Термоэлектронная эмиссия: понятие, особенности. термоэлектронная эмиссия в вакууме

Вакуумный диод

Прибором простейшего вида, использующим явление возникновения электричества, порождаемого термоэлектронной эмиссией, является вакуумный диод. Его работа довольно простая, а сам прибор относится к простейшим устройствам. Основной характеристикой диода является вольт-амперная зависимость.

Она имеет три участка: нелинейный, степенной, насыщения. На первом происходит медленное возрастание силы тока при увеличении напряжения. Эта зависимость экспоненциальная. На втором промежутке изменение описывается формулой: I = G * U 3/2 где: G — проводимость, величина, обратная сопротивлению. Третий участок характеризуется тем что при росте напряжения значение тока практически не изменяется. Это связано с тем что число электронов, вылетевших из проводника, становится постоянным для любого момента времени.

Сам электронный прибор представляет собой колбу с двумя электродами. В середине сосуда создан физический вакуум. Один электрод (катод) предназначен для испускания электронов, а другой (анод) для их получения. Катодный вывод состоит из нити, которая разогревается под действием тока и длинного цилиндра с уложенным в него спиралью подогревателя.

При нагреве электрода возникает термоэлектронная эмиссия. Электроны покидают поверхность и создают облако с избытком отрицательных зарядов. Поверхность же вывода начинает заряжаться положительно. Некоторое количество частиц, обладающих небольшой скоростью, падают на катод, но быстрые электроны преодолевают барьер и переходят на анод. Если на положительный вывод подать прямое смещение, то возникнет ускоряющее поле, которое ещё больше способствует переносу электронов.

Наиболее часто в качестве термокатода используют вольфрам или смесь окислов щёлочноземельных металлов. Следует отметить, что к основным параметрам диода относят крутизну вольт-амперной характеристики ток насыщения и запирающее напряжение. Последнее определяет значение, при котором происходит пробой — появление искры с дугой и увеличение в несколько раз силы тока. То есть нарушения прочности вакуума.

Температурные пределы термоэлектронной эмиссии

Связь позитивных и негативных частиц в металлах обладает рядом особенностей, среди которых очень плотное распределение энергий. Электроны, являясь фермионами, занимают каждый свою энергетическую нишу (в отличие от бозонов, которые способны находиться все в одном состоянии). Несмотря на это, разница между ними настолько мала, что спектр может считаться непрерывной, а не дискретной величиной.

В свою очередь это приводит к большой плотности состояний электронов в металлах. Однако даже при очень низких температурах, близких к абсолютному нулю, (напомним, это ноль кельвинов, или примерно минус двести семьдесят три градуса по Цельсию) будут находиться электроны с большей и меньшей энергией, так как все они одновременно не смогут быть в низшем состоянии. Значит, при определенных условиях (тонкая фольга) очень редко выход электрона из металла будет наблюдаться даже при экстремально низких температурах. Таким образом, нижним пределом температуры термоэлектронной эмиссии может считаться значение, близкое к абсолютному нулю.

С другой стороны температурной шкалы стоит плавление металла. Согласно физико-химическим данным, у всех материалов этого класса данная характеристика различается. Иными словами, металлов с одинаковой температурой плавления не существует. Ртуть или жидкость при нормальных условиях переходит из кристаллической формы уже при минус тридцати девяти градусах Цельсия, тогда как вольфрам — при трех с половиной тысячах.

Однако все эти пределы роднит одно – металл перестает быть твердым телом. А значит, законы и эффекты меняются. И говорить о том, что в расплаве существует термоэлектронная эмиссия, не приходится. Таким образом, верхним пределом этого эффекта становится температура плавления металла.

История

Эффект Эдисона в диодной трубке. Диодная трубка подключена в двух конфигурациях; у одного есть поток электронов, а у другого нет. (Стрелки представляют электронный ток, а не обычный ток .)

Поскольку электрон не был идентифицирован как отдельная физическая частица до работы Дж. Дж. Томсона в 1897 г., слово «электрон» не использовалось при обсуждении экспериментов, имевших место до этой даты.

Об этом явлении впервые сообщил Эдмон Беккерель в 1853 году . Он был заново открыт в 1873 году Фредериком Гатри в Великобритании. Работая с заряженными объектами, Гатри обнаружил, что раскаленная докрасна железная сфера с отрицательным зарядом теряет свой заряд (каким-то образом выбрасывая его в воздух). Он также обнаружил, что этого не происходит, если сфера имеет положительный заряд. Другими ранними участниками были Иоганн Вильгельм Хитторф (1869–1883), Ойген Гольдштейн (1885), и Юлиус Эльстер и Ганс Фридрих Гейтель (1882–1889).

Эффект был заново открыт Томасом Эдисоном 13 февраля 1880 года, когда он пытался обнаружить причину обрыва нити накала лампы и неравномерного почернения (наиболее темного вблизи положительного вывода нити накала) колбы в своих лампах накаливания .

Эдисон построил несколько экспериментальных ламп с дополнительной проволокой, металлической пластиной или фольгой внутри колбы, которая была отделена от нити накала и, таким образом, могла служить электродом. Он подключил гальванометр , устройство, используемое для измерения тока (потока заряда), к выходу дополнительного металлического электрода. Если фольга была помещена под отрицательный потенциал относительно нити накала, между нитью накала и фольгой не было заметного тока. Когда фольга была поднята до положительного потенциала относительно нити накала, мог быть значительный ток между нитью через вакуум к фольге, если нить была достаточно нагрета (собственным внешним источником питания).

Теперь мы знаем, что нить испускала электроны, которые притягивались к положительно заряженной фольге, а не к отрицательно заряженной. Этот односторонний ток был назван эффектом Эдисона (хотя этот термин иногда используется для обозначения самой термоэлектронной эмиссии). Он обнаружил, что ток, испускаемый горячей нитью накала, быстро увеличивается с ростом напряжения, и 15 ноября 1883 г. подал заявку на патент на устройство, регулирующее напряжение, использующее этот эффект (патент США 307 031, первый патент США на электронное устройство ). устройство). Он обнаружил, что через устройство проходит достаточный ток для работы телеграфного эхолота. Это было выставлено на Международной выставке электротехники в Филадельфии в сентябре 1884 года. Уильям Прис, британский ученый, забрал с собой несколько лампочек на эффекте Эдисона. Он представил статью о них в 1885 году, в которой назвал термоэлектронную эмиссию «эффектом Эдисона». Британский физик Джон Эмброуз Флеминг , работавший в британской компании «Беспроводная телеграфия», обнаружил, что эффект Эдисона можно использовать для обнаружения радиоволн. Флеминг продолжил разработку двухэлементной электронной лампы , известной как , которую он запатентовал 16 ноября 1904 года.

Термоэмиссионный диод также может быть выполнен как устройство, преобразующее разность тепла в электроэнергию непосредственно без движущихся частей ( термоэлектронный преобразователь , разновидность тепловой машины ).

Фотонно-

Термоэлектронная эмиссия с фотонным усилением (PETE) — это процесс, разработанный учеными из Стэнфордского университета , который использует как свет, так и тепло солнца для выработки электроэнергии и повышает эффективность производства солнечной энергии более чем в два раза по сравнению с текущими уровнями. Устройство, разработанное для этого процесса, достигает максимальной эффективности при температуре выше 200 ° C, в то время как большинство кремниевых солнечных элементов становятся инертными после достижения 100 ° C. Такие устройства лучше всего работают в параболических тарельчатых коллекторах, температура которых достигает 800 °C. Хотя команда использовала полупроводник из нитрида галлия в своем испытательном устройстве, она утверждает, что использование арсенида галлияможет увеличить эффективность устройства до 55–60 процентов, что почти втрое больше, чем у существующих систем, и на 12–17 процентов больше, чем у существующих 43-процентных многопереходных солнечных элементов.

Где берутся свободные носители зарядов в вакууме? Вакуумный диод

Если в сосуде создан вакуум, то в нем все же есть немало молекул, некоторые из них могут быть и ионизированы. Но заряженных частичек в таком сосуде для выявления заметного тока мало.

Как же получить в вакууме достаточное количество свободных носителей заряда? Если нагреть проводник, пропуская по нему электрический ток или другим способом (рис. 7.6), то часть свободных электронов в металле будут иметь достаточную энергию, чтобы выйти из металла (выполнить работу выхода).

Явление излучения электронов накаленными телами называется термоэлектронной эмиссией.

Однако кинетическую энергию свободных электронов в веществе можно увеличить и с помощью света.

Излучение электронов веществом под действием света называется фотоэлектронной эмиссией, или внешним фотоэффектом.

Рис. 7.6. Излучение электронов раскаленным проводником

Природу и закономерности внешнего фотоэффекта объяснил Альберт Эйнштейн, за что и получил Нобелевскую премию по физике 1921 г.

Рассмотрим подробнее явления, происходящие в сосуде (баллоне), где имеется проводник, который может быть накален с помощью электрического тока (рис. 7.6). В баллоне создан вакуум.

Поскольку при нагревании проводника из него излучаются электроны, то может возникнуть мысль, что электроны с течением времени могут заполнить весь баллон. Тем не менее это не так. Будем называть этот проводник в баллоне катодом. Электроны, которые оставили накаленный катод, образуют вокруг него облачко. Это вызвано тем, что катод, утратив часть свободных электронов, заряжается положительно. Положительно заряженный катод и удерживает возле себя облачко электронов.

Рис. 7.7. Если в баллон ввести положительно заряженный анод, то в пепи появится электрический ток

Катод (гр.— опускание, движение книзу): 1) Электрод прибора или устройства, который соединяют с отрицательным полюсом источника тока. 2) Отрицательный полюс источника тока (гальванического элемента и т. п.). 3) Источник электронов в электронно-вакуумных приборах. Материал с сайта https://worldofschool.ru

Рис. 7.8. Внутреннее строение вакуумного диода

Если теперь в баллон ввести еще один электрод (анод) и создать электрическое поле между анодом и катодом (рис. 7.7), то в баллоне возникнет электрический ток. В этом случае ток возможен, поскольку положительно заряженный анод притягивает отрицательно заряженные электроны. Если же анод будет иметь отрицательный заряд, то электроны от него будут отталкиваться. Однако при небольших напряжениях наиболее быстрые электроны все же могут долететь до анода, и в цепи может наблюдаться небольшой ток. При увеличении напряжения (если анод заряжен отрицательно) ток в цепи совсем прекратится.

Анод (гр.— путь вверх, восхождение): 1) Электрод электро- и радиотехнических приборов, электролитических ванн и других устройств, соединяющихся с положительным полюсом источника электрического тока. 2) Положительный полюс источника электрического тока.

Рассмотренный прибор называется вакуумным диодом, строение одного из которых показано на рис. 7.8. Практически диод проводит ток лишь в одном направлении — когда анод заряжен положительно. Поэтому его используют в основном для выпрямления переменных токов. Однако в наше время вакуумные диоды в выпрямителях повсеместно вытеснены полупроводниковыми диодами — более надежными, экономичными, долговечными.

На этой странице материал по темам:

Вопросы по этому материалу:

Учебное особие по физике

Электронная эмиссия

В узлах кристаллической решетки металлов находятся положительные ионы, а между ними свободно движутся электроны. Они как бы плавают по всему объему проводника, так как силы притяжения к положительным ионам решетки, действующие на свободные электроны, находящиеся внутри металла, в среднем взаимно уравновешиваются. Действие сил притяжения со стороны положительных ионов на электроны мешает последним выйти за пределы поверхности металла.

Лишь наиболее быстрые электроны могут преодолеть это притяжение и вылететь из металла. Однако совсем покинуть металл электрон не может, так как притягивается положительным поверхностным ионом и тем зарядом, который возник в металле в связи с потерей электрона. Равнодействующая этих сил притяжения не равна нулю, а направлена внутрь металла перпендикулярно его поверхности (рис. 1).

Рис. 1

Через некоторое время электрон под действием этих сил может возвратиться в металл. Среди электронов, находящихся вблизи поверхности металла, найдется большое число таких, которые временно будут покидать металл, а затем возвращаться обратно. Этот процесс напоминает испарение жидкости. В конце концов устанавливается динамическое равновесие между покидающими и возвращающимися электронами. Таким образом, на границе металла с вакуумом возникает двойной слой электрических зарядов, поле которого подобно полю плоского конденсатора. Электрическое поле этого слоя можно считать однородным (рис. 2). Разность потенциалов в этом слое называется контактной разностью потенциалов между металлом и вакуумом.

Рис. 2

Этот двойной электрический слой не создает поля во внешнем пространстве, но препятствует выходу электронов из металла.

Как показывают расчеты и специально поставленные опыты, толщина этого слоя мала и равна примерно 10-10 м.

Таким образом, чтобы покинуть металл и уйти в окружающую среду, электрон должен совершить работу A_в против сил притяжения со стороны положительного заряда металла и против сил отталкивания от отрицательно заряженного электронного облака. Она приблизительно равна A_в = e, где e — заряд электрона. Для этого электрон должен обладать достаточной кинетической энергией.

Минимальную работу A_в, которую должен совершить электрон за счет своей кинетической энергии для того, чтобы выйти из металла и не вернуться в него, называют работой выхода.

Работа выхода зависит только от рода металла и его чистоты. Работу выхода принято измерять в электронвольтах (эВ).

Для чистых металлов A_в составляет несколько электронвольт. Так, например, для цезия ее значение равно 1,81 эВ, для платины 6,27 эВ.

Выход свободных электронов из металла называется эмиссией электронов. При нормальных внешних условиях электронная эмиссия выражена слабо, так как средняя кинетическая энергия хаотического теплового движения большинства свободных электронов в металлах гораздо меньше работы выхода. Для повышения интенсивности эмиссии следует увеличить кинетическую энергию свободных электронов до значений, равных или больших значения работы выхода. Этого можно достигнуть различными способами. Во-первых, созданием электрического поля очень большой напряженности (E ~ 106 В/см), способного вырвать электроны из металла, — холодная эмиссия. Такая эмиссия используется в электронных микропроекторах. Во-вторых, бомбардировкой металла электронами, предварительно разогнанными электрическим полем до очень большой скорости, — вторичная электронная эмиссия. В-третьих, интенсивным освещением поверхности металла — фотоэмиссия. На явлении фотоэмиссии основан внешний фотоэффект и устройство вакуумного фотоэлемента. В-четвертых, нагревание металла — термоэлектронная эмиссия. Электроны, испускаемые нагретым телом, называются термоэлектронами, а само это тело — эмиттером.

Эффект Шоттки при термоэлектронной эмиссии

При наложении внешнего электростатического поля, силовые линии которого направлены к эмиттеру (катоду), то есть этот электрод имеет отрицательный потенциал относительно анода, наблюдается снижение работы выхода электронов из катода. Это явление называется эффектом Шоттки, получившее название в честь Вальтера Шоттки, рассмотревшему это явление. Приблизительное объяснение эффекта приведено на рисунке. Внешнее электрическое поле E U {displaystyle E_{U}} понижает работу выхода на величину Δ W {displaystyle Delta W} . Электроны в металле имеют энергию равную энергии уровня Ферми E F {displaystyle E_{F}} , а электроны на бесконечном удалении от поверхности имеют энергию E ∞ {displaystyle E_{infty }} . Разность этих энергий — это работа выхода E e {displaystyle E_{e}} . Сумма сил притяжения к катоду и от внешнего поля имеет локальный максимум на расстоянии x m {displaystyle x_{m}} от катода, причём этот максимум имеет энергию ниже энергии выхода, что увеличивает термоэлектронную эмиссию. Эмиссия электронов, которая происходит в результате совместного действия эффекта Шоттки и термоэлектронной эмиссии часто называется «эмиссией Шоттки». Формулу для плотности тока термоэлектронной эмиссии с учётом эффекта Шоттки можно получить простой модификацией формулы Ричардсона, подставив в неё вместо ϕ {displaystyle phi } энергию ϕ − Δ W {displaystyle phi -Delta W} :

Величина уменьшения работы выхода Δ W {displaystyle Delta W} за счёт эффекта Шоттки даётся формулой:

Эта формула даёт хорошее согласие с опытом при напряжённости электрического поля до примерно 108 В/м. Для напряженности электрического поля выше 108 В/м становится существенно туннелирование электронов через потенциальный барьер, так называемое туннелирование Фаулера — Нордхайма и при этом туннельный ток начинает вносить значительный вклад в общий ток эмиссии. В этом режиме эффекты усиленной полем термоэлектронной и туннельной эмиссии могут быть описаны уравнением Мерфи — Гуда. В ещё более сильных полях туннелирование Фаулера — Нордхайма становится доминирующим механизмом электронной эмиссии, при этом катод работает в так называемом режиме «холодной электронной эмиссии» или «автоэлектронной эмиссии».

Термоэлектронная эмиссия также может усиливаться от других формам возбуждения поверхности катода, например, при облучении светом. Так, возбужденные атомы цезия в парах в термоэмиссионных преобразователях образуют активные центры Cs- Ридберга, которые приводят к уменьшению работы выхода с 1,5 эВ до 1,0—0,7 эВ. Эти центры имеют большое время жизни и работа выхода остается низкой, что существенно повышает эффективность термоэмиссионного преобразователя.

3.Электронная эмиссия

В обычных условиях энергия электронов достаточно мала и они связаны внутри проводника. Существуют способы сообщения электронам
дополнительной энергии. Явление испускания электронов при внешнем воздействии называется электронной эмиссией, и было открыто Эдисоном в 1887 году. В
зависимости от способа сообщения энергии различают 4 вида эмиссии:

1. Термоэлектронная эмиссия (ТЭЭ), способ – подвод тепла (нагрев).

2.Фотоэлектронная эмиссия (ФЭЭ), способ – освещение.

3. Вторичная электронная эмиссия (ВЭЭ), способ – бомбардировка частицами.

4. Автоэлектронная эмиссия (АЭЭ), способ – сильное электрическое поле.

Открытие явления и его природа

Томас Эдисон, проводя ряд экспериментов с лампочкой накаливания, пытался выяснить причину перегорания нити

Физик обратил внимание, что при её разрыве на стекле колбы с внутренней её стороны образуется чёрный налёт. При дальнейшем изучении Эдисон обнаружил что если пластина, внесённая в вакуум относительно нити накаливания, подключается к положительному потенциалу ток не появлялся

В ином случае проводник довольно сильно нагревался.

Это явление учёный объяснил существованием зарядов определённого знака, которые способны перемещаться в вакууме. На то время электрон ещё не был открыт. Эдисон увидел, что при повышении напряжения степень накала изменялась. Этот эффект был после назван термоэлектронной эмиссией. Уже после этого явления нашлось применение в детектировании радиоволн.

С физической точки зрения, термоэлектронной эмиссией называют способность тел испускать со своей поверхности электроны при нагревании. Связано это с тем что в веществах существует так называемый потенциальный барьер. То есть область пространства с конкретной потенциальной энергией. В равновесном состоянии величина заряда мала и не позволяет частице перейти через этот барьер. Но как только потенциал электрона возрастает, он свободно проходит через него. Нужную дополнительную энергию как раз и получает частица за счёт тепловых колебаний.

Уровень потенциального барьера зависит от двух параметров:

термоэлектронной работы выхода f;
значения надбарьерного отражения электронов.

Таким образом, прикладывая разность потенциалов между двумя проводниками, подключёнными к одной цепи, можно добиться протекания между ними тока. При нагревании проводника до высоких температур вокруг него образуется электронное облако. Причём чем выше температура, тем его плотность больше.

Так как проводник начинает заряжаться отрицательно из-за частичного ухода электронов то возникает сила притягивающая вылетевшие частицы обратно.

Термоэлектронная эмиссия

Термоэлектронная эмиссия имеет место при увеличении энергии электронов за счет подведенного тепла.

Термоэлектронная эмиссия из достаточно горячего катода может явиться существенным источником электронов, если она достигает заметных значений при температурах ниже точки кипения материала катода.

Термоэлектронная эмиссия обусловлена нагреванием вещества катода. Нагрев осуществляется, как правило, электрическим током.

Термоэлектронная эмиссия заключается в выделении свободных электронов в окружающее пространство с поверхности накаленного катода. Она начинается спустя некоторое время после того, как контакты расходятся вследствие резкого повышения температуры катода. Эмиссия ( выделение) свободных электронов происходит тем сильнее, тем интенсивнее, чем выше температура катода.

Термоэлектронная эмиссия — это такой вид эмиссии, при котором дополнительная энергия сообщается в результате нагрева тела.

Термоэлектронная эмиссия объясняется существованием за счет теплового возбуждения небольшого числа электронов, энергия к-рых больше величины потенциального барьера. Интенсивность тока автоэлектронной эмиссии экспоненциально зависит от величины элсктрич.

Термоэлектронная эмиссия используется для получения потоков электронов, направляемых затем на те или иные объекты, подвергаемые бомбардировке электронами. Например, в рентгеновских трубках потоки электронов, которым сообщаются большие скорости, бомбардируют металлы и возбуждают рентгеновское излучение. В электронных микроскопах потоки электронов служат для освещения изучаемых объектов; они дают на экране микроскопа электронное изображение этого объекта. Поток электронов в вакууме является разновидностью электрического тока. Такой электрический ток в вакууме можно получить, если в сосуд, откуда тщательно откачивается воздух ( до давлений порядка 10-влш рт.ст.), поместить нагреваемый катод, являющийся источником испаряющихся электронов, и анод. Между катодом и анодом создается электрическое поле, сообщающее электронам скорости в определенном направлении.

Термоэлектронная эмиссия — электронная эмиссия, обусловленная исключительно тепловым состоянием ( температурой) твердого или жидкого тела, испускающего электроны.

Термоэлектронная эмиссия с поверхности плавящегося катода и эмиссия при столкновении с катодом положительных ионов обеспечивает мощные потоки электронов в сварочной дуге.

Термоэлектронная эмиссия имеет место при горении дуги. Большая плотность тока в дуге определяет высокую температуру ее канала как в газе, так и на электродах. В месте соприкосновения дуги с металлом ( в катодном пятне) температура достигает нескольких тысяч градусов.

Термоэлектронная эмиссия происходит при разогреве поверхности эмиттера, вследствие чего увеличивается количество электронов, способных совершить работу выхода. Этот вид эмиссии применяют в электровакуумных приборах с катодом прямого или косвенного накала.

Влияние введения в атмосферу дуги легкоионизирующих веществ на Ui.

Термоэлектронная эмиссия определяется тем, что при достаточном нагреве конца катода от него могут отрываться электроны, обладающие запасом кинетической энергии, достаточным для преодоления сил электростатического притяжения твердого или жидкого электрода.

Схема строения свободной дуги.

Термоэлектронная эмиссия заключается в нагреве поверхности электрода до высокой температуры, при которой связь электрона с ядром атома ослабевает и под влиянием электростатического поля электрон отрывается с поверхности катода и устремляется к аноду. С увеличением температуры нагрева электрода число испускаемых электронов увеличивается.

Температура эффекта термоэлектронной эмиссии

Благодаря металлической связи вблизи поверхности любого металла найдутся электроны, у которых достаточно сил для преодоления потенциального барьера выхода. Однако из-за этого же разброса энергий одна частица едва отрывается от кристаллической структуры, а другая вылетает и преодолевает некоторое расстояние, ионизируя среду вокруг себя. Очевидно, что чем больше кельвинов в среде, тем больше электронов приобретают способность покинуть объем металла. Таким образом, встает вопрос о том, какова температура термоэлектронной эмиссии. Ответ непрост, и рассматривать мы будем нижнюю и верхнюю границы существования этого эффекта.

Свойство электронных пучков

В технике очень важное значение имеет использование так называемых электронных пучков. Определение

Электронный пучок – поток электронов, длина которого много больше его ширины. Получить его довольно просто. Достаточно взять вакуумную трубку, по которой проходит ток, и проделать в аноде, к которому и идут разогнанные электроны, отверстие (так называемая электронная пушка) (рис. 3)

Определение. Электронный пучок – поток электронов, длина которого много больше его ширины. Получить его довольно просто. Достаточно взять вакуумную трубку, по которой проходит ток, и проделать в аноде, к которому и идут разогнанные электроны, отверстие (так называемая электронная пушка) (рис. 3).

Рис. 3. Электронная пушка

Электронные пучки обладают рядом ключевых свойств:

В результате наличия большой кинетической энергии они имеют тепловое воздействие на материал, в который врезаются. Данное свойство применяется в электронной сварке

Электронная сварка необходима в тех случаях, когда важно сохранение чистоты материалов, например, при сваривании полупроводников

— При столкновении с металлами электронные пучки, замедляясь, излучают рентгеновское излучение, применяемое в медицине и технике (рис. 4).

Рис. 4. Снимок, сделанный при помощи рентгеновского излучения

— При попадании электронного пучка на некоторые вещества, называющиеся люминофорами, происходит свечение, что позволяет создавать экраны, помогающие следить за перемещением пучка, конечно же, невидимого невооруженным глазом.

— Возможность управлять движением пучков с помощью электрических и магнитных полей.

Следует отметить, что температура, при которой можно добиться термоэлектронной эмиссии, не может превышать той температуры, при которой идет разрушение структуры металла.

На первых порах Эдисон использовал следующую конструкцию для получения тока в вакууме. В вакуумную трубку с одной стороны помещался проводник, включенный в цепь, а с другой стороны – положительно заряженный электрод (см. рис. 5):

Рис. 5

В результате прохождения тока по проводнику он начинает нагреваться, эмиссируя электроны, которые притягиваются к положительному электроду. В конце концов, возникает направленное движение электронов, что, собственно, и является электрическим током. Однако количество таким образом испускаемых электронов слишком мало, что дает слишком малый ток для какого-либо использования. С этой проблемой можно справиться добавлением еще одного электрода. Такой электрод отрицательного потенциала называется электродом косвенного накаливания. С его использованием количество движущихся электронов в разы увеличивается (рис. 6).

Рис. 6. Использование электрода косвенного накаливания

Стоит отметить, что проводимость тока в вакууме такая же, как и у металлов – электронная. Хотя механизм появления этих свободных электронов совсем иной.

Названия эффекта термоэлектронной эмиссии

Термин «термоэлектронная эмиссия» имеет и другие названия. По именам ученых, которые открыли и впервые исследовали это явление, он определяется как эффект Ричардсона или эффект Эдисона. Таким образом, если человеку в тексте книги встретятся эти два словосочетания, он должен помнить, что подразумевается все тот же физический термин. Путаницу внесло разногласие между публикациями отечественных и зарубежных авторов. Советские физики стремились давать законам поясняющие определения.

Термин «термоэлектронная эмиссия» содержит в себе суть явления. Человеку, который видит это словосочетание на странице, сразу понятно, что речь идет о температурном испускании электронов, только остается за кадром, что происходит это непременно в металлах. Но для того и существуют определения, чтобы раскрывать детали. В зарубежной науке очень щепетильно относятся к первенству и авторскому праву. Поэтому ученый, который смог зафиксировать нечто, получает именное явление, а бедные студенты должны фактически наизусть заучивать фамилии первооткрывателей, а не только суть эффекта.

Закон Ричардсона

В каждом металле есть один или два свободных электрона, которые могут переходить от одного атома к другому. Иногда это называют « морем электронов ». Их энергия следует статистическому распределению вместо того, чтобы быть однородной, и при определенных условиях электрон может иметь достаточно энергии, чтобы покинуть металл, не возвращаясь к нему. Минимальная энергия, необходимая электрону, чтобы покинуть поверхность, называется выработкой и варьируется от металла к металлу. В электронных лампах тонкий слой оксида часто наносится на поверхность металла для достижения более низкой выходной мощности, что облегчает уход электронов с поверхности.

Уравнение Ричардсона утверждает, что плотность излучаемого тока J (А / м 2 ) зависит от температуры T по уравнению:

Jзнак равноВграммТ2е-WkТ{\ displaystyle J = A_ {G} T ^ {2} e ^ {- W \ over kT}}

Там, где Т представляет собой температуру металла в градусах Кельвина, Вт является работа металла в электрон-вольт, к является постоянная Больцмана, а _{G является} постоянной Ричардсона . Экспонента в уравнении показывает, что излучаемый ток сильно увеличивается с температурой и имеет тенденцию становиться пропорциональным квадрату последнего при высоких температурах. В уравнения термоэлектронной эмиссии играют важную роль в проектировании полупроводников .

С 1911 по 1930 год, когда физическое понимание поведения электронов в металлах расширилось, Ричардсон, Душман, Фаулер, Зоммерфельд и Нордхейм предложили для A _G несколько теоретических выражений . В начале XXI — го века, точная форма этого выражения до сих пор обсуждается академическими специалистами, но есть договоренность, что _G будет записана в виде:

Вграммзнак равноλрВ{\ Displaystyle A _ {\ mathrm {G}} = \; \ lambda _ {\ mathrm {R}} A_ {0}}

где λ _R — поправочный коэффициент, связанный с материалом (со значением, близким к 0,5), а A — универсальная постоянная, определяемая формулой

Взнак равно4πмk2ечас3знак равно1.20173×106Вм-2K-2{\ displaystyle A_ {0} = {4 \ pi mk ^ {2} e \ over h ^ {3}} = 1.20173 \ times 10 ^ {6} \, \ mathrm {A \, m ^ {- 2} \, K ^ {- 2}}}

где m и e представляют собой массу и заряд электрона, а h — постоянная Планка .

Около 1930, была достигнута договоренность, что, из — за волновой природы электрона, в г _ав части исходящих электронов отражаются, когда они достигают поверхности эмиттера, снижая плотность тока эмиссии:. Λ _R будет иметь значение (1- г _ау ). Поэтому уравнение термоэлектронной эмиссии записывается следующим образом:

Jзнак равно(1-рвv)ВТ2е-WkТ{\ displaystyle J = (1-r _ {\ mathrm {av}}) A_ {0} T ^ {2} \ mathrm {e} ^ {- W \ over kT}}.

Однако более поздняя теоретическая работа Модиноса предполагает, что валентная зона излучающего материала также должна быть принята во внимание. Это вводит второй поправочный коэффициент λ B для λ R, который дает

Вграммзнак равноλB(1-рвv)В{\ displaystyle A _ {\ mathrm {G}} = \ lambda _ {\ mathrm {B}} (1-r _ {\ mathrm {av}}) A_ {0}}

Экспериментальные значения коэффициента A _G обычно того же порядка величины, что и A , но заметно различаются между излучающими материалами, а также в зависимости от кристаллографической поверхности одного и того же материала. Качественно эти экспериментальные различия объясняются различными значениями Л _R .

В литературе по этому поводу существует значительная путаница: (1) в нескольких работах не различают A _G от A , используя только A (или иногда термин «постоянная Ричардсона»); (2) уравнения, которые могут или не могут использовать поправочный коэффициент ( λ _R ), получают одно и то же имя; и (3) этим уравнениям даны разные названия, включая «уравнение Ричардсона», «уравнение Душмана», «уравнение Ричардсона-Душмана» и «уравнение Ричардсона-Лауэ-Душмана».