12.2 Электрический ток в вакууме, в жидкостях

И В ГАЗАХ

12.2.1 Явление термоэлектронной эмиссии. Вакуумный диод

Термоэлектронной эмиссией называется явление испускания электронов нагретыми металлами.

Электронный газ в металле характеризуется средней кинетической энергией хаотического (теплового) движения отдельных электронов. Однако при комнатной температуре этой энергии недостаточно для совершения работы против сил притяжения со стороны ионов кристаллической решётки, поэтому электроны не могут вырваться из металла. Нагрев приводит к повышению средней кинетической энергии электронов, при этом часть из них становится способна преодолеть силы притяжения со стороны ионов решетки и вылететь из металла.

Явление термоэлектронной эмиссии лежит в основе работы вакуумных электронных ламп, простейшей из которых является вакуумный диод.

При нагреве катода (отрицательного электрода, см. рис. 12.7.а) электроны начинают вылетать из него; если же между катодом и анодом (положительный электрод) существует электрические поле, часть электронов устремляется к аноду, а часть всё же возвращается на катод. При увеличении анодного напряжения U ток через диод возрастает до тех пор, пока все вылетающие из катода электроны не станут достигать анода; после этого вольтамперная характеристика диода (рис. 12.7.б) выйдет на насыщение.

Увеличить ток насыщения можно, повысив температуру накала катода. Температура возрастает – увеличивается число электронов, способных вылететь из катода – ток насыщения становится больше. Зависимость плотности тока насыщения вакуумного диода от температуры катода описывается формулой Ричардсона-Дэшмена:

j  BT². (12.12)

В этой формуле A_ВЫХ – работа выхода (минимальная работа, которую должен совершить электрон с тем, чтобы преодолеть силы притяжения со стороны ионов кристаллической решётки и вылететь из металла). Величина A_ВЫХ зависит, прежде всего, от природы металла и от наличия в нём примесей, её значение можно найти в соответствующих таблицах. Коэффициент B отражает зависимость плотности тока насыщения от особенностей конструкции лампы, размеров и формы электродов.

Нетрудно заметить, что вакуумный диод – пример элемента электрической цепи, не подчиняющийся закону Ома: его вольтамперная характеристика нелинейна (если бы для диода закон Ома, согласно которому I  U выполнялся, то график вольтамперной характеристики имел бы вид, изображённый на рис. 12.7.б пунктиром). Во-первых, в отличие от резистора, диод пропускает ток лишь в одном направлении (когда катод имеет отрицательный потенциал). Это свойство диода используется в радиотехнике для выделения из переменных сигналов компонент лишь одной полярности. Во-вторых, ток через диод с ростом U выходит на насыщение, чего также нельзя сказать о токе через резистор. Даже при малых значениях напряжения между анодом и катодом рост силы тока происходит быстрее, чем в законе Ома. На начальном участке вольтамперной характеристики диода выполняется «закон трёх вторых», согласно которому при не слишком больших U

I  . (12.13)

Более подробно с работой простейших вакуумных ламп (диода и триода) многие из вас ознакомятся при выполнении лабораторного практикума.