Явление термоэлектронной эмиссии

Электрический ток в вакууме создаётся направленным движением электронов, испускаемых металлом путём термоэлектронной эмиссии (испускания электронов с поверхности нагретого до высокой температуры металла). Для выхода из металла, электрон должен преодолеть потенциальный барьер вблизи его поверхности. Работа по преодолению этого барьера называется работой выхода электрона из металла. Для совершения этой работы, электрон должен иметь определённую энергию. Эту энергию электрон получает при нагревании металла.

Явление термоэлектронной эмиссии изучается с помощью вакуумного диода (рис.1). Это простейший электронный прибор, содержащий нагреваемый катод и расположенный напротив него анод. Между катодом и анодом с помощью источника питания eА создаётся разность потенциалов, которая измеряется вольтметром UA. Катод нагревается током Ik от источника питания eК,

напряжение на катоде измеряется вольтметром U_K.Напряжения U_K и U_A регулируются переменными сопротивлениями R_K и R_A, токи в цепях катода и анода регистрируются амперметрами I_K и I_A соответственно. Катод имеет меньший потенциал по отношению к аноду. Катод и анод находятся внутри (обычно) стеклянного баллона, в котором создаётся высокий вакуум.

Меняя разность потенциалов UA между катодом и анодом, можно изучать зависимость тока IA через диод от UA при разных температурах катода. Зависимость анодного тока от напряжения на аноде называется вольтамперной характеристикой диода. Особенностью вольтамперной характеристики является её существенная нелинейность (рис.2) и существование тока через диод при UA=0. Это связано с тем, что

часть вышедших из катода термоэлектронов достигают анода даже в отсутствии напряжения между катодом и анодом. Для прекращения тока через диод необходимо приложить встречное поле, препятствующее движению электронов. Это поле создаётся напряжением запирания U_з.

В средней части вольтамперной характеристики зависимость анодного тока от приложенного напряжения описывается уравнением:

(1)

Это уравнение было теоретически получено Богуславским и Лэнгмюром и называется законом трёх вторых, носящим имя этих учёных. Коэффициент С в этом уравнении равен:

(2)

Здесь e/m удельный заряд электрона, g - постоянная для данного диода величина, характеризующая его геометрию.

При увеличении напряжения между катодом и анодом ток через диод увеличивается и достигает тока насыщения I_н. Существование тока насыщения означает, что при данной интенсивности поля (при данном напряженииU_A) и температуре катода Т все электроны, вышедшие из катода, достигают анода. Зависимость тока насыщения от температуры катода описывается формулой:

(3)

Здесь А_в работа выхода электрона из металла, k – постоянная Больцмана, В - постоянная величина.

Изучение вольтамперной характеристики диода при разных температурах катода позволяет определить удельный заряд электрона e/m и работу выхода А_в электронов из металла.