Прохождение электрического тока через пустоту

Если в условиях опыта, о котором мы говорили в конце преды­дущего параграфа, после достижения стадии развития катодных лучей при высоком разрежении газа мы будем продолжать откачи­вать газ, достигая все больших и больших степеней разрежения, то проводимость трубки (рис. 147) становится все меньше и меньше. Для получения ощутимого тока через трубку приходится значительно повышать напряжение, приложенное к ее электродам. Все это свя­зано с уменьшением числа донов в объеме трубки и, следовательно, с уменьшением количества положительных ионов, могущих бомбар­дировкой о катод освобождать электроны с его поверхности. В пре­деле, при наивысших степенях разрежения, трубка совсем перестает проводить ток. Прекращается и излучение катодных лучей с поверх­ности отрицательного электрода. Мы приближаемся к абсолютной пустоте внутри трубки. Нет никакого сомнения в том, что абсолют­ная пустота сама по себе не способна проводить электрический ток (постоянного направления). В этом случае возможно только существование переменных токов электрического смещения, которых мы в настоящей главе совершенно не касаемся. Опыт показывает, что при наивысших достижимых в настоящее время степенях разрежения пространство не проводит тока при градиентах потенциала, которые были доводимы до 10 миллионов вольт на сантиметр.

Итак, абсолютная пустота сама по себе не проводит электриче­ского тока. Для сообщения пространству свойства проводимости необходимо наличие каких-либо носителей электрических зарядов (тяжелых ионов, электронов). Таковыми носителями электричества могут явиться электроны, которые способны выделяться из нака­ленного отрицательного электрода (см. § 78, п. 8). Достигнуть

этого практически возможно, подогревая катод какими либо особыми средствами. Таким образом, получается возможность пропускать ток через наиболее совершенную пустоту, черпая необходимые для этого электроны из нагретого до достаточно высокой температуры катода. Обычно для этой цели придают катоду форму прямой или свернутой спиралью проволоки, которую накаливают джоулевым теплом, пропуская через нее ток от некоторого вспомогательного источника (батареи или трансформатора). Иногда, вместо проволоки,

применяют металлическую ленту.

Прохождение тока через пустоту при наличии накаленного катода было впервые наблюдено Эдисоном (в 1883 году). На рис. 148 представлена схема оригинального опыта Эдисона.

Он ввел в лампу накаливания платиновую пластинку, расположенную между ветвями угольной петлеобразной нити лампы, выведя при этом наружу особый провод от пластинки. Если во время накаливания нити лампы присоединить платиновую пластинку к положительному полюсу нити через некоторый гальванометр, то через него протекает ток, сила которого достигает нескольких миллиамперов и даже десятков миллиамперов при перекале лампы сверх нормы. Если же присоединить

платиновую пластинку через гальванометр к отрицательному полюсу нити, то Эдисон мог наблюдать лишь сравнительно ничтожный ток в этой цепи. Мы теперь знаем, что в данном случае получался ничтожно слабый ток, благодаря наличию в баллоне лампы некото­рого количества газовых ионов в связи с недостаточно совершенной откачкой. Если степень разрежения очень велика, то и этот ничтожно слабый ток вполне исчезает. Остается только весьма заметный ток через гальванометр в первом случае, т. е. при присоединении платино­вой пластинки к положительному полюсу накаленной нити. Описан­ное явление носит название эффекта Эдисона. Ясно, конечно, что он полностью объясняется выделением электронов из поверхности накаленной нити. Эффект Эдисона был тщательно изучен сначала Присом и Флемингом, а затем Дж. Дж. Томсоном и другими, так что в настоящее время хо­рошо известны все характерные особенности открытого Эдисоном явления, которое мы должны рассматривать, как основу всей современной радио­вакуумной техники.

Имея в некоторой пустотной камере накален­ный катод и холодный анод, мы можем пропу­скать через этот прибор токи различной силы в зависимости от величины разности потенциа­лов, приложенной к электродам. При очень малой разности потенциалов сила тока будет соответ­ственно этому невелика. По мере повышения разности потенциалов мы будем получать все большую и большую силу тока, которая, однако, в дальнейшем достигает некоторого предела, хотя бы мы и продолжали сколь угодно увеличи­вать разность потенциалов. Предел этот, назы­ваемый током насыщения, зависит только от температуры накаленного катода, размеров его поверхности и природы вещества, из которого изготовлен катод, в особенности, из которого состоит поверхностный слой катода.

Выход электронов из накаленного катода обусловливается тем обстоятельством, что во всяком проводнике, кроме электронов, более или менее прочно связанных с его молекулами, имеется зна­чительное количество свободных электронов, которые в общем случае беспорядочно двигаются между молекулами вещества про­водника, обладая самыми различными тепловыми скоростями. От этих электронов зависят все электрические и тепловые свойства проводника. Согласно этому представлению, температура проводника определяет собою среднюю скорость свободных электронов. Чем температура выше, тем больше средняя скорость свободных элек­тронов. Для выхода из проводника электрону необходимо преодо­леть некоторое противодействие поверхностного слоя, причем на это должно быть затрачено определенное количество энергии. Обо­значим работу прорыва электроном поверхностного слоя через А_e.

Теоретические и опытные исследования показывают, что имеет место следующее соотношение:

A_e=eU_e,

где е есть заряд электрона, a U_e— так называемый потенциал прорыва через поверхностный слой. Величина U_e измеряется тою разностью потенциалов, которая, противодействуя движению элек­тронов, требовала бы для своего преодоления такой же работы, как и данный поверхностный слой.

В нижеследующей таблице приведены приближенные значения потенциала прорыва (в вольтах) для различных проводников при нормальной температуре 0° С:

Вообще говоря, потенциал прорыва U_e есть некоторая функция температуры. Разность между двумя любыми из приведенных зна­чений U_e дает величину контактной разности потенциалов между соответствующими проводниками.

Электроны, прорвавшиеся сквозь поверхностный слой провод­ника, обладают самыми различными скоростями. Распределение скоростей может быть подсчитано при помощи закона Максвелла для каждой заданной температуры. От величины этих скоростей будет зависеть количество электронов, способных, выделившись с поверхности проводника, двигаться навстречу электрическому полю, противодействующему их движению. Пользуясь законом Макс­велла, можно для каждого частного случая рассчитать количество электронов, способных преодолевать противодействующее поле. Ниже, в виде примера, это количество дано в процентах от общего числа электронов, выделившихся с катода при обсолютной темпе­ратуре его в 2400° (см. таблицу).

Рассматривая свободные электроны в проводниках как совер­шенный газ и прилагая к нему законы кинетической теории газов, Ричардсон нашел следующую зависимость — закон Ричардсона — между электронной эмиссией с единицы поверхности и температурой проводника:

где J_s есть плотность тока эмис­сии, т. е. тока насыщения, Т— абсолютная температура ка­тод?, А и b — постоянные, зави­сящие от вещества катода.

По­стоянная А связана с числом свободных электронов в мате­риале, составляющем поверх­ность катода. Постоянная b зависит от той работы, которую электрон должен совершить при проходе через поверхность катода, т. е. от величины U_е. В ниже­следующей таблице приведены примеры значений А и b, в предположении, что J_s выражается в амперах на кв. сантиметр:

Для иллюстрации общего характера зависимости плотности тока эмиссии от температуры накала на рис. 149 дана соответ­ствующая кривая для вольфрамового катода.

Обычно на анод попадают не все электроны, выделившиеся из накаленного катода, а лишь часть их, т. е. ток в пустотном приборе обычно не равняется току насыщения, а меньше его. Благодаря этому в общем случае необходимо считаться со скопле­нием электронов в районе, непосредственно прилегающем к катоду, у которого образуется так называемый отрицательный объемный заряд. Появление объемного заряда в пустотiном приборе произво­дит более или менее значительное деформирование электрического

поля между электродами, в особенности вблизи накаленного катода. Если потенциал последнего принять за нуль, то вблизи него может иногда иметь место падение потенциала ниже нуля, т. е. вследствие наличия объемного отрицательного заряда у поверхности катода может возникнуть электрическая сила, противодействующая вылету электронов из катода. В этом случае эквивалентное сопротивление между катодом и анодом сильно возрастает. Степень влияния указанного фактора на прохождение тока через пустотный прибор определяется геометрически­ми размерами прибора в це­лом и величиной электрон­ной эмиссии.

Дата добавления: 2014-11-29