Термоэлектронная эмиссия и ее применение.

Исследование закономерностей термоэлектронной эмиссии можно провести с помощью двухэлектродной лампы (электровакуумного диода), представляющего собой стеклянный или металлический баллон, из которого откачан воздух. Внутри находятся два электрода - катод (К) и анод (А). Катодом служит нить из тугоплавкого металла (обычно вольфрама), нагреваемая (накаливаемая) электрическим током. Часто используются катоды косвенного накала. В них катод нагревается от отдельной нити накала, по которой пропускают ток. Вывод катода в таких диодах электрически изолирован от выводов нити накала. Нагретый катод испускает (эмиттирует) электроны – имеет место термоэлектронная эмиссия. Анод чаще всего имеет форму металлического цилиндра, окружающего катод. Излученные катодом электроны движутся к аноду, создавая ток в вакууме.

Включим диод в электрическую цепь, как показано на рис.3. В этой схеме ток источника Ԑ₁ нагревает катод до высокой (более 1000^оС) температуры. Источник Ԑ₂ создает разность потенциалов между катодом и анодом, измеряемую вольтметром V. Анодное напряжение считается положительным, если потенциал анода выше потенциала катода. Ток в анодной цепи измеряется миллиамперметром (мА).

Рис. 3.

Обычно при постоянной температуре накаленного катода определяют зависимость анодного тока I_A от анодного напряжения U_A. Данная зависимость называется вольтамперной характеристикой (ВАХ) диода. Она представлена на рис.4. Как видно, ВАХ электровакуумного диода является нелинейной (т. е. I_A не является прямо пропорциональной функцией анодного напряжения U_A.). Следовательно, для электровакуумного диода закон Ома не выполняется.

Рис. 4.

При U_A = 0 анодный ток I_A = I₀ мал, но отличен от нуля. Вылетевшие в результате термоэлектронной эмиссии из катода электроны образуют вокруг него отрицательный пространственный заряд – электронное облако, которое отталкивает вылетающие из катода электроны и большинство из них возвращает обратно к катоду. Образование электронного облака над поверхностью раскаленного металла представляет собой явление, аналогичное испарению жидкости. Но все же небольшое число электронов обладают энергией, достаточной для преодоления как работы выхода, так и отталкивающего действия электронного облака. Такие электроны достигают анода даже без приложения электрического поля между анодом и катодом. Именно они и создают ток I₀.

В области малых положительных значений U_A анодный ток I_A резко возрастает. Этот участок вольтамперной характеристики описывается законом трех вторых, полученным теоретически Богуславским и и Ленгмюром:

, (3)

где - коэффициент, зависящий от формы и размеров электродов и их взаимного расположения.

На данном участке зависимости происходит быстрое рассасывание основной массы электронного облака. При дальнейшем увеличении анодного напряжения наблюдается слабый рост анодного тока, соответствующий плавному рассасыванию оставшейся массы электронного облака. Этот рост постепенно замедляется и при некотором значении анодного напряжения ток достигает значения I_Н, называемого током насыщения, и не изменяется при дальнейшем росте анодного напряжения. Это означает, что электронное облако полностью рассосалось и не оказывает никакого тормозящего действия на электроны, эмитированные с катода. Поэтому они все достигают анода, а дальнейшее увеличение напряжения не может привести к увеличению силы тока. Плотность тока насыщения характеризует эмиссионную способность катода, которая зависит от природы катода и его температуры.

При дальнейшем увеличением U_A до нескольких сотен вольт плоский участок ВАХ сменяется слабым ростом анодного тока I_A. Это обусловлено уменьшением работы выхода электрона из металла под действием электрического поля и носит название эффекта Шоттки.

Как отмечалось, применяя активированные катоды, удается снизить работу выхода и получить необходимую величину тока насыщения при значительно более низких температурах катода, что приводит к значительному увеличению срока его работы. Это явление используется в приборах, в которых необходимо получить поток электронов в вакууме: в электронных лампах, электронно-лучевых трубках, рентгеновских трубках, электронных микроскопах и т. д.

С увеличением температуры катода увеличивается число эмитированных в единицу времени электронов и ток насыщения возрастает. При этом увеличивается и значение анодного напряжения, при котором наступает насыщение (рис. 4).

При отрицательном напряжении (потенциал катода выше потенциала анода) ток в анодной цепи быстро уменьшается и в дальнейшем прекращается, т.е. вакуумный диод обладает односторонней проводимостью, что позволяет применять его в качестве выпрямителя.