Courant électrique dans le vide

Dans un sens technique, l'espace est appelé un vide, la quantité de matière dans laquelle, par rapport à un milieu gazeux ordinaire, est insignifiante. La pression du vide est d'au moins deux ordres de grandeur inférieure à la pression atmosphérique ; dans de telles conditions, il n'y a pratiquement pas de porteurs de charge gratuits.

Mais comme nous le savons choc électrique s'appelle le mouvement ordonné de particules chargées sous l'action d'un champ électrique, alors que dans le vide, par définition, il n'existe pas un nombre de particules chargées suffisant pour former un courant stable. Cela signifie que pour créer un courant dans le vide, il est nécessaire d'y ajouter en quelque sorte des particules chargées.

En 1879, Thomas Edison a découvert le phénomène de rayonnement thermoionique, qui est aujourd'hui l'un des moyens éprouvés d'obtenir des électrons libres dans le vide en chauffant une cathode métallique (électrode négative) à un état tel que les électrons commencent à s'en échapper. Ce phénomène est utilisé dans de nombreux appareils électroniques à vide, en particulier dans les tubes à vide.

Plaçons deux électrodes métalliques dans le vide et connectons-les à une source de tension continue, puis commençons à chauffer l'électrode négative (cathode). Dans ce cas, l'énergie cinétique des électrons à l'intérieur de la cathode augmentera. Si l'énergie électronique obtenue en plus de cette manière s'avère suffisante pour surmonter la barrière de potentiel (pour effectuer la fonction de travail du métal de cathode), alors ces électrons pourront s'échapper dans l'espace entre les électrodes.

Puisqu'il y a entre les électrodes champ électrique (créé par la source ci-dessus), les électrons entrant dans ce champ devraient commencer à accélérer en direction de l'anode (électrode positive), c'est-à-dire qu'en théorie, un courant électrique se produira dans le vide.

Mais cela n'est pas toujours possible, et seulement si le faisceau d'électrons parvient à surmonter le creux de potentiel à la surface de la cathode, dont la présence est due à l'apparition d'une charge d'espace à proximité de la cathode (nuage d'électrons).

Pour certains électrons la tension entre les électrodes sera trop faible par rapport à leur énergie cinétique moyenne, cela ne suffira pas à sortir du puits et ils repartiront, et pour certains elle sera suffisamment élevée pour calmer les électrons vers le bas et commencent à être accélérés par le champ électrique. Ainsi, plus la tension appliquée aux électrodes est élevée, plus les électrons quitteront la cathode et deviendront des porteurs de courant dans le vide.

Ainsi, plus la tension entre les électrodes situées dans le vide est élevée, plus la profondeur du puits de potentiel près de la cathode est faible.De ce fait, il s'avère que la densité de courant dans le vide lors du rayonnement thermionique est liée à la tension d'anode par une relation appelée loi de Langmuir (en l'honneur du physicien américain Irving Langmuir) ou loi du tiers :

Contrairement à la loi d'Ohm, ici la relation est non linéaire. De plus, à mesure que la différence de potentiel entre les électrodes augmente, la densité de courant sous vide augmentera jusqu'à ce que la saturation se produise, une condition dans laquelle tous les électrons du nuage d'électrons à la cathode atteignent l'anode. Une augmentation supplémentaire de la différence de potentiel entre les électrodes n'entraînera pas d'augmentation du courant. R

Différents matériaux de cathode ont une émissivité différente, caractérisée par le courant de saturation. La densité de courant de saturation peut être déterminée par la formule de Richardson-Deshman, qui relie la densité de courant aux paramètres du matériau de la cathode :

Ici:

Cette formule a été dérivée par des scientifiques sur la base de statistiques quantiques.