Электрический ток в вакууме

На прошлых уроках мы начали рассматривать условия протекания электрического тока в различных средах. Рассмотрев опыты Мандельштама и Папалекси мы узнали, что носителями тока в металлах являются свободные электроны. Иными словами, металлы обладают электронной проводимостью.

Так же мы с вами выяснили, что в полупроводниках проводимость обусловлена движением электронов и дырок. Напомним, что проводимость полупроводников, обусловленную наличием у них свободных электронов, называют электронной проводимостью, а обусловленную движением дырок — дырочной проводимостью полупроводников.

Однако в обоих случаях при прохождение электрического тока в результате тех или иных процессов появляются свободные носители зарядов. А возможно ли распространение электрического тока в вакууме, характеризующимся «отсутствием» вещества, а следовательно, и отсутствием электрических зарядов?

Поскольку в вакууме нет свободных носителей зарядов, то он является идеальным диэлектриком. Проверим это на опыте. Возьмём сосуд, из которого откачен воздух. В этот сосуд впаяны две металлические пластины — два электрода.

Одни из них (анод) соединим с положительным полюсом источника тока, другой (катод) — с отрицательным. Также включим в цепь чувствительный миллиамперметр. Замкнём цепь — прибор не показывает никакого тока. Это указывает на то, что в вакууме действительно нет никаких свободных носителей зарядов.

Следовательно, для того чтобы в вакууме мог проходить электрический ток, в нем необходимо каким-то образом предварительно «создать» некоторую концентрацию свободных носителей заряда.

Видоизменим опыт. В качестве катода впаяем в сосуд проволочку (нить), концы которой выведем наружу. Эта проволочка по-прежнему останется катодом. С помощью другого источника тока накалим её. Мы заметим, что, как только нить накаляется, миллиамперметр, включённый в цепь, показывает ток, и тем больший, чем сильнее накалена нить. Значит, накалённая нить обеспечивает наличие в вакууме необходимых для существования тока носителей заряда.

Теперь определим заряд этих частиц. Для этого переменим полюсы у впаянных в сосуд электродов: нить сделаем анодом, а противоположный полюс — катодом. И хотя нить по-прежнему накалена и по-прежнему посылает в вакуум заряженные частицы, тока в цепи нет.

Из этого опыта следует, что испускаемые накалённой нитью частицы заряжены отрицательно, так как они отталкиваются от электрода, когда он заряжен отрицательно. Следовательно, носителями тока в вакууме являются электроны.

Явление испускания веществом электронов при нагревании называется термоэлектронной эмиссией. При этом электроны, испускаемые нагретым телом, называют термоэлектронами, а само тело — эмиттером.

Явление термоэлектронной эмиссии было открыто в 1853 году французским физиком Эдмондом Беккерелем. Затем 13 февраля 1880 года Томасом Эддисоном (после этого данное явление назвали эффектом Эдисона). Однако объяснить явление термоэлектронной эмиссии удалось лишь после открытия Джозефа Томсона в 1897 году. В этом году британский физик Оуэн Уиланс Ричардсон начал работу над темой, которую позже назвал «термоэлектронной эмиссией». Согласно его теории, основанной на электронной теории, свободные электроны в металле находятся в хаотическом движении. При накале нити это движение усиливается.

При этом некоторые электроны, приобретая энергию, достаточную для совершения работы выхода, вылетают из нити, образуя около неё «электронное облачко». Когда между нитью и анодом образуется электрическое поле, то электроны летят к электроду, если он присоединён к положительному полюсу батареи, и отталкиваются обратно к нити, если он присоединён к отрицательному полюсу источника, то есть имеет заряд, одноимённый с электронами.

Вакуумные приборы, работа которых основана на явлении термоэлектронной эмиссии, называются электронными лампами.

Простейшая из них — вакуумный диод — содержит два электрода. Один — в виде спирали из тугоплавкого материала, например вольфрама или молибдена, накаливаемый током, — называется катодом. Второй — холодный электрод, собирающий термоэлектроны, — называется анодом и чаще всего имеет форму цилиндра, внутри которого расположен накаливаемый катод. Условное обозначение вакуумного диода на электрических схемах представлено на рисунке.

Важнейшей характеристикой диода является его вольт-амперная характеристика при постоянном напряжении накала. Для её получения воспользуемся установкой, где применяется диод с катодом косвенного накала. Итак, при напряжении между катодом и анодом, равном нулю, вылетевшие из катода электроны образуют вокруг него электронное облако (пространственный отрицательный заряд), отталкивающее вылетающие из катода электроны.

Большинство электронов возвращается на катод, и лишь незначительное их число достигает анода. С увеличением анодного напряжения число электронов, достигающих анода, увеличивается, а электронное облако постепенно уменьшается. Когда же все термоэлектроны попадают на анод, сила анодного тока достигает насыщения. Дальнейшее увеличение напряжения не приводит к увеличению анодного тока, то есть ток через диод не зависит от напряжения. Такой ток называется током насыщения. Чтобы увеличить ток насыщения необходимо повысить температуру катода, увеличив силу тока накала.

Из-за того, что вольт-амперная характеристика вакуумного диода оказывается нелинейной, диод является нелинейным элементом. Поскольку ток в лампе возможен только в том случае, когда положительный полюс батареи соединён с анодом, а отрицательный — с катодом, то вакуумные диоды обладают односторонней проводимостью. Действительно, при изменении полярности приложенного напряжения и при его достаточной величине (при задерживающем напряжении) термоэлектроны не достигают анода и ток через лампу не проходит.

Для управления током внутрь лампы вводят дополнительные электроды, которые называются сетками, так как им обычно придают форму металлических сеток или спиралей, окружающих катод. В зависимости от общего числа сеток такие лампы называют триодами (анод, катод, управляющая сетка), тетродами (анод, катод и две сетки) и пентодами (анод, катод и три сетки).

Если в аноде вакуумной лампы сделать отверстие, то часть электронов будет пролетать сквозь него. Их движением можно управлять с помощью электрического и магнитного полей.

Испускаемые катодом потоки электронов, движущихся в вакууме, называют электронными пучками или катодными лучами.

Рассмотрим некоторые свойства электронных пучков.

Во-первых, электроны в пучках движутся по прямым линиям.

Попадая на мишень электронный пучок передаёт ей часть своей кинетической энергии, вызывая нагревание мишени. Это свойство используют для электронной плавки в вакууме сверхчистых металлов.

Так же при торможении быстрых электронных пучков в веществе возникает рентгеновское излучение, широко используемое в рентгеновских трубках.

Было установлено и то, что, попадая на поверхность некоторых веществ, электронные пучки способны вызвать их свечение.

А если пропустить электронный пучок между пластинами заряженного конденсатора, то отклоняются от отрицательно заряженной пластины к положительно заряженной.

Также электронный пучок отклоняется в магнитном поле. Пролетая над северным полюсом магнита, электроны отклоняются влево, а пролетая над южным, отклоняются вправо. Так, например, отклонение электронных потоков, идущих от Солнца, в магнитном поле Земли приводит к тому, что свечение газов верхних слоёв атмосферы (то есть полярное сияние) наблюдается ближе к полюсам Земли.

Помимо всего вышеперечисленного, электронные пучки обладают ещё и ионизирующей способностью, а также способны проходить сквозь очень тонкие металлические пластины толщиной 0,003—0,03 мм.

Прибор, в котором используется пучок электронов, свободно летящих в пространстве за анодом, называется электронно-лучевой трубкой.

Рассмотрим её устройство подробнее. Итак, в узком конце трубки находится электронная пушка, которая формирует пучок электронов и состоит из катода, нагреваемого нитью накала, управляющего электрода и ускоряющего анода.

Электроны, вылетающие из катода, разгоняются электрическим полем (5000—50 000 В) между катодом и анодом. Экран электронно-лучевой трубки покрыт изнутри специальным веществом — люминофором, которое светится под действием падающих электронов. В том месте экрана, куда попадает пучок, появляется маленькая светящаяся точка. Изменяя напряжение на аноде, можно фокусировать электронный пучок. Изменяя напряжение между катодом и управляющим электродом, можно изменять интенсивность электронного пучка (яркость пятна на экране). Пучок проходит последовательно две пары отклоняющих пластин, являющихся плоскими конденсаторами. Меняя на них напряжение можно смещать пучок электронов в горизонтальном и вертикальном направлениях практически мгновенно.

В кинескопах телевизоров вместо отклоняющих пластин используют магнитные отклоняющие катушки. Магнитное поле одной пары катушек вызывает отклонение электронного пучка по горизонтали, второй пары катушек — по вертикали.

Для получения цветных изображений вместо одной пушки используют три, которые передают сигналы трёх одноцветных изображений — красного, синего и зелёного цвета. Кроме того, экран кинескопа покрывается кристаллами люминофора трёх сортов, которые под действием электронного пучка светятся соответственно красным, синим и зелёным светом. Смешением этих цветов можно получить всю цветовую гамму красок и оттенков.

И несмотря на то, что в настоящее время электронно-лучевые трубки вытесняются жидкокристаллическими и плазменными экранами, они всё ещё находят широкое применение в радиолокационных установках, телевизорах, осциллографах и так далее.

Ну а теперь давайте с вами определим скорость электронов, вылетающих из электронной пушки под действием приложенного напряжения в 750 В.