Работа выхода электрона

Работу, которую совершает электрон для выхода с поверхности катода в вакуум, называют работой выхода А_в. Она измеряется в электрон-вольтах (1эВ = 1.6*10^-19 Дж). Величина А_в зависит от химической природы катода и температуры его поверхности. Зависимость А_в от температуры поверхности слабая, и в дальнейшем описании она не учитывается.

Для чистых металлов А_в может составлять несколько электрон-вольт. Нанесение на металлический катод окислов некоторых веществ (например, бария) уменьшает работу выхода электрона и может вызвать усиление эмиссии электронов (активацию катода).

При комнатной температуре (~300 К) эмиссия электронов, вылетевших из катода за счет запаса своей кинетической энергии, чрезвычайно мала. С увеличением температуры накала катода Т_н возрастает запас кинетической энергии электронов, находящихся внутри катода, и эмиссия электронов становится более интенсивной. Количество электронов, вышедших из катода в единицу времени, зависит от величины работы выхода электрона А_в и температуры накала Т_н.

Процессы вблизи поверхности катода

Электроны проводимости внутри катода находятся в беспорядочном тепловом движении. Те из них, которые оказываются вблизи поверхности катода и обладают при этом достаточно большой кинетической энергией при данной температуре, могут покидать катод, переходя в вакуум. Каждый выходящий электрон расходует запас своей энергии на преодоление сил притяжения со стороны избыточного положительного заряда, возникающего на поверхности катода в результате вылета электрона, и сил отталкивания со стороны ранее вылетавших электронов. Покинувшие катод электроны (эмитированные катодом) располагаются вблизи поверхности катода, образуя «электронное облако».

При постоянной температуре накала катода между электронами внутри его поверхности и «электронным облаком»

устанавливается динамическое равновесие. Такое равновесие означает состояние, при котором электроны, подошедшие близко к поверхности катода, могут втягиваться внутрь него, но тотчас другие электроны эмитируются поверхностью. Таким образом, количество электронов в «облаке» не изменяется, а число их, втянутых в единицу времени на каждой единице поверхности катода, и количество электронов, эмитированных за единицу времени с единицы поверхности, в среднем одинаково.

Не скомпенсированный положительный заряд поверхности катода и «электронное облако» вблизи нее образуют двойной электрический слой, подобный конденсатору толщиной в несколько межатомных расстояний

( см).

Если анод А диода (2) присоединить к положительному полюсу источника постоянного тока Еа, а катод — к отрицательному , то электроны из «электронного облака» приобретут скорость направленного движения к аноду. Как только первые электроны покинут «облако», динамическое равновесие нарушится, накаливаемый катод восстановит его, эмитируя новые электроны взамен ушедших к аноду и т.д.

Вольтамперная характеристика диода

Зависимость анодного тока от напряженияU_a между катодом и анодом при постоянной температуре накала Т_н называется вольтамперной характеристикой диода (рис. 3).

Электроны из электронного облака под действием электрического поля между катодом и анодом образуют электрический ток , который можноизмерить миллиамперметром (mА на рис. 2). Направление этого тока противоположно направлению движения электронов. Чем больше напряжение U_a, тем больше напряжённость Е электрического поля между катодом и анодом и, следовательно, больше сила F _e, действующая на каждый электрон с зарядом е (F_e = - еЕ) и сообщающая ему скорость направленного перемещения. Поэтому, с увеличением U_a большее число электронов достигает анода в единицу времени, и ток возрастает.

Возрастание тока с увеличениемU_a не подчиняется линейному закону. Это означает, что внутреннее сопротивление диода R_a в анодной цепи не является постоянным, а зависит от электронного облака и напряженности поля между К и А. К таким участкам цепей нельзя применять закон Ома в интегральной форме. Анализ процессов внутри диода можно проводить, опираясь на формулу:

j = -env (1)

где j - вектор плотности тока (А/м² ),е- заряд электрона (Кл), n- плотность электронов (1/м³) и v— вектор скорости электронов.

Богуславский и Ленгмюр независимо друг от друга показали, что для начальной области вольтамперной характеристики диода справедливо соотношение:

(2)

где с — коэффициент пропорциональности, зависящий от формы, размеров и расположения электродов. Формула (2) носит название закона Богуславского -Ленгмюра или «закона 3/2». «Закон 3/2» справедлив до тех пор, пока существует электронное облако вблизи катода. Тогда говорят, что диод работает в режиме пространственного заряда.

Когда анодное напряжение становится настолько большим, что всеэлектроны, эмитируемые катодом в единицу времени, попадают на анод (электронное облако отсутствует), ток достигает своего максимальногозначения, называемого током насыщения. Величина тока насыщения _нас зависит от природы катода и температуры накала Т_н. Чем выше T_н> тем интенсивнее эмиссия электронов и больше _нас. Температуру накала катода T_н можно изменить, изменяя ток накала, который регулируется напряжением накала U_н.

Зависимость плотности тока насыщения _нас от параметров процессов в диоде выражается формулой Ричардсона-Дешмана:

(3)

где В — эмиссионная постоянная, Т_н — температура накала катода, А_в - работа вывода электрона с поверхности катода и к — постоянная Больцмана.

Если аноду А сообщить отрицательный потенциал (рис. 2), а катоду К -положительный, то электрическое поле будет тормозить даже те электроны, которые покидали поверхность катода с начальной скоростью, отличной от нуля. При некотором сравнительно малом обратном напряжении U_a (т.е. )ток станет равным нулю. В этом случае говорят, что лампа «заперта».

Таким образом, диод может пропускать ток только в одном направлении, когда электроны движутся от катода к аноду, и не пропускают его в обратном направлении. Это свойство диода называют односторонней проводимостью. Такого рода устройство, пропускающее ток только в одном направлении, называют электрическими вентилями. Они широко применяются для выпрямления переменного тока, т.е. превращения его в постоянный ток. Вакуумные диоды, специально приспособленные для этой цели, в технике называют кенотроны.

Электронные лампы более сложного типа, нашедшие широкое применение в радиотехнике, автоматике и ряде других отраслей техники, содержат кроме накаленного катода, как источника электронов, и собирающею эти электроны анода, еще дополнительные электроды в виде сеток, помещаемых между катодом и анодом.