Prąd elektryczny w próżni

W sensie technicznym przestrzeń nazywana jest próżnią, ilością materii, w której w porównaniu ze zwykłym ośrodkiem gazowym jest znikoma. Ciśnienie podciśnienia jest co najmniej o dwa rzędy wielkości niższe niż ciśnienie atmosferyczne; w takich warunkach praktycznie nie ma w nim bezpłatnych przewoźników.

Ale jak wiemy wstrząs elektryczny nazywa się uporządkowanym ruchem naładowanych cząstek pod działaniem pola elektrycznego, podczas gdy w próżni z definicji nie ma takiej liczby naładowanych cząstek, która jest wystarczająca do wytworzenia stabilnego prądu. Oznacza to, że aby wytworzyć prąd w próżni, trzeba w jakiś sposób dodać do niego naładowane cząstki.

W 1879 roku Thomas Edison odkrył zjawisko promieniowania termionowego, które dziś jest jednym ze sprawdzonych sposobów uzyskiwania wolnych elektronów w próżni poprzez podgrzanie metalowej katody (elektrody ujemnej) do takiego stanu, że elektrony zaczynają z niej wylatywać. Zjawisko to jest wykorzystywane w wielu próżniowych urządzeniach elektronicznych, w szczególności w lampach próżniowych.

Umieśćmy dwie metalowe elektrody w próżni i podłączmy je do źródła napięcia stałego, a następnie zacznijmy nagrzewać elektrodę ujemną (katodę). W takim przypadku energia kinetyczna elektronów wewnątrz katody wzrośnie. Jeżeli dodatkowo uzyskana w ten sposób energia elektronów okaże się wystarczająca do pokonania bariery potencjału (wykonania pracy wyjścia metalu katody), to takie elektrony będą mogły uciec w przestrzeń między elektrodami.

Ponieważ jest między elektrodami pole elektryczne (utworzonym przez powyższe źródło), elektrony wchodzące w to pole powinny zacząć przyspieszać w kierunku anody (elektrody dodatniej), czyli teoretycznie w próżni wystąpi prąd elektryczny.

Ale nie zawsze jest to możliwe i tylko wtedy, gdy wiązka elektronów jest w stanie pokonać dziurę potencjalną na powierzchni katody, której obecność wynika z pojawienia się ładunku kosmicznego w pobliżu katody (chmury elektronów).

Dla niektórych elektronów napięcie między elektrodami będzie zbyt niskie w stosunku do ich średniej energii kinetycznej, to nie wystarczy, aby opuścić studnię i zawrócą, a dla niektórych będzie wystarczająco wysokie, aby uspokoić elektrony w dół - dalej i zaczynają być przyspieszane przez pole elektryczne. Zatem im wyższe napięcie przyłożone do elektrod, tym więcej elektronów opuści katodę i stanie się nośnikami prądu w próżni.

Im wyższe napięcie między elektrodami znajdującymi się w próżni, tym mniejsza głębokość studni potencjału w pobliżu katody.W rezultacie okazuje się, że gęstość prądu w próżni podczas promieniowania termionowego jest powiązana z napięciem anodowym zależnością zwaną prawem Langmuira (na cześć amerykańskiego fizyka Irvinga Langmuira) lub prawem trzeciej:

W przeciwieństwie do prawa Ohma, tutaj zależność jest nieliniowa. Ponadto, wraz ze wzrostem różnicy potencjałów między elektrodami, gęstość prądu próżni będzie rosła, aż do wystąpienia nasycenia, czyli stanu, w którym wszystkie elektrony z chmury elektronów na katodzie docierają do anody. Dalsze zwiększanie różnicy potencjałów między elektrodami nie spowoduje wzrostu prądu. R

Różne materiały katody mają różną emisyjność, którą charakteryzuje prąd nasycenia.Gęstość prądu nasycenia można wyznaczyć ze wzoru Richardsona-Deshmana, który wiąże gęstość prądu z parametrami materiału katody:

Tutaj:

Formuła ta została wyprowadzona przez naukowców na podstawie statystyki kwantowej.