Теоретичні відомості. Метали – це речовини, в яких наявна велика кількість (1022 – 1023 см-3) незв’язаних з

Метали – це речовини, в яких наявна велика кількість (10²² – 10²³ см^-3) незв’язаних з атомними ядрами (вільних) електронів провідності. Із підвищенням температури середня енергія вільних електронів збільшується, а деякі з них можуть отримати таку кінетичну енергію, що будуть здатні вийти за межі тіла. Описане явище називають термоелектронною емісією, а роботу, яку виконує при цьому електрон – роботою виходу. В результаті емісії над поверхнею металу виникає електронна атмосфера, а на самій поверхні утворюється шар додатно заряджених йонів. На подолання цього подвійного електричного шару затрачається робота виходу. Лише мізерна доля електронів покидає тіло, тому речовина при емісії не руйнується.

Спостерігати явище термоелектронної емісії найзручніше у вакуумній лампі з двома електродами – вакуумному діоді. Електрод, з якого проходить емісія електронів, називають катодом; другий електрод – анодом. Технічно катод виготовляють у вигляді металевої трубки, всередині якої міститься вольфрамова спіраль (пічка). Пропускаючи струм через спіраль, катод розігрівають до високої температури.

Вакуумний діод під’єднують в електричне коло за схемою рис.1. Напруга U між катодом та анодом деформує електронні атмосфери електродів, внаслідок чого частина електронів перетікає від катода до анода. У випадку, коли катод холодний, струм I настільки малий, що не реєструється міліамперметром.

При нагріванні катода зростає струм I. Якщо б усі електрони, що вириваються з катода, попадали на анод, то сила термоелектронного струму I не залежала б від прикладеної напруги U. Реально ж це не так. У просторі між катодом та анодом існує створений електронною атмосферою від'ємний просторовий заряд, який екранує зовнішнє електричне поле. Вперше задачу залежності анодного струму I від напруги U теоретично дослідив І.Ленгмюр, який отримав:

I=CU ^3/2. (1)

Тут С – деяка постійна. Ця формула носить назву закону 3/2 Ленгмюра. Насправді, навіть при нульовій анодній напрузі, анодний струм ще протікає. Вираз (1) можна дещо модифікувати:

І=С (U–U ₃)^3/2. (2)

Залежність (2) описує вольтамперну характеристику (ВАХ) вакуумного діода набагато краще, ніж (1). Наявність напруги U ₃ пов'язана з ненульовою абсолютною температурою електронної атмосфери.

Анодний струм не може зростати необмежено. Існує деяка гранична густина j_s струму з поверхні катода – емісійна здатність – яка залежить від його температури та матеріалу. Теоретичні дослідження емісійної здатності виконав О.В.Річардсон. Він показав, що

, (3)

де Т – абсолютна температура катода, а b – робота виходу електро­нів з матеріалу катода. Коефіцієнт А однаковий для всіх металів. Робота виходу в тугоплавких металів (W, MО, Pt) відносно велика (b > 4eB), тому для досягнення більш-менш задовільних струмів емісії, катоди з таких матеріалів необхідно нагрівати до високих температур (t > 2200°С).

На практиці важливо знизити температуру t катода. З цією метою використовують оксидні катоди. За спеціальною технологією (проміжною ланкою якої є оксиди) залізно-нікелеву основу катода покривають моноатомним шаром лужноземельних металів, робота виходу в яких мала. Таким способом вдається знизити робочу температуру t катодів нижче 800°С. Більше того, розрахункова емісійна здатність оксидних катодів на два порядки вища, ніж у вольфрамових. (Реально ж оксидні катоди руйнуються раніше, ніж досягається значення j_s).

Крім електровакуумних діодів на практиці використовують інші типи ламп. Назвемо декілька з них. Тріод – лампа з трьома електродами. Вона містить катод, анод та керуючу сітку. Тетрод – лампа з чотирма електродами. Окрім керуючої сітки, як у тріода, вона має ще додаткову екранну сітку. Однією з найдосконаліших ламп є пентод, в якої три сітки: керуюча, екранна та антидинатронна. Будують лампи із більшою кількістю сіток. Є електровакуумні лампи спеціального призначення. Наприклад, магнетрон – для генерування коливань надвисокої частоти, кінескоп – для створення зображень у телевізорах та інші.

ВАХ вакуумного діода нелінійна, тобто не підпорядкована закону Ома. Локально ж, для кожної точки ВАХ, вводять диференціальну залежність між змінами напруги та струму:

. (4)

Значення R_i називають диференціальним внутрішнім опором.

Ефект односторонньої провідності вакуумного діода використо­вують при випрямленні змінних струмів.

Записуючи вираз (2) послідовно для двох точок { I₁, U₁ } і { I₂, U₂ } ВАХ, обчислимо:

де . (5)

Знаючи U ₃, із термодинамічного співвідношення:

, (6)

де е = 1,6×10^-19 Кл– елементарний заряд, а k =1,38×10^-23 Дж/К – стала Больцмана, можна оцінити температуру T_е електронної атмосфери біля поверхні катода.

Дата добавления: 2015-10-23