Учебник - Электричество - Калашников С.Г. (1238776), страница 78
Текст из файла (страница 78)
364 ЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ ТОКИ В ВАКУУМЕ гл ху Если электрон внутри металла имеет полную энергию И'и меньшую И'е (рис. 270), то такой электрон не сможет покинуть металл. Условие вылета электрона из металла ~' ~ 1Иге. (156.1) При комнатных температурах практически для всех электронов в металлах н полупроводниках зто условие не выполняетгя и электроны связаны в пределах проводника. Однако электронам можно сообщить различо ными способами дополнительную энергию. В этом случае часть электронов металла получа"о ет возможность покинуть металл, и мы наблюдаем н1 о явление испускания электронов, или электронной эмиссии В зависимости от того, каким способом сообщена Ес электронам энергия, мы различаем разные типы энергии электрона 1Г в ограниченном не Ли электРОны полУчак талле; Ф = И'а — Š— терноэлектронная ра энергию за счет тепловой бота выхода Я 188) энергии тела при повы- шении температуры этого тела, мы говорим о глермоэлекглронной эмиссии; при подведении энергии светом мы имеем явление фотоэмиссии, нли фотоэлектрический эффект; если энергия сообщается электронам при бомбардировке извне какими-либо другими частицами (электронами, ионами), мы наблюдаем вгпоричную элекглронную эмиссию, '8 157.
Вольт-амперная характеристика вакуумного диода Для наблюдения термоэлектронной эмиссии может служить пустотная лампа, содержащая два электрода: один — в виде проволоки из тугоплавкого материала (вольфрам, молибден и др.), раскаливаемой током (катод), н другой, холодный электрод, собирающий термоэлектроны (анод). Подобные лампы получили широкое применение в современной радиотехнике для вьшрямления переменных токов (вакуумные диоды, см.
8 159). Аноду диода чаще всего придают форму цилиндра, внутри которого расположен накаливаемый катод. 1 157 ВОльт-АмпернАН ХАРАктьРистикА ВАкУУмнОГО ДИОДА Зоб Если составить электрическую цепь, содержащую вакуумный диод, источник напряжения и миллиамперметр (рис. 271), то при холодном катоде ток в цепи не возникнет, так как сильно разреженный газ внутри диода (вакуум) не содержит заряженных частиц, и потому электропроводность диода практически равна нулю. Если же мл раскалить катод диода при помощи дополнительного источника тока до высокой температуры, то миллиамперметр обнаруживает появление тока. Ток в цепи диода появляется только в том случае, если положительный полюс батареи соединен с анодом, а отрицательный — с катодом. Если же изменить знак Р с 271 схема дли разности потенциалов, приложенной к дно- иагоиодеиии термоду то тока в цепи не будет, как бы сильно але"тРоииой эмиссии мы ни раскаляли катод.
Это обстоятельство показывает, что катод испускает отрицательные частицы, т.е. электроны, и что положительные ионы не покидают металл в заметном количестве. Сила термоэлектронного тока в диоде зависит от величины потенциала анода относительно катода (мы считаем, что паде- ние напряжения на самом катоде 1 6 достаточно мало, и поэтому не з уточняем, относительно какой точ- ки катода измеряется анодный по- 5 тенциал). Кривая, изобража1ощая зависимость силы тока в диоде от анодного напряжения (вольт -ампер- 4 ная характеристика), изображена на рис.
272 (кривая 0Ц). Когда потенциал анода равен нул1о, си- 17 ла тока через диод мала. При увеличении положительного потенцир 4 72 й элэ аНОда СИЛН ГОКВ ВозрасТаег рактеристики диода лри различв соответствии с кривой 01. При дальнейшем возрастании анодного напряжения сила тока достигает некоторого максимального значения г„называемого током насыщения диода, и почти перестает зависеть от анодного напряжения (участок характеристики Ц). При увеличении температуры катода вольт-амперная характеристика изображается кривыми 0125, 01ЯЗб и тд.
При значениях тока, меньших е„зависимость силы тока от напряжения при всех температурах изображается одной и той же кривой 0108. Различными при разных температурах оказываются значения тока насыщения е,„которые быстро увеличиваются при 366 гл ху электгические тОки В вакууме Отметим, что распределение потенциала, изображенное кривой д получается в том случае, когда начальные скорости вылета электронов из катода достаточно малы, что обычно и имеет место.
В тех же случаях, когда начальными скоростями нельзя пренебрегать, распределение нотенцивла имеет более сложный вид Зависимость тока диода т от потенциала анода У имеет вид ' = С(узу где С зависит от формы и размеров электродов. (157.1) возрастании температуры катода. При этом увеличивается и то анодное напряжение, при котором устанавливается ток насыщения. Мы видим, что вольт-амперная характеристика электронной лампы оказывается нелинейной, а, следовательно, электронная лампа представляет собой пример проводника, не подчиняющегося закону Ома. Зависимость тока диода от напряжения имеет простое объяснение.
При наличии термоэлектронной эмиссии в пространстве между катодом н анодом в любой момент времени находятся электроны, движущиеся от катода к аноду, которые образуют облако отрицательного заряда (просу страиственный заряд). Этот пространственный заряд изменяет распределение потенциала в диоде, Если катод н анод представляют собой плоские пластины, параллельные друг другу (рис.
273), то в отсутствие пространственного заряда (при холодном катоде) распределение по- 2. тенциала между катодом и анодом, образующими плоский конденсатор, изображается прямой линией 1. При наличии термоэлектронного тока (парис. 273. Пространственный каливание катода) между катодом и заряд в диоде и вызываемое анодом возникает пространственный и перераспределение о " заряд и распределение потенциала цикла изменяется; оно выражается теперь кривой и. При этом значение потенциала в любой плоскости я оказывается меньше, чем в отсутствие пространственного заряда, а следовательно, и скорости движения электронов при наличии пространственного заряда уменьшаются. С увеличением анодного напряжения концентрация электронов в облаке пространственного заряда уменьшается.
Поэтому и тормозящее действие пространственного заряда делается меньше, и анодный ток увеличивается, 1 1эв ЗАВисимОсть тОкА ИАсыщвиия От твмпВРАтУРы 367 Для плоского диода 4 Я /2« С = -.е —,,( —, э (157.2) где е/гн — удельный заряд электрона, Н -- расстояние между катодом и анодом, Я вЂ” поверхность катода (равная поверхности анода), Во — электрическая постоянная (см. Добавление 8). Формула (157.1) выражает уравнение кривой О18э рис.
272 Она носит название закона Богуславского-Лэнгмюра или «закона 3/2». Когда потенциал анода становится настолько большим, что все электроны, испускаемые катодом за каждую единицу времени, попадают на анод, ток достигает своего максимального значения и перестает зависеть от анодного напряжения. Плотность тока насыщения у„т.е. сила тока насыщения на каждую единицу поверхности катода, характеризует эмиссионную способность катода, которая зависит от природы катода и его температуры. 8 158. Зависимость тока насыщения от температуры Число электронов в металле, способных преодолеть потенциальный барьер на поверхности и выйти в вакуум, быстро увеличивается при повышении температуры.
Поэтому и плотность тока насыщения очень сильно зависит от температуры. Расчет показывает (см. ниже), что эта зависимость выражается форму- лой 1» = АТ ехр( — Ф/йТ). (158.1) Здесь А — постоянная, которая для всех металлов с совершенно чистой поверхностью должна иметь одно и то же значение, Й— постоянная Больцмана, Ф -- величина, имеющая размерность энергии, которая по определению называется п»срмоэле»эпронной рабогаой выхода данного металла.
Термозлектронная работа выхода равна разности между энергией покоящегося электрона в вакууме И'о и уровнем Ферми Е (см. рис, 270): Ф = И'а — Р. (158.2) Следовательно, отвлекаясь от тепловой «размазки» функции Ферми (з 155), можно сказать, что Ф есть работа, необходимая для перевода электрона с наибольшей кинетической энергией из металла в вакуум без начальной скорости. Соотношение (158.1) называется формулой Ричардсона-Дэи»мэна. Формулы (158.1) и (158.2) справедливы не только для металлов, но и для полупроводников. Однако в последнем случае физический смысл работы выхода становится более сложным. 368 ГЛ, ХУ ЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ ТОКИ В ВАКУУМЕ Формулу (158.1) можно получить следующим образом.
Термоэлектронную эмиссию можно рассматривать как испарение электронов из металла. Рассмотрим кусок металла, который раскален до высокой температуры и заключен в замкнутый эвакуированный сосуд, поддерживаемый при той же температуре. С поверхности металла будет происходить испарение электронов, и обратно, часть электронов, находящихся вне металла, при тепловом движении будет встречать поверхность металла н коиденсираваться на ней. В состоянии термодинамического равновесия над металлом будет существовать электронный газ, подобный насыщенному пару нвд жидкостью; концентрация электронного газа определяется условием равенства скоростей конденсации электронов и их испарения.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
