Електричний струм у вакуумі. Електровакуумніприлади
Найважливішими приладами в електроніціпершої половини ХХ ст. були електронні лампи, в яких використовувавсяелектричний струм у вакуумі. Однак їм на зміну прийшли напівпровідникові прилади.Але і сьогодні струм у вакуумі використовується в електронно-променевих трубках, привакуумному плавленні і зварці, у тому числі в космосі, і в багатьох іншихустановках. Це і визначає важливість вивчення електричного струму у вакуумі.
Вакуум (від лат. vacuum - порожнеча) - стан газу притиску, меншому атмосферного. Це поняття застосовується до газу в замкнутійсудині або в судині, з якої відкачують газ, а часто і до газу у вільномупросторі, наприклад до космосу. Фізичною характеристикою вакууму є співвідношенняміж довжиною вільного пробігу молекул і розміром судини, між електродамиприладу і т.д.
повітря
Рис.1. Відкачування повітря з судини
Коли йдеться про вакуум, точомусь вважають, що цей зовсім порожній простір. Насправді ж це нетак. Якщо з якої-небудь судини відкачувати повітря (рис.1), то кількістьмолекул в ньому з часом зменшуватиметься, хоча всі молекули з судинивидалити неможливо. Так коли ж можна вважати, що в судині створений вакуум?
Молекули повітря, рухаючись хаотично,часто стикаються між собою і зі стінками посудини. Між такимизіткненнями молекули пролітають певні відстані, які називаютьсядовжиною вільного пробігу молекул. Зрозуміло, що при відкачуванні повітряконцентрація молекул (їх кількість в одиниці об'єму) зменшується, а довжинавільного пробігу - збільшується. І ось настає момент, коли довжинавільного пробігу стає рівною розмірам судини: молекула рухається відстінки до стінки судини, практично не зустрічаючись з іншими молекулами. Осьтоді-то і вважають, що в судині створений вакуум, хоча в ньому ще може бути багатомолекул. Зрозуміло, що в менших за розмірами судинах вакуум створюється привеликому тиску газу в них, ніж у великих судинах. Якщо продовжувативідкачування повітря з судини, то говорять, що в ньому створюється більш глибокийвакуум. При глибокому вакуумі молекула може багато раз пролетіти від стінки достінки, перш ніж зустрінеться з іншою молекулою. Відкачати всі молекули зсудини практично неможливо. Де беруться вільні носії зарядів увакуумі? Якщо в судині створений вакуум, то в ньому все ж таки є немало молекул,деякі з них можуть бути і іонізовані. Але заряджених частинок в такійсудині для виявлення помітного струму мало. Як же отримати у вакуумі достатнюкількість вільних носіїв заряду? Якщо нагрівати провідник, пропускаючи поньому електричний струм або іншим способом (рис.2), то частина вільнихелектронів в металі матиме достатню енергію, щоб вийти з металу(Виконати роботу виходу).
Явище випромінювання електроніврозжареними тілами називається термоелектронної емісії.
Рис. 2. Випромінювання електроніврозпеченим провідником
Електроніка і радіо майже ровесники.Правда, спочатку радіо обходилося без своєї однолітки, але пізніше електронніприлади сталі матеріальною основою радіо, або, як кажуть, його елементарноюбазою.
Початок електроніки можна віднести до1883 року, коли знаменитий Томас Альфа Едісон, намагаючись продовжити термін службиосвітлювальної лампи з вугільною ниткою розжарювання, ввів в балон лампи, зякої відкачано повітря, металевий електрод.
Саме цей досвід привів Едісона до йогоєдиного фундаментально-наукового відкриття, яке лягло в основу всіхелектронних ламп і всієї електроніки до транзисторного періоду. Відкрите нимявище згодом отримало назву термоелектронної емісії.
Зовні досвід Едісона виглядав доситьпросто. До висновку електроду і одному з висновків розжареної електричним струмомнитки він під'єднав батарею і гальванометр.
Стрілка гальванометра відхиляласявсякий раз, коли до електроду під'єднувався плюс батареї, а до нитки - мінус.Якщо полярність мінялася, то струм в ланцюзі припинявся.
Едісон обнародував цей ефект іотримав патент на відкриття. Правда, роботу свою він, як кажуть, до розуму недовів і фізичну картину явища не пояснив. В цей час електрон ще не буввідкритий, а поняття "термоелектронна емісія", природно, могло з'явитися лишепісля відкриття електрона.
Ось у чому її суть. У розпеченійметалевій нитці швидкість руху і енергія електронів підвищуються настільки,що вони відриваються від поверхні нитки і вільним потоком спрямовуються внавколишній її простір. Вириваються з нитки електрони можна уподібнитиракетам, що подолали силу земного тяжіння. Якщо до електроду будеприєднаний плюс батареї, то електричне поле усередині балона між ниткоюрозжарення і електродом спрямує до нього електрони. Тобто всередині лампипотече електричний струм.
Потік електронів у вакуумі є різновидомелектричного струму. Такий електричний струм у вакуумі можна отримати, якщо всудину, звідки ретельно відкачується повітря, помістити нагрівається катод,який є джерелом В«випаровуютьсяВ», і анод. Між катодом і анодомстворюється електричне поле, що повідомляє електрони швидкості в певномунапрямку.
В трубках телевізорів, радіолампах,установках для плавлення металів електронним променем, багатьох інших установкахелектрони рухаються у вакуумі. Яким чином одержують потоки електронів ввакуумі? Як управляють цими потоками?
Рис.3
Ми знаємо, що в металах єелектрони провідності. Середня швидкість руху цих електронів залежить відтемператури металу: вона тим більше, чим вище температура. Розташуємо у вакууміна деякій відстані один від одного два металеві електроди (рис.3) істворимо між ними певну різницю потенціалів. Струму в ланцюзі не буде,що свідчить про відсутність в просторі між електродами вільнихносіїв електричного заряду. Отже, в металах є вільніелектрони, але вони утримуються усередині металу і при звичайних температурахпрактично не можуть виходити з нього.
Для того щоб електрони змогли вийтиза межі металу (аналогічно вильоту молекул за межі рідини при їївипаровуванні), вони повинні подолати сили електричного тяжіння з бокунадлишку позитивного заряду, що виник в металі унаслідок вильотуелектронів, а також сил відштовхування з боку електронів, які вилетілираніше і утворили поблизу поверхні металу електронну "хмаркуВ». Інакшекажучи, щоб вилетіти з металу у вакуум, електрон повинен виконатипевну роботу А проти цих сил, природно, різну для різних металів.Цю роботу називають роботою виходу електронів з металу. Робота виходувиконується електронами за рахунок їх кінетичної енергії. Тому ясно, щоповільні електрони вирватися з металу не можуть, а вириваються тільки ті, кінетичнаенергія яких Ек перевищує роботу виходу, тобто Ек ≥ А. Вихідвільних електронів з металу називають емісією електронів.
Для того щоб існувала емісіяелектронів, необхідно повідомити електронам провідності металів кінетичнуенергію, достатню для виконання роботи виходу. Залежно від способуповідомлення електронам необхідної кінетичної енергії бувають різні типиелектронної емісії. Якщо енергія повідомляються електрони провідності за рахунокбомбардування металу ззовні якимись іншими частинками (електронами, іонами),має місце вторинна електронна емісія. Емісія електронів може відбуватисяпід впливом опромінювання металу світлом. У цьому випадку спостерігається фотоемісія,або фотоелектричний ефект. Можливо також виривання електронів з металупід дією сильного електричного поля - автоелектронна емісія. Нарешті,електрони можуть придбавати кінетичну енергію за рахунок нагрівання тіла. Вцьому випадку говорять про термоелектронної емісії.
Розглянемо докладніше явищетермоелектронної емісії і його застосування.
При звичайних температурах мізернечисло електронів може володіти кінетичною енергією, порівнянною з роботоювиходу електронів з металу. З підвищенням температури число таких електронівросте і при нагріванні металу до температур близько 1000 - 1500 градусів вжезначне число електронів матиме енергію, перевищуючу роботу виходу зме...
