Слово “вакуум” часто асоціюється з порожнечею. Однак у фізиці під даним терміном розуміється простір з газом, тиск якого нижче атмосферного. У ньому не існують частинки, а значить і не повинно бути такої дії, як перенесення зарядів, коротко — електричного струму. Але у вакуумі його поява можлива. Навіть більше на цьому явищі побудована робота деяких приладів — електронних ламп.
Загальні відомості
Будь-яке фізичне тіло, будь то газ, рідина або тверда речовина складається з набору молекул, утворених ковалентними зв’язками атомів. Це електрично нейтральні частинки, що не несуть заряди. З точки зору квантової фізики, молекула – це система, що складається з ядер і електронів.
У рівноважному стані число позитивних частинок дорівнює кількості негативних. Тому тіло знаходиться в енергетичній рівновазі.
Встановлено, що електричний струм можливий при існуванні так званих вільних частинок — електронів. Вони не прив’язані до ядер і хаотично переміщаються по фізичному тілу. Через те що їх рух хаотичне, то заряд, який вони несуть, скомпенсований.
Для того, щоб з’явився електрострум, що протікає тривалий час потрібно виконання трьох умов:
- існування вільних носіїв зарядів;
- дія електричного поля;
- замкнений ланцюг.
Сторонні сили джерела струму забезпечують колообіг зарядів переміщаючи їх в ланцюзі проти електричного поля на певній ділянці. З дослідів стало відомо, що сила струму пропорційна роботі (напрузі) яку необхідно виконати, щоб перемістити заряд з однієї точки в іншу. Тобто для того, щоб з’явився електрострум повинна бути створена різниця потенціалів. Такий стан характерний для металів напівпровідників і навіть газів з рідинами (явище пробою). Але безповітряний простір відрізняється від них тим що в ньому нічого немає.
Насправді існує два поняття вакууму:
- фізичний – під ним розуміють стан газу, при якому довжина вільного пробігу молекул більше розміру судини;
- технічний – сильно розряджений газ.
Тому фізики вважають, що вакуум – це простір в якому немає молекул атомів або іонів. Для того, щоб протікав струм потрібні заряджені частинки. Ось ними якраз і є електрони, але при цьому вони не існують у вакуумі самі по собі, а поміщаються туди. Вперше процес внесення негативних частинок в таке середовище був виконаний Томасом Едісоном в 1884 році. Він не був вченим, А був винахідником. Його лампа розжарювання і дослідження властивостей провідника при нагріванні і послужили поштовхом для створення електровакуумного діода — пристрою, що проводить ел. струм у вакуумі.
Відкриття явища і його природа
Томас Едісон, проводячи ряд експериментів з лампочкою розжарювання, намагався з’ясувати причину перегорання нитки. Фізик звернув увагу, що при її розриві на склі колби з внутрішньої її сторони утворюється чорний наліт. При подальшому вивченні Едісон виявив що якщо пластина, внесена у вакуум щодо нитки розжарювання, підключається до позитивного потенціалу струм не з’являвся. В іншому випадку провідник досить сильно нагрівався.
Це явище вчений пояснив існуванням зарядів певного знака, які здатні переміщатися у вакуумі. На той час електрон ще не був відкритий. Едісон побачив, що при підвищенні напруги ступінь напруження змінювалася. Цей ефект був після названий термоелектронної емісією. Вже після цього явища знайшлося застосування в детектуванні радіохвиль.
З фізичної точки зору, термоелектронної емісією називають здатність тіл випускати зі своєї поверхні електрони при нагріванні. Пов’язано це з тим що в речовинах існує так званий потенційний бар’єр. Тобто область простору з конкретною потенційною енергією. У рівноважному стані величина заряду мала і не дозволяє частинці перейти через цей бар’єр. Але як тільки потенціал електрона зростає, він вільно проходить через нього. Потрібну додаткову енергію якраз і отримує частка за рахунок теплових коливань.
Рівень потенційного бар’єру залежить від двох параметрів:
- термоелектронної роботи виходу f;
- значення надбар’єрного відображення електронів.
Таким чином, прикладаючи різницю потенціалів між двома провідниками, підключеними до одного ланцюга, можна домогтися протікання між ними струму. При нагріванні провідника до високих температур навколо нього утворюється електронна хмара. Причому чим вище температура, тим його щільність більше.
Оскільки провідник починає заряджатися негативно через часткового відходу електронів то виникає сила притягує вилетіли частинки назад.
Але при подальшому підвищенні температури настає такий момент, коли електрони вириваються з хмари. Цьому сприяє інший провідник з меншим потенціалом, до якого і спрямовуються електрони. Виникає електропровідність.
Вакуумний діод
Приладом найпростішого виду, що використовують явище виникнення електрики, породжуваного термоелектронної емісією, є вакуумний діод. Його робота досить проста, а сам прилад належить до найпростіших пристроїв. Основною характеристикою діода є вольт-амперна залежність.
Вона має три ділянки: нелінійний, статечної, насичення. На першому відбувається повільне зростання сили струму при збільшенні напруги. Ця залежність експоненціальна. На другому проміжку зміна описується формулою:
I = G * U3/2
де:
- G – провідність, величина, зворотна опору.
Третя ділянка характеризується тим що при зростанні напруги значення струму практично не змінюється. Це пов’язано з тим що число електронів, що вилетіли з Провідника, стає постійним для будь-якого моменту часу.
Сам електронний прилад являє собою колбу з двома електродами. В середині посудини створений фізичний вакуум. Один електрод (катод) призначений для випускання електронів, а інший (анод) для їх отримання. Катодний висновок складається з нитки, яка розігрівається під дією струму і довгого циліндра з покладеним в нього спіраллю підігрівача.
При нагріванні електрода виникає термоелектронна емісія. Електрони залишають поверхню і створюють хмару з надлишком негативних зарядів. Поверхня ж виведення починає заряджатися позитивно. Деяка кількість частинок, що володіють невеликою швидкістю, падають на катод, але швидкі електрони долають бар’єр і переходять на анод. Якщо на позитивний висновок подати пряме зміщення, то виникне прискорює поле, яке ще більше сприяє перенесенню електронів.
В результаті з’явиться постійний струм. Електровакуумний діод має незаперечну перевагу перед напівпровідниковим — відсутність зворотного струму. Крім цього, пристрій здатний витримувати великі напруги і іонізуюче випромінювання. Але при цьому прилад не можна назвати енергоефективним.
Найбільш часто в якості термокатода використовують вольфрам або суміш оксидів лужноземельних металів. Слід зазначити, що до основних параметрів діода відносять крутизну вольт-амперної характеристики струм насичення і замикає напруга. Останнє визначає значення, при якому відбувається пробій — поява іскри з дугою і збільшення в кілька разів сили струму. Тобто порушення міцності вакууму.
Електронно-променева трубка
Природне явище здатне створювати струм у вакуумі використовується не тільки в електроприладах простого типу, але і електронно-променевих трубках (ЕПТ). Двадцять років тому це були основні пристрої, на базі яких створювалися кінескопи, призначені для виведення відеоінформації на екран моніторів. Їх вбудовували в Осцилографи – це прилад який може не тільки міряти значення напруги, але і показувати форму електричного сигналу.
Струмом породжується нагрівання тіла. Це відбувається через властивості, електронних пучків, які іноді в наукових презентаціях називають катодними променями. Пов’язано це з тим, що за часів Томсона думали, що частинки, що летять від катода, утворюють лінії. Таку термінологію і зараз часто можна зустріти в конспектах американських учнів.
Електронний пучок прискорюється полем, отже, він набуває енергію. Потрапляючи на будь-яке тіло, він передає речовині накопичений заряд. В результаті відбувається нагрівання. Цей ефект і здатність носіїв заряду в вакуумі забезпечувати протікання струму використовують в роботі ЕПТ.
Реальний пристрій являє собою циліндр з плоским підставою, яке покрито окисом барію. До катода підключається провідник, який виводиться за межі ЕПТ. Для управління пучком, що випускається з поверхні катода, використовується сітка. Змінюючи на ній напругу, можна регулювати щільність потоку.
Летить потік за допомогою додаткових електродів фокусується і прискорюється. По суті, це два циліндри, на яких також регулюється напруга. За законом природи якщо до катода підключається мінус, а до анодів плюс, то створена різниця потенціалів дозволяє летять електронам вдарятися об люмінофор, приводячи його до світіння. Цим матеріалом і покривають внутрішню поверхню екрану. Вся ця конструкція потім поміщається в безповітряний простір рівновіддалено від стелі і підлоги колби.
Прообраз подібного пристрою був створений в 1879 році англійським фізиком Вільямом Круксом. Слід зазначити, що ЕПТ поділяють на два класи: електромагнітні і електростатичні. Визначення пристрою до того чи іншого виду залежить від способу організації відхилення променя.
