5.1 Термоэлектронная эмиссия. Ток в вакууме

Если сообщить электронам в металлах энергию, необходимую для преодоления работы выхода, то часть электронов может покинуть металл, в результате чего наблюдается явление испускания электронов – электронная эмиссия. В зависимости от способа сообщения электронам энергии различают такие виды эмиссий:

1) термоэлектронную;

2) фотоэлектронную;

3) вторичную электронную;

4) светоэлектронную.

Термоэлектронная эмиссия – испускание электронов нагретыми металлами.

Концентрация свободных электронов в металлах достаточно высока, поэтому даже при средних температурах вследствие распределения электронов по скоростям (по энергиям) некоторые электроны обладают энергией, достаточной для преодоления потенциального барьера на границе металла. С повышением температуры число электронов, кинетическая энергия теплового движения которых больше работы выхода, растет и явление термоэлектронной эмиссии становится заметным.

Исследование закономерностей термоэлектронной эмиссии можно провести с помощью простейшей электронной двухэлектродной лампы – вакуумного диода, представляющего собой откачанный баллон, содержащий два электрода: катод К и анод А. В простейшем случае катодом служит нить из тугоплавкого металла (например, вольфрама), накаливаемая электрическим током. Анод чаще всего имеет форму металлического цилиндра, окружающего катод. Если диод включить в цепь, как это показано на рис. 31.1, то при накаливании катода и подаче на анод положительного напряжения (относительно анода) в анодной цепи диода возникает ток. Если поменять полярность батареи , то ток прекращается, как бы сильно катод ни накаливали. Следовательно, катод испускает отрицательные частицы – электроны.



рис 31.1

Если поддерживать температуру накаленного катода постоянной и снять зависимость анодного тока от анодного напряжения – вольт-амперную характеристику (рис. 31.2), то оказывается, что она не является линейной, т.е. для вакуумного диода закон Ома не выполняется.



рис 31.2

Зависимость термоэлектронного тока I от анодного напряжения в области малых положительных значений U описывается законом трех вторых (установлен русским физиком С.А. Богуславским (1883 – 1923) и американским физиком И.Ленгмюром (1881 – 1957):



 (31.1)

где В – коэффициент, зависящий от формы и размеров электродов и их взаимного расположения.

При увеличении анодного напряжения ток возрастает до некоторою максимального значения , называемого током насыщения.Это означает, что почти все электроны, покидающие катод достигают анода, поэтому дальнейшее увеличение напряженности поля не может привести к увеличению термоэлектронного тока. Следовательно, плотность тока насыщения характеризует эмиссионную способность материала катода.

На рис. 31.2 представлены вольт-амперные характеристики для двух температур катода:   причем . С повышением температуры катода испускание электронов с катода интенсивнее, при этом увеличивается и ток насыщения. При  наблюдается анодный ток, т.е. некоторые электроны, эмиттируемые катодом, обладают энергией, достаточной для преодоления работы выхода и достижения анода без приложения электрического поля.

Явление термоэлектронной эмиссии используется в приборах, в которых необходимо получить поток электронов в вакууме, например в электронных лампах, рентгеновских трубках, электронных микроскопах и т.д. Электронные лампы широко применяются в электро- и радиотехнике, автоматике и телемеханике для выпрямления переменных токов, усиления электрических сигналов и переменных токов, генерирования электромагнитных колебаний и т.д. В зависимости от назначения в лампах используются дополнительные управляющие электроды.

Катоды электронных ламп бывают прямого и косвенного накала (подогревные). Катоды прямого накала выполняются в виде прямолинейной или W-образной нити, накаливаемой непосредственно электрическим током. Катоды из вольфрама, торированного вольфрама или оксидированные катоды могут иметь прямой накал.

В катодах косвенного накала проволока, накаливаемая током, помещена внутри узкого керамического цилиндра и служит только для его подогрева. На внешней поверхности цилиндра надет металлический колпачок, покрытый слоем окиси. Термоэлектронная эмиссия катода происходит с внешней металлизированной поверхности цилиндра. В подогревных катодах большая тепловая инерция цилиндра позволяет получить практически постоянную температуру при накале ламп переменным током.

Последнее изменение: Понедельник, 2 июня 2014, 13:11