Термоэлектронная эмиссия: понятие, особенности. Термоэлектронная эмиссия в вакууме

Сегодня в фокусе внимания термоэлектронная эмиссия. Рассматриваются варианты названия эффекта, его проявление в среде и в вакууме. Исследуются температурные пределы. Определяются зависимые составляющие плотности тока насыщения термоэлектронной эмиссии.

Названия эффекта термоэлектронной эмиссии

Термин «термоэлектронная эмиссия» имеет и другие названия. По именам ученых, которые открыли и впервые исследовали это явление, он определяется как эффект Ричардсона или эффект Эдисона. Таким образом, если человеку в тексте книги встретятся эти два словосочетания, он должен помнить, что подразумевается все тот же физический термин. Путаницу внесло разногласие между публикациями отечественных и зарубежных авторов. Советские физики стремились давать законам поясняющие определения.

Термин «термоэлектронная эмиссия» содержит в себе суть явления. Человеку, который видит это словосочетание на странице, сразу понятно, что речь идет о температурном испускании электронов, только остается за кадром, что происходит это непременно в металлах. Но для того и существуют определения, чтобы раскрывать детали. В зарубежной науке очень щепетильно относятся к первенству и авторскому праву. Поэтому ученый, который смог зафиксировать нечто, получает именное явление, а бедные студенты должны фактически наизусть заучивать фамилии первооткрывателей, а не только суть эффекта.

Определение термоэлектронной эмиссии

Явление термоэлектронной эмиссии состоит в том, что из металлов при высокой температуре выходят электроны. Таким образом, нагретое железо, олово или ртуть являются источником этих элементарных частиц. Механизм строится на том, что в металлах существует особая связь: кристаллическая решетка положительно заряженных ядер является как бы общей базой для всех электронов, которые образуют облако внутри структуры.

Таким образом, среди отрицательно заряженных частиц, которые находятся вблизи поверхности, всегда найдутся такие, у которых достаточно энергии, чтобы покинуть объем, то есть преодолеть потенциальный барьер.

Температура эффекта термоэлектронной эмиссии

Благодаря металлической связи вблизи поверхности любого металла найдутся электроны, у которых достаточно сил для преодоления потенциального барьера выхода. Однако из-за этого же разброса энергий одна частица едва отрывается от кристаллической структуры, а другая вылетает и преодолевает некоторое расстояние, ионизируя среду вокруг себя. Очевидно, что чем больше кельвинов в среде, тем больше электронов приобретают способность покинуть объем металла. Таким образом, встает вопрос о том, какова температура термоэлектронной эмиссии. Ответ непрост, и рассматривать мы будем нижнюю и верхнюю границы существования этого эффекта.

Температурные пределы термоэлектронной эмиссии

Связь позитивных и негативных частиц в металлах обладает рядом особенностей, среди которых очень плотное распределение энергий. Электроны, являясь фермионами, занимают каждый свою энергетическую нишу (в отличие от бозонов, которые способны находиться все в одном состоянии). Несмотря на это, разница между ними настолько мала, что спектр может считаться непрерывной, а не дискретной величиной.

В свою очередь это приводит к большой плотности состояний электронов в металлах. Однако даже при очень низких температурах, близких к абсолютному нулю, (напомним, это ноль кельвинов, или примерно минус двести семьдесят три градуса по Цельсию) будут находиться электроны с большей и меньшей энергией, так как все они одновременно не смогут быть в низшем состоянии. Значит, при определенных условиях (тонкая фольга) очень редко выход электрона из металла будет наблюдаться даже при экстремально низких температурах. Таким образом, нижним пределом температуры термоэлектронной эмиссии может считаться значение, близкое к абсолютному нулю.

Однако все эти пределы роднит одно – металл перестает быть твердым телом. А значит, законы и эффекты меняются. И говорить о том, что в расплаве существует термоэлектронная эмиссия, не приходится. Таким образом, верхним пределом этого эффекта становится температура плавления металла.

Термоэлектронная эмиссия в условиях вакуума

Все рассмотренное выше относится к явлению в среде (например, на воздухе или в инертном газе). Теперь обратимся к вопросу, что такое термоэлектронная эмиссия в вакууме. Для этого опишем простейший прибор. В колбу, из которой откачали воздух, помещают тонкий стержень из металла, к которому подводят отрицательный полюс источника тока. Заметим, что материал должен плавиться при достаточно высоких температурах, чтобы во время эксперимента не потерять кристаллическую структуру. Полученный таким образом катод окружают цилиндром из другого металла и подсоединяют к нему положительный полюс. Естественно, анод тоже находится в заполненном вакуумом сосуде. При замыкании цепи получаем ток термоэлектронной эмиссии.

Примечательно то, что в этих условиях зависимость тока от напряжения при не меняющейся температуре катода подчиняется не закону Ома, а закону трех вторых. Еще он назван именем Чайлда (в других версиях Чайлда-Ленгмюра и даже Чайлда-Ленгмюра-Богуславского), а в немецкоязычной научной литературе – уравнением Шоттки. При увеличении напряжения в такой системе в определенный момент все электроны, вырываемые из катода, достигают анода. Это называется током насыщения. На вольт-амперной характеристике это выражается в том, что кривая выходит на плато, и дальнейшее увеличение напряжения не эффективно.

Формула термоэлектронной эмиссии

Таковы особенности, которыми обладает термоэлектронная эмиссия. Формула достаточно сложная, поэтому приводить её здесь не будем. К тому же её легко найти в любом справочнике. Вообще, формулы термоэлектронной эмиссии как таковой не существует, рассматривают только плотность тока насыщения. Эта величина зависит от материала (который определяет работу выхода) и термодинамической температуры. Все остальные составляющие формулы – константы.

На основании термоэлектронной эмиссии работает множество приборов. Например, старые большие телевизоры и мониторы в основе имеют именно этот эффект.

Источник

Термоэлектронная эмиссия

Полезное

Смотреть что такое «Термоэлектронная эмиссия» в других словарях:

ТЕРМОЭЛЕКТРОННАЯ ЭМИССИЯ — испускание электронов нагретыми телами (эмиттерами) в вакуум или др. среду. Выйти из тела могут только те электроны, энергия к рых больше энергии покоящегося вне эмиттера электрона (см. Работа выхода). Число таких электронов (обычно это электроны … Физическая энциклопедия

ТЕРМОЭЛЕКТРОННАЯ ЭМИССИЯ — испускание эл нов нагретыми телами (эмиттерами) в вакуум или др. среду. Выйти из тела могут только те эл ны, энергия к рых больше энергии эл на, покоящегося вне тела (см. РАБОТА ВЫХОДА). Число таких эл нов в условиях термодинамич. равновесия, в… … Физическая энциклопедия

ТЕРМОЭЛЕКТРОННАЯ ЭМИССИЯ — испускание электронов нагретыми твердыми телами или жидкостями (эмиттерами). Термоэлектронную эмиссию можно рассматривать как испарение электронов из эмиттера. В большинстве случаев термоэлектронная эмиссия наблюдается при температурах… … Большой Энциклопедический словарь

термоэлектронная эмиссия — термоэлектронная эмиссия; отрасл. термоионная эмиссия Электронная эмиссия, обусловленная исключительно тепловым состоянием (температурой) твердого или жидкого тела, испускающего электроны … Политехнический терминологический толковый словарь

термоэлектронная эмиссия — Электронная эмиссия, обусловленная только температурой электрода. [ГОСТ 13820 77] Тематики электровакуумные приборы … Справочник технического переводчика

ТЕРМОЭЛЕКТРОННАЯ ЭМИССИЯ — ТЕРМОЭЛЕКТРОННАЯ ЭМИССИЯ, «испарение» ЭЛЕКТРОНОВ с поверхности вещества при его нагреве … Научно-технический энциклопедический словарь

ТЕРМОЭЛЕКТРОННАЯ ЭМИССИЯ — испускание электронов нагретыми телами (эмиттерами) в вакуум или др. среду. Явление наблюдается при температурах, значительно превышающих комнатную; в этом случае часть электронов тела приобретает энергию, превышающую (млн. равную) работу выхода… … Большая политехническая энциклопедия

термоэлектронная эмиссия — испускание электронов нагретыми твёрдыми телами или жидкостями (эмиттерами). Термоэлектронную эмиссию можно рассматривать как испарение электронов при их тепловом возбуждении. В большинстве случаев термоэлектронная эмиссия наблюдается при… … Энциклопедический словарь

ТЕРМОЭЛЕКТРОННАЯ ЭМИССИЯ — испускание электронов нагретой поверхностью. Еще до 1750 было известно, что вблизи нагретых твердых тел воздух теряет свое обычное свойство плохого проводника электричества. Однако причина этого явления оставалась неясной до 1880 х годов. В ряде… … Энциклопедия Кольера

термоэлектронная эмиссия — termoelektroninė emisija statusas T sritis chemija apibrėžtis Elektronų spinduliavimas iš įkaitusių kietųjų kūnų arba skysčių. atitikmenys: angl. thermoelectronic emission rus. термоэлектронная эмиссия … Chemijos terminų aiškinamasis žodynas

Источник

Этот процесс имеет решающее значение для работы различных электронных устройств и может использоваться для выработки электроэнергии (например, термоэмиссионных преобразователей и электродинамических тросов ) или охлаждения. Величина потока заряда резко увеличивается с повышением температуры.

Термин «термоэлектронная эмиссия» теперь также используется для обозначения любого процесса эмиссии заряда с тепловым возбуждением, даже когда заряд излучается из одной твердотельной области в другую.

СОДЕРЖАНИЕ

История

Поскольку электрон не был идентифицирован как отдельная физическая частица до работы Дж. Дж. Томсона в 1897 году, слово «электрон» не использовалось при обсуждении экспериментов, проводившихся до этой даты.

Закон Ричардсона

После идентификации электрона Дж. Дж. Томсоном в 1897 году британский физик Оуэн Уилланс Ричардсон начал работу над темой, которую он позже назвал «термоэлектронной эмиссией». Он получил Нобелевскую премию по физике в 1928 г. «за работу над термоэмиссионным явлением и особенно за открытие закона, названного его именем».

А грамм знак равно λ р А 0 <\ Displaystyle A _ <\ mathrm > = \; \ lambda _ <\ mathrm > A_ <0>>

Фактически, примерно к 1930 году было достигнуто согласие о том, что из-за волнообразной природы электронов некоторая доля r _av выходящих электронов будет отражаться, когда они достигнут поверхности эмиттера, поэтому плотность тока эмиссии будет уменьшена, и λ _R будет иметь значение (1- r _ср ). Таким образом, иногда можно увидеть уравнение термоэлектронной эмиссии, записанное в виде

Закон термоэлектронной эмиссии был недавно пересмотрен для 2D-материалов в различных моделях.

Эмиссия Шоттки

Термоэлектронная эмиссия также может быть усилена взаимодействием с другими формами возбуждения, такими как свет. Например, возбужденные пары Cs в термоэлектронных преобразователях образуют кластеры Cs- ридберговского вещества, что приводит к уменьшению работы выхода коллектора с 1,5 эВ до 1,0–0,7 эВ. Из-за долгоживущей природы ридберговского вещества эта низкая работа выхода остается низкой, что существенно увеличивает эффективность низкотемпературного преобразователя.

Фотонно-усиленная термоэлектронная эмиссия

Источник

Термоэлектронная эмиссия

Термоэлектро́нная эми́ссия (эффект Ричардсона, эффект Эдисона) — явление испускания электронов нагретыми телами. Концентрация свободных электронов в металлах достаточно высока, поэтому даже при средних температурах вследствие распределения электронов по скоростям (по энергии) некоторые электроны обладают энергией, достаточной для преодоления потенциального барьера на границе металла. С повышением температуры число электронов, кинетическая энергия теплового движения которых больше работы выхода, растет, и явление термоэлектронной эмиссии становится заметным.

Исследование закономерностей термоэлектронной эмиссии можно провести с помощью простейшей двухэлектродной лампы — вакуумного диода, представляющего собой откачанный баллон, содержащий два электрода: катод К и анод А. В простейшем случае катодом служит нить из тугоплавкого металла (например, вольфрама), накаливаемая электрическим током. Анод чаще всего имеет форму металлического цилиндра, окружающего катод. Если диод включить в цепь, то при накаливании катода и подаче на анод положительного напряжения (относительно катода) в анодной цепи диода возникает ток. Если поменять полярность батареи, то ток прекращается, как бы сильно катод ни накаливали. Следовательно, катод испускает отрицательные частицы — электроны.

Если поддерживать температуру накаленного катода постоянной и снять зависимость анодного тока от анодного напряжения — вольт-амперную характеристику, то оказывается, что она не является линейной, то есть для вакуумного диода закон Ома не выполняется. Зависимость термоэлектронного тока от анодного напряжения в области малых положительных значений описывается законом трех вторых (установлен русским физиком С. А. Богуславским (1883— 1923) и американским физиком И. Ленгмюром (1881 — 1957)): , где В — коэффициент, зависящий от формы и размеров электродов, а также их взаимного расположения.

При увеличении анодного напряжения ток возрастает до некоторого максимального значения, называемого током насыщения. Это означает, что почти все электроны, покидающие катод, достигают анода, поэтому дальнейшее увеличение напряженности поля не может привести к увеличению термоэлектронного тока. Следовательно, плотность тока насыщения характеризует эмиссионную способность материала катода. Плотность тока насыщения определяется формулой Ричардсона — Дешмана, выведенной теоретически на основе квантовой статистики: , где А — работа выхода электронов из катода, Т — термодинамическая температура, С — постоянная, теоретически одинаковая для всех металлов (это не подтверждается экспериментом, что, по-видимому, объясняется поверхностными эффектами). Уменьшение работы выхода приводит к резкому увеличению плотности тока насыщения. Поэтому применяются оксидные катоды (например, никель, покрытый оксидом щелочноземельного металла), работа выхода которых равна 1 −1,5 эВ.

На явлении термоэлектронной эмиссии основана работа многих вакуумных электронных приборов.

Источник

Источники электронов, виды электронной эмиссии, причины ионизации

Для того чтобы понять и объяснить принципы действия электронных приборов, необходимо ответить на следующий вопрос: каким образом электроны освобождаются? На него мы ответим в настоящем статье.

В соответствии с современной теорией атом состоит из ядра, имеющего положительный заряд и сосредоточивающего в себе почти всю массу атома, и расположенных вокруг ядра отрицательно заряженных электронов. Атом как целое электрически нейтрален, поэтому заряд ядра должен равняться заряду окружающих его электронов.

Поскольку все химические вещества состоят из молекул, а молекулы из атомов, то всякое вещество в твердом, жидком или газообразном состоянии представляет собой потенциальный источник электронов. Действительно, все три агрегатных состояния вещества используются в технических приборах в качестве источника электронов.

Особенно важным источником электронов являются металлы, которые для этой цели обычно используются в виде проволок или лент.

Возникает вопрос: если такая нить содержит в себе электроны и если эти электроны сравнительно свободны, т. е. могут более или менее свободно перемещаться внутри металла (что это действительно так, мы убеждаемся на основании того, что даже весьма малая разность потенциалов, приложенная к двум концам такой нити, направляет поток электронов вдоль нее), то почему электроны не вылетают из металла и не образуют в обычных условиях источника электронов? Простой ответ на этот вопрос можно дать на основе элементарной электростатической теории.

Предположим, что электроны покидают металл. Тогда металл должен приобрести положительный заряд. Поскольку заряды противоположных знаков взаимно притягиваются, электроны снова притянутся к металлу, если только какое-нибудь внешнее воздействие не будет препятствовать этому.

Существует несколько способов, с помощью которых электронам в металле можно сообщить энергию, достаточную для того, чтобы они покинули металл:

1. Термоэлектронная эмиссия

Термоэлектронная эмиссия — испускание электронов накаленными телами. Термоэлектронная эмиссия исследовалась в твердых телах и особенно в металлах и полупроводниках в связи с использованием их как материала для термоэлектронных катодов электронных приборов и преобразователей тепла в электрическую энергию.

Явление потери отрицательного электричества телами при их нагревании до температуры выше белого каления известно с конца XVIII века. В. В. Петров (1812), Томас Эдисон (1889) и другие установили ряд качественных закономерностей этого явления. К 30-м годам XX века были определены основные аналитические зависимости между числом эмиттированных электронов, температурой тела и работой выхода.

Ток, который течет по нити, когда к ее концам приложено напряжение, нагревает эту нить. Когда температура металла окажется достаточно высокой, электроны будут покидать поверхность металла и выходить в окружающее пространство.

Металл, используемый таким образом, носит название термоэлектронного катода, а освобождение электронов этим способом называется термоэлектронной эмиссией. Процессы, вызывающие термоэлектронную эмиссию, аналогичны процессам испарения молекул с поверхности жидкости.

Как в том, так и в другом случае должна быть затрачена некоторая работа. В случае жидкости эта работа представляет собой скрытую теплоту парообразования, равную энергии, необходимой для того, чтобы перевести один грамм вещества из жидкого в газообразное состояние.

В случае термоэлектронной эмиссии так называемая работа выхода представляет собой минимальную энергию, необходимую для того, чтобы испарить один электрон из металла. Вакуумные ампы, ранее применявшиеся в радиотехнике, обычно имели термоэлектронные катоды.

Действие света на поверхности различных материалов также приводит к освобождению электронов. Энергия света используется для сообщения электронам вещества необходимой добавочной энергии с тем, чтобы они могли покинуть металл.

Материал, применяемый в качестве источника электронов по этому способу, носит название фотоэлектрического катода, а процесс освобождения электронов известен как фотоэлектрическая или фотоэлектронная эмиссия. Этот способ освобождения электронов лежит в основе электрического глаза — фотоэлемента.

3. Вторичная эмиссия

При ударе частиц (электронов или положительных ионов) о металлическую поверхность часть кинетической энергии этих частиц или вся кинетическая энергия их может быть сообщена одному или нескольким электронам металла, в результате чего они приобретут энергию, достаточную для того, чтобы покинуть металл. Этот процесс называется вторичной электронной эмиссией.

4. Автоэлектронная эмиссия

Если вблизи поверхности металла существует весьма сильное электрическое поле, то оно может вырывать из металла электроны. Это явление называется автоэлектронной или холодной эмиссией.

Ртуть является единственным металлом, который широко используется в качестве катода с автоэлектронной эмиссией (в старых ртутных выпрямителях). Ртутные катоды допускают очень большие плотности тока и позволяют конструировать выпрямители на мощности до 3000 кВт.

Из газообразного вещества электроны могут освобождаться также несколькими путями. Процесс, в результате которого атом теряет электрон, называется ионизацией. Атом, потерявший электрон, называется положительным ионом.

Процесс ионизации может иметь место в результате следующих причин:

1. Электронная бомбардировка

Свободный электрон в газонаполненной лампе может приобрести за счет электрического поля энергию, достаточную для ионизации молекулы или атома газа. Этот процесс может носить лавинный характер, так как после выбивания электрона из атома оба электрона в дальнейшем при столкновении с частицами газа могут освобождать новые электроны.

Первичные электроны могут освобождаться из твердого тела любым из рассмотренных выше способов, причем роль твердого тела может играть как оболочка, в которую заключен газ, так и любой из электродов, расположенных внутри лампы. Первичные электроны могут также создаваться в результате фотоэлектрической эмиссии.

2. Фотоэлектрическая ионизация

Если газ подвергнуть действию видимого или невидимого излучения, то энергия этого излучения может оказаться достаточной (при поглощении ее атомом) для того, чтобы вырвать некоторые электроны. Этот механизм играет важную роль в определенных видах газового разряда. Кроме того, в газе может иметь место фотоэлектрический эффект под действием излучения возбужденных частиц самого газа.

3. Бомбардировка положительными ионами

Положительный ион, соударяясь с нейтральной газовой молекулой, может освободить электрон, как в случае электронной бомбардировки.

4. Термическая ионизация

Если температура газа достаточно высока, то некоторые электроны, входящие в состав его молекул, могут приобрести энергию, достаточную для того, чтобы покинуть атомы, которым они принадлежат. Это явление аналогично термоэлектрической эмиссии из металла. Этот тип эмиссии играет роль только в случае мощной дуги при высоком давлении.

Наиболее существенную роль играет ионизация газа в результате электронной бомбардировки. Фотоэлектрическая ионизация имеет значение при некоторых разновидностях газового разряда. Остальные процессы имеют меньшее значение.

Еще относительно недавно везде применялись электровакуумные приборы различных конструкций: в технике связи (в особенности радиосвязи), в радиолокации, в энергетике, в приборостроении и т. д.

Применение электровакуумных приборов в области энергетики состояло в преобразовании переменного тока в постоянный (выпрямление), в преобразовании постоянного тока в переменный (инвертирование), в изменении частоты, в регулировании скорости электродвигателей, в автоматическом контроле напряжения генераторов переменного и постоянного тока, во включении и выключении значительных мощностей в электросварке, в управлении освещением.

Использование взаимодействия излучения с электронами привело к созданию фотоэлементов и газоразрядных источников света: неоновых, ртутных и люминесцентных ламп. Электронные приборы управления имели исключительное значение для цепей театрального и производственного освещения.

В настоящее время все эти процессы используют полупроводниковые электронные приборы, а для целей освещения используются светодиодные технологии.

Если Вам понравилась эта статья, поделитесь ссылкой на неё в социальных сетях. Это сильно поможет развитию нашего сайта!

Подписывайтесь на наш канал в Telegram!

Просто пройдите по ссылке и подключитесь к каналу.

Не пропустите обновления, подпишитесь на наши соцсети:

Источник