Thermionic emission. Sheet ng impormasyon sa pisika sa paksa: "Thermionic emission

Ang paglabas ng mga electron at ion ay ang pagpapalabas ng mga sisingilin na particle na nangyayari sa interface ng isang solid na may vacuum o gas kapag ang emitter ay nalantad sa thermal heating, light radiation, electron o ion bombardment, constant o high-frequency electric field, atbp .

Ang kababalaghan ng paglabas ng mga electron sa isang vacuum ng isang pinainit na katawan ay tinatawag thermionic emission.

Ito ay itinatag na kapag T = 0 hindi maaaring magkaroon ng paglabas ng mga electron mula sa kristal, dahil ang mga enerhiya ng kahit na ang pinakamabilis na mga electron ay hindi sapat upang madaig ang potensyal na hadlang sa hangganan nito.

Kapag ang isang solid ay pinainit, ang vibration amplitudes ng mga atomo ng crystal lattice ay tumataas. Sa pagtaas ng temperatura, ang pagtaas ng bilang ng mga electron (Larawan 2.10) ay nakakakuha ng sapat na enerhiya upang malampasan ang potensyal na hadlang sa hangganan ng isang solidong katawan na may vacuum.

Kung ang bawat metro kubiko ng metal ay naglalaman ng dn u, u,u mga libreng electron na may mga bahagi ng bilis mula sa ikaw x dati u x + du x, mula sa ikaw y dati u y + +du y at mula sa u z dati u z + du z, (Saan ikaw x– bahagi ng bilis sa direksyon na patayo sa ibabaw ng katawan), kung gayon ang flux ng naturang mga electron na dumarating sa ibabaw ay katumbas ng

Ang mga electron lamang na ang bahagi ng bilis ay nasa direksyon ng X sapat upang malampasan ang potensyal na hadlang, i.e.

Upang matukoy ang bilang ng mga electron na nag-iiwan ng 1 m2 ng ibabaw ng metal sa bawat yunit ng oras sa isang naibigay na temperatura, kinakailangan na palitan ang function ng pamamahagi ng bilis ng elektron sa metal sa formula at isama ang resultang expression.

Ayon sa quantum mechanical theory, hindi lahat ng mga electron ay tumatakas sa vacuum; may posibilidad ng kanilang pagmuni-muni mula sa potensyal na hadlang. Samakatuwid, ang konsepto ng transparency ng barrier D ay ipinakilala.

Tinutukoy ng Richardson-Deshman equation ang thermal emission current density:

kung saan ay isang unibersal na pare-pareho at hindi nakasalalay sa uri ng emitter.

Ang enerhiya ng Fermi ay natutukoy sa pamamagitan ng kaugnayan Ito ay makikita na hindi ito nakadepende sa temperatura sa isang unang pagtataya at samakatuwid ay maaaring mapalitan ng epektibong paggana ng trabaho, pagkatapos

kung saan ang work function, na ipinahayag sa joules.

Ang Richardson-Deshman equation ay nagpapakita na ang kasalukuyang density ng thermionic emission mula sa isang metal na ibabaw ay nakasalalay sa temperatura at ang epektibong paggana ng trabaho ng materyal.

Ang equation para sa pagtukoy ng thermionic emission current density ay naaangkop hindi lamang sa metal, kundi pati na rin sa semiconductor cathodes ng anumang uri. Ang pagtitiyak, gayunpaman, ay kung sa mga metal ang posisyon ng antas ng Fermi, sa unang pagtataya, ay ituring na independyente sa temperatura at isaalang-alang. j eff. bilang isang pare-pareho ng isang naibigay na materyal, pagkatapos ay sa impurity semiconductors ang posisyon ng antas ng Fermi ay nakasalalay sa temperatura. Temperatura coefficient ng work function ( a) ay natukoy na ang mga metal ay êa½ ~ 10 –5. at semiconductor a ~ 10 –4. Isinasaalang-alang na ang koepisyent ay apektado malaking bilang ng mga kadahilanan at walang tiyak na kahulugan nito, na nag-aambag ng hindi gaanong mahalagang bahagi sa pagtukoy ng kasalukuyang density ng thermal emission, gagamitin namin ang formula ng Richardson-Deshman para sa lahat ng uri ng thermionic cathodes.

Ngayon ang focus ay sa thermionic emission. Ang mga variant ng pangalan ng epekto, ang pagpapakita nito sa isang daluyan at sa isang vacuum ay isinasaalang-alang. Ang mga limitasyon sa temperatura ay ginalugad. Ang mga umaasa na bahagi ng saturation kasalukuyang density ng thermionic emission ay tinutukoy.

Mga pangalan ng thermionic emission effect

Ang terminong "thermionic emission" ay may iba pang mga pangalan. Batay sa mga pangalan ng mga siyentipiko na natuklasan at unang nag-aral ng hindi pangkaraniwang bagay na ito, ito ay tinukoy bilang ang Richardson effect o ang Edison effect. Kaya, kung ang isang tao ay nakatagpo ng dalawang pariralang ito sa teksto ng isang libro, dapat niyang tandaan na ang parehong pisikal na termino ay ipinahiwatig. Ang pagkalito ay sanhi ng hindi pagkakasundo sa pagitan ng mga publikasyon ng mga domestic at dayuhang may-akda. Ang mga physicist ng Sobyet ay naghangad na magbigay ng mga paliwanag na kahulugan sa mga batas.

Ang terminong "thermionic emission" ay naglalaman ng kakanyahan ng phenomenon. Ang isang tao na nakakakita ng pariralang ito sa pahina ay agad na nauunawaan na pinag-uusapan natin ang paglabas ng temperatura ng mga electron, ngunit nananatili ito sa likod ng mga eksena na tiyak na nangyayari ito sa mga metal. Ngunit iyon ang dahilan kung bakit umiiral ang mga kahulugan, upang ipakita ang mga detalye. Ang dayuhang agham ay napakasensitibo sa primacy at copyright. Samakatuwid, ang isang siyentipiko na nakapagtala ng isang bagay ay tumatanggap ng isang pinangalanang kababalaghan, at ang mga mahihirap na mag-aaral ay dapat talagang kabisaduhin ang mga pangalan ng mga natuklasan, at hindi lamang ang kakanyahan ng epekto.

Pagpapasiya ng thermionic emission

Ang phenomenon ng thermionic emission ay kapag ang mga electron ay inilabas mula sa mga metal sa mataas na temperatura. Kaya, ang pinainit na bakal, lata o mercury ang pinagmumulan ng mga elementong ito. Ang mekanismo ay batay sa katotohanan na mayroong isang espesyal na koneksyon sa mga metal: ang kristal na sala-sala ng positibong sisingilin na nuclei ay, kumbaga, isang karaniwang base para sa lahat ng mga electron na bumubuo ng isang ulap sa loob ng istraktura.

Kaya, kabilang sa mga negatibong sisingilin na mga particle na malapit sa ibabaw, palaging may mga may sapat na enerhiya upang umalis sa lakas ng tunog, iyon ay, upang malampasan ang potensyal na hadlang.

Thermionic emission epekto temperatura

Salamat sa metal na bono, magkakaroon ng mga electron malapit sa ibabaw ng anumang metal na may sapat na lakas upang malampasan ang potensyal na hadlang sa labasan. Gayunpaman, dahil sa parehong pagpapakalat ng enerhiya, ang isang butil ay halos hindi humihiwalay mula sa mala-kristal na istraktura, habang ang isa ay lilipad palabas at sumasaklaw sa isang tiyak na distansya, na nag-ionize ng medium sa paligid mismo. Malinaw, ang mas maraming mga kelvin sa daluyan, mas maraming mga electron ang nakakakuha ng kakayahang umalis sa dami ng metal. Kaya, ang tanong ay lumitaw kung ano ang temperatura ng thermionic emission. Ang sagot ay hindi simple, at isasaalang-alang namin ang mas mababa at itaas na mga limitasyon ng pagkakaroon ng epekto na ito.

Mga limitasyon sa temperatura ng thermionic emission

Ang koneksyon sa pagitan ng positibo at negatibong mga particle sa mga metal ay may ilang mga tampok, kabilang ang isang napakasiksik na pamamahagi ng enerhiya. Ang mga electron, bilang mga fermion, ang bawat isa ay sumasakop sa kanilang sariling niche ng enerhiya (hindi tulad ng mga boson, na lahat ay maaaring nasa parehong estado). Sa kabila nito, ang pagkakaiba sa pagitan ng mga ito ay napakaliit na ang spectrum ay maaaring ituring na tuloy-tuloy sa halip na discrete.

Sa turn, ito ay humahantong sa isang mataas na density ng mga estado ng mga electron sa mga metal. Gayunpaman, kahit na sa napakababang temperatura na malapit sa absolute zero (tandaan, ito ay zero kelvin, o humigit-kumulang minus dalawang daan at pitumpu't tatlong degree Celsius) magkakaroon ng mga electron na may mas mataas at mas mababang enerhiya, dahil hindi lahat sila ay nasa pinakamababang estado sa Parehong oras. Nangangahulugan ito na sa ilalim ng ilang mga kundisyon (manipis na foil) napakabihirang ang paglabas ng isang elektron mula sa metal ay mapapansin kahit na sa napakababang temperatura. Kaya, ang mas mababang limitasyon ng temperatura ng thermionic emission ay maaaring ituring na isang halaga na malapit sa absolute zero.

Sa kabilang panig ng sukat ng temperatura ay ang pagtunaw ng metal. Ayon sa physicochemical data, ang katangiang ito ay naiiba para sa lahat ng mga materyales ng klase na ito. Sa madaling salita, walang mga metal na may parehong punto ng pagkatunaw. Ang mercury o likido sa ilalim ng normal na mga kondisyon ay napupunta mula sa mala-kristal na anyo na nasa minus tatlumpu't siyam na degrees Celsius, habang ang tungsten - sa tatlo at kalahating libo.

Gayunpaman, ang lahat ng mga limitasyong ito ay may isang bagay na karaniwan - ang metal ay tumigil na maging isang solidong katawan. Nangangahulugan ito na nagbabago ang mga batas at epekto. At hindi na kailangang sabihin na ang thermionic emission ay umiiral sa matunaw. Kaya, ang pinakamataas na limitasyon ng epektong ito ay nagiging temperatura ng pagkatunaw ng metal.

Thermionic emission sa mga kondisyon ng vacuum

Ang lahat ng tinalakay sa itaas ay nauugnay sa isang phenomenon sa isang medium (halimbawa, sa hangin o sa isang inert gas). Ngayon ay buksan natin ang tanong kung ano ang thermionic emission sa isang vacuum. Upang gawin ito, ilalarawan namin ang pinakasimpleng aparato. Ang isang manipis na metal rod ay inilalagay sa prasko kung saan ang hangin ay nabomba palabas, kung saan ang negatibong poste ng kasalukuyang pinagmumulan ay konektado. Tandaan na ang materyal ay dapat matunaw sa sapat na mataas na temperatura upang hindi mawala ang mala-kristal na istraktura nito sa panahon ng eksperimento. Ang katod na nakuha ay napapalibutan ng isang silindro ng isa pang metal at ang positibong poste ay konektado dito. Naturally, ang anode ay matatagpuan din sa isang vacuum-filled na sisidlan. Kapag sarado ang circuit, nakakakuha tayo ng thermionic emission current.

Kapansin-pansin na sa ilalim ng mga kundisyong ito ang pag-asa ng kasalukuyang sa boltahe sa isang pare-parehong temperatura ng katod ay hindi sumusunod sa batas ng Ohm, ngunit ang batas ng pangalawang tatlo. Pinangalanan din ito sa Bata (sa iba pang mga bersyon na Child-Langmuir at kahit na Child-Langmuir-Boguslavsky), at sa siyentipikong literatura sa wikang Aleman - ang Schottky equation. Habang tumataas ang boltahe sa naturang sistema, sa isang tiyak na sandali ang lahat ng mga electron na ibinubuga mula sa katod ay umaabot sa anode. Ito ay tinatawag na saturation current. Sa kasalukuyang-boltahe na katangian, ito ay ipinahayag sa katotohanan na ang curve ay umabot sa isang talampas, at ang karagdagang pagtaas sa boltahe ay hindi epektibo.

Thermionic emission formula

Ito ang mga tampok na mayroon ang thermionic emission. Ang formula ay medyo kumplikado, kaya hindi namin ito ipapakita dito. Bilang karagdagan, ito ay madaling mahanap sa anumang reference na libro. Sa pangkalahatan, walang formula para sa thermionic emission tulad nito; tanging ang saturation current density ang isinasaalang-alang. Ang halagang ito ay nakasalalay sa materyal (na tumutukoy sa paggana ng trabaho) at sa thermodynamic na temperatura. Ang lahat ng iba pang bahagi ng formula ay pare-pareho.

Maraming device ang gumagana batay sa thermionic emission. Halimbawa, ang mga lumang malalaking TV at monitor ay may eksaktong ganitong epekto.

Napansin na kapag tumatawid sa interface sa pagitan ng isang konduktor at isang vacuum, ang intensity at induction ng electric field ay biglang nagbabago. Ang mga partikular na phenomena ay nauugnay dito. Ang elektron ay libre lamang sa loob ng mga hangganan ng metal. Sa sandaling subukan nitong tumawid sa hangganan ng "metal-vacuum", isang Coulomb force of attraction ang lumitaw sa pagitan ng electron at ang labis na positibong singil na nabuo sa ibabaw (Fig. 6.1).

Ang isang electron cloud ay nabubuo malapit sa ibabaw, at isang electric double layer na may potensyal na pagkakaiba () ay nabuo sa interface. Ang mga potensyal na pagtalon sa hangganan ng metal ay ipinapakita sa Figure 6.2.

Ang isang potensyal na balon ng enerhiya ay nabuo sa dami na inookupahan ng metal, dahil sa loob ng metal ang mga electron ay libre at ang kanilang enerhiya sa pakikipag-ugnayan sa mga lattice site ay zero. Sa labas ng metal, ang elektron ay nakakakuha ng enerhiya W 0 . Ito ang enerhiya ng pagkahumaling. Upang makaalis sa metal, kailangang malampasan ng elektron ang potensyal na hadlang at gumawa ng trabaho

(6.1.1)

Ang gawaing ito ay tinatawag na work function ng isang electron na nag-iiwan ng metal . Upang maisakatuparan ito, ang elektron ay dapat bigyan ng sapat na enerhiya.

Thermionic emission

Ang halaga ng work function ay depende sa kemikal na katangian ng substance, sa thermodynamic state nito at sa estado ng interface. Kung sapat na enerhiya upang maisagawa ang function ng trabaho ay ibinibigay sa mga electron sa pamamagitan ng pag-init, kung gayon Ang proseso ng pag-alis ng mga electron sa isang metal ay tinatawag thermionic emission .

Sa klasikal na thermodynamics, ang isang metal ay kinakatawan bilang isang ionic lattice na naglalaman ng isang electron gas. Ito ay pinaniniwalaan na ang komunidad ng mga libreng electron ay sumusunod sa mga batas ng isang perpektong gas. Dahil dito, alinsunod sa pamamahagi ng Maxwell, sa mga temperatura maliban sa 0 K, ang metal ay naglalaman ng isang tiyak na bilang ng mga electron na ang thermal energy ay mas malaki kaysa sa work function. Ang mga electron na ito ay umalis sa metal. Kung ang temperatura ay tumaas, ang bilang ng naturang mga electron ay tumataas din.

Ang kababalaghan ng paglabas ng mga electron ng mga pinainit na katawan (emitters) sa isang vacuum o iba pang daluyan ay tinatawag thermionic emission . Ang pag-init ay kinakailangan upang ang enerhiya ng thermal motion ng electron ay sapat upang madaig ang mga puwersa ng Coulomb attraction sa pagitan ng isang negatibong sisingilin na elektron at ang positibong singil na idinulot nito sa ibabaw ng metal kapag inalis mula sa ibabaw (Larawan 6.1). Bilang karagdagan, sa isang sapat na mataas na temperatura, ang isang negatibong sisingilin na electron cloud ay nalikha sa itaas ng ibabaw ng metal, na pumipigil sa electron na umalis sa ibabaw ng metal sa vacuum. Ang dalawang ito at, posibleng, iba pang mga dahilan ay tumutukoy sa gawain ng isang electron mula sa isang metal.

Ang phenomenon ng thermionic emission ay natuklasan noong 1883 ni Edison, ang sikat na Amerikanong imbentor. Naobserbahan niya ang hindi pangkaraniwang bagay na ito sa isang vacuum tube na may dalawang electrodes - isang anode na may positibong potensyal at isang katod na may negatibong potensyal. Ang katod ng lampara ay maaaring isang filament na gawa sa isang refractory metal (tungsten, molibdenum, tantalum, atbp.), Pinainit ng isang electric current (Fig. 6.3). Ang nasabing lampara ay tinatawag na vacuum diode. Kung ang katod ay malamig, kung gayon halos walang kasalukuyang sa cathode-anode circuit. Habang tumataas ang temperatura ng cathode, lumilitaw ang isang electric current sa cathode-anode circuit, na mas malaki kung mas mataas ang temperatura ng cathode. Sa isang pare-pareho na temperatura ng cathode, ang kasalukuyang sa cathode-anode circuit ay tumataas sa pagtaas ng potensyal na pagkakaiba U sa pagitan ng cathode at anode at dumating sa ilang nakatigil na halaga na tinatawag kasalukuyang saturation ako n. Kung saan lahat ng thermionic na ibinubuga ng katod ay umaabot sa anode. Ang kasalukuyang anode ay hindi proporsyonal U, at samakatuwid Para sa isang vacuum diode, ang batas ng Ohm ay hindi nalalapat.

Ipinapakita ng Figure 6.3 ang vacuum diode circuit at mga katangian ng kasalukuyang boltahe (mga katangian ng volt-ampere) Ia(Ua). Dito U h - pagkaantala ng boltahe kung saan ako = 0.

Malamig at paputok na paglabas

Ang paglabas ng elektron na dulot ng pagkilos ng mga puwersa ng electric field sa mga libreng electron sa isang metal ay tinatawag malamig na paglabas o field electronic . Para dito, dapat sapat ang lakas ng field at dapat matugunan ang kondisyon

(6.1.2)

Dito d– kapal ng double electrical layer sa interface. Karaniwan sa mga purong metal at nakukuha natin Sa pagsasagawa, ang malamig na paglabas ay sinusunod sa halaga ng lakas ng pagkakasunud-sunod ng magnitude. Ang pagkakaibang ito ay iniuugnay sa hindi pagkakapare-pareho ng mga klasikal na konsepto para sa paglalarawan ng mga proseso sa microlevel.

Ang paglabas ng field ay maaaring maobserbahan sa isang well-evacuated na vacuum tube, ang katod na kung saan ay isang tip, at ang anode ay isang regular na elektrod na may patag o bahagyang hubog na ibabaw. Lakas ng electric field sa ibabaw ng dulo na may radius ng curvature r at potensyal U kamag-anak sa anode ay pantay

Sa at , na hahantong sa paglitaw ng isang mahinang kasalukuyang dahil sa paglabas ng field mula sa ibabaw ng katod. Ang lakas ng kasalukuyang paglabas ay mabilis na tumataas sa pagtaas ng potensyal na pagkakaiba U. Sa kasong ito, ang katod ay hindi espesyal na pinainit, na ang dahilan kung bakit ang paglabas ay tinatawag na malamig.

Gamit ang field emission, sa prinsipyo posible na makakuha ng kasalukuyang density ngunit nangangailangan ito ng mga emitter sa anyo ng isang koleksyon ng isang malaking bilang ng mga tip, magkapareho sa hugis (Larawan 6.4), na halos imposible, at, bilang karagdagan, ang pagtaas ng kasalukuyang sa 10 8 A/cm 2 ay humahantong sa paputok na pagkawasak ng mga tip at ang buong emitter.

Ang kasalukuyang density ng AEE sa ilalim ng impluwensya ng space charge ay katumbas ng (Child-Langmuir law)

saan – koepisyent ng proporsyonalidad na tinutukoy ng geometry at materyal ng katod.

Sa madaling salita, ipinapakita ng batas ni Childe-Langmuir na ang kasalukuyang density ay proporsyonal (batas ng tatlong segundo).

Ang field emission current, kapag ang energy concentration sa microvolumes ng cathode ay hanggang 10 4 J×m –1 o higit pa (na may kabuuang enerhiya na 10 -8 J), ay maaaring magsimula ng isang qualitatively different type of emission, dahil sa pagsabog ng microtips sa cathode (Larawan 6.4).

Sa kasong ito, lumilitaw ang isang electron current, na mga order ng magnitude na mas malaki kaysa sa paunang kasalukuyang - sinusunod paputok na paglabas ng elektron (VEE). Natuklasan at pinag-aralan ang VEE sa Tomsk Polytechnic Institute noong 1966 ng isang pangkat ng mga empleyado na pinamumunuan ni G.A. mga buwan.

Ang VEE ay ang tanging uri ng paglabas ng elektron na nagpapahintulot sa isa na makakuha ng mga daloy ng elektron na may lakas na hanggang 10 13 W na may kasalukuyang density na hanggang 10 9 A/cm 2 .


	kanin. 6.4	kanin. 6.5

Ang kasalukuyang VEE ay hindi karaniwan sa istraktura. Binubuo ito ng mga indibidwal na bahagi ng mga electron 10 11 ¸ 10 12 piraso, na may katangian ng electron avalanches, na tinatawag na ecton(mga unang titik" sentro ng paputok") (Larawan 6.5). Ang oras ng pagbuo ng avalanche ay 10 -9 ¸ 10 -8 s.

Ang hitsura ng mga electron sa ecton ay sanhi ng mabilis na sobrang pag-init ng mga micro-section ng cathode at, sa esensya, isang uri ng thermionic emission. Ang pagkakaroon ng isang ecton ay ipinahayag sa pagbuo ng isang bunganga sa ibabaw ng katod. Ang pagtigil ng paglabas ng elektron sa ecton ay dahil sa paglamig ng emission zone dahil sa thermal conductivity, pagbaba ng kasalukuyang density, at pagsingaw ng mga atomo.

Ang paputok na paglabas ng mga electron at ecton ay gumaganap ng isang pangunahing papel sa mga vacuum spark at arc, sa mababang presyon ng mga discharge, sa mga compressed at high-strength na gas, sa micro-gaps, i.e. kung saan mayroong mataas na intensity electric field sa ibabaw ng cathode.

Ang phenomenon ng explosive electron emission ay nagsilbing batayan para sa paglikha ng pulsed electrophysical installation, tulad ng high-current electron accelerators, malalakas na pulsed at X-ray device, at malalakas na relativistic microwave generators. Halimbawa, ang mga pulsed electron accelerators ay may kapangyarihan na 10 13 W o higit pa na may tagal ng pulso na 10 -10 ¸ 10 -6 s, isang electron current na 10 6 A at isang electron energy na 10 4 ¸ 10 7 eV. Ang ganitong mga beam ay malawakang ginagamit para sa pananaliksik sa plasma physics, radiation physics at chemistry, para sa pumping gas lasers, atbp.

Paglabas ng photoelectron

Paglabas ng photoelectron (photo effect) ay binubuo ng "knocking out" na mga electron mula sa isang metal kapag nalantad sa electromagnetic radiation.

Ang setup diagram para sa pag-aaral ng photoelectric effect at kasalukuyang-boltahe na mga katangian ay katulad ng mga ipinapakita sa figure. 6.3. Dito, sa halip na painitin ang katod, isang stream ng mga photon o γ-quanta ang nakadirekta dito (Larawan 6.6).

Ang mga batas ng photoelectric effect ay mas hindi naaayon sa klasikal na teorya kaysa sa kaso ng malamig na paglabas. Para sa kadahilanang ito, isasaalang-alang namin ang teorya ng photoelectric effect kapag tinatalakay ang mga konsepto ng quantum sa optika.

Sa mga pisikal na instrumento na nagtatala ng γ - radiation, ginagamit nila mga tubo ng photomultiplier (PMT). Ang diagram ng device ay ipinapakita sa Figure 6.7.

Gumagamit ito ng dalawang epekto ng paglabas: photo effect At pangalawang paglabas ng elektron, na binubuo ng pagkatok ng mga electron mula sa isang metal kapag ito ay binomba ng iba pang mga electron. Ang mga electron ay na-knock out sa pamamagitan ng liwanag mula sa photocathode ( FC). Bumibilis sa pagitan FC at ang unang emitter ( KS 1), nakakakuha sila ng sapat na enerhiya upang patumbahin ang isang mas malaking bilang ng mga electron mula sa susunod na emitter. Kaya, ang pagpaparami ng mga electron ay nangyayari dahil sa isang pagtaas sa kanilang bilang sa panahon ng sunud-sunod na pagpasa ng isang potensyal na pagkakaiba sa pagitan ng mga kalapit na emitters. Ang huling elektrod ay tinatawag na kolektor. Ang kasalukuyang sa pagitan ng huling emitter at ang kolektor ay naitala. kaya, PMT nagsisilbing kasalukuyang amplifier, at ang huli ay proporsyonal sa insidente ng radiation sa photocathode, na ginagamit upang masuri ang radyaktibidad.

Thermionic emission

Thermionic emission (Richardson effect, Edison effect) - ang kababalaghan ng paglabas ng mga electron ng mga pinainit na katawan. Ang konsentrasyon ng mga libreng electron sa mga metal ay medyo mataas, samakatuwid, kahit na sa average na temperatura, dahil sa pamamahagi ng mga bilis ng elektron (enerhiya), ang ilang mga electron ay may sapat na enerhiya upang malampasan ang potensyal na hadlang sa hangganan ng metal. Sa pagtaas ng temperatura, ang bilang ng mga electron, ang kinetic energy ng thermal motion na mas malaki kaysa sa work function, ay tumataas, at ang phenomenon ng thermionic emission ay nagiging kapansin-pansin.

Ang pag-aaral ng mga batas ng thermionic emission ay maaaring isagawa gamit ang pinakasimpleng two-electrode lamp - isang vacuum diode, na isang evacuated cylinder na naglalaman ng dalawang electrodes: cathode K at anode A. Sa pinakasimpleng kaso, ang cathode ay isang filament na ginawa. ng isang refractory metal (halimbawa, tungsten), pinainit ng isang electric current. Ang anode ay kadalasang tumatagal sa anyo ng isang metal na silindro na nakapalibot sa katod. Kung ang isang diode ay konektado sa isang circuit, pagkatapos ay kapag ang katod ay pinainit at isang positibong boltahe (kamag-anak sa katod) ay inilapat sa anode, isang kasalukuyang lumitaw sa anode circuit ng diode. Kung babaguhin mo ang polarity ng baterya, hihinto ang kasalukuyang, gaano man kainit ang cathode. Dahil dito, ang katod ay naglalabas ng mga negatibong particle - mga electron.

Kung pinapanatili mong pare-pareho ang temperatura ng pinainit na katod at alisin ang pagtitiwala ng kasalukuyang anode sa boltahe ng anode - ang katangian ng kasalukuyang boltahe - lumalabas na hindi ito linear, iyon ay, ang batas ng Ohm ay hindi humahawak para sa isang vacuum diode . Ang pag-asa ng thermionic current sa anode boltahe sa rehiyon ng maliliit na positibong halaga ay inilarawan ng batas ng pangalawang tatlo (itinatag ng Russian physicist na si S. A. Boguslavsky (1883-1923) at ang American physicist na si I. Langmuir (1881). -1957)): , kung saan ang B ay isang koepisyent depende sa mga hugis at sukat ng mga electrodes, pati na rin ang kanilang relatibong posisyon.

Habang tumataas ang boltahe ng anode, tumataas ang kasalukuyang sa isang tiyak na pinakamataas na halaga, na tinatawag na kasalukuyang saturation. Nangangahulugan ito na halos lahat ng mga electron na umaalis sa cathode ay umaabot sa anode, kaya ang karagdagang pagtaas sa lakas ng field ay hindi maaaring humantong sa pagtaas ng thermionic current. Dahil dito, ang saturation current density ay nagpapakilala sa emissivity ng cathode material. Ang saturation current density ay tinutukoy ng Richardson-Deshman formula, na nagmula sa teorya batay sa quantum statistics: , kung saan ang A ay ang work function ng mga electron mula sa cathode, T ay ang thermodynamic temperature, C ay pare-pareho, theoretically pareho para sa lahat ng mga metal (hindi ito kinumpirma ng eksperimento, na, ayon sa tila ipinaliwanag ng mga epekto sa ibabaw). Ang pagbawas sa pag-andar ng trabaho ay humahantong sa isang matalim na pagtaas sa kasalukuyang density ng saturation. Samakatuwid, ang mga oxide cathode ay ginagamit (halimbawa, nickel coated na may alkaline earth metal oxide), ang work function na kung saan ay 1–1.5 eV.

Ang pagpapatakbo ng maraming vacuum electronic device ay batay sa phenomenon ng thermionic emission.

Panitikan

Kurso sa pisika Trofimova T.I.

Wikimedia Foundation. 2010.

Curia-Muria
tidal power station

Tingnan kung ano ang "Thermionic emission" sa iba pang mga diksyunaryo:

THERMAL ELECTRON EMISSION- paglabas ng mga electron ng mga pinainit na katawan (emitters) sa isang vacuum o iba pang daluyan. Tanging ang mga electron na iyon ang maaaring umalis sa katawan na ang enerhiya ay mas malaki kaysa sa enerhiya ng electron sa pahinga sa labas ng emitter (tingnan ang Work function). Ang bilang ng naturang mga electron (karaniwan ay mga electron... Pisikal na encyclopedia

THERMAL ELECTRON EMISSION- paglabas ng mga electron ng mga pinainit na katawan (emitters) sa isang vacuum o iba pang daluyan. Tanging ang mga electron na ang enerhiya ay mas malaki kaysa sa enerhiya ng isang electron na nakapahinga sa labas ng katawan ang maaaring umalis sa katawan (tingnan ang WORK WORK OF EXIT). Ang bilang ng naturang mga electron sa ilalim ng mga kondisyong thermodynamic. balanse, sa...... Pisikal na encyclopedia

THERMAL ELECTRON EMISSION- paglabas ng mga electron sa pamamagitan ng pinainit na solids o likido (emitters). Ang Thermionic emission ay maaaring ituring bilang ang pagsingaw ng mga electron mula sa emitter. Sa karamihan ng mga kaso, ang thermionic emission ay sinusunod sa mga temperatura... ... Malaking Encyclopedic Dictionary

thermionic emission- thermionic emission; industriya thermionic emission Ang paglabas ng elektron ay dulot lamang ng thermal state (temperatura) ng isang solid o likidong katawan na naglalabas ng mga electron ... Polytechnic terminological explanatory dictionary

thermionic emission- Electron emission dahil lamang sa temperatura ng electrode. [GOST 13820 77] Mga Paksa: mga electrovacuum device... Gabay ng Teknikal na Tagasalin

THERMAL ELECTRON EMISSION- THERMAL ELECTRON EMISSION, "pagsingaw" ng mga ELECTRON mula sa ibabaw ng isang substance kapag ito ay pinainit... Pang-agham at teknikal na encyclopedic na diksyunaryo

THERMAL ELECTRON EMISSION- paglabas ng mga electron ng mga pinainit na katawan (emitters) sa isang vacuum o iba pang daluyan. Ang kababalaghan ay sinusunod sa mga temperatura na higit sa temperatura ng silid; sa kasong ito, ang bahagi ng mga electron ng katawan ay nakakakuha ng enerhiya na higit sa (milyong pantay) na function ng trabaho... ... Malaking Polytechnic Encyclopedia

thermionic emission- paglabas ng mga electron mula sa pinainit na solids o likido (emitters). Ang Thermionic emission ay maaaring ituring bilang ang pagsingaw ng mga electron sa kanilang thermal excitation. Sa karamihan ng mga kaso, ang thermionic emission ay sinusunod kapag... ... encyclopedic Dictionary

Thermionic emission- Richardson effect, ang paglabas ng mga electron ng mga pinainit na katawan (solids, mas madalas na likido) sa isang vacuum o sa iba't ibang mga kapaligiran. Unang ginalugad ni O. W. Richardson noong 1900 1901. T. e. maaaring ituring na proseso ng pagsingaw ng mga electron sa... ... Great Soviet Encyclopedia

THERMAL ELECTRON EMISSION- paglabas ng mga electron mula sa isang pinainit na ibabaw. Bago pa man ang 1750 ay nalaman na malapit sa pinainit na solido, ang hangin ay nawawala ang karaniwang katangian ng pagiging mahinang konduktor ng kuryente. Gayunpaman, ang sanhi ng hindi pangkaraniwang bagay na ito ay nanatiling hindi malinaw hanggang sa 1880s. Sa isang numero...... Collier's Encyclopedia

thermionic emission- termoelektroninė emisija statusas T sritis chemija apibrėžtis Elektronų spinduliavimas iš įkaitusių kietųjų kūnų arba skysčių. atitikmenys: engl. thermoelectronic emission rus. thermionic emission... Chemijos terminų aiškinamasis žodynas

Kontrolin ang mga tanong .. 18

9. Laboratory work No. 2. Pag-aaral ng thermionic emission sa mababang emission kasalukuyang density . 18

Order sa trabaho .. 19

Mga kinakailangan sa ulat . 19

Kontrolin ang mga tanong .. 19

Panimula

Pinag-aaralan ng emission electronics ang mga phenomena na nauugnay sa emission (emission) ng mga electron mula sa condensed medium. Ang paglabas ng elektron ay nangyayari sa mga kaso kapag ang bahagi ng mga electron ng isang katawan ay nakakakuha, bilang resulta ng panlabas na impluwensya, sapat na enerhiya upang malampasan ang potensyal na hadlang sa hangganan nito, o kung ang isang panlabas na electric field ay ginagawa itong "transparent" sa bahagi ng mga electron. Depende sa likas na katangian ng panlabas na impluwensya, mayroong:

thermionic emission (pagpainit ng mga katawan);
pangalawang paglabas ng elektron (bombardment ng ibabaw na may mga electron);
ion-electron emission (bombardment ng ibabaw na may ions);
photoelectron emission (electromagnetic irradiation);
exoelectronic paglabas (mekanikal, thermal at iba pang mga uri ng paggamot sa ibabaw);
field emission (panlabas na electric field), atbp.

Sa lahat ng mga phenomena kung saan kinakailangang isaalang-alang ang alinman sa paglabas ng isang elektron mula sa isang kristal patungo sa nakapalibot na espasyo, o ang paglipat mula sa isang kristal patungo sa isa pa, ang katangian na tinatawag na "Pag-andar ng Trabaho" ay nakakakuha ng mapagpasyang kahalagahan. Ang function ng trabaho ay tinukoy bilang ang minimum na enerhiya na kinakailangan upang alisin ang isang electron mula sa isang solid at ilagay ito sa isang punto kung saan ang potensyal na enerhiya nito ay ipinapalagay na zero. Bilang karagdagan sa paglalarawan ng iba't ibang emission phenomena, ang konsepto ng work function ay may mahalagang papel sa pagpapaliwanag ng paglitaw ng isang contact potential difference sa contact ng dalawang metal, isang metal na may semiconductor, dalawang semiconductors, pati na rin ang galvanic phenomena.

Ang mga patnubay ay binubuo ng dalawang bahagi. Ang unang bahagi ay naglalaman ng mga pangunahing teoretikal na impormasyon sa emission phenomena sa solids. Ang pangunahing pansin ay binabayaran sa kababalaghan ng thermionic emission. Ang ikalawang bahagi ay nagbibigay ng isang paglalarawan ng gawaing laboratoryo na nakatuon sa eksperimental na pag-aaral ng thermionic emission, ang pag-aaral ng pagkakaiba sa potensyal ng pakikipag-ugnay at ang pamamahagi ng function ng trabaho sa ibabaw ng sample.

Bahagi 1. Pangunahing teoretikal na impormasyon

1. Electron work function. Impluwensiya sa paggana ng trabaho ng estado sa ibabaw

Ang katotohanan na ang mga electron ay nananatili sa loob ng isang solid ay nagpapahiwatig na ang isang retarding field ay lumitaw sa ibabaw na layer ng katawan, na pumipigil sa mga electron na umalis dito sa nakapalibot na vacuum. Ang isang eskematiko na representasyon ng isang potensyal na hadlang sa hangganan ng isang solid ay ipinapakita sa Fig. 1. Upang umalis sa kristal, ang isang electron ay dapat gumawa ng trabaho na katumbas ng work function. Makilala thermodynamic At panlabas function ng trabaho.

Ang thermodynamic work function ay ang pagkakaiba sa pagitan ng zero-level na enerhiya ng vacuum at ang Fermi na enerhiya ng isang solid.

Ang panlabas na function ng trabaho (o electron affinity) ay ang pagkakaiba sa pagitan ng enerhiya ng zero vacuum level at ng enerhiya ng ilalim ng conduction band (Fig. 1).

kanin. 1. Anyo ng potensyal na kristal U kasama ang linya ng lokasyon ng mga ion sa kristal at sa malapit na ibabaw na rehiyon ng kristal: ang mga posisyon ng mga ion ay minarkahan ng mga tuldok sa pahalang na linya; φ=- U /е – potensyal na gumana sa trabaho; E F – Fermi energy (negatibo); E C– enerhiya ng ilalim ng conduction band; W O - pag-andar ng thermodynamic na trabaho; Wa - panlabas na pag-andar ng trabaho; ang may kulay na lugar ay kumbensyonal na kumakatawan sa mga punong elektronikong estado

Mayroong dalawang pangunahing dahilan para sa paglitaw ng isang potensyal na hadlang sa hangganan ng isang solid at vacuum. Ang isa sa mga ito ay dahil sa ang katunayan na ang isang electron na ibinubuga mula sa isang kristal ay nag-uudyok ng isang positibong singil sa kuryente sa ibabaw nito. Ang isang kaakit-akit na puwersa ay lumitaw sa pagitan ng elektron at sa ibabaw ng kristal (electric image force, tingnan ang Seksyon 5, Fig. 12), na may posibilidad na ibalik ang elektron pabalik sa kristal. Ang isa pang dahilan ay dahil sa ang katunayan na ang mga electron, dahil sa thermal motion, ay maaaring tumawid sa ibabaw ng metal at lumayo mula dito sa mga maikling distansya (sa pagkakasunud-sunod ng atomic). Bumubuo sila ng negatibong sisingilin na layer sa itaas ng ibabaw. Sa kasong ito, pagkatapos makatakas ang mga electron, nabuo ang isang positibong sisingilin na layer ng mga ion sa ibabaw ng kristal. Bilang resulta, nabuo ang isang elektrikal na double layer. Hindi ito lumilikha ng isang patlang sa panlabas na espasyo, ngunit nangangailangan din ito ng trabaho upang mapagtagumpayan ang electric field sa loob ng double layer mismo.

Ang halaga ng work function para sa karamihan ng mga metal at semiconductors ay ilang electron volts. Halimbawa, para sa lithium ang work function ay 2.38 eV, iron – 4.31 eV, germanium – 4.76 eV, silicon – 4.8 eV. Sa isang malaking lawak, ang halaga ng function ng trabaho ay tinutukoy ng crystallographic na oryentasyon ng nag-iisang kristal na mukha kung saan nangyayari ang paglabas ng elektron. Para sa (110) plane ng tungsten, ang work function ay 5.3 eV; para sa (111) at (100) plane ang mga value na ito ay 4.4 eV at 4.6 eV, ayon sa pagkakabanggit.

Ang mga manipis na layer na idineposito sa ibabaw ng kristal ay may malaking impluwensya sa paggana ng trabaho. Ang mga atomo o molekula na idineposito sa ibabaw ng isang kristal ay kadalasang nag-aabuloy ng isang elektron dito o tumatanggap ng isang elektron mula dito at nagiging mga ion. Sa Fig. Ipinapakita ng Figure 2 ang energy diagram ng isang metal at isang nakahiwalay na atom para sa kaso kapag ang thermodynamic work function ng isang electron mula sa metal W 0 mas malaki kaysa sa enerhiya ng ionization E ion ng isang atom na nakadeposito sa ibabaw nito. Sa sitwasyong ito, ang elektron ng atom ay masigasig na pabor lagusan sa metal at bumaba dito sa antas ng Fermi. Ang ibabaw ng metal na natatakpan ng mga naturang atom ay nagiging negatibong sisingilin at bumubuo ng isang dobleng electric layer na may mga positibong ion, na ang larangan ay magbabawas sa paggana ng trabaho ng metal. Sa Fig. 3, a ay nagpapakita ng isang tungsten crystal na pinahiran ng isang monolayer ng cesium. Narito ang sitwasyong tinalakay sa itaas ay natanto, dahil ang enerhiya E ion Ang cesium (3.9 eV) ay mas mababa kaysa sa work function ng tungsten (4.5 eV). Sa mga eksperimento, bumababa ang function ng trabaho nang higit sa tatlong beses. Ang kabaligtaran na sitwasyon ay sinusunod kung ang tungsten ay natatakpan ng mga atomo ng oxygen (Larawan 3 b). Dahil ang bono ng mga valence electron sa oxygen ay mas malakas kaysa sa tungsten, kapag ang oxygen ay na-adsorbed sa ibabaw ng tungsten, isang electric double layer ang nabuo, na nagpapataas ng work function ng metal. Ang pinaka-karaniwang kaso ay kapag ang isang atom na nadeposito sa ibabaw ay hindi ganap na ibinibigay ang electron nito sa metal o kumukuha ng dagdag na electron, ngunit pina-deform ang electron shell nito upang ang mga atom na naka-adsorb sa ibabaw ay polarized at maging electric dipoles (Fig 3c). Depende sa oryentasyon ng mga dipoles, bumababa ang work function ng metal (ang oryentasyon ng mga dipoles ay tumutugma sa Fig. 3c) o tumataas.

2. Thermionic emission phenomenon

Ang Thermionic emission ay isa sa mga uri ng electron emission mula sa ibabaw ng solid. Sa kaso ng thermionic emission, ang panlabas na impluwensya ay nauugnay sa pag-init ng solid.

Ang phenomenon ng thermionic emission ay ang paglabas ng mga electron ng mga pinainit na katawan (emitters) sa isang vacuum o iba pang daluyan.

Sa ilalim ng mga kondisyon ng thermodynamic equilibrium, ang bilang ng mga electron n(E), pagkakaroon ng enerhiya sa hanay mula sa E dati E+d E, ay tinutukoy ng mga istatistika ng Fermi-Dirac:

,(1)

saan g(E)– bilang ng mga quantum state na tumutugma sa enerhiya E; E F - Fermi enerhiya; k– Boltzmann pare-pareho; T- ganap na temperatura.

Sa Fig. Ipinapakita ng Figure 4 ang energy diagram ng metal at ang electron energy distribution curves sa T=0 K, sa mababang temperatura T 1 at sa mataas na temperatura T 2. Sa 0 K, ang enerhiya ng lahat ng mga electron ay mas mababa kaysa sa enerhiya ng Fermi. Wala sa mga electron ang maaaring umalis sa kristal at walang thermionic emission ang naobserbahan. Sa pagtaas ng temperatura, ang bilang ng mga thermally excited na electron na may kakayahang umalis sa metal ay tumataas, na nagiging sanhi ng hindi pangkaraniwang bagay ng thermionic emission. Sa Fig. 4 ito ay inilalarawan ng katotohanan na kapag T=T 2 ang "buntot" ng distribution curve ay lumampas sa zero level ng potential well. Ipinapahiwatig nito ang hitsura ng mga electron na may enerhiya na lumalampas sa taas ng potensyal na hadlang.

Para sa mga metal, ang work function ay ilang electron volts. Enerhiya k T kahit na sa temperatura ng libu-libong Kelvin ay isang fraction ng isang electron volt. Para sa mga purong metal, ang makabuluhang paglabas ng elektron ay maaaring makuha sa temperatura na humigit-kumulang 2000 K. Halimbawa, sa purong tungsten, ang kapansin-pansing paglabas ay maaaring makuha sa temperatura na 2500 K.

Upang pag-aralan ang thermionic emission, kinakailangan na lumikha ng isang electric field sa ibabaw ng isang pinainit na katawan (cathode), na nagpapabilis ng mga electron upang alisin ang mga ito (suction) mula sa ibabaw ng emitter. Sa ilalim ng impluwensya ng isang electric field, ang mga emitted electron ay nagsisimulang gumalaw at isang electric current ay nabuo, na tinatawag na thermionic. Upang obserbahan ang thermionic current, karaniwang ginagamit ang isang vacuum diode - isang electron tube na may dalawang electrodes. Ang katod ng lampara ay isang filament na gawa sa isang refractory metal (tungsten, molibdenum, atbp.), Pinainit ng isang electric current. Ang anode ay karaniwang may hugis ng isang metal na silindro na nakapalibot sa isang pinainit na katod. Upang obserbahan ang thermionic current, ang diode ay konektado sa circuit na ipinapakita sa Fig. 5. Malinaw, ang lakas ng thermionic current ay dapat tumaas sa pagtaas ng potensyal na pagkakaiba V sa pagitan ng anode at katod. Gayunpaman, ang pagtaas na ito ay hindi proporsyonal V(Larawan 6). Sa pag-abot sa isang tiyak na boltahe, ang pagtaas ng thermionic current ay halos humihinto. Ang limitasyon ng halaga ng thermionic current sa isang naibigay na temperatura ng cathode ay tinatawag na saturation current. Ang magnitude ng saturation current ay tinutukoy ng bilang ng mga thermionic electron na maaaring lumabas sa ibabaw ng cathode sa bawat yunit ng oras. Sa kasong ito, ang lahat ng mga electron na ibinibigay ng thermionic emission mula sa cathode ay ginagamit upang makabuo ng electric current.

3. Pagdepende ng thermionic current sa temperatura. Formula Richardson-Deshman

Kapag kinakalkula ang thermionic kasalukuyang density gagamitin namin ang modelo ng electron gas at ilalapat Mga istatistika ng Fermi-Dirac dito. Malinaw na ang thermionic current density ay tinutukoy ng density ng electron cloud malapit sa ibabaw ng kristal, na inilarawan ng formula (1). Sa formula na ito, lumipat tayo mula sa pamamahagi ng enerhiya ng mga electron patungo sa pamamahagi ng momentum ng elektron. Sa kasong ito, isinasaalang-alang namin na ang pinapayagan na mga halaga ng electron wave vector k V k -space ay ibinahagi nang pantay-pantay para sa bawat halaga k binibilang para sa volume 8 p 3 (para sa dami ng kristal na katumbas ng isa). Isinasaalang-alang na ang momentum ng elektron p =ћ k nakuha namin na ang bilang ng mga estado ng quantum sa elemento ng volume ng espasyo ng momentum dp xdp ydp z magiging pantay

(2)

Ang dalawa sa numerator ng formula (2) ay isinasaalang-alang ang dalawang posibleng halaga ng electron spin.

Idirekta natin ang axis z rectangular coordinate system na normal sa ibabaw ng cathode (Larawan 7). Pumili tayo ng isang lugar ng unit area sa ibabaw ng kristal at itayo ito, tulad ng sa isang base, isang hugis-parihaba na parallelepiped na may gilid na gilid. v z =p z /m n(m n– epektibong mass ng elektron). Ang mga electron ay nag-aambag sa saturation kasalukuyang density ng bahagi v z bilis ng axis z. Ang kontribusyon sa kasalukuyang density mula sa isang elektron ay katumbas ng

(3)

saan e- singil ng elektron.

Ang bilang ng mga electron sa parallelepiped, ang mga bilis ng kung saan ay nakapaloob sa itinuturing na agwat:

Upang ang kristal na sala-sala ay hindi masira sa panahon ng paglabas ng mga electron, isang hindi gaanong mahalagang bahagi ng mga electron ang dapat umalis sa kristal. Para dito, tulad ng ipinapakita ng formula (4), ang kundisyon ay dapat matugunan SIYAF>> k T. Para sa gayong mga electron, ang pagkakaisa sa denominator ng formula (4) ay maaaring mapabayaan. Pagkatapos ang formula na ito ay binago sa anyo

(5)

Hanapin natin ngayon ang bilang ng mga electron dN sa saklaw na isinasaalang-alang, z-ang bahagi ng salpok na nakapaloob sa pagitan R z At R z +dp z. Upang gawin ito, ang nakaraang expression ay dapat na isinama R x At R y mula sa –∞ hanggang +∞. Kapag nagsasama, dapat itong isaalang-alang

at gamitin ang table integral

Bilang resulta nakukuha namin

.(6)

Ngayon, isinasaalang-alang ang (3), hanapin natin ang density ng thermionic current na nilikha ng lahat ng mga electron ng parallelepiped. Upang gawin ito, dapat na isama ang expression (6) para sa lahat ng mga electron na ang kinetic energy ay nasa antas ng Fermi E ≥E F +W 0 Ang mga naturang electron lamang ang maaaring umalis sa kristal at sila lamang ang may papel sa pagkalkula ng thermocurrent. Ang bahagi ng momentum ng naturang mga electron sa kahabaan ng axis Z dapat matugunan ang kondisyon

Samakatuwid, ang saturation kasalukuyang density

Isinasagawa ang pagsasama para sa lahat ng halaga. Ipakilala natin ang isang bagong variable ng pagsasama

Pagkatapos p z dp z =m n du At

.(8)

Bilang resulta nakukuha namin

,(9)

,(10)

nasaan ang pare-pareho

Ang pagkakapantay-pantay (10) ay tinatawag na formula Richardson-Deshman. Sa pamamagitan ng pagsukat ng density ng thermionic saturation current, magagamit ng isa ang formula na ito upang kalkulahin ang pare-parehong A at ang work function na W 0 . Para sa mga pang-eksperimentong kalkulasyon, ang formula Richardson-Deshman ito ay maginhawa upang katawanin ito sa anyo

Sa kasong ito, ipinapakita ng graph ang pagtitiwala ln(js/T 2) mula 1 /T ipinahayag ng isang tuwid na linya. Mula sa intersection ng tuwid na linya na may ordinate axis, ln ay kinakalkula A , at sa pamamagitan ng anggulo ng pagkahilig ng tuwid na linya ang pag-andar ng trabaho ay tinutukoy (Larawan 8).

4. Makipag-ugnayan sa potensyal na pagkakaiba

Isaalang-alang natin ang mga prosesong nagaganap kapag ang dalawang elektronikong konduktor, halimbawa dalawang metal, na may magkaibang mga pag-andar sa trabaho ay lumalapit at nagkadikit. Ang mga diagram ng enerhiya ng mga metal na ito ay ipinapakita sa Fig. 9. Hayaan EF 1 At EF 2 ay ang Fermi energy para sa una at pangalawang metal, ayon sa pagkakabanggit, at W 01 At W 02– ang kanilang mga tungkulin sa trabaho. Sa isang nakahiwalay na estado, ang mga metal ay may parehong antas ng vacuum at, samakatuwid, iba't ibang mga antas ng Fermi. Ipagpalagay natin para sa katiyakan na W 01< W 02, kung gayon ang antas ng Fermi ng unang metal ay magiging mas mataas kaysa sa pangalawa (Larawan 9 a). Kapag ang mga metal na ito ay nakipag-ugnayan sa tapat ng sinasakop na mga elektronikong estado sa metal 1, mayroong libre mga antas ng enerhiya metal 2. Samakatuwid, kapag ang mga konduktor na ito ay nakipag-ugnay, ang nagresultang daloy ng mga electron ay bumangon mula sa konduktor 1 patungo sa konduktor 2. Ito ay humahantong sa katotohanan na ang unang konduktor, na nawawalan ng mga elektron, ay nagiging positibong sisingilin, at ang pangalawang konduktor, ay nagkakaroon ng karagdagang negatibo negatibong sinisingil ang singil. Dahil sa pag-charge, lahat ng antas ng enerhiya ng metal 1 ay bumababa, at ang metal 2 ay bumababa. Ang proseso ng level displacement at ang proseso ng electron transition mula sa conductor 1 hanggang conductor 2 ay magpapatuloy hanggang sa ang Fermi level ng parehong conductor ay maihanay (Fig. 9 b). Tulad ng makikita mula sa figure na ito, ang estado ng balanse ay tumutugma sa potensyal na pagkakaiba sa pagitan ng mga zero na antas ng mga conductor 0 1 at 0 2:

.(11)

Potensyal na pagkakaiba V K.R.P tinawag makipag-ugnayan sa potensyal na pagkakaiba. Dahil dito, ang pagkakaiba sa potensyal ng pakikipag-ugnay ay tinutukoy ng pagkakaiba sa paggana ng trabaho ng mga electron mula sa mga konduktor na nakikipag-ugnay. Ang nakuha na resulta ay wasto para sa anumang paraan ng pagpapalitan ng mga electron sa pagitan ng dalawang materyales, kabilang ang sa pamamagitan ng thermionic emission sa isang vacuum, sa pamamagitan ng isang panlabas na circuit, atbp. Ang mga katulad na resulta ay nakukuha kapag ang metal ay nakikipag-ugnayan sa isang semiconductor. Ang isang potensyal na pagkakaiba sa pakikipag-ugnay ay lumitaw sa pagitan ng mga metal at ng semiconductor, na humigit-kumulang sa parehong pagkakasunud-sunod ng magnitude tulad ng sa kaso ng pakikipag-ugnay sa pagitan ng dalawang metal (humigit-kumulang 1 V). Ang pagkakaiba lamang ay kung sa mga konduktor ang buong pagkakaiba ng potensyal ng pakikipag-ugnay ay bumagsak halos sa puwang sa pagitan ng mga metal, kung gayon kapag ang isang metal ay nakipag-ugnayan sa isang semiconductor, ang buong pagkakaiba sa potensyal ng pakikipag-ugnay ay nahuhulog sa semiconductor, kung saan ang isang sapat na malaking layer ay nabuo, pinayaman o naubos ng mga electron. Kung ang layer na ito ay naubos ng mga electron (sa kaso kapag ang work function ng isang n-type semiconductor ay mas mababa kaysa sa work function ng metal), kung gayon ang naturang layer tinatawag na pagharang at tulad ng isang paglipat magkakaroon ng straightening properties. Ang potensyal na hadlang na lumitaw sa pagwawasto ng contact ng isang metal na may semiconductor ay tinatawag Schottky barrier, at mga diode na gumagana sa batayan nito - Schottky diodes.

Volt-ampereMga katangian ng isang thermionic cathode sa mababang densidad ng kasalukuyang paglabas. Schottky effect

Kung ang isang potensyal na pagkakaiba ay nilikha sa pagitan ng thermionic cathode at ang anode ng diode (Larawan 5) V, na pumipigil sa paggalaw ng mga electron sa anode, kung gayon ang mga lumilipad lamang mula sa cathode na may reserba ng kinetic energy na hindi bababa sa enerhiya ng electrostatic field sa pagitan ng anode at ng cathode ang makakarating sa anode, i.e. -e V(V< 0). Upang gawin ito, ang kanilang enerhiya sa thermionic cathode ay dapat na hindi bababa W 0 –еV. Pagkatapos, papalitan sa formula Richardson-Deshman (10) W 0 sa W 0 –еV, nakuha namin ang sumusunod na expression para sa kasalukuyang density ng thermal emission:

,(12)

Dito jS– saturation kasalukuyang density. Kunin natin ang logarithm ng expression na ito

.(13)

Sa isang positibong potensyal sa anode, lahat ng mga electron na umaalis sa thermionic cathode ay dumapo sa anode. Samakatuwid, ang kasalukuyang sa circuit ay hindi dapat magbago, nananatiling katumbas ng kasalukuyang saturation. kaya, volt-ampere Ang katangian (kasalukuyang-boltahe na katangian) ng thermal cathode ay magkakaroon ng form na ipinapakita sa Fig. 10 (curve a).

Ang isang katulad na kasalukuyang-boltahe na katangian ay sinusunod lamang sa medyo mababa ang mga densidad ng kasalukuyang paglabas at mataas na positibong potensyal sa anode, kapag ang isang makabuluhang singil sa espasyo ng elektron ay hindi lumabas malapit sa naglalabas na ibabaw. Mga katangian ng kasalukuyang boltahe ng thermionic cathode na isinasaalang-alang ang space charge, na tinalakay sa Seksyon. 6.

Pansinin natin ang isa pang mahalagang katangian ng katangian ng kasalukuyang boltahe sa mababang densidad ng kasalukuyang paglabas. Ang konklusyon ay ang thermocurrent ay umabot sa saturation sa V=0, ay may bisa lamang para sa kaso kapag ang mga materyales ng cathode at anode ay may parehong thermodynamic work function. Kung ang mga function ng trabaho ng cathode at anode ay hindi pantay, kung gayon ang isang potensyal na pagkakaiba sa pakikipag-ugnay ay lilitaw sa pagitan ng anode at cathode. Sa kasong ito, kahit na sa kawalan ng isang panlabas na electric field ( V=0) mayroong isang electric field sa pagitan ng anode at cathode dahil sa potensyal na pagkakaiba ng contact. Halimbawa, kung W 0k< W 0a pagkatapos ay ang anode ay sisingilin ng negatibong may kaugnayan sa katod. Upang sirain ang potensyal na pagkakaiba ng contact, isang positibong bias ang dapat ilapat sa anode. kaya lang volt-ampere ang katangian ng hot cathode ay nagbabago sa dami ng contact potential difference patungo sa positive potential (Fig. 10, curve b). Na may kabaligtaran na relasyon sa pagitan ng W 0k At W 0a ang direksyon ng shift ng kasalukuyang-boltahe na katangian ay kabaligtaran (curve c sa Fig. 10).

Konklusyon tungkol sa pagsasarili ng saturation kasalukuyang density sa V>0 ay lubos na na-idealize. Sa tunay na kasalukuyang-boltahe na mga katangian ng thermionic emission, ang isang bahagyang pagtaas sa thermionic emission kasalukuyang ay sinusunod sa pagtaas V sa saturation mode, na nauugnay sa Schottky effect(Larawan 11).

Ang Schottky effect ay isang pagbaba sa work function ng mga electron mula sa solids sa ilalim ng impluwensya ng isang panlabas na nagpapabilis na electric field.

Upang ipaliwanag ang Schottky effect, isaalang-alang ang mga puwersang kumikilos sa isang electron malapit sa ibabaw ng isang kristal. Alinsunod sa batas ng electrostatic induction, ang mga singil sa ibabaw ng kabaligtaran na pag-sign ay sapilitan sa ibabaw ng kristal, na tumutukoy sa pakikipag-ugnayan ng elektron sa ibabaw ng kristal. Alinsunod sa pamamaraan ng mga de-koryenteng imahe, ang pagkilos ng totoong mga singil sa ibabaw sa isang elektron ay pinalitan ng pagkilos ng isang kathang-isip. positibong punto singilin +e, na matatagpuan sa parehong distansya mula sa kristal na ibabaw bilang ang elektron, ngunit sa kabaligtaran na bahagi ng ibabaw (Larawan 12). Pagkatapos, alinsunod sa batas ng Coulomb, ang puwersa ng pakikipag-ugnayan sa pagitan ng dalawang puntong singil

,(14)

Dito ε o- pare-parehong elektrikal: X ay ang distansya sa pagitan ng electron at ng ibabaw ng kristal.

Ang potensyal na enerhiya ng isang electron sa electric image force field, kung binibilang mula sa zero vacuum level, ay katumbas ng

.(15)

Potensyal na enerhiya ng isang electron sa isang panlabas na accelerating electric field E

Kabuuang potensyal na enerhiya ng isang elektron

.(17)

Ang isang graphical na pagpapasiya ng kabuuang enerhiya ng isang elektron na matatagpuan malapit sa ibabaw ng kristal ay ipinapakita sa Fig. 13, na malinaw na nagpapakita ng pagbaba sa work function ng isang electron mula sa kristal. Ang kabuuang electron potential energy curve (solid curve sa Fig. 13) ay umabot sa maximum sa punto x m:

.(18)

Ang puntong ito ay 10 Å mula sa ibabaw sa isang panlabas na lakas ng field » 3× 10 6 V/cm.

Sa punto X m kabuuang potensyal na enerhiya na katumbas ng pagbaba sa potensyal na hadlang (at, samakatuwid, ang pagbaba sa pag-andar ng trabaho),

.(19)

Bilang resulta ng epekto ng Schottky, ang kasalukuyang thermal diode sa isang positibong boltahe sa anode ay tumataas sa pagtaas ng boltahe ng anode. Ang epektong ito ay nagpapakita mismo hindi lamang kapag ang mga electron ay ibinubuga sa isang vacuum, kundi pati na rin kapag sila ay gumagalaw sa pamamagitan ng metal-semiconductor o metal-insulator contact.

6. Ang mga alon sa vacuum ay limitado ng space charge. Ang batas ng "tatlong segundo"

Sa mataas na thermionic emission current density, ang kasalukuyang-boltahe na katangian ay makabuluhang naiimpluwensyahan ng volumetric na negatibong singil na lumabas sa pagitan ng cathode at anode. Pinipigilan ng negatibong bulk charge na ito ang mga electron na tumatakas mula sa cathode na maabot ang anode. Kaya, ang kasalukuyang anode ay lumalabas na mas mababa kaysa sa kasalukuyang paglabas ng elektron mula sa katod. Kapag ang isang positibong potensyal ay inilapat sa anode, ang karagdagang potensyal na hadlang sa katod na nilikha ng space charge ay bumababa at ang anode current ay tumataas. Ito ay isang husay na larawan ng impluwensya ng space charge sa kasalukuyang-boltahe na katangian ng isang thermal diode. Ang isyung ito ay theoretically ginalugad ni Langmuir noong 1913.

Kalkulahin natin, sa ilalim ng isang bilang ng mga nagpapasimpleng pagpapalagay, ang pag-asa ng kasalukuyang thermal diode sa panlabas na potensyal na pagkakaiba na inilapat sa pagitan ng anode at cathode at hanapin ang pamamahagi ng patlang, potensyal at konsentrasyon ng elektron sa pagitan ng anode at katod, na isinasaalang-alang. ang bayad sa espasyo.

kanin. 14. Sa pagtatapos ng batas ng "tatlong segundo"

Ipagpalagay natin na ang mga diode electrodes ay flat. Na may maliit na distansya sa pagitan ng anode at katod d maaari silang ituring na walang hanggan malaki. Inilalagay namin ang pinagmulan ng mga coordinate sa ibabaw ng katod, at ang axis X Idirekta natin ito patayo sa ibabaw na ito patungo sa anode (Larawan 14). Pananatilihin namin ang temperatura ng cathode na pare-pareho at pantay T. Electrostatic field potensyal j , na umiiral sa espasyo sa pagitan ng anode at cathode, ay magiging function ng isang coordinate lamang X. Dapat siyang masiyahan Ang equation ni Poisson

,(20)

Dito r – volumetric charge density; n- konsentrasyon ng elektron; j , r At n ay mga function ng coordinate X.

Isinasaalang-alang na ang kasalukuyang density sa pagitan ng katod at anode

at ang bilis ng elektron v maaaring matukoy mula sa equation

saan m– ang mass ng elektron, ang equation (20) ay maaaring mabago sa anyo

, .(21)

Ang equation na ito ay dapat dagdagan ng mga kundisyon sa hangganan

Ang mga kundisyong ito sa hangganan ay sumusunod sa katotohanan na ang potensyal at lakas ng patlang ng kuryente sa ibabaw ng katod ay dapat maglaho. Pagpaparami ng magkabilang panig ng equation (21) sa dj /dx, nakukuha namin

.(23)

Isinasaalang-alang na

(24a)

At ,(24b)

isinusulat namin ang (23) sa form

.(25)

Ngayon ay maaari nating isama ang magkabilang panig ng equation (25) sa ibabaw X mula 0 hanggang sa halagang iyon x, kung saan pantay ang potensyal j . Pagkatapos, isinasaalang-alang ang mga kondisyon ng hangganan (22), nakukuha namin

Pagsasama ng parehong bahagi (27) mula sa X=0, j =0 hanggang X=1, j= V a, nakukuha namin

.(28)

Sa pamamagitan ng pag-squaring sa magkabilang panig ng pagkakapantay-pantay (28) at pagpapahayag ng kasalukuyang density j mula sa A ayon sa (21), nakukuha natin

.(30)

Ang Formula (29) ay tinatawag na Langmuir's "three-second law".

Ang batas na ito ay may bisa para sa mga electrodes ng di-makatwirang hugis. Ang expression para sa numerical coefficient ay depende sa hugis ng mga electrodes. Ginagawang posible ng mga formula na nakuha sa itaas na kalkulahin ang mga distribusyon ng potensyal, lakas ng patlang ng kuryente at density ng elektron sa espasyo sa pagitan ng cathode at anode. Integrasyon ng pagpapahayag (26) mula sa X=0 sa halaga kapag ang potensyal ay pantay j , humahantong sa relasyon

mga. ang potensyal ay nag-iiba nang proporsyonal sa distansya mula sa katod X sa kapangyarihan ng 4/3. Derivative dj/ dx nailalarawan ang lakas ng patlang ng kuryente sa pagitan ng mga electrodes. Ayon sa (26), ang magnitude ng lakas ng electric field E ~X 19 . Sa wakas, ang konsentrasyon ng elektron

(32)

at, ayon sa (31) n(x)~ (1/x) 2/9 .

Dependencies j (X ), E(X) At n(X) ay ipinapakita sa Fig. 15. Kung X→0, pagkatapos ay ang konsentrasyon ay may posibilidad na infinity. Ito ay isang kinahinatnan ng pagpapabaya sa thermal velocities ng mga electron sa cathode. Sa isang tunay na sitwasyon, sa panahon ng thermionic emission, ang mga electron ay umalis sa cathode hindi na may zero na bilis, ngunit may isang tiyak na may hangganan na bilis ng paglabas. Sa kasong ito, ang kasalukuyang anode ay iiral kahit na mayroong isang maliit na reverse electric field malapit sa cathode. Dahil dito, ang density ng singil ng volume ay maaaring magbago sa mga naturang halaga na ang potensyal na malapit sa cathode ay bumaba sa mga negatibong halaga (Larawan 16). Habang tumataas ang boltahe ng anode, bumababa ang pinakamababang potensyal at lumalapit sa cathode (curves 1 at 2 sa Fig. 16). Sa isang sapat na mataas na boltahe sa anode, ang pinakamababang potensyal ay sumasama sa katod, ang lakas ng patlang sa katod ay nagiging zero at ang pag-asa j (X) ay lumalapit (29), kinakalkula nang hindi isinasaalang-alang ang mga paunang bilis ng elektron (curve 3 sa Fig. 16). Sa mataas na anodic voltages, ang space charge ay halos ganap na natunaw at ang potensyal sa pagitan ng cathode at anode ay nagbabago ayon sa isang linear na batas (curve 4, Fig. 16).

Kaya, ang potensyal na pamamahagi sa puwang ng interelectrode, na isinasaalang-alang ang mga paunang bilis ng elektron, ay naiiba nang malaki mula sa kung saan ay ang batayan ng idealized na modelo kapag nagmula ang "tatlong segundo" na batas. Ito ay humahantong sa isang pagbabago at pag-asa ng kasalukuyang density ng anode. Pagkalkula na isinasaalang-alang ang mga paunang bilis ng elektron para sa kaso ng potensyal na pamamahagi na ipinapakita sa Fig. 17, at para sa mga cylindrical electrodes ay nagbibigay ng sumusunod na pag-asa para sa kabuuang thermionic emission kasalukuyang ako (ako=jS, Saan S– cross-sectional area ng thermocurrent):

.(33)

Mga pagpipilian x m At Vm tinutukoy ng uri ng pag-asa j (X), ang kanilang kahulugan ay malinaw mula sa Fig. 17. Parameter X m katumbas ng distansya mula sa katod kung saan ang potensyal ay umabot sa pinakamababang halaga nito = Vm. Salik C(x m), maliban sa x m, depende sa radii ng cathode at anode. Ang equation (33) ay may bisa para sa maliliit na pagbabago sa anode boltahe, dahil At X m At Vm, tulad ng tinalakay sa itaas, ay nakasalalay sa boltahe ng anode.

Kaya, ang batas ng "tatlong segundo" ay hindi pangkalahatan; ito ay may bisa lamang sa isang medyo makitid na hanay ng mga boltahe at alon. Gayunpaman, ito ay isang malinaw na halimbawa ng nonlinear na relasyon sa pagitan ng kasalukuyang at boltahe sa isang elektronikong aparato. Ang nonlinearity ng kasalukuyang-boltahe na katangian ay ang pinakamahalagang katangian ng maraming elemento ng radyo at mga de-koryenteng circuit, kabilang ang mga elemento ng solid-state electronics.

Bahagi 2. Gawain sa laboratoryo

7. Eksperimental na setup para sa pag-aaral ng thermionic emission

Ang gawain sa laboratoryo No. 1 at 2 ay isinasagawa sa isang pag-install ng laboratoryo, na ipinatupad batay sa isang unibersal na stand ng laboratoryo. Ang diagram ng pag-install ay ipinapakita sa Fig. 18. Ang seksyon ng pagsukat ay naglalaman ng isang EL vacuum diode na may direkta o hindi direktang pinainit na katod. Ang front panel ng seksyon ng pagsukat ay nagpapakita ng mga contact ng filament na "Incandescent", ang anode "Anode" at ang cathode na "Cathode". Ang pinagmumulan ng filament ay isang pinatatag na direktang kasalukuyang pinagmumulan ng uri B5-44A. Ang I icon sa diagram ay nagpapahiwatig na ang source ay gumagana sa kasalukuyang stabilization mode. Ang pamamaraan para sa pagtatrabaho sa isang direktang kasalukuyang mapagkukunan ay matatagpuan sa teknikal na paglalarawan at mga tagubilin sa pagpapatakbo para sa device na ito. Ang mga katulad na paglalarawan ay magagamit para sa lahat ng mga instrumento sa pagsukat ng elektrikal na ginagamit sa gawaing laboratoryo. Ang anode circuit ay may kasamang stabilized na direktang kasalukuyang source na B5-45A at isang unibersal na digital voltmeter B7-21A, na ginagamit sa direct current measurement mode upang sukatin ang anode current ng thermal diode. Upang sukatin ang boltahe ng anode at kasalukuyang heating ng cathode, maaari kang gumamit ng mga device na nakapaloob sa pinagmumulan ng kuryente o magkonekta ng karagdagang voltmeter RV7-32 para sa mas tumpak na pagsukat ng boltahe sa cathode.

Ang seksyon ng pagsukat ay maaaring maglaman ng mga vacuum diode na may iba't ibang gumaganang cathode filament currents. Sa rate ng kasalukuyang filament, ang diode ay nagpapatakbo sa mode ng paglilimita sa anode kasalukuyang sa pamamagitan ng space charge. Ang mode na ito ay kinakailangan upang maisagawa ang gawain sa laboratoryo No. 1. Ang gawain sa laboratoryo No. 2 ay isinasagawa sa pinababang mga alon ng filament, kapag ang impluwensya ng singil sa espasyo ay hindi gaanong mahalaga. Kapag nagtatakda ng kasalukuyang filament, dapat kang maging maingat lalo na, dahil Ang labis sa kasalukuyang filament sa itaas ng nominal na halaga nito para sa isang naibigay na vacuum tube ay humahantong sa pagkasunog ng filament ng cathode at pagkabigo ng diode. Samakatuwid, kapag naghahanda para sa trabaho, siguraduhing suriin sa iyong guro o inhinyero ang halaga ng kasalukuyang operating filament ng diode na ginamit sa trabaho; siguraduhing isulat ang data sa iyong workbook at gamitin ito kapag gumuhit ng isang ulat sa gawain sa laboratoryo.

8. Laboratory work No. 1. Pag-aaral sa impluwensya ng space charge sa volt-amperemga katangian ng kasalukuyang thermal

Layunin ng trabaho: pang-eksperimentong pag-aaral ng pag-asa ng thermionic emission kasalukuyang sa anode boltahe, pagpapasiya ng exponent sa "tatlong segundo" na batas.

Volt-ampere Ang katangian ng thermionic emission current ay inilarawan ng batas ng "tatlong segundo" (tingnan ang Seksyon 6). Ang mode na ito ng operasyon ng diode ay nangyayari sa sapat na mataas na daloy ng filament ng cathode. Karaniwan, sa rate ng kasalukuyang filament, ang kasalukuyang vacuum diode ay limitado ng space charge.

Ang pang-eksperimentong setup para sa pagsasagawa ng gawaing pang-laboratoryo na ito ay inilarawan sa Sect. 7. Sa panahon ng trabaho, kinakailangan upang sukatin ang kasalukuyang-boltahe na katangian ng diode sa kasalukuyang na-rate na filament. Ang halaga ng kasalukuyang sukat ng operating ng vacuum tube na ginamit ay dapat kunin mula sa isang guro o inhinyero at isulat sa isang workbook.

Order sa trabaho

1. Pamilyar ang iyong sarili sa paglalarawan at pamamaraan para sa pagpapatakbo ng mga instrumentong kailangan para sa pagpapatakbo ng pang-eksperimentong setup. Ipunin ang circuit ayon sa Fig. 18. Ang pag-install ay maaaring konektado sa network lamang pagkatapos suriin ang kawastuhan ng assembled circuit ng isang engineer o guro.

2. I-on ang cathode filament current power supply at itakda ang kinakailangang filament current. Dahil kapag ang kasalukuyang filament ay nagbabago, ang temperatura at paglaban ng filament ay nagbabago, na, sa turn, ay humahantong sa isang pagbabago sa kasalukuyang filament, ang pagsasaayos ay dapat isagawa gamit ang paraan ng sunud-sunod na mga pagtatantya. Pagkatapos makumpleto ang pagsasaayos, dapat kang maghintay ng humigit-kumulang 5 minuto para sa kasalukuyang filament at temperatura ng cathode na maging matatag.

3. Ikonekta ang isang palaging pinagmumulan ng boltahe sa anode circuit at, sa pamamagitan ng pagpapalit ng boltahe sa anode, sukatin ang kasalukuyang-boltahe na katangian ng punto sa pamamagitan ng punto. Kunin ang kasalukuyang-boltahe na katangian sa hanay na 0...25 V, bawat 0.5...1 V.

Ia(V a), Saan Ia- kasalukuyang anode, V a- boltahe ng anode.

5. Kung ang hanay ng mga pagbabago sa anode boltahe ay kinuha na maliit, pagkatapos ay ang mga halaga x m, C(x,n) At Vm, kasama sa formula (33), ay maaaring kunin na pare-pareho. Sa kabuuan V a laki Vm maaaring pabayaan. Bilang resulta, ang formula (33) ay binago sa anyo (pagkatapos ng paglipat mula sa density ng thermocurrent j sa kanyang buong kahulugan ako)

6. Mula sa formula (34) tukuyin ang halaga SA para sa tatlong pinakamataas na halaga ng boltahe ng anode sa katangian ng kasalukuyang boltahe. Kalkulahin ang arithmetic mean ng mga nakuhang halaga. Ang pagpapalit ng halagang ito sa formula (33), tukuyin ang halaga Vm para sa tatlong pinakamababang halaga ng boltahe sa anode at kalkulahin ang arithmetic mean value Vm.

7. Gamit ang nakuhang halaga Vm, i-plot ang dependence ng ln Ia mula sa ln( V a+|Vm|). Tukuyin ang antas ng pag-asa mula sa tangent ng anggulo ng graph na ito Ia(V a + Vm). Ito ay dapat na malapit sa 1.5.

8. Maghanda ng ulat sa gawain.

Mga kinakailangan sa ulat

5. Konklusyon sa gawain.

Kontrolin ang mga tanong

1. Ano ang tawag sa phenomenon ng thermionic emission? Tukuyin ang work function ng isang electron. Ano ang pagkakaiba sa pagitan ng thermodynamic at panlabas na function ng trabaho?

2. Ipaliwanag ang mga dahilan para sa paglitaw ng isang potensyal na hadlang sa solid-vacuum na hangganan.

3. Ipaliwanag, batay sa energy diagram ng metal at sa electron energy distribution curve, ang thermal emission ng mga electron mula sa metal.

4. Sa ilalim ng anong mga kondisyon sinusunod ang thermionic current? Paano mo mapapansin ang thermionic current? Paano nakadepende ang kasalukuyang thermal diode sa inilapat na electric field?

5. Sabihin ang batas Richardson-Deshman

6. Ipaliwanag ang husay na larawan ng impluwensya ng isang negatibong singil sa volume sa kasalukuyang-boltahe na katangian ng isang thermal diode. Bumuo ng "tatlong segundo" na batas ni Langmuir.

7. Ano ang mga distribusyon ng potensyal, lakas ng patlang ng kuryente at density ng elektron sa espasyo sa pagitan ng cathode at anode sa mga alon na nalilimitahan ng space charge?

8. Ano ang dependence ng thermal emission current sa boltahe sa pagitan ng anode at cathode, na isinasaalang-alang ang space charge at paunang electron velocities? Ipaliwanag ang kahulugan ng mga parameter na tumutukoy sa pagtitiwala na ito;

9. Ipaliwanag ang disenyo ng experimental setup para sa pag-aaral ng thermionic emission. Ipaliwanag ang layunin ng mga indibidwal na elemento ng circuit.

10. Ipaliwanag ang paraan para sa eksperimentong pagtukoy ng exponent sa batas ng "tatlong segundo".

9. Laboratory work No. 2. Pag-aaral ng thermionic emission sa mababang emission kasalukuyang density

Layunin ng trabaho: upang pag-aralan ang kasalukuyang-boltahe na mga katangian ng isang thermal diode sa isang mababang cathode heating current. Pagpapasiya mula sa mga eksperimentong resulta ng potensyal na pagkakaiba ng contact sa pagitan ng katod at anode, ang temperatura ng katod.

Sa mababang thermal density ng kasalukuyang volt-ampere ang katangian ay may katangiang hitsura na may inflection point na tumutugma sa modulus ng contact potential difference sa pagitan ng cathode at anode (Fig. 10). Ang temperatura ng cathode ay maaaring matukoy bilang mga sumusunod. Magpatuloy tayo sa equation (12), na naglalarawan sa kasalukuyang-boltahe na katangian ng thermionic emission sa mababang kasalukuyang densidad, mula sa thermocurrent density j sa buong halaga nito ako(j=ako/S, Saan S– cross-sectional area ng thermocurrent). Pagkatapos makuha namin

saan I S- kasalukuyang saturation.

Ang pagkuha ng logarithms ng (35), mayroon kami

.(36)

Sa lawak na ang equation (36) ay naglalarawan ng kasalukuyang-boltahe na katangian sa lugar sa kaliwa ng inflection point, pagkatapos ay upang matukoy ang temperatura ng cathode kinakailangan na kumuha ng anumang dalawang punto sa lugar na ito na may anode currents Ako ay 1, Ako ay 2 at anode voltages U a 1, U a 2 ayon sa pagkakabanggit. Pagkatapos, ayon sa equation (36),

Mula dito nakuha namin ang gumaganang formula para sa temperatura ng cathode

.(37)

Order sa trabaho

Upang maisagawa ang gawain sa laboratoryo kailangan mong:

2. I-on ang cathode filament current power supply at itakda ang kinakailangang filament current. Pagkatapos itakda ang kasalukuyang, dapat kang maghintay ng humigit-kumulang 5 minuto para sa kasalukuyang filament at temperatura ng cathode na maging matatag.

3. Ikonekta ang isang palaging pinagmumulan ng boltahe sa anode circuit at, sa pamamagitan ng pagpapalit ng boltahe sa anode, sukatin ang kasalukuyang-boltahe na katangian ng punto sa pamamagitan ng punto. Volt-ampere kunin ang katangian sa hanay na 0...5 V tuwing 0.05...0.2 V.

4. Ipakita ang mga resulta ng pagsukat sa isang graph sa ln coordinates Ia(V a), Saan Ia- kasalukuyang anode, V a- boltahe ng anode. Dahil sa gawaing ito ang pagkakaiba ng potensyal ng pakikipag-ugnay ay tinutukoy nang grapiko, ang sukat sa pahalang na axis ay dapat piliin upang ang katumpakan ng pagpapasiya V K.R.P ay hindi bababa sa 0.1 V.

5. Gamit ang inflection point ng kasalukuyang-boltahe na katangian, alamin ang potensyal na pagkakaiba sa pagitan ng anode at cathode.

6. Tukuyin ang temperatura ng cathode para sa tatlong pares ng mga punto sa inclined linear na seksyon ng kasalukuyang-boltahe na katangian sa kaliwa ng inflection point. Ang temperatura ng cathode ay dapat kalkulahin gamit ang formula (37). Kalkulahin ang average na temperatura mula sa mga data na ito.

7. Maghanda ng ulat sa gawain.

Mga kinakailangan sa ulat

Ang ulat ay iginuhit sa isang karaniwang sheet ng A4 na papel at dapat naglalaman ng:

1. Pangunahing impormasyon sa teorya.

2. Diagram ng experimental setup at ang maikling paglalarawan nito.

3. Mga resulta ng mga sukat at kalkulasyon.

4. Pagsusuri ng mga nakuhang resultang pang-eksperimento.

5. Konklusyon sa gawain.

Kontrolin ang mga tanong

1. Ilista ang mga uri ng paglabas ng elektron. Ano ang sanhi ng paglabas ng mga electron sa bawat uri ng paglabas ng elektron?

2. Ipaliwanag ang phenomenon ng thermionic emission. Tukuyin ang work function ng isang electron mula sa solid. Paano natin maipapaliwanag ang pagkakaroon ng potensyal na hadlang sa hangganan ng solid-vacuum?

3. Ipaliwanag, batay sa energy diagram ng metal at sa electron energy distribution curve, ang thermal emission ng mga electron mula sa metal.

4. Sabihin ang batas Richardson-Deshman. Ipaliwanag ang pisikal na kahulugan ng mga dami na kasama sa batas na ito.

5. Ano ang mga tampok ng kasalukuyang-boltahe na mga katangian ng thermionic cathode sa mababang densidad ng kasalukuyang paglabas? Paano nakakaapekto ang potensyal na pagkakaiba ng contact sa pagitan ng cathode at anode?

6. Ano ang epekto ng Schottky? Paano ipinaliwanag ang epektong ito?

7. Ipaliwanag ang pagbaba ng potensyal na hadlang para sa mga electron sa ilalim ng impluwensya ng isang electric field.

8. Paano matutukoy ang temperatura ng cathode sa lab na ito?

9. Ipaliwanag ang pamamaraan para sa pagtukoy ng potensyal na pagkakaiba sa pakikipag-ugnay sa gawaing ito.

10. Ipaliwanag ang diagram at layunin ng mga indibidwal na elemento ng setup ng laboratoryo.