Здравствуйте, уважаемые обучающиеся. Мы продолжаем с вами изучать электрический ток в различных средах. И на этой лекции мы с вами познакомимся с электрическим током в очень необычной среде: в вакууме.
И так что такое электрический ток мы знаем.
Электрический ток - это направленное движение заряженных частиц.
А что такое вакуум?
Как вы себе представляете вакуум? Пустота...Как же так? С одной стороны электрический ток - это движение заряженных частиц, а с другой стороны в вакууме ничего не должно быть. Значит, не должно быть заряженных частиц? Так что ли? Может быть их там чуть-чуть? А дело вот в чем...У вакуума есть определение.
Физический вакуум - это состояние газа при котором длина свободного пробега молекул больше размеров сосуда.
И, кстати, из этого вытекает, что вакуум может быть и при атмосферном давлении. Например, в порах микроскопических растений размеры такие, что длина свободного пробега больше, чем размеры этих пор. Длина свободного пробега молекул воздуха при атмосферном давлении - 10^-7 метра. Т.е 0,1 мкм. А размеры пор могут быть меньше. но это определение на самом деле не имеет отношение к тому о чем пойдет речь дальше. Для нас вакуум - это действительно пустота. Но что такое пустота? Значит там нет молекул. Если мы хотим чтобы протекал электрический ток мы не имеем право в вакуум поместить ионы, ну нейтральные атомы нам не подходят потому что они не являются носителями заряда. Можно, конечно, атомы ионизировать, но тогда это будет уже газ, потому что атомы - это частички вещества. но давайте договоримся так, что мы будем считать вакуум остается вакуумом если в нем нет частиц типа молекул, атомов или ионов. Но какие-то заряженные частицы нам нужны для того, чтобы протекал электрический ток и такими заряженными частицами у нас будут электроны. Т.е электрический ток в вакууме - это направленное движение электронов при этом у нас никакого вещества нет, т.е мы можем считать, что это вакуум, а с другой стороны мы можем считать, что у нас есть заряженные частицы, которые могут двигаться. Вот что имеется ввиду под электрическим током в вакууме. Т.е это направленное движение электронов. Давайте сформулируем строго.
Электрический ток в вакууме - это направленное движение электронов.
А теперь возникает вопрос: откуда взять эти электроны? Каким-то образом их нужно ввести в вакуум. И вот исторически впервые это было сделано Томасом Эдисоном в 1884 году. Эдисон не был ученым - он был изобретателем. И в частности, он изобрел лампу накаливания с вольфрамовой нитью. Беда была в том, что эти лампы горели сравнительно не долго. И Эдисон решил выяснить как можно увеличить срок службы таких ламп. И для этого он создал вот такую конструкцию...
А теперь давайте попытаемся разобраться в том, что же происходит в металле в результате чего наблюдается явление термоэлектронной эмиссии. И для того, чтобы ответить на этот вопрос давайте для начала зададимся другим вопросом. А почему, например, из простого металлического колпачка для шариковой ручки не разлетаются во все стороны электроны? Их же там полно. Почему из металла электроны не улетают, а остаются внутри? Они взаимодействуют с кристаллической решеткой. Для того что бы извлечь электрон из металла необходимо совершить некоторую работу и эта работа имеет свое название, она называется работа выхода электрона из металла или любых других веществ. В справочных таблицах можно найти работу выхода.
Значит для того, чтобы электрон извлечь из атома кристаллической решетки необходимо, чтобы он обладал определенной энергией и тогда он сможет вылететь. А какая энергия у электронов в металле, например, в том же самом металлическом колпачке от ручки? Эта энергия тепловая. Порядка 3/2kT. При комнатной температуре kT порядка 0,026 эВ. А 3/2 kT - это средняя кинетическая энергия поступательного движения электронов, которая вычисляется по стандартной формуле (mv^2)/2. И этой энергии явно не достаточно для того, что бы электрон покинул металл. Но, если мы будем нагревать металл, то эта энергия будет увеличиваться. Давайте, например, нагреем металл до 3000 К и при этом kT будет не 0,026 эВ, а 0,26 эВ. И все равно этого мало, если сравнивать с приведенными нами значениями работы выхода электрона для некоторых веществ. Но не будем забывать, что эта энергия - это средняя энергия. Что у электронов существует определенное распределение по энергиям. Есть электроны у которых кинетическая энергия меньше средней, а есть электроны у которых кинетическая энергия больше средних. И вот таких электронов, хоть, и мало, поскольку общее количество электронов огромно, порядка, 10^29 штук в 1 куб.м., то находятся такие, которым повезло настолько, что их энергия оказывается больше работы выхода. И тогда эти электроны покидают металл и располагаются вблизи поверхности металла. Что дальше с ними происходит? А дальше все зависит от того, что находится вблизи поверхности металла. Если там ничего нет, никакие электрическое поля не созданы, то в этом случае электроны, просто, находятся вблизи. Они вылетают из металла. Металл заряжается положительно и поэтому он обратно втягивает в себя эти электроны. Т.е над поверхностью металла появляется такое своеобразное электронное облако. Чем выше температура металла, тем это электронное облако более плотное. Но в любом случае вылетевший электрон возвращается обратно и устанавливается равновесие между термоэлектронной эмиссией и обратным процессом - возвращением электрона в металл. И исследовать явление термоэлектронной эмиссии можно с помощью следующей установки.
И так мы с вами имеем дело с устройством вакуумного диода. И важным свойством этого устройства является то, что в одну сторону ток течь может, а в противоположную нет. Т.е вакуумный диод обладает односторонней проводимостью.
Вакуумные диоды можно использовать для того, что бы преобразовывать ток меняющегося направления в ток постоянного направления.
Ток меняющегося направления используется, например, в электрической сети - переменный ток. А для работы компьютеров, для работы различных электронных схем необходим обязательно постоянный ток. И существуют устройства, которые называются выпрямители , которые преобразуют переменный ток промышленной частоты, т.е тот ток, который у нас "в розетке" в постоянный ток. Раньше, до того как появились полупроводниковые диоды, использовались приведенный нами вакуумный диод. Такие вакуумные диоды, которые используются, как говориться, "для выпрямления" переменного тока носили название кенотроны.
Кенотрон - это вакуумный диод, который используется для выпрямления токов промышленной частоты, например, 50/60 Гц.
Как же на практике устроена эта двухэлектродная электронная лампа - вакуумный диод? Конструкции бывают самые разнообразные, но общее - это обязательно наличие накаленного катода и наличие анода. Давайте посмотрим пример...
На этом мы эту лекцию закончим.
Если тебе понравилось, подпишись на канал и поддержи автора