Электрический ток в вакууме

Вакуум – это состояние газа при давлении меньшем атмосферного. Степень вакуума определяется давлением остаточных газов.

Физической характеристикой вакуума может служить соотношение между длиной свободного пробега молекул газа и размером , характерным для каждого конкретного процесса или прибора, например расстояние между стенками сосуда.

Длина свободного пробега зависит от числа частиц в единице объема и от их размеров, определяемых их средним диаметром . Она определяется отношением средней скорости частиц к числу их столкновений с другими частицами за единицу времени и может быть представлена формулой

,

где некоторая константа, зависящая от природы частиц.

В зависимости от величины отношения различают низкий вакуум , средний вакуум и высокий вакуум и сверхвысокий вакуум .

Понятие сверхвысокого вакуума связано не только с величиной отношения , но со временем , необходимым для образования мономолекулярного слоя газа на поверхности твердого тела в вакууме, которое обратно пропорционально давлению.

В высоком вакууме поведение частиц определяется в основном столкновениями их со стенками или другими твердыми телами. Столкновения частиц друг с другом происходят редко и играют второстепенную роль. Движение частиц между твердыми поверхностями происходит по прямолинейным траекториям. Прохождение тока в высоком вакууме возможно в результате электронной эмиссии с электродов.

При обычных температурах свободные электроны не могут покинуть металл. Из этого следует, что металл относительно окружающего его вакуума имеет положительный потенциал, которым и удерживаются в нем свободные электроны.

Потенциальная энергия свободного электрона внутри металла определяется произведением заряда электрона и его потенциала:

.

Как видим, потенциальная энергия электрона в металле относительно вакуума отрицательна.

Можно считать, что свободные электроны металла заключены в «потенциальную яму».

Чтобы вырвать свободный электрон из металла, необходимо произвести определенную работу, равную глубине «потенциальной ямы» металла

Эта работа называется работой выхода электрона из металла. Для различных металлов работа выхода колеблется в пределах от 1 до 5 эВ.

Условие, при котором электрон может покинуть металл, имеет вид

,

где – масса электрона;

– проекция скорости электрона на направление нормали к поверхности металла.

Выход свободных электронов из металла называется эмиссией электронов. Эмиссия электронов может происходить под влиянием различных факторов: в результате ударов частиц (электронов и ионов) о поверхность металла (вторичная эмиссия); воздействия падающего на металл света (фотоэмиссия); в результате теплового движения свободных электронов.

Эмиссия электронов, порождаемая их тепловым движением, называется термоэлектронной эмиссией.

Термоэлектронная эмиссия связана с тем, что при высоких температурах средняя кинетическая энергия свободных электронов, характеризуемая величиной kT, становится соизмеримой с работой выхода их с поверхности металла, поэтому часть этих электронов покидает металл, образуя вокруг него электронное облако. В равновесном состоянии при некоторой температуре T число вылетающих из металла электронов равно числу электронов, возвращающихся в металл

Поэтому в рамках классической физики термоэлектронную эмиссию можно описать законом Больцмана, приняв за n_o плотность электронов внутри металла, n плотность электронов в электронном облаке.

.

Из приведенной формулы следует, что для усиления термоэлектронной эмиссии необходимо повысить температуру металла или взять металл с меньшей работой выхода.

Е сли между двумя металлическими электродами анодом и катодом создать электрическое поле, то электроны облака придут в движение, и образуется электрический ток, называемый термоэлектронным. Очевидно, что сила тока будет расти с увеличением разности потенциалов. Зависимость силы тока между анодом и катодом в вакууме от анодного напряжения представлена на рисунке.

Э лектровакуумный прибор с двумя электродами называют диодом. Когда потенциал анода равен нулю, сила тока через диод мала. При увеличении положительного потенциала анода сила тока возрастает в соответствии с кривой 01. При дальнейшем возрастании анодного напряжения сила тока достигает некоторого максимального значения I_s, называемого током насыщения, и почти перестает зависеть от анодного напряжения (участок характеристики 14).

При увеличении температуры катода характеристика отображается кривыми 0125, 01236 и т.д.

При значениях тока, меньших I_s, зависимость силы тока от напряжения при всех температурах изображается одной и той же кривой 0123.