ТЕРМОЭЛЕКТРОННАЯ ЭМИССИЯ

При отличных от абсолютного нуля температурах в металлах имеются электроны, энергия которых соизмерима с работой выхода. С ростом температуры количество таких электронов резко увеличивается.

Испускание электронов с поверхности нагретого металла называетсятермоэлектронной эмиссией. Это явление используется в электронных лампах, электронно-лучевых трубках и в других электронных приборах. Термоэлектронную эмиссию можно исследовать с помощью схемы, представленной на рис. 8.4, а

Катод нагревается током от источника Е_н. Температура катода может изменяться за счет изменения тока реостатом R. На электроды диода подается напряжение от источника Е_А. Анодное напряжение U_A можно изменять потенциометром П и измерять вольтметром V. Анодное напряжение считается положительным, если потенциал анода выше потенциала катода. Миллиамперметр предназначен для измерения анодного тока I_A.

При постоянном токе накала катода зависимость силы анодного тока от анодного напряжения U_A называется вольт-амперной характеристикой диода. Для различных температур катода вольт-амперные характеристики диода представлены на рис. 8.4, б.

Характерные особенности вольт-амперной характеристики диода связаны со следующими процессами. Если U_A = 0, то вылетевшие из катода электроны образуют около него отрицательный пространственный заряд – электронное облако. Это облако возвращает большинство вылетающих электронов обратно на катод. Небольшому количеству электронов все же удается долететь до анода, в результате в анодной цепи будет течь слабый ток I_0.

Анодный ток обращаться в ноль, если между катодом и анодам приложено некоторое отрицательное напряжение U₃.

Начальный участок вольт-амперной характеристики достаточно хорошо описывается законом трех вторых, полученным Ленгмюром и Богуславским:

, (8.2)

где k – коэффициент пропорциональности, зависящий от конструкции лампы и конфигурации электродов.

С ростом анодного напряжения электрическое поле увлекает все большее число электронов из облака к аноду и при определенном значении U_A облако исчезает. При этом все вылетевшие из катода электроны достигают анода. Дальнейший рост анодного напряжения не приводит к росту тока – ток достигает насыщения.

Очевидно, что именно ток насыщения характеризует термоэлектронную эмиссию. Измеряя плотность тока насыщения при различных токах накала, можно установить зависимость количества вылетающих с единицы поверхности катода электронов от температуры.

Зависимость плотности тока насыщения от температуры была сначала получена из классических представлений в 1901 г. Ричардсоном. В 1923 г. Дэшман, исходя из квантовых представлений получил следующую формулу:

(8.3)

где C - не зависящая от рода металла константа, теоретическое значение которой равно 120 А/см²К². Выражение (8.3) называют формулой Ричардсона –Дэшмана. Экспериментальные значения константы С значительно меньше теоретического значения и сильно различаются для разных металлов. Температурный ход тока насыщения формула (8.3) передает вполне удовлетворительно (рис. 8.5). Для увеличения тока эмиссии необходимо повысить температуру катода, или использовать материал с малой работой выхода.

Повышение температуры катода снижает надежность лампы. Поэтому практически хороших характеристик добиваются за счет использования катодов из тугоплавких материалов, выдерживающих высокие температуры (например, вольфрама и никеля), и покрытия их поверхности мономолекулярным слоем другого металла с малой работой выхода.

В качестве материала покрытий используют цезий и оксид бария.

При изменении полярности напряжения между катодом и анодом ток через диод течь не будет.

Следовательно, диод обладает односторонней проводимостью и может быть использован для выпрямления переменного тока.