Явище термоелектронної емісії

Провідність металів зумовлена наявністю вільних електронів, які рухаються подібно до частинок ідеального газу поміж іонами кристалічної ґратки металу.

Внаслідок зіткнень вільних електронів між собою, а також з іонами ґратки встановлюється енергетично рівноважний розподіл електронів. Повна енергія електронів у гратці - від’ємна. Це означає, що при вильоті електро­ну з металу на нього діє сила, яка намагається повернути його назад у метал. Для виведення електрона з металу в вакуум необхідно виконати роботу проти цих сил, яка називається роботою виходу.

Роботою виходу називається мінімальна робота, яку повинен здійснити електрон, щоб вирватись за межі даного металу в вакуум.

Цю роботу можна також ха­рактеризувати різницею потенціалів у металі та поза ним: , де Кл. Робота виходу А є різною для різ­них металів, і залежить від температури та від стану їх поверхні. При підвищенні температури деякі електрони внаслідок хаотичного руху набувають достатньо велику кінетичну енергію і можуть вилетіти за межі металу. Випускання електронів нагрітими провідниками називають термо­електронною емісією. Це явище використовується в електронних лампах та у багатьох інших електровакуумних приладах..

Залежність сили струму термоелектронної емісії від напруги міх електродами в двохелектродній лампі при постійній температурі нагрі­вання катода називається анодною характеристикою (рис.4.1). Вигляд залежності якісно пояснюється утворенням у просторі міх електродами електронної “хмаринки”, яка утворює додат­кове електричне поле. Це поле міх електро­дами повертає частину електронів емісії у зворотному напрямі на катод.

Збільшення прискорюючої різниці по­тенціалів U_а спричиняє ріст числа елек­тронів, які досягають анода, і при цьому анодний струм І_а зростає. У цій області графік І_а = f(U_а) описується залежністю (формула Богуславського – Ленгмюра)

, (4.1)

де К залежить від розмірів і форми електродів.

При достатньо великій U_a всі електрони, що покидають катод, досягають анода. Подальший ріст струму з збільшенням анодної напруги припи­няється, встановиться струм насичення.

Теоретичний розрахунок дає залежність термоелек­тронного струму насичення від температури (формула Річардсона):

, (4.2)

де В - постійна, що залежить від матеріалу й форми катода; S - площа поверхні катоду; Т - абсолютна температура катоду; А – робота виходу елек­трона з металу; k - постійна Больцмана, k = 1.38 10^-23 Дж/К.