Ток в газах

Если на два электрода, разделённых газовым промежутком, подать напряжение, то ток в общем случае не пойдёт, так как поле есть, а свободных зарядов нет, газ состоит из нейтральных молекул. Для того, чтобы из этих молекул образовались свободные заряды – положительные ионы и электроны, необходим внешний ионизатор, например, ультрафиолетовая лампа. Излучение такой лампы производит ионизацию части молекул газа, возникает электрический ток. Ионы движутся к катоду, электроны – к аноду. Разряд такого типа, то есть с внешним ионизатором, называется несамостоятельным газовым разрядом.

Если же свободные заряды образуются в газе в процессе самого разряда, без внешней помощи, разряд называется самостоятельным. Например, если в описанном выше несамостоятельном разряде повышать напряжение, кинетической энергии ионов, "бомбардирующих" катод, может оказаться достаточной для выбивания из катода вторичных электронов, которые, набирая энергию в поле, способны произвести ионизацию молекул газа при столкновениях с ними. Несамостоятельный разряд перейдёт в самостоятельный, внешний ионизатор уже будет не нужен.

Виды самостоятельного газового разряда различны в зависимости от типа эмиссии на катоде и типа ионизации молекул газа.

Ток в вакууме

Если на два электрода, разделённых вакуумным промежутком ℓ, подать напряжение, в промежутке возникнет электрическое поле. Но где взять заряды? Только путём их эмиссии с электродов. Наиболее распространённый тип эмиссии – термоэлектронная эмиссия с катода. Если нагреть катод, электроны в нём получат дополнительную энергию, и часть из них будет способна преодолеть потенциальный барьер на границе металла (совершить работу выхода электрона) и выйти в межэлектродный промежуток.

Попав в электрическое поле, электроны, ускоряясь, движутся к аноду, возникает электрический ток. В вакууме электронам не с чем сталкиваться, они не испытывают сопротивления движению. Казалось бы, при этом сколь угодно малое поле должно вызвать сколь угодно большой ток. Однако, в отличие от тока в средах, где всегда есть почти полная компенсация разноимённых зарядов (проводники электрически нейтральны), в вакууме отрицательный заряд электронного пучка ничем не скомпенсирован. Поэтому электроны движутся в поле, являющимся суперпозицией двух полей: поля, созданного зарядами на электродах и поля объёмного отрицательного заряда электронного пучка. Итоговое распределение потенциала между электродами схематично показано на рисунке.

Вблизи катода, где концентрация электронов велика, существует потенциальный барьер для электронов величиной порядка их средней кинетической энергии (в электронвольтах – kT/e), который пропускает дальше в промежуток только часть электронов, обладающих энергией большей, чем глубина потенциальной ямы. Остальные электроны возвращаются назад. Подобная ситуация носит название "ограничение тока объёмным зарядом". Чем выше напряжение на аноде, тем меньше глубина ямы. Связь плотности тока j с анодным напряжением U получается следующей (e и m – элементарный заряд и масса электрона, соответственно):

То есть связь тока и напряжения не линейна, как в законе Ома, а определяется по "закону трёх вторых" – именно так в обиходе и называется этот закон. Более "официальное" название закона – закон Ленгмюра-Богуславского.