§ 117. Электрический ток в вакууме

Определения и обозначения

Электрический ток в вакууме — упорядоченное движение свободных электронов в пространстве, из которого удалён газ. Для появления тока нужны источник электронов и электрическое поле, направляющее их движение. Источник поставляет заряженные частицы, а поле сообщает им направленное движение.

Термоэлектронная эмиссия — испускание электронов нагретым металлом. При нагревании электроны получают дополнительную энергию и некоторые из них преодолевают притяжение положительных ионов металла. Это явление позволяет создать поток электронов без газа между электродами.

Вакуумный диод — электронная лампа с двумя электродами: катодом и анодом, разделёнными вакуумом. Катод при нагревании испускает электроны, а анод принимает их, если имеет положительный потенциал. Поэтому диод служит простейшим прибором для управления электронным током.

Ток насыщения — максимальная сила тока при данном нагреве катода. Он устанавливается, когда анод собирает практически все электроны, испускаемые катодом за единицу времени. Дальнейшее увеличение напряжения уже почти не меняет ток, если температура катода остаётся прежней.

Как это устроено

Нагретый катод становится источником электронов, потому что тепловое движение увеличивает энергию электронов в металле. Часть частиц получает энергию, достаточную для выхода за пределы поверхности, где их удерживает электрическое притяжение к положительным ионам. Без нагрева таких электронов почти нет, поэтому в холодном вакуумном диоде заметный ток практически отсутствует.

Если анод имеет положительный потенциал относительно катода, между электродами возникает электрическое поле. Оно притягивает отрицательно заряженные электроны к аноду и ускоряет их движение в его сторону. Электроны движутся от катода к аноду, а условное направление тока считают противоположным: от анода к катоду.

При небольшом положительном напряжении поле направляет к аноду только часть испущенных электронов, поэтому ток невелик. Увеличение напряжения усиливает поле и помогает большему числу электронов достичь анода, так что ток возрастает. Сила тока определяется не только напряжением, но и количеством электронов, которое катод испускает за секунду.

Когда напряжение становится достаточно большим, анод начинает собирать почти все электроны, покидающие катод. Увеличение напряжения после этого уже не может существенно увеличить число переносимых зарядов: их ограничивает сама эмиссия катода. Поэтому ток выходит на участок насыщения и при неизменном нагреве почти перестаёт расти.

При отрицательном потенциале анод отталкивает электроны, вылетающие с катода, поэтому до анода доходит лишь ничтожная их часть. Полярность напряжения меняет направление электрического поля и возможность движения зарядов между электродами. Такое различие между прямым и обратным включением называется односторонней проводимостью и позволяет пропускать ток преимущественно в одном направлении.

Работа вакуумного диода при разных напряжениях

Сначала определите полярность анода относительно катода, а затем сопоставьте её с движением отрицательных электронов. Если анод положителен, смотрите, достигнут ли предел эмиссии; если отрицателен, ток считают практически равным нулю. Таблица помогает отличить рост тока из-за усиления поля от насыщения, при котором ограничивающим фактором становится катод.

Разбор задач

Задача 1

Катод вакуумного диода нагрет, а анод положителен относительно катода. Требуется указать направления движения электронов и условного тока. Знаки зарядов здесь важнее условного обозначения проводов.

1. Отрицательно заряженные электроны притягиваются к положительному аноду.
2. Следовательно, электроны движутся от катода к аноду.
3. Условное направление тока противоположно движению электронов, то есть от анода к катоду.

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

Задача 2

Нагрев катода не меняется, а напряжение между анодом и катодом увеличили в несколько раз. Нужно определить изменение силы тока сначала и после достижения насыщения. Решение основано на разделении двух причин: напряжение собирает электроны, а нагрев задаёт их количество.

1. При небольшом напряжении усиление поля направляет к аноду всё больше электронов, поэтому ток растёт.
2. При достаточно большом напряжении почти все электроны, испускаемые катодом, уже попадают на анод.
3. После этого наступает насыщение, и дальнейшее увеличение напряжения почти не изменяет ток.

Ответ: сначала ток увеличивается, затем становится почти постоянным; его значение определяется нагревом катода.

Задача 3

В цепь переменного напряжения включён вакуумный диод. Полярность анода и катода периодически меняется, поэтому нужно отдельно рассмотреть каждый полупериод. Выпрямление получается из-за неодинакового поведения диода при разных полярностях.

1. В полупериод, когда анод положителен относительно катода, он притягивает электроны, и ток проходит.
2. В полупериод, когда анод отрицателен, он отталкивает электроны, поэтому заметного тока почти нет.
3. Через нагрузку проходят импульсы тока одного условного направления, а обратная часть колебаний подавляется.

Ответ: ток проходит только в полупериоды с положительным анодом; диод выпрямляет переменный ток в пульсирующий ток одного направления.

Типичные ошибки

Ионы вместо электронов. В вакууме нет обычного газа, поэтому ток в диоде создают электроны, испущенные катодом, а не положительные и отрицательные ионы. Ошибку допускают, перенося представление о проводимости электролитов или разреженного газа. Проверьте себя: назовите источник зарядов — им является нагретый катод.

Путаница направлений. Электроны движутся от катода к аноду, но условный ток направлен наоборот. Причина ошибки — ток исторически определяют как движение положительных зарядов. Для проверки сначала укажите знак частицы, а затем переверните направление для условного тока.

Ток всегда растёт с напряжением. До насыщения усиление поля действительно увеличивает ток, но затем все испущенные электроны уже собираются анодом. Ошибку находят по условию: если нагрев постоянен и сказано о насыщении, ток почти не меняется. Значит, рост напряжения не создаёт новых электронов.

Одинаковая проводимость при любой полярности. Отрицательный анод отталкивает электроны, поэтому заметного тока нет. Такую ошибку допускают, забывая, что направление силы зависит от знака заряда. Проверка проста: положительный анод притягивает электроны, отрицательный — отталкивает.

Связь с другими темами

Для понимания темы нужны представления об электрическом токе, напряжении, электрическом поле и условном направлении тока. С металлами вакуумный диод связан общими носителями заряда: в металле движутся электроны проводимости, а в вакууме — электроны, испущенные катодом. Односторонняя проводимость диода используется при изучении выпрямления переменного тока и работы электронных приборов.

Что запомнить

• В вакууме ток создаёт упорядоченное движение электронов.
• Источником электронов в вакуумном диоде служит нагретый катод.
• Испускание электронов нагретым металлом называется термоэлектронной эмиссией.
• Положительный анод притягивает электроны от катода.
• При достижении тока насыщения анод собирает практически все испускаемые катодом электроны.
• Вакуумный диод проводит ток преимущественно в одном направлении.