Содержание
Проектируем электрику вместе: Электрический ток в вакууме
Что такое вакуум?.. Носители электрических зарядов в вакууме.. Поверхностный потенциальный барьер.. Работа выхода.. Термоэлектронная эмиссия.. Вакуумный диод.. О скорости движения электронов в вакууме.. Применение термоэлектронной эмиссии..
Но что такое вакуум?
Ва́куум (от лат. vacuus — пустой) — пространство, свободное от вещества.
Когда речь идет о вакууме, то многие почему-то считают, что это совсем пустое пространство. На самом же деле это не так, идет ли речь о замкнутой емкости, из которой откачан газ, или о межзвездном пространстве.
В технике и прикладной физике вакуум характеризуется соотношением между длиной свободного пробега молекул газа и линейным размером вакуумной камеры. Если молекула пробегает от стенки к стенке камеры, не встречаясь с другими молекулами, то считают, что в сосуде создан вакуум, хотя в нем еще может быть очень много молекул. При глубоком вакууме молекула может много раз пролететь от стенки к стенке, прежде чем встретится с другой молекулой.
Откачать все молекулы из сосуда практически невозможно. Сверхвысоким вакуум считается при достижении давления ниже 10– 9 мм рт.ст.
Для сравнения, давление в космосе на несколько порядков ниже, а в дальнем космосе и вовсе может достигать 10– 16 мм рт.ст. Космический вакуум является наилучшим приближением к физическому вакууму, но и он не является совершенным, даже в межзвёздном пространстве есть как минимум несколько атомов водорода на кубический сантиметр. Кроме того, космическое пространство заполнено так называемым реликтовым излучением (состоящим из фотонов), а также большим количеством реликтовых нейтрино.
Носители электрических зарядов в вакууме
Для существования электрического тока необходимо наличие свободных носителей заряда.
В вакууме, как мы знаем, вещества очень мало.
Откуда же там возьмутся носители зарядов? Количества ионизированных молекул в вакууме совершенно недостаточно для существования электрического тока.
Тем не менее, электрический ток в вакууме может существовать, если использовать источник заряженных частиц. Каких частиц?
Ионы не могут претендовать на эту роль, ибо это был бы уже не вакуум, а ионизированный газ. А вот электроны могли бы обеспечить протекание тока через вакуум. Как же получить в вакууме достаточное количество свободных электронов?
Поверхностный потенциальный барьер
Большое количество свободных электронов находится в металлах, поэтому они являются идеальными источниками электронов в вакууме.
При обычных температурах свободные электроны практически не покидают металл, поскольку в поверхностном слое металла образуется электрическое поле, препятствующее выходу электронов из металла в окружающий вакуум.
Действительно, когда отдельные электроны покидают металл (на расстояния порядка атомных), в его поверхностном слое возникает избыточный положительный заряд за счет образования положительных ионов.
Покинувшие металл электроны под действием сил притяжения положительного заряда возвращаются обратно, в результате чего над поверхностью металла образуется «электронное облако» из выходящих и возвращающихся электронов, находящихся в динамическом равновесии.
Это «облако» вместе с наружным слоем положительных ионов металла образует двойной электрический слой, электрическое поле которого подобно полю плоского конденсатора. Толщина этого слоя равна нескольким межатомным расстояниям (10– 10 — 10– 9 м). Он не создает электрического поля во внешнем пространстве, но образует поверхностный потенциальный барьер, препятствующий выходу электронов из металла.
Работа выхода
Таким образом, для того чтобы электрон мог покинуть металл, он должен преодолеть задерживающее его электрическое поле двойного слоя, т. е. обладать энергией, достаточной для преодоления потенциального барьера.
Эта дополнительная энергия электронов для преодоления потенциального барьера металла называется работой выхода.
Для разных металлов она различна и зависит от химических свойств, от чистоты их поверхности и колеблется в пределах нескольких электрон-вольт.
Так, для вольфрама работа выхода равна 7,2*10– 19 Дж или 4,5 эВ (1 эВ = 1,6*10– 19 Дж).
Термоэлектронная эмиссия
Если сообщить свободным электронам дополнительную энергию, необходимую для совершения работы выхода, например, через нагревание металла, то часть электронов может покинуть металл, т. е. наблюдается явление испускания электронов нагретым телом.
Явление испускания электронов нагретыми телами (эмиттерами) в вакуум или другую среду называется термоэлектронной эмиссией.
Для наглядности термоэлектронную эмиссию можно представить как испарение электронов из эмиттера (по аналогии с испарением воды при ее нагревании).
Термоэлектронная эмиссия становится возможной, когда металл нагревается до высокой температуры. Другими словами, когда большое количество внешней энергии в виде тепла передается свободным электронам в металлах.
Вакуумный диод
Явление термоэлектронной эмиссии можно наблюдать в вакуумной лампе с двумя электродами – анодом, на который подается положительный потенциал и катодом, который соединен с отрицательным потенциалом. Такая лампа называется вакуумным диодом (рис. 1).
Если катод холодный, то ток в цепи катод – анод практически отсутствует.
При повышении температуры катода электроны начинают преодолевать потенциальный барьер у поверхности катода и привлекаются положительным анодом – через вакуум протекает электрический ток, который тем больше, чем выше температура катода: Iн3 > Iн2 > Iн1 при Т3 > Т2 > Т1.
При одной и той же температуре катода ток в цепи катод – анод возрастает с повышением напряжения на аноде (Uа) и выходит к некоторому стационарному значению, называемому током насыщения (Iн).
При этом почти все свободные электроны, испускаемые катодом, достигают анода. Ток насыщения характеризует эмиссионную способность материала катода.
При Uа =0 анодный ток не равен нулю, т. е. некоторые электроны, эмиттируемые нагретым катодом, обладают энергией, достаточной для преодоления работы выхода и достижения анода без приложения электрического поля между анодом и катодом.
О скорости движения электронов в вакууме
Из-за отсутствия торможения носителей заряда (большой свободный пробег без столкновений), скорость заряженных частиц в вакууме резко возрастает. Так, под действием ускоряющего поля анода электроны в вакуумном диоде достигают скоростей до 6000 км/сек.
С учетом малого расстояния между катодом и анодом (до 1,0 см) время пролета электрона от катода до анода составляет примерно 3*10– 9 сек (сравнимо с периодом метровых радиоволн).
Для сравнения, движение свободных электронов в проводнике происходит довольно медленно, от долей миллиметра до нескольких миллиметров в секунду, поскольку электроны испытывают сопротивление своему движению в электрическом поле, сталкиваясь с атомами вещества.
Применение термоэлектронной эмиссии
Сегодня большинство из нас рассматривает электронно-лучевой кинескоп, вакуумный диод, триод, как электротехнические предметы антиквариата. Тем не менее, основной принцип их работы (электроны испускаются из нагретого катода) до сих пор находит применение в линейных ускорителях, усилителях, в различных электровакуумных приборах (триодах, тетродах, клистронах, магнетронах, лампах бегущей волны и др.).
Похожие статьи: 1. Взаимодействие электрических зарядов. Закон Кулона
2. Направление электрического тока
3.
Постоянный и переменный ток
4. Проводники и изоляторы. Полупроводники
5. О скорости распространения электрического тока
6. Электрический ток в жидкостях
7. Что такое электрический ток?
8. Проводимость в газах
9. О проводимости полупроводников
Электрический ток в вакууме
Электрический ток в вакууме
Вакуум — пространство, свободное от вещества. В наиболее общем смысле, вакуум — это пустота. В физике и технике под вакуумом подразумевается газообразная среда при давлении в сотни раз ниже атмосферного.
Электрический ток в физике — это направленное движение носителей заряда. Вакуум — диэлектрик, и ток не может возникнуть в нем сам по себе.
Условие протекания электрического тока в вакууме — наличие в нем достаточного количества свободных заряженных частиц. Например, электронов.
Термоэлектронная эмиссия
Как свободные электроны могут появиться в вакууме? Благодаря явлению термоэлектронной эмиссии, открытому Томасом Эдисоном в 1879 году.
Определение. Термоэлектронная эмиссия
Термоэлектронная эмиссия — испускание электронов из металла при его нагревании.
Металлы являются наилучшими проводниками, так как имеют свободные электроны, которые иногда еще называют электронным газом. При нагревании металла энергия электронов (измеряется в электронвольтах) увеличивается и они могут «вырваться» из металла. Для того, чтобы вылететь из металла, электрон должен обладать энергией, превышающей работу выхода электронов для этого металла.
Aвых=E0-μ
Здесь Aвых — работа выхода, которую нужно преодолеть электрону, E0 — его энергия, μ — энергия Ферми.
Термоэлектронный ток
Испущенные металлом свободные электроны образуют у поверхности металла электронное облако.
Если создать в данной области электрическое поле, электроны начинают двигаться под действием сил поля. Иными совами, возникает электрический ток, называемый термоэлектронным.
Определение. Термоэлектронный ток
Термоэлектронный ток — ток, возникающий при испускании (эмиссии) электронов накаленными телами в вакуумных приборах.
Так, если в вакууме поместить две металлические пластины и создать между ними разность потенциалов и условия для термоэлектронной эмиссии, возникнет термоэлектронный ток.
Электрический ток в вакууме широко используется в вакуумных приборах. Самый простой пример — электронная лампа, или вакуумный диод.
Вакуумный диод представляет собой баллон с откачанным воздухом, содержащий электроды: катод и анод. Электроны выбиваются из катода и летят к аноду.
Для вакуумного диода не выполняется закон Ома. При небольших значениях напряжения на аноде имеет место формула зависимости силы электрического тока от напряжения:
I=BU32
где B — коэффициент пропорциональности, который зависит от формы, расположения и размеров электродов.
При увеличении разности потенциалов между электродами сила тока будет расти. Однако, для термоэлектронного тока существует понятие тока насыщения. Это ток такой силы, при котором все электроны из электронного облака достигают другой анода. При достижении силы тока насыщения и дальнейшем росте разности потенциалов, сила тока насыщения не меняется.
Эмиссионную способность материала катода характеризует плотность тока насыщения, которая определяется по формуле Ричардсона-Дешмана:
j=1-hRiA·T2·e-qφkT.
Здесь h — постоянная Планка, hRi — усредненное значение коэффициента отражения электронов от потенциального порога, A — термоэлектрическая постоянная, равная 120,4 AК2·см2, T — температура, q — заряд электрона, qφ — работа выхода, k — постоянная Больцмана.
Автор:
Роман Адамчук
Преподаватель физики
электричества — Почему ток не проходит через вакуум?
Задавать вопрос
спросил
Изменено
3 года, 4 месяца назад
Просмотрено
2к раз
$\begingroup$
Пустой космический вакуум не должен оказывать никакого сопротивления движущемуся электрону, поэтому большое количество электронов также должно проходить через вакуум без сопротивления.
Суть в том, что пустой вакуум должен быть отличным проводником электричества, поскольку он не оказывает сопротивления.
На самом деле это именно то, что делает лазер на свободных электронах:
Вот статья в Википедии на эту тему.
Теперь я понимаю, что это дорогое снаряжение, но, вероятно, кто-то мог бы придумать более дешевую версию, которая могла бы предлагать заряды, прокачиваемые за счет разницы потенциалов.
Здесь есть еще один пост, ответы на который, честно говоря, кажутся не очень полезными и утверждают, что пустое пространство не является хорошим проводником — это просто неверно, так как лазер на свободных электронах — реальная вещь который существует и делает именно то, что, по их словам, он не мог, а именно накачивает высокое напряжение.
Я нашел похожий пост SE здесь.
Кто-нибудь знает, есть ли дешевая потребительская версия, которая качает заряд через вакуум?
- электричество
- электрический ток
- электрическое сопротивление
- вакуум
$\endgroup$
10
$\begingroup$
Как вы заметили, ускорители частиц являются примерами электрических токов, протекающих через вакуум.
Чтобы ответить, почему вакуум считается изолятором, вы должны рассмотреть, откуда берутся заряженные частицы. Рассмотрим пространство между пластинами конденсатора, подключенного к батарее. Несмотря на то, что между пластинами существует разность потенциалов, электроны не могут пересечь зазор, потому что они слишком сильно связаны с атомами в пластинах. Для отрыва электронов от атомов в пластинах требуется очень высокое напряжение. Как только это происходит (или электронам помогают входящие фотоны), электроны могут ускоряться в вакууме электрическим полем между пластинами.
Вакуум является изолятором из-за работы, которую необходимо выполнить, чтобы поместить в него движущиеся электрические заряды. В таком проводнике, как медная проволока, уже есть подвижные электроны, поэтому требуется совсем немного усилий, чтобы заставить их двигаться с током.
$\endgroup$
$\begingroup$
Ток вполне может течь через вакуум: просто это не ток проводимости, а конвекционный ток.
Цитирование этой страницы:
… любой поток заряженных объектов (например, ионов) может представлять собой электрический ток.
Например, ионы, движущиеся в ускорителе (обычно в вакууме или почти в вакууме), создают ток, который экспериментаторы измеряют в амперах (или их долях).
$\endgroup$
2
Зарегистрируйтесь или войдите в систему
Зарегистрируйтесь с помощью Google
Зарегистрироваться через Facebook
Зарегистрируйтесь, используя электронную почту и пароль
Опубликовать как гость
Электронная почта
Требуется, но никогда не отображается
Опубликовать как гость
Электронная почта
Требуется, но не отображается
Нажимая «Опубликовать свой ответ», вы соглашаетесь с нашими условиями обслуживания, политикой конфиденциальности и политикой использования файлов cookie
.
электромагнетизм. Какие поля создаются вокруг проводника с током?
спросил
Изменено
2 года, 9 месяцев назад
Просмотрено
78 тысяч раз
$\begingroup$
Если вы рассматриваете проводник с током, каждый момент, когда электрон входит в проводник, другой электрон покидает проводник. Таким образом, проводник с током не будет заряжен (т. е. он не будет иметь суммарного положительного или отрицательного заряда). Помните, что диполь имеет нулевой суммарный заряд, но вокруг него есть электрическое поле (хотя суммарное электрическое поле вокруг диполя падает до незначительного, когда расстояние увеличивается до кратного расстояния между диполями).
Таким образом, если суммарный заряд равен нулю, это не означает, что электрического поля нет, а только то, что оно мало (то есть в значительной степени компенсируется, потому что каждый электрон в проводнике спарен как диполь) и быстро уменьшается с расстоянием.
Важно отметить, что если предположить, что движутся только электроны, а ядра (положительные ядра) статичны, то магнитное поле будет создаваться только за счет электронов.
Скорость, с которой энергия или сигналы распространяются по проводнику, на самом деле является скоростью электромагнитной волны , а не движения электронов (это модифицированное утверждение, извлеченное из вики-энциклопедии- скорость электричества ).
Означает ли это, что вокруг проводника с током существует электрическое поле и магнитное поле?
или
Означает ли это, что вокруг проводника с током существует только магнитное поле?
ПРИМЕЧАНИЕ
В ходе обсуждения до сих пор (11.
02.2013) я обнаружил разницу в ответах относительно переменного и постоянного тока. Может ли каждый обновить свои ответы в отношении обоих случаев (AC и DC)?
ССЫЛКИ
- Релятивистский электромагнетизм — Вики дает вам представление о полях вокруг проводника с током в различных системах отсчета.
- У меня возник похожий вопрос Создает ли провод с током внешнее электрическое поле?
. Я обнаружил, что первый ответ предполагает, что вокруг проводника с током существует электрическое поле, а второй ответ предполагает, что вокруг проводника с током не существует электрического поля. - Я прошел по ссылке: propagationtime.pdf, она выражает наличие как электрического, так и магнитного полей вокруг проводника с током.
- Я рассмотрел этот вопрос [Путаница между электрическим полем и магнитным полем заряженной частицы]. (Есть ли у движущихся заряженных частиц как магнитное, так и электрическое поля?). поля вокруг проводника с током.
- электромагнетизм
- электричество
- электрические поля
- магнитные поля
$\endgroup$
4
$\begingroup$
Для магнитного поля токи являются одним из источников магнитного поля, но эта проблема больше связана с источником тока в проводе.
Для проводника с конечной проводимостью электрическое поле необходимо для возбуждения тока в проводе.
Если мы предполагаем, что ваш провод прямой, это обязательное поле является однородным. Один из способов реализовать это поле — взять две противоположно заряженные частицы и отправить их в бесконечность, увеличив при этом величину их заряда, чтобы поддерживать правильную величину электрического поля. В этом пределе вы получите однородное электрическое поле во всем пространстве.
Теперь поставьте проводник вдоль оси между источниками напряжения — потечет ток. В случае постоянного тока это приводит к возникновению магнитного поля вне провода. Что касается электрического поля, проводник — это материал с электронами, которые могут легко двигаться в ответ на электрические поля, и их тенденция заключается в том, чтобы экранировать электрическое поле для достижения баланса сил. Поскольку электроны не могут просто покинуть проводник, они могут экранировать поле только внутри проводника, а не снаружи проводника.
С помощью этой модели мы видим, что электрическое поле полностью создается источником, и размещение проводника в поле действительно просто создает ток. Обратите внимание, что если вы согните проволоку или поместите ее под углом к полю, сформируются поверхностные заряды, потому что теперь у вас есть нормальная к поверхности составляющая поля.
В пределе идеального проводника не требуется никакого электрического поля для управления током, поэтому вне провода его нет.
Для случая переменного тока решение для полей очень быстро становится дико сложным, поскольку теперь электрическое поле, управляющее потоками частиц, имеет как источник напряжения, так и источник магнитного поля, изменяющийся во времени, посредством магнитного векторного потенциала. Однако основная физика та же самая, поскольку источник устанавливает поля (в нулевом порядке), а добавление проводника на самом деле просто определяет путь движения токов частиц. В следующем порядке ток возвращается и создает электромагнитные поля в дополнение к источнику (источникам) и будет влиять на ток в других местах цепи.
Я думаю, краткий ответ на ваш вопрос заключается в том, что всегда есть поля вне провода с током, а внешнее электрическое поле исчезает только в пределе идеального проводника. Проводникам, как правило, не требуются очень сильные поля для управления токами, поэтому внешнее электрическое поле обычно незначительно, но не пренебрегайте им для очень больших потенциалов в небольших цепях.
$\endgroup$
2
$\begingroup$
Кажется малоизвестным, но статический ток внутри провода конечной проводимости действительно создает статическое электрическое поле снаружи. См. «Приложение 9.2» в новом тексте Зангвилла (это фантастика и заменит Джексона), или
http://www.ifi.unicamp.br/~assis/Found-Phys-V29-p729-753(1999).pdf
$\endgroup$
1
$\begingroup$
Да, существует электрическое поле вне провода с током, в направлении вдоль оси провода (т.
е. параллельно проводу). Это справедливо как для переменного, так и для постоянного тока. В азимутальном направлении также существует магнитное поле.
Для резистивного провода, ориентированного вдоль оси z, электрическое поле внутри провода определяется законом Ома $E_y=\eta j_y$, где $\eta$ — удельное сопротивление, а $j_y$ — плотность тока. Этот ток имеет тенденцию течь вблизи поверхности провода (это скин-эффект).
Чтобы не было разрыва электрического поля, параллельного проволоке, электрическое поле $E_y$ в вакууме на краю проволоки должно совпадать с полем в проволоке, определяемым законом Ома. Дальше от провода должно быть радиальное электрическое поле, необходимое для того, чтобы общее электрическое поле не закручивалось.
Тот факт, что это электрическое поле параллельно проводу, является причиной того, что электромагнитная энергия течет в провод радиально. Это несколько противоречит здравому смыслу, но его можно увидеть, заметив направление вектора Пойнтинга $\bf E \times \bf B$.
Это кратко упоминается в Лекциях Фейнмана по физике II, глава 27-5.
$\endgroup$
3
$\begingroup$
Это не прямой ответ на ваш вопрос, но я считаю, что он затрагивает суть вопроса.
Говоря об энергии и электродинамике в классическом смысле, часто можно интерпретировать энергию двумя разными способами. Первый способ — подумать о потенциальной энергии конфигурации заряда. Например, если у вас есть фиксированный положительный заряд, и вы приближаете второй положительный заряд, то вы толкаете его в гору против потенциальной энергии. Электрическое поле первого заряда обычно отталкивает второй. Работа, необходимая для сближения второго заряда, уходит в потенциальную энергию конфигурации.
Второй способ понимания энергии немного тоньше. Когда вы соединяете два заряда вместе, вы получаете очень большое электрическое поле между ними.
На самом деле вы можете рассматривать энергию как запасенную в электрическом поле.
Большое преимущество понимания энергии, хранящейся в электрическом поле, возникает, когда вы говорите о свете. Свет имеет энергию, но также является электромагнитным полем. Нет никаких конфигураций заряда для хранения энергии, поэтому энергия должна находиться в самом поле.
Электрическая энергия и сигналы действительно передаются со скоростью света в проводнике, как говорится в статье в Википедии. Сами электроны движутся гораздо медленнее. Это станет яснее, если учесть, что энергия хранится в электрическом поле (и магнитном поле), поэтому сигнал должен распространяться со скоростью распространяющегося электрического поля (также известной как скорость света).
Более прямой ответ на ваш вопрос: Да, вокруг проводника существуют как электрические, так и магнитные поля, пока по нему течет ток. Это гарантируется уравнениями Максвелла и тем фактом, что ток пропорционален электрическому полю в проводнике.
Добавить комментарий