Термоэлектронная эмиссия. Работа выхода

Свободные электроны движутся в металле с большими скоростями, но не покидают его в заметном количестве. Объясняется это тем, что как только электрон пытается пересечь границу "металл – вакуум", возникает кулоновская сила притяжения между электроном и образовавшимся на поверхности металла избыточным положительным зарядом (рис. 58.1).

Вблизи от поверхности образуется электронное облако, и на границе раздела формируется двойной электрический слой с разностью потенциалов , поле которого препятствует удалению электронов от металла.

Чтобы электрон покинул металл, он должен преодолеть двойной электрический слой. Для этого электрону требуется дополнительная энергия, которая называется работой выхода электрона из металла. Значение работы выхода зависит от химической природы вещества и состояния его поверхности и для чистых металлов составляет несколько электрон-вольт. Необходимую для выхода энергию электронам можно сообщить путем нагревания вещества. При температуре К в металле есть какое-то количество электронов, энергия которых не меньше работы выхода. Эти электроны и покидают металл. Если температуру увеличить, то увеличивается и число таких электронов.

Испускание электронов нагретыми телами в вакуум называется термоэлектронной эмиссией.

Применяется термоэлектронная эмиссия для создания тока в электровакуумных приборах. Простейшим таким прибором является вакуумный диод. Если диод включить в электрическую цепь, то при накаливании катода и подаче на анод положительного напряжения в анодной цепи возникнет электрический ток (рис. 58.2). Если поддерживать температуру накаленного катода постоянной, то можно снять вольтамперную характеристику диода (рис. 58.3). Так называют график зависимости силы анодного тока от анодного напряжения .

При вылетающие из катода электроны образуют вокруг него пространственный заряд – электронное облако. Электроны из облака возвращаются на катод, а им на смену приходят другие - существует динамическое равновесие между электронным облаком и электронами в катоде. Немногие электроны могут долететь от катода до анода, в результате чего в диоде возникает слабый ток. Чтобы прекратить этот ток, необходимо приложить между катодом и анодом некоторое отрицательное напряжение .

При создании положительного напряжения электроны из электронного облака уходят к аноду и сила тока возрастает. Однако закон Ома при этом не выполняется - сила тока не пропорциональна . При малых положительных значениях анодного напряжения зависимость анодного тока от анодного напряжения описывается законом Богуславского–Ленгмюра, или законом "трех вторых":

, (58.1)

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

С ростом напряжения устанавливается режим, при котором все электроны, испускаемые с поверхности катода за секунду, увлекаются внешним электрическим полем и попадают на анод за то же время. Сила тока достигает максимального значения , называемого током насыщения.

Сила тока насыщения зависит от температуры, материала и размеров катода. Плотность тока насыщения определяется формулой Ричардсона–Дешмана:

, (58.2)

где Т - температура катода, еj – работа выхода электрона, 2,72 - основание натуральных логарифмов, А -постоянная, зависящая от металла.

Из формулы (58.2) следует, что уменьшение работы выхода резко повышает плотность эмиссионного тока. Поэтому в промышленности применяются специальные способы обработки катодов, приводящие к снижению работы выхода. Оксидные катоды, изготавливаемые из никеля, покрытого окисью бария или стронция, имеют работу выхода около 1,0…1,2 эВ.

Кроме нагревания необходимая для выхода из металла энергия электронам может сообщаться иными способами. В соответствии с этим существуют другие виды электронной эмиссии:

холодная (автоэлектронная) - электронная эмиссия, вызываемая действием сил электрического поля на свободные электроны в металле;

фотоэлектронная (фотоэффект) - выбивание электронов из металла при действии на него электромагнитного излучения;

вторичная электронная - выбивание электронов из металла при бомбардировке его быстрыми электронами.