Вакуумдағы электр тогы. Термоэлектронды эмиссия.

Қыздырғанда газ атомдарының не молекулаларының жылдамдығы артады. Соған сәйкес олардың кинетикалық энергиясы да артады. Осындай атомдар не молекулалар соқтығысқанда олардан электрондар үзіліп шығып, газда бос электр зарядтары – электрондар мен оң иондар түзіледі. Мұндай процесс газдың иондану деп аталады.

Электр тогы жоқ кезде газдағы электрондар мен иондар хаосты қозғалыс жасайды. Олар соқтығысқан жағдайда қайтадан бейтарап молекулалар түзілуі ықтимал. Осы процесті рекомбинациядеп атайды.

Егер иондалған газда электр өрісін тудырса, онда иондар мен электрондар реттелген қозғалысқа келеді де, тізбекте электр тогы пайда болады.

Газдардағы электр тогы дегеніміз –электрондар мен оң және теріс зарядталған иондардың бағытталған қозғалысы болып табылады.

Егер иондалған газда электр өрісінің кернеулігін артырса, онда электр өрісінен екпін алған электрондар бейтарап молекулалармен соқтығысып, электрондарды жұла, оларды бейтараптайды. Ал, олар өз кезегінде электр өрісінен екпін ала газдың басқа молекулаларының иондалуын тудырады. Электрондар мен иондар санының тасқын тәріздес артуы байқалады. Газдың осындай иондалуы екпінді иондалу деп аталады. Екпінді иондалу нәтижесінде тізбектегі ток күрт өседі.

Егер иондалған газда екпінді иондану есебінен еркін электрондар мнн иондардың саны күрт өссе, онда мұндай газ плазмадеп аталады.

Вакуум – сиретілген орта, онда молекулалар санының аз, олардың соқтығысу ықтималдығы өте аз.

Барынша жоғары температура кезінде металдан электрондардың ұшып шығу құбылысын термоэлектрондық эмиссия деп атайды.

Вакуумдағы электр тогы термоэлектрондық эмиссия нәтижесінде алынған

элеткрондардың бағытталған қозғалысы түрінде болады.

Термоэлектрондық құбылыс қолданылатын қарапайым құралдарға электрондық шамдар жатады.

Электрондық-сәулелік түтік деп электр сигналдарын көрінетін кескінге түрлендіретін вакуумдық электронды аспапты айтады.

Термоэлектрондық эмиссия — вакуум немесе басқа орта ішінде қызған денелерден (эмиттерлерден) электрондардың шығарылуы. 1882 ж. ашылған, термоэлектрондық эмиссияны ағылшын физигі О.У. Ричардсон зерттеген. Термоэлектрондық эмиссия, негізінде, электрондық шамдар және басқа электровакуумдық және газразрядтық аспаптар жұмыс істейді.

Кәдімгі жағдайда әр түрлі газдар мен оның қосылыстары (ауа, аргон, сутегі, гелий, көмір қышқыл газы және т.б.) электр тогын өткізбейді. Өткізгіштік газдық ортада молекула мен атомнан басқа, бос зарядталған бөлшектер – электрондар, иондар (оң немесе теріс) болғанда пайда болады да, газ плазмаға айналады.

Плазма төртінші жағдайда тұрған (қатты, сұйық және газ тәріздіден басқа) зат, бейтарап молекула мен атом, сосын электр тогын өткізіп, магнитті газ динамика заңына бағытталатын иондар мен электрондардың - зарядталған бөлшектердің болуымен сипатталады. Газдың плазмаға айналуы бірнеше сипатта жүреді. Молекулалы газдар үшін бірнеше үрдіс диссоциация - атомдар түзіледі. Газда зарядталған бөлшектер – газ иондауын – оның қыздыруынан, рентген энергиясы немесе ультракүлгін сәуле жұтылуынан, оптикалық квант генератор сәулелерінен (лазері), теріс иондар әсерінен және т.б. болады.

Теріс иондар молекула немесе атомдар электронды ұстап қалғанда, яғни электронның жылдамдығы өте аз кезде электрлік өрістің элементі үшін пайда болуы мүмкін. Оң иондар бейтарап бөлшек бір немесе бірнеше электроннан айырғанда пайда болады.

Иондардің түзілуі электрондардың және теріс иондардың арасында тартушы Кулон күштерін жеңуге кететін энергия шығынын қажет ететін иондалу потенциалын А_и анықтайтын энергиясы деп атайды. Атомның иондану потенциалы атоммен соқтығысқанда жеткілікті кинетикалық энергияны алуға қажетті электрондардың потенциалдарының айырымына тең. Сондықтан өлшемдер электрон –вольтпен (эВ) өрнектеледі.

Иондану жұмысы элементтің химиялық активтілігін анықтайды, себебі иондану кезінде білікентті электрондар ашылады;

эВ, ал цезий үшін - 3.96 эВ, калийде - 4.3 эВ, цирконийде -6.8 эВ, темірде - 7.6 эВ, сутегінде - 13.6 эВ, азотта - 12.4 эВ, гелийде - 24,6 эВ. Атоммен әлсіз байланысқан электрон жұлынғаннан кейін, берік байланысқан электрон жұлынады. Сонымен бірге көптеген ионданған ион түзіледі. Иондану энергиясы көтеріледі де көбейеді, мысалы 4·75.6 эВ (екі ретті иондану) және үш ретті иондану үшін, мысалы, Ве үшін - 153.8 эВ құрайды.

Электр өрісіндегі зарядталған бөлшектер қозғалысы бірдей жылдамдықты, дененің еркін түсуіне сәйкес заряды мен бөлшек әсер ететін күшке тәуелді.

(3.75)

мұндағы Е - электр өрісінің кернеулігі, В/м; m - бөлшектер массасы, г; v-бөлшек жылдамдығы, м/с; а – үдеу, .

Бастапқы жылдамдықта ол нольге тең, ал моментте . τ уақыт мезетінде жүрілген жол келесі формуламен анықталады:

. (3.76)

Бөлшектің жүрген жолы мен жылдамдығы меншікті зарядының – заряд массасына қатынасымен анықталады. Сондықтан бөлшектердің еркін қозғалысы кезінде бірыңғай өрісте электрон жылдамдығы иондікінен артық.

Тендеуге E=u/l мәнін қойсақ, онда электронның жылдамдығы:

, (3.77)

мұндағы т_е – электрон массасы, U – жолдың потенциалдық айырымы.

Атомдық массасы бар ионның жылдамдығы:

. (3.78)

мұндағы - массаның атомдық бірлігі, Z - заряд тасушы, U – жолдағы потенциал айырымы.

Электрон өрісіндегі ионданудың негізгі түрі электронмен соққы иондалуы болып табылады. Катодтан шыққан электрод өрістік градиенттің әсерінен жылдам қозғалады және бейтарап атоммен немесе молекуламен соқтығысқанда бір электрон шығып кетіп, бірнеше жылдамдық береді. Сонымен қатодтан шыққан электрон қозғалғанда көптеген соқтығысқа ұшырап, нәтижесінде газдың температурасы артады. Өрістің үлкен градиенті жоғарғы қысымында иондалудың бұл түрі температураның айтарлықтай артуына байланысты өткінші токтың өсуіне әкеліп соқтырады.

Иондар да иондануға қатыса алады, электронның жылдамдығы аз болғандықтан доғалы разрядтағы иондалу өте үлкен емес. Бірақ жоғары температурада молекулалардың жылулық қозғалысын арттырып, иондар мен бейтарап бөлшектер соқтығысуы газдың термиялық иондалуына әкеледі. Ионданудың бұл түрінің рөлі жоғары температура мен қысымда айтарлықтай көрінеді.

Фотон – иондану, егерде фотон энергиясы hv иондалу жұмысынан А_и артық болса, атомдық сәулеленумен иондалуы мүмкін:

, (3.79)

мұндағы v - сәулелену жилігі, 1/с; h - Планк тұрақтысы; с - жарық жылдамдығы; жарық толқын ұзындығы, м.

Соңғы жылдары өндірістік үрдістердің көптеген бөлігі доғалы қыздырғыштармен жасалады. Бұған разряд туралы ілімнің артуына сәйкес, әрі оны реттеу мен көптеп қолдануы вакуум арқылы өтетін электр тогын тудыратын құбылысын электрлік доға деп атайды. Сыртқы қасиеттер бойынша және газдағы электр разряды әр түрлі болып келеді. Жалпы жағдайда олар өзіндік және өзіндік емес деп бөлінеді .

Өзіндік разрядтарда зарядталған бөлшектер разряд аралығында ток көзі энергия есебінен түзіледі. Өзіндік емес зарядтарды қолдану үшін газдар иондануына қамтамасыз ететін сыртқы фактор қажет.

Доғалы разряд немесе электр доғасы канал разрядындағы ( А/см ) жоғары ток тығыздығымен, төмен катодтың потенциалы азаюымен, электрон арасындағы кеністікте жоғары температуралы газды ортаның басуымен сипатталады, доғаның басуына тәуелді К одан да жоғары болады.

Өткізгіш материалдан құраған электр энергияның тасымалы электрон арқылы жүреді. Ал басқа жағдайда тізбекке екінші ретті өткізгіш қосылған. Бұл жағдайда тізбек бойынша электр өсуі қиын құблыстармен жүреді, бұл үрдісте электрондар электр заряды тасымалдағыштың басқа түріне ауысып, кейін қайта электрон болып отырады.

Электр доғасы қосылған тізбектен ток өсуі үшін электронды-катодты электрон тастап, атомға тартылыс күшін жеңіп, сосын анодқа жету керек.

Электронды катодтан шығару үшін оған атомның электронды бұлтымен электродтың потенциалды барьерінің статистикалық күйін жеңіп шығу жұмысын аяқтау керек. Әр түрлі заттар үшін ол әр түрлі. Сонымен магнит шығу жұмысы -1.07 В; алюминий - 2.8; ниобий - 4.0; вольфрам - 4.5; темір - 4.77 эВ т.с.с. Белгілі металлдың электрон шығу жұмысы оның иондану энергиясынан аз. Металлдан электронды шығару үшін оның энергиясын арттыру керек. Бұл келесі әдіспен жасалуы мүмкін: қуатты электр өрісін қосумен (автоэлектронды эмиссия); электрод температурасын арттырумен (термоэлектронды эмиссия).

Электронды қыздыру жеке разрядтарда электрод бетін ионмен атқылау есебінен болады.

Термоэлектронды эмиссияда ток тығыздығы температура мен катод материалынан тәуелді болады және келесі формуламен анықталады:

, (3.80)

мұндағы Т - электродтың беттік температурасы, К.

А₁ және В₁ мәндері сәйкесінше кальций үшін - 0.12 және 3500, көміртегі - 5.03 және 45700, вольфрамда - 60.2 және 52700 т.б.

Температураның артуымен эмиссия тогы да арта бастайды. Сонымен вольфрам катоды үшін вакуумдағы термоэлектронның эмиссиясы 1500 К-дегі ток тығыздығы А/см . Ал 3500 К, ол тогыз есе өсіп 220 А/см - ге дейін жетеді.

Суық электродта электр өрісі кернеуінде В/см автоэлектронды эмиссия туады (электр өрісімен электрон жылуы), ток тығыздығы эмпирикалық тендеумен анықталады:

_аэ , (3.81)

мұндағы j_аэ - автоэлектронды эмиссияның ток тығыздығы, А/см ; Е - электрод бетіндегі электр өрісіндегі кернеуі, В/см; - берілген материал үшін тұрақтылар.

Жоғарыдағы екі формула бір біріне ұқсас және автоэлектронды эмиссияның ток тығыздығы кернеу өрісінен тәуелді болады.

1000 К дейінгі температурадағы эмиссияда ток температурадан әлсіз тәуелді болады, ал одан жоғары температурада термоэлектронды эмиссия басталады, бұл кезде электрод бетіндегі токтың тығыздығы төмендегі формуламен өрнектеледі:

, (3.82)

мұндағы А - 120.4 А (см² · К ) - таза металл үшін.

Эмиссия тогын арттыру және негізгі электрод металлдарында электрондарды шығару жұмысын төмендету үшін оған сілтілік немесе жер металл, оксид түрінде активті қоспалар енгізеді. Мысалы, вольфрам үшін ионданушы қоспалар ThO , LaO , AlCaO , AlCaBaO, көміртегі Cs, Li, K, Na, Ca.

Электрод арасы 4-5 м доғадан қашық аймақта потенциалдың таралуы және ассиметриялық доғалық баған үшін потенциал таралуы 3.17-суретте көрсетілген.

Электрод арасында үш негізгі заң ерекшеленеді: катод потенцалының төмендеу аймағы; ол катодтан - 10 м шамада потенциалдың түсуі шамамен 8-15 В; доғаның жану шарты мен ұзындығына тәуелді бірнеше вольттен бірнеше килловольтқа дейінгі кернеуі оң доғалы баған аймағы; аймағы - 10 м потенциал түсуі 2-20 В дейінгі анод потенциал түсуі аймағы.

Электрод арасындағы кернеудің толық түсуі:

, (3.83)

мұндағы және - анодта және катодта потенциалдың түсуі, В; Е - бағаналы электр өрісінің доғалы кернеуі (кернеудің түзу градиенті), В/м; L - доға ұзындығы, м.

3.17-сурет. Доға пайда болған каналдан қашық электр тасымалдағыш және потенциал таратқыш