Вільний простір від речовини називають вакуумом. Електричний струм, будучи впорядкованим рухом носіїв зарядів, самостійно в ньому з’явитися не може. Але існують радіоелектронні прилади, найчастіше підсилювальні, робота яких побудована саме на пропущенні електрики через вакуумне середовище.
Поява таких пристроїв стала можливою після відкриття термоелектронної емісії – фундаментального фізичного явища.
Загальні відомості
Поняття вакуум схоже на “порожнечу”. У фізиці під ним розуміють простір, який звільнено від будь-яких речовин. Однак вчені вважають, що такого місця бути не може. Пояснюють це вони тим, що навіть в самому порожньому просторі повинні існувати флуктуації. Експериментально це вдалося довести Генріху Казимиру, який описав явище у своєму конспекті.
Він припустив, що вакуум являє собою “резервуар” в якому поблизу абсолютного нуля відбувається ряд хвилювань. Його дослід полягав у наступному. Вчений взяв дві заряджені пластини і помістив їх між вакуумним простором. Під дією зовнішніх фотонів провідники притягувалися один до одного. Тобто через простір проходила хоча і слабка, але сила.
Оскільки електрика утворюється при переміщенні елементарних носіїв зарядів, які в вакуумі практично відсутні, при простому впливі на середовище її отримати не вдасться. Тому єдиною можливістю пропустити струм через порожнечу є додавання в неї заряджених частинок.
У 1879 році Едісон, вивчаючи причину перегорання ниток в лампах розжарювання, виявив утворення темного нальоту близько анодного контакту. Цей ефект винахідник пояснював тим, що всередині колби виникає розряд, внаслідок якого заряджені частинки вугільного пилу вилітають з провідника. Він припустив, що якщо в лампу ввести додатковий електрод з позитивним зарядом, то ці частинки будуть ним притягуватися.
При таких величинах електрони розривають зв’язки і вивільняються. Це явище схоже на випаровування молекул з поверхні рідини. Воно знайшло своє застосування у вакуумних електронних приладах. Наприклад, це явище використовується в електронно-променевих трубках та лампових діодах.
Фізика процесу
Електричний струм у вакуумі може утворюватися тільки спрямованим рухом електронів. Ввести їх можливо за допомогою приміщення в середовище металу. Для того, щоб частинки покинули поверхню провідника, потрібно віддати їм енергію. Цей процес називається роботою виходу електронів з речовини.
Її значення для різних матеріалів було встановлено експериментально. Так, для найбільш популярних речовин робота виходу дорівнює:
- вольфраму — 4,5 еВ;
- кадмію — 2,2 еВ;
- цинку — 4,2 еВ;
- оксиду барію — 1 еВ.
У звичайному стані енергія електрона в металі становить 3,2 KT (теплова). При кімнатній температурі (T = 300 K) KT = 0,026 еВ. Цієї величини буде явно недостатньо, щоб з’явилася електропровідність у вакуумі.
Якщо ж нагріти тіло до 3 тис. градусів за Кельвіном (при цій температурі більшість металів починають розплавлятися), то KT = 0,26 еВ. Цього значення все одно мало для того, щоб вибити електрони.
Але насправді носії мають певний розподіл по енергіях. Знайдене значення показує середню величину. Тому в тілі через високу густину заряджених частинок обов’язково будуть такі електрони, які мають енергію, що перевищує роботу виходу.
Над поверхнею провідника з’являється електронна хмара. При цьому чим вище температура, тим густішою вона буде. Електрон, що вилетів, призводить до зміни заряду металу. У підсумку він починає втягуватися назад. Встановлюється рівновага. Яке число електронів вилітає, така ж їх кількість повертається.
Для того, щоб утворився потік зарядів, потрібно ввести допоміжний ланцюг. Іншими словами, повідомити електронам додаткову енергію. Залежність між струмом і напругою в такому випадку не буде відповідати закону Ома, адже утворена електронна хмара затримує електрони, що знову вилітають. Але якщо збільшити напругу на іншому виводі, то концентрація носіїв в утвореному полі зменшиться, а значить, знизиться і гальмівний ефект. Це призведе до збільшення струму.
Таким чином, електрони, що вилітають, можна уподібнити ракетам, які подолали земне тяжіння. Якщо до виводу приєднати позитивний електрод джерела струму, то електромагнітне поле, що утворилося між спіраллю і електродом всередині колби з вакуумом, спрямує до нього електрони. Всередині потече електричний струм.
Вакуумний діод
Одним з типових пристроїв, що використовують провідність безповітряного простору, є вакуумна двохелектродна електронна лампа. Якщо на її позитивно заряджений кінець подається зворотна напруга, то всі випущені катодом електрони повертаються. При прямому ж зміщенні носії зарядів спрямовуються до анода. Іншими словами, відбувається випрямлення змінного сигналу. Пристрій працює як діод.
Дослідити появу електричного струму у вакуумі і газах можна за допомогою радіоелемента, що складається з наступних частин:
- запаяної колби;
- електрода з металу (анод);
- вольфрамової спіралі (катод);
- реостату.
Нитка з вольфраму знаходиться в герметичній колбі і підключена через реостат до генератора для регулювання сили струму. Електрод підключений до мікроамперметра. З нього ланцюг, проходячи через баластний резистор, замикається на катоді.
Реостатом можна регулювати температуру катода. Змінним опором встановлюється різниця потенціалів між позитивним і негативним висновком. Вольт-амперна характеристика (ВАХ), тобто залежність анодного струму від напруги, буде формуватися наступним чином.
Припустимо, напруги немає. Тоді електрони, що вилетіли з катода, притягнуться назад. Струм в ланцюзі анода не тече. Якщо на кінець подати негативний сигнал, то електрони будуть відштовхуватися. Струм знову не тече.
Але зміна відбуватиметься не лінійно. Наприклад, якщо збільшити напругу у два рази, то число електронів, що вилетіли з катода, збільшиться в більше разів, ніж це число. Чим більша різниця потенціалів, тим менше просторовий заряд електронів.
На графіку ця залежність представлятиме напівкубічну параболу. Описати її можна приблизною формулою:
I = U3/2.
Якщо продовжити підіймати напругу, то напруженість стає набагато більше поля, створюваного просторовою хмарою. Всі електрони почнуть добиратися до анода. Сила струму вже не буде залежати від напруги. На ВАХ це зображується прямою лінією, а ефект називається струмом насичення.
Електронно-променева трубка
У вакуумних радіолампах потік електронів спрямований від анода до катода на всі боки. Але можна створити такі конструкції, в яких електрони будуть спрямовані в одному напрямку. Створюється такий потік за допомогою спеціальних фокусуючих пластин. Його часто називають катодним променем. З його допомогою можна нагрівати тіла, наприклад, у вакуумних печах.
За своєю природою він володіє наступними властивостями:
- на нього діє електричне і магнітне поле (сила Лоренца);
- потрапляючи на деякі речовини, наприклад, сірчистий цинк, сфокусований електронний потік призводить до цікавого результату – світіння;
- промінь генерує рентгенівське випромінювання.
Влаштовано такий пристрій наступним чином. Електрони в приладі утворюються за допомогою термоелектронної емісії. Катод приладу являє собою циліндр з плоскою основою, що покрита окисом барію. Цей електрод випускає електрони. Щоб управляти їх інтенсивністю використовується сітка. Подаючи на неї напругу, можна замикати потік або відмикати.
Головна деталь електронного потоку – це його вузька спрямованість. Домогтися цього можна використовуючи додаткові анодні висновки. Один з них прискорює, а інший фокусує. Проходячи через зазначений набір прискорений сфокусований потік вилітає з ЕПТ. На другий анод подається позитивна напруга безпосередньо, а на прискорюючий через реостат. Різниця потенціалів кратна десяткам кіловольт.
Вилетівши з гармати потік потрапляє на екран, покритий люмінофором. Вся ця система знаходиться в колбі з безповітряним простором. Для того, щоб можна було переміщати промінь по поверхні екрану використовують конденсатори. Залежно від розташування їх пластин відбувається відхилення потоку. Від його значення промінь може притягуватися до однієї або іншої сторони, по суті, змінюючи потік електричного струму в вакуумі. Так, коротко, і працює ЕПТ.
