Corrente elétrica no vácuo

Em um sentido técnico, o espaço é chamado de vácuo, a quantidade de matéria na qual, comparada a um meio gasoso comum, é insignificante. A pressão de vácuo é pelo menos duas ordens de grandeza menor que a pressão atmosférica; sob tais condições, praticamente não há portadores de carga livres nele.

Mas como sabemos choque elétrico é chamado de movimento ordenado de partículas carregadas sob a ação de um campo elétrico, enquanto no vácuo, por definição, não existe tal número de partículas carregadas que seja suficiente para formar uma corrente estável. Isso significa que, para criar uma corrente no vácuo, é necessário adicionar de alguma forma partículas carregadas a ela.

Em 1879, Thomas Edison descobriu o fenômeno da radiação termiônica, que hoje é uma das maneiras comprovadas de obter elétrons livres no vácuo aquecendo um cátodo de metal (eletrodo negativo) a tal estado que os elétrons começam a voar para fora dele. Este fenômeno é usado em muitos dispositivos eletrônicos de vácuo, em particular em tubos de vácuo.

Vamos colocar dois eletrodos de metal no vácuo e conectá-los a uma fonte de tensão CC, depois começar a aquecer o eletrodo negativo (cátodo). Nesse caso, a energia cinética dos elétrons dentro do cátodo aumentará. Se a energia do elétron adicionalmente obtida dessa maneira for suficiente para superar a barreira de potencial (para executar a função de trabalho do cátodo metálico), esses elétrons poderão escapar para o espaço entre os eletrodos.

Como existe entre os eletrodos campo elétrico (criado pela fonte acima), os elétrons que entram neste campo devem começar a acelerar na direção do ânodo (eletrodo positivo), ou seja, teoricamente, uma corrente elétrica ocorrerá no vácuo.

Mas isso nem sempre é possível, e somente se o feixe de elétrons for capaz de superar o poço de potencial na superfície do cátodo, cuja presença se deve ao aparecimento de uma carga espacial próxima ao cátodo (nuvem de elétrons).

Para alguns elétrons, a tensão entre os eletrodos será muito baixa em comparação com sua energia cinética média, isso não será suficiente para sair do poço e eles voltarão, e para alguns será alto o suficiente para acalmar os elétrons - em diante e começam a ser acelerados pelo campo elétrico. Assim, quanto maior a voltagem aplicada aos eletrodos, mais elétrons deixarão o cátodo e se tornarão portadores de corrente no vácuo.

Assim, quanto maior a tensão entre os eletrodos localizados no vácuo, menor a profundidade do poço de potencial próximo ao cátodo.Como resultado, verifica-se que a densidade de corrente no vácuo durante a radiação termiônica está relacionada à tensão do ânodo por uma relação chamada lei de Langmuir (em homenagem ao físico americano Irving Langmuir) ou lei do terceiro:

Ao contrário da lei de Ohm, aqui a relação é não linear. Além disso, à medida que a diferença de potencial entre os eletrodos aumenta, a densidade da corrente de vácuo aumentará até que ocorra a saturação, uma condição em que todos os elétrons da nuvem de elétrons no cátodo atingem o ânodo. Aumentar ainda mais a diferença de potencial entre os eletrodos não resultará em um aumento na corrente. R

Diferentes materiais de cátodo têm diferentes emissividades, caracterizadas pela corrente de saturação. A densidade de corrente de saturação pode ser determinada pela fórmula de Richardson-Deshman, que relaciona a densidade de corrente com os parâmetros do material do cátodo:

Aqui:

Esta fórmula foi derivada por cientistas com base em estatísticas quânticas.