Електричний струм у вакуумі. Електронна емісія. Електронно-променева трубка
Вакуум – розряджений до такої міри газ, що середня довжина вільного пробігу молекул перебільшує лінійні розміри посудини.
У вакуумі практично відсутні вільні носії заряду.
Струм у вакуумі можливий тільки завдяки зарядженим частинкам, що виникають при емісійних явищах.
У електронно-променевих трубках, електронних лампах
радіоприймачів і багатьох інших приладах електрони рухаються у
вакуумі.
Відкачуючи газ із посудини, можна досягнути такої концентрації, за якої молекули будуть встигати пролітати від однієї стінки посудини до іншої і при цьому не співударятись між собою. Такий стан у посудині називають вакуумом. Провідність між електродами, наприклад, у діоді, можна забезпечити лише введенням у трубку заряджених частинок (рис. 4.3.8).
Найчастіше дія такого джерела, заряджених частинок ґрунтується на властивості металевих тіл, нагрітих до високої температури, випускати електрони. Цей процес називають термоелектронною емісією. Явище термоелектронної емісії призводить до того, що нагрітий металевий електрод, на відміну від холодного, неперервного випускає електрони, які утворюють навколо електрода електронну хмарку. Електрод при цьому заряджений позитивно, і під впливом електричного поля електрони з хмарки повертаються до катода. Щоб вийти з металу, електрони виконують роботу проти сил притягання з боку катода і відштовхування з боку інших електронів хмаринки. Цю роботу називають роботою виходу електронів з металу. Через деякий час за будь-якої температури між хмаркою, утвореною електронами, і металом установиться рівновага - стан, за якого кількість електронів, що покинули метал катода за певний проміжок часу, дорівнює кількості електронів, що повернулися до металу за цей проміжок часу.
Різниця між гарячим і холодним електродами, впаяними в закриту посудину, із якої відкачують повітря, полягає в односторонній провідності електричного струму між ними. У разі під'єднання електродів до джерела струму між ними виникає електричне поле. Якщо "+" джерела з'єднати з холодним електродом (анодом), а "-" - з нагрітим (катодом), то під дією електричного поля електрони полетять до анода і у вакуумі виникне електричний струм. Якщо прикласти електричне поле навпаки, то в колі струму не буде, оскільки електричне поле буде заганяти електрони, які покинули поверхню катода, назад в метал і коло буде розімкненим.
Односторонню провідність використовують в електронних приладах з двома електродами - вакуумних діодах (рис. 4.3.8).
Будова сучасного вакуумного діода така. Усередині скляного балона відкачують повітря і туди впаюють два електроди. Катод покрито шаром оксиду лужноземельних металів. З нагріванням цього шару виділяється велика кількість електронів, які досягають анода.
В електричному колі з діодом струм проходить тоді, коли катод розігріто до високої температури, а анод з'єднано з позитивним полюсом джерела струму. У сучасних діодах використовують непряме нагрівання катода за допомогою невеликої спіралі, розміщеної всередині циліндричного катода. У цьому разі температура підігріву досягає лише 1000 К.
Графік залежності сили струму Ia від прикладеної між анодом і катодом напруги U називають вольт-амперною характеристикою діода (рис. 4.3.8). За деякого значення напруги, що залежить від температури катода, струм досягає максимального значення і далі не змінюється, бо всі електрони попадають на анод. Його називають струмом насичення Iн. Вольт-амперна характеристика лампи нелінійна, і закон Ома в цьому разі не виконується. З підвищенням температури катода внаслідок збільшення кількості електронів, що вилітають з катода, струм насичення зростає.
Вакуумні діоди використовують для випрямлення змінного електричного струму поряд з напівпровідниковими діодами.
Якщо в аноді двохелектродної електронної лампи зробити невеликий отвір, то частина електронів, прискорених електричним полем, створить за анодом електричний пучок. Кількість електронів у пучку можна регулювати, помістивши між катодом і анодом додатковий електрод і змінюючи його потенціал.
Отриманий електронний пучок має такі властивості:
1) попадаючи на тіла, викликає їх нагрівання і використовується для електронного плавлення надчистих металів;
2) під час гальмування швидких електронів пучка, що попадають на речовину, виникає рентгенівське випромінювання;
3) такі речовини, як скло, сульфіди цинку і кадмію, бомбардовані електронами, світяться;
4) електронні пучки відхиляються електричним полем (наприклад, пролітаючи між пластинами конденсатора, електрон відхиляється від негативно зарядженої пластини);
5) електронні пучки відхиляються і в магнітному полі.
Властивість електронних пучків поширюватися прямолінійно, відхилятися в електричному або магнітному полі і викликати світіння люмінофорів використовують в електронно-променевих трубках (рис. 4.3.9). У вузькій частині трубки розміщено електронну гармату, що складається із катода 1 і анода 2 (частіше їх декілька, розміщених один за одним). Між першим анодом і катодом створюється різниця потенціалів в сотні і навіть тисячі вольт для прискорення електронів. Між анодом і екраном трубки 5, покритим шаром люмінофору, розміщено дві пари керувальних пластин 3 і 4, на які подається напруга, що відхиляє електронний промінь. Оскільки маса електронів пучка мала, вони майже безінерційно реагують на зміну напруги на керувальних пластинах. Тому електронно-променеві трубки широко використовують для вивчення швидкоплинних процесів. Вони є складовою частиною осцилографів, телевізорів. Їх використовують в моніторах комп'ютерів та інших пристроїв. Електронним пучком у кінескопі телевізора керують за допомогою магнітного поля котушок, надітих на трубку.
Однак випромінювання, яке поширюється в просторі навколо електронно-променевих трубок, шкідливе і тому їх поступово замінюють на екрани з рідких кристалів.