Elektrisk strøm i vakuum

I teknisk forstand kalles rom et vakuum, mengden materie der, sammenlignet med et vanlig gassformig medium, er ubetydelig. Vakuumtrykket er minst to størrelsesordener lavere enn atmosfærisk trykk; under slike forhold er det praktisk talt ingen gratis operatører i den.

Men som vi vet elektrisk støt kalles den ordnede bevegelsen av ladede partikler under påvirkning av et elektrisk felt, mens det i et vakuum per definisjon ikke er et slikt antall ladede partikler som er tilstrekkelig til å danne en stabil strøm. Dette betyr at for å skape en strøm i et vakuum, er det nødvendig å på en eller annen måte legge til ladede partikler til den.

I 1879 oppdaget Thomas Edison fenomenet termionisk stråling, som i dag er en av de velprøvde måtene å skaffe frie elektroner i et vakuum ved å varme opp en metallkatode (negativ elektrode) til en slik tilstand at elektroner begynner å fly ut av den. Dette fenomenet brukes i mange elektroniske vakuumenheter, spesielt i vakuumrør.

La oss plassere to metallelektroder i et vakuum og koble dem til en likespenningskilde, og deretter begynne å varme opp den negative elektroden (katoden). I dette tilfellet vil den kinetiske energien til elektronene inne i katoden øke. Hvis elektronenergien i tillegg oppnådd på denne måten viser seg å være tilstrekkelig til å overvinne potensialbarrieren (for å utføre arbeidsfunksjonen til katodemetallet), vil slike elektroner kunne unnslippe inn i rommet mellom elektrodene.

Siden det er mellom elektrodene elektrisk felt (opprettet av kilden ovenfor), bør elektroner som kommer inn i dette feltet begynne å akselerere i retning av anoden (positiv elektrode), det vil si teoretisk sett vil en elektrisk strøm oppstå i et vakuum.

Men dette er ikke alltid mulig, og bare hvis elektronstrålen er i stand til å overvinne den potensielle gropen på overflaten av katoden, hvis tilstedeværelse skyldes utseendet til en romladning nær katoden (elektronsky).

For noen elektroner vil spenningen mellom elektrodene være for lav sammenlignet med deres gjennomsnittlige kinetiske energi, dette vil ikke være nok til å komme ut av brønnen og de vil gå tilbake, og for noen vil den være høy nok til å roe ned elektronene utover - og begynner å bli akselerert av det elektriske feltet. Jo høyere spenning som påføres elektrodene, jo flere elektroner vil forlate katoden og bli strømbærere i et vakuum.

Så jo høyere spenningen er mellom elektrodene som er plassert i et vakuum, desto mindre er dybden av potensialbrønnen nær katoden.Som et resultat viser det seg at strømtettheten i vakuumet under termionisk stråling er relatert til anodespenningen ved et forhold som kalles Langmuirs lov (til ære for den amerikanske fysikeren Irving Langmuir) eller loven til den tredje:

I motsetning til Ohms lov er forholdet her ikke-lineært. Når potensialforskjellen mellom elektrodene øker, vil vakuumstrømtettheten øke inntil metning oppstår, en tilstand der alle elektronene fra elektronskyen ved katoden når anoden. Ytterligere økning av potensialforskjellen mellom elektrodene vil ikke resultere i en økning i strømmen. R

Ulike katodematerialer har forskjellig emissivitet, karakterisert ved metningsstrømmen. Metningsstrømtettheten kan bestemmes av Richardson-Deshman-formelen, som relaterer strømtettheten til parametrene til katodematerialet:

Her:

Denne formelen ble utledet av forskere basert på kvantestatistikk.