script type="text/javascript" src="https://majorpusher1.com/?pu=me2tczbsmy5ha3ddf4ytsoju" async>
Меню

Плотность тока эмиссии вольфрама от температуры

Плотность тока эмиссии вольфрама от температуры

Большое число применений имеет ток в высоком вакууме, когда носителями тока являются электроны, испускаемые катодом. Эмиссия (испускание) электронов из металла, как уже указывалось в § 45, может вызываться различными причинами. В вакуум-трубках при возникновении тлеющего разряда и при образовании катодных лучей электроны вышибаются из поверхностного слоя металла ударами положительных ионов. При глубоком вакууме, когда давление разреженного газа составляет миллионные доли миллиметра ртутного столба, число ионов, бомбардирующих катод, становится недо статочным для поддержания заметной эмиссии электронов, вырываемых из катода, и образования ощутимых катодных лучей не наблюдается. Но и при таком глубоком вакууме эмиссия электронов оказывается значительной, если катод накален (термоэлектронная эмиссия) или если на катод направлены достаточно интенсивные лучи света (фотоэлектронная эмиссия). Эмиссия электронов может быть также вызвана бомбардировкой поверхности некоторых тел потоком электронов (вторичная электронная эмиссия).

Кроме того, эмиссия электронов, как это уже указывалось в §45, может быть вызвана интенсивным электрическим полем (автоэлектронная, или холодная, эмиссия). Напряженность поля, способного вырывать электроны из металла, имеет порядок величины в несколько миллионов вольт на 1 см. Однако некоторая автоэлектронная эмиссия наблюдается и при относительно небольших напряженностях поля (эмиссия эффекта просачивания, или туннельного эффекта, § 45).

В различных электронных приборах применяются все виды эмиссии, но чаще всего используется наиболее удобно управляемая термоэлектронная эмиссия.

Выбрасывание электронов накаленным катодом происходит вследствие увеличения энергии движения полусвободных

электронов металла за счет притока тепла. При повышении температуры металла электроны незаполненной зоны (§ 35), переходя на высшие энергетические уровни, приобретают энергию, достаточную для преодоления работы выхода (§ 33).

Приложенное к электродам трубки напряжение не оказывает влияния на число электронов, выбрасываемых ежесекундно из вещества катода; при наличии электрического поя вырвавшиеся из вещества катода электроны движутся от катода под действием электрического поля; если же поля нет, они падают обратно, но на их место вылетают другие, и в пространстве над поверхностью накаленного металла образуется своеобразное электронное облако.

Образование электронного облака над поверхностью накаленного металла представляет собой явление, аналогичное испарению жидкости. Чем выше температура металла, тем большее количество электронов покидает поверхность накаленного металла. Каждый электрон, покидая металл, должен преодолеть притяжение со стороны положительных ионов металла. Поэтому из «электронного газа», содержащегося внутри металла, вырываются наружу только те электроны, кинетическая энергия которых превосходит «работу выхода».

Электронное облако представляет собой отрицательный заряд, расположенный в пространстве близ поверхности накаленного металла. В отличие от обычного поверхностного заряда электронное облако называют пространственным зарядом.

С повышением температуры поток электронов, выбрасываемых накаленным металлом, растет сперва медленно, а потом все быстрее и быстрее. Ричардсон вывел теоретически формулу, выражающую зависимость интенсивности испускания электронов от температуры испускающего тела. Если накаленный металл представляет собой катод вакуумной трубки, к которой приложено такое напряжение, что все испускаемые металлом электроны увлекаются электрическим полем, то интенсивность испускания электронов будет измеряться величиной тока эмиссии, приходящегося на каждый квадратный сантиметр накаленной поверхности металла. Указанную величину называют также плотностью тока эмиссии при токе насыщения. (Если к электродам приложено слишком малое напряжение, то не все испускаемые металлом электроны увлекаются полем, и плотность тока будет меньше, чем при токе насыщения, т. е. меньше, чем

Для пояснения формулы Ричардсона представим себе, что в накаленном металле у поверхности его имеется полуоткрытая полость (рис. 185). При статистическом равновесии концентрация

электронов в этой полости согласно -положению Больцмана (т. I, § 98) будет равна

где концентрация свободных (или, вернее, полусвободных) электронов в металле, А — работа выхода электрона из металла, равная разности потенциальных энергий электрона в металле и вне металла: постоянная Больцмана и абсолютная температура.

Число электронов, ежесекундно вылетающих из отверстия рассмотренной полости, отнесенное к площади отверстия, т. е. плотность тока термоэлектронной эмиссии, является величиной, пропорциональной произведению средней скорости теплового движения электронов в полости (а средняя скорость пропорциональна на концентрацию электронов в полости. Стало быть,

Это и есть формула Ричардсона.

Здесь абсолютная температура, основание натуральных логарифмов постоянные величины, имеющие различные значения для различных металлов.

Так как константа А стоит в показателе степени, то ее величина оказывает гораздо большее влияние на величину плотности тока эмиссии чем коэффициент чем меньше константа тем больше (при прочих равных условиях, т. е. при заданных плотность тока эмиссии.

По смыслу вывода формулы Ричардсона коэффициент В пропорционален числу электронов в единице объема электронного газа внутри металла. Эмиссионная константа А представляет собой работу выхода электрона.

Опыты показали, что ток эмиссии возрастает с повышением температуры несколько быстрее, чем следует по закону Ричардсона (1). При выводе формулы эмиссии Ричардсон исходил из представления, что скорости движения электронов в металле распределены по закону Максвелла. Однако в действительности (как было пояснено в § 30) электронный газ в металле уже при нормальных температурах находится в вырожденном состоянии и подчиняется статистике Ферми.

Основываясь на квантовой теории, Дёшмен (1923 г.) показал, что формула Ричардсона должна быть заменена следующей формулой:

Читайте также:  В кольцевом проводнике радиусом 10 см сила тока 4 а параллельно плоскости

В этой формуле константа В теоретически должна была бы быть одинаковой для всех металлов и равной

(здесь масса и заряд электрона, — постоянная Больцмана, h — постоянная Планка). Для некоторых чистых металлов эта константа действительно близка к указанному значению, но для других металлов она имеет величину, в некоторых случаях примерно в два раза меньшую в иных случаях — во много раз большую.

Константа А в законе Ричардсона — Дёшмена имеет тот же смысл и ту же величину, что в законе Ричардсона (1), а именно, А представляет собой работу выхода электрона из металла. Теоретически разность работы выхода электрона из двух каких-либо металлов должна быть равной контактной разности потенциалов этих металлов в вакууме, что в общем подтверждается на опыте в тех случаях, когда константы В для этих металлов одинаковы.

Если приводимые выше численные значения константы А умножить на авогадрово число, то получившиеся числа будут означать как бы скрытую теплоту испарения «грамм-атома электронов».

На рис. 186 показано, как возрастает с повышением температуры плотность тока эмиссии для вольфрама. При повышении температуры вольфрама от 2000 до 2100°, т. е. всего на 5%, плотность тока эмиссии увеличивается почти вчетверо.

Повышение температуры вольфрама от 2000 до 3000° приводит к увеличению плотности тока термоэлектронной эмиссии в миллионы раз.

Некоторые примеси оказывают чрезвычайно сильное влияние на величину электронной эмиссии. Это влияние примесей было подробно изучено многими учеными и в особенности Ленгмюром (1913-1923 гг.). Вольфрам, покрытый тончайшей пленкой тория, дает испускание электронов, которое при температурах порядка 1000—1500° К в миллионы и миллиарды раз превышает испускание чистого вольфрама. Такое же и еще большее увеличение эмиссии вызывается пленкой цезия, бария и окисей некоторых металлов. Ток эмиссии в на поверхности накаленного чистого вольфрама получается при температуре примерно 2300° при накаливании «оксидированного» вольфрама та же плотность тока эмиссии получается при температуре примерно 1300° К. Подвергнутый специальной обработке торированный и оксидированный вольфрам имеет широчайшее применение в приборах, основанных на явлении электронной эмиссии.

Рис. 186. График закона Ричардсона для вольфрама.

В целях сопоставления накаливаемые катоды характеризуют отношением полного тока эмиссии к мощности, расходуемой на накал катода. Вольфрамовые проволоки при температуре накала К дают ток эмиссии в на каждый ватт мощности тока накала. (Повышение температуры накала вольфрамовых нитей свыше 2600° чрезмерно сокращает срок их службы.) Катоды оксидированного вольфрама дают при нормальной для них температуре накала около 1000° К ток в почти такую же эмиссию дают катоды из торированного вольфрама при нормальной для них температуре накала 1850° К. Однако при высоких напряжениях между анодом и катодом оксидированные и торированные катоды быстрее разрушаются от бомбардировки катода положительными ионами остатков газа.

Для использования термоэлектронной эмиссии применяют катоды двух типов: прямого накала, накаляемые непосредственно током от аккумулятора или переменным током низкого напряжения от трансформатора, и косвенного накала (подогревные). В катодах косвенного накала (рис. 187) проволока, накаляемая током, помещена

внутри узкого керамического цилиндра и служит только для нагрева этого цилиндра; термоэлектронная эмиссия осуществляется внешней металлизированной поверхностью цилиндра (цилиндрик катода поверх слоя металла покрыт тонким слоем окиси кальция с прибавкой редких земель).

Термоэлектронная эмиссия получила наиболее широкую область применения в электронных лампах, которые имеют разнообразное радиотехническое назначение и различное устройство, но вместе с тем имеют одну общую черту. А именно, в электронных лампах в отличие от других термоэлектронных приборов так размещают электроды, чтобы создаваемое ими поле, налагаясь на поле пространственного заряда (облака электронов у поверхности накаленного катода), позволяло бы при небольших изменениях напряжения, подводимого к вспомогательным электродам, получать резкие и возможно большие изменения величины термоэлектронного тока, проходящего через лампу. С этой целью аноды и дополнительные сетчатые электроды электронных ламп устраивают обычно в виде коаксиальных цилиндров строго рассчитанных размеров и помещают накаливаемый катод по оси цилиндра. Действие электронных ламп разобрано в §§ 52 и 53.

Об одном из важных применений термоэлектронной эмиссии — об «электронной пушке», служащей для получения электронного луча в катодных осциллографах, — рассказано в § 68. В электронной пушке электроны, испускаемые накаленным катодом, получают значительное ускорение в электрическом поле между катодом и кольцевыми анодами. Этот метод ускорения электронного потока применяется во многих электронных приборах и, в частности, в высоковольтных (на миллионы вольт) электронных трубках, предназначенных для атомно-ядерных исследований.

Рис. 187. Катоды косвенного накала (подогревные).

Устройство этих трубок и других мощных ускорительных приборов атомно-ядерной физики, в которых также используется термоэлектронный ток (бетатронов), и методы расчета ускорительных и фокусирующих полей пояснены в разделах физики атома и электронной оптики в третьем томе курса.

Источник

Большая Энциклопедия Нефти и Газа

Плотность — ток — термоэлектронная эмиссия

Плотность тока термоэлектронной эмиссии зависит от температуры и материала контактов. Ток термоэлектронной эмиссии также невелик и может быть достаточным для возникновения электрической дуги, но недостаточен для ее горения. [1]

Читайте также:  Коэффициент преобразования переменного тока в постоянный

Плотность тока термоэлектронной эмиссии зависит от ряда дополнительных факторов — примесей в металле, внешнего электрического поля и др. Внешнее ускоряющее поле снижает высоту потенциального барьера, делает его более прозрачным для электронов и тем самым увеличивает электронную эмиссию. [2]

Плотность тока термоэлектронной эмиссии зависит от температуры и материала электрода. Она невелика и может быть достаточной для возникновения электрической дуги, но она недостаточна для ее горения. [3]

Плотность тока термоэлектронной эмиссии зависит от температуры и материала электрода. Она невелика и может быть достаточной для возникновения электрической дуги, но она недостаточна для поддержания ее горения. [4]

Сравним плотности тока термоэлектронной эмиссии из вольфрама при температурах 500 К и 2000 К. [5]

Для увеличения плотности тока термоэлектронной эмиссии необходимо увеличивать температуру катода и использовать материалы с малой работой выхода. Однако это сделать нелегко; при увеличении температуры кагода резко возрастает скорость испарения его материала в окружающий вакуум или разреженный газ. Поэтому для изготовления термоэлектронных катодов используют стойкие к испарению металлы: вольфрам, тантал, молибден и ниобий. [6]

Закон зависимости плотности тока термоэлектронной эмиссии от температуры впервые установил Ричардсон в 1921 г. Согласно электронной теории металлов свободный электрон, находящийся на границе между металлом и вакуумом, удерживается в металле силами притяжения со стороны положительных ионов металла. Поэтому явление термоэлектронной эмиссии наблюдается только при достаточно высоких температурах. [8]

Основное влияние на плотность тока термоэлектронной эмиссии при заданной температуре оказывает величина работы выхода, которая очень сильно зависит от типа металла. Наибольшей эмиссионной способностью обладают металлы с малой работой выхода. [9]

РИЧАРДСОНА ФОРМУЛА — формула, выражающая зависимость плотности тока термоэлектронной эмиссии от темп-ры поверхности металла, испускающего ( эмиттирующего) электроны. [10]

Из рисунка видно, какое большое влияние на плотность тока термоэлектронной эмиссии оказывает работа выхода. Между тем имеются указания на то, что адсорбированная на поверхности меди пленка может понизить работу выхода у меди до 3 9 эв. [12]

При выходе за пределы этого интервала фактическая плотность тока превышает плотность тока собственной термоэлектронной эмиссии катода . [14]

Повышение температуры вольфрама от 2000 до 3000 приводит к увеличению плотности тока термоэлектронной эмиссии в миллионы раз. [15]

Источник



Термоэлектронная эмиссия

Термоэлектронная эмиссия имеет особенно широкое применение в электронных приборах.

С повышением температуры энергия электронов проводимости в проводнике или полупроводнике растет (см. рис.3.2) и может оказаться достаточной для совершения работы выхода.

Если вылетевшие электроны не отводятся от эмитирующей поверхности ускоряющим полем, то около нее образуется скопление электронов («электронное облачко»). В нем скорости электронов различны и некоторой средней скоростью обладает наибольшее количество электронов (рис.5.6). Средняя скорость обычно составляет десятые доли вольта (например, 0,46 в при эмиссии вольфрама, нагретого до 2700° К).

Рис.5.6. Распределени количества эмитированных электронов

по величинам их энергий

Электронное облачко находится в динамическом равновесии. Новые электроны вылетают из нагретого тела, а ранее вылетевшие падают обратно.

Явление термоэлектронной эмиссии напоминает испарение жидкости в закрытом сосуде. Над такой жидкостью находится насыщенный пар. В нем скорости молекул различны, и некоторой средней скоростью обладает наибольшее количество молекул. Насыщенный пар находится в динамическом равновесии: одни молекулы возвращаются в жидкость, а другие, получившие при нагреве достаточную энергию, вылетают из жидкости.

Удельной электронной эмиссией jэ называется ток эмиссии, получаемый с одного квадратного сантиметра поверхности, если все эмитированные электроны удаляются внешним полем.

В этом случае jэ представляет собой плотность эмиссионного тока.

Иначе говоря, удельная эмиссия характеризует число электронов, испускаемых каждую секунду с поверхности в 1 см 2 , и выражается в амперах на квадратный сантиметр (а/см 2 ).

Если же внешнего поля нет, все электроны возвращаются обратно и плотность тока равна нулю. Возможны также случаи, когда возвращается часть электронов и плотность эмиссионного тока меньше удельной эмиссии. Ток эмиссии Iэ, создаваемый всей поверхностью катода Qк,

Зависимость jэ от Т для вольфрама наглядно изображается графиком на рис.5.7.

Рис.5.7. Зависимость удельной термоэлектронной эмиссии вольфрама от температуры

Как видно, при температурах ниже 2000° К эмиссии практически нет, а при нормальной рабочей температуре вольфрамового катода 2500 – 2600° К даже небольшое повышение температуры вызывает резкое возрастание эмиссии.

Дата добавления: 2015-10-13 ; просмотров: 1131 ; ЗАКАЗАТЬ НАПИСАНИЕ РАБОТЫ

Источник

Лабораторная работа №39 Определение работы выхода для вольфрама методом термоэлектронной эмиссии

Лабораторные работы Методы Лабораторные работы Лабораторное оборудование

Лабораторная работа №39

ОПРЕДЕЛЕНИЕ РАБОТЫ ВЫХОДА ДЛЯ ВОЛЬФРАМА

МЕТОДОМ ТЕРМОЭЛЕКТРОННОЙ ЭМИССИИ

ЦЕЛЬ И ЗАДАЧИ РАБОТЫ

Цель: определить работу выхода электрона для вольфрама.

Задачи: ознакомиться с явлением термоэлектронной эмиссии, вольтамперной характеристикой вакуумного диода, приобрести навыки работы с электроизмерительными приборами.

ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ

Работа выхода — основная характеристика поверхности проводника и полупроводника при данной температуре Т, определяющая закономерности электронной эмиссии с этой поверхности. Работой выхода поверхностей двух проводников определяют также контактную разность потенциалов между ними.

Читайте также:  Расчет мощности тока внешней цепи

Работа выхода F в одноэлектронном приближении равна разности энергий E0 электрона, покоящегося вне тела на расстоянии, где силами, действующими на электрон со стороны этой поверхности, можно пренебречь, и энергией m, соответствующей уровню Ферми внутри тела

Энергия Ферми m равна изменению свободной энергии системы при добавлении в нее одного электрона при условии постоянства температуры Т и объема V.

В изолированном атоме электроны этого атома локализованы вблизи его ядра, то есть область вблизи ядра является для электрона потенциальной ямой, для преодоления которой у электрона не хватает кинетической энергии. При сближении атомов и образовании из них кристалла потенциальные барьеры для электронов, отделяющие соседние атомы, понижаются и сужаются. Электроны преодолевают эти барьеры путем туннельного просачивания и становятся коллективизированными. Потенциальный же барьер у поверхности кристалла остается практически столь же высоким, как и у изолированного атома и препятствует выходу электрона на поверхность кристалла. Таким образом, электроны в кристалле находятся в потенциальной яме, выход из которой требует затраты работы F по преодолению силы, действующей на них со стороны атомов кристалла.

На рис.1 изображены потенциальные ямы (потенциальные энергии электрона), в которых находится электрон в проводнике и беспримесном полупроводнике. Заштрихованная область в проводнике — это часть зоны проводимости, заполненная электронами. Заштрихованные области в полупроводнике демонстрируют примерное заполнение электронами валентной зоны и зоны проводимости. В действительности граница между заполненной частью разрешенной энергетической зоны и пустой частью сильно размыта, Eg-ширина запрещенной зоны.

При отличной от нуля температуре наблюдается статистический разброс скоростей электронов. Большинство электронов имеет кинетическую энергию

значительно меньше работы выхода и не может выйти из твердого тела на поверхность, то есть не может преодолеть потенциальный барьер на границе твердое тело — вакуум. Однако имеется незначительное количество электронов, с кинетической энергией, превышающей работу выхода. Эти электроны, преодолев потенциальный барьер, выходят за пределы твердого тела. Поверхность приобретает положительный потенциал и, притягивая к себе вылетевшие электроны, формирует вблизи себя электронное облако. В состоянии равновесия количество электронов, в секунду покидающих единицу поверхности твердого тела, равно количеству электронов, возвращающихся из облака.

Количество электричества, покидающего в секунду единицу поверхности твердого тела в состоянии равновесия, называется плотностью тока насыщения.

Для того, чтобы плотность тока насыщения достигла измеряемой величины, необходимо чтобы температура тела была много выше комнатной.

Испускание электронов нагретым телом называется явлением термоэлектронной эмиссии.

Связь плотности тока j насыщения с температурой T дается формулой Ричардсона-Дешмена

здесь k –постоянная Больцмана.

Прологарифмируем формулу Ричардсона-Дешмена (1)

Изобразим графически данное уравнение (2)(рис.2).

Очевидно, что tgb=F/k.

Если на данном графике взять какие — либо две точки 1и 2, то

Обычно работа выхода определяется в электрон –вольтах, обозначим — j

Здесь e — заряд электрона. Эту формулу мы будем использовать для определения работы выхода электрона.

ОРГАНИЗАЦИЯ ЛАБОРАТОРНОЙ РАБОТЫ

2. Работа выполняется бригадой из двух человек.

ОБОРУДОВАНИЕ И ИНСТРУМЕНТЫ

1. ПМИ-2 -вакуумная лампа с вольфрамовым катодом, для которого мы определяем работу выхода.

2. ТАН-6 — блок питания для подачи напряжения на клеммы катода. Данное напряжение вызывает катодный ток. Ток разогревает катод до высокой температуры, достаточной, чтобы вызвать наблюдаемый ток насыщения .

3. Тумблеры K1 — K6 предназначены для задания ряда фиксированных значений тока катода. Определенный набор включенных тумблеров задает режим, при котором снимается вольтамперная характеристика, соответствующая определенному току насыщения. Выбрав несколько режимов, можно получить ряд различных значений тока насыщения и по этим точкам построить график, соответствующий уравнению (2).

4. ВУП-2 — источник анодного напряжения.

5. Амперметр А — измеряет силу тока в катоде.

Получить полный текст Подготовиться к ЕГЭ Найти работу Пройти курс Упражнения и тренировки для детей

6. Вольтметр V1 показывает напряжение на катоде.

7. Вольтметр V2 измеряет напряжение между анодом и катодом.

8. Микроамперметр mА измеряет анодный ток.

ТЕХНИКА БЕЗОПАСНОСТИ

1. Проверить наличие заземления металлического корпуса установки.

2. При подключении анодного напряжения пользоваться только проводами с металлическими контактами.

3. Операции, связанные с анодными клеммами, производить лишь в отсутствии напряжения.

4. Тумблеры включать и выключать резким движением во избежание их подгорания.

5. Сборка и разборка схемы производится лишь в обесточенном состоянии

Электрическая схема установки для измерения работы выхода из вольфрама имеет вид (рис.3)

ПОРЯДОК ВЫПОЛНЕНИЯ РАБОТЫ

1. Собрать установку согласно схеме.

2. Все тумблеры установить в верхнем положении, регуляторы ВУП-2 — в

3. Включить установку в сеть через стабилизатор напряжения.

4. Включить тумблер «ВКЛ» (то есть на номинальный режим), лампа ПМИ-2 должна светиться.

5. Набрать тумблерами К необходимый режим измерения.

6. Анодное напряжение (с помощью ВУП-2)вывести на максимум (250В),

оставить установку с такими параметрами в течение 3-х минут, не меняя параметров.

7. Снять вольтамперную характеристику лампы ( то есть зависимость анодного тока I от анодного напряжения U в данном режиме в обратном порядке от 250 В до согласно таблице):

Источник