1.12. Электрический ток в вакууме
Рис. 1.8
При любой температуре
электроны в металлах совершают тепловые
хаотические движения. Некоторые из них
могут покинуть металл. Чтобы покинуть
металл, электрон должен совершить
некоторую работу, называемую работой
выхода. Согласно зонной
теории проводимости твердых тел работа
выхода отсчитывается от уровня Ферми
до поверхности металла с вакуумом. После
того как электрон выйдет из металла в
вакуум, он индуцирует на поверхности
его заряды противоположного знака.
Поэтому между электроном и поверхностью
возникает кулоновская сила притяжения,
стремящаяся вернуть его обратно.
Некоторые из электронов могут удалиться
от поверхности на расстояние порядка
1010
м, образуя электронное облако. В результате
возникает двойной электрический слой
подобно электрическому полю конденсатора.
На преодоление электрического поля
этого слоя и требуется совершение
электроном работы выхода. При повышении
температуры металла (или другого
вещества) кинетическая энергия теплового
движения электронов, находящихся вблизи
уровня Ферми,
увеличивается. Поэтому возрастает
вероятность того, что некоторые из
электронов могут преодолеть задерживающий
потенциал на границе металл - вакуум и
выходить из него. Если в вакууме существует
электрическое поле, вектор напряженности
которого направлен к поверхности
металла, то оно будет увеличивать число
электронов, покидающих металл, и через
вакуум потечет электрический ток. Такой
ток называют термоэлектронным, а явление
испускания электронов нагретыми
металлами -
термоэлектронной эмиссией.
В зависимости от механизма получения
электронами энергии, достаточной для
совершения работы выхода, различают
несколько видов электронной эмиссии:
термоэлектронную,
фотоэлектронную
(внешний фотоэффект),
вторичную электронную эмиссию,
ионно-электронную, автоэлектронную.
Термоэлектронную эмиссию можно наблюдать
в установке с вакуумным диодом,
представляющей собой стеклянный баллон,
в который впаяны два электрода: катод
в виде нити и анод. На рис. 1.8 приведена
вольт -
амперная характеристика такого диода,
где IS
-
ток насыщения, когда все испускаемые
катодом электроны достигают анода.
Плотность термоэлектрического тока
насыщения зависит от материала катода,
увеличивается с повышением его
температуры и описывается формулой
Ричардсона -
Дешмана:
(1.43)
где В -
константа; АВ
-
работа выхода; k
-
постоянная Больцмана.
Если пользоваться
моделью идеального электронного газа,
который подчиняется статистике
Ферми-Дирака,
то константа
одинакова для всех
металлов.
На участке АБ
плотность тока описывается формулой
Богуславского
Ленгмюра:
(1.44)
где С =
;
-
расстояние между анодом и катодом; U
-
приложенное напряжение; m
-
масса электрона.
Для увеличения
срока работы используют катоды с
косвенным подогревом и оксидным покрытием
веществами, у которых работа выхода
электронов меньше. Например, ВаО и SrO
и СаО и др.
