Električni tok v vakuumu

V tehničnem smislu prostor imenujemo vakuum, količina snovi v katerem je v primerjavi z navadnim plinastim medijem nepomembna. Vakuumski tlak je vsaj dva reda velikosti nižji od atmosferskega tlaka; v takih pogojih v njem praktično ni prostih nosilcev naboja.

Ampak kot vemo električni šok imenujemo urejeno gibanje nabitih delcev pod delovanjem električnega polja, medtem ko v vakuumu po definiciji ni takšnega števila nabitih delcev, ki bi zadostovalo za tvorbo stabilnega toka. To pomeni, da je za ustvarjanje toka v vakuumu potrebno nekako dodati nabite delce.

Leta 1879 je Thomas Edison odkril pojav termionskega sevanja, ki je danes eden od dokazanih načinov pridobivanja prostih elektronov v vakuumu s segrevanjem kovinske katode (negativne elektrode) do takšnega stanja, da elektroni začnejo leteti iz nje. Ta pojav se uporablja v številnih vakuumskih elektronskih napravah, zlasti v vakuumskih elektronkah.

Dve kovinski elektrodi postavimo v vakuum in ju priključimo na vir enosmerne napetosti, nato pa začnemo segrevati negativno elektrodo (katodo). V tem primeru se bo kinetična energija elektronov znotraj katode povečala. Če se tako dodatno pridobljena energija elektronov izkaže za zadostno za premagovanje potencialne ovire (za opravljanje delovne funkcije katodne kovine), potem bodo ti elektroni lahko ušli v prostor med elektrodama.

Ker je med elektrodama električno polje (ustvarjen z zgornjim virom), bi morali elektroni, ki vstopajo v to polje, začeti pospeševati v smeri anode (pozitivne elektrode), kar pomeni, da se bo teoretično v vakuumu pojavil električni tok.

Vendar to ni vedno mogoče in le, če je elektronski žarek sposoben premagati potencialno jamo na površini katode, katere prisotnost je posledica pojava prostorskega naboja v bližini katode (elektronski oblak).

Za nekatere elektrone bo napetost med elektrodama prenizka v primerjavi z njihovo povprečno kinetično energijo, to ne bo dovolj za izhod iz jame in se bodo vrnili nazaj, za nekatere pa bo dovolj visoka, da umiri elektrone - naprej in jih začne pospeševati električno polje. Tako višja kot je napetost na elektrodah, več elektronov bo zapustilo katodo in postali nosilci toka v vakuumu.

Torej, višja kot je napetost med elektrodama, ki se nahajata v vakuumu, manjša je globina potencialne jame v bližini katode.Kot rezultat se izkaže, da je gostota toka v vakuumu med termionskim sevanjem povezana z anodno napetostjo z razmerjem, imenovanim Langmuirjev zakon (v čast ameriškega fizika Irvinga Langmuirja) ali tretji zakon:

Za razliko od Ohmovega zakona je tukaj razmerje nelinearno. Ko se potencialna razlika med elektrodama poveča, bo gostota vakuumskega toka naraščala, dokler ne pride do nasičenja, stanja, ko vsi elektroni iz elektronskega oblaka na katodi dosežejo anodo. Nadaljnje povečanje potencialne razlike med elektrodama ne bo povzročilo povečanja toka. R

Različni katodni materiali imajo različno emisivnost, ki jo označuje nasičeni tok.Gostoto nasičenega toka lahko določimo z Richardson-Deshmanovo formulo, ki povezuje gostoto toka s parametri katodnega materiala:

Tukaj:

To formulo so znanstveniki izpeljali na podlagi kvantne statistike.