กระแสไฟฟ้า กระแสไฟฟ้าในสุญญากาศ หัวข้อปัญหาอิเล็กทรอนิกส์ กระแสไฟฟ้าในสุญญากาศ

กระแสไฟฟ้าใด ๆ จะปรากฏขึ้นต่อหน้าแหล่งกำเนิดที่มีอนุภาคมีประจุอิสระเท่านั้น เนื่องจากในสุญญากาศไม่มีสารใด ๆ รวมถึงค่าไฟฟ้าด้วย ดังนั้นสุญญากาศจึงถือว่าดีที่สุด เพื่อให้กระแสไฟฟ้าไหลผ่านได้จำเป็นต้องตรวจสอบให้แน่ใจว่ามีประจุฟรีจำนวนเพียงพอ ในบทความนี้เราจะดูว่ากระแสไฟฟ้าในสุญญากาศมีอะไรบ้าง

กระแสไฟฟ้าปรากฏในสุญญากาศได้อย่างไร?

ในการสร้างกระแสไฟฟ้าเต็มรูปแบบในสุญญากาศ จำเป็นต้องใช้ปรากฏการณ์ทางกายภาพ เช่น การปล่อยความร้อน ขึ้นอยู่กับคุณสมบัติของสารเฉพาะที่จะปล่อยอิเล็กตรอนอิสระเมื่อถูกความร้อน อิเล็กตรอนดังกล่าวที่ออกจากร่างกายที่ถูกความร้อนเรียกว่าเทอร์โมนิกอิเล็กตรอน และทั้งร่างกายเรียกว่าตัวปล่อย

การปล่อยความร้อนเป็นไปตามการทำงานของอุปกรณ์สุญญากาศ หรือที่รู้จักกันดีในชื่อหลอดสุญญากาศ การออกแบบที่ง่ายที่สุดประกอบด้วยอิเล็กโทรดสองตัว หนึ่งในนั้นคือแคโทดซึ่งเป็นเกลียวซึ่งเป็นวัสดุโมลิบดีนัมหรือทังสเตน เขาคือผู้ถูกทำให้ร้อนด้วยกระแสไฟฟ้า อิเล็กโทรดตัวที่สองเรียกว่าขั้วบวก อยู่ในสภาวะเย็นทำหน้าที่รวบรวมอิเล็กตรอนความร้อน ตามกฎแล้วขั้วบวกจะทำเป็นรูปทรงกระบอกและมีแคโทดที่ให้ความร้อนอยู่ข้างใน

การประยุกต์ใช้กระแสไฟฟ้าในสุญญากาศ

ในศตวรรษที่ผ่านมา หลอดสุญญากาศมีบทบาทสำคัญในอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์ และแม้ว่าจะถูกแทนที่ด้วยอุปกรณ์เซมิคอนดักเตอร์มานานแล้ว แต่หลักการทำงานของอุปกรณ์เหล่านี้ยังใช้ในหลอดรังสีแคโทด หลักการนี้ใช้ในงานเชื่อมและหลอมในสุญญากาศและงานอื่นๆ

ดังนั้นกระแสประเภทหนึ่งคือการไหลของอิเล็กตรอนที่ไหลในสุญญากาศ เมื่อแคโทดได้รับความร้อน สนามไฟฟ้าจะปรากฏขึ้นระหว่างแคโทดกับขั้วบวก นี่คือสิ่งที่ทำให้อิเล็กตรอนมีทิศทางและความเร็วที่แน่นอน หลอดอิเล็กตรอนที่มีอิเล็กโทรดสองตัว (ไดโอด) ซึ่งใช้กันอย่างแพร่หลายในวิศวกรรมวิทยุและอิเล็กทรอนิกส์ ทำงานบนหลักการนี้

อุปกรณ์ที่ทันสมัยคือกระบอกสูบที่ทำจากแก้วหรือโลหะซึ่งก่อนหน้านี้มีการสูบอากาศออก อิเล็กโทรดสองตัวคือแคโทดและแอโนดถูกบัดกรีภายในกระบอกสูบนี้ เพื่อปรับปรุงคุณลักษณะทางเทคนิค จึงมีการติดตั้งกริดเพิ่มเติม ซึ่งช่วยให้การไหลของอิเล็กตรอนเพิ่มขึ้น

กระแสไฟฟ้าสามารถสร้างขึ้นได้ไม่เฉพาะในโลหะเท่านั้น แต่ยังเกิดขึ้นในสุญญากาศด้วย เช่น ในหลอดวิทยุ ในหลอดรังสีแคโทด ให้เราค้นหาธรรมชาติของกระแสในสุญญากาศ

โลหะประกอบด้วยอิเล็กตรอนอิสระที่เคลื่อนที่แบบสุ่มจำนวนมาก เมื่ออิเล็กตรอนเข้าใกล้พื้นผิวของโลหะ แรงดึงดูดที่กระทำต่ออิเล็กตรอนจากด้านข้างของไอออนบวกและพุ่งเข้าด้านในจะป้องกันไม่ให้อิเล็กตรอนหลุดออกจากโลหะ งานที่ต้องทำเพื่อเอาอิเล็กตรอนออกจากโลหะในสุญญากาศเรียกว่า ฟังก์ชั่นการทำงานมันแตกต่างกันสำหรับโลหะที่แตกต่างกัน ดังนั้น สำหรับทังสเตน ก็จะเท่ากับ 7.2*10 -19 ก.หากพลังงานของอิเล็กตรอนน้อยกว่าหน้าที่การทำงาน ก็ไม่สามารถหลุดออกจากโลหะได้ มีอิเล็กตรอนจำนวนมากแม้จะอยู่ในอุณหภูมิห้องซึ่งมีพลังงานไม่มากไปกว่าฟังก์ชันการทำงานมากนัก เมื่อออกจากโลหะพวกมันก็เคลื่อนตัวออกไปจากมันในระยะทางสั้น ๆ และภายใต้อิทธิพลของแรงดึงดูดของไอออนกลับคืนสู่โลหะซึ่งเป็นผลมาจากชั้นบาง ๆ ของอิเล็กตรอนขาออกและขากลับซึ่งอยู่ในสมดุลไดนามิก เกิดขึ้นใกล้ผิวน้ำ เนื่องจากการสูญเสียอิเล็กตรอน พื้นผิวโลหะจึงมีประจุบวก

เพื่อให้อิเล็กตรอนออกจากโลหะได้ จะต้องทำงานกับแรงผลักของสนามไฟฟ้าของชั้นอิเล็กตรอนและต้านแรงของสนามไฟฟ้าของพื้นผิวที่มีประจุบวกของโลหะ (รูปที่ 85. ก) ที่อุณหภูมิห้องแทบจะไม่มีอิเล็กตรอนตัวใดที่สามารถหลุดออกไปเกินชั้นสองชั้นที่มีประจุได้

เพื่อให้อิเล็กตรอนหลุดออกไปเกินชั้นสองชั้นได้ พวกมันต้องมีพลังงานมากกว่าฟังก์ชันการทำงานมาก เมื่อต้องการทำเช่นนี้ พลังงานจะถูกจ่ายให้กับอิเล็กตรอนจากภายนอก เช่น โดยการให้ความร้อน การปล่อยอิเล็กตรอนโดยวัตถุที่ถูกความร้อนเรียกว่าการปล่อยความร้อนนี่เป็นหนึ่งในข้อพิสูจน์ว่ามีอิเล็กตรอนอิสระอยู่ในโลหะ

ปรากฏการณ์การปล่อยความร้อนสามารถสังเกตได้ในการทดลองดังกล่าว เมื่อชาร์จอิเล็กโตรมิเตอร์ในเชิงบวก (จากแท่งแก้วไฟฟ้า) เราจะเชื่อมต่อเข้ากับตัวนำกับอิเล็กโทรด A ของหลอดสุญญากาศสาธิต (รูปที่ 85, b) อิเล็กโตรมิเตอร์ไม่คายประจุ เมื่อปิดวงจรแล้วเราก็ให้ความร้อนกับเกลียว K เราเห็นว่าเข็มอิเล็กโทรมิเตอร์ลดลง - อิเล็กโทรมิเตอร์ถูกปล่อยออกมา อิเล็กตรอนที่ปล่อยออกมาจากไส้หลอดร้อนจะถูกดึงดูดไปยังอิเล็กโทรด A ที่มีประจุบวก และทำให้ประจุเป็นกลาง การไหลของอิเล็กตรอนความร้อนจากเส้นใยไปยังอิเล็กโทรด A ภายใต้อิทธิพลของสนามไฟฟ้าทำให้เกิดกระแสไฟฟ้าในสุญญากาศ

หากอิเล็กโตรมิเตอร์มีประจุเป็นลบ ก็จะไม่คายประจุในการทดลองดังกล่าว อิเล็กตรอนที่หนีออกจากเส้นใยจะไม่ถูกดึงดูดโดยอิเล็กโทรด A อีกต่อไป แต่ในทางกลับกัน จะถูกผลักออกจากเส้นใยและกลับสู่เส้นใย

มาประกอบวงจรไฟฟ้ากัน (รูปที่ 86) เมื่อด้าย K ไม่ได้รับความร้อน วงจรระหว่างมันกับอิเล็กโทรด A จะเปิดขึ้น - เข็มกัลวาโนมิเตอร์อยู่ที่ศูนย์ ไม่มีกระแสในวงจรของมัน ด้วยการปิดกุญแจ เราจะให้ความร้อนแก่ไส้หลอด กระแสไฟฟ้าไหลผ่านวงจรกัลวาโนมิเตอร์ เนื่องจากอิเล็กตรอนเทอร์โมนิกปิดวงจรระหว่างไส้หลอดและอิเล็กโทรด A จึงทำให้เกิดกระแสไฟฟ้าในสุญญากาศ กระแสไฟฟ้าในสุญญากาศคือการไหลโดยตรงของอิเล็กตรอนภายใต้อิทธิพลของสนามไฟฟ้าความเร็วของการเคลื่อนที่ในทิศทางของอิเล็กตรอนที่ทำให้เกิดกระแสในสุญญากาศนั้นมากกว่าความเร็วของการเคลื่อนที่ในทิศทางของอิเล็กตรอนที่ทำให้เกิดกระแสในโลหะหลายพันล้านเท่า ดังนั้นความเร็วของการไหลของอิเล็กตรอนที่ขั้วบวกของหลอดเครื่องรับวิทยุจึงสูงถึงหลายพันกิโลเมตรต่อวินาที