Elektrický proud ve vakuu

V technickém smyslu se prostor nazývá vakuum, množství hmoty, ve kterém je ve srovnání s běžným plynným prostředím zanedbatelné. Podtlakový tlak je nejméně o dva řády nižší než atmosférický tlak; za takových podmínek v něm prakticky neexistují žádné volné nosiče náboje.

Ale jak víme elektrický šok se nazývá uspořádaný pohyb nabitých částic při působení elektrického pole, zatímco ve vakuu podle definice neexistuje takový počet nabitých částic, který by stačil k vytvoření stabilního proudu. To znamená, že k vytvoření proudu ve vakuu je nutné k němu nějak přidat nabité částice.

V roce 1879 objevil Thomas Edison fenomén termionického záření, což je dnes jeden z osvědčených způsobů, jak získat volné elektrony ve vakuu zahřátím kovové katody (negativní elektrody) do takového stavu, že z ní začnou vylétávat elektrony. Tento jev se používá v mnoha vakuových elektronických zařízeních, zejména ve vakuových trubicích.

Umístíme dvě kovové elektrody do vakua a připojíme je ke zdroji stejnosměrného napětí, poté začneme zahřívat zápornou elektrodu (katodu). V tomto případě se zvýší kinetická energie elektronů uvnitř katody. Pokud se takto dodatečně získaná energie elektronů ukáže jako dostatečná k překonání potenciálové bariéry (k plnění pracovní funkce katodového kovu), pak takové elektrony budou moci uniknout do prostoru mezi elektrodami.

Jelikož je mezi elektrodami elektrické pole (vytvořené výše uvedeným zdrojem), elektrony vstupující do tohoto pole by se měly začít urychlovat ve směru k anodě (kladná elektroda), to znamená, že teoreticky dojde k elektrickému proudu ve vakuu.

Ale to není vždy možné, a to pouze v případě, že elektronový paprsek je schopen překonat potenciální důlek na povrchu katody, jehož přítomnost je způsobena výskytem vesmírného náboje v blízkosti katody (elektronový mrak).

Pro některé elektrony bude napětí mezi elektrodami příliš nízké ve srovnání s jejich průměrnou kinetickou energií, nebude to stačit k výstupu z jámy a vrátí se zpět, a pro některé bude dostatečně vysoké, aby uklidnilo elektrony směrem dolů. a začnou být urychlovány elektrickým polem. Čím vyšší je tedy napětí aplikované na elektrody, tím více elektronů opustí katodu a stanou se nositeli proudu ve vakuu.

Čím vyšší je napětí mezi elektrodami umístěnými ve vakuu, tím menší je hloubka potenciálové jámy v blízkosti katody.V důsledku toho se ukazuje, že hustota proudu ve vakuu při termionickém záření souvisí s anodovým napětím vztahem zvaným Langmuirův zákon (na počest amerického fyzika Irvinga Langmuira) nebo zákon třetí:

Na rozdíl od Ohmova zákona je zde vztah nelineární. Také, jak se potenciální rozdíl mezi elektrodami zvyšuje, hustota vakuového proudu se bude zvyšovat, dokud nenastane saturace, stav, kdy všechny elektrony z elektronového mraku na katodě dosáhnou anodu. Další zvyšování rozdílu potenciálu mezi elektrodami nebude mít za následek zvýšení proudu. R

Různé katodové materiály mají různou emisivitu, charakterizovanou saturačním proudem Hustotu saturačního proudu lze určit pomocí Richardsonova-Deshmanova vzorce, který dává proudovou hustotu do souvislosti s parametry katodového materiálu:

Tady:

Tento vzorec odvodili vědci na základě kvantových statistik.