Dòng điện trong chân không

Theo nghĩa kỹ thuật, không gian được gọi là chân không, lượng vật chất trong đó so với môi trường khí thông thường là không đáng kể. Áp suất chân không thấp hơn ít nhất hai bậc so với áp suất khí quyển; trong những điều kiện như vậy, thực tế không có hạt tải điện tự do nào trong đó.

Nhưng như chúng ta biết điện giật được gọi là chuyển động có trật tự của các hạt mang điện dưới tác dụng của điện trường, còn trong chân không, theo định nghĩa, không có số lượng hạt mang điện như vậy đủ để tạo thành dòng điện ổn định. Điều này có nghĩa là để tạo ra dòng điện trong chân không, bằng cách nào đó cần phải thêm các hạt tích điện vào nó.

Năm 1879, Thomas Edison đã phát hiện ra hiện tượng bức xạ nhiệt, ngày nay là một trong những cách đã được chứng minh để thu được các electron tự do trong chân không bằng cách nung nóng cực âm kim loại (điện cực âm) đến trạng thái mà các electron bắt đầu bay ra khỏi nó. Hiện tượng này được sử dụng trong nhiều thiết bị điện tử chân không, đặc biệt là trong ống chân không.

Hãy đặt hai điện cực kim loại trong chân không và nối chúng với nguồn điện áp một chiều, sau đó bắt đầu đốt nóng điện cực âm (cathode). Trong trường hợp này, động năng của các electron bên trong cực âm sẽ tăng lên. Nếu năng lượng điện tử thu được thêm theo cách này đủ để vượt qua rào cản tiềm năng (để thực hiện chức năng công việc của kim loại catốt), thì các điện tử đó sẽ có thể thoát vào khoảng trống giữa các điện cực.

Vì giữa các điện cực điện trường (do nguồn trên tạo ra), các electron đi vào trường này sẽ bắt đầu tăng tốc theo hướng của cực dương (điện cực dương), nghĩa là về mặt lý thuyết, một dòng điện sẽ xuất hiện trong chân không.

Nhưng điều này không phải lúc nào cũng có thể xảy ra và chỉ khi chùm electron có thể vượt qua hố thế trên bề mặt của cực âm, sự hiện diện của hố này là do sự xuất hiện của một điện tích không gian gần cực âm (đám mây điện tử).

Đối với một số điện tử, điện áp giữa các điện cực sẽ quá thấp so với động năng trung bình của chúng, điều này sẽ không đủ để thoát ra khỏi giếng và chúng sẽ quay trở lại, và đối với một số điện tử, nó sẽ đủ cao để làm dịu các điện tử - trở đi và bắt đầu được gia tốc bởi điện trường. Do đó, điện áp đặt vào các điện cực càng cao thì càng có nhiều electron rời khỏi cực âm và trở thành hạt tải điện trong chân không.

Vì vậy, điện áp giữa các điện cực nằm trong chân không càng cao thì độ sâu của giếng thế gần cực âm càng nhỏ.Kết quả là, hóa ra mật độ dòng điện trong chân không trong quá trình bức xạ nhiệt có liên quan đến điện áp cực dương theo mối quan hệ gọi là định luật Langmuir (để vinh danh nhà vật lý người Mỹ Irving Langmuir) hoặc định luật phần ba:

Không giống như định luật Ohm, mối quan hệ ở đây là phi tuyến tính. Ngoài ra, khi hiệu điện thế giữa các điện cực tăng lên, mật độ dòng chân không sẽ tăng cho đến khi xảy ra hiện tượng bão hòa, một điều kiện mà tất cả các electron từ đám mây điện tử ở cực âm đều đến cực dương. Việc tăng thêm hiệu điện thế giữa các điện cực sẽ không làm tăng dòng điện. r

Các vật liệu catốt khác nhau có độ phát xạ khác nhau, được đặc trưng bởi dòng bão hòa.Mật độ dòng bão hòa có thể được xác định bằng công thức Richardson-Deshman, liên hệ mật độ dòng điện với các tham số của vật liệu catốt:

Đây:

Công thức này được các nhà khoa học rút ra dựa trên thống kê lượng tử.