Elektromos áram vákuumban
Technikai értelemben a teret vákuumnak nevezzük, az anyag mennyisége, amelyben egy közönséges gáznemű közeghez képest elenyésző. A vákuumnyomás legalább két nagyságrenddel alacsonyabb a légköri nyomásnál; ilyen feltételek mellett gyakorlatilag nincs benne szabad töltéshordozó.
De mint tudjuk Áramütés A töltött részecskék rendezett mozgásának nevezzük elektromos tér hatására, míg vákuumban értelemszerűen nincs olyan számú töltött részecskék, amely elegendő egy stabil áram kialakításához. Ez azt jelenti, hogy ahhoz, hogy vákuumban áramot hozzunk létre, valahogyan hozzá kell adni töltött részecskéket.
Thomas Edison 1879-ben fedezte fel a termionos sugárzás jelenségét, amely ma az egyik bevált módja annak, hogy vákuumban szabad elektronokat nyerjünk egy fémkatód (negatív elektróda) olyan állapotra melegítésével, hogy az elektronok elkezdenek kirepülni belőle. Ezt a jelenséget számos vákuumelektronikai eszközben alkalmazzák, különösen a vákuumcsövekben.
Helyezzünk két fémelektródát vákuumba és kössünk egyenáramú feszültségforrásra, majd kezdjük el melegíteni a negatív elektródát (katódot). Ebben az esetben a katódon belüli elektronok mozgási energiája megnő. Ha az így kapott elektronenergia elegendőnek bizonyul a potenciálgát leküzdésére (a katódfém munkafunkciójának elvégzésére), akkor az ilyen elektronok képesek lesznek kijutni az elektródák közötti térbe.
Mivel az elektródák között van elektromos mező (amelyet a fenti forrás hozta létre), az ebbe a mezőbe belépő elektronoknak az anód (pozitív elektróda) irányába kell gyorsulniuk, azaz elméletileg vákuumban elektromos áram keletkezik.
De ez nem mindig lehetséges, és csak akkor, ha az elektronsugár képes leküzdeni a katód felületén lévő potenciálgödröt, amelynek jelenléte a katód közelében lévő tértöltés (elektronfelhő) megjelenésének köszönhető.
Egyes elektronok esetében az elektródák közötti feszültség túl alacsony lesz az átlagos kinetikus energiájukhoz képest, ez nem lesz elég ahhoz, hogy kilépjen a kútból, és visszamenjenek, és van, amely elég magas ahhoz, hogy lecsillapítsa az elektronokat a - tovább és elkezdi gyorsítani az elektromos tér hatására. Így minél nagyobb az elektródákra alkalmazott feszültség, annál több elektron hagyja el a katódot és válnak áramhordozókká a vákuumban.
Tehát minél nagyobb a feszültség a vákuumban elhelyezkedő elektródák között, annál kisebb a potenciál mélysége a katód közelében.Ennek eredményeként kiderül, hogy a vákuumban lévő áramsűrűség a termionos sugárzás során az anódfeszültséghez kapcsolódik egy összefüggés, amelyet Langmuir törvényének neveznek (Irving Langmuir amerikai fizikus tiszteletére), vagy a harmadik törvénynek:
Az Ohm-törvénnyel ellentétben itt a kapcsolat nem lineáris. Továbbá, ahogy az elektródák közötti potenciálkülönbség növekszik, a vákuumáram sűrűsége növekszik, amíg a telítés meg nem történik, ez az állapot, amikor a katódon lévő elektronfelhőből származó összes elektron eléri az anódot. Az elektródák közötti potenciálkülönbség további növelése nem eredményez áramnövekedést. R
A különböző katódanyagok eltérő emissziós tényezővel rendelkeznek, amelyet a telítési áram jellemez A telítési áramsűrűség a Richardson-Deshman képlettel határozható meg, amely az áramsűrűséget a katód anyagának paramétereihez viszonyítja:
Itt:
Ezt a képletet tudósok határozták meg kvantumstatisztika alapján.