Електрична струја у вакууму

У техничком смислу, простор се назива вакуумом, количина материје у којој је, у поређењу са обичним гасовитим медијумом, незнатна. Притисак вакуума је најмање два реда величине нижи од атмосферског притиска; под таквим условима у њој практично нема бесплатних носача набоја.

Али као што знамо струјни удар назива се уређено кретање наелектрисаних честица под дејством електричног поља, док у вакууму, по дефиницији, не постоји толики број наелектрисаних честица који је довољан за формирање стабилне струје. То значи да је за стварање струје у вакууму потребно некако додати наелектрисане честице у њу.

Томас Едисон је 1879. године открио феномен термоионског зрачења, које је данас један од проверених начина да се у вакууму добију слободни електрони загревањем металне катоде (негативне електроде) до таквог стања да електрони почињу да излете из ње. Овај феномен се користи у многим вакуумским електронским уређајима, посебно у вакуумским цевима.

Поставимо две металне електроде у вакуум и спојимо их на извор једносмерног напона, а затим почнемо да загревамо негативну електроду (катоду). У овом случају, кинетичка енергија електрона унутар катоде ће се повећати. Ако се на овај начин додатно добијена енергија електрона покаже довољном да се савлада потенцијална баријера (да изврши радну функцију метала катоде), онда ће такви електрони моћи да побегну у простор између електрода.

Пошто постоји између електрода електрично поље (које је створио горњи извор), електрони који улазе у ово поље треба да почну да убрзавају у правцу аноде (позитивне електроде), односно, теоретски, електрична струја ће се појавити у вакууму.

Али то није увек могуће, и само ако је електронски сноп у стању да савлада потенцијалну јаму на површини катоде, чије присуство је последица појаве просторног набоја у близини катоде (електронски облак).

За неке електроне напон између електрода ће бити пренизак у поређењу са њиховом просечном кинетичком енергијом, то неће бити довољно да изађу из бунара и они ће се вратити назад, а за неке ће бити довољно висок да смири електроне - даље и почињу да се убрзавају електричним пољем. Дакле, што је већи напон примењен на електроде, то ће више електрона напустити катоду и постати носиоци струје у вакууму.

Дакле, што је већи напон између електрода које се налазе у вакууму, то је мања дубина потенцијалног бунара близу катоде.Као резултат тога, испоставља се да је густина струје у вакууму током термионског зрачења повезана са анодним напоном односом који се назива Лангмуиров закон (у част америчког физичара Ирвинга Лангмира) или законом трећег:

За разлику од Омовог закона, овде је однос нелинеаран. Такође, како се повећава потенцијална разлика између електрода, густина струје вакуума ће се повећавати све док не дође до засићења, стање у коме сви електрони из електронског облака на катоди доспеју до аноде. Даље повећање разлике потенцијала између електрода неће довести до повећања струје. Р

Различити катодни материјали имају различиту емисивност коју карактерише струја засићења.Густина струје засићења може се одредити Ричардсон-Дешман формулом, која повезује густину струје са параметрима материјала катоде:

овде:

Ову формулу су научници извели на основу квантне статистике.