Термоэлектронная эмиссия

Работа выхода

В металлах имеются электроны проводимости, участвующие в хаотическом тепловом движении. Так как электроны проводимости удерживаются внутри металла, то значит, вблизи поверхности существуют силы, действующие на электроны и направленные вглубь металла.

Чтобы электрон мог выйти из металла за его пределы, должна быть совершена определенная работа против этих сил, которая получила название работы выхода электрона из металла.

Работой выхода электрона из металла называется работа, которую надо совершить для удаления электрона из металла в безвоздушное пространство.

Работа выхода совершается электроном за счет уменьшения их кинетической энергии. Поэтому медленно движущиеся электроны вырваться из металла не могут. Естественно, что работа выхода для различных металлов различна.

Электроны металла при своем тепловом движении способны удаляться с поверхности металла на расстояние, не превышающее атомных размеров. Как только электроны выходят наружу, весь кусок металла заряжается положительно и втягивает их обратно. Таким образом, весь металл оказывается окруженным тонким облаком электронов, покидающих поверхность металла и возвращающихся обратно.

В результате у поверхности металла образуется как бы заряженный конденсатор, отрицательной обкладкой которого является электронная атмосфера, окружающая проводник, а положительной – слой ионов металла. Этот заряженный конденсатор носит название двойного электрического слоя.

Обозначим разность потенциалов на обкладках этого конденсатора через . Работа, необходимая для вырывания из металла неподвижного электрона, т.е. не обладающего кинетической энергией равна

.

На эту величину потенциальная энергия электрона, вышедшего из металла, будет превышать его потенциальную энергию внутри металла.

Будем считать потенциальную энергию электрона вне металла равной нулю. Тогда внутри металла потенциальная энергия будет отрицательной величиной, равной . Изменение потенциальной энергии от 0 до значения происходит на границе металла, на длине порядка нескольких межатомных расстояний, т.е. почти скачкообразно.

Изменение потенциальной энергии электронов в различных частях проводника в отсутствии тока можно наглядно проиллюстрировать следующей диаграммой:

Г рафик этот носит название потенциальной ямы.

Для того, чтобы электрон мог преодолеть силы, притягивающие его к ионной решетке металла, т.е. выйти из потенциальной ямы, и удалиться из металла, необходимо затратить некоторую энергию. Максимальная энергия, которую может иметь электрон внутри металла, недостаточна для этого. Поэтому для преодоления потенциальной ямы к электрону необходимо приложить внешние силы или сообщить ему дополнительное количество энергии.

Электроны, удаляясь с поверхности металла, создают вблизи поверхностного слоя электрическое поле. Работа выхода связана с напряженностью электрического поля в поверхностном слое металла соотношением:

.

Здесь интегрирование производится от какой-либо точки, взятой внутри металла, до точки, расположенной очень далеко от его поверхности.

Чистые металлы имеют работу выхода в пределах 1,8÷5,3 Эв. Примеси снижают работу выхода.

Удаление электронов с поверхности металла (эмиссию) можно получить следующими способами:

1. Нагреть металл до очень высокой температуры и тем увеличить число электронов, приобретающих при тепловом движении большие скорости (термоэлектронная эмиссия);

2. Воспользоваться сильным электрическим полем, которое подхватывало бы электроны из поверхности металла. Такая эмиссия называется холодной или автоэлектронной;

3. Произвести облучение поверхности металла световыми, ультрафиолетовыми, рентгеновскими и другими лучами, энергия которых поглощается электронами. Такой способ эмиссии электронов называется фотоэлектрическим эффектом (фотоэлектронная эмиссия);

4. Произвести бомбардировку поверхности металла электронами, ионами или другими частицами. Эмиссия обуславливается тем, что число вылетающих электронов превышает в несколько раз число бомбардирующих частиц. Такой способ называют вторичной электронной эмиссией.

Термоэлектронная эмиссия

Термоэлектронной эмиссией называется испускание электронов нагретыми телами.

П ри нагревании металла возрастает кинетическая энергия электронов проводимости и многие из них могут совершить работу выхода из металла.

Исследование термоэлектронной эмиссии удобно производить с помощью следующей схемы.

Основным элементом схемы является двухэлектродная лампа или диод. Он состоит из катода К, выполненного в виде тонкой прямой нити и анода А, представляющего собой коаксиальный с нитью цилиндр.

К атод и анод впаяны в стеклянный баллон, внутри которого создан высокий вакуум.

Катод нагревается электрическим током от батареи накала Б_н . ток накала регулируется реостатом накала R_н. на электроды подается напряжение от анодной батареи Б_а. Величину анодного напряжения можно изменять с помощью потенциометра R_а измерять вольтметром V. Сила анодного тока измеряется гальванометром Г.

Е сли установить и снять зависимость , то получим кривую, которая называется вольт-амперной характеристикой.

При вылетевшие из катода электроны образуют вокруг него отрицательный пространственный заряд – электронное облако. Это облако отталкивает вылетающие из катода электроны и бо́льшую их часть возвращает обратно. Лишь небольшое число электронов долетает до анода, в результате чего в анодной цепи течет слабый ток. Чтобы полностью прекратить попадание электронов на анод, необходимо приложить между анодом и катодом некоторое отрицательное напряжение. Этим объясняется, что вольт-амперная характеристика начинается не в нуле, а немного левее начала координат.

С увеличением напряжения на аноде электронное облако постепенно рассасывается, и анодный ток растет до значения . Максимальный термоэлектронный ток, возможный при данной температуре катода, называется током насыщения.

До наступления насыщения зависимость силы тока через лампу от приложения разности потенциалов между анодом и катодом выражается формулой Лэнгмюра-Богуславского:

.

Коэффициент пропорциональности В зависит от формы, размеров и относительного расположения катода и анода.

Иначе этот закон еще называется законом трех вторых.

Для увеличения тока насыщения необходимо увеличить число электронов, вылетающих в единицу времени из катода. Это значит, что надо повысить температуру катода, усилив ток накала. Вольт-амперные характеристики диода при разных температурах приведены на следующем графике:

Для токов насыщения представляет интерес не сила тока насыщения, а его плотность:

,

где - поверхность катода.

Плотность тока насыщения не зависит от напряжения на аноде и определяется по формуле Ричардсона:

,

где - работа выхода;

- константа, не зависящая от рода металла; величина ее равна .

В радиотехнике и устройствах по автоматическому управлению различными процессами широкое применение получили электронные лампы , в которых используется поток электронов, текущих от нагреваемого катода к аноду.

Эти лампы применяются для:

1. выпрямления переменных токов;

2. усиления слабых колебаний токов или потенциалов;

3. генерирования электромагнитных колебаний.

В ыпрямление переменных токов основано на свойстве диодов пропускать ток только в одном направлении. Диод, действующий как выпрямитель, называется кенотроном.

Схема включения кенотрона и график выпрямленного тока изображены на следующем рисунке.

П олученный выпрямленный ток носит название однополупериодного, пульсирующего.

Если в цепь включить два кенотрона или один кенотрон с двумя анодами, то можно получить двухполупериодное выпрямление.

Схема включения и график выпрямленного тока изображены ниже.

П ервичная обмотка трансфор-матора питается переменным током. Вторичных обмоток две: меньшая - служит для накала катода, большая - имеет средний вывод, который через нагрузку соединен с катодом. Концы обмотки ІІ – соединены с анодами. Одну половину периода под более высоким потенциалом, чем катод, находится один анод, вторую половину – другой. В результате, через нагрузку течет выпрямленный пульсирующий ток.

Усиление слабых колебаний токов и потенциалов производится при помощи электронных ламп, у которых между катодом и анодом помещен дополнительный электрод – сетка. Такая лампа называется триодом.

Обычно сетка представляет собой спиральную проволочку, окружающую прямолинейный катод. Ось цилиндрического анода совпадает с осью катода.

Принципиальная схема включения триода изображена на рисунке.

Е сли сообщить сетке положительный потенциал по отношению к катоду, то движение электронов от катода к аноду убыстряется и анодный ток растет. Если же потенциал сетки отрицателен по отношению к катоду, то движение электронов к аноду замедляется и анодный ток уменьшается. При большом отрицательном напряжении на сетке анодный ток прекращается – лампа заперта.

Таким образом, сетка позволяет усиливать или ослаблять анодный ток.

Для улучшения действия электронной лампы в нее вводятся дополнительные сетки. Лампа с двумя сетками называется тетродом или четырехэлектродной лампой. Лампа с тремя сетками называется пентодом или пятиэлектродной лампой.