Электрический ток в вакууме

Если в вакууме поместить недалеко друг от друга два электрода и подать на них напряжение, то никакого тока не получится. Причина этого заключается в том, что в вакууме нет заряженных частиц, а значит, нет носителей тока. В электродах, конечно, есть очень много заряженных частиц, но они не могут выйти за пределы поверхности электрода. Электроны проводимости в металлах взаимодействуют с положительными ионами и не могут покинуть поверхность металла. Для того, чтобы вытащить электрон из металла необходимо совершить работу против этих сил взаимодействия. Эта работа называется работой выхода. Величина работы выхода для большинства металлов находится в пределах от 2 до 6 эВ. Довольно маленькая работа выхода у цезия – она равна 1,8 эВ.

Американский изобретатель Эдисон в 1879 году обнаружил, что в вакуумной стеклянной колбе с двумя электродами может возникнуть электрический ток, если один из электродов нагреть до высокой температуры. Последующие опыты показали, что при нагревании с поверхности металла вылетают отрицательно заряженные частицы. Изучение этих частиц показало, что это электроны. Явление испускания электронов с поверхности нагретых тел называется термоэлектронной эмиссией.

Явление термоэлектронной эмиссии аналогично испарению жидкости. При повышении температуры кинетическая энергия некоторых электронов оказывается достаточной для того, чтобы электрон покинул поверхность металла.

Н а явлении термоэлектронной эмиссии основана работа различных электронных ламп. Простейшей электронной лампой является вакуумный диод. Он представляет собой вакуумированный стеклянный баллон, в котором находятся два электрода – анод и катод. Катод разогревается электрическим током и из него вылетают электроны. Если между анодом и катодом электрического поля нет, то только малая часть вылетевших электронов случайно попадает на анод и ток в лампе очень мал. Но если анод подключить к положительной клемме источника тока, а катод к отрицательной, то между анодом и катодом возникнет электрическое поле, которое будет собирать вылетевшие из катода электроны и направлять их на анод. В цепи потечет электрический ток. При обратной полярности подключения источника вылетевшие электроны будут возвращаться обратно на катод и тока в цепи не будет. Вольт-амперная характеристика вакуумного диода аналогична характеристике полупроводникового диода.

Существует также вакуумный триод – аналог полупроводникового триода. Полупроводниковые диоды и триоды значительно более компактные, экономичные и удобные, чем их вакуумные аналоги. Поэтому вакуумные лампы в настоящее время почти не применяются.

Еще один электровакуумный прибор – электронно-лучевая трубка активно используется до сих пор. Кинескопы электронно-лучевых телевизоров и экраны лучевых осциллографов представляют собой электронно-лучевую трубку.