Слово «вакуум» часто ассоциируется с пустотой, особенно часто это прослеживается в рефератах школьников. Однако в физике под термином понимается пространство с газом, давление которого ниже атмосферного. В нём не существуют частицы, а значит и не должно быть такого действия, как перенос зарядов кратко — электрического тока. Но в вакууме его появление возможно. Даже больше на этом явлении построена работа некоторых приборов — электронных ламп.
Общие сведения
Любое физическое тело, будь то газ, жидкость или твёрдое вещество состоит из набора молекул, образованных ковалентными связями атомов. Это электрически нейтральные частицы, не несущие заряды. С точки зрения квантовой физики, молекула — это система, состоящая из ядер и электронов.
В равновесном состоянии число положительных частиц равняется количеству отрицательных. Поэтому тело находится в энергетическом равновесии.
Установлено, что электрический ток возможен при существовании так называемых свободных частиц — электронов. Они не привязаны к ядрам и хаотично перемещаются по физическому телу. Из-за того что их движение хаотичное, то заряд, который они несут, скомпенсирован. Для того чтобы появился электроток, протекающий длительное время нужно выполнение трёх условий:
- существование свободных носителей зарядов;
- действие электрического поля;
- замкнутая цепь.
Сторонние силы источника тока обеспечивают круговорот зарядов перемещая их в цепи против электрического поля на определённом участке. Из опытов стало известно, что сила тока пропорциональна работе (напряжению) которую необходимо выполнить, чтобы переместить заряд из одной точки в другую. То есть для того чтобы появился электроток должна быть создана разность потенциалов. Такое состояние характерно для металлов полупроводников и даже газов с жидкостями (явление пробоя). Но безвоздушное пространство отличается от них тем что в нём ничего нет.
На самом деле существует два понятия вакуума:
- физическое — под ним понимают состояние газа, при котором длина свободного пробега молекул больше размера сосуда;
- технический — сильно разряжённый газ.
Поэтому физики считают, что вакуум — это пространство в котором нет молекул атомов или ионов. Для того чтобы протекал ток нужны заряженные частицы. Вот ими как раз и являются электроны, но при этом они не существуют в вакууме сами по себе, а помещаются туда. Впервые процесс внесения отрицательных частиц в такую среду был выполнен Томасом Эдисоном в 1884 году. Он не был учёным, а был изобретателем. Его лампа накаливания и исследование свойств проводника при нагреве и послужили толчком для создания электровакуумного диода — устройства, проводящего эл. ток в вакууме.
Открытие явления и его природа
Томас Эдисон, проводя ряд экспериментов с лампочкой накаливания, пытался выяснить причину перегорания нити. Физик обратил внимание, что при её разрыве на стекле колбы с внутренней её стороны образуется чёрный налёт. При дальнейшем изучении Эдисон обнаружил что если пластина, внесённая в вакуум относительно нити накаливания, подключается к положительному потенциалу ток не появлялся. В ином случае проводник довольно сильно нагревался.
Это явление учёный объяснил существованием зарядов определённого знака, которые способны перемещаться в вакууме. На то время электрон ещё не был открыт. Эдисон увидел, что при повышении напряжения степень накала изменялась. Этот эффект был после назван термоэлектронной эмиссией. Уже после этого явления нашлось применение в детектировании радиоволн.
С физической точки зрения, термоэлектронной эмиссией называют способность тел испускать со своей поверхности электроны при нагревании. Связано это с тем что в веществах существует так называемый потенциальный барьер. То есть область пространства с конкретной потенциальной энергией. В равновесном состоянии величина заряда мала и не позволяет частице перейти через этот барьер. Но как только потенциал электрона возрастает, он свободно проходит через него. Нужную дополнительную энергию как раз и получает частица за счёт тепловых колебаний.
Уровень потенциального барьера зависит от двух параметров:
- термоэлектронной работы выхода f;
- значения надбарьерного отражения электронов.
Таким образом, прикладывая разность потенциалов между двумя проводниками, подключёнными к одной цепи, можно добиться протекания между ними тока. При нагревании проводника до высоких температур вокруг него образуется электронное облако. Причём чем выше температура, тем его плотность больше.
Так как проводник начинает заряжаться отрицательно из-за частичного ухода электронов то возникает сила притягивающая вылетевшие частицы обратно.
Но при дальнейшем повышении температуры наступает такой момент, когда электроны вырываются из облака. Этому способствует другой проводник с меньшим потенциалом, к которому и устремляются электроны. Возникает электропроводность.
Вакуумный диод
Прибором простейшего вида, использующим явление возникновения электричества, порождаемого термоэлектронной эмиссией, является вакуумный диод. Его работа довольно простая, а сам прибор относится к простейшим устройствам. Основной характеристикой диода является вольт-амперная зависимость.
Она имеет три участка: нелинейный, степенной, насыщения. На первом происходит медленное возрастание силы тока при увеличении напряжения. Эта зависимость экспоненциальная. На втором промежутке изменение описывается формулой: I = G * U 3/2 где: G — проводимость, величина, обратная сопротивлению. Третий участок характеризуется тем что при росте напряжения значение тока практически не изменяется. Это связано с тем что число электронов, вылетевших из проводника, становится постоянным для любого момента времени.
Сам электронный прибор представляет собой колбу с двумя электродами. В середине сосуда создан физический вакуум. Один электрод (катод) предназначен для испускания электронов, а другой (анод) для их получения. Катодный вывод состоит из нити, которая разогревается под действием тока и длинного цилиндра с уложенным в него спиралью подогревателя.
При нагреве электрода возникает термоэлектронная эмиссия. Электроны покидают поверхность и создают облако с избытком отрицательных зарядов. Поверхность же вывода начинает заряжаться положительно. Некоторое количество частиц, обладающих небольшой скоростью, падают на катод, но быстрые электроны преодолевают барьер и переходят на анод. Если на положительный вывод подать прямое смещение, то возникнет ускоряющее поле, которое ещё больше способствует переносу электронов.
В результате появится постоянный ток. Электровакуумный диод имеет неоспоримое достоинство перед полупроводниковым — отсутствие обратного тока. Кроме этого, устройство способно выдерживать большие напряжения и ионизирующее излучение. Но при этом прибор нельзя назвать энергоэффективным.
Наиболее часто в качестве термокатода используют вольфрам или смесь окислов щёлочноземельных металлов. Следует отметить, что к основным параметрам диода относят крутизну вольт-амперной характеристики ток насыщения и запирающее напряжение. Последнее определяет значение, при котором происходит пробой — появление искры с дугой и увеличение в несколько раз силы тока. То есть нарушения прочности вакуума.
Электронно-лучевая трубка
Природное явление способное создавать ток в вакууме используется не только в электроприборах простого типа, но и электронно-лучевых трубках (ЭЛТ). Двадцать лет тому назад это были основные устройства, на базе которых создавались кинескопы, предназначенные для вывода видеоинформации на экран мониторов. Их встраивали в осциллографы — это прибор какой может не только мерить значение напряжения, но и показывать форму электрического сигнала.
Током порождается нагревание тела. Это происходит из-за свойства, электронных пучков, которые иногда в научных презентациях называют катодными лучами. Связано это с тем, что во времена Томсона думали, что частицы, летящие от катода, образуют линии. Такую терминологию и сейчас часто можно встретить в конспектах американских учащихся.
Электронный пучок ускоряется полем, следовательно, он приобретает энергию. Попадая на какое-либо тело, он передаёт веществу накопленный заряд. В результате происходит нагревание. Этот эффект и способность носителей заряда в вакууме обеспечивать протекание тока используют в работе ЭЛТ.
Реальное устройство представляет собой цилиндр с плоским основанием, которое покрыто окисью бария. К катоду подключается проводник, который выводится за пределы ЭЛТ. Для управления пучком, испускаемым с поверхности катода, используется сетка. Изменяя на ней напряжение, можно регулировать плотность потока.
Летящий поток с помощью дополнительных электродов фокусируется и ускоряется. По сути, это два цилиндра, на которых также регулируется напряжение. По закону природы если к катоду подключается минус, а к анодам плюс, то созданная разность потенциалов позволяет летящим электронам ударяться об люминофор, приводя его к свечению. Этим материалом и покрывают внутреннюю поверхность экрана. Вся эта конструкция затем помещается в безвоздушное пространство равноудалено от потолка и пола колбы.
Прообраз подобного устройства был создан в 1879 году английским физиком Уильямом Круксом. Следует отметить, что ЭЛТ разделяют на два класса: электромагнитные и электростатические. Определение устройства к тому или иному виду зависит от способа организации отклонения луча.
