§ 69. Электрический ток в вакууме

Определения и обозначения

Электрический ток в вакууме — направленное движение свободных электронов в пространстве, из которого удалён газ. В металле электроны перемещаются внутри вещества, а здесь они летят между отдельными электродами. Понятие помогает отличать вакуумную проводимость от обычной проводимости металлов.

Термоэлектронная эмиссия — вылет электронов с поверхности нагретого металла. Нагрев даёт некоторым электронам достаточно энергии, чтобы преодолеть удерживающее их действие металла. Этот процесс обеспечивает вакуумный промежуток подвижными зарядами.

Вакуумный диод — двухэлектродный прибор с катодом и анодом, помещёнными в вакуум. Катод служит источником электронов, а анод принимает их; источник напряжения создаёт поле между электродами. Такое устройство позволяет изучать ток в вакууме и управлять его направлением.

Ток насыщения — максимальный ток, возникающий, когда электрическое поле собирает на анод практически все электроны, испускаемые катодом. После достижения этого режима повышение анодного напряжения почти не увеличивает ток. Поэтому ток насыщения показывает, сколько электронов способен испустить катод за единицу времени.

Как это устроено

Вакуум — не источник зарядов: в нём почти нет газовых частиц, которые могли бы переносить ток. Однако если электроны попадают в пространство между электродами, электрическое поле приводит их в направленное движение. В металле носители перемещаются внутри вещества, а в вакууме они проходят через промежуток от одного электрода к другому.

Электроны в металле удерживаются у поверхности силами взаимодействия с веществом. При нагревании возрастает энергия их хаотического движения, и часть электронов получает возможность покинуть металл. Поэтому нагретый катод становится источником носителей; чем выше его температура, тем больше электронов обычно вылетает за одинаковое время.

Вакуумный диод состоит из катода и анода внутри герметичной колбы, из которой удалён газ. Нагреватель повышает температуру катода и обеспечивает эмиссию, а отдельный источник создаёт напряжение между электродами. Вакуум нужен, чтобы электроны могли пролетать к аноду, не сталкиваясь с частицами газа на всём пути.

Когда анод положителен относительно катода, поле притягивает отрицательно заряженные электроны и направляет их к аноду. Их движение создаёт ток во внешней цепи; условное направление тока противоположно движению электронов. Если полярность поменять, отрицательный анод отталкивает электроны, а положительный катод не собирает их, поэтому заметный ток через диод практически прекращается.

При небольшом положительном напряжении не все испущенные электроны успевают попасть на анод: часть задерживается облаком электронов возле катода. Это скопление называют пространственным зарядом, и оно мешает движению следующих электронов. С ростом напряжения поле эффективнее собирает заряды, поэтому ток возрастает; когда собраны почти все испускаемые электроны, наступает насыщение. Нагрев катода увеличивает число доступных электронов и тем самым повышает ток насыщения.

Режимы работы вакуумного диода

Сначала определите полярность анода: при отрицательном аноде диод почти не проводит ток. Если анод положителен, сравните условия задачи с двумя режимами — роста тока и насыщения. Температуру катода учитывайте прежде всего при сравнении предельных токов.

Разбор задач

1. Анод отрицателен относительно катода

Анод соединён с отрицательным полюсом источника, а катод — с положительным. Нужно определить, появится ли ток в вакуумном диоде. Важно проследить не направление условного тока, а действие поля на электроны, испускаемые катодом.

1. Катод нагрет, поэтому может испускать электроны. Их заряд отрицателен, и поле действует на них в сторону, противоположную направлению силовых линий.
2. Отрицательный анод отталкивает электроны, а положительный катод не притягивает их к аноду. Следовательно, электроны не собираются анодом, как при прямой полярности.
3. В обычном режиме диода ток через промежуток практически отсутствует. Ответ: заметного тока не будет.

2. Ток по вольт-амперной характеристике

На графике нужно найти ток насыщения и сравнить токи при U = 4 и U = 12. Сначала найдём горизонтальный участок: на нём дальнейшее увеличение напряжения почти не меняет ток. По заданной характеристике этот участок начинается примерно при U = 8, а уровень тока равен 3.

1. Определяем плато графика и считываем его высоту: Iнас = 3 условные единицы. Это предельный ток для данной температуры катода.
2. При U = 4 график показывает I₁, примерно равный 1,9. Точка находится на возрастающем участке, поэтому поле ещё не собрало все испущенные электроны.
3. При U = 12 ток равен 3 и остаётся на плато. Значит, ток при 12 больше, чем при 4, а его значение уже совпадает с током насыщения.

3. Сравнение двух температур катода

Пусть вольт-амперные характеристики сняты при одной температуре, а затем катод нагрели сильнее. Нужно сравнить токи насыщения и объяснить изменение графика. Сравнение проводят при достаточно больших положительных напряжениях, когда анод собирает электроны полностью.

1. При большей температуре электроны в катоде в среднем обладают большей энергией. Поэтому за то же время больше электронов преодолевают поверхность металла и вылетают в вакуум.
2. Анод при достаточно сильном поле собирает эти дополнительные электроны. Следовательно, ток насыщения при более высокой температуре больше.
3. На графике кривая для нагретого катода поднимается выше и выходит на более высокое плато. Ответ: нагрев увеличивает предельный ток, а при малых напряжениях также меняет ток на участке его роста.

Типичные ошибки

Ошибка: считать, что ток в вакууме создают положительные ионы. Так думают, перенося на вакуум представление о газовом разряде, но в вакуумном диоде основные носители — электроны, испускаемые катодом. Проверьте себя: проследите, какие частицы покидают нагретый электрод и куда они движутся.

Ошибка: путать движение электронов с условным направлением тока. Электроны летят от катода к аноду, а принятое направление тока противоположно; путаница возникает из-за того, что направления называют одним словом. Проверка проста: отдельно укажите знак заряда носителя и направление условного тока.

Ошибка: считать, что ток неограниченно растёт с анодным напряжением. На возрастающем участке так и кажется, но после сбора почти всех электронов наступает насыщение. Проверьте, есть ли на характеристике горизонтальное плато: его высота задаёт предельный ток.

Ошибка: связывать появление носителей с нагревом анода. Нагревать анод могут по другим причинам, но источник термоэлектронной эмиссии в диоде — катод; эту путаницу вызывает то, что оба электрода находятся внутри колбы. Чтобы проверить ответ, спросите себя, какой электрод специально накаливают и откуда электроны начинают движение.

Связь с другими темами

Для понимания темы нужны знания о строении атома и свойствах электрона, а также об электрическом поле, напряжении и силе тока. Эти понятия позволяют объяснить, откуда берутся носители и как поле управляет их движением. Применение вакуумного диода связано с электронными лампами, выпрямителями и другими электронными приборами. Далее эти знания пригодятся при изучении электронных пучков, осциллографа и электронно-лучевых приборов.

Что запомнить

• Носителями тока в вакууме являются свободные электроны.
• Для возникновения тока нужны источник электронов и электрическое поле.
• В вакуумном диоде электроны испускает нагретый катод.
• Положительный анод притягивает электроны и собирает их.
• При отрицательном аноде ток через диод практически отсутствует.
• При достаточно большом анодном напряжении возникает ток насыщения.
• Ток насыщения увеличивается при повышении температуры катода.