Принцип работы.

В основе работы люстры Чижевского лежит явление автоэлектронной (туннельной) эмиссии электронов из металла в окружающее воздушное пространство под действием электрического поля достаточно высокой напряженности в режиме так называемого тихого разряда. При этом на саму люстру, представляющую собой автокатод, подается отрицательный электрический потенциал, напряженность поля которого усиливается в сотни тысяч раз за счет особой конфигурации эмитирующей поверхности. Феномен автоэлектронной эмиссии был открыт Р. Вудом (R. Wood) в 1897 г., а механизм процесса, в рамках только зарождавшейся квантовой механики (квантовой электродинамики), был объяснен 22 года спустя. Первый же прибор, основанный на использовании автоэлектронной эмиссии – электронный проектор, был создан только в 1936 г. конечно, если не считать люстру Чижевского, изобретение которой значительно опередило научную практику 20-го века на добрых два десятилетия.

Для возникновения автоэлектронной эмиссии из металла необходимо создать вблизи эмитирующей поверхности автокатода электрическое поле с напряженностью более 10⁷ В/см. Достичь таких огромных значений напряженности равномерного поля, например в плоскопараллельной системе анод-катод, невозможно. Однако на поверхностях большой кривизны (малого радиуса закругления) происходит искривление (сгущение) электрических силовых линий, таким образом, что значительно увеличивает напряженность электростатического поля в приповерхностной катодной области и автоэлектронная эмиссия становится возможной.

В воздушной атмосфере электроны сталкиваются с молекулами воздуха и ионизируют его, образуя в окружающем пространстве четыре типа «воздушных ионов» отрицательной полярности:

1 - легкие аэроионы. Это быстроподвижные частицы. Их средняя скорость в электрическом поле с градиентом 1В/см равна 1-2м/сек. О том, что собой представляют эти частицы спорят до сих пор. По некоторым публикациям это ионы кислорода… но время жизни одинокого иона кислорода, согласно справочнику, составляет 10^-9сек. Это ни как не согласуется со значительно более продолжительным временем жизни легких аэроионов – от 0,1 до 10 сек в зависимости от влажности и запыленности окружающего атмосферного воздуха.

2 - средние аэроионы или аэроионы И.Поллока обладают значительно меньшей подвижностью. Их средняя скорость в электрическом поле с градиентом 1В/см равна 0,01м/сек. Предположительно это значительные скопления молекулярных ионов на поверхности твердой или жидкой наночастицы. В чистом воздухе их концентрация существенно уменьшается, но не исчезает совсем.

3 - тяжелые аэроионы или аэроионы П. Ланжевена. Их средняя скорость в электрическом поле с градиентом 1В/см равна 0,001м/сек. Это заряженные микрочастицы пыли и воды. Одна такая частица может нести на себе до тысяч элементарных зарядов. В совершенно чистом воздухе их концентрация падает до нуля. Это уже псевдоаэроионы – просто наэлектризованные жидкие или твердые частицы, взвешенные в воздухе.

4 – группа тяжелых аэроионов постепенно переходит в группу сверхтяжелых аэроионов, которые называются аэрозолями. Это заряженные или нейтральные частицы тумана, копоти, пыли. Такие частицы могут нести на своей поверхности большое число элементарных зарядов.

Автоэлектронная эмиссия в воздухе практически не изучалась.

В основном изучена автоэлектронная эмиссия в вакууме.

Теория эмиссии электронов с поверхности металла основана на предположении, что электроны в зоне проводимости ведут себя как свободные частицы, чье движение в объеме металла ограничено только силами двойного электрического слоя на границе металл-вакуум. Существование этого слоя приводит к скачку потенциальной энергии, в результате чего электрон отражается от границы металл-вакуум, если его энергия недостаточна для преодоления потенциального барьера. Работа, которую должен затратить электрон на преодоление этого барьера носит название работы выхода.

Однако можно создать электрическую ситуацию, существенно сужающую потенциальный барьер. При наличии внешнего электрического поля потенциальный барьер снижается по величине, приобретает конечную ширину и появляется вероятность туннелирования электрона сквозь барьер. Чем выше напряженность внешнего электрического поля тем ниже и уже потенциальный барьер и вероятность его преодоления для электрона выше, рис.1.

В рамках этой модели плотность тока автоэмиссии можно выразить некой упрощенной формулой достаточной для практического применения:

lg j = 10,188 – 0,297 Ө (Ф^3/2 / Е ) + lg (Е² / Ф ) (1)

где

j – плотность тока, А/см²;

Ф – работа выхода электрона из металла, эВ;

Е – напряженность электрического поля в приповерхностной области автокатода, В\Е;

Ө - специальная функция (функция Нордгейма) числовое значение которой лежит в диапазоне от 0,44 (слабое поле) до 0,11 (сильное поле).

Рис.1. Потенциальная энергия Е электрона вблизи поверхности раздела металл/вакуум: Е1 - в отсутствии электрического поля; Е2 – слабое внешнее электрическое поле; Е3 – сильное внешнее электрическое поле; Е4 - энергия соответствующая отсутствию сил изображения; ЕF – уровень энергии Ферми; Ф – работа выхода электрона; Х1 – Х2 – ширина потенциального энергетического барьера при сильном электрическом поле достаточном для туннелирования электронов.

Напряженность электрического поля Е, которая входит в формулу (1), непосредственно не измеряется. Она зависит от приложенного напряжения и от форм-фактора автоэмиттера:

Е= U (2)

где

 – коэффициент пропорциональности, называемый форм-фактором и зависящий от формы эмиттирующей поверхности,

U – напряжение, приложенное к автокатоду.

Хотелось бы обратить внимание на то, что электрон, прошедший сквозь потенциальный барьер в представлении волновой функции де Бройля, не совсем идентичен своему состоянию до барьера. Качественный характер решений уравнения Шредингера, описывающего прохождение электрона сквозь потенциальный барьер конечной толщины, проиллюстрированы на рис. 2. До барьера, область 1, электрон как волновая функция ₁(х), обладает определенным импульсом (частотой) и амплитудой. Внутри потенциального барьера волновая функция ₂(х) отлична от нуля, хотя и не соответствует плоской волне. После прохождения потенциального барьера волновая функция ₃(x) будет опять иметь вид волны де Бройля с тем же импульсом, т. е. с той же частотой, но с меньшей амплитудой. Чем ширина барьера уже, т.е. чем внешнее электрическое поле, приложенное к автокатоду выше, тем амплитуда волны де Бройля для электрона прошедшего потенциальный барьер больше.

Рис.2. Иллюстрация качественного состояния электрона, как волновой функции, при его туннелировании сквозь потенциальный барьер: 1 – до барьера (внутри металла автокатода); 2 – внутри барьера конечной толщины; 3 – после барьера (вне металла автокатода).