1. Г раничные электронные явления. Явление термоэлектронной эмиссии. Граница металл-вакуум

Через поверхность тела, например, металла свободные электроны могут “испарятся”, вылетать за его пределы. Но электрон заряжённая частица, поэтому между вылетевшими электронами и металлом возникает сила притяжения и электронное облако равномерно распределяется вдоль поверхности металла, образуя подобие заряженного конденсатора. Теперь металл можно представить, как сосуд, стенки которого образованы тонким электрическим полем, в котором находится электронный газ, чтобы электрону пройти через стенку ему надо обладать энергией , большей, чем работа выхода , - разность потенциалов между средой и металлом (контактная разность потенциалов).

Аналогично можно представить и полупроводник n-типа, а полупроводник р- типа с полем противоположного направления.

Для того чтобы электрон вылетел из металла необходимо:

1.Нагреть металл. Тогда электроны получат энергию, и смогут покинуть металл. Будет наблюдаться термоэлектронная эмиссия.

2. Бомбардировать металл частицами. Электроны, например, образовавшиеся в газе, разгоняясь, ударяют в металл и выбивают из него вторичные электроны.

3.Облучить металл соответствующим электромагнитным излучением (бомбардировка металл фотонами света) – фотоэлектронная эмиссия (фотоэффект).

Термоэлектронная эмиссия находит широкое применение при устройстве электровакуумных приборов (радиолампы, электронно-лучевые трубки).

Д ля получения изображений на экране с помощью пучка электронов в осциллографах, телевизорах и т.д. применяется электронно-лучевая трубка. Она представляет собой замкнутую стеклянную колбу, из которой удалён газ. В узкой части колбы расположена электронная пушка. С нагретого катода вылетают электроны и направляются к аноду. Проходя внутри отрицательно заряженного фокусирующего электрода, электронное облако сжимается в тонкий луч. Анод тоже выполнен в виде цилиндра, и электроны устремятся дальше и проходя между вертикально отклоняющими пластинами и горизонтально отклоняющими пластинами. Управление лучом может, производится и магнитным полем как, например в телевизорах. При попадании электронов на люминесцентный экран на нём появляется светящая точка. (Об этом смотри дальше.)

Термоэлектронная эмиссия необходима для образования электрической дуги, используемой при сварке. При контакте сварочного электрода и свариваемых поверхностей место контакта сильно разогревается. Затем, при некотором удалении электрода, электрическое поле между электродом и свариваемыми поверхностями разгоняет вылетевшие из нагретого металла электроны. Они на своём пути сталкиваются с молекулами воздуха, ионизируют их с образованием новых электронов. Возникает электрический ток в газе. Электрическая дуга, сопровождается выделением большого количества тепла и света.

1. На рисунке 200 показано, как при постоянном напряжении между анодом и катодом вакуумного диода ток зависит от температуры катода. Объясните качест­венно эту зависимость.

2. На рисунке 201 даны три графика зависимости тока от напряжения на электродах диода, снятые при разных температурах катода. Какая кривая принадлежит низкотемпературному катоду, а какая — высокотемпера­турному? Почему все три кривые совпадают при малых напряжениях?

3. В каком случае электроны будут достигать ано­да, имея большую скорость: при включении электронной лампы по схеме а или б (рис. 202)?

4. З ачем в электронно-лучевой трубке на пути электронного пучка помещают два плоских конденсато­ра, пластины которых расположены во взаимно перпен­дикулярных плоскостях? Чем можно заменить эти кон­денсаторы?

5. В синхротроне электроны движутся в глубоком вакууме по приблизительно круговой орбите длиной 240 м. Во время цикла ускорения на орбите находитсяоколо 10¹¹ электронов, их скорость примерно равна ско­рости света. Чему равна сила тока?

6. При какой наименьшей скорости электрон может вылететь из серебра, если работа выхода 6,9 • 10 ^-19 Дж?

7. В диоде электроны ускоряются до энергии 100 эВ. Какова их минимальная скорость у анода лам­пы?

8. В диоде электрон подходит к аноду со скоро­стью 8 Мм/с. Найдите анодное напряжение.

9. Скорость движения электронов между электро­дами в диоде до 10⁴ км/с, а в металлических проводни­ках анодной цепи — не более долей миллиметра в секун­ду. Одинакова ли сила тока в лампе и в проводниках, составляющих анодную цепь?

10. Максимальный анодный ток в ламповом диоде равен 50 мА. Сколько электронов вылетает из катода каждую секунду?

11. В каких пределах меняется разность потенциа­лов между анодом и разными точками на поверхности катода лампы (рис. 203), если напряжение на зажимах анодной батареи 50 В, а на зажимах батареи накала 6 В? Почему ток в цепи накала на участке АВ равен 1,5 А, а на участке CD равен 1,7 А? Какова сила анод­ного тока? Внутренним сопротивлением батареи можно пренебречь.

12. В телевизионном кинескопе ускоряющее анод­ное напряжение равно 16 кВ, а расстояние от анода до экрана составляет 30 см. За какое время электроны про­ходят это расстояние?

13. Какое напряжение в электронно-лучевой трубке нужно подать на горизонтально отклоняющие пластины и какое — на вертикально отклоняющие пластины, что­бы получить на экране отклонения луча 50 мм по взаимно перпендикулярным направлениям? Чувстви­тельность трубки по горизонтальному отклонению луча 0,20 мм/В, а по вертикальному — 0,28 мм/В.

14. В электронно-лучевой трубке поток электронов с кинетической энер­гией Ек = 8 кэВ движется между плас­тинами плоского конденсатора длиной х = 4 см. Расстояние между пластина­ми 1 = 2 см. Какое напряжение надо по-цать на пластины конденсатора, чтобы смещение электронного пучка на выхо-це из конденсатора оказалось равным у = 0,8 см?

15. В электронно-лучевой трубке поток электронов ускоряется полем с разностью потенциалов U~5 кВ и по­падает в пространство между вертикально отклоняющи­ми пластинами длиной х = 5 см, напряженность поля между которыми Е = 40 кВ/м. Найдите вертикальное смещение луча у на выходе из пространства между пла­стинами.

Вопросы:

1. Что называется контактной разностью потенциалов?

2. При каких условиях электрон может покинуть металл?

3. Что такое термоэлектронная эмиссия?

4. Что такое фотоэлектронная эмиссия?

5. Где применяется термоэлектронная эмиссия?

ДОМАШНЕЕ ЗАДАНИЕ 14

1. В диоде электрон подходит к аноду со скоро­стью 8 Мм/с. Найдите анодное напряжение.

2. Ускоряющее анодное напряжение равно 10 кВ. расстояние от аноды до экрана кинескопа 25 см. за какое время электроны проходят это расстояние?

3. Максимальный анодный ток в ламповом диоде равен 40 мА. Сколько электронов вылетает из катода каждую секунду?

4. В диоде электрон подходит к аноду со скоро­стью 3 Мм/с. Найдите анодное напряжение.

5. Какое напряжение в электронно-лучевой трубке нужно подать на горизонтально отклоняющие пластины и какое — на вертикально отклоняющие пластины, что­бы получить на экране отклонения луча 40 мм по взаимно перпендикулярным направлениям? Чувстви­тельность трубки по горизонтальному отклонению луча 0,20 мм/В, а по вертикальному — 0,28 мм/В.

6. Электрон движется перпендикулярно силовым линиям напряженность поля E = 5 В/м со ско­ростью υ_o= 500 м /с. На сколько произойдет смещение от прямолинейного дви­жения при длине поля S= 0,01 м?