1. Термоелектронна емісія. Залежність струму насичення від температури

Явище виходу електронів з металів називають емісією. Емісія електронів може відбуватись при бомбардуванні поверхні металу електронами або іонами (вторинна електронна емісія) під дією світла, що падає на метал (фотоелектронна емісія) і внаслідок тепло­вого руху електронів провідності. Емісію, зумовлену тепловим рухом електронів, називають термоелектронною.

Електрони в металах, перебуваючи в тепловому русі, розподілені за швидкостями так, що при довільній температурі завжди є електро­ни з енергією, достатньою для переборення потенціального бар'єра (виконання роботи виходу). Такі електрони вириваються (емітують) з металу, утворюючи навколо нього електронну хмару. Якщо у ваку­умі, де розміщується нагрітий метал, існує електричне поле, напру­женість якого напрямлена до поверхні металу, то виникає електрич­ний струм. Його називають термоелектронним. Явище термоелек­тронної емісії відкрив у 1883 р, американський винахідник у галузі електротехніки Т. Едісон (1847—1931), Це явище зручно спостерігати за допомогою вакуумної лампи з двома електродами, яку називають вакуумним діодом. Один з електродів (катод) являє собою дріт із ту­гоплавкого металу (вольфрам, молібден тощо), який розжарюється електричним струмом. Другий електрод — анод. Здебільшого анод має форму циліндра, уздовж осі якого розміщено катод.

Якщо катод холодний, то з увімкненням діода в електричне коло

(рис. 1) струму в колі не буде. Це пояснюється тим, що досить розріджений газ усередині діода (вакуум) не містить заряджених час­тинок. Тому електропровідність вакуумного діода дорівнює нулеві.

У разі нагрівання катода за допомогою додаткового джерела струму до високої температури міліамперметр виявляє виникнення струму за умови, що позитивний полюс батареї G_a з'єднаний з анодом, а не­гативний — з катодом. При зміні полярності батареї G_a струму в колі не буде. Це свідчить про те, що носіями заряду у вакуумі є негативно заряджені частинки. Цими частинками є електрони, оскільки ніяких хімічних перетворень біля електродів за наявності термоелектронно­го струму не відбувається.

Якщо збільшувати напругу між катодом і анодом при постійній температурі розжарювання катода, то сила термоелектронного струму спочатку також буде збільшуватись (рис. 2). Проте залежність сили струму від напруги (вольт-амперна характеристика діода)

має нелінійний характер, тобто закон Ома для вакуумного діода не виконується. При наступному збільшенні анод­ної напруги сила термоелектронного струму досягає деякого макси­мального значення, яке називають струмом насичення.

На рис. 2 лінії LP, MQ і NF зображають струми насичення того самого вакуум­ного діода для різних температур розжарювання катода (Т₁ <Т₂< Т₃). При струмі насичення всі електрони, які вилітають за одиницю часу з катода, досягають анода.

Нелінійну залежність термоелектронного струму від анодної на­пруги можна пояснити впливом просторового заряду між катодом і анодом на розподіл потенціалу в діоді.

Якщо припустити, що катод і анод є плоскими

паралельними пластинками (рис. 3), то у разі

відсутності термоелектронного струму (катод холодний) розподіл потенціалу між

катодом і анодом зображується прямою лінією 1

За наявності термоелектронного струму між катодом і анодом вини­кає просторовий заряд, який змінює розподіл потенціалу в діоді (крива 2). При такому розподілі потенціалу його значення в будь-якій площині ab буде меншим, ніж за відсутності просторово­го заряду. Внаслідок цього швидкості руху електронів за наявності просторового заряду зменшуються. Зі збільшенням анодної напруги концентрація електронів просторового заряду між катодом і анодом зменшується. Це зменшує гальмівну дію просторового заряду. Внас­лідок цього термоелектронний струм зростає.