 |
 |
|
 |
|
|
ТЕРМОЭЛЕКТРОННАЯ ЭМИССИЯ |
| Большая советская энциклопедия (БЭС) |
Ричардсона эффект, испускание электронов нагретыми телами (твёрдыми, реже — жидкостями) в вакуум или в различные среды. Впервые исследована О. У. Ричардсоном в 1900— 1901. Т. э. можно рассматривать как процесс испарения электронов в результате их теплового возбуждения. Для выхода за пределы тела (эмиттера) электронам нужно преодолеть Потенциальный барьер у границы тела; при низких температурах тела количество электронов, обладающих достаточной для этого энергией, мало; с увеличением температуры их число растет и Т. э. возрастает (см. Твёрдое тело).
Главной характеристикой тел по отношению к Т. э. является величина плотности термоэлектронного тока насыщения jo (рис. 1) при заданной температуре. При Т. э. в вакуум однородных (по отношению к работе выхода (См. Работа выхода)) эмиттеров в отсутствии внешних электрических полей величина j0 определяется формулой Ричардсона — Дэшмана:
0158464996.tif
. (1)
Здесь А — постоянная эмиттера (для металлов в модели свободных электронов Зоммерфельда: А = А0 = 4ek2m/h3 = 120,4 а/К2см2, где е — заряд электрона, m — его масса, k — Больцмана постоянная, h — Планка постоянная), Т — температура эмиттера в К, r — средний для термоэлектронов разных энергий коэффициент отражения от потенциального барьера на границе эмиттера; e — работа выхода. Испускаемые электроны имеют Максвелла распределение начальных скоростей, соответствующее температуре эмиттера.
При Т. э. в вакуум электроны образуют у поверхности эмиттера объёмный заряд, электрическое поле которого задерживает электроны с малыми начальными скоростями. Поэтому для получения тока насыщения между эмиттером (катодом) и коллектором электронов (анодом) создают электрическое поле, компенсирующее поле объёмного заряда. На рис. 1 показан вид вольтамперной характеристики вакуумного диода с термоэлектронным катодом. Плотность тока насыщения j0 достигается при разности потенциалов V0, величина которой определяется Ленгмюра формулой (См. Ленгмюра формула). При V < V0 ток ограничен полем объёмного заряда у поверхности эмиттера. Слабое увеличение j при V > V0 связано с Шотки эффектом. Рис. 1 показывает, что термоэлектронный ток может протекать и в отсутствии внешних эдс. Это указывает на возможность создания вакуумных термоэлектронных преобразователей тепловой энергии в электрическую. Во внешних электрических полях с напряжённостью Е 106— 107 в/см к Т. э. добавляется Туннельная эмиссия и Т. э. переходит в термоавтоэлектронную эмиссию.
Величину для металлов (См. Металлы) и собственных полупроводников (См. Полупроводники) можно считать линейно зависящей от Т в узких интервалах температур T вблизи выбранного T0: (T) = (T0) + (T— T0), где — температурный коэффициент в рассматриваемом интервале температур T. В этом случае формула (1) может быть написана в виде:
j0 = ApT2 ехр (— ер/кТ), (2)
где Ap= А (1—r) ехр (—e/k) называется ричардсоновской постоянной эмиттера (однородного по отношению к работе выхода); ер = (Т0) — T0; е0 называется ричардсоновской работой выхода. Так как в интервале температур от Т = 0 до Т = Т0 не сохраняет постоянной величины, то ричардсоновская работа выхода отличается от истинной работы выхода электронов при температуре Т = 0 К. Величины Ap и ер находят по прямолинейным графикам зависимости: In (j0/T2) = f (1/T) (графикам Ричардсона). У примесных полупроводников зависимость (T) более сложная, и формула для j0 отличается от (2).
Чтобы исключить входящие в формулу (1) неизвестные для большинства эмиттеров величины А и r, зависящие не только от материала эмиттера, но и от состояния его поверхности (определяются экспериментально), формулу приводят к виду:
j = A0T2exp [—eпт (Т)/кТ]. (3)
Работа выхода епт (Т) мало отличается по величине от истинной работы выхода эмиттера e(T), но легко определяется по измеренным величинам j0 и Т; её называют работой выхода по полному току эмиссии. Величина епт (Т) является единственной характеристикой термоэмиссионных свойств эмиттера, и её знания достаточно для нахождения j0(T) (рис. 2).
Однородными по эмиттерами являются грани идеальных монокристаллов как чистые, так и покрытые однородными плёнками др. вещества. Большинство употребляемых в практике эмиттеров не однородны, а состоят из «пятен» с различными (эмиттеры поликристаллического строения; со структурными дефектами; двухфазные плёночные и др.). Контактные разности потенциалов (См. Контактная разность потенциалов) между пятнами приводят к появлению над эмиттирующей поверхностью контактных полей пятен. Эти поля создают дополнительные барьеры для эмиссии электронов с пятен, где работа выхода меньше, чем средняя по поверхности, и вызывают аномальный эффект Шотки. Для описания Т. э. неоднородных эмиттеров в формулу (1) вводят усреднённые эмиссионные характеристики.
Для получения токов больших плотностей, постоянных во времени, требуются эмиттеры с малыми и с большими теплотами испарения (См. Теплота испарения) материала; в ряде случаев к термоэлектронным эмиттерам предъявляются специальные требования (химическая пассивность, коррозионная стойкость и др.). Высокой термоэмиссионной способностью обладают так называемые эффективные катоды (оксиднобариевые, оксидноториевые, гексабориды щелочноземельных и редкоземельных металлов и др.) и некоторые металлоплёночные катоды (например, тугоплавкие металлы с плёнкой щелочных, щёлочноземельных и редкоземельных металлов).
Т. э. лежит в основе действия многих электровакуумных и газоразрядных приборов и устройств.
Лит.: Рейман А. Л., Термоионная эмиссия, пер. с англ., М.— Л., 1940; Гапонов В. И., Электроника, т. 1, М., 1960; Добрецов Л. Н., Гомоюнова М. В., Эмиссионная электроника, М., 1966; Кноль М., Эйхмейер И., Техническая электроника, пер. с нем., т. 1, М., 1971; Херинг К., Николье М., Термоэлектронная эмиссия, пер. с англ., М., 1950; 3андберг Э. Я., Ионов Н. И., Поверхностная ионизация, М., 1969; Фоменко В. С., Эмиссионные свойства материалов, К., 1970.
Э. Я. Зандберг.
0206710501.tif
Рис. 1. Зависимость плотности тока j термоэлектронного тока от разности потенциалов V, приложенной между эмиттером и коллектором электронов (вольтамперная характеристика).
0251802020.tif
Рис. 2. Плотность термоэлектронного тока насыщения при различных температурах и работах выхода e, определяемых по полному току термоэлектронной эмиссии.
|
| Мультимедийная энциклопедия |
| испускание электронов нагретой поверхностью. Еще до 1750 было известно,
что вблизи нагретых твердых тел воздух теряет свое обычное свойство
плохого проводника электричества. Однако причина этого явления оставалась
неясной до 1880-х годов. В ряде опытов, проведенных в период 1882-1889,
Ю.Эльстер и Г. Гейтель установили, что при пониженном давлении окружающего
воздуха раскаленная добела металлическая поверхность приобретает
положительный заряд. Об аналогичных наблюдениях упоминалось в патентной
заявке Т. Эдисоном (1883); он ввел электрод в одну из своих первых ламп
накаливания и обнаружил, что между ее нитью и электродом происходит
перенос электрического заряда. Этот "эффект Эдисона", как его иногда
называют, лег в основу британского патента (1905) Дж.Флеминга на "прибор
для преобразования переменного тока в постоянный" - первую электронную
лампу, открывшую век электроники. То, что данное явление связано с
испусканием электронов (отрицательно заряженных частиц), продемонстрировал
в 1890 Дж. Томсон.
Теорию термоэлектронной эмиссии разработал в 1902 О.Ричардсон; в более
позднем ее варианте ток с единицы поверхности нагретого металла,
находящейся при однородной абсолютной температуре Т, определяется формулой
где А - постоянный множитель, k - постоянная Больцмана, а W - работа
выхода, характерная для данного металла, но зависящая от состояния его
поверхности; она равна минимальной энергии, необходимой для удаления
электрона с поверхности металла. В 1927 С.Дэшман вывел формулу Ричардсона
на основе квантовой механики и установил, что множитель A имеет вид
где m и e - масса и заряд электрона, а h - постоянная Планка. На практике
величина А может заметно отличаться от даваемой этой формулой, если не
обеспечено строгое выполнение условий, при которых выведена последняя.
Так, если испускающая электроны поверхность не идеально однородна, на ней
будут "пятна" с температурой, превышающей среднюю. Эмиссия электронов из
этих "пятен" более интенсивна, и полный ток может оказаться гораздо больше
теоретического для идеального случая.
Эмиссия электронов остается незначительной, пока Т не достигнет значения
W/k. Поэтому в целях снижения потерь тепла и расхода энергии большие
усилия были направлены на создание поверхностей с возможно более низкой
работой выхода. В современных электронных лампах почти всегда применяются
оксидные катоды, в которых достигается оптимальный компромисс между низкой
работой выхода, стоимостью, долговечностью и механической прочностью.
См. также
<<ЭЛЕКТРОВАКУУМНЫЕ И ГАЗОРАЗРЯДНЫЕ ПРИБОРЫ>>.
ЛИТЕРАТУРА
Херинг К., Никольс М. Термоэлектронная эмиссия. М., 1950
Фоменко В.С. Эмиссионные свойства материалов. Киев, 1970 |
| Научнотехнический Энциклопедический Словарь |
| ТЕРМОЭЛЕКТРОННАЯ ЭМИССИЯ, «испарение» ЭЛЕКТРОНОВ с поверхности вещества при его нагреве. |
|
|
|
|
|
|
|
|
 |
|
 |
|
|
