Elektrivool vaakumis
Tehnilises mõttes nimetatakse ruumi vaakumiks, mille aine hulk on tavalise gaasilise keskkonnaga võrreldes tühine. Vaakumrõhk on vähemalt kaks suurusjärku madalam atmosfäärirõhust; sellistel tingimustel vabu laengukandjaid selles praktiliselt ei ole.
Aga nagu me teame elektri-šokk nimetatakse laetud osakeste järjestatud liikumiseks elektrivälja toimel, samas kui vaakumis pole definitsiooni järgi sellist laetud osakeste arvu, mis oleks piisav stabiilse voolu moodustamiseks. See tähendab, et vaakumis voolu tekitamiseks on vaja sinna kuidagi lisada laetud osakesi.
1879. aastal avastas Thomas Edison termokiirguse fenomeni, mis tänapäeval on üks tõestatud viise vabade elektronide saamiseks vaakumis, kuumutades metallkatoodi (negatiivne elektrood) sellisesse olekusse, et elektronid hakkavad sealt välja lendama. Seda nähtust kasutatakse paljudes vaakumelektroonilistes seadmetes, eriti vaakumtorudes.
Asetame kaks metallelektroodi vaakumisse ja ühendame need alalispingeallikaga, seejärel alustame negatiivse elektroodi (katoodi) kuumutamist. Sel juhul suureneb katoodi sees olevate elektronide kineetiline energia. Kui sel viisil täiendavalt saadud elektronide energia osutub potentsiaalbarjääri ületamiseks (katoodmetalli tööfunktsiooni täitmiseks) piisavaks, siis on sellistel elektronidel võimalik elektroodide vahelisse ruumi põgeneda.
Kuna elektroodide vahel on elektriväli (loodud ülaltoodud allikast), peaksid sellesse välja sisenevad elektronid hakkama kiirendama anoodi (positiivse elektroodi) suunas, see tähendab, et teoreetiliselt tekib vaakumis elektrivool.
Kuid see pole alati võimalik ja ainult siis, kui elektronkiir suudab ületada katoodi pinnal oleva potentsiaalse süvendi, mille olemasolu on tingitud ruumilaengu ilmumisest katoodi lähedale (elektronipilv).
Mõne elektroni puhul on elektroodide vaheline pinge nende keskmise kineetilise energiaga võrreldes liiga madal, sellest ei piisa kaevust väljumiseks ja nad lähevad tagasi ning mõne jaoks on see piisavalt kõrge, et elektronid maha rahustada. ja hakkavad elektrivälja poolt kiirendama. Seega, mida kõrgem on elektroodidele rakendatav pinge, seda rohkem elektrone lahkub katoodilt ja muutuvad vaakumis voolukandjateks.
Niisiis, mida kõrgem on pinge vaakumis asuvate elektroodide vahel, seda väiksem on katoodi lähedal oleva potentsiaalikaevu sügavus.Selle tulemusena selgub, et voolutihedus vaakumis termokiirguse ajal on seotud anoodi pingega seosega, mida nimetatakse Langmuiri seaduseks (Ameerika füüsiku Irving Langmuiri auks) või kolmanda seaduseks:
Erinevalt Ohmi seadusest on siin seos mittelineaarne. Samuti, kui elektroodide potentsiaalide erinevus suureneb, suureneb vaakumvoolu tihedus kuni küllastumiseni, mis on tingimus, kus kõik elektronid elektronipilvest katoodil jõuavad anoodile. Elektroodide potentsiaali erinevuse edasine suurendamine ei too kaasa voolu suurenemist. R
Erinevatel katoodmaterjalidel on erinev emissiivsus, mida iseloomustab küllastusvool Küllastusvoolu tiheduse saab määrata Richardson-Deshmani valemiga, mis seob voolutiheduse katoodi materjali parameetritega:
Siin:
Selle valemi tuletasid teadlased kvantstatistika põhjal.