זרם חשמלי בוואקום

במובן הטכני, החלל נקרא ואקום, כמות החומר שבה, בהשוואה לתווך גזי רגיל, אינה משמעותית. לחץ הוואקום נמוך לפחות בשני סדרי גודל מהלחץ האטמוספרי; בתנאים כאלה, כמעט ואין בו נושאי תשלום בחינם.

אבל כידוע התחשמלות נקראת תנועה מסודרת של חלקיקים טעונים בפעולת שדה חשמלי, בעוד שבוואקום, בהגדרה, אין מספר כזה של חלקיקים טעונים שמספיק ליצירת זרם יציב. זה אומר שכדי ליצור זרם בוואקום, יש צורך איכשהו להוסיף לו חלקיקים טעונים.

בשנת 1879 גילה תומס אדיסון את תופעת הקרינה התרמיונית, שהיום היא אחת הדרכים המוכחות להשיג אלקטרונים חופשיים בוואקום על ידי חימום קתודה מתכתית (אלקטרודה שלילית) למצב כזה שהאלקטרונים מתחילים לעוף ממנה. תופעה זו משמשת במכשירי ואקום רבים, בפרט בשפופרות ואקום.

נניח שתי אלקטרודות מתכת בוואקום ונחבר אותן למקור מתח DC, ואז נתחיל לחמם את האלקטרודה השלילית (קתודה). במקרה זה, האנרגיה הקינטית של האלקטרונים בתוך הקתודה תגדל. אם אנרגיית האלקטרונים המתקבלת בנוסף בדרך זו תתברר כמספיקה כדי להתגבר על מחסום הפוטנציאל (לביצוע פונקציית העבודה של המתכת הקתודה), אז אלקטרונים כאלה יוכלו לברוח אל החלל שבין האלקטרודות.

מכיוון שיש בין האלקטרודות שדה חשמלי (נוצר על ידי המקור לעיל), אלקטרונים הנכנסים לשדה זה צריכים להתחיל להאיץ בכיוון האנודה (אלקטרודה חיובית), כלומר, תיאורטית, זרם חשמלי יתרחש בוואקום.

אבל זה לא תמיד אפשרי, ורק אם אלומת האלקטרונים מסוגלת להתגבר על הבור הפוטנציאלי על פני הקתודה, שנוכחותו נובעת מהופעת מטען חלל ליד הקתודה (ענן אלקטרונים).

עבור חלק מהאלקטרונים המתח בין האלקטרודות יהיה נמוך מדי בהשוואה לאנרגיה הקינטית הממוצעת שלהם, זה לא יספיק כדי לצאת מהבאר והם יחזרו אחורה, ולחלק הוא יהיה גבוה מספיק כדי להרגיע את האלקטרונים הלאה ומתחילים להיות מואצים על ידי השדה החשמלי. לפיכך, ככל שהמתח המופעל על האלקטרודות גבוה יותר, כך יעזבו יותר אלקטרונים את הקתודה ויהפכו לנשאי זרם בוואקום.

לכן, ככל שהמתח בין האלקטרודות הממוקמות בוואקום גבוה יותר, כך קטן עומק הבאר הפוטנציאלית ליד הקתודה.כתוצאה מכך, מתברר שצפיפות הזרם בוואקום בזמן קרינה תרמיונית קשורה למתח האנודה על ידי קשר שנקרא חוק לנגמייר (לכבוד הפיזיקאי האמריקאי אירווינג לנגמייר) או חוק השלישי:

בניגוד לחוק אוהם, כאן הקשר אינו ליניארי. כמו כן, ככל שהפרש הפוטנציאלים בין האלקטרודות יגדל, צפיפות זרם הוואקום תגדל עד להתרחשות הרוויה, מצב שבו כל האלקטרונים מענן האלקטרונים בקתודה מגיעים לאנודה. הגדלת הפרש הפוטנציאלים בין האלקטרודות לא תגרום לעלייה בזרם. ר

לחומרי קתודה שונים יש פליטות שונה, המאופיינת בזרם הרוויה. ניתן לקבוע את צפיפות זרם הרוויה ע"י נוסחת ריצ'רדסון-דשמן, הקושרת את צפיפות הזרם לפרמטרים של חומר הקתודה:

כאן:

נוסחה זו נגזרה על ידי מדענים על סמך סטטיסטיקה קוונטית.