Электрический ток в вакууме

Определение

Электрический ток в вакууме — это упорядоченное движение свободных электронов или ионов, происходящее в пространстве с очень низкой концентрацией молекул газа, то есть при практически полном отсутствии вещества.

Как возникает ток в вакууме

Для возникновения тока в вакууме необходим источник свободных зарядов и электрическое поле, которое будет их ускорять. Чаще всего электроны получают путём термоэлектронной эмиссии: металлическая нить (катод) нагревается до высокой температуры, и электроны вырываются с её поверхности. Затем эти электроны притягиваются к положительно заряженному электроду (аноду), создавая направленный поток. Если анод имеет форму сетки, электроны могут пролетать сквозь неё, формируя электронный пучок.

Устройство вакуумного диода

Простейший прибор для демонстрации тока в вакууме — вакуумный диод, состоящий из двух электродов: катода и анода, помещённых в откачанную до высокого вакуума колбу. Катод нагревается, испуская электроны. Если на анод подать положительный потенциал относительно катода, электроны будут ускоряться к аноду, создавая ток. Если поменять полярность (анод отрицательный), электроны отталкиваются и тока не будет. Это свойство позволяет диоду пропускать ток только в одном направлении.

Скорость и управление электронами

В вакууме электроны не сталкиваются с атомами и молекулами, поэтому их движение практически ничем не тормозится. Это позволяет электронам развивать очень высокие скорости под действием электрического поля. Кроме того, на траекторию движения электронного пучка можно влиять с помощью дополнительных электрических и магнитных полей. Это свойство используется для отклонения пучков в электронно-лучевых трубках или фокусировки в ускорителях.

Отличие от тока в газах и проводниках

В металлах носителями заряда являются свободные электроны, движущиеся среди ионов кристаллической решётки. В газах ток возникает при ионизации атомов, образуя свободные электроны и ионы, которые и перемещаются. Вакуум принципиально отличается тем, что в нём изначально нет носителей заряда, их нужно специально вводить. А после введения они движутся без сопротивления среды.

Как найти и применять

1. Определите источник свободных зарядов (обычно катод с термоэлектронной эмиссией).
2. Создайте область высокого вакуума, чтобы исключить столкновения зарядов с молекулами газа.
3. Приложите электрическое поле между катодом и анодом, чтобы ускорять заряды.
4. Рассчитайте силу тока, зная количество проходящих зарядов за единицу времени.

Разбор задач

Задача 1

Вакуумный диод работает при напряжении между анодом и катодом 100 В. С катода ежесекундно вылетает 6,25 x 10^16 электронов. Какова сила тока через диод? Заряд электрона |e| = 1,6 x 10^-19 Кл.

1. Определим общий заряд, проходящий через диод за 1 секунду: Q = N * |e|, где N — количество электронов, |e| — заряд одного электрона. 2. Q = (6,25 x 10^16) * (1,6 x 10^-19 Кл) = 10 x 10^-3 Кл = 0,01 Кл. 3. Сила тока I = Q / t, где t — время. В данном случае t = 1 с. 4. I = 0,01 Кл / 1 с = 0,01 А.

Ответ: Сила тока через диод составляет 0,01 А.

Где это встречается

• Электронно-лучевые трубки (ЭЛТ) в старых телевизорах и мониторах — Электронный пучок, созданный в вакууме, отклоняется электрическими и магнитными полями, попадая на люминесцентный экран и формируя изображение.
• Рентгеновские трубки — Ускоренные в вакууме электроны ударяются об анод, выбивая из его атомов рентгеновское излучение.
• Ускорители частиц — В них элементарные частицы (в том числе электроны и протоны) ускоряются до огромных скоростей в условиях глубокого вакуума, чтобы избежать их столкновений с молекулами воздуха.
• Электронные микроскопы — В них вместо световых лучей используются пучки электронов, движущиеся в вакууме, что позволяет получать изображения с гораздо большим разрешением.

Типичные ошибки

Не путать

• Электрический ток в металлах — В металлах носители заряда (свободные электроны) уже присутствуют и движутся под действием поля, но постоянно сталкиваются с ионами решётки. В вакууме носители нужно вводить извне, но они движутся без сопротивления среды.
• Электрический ток в газах — В газах ток возникает при их ионизации, образуя как электроны, так и положительные ионы. Носители заряда движутся, сталкиваясь с молекулами газа. В вакууме концентрация молекул газа пренебрежимо мала, и носители не сталкиваются.
• Электрический ток в полупроводниках — В полупроводниках носителями заряда являются электроны и «дырки» (вакансии электронов), их концентрация зависит от температуры и примесей. Ток в полупроводниках возникает в твёрдом теле, а в вакууме — в пустом пространстве.

Откуда взялось понятие

Основные принципы термоэлектронной эмиссии, лежащей в основе тока в вакууме, были исследованы Томасом Эдисоном в конце XIX века (эффект Эдисона), а затем более подробно изучены Джоном Амброузом Флемингом, который в 1904 году создал первый вакуумный диод.

Как запомнить

Ток в вакууме — это «электронный поезд» без рельсов, но с мотором (поле) и станцией отправления (катод).