§ 74. Электрический ток в вакууме

Определения и обозначения

Вакуум — сильно разреженное пространство, в котором электрический ток создаётся движением заряженных частиц, а не движением ионов в газе. Ионами называют заряженные атомы или молекулы, но в вакуумном диоде их почти нет. Поэтому для возникновения тока в вакуум необходимо доставить носители заряда с электродов.

Термоэлектронная эмиссия — вылет электронов с поверхности нагретого металла. При нагревании некоторые электроны приобретают достаточно энергии, чтобы покинуть металл. Это явление позволяет получить носители тока там, где нет газа, и сделать катод источником электронов.

Вакуумный диод — прибор с катодом и анодом в вакуумной колбе, в котором ток зависит от напряжения между электродами. Катод испускает электроны, а анод принимает их, если его потенциал выше. Такая конструкция нужна, чтобы исследовать и использовать управляемое движение электронов в вакууме.

Ток насыщения — наибольший ток в вакуумном диоде при данном нагреве катода, когда анод собирает почти все вылетевшие электроны. Его величина ограничена тем, сколько электронов катод испускает за единицу времени. Понятие помогает объяснить, почему простое увеличение напряжения не всегда усиливает ток.

Как это устроено

В вакууме почти нет частиц среды, поэтому носителям тока неоткуда взяться внутри пространства между электродами. Электроны должны попасть туда с поверхности электрода. В вакуумном диоде их источником служит катод, который нагревают электрическим током или другим способом. Без такого источника и без свободных электронов заметного тока между электродами не будет.

При нагревании частицы металла движутся интенсивнее, и некоторые электроны получают дополнительную энергию. Если энергии хватает, электрон преодолевает притяжение со стороны металла и вылетает с поверхности. Так возникает термоэлектронная эмиссия, а около катода формируется облако свободных электронов. Чем сильнее нагрев, тем больше электронов может покинуть катод за то же время.

Если анод имеет положительный потенциал относительно катода, электрическое поле действует на отрицательно заряженные электроны силой, направленной к аноду. Электроны движутся от катода к аноду, а их упорядоченное перемещение образует электрический ток. Условное направление тока принято считать направлением движения положительных зарядов, поэтому оно противоположно движению электронов. При обратной полярности отрицательный анод отталкивает электроны, и лишь очень малая их часть может достичь его.

При небольшом положительном напряжении анод притягивает не все электроны: часть из них может не долететь до него. Если увеличить напряжение, электрическое поле сильнее ускоряет электроны и собирает большую их долю, поэтому ток возрастает. Но число электронов, доступных для движения, ограничено эмиссией катода. Когда анод собирает почти все вылетевшие электроны, ток выходит на насыщение и дальнейший рост напряжения почти не меняет его.

Сила тока зависит не только от напряжения между электродами, но и от температуры катода. Напряжение определяет, насколько эффективно анод притягивает электроны, а температура — сколько электронов вообще покидает катод. Поэтому при одном и том же анодном напряжении более горячий катод может обеспечить больший ток насыщения. Чтобы сравнивать режимы диода, нужно учитывать оба условия, а не только напряжение.

Работа вакуумного диода

Сначала определите полярность электродов: она подскажет, притягивает анод электроны или отталкивает их. Затем выясните, увеличивается ли доля электронов, достигающих анода, или уже наступило насыщение. В последнем случае изменение напряжения почти не влияет на ток, пока не изменится нагрев катода.

Разбор задач

Направления движения электронов и тока

В вакуумном диоде катод нагрет, а анод соединён с положительным полюсом источника. Нужно указать, куда движутся электроны и куда направлен условный ток. Будем считать, что диод включён в цепь и между электродами есть напряжение.

1. Положительный анод притягивает отрицательно заряженные электроны, испущенные катодом. Значит, электроны движутся от катода к аноду.
2. Условное направление тока совпадает с направлением движения положительных зарядов. Электроны заряжены отрицательно, поэтому направление тока противоположно их движению.
3. Следовательно, условный ток направлен от анода к катоду внутри диода. Внешняя цепь замыкает ток, но вопрос о направлении внутри диода решается по движению носителей заряда.

Ответ: электроны движутся от катода к аноду, а условный ток — от анода к катоду.

Определение области насыщения по графику

Дана вольт-амперная характеристика — график зависимости силы тока от анодного напряжения. Нужно найти напряжение, при котором начинается область насыщения, и объяснить, почему кривая становится почти горизонтальной. Численное значение следует считывать с конкретного графика, поскольку оно зависит от условий опыта.

1. Найдите на графике участок, где ток сначала заметно увеличивается при росте напряжения. На этом этапе поле заставляет всё больше испущенных электронов достигать анода.
2. Проследите, где кривая переходит в почти горизонтальный участок. Напряжение начала этого участка и будет напряжением, при котором начинается насыщение.
3. На горизонтальном участке анод уже собирает почти все электроны, испускаемые катодом. Поэтому дополнительное увеличение напряжения почти не может увеличить число электронов, образующих ток.

Ответ: начало насыщения определяют по переходу кривой к почти горизонтальному участку. Ток перестаёт заметно расти, потому что его ограничивает эмиссия катода.

Нагрев катода

Анодное напряжение оставляют неизменным, а катод нагревают сильнее. Нужно определить, как изменятся число электронов у катода и сила тока. Сравниваем два режима при прочих равных условиях, не меняя полярность электродов.

1. При более высокой температуре электроны металла в среднем обладают большей энергией. Поэтому большее их число способно преодолеть притяжение металла и покинуть поверхность катода.
2. Электронное облако около катода становится более многочисленным. Поскольку положительное анодное напряжение осталось прежним, анод притягивает доступные электроны в прежнем режиме.
3. Значит, при неизменном напряжении возрастает число электронов, способных участвовать в токе. Особенно заметным изменение будет в токе насыщения, величина которого определяется эмиссией катода.

Ответ: число электронов у катода увеличится, и сила тока возрастёт; причина — усиление термоэлектронной эмиссии при нагревании.

Типичные ошибки

Ошибка — считать, что ток в вакууме создают положительные ионы. Так думают, перенося на вакуум свойства газового разряда, где носителями могут быть ионы и электроны. В вакуумном диоде носители — электроны, испущенные катодом. Проверьте себя: назовите источник зарядов и их знак; если ответ — положительные ионы газа, вы смешали разные явления.

Ошибка — путать направление движения электронов с направлением условного тока. Путаница возникает потому, что движущиеся электроны и есть носители тока, но направление тока исторически определяют по положительным зарядам. В диоде электроны летят от катода к аноду, а условный ток направлен наоборот. Для проверки сначала нарисуйте стрелку движения электронов, затем разверните её на 180°.

Ошибка — объяснять ток насыщения предельным напряжением источника. Такой вывод кажется правдоподобным, потому что насыщение появляется при увеличении напряжения, однако его причина — ограниченное число электронов, испускаемых катодом. Если анод уже собирает почти все эти электроны, повысить ток одним лишь напряжением почти невозможно. Проверьте себя: спросите, что изменится, если сильнее нагреть катод; ток насыщения может стать больше.

Ошибка — полагать, что диод одинаково проводит при любой полярности. При положительном аноде поле притягивает электроны, а при отрицательном — отталкивает их. Поэтому при обратной полярности ток резко уменьшается. Проверка проста: установите знак заряда носителя и выясните, притягивает ли его анод в данном режиме.

Связь с другими темами

Для понимания темы нужно знать, что электрический ток — упорядоченное движение заряженных частиц, а его условное направление совпадает с движением положительных зарядов. Также важно представлять, как электрическое поле действует на заряд и как напряжение между электродами влияет на движение электронов. Это связывает вакуумный диод с изучением электрических цепей и поля. Позже эти знания пригодятся при знакомстве с электронными приборами, электронными пучками и применением вакуума в технике.

Что запомнить

• Ток в вакууме создаёт движение электронов.
• В вакуумном диоде электроны испускает нагретый катод.
• Положительный анод притягивает электроны.
• Направление условного тока противоположно движению электронов.
• При увеличении анодного напряжения ток растёт, а затем достигает насыщения.
• Нагрев катода влияет на число испускаемых электронов и силу тока.