Контрольные вопросы

1. Что называется работой выхода электрона?

2. Какова природа сил, удерживающих электрон в металле?

3. Нарисуйте и объясните вольт-амперные характеристики диода.

4. Что такое ток насыщения и как он зависит от температуры?

5. Объясните физическую природу закона трех вторых.

Литература:

[1] §104, 105. [2] §18.5/ [3] т.2 - §5.10, 5.11, 5.12. [6] т.3, гл.9. [9] гл.35. [10] [11]

Вариант 2 (старая установка)

Цель ра­бо­ты: ис­сле­до­вать вольт­ам­пер­ную и тем­пе­ра­тур­ную ха­рак­те­ри­сти­ки ва­ку­ум­но­го дио­да, а так­же оп­ре­де­лить ра­бо­ту выхода элек­тро­нов из ме­тал­ла.

Обо­ру­до­ва­ние: ва­ку­ум­ный ди­од, циф­ро­вые при­бо­ры Щ4313 для из­ме­рения то­ков и на­пря­же­ний, по­тен­цио­мет­ры, ис­точ­ник по­сто­ян­но­го то­ка.

Тео­ре­ти­че­ское вве­дение

На­ли­чие сво­бод­ных элек­тро­нов в ме­тал­лах при­во­дит к то­му, что при со­об­ще­нии элек­тро­нам не­ко­то­ро­го до­пол­ни­тель­но­го ко­ли­че­ст­ва энер­гии они мо­гут по­ки­нуть пре­де­лы ме­тал­ла, пре­одо­лев по­тен­ци­аль­ный барь­ер на его гра­ни­це. Это яв­ле­ние на­зы­ва­ет­ся элек­трон­ной эмис­си­ей. Та­ким об­ра­зом, вбли­зи по­верх­но­сти ме­тал­ла об­ра­зу­ет­ся элек­трон­ное об­ла­ко, ко­то­рое на­хо­дит­ся в ди­на­ми­че­ском рав­но­ве­сии с элек­трон­ным га­зом внут­ри ме­тал­ла. Яв­ле­ние об­ра­зо­ва­ния элек­трон­но­го об­ла­ка вбли­зи по­верх­но­сти ме­тал­ла из-за те­п­ло­во­го дви­же­ния сво­бод­ных элек­тро­нов бы­ло от­кры­то анг­лий­ским фи­зи­ком О.У.Ри­чард­со­ном (1879-195­9гг) и на­зва­но тер­мо­электрон­ной эмис­си­ей.

Ес­ли вбли­зи по­верх­но­сти ме­тал­ла су­ще­ст­ву­ет элек­три­че­ское по­ле, то электрон­ные об­ла­ка при­хо­дят в дви­же­ние и поя­вит­ся элек­три­че­ский ток, на­зывае­мый тер­мо­элек­трон­ным. Си­ла то­ка рас­тет с уве­ли­че­ни­ем раз­но­сти по­тенциа­лов по за­ко­ну Бо­гу­слав­ско­го-Лэн­гмю­ра ("за­кон трех вто­рых" ):

,

где с - за­ви­сит от фор­мы и раз­ме­ров элек­тро­дов (рис.18).

Рис. 18.

Глав­ным фи­зи­че­ским фак­то­ром, влияю­щим на не­ли­ней­ность вольт-ам­пер­ной ха­рак­те­ри­сти­ки (ВАХ) дио­да (рис. 18), яв­ля­ет­ся объ­ем­ный за­ряд в при­ка­тод­ном про­стран­ст­ве. Вбли­зи ка­то­да объ­ем­ный за­ряд умень­ша­ет си­лы, дей­ст­вую­щие на элек­тро­ны, а в ок­ре­ст­но­сти ано­да эти си­лы не­сколь­ко уве­ли­чи­ва­ют­ся. По­доб­ное яв­ле­ние ха­рак­тер­но для всех элек­тро­ва­ку­ум­ных при­бо­ров.

При дос­та­точ­но боль­шой раз­но­сти по­тен­циа­лов на­блю­да­ет­ся от­клоне­ние от за­ко­на "трех вто­рых". С воз­рас­та­ни­ем анод­но­го на­пря­же­ния, темп рос­та анод­но­го то­ка за­мед­ля­ет­ся и за­ви­си­мость I_a = f(U_a) вы­хо­дит на участок близкий к горизонтальному, оп­ре­де­ляю­щий зна­че­ние то­ка на­сы­ще­ния при дан­ной тем­пе­ра­ту­ре Т ка­то­да. По­яв­ле­ние точ­ки пе­ре­ги­ба и го­ри­зон­таль­но­го уча­ст­ка на ВАХ (рис. 18) объясняется рез­ким уменьше­ни­ем ве­ли­чи­ны объемной плот­но­сти за­ря­да при боль­шом на­пря­же­нии. У оксидных катодов насыщение выражено наименее явно.

Чис­ло элек­тро­нов в ме­тал­ле, спо­соб­ных пре­одо­леть по­тен­ци­альный барь­ер на по­верх­но­сти ка­то­да, уве­ли­чи­ва­ет­ся при по­вы­ше­нии темпе­ра­ту­ры. Плотность то­ка на­сы­ще­ния так­же силь­но за­ви­сит от тем­пе­рату­ры и вы­ра­жа­ет­ся фор­му­лой Ри­чард­со­на - Дэш­мэ­на

, где T - тем­пе­ра­ту­ра ме­тал­ла (K); A_вых - ра­бо­та вы­хо­да элек­тро­нов из ме­тал­ла; k = 1,38 ^.10^23 Дж/К - по­сто­ян­ная Больц­ма­на; B = 1,2610⁵ А/м²К². Для оксидных катодов В=10÷100 А/м²К²

Рис. 19.

Та­ким об­ра­зом, си­ла то­ка на­сы­ще­ния силь­но зави­сит от ра­бо­ты вы­хо­да элек­тро­нов из ме­тал­ла. Для чис­тых ме­тал­лов зна­чи­тель­ный ток мо­жет быть по­лу­чен лишь при тем­пе­ра­ту­ре по­ряд­ка 2000 К. Од­но­вре­мен­но же­ла­тель­но, что­бы их ра­бо­та вы­хо­да бы­ла как мож­но мень­ше. Для по­вы­шения эмис­си­он­ной спо­соб­но­сти на ка­тод на­но­сит­ся мо­но­атом­ный слой ще­лочно­зе­мель­ных ато­мов, зна­чи­тель­но по­ни­жаю­щих ра­бо­ту вы­хо­да. Ра­бо­та вы­хо­да А_вых оп­ре­де­ля­ет­ся гра­фоа­на­ли­ти­че­ским ме­то­дом. Фор­му­лу для j_нас удоб­но пред­ста­вить в ви­де

Как видно из графика (рис. 19) за­ви­си­мость = f(¹/_Т) - пря­мая ли­ния. По уг­лу нак­ло­на пря­мой оп­ре­де­ля­ет­ся ра­бо­та вы­хо­да A_вых :

По пе­ре­се­че­нию пря­мой с осью ор­ди­нат вы­чис­ля­ет­ся lnB.