تيار كهربائي في الفراغ. موضوع الإصدار الإلكتروني. التيار الكهربائي في الفراغ

ولا يظهر أي تيار إلا في وجود مصدر به جسيمات مشحونة حرة. ويرجع ذلك إلى حقيقة أنه في الفراغ لا توجد مواد، بما في ذلك الشحنات الكهربائية. ولذلك يعتبر الفراغ هو الأفضل. ولمرور التيار الكهربائي من خلاله، من الضروري التأكد من وجود عدد كاف من الشحنات الحرة. في هذه المقالة سوف نلقي نظرة على ماهية التيار الكهربائي في الفراغ.

كيف يمكن أن يظهر التيار الكهربائي في الفراغ؟

من أجل خلق تيار كهربائي كامل في الفراغ، من الضروري استخدام ظاهرة فيزيائية مثل الانبعاث الحراري. يعتمد على خاصية مادة معينة لإصدار إلكترونات حرة عند تسخينها. تسمى هذه الإلكترونات التي تغادر جسمًا ساخنًا بالإلكترونات الحرارية، ويسمى الجسم بأكمله باعثًا.

يكمن الانبعاث الحراري في تشغيل الأجهزة المفرغة، والمعروفة باسم الأنابيب المفرغة. أبسط تصميم يحتوي على قطبين كهربائيين. إحداها الكاثود، وهو عبارة عن حلزوني، مادته الموليبدينوم أو التنغستن. هو الذي يسخن بالتيار الكهربائي. القطب الثاني يسمى الأنود. وهو في حالة باردة، ويقوم بمهمة جمع الإلكترونات الحرارية. كقاعدة عامة، يتم تصنيع الأنود على شكل أسطوانة، ويتم وضع الكاثود الساخن بداخله.

تطبيق التيار في الفراغ

في القرن الماضي، لعبت الأنابيب المفرغة دورًا رائدًا في مجال الإلكترونيات. وعلى الرغم من استبدالها بأجهزة أشباه الموصلات منذ فترة طويلة، إلا أن مبدأ تشغيل هذه الأجهزة يستخدم في أنابيب أشعة الكاثود. ويستخدم هذا المبدأ في أعمال اللحام والصهر في الفراغ وفي مناطق أخرى.

وبالتالي، فإن أحد أنواع التيار هو تدفق الإلكترون الذي يتدفق في الفراغ. عند تسخين الكاثود، يظهر مجال كهربائي بينه وبين الأنود. وهذا هو الذي يعطي الإلكترونات اتجاهًا وسرعة معينة. يعمل أنبوب الإلكترون ذو القطبين (الصمام الثنائي)، والذي يستخدم على نطاق واسع في هندسة الراديو والإلكترونيات، على هذا المبدأ.

الجهاز الحديث عبارة عن أسطوانة مصنوعة من الزجاج أو المعدن تم ضخ الهواء منها مسبقًا. يتم لحام قطبين كهربائيين، الكاثود والأنود، داخل هذه الأسطوانة. لتعزيز الخصائص التقنية، يتم تثبيت شبكات إضافية، والتي يتم من خلالها زيادة تدفق الإلكترون.

يمكن توليد التيار الكهربائي ليس فقط في المعادن، ولكن أيضًا في الفراغ، على سبيل المثال في أنابيب الراديو، في أنابيب أشعة الكاثود. دعونا معرفة طبيعة التيار في الفراغ.

تحتوي المعادن على عدد كبير من الإلكترونات الحرة التي تتحرك بشكل عشوائي. عندما يقترب إلكترون من سطح المعدن، فإن قوى الجذب المؤثرة عليه من جانب الأيونات الموجبة والموجهة نحو الداخل تمنع الإلكترون من مغادرة المعدن. يسمى الشغل الذي يجب بذله لإزالة إلكترون من فلز في الفراغ الية عمل.الأمر مختلف بالنسبة للمعادن المختلفة. لذلك، بالنسبة للتنغستن فهو متساو 7.2*10 -19 ي.إذا كانت طاقة الإلكترون أقل من دالة الشغل، فلا يمكنه مغادرة المعدن. هناك العديد من الإلكترونات، حتى في درجة حرارة الغرفة، التي لا تزيد طاقتها كثيرًا عن دالة الشغل. بعد أن تركوا المعدن، فإنهم يبتعدون عنه مسافة قصيرة، وتحت تأثير قوى الأيونات الجذابة، يعودون إلى المعدن، ونتيجة لذلك تكون طبقة رقيقة من الإلكترونات الصادرة والعائدة، والتي تكون في حالة توازن ديناميكي ، تتشكل بالقرب من السطح. بسبب فقدان الإلكترونات، يصبح سطح المعدن مشحونا بشكل إيجابي.

لكي يغادر الإلكترون المعدن، يجب أن يقوم بعمل ضد القوى التنافرية للمجال الكهربائي لطبقة الإلكترون وضد قوى المجال الكهربائي لسطح المعدن المشحون إيجابيًا (الشكل 85. أ). في درجة حرارة الغرفة، لا توجد تقريبًا أي إلكترونات يمكنها الهروب إلى ما بعد الطبقة المزدوجة المشحونة.

ولكي تتمكن الإلكترونات من الهروب إلى ما بعد الطبقة المزدوجة، يجب أن تمتلك طاقة أكبر بكثير من دالة الشغل. وللقيام بذلك، يتم نقل الطاقة إلى الإلكترونات من الخارج، على سبيل المثال عن طريق التسخين. يسمى انبعاث الإلكترونات من جسم ساخن بالانبعاث الحراري.وهو أحد الأدلة على وجود الإلكترونات الحرة في المعدن.

ويمكن ملاحظة ظاهرة الانبعاث الحراري في مثل هذه التجربة. بعد شحن مقياس الكهربية بشكل إيجابي (من قضيب زجاجي مكهرب)، نقوم بتوصيله بموصل إلى القطب الكهربائي A الخاص بمصباح التفريغ التوضيحي (الشكل 85، ب). لا يتم تفريغ مقياس الكهربية. بعد إغلاق الدائرة، نقوم بتسخين الخيط K. ونرى أن إبرة مقياس الكهربية تنخفض - يتم تفريغ مقياس الكهربية. تنجذب الإلكترونات المنبعثة من الفتيل الساخن إلى القطب الموجب الشحنة A وتحييد شحنته. أدى تدفق الإلكترونات الحرارية من الفتيل إلى القطب A تحت تأثير مجال كهربائي إلى تشكيل تيار كهربائي في الفراغ.

إذا كان مقياس الكهربية مشحونًا بشكل سلبي، فلن يتم تفريغه في مثل هذه التجربة. لم تعد الإلكترونات الخارجة من الفتيل تنجذب إلى القطب A، بل على العكس من ذلك، يتم صدها منه وتعود مرة أخرى إلى الفتيل.

لنقم بتجميع دائرة كهربائية (الشكل 86). عندما لا يتم تسخين الخيط K، تكون الدائرة الكهربية الموجودة بينه وبين القطب A مفتوحة - وتكون إبرة الجلفانومتر عند الصفر. لا يوجد تيار في دائرتها. عن طريق إغلاق المفتاح، نقوم بتسخين الخيوط. يتدفق تيار عبر دائرة الجلفانومتر، حيث تغلق الإلكترونات الحرارية الدائرة بين السلك والقطب A، وبالتالي تشكل تيارًا كهربائيًا في الفراغ. التيار الكهربائي في الفراغ هو تدفق موجه للإلكترونات تحت تأثير المجال الكهربائي.إن سرعة الحركة الاتجاهية للإلكترونات التي تشكل تيارًا في الفراغ أكبر بمليارات المرات من سرعة الحركة الاتجاهية للإلكترونات التي تشكل تيارًا في المعادن. وبالتالي، تصل سرعة تدفق الإلكترون عند أنود مصابيح الاستقبال الراديوي إلى عدة آلاف من الكيلومترات في الثانية.