Emisija elektrona i iona je oslobađanje nabijenih čestica koje se događa na granici čvrste tvari s vakuumom ili plinom kada je emiter izložen toplinskom zagrijavanju, svjetlosnom zračenju, bombardiranju elektronima ili ionima, konstantnom ili visokofrekventnom električnom polju itd. .
Pojava emisije elektrona u vakuum od strane zagrijanog tijela naziva se termionska emisija.
Utvrđeno je da kada T = 0 ne može doći do emisije elektrona iz kristala, budući da su energije čak i najbržih elektrona nedovoljne da prevladaju potencijalnu barijeru na njegovoj granici.
Kada se krutina zagrijava, amplitude vibracija atoma kristalne rešetke rastu. S porastom temperature sve veći broj elektrona (sl. 2.10) dobiva energiju dovoljnu da prevlada potencijalnu barijeru na granici čvrstog tijela s vakuumom.
Ako svaki kubni metar metala sadrži dn u, u,u slobodni elektroni s komponentama brzine iz u x prije u x + du x, iz u y prije u y + +du y i od u z prije u z + du z, (Gdje u x– komponenta brzine u smjeru okomitom na površinu tijela), tada je tok takvih elektrona koji dolaze na površinu jednak
Samo elektroni čija je komponenta brzine u smjeru od x dovoljan za prevladavanje potencijalne barijere, tj.
Za određivanje broja elektrona koji napuštaju 1 m2 metalne površine po jedinici vremena pri određenoj temperaturi, potrebno je zamijeniti funkciju raspodjele brzine elektrona u metalu u formulu i integrirati dobiveni izraz.
Prema teoriji kvantne mehanike, svi elektroni ne pobjegnu u vakuum, postoji mogućnost njihove refleksije od potencijalne barijere. Stoga se uvodi koncept prozirnosti barijere D.
Richardson-Deshmanova jednadžba određuje gustoću struje toplinske emisije:
gdje je univerzalna konstanta i ne ovisi o vrsti emitera.
Fermijeva energija je određena relacijom. Može se vidjeti da ne ovisi o temperaturi u prvoj aproksimaciji i stoga se može zamijeniti efektivnim radom rada, tada
gdje je rad rada, izražen u džulima.
Richardson-Deshmanova jednadžba pokazuje da gustoća struje termionske emisije s metalne površine ovisi o temperaturi i efektivnom radnom radu materijala.
Jednadžba za određivanje gustoće struje termoemisije primjenjiva je ne samo na metalne, već i na poluvodičke katode bilo kojeg tipa. Specifičnost je, međutim, da ako se u metalima položaj Fermijeve razine može, u prvoj aproksimaciji, smatrati neovisnim o temperaturi i uzeti u obzir j eff. kao konstanta danog materijala, tada u poluvodičima s nečistoćama položaj Fermijeve razine ovisi o temperaturi. Temperaturni koeficijent rada rada ( a) utvrđeno je da je za metale êa½ ~ 10 –5. a poluvodiči a ~ 10 –4. S obzirom na to da je koef veliki brojčimbenika i nema precizne definicije, što daje neznatan udio u određivanju gustoće struje toplinske emisije, koristit ćemo se Richardson-Deshmanovom formulom za sve vrste termoelektričnih katoda.
Danas je fokus na termionskoj emisiji. Razmatraju se varijante naziva efekta, njegove manifestacije u mediju i vakuumu. Istražuju se temperaturne granice. Određene su ovisne komponente gustoće struje zasićenja termoelektrične emisije.
Nazivi učinaka termoemisije
Pojam "termionska emisija" ima i druga imena. Prema imenima znanstvenika koji su otkrili i prvi proučavali ovaj fenomen, definiran je kao Richardsonov ili Edisonov efekt. Stoga, ako osoba naiđe na ove dvije fraze u tekstu knjige, mora imati na umu da se podrazumijeva isti fizički izraz. Zabunu je izazvalo neslaganje publikacija domaćih i stranih autora. Sovjetski fizičari nastojali su objasniti te zakone.
Pojam “termionska emisija” sadrži bit fenomena. Osoba koja vidi ovu frazu na stranici odmah razumije da je riječ o temperaturnoj emisiji elektrona, ali ostaje iza scene da se to svakako događa u metalima. Ali zato postoje definicije, da otkriju detalje. Strana je znanost vrlo osjetljiva na primat i autorska prava. Dakle, znanstvenik koji je uspio nešto zabilježiti dobiva imenovanu pojavu, a jadni studenti zapravo moraju zapamtiti imena otkrivača, a ne samo bit efekta.
Određivanje termoelektrične emisije
Fenomen termionske emisije je kada se elektroni oslobađaju iz metala pri visokim temperaturama. Dakle, zagrijano željezo, kositar ili živa su izvor ovih elementarnih čestica. Mehanizam se temelji na činjenici da u metalima postoji posebna veza: kristalna rešetka pozitivno nabijenih jezgri je takoreći zajednička baza za sve elektrone koji tvore oblak unutar strukture.
Tako će među negativno nabijenim česticama koje se nalaze blizu površine uvijek biti onih koje imaju dovoljno energije da napuste volumen, odnosno da prevladaju potencijalnu barijeru.
Temperatura učinka termoemisije
Zahvaljujući metalnoj vezi, u blizini površine bilo kojeg metala nalazit će se elektroni koji imaju dovoljno snage da prevladaju potencijalnu izlaznu barijeru. Međutim, zbog te iste disperzije energije, jedna se čestica jedva otrgne od kristalne strukture, dok druga izleti van i prijeđe određenu udaljenost, ionizirajući medij oko sebe. Očito, što je više kelvina u mediju, to više elektrona stječe sposobnost napuštanja volumena metala. Stoga se postavlja pitanje kolika je temperatura termionske emisije. Odgovor nije jednostavan, a razmotrit ćemo donju i gornju granicu postojanja ovog učinka.
Temperaturne granice termoelektrične emisije
Veza između pozitivnih i negativnih čestica u metalima ima niz značajki, uključujući vrlo gustu distribuciju energije. Elektroni, budući da su fermioni, zauzimaju svaki svoju energetsku nišu (za razliku od bozona, koji svi mogu biti u istom stanju). Unatoč tome, razlika između njih je toliko mala da se spektar može smatrati kontinuiranim, a ne diskretnim.
Zauzvrat, to dovodi do visoke gustoće stanja elektrona u metalima. Međutim, čak i na vrlo niskim temperaturama blizu apsolutne nule (zapamtite, ovo je nula kelvina, ili približno minus dvjesto sedamdeset i tri stupnja Celzijusa) postojat će elektroni s višim i nižim energijama, jer ne mogu svi biti u najnižem stanju na isto vrijeme. To znači da će se pod određenim uvjetima (tanka folija) vrlo rijetko uočiti oslobađanje elektrona iz metala čak i pri ekstremno niskim temperaturama. Stoga se donja granica temperature termoemisije može smatrati vrijednošću blizu apsolutne nule.
S druge strane temperaturne ljestvice je taljenje metala. Prema fizikalno-kemijskim podacima, ova karakteristika je različita za sve materijale ove klase. Drugim riječima, ne postoje metali s istim talištem. Živa ili tekućina u normalnim uvjetima izlazi iz kristalnog oblika već na minus trideset i devet stupnjeva Celzijusa, dok volfram - na tri i pol tisuće. 
Međutim, sve ove granice imaju jednu zajedničku stvar - metal prestaje biti čvrsto tijelo. To znači da se zakoni i učinci mijenjaju. I nema potrebe reći da u talini postoji termoemisija. Dakle, gornja granica ovog učinka postaje temperatura taljenja metala.
Termionska emisija u uvjetima vakuuma
Sve gore navedeno odnosi se na pojavu u mediju (na primjer, u zraku ili u inertnom plinu). Sada se okrenimo pitanju što je termoemisija u vakuumu. Da bismo to učinili, opisat ćemo najjednostavniji uređaj. U tikvicu iz koje je ispumpan zrak stavi se tanka metalna šipka na koju je spojen negativni pol izvora struje. Imajte na umu da se materijal mora rastopiti na dovoljno visokim temperaturama kako ne bi izgubio svoju kristalnu strukturu tijekom eksperimenta. Tako dobivena katoda je okružena cilindrom od drugog metala i na njega je spojen pozitivni pol. Naravno, anoda se također nalazi u posudi ispunjenoj vakuumom. Kada je strujni krug zatvoren, dobivamo struju termionske emisije.
Važno je napomenuti da pod ovim uvjetima ovisnost struje o naponu pri konstantnoj temperaturi katode ne slijedi Ohmov zakon, već zakon druga tri. Također je nazvana po Childu (u drugim verzijama Child-Langmuir, pa čak i Child-Langmuir-Boguslavsky), au znanstvenoj literaturi na njemačkom jeziku - Schottkyjeva jednadžba. Kako napon u takvom sustavu raste, u određenom trenutku svi elektroni emitirani s katode stižu do anode. To se zove struja zasićenja. Na strujno-naponskoj karakteristici to se izražava u činjenici da krivulja doseže plato, a daljnje povećanje napona nije učinkovito.
Formula termičke emisije
Ovo su karakteristike koje ima termoemisija. Formula je dosta složena pa je nećemo ovdje iznositi. Osim toga, lako ga je pronaći u bilo kojoj referentnoj knjizi. Općenito, ne postoji formula za termoemisionu emisiju kao takvu; uzima se u obzir samo gustoća struje zasićenja. Ova vrijednost ovisi o materijalu (koji određuje rad) i termodinamičkoj temperaturi. Sve ostale komponente formule su konstante.
Mnogi uređaji rade na temelju termoemisije. Primjerice, stari veliki televizori i monitori imaju upravo takav efekt.
Već je navedeno da se pri prelasku sučelja između vodiča i vakuuma intenzitet i indukcija električnog polja naglo mijenjaju. Uz to su povezani specifični fenomeni. Elektron je slobodan samo unutar granica metala. Čim pokuša prijeći granicu "metal-vakuum", između elektrona i viška pozitivnog naboja nastalog na površini javlja se Coulombova sila privlačenja (slika 6.1).
U blizini površine nastaje elektronski oblak, a na sučelju se formira dvostruki električni sloj s potencijalnom razlikom (). Skokovi potencijala na metalnoj granici prikazani su na slici 6.2.
Jamarica potencijalne energije formira se u volumenu koji zauzima metal, budući da su unutar metala elektroni slobodni i njihova energija interakcije s mjestima rešetke je nula. Izvan metala, elektron dobiva energiju W 0 . To je energija privlačenja. Da bi napustio metal, elektron mora svladati potencijalnu barijeru i obaviti rad
| (6.1.1) |
Ovo djelo se zove izlazni rad elektrona koji izlazi iz metala
. Da bi se to postiglo, elektronu se mora osigurati dovoljna energija. 
Termionska emisija
Vrijednost izlaznog rada ovisi o kemijskoj prirodi tvari, o njezinom termodinamičkom stanju i o stanju međupovršine. Ako se zagrijavanjem elektronima preda energija dovoljna za obavljanje rada rada, tada Proces odlaska elektrona iz metala naziva se termionska emisija .
U klasičnoj termodinamici, metal se predstavlja kao ionska rešetka koja sadrži elektronski plin. Vjeruje se da se zajednica slobodnih elektrona pokorava zakonima idealnog plina. Posljedično, u skladu s Maxwellovom raspodjelom, na temperaturama različitima od 0 K, metal sadrži određeni broj elektrona čija je toplinska energija veća od rada rada. Ovi elektroni napuštaju metal. Ako se temperatura poveća, povećava se i broj takvih elektrona.
Pojava emisije elektrona zagrijanih tijela (emitera) u vakuum ili drugi medij naziva se termionska emisija . Zagrijavanje je potrebno kako bi energija toplinskog gibanja elektrona bila dovoljna za nadvladavanje Coulombovih sila privlačenja između negativno nabijenog elektrona i pozitivnog naboja koji je on inducirao na površini metala kada se ukloni s površine (slika 6.1). Osim toga, pri dovoljno visokoj temperaturi iznad metalne površine stvara se negativno nabijeni oblak elektrona koji sprječava elektron da napusti metalnu površinu u vakuumu. Ova dva, a možda i drugi razlozi određuju izlazni rad elektrona iz metala.
Fenomen termoemisije otkrio je 1883. Edison, slavni američki izumitelj. Tu je pojavu promatrao u vakuumskoj cijevi s dvije elektrode – anodom s pozitivnim potencijalom i katodom s negativnim potencijalom. Katoda žarulje može biti žarna nit izrađena od vatrostalnog metala (volfram, molibden, tantal itd.), Zagrijana električnom strujom (slika 6.3). Takva svjetiljka naziva se vakuumska dioda. Ako je katoda hladna, tada u krugu katoda-anoda praktički nema struje. Porastom temperature katode u strujnom krugu katoda-anoda javlja se električna struja koja je to veća što je temperatura katode viša. Pri konstantnoj temperaturi katode struja u krugu katoda-anoda raste s povećanjem razlike potencijala U između katode i anode i dolazi do neke stacionarne vrijednosti tzv struja zasićenja ja n. pri čemu sva termička elektronika koju emitira katoda dolazi do anode. Anodna struja nije proporcionalna U, i stoga Za vakuumsku diodu ne vrijedi Ohmov zakon.
Slika 6.3 prikazuje krug vakuumske diode i strujno-naponske karakteristike (volt-amperske karakteristike) ja a(Ua). Ovdje U h – napon kašnjenja pri kojem ja = 0.
Hladna i eksplozivna emisija
Emisija elektrona uzrokovana djelovanjem sila električnog polja na slobodne elektrone u metalu naziva se hladna emisija ili elektronika polja . Za to mora biti dovoljna jakost polja i mora biti ispunjen uvjet
| (6.1.2) |
Ovdje d– debljina dvostrukog električnog sloja na sučelju. Obično u čistim metalima i 
dobivamo U praksi se emisija hladnoće opaža pri vrijednosti jakosti reda veličine.Ova se razlika pripisuje nekonzistentnosti klasičnih koncepata za opisivanje procesa na mikrorazini.
Emisija polja može se promatrati u dobro vakuumiranoj vakuumskoj cijevi, čija je katoda vrh, a anoda pravilna elektroda s ravnom ili blago zakrivljenom površinom. Jakost električnog polja na površini vrha s polumjerom zakrivljenosti r i potencijal U u odnosu na anodu jednaka
Pri i , što će dovesti do pojave slabe struje zbog emisije polja s površine katode. Jakost emisije struje brzo raste s povećanjem potencijalne razlike U. U tom slučaju katoda se posebno ne zagrijava, zbog čega se emisija naziva hladnom.
Pomoću emisije polja načelno je moguće dobiti gustoću struje 
ali to zahtijeva emitere u obliku skupa velikog broja vrhova, identičnog oblika (sl. 6.4), što je praktički nemoguće, a, osim toga, povećanje struje na 10 8 A/cm 2 dovodi do eksplozivnog uništenja vrhova i cijelog emitera.
Gustoća AEE struje pod utjecajem prostornog naboja jednaka je (Child-Langmuirov zakon)
Gdje 
– koeficijent proporcionalnosti određen geometrijom i materijalom katode.
Jednostavno rečeno, Childe-Langmuirov zakon pokazuje da je gustoća struje proporcionalna (zakon tri sekunde).
Struja emisije polja, kada je koncentracija energije u mikrovolumenima katode do 10 4 J×m –1 ili više (s ukupnom energijom od 10 -8 J), može inicirati kvalitativno drugačiji tip emisije, zbog eksplozija mikrovrhova na katodi (Slika 6.4).
U ovom slučaju pojavljuje se struja elektrona, koja je reda veličine veća od početne struje - promatranom eksplozivna emisija elektrona (VEE). VEE je 1966. godine na Tomskom politehničkom institutu otkrio i proučavao tim zaposlenika predvođen G.A. mjeseci.
VEE je jedina vrsta emisije elektrona koja omogućuje dobivanje protoka elektrona snage do 10 13 W s gustoćom struje do 10 9 A/cm 2 .
 |  |
|
| Riža. 6.4 | Riža. 6.5 |
VEE struja neobične je strukture. Sastoji se od pojedinačnih dijelova elektrona 10 11 ¸ 10 12 komada, koji imaju karakter elektronskih lavina, tzv. ektoni(početna slova " eksplozivni centar") (Slika 6.5). Vrijeme formiranja lavine je 10 -9 ¸ 10 -8 s.
Pojava elektrona u ektonu uzrokovana je brzim pregrijavanjem mikropresjeka katode i u biti je vrsta termoelektrične emisije. Postojanje ektona očituje se stvaranjem kratera na površini katode. Do prestanka emisije elektrona u ektonu dolazi zbog hlađenja zone emisije zbog toplinske vodljivosti, smanjenja gustoće struje i isparavanja atoma.
Eksplozivna emisija elektrona i ektona igra temeljnu ulogu u vakuumskim iskrama i lukovima, u niskotlačnim pražnjenjima, u komprimiranim plinovima i plinovima visoke čvrstoće, u mikro-prostorima, tj. gdje postoji električno polje visokog intenziteta na površini katode.
Fenomen eksplozivne emisije elektrona poslužio je kao osnova za stvaranje impulsnih elektrofizičkih instalacija, kao što su visokostrujni akceleratori elektrona, moćni pulsni i rendgenski uređaji te snažni relativistički mikrovalni generatori. Na primjer, impulsni akceleratori elektrona imaju snagu od 10 13 W ili više s trajanjem impulsa od 10 -10 ¸ 10 -6 s, strujom elektrona od 10 6 A i energijom elektrona od 10 4 ¸ 10 7 eV. Takve zrake se široko koriste za istraživanja u fizici plazme, fizici zračenja i kemiji, za pumpanje plinskih lasera itd.
Emisija fotoelektrona
Emisija fotoelektrona (fotoefekt) sastoji se od "izbacivanja" elektrona iz metala kada je izložen elektromagnetskom zračenju.
Dijagram postavljanja za proučavanje fotoelektričnog učinka i strujno-naponskih karakteristika slični su onima prikazanim na slici. 6.3. Ovdje se umjesto zagrijavanja katode na nju usmjerava struja fotona ili γ-kvanta (sl. 6.6).
Zakoni fotoelektričnog efekta još su nedosljedniji s klasičnom teorijom nego u slučaju hladne emisije. Iz tog razloga ćemo razmotriti teoriju fotoelektričnog efekta kada budemo raspravljali o kvantnim konceptima u optici.
U fizikalnim instrumentima koji bilježe γ – zračenje koriste se fotomultiplikatorske cijevi (PMT). Dijagram uređaja prikazan je na slici 6.7.
Koristi dva efekta emisije: fotoefekt I sekundarna elektronska emisija, koji se sastoji od izbacivanja elektrona iz metala kada je on bombardiran drugim elektronima. Elektrone izbacuje svjetlost s fotokatode ( FC). Brza vožnja između FC i prvi emiter ( KS 1), dobivaju energiju dovoljnu da izbace veći broj elektrona iz sljedećeg emitera. Dakle, umnažanje elektrona nastaje zbog povećanja njihovog broja tijekom uzastopnog prolaska potencijalne razlike između susjednih emitera. Posljednja elektroda naziva se kolektor. Bilježi se struja između posljednjeg emitera i kolektora. Tako, PMT služi kao strujno pojačalo, a potonje je proporcionalno zračenju koje pada na fotokatodu, što se koristi za procjenu radioaktivnosti.
Termionska emisija
Termionska emisija (Richardsonov učinak, Edisonov učinak) - pojava emisije elektrona zagrijanim tijelima. Koncentracija slobodnih elektrona u metalima je prilično visoka, stoga čak i pri prosječnim temperaturama, zbog raspodjele brzina (energije) elektrona, neki elektroni imaju dovoljnu energiju da prevladaju potencijalnu barijeru na granici metala. S porastom temperature raste broj elektrona čija je kinetička energija toplinskog gibanja veća od rada rada, te dolazi do izražaja pojava termoemisije.
Proučavanje zakona termionske emisije može se provesti pomoću najjednostavnije svjetiljke s dvije elektrode - vakuumske diode, koja je vakuumski cilindar koji sadrži dvije elektrode: katodu K i anodu A. U najjednostavnijem slučaju, katoda je žarna nit izrađena vatrostalnog metala (na primjer, volframa), zagrijanog električnom strujom. Anoda najčešće ima oblik metalnog cilindra koji okružuje katodu. Ako je dioda spojena na strujni krug, tada kada se katoda zagrije i pozitivni napon (u odnosu na katodu) primijeni na anodu, u anodnom krugu diode nastaje struja. Ako promijenite polaritet baterije, struja prestaje, koliko god katoda bila vruća. Posljedično, katoda emitira negativne čestice - elektrone.
Ako održavate konstantnu temperaturu grijane katode i uklonite ovisnost anodne struje o anodnom naponu - strujno-naponsku karakteristiku - ispada da ona nije linearna, odnosno da Ohmov zakon ne vrijedi za vakuumsku diodu . Ovisnost termionske struje o anodnom naponu u području malih pozitivnih vrijednosti opisana je zakonom druge tri (koji su ustanovili ruski fizičar S. A. Boguslavsky (1883-1923) i američki fizičar I. Langmuir (1881. -1957)): , gdje je B koeficijent koji ovisi o oblicima i veličinama elektroda, kao i njihovom međusobnom položaju.
Kako se anodni napon povećava, struja se povećava do određene maksimalne vrijednosti, koja se naziva struja zasićenja. To znači da gotovo svi elektroni koji napuštaju katodu dolaze do anode, pa daljnje povećanje jakosti polja ne može dovesti do povećanja termoeničke struje. Prema tome, gustoća struje zasićenja karakterizira emisivnost materijala katode. Gustoća struje zasićenja određena je Richardson-Deshmanovom formulom, teoretski izvedenom na temelju kvantne statistike: , gdje je A izlazni rad elektrona s katode, T termodinamička temperatura, C konstanta, teoretski ista za svi metali (ovo nije potvrđeno eksperimentom, koji se, prema očito objašnjava površinskim učincima). Smanjenje radnog rada dovodi do naglog povećanja gustoće struje zasićenja. Stoga se koriste oksidne katode (na primjer, nikal obložen oksidom zemnoalkalijskog metala), čiji je izlazni rad 1–1,5 eV.
Rad mnogih vakuumskih elektroničkih uređaja temelji se na fenomenu termionske emisije.
Književnost
- Tečaj fizike Trofimova T.I.
Zaklada Wikimedia. 2010.
- Kurija-Murija
- plimna elektrana
Pogledajte što je "termionska emisija" u drugim rječnicima:
TOPLINSKA EMISIJA ELEKTRONA- emisija elektrona zagrijanim tijelima (emiterima) u vakuum ili drugi medij. Tijelo mogu napustiti samo oni elektroni čija je energija veća od energije elektrona koji miruje izvan emitera (vidi Rad rada). Broj takvih elektrona (obično elektrona... Fizička enciklopedija
TOPLINSKA EMISIJA ELEKTRONA- emisija elektrona zagrijanim tijelima (emiterima) u vakuum ili drugi medij. Tijelo mogu napustiti samo oni elektroni čija je energija veća od energije elektrona koji miruje izvan tijela (vidi RAD IZLAZANJA). Broj takvih elektrona u termodinamičkim uvjetima. ravnoteža, u..... Fizička enciklopedija
TOPLINSKA EMISIJA ELEKTRONA- emisija elektrona zagrijanim čvrstim tijelima ili tekućinama (emiteri). Termionska emisija se može smatrati isparavanjem elektrona iz emitera. U većini slučajeva, termoemisija se opaža na temperaturama... ... Veliki enciklopedijski rječnik
termionska emisija- termoemisija; industrija termoemisija Emisija elektrona uzrokovana isključivo toplinskim stanjem (temperaturom) čvrstog ili tekućeg tijela koje emitira elektrone ... Politehnički terminološki eksplanatorni rječnik
termionska emisija- Emisija elektrona samo zbog temperature elektrode. [GOST 13820 77] Teme: elektrovakuumski uređaji... Vodič za tehničke prevoditelje
TOPLINSKA EMISIJA ELEKTRONA- TOPLINSKA EMISIJA ELEKTRONA, “isparavanje” ELEKTRONA s površine tvari kada se zagrijava... Znanstveni i tehnički enciklopedijski rječnik
TOPLINSKA EMISIJA ELEKTRONA- emisija elektrona zagrijanim tijelima (emiterima) u vakuum ili drugi medij. Fenomen se opaža na temperaturama znatno iznad sobne temperature; u ovom slučaju, dio elektrona tijela dobiva energiju koja premašuje (milijun jednako) rad... ... Velika politehnička enciklopedija
termionska emisija- emisija elektrona iz zagrijanih čvrstih tijela ili tekućina (emiteri). Termionska emisija može se smatrati isparavanjem elektrona nakon njihove toplinske pobude. U većini slučajeva, termoemisija se opaža kada... ... enciklopedijski rječnik
Termionska emisija- Richardsonov efekt, emisija elektrona zagrijanih tijela (krutina, rjeđe tekućina) u vakuum ili u različite okoline. Prvi istražio O. W. Richardson 1900. 1901. T. e. može se smatrati procesom isparavanja elektrona u... ... Velika sovjetska enciklopedija
TOPLINSKA EMISIJA ELEKTRONA- emisija elektrona sa zagrijane površine. Čak i prije 1750. godine bilo je poznato da u blizini zagrijanih čvrstih tijela zrak gubi svoje uobičajeno svojstvo lošeg vodiča elektriciteta. Međutim, uzrok ovog fenomena ostao je nejasan sve do 1880-ih. U broju..... Collierova enciklopedija
termionska emisija- termoelektroninė emisija statusas T sritis chemija apibrėžtis Elektronų spinduliavimas iš įkaitusių kietųjų kūnų arba skysčių. atitikmenys: engl. termoelektronička emisija rus. termoemisija... Chemijos terminų aiškinamasis žodynas
Kontrolna pitanja .. 18
9. Laboratorijski rad br.2. Proučavanje termoelektrične emisije pri niskim gustoćama struje emisije . 18
Radni nalog .. 19
Zahtjevi izvješća . 19
Kontrolna pitanja .. 19
Uvod
Emisijska elektronika proučava pojave povezane s emisijom (emisijom) elektrona iz kondenziranog medija. Emisija elektrona nastaje u slučajevima kada dio elektrona nekog tijela dobije, kao rezultat vanjskog utjecaja, energiju dovoljnu da prevlada potencijalnu barijeru na svojoj granici ili ako ga vanjsko električno polje učini “prozirnim” za dio elektrona. Ovisno o prirodi vanjskog utjecaja, postoje:
- termoemisija (zagrijavanje tijela);
- sekundarna emisija elektrona (bombardiranje površine elektronima);
- ionsko-elektronska emisija (bombardiranje površine ionima);
- fotoelektronska emisija (elektromagnetsko zračenje);
- egzoelektronički emisija (mehanička, toplinska i druge vrste površinske obrade);
- emisija polja (vanjsko električno polje) itd.
U svim pojavama gdje je potrebno uzeti u obzir ili izlazak elektrona iz kristala u okolni prostor, ili prijelaz iz jednog kristala u drugi, karakteristika nazvana "Rad rada" dobiva odlučujući značaj. Radna funkcija definirana je kao minimalna energija potrebna za uklanjanje elektrona iz krutog tijela i njegovo postavljanje u točku za koju se pretpostavlja da je njegova potencijalna energija nula. Osim u opisivanju raznih emisijskih pojava, pojam rada ima važnu ulogu u objašnjenju nastanka kontaktne razlike potencijala u kontaktu dva metala, metala s poluvodičem, dva poluvodiča, kao i galvanskih pojava.
Smjernice se sastoje od dva dijela. Prvi dio sadrži osnovne teorijske informacije o pojavama emisije u krutim tijelima. Glavna pozornost posvećena je fenomenu termionske emisije. U drugom dijelu dan je opis laboratorijskog rada posvećenog eksperimentalnom istraživanju termoemisije, proučavanju kontaktne razlike potencijala i raspodjele rada rada po površini uzorka.
Dio 1. Osnovne teorijske informacije
1. Rad izlaza elektrona. Utjecaj na rad rada površinskog stanja
Činjenica da se elektroni zadržavaju unutar krutog tijela ukazuje na to da se u površinskom sloju tijela javlja usporavajuće polje koje sprječava elektrone da ga napuste u okolni vakuum. Shematski prikaz potencijalne barijere na granici čvrstog tijela prikazan je na sl. 1. Da bi elektron napustio kristal mora izvršiti rad jednak radu rada. razlikovati termodinamički I vanjski radna funkcija.
Termodinamički rad rada je razlika između energije nulte razine vakuuma i Fermijeve energije krutog tijela.
Vanjski rad izlaza (ili afinitet prema elektronu) je razlika između energije nulte razine vakuuma i energije dna vodljivog pojasa (slika 1).
|
Riža. 1. Oblik kristalnog potencijala U duž crte položaja iona u kristalu iu pripovršinskom području kristala: položaji iona označeni su točkama na vodoravnoj liniji; φ=- U /e – potencijal radne funkcije; E F – Fermijeva energija (negativna); E C– energija dna vodljivog pojasa; W O – termodinamički rad rada; W a – vanjska radna funkcija; osjenčano područje konvencionalno predstavlja ispunjena elektronska stanja |
Dva su glavna razloga za nastanak potencijalne barijere na granici čvrstog tijela i vakuuma. Jedan od njih je zbog činjenice da elektron emitiran iz kristala inducira pozitivan električni naboj na njegovoj površini. Između elektrona i površine kristala javlja se privlačna sila (sila električne slike, vidi odjeljak 5, sl. 12), koja nastoji vratiti elektron natrag u kristal. Drugi razlog je činjenica da elektroni, zbog toplinskog gibanja, mogu prijeći površinu metala i udaljiti se od nje na male udaljenosti (reda atomske). Oni stvaraju negativno nabijen sloj iznad površine. U tom slučaju, nakon što elektroni pobjegnu, na površini kristala nastaje pozitivno nabijen sloj iona. Kao rezultat, formira se dvostruki električni sloj. Ne stvara polje u vanjskom prostoru, ali također zahtijeva rad da se prevlada električno polje unutar samog dvostrukog sloja.
Vrijednost izlaznog rada za većinu metala i poluvodiča je nekoliko elektron volti. Na primjer, za litij je izlazni rad 2,38 eV, željezo – 4,31 eV, germanij – 4,76 eV, silicij – 4,8 eV. U velikoj mjeri vrijednost izlaznog rada određena je kristalografskom orijentacijom monokristalne površine s koje dolazi do emisije elektrona. Za ravninu (110) volframa radni rad je 5,3 eV; za ravnine (111) i (100) ove vrijednosti su 4,4 eV odnosno 4,6 eV.
Veliki utjecaj na radnu funkciju imaju tanki slojevi naneseni na površinu kristala. Atomi ili molekule nataložene na površini kristala često mu predaju elektron ili prihvate elektron od njega i postanu ioni. Na sl. Slika 2 prikazuje energetski dijagram metala i izoliranog atoma za slučaj kada je termodinamički rad rada elektrona iz metala W 0 veća od energije ionizacije E ion atoma taloženog na njegovoj površini.U ovoj situaciji elektron atoma je energetski povoljan tunel u metal i spustiti se u njemu do Fermijeve razine. Metalna površina prekrivena takvim atomima postaje negativno nabijena i stvara dvostruki električni sloj s pozitivnim ionima čije će polje smanjiti radni rad metala. Na sl. Slika 3, a prikazuje kristal volframa presvučen monoslojem cezija. Ovdje se realizira gore razmotrena situacija, budući da energija E ion cezija (3,9 eV) manji je od izlaznog rada volframa (4,5 eV). U pokusima se rad rada smanjuje više od tri puta. Obratna situacija se opaža ako je volfram prekriven atomima kisika (slika 3 b). Budući da je veza valentnih elektrona u kisiku jača nego u volframu, kada se kisik adsorbira na površini volframa, nastaje dvostruki električni sloj, što povećava rad rada metala. Najčešći slučaj je kada atom nataložen na površini ne preda u potpunosti svoj elektron metalu ili uzme dodatni elektron, već deformira svoju elektronsku ljusku tako da se atomi adsorbirani na površini polariziraju i postanu električni dipoli (Sl. 3c). Ovisno o orijentaciji dipola, izlazni rad metala se smanjuje (orijentacija dipola odgovara sl. 3c) ili raste.
2. Fenomen termionske emisije
Termionska emisija je jedna od vrsta emisije elektrona s površine krutog tijela. U slučaju termoemisije, vanjski utjecaj povezan je sa zagrijavanjem krutine.
Pojava termoemisije je emisija elektrona od strane zagrijanih tijela (emitera) u vakuum ili drugi medij.
U uvjetima termodinamičke ravnoteže broj elektrona n(E), s energijom u rasponu od E prije E+d E, određuje se Fermi-Diracovom statistikom:
,(1)
Gdje g(E)– broj kvantnih stanja koja odgovaraju energiji E; E F – Fermijeva energija; k– Boltzmannova konstanta; T– apsolutna temperatura.
Na sl. Slika 4 prikazuje energetski dijagram metala i krivulje raspodjele energije elektrona pri T=0 K, na niskoj temperaturi T 1 i na visokim temperaturama T 2. Pri 0 K, energija svih elektrona manja je od Fermijeve energije. Niti jedan elektron ne može napustiti kristal i nema termoemisije. S porastom temperature povećava se broj toplinski pobuđenih elektrona koji mogu napustiti metal, što uzrokuje pojavu termoemisije. Na sl. 4 to je ilustrirano činjenicom da kada T=T 2"rep" distribucijske krivulje prelazi nultu razinu potencijalne jame. To ukazuje na pojavu elektrona s energijom većom od visine potencijalne barijere.
Za metale, izlazni rad je nekoliko elektron volti. energija k Tčak i na temperaturama od tisuća Kelvina je djelić elektron volta. Za čiste metale, značajna emisija elektrona može se dobiti na temperaturi od oko 2000 K. Na primjer, u čistom volframu, zamjetna emisija može se dobiti na temperaturi od 2500 K.
Za proučavanje termoemisije potrebno je stvoriti električno polje na površini zagrijanog tijela (katode), ubrzavajući elektrone da ih ukloni (usisava) s površine emitera. Pod utjecajem električnog polja emitirani elektroni se počinju gibati i nastaje električna struja koja se tzv termoionski. Za promatranje termionske struje obično se koristi vakuumska dioda - elektronska cijev s dvije elektrode. Katoda žarulje je žarna nit izrađena od vatrostalnog metala (volfram, molibden itd.), Zagrijana električnom strujom. Anoda obično ima oblik metalnog cilindra koji okružuje zagrijanu katodu. Za promatranje termionske struje, dioda je spojena na krug prikazan na sl. 5. Očito, jakost termionske struje trebala bi rasti s povećanjem razlike potencijala V između anode i katode. Međutim, ovo povećanje nije proporcionalno V(slika 6). Dostizanjem određenog napona porast termoeničke struje praktički prestaje. Granična vrijednost termionske struje pri određenoj temperaturi katode naziva se struja zasićenja. Veličina struje zasićenja određena je brojem termoelektrona koji mogu izaći s površine katode u jedinici vremena. U ovom slučaju, svi elektroni dovedeni termionskom emisijom s katode koriste se za proizvodnju električne struje.
3. Ovisnost termionske struje o temperaturi. Formula Richardson-Deshman
Pri proračunu gustoće termionske struje koristit ćemo se modelom elektronskog plina i primijeniti Fermi-Dirac statistika tome. Očito je da je gustoća termoeničke struje određena gustoćom elektronskog oblaka u blizini površine kristala, što je opisano formulom (1). U ovoj formuli prijeđimo s distribucije energije elektrona na distribuciju impulsa elektrona. U ovom slučaju, uzimamo u obzir da su dopuštene vrijednosti vektora elektrona k V k -prostor se ravnomjerno raspoređuje tako da za svaku vrijednost k čini svezak 8 str 3 (za volumen kristala jednak jedan). Uzimajući u obzir da je impuls elektrona p =ć k dobivamo da je broj kvantnih stanja u elementu volumena prostora momenta dp xdp ydp z bit će jednaki
(2)
Dva u brojniku formule (2) uzimaju u obzir dvije moguće vrijednosti spina elektrona.
Usmjerimo os z pravokutni koordinatni sustav normalan na površinu katode (slika 7). Odaberimo područje jedinice površine na površini kristala i izgradimo na njemu, kao na bazi, pravokutni paralelopiped s bočnim rubom v z =p z /m n(m n– efektivna masa elektrona). Elektroni doprinose gustoći struje zasićenja komponente v z brzina osi z. Doprinos jednog elektrona gustoći struje jednak je
(3)
Gdje e– naboj elektrona.
Broj elektrona u paralelopipedu, čije su brzine sadržane u razmatranom intervalu:
Da kristalna rešetka ne bi bila uništena tijekom emisije elektrona, neznatan dio elektrona mora napustiti kristal. Za to, kao što pokazuje formula (4), mora biti zadovoljen uvjet NJUF>> k T. Za takve elektrone, jedinica u nazivniku formule (4) može se zanemariti. Zatim se ova formula transformira u oblik
(5)
Nađimo sada broj elektrona dN u opsegu koji se razmatra, z-čija se komponenta impulsa nalazi između R z I R z +dp z. Da biste to učinili, prethodni izraz mora biti integriran preko R x I R g u rasponu od –∞ do +∞. Pri integraciji treba voditi računa da
,
i koristiti tablični integral
,.
Kao rezultat dobivamo
.(6)
Sada, uzimajući u obzir (3), pronađimo gustoću termionske struje koju stvaraju svi elektroni paralelopipeda. Da bi se to postiglo, izraz (6) mora biti integriran za sve elektrone čija je kinetička energija na Fermijevoj razini E ≥E F +W 0 Samo takvi elektroni mogu napustiti kristal i samo oni igraju ulogu u izračunavanju termostruje. Komponenta količine gibanja takvih elektrona duž osi Z mora zadovoljiti uvjet
.
Prema tome, gustoća struje zasićenja
Integracija se provodi za sve vrijednosti. Uvedimo novu integracijsku varijablu
Zatim p z dp z =m n du I
.(8)
Kao rezultat dobivamo
,(9)
,(10)
gdje je konstanta
.
Jednakost (10) naziva se formula Richardson-Deshman. Mjerenjem gustoće termionske struje zasićenja, može se koristiti ova formula za izračunavanje konstante A i rada rada W 0 . Za eksperimentalne izračune, formula Richardson-Deshman zgodno ga je prikazati u obliku
U ovom slučaju, grafikon prikazuje ovisnost ln(js/T 2) od 1 /T izražena ravnom linijom. Iz sjecišta pravca s osi ordinata izračunava se ln A , a kutom nagiba pravca određuje se radni rad (sl. 8).
4. Kontaktna razlika potencijala
Razmotrimo procese koji nastaju kada se dva elektronička vodiča, na primjer dva metala, s različitim funkcijama rada, približe i dođu u dodir. Energetski dijagrami ovih metala prikazani su na sl. 9. Neka EF 1 I EF 2 je Fermijeva energija za prvi i drugi metal, redom, i W 01 I W 02– njihove radne funkcije. U izoliranom stanju, metali imaju istu razinu vakuuma i, prema tome, različite Fermijeve razine. Pretpostavimo sa sigurnošću da W 01< W 02, tada će Fermijeva razina prvog metala biti viša od one drugog (slika 9 a). Kada ti metali dođu u kontakt nasuprot zaposjednutim elektronskim stanjima u metalu 1, postoje slobodni razine energije metal 2. Stoga, kada ti vodiči dođu u kontakt, rezultirajući tok elektrona nastaje od vodiča 1 do vodiča 2. To dovodi do činjenice da prvi vodič, gubeći elektrone, postaje pozitivno nabijen, a drugi vodič, dobivajući dodatno negativno naboj je nabijen negativno. Zbog punjenja, sve energetske razine metala 1 pomiču se prema dolje, a metala 2 prema gore. Proces pomaka razine i proces prijelaza elektrona s vodiča 1 na vodič 2 će se nastaviti sve dok se Fermijeve razine oba vodiča ne poravnaju (slika 9 b). Kao što se može vidjeti na ovoj slici, stanje ravnoteže odgovara razlici potencijala između nultih razina vodiča 0 1 i 0 2:
.(11)
Potencijalna razlika V K.R.P nazvao kontaktna razlika potencijala. Prema tome, kontaktna razlika potencijala određena je razlikom u radu izlaza elektrona iz kontaktnih vodiča. Dobiveni rezultat vrijedi za sve metode izmjene elektrona između dva materijala, uključujući termoemisionu emisiju u vakuumu, kroz vanjski krug itd. Slični se rezultati postižu kada metal dođe u kontakt s poluvodičem. Između metala i poluvodiča nastaje kontaktna razlika potencijala, koja je približno istog reda veličine kao u slučaju kontakta između dva metala (oko 1 V). Jedina je razlika u tome što ako u vodičima cjelokupna kontaktna razlika potencijala pada gotovo na razmak između metala, tada kada metal dođe u dodir s poluvodičem, cjelokupna kontaktna razlika potencijala pada na poluvodič, u kojem je dovoljno velik sloj. formirana, obogaćena ili osiromašena elektronima. Ako je taj sloj osiromašen elektronima (u slučaju kada je izlazni rad n-tipa poluvodiča manji od izlaznog rada metala), tada takav sloj zove se blokiranje i takav prijelaz imat će svojstva ravnanja. Potencijalna barijera koja nastaje u ispravljačkom kontaktu metala s poluvodičem naziva se Schottky barijera, i diode koje rade na njegovoj osnovi - Schottky diode.
Volt-amperKarakteristike termoelektrične katode pri malim gustoćama emisione struje. Schottky efekt
Ako se stvori razlika potencijala između termionske katode i anode diode (sl. 5) V, sprječavajući kretanje elektrona prema anodi, tada će samo oni koji izlete s katode s rezervom kinetičke energije koja nije manja od energije elektrostatskog polja između anode i katode moći doći do anode, tj. -e V(V< 0). Da bi to učinili, njihova energija u termionskoj katodi ne smije biti manja W 0 –eV. Zatim, zamjena u formuli Richardson-Deshman (10) W 0 na W 0 –eV, dobivamo sljedeći izraz za gustoću struje toplinske emisije:
,(12)
Ovdje jS– gustoća struje zasićenja. Uzmimo logaritam ovog izraza
.(13)
Pri pozitivnom potencijalu na anodi, svi elektroni koji napuštaju termionsku katodu slijeću na anodu. Stoga se struja u krugu ne bi trebala mijenjati, ostajući jednaka struji zasićenja. Tako, volt-amper Karakteristika (strujno-naponska karakteristika) toplinske katode imat će oblik prikazan na sl. 10 (krivulja a).
Slična strujno-naponska karakteristika opaža se samo pri relativno niskim gustoćama struje emisije i visokim pozitivnim potencijalima na anodi, kada se značajan prostorni naboj elektrona ne pojavljuje u blizini površine emitiranja. Strujno-naponske karakteristike termionske katode uzimajući u obzir prostorni naboj, razmatrane u odjeljku. 6.
Zabilježimo još jednu važnu značajku strujno-naponske karakteristike pri niskim gustoćama struje emisije. Zaključak je da termostruja postiže zasićenje pri V=0, vrijedi samo za slučaj kada materijali katode i anode imaju isti termodinamički rad rada. Ako izlazni radovi katode i anode nisu jednaki, tada se javlja kontaktna razlika potencijala između anode i katode. U ovom slučaju, čak i u odsutnosti vanjskog električnog polja ( V=0) između anode i katode postoji električno polje zbog kontaktne razlike potencijala. Na primjer, ako W 0k< W 0a tada će anoda biti negativno nabijena u odnosu na katodu. Kako bi se uništila kontaktna razlika potencijala, na anodu treba primijeniti pozitivan prednapon. Zato volt-amper karakteristika vruće katode pomiče se za iznos kontaktne razlike potencijala prema pozitivnom potencijalu (slika 10, krivulja b). S obrnutim odnosom između W 0k I W 0a smjer pomaka strujno-naponske karakteristike je suprotan (krivulja c na sl. 10).
Zaključak o neovisnosti gustoće struje zasićenja pri V>0 je vrlo idealiziran. U stvarnim strujno-naponskim karakteristikama termoemisione emisije, uočava se blagi porast struje termoemisije s povećanjem V u načinu zasićenja, koji je povezan s Schottky efekt(slika 11).
Schottkyjev efekt je smanjenje izlaznog rada elektrona iz krutih tijela pod utjecajem vanjskog akcelerirajućeg električnog polja.
Da bismo objasnili Schottky efekt, razmotrimo sile koje djeluju na elektron blizu površine kristala. U skladu sa zakonom elektrostatske indukcije, na površini kristala induciraju se površinski naboji suprotnog predznaka koji određuju međudjelovanje elektrona s površinom kristala. U skladu s metodom električnih slika, djelovanje stvarnih površinskih naboja na elektron zamjenjuje se djelovanjem fiktivnog točka pozitivna naplatiti +e, koji se nalazi na istoj udaljenosti od površine kristala kao i elektron, ali na suprotnoj strani površine (slika 12). Zatim, u skladu s Coulombovim zakonom, sila međudjelovanja između dva točkasta naboja
,(14)
Ovdje ε o– električna konstanta: x je udaljenost između elektrona i površine kristala.
Potencijalna energija elektrona u polju sile električne slike, ako se računa od nulte razine vakuuma, jednaka je
.(15)
Potencijalna energija elektrona u vanjskom akcelerirajućem električnom polju E
Ukupna potencijalna energija elektrona
.(17)
Grafičko određivanje ukupne energije elektrona koji se nalazi blizu površine kristala prikazano je na slici. 13, na kojoj se jasno vidi smanjenje izlaznog rada elektrona iz kristala. Krivulja ukupne potencijalne energije elektrona (puna krivulja na slici 13) doseže maksimum u točki x m:
.(18)
Ova točka je 10 Å od površine pri jakosti vanjskog polja » 3× 10 6 V/cm.
U točki x m ukupna potencijalna energija jednaka smanjenju potencijalne barijere (a time i smanjenju rada),
.(19)
Kao rezultat Schottkyjevog efekta, struja toplinske diode pri pozitivnom naponu na anodi raste s povećanjem anodnog napona. Ovaj učinak se ne očituje samo kada se elektroni emitiraju u vakuum, već i kada se kreću kroz kontakte metal-poluvodič ili metal-izolator.
6. Struje u vakuumu ograničene prostornim nabojem. Zakon "tri sekunde"
Pri visokim gustoćama struje termionske emisije, na strujno-naponsku karakteristiku značajno utječe volumetrijski negativni naboj koji nastaje između katode i anode. Ovaj negativni skupni naboj sprječava elektrone koji izlaze iz katode da dođu do anode. Stoga se ispostavlja da je anodna struja manja od struje emisije elektrona s katode. Kada se na anodu primijeni pozitivan potencijal, dodatna potencijalna barijera na katodi stvorena prostornim nabojem se smanjuje, a anodna struja raste. Ovo je kvalitativna slika utjecaja prostornog naboja na strujno-naponsku karakteristiku toplinske diode. Ovo pitanje teorijski je istražio Langmuir 1913.
Izračunajmo, pod nizom pojednostavljenih pretpostavki, ovisnost struje toplinske diode o vanjskoj razlici potencijala između anode i katode i pronađimo distribuciju polja, potencijala i koncentracije elektrona između anode i katode, uzimajući u obzir prostorni naboj.
|
Riža. 14. Do zaključka zakona "tri sekunde" |
|
Pretpostavimo da su diodne elektrode ravne. S malim razmakom između anode i katode d mogu se smatrati beskonačno velikima. Ishodište koordinata postavljamo na površinu katode, a os x Usmjerimo ga okomito na ovu površinu prema anodi (slika 14). Održavat ćemo konstantnu i jednaku temperaturu katode T. Potencijal elektrostatskog polja j , koji postoji u prostoru između anode i katode, bit će funkcija samo jedne koordinate x. On mora zadovoljiti Poissonova jednadžba
,(20)
Ovdje r – volumetrijska gustoća naboja; n– koncentracija elektrona; j , r I n su funkcije koordinate x.
S obzirom na to da gustoća struje između katode i anode
i brzinu elektrona v može se odrediti iz jednadžbe
Gdje m– masa elektrona, jednadžba (20) se može transformirati u oblik
, 
.(21)
Ova jednadžba mora biti dopunjena rubnim uvjetima
Ovi rubni uvjeti slijede iz činjenice da potencijal i jakost električnog polja na površini katode moraju biti jednaki nuli. Množenje obje strane jednadžbe (21) sa dj /dx, dobivamo
.(23)
S obzirom na to
(24a)
I 
, (24b)
zapisujemo (23) u obliku
.(25)
Sada možemo integrirati obje strane jednadžbe (25). x u rasponu od 0 do te vrijednosti x, kod koje je potencijal jednak j . Tada, uzimajući u obzir rubne uvjete (22), dobivamo
Integrirajući oba dijela (27) u rasponu od x=0, j =0 do x=1, j= V a, dobivamo
.(28)
Kvadriranjem obje strane jednakosti (28) i izražavanjem gustoće struje j iz A prema (21), dobivamo
.(30)
Formula (29) naziva se Langmuirov "zakon tri sekunde".
Ovaj zakon vrijedi za elektrode proizvoljnog oblika. Izraz za numerički koeficijent ovisi o obliku elektroda. Gore dobivene formule omogućuju izračunavanje raspodjele potencijala, jakosti električnog polja i gustoće elektrona u prostoru između katode i anode. Integracija izraza (26) u rasponu od x=0 na vrijednost kada je potencijal jednak j , dovodi do odnosa
oni. potencijal se mijenja proporcionalno udaljenosti od katode x na potenciju 4/3. Izvedenica dj/ dx karakterizira jakost električnog polja između elektroda. Prema (26) veličina jakosti električnog polja E ~x 19 . Konačno, koncentracija elektrona
(32)
i prema (31) n(x)~ (1/x) 2/9 .
Ovisnosti j (x ), E(x) I n(x) prikazani su na sl. 15. Ako x→0, tada koncentracija teži beskonačnosti. To je posljedica zanemarivanja toplinskih brzina elektrona na katodi. U stvarnoj situaciji, tijekom termoemisije, elektroni napuštaju katodu ne nultom brzinom, već određenom konačnom brzinom emisije. U ovom slučaju, anodna struja će postojati čak i ako postoji malo reverzno električno polje u blizini katode. Posljedično, gustoća volumena naboja može se promijeniti do takvih vrijednosti da se potencijal u blizini katode smanjuje na negativne vrijednosti (slika 16). Povećanjem anodnog napona minimalni potencijal opada i približava se katodi (krivulje 1 i 2 na sl. 16). Pri dovoljno visokom naponu na anodi, minimalni potencijal se spaja s katodom, jakost polja na katodi postaje nula i ovisnost j (x) pristupi (29), izračunati bez uzimanja u obzir početnih brzina elektrona (krivulja 3 na sl. 16). Pri visokim anodnim naponima prostorni naboj je gotovo potpuno otopljen i potencijal između katode i anode mijenja se po linearnom zakonu (krivulja 4, sl. 16).
Dakle, raspodjela potencijala u međuelektrodnom prostoru, uzimajući u obzir početne brzine elektrona, značajno se razlikuje od one koja je temelj idealiziranog modela pri izvođenju zakona "tri sekunde". To dovodi do promjene i ovisnosti gustoće anodne struje. Proračun uzimajući u obzir početne brzine elektrona za slučaj raspodjele potencijala prikazane na sl. 17, a za cilindrične elektrode daje sljedeću ovisnost za ukupnu struju termionske emisije ja (ja=jS, Gdje S– površina poprečnog presjeka termostruje):
.(33)
Mogućnosti x m I Vm određena vrstom ovisnosti j (x), njihovo je značenje jasno iz sl. 17. Parametar x m jednaka udaljenosti od katode na kojoj potencijal dostiže minimalnu vrijednost = Vm. Faktor C(x m), osim x m, ovisi o polumjerima katode i anode. Jednadžba (33) vrijedi za male promjene anodnog napona jer I x m I Vm, kao što je gore objašnjeno, ovise o anodnom naponu.
Dakle, zakon "tri sekunde" nije univerzalan, on vrijedi samo u relativno uskom rasponu napona i struja. Međutim, to je jasan primjer nelinearnog odnosa između struje i napona u elektroničkom uređaju. Nelinearnost strujno-naponske karakteristike najvažnija je značajka mnogih elemenata radijskih i električnih krugova, uključujući elemente poluprovodničke elektronike.
Dio 2. Laboratorijski rad
7. Eksperimentalna postavka za proučavanje termoemisije
Laboratorijski rad br. 1 i 2 izvodi se na jednoj laboratorijskoj instalaciji, izvedenoj na temelju univerzalnog laboratorijskog stalka. Dijagram instalacije prikazan je na sl. 18. U mjernom dijelu nalazi se EL vakuumska dioda s izravno ili neizravno grijanom katodom. Na prednjoj ploči mjernog dijela prikazani su kontakti žarne niti "Incandescent", anode "Anode" i katode "Cathode". Izvor sa žarnom niti je stabilizirani izvor istosmjerne struje tipa B5-44A. Ikona I na dijagramu označava da izvor radi u trenutnom načinu stabilizacije. Postupak rada s izvorom istosmjerne struje nalazi se u tehničkom opisu i uputama za uporabu ovog uređaja. Slični opisi dostupni su za sve električne mjerne instrumente koji se koriste u laboratorijskom radu. Anodni krug uključuje stabilizirani izvor istosmjerne struje B5-45A i univerzalni digitalni voltmetar B7-21A, koji se koristi u načinu mjerenja istosmjerne struje za mjerenje anodne struje toplinske diode. Za mjerenje anodnog napona i struje grijanja katode možete koristiti uređaje ugrađene u izvor napajanja ili priključiti dodatni voltmetar RV7-32 za točnije mjerenje napona na katodi.
Mjerni dio može sadržavati vakuumske diode s različitim radnim strujama katodne niti. Pri nazivnoj struji žarne niti, dioda radi u načinu ograničenja anodne struje prostornim nabojem. Ovaj način je neophodan za izvođenje laboratorijskog rada br. 1. Laboratorijski rad br. 2 izvodi se pri smanjenim strujama žarne niti, kada je utjecaj prostornog naboja neznatan. Prilikom postavljanja struje žarne niti treba biti posebno oprezan, jer Višak struje žarne niti iznad njezine nazivne vrijednosti za određenu vakuumsku cijev dovodi do pregaranja katodne niti i kvara diode. Stoga, kada se pripremate za rad, svakako provjerite sa svojim nastavnikom ili inženjerom vrijednost radne struje žarne niti diode koja se koristi u radu; svakako zapišite podatke u svoju radnu bilježnicu i koristite ih pri izradi izvješća o laboratorijski rad.
8. Laboratorijski rad br.1. Proučavanje utjecaja prostornog naboja na volt-amperkarakteristike toplinske struje
Svrha rada: eksperimentalno proučavanje ovisnosti struje termoemisije o anodnom naponu, određivanje eksponenta u zakonu “tri sekunde”.
Volt-amper Karakteristika struje termoemisije opisana je zakonom "tri sekunde" (vidi odjeljak 6). Ovaj način rada diode javlja se pri dovoljno visokim strujama katodne niti. Tipično, pri nazivnoj struji žarne niti, struja vakuumske diode ograničena je prostornim nabojem.
Eksperimentalna postavka za izvođenje ovog laboratorijskog rada opisana je u Odjeljku. 7. Tijekom rada potrebno je mjeriti strujno-naponsku karakteristiku diode pri nazivnoj struji žarne niti. Vrijednost ljestvice radne struje korištene vakuumske cijevi treba uzeti od učitelja ili inženjera i zapisati u radnu bilježnicu.
Radni nalog
1. Upoznati se s opisom i postupkom rada s instrumentima potrebnim za rad eksperimentalnog postava. Sastavite strujni krug prema slici 18. Instalacija se može spojiti na mrežu tek nakon provjere ispravnosti sastavljenog strujnog kruga od strane inženjera ili učitelja.
2. Uključite strujno napajanje katodne niti i postavite potrebnu struju žarne niti. Budući da se pri promjeni struje žarne niti mijenja temperatura i otpor žarne niti, što zauzvrat dovodi do promjene struje žarne niti, podešavanje se mora izvršiti metodom uzastopnih aproksimacija. Nakon završetka podešavanja, morate pričekati otprilike 5 minuta da se struja niti i temperatura katode stabiliziraju.
3. Spojite izvor konstantnog napona na anodni krug i promjenom napona na anodi mjerite točku po točku strujno-naponske karakteristike. Uzmite strujno-naponsku karakteristiku u rasponu od 0...25 V, svakih 0,5...1 V.
ja a(V a), Gdje ja a– anodna struja, V a– anodni napon.
5. Ako se uzme da je raspon promjena anodnog napona malen, onda se vrijednosti x m, C(x,n) I Vm, uključen u formulu (33), može se uzeti konstantan. U cjelini V a veličina Vm može se zanemariti. Kao rezultat, formula (33) se transformira u oblik (nakon prijelaza iz gustoće termostruje j njegovom puni smisao ja)
6. Iz formule (34) odredite vrijednost S za tri maksimalne vrijednosti anodnog napona na strujno-naponskoj karakteristici. Izračunajte aritmetičku sredinu dobivenih vrijednosti. Zamjenom ove vrijednosti u formulu (33) odredite vrijednost Vm za tri minimalne vrijednosti napona na anodi i izračunajte aritmetičku srednju vrijednost Vm.
7. Koristeći dobivenu vrijednost Vm, nacrtajte ovisnost ln ja a od ln( V a+|Vm|). Odredite stupanj ovisnosti o tangensu kuta ovog grafikona ja a(V a + Vm). Trebao bi biti blizu 1,5.
8. Pripremiti izvješće o radu.
Zahtjevi izvješća
5. Zaključci o radu.
Kontrolna pitanja
1. Kako se naziva pojava termoemisije? Definirajte izlazni rad elektrona. Koja je razlika između termodinamičkog i vanjskog rada?
2. Objasnite razloge nastanka potencijalne barijere na granici čvrstog tijela i vakuuma.
3. Na temelju energetskog dijagrama metala i krivulje raspodjele energije elektrona objasnite toplinsku emisiju elektrona iz metala.
4. U kojim uvjetima se opaža termoenička struja? Kako možete promatrati termionsku struju? Kako struja toplinske diode ovisi o primijenjenom električnom polju?
5. Navedite zakon Richardson-Deshman
6. Objasnite kvalitativnu sliku utjecaja negativnog volumnog naboja na strujno-naponsku karakteristiku toplinske diode. Formulirajte Langmuirov zakon "tri sekunde".
7. Kakve su raspodjele potencijala, jakosti električnog polja i gustoće elektrona u prostoru između katode i anode pri strujama ograničenim prostornim nabojem?
8. Kakva je ovisnost struje toplinske emisije o naponu između anode i katode, uzimajući u obzir prostorni naboj i početne brzine elektrona? Objasniti značenje parametara koji određuju tu ovisnost;
9. Objasnite dizajn eksperimentalne postavke za proučavanje termoemisije. Objasnite namjenu pojedinih elemenata sklopa.
10. Objasnite metodu eksperimentalnog određivanja eksponenta u zakonu “tri sekunde”.
9. Laboratorijski rad br.2. Proučavanje termoelektrične emisije pri niskim gustoćama struje emisije
Svrha rada: proučavati strujno-naponske karakteristike toplinske diode pri maloj struji grijanja katode. Određivanje iz eksperimentalnih rezultata kontaktne razlike potencijala između katode i anode, temperature katode.
Pri malim gustoćama toplinske struje volt-amper karakteristika ima karakterističan izgled s točkom infleksije koja odgovara modulu kontaktne razlike potencijala između katode i anode (slika 10). Temperatura katode može se odrediti na sljedeći način. Prijeđimo na jednadžbu (12), koja opisuje strujno-naponsku karakteristiku termionske emisije pri niskim gustoćama struje, iz gustoće termostruje j do svoje pune vrijednosti ja(j=ja/S, Gdje S– površina poprečnog presjeka termostruje). Onda dobivamo
Gdje ja S– struja zasićenja.
Uzimajući logaritme od (35), imamo
.(36)
U mjeri u kojoj jednadžba (36) opisuje strujno-naponsku karakteristiku u području lijevo od točke infleksije, tada je za određivanje temperature katode potrebno uzeti bilo koje dvije točke u ovom području s anodnim strujama ja 1, ja 2 i anodni naponi U a 1, U a 2 odnosno. Tada, prema jednadžbi (36),
Odavde dobivamo radnu formulu za temperaturu katode
.(37)
Radni nalog
Za izvođenje laboratorijskih radova potrebno je:
1. Upoznati se s opisom i postupkom rada s instrumentima potrebnim za rad eksperimentalnog postava. Sastavite krug prema sl. 18. Instalacija se može priključiti na mrežu tek nakon provjere ispravnosti sastavljenog sklopa od strane inženjera ili učitelja.
2. Uključite strujno napajanje katodne niti i postavite potrebnu struju žarne niti. Nakon postavljanja struje, morate pričekati otprilike 5 minuta da se struja žarne niti i temperatura katode stabiliziraju.
3. Spojite izvor konstantnog napona na anodni krug i promjenom napona na anodi mjerite točku po točku strujno-naponske karakteristike. Volt-amper uzeti karakteristiku u rasponu od 0...5 V svakih 0,05...0,2 V.
4. Rezultate mjerenja prikazati na grafu u ln koordinatama ja a(V a), Gdje ja a– anodna struja, V a– anodni napon. Budući da se u ovom radu kontaktna razlika potencijala određuje grafički, potrebno je mjerilo po vodoravnoj osi odabrati tako da se točnost određivanja V K.R.P nije bio manji od 0,1 V.
5. Pomoću točke infleksije strujno-naponske karakteristike odredite kontaktnu razliku potencijala između anode i katode.
6. Odredite temperaturu katode za tri para točaka na kosom linearnom presjeku strujno-naponske karakteristike lijevo od točke infleksije. Temperaturu katode treba izračunati pomoću formule (37). Iz tih podataka izračunajte prosječnu temperaturu.
7. Pripremiti izvješće o radu.
Zahtjevi izvješća
Izvješće se sastavlja na standardnom listu A4 papira i mora sadržavati:
1. Osnovne informacije o teoriji.
2. Dijagram eksperimentalne postavke i njen kratak opis.
3. Rezultati mjerenja i proračuna.
4. Analiza dobivenih eksperimentalnih rezultata.
5. Zaključci o radu.
Kontrolna pitanja
1. Nabrojite vrste emisije elektrona. Što uzrokuje oslobađanje elektrona u svakoj vrsti emisije elektrona?
2. Objasnite pojavu termionske emisije. Definirajte izlazni rad elektrona iz krutog tijela. Kako možemo objasniti postojanje potencijalne barijere na granici čvrstog tijela i vakuuma?
3. Na temelju energetskog dijagrama metala i krivulje raspodjele energije elektrona objasnite toplinsku emisiju elektrona iz metala.
4. Navedite zakon Richardson-Deshman. Objasnite fizičko značenje veličina uključenih u ovaj zakon.
5. Koje su značajke strujno-naponske karakteristike termionske katode pri niskim gustoćama emisione struje? Kako na to utječe kontaktna razlika potencijala između katode i anode?
6. Što je Schottkyjev efekt? Kako se objašnjava ovaj učinak?
7. Objasnite smanjenje potencijalne barijere za elektrone pod utjecajem električnog polja.
8. Kako će se odrediti temperatura katode u ovom laboratoriju?
9. Objasnite metodu određivanja kontaktne razlike potencijala u ovom radu.
10. Objasniti shemu i namjenu pojedinih elemenata laboratorijskog postava.