กระแสไฟฟ้าในสุญญากาศ

ในแง่ทางเทคนิค อวกาศเรียกว่าสุญญากาศ ปริมาณของสสารที่มีอยู่นั้นไม่มีนัยสำคัญเมื่อเทียบกับตัวกลางที่เป็นก๊าซทั่วไป ความดันสุญญากาศมีค่าต่ำกว่าความดันบรรยากาศอย่างน้อยสองลำดับ ภายใต้เงื่อนไขดังกล่าวไม่มีผู้ให้บริการที่เสียค่าใช้จ่ายในนั้น

แต่อย่างที่เรารู้ ไฟฟ้าช็อต เรียกว่าการเคลื่อนที่ตามคำสั่งของอนุภาคที่มีประจุภายใต้การกระทำของสนามไฟฟ้า ในขณะที่อยู่ในสุญญากาศ ตามคำนิยามแล้ว ไม่มีจำนวนของอนุภาคที่มีประจุดังกล่าวเพียงพอที่จะสร้างกระแสไฟฟ้าที่เสถียร ซึ่งหมายความว่าเพื่อสร้างกระแสในสุญญากาศ จำเป็นต้องเพิ่มอนุภาคที่มีประจุเข้าไปในนั้น

ในปี พ.ศ. 2422 โทมัส เอดิสันได้ค้นพบปรากฏการณ์การแผ่รังสีความร้อน ซึ่งปัจจุบันเป็นหนึ่งในวิธีที่ได้รับการพิสูจน์แล้วในการรับอิเล็กตรอนอิสระในสุญญากาศโดยการให้ความร้อนแก่แคโทดโลหะ (ขั้วลบ) จนถึงสถานะที่อิเล็กตรอนเริ่มบินออกจากมัน ปรากฏการณ์นี้ใช้ในอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์สุญญากาศจำนวนมาก โดยเฉพาะในหลอดสุญญากาศ

วางอิเล็กโทรดโลหะสองอันในสุญญากาศแล้วต่อเข้ากับแหล่งจ่ายแรงดันไฟ DC จากนั้นเริ่มให้ความร้อนกับอิเล็กโทรดลบ (แคโทด) ในกรณีนี้ พลังงานจลน์ของอิเล็กตรอนภายในแคโทดจะเพิ่มขึ้น หากพลังงานอิเล็กตรอนที่ได้รับด้วยวิธีนี้เพียงพอที่จะเอาชนะสิ่งกีดขวางที่อาจเกิดขึ้น (เพื่อทำหน้าที่การทำงานของโลหะแคโทด) จากนั้นอิเล็กตรอนดังกล่าวจะสามารถหลบหนีเข้าไปในช่องว่างระหว่างขั้วไฟฟ้าได้

เนื่องจากมีขั้วไฟฟ้าอยู่ระหว่าง สนามไฟฟ้า (สร้างโดยแหล่งที่มาข้างต้น) อิเล็กตรอนที่เข้าสู่สนามนี้ควรเริ่มเร่งความเร็วในทิศทางของขั้วบวก (ขั้วบวก) นั่นคือตามทฤษฎีแล้วกระแสไฟฟ้าจะเกิดขึ้นในสุญญากาศ

แต่นี่เป็นไปไม่ได้เสมอไปและก็ต่อเมื่อลำแสงอิเล็กตรอนสามารถเอาชนะหลุมที่อาจเกิดขึ้นบนพื้นผิวของแคโทดได้ซึ่งการมีอยู่นั้นเกิดจากการปรากฏตัวของประจุอวกาศใกล้กับแคโทด (เมฆอิเล็กตรอน)

สำหรับอิเล็กตรอนบางตัว แรงดันไฟฟ้าระหว่างอิเล็กโทรดจะต่ำเกินไปเมื่อเทียบกับพลังงานจลน์เฉลี่ย ซึ่งจะไม่เพียงพอที่จะออกจากหลุมและพวกมันจะย้อนกลับ และสำหรับบางตัวก็จะสูงพอที่จะทำให้อิเล็กตรอนสงบลงตั้งแต่ - เป็นต้นไป และเริ่มถูกเร่งโดยสนามไฟฟ้า ดังนั้น ยิ่งแรงดันไฟฟ้าที่ใช้กับอิเล็กโทรดสูงเท่าไร อิเล็กตรอนก็จะออกจากแคโทดมากขึ้นเท่านั้น และกลายเป็นพาหะนำกระแสในสุญญากาศ

ดังนั้น ยิ่งแรงดันไฟฟ้าระหว่างอิเล็กโทรดที่อยู่ในสุญญากาศสูงเท่าใด ความลึกของหลุมศักย์ใกล้แคโทดก็จะยิ่งน้อยลงเท่านั้นเป็นผลให้ปรากฎว่าความหนาแน่นกระแสในสุญญากาศระหว่างการแผ่รังสีความร้อนนั้นสัมพันธ์กับแรงดันแอโนดโดยความสัมพันธ์ที่เรียกว่ากฎของแลงเมียร์ (เพื่อเป็นเกียรติแก่นักฟิสิกส์ชาวอเมริกันเออร์วิงแลงเมียร์) หรือกฎข้อที่สาม:

ซึ่งแตกต่างจากกฎของโอห์มตรงที่ความสัมพันธ์นี้ไม่เป็นเชิงเส้น นอกจากนี้ เมื่อความต่างศักย์ระหว่างอิเล็กโทรดเพิ่มขึ้น ความหนาแน่นกระแสสุญญากาศจะเพิ่มขึ้นจนกระทั่งเกิดความอิ่มตัว ซึ่งเป็นสภาวะที่อิเล็กตรอนทั้งหมดจากเมฆอิเล็กตรอนที่แคโทดไปถึงแอโนด การเพิ่มความต่างศักย์ระหว่างอิเล็กโทรดจะไม่ส่งผลให้กระแสไฟฟ้าเพิ่มขึ้น ร

วัสดุแคโทดต่างๆ มีค่าการแผ่รังสีที่แตกต่างกัน โดยมีลักษณะเฉพาะคือกระแสอิ่มตัว ความหนาแน่นกระแสอิ่มตัวสามารถกำหนดได้โดยสูตรของ Richardson-Deshman ซึ่งเกี่ยวข้องกับความหนาแน่นกระแสกับพารามิเตอร์ของวัสดุแคโทด:

ที่นี่:

สูตรนี้ได้มาจากนักวิทยาศาสตร์ตามสถิติควอนตัม