Электрический ток в вакууме

Электрический ток в вакууме.

Свободные электроны в металлах находятся в непрерывном хаотическом движении, но, несмотря на это, при невысоких тем­пературах не вылетают за пределы металла. Происходит это по­тому, что каждый свободный электрон притягивается к близле­жащим положительным ионам, образующим кристаллическую решетку металла. Когда электрон находится в глубине металла, силы притяжения, действующие на него со стороны соседних ионов, взаимно компенсируются. Когда же электрон находится в поверхностном слое металла, то равнодействующая этих сил притяжения не равна нулю. Она направлена внутрь металла перпендикулярно его поверхности и препятствует вылету электро­на за пределы металла.

Чтобы вылететь из металла, электрон должен преодолеть силы притяжения положительных ионов, т. е. совершить работу против этих сил, а для этого он должен обладать достаточной кинетической энергией.

Энергию, которую должен затратить электрон для того, чтобы вылететь за пределы металла, называют работой выхода Ае электрона из данного металла.

У каждого металла свое значение работы выхода.

При комнатных температурах средняя кинетическая энергия хаотического теплового движения большинства свободных элек­тронов в металлах значительно меньше работы выхода. Поэтому в таких условиях эти электроны из металла не вылетают. При нагревании металла средняя кинетическая энергия свободных электронов увеличивается, возрастает число электронов, у кото­рых она становится равной или большей работы выхода

(т. е.), а потому при достаточно высоких температурах (1100—1200 К) из металла начинает вылетать большое количе­ство электронов (Рисунок 1.14.1).

Рисунок 1.14.1

Термоэлектронная эмиссия.

Испускание электронов нагретыми телами назы­вают термоэлектронной эмиссией.

Явление термоэлектронной эмиссии очень широко используют в технике для создания электрического тока через вакуум, оно лежит в основе принципа действия большинства электровакуумных при­боров (радиоламп, электронно-лучевых трубок и т. д.).

Простейшим электровакуумным прибором является вакуумный диод - устройство, пропускающее ток только в одном направлении. Обычно, вакуумный диод – это стеклянная лампа, внутри которой создан вакуум (рисунок 1.14.2) и находятся вольфрамовая нить - катод и металлический цилиндр - анод.

Рисунок 1.14.2

Вакуумный диод (а- принципиальное устройство, б- обозначение на схемах).

Чтобы нагреть вольфрамовую нить диода, через неё пропускают ток, и в результате термоэлектронной эмиссии рядом с раскалённой нитью появляется облако электронов. Поэтому, если диод подключить к источнику тока, соединив нить с его отрицательным полюсом, а цилиндр – с положительным, то электроны из облака вокруг нити будут двигаться к цилиндру, и через диод пойдёт ток. Противоположное подключение – нить к плюсу источника тока, а цилиндр – к его минусу, не вызовет тока, т. к. поле внутри диода будет отталкивать электроны от цилиндра. Таким образом, в вакуумном диоде электроны могут двигаться только в одном направлении – от горячего катода к холодному аноду. Вакуумный диод обладает односторонней проводимостью. Схема прямого включения и вольт - амперные характеристики вакуумного диода приведены на рисунке 1.14.3.

Рисунок 1.14.3

Прямое включение вакуумного диода и его вольт-амперные характеристики..

Триод– это электронная лампа, в которой имеется третий (управляющий) электрод, (рисунок 1.14.4). Этот электрод обычно представляет собой сетку из тонких проволок Подавая на сетку напряжение и меняя его величину и полярность, можно управлять электронным потоком внутри лампы, т. е. изменять величину анодного тока. Поэтому сетку называют управляющей. Она расположена ближе к катоду, чем к аноду. Поэтому изменение напряжения на сетке сильнее влияет на величину анодного тока, чем такое же изменение анодного напряжения. В основном триод используют в качестве усилителя.

Рисунок 1.14.3

Вакуумный триод принципиальное устройство и обозначение на схемах.

Электронно-лучевая трубка (рисунок 1.14.4) представляет собой электронно-лучевой прибор для осциллографии, приёма телевизионных изображений, электронно-лучевых коммуникаторов и ряда других областей техники. Во всех этих приборах создается тонкий пучок электронов (электронный луч), управляемый с помощью электрических или магнитных полей. Существует большое разнообразие электронно-лучевых трубок. Они могут быть с фокусировкой электронного луча электрическим или магнитным полем и с электрическим или магнитным отклонением луча; электронно-лучевые трубки бывают с различными цветами изображения на люминесцирующем экране; с различной длительностью свечения экрана (так называемое послесвечение). Они различаются также по размерам экрана, материалом баллона и другим признакам.

Рисунок 1.14.4

Принципиальное устройство электронно-лучевой трубки.