1.8. Явление электростатической индукции. Эффект наведённого тока

Любая заряженная частица обладает собственным электрическим полем. Пролетая в непосредственной близости от металлического электрода вакуумного прибора, она своим полем заставляет свободные электроны его (электрода) вещества перемещаться, т.е. в нём возникает электрический ток. Его называют наведённым током или током электростатической индукции, механизм образования которого иллюстрирован рис.2.4.

Электрон, пролетающий рядом с проводником, своим полем заставляет его электроны смещаться в направлении, показанном сплошной стрелкой на рис.2.6а вверху, в результате чего их концентрация в правом крае проводника увеличивается относительно равновесного её (концентрации) значения, имеющей место в отсутствие поля. Таким образом, подлетающий к проводнику электрон

в озбуждает в нём ток, который является током дрейфа, поскольку причиной его возникновения стало электрическое поле.

После того, как летящий электрон минует проводник, его электроны начинают возвращаться назад, восстанавливая равновесное состояние, при котором их концентрация в среднем была одинаковой в объёме проводника. И по проводнику вновь проходит ток в обратном направлении, указанном пунктирной стрелкой на рисунке. Этот ток является током диффузии, так как его причиной стал градиент (перепад) концентрации электронов по длине проводника.

Ток диффузии и ток дрейфа - поскольку имеют общую причину их появления - объединяют общим названием наведённого тока или тока электростатической индукции. График зависимости наведённого тока i_нав от времени приведен на рис.2.6а. Таким образом, движение заряженной частицы возле проводника вызывает в нём колебательный процесс. Частота колебаний зависит от размеров проводника и скорости пролёта частицы.

Если, вопреки действию закона Кулона, заставить двигаться не один электрон, а группу электронов (что возможно лишь короткое время), то интенсивность поля такого суммарного заряда возрастёт, и в процесс дрейфа и диффузии будет вовлекаться большее количество электронов вещества, т.е. амплитуда колебаний увеличится.

Наведённые токи всегда имеют место в вакуумных приборах. На рис.2.6б показан процесс их формирования в случае действия на аноде диода постоянного напряжения импульсного характера, причём длительность импульса соизмерима с временем пролёта электронов от катода до анода.

На интервале времени 0 – t₁ анодное напряжение отсутствует, в окрестностях катода существует электронное «облако», анодный ток практически равен нулю. Появление в момент t₁ анодного напряжения вызывает движение электронов к аноду, что приводит к появлению наведённого (анодного) тока, при том, что электроны ещё не достигли анода. По мере приближения к аноду их скорость растёт, т.к. они находятся в ускоряющем поле. В момент t₃ всё пространство анод – катод заполнено движущимися электронами, и наведённый ток становится максимальным. В момент t₄ анодное напряжение становится равным нулю, но анодный ток не прекращается, поскольку электроны по инерции продолжают приходить на анод. В то же время, из-за исчезновения анодного поля, электронное облако перестаёт поставлять новые электроны в межэлектродный промежуток, число их уменьшается, соответственно уменьшается и наведённый ток (момент t₅). Как видно из рисунка, импульс анодного тока имеет большую длительность, чем импульс анодного напряжения.

Если на пути потока электронов будет находиться система электродов типа той, что изображена на рис. 2.3б, то электроны, пролетающие мимо проводников этих электродов, также будут наводить в них электрический ток. Поскольку любой проводник обладает емкостью и индуктивностью, то устройство рис. 2.3б можно рассматривать как колебательный контур. Импульсы наведенного тока будут вызывать в таком контуре свободные колебания, т.е. затухающие колебания, совершаемые по гармоническому закону. Схема замещения системы электродов (рис.2.3б) представлена на рис.17. На рисунке изображены поперечные разрезы электродов, изображенных на рис.16б, обозначенные как Э1 и Э2, и к олебательный контур LC, с помощью которого моделируются процессы, происходящие в электродах.

На рис.17 изображен один из электронов потока, разогнанный каким-либо образом. Подлетая к нижнему электроду, он своим полем заставляет его электроны выходить из электрода, т.е. возникает импульс наведённого тока (тока дрейфа). Пройдя сквозь нижний электрод, электрон будет удаляться от него, и рассматриваемые носители станут возвращаться назад, поскольку в той части электрода, который они покинули, возник некомпенсированный положительный заряд. Таким образом возникает затухающий колебательный процесс, график которого в координатах «напряжение на контуре U_к – время» изображен на рисунке.

Напряжение контура создает поле между электродами Э1 и Э2, в котором продолжает свое движение электрон, пролетевший сквозь сетку электрода Э2. Полярность напряжения для второго полупериода колебательного процесса указана в скобках, для первого – без скобок. В течение первой половины периода поле направлено от верхнего электрода к нижнему («плюс» на верхнем электроде). Электрон, подлетая к верхнему электроду Э1, также своим полем вызывает движение его электронов из электрода во внешнюю цепь (цепь колебательного контура). Так как за направление тока принимают направление движения положительных зарядов, то наведенный ток i_нав имеет направление, противоположное направлению движения вытесняемых электронов. Поскольку колебательный контур является своеобразным аккумулятором энергии, то, сопоставляя направление наведенного тока с полярностью напряжения контура, приходим к выводу , что во время первой половины периода «аккумулятор» разряжается, т.е. происходит процесс затухания колебаний. Во время второй половины периода (электрон продолжает своё движение к электроду Э1) происходит смена полярности напряжения контура (указано в скобках) и направления поля. Теперь электрон движется «по полю», следовательно , поскольку направление наведенного тока не изменилось (электрон по-прежнему летит к верхнему электроду), то происходит «заряд аккумулятора», т.е. электрон отдает свою энергию колебательному контуру, препятствуя затуханию колебаний. И если электроны будут «проскакивать» межэлектродный промежуток в те интервалы времени, когда поле для них будет тормозящим, процесс колебаний станет незатухающим.