Elektrisk strøm i et vakuum

I teknisk forstand kaldes rummet et vakuum, hvor mængden af ​​stof, sammenlignet med et almindeligt gasformigt medium, er ubetydelig. Vakuumtrykket er mindst to størrelsesordener lavere end atmosfærisk tryk; under sådanne forhold er der praktisk talt ingen gratis operatører i den.

Men som vi ved elektrisk stød kaldes den ordnede bevægelse af ladede partikler under påvirkning af et elektrisk felt, mens der i et vakuum per definition ikke er et sådant antal ladede partikler, der er tilstrækkeligt til at danne en stabil strøm. Dette betyder, at for at skabe en strøm i et vakuum, er det nødvendigt at tilføje ladede partikler til den.

I 1879 opdagede Thomas Edison fænomenet termionisk stråling, som i dag er en af ​​de gennemprøvede måder at opnå frie elektroner i et vakuum ved at opvarme en metalkatode (negativ elektrode) til en sådan tilstand, at elektroner begynder at flyve ud af den. Dette fænomen bruges i mange vakuum elektroniske enheder, især i vakuumrør.

Lad os placere to metalelektroder i et vakuum og forbinde dem til en jævnspændingskilde, og derefter begynde at opvarme den negative elektrode (katode). I dette tilfælde vil den kinetiske energi af elektronerne inde i katoden stige. Hvis elektronenergien yderligere opnået på denne måde viser sig at være tilstrækkelig til at overvinde potentialbarrieren (for at udføre katodemetallets arbejdsfunktion), så vil sådanne elektroner være i stand til at undslippe ind i rummet mellem elektroderne.

Da der er mellem elektroderne elektrisk felt (skabt af ovenstående kilde), skal elektroner, der kommer ind i dette felt, begynde at accelerere i retning af anoden (positiv elektrode), det vil sige teoretisk vil en elektrisk strøm forekomme i et vakuum.

Men dette er ikke altid muligt, og kun hvis elektronstrålen er i stand til at overvinde den potentielle pit på katodens overflade, hvis tilstedeværelse skyldes udseendet af en rumladning nær katoden (elektronsky).

For nogle elektroner vil spændingen mellem elektroderne være for lav sammenlignet med deres gennemsnitlige kinetiske energi, dette vil ikke være nok til at komme ud af brønden, og de vil gå tilbage, og for nogle vil den være høj nok til at berolige elektronerne - og fremefter og begynder at blive accelereret af det elektriske felt. Jo højere spænding der påføres elektroderne, jo flere elektroner vil forlade katoden og blive strømbærere i et vakuum.

Så jo højere spændingen er mellem elektroderne placeret i et vakuum, jo ​​mindre er dybden af ​​potentialbrønden nær katoden.Som et resultat viser det sig, at strømtætheden i vakuumet under termionisk stråling er relateret til anodespændingen ved et forhold kaldet Langmuirs lov (til ære for den amerikanske fysiker Irving Langmuir) eller loven om den tredje:

I modsætning til Ohms lov er forholdet her ikke-lineært. Når potentialforskellen mellem elektroderne øges, vil vakuumstrømtætheden stige, indtil mætning opstår, en tilstand hvor alle elektroner fra elektronskyen ved katoden når anoden. Yderligere forøgelse af potentialforskellen mellem elektroderne vil ikke resultere i en stigning i strømmen. R

Forskellige katodematerialer har forskellig emissivitet, karakteriseret ved mætningsstrømmen. Mætningsstrømtætheden kan bestemmes af Richardson-Deshman-formlen, som relaterer strømtætheden til katodematerialets parametre:

Her:

Denne formel blev udledt af videnskabsmænd baseret på kvantestatistikker.