§ 13. Электрический ток в вакууме

Определения и обозначения

Электрический ток в вакууме — упорядоченное движение свободных электронов в пространстве, где почти отсутствуют молекулы газа. Носители заряда движутся не внутри вещества, а от одного электрода к другому. Это определение помогает отличить вакуумный ток от тока в металлах и газах.

Термоэлектронная эмиссия — испускание электронов с поверхности нагретого металла. При повышении температуры часть электронов получает энергию для выхода из металла. Именно эмиссия создаёт поток зарядов, без которого ток в вакуумном приборе невозможен.

Вакуумный диод — двухэлектродный прибор с катодом и анодом, в котором ток создаётся движением электронов в вакууме. Катод испускает электроны, а анод собирает их под действием электрического поля. По диоду можно изучать зависимость силы тока от анодного напряжения.

Ток насыщения — максимальный ток вакуумного диода, при котором все испущенные катодом электроны достигают анода. Его величина определяется главным образом интенсивностью эмиссии катода. Поэтому изменение температуры катода меняет уровень насыщения.

Как это устроено

В вакууме почти нет частиц, с которыми электроны могли бы сталкиваться, поэтому они способны двигаться между электродами на значительные расстояния. Электроны появляются благодаря нагреву катода: полученная энергия позволяет некоторым из них преодолеть силы, удерживающие их в металле. Поэтому отдельного вещества-носителя между электродами не требуется.

Чем выше температура катода, тем больше электронов получает энергию выхода и тем интенсивнее эмиссия. На неё также влияют материал и состояние поверхности катода. Если катод холодный, число покидающих его электронов настолько мало, что заметный ток практически не возникает.

Вакуумный диод помещают в баллон с разреженным газом, где находятся катод и анод. Нагреватель передаёт катоду теплоту, а источник напряжения создаёт разность потенциалов между электродами. При подходящем соединении анодное поле направляет электроны от катода к аноду, и во внешней цепи появляется ток.

Электроны имеют отрицательный заряд, поэтому положительный анод их притягивает. Если анод отрицателен относительно катода, электрическое поле отталкивает электроны, и они возвращаются к катоду. Поэтому изменение полярности почти прекращает ток, хотя катод может продолжать испускать электроны.

Вольт-амперная характеристика диода нелинейна. При небольшом положительном напряжении около катода накапливается отрицательное облако электронов — пространственный заряд, который мешает выходу новых электронов и ограничивает ток. При дальнейшем увеличении напряжения поле собирает всё больше электронов, а затем достигается насыщение: анод получает практически весь поток, испускаемый катодом.

Режимы работы вакуумного диода

Таблица показывает, как по температуре катода и знаку или величине анодного напряжения определить режим работы диода. При чтении характеристики сначала выясняют, есть ли эмиссия, затем смотрят, достигают ли электроны анода и растёт ли ток при увеличении напряжения. Граница между пространственным зарядом и насыщением связана не с исчезновением электронов, а с тем, что анод уже собирает почти все испущенные частицы.

Разбор задач

Задача 1. Направления движения и тока

Условие: катод вакуумного диода нагрет, а анод имеет отрицательный потенциал относительно катода. Нужно определить направление движения электронов и принятого направления тока.

1. Нагретый катод испускает электроны, поэтому носители заряда начинают двигаться от катода.
2. Отрицательный анод отталкивает отрицательно заряженные электроны, поэтому они не достигают анода и возвращаются к катоду.
3. Принятое направление тока противоположно движению отрицательных зарядов. Если электроны направляются к катоду, ток мысленно направляют от катода к аноду.

Ответ: электроны движутся от анода к катоду, а принятое направление тока — от катода к аноду. Реальный ток через диод при таком подключении практически равен нулю.

Задача 2. Чтение вольт-амперной характеристики

Условие: по графику характеристики требуется найти ток при заданном анодном напряжении и установить режим работы диода.

1. На горизонтальной оси находят заданное значение Uₐ, затем проводят мысленно вертикаль до пересечения с кривой.
2. Из точки пересечения проводят мысленно горизонталь к оси силы тока и считывают значение I. Например, при Uₐ = 5 В на приведённой характеристике ток примерно равен 4,6 условной единицы.
3. Точку сравнивают с формой кривой: на начальном подъёме действует пространственный заряд, а на почти горизонтальном участке наступает насыщение. При 5 В рост ещё продолжается, поэтому насыщение близко, но полностью не достигнуто.

Ответ: ток определяют по ординате графика; при Uₐ = 5 В он составляет приблизительно 4,6, а рабочая точка находится на переходе к насыщению.

Задача 3. Изменение температуры катода

Условие: температуру катода увеличили и измерили ток при разных анодных напряжениях. Нужно объяснить изменение характеристики и найти ток насыщения.

1. При нагреве больше электронов получает энергию выхода, поэтому возрастает термоэлектронная эмиссия.
2. При малом напряжении обе характеристики могут заметно различаться из-за пространственного заряда. При достаточно большом напряжении новая кривая выходит на более высокий горизонтальный уровень.
3. Ток насыщения находят по этому уровню: выбирают участок, где увеличение Uₐ почти не меняет I, и считывают его ординату. После нагрева следует использовать именно новый, более высокий уровень.

Ответ: температура катода увеличивает ток насыщения и поднимает соответствующий участок характеристики. Его численное значение берут по плато новой кривой.

Типичные ошибки

«В вакууме тока быть не может». Так думают, потому что в вакууме почти нет вещества. Проверьте себя: найдите источник электронов — нагретый катод, и тогда возможность тока становится очевидной.

Путаница направлений. Электроны отрицательны, поэтому их движение противоположно принятому направлению тока. Чтобы не ошибиться, сначала нарисуйте стрелку движения электронов, а затем поставьте стрелку тока в обратную сторону.

Любое положительное напряжение считают насыщением. Положительный анод действительно притягивает электроны, но при малом напряжении часть потока удерживает пространственный заряд. Проверьте форму характеристики: если ток ещё заметно растёт, насыщение не наступило.

Считают, что ток всегда растёт с напряжением. До насыщения это верно лишь приближённо. На горизонтальном участке дальнейший рост Uₐ почти не меняет I, потому что ток ограничен эмиссией катода.

Связь с другими темами

Для понимания темы нужны знания о строении атома, заряде электрона, электрическом поле, напряжении, силе тока и законе Ома. В металлах носители движутся внутри кристаллической решётки, а в газах ток связан с движением заряженных частиц среды; в вакууме электроны летят между электродами почти без столкновений. Эти знания применяются при изучении электронных ламп, электронно-лучевых приборов, вакуумных диодов и рентгеновских трубок.

Что запомнить

• Электрический ток в вакууме создаётся движением электронов.
• Основной способ получения электронов в вакууме — термоэлектронная эмиссия.
• В вакуумном диоде катод испускает электроны, а положительный анод притягивает их.
• При отрицательном потенциале анода относительно катода ток практически прекращается.
• При малом анодном напряжении ток ограничивается пространственным зарядом.
• Ток насыщения достигается, когда на анод попадают почти все электроны, испущенные катодом.
• Увеличение температуры катода повышает ток насыщения.