь. Другими словами, дать дополнительную энергию электронам. В этом случае зависимость между током и напряжением не будет соответствовать закону Ома.
Ведь образовавшееся электронное облако задерживает вновь испускаемые электроны. Но если увеличить напряжение на другом выходе, то концентрация носителей в генерируемом поле уменьшится, а значит, уменьшится и тормозной эффект. Это увеличит ток.
Таким образом, выброшенные электроны можно сравнить с электрическими ракетами, преодолевшими земное притяжение. Если положительный электрод источника тока подключить к выходу, то возникающее электромагнитное поле между катушкой и электродом внутри колбы с вакуумом будет устремлять к ней электроны. Внутри будет течь электрический ток.
Вакуумный диод
Типичным устройством, использующим проводимость безвоздушного пространства, является вакуумная двухэлектродная электронная лампа. Если к его положительному выводу приложено обратное напряжение, все испускаемые электроны возвращаются катодом. При прямом напряжении носители заряда устремляются к аноду. Другими словами, сигнал переменного тока выпрямляется. Устройство работает как диод.
Исследовать возникновение электрического тока в вакууме и газах можно с помощью радиоэлемента, состоящего из следующих частей:
- герметичная колба;
- металлический электрод (анод);
- вольфрамовая катушка (катод);
- реостат.
Вольфрамовая нить находится в герметичной колбе и соединена через реостат с генератором для регулировки силы тока. Электрод подключается к микроамперметру. От него цепь, проходящая через балластный резистор, замыкается на катоде.
Реостат может регулировать температуру катода. Переменное сопротивление устанавливает разность потенциалов между положительной и отрицательной клеммами. Вольт-амперная характеристика, то есть зависимость анодного тока от напряжения, будет формироваться следующим образом. Допустим, нет напряжения.
Тогда электроны, вылетевшие из катода, будут притягиваться обратно. Ток в цепи анода не течет. Если на выход подается отрицательный сигнал, электроны будут отталкиваться. Ток больше не течет.
Когда на анод подается положительное напряжение, создается электрическое поле. Он создает силу, направленную к аноду. Скорость полета электронов различна, так как часть из них отталкивается от уже испущенных ранее частиц.
Чем больше напряженность поля, тем сильнее начнет течь ток. Но изменение не будет происходить линейно. Например, если напряжение увеличить вдвое, количество электронов, испускаемых катодом, увеличится более чем на это число. Чем больше разность потенциалов, тем меньше объемный заряд электронов.
На графике эта зависимость будет представлять собой полукубическую параболу. Его можно описать приближенной формулой: I = U3/2. Если вы продолжаете увеличивать напряжение, напряжение становится намного больше, чем поле, создаваемое космическим облаком.
Все электроны начнут приходить к аноду. Ток больше не будет зависеть от напряжения. На ВАХ это изображается прямой линией, а эффект называется током насыщения.
Электронно-лучевая трубка
В вакуумных радиолампах поток электронов направлен от анода к катоду во всех направлениях. Но можно создать такие структуры, где электроны будут направлены в одну сторону. Этот поток создается с помощью специальных фокусирующих пластин. Его часто называют катодным лучом. Его можно использовать для нагрева тел, например, в вакуумных печах.
По своей природе он обладает следующими свойствами:
- на него действует электрическое и магнитное поле (сила Лоренца);
- попадая на некоторые вещества, например сульфид цинка, сфокусированный поток электронов приводит к интересному результату — люминесценции;
- луч генерирует рентгеновские лучи.
Эти свойства составляют основу класса вакуумных устройств, называемых электронно-лучевыми трубками (ЭЛТ).
Такое устройство устроено следующим образом. Электроны в устройстве образуются за счет термоэлектронной эмиссии. Катод прибора представляет собой цилиндр с плоским основанием, покрытым оксидом бария. Этот электрод испускает электроны. Сетка используется для контроля их интенсивности. Подавая на него напряжение, можно запирать ток или отпирать его.
Главной деталью в определении электронного потока является его узкая направленность. Это может быть достигнуто за счет использования дополнительных выводов анода. Один ускоряет, а другой фокусирует. Проходя указанный набор, ускоренный сфокусированный ток вылетает из ЭЛТ.
На второй анод подается положительное напряжение напрямую, а на ускоряющий через реостат. Разность потенциалов кратна десяткам киловольт.
Вылетев из пушки, струя попадает в экран, покрытый люминофором. Вся эта система находится в колбе с безвоздушным пространством. Для того чтобы иметь возможность перемещать луч по поверхности экрана, используются конденсаторы.
В зависимости от положения их пластин ток отклоняется. Это вызвано напряжением, приложенным к пластинам. От значения луч может притягиваться в ту или иную сторону, существенно изменяя протекание электрического тока в вакууме. Короче говоря, ЭЛТ работает.
