Электронная эмиссия

ЭЛЕКТРИЧЕСКИЙ ТОК В ВАКУУМЕ

Во многих современных устройствах используют при­боры, в которых ток протекает через вакуум. К таким при­борам относятся кинескопы, рентгеновские трубки, фото­элементы (приборы, преобразующие свет в электрический ток) и многие другие. Строго говоря, идеальный вакуум должен являться идеальным изолятором, так как в про­странстве, где нет никаких частиц, нет и заряженных час­тиц. Однако можно, не нарушая герметичности сосуда, в котором создан вакуум, ввести туда электроны и заставить их двигаться требуемым образом. Для этого в сосуд можно впаять две или несколько металлических пластин (электро­ды) и одну из них заставить испускать электроны.

Электрод, предназначенный для испускания электронов, называют катодом. В обычных условиях электроны, свобод­но движущиеся внутри металла, не могут из него вырваться. Если электрон вылетит наружу, то он будет индуцировать в ближайшей к нему части металла положительный заряд, ко­торый будет втягивать электрон обратно. Чтобы вылететь из катода, надо совершить против мешающих сил определен­ную работу, называемую работой выхода. Вырваться из ме­талла могут только те электроны, кинетическая энергия ко­торых больше работы выхода

В обычных условиях кинетическая энергия электронов в десятки раз меньше этой величины. Необходимую для выле­та энергию можно сообщить электронам разными спо­собами:

а) накалить катод; испускание электронов накаленным телом называют термоэлектронной эмиссией (слово «эмиссия» означает по-латыни «испускание», «выпуск»);

б) осветить катод видимыми или невидимыми (ультра­фиолетовыми, рентгеновскими) лучами; этот способ называют фотоэлектронной эмиссией, или внешним фотоэффектом;

в) направить на катод поток быстрых электронов или ионов (вторичная эмиссия);

г) создать возле катода сверхсильное электрическое поле напряженностью в десятки тысяч вольт на метр (автоэлектронная эмиссия).

Катоды, предназначенные для термоэлектронной эмиссии, накаливают электрическим током. В некоторых случаях катод изготовляют в виде тонкой проволочки, через которую пропускают ток требуемой силы. Такой ка­тод называют катодом прямого накала. Гораздо чаще пита­ют током не сам катод, а отдельную проволочку («нить на­кала»), которая передает тепло катоду (наподобие того, как спиралька электрического утюга передает тепло корпусу утюга). Катод в этих случаях изготовляют в виде трубки, внутри которой помещают нить накала. Такое устройство называют катодом косвенного накала, или подогревным.

Часть электронов, вылетевших из катода, остается вблизи катода, так как их дальнейшему разлету препятству­ет отталкивание ранее вылетевших электронов. Разлетев­шиеся по всему вакуумному объему электроны образуют так называемый «пространственный заряд». Наибольшая плотность этого заряда получается вблизи катода. Равновесие электронов в пространственном заряде не является статическим. Если представить, что катод мгновенно накалился, то пер­вое время пространственный заряд будет расти. Но одновременно будет расти и число возвращающихся на катод электронов, пока, наконец, это число не сравняется с числом выле­тающих электронов.

Задача 20.1. Электрон проходит в вакууме ускоряющую разность потенциалов U на пути l, двигаясь без начальной скорости. Определить время движения электрона. Заряд электрона е и его масса т известны.

U, l, e, m	Решение. На электрон со стороны поля действует постоянная сила F = eE = e , которая сообщает ему ускорение .
t = ?

Поскольку электрон движется без начальной скорости, справедлива кинематическая формула

Ответ: .

СТОП! Решите самостоятельно: А1, В1, В2.

Двухэлектродная лампа (диод)

Рис. 20.1

Простейшим прибором, использующим термоэлек­тронную эмиссию, является двухэлектродная лампа («диод»). Она состоит из стеклянного (иногда металлического) бал­лона, откуда выкачан воздух, и двух электродов: катода и анода (если катод подогревный, то имеется еще и нить на­кала, но ее не считают отдельным электродом). Анод часто выполняют в виде цилиндра, охватывающего катод (рис. 20.1).

В работающей лампе катод испускает электроны. Если соединить анод с положительным полюсом источника ЭДС (с «анодной батареей»), а катод с отрицательным (рис. 20.2, a), то возникшее поле будет гнать электроны к аноду, и через лампу будет протекать ток (за направление тока принято, как известно, направление, обратное движе­нию электронов). Этот ток будем называть анодным, чтобы не путать его с током, питающим нить накала.

Если анод соединить с минусом анодной батареи, а катод – с плюсом (рис. 20.2, б), то возникшее поле будет отталкивать электро­ны от анода, т. е. движения электронов к аноду не возник­нет. Таким образом, двухэлектродная лампа обладает одно­сторонней проводимостью: ток через нее может протекать только от анода к катоду. Это свойство используется для выпрямления переменного тока: ясно, что если между анодом и катодом такой лампы включить источник не посто­янного, а переменного напряжения (т. е. такого напряже­ния, которое меняет свой знак, так что на анод лампы будет подаваться то «плюс», то «минус» по отношению к катоду), то ток через лампу будет протекать толчками только в одну сторону. Такой ток называют выпрямленным.

Рис. 20.2