1. Електричний струм у вакуумі. Термоелектронна емісія

У трубках телевізорів, радіолампах, установках для плавлен­ня металу електронним променем, багатьох інших установках електрони рухаються у вакуумі. Яким чином одержують потоки електронів у вакуумі? Як керують цими потоками?

Ми знаємо, що в металах є електрони провідності. Середня швидкість руху цих електронів залежить від температури металу: вона тим більша, чим вища температура. Помістимо у вакуумі на певній відстані один від одного два металеві електроди — анод та катод і створимо між ними певну різницю потенціалів. Струму в колі не буде, що свідчить про відсутність у просторі між електродами вільних носіїв елек­тричного заряду. Отже, хоча в металах і є вільні електрони, вони утримуються всередині металу і за звичайних температур практично не можуть виходити з нього. Щоб електрони змогли вийти за межі металу (подібно до вилітання молекул за межі рідини під час випаровування), вони мають подолати сили електростатичного притягання з боку

над­лишку позитивного заряду, який виникає в металі внаслідок вилітання електронів, а також сил відштовхування з боку електронів, які вилетіли раніше і утворили поблизу поверхні металу електронну «хмарку». Інакше кажучи, для вилітання електрона з металу у вакуум він має виконати певну роботу А проти цих сил, яка, природно, різна для різних металів. Цю роботу називають роботою виходу електронів з металу. Робота вихо­ду виконується електронами за рахунок їхньої кінетичної енергії. Тому зрозуміло, що повільні електрони вирватися з металу не можуть, а вириваються лише ті, кінетична енергія яких £_к пере­вищує роботу виходу, тобто Е_к > А. Вихід вільних електронів з металу називають емісією електронів.

Щоб існувала емісія електронів, необхідно надати електронам провідності металу кінетичної енергії, достатньої для виконання роботи виходу. Залежно від того, яким способом надається електронам необхідна кінетична енергія, розрізняють різні типи електронної емісії. Якщо енергія надається електронам провідності за рахунок бомбардування металу ззовні якимись іншими частинками (електронами, іонами), має місце вторинна електронна емісія. Емісія електронів може відбуватися під впливом опромінення металу світлом. У цьому випадку спостерігається фотоемісія, або фотоелектричний ефект. Можливе також виривання електронів з металу під дією сильного електричного поля — автоелектронна емісія. Нарешті, електрони можуть набу­вати кінетичної енергії за рахунок нагрівання тіла. У цьому випадку кажуть про термоелектронну емісію.

Розглянемо детальніше явище термоелектронної емісії та його застосування.

За звичайних температур мізерна кількість електронів може мати кінетичну енергію, порівнянну з роботою виходу електронів з металу. З підвищенням температури кількість таких електронів зростає і під час нагрівання металу до температур порядку 1000 — 1500 С вже значна кількість електронів матиме кінетичну енергію, яка перевищить роботу виходу з металу. Саме ці елек­трони можуть вилетіти з металу, але вони не віддаляються від його поверхні, оскільки метал при цьому заряджається пози­тивно і притягує електрони. Тому нагрітий метал виявляється оточеним «хмаркою» електронів. Частина електронів з цієї «хмарки» повертається назад у метал, і в той же час з металу вилітають нові електрони. При цьому між електронним «газом» у металі і електронною «хмаркою» встановлюється динамічна рівновага, коли кількість електронів, які вилетіли з металу за певний час, зрівняється з кількістю електронів, які за той самий час повертаються з «хмарки» в метал.