ИЗУЧЕНИЕ ТЕРМОЭЛЕКТРОННОЙ ЭМИССИИ И ОПРЕДЕЛЕНИЕ РАБОТЫ ВЫХОДА ЭЛЕКТРОНА ИЗ ВОЛЬФРАМА.

Цель работы: изучение явления термоэлектронной эмиссии и его использование в электронных лампах; исследование зависимостей силы анодного тока диода от тока накала катода и от анодного напряжения.

Приборы и принадлежности: электронная лампа – диод, вольтметр, амперметр, миллиамперметр, два реостата, два однополюсных ключа, источник тока.

ТЕОРЕТИЧЕСКОЕ ВВЕДЕНИЕ.

Свободные электроны (электроны проводимости) в металле находятся в тепловом движении и, как правило, не покидают пределов металла. Внутри металла их удерживают электрические (кулоновские) силы связи с положительно заряженным остовом кристаллической решетки.

Однако наиболее быстродвижущиеся электроны, обладающие достаточно большой кинетической энергией и находящиеся вблизи поверхности металла, могут вырываться из металла в окружающее пространство. При этом они совершают работу как против сил притяжения со стороны положительного заряда, так и против сил отталкивания со стороны ранее вылетевших электронов, образующих вблизи поверхности металла электронное “облако”. Между электронным газом в металле и электронным “облаком” при данной температуре существует динамическое равновесие.

Недостаток электронов в проводнике и их избыток в окружающем его пространстве, образовавшийся в результате вылета части электронов из металла, проявляются только в очень тонком слое вблизи поверхности металла. Толщина этого слоя равна нескольким межатомным расстояниям в металле.

Приближенно можно считать, что поверхность металла представляет собой двойной электрический слой, подобный слою конденсатора с разностью потенциалов между его обкладками ∆φ. Величину ∆φ принято называть поверхностным скачком потенциала. Покинуть пределы металла может лишь электрон, обладающий кинетической энергией, не меньшей величины:

А=е∆φ,

где е - заряд электрона;

Величина А - называется работой выхода электрона из металла.

Она равна наименьшей работе, которую нужно совершить для удаления электронов из металла.

∆φ  – называют потенциалом выхода.

     Работа выхода чаще всего измеряется в электронвольтах (эВ). Работа в 1 эВ численно равна кинетической энергии, приобретаемой электроном при ускорении его в электрическом поле между точками с разностью потенциалов в 1 В.

     Работа выхода различна для различных металлов и зависит от чистоты поверхности металла. Опыт показывает, что работа выхода мало зависит от температуры, поэтому для металла при различных температурах работу выхода можно считать постоянной.

 Явление выхода свободных электронов с поверхности вещества при его нагревании называется термоэлектронной эмиссией. При низких температурах эмиссия мала; при увеличении температуры до 1000-1500 К эмиссия становится значительной.

Явление термоэлектронной эмиссии используется в электронных лампах. Простейшей электронной лампой является двухэлектродная лампа - диод.

Диод представляет собой стеклянный или металлический баллон с впаянными внутрь двумя электродами: анодом и катодом.

Устройство и схематическое изображение диода показаны на рис.1

Для обеспечения свободного движения электронов из баллона L лампы откачен воздух до давления порядка 10 ^-8 мм. рт. ст.

Катод К представляет собой в простейшем случае нить накала, являющуюся источником свободных электронов. В этом случае он называется катодом с прямым накалом.

Анод А лампы обычно выполняется в виде металлического цилиндра из тугоплавкого металла, охватывающего нить накала. Назначение анода - притягивать к себе электроны, испускаемые катодом. Ток, возникающий между катодом и анодом, называется анодным током.

Значительным анодный ток становится при достаточно высокой температуре катода и наличии положительного материала на аноде относительно катода. Разность потенциалов между анодом и катодом называют анодным напряжением (U_a).

Для удобства включения лампы в электрические цепи баллон крепится в цоколе Ц из изолирующего материала, в который впрессованы металлические штырьки Ш. К штырькам припаяны выводы от электродов лампы.

Основным материалом для изготовления катодов служит тугоплавкий металл вольфрам, имеющий температуру плавления около 3400 ˚С. Значительная термоэлектронная эмиссия у вольфрама начинается при температуре порядка 2300 ˚С, что соответствует белому или светло желтому накалу. Ценным качеством вольфрамового катода является постоянство его эмиссии и нечувствительность к перекалу. Однако, разогрев такого катода требует больших затрат энергии. Накал катода может производиться как переменным, так и постоянным током.

Поиски более экономичных источников термоэлектронов привели к созданию так называемых активированных катодов. Активированные катоды из вольфрама или другого тугоплавкого металла, на поверхность которого наносится слой некоторых активных металлов или их окисей, обладающих более низким порогом эмиссии. Такой катод называется подогревным, или катодом с косвенным накалом.

Недостатком активированных катодов является чувствительность к перекалу. Эксплуатация ламп с активированным катодом при температурах, выше рабочих, может привести к испарению активированного слоя и потере катодом эмиссии.

Катод прямого накала можно нагреть от источника постоянного тока. В случае переменного тока накал нити будет меняться с частотой, равной удвоенной частоте, питающего переменного тока, следовательно, эмиссия катода будет пульсировать с той же частотой.

В большинстве современных электронных ламп, предназначенных для работы в устройствах, питаемых от сетей переменного тока, используются катоды косвенного накала.

В современных лампах в качестве катода используется никелевая трубочка, покрытая оксидным слоем. Внутрь трубки помещается нить накала, покрытая слоем особой теплостойкой изоляции из так называемого алунда (окисел алюминия).

Таким образом, нить и катод в лампах с косвенным (подогревным) катодом, отделены друг от друга. Нить служит только для подогрева катода, катод - только для эмиссии. Вследствие массивности катода тепловая инерция его велика. Для нагрева и охлаждения такого катода нужны десятки секунд. Вследствие этого нити накала в лампах с подогревным катодом могут питаться от источника переменного тока.

Конструкция подогревного катода и его схематическое изображение показаны на рис. 2. Если катод и анод соединить вне лампы проводником, то по нему пойдет часть электронов, оседающая на аноде. Это вызовет во внешней цепи слабый ток. Если сообщить аноду некоторый положительный потенциал и тем самым создать электрическое поле между катодом и анодом, то к аноду устремится поток электронов – ток во внешней цепи увеличится. Если накальный ток оставить неизменным, то с увеличением анодного напряжения зависимость анодного тока от анодного напряжения (вольтамперная характеристика) будет иметь вид, представленный на рис. 3. Как видно из графика, начиная от точки. C, где U_a=U_c, I_a=I_c=const, т.е. увеличение анодного напряжения не приводит к увеличению анодного тока. Установившийся при этом максимальный ток называется током насыщения. При токе насыщения число электронов, достигающих анод в единицу времени, равно числу электронов, покинувших катод.

Плотность тока насыщения j_n вычисляется по формуле, известной под названием формулы Ричардсона – Дешмана:

                                   (1)

где А - эмиссионная постоянная, зависящая от материала катода и состояния его поверхности, eΔφ - работа выхода электронов из катода, Т- абсолютная температура катода, к- постоянная Больцмана.

Для увеличения тока насыщения необходимо повысить температуру катода, что достигается увеличением накального тока I_нак, или уменьшить работу выхода электрона из катода (путем замены катода).

В том случае, когда анодный ток далек от насыщения (U_a<<U_c) зависимость анодного тока от анодного напряжения описывается формулой Богуславского-Ленгмюра (“Закон трех вторых”):

                                        (2)

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

Одним из замечательных свойств диода является его односторонняя проводимость. Если подать на анод отрицательный потенциал, то движение электронов к аноду будет тормозиться (задерживаться). При некотором значении U_з отрицательного напряжения на аноде ток в анодной цепи прекратится. Значение этого

U_з  называется задерживающимся напряжением. Односторонняя проводимость диода позволяет использовать его для выпрямления переменного тока. Выпрямленный ток будет пульсирующим.

ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ УСТАНОВКА И МЕТОДИКА ЭКСПЕРИМЕНТА

УПРАЖНЕНИЕ 1

Исследование зависимости силы анодного тока диода от силы тока в цепи накала

1. Собрать цепь, схема которой представлена на рис.4

2. Движок потенциометра R_a установить так, чтобы при включении источника тока напряжение между анодом и катодом было минимальным; движок реостата R - в положении, при котором сопротивление накальной цепи будет максимальным.

     3. Включить источники анодного напряжения ε_a, затем источник U_нак(6,3 В).

4. Перемещением движка потенциометра установить анодное напряжение U_a=50 В.

  5. Постепенно уменьшая сопротивление R, увеличить силу тока накала до 550 мА. При этом записать значения силы анодного тока I_a через каждые 50 мА силы тока накала I_нак, заполняя таблицу 1.

     6. По данным таблицы I построить графическую зависимость анодного тока от тока в цепи накала: I_a = f(I_нак.)

7. Определить погрешность измерения I_a и I_нак., указать на графике доверительные интервалы.

таблица 1

УПРАЖНЕНИЕ 2