التيار الكهربائي في الفراغ

بالمعنى التقني ، يُطلق على الفضاء فراغ ، حيث تكون كمية المادة غير ذات أهمية مقارنة بالوسط الغازي العادي. ضغط الفراغ أقل بمقدار مرتين على الأقل من الضغط الجوي ؛ في ظل هذه الظروف ، لا يوجد عمليا أي ناقلات شحن مجانية فيه.

لكن كما نعلم صدمة كهربائية تسمى الحركة المنظمة للجسيمات المشحونة تحت تأثير المجال الكهربائي ، بينما في الفراغ ، بحكم التعريف ، لا يوجد مثل هذا العدد من الجسيمات المشحونة الكافية لتكوين تيار مستقر. هذا يعني أنه من أجل إنشاء تيار في الفراغ ، من الضروري إضافة جزيئات مشحونة إليه بطريقة أو بأخرى.

في عام 1879 ، اكتشف توماس إديسون ظاهرة الإشعاع الحراري ، والتي تعد اليوم إحدى الطرق التي أثبتت جدواها للحصول على إلكترونات حرة في الفراغ عن طريق تسخين كاثود معدني (قطب سالب) إلى هذه الحالة بحيث تبدأ الإلكترونات في الخروج منه. تستخدم هذه الظاهرة في العديد من الأجهزة الإلكترونية المفرغة ، ولا سيما في الأنابيب المفرغة.

دعنا نضع قطبين معدنيين في فراغ ونوصلهما بمصدر جهد تيار مستمر ، ثم نبدأ في تسخين القطب السالب (الكاثود). في هذه الحالة ، ستزداد الطاقة الحركية للإلكترونات داخل الكاثود. إذا تبين أن طاقة الإلكترون التي تم الحصول عليها بهذه الطريقة كافية للتغلب على الحاجز المحتمل (لأداء وظيفة عمل معدن الكاثود) ، فإن هذه الإلكترونات ستكون قادرة على الهروب إلى الفراغ بين الأقطاب الكهربائية.

حيث يوجد بين الأقطاب الحقل الكهربائي (تم إنشاؤه بواسطة المصدر أعلاه) ، يجب أن تبدأ الإلكترونات التي تدخل هذا المجال في التسارع في اتجاه القطب الموجب (القطب الموجب) ، أي نظريًا سيحدث تيار كهربائي في الفراغ.

لكن هذا ليس ممكنًا دائمًا ، وفقط إذا كان شعاع الإلكترون قادرًا على التغلب على الحفرة المحتملة على سطح الكاثود ، والتي يرجع وجودها إلى ظهور شحنة فضائية بالقرب من القطب السالب (سحابة إلكترونية).

بالنسبة لبعض الإلكترونات ، سيكون الجهد بين الأقطاب الكهربائية منخفضًا جدًا مقارنة بمتوسط ​​طاقتها الحركية ، ولن يكون هذا كافيًا للخروج من البئر وسيعودون ، وبالنسبة للبعض سيكون مرتفعًا بدرجة كافية لتهدئة الإلكترونات أسفل - وما بعده وتبدأ في التسريع بواسطة المجال الكهربائي. وبالتالي ، كلما زاد الجهد المطبق على الأقطاب الكهربائية ، زاد عدد الإلكترونات التي تترك الكاثود وتصبح حوامل تيار في الفراغ.

لذلك ، كلما زاد الجهد الكهربي بين الأقطاب الكهربائية الموجودة في الفراغ ، قل عمق البئر المحتمل بالقرب من الكاثود.نتيجة لذلك ، اتضح أن كثافة التيار في الفراغ أثناء الإشعاع الحراري مرتبطة بجهد الأنود بعلاقة تسمى قانون لانجموير (تكريما للفيزيائي الأمريكي إيرفينج لانجموير) أو قانون الثالث:

على عكس قانون أوم ، فإن العلاقة هنا غير خطية. أيضًا ، مع زيادة فرق الجهد بين الأقطاب الكهربائية ، ستزداد كثافة تيار الفراغ حتى يحدث التشبع ، وهي حالة تصل فيها جميع الإلكترونات من سحابة الإلكترون عند الكاثود إلى القطب الموجب. زيادة فرق الجهد بين الأقطاب الكهربائية لن ينتج عنه زيادة في التيار. ص

مواد الكاثود المختلفة لها انبعاثية مختلفة تتميز بتيار التشبع ويمكن تحديد كثافة تيار التشبع بواسطة صيغة Richardson-Deshman التي تربط كثافة التيار بمعلمات مادة الكاثود:

هنا:

تم اشتقاق هذه الصيغة من قبل العلماء بناءً على إحصائيات الكم.