20.3. Электрический ток в вакууме

Вакуум – разреженное состояние среды (столкновениями между молекулами газа можно пренебречь). Для создания носителей тока в вакууме катод подвергают какому – либо воздействию, в результате которого электроны катода начинают покидать его поверхность (явление эмиссии электронов). Основные виды эмиссии электронов представлены в таблице 20.3.1.

Таблица 20.3.1

Основные виды эмиссии электронов

Виды эмиссии	Условия возникновения
Термоэлектронная	Нагрев катода
Вторичная электронная	Бомбардировка катода электронами
Фотоэлектронная	Облучение катода светом или коротковолновым электромагнитным излучением
Ионно – электронная	Бомбардировка катода положительно заряженными ионами
Автоэлектронная	Внешнее электрическое поле (Е~107 В/м), вырывающее электроны из катода

При приложении напряжения между катодом и анодом электроны устремляются к положительно заряженному аноду – возникает электрический ток.

Для того, чтобы покинуть поверхность твердого тела (катода), электрону необходимо преодолеть потенциальный барьер. Понять происхождение барьера можно, исходя из следующих соображений.

Пусть электрон случайно (вследствие тепловых флуктуаций энергии) покинул поверхность металла. В том месте, которое покинул электрон, возникает избыточный положительный заряд ионов кристаллической решетки. Возникающие при этом силы кулоновского взаимодействия заставляют электрон, скорость которого невелика, вернуться обратно в металл. Таким образом, отдельные электроны все время покидают поверхность металла и возвращаются обратно. В результате поверхность металла окружена тонким (~10^-9 м) облаком отрицательно заряженных электронов. Это облако совместно с положительными зарядами ионов поверхностного слоя металла образует двойной электрический слой. Силы, действующие в таком слое на электрон, направлены внутрь металла, то есть препятствуют удалению электрона с поверхности. Таким образом, электрон при вылете из металла должен преодолеть задерживающее электрическое поле (потенциальный барьер), совершив работу.

Работа, которую надо затратить для удаления электрона из металла в вакуум, называется работой выхода А_вых. Работа выхода зависит от природы металла и чистоты поверхности и колеблется в пределах нескольких электрон – вольт. Типичные значения работы выхода электрона из металла представлены в таблице 20.3.2. Работа выхода уменьшается при нанесении на поверхность металла оксидной пленки.

Таблица 20.3.1

Работа выхода электронов из металла

Металл	W	W+Cs	W+Th	Pt	Pt+Cs	Ag	Li	K	Na	Cs
Авых, эВ	4,5	1,6	2,63	5,3	1,4	4,74	2,4	2,0	2,3	1,9

Чаще всего для создания тока в вакууме используется термоэлектронная эмиссия. Исследование закономерностей термоэлектронной эмиссии проводят с помощью вакуумного диода, представляющего собой откачанный баллон, содержащий два электрода: катод и анод. Как правило, катодом служит нить из тугоплавкого металла, накаливаемая электрическим током. При подаче на электроды напряжения в цепи появляется электрический ток: испускаемые катодом электроны устремляются к аноду.

Е сли поддерживать температуру накаленного катода постоянной и снять зависимость анодного тока I_A от анодного напряжения U_A, то оказывается, что она не является линейной (закон Ома не выполняется) (рис. 20.3.1).

В области малых положительных значений U вольтамперная характеристика описывается законом Богуславского – Ленгмюра:

,

где В – коэффициент, зависящий от формы и размеров электродов, а также их взаимного расположения.

Наличие тока насыщения означает, что при определенном напряжении все электроны, покидающие катод при данной температуре, достигают анода. Плотность тока насыщения определяется формулой Ричардсона – Дешмана:

, (20.3.1)

где А – работа выхода электронов из катода, Т – температура, С – эмиссионная постоянная, характерная для металла.

С повышением температуры катода возрастает интенсивность испускания электронов с его поверхности, что способствует увеличению тока насыщения. При , что свидетельствует о наличии электронов, вылетающие из катода самостоятельно (без внешнего поля). Чтобы удержать такие электроны вблизи катода, необходимо приложить «задерживающее» напряжение U_З (обратного знака).

Явление термоэлектронной эмиссии используется в электронных лампах, рентгеновских трубках, электронных микроскопах и т.п.

П ример 20.3.1. Вольфрам находится при температуре . Во сколько раз изменится удельная термоэлектронная эмиссия вольфрама, если его температура станет ?