Фізика і астрономія. Рівень стандарту. 11 клас. Сиротюк

§ 13. Електричний струм у вакуумі

Можливість управляти рухом заряджених частинок у вакуумі за допомогою зовнішніх електричних і магнітних полів слугує основою для роботи електронно-променевих трубок та інших електровакуумних приладів.

Вакуумом називають розріджений газ, концентрація молекул у якому така мала, що вони не стикаються одна з одною.

Тому вакуум є ідеальним ізолятором. Однак якщо внести у вакуум вільні заряджені частинки, наприклад електрони, то він стає провідником струму. При цьому рухом вільних зарядів у вакуумі легко управляти, тому вони не стикаються з молекулами розрідженого газу.

Прилади, у яких електричний струм проходить через вакуум, називають електровакуумними.

Джерелом заряджених частинок для вакууму може бути поверхня металу, нагрітого до високих температур (1500-2500 °С). За таких температур частина вільних електронів металу володіє енергією, достатньою для того, щоб розірвати всі наявні зв’язки та залишити поверхню металу. Це явище, що нагадує випаровування молекул з поверхні рідини, називають термоелектронною емісією.

Найпростішим електровакуумним приладом є вакуумний діод — пристрій, що пропускає струм тільки в одному напрямку (мал. 1.62). Зазвичай вакуумний діод — це скляна лампа, усередині якої створено вакуум, розміщено вольфрамову нитку — катод і металевий циліндр — анод. Щоб нагріти вольфрамову нитку діода, через неї пропускають струм, і в результаті термоелектронної емісії поряд з розжареною ниткою з’являється хмара електронів. Тому якщо діод підключити до джерела струму, з’єднавши нитку з його негативним полюсом, а циліндр — з позитивним, то електрони з хмари навколо нитки будуть рухатися до циліндра і через діод піде струм. Протилежне підключення — нитка до позитивного полюса джерела струму, а циліндр до його негативного — не спричинить струму, тому поле всередині діода буде відштовхувати електрони від циліндра. Отже, у вакуумному діоді електрони можуть рухатися тільки в одному напрямку — від гарячого катода до холодного анода. Вакуумні діоди використовують для перетворення змінного струму в постійний.

Мал. 1.62

Електричне поле може не тільки спричиняти рух заряджених частинок у вакуумі, як це відбувається в діоді, а й змінювати траєкторію цього руху.

Оскільки електрони у вакуумі не відчувають жодних зіткнень, їхня швидкість в електровакуумних приладах може досягати дуже великих значень. Легко порахувати, що у вакуумному діоді, між анодом і катодом якого прикладено напругу 100 В, електрони розганяються до 6,106 м/с, що в мільярди разів більше, ніж швидкість їхнього упорядкованого руху в металах. Під час гальмування електронів їхня кінетична енергія може переходити в енергію випромінювання (наприклад, рентгенівського), теплову та інші форми енергії.

Розглядаючи питання електричного струму у вакуумі, потрібно звернути увагу на явище термоелектронної емісії.

Tepмоелектроннa емісія — явище, зумовлене тепловим рухом вильоту електронів за межі речовини.

Термоелектронна емісія суттєва для функціонування вакуумних ламп, у яких електрони випромінюються негативно зарядженим катодом. Для збільшення емісії катод зазвичай підігрівається ниткою розжарювання.

Під час нагрівання металу енергетичний розподіл електронів в зоні провідності змінюється. З’являються електрони з енергією, що перевищує рівень Фермі (значення електрохімічного потенціалу за нульової температури). Незначна кількість електронів може набути енергію, яка перевищує роботу виходу. Такі електрони (термоелектрони) можуть вийти за межі металу, у результаті чого виникає емісія електронів. Значення струму термоелектронної емісії залежить від температури катода, роботи виходу та властивостей поверхні. Детальніше ми розглянемо це в розділі 3.

Значення струму емісії найбільше залежить від температури катода. Однак зі збільшенням температури різко зростає швидкість випаровування матеріалу катода і скорочується строк його служби. Тому катод повинен працювати у строго визначеному інтервалі робочих температур. Нижній поріг визначається можливістю отримання бажаної емісії, а верхній — випаровуванням або плавленням матеріалу.

Суттєво впливає на значення струму емісії зовнішнє електричне поле, яке діє біля поверхні катода. Це явище отримало назву ефекта Шотткі. (Вириванню електронів з металу перешкоджає потенційний бар’єр, який утворюється за рахунок електричних сил. Зниження цього бар’єра при збільшенні прикладеного зовнішнього електричного поля називають ефектом Шотткі). На електрон, що виходить з катода, за наявності зовнішнього електричного поля діють дві сили — електричного тяжіння, яка повертає електрон назад, і зовнішнього поля, що пришвидшує електрон у напрямку від поверхні катода. Отже, зовнішнє електричне поле зменшує потенційний бар’єр, унаслідок чого знижується робота виходу електронів із катода і збільшується електронна емісія.

Вплив зовнішнього прискорювального поля особливо сильно проявляється у напівпровідникових катодах з поверхневим покриттям оксидами лужноземельних металів. Напівпровідникові катоди мають шорстку поверхню, тому значно зростає напруженість зовнішнього електричного поля біля нерівностей поверхні, що спричиняє інтенсивніший ріст струму емісії.

ЗАПИТАННЯ ДО ВИВЧЕНОГО

  • 1. Який газ називають вакуумом?
  • 2. Що таке термоелектронна емісія?
  • 3. Чому вакуумний діод пропускає струм тільки в одному напрямку?
  • 4. Що таке термоелектронна емісія?

Схарактеризуйте та порівняйте умови виникнення електричного струму в різних середовищах.

РОЗВ’ЯЗУЄМО РАЗОМ

1. Чи втрачає свою теплову енергію електрон під час зіткнення з йонами ґратки металу?

Розв’язання

Ні. Він втрачає тільки незначну кінетичну енергію, якої він набув при напрямленому русі в електричному полі.

2. Дистильована вода навіть після подвійної перегонки трохи проводить струм. Як це пояснити?

Розв’язання

Дуже мала частина молекул води дисоційована, і утворені йони Н+ та OH- спричиняють невелику провідність води.

3. Яка провідність напівпровідникового матеріалу вища — власна чи домішкова?

Розв’язання

Домішкова (за тих невисоких температур, за яких використовують більшість напівпровідникових пристроїв та елементів схем).

4. Унаслідок проходження електричного струму крізь розчин мідного купоросу на катоді виділилося 52,8 г міді. Який заряд пройшов крізь електроліт, якщо електрохімічний еквівалент міді дорівнює 0,33 · 10-6 кг/Кл?

Розв’язання

Щоб визначити заряд, який пройшов крізь електроліт, скористаємося формулою: q = It.

У формулі, що виражає закон Фарадея m = kIt, замінимо добуток It на q і одержимо вираз для заряду: q = m / k.

Підставивши значення фізичних величин, отримаємо: q = 160 нКл.

5. Чому електричний струм у газах назвали електричним розрядом?

Розв’язання

Тому що під час проходження струму крізь газ між двома різнойменно зарядженими тілами ці тіла розряджаються.