Elektros srovė vakuume
Technine prasme erdvė vadinama vakuumu – medžiagos kiekis, kuriame, palyginti su įprasta dujine terpe, yra nereikšmingas. Vakuuminis slėgis yra bent dviem dydžiais mažesnis už atmosferos slėgį; tokiomis sąlygomis jame laisvųjų krūvininkų praktiškai nėra.
Bet kaip žinome elektros šokas vadinamas tvarkingu įkrautų dalelių judėjimu, veikiant elektriniam laukui, o vakuume pagal apibrėžimą nėra tokio įkrautų dalelių skaičiaus, kurio pakaktų stabiliai srovei susidaryti. Tai reiškia, kad norint sukurti srovę vakuume, reikia kažkaip į ją pridėti įkrautų dalelių.
1879 metais Thomas Edisonas atrado termojoninės spinduliuotės fenomeną, kuris šiandien yra vienas iš patikrintų būdų gauti laisvuosius elektronus vakuume, kaitinant metalinį katodą (neigiamą elektrodą) iki tokios būsenos, kad iš jo ima skraidyti elektronai. Šis reiškinys naudojamas daugelyje vakuuminių elektroninių prietaisų, ypač vakuuminiuose vamzdeliuose.
Du metalinius elektrodus pastatykime į vakuumą ir prijungkime prie nuolatinės srovės įtampos šaltinio, tada pradėkime kaitinti neigiamą elektrodą (katodą). Tokiu atveju padidės katodo viduje esančių elektronų kinetinė energija. Jeigu tokiu būdu papildomai gautos elektronų energijos pasirodys esanti pakankama potencialo barjerui įveikti (katodinio metalo darbinei funkcijai atlikti), tai tokie elektronai galės ištrūkti į tarpą tarp elektrodų.
Kadangi tarp elektrodų yra elektrinis laukas (sukurtas aukščiau nurodyto šaltinio), į šį lauką patenkantys elektronai turėtų pradėti greitėti anodo (teigiamojo elektrodo) kryptimi, tai yra teoriškai vakuume atsiras elektros srovė.
Bet tai ne visada įmanoma ir tik tuo atveju, jei elektronų pluoštas sugeba įveikti potencialų duobę katodo paviršiuje, kurios buvimą lemia erdvės krūvio atsiradimas šalia katodo (elektronų debesis).
Kai kuriems elektronams įtampa tarp elektrodų bus per maža, palyginti su jų vidutine kinetine energija, to nepakaks išeiti iš šulinio ir jie grįš atgal, o kai kuriems ji bus pakankamai aukšta, kad nuramintų elektronus. ir pradeda spartinti elektrinis laukas. Taigi, kuo didesnė įtampa elektrodams, tuo daugiau elektronų paliks katodą ir taps srovės nešėjais vakuume.
Taigi, kuo didesnė įtampa tarp elektrodų, esančių vakuume, tuo mažesnis potencialo šulinio gylis šalia katodo.Dėl to paaiškėja, kad srovės tankis vakuume termioninės spinduliuotės metu yra susijęs su anodo įtampa ryšiu, vadinamu Langmuiro dėsniu (amerikiečių fiziko Irvingo Langmuiro garbei) arba trečiojo dėsniu:
Skirtingai nuo Omo dėsnio, čia ryšys yra nelinijinis. Be to, didėjant potencialų skirtumui tarp elektrodų, vakuumo srovės tankis didės tol, kol įvyks prisotinimas, ty būklė, kai visi elektronai iš elektronų debesies prie katodo pasiekia anodą. Toliau didinant potencialų skirtumą tarp elektrodų srovė nepadidės. R
Skirtingos katodo medžiagos turi skirtingą spinduliavimo koeficientą, kuriam būdinga soties srovė.Sotinimo srovės tankį galima nustatyti pagal Richardson-Deshman formulę, kuri susieja srovės tankį su katodo medžiagos parametrais:
Čia:
Šią formulę mokslininkai išvedė remdamiesi kvantine statistika.