Arus elektrik dalam vakum

Dalam erti kata teknikal, ruang dipanggil vakum, jumlah jirim di mana, berbanding dengan medium gas biasa, adalah tidak penting. Tekanan vakum sekurang-kurangnya dua urutan magnitud lebih rendah daripada tekanan atmosfera; dalam keadaan sedemikian, hampir tiada pembawa caj percuma di dalamnya.

Tetapi seperti yang kita tahu kejutan elektrik dipanggil pergerakan tertib zarah bercas di bawah tindakan medan elektrik, manakala dalam vakum, mengikut definisi, tidak ada bilangan zarah bercas yang mencukupi untuk membentuk arus yang stabil. Ini bermakna bahawa untuk mencipta arus dalam vakum, entah bagaimana perlu menambah zarah bercas kepadanya.

Pada tahun 1879, Thomas Edison menemui fenomena sinaran termionik, yang hari ini merupakan salah satu cara yang terbukti untuk mendapatkan elektron bebas dalam vakum dengan memanaskan katod logam (elektrod negatif) kepada keadaan sedemikian sehingga elektron mula terbang keluar daripadanya. Fenomena ini digunakan dalam banyak peranti elektronik vakum, khususnya dalam tiub vakum.

Mari letakkan dua elektrod logam dalam vakum dan sambungkannya ke sumber voltan DC, kemudian mulakan memanaskan elektrod negatif (katod). Dalam kes ini, tenaga kinetik elektron di dalam katod akan meningkat. Jika tenaga elektron tambahan yang diperoleh dengan cara ini ternyata mencukupi untuk mengatasi halangan potensi (untuk melaksanakan fungsi kerja logam katod), maka elektron tersebut akan dapat melarikan diri ke ruang antara elektrod.

Oleh kerana terdapat antara elektrod medan elektrik (dicipta oleh sumber di atas), elektron yang memasuki medan ini harus mula memecut ke arah anod (elektrod positif), iaitu, secara teorinya, arus elektrik akan berlaku dalam vakum.

Tetapi ini tidak selalu mungkin, dan hanya jika pancaran elektron dapat mengatasi lubang berpotensi pada permukaan katod, kehadirannya disebabkan oleh penampilan cas angkasa berhampiran katod (awan elektron).

Bagi sesetengah elektron, voltan antara elektrod akan terlalu rendah berbanding tenaga kinetik purata mereka, ini tidak akan mencukupi untuk keluar dari telaga dan mereka akan kembali, dan bagi sesetengahnya ia akan cukup tinggi untuk menenangkan elektron ke bawah - seterusnya dan mula dipercepatkan oleh medan elektrik. Oleh itu, lebih tinggi voltan yang digunakan pada elektrod, lebih banyak elektron akan meninggalkan katod dan menjadi pembawa arus dalam vakum.

Jadi, semakin tinggi voltan antara elektrod yang terletak di dalam vakum, semakin kecil kedalaman telaga berpotensi berhampiran katod.Akibatnya, ternyata ketumpatan arus dalam vakum semasa sinaran termionik berkaitan dengan voltan anod oleh hubungan yang dipanggil undang-undang Langmuir (sebagai penghormatan kepada ahli fizik Amerika Irving Langmuir) atau undang-undang ketiga:

Tidak seperti undang-undang Ohm, di sini hubungannya adalah tidak linear. Juga, apabila perbezaan potensi antara elektrod meningkat, ketumpatan arus vakum akan meningkat sehingga ketepuan berlaku, keadaan di mana semua elektron dari awan elektron di katod mencapai anod. Meningkatkan lagi beza keupayaan antara elektrod tidak akan mengakibatkan peningkatan arus. R

Bahan katod yang berbeza mempunyai emisitiviti yang berbeza, dicirikan oleh arus tepu. Ketumpatan arus tepu boleh ditentukan oleh formula Richardson-Deshman, yang mengaitkan ketumpatan arus dengan parameter bahan katod:

di sini:

Formula ini diperolehi oleh saintis berdasarkan statistik kuantum.