Применение термоэлектронной эмиссии: 27.Термоэлектронная эмиссия и ее применение.

27.Термоэлектронная эмиссия и ее применение.

Если
сообщить электронам в металлах энергию,
необходимую для преодоления работы
выхода, то часть электронов может
покинуть металл, в результате чего
на­блюдается явление испускания
электро­нов, или электронной
эмиссии. В
зависи­мости от способа сообщения
электронам энергии различают
термоэлектронную, фо­тоэлектронную,
вторичную электронную и автоэлектронную
эмиссии.

1.
Термоэлектронная эмиссия —это
испускание электронов нагретыми
метал­лами. Концентрация свободных
электро­нов в металлах достаточно
высока, поэто­му даже при средних
температурах вслед­ствие распределения
электронов по скоро­стям (по энергии)
некоторые электроны обладают энергией,
достаточной для прео­доления
потенциального барьера на гра­нице
металла. С повышением температуры число
электронов, кинетическая энергия
теплового движения которых больше
ра­боты выхода, растет и явление
термоэлек­тронной эмиссии становится
заметным.

Исследование
закономерностей термо­электронной
эмиссии можно провести с по­мощью
простейшей двухэлектродной лам­пы —
вакуумного
диода, представляюще­го
собой откачанный баллон, содержащий
два электрода: катод К
и
анод А.
В
про­стейшем случае катодом служит
нить из тугоплавкого металла (например,
воль­фрама), накаливаемая электрическим
то­ком. Анод чаще всего имеет форму
ме­таллического цилиндра, окружающего
ка­тод. Если диод включить в цепь, как
это показано на рис. 152, то при накаливании
катода и подаче на анод положительного
напряжения (относительно катода) в
анодной цепи диода возникает ток. Если
поменять полярность батареи Б_а,
то ток прекращается, как бы сильно катод
ни накаливали. Следовательно, катод
ис­пускает отрицательные частицы —
элек­троны.

Если
поддерживать температуру на­каленного
катода постоянной и снять за­висимость
анодного токаI_а
от анодного напряжения U_a
— вольт-амперную
харак­теристику (рис.
153), то оказывается, что она не является
линейной, т. е. для ваку­умного диода
закон Ома не выполняется. Зависимость
термоэлектронного тока I
от анодного напряжения в области малых

положительных
значений U
описывается
законом
трех вторых (установлен
русским физиком С. А. Богуславским (1883—
1923) и американским физиком И. Ленгмюром
(1881 — 1957)):

I=BU^3/2,

где В
— коэффициент,
зависящий от фор­мы и размеров
электродов, а также их взаимного
расположения.

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

Плотность
тока насыщения определя­ется формулой
Ричардсона — Дешмана, выведенной
теоретически на основе кван­товой
статистики:

j_нас=CT²e^—A/(kT).

где А
— работа
выхода электронов из ка­тода, Т
— термодинамическая
температу­ра, С
—
постоянная, теоретически одина­ковая
для всех металлов (это не подтвер­ждается
экспериментом, что, по-видимому,
объясняется поверхностными эффектами).
Уменьшение работы выхода приводит к
резкому увеличению плотности тока
на­сыщения. Поэтому применяются
оксидные катоды (например, никель,
покрытый ок­сидом щелочно-земельного
металла), ра­бота выхода которых равна
1 —1,5 эВ.

На
рис. 153 представлены вольт-ам­перные
характеристики для двух темпера­тур
катода: T₁
и
Т₂,
причем
T₂>T₁.
С
по­вышением температуры катода
испуска­ние электронов с катода
интенсивнее, при этом увеличивается и
ток насыщения. При U_a=0
наблюдается анодный ток, т. е. некоторые
электроны, эмиттируемые катодом, обладают
энергией, достаточной для преодоления
работы выхода и дости­жения анода без
приложения электриче­ского поля.

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

Термоэлектронная эмиссия | это… Что такое Термоэлектронная эмиссия?

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

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

Если поддерживать температуру накаленного катода постоянной и снять зависимость анодного тока от анодного напряжения — вольт-амперную характеристику, то оказывается, что она не является линейной, то есть для вакуумного диода закон Ома не выполняется. Зависимость термоэлектронного тока от анодного напряжения в области малых положительных значений описывается законом трех вторых (установлен русским физиком С. А. Богуславским (1883— 1923) и американским физиком И. Ленгмюром (1881 — 1957)): , где В — коэффициент, зависящий от формы и размеров электродов, а также их взаимного расположения.

При увеличении анодного напряжения ток возрастает до некоторого максимального значения, называемого током насыщения. Это означает, что почти все электроны, покидающие катод, достигают анода, поэтому дальнейшее увеличение напряженности поля не может привести к увеличению термоэлектронного тока. Следовательно, плотность тока насыщения характеризует эмиссионную способность материала катода. Плотность тока насыщения определяется формулой Ричардсона — Дешмана, выведенной теоретически на основе квантовой статистики: , где А — работа выхода электронов из катода, Т — термодинамическая температура, С — постоянная, теоретически одинаковая для всех металлов (это не подтверждается экспериментом, что, по-видимому, объясняется поверхностными эффектами). Уменьшение работы выхода приводит к резкому увеличению плотности тока насыщения. Поэтому применяются оксидные катоды (например, никель, покрытый оксидом щелочноземельного металла), работа выхода которых равна 1 −1,5 эВ.

На явлении термоэлектронной эмиссии основана работа многих вакуумных электронных приборов.

• Курс физики Трофимова Т.И.

Термоэлектронная эмиссия и ее приложения Физика

Термоэлектронная эмиссия, также известная как тепловая эмиссия электронов, представляет собой процесс, при котором носители заряда, такие как электроны или ионы, перемещаются по поверхности или какому-либо энергетическому барьеру за счет индукции тепла. Носители заряда естественным образом ограничивают активность; однако при термоэлектронной эмиссии тепловая энергия передается носителям, заставляя их преодолевать эти силы. Причина способности носителей заряда выполнять это действие заключается в том, что электроны и ионы подвижны и не связаны с нормальными цепочками атомной структуры, которые влияют на другие частицы. Традиционно эти носители заряда назывались «термионами».

Одним из свойств теории термоэлектронной эмиссии является то, что излучающая область поддерживается с зарядом, противоположным исходному, но равным по величине. Это означает, что расположение носителя заряда перед эмиссией будет генерировать положительный заряд в случае электронов. Однако это можно изменить с помощью батареи. Излучение нейтрализуется, когда носители находятся дальше от области, что не приводит к изменению исходного состояния.

Исторически сложилось так, что основным примером термоэлектронной эмиссии является эффект Эдисона. Электроны испускаются горячим металлическим катодом, в котором используется поляризованное электрическое устройство, вызывающее протекание электрического тока в вакуумную трубку. Это позволяет устройству контролировать движение электронов и усиливать или изменять электрический сигнал.

Все, что используется для охлаждения или производства энергии, основано на концепции теории термоэлектронной эмиссии. С повышением температуры величина потока увеличивается. Помимо традиционного использования вакуумных ламп для электроники, твердотельные устройства также могут использоваться для создания термоэлектронного движения электронов, что позволяет функционировать современным технологиям.

О термоэлектронике впервые сообщил Фредерик Гатри в 1863 году. Он смог определить изменение положительного заряда сильно нагретой железной сферы, которого не происходило, если объект был заряжен отрицательно. Однако только в 1880 году Томас Эдисон с готовностью использовал эту науку. Работая со своими лампочками накаливания, он заметил, что некоторые области остались затемненными. Это позволило ему идентифицировать поток электронов из-за тепла, что привело к созданию диода.

Закон Ричардсона описывает причину, по которой электроны могут двигаться таким образом. В частности, металлы содержат в атомной структуре два электрона, способных перемещаться от атома к атому. В 1928 году сэр Оуэн Уилланс Ричардсон, британский физик, обнаружил, что некоторые электроны могут покидать атом без возвращения. Этот процесс требует определенного количества энергии в зависимости от металла. Термин для этого эффекта — работа-функция .

Вопросы:

1. Когда металл нагревается до высокой температуры, с его поверхности испускаются электроны. Этот процесс известен как
2. фотоэлектрическая эмиссия B. автоэлектронная эмиссия C. искусственная радиоактивность D. термоэлектронная эмиссия
3. Что из следующего не относится к газоразрядной трубке?
4. Давление газа должно быть очень низким B. Стеклянная трубка должна иметь два электрода на конце C. Газ в трубке должен быть двуокисью углерода D. Из трубки постепенно откачивается воздух.

Термоэлектронная эмиссия