空间电荷

空间电荷是一个概念，其中多余的电荷被视为分布在空间区域（体积或面积）上的连续电荷，而不是不同的点状电荷。这个模型通常适用于当载流子从固体的某个区域发射出来时——发射的载流子云可以形成一个空间电荷区域，如果它们足够分散，或者留在固体中的带电原子或分子可以形成一个空间电荷区。

空间电荷只出现在电介质（包括真空）中，因为在导电介质中，电荷往往会被迅速中和或屏蔽。空间电荷的符号可以是负的也可以是正的。当金属物体在真空中加热到白炽度时，这种情况可能在靠近金属物体的区域最为常见。这种效应首先是由托马斯爱迪生在灯泡灯丝中观察到的，有时也被称为爱迪生效应。空间电荷是许多真空和固态电子设备中的重要现象。

当金属物体被放置在真空中并被加热到白炽度时，能量足以使电子“沸腾”离开表面原子并以自由电子云包围金属物体。这称为热电子发射。生成的云带负电，可以被附近任何带正电的物体吸引，从而产生通过真空的电流。

空间电荷可以由一系列现象产生，但最重要的是：

1. 电流密度和空间不均匀电阻的组合
2. 电介质内物质的电离以形成异电荷
3. 来自电极和应力增强的电荷注入
4. 水树等结构中的极化。“水树”是出现在浸水聚合物绝缘电缆中的树状图形的名称。

有人提出，在交流电(AC)中，在半个周期内注入电极的大部分载流子在下一个半周期内被排出，因此一个周期的净电荷平衡实际上为零。然而，当场反转时，一小部分载流子可以被捕获在足够深的水平上以保留它们。交流电中的电荷量应比直流电(DC)中的充电量增加得更慢，并且在较长时间后变得可以观察到。

异电荷是指空间电荷的极性与相邻电极的极性相反，同电荷则相反。在高压应用下，电极附近的异质电荷有望降低击穿电压，而同质电荷会增加击穿电压。在交流条件下极性反转后，同电荷转化为异空间电荷。

空间电荷是所有真空管的固有属性。这有时会使在设计中使用管的电气工程师的生活变得更艰难或更轻松。例如，空间电荷极大地限制了三极管放大器的实际应用，这导致了进一步的创新，如真空管四极管。

另一方面，空间电荷在某些电子管应用中很有用，因为它会在电子管的外壳内产生负EMF，可用于在电子管的栅极上产生负偏压。除了控制电压之外，还可以通过使用施加的栅极电压来实现栅极偏置。这可以提高工程师对放大的控制和保真度。它允许以构建空间电荷管用于汽车收音机，需要只有6或12伏的阳极电压（典型的例子是在6DR8/EBF83，6GM8/ECC86，6DS8/ECH83​​，6ES6/EF97和6ET6/EF98）。

空间电荷也可能出现在电介质中。例如，当高压电极附近的气体开始发生介电击穿时，电荷被注入电极附近的区域，在周围气体中形成空间电荷区。空间电荷也可能出现在受到高电场应力的固体或液体电介质中。固体电介质内的俘获空间电荷通常是导致高压电力电缆和电容器内电介质故障的一个促成因素。

空间电荷倾向于降低散粒噪声。散粒噪声是离散电荷随机到达的结果；到达的统计变化会产生散粒噪声。空间电荷产生的电势使载流子减速。例如，靠近其他电子云的电子会因排斥力而减速。减速载流子还增加了空间电荷密度和由此产生的电势。此外，空间电荷产生的电势可以减少发射的载流子数量。当空间电荷限制电流时，载流子的随机到达被平滑；减少的变化导致更少的散粒噪声。