Главная Обратная связь

Дисциплины:

Архитектура (936)
Биология (6393)
География (744)
История (25)
Компьютеры (1497)
Кулинария (2184)
Культура (3938)
Литература (5778)
Математика (5918)
Медицина (9278)
Механика (2776)
Образование (13883)
Политика (26404)
Правоведение (321)
Психология (56518)
Религия (1833)
Социология (23400)
Спорт (2350)
Строительство (17942)
Технология (5741)
Транспорт (14634)
Физика (1043)
Философия (440)
Финансы (17336)
Химия (4931)
Экология (6055)
Экономика (9200)
Электроника (7621)






Наличие двойного электрического слоя



Френкель и Тамм ввели представление о двойном электрическом слое. Электроны, движущиеся внутри металла вблизи его поверхности, время от времени выходят из металла на некоторое расстояние (~10–10 м) и вновь возвращаются в него, так как не имеют энер­гии, достаточной для полного отрыва от металла. В результате та­кого временного выхода у поверхности металла образуется слой электронов, напоминающий паровую рубашку у жидкостей. Поверхность металла при этом оказывается заряженной положительно, так как часть положительных ионов осталась нескомпенсированной. Таким образом, непосредственно у поверхности металла образуется двойной электрический слой, подобный плоскому конденсатору, в котором, как у плоского конденсатора, существует электрическое поле. Чтобы преодолеть это поле, необходимо совершить работу, то есть затра­тить энергию.

Следовательно, электрон, выходящий из металла в вакуум, дол­жен совершить работу против сил двойного электрического слоя и силы взаимодействия электрона со своим зеркальным отображением.

Работа, совершаемая электроном при его переходе из металла в вакуум, называется работой выхода электрона из металла.

Совершение работы, как известно, связано с изменением энер­гии системы. При переходе из металла в вакуум электрон совершает работу против сил электростатического поля, при этом его потенци­альная энергия увеличивается, то есть потенциальная энергия электрона в металле меньше, чем вне его. Если принять потенциаль­ную энергию свободного электрона вне металла равной нулю (так как вне двойного электрического слоя поле практически отсутствует), то внутри металла его потенциальная энергия будет отрицательной. График изменения потенциальной энергии электрона в этом случае представлен на рис. 3.1, а. Этот график имеет вид ямы, следовательно, электрон в металле находится в потенциальной яме.

Потенциальной ямой называют такое потенциальное поле, в ко­тором
в любую сторону от некоторой точки или области потенциаль­ная энергия возрастает.

Для электрона в металле стенки потенциальной ямы будут прак­тически вертикальными, так как изменение энергии электрона происходит на расстоянии всего лишь порядка 10–9 м. Используя понятие потенциальной ямы, мы можем утверждать, что работа выхода элект­рона определяется глубиной потенциальной ямы.

 

Рис. 3.1, а Рис. 3.1, б

Кроме потенциальной энергии электрон в металле обладает ки­нетической энергией, которая у различных электронов различна и согласно законам идеального газа определяется максвелловским распределением (рис. 3.1, б). При любой температуре выше абсолютно­го нуля найдутся электроны, энергия которых много больше средней кинетической энергии и одновременно больше или равна работе выхо­да электрона. Такие электроны способны выйти из металла, и выход этих электронов объясняет явление термоэлектронной эмиссии. При комнатных температурах число выходящих электронов столь мало, что их практически не удается зафиксировать. При температурах же по­рядка 1000 °С и выше количество выходящих электронов становится настолько заметным, что их можно использовать для образования электрического тока в вакууме.



Работа выхода электрона из металла существенно зависит от природы металла его чистоты и состояния поверхности и слабо зави­сит от температуры. Обычно принимают, что для данного металла ра­бота выхода есть величина постоянная, обозначаемая буквой А.

Для чистой поверхности вольфрама работа выхода равна 4,5 эВ. У других чистых металлов она колеблется в пределах 1,8–5,3 эВ. Ес­ли поверхностный слой металла содержит какие-нибудь примеси, то работа выхода уменьшается; например, покрытие поверхности воль­фрама тонким слоем цезия (оксидированный вольфрам) уменьшает ра­боту выхода до 1,36 эВ. Оксидированный вольфрам широко применяет­ся в приборах, использующих явление термоэлектронной эмиссии.

Классическая электронная теория, использующая максвелловское распределение электронов по энергиям, достаточно хорошо объясняет явление термоэлектронной эмиссии, но дает несколько неточное ко­личественное выражение для числа электронов, выходящих из металла.

Более точное выражение дает кванто­вая теория.

На принципе термоэлектронной эмиссии основано устройство мно­гих приборов, в частности, элект­ронных ламп.



Исследование явления термоэ­лектронной эмиссии удобно проводить
с помощью электронной лампы.

Простейшей электронной лампой является вакуумный диод. Схематически он изображен на рис. 3.2, где: Б – стеклянный баллон, в кото­ром создан вакуум; К – катод (металлическая нить с двумя выводами, служащими для подвода тока накала катода); А – анод, который име­ет форму цилиндра, коаксиального с катодом.

Нагретый катод испускает электроны. Суммарный заряд элект­ронов, вылетающих за счет термоэлектронной эмиссии, с поверхности катода за единицу времени при постоянной температуре называется током эмиссии. Если анодное напряжение на лампу не подано (Ua = 0), то вылетевшие из катода электроны образуют вокруг него отрица­тельный пространственный заряд – электронное облако (поверхность катода при этом заряжается положительно). Это облако отталкивает вылетающие из катода электроны обратно в металл. При постоянной температуре катода устанавливается динамическое равновесие между выходящими электронами из катода и входящими в него.

В соответствии с распределением Максвелла электронов по энергиям имеется небольшое количество электронов с большой кине­тической энергией, достаточное для совершения работы против сил отталкивания заряда электронного облака. Этим электронам при от­сутствии анодного напряжения удается долететь до анода, в резу­льтате чего в анодной цепи будет течь слабый анодный ток. Чтобы прекратить попадание на анод электронов, между анодом и катодом располагают третий электрод, на который подается отрицательное напряжение.

При включении небольшого анодного напряжения электроны, эмиттированные катодом, увлекаются внешним электрическим полем к аноду и создают электрический ток. Наличие этого тока приводит к уменьшению заряда электронного облака. При малых анодных напряже­ниях величина анодного тока зависит от анодного напряжения, но зависимость между силой анодного тока Ia и анодным напряжением Ua не подчиняется закону Ома (рис. 3.3). Причина этого явления зак­лючается во влиянии электрического поля объемного заряда электронного облака, которое тормозит вылетающие электроны. В слабых полях (при ма­лом анодном напряжении Ua) заряд электронного облака сильно искажа­ет электрическое поле вблизи като­да. Поэтому зависимость анодного тока Ia от анодного напряжения Ua имеет нелинейный характер и дается формулой Богуславского-Ленгмюра (рис. 3.3, область 1)

 

Ia = αUa3/2, (3.1)

 

где α – коэффициент пропорциональности, зависящий от размеров, формы и расположения электродов.

Формулу (3.1) часто называют законом трех вторых – сила тока прямо пропорциональна анодному напряжению в степени трех вторых.

С увеличением Ua анодный ток увеличивается согласно формуле (3.1), то есть все большее число эмиттированных электронов достигает анода и все больше убывает заряд электронного облака. Закон трех вторых справедлив до некоторого анодного напряжения, при ко­тором практически электронное облако исчезает, а число электро­нов, испускаемых катодом при данной температуре, постоянно, сле­довательно, дальнейшее возрастание начинает задерживаться и фор­мула (3.1) становится неприменимой начиная с точки С (рис. 3.3).

При некотором напряжении объемный заряд вблизи катода пол­ностью рассасывается. Начиная с этого момента все электроны, ис­пускаемые катодом, достигают анода, то есть анодный ток становит­ся равным току термоэлектронной эмиссии.

Анодный ток, равный току термоэлектронной эмиссии при данной температуре катода, называется током насыщения (Is).

Естественно ожидать, что дальнейшее повышение анодного нап­ряжения не должно сопровождаться увеличением анодного тока. Одна­ко, как показывает опыт, ток не остается постоянным. Дальнейшее повышение анодного напряжения сопровождается слабым ростом анод­ного тока. Это возрастание анодного тока объясняется уменьшением работы выхода электронов за счет влияния сильного электрического поля вблизи катода.

Зависимость анодного тока от анодного напряжения при посто­янной температуре катода называется анодной характеристикой.

Анодная характеристика вакуумного диода показана на рис. 3.3. Величина тока насыщения определяется температурой катода. С возрастанием температуры катода увеличивается количество электро­нов, испускаемых катодом за единицу времени, и, следовательно, увеличиваются анодный ток Ia и ток насыщения Is (рис. 3.4 и 3.5).

В квантовой физике теоретический расчет с учетом волновых свойств электронов дает следующую зависимость величины тока насы­щения от температуры катода (формула Дешмэна – Ричардсона)

 

(3.2)

 

где Is – ток насыщения; S – площадь катода; В – константа, зави­сящая от рода металла и чистоты его поверхности (для вольфрама В = 6 ∙ 10–5 А / м2К2); Т – абсолютная температура катода; e – основа­ние натурального логарифма; А – работа выхода; k – постоянная Бо­льцмана.

Формула (3.2) указывает, что сила тока насыщения экспоненци­ально увеличивается с повышением температуры (показательная зави­симость от температуры является более сильной, чем степенная).

Зависимость тока насыщения от температуры представлена на рис.3.5.

Температура катода определяется током накала; следовательно, ток насыщения Is и анодный ток Ia зависят от тока накала Iн.

Зависимость анодного тока от тока накала называется эмисси­онной характеристикой вакуумного диода.

 

Рис. 3.3 Рис. 3.4 Рис. 3.5

При постоянном анодном напряжении при больших значениях тока накала из катода вылетает большое количество электронов.

Если напряжение между анодом и катодом недостаточно для уда­ления всех эмиссированных электронов, то около катода образуется объемный заряд, тем больший, чем больше ток накала. Поле объемно­го заряда препятствует увеличению анодного тока, и, начиная с не­которого значения тока накала Iн подъем кривой замедляется (рис. 3.3, область 2).

Как следует из (3.2), уменьшение работы выхода приводит к возрастанию тока насыщения. Поэтому в вакуумных диодах, выпускае­мых промышленностью, часто применяют катоды не из чистого воль­фрама, а из вольфрама покрытого слоем закиси щелочных или щелоч­ноземельных металлов (оксидированные катоды); у них работа выхода меньше, чем у чистых металлов,
и поэтому они при меньшем токе на­кала позволяют получить больший анодный ток.

В современных лампах применяются оксидированные подогреваемые катоды. В этих лампах вольфрамовая нить накала, непосредс­твенно нагреваемая током, не сама служит источником электронов, а нагревает надетый на нее оксидный цилиндрик – катод, имеющий от­дельный ввод. Такая конструкция катода имеет преимущества перед катодом прямого накала, в частности, облегчает использование пе­ременного тока для питания накала.

Основное назначение вакуумного диода – выпрямление перемен­ного тока. В связи с этим диоды имеют два анода – так называемые двойные диоды, используемые в двухполупериодных выпрямителях.

Задача

 

Исследовать явление термоэлектронной эмиссии и определить работу выхода электрона из металла.

Для этого необходимо:

а) снять анодную (статическую) характеристику электронной лампы
Ia = f (Ua) при температуре катода Тк = const и построить график этой зависимости;

б) снять эмиссионную характеристику лампы Is = f (Iн) при напряжении анода Ua = const и построить график этой зависимости;

в) построить график зависимости логарифма тока насыщения лампы от обратной величины температуры ln I = f (T –1) и по графику определить работу выхода электрона А;

г) рассчитать работу выхода электрона аналитически.

 

Описание установки

Схема установки для снятия статической и эмиссионной харак­теристик вакуумного диода приведена на рис. 3.6.

Для питания анодной цепи используется выпрямитель В1, дающий напряжение до 150 В. К зажимам выпрямителя подключен потенциометр Ra. Между

 

Рис. 3.6

 

точкой b и движком d можно снимать напряжение от 0 до 150 В в зависимости от положения движка. Вольтметр B1 включен между двумя точками b и d и показывает напряжение, поданное между катодом и анодом лампы Л. Миллиамперметр в цепи анода измеряет анодный ток Ia.

В цепь накала подается напряжение до Uн = 7,5 В, снятое с выпрямителя В2. Напряжение накала регулируется потенциометром Rн. Вольтметр В2 измеряет напряжение накала Uн и амперметр измеряет ток накала Iн. Напряжение и ток накала не должны превышать пре­дельных значений для данного вакуумного диода, которые указаны на рабочем месте.

 

Методика измерений

 

А) Снятие анодных характерстик вакуумного диода

 

Собрать схему, соблюдая полярность включения источников тока и измерительных приборов. После проверки схемы включить в сеть выпрямители В1 и В2. Ключом К2 включить цепь накала и потенцио­метром Rн установить номинальный ток накала.

В течение нескольких минут дать установиться току накала (его величина может умень­шаться, так как с нагреванием нити накала ее сопротивление воз­растает). Затем установить постоянный ток Iн (значение указано на рабочем месте). Ключом К1 включить цепь анода. Изменением напря­жения
в анодной цепи убедиться в существовании тока насыщения, замечая при этом интервал наиболее резкого изменения тока.

Изменяя анодное напряжение Ua от 0 до максимального (самос­тоятельно выбрать интервал изменения Ua в зависимости от скорости изменения Ia), записать соответствующие значения анодного тока Ia. При измерениях следить за постоянством тока в цепи накала.

Результаты измерений занести в таблицу 3.1.

Необходимо записать напряжение накала Uн1 и тока накала Iн1. Повторить измерения Iа от Uа для другого тока накала Iн1 и результаты измерений занести в табл. 3.1.

Таблица 3.1

№ п/п Анодная характеристика
Ua, B Ia при Iн = A Uн = Ia при Iн = A Uн =
     
     
     
...      
     

 

Б) Снятие эмиссионной характеристики вакуумного диода

 

Для гарантии существования тока насыщения установить в анод­ной цепи достаточно высокое напряжение Uas (80–100 B). При этом анодном напряжении последовательно установить напряжения накала, указанные на рабочем месте, с измерением каждый раз тока накала и тока насыщения.

Результаты измерений и последующих вычислений представить в виде табл. 3.2.

 

Таблица 3.2


Эта страница нарушает авторские права

allrefrs.ru - 2019 год. Все права принадлежат их авторам!