151686 (Емісія електронів. Електричний струм в газах)

План лекції

з навчальної дисципліни

ФІЗИКА

Тема ЕМІСІЯ ЕЛЕКТРОНІВ

ОРГАНІЗАЦІЙНО-МЕТОДИЧНІ ВКАЗІВКИ ДО ПРОВЕДЕННЯ ЛЕКЦІЇ

Явище термоелектронної емісії вивчається після теми „Закони постійного струму”. Тому слід враховувати, що курсантам відомо: в металах є дуже багато вільних електронів, які рухаються хаотично і з різними (великими) швидкостями. Крім цього необхідно виділити, що вільні електрони в металі подібні молекулам ідеального газу і мають максвелівський розподіл по швидкостям. Отже в металі є частина електронів, яка рухається з швидкостями більшими ніж їх середня швидкість. Саме ці електрони і можуть вилітати із металу. Необхідно також звернути особливу увагу на практичне заняття матеріалу, що вивчається, і показати різні типи електронних ламп, електронно-променевих трубок тощо.

ВСТУП

На практиці, в тому числі в військовій техніці зв’язку широко застосовуються електронні лампи, електронно-променеві трубки різного призначення й інші прилади, в яких використовується явище термоелектронної емісії. Важливою характеристикою явища термоелектронної емісії є робота виходу електрона, а також струм насичення термоемісії. Ці та інші характеристики термоемісії і будуть розглянуті в даній лекції. Крім цього будуть розглянуті питання, які існують інші види електронної емісії і як вони враховуються і використовуються на практиці.

РОБОТА ВИХОДУ ЕЛЕКТРОНІВ ІЗ МЕТАЛУ

Для розуміння явища термоелектронної емісії, а також інших електронних явищ важливе значення має поняття роботи виходу електрона. Розглянемо це поняття.

Дослідами було виявлено, що вільними зарядами в металах являються електрони, причому вільних електронів в металах дуже багато і рухаються вони хаотично (подібно молекулам ідеального газу) з великими швидкостями . Отже, якщо швидкість будь-якого електрона буде перпендикулярна поверхні металу і він має запас кінетичної енергії, то електрон вилетить із металу і знаходитиметься поза металом певний час і потім повернеться в метал.

Розглянемо природу сил, які перешкоджають виходу електрона із метала.

При вилітанні електрона із нейтрального провідника в металі виникає індукований додатній заряд, рівний заряду електрона: кулонівська сила взаємодії притягає електрон до металу, тому електрон буде рухатись рівносповільнено, на якійсь віддалі ( ) зупинеться, а потім буде рухатись до металу ( рис. I).

Рис. 1

2. На відстані електрон буде найбільший час, тому навколо металу виникне електронна хмара, заряджена буде негативно, а поверхня металу буде заряджена позитивно і знаходитиметься під потенціалом +, який називається потенціалом виходу, або граничним потенціалом.

Таким чином: на межі метал-вакуум виникає своєрідний конденсатор, поле якого протидіє вилітанню електронів із металу.

Ці дві причини перешкоджають вилітанню електрона із металу, і щоб електрон вилетів йому необхідно виконати певну роботу для подолання сили протидії.

Найменша робота, необхідна для того, щоб електрон вилетів із твердого тіла, або рідини в вакуум називається роботою виходу електрона.

Так, як

,

причому , то A = e, де - потенціал виходу. В СІ робота виходу вимірюється в джоулях, а на практиці в електрон-вольтах.

Один електронвольт- це енергія, яку одержує електрон, пролетівши різницю потенціалів в I В.

Отже, для того, щоб електрон вилетів із твердого тіла, чи рідини йому необхідно надати енергію хоча б рівну роботі виходу. З цього випливає, що тіло є для електрона потенціальною ямою, яку він не може вільно залишити. Причому потенціальна енергія електрона

(заряд електрона негативний), а потенціальна енергія електрона в вакуумі . Тому схематично положення електрона в твердому тілі чи рідині зображається за допомогою потенціальної ями, в якій по осі Y відкладається потенціальна енергія, а по осі X- лінійні розміри тіла (рис. 2).

Рис. 2

Згідно класичної фізики електрони в металі подібні молекулам ідеального газу і їх кінетична енергія

,

а при T = 0, і всі електрони знаходяться на дні потенціальної ями, при цьому робота виходу електрона дорівнює глибині потенціальної ями (рис. 3).

Рис. 3

Але в металів немає нерухомих електронів. І згідно квантової механіки. навіть при T = 0електрони мають значну кінетичну енергію. Причому найбільшу кінетичну енергію при абсолютному нулеві температури називають енергією фермі - , тому робота виходу

.

Для різних металів робота виходу електрона неоднакова і значною мірою залежить від стану його поверхні, та від природи абсорбованих поверхнею металу атомів і молекул. Наприклад: для чистого вольфраму А=4,5 еВ, а якщо на вольфрам нанести тонкий шар барію, то А=1,36 еВ.

ТЕРМОЕЛЕКТРОННА ЕМІСІЯ. НАЙПРОСТІШІ ЕЛЕКТРОВАКУУМНІ ПРИЛАДИ

Явище виривання електронів з металів називають емісією. Емісія електронів може відбуватись під дією різних причин.

Термоелектронною називають емісію, зумовлену тепловим рухом електронів.

В металах концентрація електронів велика і в наслідок хаотичного руху окремі електрони час від часу можуть мати кінетичну енергію

рівну або більшу роботі виходу і вилітатимуть з металу.

При кімнатних температурах дуже мала частина електронів вилетіти із металу. З підвищенням температури швидкість електронів зростає і число електронів, що вилітають із металу. Це явище повністю аналогічне процесу випаровування молекул із нагрітої рідини.

Дослідження термоелектронної емісії зручно проводити з допомогою схеми, зображеної на рис. 4.

Рис. 4

В скляний балон, з якого відкачане повітря, впаяні два електроди – холодний анод А і катод К (лампа-діод). Катод являє собою спіраль з досліджуваного матеріалу, нагрівається від батареї Бн. З нагрітого катода вилітають електрони і навколо катоду утворюється просторовий заряд – електронна „хмара”. З допомогою Ба та потенціометра між катодом і анодом можна створювати різну напругу , яка вимірюється вольтметром. Під дією прикладеної між катодом і анодом напруги, електрони, що вилетіли з катода рухаються до аноду і створюють струм , який вимірюється міліамперметром. Змінюючи напругу і вимірюючи будують залежність

Залежність анодного струму від напруги, прикладеної між катодом і анодом називають вольт-амперною характеристикою термоелектронної емісії (ВАХ). Досліди показують, що залежність між силою анодного струму та напругою (рис. 5) має нелінійний характер, тобто закон Ома не виконується.

Рис. 5

Це пояснюється тим, що при малих напругах тільки частина електронів просторового заряду біля катода під дією поля досягає аноду. Але чим більше буде напруга, тим більше буде електронів з „хмари” досягати аноду. Причому початкові ділянки вольт-амперних характеристик діодів для різних температур однакові. Теоретичні дослідження (Богуславський і Ленглюр) показали, що в області просторового заряду залежність термоелектронного струму від напруги (АВ) має вигляд:

закон степені 3/2,

де К-стала, яка характеризує розміри і форму електродів і не залежить від температури катода. А починаючи з деякої напруги всі електрони, що вилітають з катода, досягають анода, просторового заряду навколо катоду немає, тому при збільшенні напруги анодний струм залишається сталим – це максимальне значення анодного струму називають струмом насичення . Відношення струму насичення до площі катода S називають густиною струму насичення.

За допомогою квантової фізики Річардсон і Дешман отримали вираз для густини струму насичення.

/ I /

де B- стала величина, e - робота виходу електрону з металу, к - стала Больцмана, Т- абсолютна температура катоду.

Формулу / I / називають формулою Річардсона-Дешмана. Із цієї формули слідує, що густина струму насичення різко збільшується. Із збільшенням температури катоду та з зменшенням роботи виходу електрона.

Наприклад, як показують розрахунки, для чистої поверхні вольфраму (e = 4,5eB) при збільшенні температури з густина струму насичення збільшується в раз, а коли при сталій температурі Т=1000 К порівняти густину струму насичення при і , то густина струму збільшується в раз.

Досліди показують, що реальна густина струму насичення менша, ніж та, що одержується за формулою / I / , це пояснюється тим, що частина електронів, що вилетіла з катоду повертається знову на катод. Тому замість сталої B в формулу вводять

,

де - так званий коефіцієнт відбивання Шотткі.

Явище термоелектронної емісії широко використовується на практиці в електронних лампах, електронно-променевих трубках й інших електровакуумних приладах. Найпростішими електровакуумними приладами є лампи діод і тріод.

Як відмічалось, лампа діод являє собою скляний або металевий балон, з якого відкачане повітря і в якому розміщені два електроди анод та катод, який може нагріватися:

Особливістю діода є те, що він пропускає струм лише в одному напрямку і широко використовується для випрямлення змінного струму, а також детектування сигналів.

Більш складною є лампа тріод - третім електродом є керуюча сітка, з допомогою можна керувати анодним струмом, тому сітка називається керуючою.