28. Работа выхода электронов из металла, явление термоэлектронной эмиссии на примере вакуумного диода.

Как показывает опыт, свободные электроны при обычных температурах практически не покидают металл. Следовательно, в поверхностном слое металла должно быть задерживающее электрическое поле, которое препятствует выходу электронов из металла. Оно возникает вследствие притяжения между электронами и положительными ионами решетки: электроны при своем движении внутри металла вылетают за пределы его границы (на расстояния атомных размеров) и создают над поверхностью металла «электронное» облако, которое вместе с наружным слоем положительных ионов образуют двойной электрический слой.

Поле этого слоя подобно полю конденсатора

Р аспределение потенциальной энергии электрона имеет вид потенциальной ямы

Δφ − разность потенциалов в поверхностном слое или поверхностный скачок потенциала

Наименьшая энергия, которую необходимо сообщить электрону, чтобы удалить его из металла в вакуум, называется работой выхода. Авых = е Δφ

Авых зависит от химической природы металлов, от чистоты их поверхности. По порядку величины составляет несколько эВ

Чтобы электроны могли покинуть металл, им необходимо сообщить энергию больше Авых. Явление испускания электронов металлами называют электронной эмиссией

В зависимости от способа сообщения энергии различают:

1. Термоэлектронную эмиссию − испускание электронов нагретыми телами

2. Фотоэлектронную эмиссию − испускание электронов под действием света

3. Автоэлектронную эмиссию (холодную эмиссию) − под действием сильного внешнего поля

4. Явление термоэлектронной эмиссии (используется в электронных лампах)

Рассмотрим закономерности этого явления на примере вакуумного диода

Если катод нагреть, пропуская ток через нить накала, и постепенно увеличивать напряжение между анодом и катодом лампы, то анодный ток будет увеличиваться, пока не достигнет насыщения

Вольт-амперные характеристики диода при различной температуре катода

Iнас − ток насыщения ( характеризует эмиссионную способность металла, зависит от Т катода)

Как видно из графика, вольт-амперная характеристика диода нелинейная

Вакуумный диод − это пример проводника, который не подчиняется закону Ома в области малых напряжений.

Зависимость анодного тока от анодного напряжения в области малых напряжений описывается законом трёх вторых − законом Богуславского - Лэнгмюра , где В − коэффициент, зависящий от формы и размеров электродов, а также от их взаимного расположения

Движение электрических зарядов в вакууме называют током в вакууме.

Если ввести в лампу дополнительный электрод − сетку, то, изменяя потенциал на сетке, можно управлять анодным током. Можно запирать лампу − это выпрямитель, можно усиливать ток − это усилитель.

Одно из следствий теории термоэлектронной эмиссии − контактная разность потенциалов

Она возникает при контакте двух разных металлов (с различными работами выхода). Несмотря на то, что она мала, её необходимо учитывать при различных точных измерениях.

ЭДС цепи, составленной из какого угодно числа разнородных проводников при неодинаковой температуре контактов не равна 0. Это явление называют термоэлектричеством (термо-ЭДС) или явлением Зеебека