|
|
|
| Межотраслевая Интернет-система поиска и синтеза физических принципов действия преобразователей энергии | |
Стартовая страница |
О системе |
Технические требования |
Синтез |
Обучающий модуль |
Справка по системе |
Контакты |
 | Электрический ток в вакууме |
 | |
Анимация
0
Описание
Для получения электрического тока в вакууме необходимо наличие свободных носителей. Получить их можно за счет испускания электронов металлами - электронной эмиссии (от латинского emissio - выпуск).
Как известно, при обычных температурах электроны удерживаются внутри металла, несмотря на то, что они совершают тепловое движение. Следовательно, вблизи поверхности существуют силы, действующие на электроны и направленные внутрь металла. Это силы, возникающие вследствие притяжения между электронами и положительными ионами кристаллической решетки. В результате в поверхностном слое металлов появляется электрическое поле, а потенциал при переходе из внешнего пространства внутрь металла увеличивается на некоторую величину Dj. Соответственно потенциальная энергия электрона уменьшается на eDj.
Распределение потенциальной энергии электрона U для ограниченного металла показано на рис. 1.
Диаграмма потенциальной энергии электрона U в ограниченном металле
Рис. 1
Здесь W0 - уровень энергии покоящегося электрона вне металла, F - уровень Ферми (значение энергии, ниже которой все состояния системы частиц (фермионов), при абсолютном нуле заняты), Ec - наименьшая энергия электронов проводимости (дно зоны проводимости). Распределение имеет вид потенциальной ямы, ее глубина eDj=W0 - Ec (электронное сродство); Ф = W0 - F - термоэлектронная работа выхода (работа выхода).
Условие вылета электрона из металла: W і W0, где W - полная энергия электрона внутри металла.
При комнатных температурах это условие выполняется лишь для ничтожной части электронов, значит, для увеличения числа покидающих металл электронов необходимо затратить определенную работу, то есть сообщить им дополнительную энергию, достаточную для вырывания из металла, наблюдая электронную эмиссию: при нагревании металла - термоэлектронную, при бомбардировке электронами или ионами - вторичную, при освещении - фотоэмиссию.
Рассмотрим термоэлектронную эмиссию.
Если испущенные раскаленным металлом электроны ускорить электрическим полем, то они образуют ток. Такой электронный ток может быть получен в вакууме, где столкновения с молекулами и атомами не мешают движению электронов.
Для наблюдения термоэлектронной эмиссии может служить пустотная лампа, содержащая два электрода: один в виде проволоки из тугоплавкого материала (молибден, вольфрам и др.), накаливаемый током (катод), и другой, холодный электрод, собирающий термоэлектроны (анод). Аноду чаще всего придают форму цилиндра, внутри которого расположен накаливаемый катод.
Рассмотрим схему для наблюдения термоэлектронной эмиссии (рис. 2).
Электрическая схема для наблюдения термоэлектронной эмиссии
Рис. 2
Цепь содержит диод Д, подогреваемый катод которого соединен с отрицательным полюсом батареи Б, а анод - с ее положительным полюсом; миллиамперметр mA, измеряющий силу тока через диод Д, и вольтметр V, измеряющий напряжение между катодом и анодом. При холодном катоде тока в цепи нет, так как сильно разряженный газ (вакуум) внутри диода не содержит заряженных частиц. Если катод раскалить с помощью дополнительного источника, то миллиамперметр зарегистрирует появление тока.
При постоянной температуре катода сила термоэлектронного тока в диоде возрастает с увеличением разности потенциалов между анодом и катодом (см. рис. 3).
Вольтамперные характеристики диода при различных температурах катода
Рис. 3
Однако эта зависимость не выражается законом аналогичным закону Ома, по которому сила тока пропорциональна разности потенциалов; эта зависимость носит более сложный характер, графически представленный на рисунке 2, например, кривой 0-1-4 (вольтамперная характеристика). При увеличении положительного потенциала анода сила тока возрастает в соответствии с кривой 0-1, при дальнейшем возрастании анодного напряжения сила тока достигает некоторого максимального значения iн, называемого током насыщения диода, и почти перестает зависеть от анодного напряжения (участок кривой 1-4).
Качественно такая зависимость тока диода от напряжения объясняется следующим образом. При разности потенциалов равной нулю сила тока через диод (при достаточном расстоянии между электродами) тоже равна нулю, так как электроны, покинувшие катод, образуют вблизи него электронное облако, создающее электрическое поле, тормозящее вновь вылетающие электроны. Эмиссия электронов прекращается: сколько электронов покидает металл, столько же в него возвращается под действием обратного поля электронного облака. При увеличении анодного напряжения концентрация электронов в облаке уменьшается, тормозящее действие его уменьшается, анодный ток увеличивается.
Зависимость силы тока диода i от анодного напряжения U имеет вид:
,
где a - коэффициент, зависящий от формы и расположения электродов.
Это уравнение описывает кривую 0-1-2-3, и носит название закона Богуславского - Лэнгмюра или “закона 3/2”.
Когда потенциал анода становится настолько большим, что все электроны, покидающие катод за каждую единицу времени, попадают на анод, ток достигает максимального значения и перестает зависеть от анодного напряжения.
При увеличении температуры катода вольтамперная характеристика изображается кривыми 0-1-2-5, 0-1-2-3-6 и т.д., то есть при разных температурах различными оказываются значения тока насыщения iн, которые быстро увеличиваются с возрастанием температуры. Одновременно увеличивается анодное напряжение, при котором устанавливается ток насыщения.
Ключевые слова
Разделы наук
Применение эффекта
Электрические токи в вакууме имеют широчайшую область применения. Это все без исключения радиолампы, ускорители заряженных частиц, масс-спектрометры, вакуумные генераторы СВЧ, такие как магнетроны, лампы бегущей волны и т.п.
Реализации эффекта
Техническая реализация эффекта
Берем вакуумный диод, подаем на анод вольт 100 и меряем анодный ток. Он равен нулю. После этого дополнительно подаем 6,3 В на подогрев катода. Возникает анодный ток, который зависит от напряжения на аноде по закону трех вторых, как указано в содержательной части.
Литература
1. Фриш С.Э., Тиморева А.В. Курс общей физики.- М-Л: Государственное издательство технико-теоретическое издательство, 1952.- Т.2.- С.226-228.
2. Калашников С.Г. Электричество. М.: Наука, 1977.- С.339-342.
| Стартовая страница О системе Технические требования Синтез Обучающий модуль Справка по системе Контакты | |
 |
|
| Copyright © 2008 РГУ нефти и газа им. И.М. Губкина | |
