Работа 119

Определение работы выхода электронов из металла

Цель работы: Изучение принципа действия электронной лампы, построение и изучение вольтамперной характеристики двухэлектродной лампы (диода); исследование зависимости плотности тока насыщения термоэлектронной эмиссии от температуры катода и определение работы выхода электрона из вольфрама.

Приборы и принадлежности. Универсальный лабораторный стенд, исследуемая лампа, регулируемый источник питания постоянного напряжения (ИП), миллиамперметр (PA), вольтметры (PV), блок функциональный для подключения электронной лампы (ФПЭ).

Введение

Электронная лампа представляет собой стеклянный, металлический или керамический баллон с впаянными металлическими электродами. В баллоне создается разрежение воздуха до давления порядка 10^7 мм рт. ст. (примерно 10^5 Па). Один из электродов лампы (катод) накаливается пропусканием по нему электрического тока (прямой накал) или с помощью подогревного устройства (косвенный накал) и является источником электронов, покидающих поверхность металлического электрода.

Явление испускания электронов нагретыми телами лежит в основе работы электронной лампы и называется термоэлектронной эмиссией.

Катод лампы обычно изготавливается в виде нити из тугоплавкого металла. Электрические и тепловые свойства металлов в значительной степени определяются состоянием валентных электронов, т. е. электронов проводимости, способных перемещаться в металле. Если принять, что вне металла потенциальная энергия электрона равна 0, то внутри металла она отрицательна W_П   e. Это потенциальная яма с плоским дном, что свидетельствует об эквипотенциальности объема металла. Минимальная энергия, которую необходимо сообщить электрону для удаления из металла,

А_ВЫХ  |e|∆

называется работой выхода.

Рассмотрим природу сил, препятствующих выходу электронов из металла и определяющих работу выхода А_ВЫХ Отдельные электроны проводимости, двигаясь внутри металла с большими скоростями, могут пересекать поверхность металла. Вылетевший из металла электрон удаляется от поверхности до тех пор, пока кулоновское взаимодействие с избыточным положительным зарядом, возникшим на месте, который покинул электрон, не заставит его вернуться обратно.

Постоянно одни электроны «испаряются» с поверхности металла, другие возвращаются обратно. Поэтому металл оказывается окутанным облаком электронов, образующих совместно с наружным слоем положительных ионов двойной электрический слой, подобно плоскому конденсатору. Поле двойного слоя E препятствует выходу электронов из металла.

При комнатной температуре практически все свободные электроны заперты в пределах проводника, имеется лишь небольшое количество электронов, энергия которых достаточна для того, чтобы преодолеть потенциальный барьер и выйти из металла.

Однако, электронам можно различными способами сообщить дополнительную энергию. Если электроны получают энергию за счет тепловой энергии тела при повышении его температуры, можно говорить о термоэлектронной эмиссии.

При нагревании катода электроны эмиссии образуют вокруг него отрицательный пространственный заряд, так называемое электронное облако. Вблизи катода оно удерживается кулоновскими силами, которые возникают между электронным облаком и положительно заряженным, в результате эмиссии электронов, поверхностным слоем металла.

Для наблюдения термоэлектронной эмиссии можно использовать лампу, содержащую два электрода: накаливаемый током катод и второй электрод, собирающий термоэлектроны, который называется анодом лампы. При положительном потенциале анода относительно катода электроны эмиссии движутся под действием электрического поля между катодом и анодом, и в лампе возникает электрический ток.

Присутствие пространственного заряда приводит к такому перераспределению потенциала между катодом и анодом, которое оказывает тормозящее действие на электроны. С возрастанием положительного потенциала анода плотность электронного облака постепенно уменьшается и при некотором напряжении между катодом и анодом обращается в ноль. При этом движение электронов определяется электрическим полем, зависящим только от разности потенциалов между катодом и анодом и конфигурации электродов лампы.

Диод. Простейшей электронной лампой является диод (двух электродная лампа). Для того, чтобы диод пропускал электрический ток, катод должен иметь отрицательный, а анод – положительный потенциал. Перемена знака потенциала анода позволяет «запереть» лампу, то есть прекратить прохождение тока через нее. Односторонняя проводимость диода используется для выпрямления переменного тока.

Важнейшей характеристикой диода является зависимость силы тока, текущего через лампу (анодного тока), от разности потенциалов между катодом и анодом (анодного напряжения). Её называют вольтамперной или анодной характеристикой диода (ВАХ).

Анодный ток зависит от анодного напряжения и от температуры катода. При постоянной температуре катода анодный ток I_А возрастает с увеличением анодного напряжения U_А. Поскольку механизм возникновения электрического тока в этом случае отличается от механизма возникновения тока в проводниках, то зависимость анодного тока от анодного напряжения не описывается законом Ома.

На рис. 1 представлена типичная вольтамперная характеристика диода. Для участка кривой abc характерно нелинейное возрастание анодного тока, на участке cd анодный ток почти не изменяется при увеличении анодного напряжения. Это объясняется тем, что при некотором анодном напряжении подавляющее число электронов эмиссии достигает анода, и лишь незначительная их часть рассеивается, не достигнув анода.

Максимальное значение анодного тока при данной температуре катода называется током насыщения лампы. Сила тока насыщения I_Н численно равна заряду всех электронов, испускаемых катодом в единицу времени: