Corriente eléctrica en el vacío
En un sentido técnico, el espacio se llama vacío, la cantidad de materia en la que, en comparación con un medio gaseoso ordinario, es insignificante. La presión de vacío es al menos dos órdenes de magnitud inferior a la presión atmosférica; en tales condiciones, prácticamente no hay transportistas de carga gratuita en él.
pero como sabemos descarga eléctrica Se denomina movimiento ordenado de partículas cargadas bajo la acción de un campo eléctrico, mientras que en el vacío, por definición, no existe tal número de partículas cargadas que sea suficiente para formar una corriente estable. Esto significa que para crear una corriente en el vacío, es necesario agregarle partículas cargadas de alguna manera.
En 1879, Thomas Edison descubrió el fenómeno de la radiación termoiónica, que hoy en día es una de las formas comprobadas de obtener electrones libres en el vacío al calentar un cátodo de metal (electrodo negativo) a tal estado que los electrones comienzan a salir volando de él. Este fenómeno se utiliza en muchos dispositivos electrónicos de vacío, en particular en los tubos de vacío.
Coloquemos dos electrodos de metal en el vacío y conéctelos a una fuente de voltaje de CC, luego comencemos a calentar el electrodo negativo (cátodo). En este caso, la energía cinética de los electrones dentro del cátodo aumentará. Si la energía de los electrones obtenida adicionalmente de esta manera resulta ser suficiente para superar la barrera de potencial (para realizar la función de trabajo del metal del cátodo), dichos electrones podrán escapar al espacio entre los electrodos.
Como hay entre los electrodos campo eléctrico (creado por la fuente anterior), los electrones que ingresan a este campo deberían comenzar a acelerarse en la dirección del ánodo (electrodo positivo), es decir, teóricamente, se producirá una corriente eléctrica en el vacío.
Pero esto no siempre es posible, y solo si el haz de electrones puede superar el pozo de potencial en la superficie del cátodo, cuya presencia se debe a la aparición de una carga espacial cerca del cátodo (nube de electrones).
Para algunos electrones, el voltaje entre los electrodos será demasiado bajo en comparación con su energía cinética promedio, esto no será suficiente para salir del pozo y regresarán, y para algunos será lo suficientemente alto como para calmar a los electrones. y comienzan a ser acelerados por el campo eléctrico. Por lo tanto, cuanto mayor sea el voltaje aplicado a los electrodos, más electrones dejarán el cátodo y se convertirán en portadores de corriente en el vacío.
Entonces, cuanto mayor sea el voltaje entre los electrodos ubicados en el vacío, menor será la profundidad del pozo de potencial cerca del cátodo.Como resultado, resulta que la densidad de corriente en el vacío durante la radiación termoiónica está relacionada con el voltaje del ánodo por una relación llamada ley de Langmuir (en honor al físico estadounidense Irving Langmuir) o ley del tercero:
A diferencia de la ley de Ohm, aquí la relación no es lineal. Además, a medida que aumenta la diferencia de potencial entre los electrodos, la densidad de corriente de vacío aumentará hasta que se produzca la saturación, una condición en la que todos los electrones de la nube de electrones en el cátodo alcanzan el ánodo. Aumentar aún más la diferencia de potencial entre los electrodos no dará como resultado un aumento en la corriente. R
Diferentes materiales de cátodo tienen diferente emisividad, caracterizada por la corriente de saturación.La densidad de corriente de saturación se puede determinar mediante la fórmula de Richardson-Deshman, que relaciona la densidad de corriente con los parámetros del material del cátodo:
Aquí:
Esta fórmula fue derivada por científicos basados en estadísticas cuánticas.