Elektrický prúd vo vákuu

V technickom zmysle sa priestor nazýva vákuum, množstvo hmoty, v ktorom je v porovnaní s bežným plynným médiom zanedbateľné. Tlak vákua je najmenej o dva rády nižší ako atmosférický tlak; za takýchto podmienok v ňom prakticky neexistujú žiadne bezplatné nosiče náboja.

Ale ako vieme elektrický šok sa nazýva usporiadaný pohyb nabitých častíc pri pôsobení elektrického poľa, pričom vo vákuu podľa definície neexistuje taký počet nabitých častíc, ktorý by postačoval na vytvorenie stabilného prúdu. To znamená, že na vytvorenie prúdu vo vákuu je potrebné k nemu nejakým spôsobom pridať nabité častice.

V roku 1879 objavil Thomas Edison fenomén termionického žiarenia, ktoré je dnes jedným z osvedčených spôsobov získavania voľných elektrónov vo vákuu zahriatím kovovej katódy (zápornej elektródy) do takého stavu, že z nej začnú vyletovať elektróny. Tento jav sa využíva v mnohých vákuových elektronických zariadeniach, najmä vo vákuových trubiciach.

Umiestnime dve kovové elektródy do vákua a pripojíme ich k zdroju jednosmerného napätia, potom začneme ohrievať zápornú elektródu (katódu). V tomto prípade sa kinetická energia elektrónov vo vnútri katódy zvýši. Ak sa takto dodatočne získaná energia elektrónov ukáže ako dostatočná na prekonanie potenciálovej bariéry (na vykonávanie pracovnej funkcie katódového kovu), potom budú môcť takéto elektróny uniknúť do priestoru medzi elektródami.

Keďže medzi elektródami je elektrické pole (vytvorené vyššie uvedeným zdrojom), elektróny vstupujúce do tohto poľa by sa mali začať zrýchľovať v smere anódy (kladná elektróda), to znamená, že teoreticky dôjde k elektrickému prúdu vo vákuu.

To však nie je vždy možné a iba vtedy, ak je elektrónový lúč schopný prekonať potenciálnu jamku na povrchu katódy, ktorej prítomnosť je spôsobená objavením sa vesmírneho náboja v blízkosti katódy (elektrónový oblak).

Pre niektoré elektróny bude napätie medzi elektródami príliš nízke v porovnaní s ich priemernou kinetickou energiou, nebude to stačiť na výstup z jamy a vrátia sa späť a pre niektoré bude dostatočne vysoké na to, aby upokojilo elektróny smerom nadol. a začnú byť urýchľované elektrickým poľom. Čím vyššie je napätie aplikované na elektródy, tým viac elektrónov opustí katódu a stanú sa nosičmi prúdu vo vákuu.

Čím vyššie je napätie medzi elektródami umiestnenými vo vákuu, tým menšia je hĺbka potenciálovej jamy v blízkosti katódy.V dôsledku toho sa ukazuje, že hustota prúdu vo vákuu počas termionického žiarenia súvisí s anódovým napätím vzťahom nazývaným Langmuirov zákon (na počesť amerického fyzika Irvinga Langmuira) alebo zákon tretieho:

Na rozdiel od Ohmovho zákona je tu vzťah nelineárny. Tiež, keď sa potenciálny rozdiel medzi elektródami zvyšuje, hustota vákuového prúdu sa bude zvyšovať, až kým nedôjde k nasýteniu, čo je stav, keď všetky elektróny z elektrónového oblaku na katóde dosiahnu anódu. Ďalšie zvyšovanie potenciálneho rozdielu medzi elektródami nebude mať za následok zvýšenie prúdu. R

Rôzne katódové materiály majú rôznu emisivitu, charakterizovanú saturačným prúdom Hustotu saturačného prúdu možno určiť pomocou Richardsonovho-Deshmanovho vzorca, ktorý dáva do súvisu prúdovú hustotu s parametrami katódového materiálu:

Tu:

Tento vzorec odvodili vedci na základe kvantových štatistík.