Corrente, corrente elettrica nel vuoto. Argomento relativo ai problemi elettronici. Corrente elettrica nel vuoto
Vuoto è il modo in cui viene tradotta la parola vuoto dal latino. Il vuoto è solitamente chiamato spazio in cui è presente gas, la cui pressione è centinaia e forse migliaia di volte inferiore alla pressione atmosferica. Sul nostro pianeta, il vuoto viene creato artificialmente, poiché tale stato è impossibile in condizioni naturali.
Tipi di vuoto
Come si comporta la corrente elettrica nel vuoto? Come ogni corrente, una corrente nel vuoto appare in presenza di una sorgente con particelle cariche libere.
Quali particelle creano una corrente elettrica nel vuoto? Per creare un vuoto in qualsiasi recipiente chiuso, è necessario pompare il gas da esso. Questo viene spesso fatto utilizzando una pompa a vuoto. Questo è un dispositivo necessario per pompare gas o vapore alla pressione richiesta per l'esperimento.
Esistono quattro tipi di vuoto: basso vuoto, medio vuoto, alto vuoto e ultra-alto vuoto.
Riso. 1. Caratteristiche del vuoto
Corrente elettrica nel vuoto
La corrente nel vuoto non può esistere indipendentemente, poiché il vuoto è un dielettrico. In questo caso è possibile creare una corrente utilizzando l'emissione termoionica. L'emissione termoionica è un fenomeno in cui gli elettroni fuoriescono dai metalli quando vengono riscaldati. Tali elettroni sono chiamati elettroni termoionici e l'intero corpo è un emettitore.
Questo fenomeno fu notato per la prima volta dallo scienziato americano Thomas Edison nel 1879.
Riso. 2. Emissione termoionica
L'emissione si divide in:
- elettronica secondaria (knock out da elettroni veloci);
- termoionico (evaporazione di elettroni da un catodo caldo);
- fotoelettronico (gli elettroni vengono eliminati dalla luce);
- elettronico (knock out con un campo forte).
Gli elettroni saranno in grado di volare fuori dal metallo se hanno sufficiente energia cinetica. Deve essere maggiore della funzione lavoro dell'elettrone per un dato metallo. Gli elettroni che fuoriescono dal catodo formano una nuvola di elettroni. La metà di loro ritorna alla posizione originale. Nello stato di equilibrio il numero di elettroni emessi è uguale al numero di elettroni restituiti. La densità della nuvola elettronica dipende direttamente dalla temperatura (cioè, all’aumentare della temperatura, la densità della nuvola diventa maggiore).
Quando gli elettrodi sono collegati ad una sorgente, tra di loro si crea un campo elettrico. Se il polo positivo della sorgente di corrente è collegato all'anodo (elettrodo freddo) e il polo negativo al catodo (elettrodo riscaldato), l'intensità del campo elettrico sarà diretta verso l'elettrodo riscaldato.
Applicazione della corrente elettrica nel vuoto
La corrente elettrica nel vuoto viene utilizzata in vari dispositivi elettronici. Uno di questi dispositivi è un diodo a vuoto
Riso. 3. Diodo del vuoto
È costituito da un cilindro che comprende 2 elettrodi: un catodo e un anodo.
Cosa abbiamo imparato?
Abbiamo imparato brevemente la corrente elettrica nel vuoto in questo articolo. Perché possa esistere nel vuoto, è prima necessaria la presenza di particelle cariche libere. Vengono inoltre considerati i tipi di vuoto e le loro caratteristiche. È necessario studiare il concetto di emissione termoionica. Le informazioni possono essere utilizzate per preparare una relazione e un messaggio per una lezione di fisica.
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Lezione n. 40-169 Corrente elettrica nei gas. Corrente elettrica nel vuoto.
In condizioni normali, il gas è un dielettrico ( R ), cioè. è costituito da atomi e molecole neutre e non contiene portatori liberi di corrente elettrica. Gas conduttoreè un gas ionizzato, ha conduttività elettrone-ione.Dielettrico aria
Ionizzazione del gas- questa è la disintegrazione di atomi o molecole neutri in ioni ed elettroni positivi sotto l'influenza di uno ionizzatore (radiazioni ultraviolette, raggi X e radioattive; riscaldamento) ed è spiegato dalla disintegrazione di atomi e molecole durante le collisioni ad alta velocità. Scarica di gas– passaggio di corrente elettrica attraverso il gas. La scarica di gas si osserva nei tubi a scarica di gas (lampade) quando esposti a un campo elettrico o magnetico. 
Ricombinazione di particelle cariche
Scarico di gas non autosufficiente- questa è una scarica che esiste solo sotto l'influenza di ionizzatori esterni Il gas nel tubo viene ionizzato e fornito agli elettrodi nel tubo si forma una tensione (U) e una corrente elettrica (I). All’aumentare di U aumenta la corrente I Quando tutte le particelle cariche formatesi in un secondo raggiungono gli elettrodi durante questo tempo (ad una certa tensione ( U*), la corrente raggiunge la saturazione (I n). Se si interrompe l'azione dello ionizzatore, si interrompe anche la scarica (I= 0). Scarico di gas autosufficiente- una scarica in un gas che persiste dopo la terminazione dello ionizzatore esterno a causa di ioni ed elettroni risultanti dalla ionizzazione per impatto (= ionizzazione di una scossa elettrica); si verifica quando la differenza di potenziale tra gli elettrodi aumenta (si verifica una valanga di elettroni). Ad un certo valore di tensione ( Ripartizione U) nuovamente la forza attuale aumenta. Lo ionizzatore non è più necessario per mantenere la scarica. Si verifica la ionizzazione per impatto degli elettroni. Una scarica di gas non autosostenuta può trasformarsi in una scarica di gas autosostenuta quando U a = U accensione. Guasto elettrico del gas- transizione da uno scarico di gas non autosufficiente a uno autosufficiente. Tipi di scarico del gas indipendente:
1. combustione senza fiamma - a basse pressioni (fino a diversi mm Hg) - osservata nei tubi di luce a gas e nei laser a gas. (lampade fluorescenti) 2. scintilla - a pressione normale ( P =
P
ATM) ed elevata intensità del campo elettrico E (fulmine - intensità di corrente fino a centinaia di migliaia di ampere). 3. corona - a pressione normale in un campo elettrico non uniforme (alla punta, fuoco di Sant'Elmo). 4. arco - si verifica tra elettrodi ravvicinati - elevata densità di corrente, bassa tensione tra gli elettrodi (nei faretti, apparecchiature per pellicole di proiezione, saldature, lampade al mercurio)
Plasma- questo è il quarto stato di aggregazione di una sostanza con un alto grado di ionizzazione dovuto alla collisione di molecole ad alta velocità ad alta temperatura; presenti in natura: la ionosfera è un plasma debolmente ionizzato, il Sole è un plasma completamente ionizzato; plasma artificiale - nelle lampade a scarica di gas. Il plasma è: 1. - bassa temperatura T 10 5 K. Proprietà fondamentali del plasma: - elevata conduttività elettrica; - forte interazione con campi elettrici e magnetici esterni. A T = 20∙ 10 3 ÷ 30∙ 10 3 K, qualsiasi sostanza è plasma. Il 99% della materia nell'Universo è plasma.
Corrente elettrica nel vuoto.
). Nel vuoto: - la corrente elettrica è impossibile, perché il numero possibile di molecole ionizzate non può fornire conduttività elettrica; - è possibile creare una corrente elettrica nel vuoto se si utilizza una fonte di particelle cariche; - l'azione di una sorgente di particelle cariche può basarsi sul fenomeno dell'emissione termoionica. Emissione termoionica- il fenomeno dell'emissione di elettroni liberi dalla superficie di corpi riscaldati, l'emissione di elettroni da parte di corpi solidi o liquidi avviene quando vengono riscaldati a temperature corrispondenti al bagliore visibile di un metallo caldo. L'elettrodo metallico riscaldato emette continuamente elettroni, formando attorno a sé una nuvola di elettroni.In uno stato di equilibrio, il numero di elettroni che hanno lasciato l'elettrodo è uguale al numero di elettroni che vi sono ritornati (poiché l'elettrodo si carica positivamente quando si perdono gli elettroni). Maggiore è la temperatura del metallo, maggiore è la densità della nuvola di elettroni. La corrente elettrica nel vuoto è possibile nei tubi a vuoto. Un tubo elettronico è un dispositivo che sfrutta il fenomeno dell'emissione termoionica. 
Diodo a vuoto.
Caratteristica IV (caratteristica volt-ampere) di un diodo a vuoto.
Corrente all'ingresso del raddrizzatore a diodi A basse tensioni anodiche, non tutti gli elettroni emessi dal catodo raggiungono l'anodo e la corrente è piccola. Ad alte tensioni, la corrente raggiunge la saturazione, cioè valore massimo. Un diodo a vuoto ha conduttività unidirezionale e viene utilizzato per rettificare la corrente alternata. Fasci di elettroniè un flusso di elettroni che volano rapidamente nei tubi a vuoto e nei dispositivi a scarica di gas. Proprietà dei fasci di elettroni: - deviare nei campi elettrici; - deviare nei campi magnetici sotto l'influenza della forza di Lorentz; - quando un raggio che colpisce una sostanza viene decelerato, compaiono radiazioni di raggi X; - provoca bagliore (luminescenza) di alcuni solidi e liquidi (luminofori); - riscaldare la sostanza contattandola.
Tubo a raggi catodici (CRT)
Qualsiasi corrente appare solo in presenza di una sorgente con particelle cariche libere. Ciò è dovuto al fatto che nel vuoto non ci sono sostanze, comprese le cariche elettriche. Pertanto, il vuoto è considerato il migliore. Affinché la corrente elettrica possa attraversarlo, è necessario garantire la presenza di un numero sufficiente di cariche libere. In questo articolo vedremo cos'è la corrente elettrica nel vuoto.
Come può apparire la corrente elettrica nel vuoto?
Per creare una corrente elettrica completa nel vuoto, è necessario utilizzare un fenomeno fisico come l'emissione termoionica. Si basa sulla proprietà di una particolare sostanza di emettere elettroni liberi quando riscaldata. Tali elettroni che lasciano un corpo riscaldato sono chiamati elettroni termoionici e l'intero corpo è chiamato emettitore.
L'emissione termoionica è alla base del funzionamento dei dispositivi a vuoto, meglio conosciuti come tubi a vuoto. Il design più semplice contiene due elettrodi. Uno di questi è il catodo, che è una spirale, il cui materiale è molibdeno o tungsteno. È lui che viene riscaldato dalla corrente elettrica. Il secondo elettrodo è chiamato anodo. È in uno stato freddo e svolge il compito di raccogliere elettroni termoionici. Di norma, l'anodo ha la forma di un cilindro e al suo interno è posizionato un catodo riscaldato.
Applicazione della corrente nel vuoto
Nel secolo scorso, le valvole termoioniche hanno avuto un ruolo di primo piano nell'elettronica. E, sebbene siano stati da tempo sostituiti da dispositivi a semiconduttore, il principio di funzionamento di questi dispositivi è utilizzato nei tubi a raggi catodici. Questo principio viene utilizzato nei lavori di saldatura e fusione nel vuoto e in altre aree.
Pertanto, una delle varietà di corrente è un flusso di elettroni che scorre nel vuoto. Quando il catodo viene riscaldato, tra esso e l'anodo appare un campo elettrico. È questo che dà agli elettroni una certa direzione e velocità. Secondo questo principio funziona un tubo elettronico con due elettrodi (diodo), ampiamente utilizzato nella radioingegneria e nell'elettronica.
Il dispositivo moderno è un cilindro di vetro o metallo, dal quale è stata precedentemente pompata l'aria. All'interno di questo cilindro sono saldati due elettrodi, un catodo e un anodo. Per migliorare le caratteristiche tecniche, vengono installate griglie aggiuntive, con l'aiuto delle quali viene aumentato il flusso di elettroni.
La corrente elettrica può essere generata non solo nei metalli, ma anche nel vuoto, ad esempio nei tubi radio, nei tubi a raggi catodici. Scopriamo la natura della corrente nel vuoto.
I metalli contengono un gran numero di elettroni liberi che si muovono in modo casuale. Quando un elettrone si avvicina alla superficie di un metallo, le forze attrattive che agiscono su di esso dal lato degli ioni positivi e dirette verso l'interno impediscono all'elettrone di lasciare il metallo. Si chiama il lavoro che deve essere compiuto per allontanare un elettrone da un metallo nel vuoto funzione di lavoro.È diverso per i diversi metalli. Quindi, per il tungsteno è uguale 7,2*10 -19 j. Se l'energia di un elettrone è inferiore alla funzione lavoro, non può lasciare il metallo. Esistono molti elettroni, anche a temperatura ambiente, la cui energia non è molto maggiore della funzione lavoro. Dopo aver lasciato il metallo, si allontanano da esso per una breve distanza e, sotto l'influenza delle forze attrattive degli ioni, ritornano al metallo, a seguito del quale si forma un sottile strato di elettroni in uscita e in ritorno, che sono in equilibrio dinamico , si forma vicino alla superficie. A causa della perdita di elettroni, la superficie metallica si carica positivamente.
Affinché un elettrone lasci il metallo, deve lavorare contro le forze repulsive del campo elettrico dello strato di elettroni e contro le forze del campo elettrico della superficie caricata positivamente del metallo (Fig. 85. a). A temperatura ambiente non ci sono quasi elettroni che potrebbero sfuggire oltre il doppio strato carico.
Affinché gli elettroni possano sfuggire oltre il doppio strato, devono avere un'energia molto maggiore della funzione lavoro. A tale scopo viene trasmessa energia agli elettroni dall'esterno, ad esempio mediante riscaldamento. L’emissione di elettroni da parte di un corpo riscaldato è detta emissione termoionica.È una delle prove della presenza di elettroni liberi nel metallo.
In un simile esperimento si può osservare il fenomeno dell'emissione termoionica. Dopo aver caricato positivamente l'elettrometro (da un'asta di vetro elettrificata), lo colleghiamo con un conduttore all'elettrodo A della lampada a vuoto dimostrativa (Fig. 85, b). L'elettrometro non scarica. Dopo aver chiuso il circuito, riscaldiamo il filo K. Vediamo che l'ago dell'elettrometro scende: l'elettrometro è scarico. Gli elettroni emessi dal filamento caldo vengono attratti dall'elettrodo A carico positivamente e ne neutralizzano la carica. Il flusso di elettroni termoionici dal filamento all'elettrodo A sotto l'influenza di un campo elettrico formava una corrente elettrica nel vuoto.
Se l'elettrometro è caricato negativamente, non si scaricherà in un simile esperimento. Gli elettroni che fuoriescono dal filamento non vengono più attratti dall'elettrodo A, ma, al contrario, ne vengono respinti e ritornano al filamento.
Montiamo un circuito elettrico (Fig. 86). Quando il filo K non è riscaldato, il circuito tra esso e l'elettrodo A è aperto: l'ago del galvanometro è a zero. Non c'è corrente nel suo circuito. Chiudendo la chiave riscaldiamo il filamento. Una corrente scorreva attraverso il circuito del galvanometro, poiché gli elettroni termoionici chiudevano il circuito tra il filamento e l'elettrodo A, formando così una corrente elettrica nel vuoto. La corrente elettrica nel vuoto è un flusso diretto di elettroni sotto l'influenza di un campo elettrico. La velocità del movimento direzionale degli elettroni che formano corrente nel vuoto è miliardi di volte maggiore della velocità del movimento direzionale degli elettroni che formano corrente nei metalli. Pertanto, la velocità del flusso di elettroni all'anodo delle lampade del ricevitore radio raggiunge diverse migliaia di chilometri al secondo.
