Мы привыкли к тому, что электрический ток поступает к нам по проводам. И это верно, так как основной способ передачи электроэнергии к потребителям на сегодняшний день – по проводам. Для этого строятся мощные и дорогостоящие линии электропередач, а в квартирах устанавливается разветвленная электропроводка. Пока это самый надежный и безопасный способ передачи электротока. А между тем, существует способ передачи тока без проводов. То есть, можно создать условия для получения электрического тока без применения проводников.
Электрический ток в вакууме
Многие из вас уже вспомнили вакуумные электроприборы, без которых, сравнительно недавно, не обходилось ни одно радиоэлектронное устройство. Вакуумные радиолампы были неотъемлемым атрибутом устаревших сегодня радиоприемников, телевизоров, усилителей звука и других электронных устройств. Справедливости ради заметим, что в некоторых случаях (рентгеновский аппарат, микроволновая печь и др.) вакуумные приборы применяются по сей день.
Что мы подразумеваем под вакуумом
Слово «вакуум» у многих ассоциируется со словом «пустота». На самом деле это не так. Даже в космосе не существует абсолютной пустоты, хотя говорят, что в межзвездном пространстве глубокий вакуум. Разумеется, это совсем не значит, что в этом пространстве ничего нет. Оно заполнено микрочастицами различных излучений, можно встретить даже микроскопические частицы твердого вещества в виде пыли. Однако, в безграничном объеме межзвездного пространства таких частиц ничтожно мало, их наличием можно пренебречь.
Вакуумную среду можно создать в земных условиях. Для этого из закрытого сосуда достаточно откачать наличный воздух. Обратите внимание – не весь наличный воздух (этого невозможно сделать в принципе). Даже после глубокой откачки остаются отдельные молекулы вещества, которые продолжают хаотическое движение. Но если в объеме количество вещества настолько мало, что отдельные молекулы могут свободно преодолеть путь от стенки к стенке сосуда, то такое состояние считается вакуумом.
Термоэмиссия электронов
Согласно классической теории электричества в металлах присутствуют свободные электроны, которые наподобие молекул идеального газа хаотически перемещаются внутри кристаллической решетки. Каждый электрон обладает определенной кинетической энергией, но ее недостаточно для того, чтобы частица вылетела за пределы проводника. Однако, если увеличить эту энергию путем нагревания металла (больше 1000 ºС), часть электронов способна вырваться наружу. Некоторые из них под действием сил притяжения возвращаются обратно, а вместо них вылетают другие электроны. Таким образом, у поверхности разогретого металла образуется электронное облачко. Данное явление называют термоэлектронной эмиссией.
Для возникновения термоэлектронной эмиссии не имеет значения способ нагревания металла. Его можно нагревать непосредственно путем прямого накала электрическим током или путем косвенного нагрева катода.
Электронная эмиссия происходит также, если электронам сообщить дополнительную энергию другими способами: бомбардировкой другими частицами, облучением некоторых полупроводников светом (фотоэффект).
Вакуумный диод
Если на некотором расстоянии от разогретого проводника расположить другой электрод и подать на него достаточно высокое положительное напряжение, а на разогретый электрод подать отрицательное напряжение, то эмитированные электроны из облака упорядоченно ринутся к положительному электроду – аноду. Примечательно, что движение электронов происходит в вакуумной среде, не встречая сопротивления на своем пути. То есть мы получим электрический ток в вакууме, для которого не нужна токопроводящая среда из какого-либо вещества.
Важные свойства:
1. Ток возможен только в одном направлении – от катода к аноду.
2. Ток увеличивается при повышении напряжения на аноде, но только до определенного значения, называемого током насыщения. Дальнейшее повышение напряжения не приводит к увеличению порогового значения тока.
На рисунке 1 изображена схема простейшего вакуумного устройства (рис. а) и график зависимость тока от напряжения на аноде (рис. б).
На принципе односторонней проводимости работают вакуумные лампы-диоды. Они пропускают только один полупериод переменного тока, отсекая второй полупериод, при котором ток протекает обратно. Применяя несложные схемы, состоящие из вакуумных диодов и различных фильтров, можно получить выпрямленный переменный ток высокого качества.
Схема строения вакуумного диода показана на рисунке 2.
Как видно из рисунка, лампа состоит из стеклянной колбы, из которой откачан воздух, катода (пустотелый цилиндр, в котором расположен нагревательный элемент), анода.
Если на пути пучка электронов расположить дополнительный электрод (называемый сеткой) и подвести к нему отрицательное напряжение, то управляя этим напряжением можно управлять мощностью потока электронов (силой тока в лампе). Такие вакуумные лампы называются триодами и работают в качестве усилителей сигналов. Слабый сигнал подается на сетку, управляя более мощным током между катодом и анодом.
Существуют лампы с большим количеством электродов (сеток) способные выполнять несколько задач по управлению потоком электронов.
Электрический ток в газах
В обычном состоянии газы являются диэлектриками (изоляторами). Но при определенных условиях они становятся проводниками. Происходит это в результате ионизации. Например, искровой разряд, проходящий через слой газа, создает ионизированный канал, по которому может протекать электрический ток. Если между электродами поддерживать напряжение, то возникает электрическая дуга с выделением огромной тепловой энергии (дуговая электросварка, дуговые печи, сверхмощные прожекторы).
Газоразрядные лампы работают по тому же принципу, но в колбах таких ламп используются специальные составы газов, включая пары ртути, которые не требуют мощного разряда для зажигания дуги.
Существуют два типа разрядных ламп: излучающие свет непосредственно от разряда газа и излучающие вторичное свечение люминофора, возбужденного газовым разрядом.
Электрический ток в жидкостях
Дистиллированная вода является диэлектриком, то есть, она плохой проводник. Но если в такой воде растворить соль, кислоту или щелочь, она превращается в проводник. Происходит это потому, что в растворах (электролитах) содержатся ионы – атомы с избыточным или с недостающим электроном. Они образуются в результате распада растворенных в воде веществ (электрическая диссоциация).
Если в сосуд с электролитом поместить два электрода и подключить к ним источник питания, то через раствор потечет ток. Носителями элементарных зарядов являются именно ионы. Под действием сил электрического поля они устремляются к электродам: положительные – к катоду, а отрицательные - к аноду.
На катодах происходят химические реакции, при которых выделяются соответствующие вещества, растворенные в воде. Например, к положительным ионам меди на катоде присоединяются недостающие электроны, и восстановленные атомы меди оседают на электроде. Ионы хлора отдают лишний электрон, а чистый газ хлор выделяется из раствора.
Схематическое изображение процесса электролиза на рисунке 3.
Об электронно дырочной проводимости - в следующей публикации.
