Električna struja u vakuumu

U tehničkom smislu, prostor se naziva vakuum, količina materije u kojoj je, u usporedbi s običnim plinovitim medijem, beznačajna. Vakuumski tlak je najmanje dva reda veličine niži od atmosferskog tlaka; u takvim uvjetima u njemu praktički nema slobodnih nositelja naboja.

Ali kao što znamo elektro šok naziva se uređeno kretanje nabijenih čestica pod djelovanjem električnog polja, dok u vakuumu, po definiciji, ne postoji takav broj nabijenih čestica koji je dovoljan za stvaranje stabilne struje. To znači da je za stvaranje struje u vakuumu potrebno na neki način dodati nabijene čestice.

Godine 1879. Thomas Edison otkrio je fenomen termoeničkog zračenja, što je danas jedan od dokazanih načina dobivanja slobodnih elektrona u vakuumu zagrijavanjem metalne katode (negativne elektrode) do takvog stanja da iz nje počnu izletjeti elektroni. Ovaj se fenomen koristi u mnogim vakuumskim elektroničkim uređajima, posebice u vakuumskim cijevima.

Postavimo dvije metalne elektrode u vakuum i spojimo ih na izvor istosmjernog napona, pa počnimo zagrijavati negativnu elektrodu (katodu). U tom slučaju će se povećati kinetička energija elektrona unutar katode. Ako se tako dodatno dobivena energija elektrona pokaže dovoljnom za prevladavanje potencijalne barijere (za obavljanje rada rada metala katode), tada će takvi elektroni moći pobjeći u prostor između elektroda.

Budući da između elektroda postoji električno polje (stvoren gornjim izvorom), elektroni koji ulaze u ovo polje trebali bi početi ubrzavati u smjeru anode (pozitivne elektrode), odnosno, teoretski, električna struja će se pojaviti u vakuumu.

Ali to nije uvijek moguće, i to samo ako je snop elektrona u stanju prevladati potencijalnu jamu na površini katode, čija je prisutnost uzrokovana pojavom prostornog naboja u blizini katode (elektronski oblak).

Za neke će elektrone napon između elektroda biti prenizak u usporedbi s njihovom prosječnom kinetičkom energijom, to neće biti dovoljno da izađu iz jame i oni će se vratiti, a za neke će biti dovoljno visok da smiri elektrone - dalje i počinju se ubrzavati električnim poljem. Dakle, što je viši napon primijenjen na elektrode, to će više elektrona napustiti katodu i postati nositelji struje u vakuumu.

Dakle, što je veći napon između elektroda koje se nalaze u vakuumu, to je manja dubina potencijalne jame u blizini katode.Kao rezultat toga, ispada da je gustoća struje u vakuumu tijekom termionskog zračenja povezana s anodnim naponom odnosom koji se naziva Langmuirov zakon (u čast američkog fizičara Irvinga Langmuira) ili treći zakon:

Za razliku od Ohmovog zakona, ovdje je odnos nelinearan. Također, kako se razlika potencijala između elektroda povećava, gustoća struje vakuuma će se povećavati sve dok ne dođe do zasićenja, stanja u kojem svi elektroni iz elektronskog oblaka na katodi dospiju do anode. Daljnje povećanje razlike potencijala između elektroda neće rezultirati povećanjem struje. R

Različiti materijali katode imaju različitu emisivnost, koju karakterizira struja zasićenja. Gustoća struje zasićenja može se odrediti Richardson-Deshmanovom formulom, koja povezuje gustoću struje s parametrima materijala katode:

Ovdje:

Ovu su formulu znanstvenici izveli na temelju kvantne statistike.