Електрически ток във вакуум
Електрически ток във вакуум. Електровакуумни устройства
Най-важните устройства в електрониката от първата половина на ХХ век. имаше вакуумни тръби, които използваха електрически ток във вакуум. Те обаче бяха заменени от полупроводникови устройства. Но дори и днес токът във вакуум се използва в електронно-лъчеви тръби, при вакуумно топене и заваряване, включително в космоса, и в много други инсталации. Това определя значението на изучаването на електрически ток във вакуум.
Вакуум (от лат. Vacuum - празнота) - състоянието на газа при налягане, по-малко от атмосферното. Тази концепция се прилага за газ в затворен съд или в съд, от който се изпомпва газ, и често за газ в свободно пространство, например в космоса. Физическата характеристика на вакуума е съотношението между свободния път на молекулите и размера на съда, между електродите на устройството и т.н.
въздух
Фиг. 1. Изпомпване на въздух от съда
Що се отнася до вакуума, тогава по някаква причина те вярват, че това е напълно празно пространство. Всъщност това не е така. Ако въздухът се изпомпва от който и да е съд (фиг. 1), тогава броят на молекулите в него ще намалее с течение на времето, въпреки че е невъзможно да се отстранят всички молекули от съда. И така, кога можем да предположим, че в съда се създава вакуум?
Молекулите на въздуха, движейки се хаотично, често се сблъскват помежду си и със стените на съда. Между такива сблъсъци молекулите прелитат определено разстояние, което се нарича свободен път на молекулите. Ясно е, че когато въздухът се изпомпва, концентрацията на молекулите (броят им на единица обем) намалява и свободният път се увеличава. И сега идва моментът, когато свободният път става равен на размерите на съда: молекулата се премества от стена на стена на съда, практически не срещайки други молекули. Тогава се смята, че в съда е създаден вакуум, въпреки че в него все още може да има много молекули. Ясно е, че в по-малки съдове се създава вакуум при по-високо налягане на газ в тях, отколкото в големи съдове. Ако продължите да изпомпвате въздух от съда, те казват, че в него се създава по-дълбок вакуум. В дълбок вакуум молекулата може да прелети от стена на стена много пъти, преди да срещне друга молекула. Почти е невъзможно да се изпомпват всички молекули от съда. Откъде идват безплатни носители на зареждане във вакуум? Ако в съда се създаде вакуум, тогава в него все още има много молекули, някои от тях могат да бъдат йонизирани. Но в такъв съд има малко заредени частици, които да открият забележим ток. Как да получите достатъчно безплатни носители на заряд във вакуум? Ако нагреете проводник чрез преминаване на електрически ток през него или по друг начин (фиг. 2), тогава някои от свободните електрони в метала ще имат достатъчно енергия, за да излязат от метала (изпълняват работната функция).
Явлението излъчване на електрони от тела с нажежаема жичка се нарича термично излъчване.
Фигура: 2. Излъчване на електрони от проводник с нажежаема жичка
Електрониката и радиото са почти на една възраст. Вярно, в началото радиото се справяше без връстника си, но по-късно електронните устройства станаха материалната основа на радиото, или, както се казва, елементарната му база.
Началото на електрониката може да се проследи до 1883 г., когато известният Томас Алфа Едисон, опитвайки се да удължи живота на една осветителна лампа с въглеродни нишки, въведе метален електрод в крушката на лампата, от която се евакуира въздухът.
Именно този опит е довел Едисон до единственото му фундаментално научно откритие, което е в основата на всички вакуумни тръби и цялата електроника преди периода на транзистора. Откритото от него явление по-късно е наречено термична емисия.
Външно опитът на Едисън изглеждаше доста прост. Той свърза батерия и галванометър към проводника на електрода и един от проводниците на нажежаемата жичка, нагрята от електрически ток.
Иглата на галванометъра се отклоняваше всеки път, когато батерията плюс беше свързана към електрода, а минусът към нишката. Ако полярността е променена, токът във веригата спира.
Едисон публикува този ефект и получи патент за откритието. Вярно е, че той, както се казва, не си припомни работата си и не обясни физическата картина на явлението. По това време електронът все още не е бил открит и понятието "термоионна емисия", естествено, може да се появи едва след откриването на електрона.
Това е същността на него. При нажежена до червено метална нишка скоростта и енергията на електроните се увеличават толкова много, че те се откъсват от повърхността на нишката и се втурват в свободното пространство в свободното пространство. Електроните, избягали от нишката, могат да бъдат оприличени на ракети, преодолели силата на гравитацията. Ако плюсът на батерията е свързан към електрода, тогава електрическото поле вътре в цилиндъра между нажежаемата жичка и електрода ще насочи електроните към него. Тоест, вътре в лампата ще тече електрически ток.
Потокът на електрони във вакуум е вид електрически ток. Такъв електрически ток във вакуум може да се получи, ако в съд, от който внимателно се евакуира въздухът, се постави нагрят катод, който е източник на "изпаряващи се" електрони, и анод. Между катода и анода се създава електрическо поле, придаващо скорости на електроните в определена посока.