Электрический ток в вакууме
В техническом смысле вакуумом называют пространство, количество вещества в котором, по сравнению с обычной газообразной средой, пренебрежимо мало. Давление в вакууме как минимум на два порядка ниже атмосферного, в таких условиях свободные носители заряда в нем практически отсутствуют.
Но как мы знаем, электрическим током называется упорядоченное движение заряженных частиц под действием электрического поля, в то время как в вакууме по определению нет такого количества заряженных частиц, которого было бы достаточного для образования устойчивого тока. Это значит, что для создания тока в вакууме необходимо каким-то образом добавить в него заряженные частицы.
В 1879 году Томас Эдисон открыл явление термоэлектронной эмиссии, которое на сегодняшний день выступает одним из проверенных способов получения свободных электронов в вакууме посредством нагревания металлического катода (отрицательного электрода) до такого состояния, что из него начнут вылетать электроны. Данное явление используется во многих вакуумных электронных приборах, в частности в электронных лампах.
Разместим два металлических электрода в вакууме и подключим их к источнику постоянного напряжения, затем начнем подогревать отрицательный электрод (катод). Кинетическая энергия электронов внутри катода при этом увеличится. Если дополнительно полученная таким образом энергия электронов окажется достаточной для преодоления потенциального барьера (для совершения работы выхода из металла катода), то такие электроны будут способны вылететь в пространство между электродами.
Поскольку между электродами присутствует электрическое поле (созданное выше упомянутым источником), электроны, попав в это поле, должны начать ускоряться в направлении анода (положительного электрода), то есть теоретически возникнет электрический ток в вакууме.
Но это возможно не всегда, а лишь в том случае, если электронный пучок будет в состоянии преодолеть потенциальную яму у поверхности катода, наличие которой обусловлено возникновением объемного заряда вблизи катода (электронное облако).
Для некоторых электронов напряжение между электродами окажется слишком низким по сравнению с их средней кинетической энергией, этого не хватит для выхода из ямы, и они вернутся назад, а для некоторых — достаточно высоким, чтобы электроны все же прошли дальше и стали ускоряться электрическим полем. Таким образом, чем выше приложенное к электродам напряжение — тем больше электронов покинут катод и станут носителями тока в вакууме.
Итак, чем выше напряжение между расположенными в вакууме электродами — тем меньше глубина потенциальной ямы возле катода. В результате получается, что плотность тока в вакууме при термоэлектронной эмиссии связана с напряжением на аноде соотношением, называемым законом Ленгмюра (в честь американского физика Ирвинга Ленгмюра) или законом трех вторых:
В отличие от закона Ома, связь здесь нелинейна. Причем с увеличением разности потенциалов между электродами, плотность тока в вакууме будет расти до тех пор, пока не наступит насыщение — условие, когда все электроны из электронного облака у катода достигают анода. Дальнейший подъем разности потенциалов между электродами не приведет к усилению тока. Р
азные катодные материалы обладают разной эмиссионной способностью, характеризуемой током насыщения. Плотность тока насыщения можно определить по формуле Ричардсона-Дешмана, связывающей плотность тока с параметрами материала катода:
Данная формула была получена учеными на основе квантовой статистики.
Телеграмм канал для тех, кто каждый день хочет узнавать новое и интересное: Школа для электрика
Электрический ток в вакууме: основные принципы и применение
В данной статье рассматривается электрический ток в вакууме: его определение, типы, свойства, законы и применение.
Электрический ток в вакууме: основные принципы и применение обновлено: 5 сентября, 2023 автором: Научные Статьи.Ру
Помощь в написании работы
Введение
В физике электрический ток – это поток заряженных частиц, таких как электроны, по проводнику. Он играет важную роль в нашей повседневной жизни, от освещения и нагрева до работы электронных устройств. В этой лекции мы рассмотрим определение электрического тока, его типы, законы и свойства, а также применение в вакууме.
Нужна помощь в написании работы?
Написание учебной работы за 1 день от 100 рублей. Посмотрите отзывы наших клиентов и узнайте стоимость вашей работы.
Определение электрического тока
Электрический ток – это движение электрических зарядов в проводнике. Он возникает, когда электроны, находящиеся в проводнике, начинают двигаться под воздействием электрического поля.
Ток измеряется в амперах (А) и обозначается символом I. Один ампер равен одному кулону заряда, проходящему через сечение проводника за одну секунду.
Существуют два типа электрического тока: постоянный ток (ПТ) и переменный ток (ВТ).
Постоянный ток (ПТ)
Постоянный ток – это ток, величина и направление которого не меняются со временем. Он обычно возникает в батареях, аккумуляторах и источниках постоянного тока.
Переменный ток (ВТ)
Переменный ток – это ток, величина и направление которого меняются со временем. Он обычно возникает в электрических сетях, где напряжение меняется в циклическом режиме.
Законы электрического тока описывают его свойства и поведение в различных ситуациях. Они позволяют нам понять, как ток ведет себя в цепи, как распределяется по проводникам и как влияет на другие элементы электрической схемы.
Типы электрического тока
Существуют два основных типа электрического тока: постоянный ток (ПТ) и переменный ток (ВТ).
Постоянный ток (ПТ)
Постоянный ток – это ток, величина и направление которого не меняются со временем. Он обычно возникает в батареях, аккумуляторах и источниках постоянного тока.
Постоянный ток имеет постоянную величину и направление. Это означает, что заряды движутся в одном направлении и с постоянной скоростью. Например, в автомобильной аккумуляторной батарее электроны движутся от отрицательного полюса к положительному полюсу.
Постоянный ток широко используется в электронике, электротехнике и других областях. Он позволяет нам создавать стабильные электрические схемы и устройства.
Переменный ток (ВТ)
Переменный ток – это ток, величина и направление которого меняются со временем. Он обычно возникает в электрических сетях, где напряжение меняется в циклическом режиме.
Переменный ток имеет переменную величину и направление. Это означает, что заряды движутся в разных направлениях и с разной скоростью в зависимости от момента времени. Например, в розетке домашней электрической сети напряжение меняется от положительного к отрицательному и обратно с частотой 50 или 60 герц (Гц).
Переменный ток широко используется для передачи электроэнергии по домашним и промышленным сетям. Он также используется в электрооборудовании, электромоторах и других устройствах.
Законы электрического тока
Закон Ома
Закон Ома устанавливает связь между напряжением, силой тока и сопротивлением в электрической цепи. Он гласит, что сила тока (I) в цепи прямо пропорциональна напряжению (U) и обратно пропорциональна сопротивлению (R):
где U – напряжение в вольтах (В), I – сила тока в амперах (А), R – сопротивление в омах (Ω).
Закон Кирхгофа о сумме токов
Закон Кирхгофа о сумме токов утверждает, что сумма токов, втекающих в узел (точку соединения проводников) в электрической цепи, равна сумме токов, вытекающих из этого узла:
где ΣIвтек – сумма токов, втекающих в узел, ΣIвытек – сумма токов, вытекающих из узла.
Закон Кирхгофа о сумме напряжений
Закон Кирхгофа о сумме напряжений утверждает, что сумма напряжений в замкнутом контуре электрической цепи равна нулю:
где ΣU – сумма напряжений в замкнутом контуре.
Закон Кирхгофа о сумме мощностей
Закон Кирхгофа о сумме мощностей утверждает, что сумма мощностей, потребляемых источниками и элементами цепи, равна нулю:
где ΣPпотр – сумма мощностей, потребляемых источниками, ΣPпост – сумма мощностей, потребляемых элементами цепи.
Эти законы являются основой для анализа и расчета электрических цепей и позволяют понять, как ток и напряжение взаимодействуют в электрической системе.
Электрический ток в вакууме
Электрический ток в вакууме – это поток заряженных частиц, таких как электроны, в вакуумной среде. Вакуум является идеальным изолятором, поэтому для передачи электрического тока в вакууме требуется специальное устройство, называемое вакуумным прибором.
Вакуумные приборы
Вакуумные приборы используются для создания и управления электрическим током в вакууме. Они состоят из электродов, которые создают электрическое поле, и вакуумной камеры, в которой отсутствует воздух и другие газы.
Типы вакуумных приборов
Существует несколько типов вакуумных приборов, которые используются для различных целей:
- Вакуумные диоды: это простейшие вакуумные приборы, состоящие из катода (источника электронов) и анода (приемника электронов). Они используются для выпрямления электрического тока.
- Триоды: это вакуумные приборы, которые имеют дополнительный электрод, называемый сеткой. Сетка позволяет управлять потоком электронов и используется в усилителях и других электронных устройствах.
- Вакуумные триоды с управляемым пространством: это более сложные вакуумные приборы, которые имеют дополнительный электрод, называемый управляющим электродом. Управляющий электрод позволяет точно управлять потоком электронов и используется в микроэлектронике и других высокотехнологичных приложениях.
Применение электрического тока в вакууме
Электрический ток в вакууме имеет широкий спектр применений:
- Вакуумные лампы: вакуумные лампы используются в освещении, телевизорах, радиоприемниках и других электронных устройствах.
- Вакуумные трубки: вакуумные трубки используются в научных исследованиях, медицинской диагностике и других областях.
- Вакуумные приборы для производства полупроводников: вакуумные приборы используются в процессе производства полупроводников для создания и управления электрическими сигналами.
Электрический ток в вакууме играет важную роль в современной технологии и науке, обеспечивая передачу и управление электрической энергией в условиях, где другие среды не могут быть использованы.
Свойства электрического тока в вакууме
Проводимость
Электрический ток в вакууме обладает высокой проводимостью. Это означает, что заряженные частицы, такие как электроны, могут свободно перемещаться в вакууме и создавать поток электрического тока.
Зависимость от напряжения
Сила электрического тока в вакууме зависит от напряжения, поданного на вакуумный прибор. При увеличении напряжения, сила тока также увеличивается, и наоборот.
Зависимость от сопротивления
Электрический ток в вакууме также зависит от сопротивления вакуумного прибора. Чем меньше сопротивление, тем больше ток может протекать через прибор.
Эффект термоэлектронной эмиссии
Вакуумные приборы могут использовать эффект термоэлектронной эмиссии, при котором электроны высвобождаются из нагретого катода и создают электрический ток. Этот эффект основан на том, что при нагревании катода электроны приобретают достаточно энергии, чтобы преодолеть энергетический барьер и покинуть поверхность катода.
Влияние магнитного поля
Магнитное поле может оказывать влияние на движение заряженных частиц в вакууме. При наличии магнитного поля, траектория движения электронов может изменяться, что может быть использовано для управления потоком электрического тока.
Возможность управления
Электрический ток в вакууме может быть управляемым. Это означает, что с помощью управляющих электродов в вакуумном приборе можно изменять силу и направление тока, что позволяет использовать его в различных приложениях.
Отсутствие влияния окружающей среды
Электрический ток в вакууме не зависит от окружающей среды, так как вакуум является идеальным изолятором. Это позволяет использовать вакуумные приборы в условиях, где другие среды не могут быть использованы, например, в космическом пространстве или в высоковакуумных условиях.
Эти свойства электрического тока в вакууме делают его важным инструментом в современной технологии и науке, позволяя передавать и управлять электрической энергией в условиях, где другие среды не могут быть использованы.
Применение электрического тока в вакууме
Вакуумные лампы
Одним из основных применений электрического тока в вакууме является создание света в вакуумных лампах. Вакуумные лампы содержат нить накаливания, которая нагревается до высокой температуры, вызывая эффект термоэлектронной эмиссии. Высвобождающиеся электроны создают электрический ток, который протекает через газовую среду внутри лампы и вызывает свечение.
Вакуумные триоды
Вакуумные триоды – это электронные устройства, которые используют электрический ток в вакууме для усиления и коммутации сигналов. Они состоят из катода, анода и сетки управления. При подаче напряжения на сетку управления, электроны из катода притягиваются к аноду, создавая усиленный электрический ток. Вакуумные триоды широко применяются в радио- и телекоммуникационных системах.
Вакуумные диоды
Вакуумные диоды – это электронные устройства, которые позволяют электрическому току протекать только в одном направлении. Они состоят из катода и анода, разделенных вакуумом. При подаче напряжения на катод, электроны высвобождаются и перемещаются к аноду, создавая электрический ток. Вакуумные диоды используются во многих электронных устройствах, таких как выпрямители и детекторы.
Вакуумные флуоресцентные дисплеи
Вакуумные флуоресцентные дисплеи (VFD) – это устройства, которые используют электрический ток в вакууме для создания свечения на экране. Они состоят из катодов, анодов и фосфорного покрытия. При подаче напряжения на катоды, электроны высвобождаются и сталкиваются с фосфором, вызывая его свечение. VFD используются в различных приборах, таких как часы, приборы отображения информации и даже автомобильные приборные панели.
Вакуумные электронные пушки
Вакуумные электронные пушки – это устройства, которые используют электрический ток в вакууме для создания электронного пучка. Они состоят из катода, анода и фокусирующих электродов. При подаче напряжения на катод, электроны высвобождаются и ускоряются к аноду, образуя электронный пучок. Вакуумные электронные пушки используются в телевизорах, мониторах и других устройствах, где требуется создание изображения с помощью электронного пучка.
Это лишь некоторые из применений электрического тока в вакууме. Вакуумные приборы играют важную роль в современной технологии и науке, обеспечивая надежную передачу и управление электрической энергией в условиях, где другие среды не могут быть использованы.
Таблица сравнения свойств электрического тока в проводниках и в вакууме
| Свойство | Электрический ток в проводниках | Электрический ток в вакууме |
|---|---|---|
| Перенос заряда | Заряды переносятся электронами или ионами в проводнике | Заряды переносятся электронами в вакууме |
| Сопротивление | Проводники имеют определенное сопротивление, которое зависит от их материала и размеров | В вакууме отсутствует сопротивление |
| Скорость | Скорость электрического тока в проводнике зависит от его сопротивления и напряжения | Скорость электрического тока в вакууме равна скорости света |
| Применение | Используется для передачи электроэнергии, создания электрических цепей и устройств | Используется в электронных вакуумных приборах, таких как вакуумные лампы и кинескопы |
Заключение
В этой лекции мы рассмотрели основные понятия и свойства электрического тока. Мы определили электрический ток как движение заряженных частиц в проводнике и рассмотрели различные типы тока. Также мы изучили законы электрического тока и его свойства в вакууме. Электрический ток в вакууме имеет важное применение в различных технологиях и научных исследованиях. Понимание электрического тока является фундаментальным для изучения физики и его применения в реальном мире.
Электрический ток в вакууме: основные принципы и применение обновлено: 5 сентября, 2023 автором: Научные Статьи.Ру
Электрический ток в вакууме
Пустота – так переводится слово вакуум с латыни. Вакуумом принято называть пространство, в котором находится газ, давление которого в сотни, а может быть и в тысячи раз ниже атмосферного. На нашей планете вакуум создается искусственным путем, так как в естественных условиях такое состояние невозможно.
Виды вакуума
Как же ведет себя электрический ток в вакууме? Как и любой ток, ток в вакууме появляется при наличии источника со свободными заряженными частицами.
Какими частицами создается электрический ток в вакууме? Чтобы создать вакуум в каком-либо закрытом сосуде, необходимо из него откачать газ. Делают это чаще всего с помощью вакуумного насоса. Это такое устройство, которое необходимо, чтобы откачать газ или пар до нужного для опыта давления.
Существует четыре вида вакуума: низкий вакуум, средний вакуум, высокий вакуум и сверхвысокий вакуум.
Электрический ток в вакууме
Ток в вакууме не может существовать самостоятельно, так как вакуум является диэлектриком. В таком случае создать ток можно с помощью термоэлектронной эмиссии. Термоэлектронная эмиссия – явление, при котором электроны выходят из металлов при нагревании. Такие электроны называются термоэлектронами, а все тело – эмиттер.
На это явление впервые обратил внимание американский ученый Томас Эдисон в 1879 году.
Эмиссия делится на:
- вторичную электронную (выбивание быстрыми электронами);
- термоэлектронную (испарение электронов с горячего катода);
- фотоэлектронная(электроны выбиваются светом);
- электронная(выбивание сильным полем).
Электроны смогут вылететь из металла, если будут обладать достаточной кинетической энергией. Она должна быть больше работы выхода электронов для данного металла. Электроны, вылетающие из катода, образуют электронное облако. Половина из них возвращается в исходное положение. В равновесном состоянии число вылетевших электронов равно количеству вернувшихся. От температуры прямо пропорционально зависит плотность электронного облака (т.е. при повышении температуры, плотность облака становится больше).
При подключении электродов к источнику между ними возникает электрическое поле. Если положительный полюс источника тока соединить с анодом (холодным электродом), а отрицательный – с катодом (нагретым электродом), то напряженность электрического поля будет направлена к нагретому электроду.
Применение электрического тока в вакууме
Электрический ток в вакууме используется в различных электронных приборах. Одним из таких приборов является вакуумный диод
Состоит он из баллона, который включает 2 электрода – катод и анод.
Что мы узнали?
Кратко о электрическом токе в вакууме мы узнали их этой статьи. Для существования его в вакууме в первую очередь необходимо наличие свободных заряженных частиц. Также рассмотрены виды вакуума и их характеристики. Необходимым для изучения является понятие термоэлектронной эмиссии. Информацию можно использовать для подготовки доклада и сообщения на уроке физики.
Электрический ток в вакууме
Вакуум — пространство, свободное от вещества. В наиболее общем смысле, вакуум — это пустота. В физике и технике под вакуумом подразумевается газообразная среда при давлении в сотни раз ниже атмосферного.
Электрический ток в физике — это направленное движение носителей заряда. Вакуум — диэлектрик, и ток не может возникнуть в нем сам по себе. Условие протекания электрического тока в вакууме — наличие в нем достаточного количества свободных заряженных частиц. Например, электронов.
Термоэлектронная эмиссия
Как свободные электроны могут появиться в вакууме? Благодаря явлению термоэлектронной эмиссии, открытому Томасом Эдисоном в 1879 году.
Определение. Термоэлектронная эмиссия
Термоэлектронная эмиссия — испускание электронов из металла при его нагревании.
Металлы являются наилучшими проводниками, так как имеют свободные электроны, которые иногда еще называют электронным газом. При нагревании металла энергия электронов (измеряется в электронвольтах) увеличивается и они могут «вырваться» из металла. Для того, чтобы вылететь из металла, электрон должен обладать энергией, превышающей работу выхода электронов для этого металла.
A в ы х = E 0 — μ
Здесь A в ы х — работа выхода, которую нужно преодолеть электрону, E 0 — его энергия, μ — энергия Ферми.
Термоэлектронный ток
Испущенные металлом свободные электроны образуют у поверхности металла электронное облако. Если создать в данной области электрическое поле, электроны начинают двигаться под действием сил поля. Иными совами, возникает электрический ток, называемый термоэлектронным.
Определение. Термоэлектронный ток
Термоэлектронный ток — ток, возникающий при испускании (эмиссии) электронов накаленными телами в вакуумных приборах.
Так, если в вакууме поместить две металлические пластины и создать между ними разность потенциалов и условия для термоэлектронной эмиссии, возникнет термоэлектронный ток.
Электрический ток в вакууме широко используется в вакуумных приборах. Самый простой пример — электронная лампа, или вакуумный диод.
Вакуумный диод представляет собой баллон с откачанным воздухом, содержащий электроды: катод и анод. Электроны выбиваются из катода и летят к аноду.
Для вакуумного диода не выполняется закон Ома. При небольших значениях напряжения на аноде имеет место формула зависимости силы электрического тока от напряжения:
где B — коэффициент пропорциональности, который зависит от формы, расположения и размеров электродов.
При увеличении разности потенциалов между электродами сила тока будет расти. Однако, для термоэлектронного тока существует понятие тока насыщения. Это ток такой силы, при котором все электроны из электронного облака достигают другой анода. При достижении силы тока насыщения и дальнейшем росте разности потенциалов, сила тока насыщения не меняется.
Эмиссионную способность материала катода характеризует плотность тока насыщения, которая определяется по формуле Ричардсона-Дешмана:
j = 1 — h R i A · T 2 · e — q φ k T .
Здесь h — постоянная Планка, h R i — усредненное значение коэффициента отражения электронов от потенциального порога, A — термоэлектрическая постоянная, равная 120 , 4 A К 2 · с м 2 , T — температура, q — заряд электрона, q φ — работа выхода, k — постоянная Больцмана.