Электрический ток в вакууме
Вакуум — пространство, свободное от вещества. В наиболее общем смысле, вакуум — это пустота. В физике и технике под вакуумом подразумевается газообразная среда при давлении в сотни раз ниже атмосферного.
Электрический ток в физике — это направленное движение носителей заряда. Вакуум — диэлектрик, и ток не может возникнуть в нем сам по себе. Условие протекания электрического тока в вакууме — наличие в нем достаточного количества свободных заряженных частиц. Например, электронов.
Термоэлектронная эмиссия
Как свободные электроны могут появиться в вакууме? Благодаря явлению термоэлектронной эмиссии, открытому Томасом Эдисоном в 1879 году.
Определение. Термоэлектронная эмиссия
Термоэлектронная эмиссия — испускание электронов из металла при его нагревании.
Металлы являются наилучшими проводниками, так как имеют свободные электроны, которые иногда еще называют электронным газом. При нагревании металла энергия электронов (измеряется в электронвольтах) увеличивается и они могут «вырваться» из металла. Для того, чтобы вылететь из металла, электрон должен обладать энергией, превышающей работу выхода электронов для этого металла.
Здесь A в ы х — работа выхода, которую нужно преодолеть электрону, E 0 — его энергия, μ — энергия Ферми.
Термоэлектронный ток
Испущенные металлом свободные электроны образуют у поверхности металла электронное облако. Если создать в данной области электрическое поле, электроны начинают двигаться под действием сил поля. Иными совами, возникает электрический ток, называемый термоэлектронным.
Определение. Термоэлектронный ток
Термоэлектронный ток — ток, возникающий при испускании (эмиссии) электронов накаленными телами в вакуумных приборах.
Так, если в вакууме поместить две металлические пластины и создать между ними разность потенциалов и условия для термоэлектронной эмиссии, возникнет термоэлектронный ток.
Электрический ток в вакууме широко используется в вакуумных приборах. Самый простой пример — электронная лампа, или вакуумный диод.
Вакуумный диод представляет собой баллон с откачанным воздухом, содержащий электроды: катод и анод. Электроны выбиваются из катода и летят к аноду.
Для вакуумного диода не выполняется закон Ома. При небольших значениях напряжения на аноде имеет место формула зависимости силы электрического тока от напряжения:
где B — коэффициент пропорциональности, который зависит от формы, расположения и размеров электродов.
При увеличении разности потенциалов между электродами сила тока будет расти. Однако, для термоэлектронного тока существует понятие тока насыщения. Это ток такой силы, при котором все электроны из электронного облака достигают другой анода. При достижении силы тока насыщения и дальнейшем росте разности потенциалов, сила тока насыщения не меняется.
Эмиссионную способность материала катода характеризует плотность тока насыщения, которая определяется по формуле Ричардсона-Дешмана:
j = 1 — h R i A · T 2 · e — q φ k T .
Здесь h — постоянная Планка, h R i — усредненное значение коэффициента отражения электронов от потенциального порога, A — термоэлектрическая постоянная, равная 120 , 4 A К 2 · с м 2 , T — температура, q — заряд электрона, q φ — работа выхода, k — постоянная Больцмана.
Источник
Электрический ток в вакууме
Вакуум – состояние разреженного газа, при котором длина свободного пробега молекул λ больше размеров сосуда d, в котором находится газ.
Из определения вакуума следует, что между молекулами практически отсутствует взаимодействие, поэтому ионизация молекул произойти не может, следовательноно, свободных носителей заряда в вакууме получить нельзя, поэтому — электрический ток в нем невозможен;
Чтобы создать электрический ток в вакууме, нужно в него поместить источник свободных заряженных частиц. В вакуум помещают металлические электроды, подключенные к источнику тока. Один из них нагревают (он называется катодом), в результате чего происходит процесс ионизации, т.е. из вещества вылетают электроны, образуются положительные и отрицательные ионы. Действие такого источника заряженных частиц может быть основано на явлении термоэлектронной эмиссии.
Термоэлектронная эмиссия – это процесс испускания электронов с нагретого катода. Явление термоэлектронной эмиссии приводит к тому, что нагретый металлический электрод непрерывно испускает электроны. Электроны образуют вокруг электрода электронное облако. Электрод заряжается положительно, и под влиянием электрического поля заряженного облака, электроны из облака частично возвращаются на электрод. В равновесном состоянии число электронов, покинувших электрод в секунду, равно числу электронов, возвратившихся на электрод за это время. Чем выше температура металла, тем выше плотность электронного облака. Работа, которую должен совершить электрон, чтобы покинуть металл, получила название работы выхода Авых.
1 эВ – это энергия, которую приобретает электрон, двигаясь в электрическом поле между точками с разностью потенциалов в 1 В.
Различие между температурами горячих и холодных электродов, впаянных в сосуд, из которого откачан воздух, приводит к односторонней проводимости электрического тока между ними.
При подключении электродов к источнику тока между ними возникает электрическое поле. Если положительный полюс источника тока соединен с холодным электродом (анодом), а отрицательный – с нагретым (катодом), то вектор напряженности электрического поля направлен к нагретому электроду. Под действием этого поля электроны частично покидают электронное облако и движутся к холодному электроду. Электрическая цепь замыкается, и в ней устанавливается электрический ток. При противоположной полярности включения источника, напряженность поля направлена от нагретого электрода к холодному. Электрическое поле отталкивает электроны облака назад к нагретому электроду. Цепь оказывается разомкнутой.
Устройство, которое обладает односторонней проводимостью электрического тока называется вакуумный диод. Состоит из электронной лампы (сосуда), из которой выкачан воздух и в котором находятся электроды, подключенные к источнику тока. Вольтамперная характеристика вакуумного диода. Подписать участки ВАХ пропускной режим диода и закрытый?? При малых напряжениях на аноде не все электроны, испускаемые катодом, достигают анода, и электрический ток небольшой. При больших напряжениях ток достигает насыщения, т.е. максимального значения. Вакуумный диод используется для выпрямления переменного электрического тока. В настоящее время вакуумные диоды практически не применяются.
Если в аноде электронной лампы сделать отверстие, то часть электронов, ускоренных электрическим полем, пролетит в это отверстие, образуя за анодом электронный пучок. Электронный пучок – это поток быстро летящих электронов в электронных лампах и газоразрядных устройствах.
Свойства электронных пучков:
— отклоняются в электрических полях;
— отклоняются в магнитных полях под действием силы Лоренца;
— при торможении пучка, попадающего на вещество возникает рентгеновское излучение;
— вызывает свечение (люминисценцию) некоторых твердых и жидких тел;
— нагревают вещество, попадая на него.
Электронно-лучевая трубка (ЭЛТ).
В ЭЛТ используются явления термоэлектронной эмиссии и свойства электронных пучков.
В электронной пушке электроны, испускаемые подогреваемым катодом, проходят через управляющий электрод-сетку и ускоряются анодами. Электронная пушка фокусирует электронный пучок в точку и изменяет яркость свечения на экране. Отклоняющие горизонтальные и вертикальные пластины позволяют перемещать электронный пучок на экране в любую точку экрана. Экран трубки покрыт люминофором, который начинает светиться при бомбардировке его электронами.
Существуют два вида трубок:
1) с электростатическим управлением электронного пучка (отклонение эл. пучка только лишь электрическим полем);
2) с электромагнитным управлением (добавляются магнитные отклоняющие катушки).
В электронно-лучевых трубках формируются узкие электронные пучки, управляемые электрическими и магнитными полями. Эти пучки используются в: кинескопах телевизоров, дисплеях ЭВМ, электронных осциллографах в измерительной технике.
Понравилась статья? Добавь ее в закладку (CTRL+D) и не забудь поделиться с друзьями:
Источник
5.Электрический ток в вакууме. Способы электронной эмиссии.
Вакуум – это такая степень разрежения газа, при которой соударений молекул практически нет (до 10-13 мм рт.ст.).
Электрический ток в вакууме невозможен, т.к в нем нет свободных носителей заряда.
Для получения электрического тока в вакууме необходимо наличие свободных носителей заряда.
Эти носители могут появиться при испускании электронов телами, обычно металлами.
На границе металла с вакуумом возникает двойной слой электрических зарядов (слой электронов –слой положительных ионов), поле которого подобно полю плоского конденсатора.
Чтобы покинуть металл электрон должен совершить работу. Работа выхода зависит только от рода металла и его чистоты. Работу выхода, например, для цезия равна 1,81 эВ, для платины — 6,27 эВ.
Выход свободных электронов из металла называется эмиссией электронов.
Способы электронной эмиссии
Для повышения интенсивности эмиссии следует увеличить кинетическую
энергию свободных электронов до значений, равных или больших значения
работы выхода. Этого можно достигнуть различными способами:
1. Созданием электрического поля очень большой напряженности (~ 106
В/см), способного вырвать электроны из металла (холодная эмиссия);
2. Бомбардировкой металла электронами, предварительно разогнанными
электрическим полем до очень большой скорости (вторичная электронная
3. Освещением поверхности металла электромагнитным излучением
4. Нагревание металла (термоэлектронная эмиссия).
Вакуумные электронные приборы
На явлении электронной эмиссии основана работа многих вакуумных
Классы вакуумных электронных приборов:
1.Электронные лампы (триоды, тетроды, пентоды и т. д.)
2.Вакуумные приборы СВЧ (магнетроны, клистроны, ЛБВ, ЛОВ)
3.Электронно-лучевые приборы (электроннолучевые трубки, кинескопы)
4.Фотоэлектронные приборы (ФЭУ, вакуумные фотоэлементы)
5.Вакуумные индикаторы (электронносветовые индикаторы, цифровые
7.Ускорители заряженных частиц
6.Действие магнитного и электрического поля на движущийся заряд. Сила Лоренца.
1.Электрическим током в проводниках.
2.Движущимися электрически заряженными частицами и телами.
Магнитное поле – силовое поле, возникающее в пространстве окружающем
токи и постоянные магниты.
Магнитное поле действует только на движущиеся заряды (электрическое поле действует на неподвижные и движущие заряды).
Магнитная индукция — это влияние магнита на объект без механического
контакта (основная характеристика магнитного поля).
В любом теле существуют два вида токов:
•макроскопические (свободные электроны в металлах и др.);
•микроскопические (молекулярные токи).
Магнитное поле макротоков описывается вектором напряженности магнитного поля Н.
Свойство микроскопических токов: способны поворачиваться в магнитных
полях макроскопических токов, создавая дополнительное магнитное поле.
Вектор магнитной индукции
Вектор магнитной индукции характеризует результирующее магнитное поле
создаваемое всеми макро- и микротоками. Поэтому в разных средах при одном и том же токе вектор магнитной индукции
будет иметь разные значения.
Вектор магнитной индукции В является аналогом вектора напряженности электрического поля Е.
Сила действующая на проводник с током равна: Действие магнитного поля на движущийся заряд
Сила Лоренца – сила, действующая на заряженную частицу, движущуюся в магнитном поле.
Направление силы Лоренца определяется с помощью правила левой руки. Радиус кривизны траектории, по которой будет двигаться заряженная частица в магнитном поле: Силой Лоренца часто называют сумму электрических и магнитных сил,
действующих на заряженную частицу
Электромагнитная индукция
При пропускании электрического тока через проводник вокруг него возникает магнитное поле.
Обратный эффект (электромагнитная индукция):
В замкнутом проводящем контуре при изменении потока магнитной индукции через поверхность, ограниченную этим контуром, возникает электрический (индукционный) ток. Сила тока зависит от скорости введения магнита в катушку и от скорости удаления его из катушки.
Закон электромагнитной индукции Фарадея
ЭДС электромагнитной индукции в замкнутом контуре равна и
противоположна по знаку скорости изменения магнитного потока,
Источник