Учебное пособие: Емісія електронів. Електричний струм в газах

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 +j, 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 = ej, де j - 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

--> ЧИТАТЬ ПОЛНОСТЬЮ <--