Corrent elèctric al buit

En un sentit tècnic, l'espai s'anomena buit, la quantitat de matèria en la qual, en comparació amb un medi gasós normal, és insignificant. La pressió del buit és almenys dos ordres de magnitud inferior a la pressió atmosfèrica; en aquestes condicions, pràcticament no hi ha transportistes de càrrega gratuïta.

Però com sabem descàrrega elèctrica s'anomena moviment ordenat de partícules carregades sota l'acció d'un camp elèctric, mentre que en el buit, per definició, no hi ha tal nombre de partícules carregades que sigui suficient per formar un corrent estable. Això vol dir que per crear un corrent en el buit, cal afegir-hi d'alguna manera partícules carregades.

L'any 1879, Thomas Edison va descobrir el fenomen de la radiació termiònica, que avui és una de les maneres provades d'obtenir electrons lliures al buit escalfant un càtode metàl·lic (elèctrode negatiu) fins a un estat tal que els electrons comencen a sortir-ne. Aquest fenomen s'utilitza en molts dispositius electrònics de buit, en particular en tubs de buit.

Col·loquem dos elèctrodes metàl·lics al buit i connectem-los a una font de tensió de CC i, a continuació, comencem a escalfar l'elèctrode negatiu (càtode). En aquest cas, l'energia cinètica dels electrons dins del càtode augmentarà. Si l'energia electrònica obtinguda addicionalment d'aquesta manera resulta ser suficient per superar la barrera de potencial (per realitzar la funció de treball del metall càtode), aquests electrons podran escapar a l'espai entre els elèctrodes.

Com que hi ha entre els elèctrodes camp elèctric (creat per la font anterior), els electrons que entren en aquest camp haurien de començar a accelerar en la direcció de l'ànode (elèctrode positiu), és a dir, teòricament, es produirà un corrent elèctric en el buit.

Però això no sempre és possible, i només si el feix d'electrons és capaç de superar la fossa potencial a la superfície del càtode, la presència del qual es deu a l'aparició d'una càrrega espacial a prop del càtode (núvol d'electrons).

Per a alguns electrons, la tensió entre els elèctrodes serà massa baixa en comparació amb la seva energia cinètica mitjana, això no serà suficient per sortir del pou i tornaran enrere, i per a alguns serà prou alt com per calmar els electrons cap avall. i comencen a ser accelerats pel camp elèctric. Així, com més gran sigui la tensió aplicada als elèctrodes, més electrons sortiran del càtode i es convertiran en portadors de corrent en el buit.

Així, com més gran sigui la tensió entre els elèctrodes situats en el buit, menor serà la profunditat del pou de potencial a prop del càtode.Com a resultat, resulta que la densitat de corrent al buit durant la radiació termoiònica està relacionada amb la tensió de l'ànode per una relació anomenada llei de Langmuir (en honor al físic nord-americà Irving Langmuir) o la llei de la tercera:

A diferència de la llei d'Ohm, aquí la relació és no lineal. A més, a mesura que augmenta la diferència de potencial entre els elèctrodes, la densitat de corrent de buit augmentarà fins que es produeixi la saturació, una condició on tots els electrons del núvol d'electrons del càtode arriben a l'ànode. Augmentar encara més la diferència de potencial entre els elèctrodes no donarà lloc a un augment del corrent. R

Els diferents materials del càtode tenen una emissivitat diferent, caracteritzada pel corrent de saturació.La densitat de corrent de saturació es pot determinar mitjançant la fórmula de Richardson-Deshman, que relaciona la densitat de corrent amb els paràmetres del material del càtode:

Aquí:

Aquesta fórmula va ser derivada pels científics basant-se en l'estadística quàntica.