真空有電阻嗎?

如果有的話,產生真空電阻的原理是什麼?


有點意思的問題。

要弄懂這個問題,必須先了解真空擊穿特性。我們看下圖:

我們把電極放在身旁的環境中,把電池E接通,然後來測量上述電路的電流。注意電池的電壓取接近於零的最小值。由於電路是斷的,當然不會有電流流過。

現在我們開始把電池電動勢E緩慢地調高,我們會發現,電路中居然有很小的電流流過。這是因為宇宙射線轟擊空氣分子,使得空氣分子電離,並由此產生的電流。

上圖右方A-B-C天藍色區域就是這種情況。我們發現,隨著電池電動勢不斷上升,而電流卻保持為常數。這是因為宇宙射線的數量是常數,因而出現近似恆流的情況。

繼續調高電池電壓,從B點開始,氣隙中的空氣開始局部電離,我們看到電流開始增加。當電壓調高到C點後,氣隙空氣被擊穿,Uc叫做擊穿電壓,所對應的電流叫做擊穿電流。

再往下,就是空氣的輝光放電、弧光放電等等。這部分與題主主題無關,我們不討論。

現在,我們設想一下,如果我們把電極放在密閉的瓶子內,瓶子接到抽真空機上抽真空,那麼上述情況又會如何?

早在1889年,著名科學家巴申已經給出答案了,這就是巴申曲線,如下:

圖中的橫坐標是氣壓與電極間隙(開距)的乘積,縱坐標是擊穿電壓。

我們看到,擊穿電壓存在最小值。從最小值往左,我們看到隨著氣壓越來越低,擊穿電壓越來越高;反之,從最小值往右,我們發現隨著氣壓越來越高,擊穿電壓也越來越高。

這就是真空滅弧和高壓滅弧的原理。

有了這些知識,我們就可以討論題主的問題了。我們分兩種情況來分析。

第一種情況,真空環境中的電阻

想像宇航員在空間站的外部,當他拿出萬用表時,兩表棒空置,等效於測量真空電阻,可以預料,萬用表的顯示值一定是無窮大。

為何?

我們都知道萬用表內部有一塊測量用9V電池,藍表棒(黑表棒)端為正,紅表棒端為負。這9V電池電壓太低了,按上圖圖示,測量電路都不通,萬用表如何有示值?

不要說真空環境,就算在我們生活的正常環境中,表棒空置後萬用表的電阻檔測量值也一定是無窮大。

結論是,在第一種情況下,真空電阻是無窮大的。

第二種情況,真空器件的電阻

典型代表就是真空斷路器。

我們來看下圖:

我們把電壓載入在真空電極間隙的兩端。由巴申曲線可知,儘管氣壓很低,但必定存在對應的擊穿電壓。

這是因為,電池電動勢給兩電極之間建立了電場。當電場強度足夠高時,陰極金屬中的自由電子在電場的驅動下,溢出了金屬電極本體,並向陽極運動。當電子到達陽極時,會轟擊陽極金屬,使得陽極發熱。

我們繼續調高電壓,轟擊越加激烈,以至於金屬發紅,甚至熔化。熔化後的金屬產生了金屬蒸汽,並帶上電荷後參與轟擊電極。再往下,陰極成為轟擊的重災區,它也出現熔化現象,也產生金屬蒸汽,並與電子一起轟擊陽極。最後的結果是:真空被擊穿,真空管內出現電弧。

別以為金屬蒸汽的濃度有多大。這裡的金屬蒸汽的濃度非常低,完全不影響真空度,但這就足夠了,足以讓真空擊穿。

金屬蒸汽是真空器件中出現真空擊穿和真空電弧的關鍵因素。

根據歐姆定律,電阻等於電壓除以電流。所以上述現象的等效電阻在初始時刻很大,但隨著金屬蒸汽出現並發生真空擊穿後,等效電阻很小。

結論是:在第二種情況下,一旦發生真空擊穿,真空電阻很小。

相信,這第二種情況是題主不曾料到的。這第二種情況對於從事於供配電工作的電氣人來說,是應知應會,屬於常識的範疇。

可見,在技術領域還真是術有專攻。

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看了若干評論,感覺許多知友們對真空以及真空電弧十分陌生。我來簡單介紹一下吧。

真空滅弧室是真空斷路器的最重要部分,見帖子中的圖。

真空,一般是指氣體稀薄的空間。凡是氣體壓強低於一個大氣壓的狀態都可以認為是真空狀態。所謂絕對真空,則是指氣體壓強為零的狀態。

真空程度用壓強來表示。

對於真空滅弧室,它內部的壓力值低於 1.33	imes 10^{-2}Pa ,電極間隙中的氣體分子非常少,每立方厘米空間中的氣體分子數僅為標準大氣壓環境下的千萬分之一。在這樣稀薄的氣體環境中,即使空間中存在電子,它從一個電極飛向另一個電極時,很少有機會與氣體分子相撞。因此,高真空的絕緣性能比變壓器油、六氟化硫和高壓壓縮空氣要好很多。

前面已經說過,在真空環境下,真空擊穿並不是電子與氣體分子相撞造成的,而是金屬蒸汽。

最嚴重的情況是觸頭分開時,由於觸頭表面存在微小的凸起,在觸頭即將分開瞬間,電流很大,使得這些凸起發熱氣化而產生金屬蒸汽,從而給電弧提供了帶電粒子。

帶電粒子在電場的作用下運動,並撞擊電極,引起二次電子發射,使得間隙中粒子束極大地增加,引起間隙擊穿,同時出現真空電弧。

真空電弧一旦出現,就會引起高電流密度的陰極斑點。所謂陰極斑點,指的是電子和帶電粒子主要轟擊區域。陰極斑點的出現,更加加劇了金屬的熔化和蒸發。

所以,維持真空電弧的是金屬蒸汽而非氣體分子。

至於題主所聲稱的真空電阻,其實就是真空電弧的電弧電壓與電弧電流之比。

由於真空電弧的電壓基本上為常數,而電弧電流則由外部電路決定,因此真空電弧的等效電阻阻值很小。一般來說,電弧電壓大約為數十伏,而電流則可達數千安,因此電弧等效電阻僅為數十毫歐。

關於開關電器的真空滅弧原理,請看任何一本《電器學》或者《高壓電器》等教材。


沒有。

雖然可以有宏觀電流。

電阻作為一個物理量,表徵的是介質本身的導電特性。絕對真空中,兩電極施加高電壓後確實會出現電流。但是此時的伏安特性並非依賴於真空的性質,而依賴於電極的材料、溫度等性質。所以儘管顯示出伏安特性,但表徵的並非是真空的物理性質,而是電極的電子發射性能。

而諸如真空介電常數、磁導率等物理量,則是真空本身的特性。至於隧道電流,完全依賴於電子等粒子本身的屬性,也沒法算是真空的固有屬性。

通俗點講,本山大叔忽悠范大廚,忽高忽低的是腦筋急轉彎的題設,並不表示範大廚的智商和腳是否離地存在相關性。


看了下眾答案,修改一下。具體有沒有電阻得看定義,但是真空兩電極間存在電壓時可以有電流。

另外377Ohm的真空阻抗和樓主問的電阻不是一個東西…

1. 最簡單的就是電壓足夠大直接產生電子束,產生自由電子的電壓和電極材料的電子能級有關係。你給的能量足夠高了,束縛電子直接脫離材料變成自由電子,並在電場下加速就有了電流。至於這種情況產生束縛電子後真空的電阻和空氣相比我不好說,一是真空電子束遇到的散射小,二是空氣雖然散射大但是電子束能量足夠高可以電離空氣,進一步產生電荷可以形成電流。

產生電阻的原因是電極材料對其電子有束縛。

2. 隧道電流,這種效應的真空電流可能比空氣還要大一些。簡化的來看,正負極各是一個庫倫勢阱,勢阱深度和材料/溫度有關,它們距離為y,真空或者空氣夾在中間產生一個勢壘V,可以由一個勢阱遂穿到另一勢阱的電子數半定量的說應該隨著y和V的增加指數級下降。真空的能及位於自由電子能級附近,而空氣的勢壘會高出自由電子能級,這種情況里真空的電流會更大(y相同)。

另外需要說的是,即使y非常大,電流原則上也是有的,雖然指數下降但終歸不是0,原則上不能說極低電壓下在真空中相距很遠的兩個電極間電子無窮大。只要你願意等10000000000000年也許真的可以抓住幾個遂穿的電子…

產生電阻的原因還是電極材料對其電子有束縛…


如果電流和電壓的關係能寫成I=kU,那麼k就是電阻的倒數。是不是有電阻,主要看電流和電壓之間能不能寫成歐姆定律的關係吧。當能寫成歐姆定律的形式時,電阻是一個方便的物理量。如果電流和電壓的關係不能寫成歐姆定律的形式,可能電阻的概念就不必要了。


這個問題的複雜程度可能遠遠超出提問者的想像。

因為場發射算是我的博士論文課題,所以我會寫一部分的回答。

回到最基本的實驗模型,我們設定這個問題為真空中的兩個電極之間的電流通過能力。

參見圖1:

圖1. 問題圖模型

對於傳統材料的導電問題,固體物理告訴我們是因為材料裡面有可以自由移動的電荷,對於金屬而言是自由電子。自由電子在電場作用下定向運動產生電流。而電子運動的時候與材料相互作用(通常稱為電子聲子作用)發生能量的損失,產生了電阻。

對於問題圖1模型中的情況,直觀上認為,真空中沒有任何電荷,所以不管加多大的電壓,都不會有電流通過,所以電阻是無窮大的。

但是,只要有電極,就涉及到電極材料,在滿足一定的條件下,材料中的電子是有可能逸出到真空中,產生電流的!

目前就我所知的知識範圍內,有三種方法可以使材料中的電子發射到真空中:

1,熱致電離發射:Thermionic emission

這種原理的典型器件就是真空電子管。

圖2. 電子管型光電倍增管(來源Hamamatsu Photonics官方網站)

物理原理簡而言之就是加熱材料中的電子使其獲得足夠的能量克服材料表面功函這個勢壘,逸出材料表面,具體原理這裡暫不展開。

2,光電效應:Photoemission

光電效應應該熟悉的人更多,畢竟是愛因斯坦拿諾獎的題目,不贅述。

3,場致發射:Field Emission

與以上兩種方法不同,場致發射不是提高電子的能量使其越過表面勢壘或者增加隧穿幾率,而是通過外加電場改變了勢壘分布,使得電子隧穿幾率增加來增加電流。這也是我認為比較符合問題的物理模型表述。

Fowler-Nordheim方程比較好的解釋了這個物理過程,

Fowler-Nordheim方程簡化版:

J=aphi^{-1}F^{2}expleft[ -
uleft( f 
ight)bphi^{3/2}/F 
ight]

其中 J 為電流密度, F 為電場強度, phi 為功函數, ab 都是常數。

如果再簡化一下可以得到:

lnleft( J/F^{2} 
ight)sim1/F

在這個模型中,這裡的 F 電場強度可以簡單的理解為與電壓成正比。下面的圖展示了一個典型的屬於F-N電子發射模式的I-V曲線的例子。可以簡單理解為:在這個模型下,系統電阻是電壓的函數。

圖3. 隨手搜的典型的場發射I-V曲線圖,來源Phil. Trans. R. Soc. A (2008) 366, 281–293


如果不考慮電極對載流子的束縛, 那麼, 真空的 "電阻" 是非常小的.....

電阻, 是有定義的. 首先我們通常對電阻的定義, 都是 "導體", 而且, 這個定義還是一個工程定義, 不是基本物理量.... 所以, 你在工程上討論"真空"電阻有啥意義么? 不是討論它的介電常數, 或者, 高真空度的氣體性質啥的, 更有意義? 或者, 電極性質?......

有一個回答, 提到, "電極對電子的束縛", 對, 這個思路很好.....沿著這個思路走下去, 自然想到: 讓我們考慮把兩塊極板中間的空間分成三塊: 靠近正極板的一片, 靠近負極板的一片, 中間一片..... 然後我們考慮中間一片的導電性.... 這樣就避免了"電極效應", (這個很常見, 精確測量電阻的時候, 比如說銅的電阻, 最起碼我們不能用兩個銀電極去接觸一個銅條的兩端.....), 這種情況下, 如果我們定義電阻 R=U/I, 穩恆電流的情況下 (無限大電極忽略邊緣效應), 那顯然R=0.....

那我們能不能說真空是超導的? 好吧, 到了超導領域, 我們就得說, 抗磁性有沒有? 交流阻抗呢? .....

看來, 如果研究真空的電阻, 那我們就需要定義一個有意義的"真空電阻"了, R=U/I 太平凡..... 這個定義應該只依賴真空性質, 不依賴它的形狀以及所用的電極等等..... 好吧, 我覺得可能是沒人發現有這個必要.....


不知道題主這個問題的初衷是什麼,是一般性的理論探討,還是要解決某種實際問題。作為真空從業人士,自覺可以強答一發。

這個問題其實還可以換一種問法:真空會呈現出何種伏安特性?

之前張工的答案里,對真空擊穿和真空斷路器介紹得很詳細了:

https://www.zhihu.com/question/38912226/answer/226488565

真空斷路器是電真空器件中的一種。電真空器件一般指電子在真空或者氣體中與電磁場發生相互作用,將一種形式的電磁能量轉換為另一種形式電磁能量的器件。人們為了獲得所需的物理效果,設計開發了各種電真空器件,最簡單古老的白熾燈、安檢/醫療中使用的X光管、雷達上使用的大型微波源、到上天入地的陀螺儀……各種電場、磁場、材料、結構的組合,產生了各種奇妙的功能和效果。

在真空斷路器里,我們看到真空擊穿後,在類似熔斷機制下(實際是「熔而不斷」),形成了穩定的大電流,顯現出很小的電阻。實際上,在其他器件中,我們也可以通過某種方式獲得較大的「電阻」,甚至在某個很長的區間內看起來還是線性的。

下面這個器件是濺射離子泵,用來在高真空下(通常&<1E-3Pa,大氣壓強的一億分之一)捕捉空間里的殘餘氣體,以實現更高的真空度。

《真空技術》,王欲知

濺射離子泵的工作機理叫做「潘寧放電」,一個小金屬圓筒3放在真空殼體里,軸線兩端放置兩塊鈦板2,在真空殼體外放有兩塊磁鐵1,磁極相對,之間施加1000~2000高斯的磁場。它工作時,圓筒和鈦板之間施加3~7kV的電壓,於是空間中自由漂浮的電子在電場加速作用下向陽極筒進發,但是由於磁場的存在,又不得不中途改變方向,結果就變成了下面這樣糾結的軌跡:

這是陽極筒軸向方向的剖面圖,可以看到電子在其中不斷做輪滾線運動。電子在空間運動的過程中不斷與殘餘氣體分子碰撞導致氣體電離,於是被電離的氣體分子攜載著電場能量沖向陰極鈦板,雨打沙灘萬點坑,鈦板被砸得鈦花四濺,飛濺出去的鈦原子附著在哪裡,哪裡就形成了一層新鮮的鈦膜。鈦本身又很活潑,對氮氧來者不拒,對惰性氣體捨身掩埋,於是空間中的氣體分子被不斷捕獲,實現了抽氣的效果。

在這個過程中,陽極筒接受到的電流為mA量級,並且與壓強呈現線性關係。請看下圖:

這段線性區間如此寶貴,以至於成為了高真空壓強測量的一種重要手段。目前市面上常見的高真空規管主要分為冷熱兩種,其中冷陰極規就是基於上述的潘寧放電原理。由於其中沒有加熱器件,所以可靠性很高,在高真空中使用非常廣泛。

因此,真空中的「電阻」雖然取決於擊穿機制,但是對於真空器件,人們卻可以通過各種設計,使其呈現出不同的伏安特性,同時也獲得不同的真空物理效果。

看了一些回答,感覺很多人包括題主對「真空」的理解都是「絕對真空」,空無一物。但實際上,工程中的真空僅指「低於一個大氣壓」,即氣體濃度較一個大氣壓(所在地正常氣壓)稀薄。一般一個大氣壓(1.013	imes10^{5} Pa)下,1 cm^{3} 的體積中的氣體分子數約為 10^{19} 個,真空斷路器的封離壓強約為 10^{-5} Pa,也就是說斷路器內1 cm^{3} 體積中的氣體分子數約為 10^{9} 個,這個量級離「空無一物」實在是相差甚遠。目前實驗室中獲得的極高真空一般也不過就是 10^{-10} Pa量級,真空度再提高下去,已經沒有很好的手段可以準確地測量了。


看了上面的回答,突然意識到,雷神在真空里發不出雷電。


是有的。無窮大。

題主問原理,我明白題主的意思了。

大概是說:真空里都沒有東西,怎麼來阻擋電流,所以哪來的電阻?

如果我理解對了的話,這樣講吧:

電阻大指的並不是阻擋電流的效果而是導通電流的效果

這樣講大概生動些:

我找一根銅導線。

Cu的密度是8.9g/cm^{3} ,它的電阻率常溫(20℃)時是1.75E-8。

現在我用某種(奇怪的)方法把它變稀疏,密度(也即截面面積)成為原來的1/2,根據電阻率公式得電阻R=frac{
ho L}{S} ,電阻R變大一倍。

我不斷的重複此過程,可見:導線的截面面積不斷變小,電阻不斷變大。

這個邏輯關係是這樣的:截面面積變小----&>導電能力變弱----&>電阻變大

again and again......

這根導線不斷變得稀疏,密度越來越小,電阻越來越大,直到原本它的空間成為一個真空,再也不能導電了,電阻R變為無窮大。

就這樣。


真空中沒有物質,無法通過電流呀。


其他答案大多討論的是電極板距離足夠大的情況。另外一種情況,電極板間距足夠小的時候還會有電子隧穿產生。只要電流電壓存在導數,也是有"電阻"存在的。這種情況可以參考真空管(即電子管)或者掃描隧道顯微鏡的工作原理。


諸位寶寶們還是先明確一下真空的定義吧

佔個坑明天沒什麼事的話回來仔細回答


沒有的話,電容是怎麼來的?


問題沒有定義清楚,是宇宙中的絕對真空,還是工程上的真空


電阻基於電流

電子流動在非真空時,是在不同原子之間的接力。電子是運行在軌道上的,軌道交通的好壞決定電阻。慢的是爬,快的是坐飛機。

在真空中,要讓電子脫離原子核運動。要克服電磁力,需要的場強是非常大的。這就好比發射衛星,開始的時候是很難的,真空中漂流卻是沒有阻擋的。


誰能幫助補充一下提問

如果沒有電阻的話,能否描述為「等價於多大或怎樣的電阻?」


給與多大的能量去越過勢壘。加速器裡面10-10torr的真空,不是也有電子beam,當然宏觀電阻也能測。


不知道你們有沒有聽過陰極射線,真空環境還得特意弄出來。

電壓加到一定,電子會從金屬裡面跑出來然後就形成電流了。

我覺得題主應該不滿意這個答案,還得找個逸出功無限大的材料。使勁加電壓。

有沒有大神指導一下,量子力學認為真空並不真空,存在漲落。那麼真空中電場強度大到一定能不能扯出正負電子?


電阻是一個非常非常古老的概念,早就過時了,在交流電和電容,電感發明以後就已經不合時宜了,尤其是半導體發明以後就更落後了。

很古老的年代,發現電流和電壓在「某導體」上成正比的時候,總結了一個名詞叫電阻。注意歐姆定律裡面主要說的是「正比」,電阻只是那個比值。這個比值和電壓無關,即使加壓到無窮大,仍然是正比關係。

如果正比關係不存在,那麼電阻的定義就失去了意義。

那麼,電阻怎麼定義呢?不能用測的,因為測量比間是一個電容,可以形成一個天線;更因為測量筆間可能會因為高壓產生電子發射。注意這個高壓還不是無窮大呢。

總結一下,電阻這個測量值定義已經過時。


如果只考慮經典過程,確實如上兩位所說,會有無窮大電阻。

然而,真實的世界裡,提到無窮大的時候一定要格外小心,因為它不知道會在什麼地方帶來幺蛾子。

舉個例子,最常見的帶電平板電容,距離從固定值減小,直到電極板接觸。你會發現,這個過程中出現了場強無窮大、放電時間無窮小。而實際上這是不可能的。因為真空也有電導。

即使只有幾節乾電池供電,當距離在納米左右時,電極之間也會發生電子隧穿,使電極之間電荷流動,從而避免無窮大的出現。

也就是說,真空也是有電阻的。這和真空度不夠時的空氣擊穿是兩回事。

此外,並不認同 @ace zh 的說法,電極性質固然會影響隧道電流,但只要真空允許電子通過,就不能認為它電導為零。畢竟 sigma=frac{d}{s} (Delta V/I) ,電荷來自於電極的注入。而且,實際上由於真空中不存在對電子的散射,電壓和電流是二次方關係,真空是非常理想的非線性電阻器。早期的無線電技術可以利用電子管做混頻,原因就在這裡。

到這裡就有點偏題了。物理的問題都隱含了一些默認的條件,譬如說真空電導是否為零,應該是在給定的能量區間下討論,而且這個電壓不宜過大。否則,只要能量足夠大,真空都能給你電離出正負電子對,也就是光子-光子散射。

陰極射線裝置,例如CRT或者電子管,涉及的能量一般在100eV以上,而X射線管則高達10kev到數百keV。或許用它們來討論真空電導也不夠恰當。但是隧道電流是非常低能量的物理現象,幾個eV足矣。所以,即使在很低能的物理中,真空電導也不是什麼奇怪的事情。


我第一眼把問題看成《真有電空姐么?》我是不是沒救了……


任何物體都有電阻,只是大小不同罷了,就這樣ok


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