Планлекції
знавчальної дисципліни
ФІЗИКА
ТемаЕМІСІЯ ЕЛЕКТРОНІВ
ОРГАНІЗАЦІЙНО-МЕТОДИЧНІ ВКАЗІВКИ ДОПРОВЕДЕННЯ ЛЕКЦІЇ
Явище термоелектронної емісії вивчаєтьсяпісля теми „Закони постійного струму”. Тому слід враховувати, що курсантамвідомо: в металах є дуже багато вільних електронів, які рухаються хаотично і зрізними (великими) швидкостями. Крім цього необхідно виділити, що вільніелектрони в металі подібні молекулам ідеального газу і мають максвелівськийрозподіл по швидкостям. Отже в металі є частина електронів, яка рухається зшвидкостями більшими ніж їх середня швидкість. Саме ці електрони і можутьвилітати із металу. Необхідно також звернути особливу увагу на практичнезаняття матеріалу, що вивчається, і показати різні типи електронних ламп,електронно-променевих трубок тощо.
ВСТУП
На практиці, в тому числі в військовійтехніці зв’язку широко застосовуються електронні лампи, електронно-променевітрубки різного призначення й інші прилади, в яких використовується явищетермоелектронної емісії. Важливою характеристикою явища термоелектронної емісіїє робота виходу електрона, а також струм насичення термоемісії. Ці та іншіхарактеристики термоемісії і будуть розглянуті в даній лекції. Крім цьогобудуть розглянуті питання, які існують інші види електронної емісії і як вонивраховуються і використовуються на практиці.
РОБОТА ВИХОДУ ЕЛЕКТРОНІВ ІЗ МЕТАЛУ
Для розуміння явища термоелектронноїемісії, а також інших електронних явищ важливе значення має поняття роботивиходу електрона. Розглянемо це поняття.
Дослідами було виявлено, що вільнимизарядами в металах являються електрони, причому вільних електронів в металахдуже багато /> ірухаються вони хаотично (подібно молекулам ідеального газу) з великимишвидкостями />.Отже, якщо швидкість будь-якого електрона буде перпендикулярна поверхні металуі він має запас кінетичної енергії, то електрон вилетить із металу ізнаходитиметься поза металом певний час і потім повернеться в метал.
Розглянемо природу сил, які перешкоджаютьвиходу електрона із метала.
При вилітанні електрона із нейтральногопровідника в металі виникає індукований додатній заряд, рівний зарядуелектрона: кулонівська сила взаємодії притягає електрон до металу, томуелектрон буде рухатись рівносповільнено, на якійсь віддалі (/>) зупинеться, а потімбуде рухатись до металу ( рис. I).
/>
Рис. 1
2. На відстані /> електрон буде найбільший час,тому навколо металу виникне електронна хмара, заряджена буде негативно, аповерхня металу буде заряджена позитивно і знаходитиметься під потенціалом +j, який називаєтьсяпотенціалом виходу, або граничним потенціалом.
Таким чином: на межі метал-вакуум виникаєсвоєрідний конденсатор, поле якого протидіє вилітанню електронів із металу.
Ці дві причини перешкоджають вилітаннюелектрона із металу, і щоб електрон вилетів йому необхідно виконати певнуроботу для подолання сили протидії.
Найменша робота, необхідна для того, щобелектрон вилетів із твердого тіла, або рідини в вакуум називається роботоювиходу електрона.
Так, як
/>,
причому />, то A = ej, де j — потенціал виходу. В СІробота виходу вимірюється в джоулях, а на практиці в електрон-вольтах.
Один електронвольт- це енергія, яку одержуєелектрон, пролетівши різницю потенціалів в I В. />/>
Отже, для того, щоб електрон вилетів ізтвердого тіла, чи рідини йому необхідно надати енергію хоча б рівну роботівиходу. З цього випливає, що тіло є для електрона потенціальною ямою, яку вінне може вільно залишити. Причому потенціальна енергія електрона
/>
(заряд електрона негативний), апотенціальна енергія електрона в вакуумі />. Тому схематично положенняелектрона в твердому тілі чи рідині зображається за допомогою потенціальноїями, в якій по осі Y відкладається потенціальна енергія, а по осі X- лінійнірозміри тіла (рис. 2).
/>
Рис. 2
Згідно класичної фізики електрони в металіподібні молекулам ідеального газу і їх кінетична енергія
/>,
а при T = 0, />і всі електрони знаходяться на дніпотенціальної ями, при цьому робота виходу електрона дорівнює глибиніпотенціальної ями (рис. 3).
/>
Рис. 3
Але в металів немає нерухомих електронів. Ізгідно квантової механіки. навіть при T = 0електрони мають значну кінетичнуенергію. Причому найбільшу кінетичну енергію при абсолютному нулеві температуриназивають енергією фермі — />, тому робота виходу
/>.
Для різних металів робота виходу електронанеоднакова і значною мірою залежить від стану його поверхні, та від природиабсорбованих поверхнею металу атомів і молекул. Наприклад: для чистоговольфраму А=4,5 еВ, а якщо на вольфрам нанести тонкий шар барію, то А=1,36 еВ.
ТЕРМОЕЛЕКТРОННА ЕМІСІЯ. НАЙПРОСТІШІЕЛЕКТРОВАКУУМНІ ПРИЛАДИ
Явище виривання електронів з металівназивають емісією. Емісія електронів може відбуватись під дією різних причин.
Термоелектронною називають емісію,зумовлену тепловим рухом електронів.
В металах концентрація електронів велика ів наслідок хаотичного руху окремі електрони час від часу можуть мати кінетичнуенергію
/>
рівну або більшу роботі виходу і вилітатимутьз металу.
При кімнатних температурах дуже малачастина електронів вилетіти із металу. З підвищенням температури швидкістьелектронів зростає і число електронів, що вилітають із металу. Це явищеповністю аналогічне процесу випаровування молекул із нагрітої рідини.
Дослідження термоелектронної емісії зручнопроводити 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 являєсобою спіраль з досліджуваного матеріалу, нагрівається від батареї Бн. Знагрітого катода вилітають електрони і навколо катоду утворюється просторовийзаряд – електронна „хмара”. З допомогою Ба та потенціометра /> між катодом і анодомможна створювати різну напругу />, яка вимірюється вольтметром. Піддією прикладеної між катодом і анодом напруги, електрони, що вилетіли з катодарухаються до аноду і створюють струм />, який вимірюєтьсяміліамперметром. Змінюючи напругу /> і вимірюючи /> будують залежність />
Залежність анодного струму /> від напруги, прикладеноїміж катодом і анодом /> називають вольт-амперноюхарактеристикою термоелектронної емісії (ВАХ). Досліди показують, що залежністьміж силою анодного струму та напругою (рис. 5) має нелінійний характер, тобтозакон Ома не виконується.
/>
Рис. 5
Це пояснюється тим, що при малих напругахтільки частина електронів просторового заряду біля катода під дією поля досягаєаноду. Але чим більше буде напруга, тим більше буде електронів з „хмари”досягати аноду. Причому початкові ділянки вольт-амперних характеристик діодівдля різних температур однакові. Теоретичні дослідження (Богуславський іЛенглюр) показали, що в області просторового заряду залежністьтермоелектронного струму від напруги (АВ) має вигляд:
/>
закон степені 3/2,
де К-стала, яка характеризує розміри іформу електродів і не залежить від температури катода. А починаючи з деякоїнапруги /> всіелектрони, що вилітають з катода, досягають анода, просторового заряду навколокатоду немає, тому при збільшенні напруги анодний струм залишається сталим – цемаксимальне значення анодного струму називають струмом насичення />. Відношення струмунасичення до площі катода S називають густиною струму насичення.
/>