|
|
|
| Межотраслевая Интернет-система поиска и синтеза физических принципов действия преобразователей энергии | |
Стартовая страница |
О системе |
Технические требования |
Синтез |
Обучающий модуль |
Справка по системе |
Контакты |
 | Термоэлектронная эмиссия |
 | |
Анимация
0
Описание
Под термоэлектронной эмиссией следует понимать процесс испускания электронов нагретыми телами, обычно в вакуум или газовую среду. Причем эмитируются только те электроны, энергия которых достаточна для того, чтобы преодолеть потенциальный барьер, имеющийся на границе раздела "твердое тело - внешняя среда". Т.е., чтобы покинуть металл-проводник (или полупроводник), электрон должен совершить некоторую работу А, называемую работой выхода. Обоснование этой работы состоит в следующем. Электроны, участвуя в тепловом движении, могут пересекать внешнюю поверхность эмиттера и удаляться от нее на расстояния порядка межатомных. Вблизи поверхности возникает электронное облако с отрицательным пространственным зарядом. При этом внутри металла образуется избыточный положительный заряд. В результате в приповерхностном слое "металл - вакуум" формируется двойной заряженный слой, в котором и создается электрическое поле, препятствующее свободному выходу электронов из эмиттера без энергетических затрат.
Как следует из самого наименования физического явления, необходимым условием термоэлектронной эмиссии является нагрев поверхности эмиттера. Число эмитируемых электронов в условиях термодинамического равновесия при температурах Т ~ 300 К - ничтожно мало, но оно экспоненциально увеличивается с ростом температуры. Практически значимая термоэмиссия с поверхности эмиттера (то есть приводящая к току эмиссии 1 - 100 А/см2) наблюдается при достаточно высоких ее температурах Т ~ 1500 - 2000 К и выше. В связи с этим в качестве материала твердого эмиттера обычно используют тугоплавкие металлы: вольфрам, рений, тантал и т. п. В то же время в ряде технических приложений используются жидкофазные эмиттеры, работающие со специально приготовленным расплавом металла.
Явление термоэмиссии удобно изучать в двухэлектродной системе, например в вакуумном диоде, состоящей из подогреваемого катода-эмиттера и собирающего термоэлектронный ток анода.
Чайлдом (1911 г.) и Ленгмюром (1913 г.) было установлено, что при малых напряжениях между катодом и анодом 0 < Ua< Uo измеряемая плотность тока ja подчиняется закону “3/2”, т. е.- ja ~ Ua3/2. На рис. 1 показаны три характерные зависимости Ia(Ua), соответствующие разным температурам катода (эмиттера) Т.
Вольт-амперные характеристики диода
Рис. 1
Отрицательное напряжение Ua = -U3 является запирающим, т. е. при этом имеем ja » 0. При Ua = Uo ток “выходит” на режим насыщения (ja = jo) и при дальнейшем росте напряжения практически не меняется (или слабо растет).
Плотность тока насыщения jo определяется по формуле Ричардсона-Дешмана:
j0 = BT 2·exp(-A/kT), (1)
где В = Во(1 - r) - коэффициент Ричардсона;
Во = 4pmek2/h3 @ 120 А/(см2·К2);
m = 9,11·10 -31 кг и е = 1,60·10 -19Кл - масса и заряд электрона;
k = 1,38.10 -23 Дж/К и h = 6,63.10 -34 Дж·с - константы Больцмана и Планка;
r - усредненный по энергиям коэффициент отражения электронов от поверхности эмиттера.
Формула (1) получена в предположении, что поверхность эмиттера однородна и электронный газ в нем находится в состоянии термодинамического равновесия. В действительности равновесие нарушается отбором тока и проникновением внешнего электрического поля в эмиттер, а также зависимостью А(Т). Поэтому работа выхода А и коэффициент В, обычно определяемые по «ричардсоновским» кривым jo(T), не являются константами вещества и даже для чистых металлов изменяются в относительно широких пределах, например для вольфрама: А = 4,50 - 4,55 эВ, В = 40 - 100 А/(см2·К2).
Кроме того, при достаточно больших внешних электрических полях вблизи поверхности эмиттера (с напряженностью Е ~ 102 - 106 В/см) начинает сказываться эффект Шотки. Этот эффект заключается в данном случае в снижении работы выхода электронов из твердого тела на величину:
DФ = е(еЕ/4peо)1/2, (2)
где eо = 8,85·10 -12 Ф/м - электрическая постоянная.
Появление указанных полей может быть объяснено наличием микронеровностей (микровыступов) на поверхности реального эмиттера.
В случае, когда эмитирующая поверхность неоднородна и на ней имеются «пятна» с различной работой выхода, то между ними возникает контактная разность потенциалов и дополнительное электрическое поле ("поле пятен"). Совместное действие этого поля с внешним электрическим полем приводит к более сильной зависимости тока от анодного напряжения (см. рис. 1) - это так называемый аномальный эффект Шотки, а также - увеличивает зависимость тока термоэмиссии от температуры Т.
Знание DФ позволяет уточнить формулу (1):
j0 = BT 2·exp[-(A - DФ)/kT], (3)
которая уже называется формулой Ричардсона-Дешмана с поправкой Шотки для расчета плотности тока термоэлектронной эмиссии.
Явление термоэлектронной эмиссии наблюдается с нагретой поверхности как твердой, так и жидкой фазы (расплав) вещества, относящегося к проводникам или полупроводникам.
Термоэлектронная эмиссия позволяет осуществить эффективный токоперенос через вакуумный промежуток (этот процесс имеет место в вакуумных электродных устройствах), а также определяет основной вклад в токовый баланс для большого ряда газоразрядных приборов и устройств.
Ключевые слова
Разделы наук
Применение эффекта
Термоэлектронная эмиссия лежит в основе работы термокатодов, которые применяются во многих электровакуумных и газоразрядных приборах и промышленных установках, например электродуговые плавильные печи.В космической технике нашли применение эффективные (к. п. д. более 20 %) термоэмиссионные преобразователи (ТЭП) тепловой энергии в электрическую. Действие ТЭП также основано на явлении термоэлектронной эмиссии с горячего катода (металл с большой работой выхода) и последующем осаждении ("конденсации") электронов на аноде (обычно холодный металл с малой работой выхода). В ходе такого процесса во внешней цепи течет ток через полезную нагрузку.
Реализации эффекта
Техническая реализация - вакуумный диод - показана на рис. 2.
Схема устройства и электропитания вакуумного диода
Рис. 2
Обозначения:
1 - нить накала;
2 - катод;
3 - анод;
4 - стеклянный баллон.
Здесь представлена схема диода с коаксиальной цилиндрической геометрией электродов. В центре вакуумированного баллона располагается термоэмиссионный катод, а соосно с ним находится металлическая цилиндрическая оболочка, служащая анодом в данной электродной системе.
Разогрев катода до рабочих температур обеспечивается от отдельного источника питания Ен и может осуществляться, например, за счет теплового излучения с накаливаемой вольфрамовой нити, встроенной внутрь самого электрода. Регулируемое анодное напряжение Ua от батареи Еа позволяет изменять возникающий в межэлектродном зазоре ток Ia и контролировать его по миллиамперметру.
Литература
1. Физический энциклопедический словарь / Под ред. А.М. Прохорова. - М.: Советская энциклопедия, 1984. - С. 944.
2. Добрецов Л.И., Гомоюнова М.В. Эмиссионная электроника. - М.: Наука, 1966. - С. 564.
3. Фоменко В.С., Подчерняева И.А. Эмиссионные и адсорбционные свойства материалов. Справочник. - М.: Атомиздат, 1975. - С. 320.
| Стартовая страница О системе Технические требования Синтез Обучающий модуль Справка по системе Контакты | |
 |
|
| Copyright © 2008 РГУ нефти и газа им. И.М. Губкина | |
