69. Электрический ток в вакууме

Определения и обозначения

Электрический ток в вакууме — упорядоченное движение свободных электронов. Чтобы он возник, нужны источники электронов и электрическое поле, которое заставит их двигаться согласованно. Это отличает ток в вакууме от тока в металле: электроны сначала должны покинуть электрод.

Термоэлектронная эмиссия — выход электронов из нагретого металла. Электроны притягиваются к положительно заряженным частицам металла и обычно не могут свободно покинуть его поверхность. Нагрев сообщает части электронов дополнительную энергию, которой хватает для преодоления этого притяжения.

Вакуумный диод — прибор из двух электродов, помещённых в откачанную колбу. Катод служит источником электронов, а анод принимает электроны, прилетевшие через вакуум. Такой прибор позволяет изучать и управлять током, возникающим между электродами.

Ток насыщения — максимальный ток в вакуумном диоде при заданной температуре катода. Он устанавливается, когда анод собирает практически все электроны, испускаемые катодом. Поэтому дальнейшее повышение напряжения уже почти не увеличивает ток.

Как это устроено

В пустом пространстве ток сам по себе не возникает: там нет частиц, которые могли бы стать носителями заряда. В диоде их создаёт нагретый катод, испуская электроны за счёт термоэлектронной эмиссии. Вакуум нужен, чтобы электроны могли пройти к аноду, почти не сталкиваясь с молекулами газа и не теряя на столкновениях энергию.

Катод и анод находятся внутри колбы, из которой откачан воздух. Между электродами подключают источник напряжения, создающий электрическое поле. Если анод заряжен положительно относительно катода, поле действует на отрицательно заряженные электроны силой, направленной к аноду. Так электрическое поле направляет электроны через вакуум, а во внешней цепи появляется ток.

Положительный анод притягивает электроны, поэтому они движутся от катода к аноду. Условное направление тока принято считать направлением движения положительных зарядов, следовательно, оно противоположно движению электронов. Если полярность источника изменить, анод станет отрицательным и будет отталкивать электроны. Поле препятствует их попаданию на анод, поэтому ток через диод практически отсутствует.

При небольшом положительном напряжении анод собирает не все электроны: часть из них может не долететь до него. При увеличении напряжения поле сильнее ускоряет электроны и направляет их к аноду, поэтому сила тока растёт. Наконец анод начинает собирать почти все электроны, которые катод успевает испустить. Дальнейший рост напряжения мало меняет ток — наступает насыщение.

Ток насыщения определяется тем, сколько электронов катод испускает за единицу времени. При более сильном нагревании больше электронов получает достаточно энергии, чтобы покинуть металл. Анод при насыщении собирает практически все эти электроны, поэтому увеличение их числа приводит к увеличению тока насыщения. Напряжение здесь уже не главный ограничитель: предел задаёт эмиссия катода.

На графике видно, что при отрицательном напряжении ток близок к нулю, а при положительном сначала возрастает, затем выходит на почти горизонтальный участок. Он показывает качественную зависимость, а не конкретные результаты измерений. При другой температуре катода уровень насыщения будет иным.

Вакуумный диод и ток в нём

Сначала определите, какой электрод испускает электроны, а какой их собирает. Затем по полярности источника установите, куда направлено поле и как будут двигаться электроны. Последние две строки помогают понять, почему ток не растёт бесконечно и от чего зависит его предельное значение.

Разбор задач

Направления движения электронов и тока

Условие. Нагретый катод и анод подключены так, что анод имеет положительный потенциал. Нужно определить направление движения электронов и направление условного тока. Обозначим анод как положительный электрод, а катод — как источник электронов.

1. Катод при нагревании испускает электроны, то есть частицы с отрицательным зарядом.
2. Положительный анод притягивает электроны, поэтому они движутся от катода к аноду.
3. Условный ток направлен так, как двигались бы положительные заряды, значит, он противоположен движению электронов.

Ответ. Электроны движутся от катода к аноду, а условный ток — от анода к катоду. Важно не называть направление электронов направлением тока: для отрицательно заряженных частиц эти направления противоположны.

Почему ток достигает насыщения

Условие. Температура катода постоянна, напряжение на аноде увеличивают, но сила тока перестаёт расти. Нужно объяснить это наблюдение. Число испускаемых за единицу времени электронов при неизменной температуре остаётся практически одним и тем же.

1. При небольшом напряжении часть электронов не достигает анода, поэтому увеличение напряжения повышает силу тока.
2. При достаточно сильном поле анод начинает собирать почти все электроны, испускаемые катодом.
3. Число электронов, доступных для сбора за единицу времени, ограничено эмиссией катода, поэтому дальнейшее увеличение напряжения почти не меняет ток.

Ответ. Ток достиг насыщения, потому что анод уже собирает практически все электроны, которые катод испускает при данной температуре. Более высокое напряжение не может существенно увеличить их число.

Как температура влияет на ток насыщения

Условие. Ток насыщения измерили при двух температурах катода; при более высокой температуре он оказался больше. Нужно объяснить результат и сравнить количество испускаемых электронов за одинаковое время. Рассматриваем оба измерения именно в режиме насыщения.

1. При нагревании электроны получают больше энергии, и большему их числу удаётся покинуть металл.
2. За одинаковое время более горячий катод испускает больше электронов, чем менее горячий.
3. При насыщении анод собирает почти все испущенные электроны, поэтому большему числу электронов соответствует больший ток.

Ответ. При более высокой температуре катод испускает за одинаковое время больше электронов, поэтому ток насыщения выше. Точное количество электронов без численных данных о токе определить нельзя, но сравнение следует непосредственно из условия насыщения.

Типичные ошибки

Ошибка: считать, что ток в диоде создают положительные ионы. Так могут рассуждать, если просто связывают ток с движением положительного заряда, но в рассматриваемом вакуумном диоде носители — электроны, испущенные катодом. Проверьте себя: проследите, кто покидает катод и кто достигает анода.

Ошибка: путать направление электронов и условного тока. Поскольку электроны имеют отрицательный заряд, их движение направлено противоположно принятому направлению тока. Проверка проста: представьте, куда двигался бы положительный заряд при тех же условиях, и сравните направления.

Ошибка: полагать, что при повышении напряжения ток растёт неограниченно. Это неверно при постоянной температуре: после того как анод собирает почти все испускаемые электроны, ток выходит на насыщение. На графике этому соответствует участок, где кривая становится почти горизонтальной.

Ошибка: считать, что диод одинаково проводит при обеих полярностях. Такое ожидание возникает, если не учитывать знак заряда электронов: отрицательный анод отталкивает их и препятствует попаданию на электрод. Чтобы проверить вывод, сначала установите потенциал анода, а затем определите, притягивает он электроны или отталкивает.

Связь с другими темами

Для понимания тока в вакууме нужны знания о строении атома, заряде и движении электронов. Также важно различать направление электрического поля и направление условного тока. Эти понятия помогают объяснить, почему положительный анод притягивает электроны, хотя направление тока противоположно их движению.

Тема связана с термоэлектронной эмиссией и применением вакуумных электронных приборов. В электронных лампах используют движение электронов между электродами и управление этим движением. Поэтому вакуумный диод — пример того, как свойства электронов и электрического поля применяют в устройстве прибора.

Что запомнить

• В вакууме электрический ток создаёт упорядоченное движение электронов.
• В вакуумном диоде электроны испускает нагретый катод.
• Положительный анод притягивает электроны, движущиеся от катода.
• Направление условного тока противоположно движению электронов.
• При увеличении анодного напряжения ток сначала растёт, а затем достигает насыщения.
• Ток насыщения увеличивается с ростом температуры катода.