3.6. Термоэлектронная эмиссия

Как показывает опыт, свободные электроны при обычных температурах практически не покидают металл. Следовательно, в поверхностном слое металла должно быть задерживающее электрическое поле, препятствующее выходу электронов из металла в окружающий вакуум.

Оно действительно есть и определяется тем, что если электрон удаляется из металла, то в том месте, которое электрон покинул, возникает избыточный положительный заряд и электрон притягивается к этому, индуцированному им самим положительному заряду.

Электроны, покидая металл, удаляются от него на расстояния порядка диаметра атома и создают тем самым над поверхностью металла “электронное облако”, плотность которого быстро убывает с расстоянием.

Это облако вместе с наружным слоем положительных ионов решетки образует двойной электрический слой, поле которого подобно полю плоского конденсатора. Толщина этого слоя равна нескольким межатомным расстояниям. Он не создает электрического поля во внешнем пространстве, но препятствует выходу свободных электронов из металла. Электрон при вылете из металла должен преодолеть задерживающее его электрическое поле двойного слоя.

Работа, которую нужно затратить для удаления электрона из металла в вакуум, называется работой выхода.

Разность потенциалов в этом слое, называемая поверхностным скачком потенциала, определяется работой выхода электрона из металла: Dj=А/е, (эВ): 1 эВ равен работе, совершаемой силами поля при перемещении элементарного электрического заряда (заряда, равного заряду электрона) при прохождении им разности потенциалов в 1 В:

q_e = 1,6 10^-19 Кл, то 1 эВ=1,6 10¹⁹ Дж.

Работа выхода зависит от химической природы металлов и от чистоты их поверхности и колеблется в пределах нескольких электрон-вольт. Подобрав определенным образом покрытие поверхности, можно значительно уменьшить работу выхода.

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 электронная эмиссия.

В зависимости от способа сообщения электронам энергии различают термоэлектронную, фотоэлектронную, вторичную электронную и автоэлектронную эмиссии.

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 энергиям) 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 проводится с помощью двухэлектродной лампы — вакуумного диода, представляющего собой откачанный баллон, содержащий два электрода: катод К и анод А. 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, так как катод испускает электроны.

Если поддерживать температуру накаленного катода постоянной и снять зависимость анодного тока I, от анодного напряжения U — вольтамперную характеристику, то оказывается, что она не является линейной (закон Ома не выполняется). Эта зависимость в области малых положительных значений описывается законом трех вторых (установлен советским физиком С. А. Богуславским и позже американским физиком И. Ленгмюром):

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. Плотность тока насыщения характеризует эмиссионную способность материала катода.

Явление термоэлектронной эмиссии используется 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.