Elektrische stroom in een vacuüm

In technische zin wordt ruimte een vacuüm genoemd, de hoeveelheid materie waarin, vergeleken met een gewoon gasvormig medium, onbeduidend is. De vacuümdruk is minstens twee ordes van grootte lager dan de atmosferische druk; onder dergelijke omstandigheden zijn er praktisch geen gratis ladingdragers in.

Maar zoals we weten elektrische schok wordt de geordende beweging van geladen deeltjes genoemd onder invloed van een elektrisch veld, terwijl er in een vacuüm per definitie niet zoveel geladen deeltjes zijn dat voldoende is om een ​​stabiele stroom te vormen. Dit betekent dat om een ​​stroom in een vacuüm te creëren, het nodig is om er op de een of andere manier geladen deeltjes aan toe te voegen.

In 1879 ontdekte Thomas Edison het fenomeen van thermionische straling, wat tegenwoordig een van de beproefde manieren is om vrije elektronen in een vacuüm te verkrijgen door een metalen kathode (negatieve elektrode) zodanig te verhitten dat elektronen eruit beginnen te vliegen. Dit fenomeen wordt gebruikt in veel elektronische vacuümapparaten, met name in vacuümbuizen.

Laten we twee metalen elektroden in een vacuüm plaatsen en ze aansluiten op een gelijkspanningsbron, en dan beginnen met het verwarmen van de negatieve elektrode (kathode). In dit geval zal de kinetische energie van de elektronen in de kathode toenemen. Als de op deze manier extra verkregen elektronenenergie voldoende blijkt te zijn om de potentiaalbarrière te overwinnen (om de werkfunctie van het kathodemetaal te vervullen), dan zullen dergelijke elektronen kunnen ontsnappen in de ruimte tussen de elektroden.

Omdat er tussen de elektroden zit elektrisch veld (gemaakt door de bovenstaande bron), zouden elektronen die dit veld binnenkomen moeten beginnen te versnellen in de richting van de anode (positieve elektrode), dat wil zeggen dat er theoretisch een elektrische stroom zal optreden in een vacuüm.

Maar dit is niet altijd mogelijk, en alleen als de elektronenbundel de potentiële put op het oppervlak van de kathode kan overwinnen, waarvan de aanwezigheid te wijten is aan het verschijnen van een ruimtelading nabij de kathode (elektronenwolk).

Voor sommige elektronen zal de spanning tussen de elektroden te laag zijn in vergelijking met hun gemiddelde kinetische energie, dit zal niet genoeg zijn om de put te verlaten en ze zullen terug gaan, en voor sommige zal het hoog genoeg zijn om de elektronen te kalmeren. en beginnen te worden versneld door het elektrische veld. Dus hoe hoger de spanning die op de elektroden wordt aangelegd, hoe meer elektronen de kathode zullen verlaten en stroomdragers in een vacuüm zullen worden.

Dus hoe hoger de spanning tussen de elektroden die zich in een vacuüm bevinden, hoe kleiner de diepte van de potentiaalput nabij de kathode.Als gevolg hiervan blijkt dat de stroomdichtheid in het vacuüm tijdens thermionische straling gerelateerd is aan de anodespanning door een relatie die de wet van Langmuir wordt genoemd (ter ere van de Amerikaanse natuurkundige Irving Langmuir) of de wet van de derde:

In tegenstelling tot de wet van Ohm is de relatie hier niet-lineair. Naarmate het potentiaalverschil tussen de elektroden toeneemt, zal ook de vacuümstroomdichtheid toenemen totdat verzadiging optreedt, een toestand waarin alle elektronen van de elektronenwolk aan de kathode de anode bereiken. Het verder vergroten van het potentiaalverschil tussen de elektroden zal niet resulteren in een toename van de stroom. R

Verschillende kathodematerialen hebben verschillende emissiviteit, gekenmerkt door de verzadigingsstroom.De verzadigingsstroomdichtheid kan worden bepaald door de Richardson-Deshman-formule, die de stroomdichtheid relateert aan de parameters van het kathodemateriaal:

Hier:

Deze formule is door wetenschappers afgeleid op basis van kwantumstatistieken.