Зависимость сопротивления от температуры в вакууме
Среда, в которой проводник находится под действием электрического тока, также влияет на свойство его проводимости. Даже если он будет находиться в абсолютно разряженном пространстве — вакууме. В статье будет подробно рассказано, что такое зависимость электрического сопротивления от температуры в вакууме. Будут описаны различные свойства тока для такой среды, а так же приведены примеры наиболее распространенных электронных компонентов, в работе которых используется прохождение тока через вакуум.
Вакуум
Вакуум является особой средой, в которой исключена возможность столкновения молекул, что снижает его электропроводность практически до ноля. Полный вакуум — среда, в которой полностью отсутствуют какие-либо частицы и она лишена всяких свойств, так называемая абсолютная пустота. Из-за этого в такой абсолютной пустоте не происходят никакие процессы.
Внутри такой разряженной среды отсутствуют свободные носители зарядов, поэтому вакуум считается идеальным диэлектриком. Что необходимо для обеспечения протекания тока через вакуум? Правильно — наличие свободных электронов. Если они появятся в вакууме, то он исчезнет, а на его месте образуется ионизированный газ, который позволит току свободно протекать через себя.
Температура вакуума
Для вакуумной среды характерно 2 основных понятия температуры:
- Температура контейнера. Это температура вакуума, который находится внутри какой-то герметичной емкости. Часто такую среду называют физическим или лабораторным вакуумом. Если контейнер отсутствует, то у вакуума температура будет равняться температуре окружающих его объектов.
- Космический вакуум. Представляет собой пустоту, в которой отсутствуют все частицы материи в виде — твердых тел, газов или жидкостей. При этом данная среда свободна от любого теплового или другого излучения в холодной пустоте (при абсолютном нуле 0 К или −273° Цельсия). Отличие космического вакуума от лабораторного аналога заключается в огромном разнообразии физических условий и явлений.
В частности можно отметить:
- низкую концентрацию газовых частиц в космосе;
- разнообразие масс и скоростей частиц в широком диапазоне;
- изменение скорости и концентрации частиц;
- неограниченную поглощающую способность вакуума в космосе;
- существование разных видов излучения.
Теперь далее подробно рассмотрим, как температура проводника влияет на величину его удельного сопротивления в вакууме.
Ток в вакууме
Для того чтобы создать в пустой среде проводимость, ее необходимо предварительно ионизировать. Для этого внутрь нее необходимо разместить какие-то источники ионизации. Насыщение вакуума заряженными частицами в физике называют термоэлектронной эмиссией. Это понятие ввел американский ученый Томас Эдисон в 1879 году. Оно основано на насыщении вакуумной среды заряженными частицами за счет нагревания отрицательного электрода до высокой температуры. Сам же электрод нагревается за счет подачи высокого напряжения.
Возникновения тока в вакууме поможет понять следующий опыт:
- Из стеклянной колбы полностью откачивается воздух и создается вакуумная среда.
- В нее устанавливается 2 пластины на расстоянии друг от друга. Электроды замыкаются и подключаются к электрометру, который находится за пределами данной вакуумной среды.
- После этого одну из пластин начинают нагревать.
Из-за нагрева пластины стрелка электрометра отклоняется и показывает наличие тока в вакуумной среде.
Результат данного эксперимента можно объяснить так — благодаря нагреву металла, он начинает испускать отрицательно заряженные частицы, что по своей природе схоже с испусканием молекул воды во время испарения. Такое явление в физике в наше время известно, как термоэлектронная эмиссия.
Чтобы электроны могли преодолеть барьер и покинуть поверхность металла, они должны затратить определенную часть энергии, которую называют работой выхода. При этом энергию, которая равна или больше работы выхода, электроны получают при нагреве металлов до очень высоких температур (1000–20000). График и формула работы выхода в данном случае будут выглядеть, как на изображении ниже:
Вокруг разогретого металла формируется так называемое электронное облако, которое зависит от температуры металла. Чем выше данная температура, тем больше плотность у формирующегося электронного облака. При этом нагретый металлический электрод непрерывно испускает электроны.
Во время равновесного состояния, количество отрицательно заряженных частиц, покинувших электрод, будет равняться количеству электронов, возвратившихся на него. Это связано с тем, что при потере электронов, сам электрод начинает заряжаться положительно.
Если увеличить напряжение, то это спровоцирует массовый исход электронов с поверхности металла. Под действием возрастающего электрического поля они начнут ускоряться и передвигаться к положительному заряженному электроду. Таким образом рост напряжения будет способствовать насыщению среды электронами.
Из-за того, что насыщение среды невозможно описать с помощью линейной зависимости, то к ней нельзя будет применить закон Ома. Данная зависимость имеет довольно сложный характер, поэтому она подчиняется закону «трех вторых» или Богуславского-Ленгмюра:
В данном выражении В — коэффициент, который зависит от формы и размеров электродов, заряда и массы электрона.
Также увеличение напряжения не может быть бесконечным. Оно увеличивается до полного насыщения среды и определенной плотности тока. После полного насыщения вакуума, увеличение напряжение является бессмысленным, так как это уже не приводит к увеличению значения силы тока. Плотность тока насыщения среды рассчитывается согласно формуле Ричардсона-Дешмана:
Данная формула может использоваться только при расчетах квантовых статистик.
Добиться термоэлектронной эмиссии в условиях космического вакуума практически невозможно. Температура, необходимая для высвобождения электронов, будет использоваться для нагрева пространства, а значит потребуется: затратить сверхбольшое напряжение, использовать материалы, устойчивые к сверхвысоким температурам.
Эффект термоэлектронной эмиссии применяется при создании различных электронных ламп:
- Электронная вакуумная лампа. Работает по принципу диода. Принцип работы зависит от направленности положительного напряжения. При подаче положительного напряжения на отрицательный электрод, происходит возврат электронов. Если напряжение подается от отрицательного катода к положительному аноду, то происходит насыщение среды и передача отрицательных электронов на анод. Таким образом с помощью лампы происходит выравнивание напряжения.
- Лучевая трубка. Катод в этом элементе покрывается барием. Главное назначение трубки — сфокусировать направленный пучок электронов в сторону экрана, покрытого люминофором. Пучок направляется и ускоряется за счет двух анодов. Главная особенность такой трубки это возможность изменения направления пучка. Делается это за счет встроенных в нее конденсаторов. Напряжение, подаваемое на обкладки определенного конденсатора, притягивает пучок электронов в свою сторону, отклоняя его в нужное направление. От величины напряжения зависит угол отклонения электронного пучка.
Лучевые трубки до сих пор используются в качестве экранов различной измерительной аппаратуры. А ламповые диоды применяются для стабилизаторов напряжения в телевизорах старого образца, ускорителях частиц и генераторах сверхвысоких частот.
- Вакуумные диоды — имеют одностороннюю проводимость. Такие устройства используются для выпрямления переменных токов.
- Вакуумные триоды (трехэлектродные электронные лампы) отличаются наличием дополнительного электрода (сетки). С помощью изменения потенциала сетки, можно осуществлять управление потоком электронов, которые протекают от катода к аноду.
То есть управлять анодным током в электроцепи. Применяются в качестве усилителей токов в различных радиоэлектронных приборах.
Заключение
На основании данного материала можно сделать заключение, что сопротивление проводника зависит от температуры в вакууме. Понимание этого явления используют в различных радиоэлектронных устройствах — электронно-лучевых трубках, лампах, диодах и триодах.
Загрузка...
