Sähkövirta tyhjiössä

Teknisessä mielessä avaruutta kutsutaan tyhjiöksi, jossa aineen määrä on tavalliseen kaasumaiseen väliaineeseen verrattuna merkityksetön. Tyhjiöpaine on vähintään kaksi suuruusluokkaa pienempi kuin ilmakehän paine; sellaisissa olosuhteissa siinä ei käytännössä ole vapaita varauksenkantajia.

Mutta kuten tiedämme sähköisku Sitä kutsutaan varattujen hiukkasten järjestetyksi liikkeeksi sähkökentän vaikutuksesta, kun taas tyhjiössä ei määritelmän mukaan ole sellaista määrää varautuneita hiukkasia, jotka olisivat riittävät muodostamaan vakaan virran. Tämä tarkoittaa, että virran luomiseksi tyhjiössä on tarpeen jotenkin lisätä siihen varautuneita hiukkasia.

Vuonna 1879 Thomas Edison löysi termionisen säteilyn ilmiön, joka on nykyään yksi todistetuista tavoista saada vapaita elektroneja tyhjiössä kuumentamalla metallikatodi (negatiivinen elektrodi) sellaiseen tilaan, että elektronit alkavat lentää siitä ulos. Tätä ilmiötä käytetään monissa elektroniikkalaitteissa, erityisesti tyhjiöputkissa.

Laitetaan kaksi metallielektrodia tyhjiöön ja kytketään ne tasajännitelähteeseen ja aloitetaan sitten negatiivisen elektrodin (katodi) lämmitys. Tässä tapauksessa katodin sisällä olevien elektronien kineettinen energia kasvaa. Jos tällä tavoin lisäksi saatu elektronienergia osoittautuu riittäväksi potentiaaliesteen voittamiseksi (katodimetallin työtehtävän suorittamiseksi), tällaiset elektronit voivat paeta elektrodien väliseen tilaan.

Koska elektrodien välissä on sähkökenttä (yllä olevan lähteen luoma), tähän kenttään saapuvien elektronien pitäisi alkaa kiihtyä anodin (positiivisen elektrodin) suuntaan, eli teoriassa tapahtuu sähkövirtaa tyhjiössä.

Mutta tämä ei ole aina mahdollista, ja vain jos elektronisuihku pystyy voittamaan katodin pinnalla olevan potentiaalikuopan, jonka läsnäolo johtuu avaruusvarauksen ilmaantumisesta katodin lähelle (elektronipilvi).

Joillekin elektroneille elektrodien välinen jännite on liian alhainen verrattuna niiden keskimääräiseen kineettiseen energiaan, tämä ei riitä poistumaan kaivosta ja ne palaavat takaisin, ja joillekin se on tarpeeksi korkea rauhoittamaan elektronit - eteenpäin. ja alkaa kiihtyä sähkökentän vaikutuksesta. Siten mitä korkeampi elektrodeihin kohdistettu jännite, sitä enemmän elektroneja poistuu katodista ja niistä tulee virran kantajia tyhjiössä.

Joten mitä suurempi jännite on tyhjiössä olevien elektrodien välillä, sitä pienempi on katodin lähellä olevan potentiaalikaivon syvyys.Tuloksena käy ilmi, että virrantiheys tyhjiössä termionisen säteilyn aikana liittyy anodin jännitteeseen suhteella, jota kutsutaan Langmuirin laiksi (amerikkalaisen fyysikon Irving Langmuirin kunniaksi) tai kolmannen lailla:

Toisin kuin Ohmin laissa, tässä suhde on epälineaarinen. Lisäksi, kun elektrodien välinen potentiaaliero kasvaa, tyhjiön virrantiheys kasvaa, kunnes tapahtuu kyllästyminen, tila, jossa kaikki elektronit katodilla olevasta elektronipilvästä saavuttavat anodin. Elektrodien välisen potentiaalieron lisääminen ei johda virran kasvuun. R

Eri katodimateriaaleilla on erilainen emissiivisyys, jolle on ominaista kyllästysvirta. Kyllästysvirran tiheys voidaan määrittää Richardson-Deshmanin kaavalla, joka yhdistää virrantiheyden katodimateriaalin parametreihin:

Tässä:

Tämän kaavan ovat johtaneet tutkijat kvanttitilastojen perusteella.