Учебное пособие: Емісія електронів. Електричний струм в газах

.

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, ej - 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 (ej = 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 g - так званий коефіцієнт відбивання Шотткі.