Термоэлектронная эмиссия.

ИЗУЧЕНИЕ ЯВЛЕНИЯ ТЕРМОЭЛЕКТРОННОЙ ЭМИССИИ

Цель работы: изучить явление термоэлектронной эмиссии, экспериментально исследовать на основании этого явления физические постоянные и провести компьютерную обработку полученных результатов.

ЭЛЕМЕНТЫ ТЕОРИИ

Термоэлектронная эмиссия.

Явление термоэлектронной эмиссии заключается в испускании электронов с поверхности нагретого твердого тела. Это явление в простейшем случае проявляется в том, что в электрической цепи с двумя телами (электродами), разделёнными вакуумным зазором, обнаруживается электрический ток.

Современные представления о природе термоэлектронной эмиссии в металлах основываются на следующих предположениях. Распределение электронов по энергетическим уровням в металле подчиняется статистике Ферми-Дирака, согласно которой вероятность квантового состояния с энергией для электронов определяется функцией Ферми-Дирака:

(1)

где - энергия Ферми, которая выступает в качестве характеристики всей системы электронов; Дж/К - постоянная Больцмана, - температура в градусах Кельвина.

Графики функции Ферми-Дирака качественно для нескольких температур представлены на рис. 1. Как видно из рисунка, при имеет вид разрывной функции. Для всех энергий , , т.е. все квантовые состояния с такими энергиями заняты электронами. При функция становится непрерывной и тем более размытой, чем выше температура.

Рис. 1. Функция Ферми-Дирака для металлов.

Для металлов порядка нескольких электрон-вольт (эВ). В связи с этим, для комнатных температур и даже более высоких (вплоть до температуры плавления) распределение электронов существенно не отличается от распределения для . В то же время, если обозначить через - минимальное значение энергии электрона, способного покинуть объём металла, то в состояниях с энергией при будет находиться некоторая часть электронов, концентрация которых увеличивается с ростом температуры (заштрихованная часть на рис. 1).

Минимальная работа, которую должен совершить электрон переходя из объёма металла в вакуум равна . Эту величину называют работой выхода электрона из металла в вакуум.

Термоэлектронную эмиссию удобно изучать и наблюдать с помощью вакуумного диода, который имеет два электрода (накаленный катод, служащий для эмиссии электронов, и анод, принимающий эти электроны), расположенные в стеклянном, металлическом или керамическом баллоне.

Рассмотрим физические процессы, протекающие в диоде с катодом косвенного накала и плоскими электродами, включенного по схеме (рис. 2). Напряжение (плюс на аноде) создает между анодом и катодом электрическое поле, которое при напряжении накала будет однородным. Когда , катод испускает термоэлектроны, которые в пространстве между анодом и катодом создают отрицательный объёмный заряд, препятствующий движению электронов к аноду и имеющий наибольшую плотность вблизи катода. Распределение электрического поля становится неоднородным.

Рис.2 Схема для изучения явления термоэлектронной эмиссии.

Выделяют два режима работы диода:

1. Режим насыщения (). Все электроны, вылетевшие из катода, под действием ускоряющего поля между анодом и катодом долетают до анода. Тогда эмиссионный ток равен анодному току и будет максимальным для данной температуры катода (Этот ток называется током насыщения).

(2)

2. Режим объёмного заряда ( ). Вблизи катода имеется объёмный заряд, образующий тормозящее для термоэлектрона поле. Электроны с малой энергией не преодолевают этого поля и возвращаются на катод. И только электроны с большой энергией долетают до анода. И поэтому в этом режиме:

(3)