Электрический ток в вакууме

Электронная эмиссия. Если два электрода поместить в герметичный сосуд и удалить из сосуда воздух, то, как показывает опыт, электрический ток в вакууме не возникает. Причина заключается в тою, что в вакууме нет заряженных частиц, способных переносить электрические заряды от одного электрода к другому. Заряженные частицы - электроны и положительно заряженные ионы - есть в каждом из электродов, но они не могут выйти в вакуум. так как удерживаются силами кулоновского притяжения. Для освобождения электрода с поверхности твердого тела нужно совершить работу против сил электростатического притяжения, действующих на отрицательный электрон со стороны положительно заряженных атомных ядер. Работа, которую нужно совершить для освобождения электрона с поверхности тела, называется работой выхода. Американский ученый и изобретатель Т. А. Эдисон в 1879г. обнаружил, что в вакуумной стеклянной колбе может возникнуть электрический ток, если один из находящихся в ней электродов нагреть до высокой температуры. Для исследования природы электрического тока, возникающего в вакууме при нагревании одного из электродов, поставим следующие опыты. Пусть в стеклянном баллоне находятся два электрода, один из которых представляет собой металлический диск, второй - тонкую металлическую проволоку, свернутую в спираль. Концы спирали укреплены на металлических стержнях, имеющих два выхода для подключения в электрическую цепь. Соединив концы спирали с источником тока, можно нагреть ее до высокой температуры. Опыт показывает, что если соединить стержень заряженного электрометра с диском, и корпус - с холодной проволочной спиралью, то электрометр не разряжается ни при положительном, ни при отрицательном заряде на стержне. Подключим источник токи к выводам проволочной спирали. Теперь электрометр быстро разряжается при положительном потенциале стержня, при отрицательном потенциале стержня электрометр по-прежнему не разряжается.

Эти опыты показывают, что нагретая спираль испускает частицы, обладающие отрицательным электрическим зарядом. Изучение свойств частиц, испускаемых нагретыми телами, показало, что это электроны. Явление испускания свободным электронов с поверхности нагретых тел называется термоэлектронной эмиссией. Явление термоэлектронной эмиссии объясняется тем, что при повышении температуры тела увеличивается кинетическая энергия некоторой часты электронов в веществе. Если кинетическая энергия электрона превысит работу выхода, то он может преодолеть действие сил притяжения со стороны положительных ионов и выйти с поверхности тела в вакуум. Термоэлектронная эмиссия напоминает процесс испарения жидкости или твердого тела с той разницей, что с нагретого металла испаряются электроны, а из жидкости - нейтральные молекулы. На явлении термоэлектронной эмиссии основана работа различных электровакуумных приборов.

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

Источником электронов в электронно-лучевой трубке служит катод 2, нагреваемый нитью накала 1. Электроны разгоняются электрически м полем между катодом и двумя анодами 4 и 5. Изменяя напряжение на аноде 4, можно фокусировать электронный пучок 8, т. е. изменять площадь поперечного сечения электронного пучки на экране. Изменяя напряжение между катодом 2 н управляющим электродом 3, можно изменять интенсивность электронного пучка (яркость пятна на экране). Внутренняя поверхность стеклянного баллона электронно-лучевой трубки напротив анода, покрытая тонким слоем кристаллов, является экраном 9. Поток электронов, пролетевших через отверстие в аноде электронно-лучевой трубки,- электронный пучок - вызывает свечение кристаллов, и сквозь стекло экрана видно светящееся пятно в месте попадания электронов на экран. С помощью электрических или магнитных полей можно управлять движением электронов на их пути и заставить электронный пучок •рисовать. любую картину на экране. Это используется для создания изображений на экране электронно-лучевой трубки телевизора, называемой кинескопов. В кинескопе управление электронным пучком осуществляется с помощью переменного магнитного поля, создаваемого двумя катушками, надетыми на горловину трубки. В трубке электронно-лучевого осциллографа между анодом и экраном находятся две пары параллельных металлических пластин б и 7. Эти пластины называются управляющими электродами. Одна паря пластин расположена вертикально, а другая - горизонтально. Если подать напряжение на вертикально расположенные пластины, то электронный пучок будет отклоняться в горизонтальном направлении, подача напряжения на горизонтальные пластины вызывает вертикальное смещение пучка. Смещение пятна на экране трубки пропорционально приложенному напряжению, поэтому электронный осциллограф может использоваться в качестве электроизмерительного прибора. Для исследования быстро переменных электрических процессов в осциллографе осуществляется развертка - равномерное перемещение электронного пучка по горизонтали с быстрым отбросом назад. Для того чтобы пучок перемещался вдоль горизонтальной оси с постоянной скоростью, напряжение на вертикально отклоняющих пластинах должно изменяться линейно по времени, а для быстрого возвращения пучка в исходное положение напряжение должно очень быстро падать до нуля. Такое напряжение носит название пилообразного. С помощью специальных преобразователей изменения любой физической величины можно преобразовать в изменение напряжения и затем исследовать с помощью осциллографа. Например, присоединив выводы микрофона ко входу звукового осциллографа, можно исследовать звуковые колебания.

Вакуумный диод. Электрический ток в вакууме возможен в электронных лампах.
Электронная лампа - это устройство, в котором применяется явление термоэлектронной эмиссии.

Вакуумный диод - это двухэлектродная (А- анод и К - катод) электронная лампа.
Внутри стеклянного баллона создается очень низкое давление

Н - нить накала, помещенная внутрь катода для его нагревания. Поверхность нагретого катода испускает электроны. Если анод соединен с плюсом источника тока, а катод с минусом, то в цепи протекает
постоянный термоэлектронный ток. Вакуумный диод обладает односторонней проводимостью.
Т.е. ток в аноде возможен, если потенциал анода выше потенциала катода. В этом случае электроны из электронного облака притягиваются к аноду, создавая электрический ток в вакууме.

Вольтамперная характеристика вакуумного диода.

При малых напряжениях на аноде не все электроны, испускаемые катодом, достигают анода, и электрический ток небольшой. При больших напряжениях ток достигает насыщения, т.е. максимального значения.
Вакуумный диод используется для выпрямления переменного тока.

Ток на входе диодного выпрямителя:

Ток на выходе выпрямителя:

Вакуумный триод. Потоком элект­ронов, движущихся в электронной лампе от катода к аноду, можно управлять с помощью электрических и магнитных полей. Простейшим электровакуумным прибором, в котором осуществляется управление по­током электронов с помощью элект­рического поля, является вакуумный триод. Баллон, анод и катод вакуум­ного триода имеют такую же конст­рукцию, как и у диода, однако на пути электронов от катода к аноду в триоде располагается третий элект­род, называемый сеткой. Обычно сетка — это спираль из нескольких витков тонкой проволоки вокруг катода.

Если на сетку подается положи­тельный потенциал относительно ка­тода, то электрическое поле между сеткой и катодом способствует увели­чению числа электронов, поступаю­щих на анод. Так как сетка — это всего лишь тонкая проволока, то большинство отрицательно заряжен­ных электронов пролетает мимо нее и движется к положительному аноду. В результате сила тока в цепи возрастает.

При подаче на сетку отрицатель­ного потенциала относительно като­да электрическое поле между сеткой и катодом препятствует движению электронов от катода к аноду и сила анодного тока убывает.

Таким образом, между сеткой и катодом можно регулировать силу тока в цепи анода. При включении резистора в цепь анода изменение анодного тока сопровождается изменением напряжения на нем. Колебания напряжения в анодной цепи могут в десятки раз превышать изменения напряжения между сеткой и катодом, поэтому вакуумный триод может быть использован в радиоэлектронных схемах для усиления электрических сигналов.