Электрический ток в вакууме

Из лампы, изображённой на рисунке 11, воздух тщательно откачан. Физики говорят в таком случае, что в лампе создан вакуум.

В лампу впаяны два металлических электрода. Одним из них служит спираль из тонкой проволочки, другим —

image

Рис. 11. Так устроена простейшая радиолампа.

металлический диск. Провода соединяют диск с анодом, а спираль — с катодом аккумуляторной батареи. Значит, в лампе создано электрическое поле. Это поле создано положительным зарядом, находящимся на диске, который называют анодом лампы, и отрицательным зарядом на спирали, служащей катодом.

Амперметр, разумеется, не показывает тока. Ведь в пространстве между катодом и анодом лампы нет вещества, нет электронов и ионов, нет никаких электрических зарядов. Катод и анод лампы разделены вакуумом, а вакуум — самый лучший изолятор.

Однако стоит нам подогреть катод, как стрелка амперметра отходит от нуля: в цепи идёт ток. Ток проходит через вакуум, через лампу, из которой откачан воздух.

Чтобы понять, как это возможно, зададим себе один вопрос. Свободные электроны странствуют в металле по всем направлениям. Почему же они не вылетают из него?

Потому что их удерживают ионы.

Пока электрон находится внутри металла, он со всех сторон окружён ионами. Поля ионов практически уравновешены, и электрон движется свободно. Но вот электрон подлетает к поверхности металла. С одной стороны над ним уже нет ионов, а с другой стороны есть. Силы их притяжения тянут его обратно. Электрон замедляется, останавливается и возвращается внутрь металла.

Однако, чем больше скорость электрона, тем труднее ионам затормозить его у поверхности. Чем быстрее электрон, тем дальше он выходит из металла, прежде чем остановится. Очень быстрые электроны вылетают на такие расстояния, где поля ионов уже не действуют. Такие электроны не вернутся обратно. Они покидают металл.

Теперь нетрудно понять результат нашего опыта, показавшего, что электрический ток может идти в вакууме. Надо только вспомнить, что чем выше температура тела, тем больше энергия, тем больше скорости составляющих его частиц — атомов, ионов, свободных электронов. Пока катод был холодным, свободные электроны двигались в нём недостаточно быстро, чтобы преодолеть тормозящие их у поверхности силы и вылететь наружу. Нагревая катод, мы увеличиваем скорости свободных электронов, и теперь уже многие из них легко покидают металл. Но, вылетая из катода, они попадают в созданное в лампе электрическое поле, которое влечёт их к аноду, разгоняя всё быстрее и быстрее. Попадая на анод, электроны по проводу уходят в генератор — аккумуляторную батарею.

Итак, цепь замкнута. По проводу от генератора на катод лампы, через вакуум на анод и снова по проводу в генератор гонит поле электроны. Вакуум — самый лучший изолятор. Но если вводить электроны извне, то вакуум становится самым лучшим проводником, так как ничто в нём не препятствует свободному полёту заряженных частиц.

Явление вылета электронов из нагретого металла называется термоэлектронной эмиссией. Вакуумные лампы, подобные описанной, применяются очень широко. В частности, на этом принципе устроены радиолампы. Электроны вылетают из нагретого катода радиолампы и под действием электрических сил поля устремляются к аноду. Обычно нагревание катода производится идущим по нему электрическим током. Для этого к концам спирали или нити, служащей катодом лампы, присоединяется аккумуляторная батарея (батарея накала). Через радиолампу идут обычно два тока. Один, создаваемый батареей накала, идёт вдоль по проволоке, служащей катодом, и раскаляет её. Второй ток, называемый анодным током, идёт через вакуум с катода на анод. Он создаётся анодной батареей (см. рис. 11).